本发明涉及微波滤波器技术领域，特别涉及一种中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器。
背景技术：
滤波器是无线通信系统中最常用的无源器件，特别是带通滤波器，只允许通带以内的信号通过，而滤除带外无用的干扰信号，这对于确保通信设备的良好接收具有重要的意义。可调滤波器等价于多个不同频率滤波器的组合。例如在软件自定义的数字射频系统中，可调滤波器被用来取代大型的滤波器组，从而大大地节省安装成本和空间；另外，为了提高重构信号的准确性和效率，对可调窄带滤波器的选择性、损耗以及恒定带宽都提出了更高的研发要求。因此开展关于低损耗、高选择性且绝对带宽恒定的可调带通滤波器的深入研究，具有重要的理论意义和应用价值。
一直以来可调滤波器的设计主要集中在平面基板和腔体结构，具有较大尺寸，不适合电路集成，而体积缩小技术中，通过采用低温共烧陶瓷工艺(ltcc)，将线路置于陶瓷体内部，其内部电路为叠层式排布能够极大减小电路尺寸，但目前通过ltcc技术设计的滤波器大多为固定式，可调滤波器结构很少。
因此，有必要提供一种中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决以上问题，提供一种中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器，相比目前绝对带宽固定的可调滤波器具有较小的体积，在实际滤波器频率调谐过程中操作简单，可集成性强。
本发明采用的技术方案是：
一种中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器，包括五个外部端口和内部滤波结构，五个外部端口分别为两个对称分布的输入、输出端口，一个频率调谐端口以及两个接地端口。
内部滤波结构从下至上依次包括九层金属层；
第一层包括八块金属焊盘，以焊接的各种集总元件；各种集总元件包括两个0402电阻r1-r2，两个0402电容c11-c6和两个变容二极管tuning_c1-tuning_c2。焊盘1-3、1-7通过金属柱与第三层的微带线连接；焊盘1-1、1-5为短路状态，通过金属柱与第三层的微带线连接；焊盘1-4、1-8通过金属柱与第二层地面连接；焊盘1-2、1-3之间与焊盘1-6、1-7之间分别焊接0402电容c11、c6；焊盘1-1、1-2之间与焊盘1-5、1-6之间分别焊接0402电阻r1、r2；焊盘1-2、1-4之间与焊盘1-6、1-8之间分别焊接一个可调电容tuning_c1、tuning_c2。
第二层为地面，包括第一金属贴片2-1，第一金属贴片2-1为方形金属块的对应两边边缘开有轴对称的第一l型槽2-2，且在两第一l型槽间开有两个轴对称的第一通孔2-3；
第三层为高阻抗微带线，包括三条微带线；第一微带线3-1与第二微带线3-2轴对称，第三微带线3-3与第一微带线、第二微带线均垂直设置，且留有空隙。第一微带线为凵结构，且两臂高度不一致，其中靠近第三微带线的一臂高度低于远离第三微带线的另一臂高度。第二微带线与第一微带线结构尺寸一致。第一、二微带线的开口朝向相反。第一微带线的较低臂端与第一层焊盘1-3(即电容的一端)的一端通过金属柱穿过第一通孔2-3连接。第二微带线的较低臂端与第一层焊盘1-7(即电容的一端)的一端通过金属柱穿过第一通孔2-3连接。第三微带线的两端分别与第一层焊盘1-1、1-5通过金属柱穿过第一l型槽2-2连接。
第四层为地面，包括第二金属贴片4-1，第二金属贴片4-1为方形金属块的两对应边其中一边中心开有第二矩形槽4-3，另一边开有第二l型槽4-2；方形金属块的第三边开有两个第二通孔4-4；
第五层为低阻抗微带线，包括两条轴对称的第四、五微带线5-1、5-2。第四微带线5-1为两臂高度不一致的凵结构，其中靠近第五微带线的一臂高度低于远离第五微带线的另一臂高度。第五微带线5-2与第四微带线结构尺寸一致。第四、五微带线的开口朝向一致。第四微带线的一端与第三层第一微带线的较高臂端通过金属柱穿过第二通孔4-4连接。第五微带线的一端与第三层第二微带线的较高臂端通过金属柱穿过第二通孔4-4连接。
第五层第四、五微带线、第三层第一、二微带线、第一层的电容c11、c6、可调电容tuning_c1、tuning_c2以及连接它们的金属柱分别构成两个谐振器。
调节第三层第一、二微带线的间距可以控制磁耦合强弱，调节第五层第四、五微带线的间距可以控制电耦合强弱。
第三层与第四层的距离大于第五层与第四层的距离。
第六层包括两条轴对称的第六、七微带线6-1、6-2；第六微带线为两臂高度不一致的凵结构，其开口与第四微带线开口朝向相同，但其较低臂的高度大于第四微带线较低臂的高度，较高臂的高度与第四微带线较高臂的高度一致。第七微带线与第六微带线结构尺寸一致。
其中第六微带线与第四微带线通过金属柱连接，相互耦合形成输入端耦合电容；第七微带线与第五微带线通过金属柱连接，相互耦合形成输出端耦合电容；通过改变第六、七微带线的间距可以控制源负载耦合大小。
第七层包括两条轴对称的第八、九l型微带线7-1、7-2。第八、九l型微带线的一端通过金属柱分别与第六层第六、七微带线连接；另一端变宽设置。
第八层为地面，包括第三金属贴片8-1，第三金属贴片8-1为方形金属块的两对应边其中一边中心开有第三矩形槽8-3，另一边开有第三l型槽8-2；第三矩形槽、第三l型槽与第四层第二矩形槽、第二l型槽结构相同。
作为优选，上述槽与通孔的位置均根据内部电路连接关系确定。
第九层包括五个焊盘9-1至9-5，与第一层相应部分组成五个外接端口。焊盘9-2通过其侧边与第七层第八l型微带线变宽端连接封口作为输入端口；焊盘9-5通过其侧边与第七层第九l型微带线变宽端连接封口作为输出端口；焊盘9-3通过其侧边与第一层接地焊盘1-9连接封口作为接地端口；焊盘9-4与第三层第三微带线3-3通过金属柱连接，并通过其侧边与第一层焊盘1-5连接封口作为频率控制端口；焊盘9-1通过其侧边、金属柱与内部地面(第二或四或八层)连接作为接地端口。
本发明的另一个目的是提供上述滤波器的仿真方法。
为了实现绝对带宽固定的可调滤波器，需要对耦合系数k和外部q值qe进行仿真。全极点切比雪夫滤波器在设计带宽和回波损耗不变的情况下，改变设计中心频率，耦合矩阵不变，即mij，ms1，mnl，(i，j＝1，2，3…n，i≠j)，均为常数。
耦合系数k的仿真：
k＝mij*fbw，
仿真过程：
1、将变容二极管的可调范围分为n等份，分别为cx1，cx2，cx3，…cxn。其中n为自然数且n≥2，n越大精度越高。改变电容值可改变中心频率。
2、计算理论|fe-fo|值，并做出|fe-fo|参数相比不同电容值cx1，cx2，cx3，…cxn的理想|fe-fo|参数曲线，该曲线为直线。
3、依次设置变容二极管tuning_c1和tuning_c2的电容值为cx1，cx2，cx3，…cxn，两个变容二极管容值相等，仿真得到|fe-fo|值设为bw1，bw2，bw3，…bwn。
4、画出仿真的|fe-fo|参数相比不同电容值cx1，cx2，cx3，…cxn的仿真|fe-fo|参数曲线，与理想|fe-fo|参数曲线做对比。
5、若仿真|fe-fo|参数曲线明显偏离理想|fe-fo|参数曲线，则改变第三层中第一微带线3-1与第二微带线3-2，两臂的高度，微带线长度，两微带线间距，改变第五层中第四、五微带线5-1、5-2，两臂的高度，微带线长度和两微带线间距，然后重新执行步骤(3)、(4)、(5)。
6、若仿真|fe-fo|参数曲线在理想|fe-fo|参数曲线上下波动，则取仿真|fe-fo|参数曲线中最大值和最小值为bwmax和bwmin，计算|bwmax-bwmin|是否在要求范围内(例如本发明要求|bwmax-bwmin|≤10mhz)，如果|bwmax-bwmin|＞10mhz，则改变第三层中第一微带线3-1与第二微带线3-2，两臂的高度，微带线长度，两微带线间距，改变第五层中第四、五微带线5-1、5-2，两臂的高度，微带线长度和两微带线间距，然后重新执行步骤(3)、(4)、(5)、6。如果|bwmax-bwmin|≤10mhz则仿真结束。
外部q值的qe的仿真：
仿真过程：
1、将变容二极管的可调范围分为n等份，分别为cx1，cx2，cx3，…cxn。其中n为自然数且n≥2，n越大精度越高。改变电容值可改变中心频率。
2、计算理论t值，并做出t参数相比不同电容值cx1，cx2，cx3，…cxn的理想t参数曲线。该曲线为直线。
3、依次设置变容二极管tuning_c1和tuning_c2的电容值为cx1，cx2，cx3，…cxn，两个变容二极管容值相等，仿真得到t参数值设为t1，t2，t3，…tn。
4、画出仿真的t参数相比不同电容值cx1，cx2，cx3，…cxn的仿真t参数曲线，与理想t参数曲线做对比。
5、若仿真t参数曲线明显偏离理想t参数曲线，则改变第六层中第六、七微带线6-1、6-2，两臂的高度，微带线长度，两微带线间距，改变第七层第八、九l型微带线7-1、7-2与第六层第六、七微带线的连接位置，然后重新执行步骤(3)、(4)、(5)。
6、若仿真t参数曲线在理想t参数曲线上下波动，则取仿真t参数曲线中最大值和最小值为tmax和tmin，计算|tmax-tmin|是否在要求范围内(例如本发明要求|tmax-tmin|≤2*10-9)，如果|tmax-tmin|＞2*10-9，则改变第六层中第六、七微带线6-1、6-2，两臂的高度，微带线长度，两微带线间距，改变第七层第八、九l型微带线7-1、7-2与第六层第六、七微带线的连接位置，然后重新执行步骤(3)、(4)、(5)、(6)。如果|tmax-tmin|≤2*10-9则仿真结束。
本发明的有益效果如下：
1)本发明采用两层输入耦合结构，在顶层接入屏蔽层的情况下，相比单层结构有更高输入耦合强度。
2)本发明突破以往仿真达到耦合系数k参数随中心频率变化的曲线仿真不准确的缺陷，采用仿真达到|fe-fo|参数随中心频率变化的曲线，该参数的值为常数，该曲线是一条直线，仿真方法更准确。
3)本发明突破以往仿真达到外部q值qe参数随中心频率变化的曲线仿真不准确的缺陷，采用仿真达到群时延参数随中心频率变化的曲线，该参数的值为常数，该曲线是一条直线，仿真方法更准确。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图中标记：接地端口1，输入端口2，接地端口3，输出端口4，频率控制端口5；
图2为本发明各层结构示意图；(1)-(9)分别为第一层至第九层；
图中标记：焊盘1-1至1-9，第一金属贴片2-1，第一l型槽2-2，第一通孔2-3，第一微带线3-1，第二微带线3-2，第一微带线3-3，第二金属贴片4-1，第二l型槽4-2，第二矩形槽4-3，第二通孔4-4，第四微带线5-1，第五微带线5-2，第六微带线6-1，第七微带线6-2，第八微带线7-1，第九微带线7-2，第三金属贴片8-1，第三l型槽8-2，第三矩形槽8-3，焊盘9-1至9-5；
图3为本发明等效电路图；
图4为本发明的s21参数仿真结果，图中tuning_c＝tuning_c1＝tuning_c2；
图5为本发明的s11参数仿真结果，图中tuning_c＝tuning_c1＝tuning_c2。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为整体结构图，端口5为频率控制端口，对该端口施加电压可改变变容二极管的容值，影响谐振频率；端口2为输入端口，端口4为输出端口，端口阻抗均为50欧姆；端口1、3为接地端口；滤波器整体共有9层，尺寸为：4.3mm*4.3mm*1.9mm，ltcc介质基板型号是dupont951，介电常数为7.5，损耗角正切为0.006。所有的金属层选用银材料，第一层至第九层相邻层层间的厚度依次为20μm，50μm，40μm，20μm，10μm，10μm，10μm，10μm。
图2(1)为第一层，具体包括八块金属焊盘，以焊接的各种集总元件；各种集总元件包括两个0402电阻r1-r2，两个0402电容c11-c6和两个变容二极管tuning_c1-tuning_c2。焊盘1-3、1-7通过金属柱与第三层的微带线连接；焊盘1-1、1-5为短路状态，通过金属柱与第三层的微带线连接；焊盘1-4、1-8通过金属柱与第二层地面连接；焊盘1-2、1-3之间与焊盘1-6、1-7之间分别焊接0402电容c11、c6；焊盘1-1、1-2之间与焊盘1-5、1-6之间分别焊接0402电阻r1、r2；焊盘1-2、1-4之间与焊盘1-6、1-8之间分别焊接一个可调电容tuning_c1、tuning_c2。
图2(2)、2(4)、2(8)分别为第二层、第四层和第八层，其中第四层(18)为地面，第二层(15)和第八层(25)通过金属通孔与地面连接，具有屏蔽功能。
第二层为地面，包括第一金属贴片2-1，第一金属贴片2-1为方形金属块的对应两边边缘开有轴对称的第一l型槽2-2，且在两第一l型槽间开有两个轴对称的第一通孔2-3；
第四层为地面，包括第二金属贴片4-1，第二金属贴片4-1为方形金属块的两对应边其中一边中心开有第二矩形槽4-3，另一边开有第二l型槽4-2；方形金属块的第三边开有两个第二通孔4-4；
第三层与第四层的距离大于第五层与第四层的距离。
第八层为地面，包括第三金属贴片8-1，第三金属贴片8-1为方形金属块的两对应边其中一边中心开有第三矩形槽8-3，另一边开有第三l型槽8-2；第三矩形槽、第三l型槽与第四层第二矩形槽、第二l型槽结构相同。
作为优选，上述槽与通孔的位置均根据内部电路连接关系确定。
图2(3)为第三层，包括三条微带线；第一微带线3-1与第二微带线3-2轴对称的高阻抗微带线，通过金属柱与第五层的微带线连接，组成阶梯阻抗谐振器；第三微带线3-3与第一微带线、第二微带线均垂直设置，且留有空隙。第一微带线为凵结构，对称弯曲分布以减小尺寸，且两臂高度不一致，其中靠近第三微带线的一臂高度低于远离第三微带线的另一臂高度。第二微带线与第一微带线结构尺寸一致。第一、二微带线的开口朝向相反。第一微带线的较低臂端与第一层焊盘1-3(即电容的一端)的一端通过金属柱连接。第二微带线的较低臂端与第一层焊盘1-7(即电容的一端)的一端通过金属柱连接。第三微带线的两端分别与第一层焊盘1-1、1-5通过金属柱连接。
图2(5)为第五层，低阻抗微带线包括两条轴对称的第四、五微带线5-1、5-2。第四微带线5-1为两臂高度不一致的凵结构，其中靠近第五微带线的一臂高度低于远离第五微带线的另一臂高度。第五微带线5-2与第四微带线结构尺寸一致。第四、五微带线的开口朝向一致。第四微带线的一端与第三层第一微带线的较高臂端通过金属柱连接。第五微带线的一端与第三层第二微带线的较高臂端通过金属柱连接。
第五层第四、五微带线、第三层第一、二微带线、第一层的电容c11、c6、可调电容tuning_c1、tuning_c2以及连接它们的金属柱分别构成两个谐振器。
调节第三层第一、二微带线的间距可以控制磁耦合强弱，调节第五层第四、五微带线的间距可以控制电耦合强弱。
图2(6)为第六层，包括两条轴对称的第六、七微带线6-1、6-2；第六微带线为两臂高度不一致的凵结构，其开口与第四微带线开口朝向相同，但其较低臂的高度大于第四微带线较低臂的高度，较高臂的高度与第四微带线较高臂的高度一致。第七微带线与第六微带线结构尺寸一致。
其中第六微带线与第四微带线通过金属柱连接，相互耦合形成输入端耦合电容；第七微带线与第五微带线通过金属柱连接，相互耦合形成输出端耦合电容；通过改变第六、七微带线的间距可以控制源负载耦合大小。
图2(7)为第七层，包括两条轴对称的第八、九l型微带线7-1、7-2，微带线的其中一端。第八、九l型微带线的一端通过金属柱分别与第六层第六、七微带线连接；另一端变宽设置分别接输入端口或输出端口。通过改变第八、九l型微带线7-1、7-2与第六层第六、七微带线的连接位置，可以控制外部q值大小。
图2(8)为第九层，包括五个焊盘9-1至9-5，与第一层相应部分组成五个外接端口。焊盘9-2通过其侧边与第七层第八l型微带线变宽端连接封口作为输入端口；焊盘9-5通过其侧边与第七层第九l型微带线变宽端连接封口作为输出端口；焊盘9-3通过其侧边与第一层接地焊盘1-9连接封口作为接地端口；焊盘9-4与第三层第三微带线3-3通过金属柱连接，并通过其侧边与第一层焊盘1-5连接封口作为频率控制端口；焊盘9-1通过其侧边与通过金属柱与内部地面(第二或四或八层)连接作为接地端口。
图3为本发明的等效电路图。其中c3和c8分别代表输入和输出耦合电容。c4、l1、c1和l3组成了与输入端耦合的高低阻抗线谐振器的等效电路。c5、l2、c10和l4组成了与输出端耦合的高低阻抗线谐振器的等效电路。c9代表两谐振器间电耦合，lm代表两谐振器间磁耦合，通过调整第五层微带线间距可以改变c9的大小，通过调整第三层微带线间距可以改变lm的大小。r1、r2、c11、c6、tuning_c1和tuning_c2，均为第一层的集总元件，其中c11和c6为隔直电容，r1和r2为电阻，tuning_c1和tuning_c2是型号为smv1405的可调电容。p3为频率控制端口，通过输入不同大小的直流电压可以改变tuning_c1和tuning_c2的值，达到调谐频率的目的。p1为信号输入端口，p2为信号输出端口，端口阻抗均为50欧姆。
通过采用上述技术方案，本发明设计了一个中心频率调节范围为2.865ghz至3.315gh，绝对带宽固定为450mhz，具有三个传输零点的ltcc带通滤波器，其设计的尺寸仅为4.3mm*4.3mm*1.9mm；从图4和图5中可以看出，滤波器通带内的插入损耗小于2.1db，回波损耗大于15db；上边带20db处带外抑制为0.922*f0，可以满足一些市场产品的技术指标。
1.中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器，其特征在于包括五个外部端口和内部滤波结构；
内部滤波结构从下至上依次包括九层金属层：
第一层包括八块金属焊盘，以焊接的各种集总元件；各种集总元件包括两个电阻r1、r2，两个电容c11、c6和两个变容二极管tuning_c1、tuning_c2；焊盘(1-3)、(1-7)通过金属柱与第三层的微带线连接；焊盘(1-1)、(1-5)为短路状态，通过金属柱与第三层的微带线连接；焊盘(1-4)、(1-8)通过金属柱与第二层地面连接；焊盘(1-2)、(1-3)之间与焊盘(1-6)、(1-7)之间分别焊接电容c11、c6；焊盘(1-1)、(1-2)之间与焊盘(1-5)、(1-6)之间分别焊接电阻r1、r2；焊盘(1-2)、(1-4)之间与焊盘(1-6)、(1-8)之间分别焊接一个可调电容tuning_c1、tuning_c2；
第二层为地面，包括第一金属贴片(2-1)，第一金属贴片(2-1)为方形金属块的对应两边边缘开有轴对称的第一l型槽(2-2)，且在两第一l型槽间开有两个轴对称的第一通孔(2-3)；
第三层为高阻抗微带线，包括三条微带线；第一微带线(3-1)与第二微带线(3-2)轴对称，第三微带线(3-3)与第一微带线、第二微带线均垂直设置，且留有空隙；第一微带线为两臂高度不一致的凵结构，第一、二微带线的开口朝向相反；第一微带线的较低臂端与第一层焊盘(1-3)的一端通过金属柱穿过第一通孔(2-3)连接；第二微带线的较低臂端与第一层焊盘(1-7即电容的一端)的一端通过金属柱穿过第一通孔(2-3)连接；第三微带线的两端分别与第一层焊盘(1-1)、(1-5)通过金属柱穿过第一l型槽(2-2)连接；
第四层为地面，包括第二金属贴片(4-1)，第二金属贴片(4-1)为方形金属块的两对应边其中一边中心开有第二矩形槽(4-3)，另一边开有第二l型槽(4-2)；方形金属块的第三边开有两个第二通孔(4-4)；
第五层为低阻抗微带线，包括两条轴对称的第四、五微带线(5-1)、(5-2)；第四微带线(5-1)为两臂高度不一致的凵结构，第四、五微带线的开口朝向一致；第四微带线的一端与第三层第一微带线的较高臂端通过金属柱穿过第二通孔(4-4)连接；第五微带线的一端与第三层第二微带线的较高臂端通过金属柱穿过第二通孔(4-4)连接；
第六层包括两条轴对称的第六、七微带线(6-1)、(6-2)；第六微带线为两臂高度不一致的凵结构，其开口与第四微带线开口朝向相同；其中第六微带线与第五层第四微带线通过金属柱连接，相互耦合形成输入端耦合电容；第七微带线与第五微带线通过金属柱连接，相互耦合形成输出端耦合电容；
第七层包括两条轴对称的第八、九l型微带线(7-1)、(7-2)；第八、九l型微带线的一端通过金属柱分别与第六层第六、七微带线连接；另一端变宽设置；
第八层为地面，包括第三金属贴片(8-1)，第三金属贴片(8-1)为方形金属块的两对应边其中一边中心开有第三矩形槽(8-3)，另一边开有第三l型槽(8-2)；
第九层包括五个焊盘(9-1)至(9-5)；焊盘(9-2)通过其侧边与第七层第八l型微带线变宽端连接封口作为输入端口；焊盘(9-5)通过其侧边与第七层第九l型微带线变宽端连接封口作为输出端口；焊盘(9-3)通过其侧边与第一层接地焊盘(1-9)连接封口作为接地端口；焊盘(9-4)与第三层第三微带线(3-3)通过金属柱连接，并通过其侧边与第一层焊盘(1-5)连接封口作为频率控制端口；焊盘(9-1)通过其侧边、金属柱与内部地面(第二或四或八层)连接作为接地端口。
2.如权利要求1所述的中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器，其特征在于第三层第一微带线靠近第三微带线的一臂高度低于远离第三微带线的另一臂高度；第五层第四微带线靠近第五微带线的一臂高度低于远离第五微带线的另一臂高度；第六层第六微带线较低臂的高度大于第四微带线较低臂的高度，较高臂的高度与第四微带线较高臂的高度一致。
3.如权利要求1-2任一所述的中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器，其特征在于第五层第四、五微带线、第三层第一、二微带线、第一层的电容c11、c6、可调电容tuning_c1、tuning_c2以及连接它们的金属柱分别构成两个谐振器。
4.如权利要求1-3任一所述的中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器，其特征在于调节第三层第一、二微带线的间距可以控制磁耦合强弱，调节第五层第四、五微带线的间距可以控制电耦合强弱。
5.如权利要求1-4任一所述的中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器，其特征在于通过改变第六、七微带线的间距可以控制源负载耦合大小。
6.如权利要求1-5任一所述的中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器，其特征在于第三矩形槽、第三l型槽与第四层第二矩形槽、第二l型槽结构相同。
7.基于权利要求1-6任一所述的中心频率可调绝对带宽固定的ltcc滤波器的仿真方法，其特征在于仿真不同中心频率下|fe-fo|参数和群时延t参数，使两个参数在中心频率调谐过程中满足设定的常数值。
技术总结