CN101490898A - 低损耗可调射频滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可调RF滤波器。该滤波器包括：具有输入端和输出端的信号传输通道、沿在输入端和输出端之间的信号传输通道布置的多个谐振元件、以及连接谐振元件的多个非谐振元件。谐振元件被连接在一起以形成具有与谐振元件的各个频率相对应的多个传输零点的阻带、以及在传输零点之间的至少一个子带。非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于在阻带内选择性地引入至少一个反射零点以在一个子带中产生通带。可变非谐振元件可被配置为沿阻带移置反射零点以在子带内或所选取的子带内选择性地移动通带。

Description

低损耗可调射频滤波器
技术领域
本发明总体上涉及微波电路，具体地，涉及微波带通滤波器。
背景技术
在电信号的处理中长期使用滤波器。具体地，这种滤波器用于在阻断或衰减其他不期望的电信号频率的同时，通过使所期望的信号频率通过来从输入信号中选择期望的电信号频率。可以将滤波器分为表示经滤波器选择性地通过的频率类型的一些常规类别，其包括：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、以及带阻滤波器。此外，可以通过表示滤波器相对于理想频率响应而提供的带状频率响应(频率截止特性)类型的类型，将滤波器分类为诸如巴特沃兹、切比雪夫、逆切比雪夫、以及椭圆。
所使用的滤波器类型通常取决于预期的用途。在通信应用中，在蜂窝式基站和其他电信设备中通常使用带通滤波器，以滤除或阻断在大约一个或多个预定带内的RF信号。例如，这种滤波器通常用在接收机前端中，以滤除噪声和其他会损害基站或电信设备中接收机的组件的有害信号。将严格限定的带通滤波器直接设置于接收机天线输入端通常会消除由强干扰信号产生的在接近期望信号频率的频率处的的多种不利影响。由于滤波器位于接收机天线输入端，因此插入损耗必须非常小，以不降低噪声指数。在大多数滤波器技术中，实现低插入损耗要求在滤波器陡度或选择性方面作出相应妥协。
在商业电信应用中，通常期望使用窄带滤波器来滤出最小的可能通带，以能够将固定频谱划分成最大可能数量的频带，从而增加能够适用固定频谱的用户的实际数量。随着无线通信的显著发展，这种滤波应当对日益不利的频谱提供高等级的选择性(区别由小频差分隔的信号的能力)和灵敏度(接收弱信号的能力)。最重要的频率范围是用于模拟蜂窝式通信的800-900MHz频率，以及用于个人通信服务(PCS)的1800-2200MHz范围。
本发明特别关注的是在军事(例如，雷达)、通信、和电子情报(ELINT)、以及商业领域(例如，在包括蜂窝式的各种通信应用中)中对宽范围的微波和RF应用中高品质因子Q(即，测量存储能量的能力，因而反向得出其功耗或损耗)、低插入损耗、可调滤波器的需求。在许多应用中，接收机滤波器必须是可调的，以选择期望的频率或阻挡(trap)干扰信号频率。因此，在接收机中的接收机天线和第一非线性元件(通常为低噪声放大器或混频器)之间引入线性的、可调的、带通滤波器，以在插入损耗非常低的情况下在宽范围的RF微波系统中提供实质优点。
例如，在商业应用中，可以将PCS所使用的1800-2200MHz频率范围分为多个较窄的频带(A-F带)，在任意给定区域中电信运营商仅可以使用这些频带的一个子集。因此，这对于能够被重新配置为利用这些频带的任意所选子集来进行操作的基站和便携单元来说是有利的。作为另一个实例，在雷达系统中，来自“友好的”临近源或来自干扰发射机的大振幅干扰信号可以降低接收机的敏感性或者利用大振幅杂波信号电平进行互调以给出假的目标指示。因此，在高密度信号环境中，雷达警报系统经常会变得完全不能用，在这种情况中，跳频将是有用的。
微波滤波器通常是使用两个电路构件块来构建：多个谐振器，非常有效地存储在一个频率f0处的能量；以及耦合器，耦合在谐振器之间的电磁能以形成多个级或极。例如，四极滤波器可以包括四个谐振器。给定耦合器的强度由其电抗(即，电感和/或电容)来确定。耦合器的相对强度确定滤波器形状，并且耦合器的拓扑结构确定滤波器是执行带通功能还是执行带阻功能。谐振频率f0主要由各个谐振器的电感和电容来确定。对于传统的滤波器设计，滤波器被激活的频率由组成该滤波器的谐振器的谐振频率来确定。由于上述原因，因此每个谐振器必须具有非常低的内部阻抗，以使滤波器的响应能够是精确且高选择性的。这种对低阻抗的要求易于推动给定技术的谐振器的尺寸和成本。
通常，由于传统滤波器的尺寸和成本会随着实现该滤波器所需的谐振器数量而线性增加，所以设计固定频率的滤波器以使实现某种形状所需的谐振器数量最小化。对于半导体装置的情况，与传统的梳状线或电介质滤波器相比，光刻限定的滤波器结构(例如，以高温超导体(HTS)构成的滤波器结构)、微型电机系统(MEMS)、和薄膜体声共振器(FBAR)滤波器对这类尺寸和成本的改变更加不敏感。
现在，用于设计可调滤波器的方法与上述关于固定频率滤波器的方法相同。因此，它们产生了非常高效、有效、且简单的电路，即，它们产生了实现给定的滤波器响应所需的最简单的电路。在现有的调谐技术中，调节滤波器的所有谐振器频率，以调谐该滤波器的频率。例如，如果期望将装置的工作频带增加50MHz，则必须将窄带滤波器的所有谐振器频率都增加50MHz。虽然此现有技术在调节频带方面已大体上成功，但其不可避免地将阻抗引入谐振器中，从而不利地增加了滤波器的插入损耗。
尽管HTS滤波器可以通过机械地移动在滤波器中各个谐振器之上的HTS板改变其谐振频率来进行调谐而不会将大量阻抗引入谐振器中，但是这种技术固有地缓慢(约几秒)并且需要相对较大的三维调谐结构。在所谓的开关滤波器设计中可以减小插入损耗；然而，这些设计在切换时间内仍引入了相当大量的损耗并需要其他谐振器。例如，可以通过提供两个滤波器和一对单刀双掷(SP2T)开关以在滤波器之间进行选择，来减小插入损耗，从而有效地减小调谐范围要求，但使谐振器的数量增加了两倍。可以通过引入更多的开关和滤波器来进一步减小损耗，但每个附加滤波器都将需要与原始滤波器相同数量的谐振器。
因此，存在提供能够快速调谐的具有减小的插入损耗的带通滤波器的需要。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种射频(RF)滤波器。该RF滤波器包括：具有输入端和输出端的信号传输通道、在输入端和输出端之间沿信号传输通道布置的多个谐振元件、以及与谐振元件连接在一起的多个非谐振元件。谐振元件被连接在一起以形成具有与谐振元件的各个频率相对应的多个传输零点的阻带、以及在传输零点之间的至少一个子带。非谐振元件具有使至少一个反射零点位于阻带内以在该至少一个子带的一个子带中产生通带的电纳值。
尽管在一个实施例中可以设置非谐振元件，但在特别有利的实施例中，非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于在阻带内选择性地引入至少一个反射零点以在多个子带中的一个子带中产生通带。可变非谐振元件可以具有例如可调电纳，并且可以包括可变电容器、损耗-损耗开关(loss-loss switch)、变抗器、以及开关电容器中的一个或多个。在一个实施例中，尽管谐振元件可以采用在期望频率处谐振的任意结构形式，但每个谐振元件均包括薄膜集总元件结构(例如，高温超导体(HTS))。
在一个实施例中，可变非谐振元件被配置用于沿阻带移置(多个)反射零点以在一个子带中选择性地移动通带。如果多个子带在传输零点之间，则可变非谐振元件可用于沿阻带移置(多个)反射零点以在多个子带中被选取的子带内产生通带。可选地，或此外，(多个)可变非谐振元件可以用于在阻带内移置至少另一个反射零点以在子带的另一子带内产生另一个通带。在一个实施例中，在选取的子带内，通带具有基本上不同的带宽。尽管本发明不应限于其最宽方面，但通过调节(多个)可变非谐振元件而将通带引入到在从子带内被选取的一个子带内的能力消除或至少最小化了对调节谐振元件的频率的需要，从而降低了由滤波器所引起的插入损耗。
在另一实施例中，RF滤波器还包括至少一个调谐元件，被配置为用于改变至少一个谐振元件的频率。例如，(多个)调谐元件可被配置为用于改变(多个)谐振元件的频率以相对于(多个)反射零点沿阻带移置(多个)谐振元件的每个传输零点。作为另一实例，RF滤波器包括多个调谐元件，被配置为用于改变谐振元件的频率以沿频率范围同时移置阻带与通带。在可选实施例中，RF滤波器包括控制器，被配置为用于生成电信号以调节可变非谐振元件。
根据本发明的第二方面，提供了另一种RF滤波器。该RF滤波器包括具有输入端和输出端的信号传输通道、沿信号传输通道布置的多个节点、分别从多个节点延伸的多个谐振支路、以及分别从多个节点延伸的多个非谐振支路。该RF滤波器进一步包括：多个谐振元件，分别连接到谐振支路；多个非谐振元件，其中一些非谐振元件分别连接到非谐振支路；多个传输零点，对应于谐振元件的谐振频率；以及至少一个反射零点，形成在传输零点之间以产生通带。
在一个实施例中，非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于相对于传输零点选择性地移置反射零点。在另一实施例中，多个传输零点包括至少两个的传输零点。在其他实施例中，尽管谐振元件可以采用在期望频率处谐振的任意结构的形式，但每个谐振元件均包括薄膜集总元件结构(例如，高温超导体(HTS))。
根据本发明的第三方面，提供了一种对具有限定调谐范围的阻带的RF滤波器进行调谐的方法。该方法包括：将RF滤波器从第一频率配置改变为第二频率配置。当在第一频率配置中时，RF滤波器在调谐范围内具有第一组通带特性，而当在第二频率配置中时，RF滤波器在阻带的调谐范围内具有不同的第二组通带特性。作为非限制实例，第一和第二通带特性具有不同的中心频率、不同的带宽、和/或不同数量的不相邻通带。在一种方法中，通过在阻带内移置至少一个反射零点来将RF滤波器从第一频率配置改变为第二频率配置。在这种情况中，该阻带具有多个传输零点，并且至少一个参考零点在频率内的移置大于传输零点在频率内的移置。在这种情况中，当将RF滤波器从第一频率配置改变为第二频率配置时，RF滤波器的插入损耗被最小化。
本发明的其他以及进一步的方面和特征将通过阅读以下优选实施例的详细描述而变得显而易见，该优选实施例旨在用于说明而并限制本发明。
附图说明
附图示出了本发明的优选实施例的设计和功用，在附图中，相似的元件由共同的参考标号来表示。为了更好的理解如何获得本发明的上述及其他优点和目的，将通过参考在附图中示出的本发明的具体实施例来对上面简要描述的本发明进行更具体的描述。应该了解，这些附图仅描述了本发明的典型实施例而不应因此认为限制本发明的范围，将通过利用附图来更加具体且详细地描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例所构造的可调射频(RF)滤波器的框图；
图2是使用八个谐振元件的示例性宽阻带的模拟频率响应的曲线图；
图3是图2的频率响应的曲线图，其中，通带被引入到阻带的子带内；
图4(a)至图4(g)是图2的频率响应的曲线图，其中，通带被引入到阻带的被选取子带内；
图5(a)至图5(d)是图2的频率响应的曲线图，其中，阻带已在频率上移动，并且通带被引入到在移动后的阻带的子带的多个位置处；
图6是示出了同时移动图2的频率响应的传输零点以延伸在图4(a)至图4(g)的引入到阻带的被选取子带内的通带的范围的曲线图；
图7(a)至图7(f)是使用九个谐振元件的示例性宽阻带的模拟频率响应的曲线图，其中，通带被引入到在阻带的被选取子带内以覆盖个人通信服务(PCS)频率范围；
图8是示出了单独移动图7(a)至图7(f)的频率响应的传输零点以允许在阻带的被选取子带内引入通带的曲线图；
图9(a)至图9(f)是图2的模拟频率响应的曲线图，其中，多个通带被引入到阻带的被选取子带内；
图10是根据本发明的另一实施例所构造的可调RF滤波器的框图；
图11是图10的滤波器的模拟频率响应的曲线图，其中，一个通带被引入到所移动的阻带的子带的多个位置处；
图12是示出了在图10的可调RF滤波器中所使用的非谐振元件的耦合值相对于在图11的通带中的频移的变化的曲线图；
图13(a)至图13(d)示出了图1的可调RF滤波器的电路示意图；
图14示出了用于模拟三种滤波器状态的图14的RF滤波器的部件值的表格；
图15(a)至图15(c)是图1的可调RF滤波器的电路实现，特别示出了各滤波器状态和对应的频率响应；
图16(a)至图16(c)是图14的RF滤波器在三种状态下的频率响应曲线图；
图17是示出了图14的RF滤波器的调谐相对于滤波器的插入损耗的曲线图；
图18是当图14的RF滤波器与传统滤波器在相同频率范围上调谐时图14的RF滤波器的插入损耗相对于传统滤波器的插入损耗的曲线图；
图19是当图1的滤波器与开关滤波器在相同频率范围上调谐时图1的滤波器的插入损耗相对于开关滤波器的插入损耗的曲线图；以及
图20是在根据本发明所构造的两个谐振器、四个谐振器、和六个谐振器的可调滤波器的频率响应与标准带通滤波器的频率响应相比较的曲线图。
具体实施方式
参考图1，现在将描述根据本发明所构造的可调射频(RF)滤波器10。在所示实施例中，RF滤波器10是具有在所期望的频率范围(例如，800-900MHz或1800-2220MHz)内可调的通带的带通滤波器。在典型的情况下，RF滤波器10被置于在宽通带滤波器之后的接收机(未示出)的前端内，用于抑制在所期望的频率范围之外的能量。该RF滤波器10通常包括具有输入端14和输出端16的信号传输通道12、沿信号传输通道12布置的多个节点17、从节点17分别延伸的多个谐振支路19、以及从节点17分别延伸的多个非谐振支路21。该RF滤波器10进一步包括：多个谐振元件18(在此情况下为四个)，在输入端14和输出端16之间，具体地连接在谐振支路21和地之间；多个调谐元件20，用于调节谐振元件18的频率；多个非谐振元件22，与谐振元件18连接在一起，其中四个非谐振元件被连接在非谐振支路21和地之间。该RF滤波器10进一步包括电控制器24，其被配置为将RF滤波器10调谐至在频率范围内的被选取窄带。
尽管在可选实施例中未使用物理传输线，但信号传输通道12可以包括非谐振元件22可以直接或间接地与其连接的物理传输线。在所示实施例中，谐振元件18包括诸如电感器和电容器的集总元件电部件，具体地，包括诸如平面螺旋结构、锯齿蛇形结构、单线圈结构、以及双线圈结构的薄膜集总结构。这种结构可以包括薄膜外延高温超导体(HTS)，其被图样化以在低损耗衬底上形成电容器和电感器。在U.S.专利申请第5,616,539号中阐述了讨论高温超导体集总元件滤波器的进一步的细节。
在所示实施例中，谐振元件18由电纳BR表示，并且非谐振元件22由与谐振元件18并联连接的电纳BN和连接在谐振元件18之间的导纳反相器J表示。可以改变非谐振元件22中的所选的多个非谐振元件，而非谐振元件22中的任意剩余的非谐振元件保持不变。
如将在以下更详细描述的，可以改变非谐振元件22以通过调谐谐振元件18的频率在整个频率范围上充分地调谐通带，如果需要，则对其进行仅稍微调节以使通带容纳在频率范围的相对部分内和/或在频率范围的相对部分内移动通带。以这种方式，显著降低了滤波器10的插入损耗，这是因为被用作调谐滤波器10的主要装置是非谐振元件22而不是谐振元件18。即，因为非谐振元件22的调节比显著损耗的敏感谐振元件18的调节所造成的滤波器10的损耗更少，所以与利用谐振元件作为用于调谐滤波器10的主要装置的现有技术滤波器相比，滤波器10将会具有较小的损耗。另外，由于非常小地调节了谐振元件18的频率，因此增大了滤波器10的调谐速度。
RF滤波器10通过引入具有宽阻带的所选区域的窄通带来实现上述效果。即，尽管RF滤波器10最终被用作带通滤波器，但谐振元件18实际上通过非谐振元件22连接在一起，没有产生通带而是产生了具有与谐振元件18的各个频率相对应的传输零点(在该情况中，共计四个)的宽阻带响应。接下来，电控制器24调节非谐振元件22以引入反射零点并沿阻带移置反射零点，从而在所期望的频率范围内移动窄通带。该电控制器24还可以通过调谐元件20来调节谐振元件18的频率，以沿频率范围移动传输零点来优化滤波器响应。在所示实施例中，电控制器24包括存储器(未示出)，用于存储实现通带在频率范围内的期望位置所需的非谐振元件22的值。
现在将参考根据以下等式所模拟的各个示例性滤波器响应来描述该技术：
S 11 ( s ) = F ( s ) E ( s ) , S 21 ( s ) = P ( s ) ϵE ( s ) , | E | 2 = | F | 2 + | P | 2 ϵ 2 , 其中，S11是滤波器的输入反射系数，S21是前向传输系数，s是归一化频率，F和P是广义复频s的N次多项式(其中，N是谐振元件的数量)，以及ε是定义相等波纹回波损耗(ripple return loss)的常数。由于分子具有第N次，所以系数S11和S21中的每一个均能具有多达N个的零点(zero-point)。当系数S11和S21都具有所有的N个零点时，滤波器响应被认为是完全椭圆形的。在“Microstrip Filters for RF/MicrowaveApplication，”Jia-Shen G.Hong和M.J.Lancaster，Wiley-Interscience2001中阐述了论述滤波器的模拟的进一步细节。可以根据等式： w = f c BW ( f f c - f c f ) (其中，f是实际频率，fc是中心频率，以及BW是滤波器的带宽)将归一化频率s＝iw映射为实际频率。在“MicrowaveFilters，Impedance-Matching Networks，and Coupling Structures，”G.Matthaei，L.Young和E.M.T.Jones，McGraw-Hill 1964中阐述了论述将归一化频率转换为实际频率的进一步细节。
图2示出了示例性宽阻带滤波器响应，其利用八个谐振元件来模拟，从而在各个谐振元件频率(如在图2的右侧视图中最佳示出的)处产生八个相应的传输零点30(仅示出六个)以形成阻带32，以及产生在该阻带32(如在图2的左侧视图中最佳示出的)之外的八个反射零点34(仅示出六个)。在此特定实例中，传输零点30位于归一化频率范围中的-1.05、-0.75、-0.45、-0.15、0.15、0.45、0.75和1.05处，从而产生了具有在-1.05至1.05之间的归一化频率范围的阻带。如图2的右侧视图所示，滤波器响应包括在传输零点30之间的多个区域36中的七个“反弹(bounce-back)”，该反冲分别位于-0.90、-0.60、-0.30、0.0、0.30、0.60和0.90处。因此，大体上，阻带滤波器包括N个传输零点(对应于谐振元件的数量N)、多达N个反射零点、以及N-1个反弹区域36。
明显地，可以通过将至少一个反射零点34移置到阻带32内(即，通过调节非谐振元件的值)而由图2中所示的区域36中的任一个反弹(下文被称作“子带”)形成通带。例如，图3示出了示例性滤波器响应，其中，四个反射零点34被引入到图2的阻带中以在中心子带36(4)内(即，在0处)产生通带38。可以沿阻带32移置反射零点34(即，通过调节非谐振元件的值)，从而在从子带36中被选取的多个子带内产生通带38。即，可以沿着阻带32移置反射零点34，以使通带38在子带36之间“跳迁(hop)”。
例如，图4(a)-4(g)示出了示例性滤波器响应，其中，在阻带32内已移置了四个反射零点34，以在所有七个子带36的中心选择性地产生通带38。即，按照从图4(a)至图4(g)的顺序，通带38从第一子带36(1)(图4(a))跳迁至第二子带36(2)(图4(b))、跳迁至第三子带36(3)(图4(c))、跳迁至第四子带36(4)(图4(d))、跳迁至第五子带36(5)(图4(e))、跳迁至第六子带36(6)(图4(f))、然后最终跳迁至第七子带36(7)(图4(g))。因此，在所示实施例中，通带38的中心可以在-0.90、-0.60、-0.30、0.0、0.30、0.60、和0.90之间跳迁。应该注意，虽然一系列图4(a)-4(g)暗示了通带38在相邻的子带36之间跳迁，但可以使通带38在不相邻的子带36之间跳迁，例如，从第二子带36(2)跳迁至第五子带36(5)。
尽管可以使通带38在子带36之间跳迁以离散地覆盖所期望的频率范围，但可以同时使传输零点30从其标称位置开始一致地移动(即，通过调节谐振元件的频率)以在归一化频率范围内移置整个阻带32并因而移置通带38。因此，可以从子带36的中心(即，-0.90、-0.60、-0.30、0.0、0.30、0.60、和0.90)开始移动通带38以覆盖连续的所期望频率范围。因此，如果可以将所有传输零点30从其标称位置移置+/-0.15(即，在+/-0.15的频率范围内一起调谐谐振元件)，则图4(a)-图4(g)中所示的每个通带38均将覆盖从-1.05至1.05的归一化频率范围的15％。
作为实例，如果期望将通带38的中心置于-0.20处，则可以使通带38位于第三子带36(3)中(中心位于图4(c)中的-0.30处)，并且可以将传输零点30从其标称位置移置0.10以将通带38从-0.30移动至-0.20。如果期望将通带38的中心置于0.85处，则可以使通带38位于第七子带36(7)中(中心位于图4(g)中的0.90处)，并且可以将传输零点30从其标称位置移置-0.05以将通带38从0.90移动至0.85。
尽管在图4(a)-4(g)中示出了其中心在子带36内的通带38，但可以在阻带32内移置反射零点34(即，通过调节非谐振元件的值)，以在所选子带36内选择性地移动通带38。在这种情况下，可以使通带38在子带36之间跳迁并在各个子带36内移动，因此，必须调节来减少传输零点30的数量以使通带38覆盖连续的所期望频率范围。例如，图5(a)-5(d)示出了关于中心子带36(4)的示例性滤波器响应，其中，所有传输零点30从其标称位置移置0.05(即，通过将谐振元件18的频率增加0.05)，并且反射零点34从其标称位置增大地移置0.05(即，通过调节非谐振元件22)。
具体地，按照从图5(a)至图5(d)的顺序，将传输零点30从其标称位置移置0.05，从而将通带38从0(图5(a))移动至0.05(图5(b))。接下来，在将传输零点30固定于适当的位置之后，将反射零点34从其标称位置增大地移置0.05，以将通带38从子带36(4)的中心(图5(b)中的0.05)移动至距子带36(4)中心的右侧0.05的位置(图5(c)中的0.10)，然后移动至距子带36(4)中心的右侧0.10的位置(图5(d)中的0.15)。
尽管此形式可能破坏带通滤波器的抑制斜坡的对称性，然而在这种情况下，其减少了传输零点30的所需位移，从而将谐振元件的调谐范围从15％减小到5％，以获得与反射零点34没有在子带36内移动的情况相同的调谐范围。因此，进一步减小了滤波器的损耗。
显然，尽管理论上可以在整个子带36内移置传输零点30，但实际上在每个通带38可以覆盖整个阻带32的大约15％而不必调谐谐振元件的情况下，滤波器损耗随着反射零点34紧密地靠近传输零点30而显著地增大。同样地，可优选地，移置传输零点30以及反射零点34，以使通带38在整个频率范围内移动而没有明显的损耗。
例如，参考图6，传输零点30相对于其标称位置(用水平虚线示出)在+/-0.05的范围内移置，以使通带38位于-1.05至1.05的标称频率范围(用对角虚线表示)内的任意位置。随着通带38的频率从-1.05移动至1.05，反射零点34从一个子带36跳迁到下一个子带，其中，对于跳迁之间的整个范围0.30，反射零点34沿子带36在+/-0.10范围内移置，以及传输零点30在+/-0.05的范围内移置。
具体地，在调谐范围开始处，传输零点30最初将位于相对于其标称位置(即，-1.05、-0.75、-0.45、-0.15、0.15、0.45、0.75、1.05)的-0.05，其将第一子带36(1)的中心置于-0.95处，在这种情况下，反射零点34最初将位于相对于其在第一子带36(1)内的标称位置的-0.10，以使通带38置于-1.05处。在传输零点30固定时，可以将反射零点34移置至其在第一子带36(1)中的标称位置，以将通带38从-1.05移动至-0.95。接下来，在反射零点34固定时，可以将传输零点30相对于其标称位置移置0.05，其将第一子带36(1)的中心移动至-0.85，从而将通带从-0.95移动至-0.85。在传输零点30再次固定时，可以将反射零点34相对于其标称位置移置0.10，以将通带38从-0.85移动至-0.75。
接下来，一旦通带38到达-0.75，反射零点34将从第一子带36(1)跳迁至第二子带36(2)，然后再次将传输零点30相对于其标称位置移置-0.05，其将第二子带36(2)的中心移动至-0.65，在这种情况下，反射零点34最初将位于相对于其标称位置的-0.10处，以将通带38保持在-0.75处。然后，以上述相同的方式相对于第一子带36(1)彼此一致地移动传输零点30和反射零点34，以将通带38从-0.75移动至-0.45。一旦通带38到达-0.45，则反射零点34将从第二子带36(2)跳迁至第三子带36(3)，等等，直到通带38到达1.05。
尽管上面已将RF滤波器10描述为能够在连续的所期望的频率范围内调谐窄通带(即，RF滤波器10可以按连续方式重新配置)，但RF滤波器10可以按照离散方式重新配置，以使通带38可以离散地位于频带的所选区域的中心处。例如，在PCS应用中，RF滤波器10可以被重新配置为通过使窄通带位于六个A-F频带中的一个所选频带处来在这些频带的任意频带中进行操作。
图7(a)至图7(f)示出了与RF滤波器的六种不同重新配置状态相对应的示例性滤波器响应。在这种情况下，模拟的滤波器具有九个传输零点30(仅示出七个)，以产生具有位于各个传输零点30之间的八个子带36的阻带32；以及七个反射零点34，可被移置到阻带32中以在从六个中间子带36中所选出的子带内产生通带38。因此，可以将RF滤波器重新配置为在PCS通信协议的A-带(图7(a))、D-带(图7(b))、B-带(图7(c))、E-带(图7(d))、F-带(图7(e))、或C-带(图7(f))中进行操作。如图所示，在多个子带36中的通带38的宽度是不同的，如通过相邻传输零点30的间隔所示。具体地，A-带、B-带、和C-带的宽度约比D-带、E-带、和F-带的宽度宽2.5倍。
显然地，由于在这种可重新配置的实施方式中，不必在连续的所期望的频率范围内移动通带38，而是将其设计为足够宽以覆盖所期望的频率范围，所以不移置传输零点30来延伸通带38的范围。相反，如图8所示，传输零点30从其标称位置被独立地移置以为通带38留出空间或者提高抑制性能。例如，将第二和第三传输零点30(2)、30(3)彼此分开，以为A-带处的反射零点34留出空间；将第四和第五传输零点30(4)、30(5)彼此分开，以为B-带处的反射零点34留出空间；将第七和第八传输零点30(7)、30(8)彼此分开，以为C-带处的反射零点34留出空间；将第三和第四传输零点30(3)、30(4)彼此分开，以为D-带处的反射零点34留出空间；将第五和第六传输零点30(5)、30(6)彼此分开，以为E-带处的反射零点34留出空间；以及将第六和第七传输零点30(6)、30(7)彼此分开，以为F-带处的反射零点34留出空间。
尽管已将前述技术描述为在阻带32内引入单独的通带38(即，每次一个通带)，但在阻带32内可以引入多个通带。例如，图9(a)至图9(f)示出了示例性滤波器响应，其中，两组四个反射零点34在阻带32内移置，以在所选的子带对36的中心选择性地产生两个通带38(1)、38(2)。即，按照从图9(a)至图9(f)的顺序，通带38(1)、38(2)被引入到第二和第三子带36(2)、36(3)中(图9(a))、第三和第五子带36(3)、36(5)中(图9(b))、第三和第四子带36(3)、36(4)(图9(c))、第二和第四子带36(2)、36(4)中(图9(d))、第二和第六子带36(2)、36(6)中(图9(e))、以及第二和第五子带36(2)、36(5)中(图9(f))。
现在参考图10和图11，为了说明可变谐振元件的值(以耦合值为单位)与在宽阻带内所产生的窄通带的移动之间的相互关系，将描述基本的可调滤波器50。如图10所示，RF滤波器50通常包括具有输入端54和输出端56的信号传输通道52、在输入端54和输出端56之间的多个谐振元件58(在该情况下为两个)、以及与谐振元件58连接在一起的多个非谐振元件62。可以使用调谐元件(未示出)来调节谐振元件58的频率，并且可以使用电控制器(未示出)来将RF滤波器50调谐至在频率范围内的所选窄带。类似于图1所示的滤波器10，滤波器50的谐振元件58由电纳BR表示，而非谐振元件62由与谐振元件58并联连接的电纳BN和连接在谐振元件58之间的导纳反相器J表示。可以改变从非谐振元件22中选取的非谐振元件(在该情况下，电纳BN)，而非谐振元件22的任何剩余的非谐振元件(在该情况下，导纳反相器J)保持不变。
对滤波器50进行模拟以产生图11中所示的示例性滤波器响应。将两个谐振元件58的频率以及两个传输零点70设定在0.95GHz和1.05GHz处，从而产生具有在0.95GHz和1.05GHz之间的归一化频率范围的阻带(未示出)。在这种情况下，由于只有两个谐振元件58，所以单独的子带76位于1.00GHz处的传输零点70之间的中心。因此，引入反射零点(未示出)并仅沿着阻带移置该反射零点，以仅在单独的子带76内移动通带78(示出了通带78的五个位置)。
如图11和12中进一步示出的，可以调节可变非谐振元件66(图12中被指定为BN(L)和BN(S))以通过改变其耦合值来在标称频率1.00GHz附近移动通带78。具体地，随着负载侧的非谐振元件BN(L)的耦合值百分比增大以及源侧的非谐振元件BN(S)的耦合值百分比减小，通带78的频率将减小(左移)，以及随着负载侧的非谐振元件BN(L)的耦合值百分比减小以及源侧的非谐振元件BN(S)的耦合值百分比增大时，通带78的频率将增大(右移)。
参考图13(a)-13(c)，可以用实际部件来代替图1的滤波器10的非谐振元件22，从而可以模拟并实现滤波器10。如图13(a)中所示，首先将电路简化为仅使用非谐振元件22重新配置滤波器10所需的构成部件。在这种情况下，调谐元件20对于仿真(模拟)滤波器10的重新配置不是必须的，因此将其从图13(a)中的电路示图中去除。如图13(b)所示，已用实际电路部件来代替图13(a)的电路示图的块部件。由BN表示的非谐振元件22被电容器代替，由J表示的非谐振元件22被电容性π网络所代替，以及由BR表示的谐振元件20被并联的电容器-电感器组合所代替。图13(b)的电路示图被进一步简化为图13(c)的电路示图，可以改变其非谐振元件22以实现滤波器10的重新配置。
利用实际的电路部件值来对图13(c)的滤波器10进行仿真。除了部件值与多项式的系数相关之外，根据上述多项等式来模拟图13(c)的电路。如上所述，滤波器10具有四个谐振元件18，因此在其频率响应中具有在其之间形成有三个子带的四个传输零点。因此，可以根据图14所示的三组值中的一组来调节在图13(c)的电路示图中的非谐振元件22的电容器的值，以使通带在三个子带之间跳迁，从而将滤波器10置于从三个状态中所选取的一个状态下。根据图13(d)的电路示图模拟图13(c)的电路示图中的每个电容器。具体地，将每个电容器C表示为具有与可变电容器Cd并联的固定电容器C0、以及与可变电容器Cd串联的电阻器R(表示开关)的电路。
现在参考图15(a)至图15(c)，可以通过调节非谐振元件22中所选取的非谐振元件来将使用图13(c)所示的基本结构的滤波器10重新配置到三个状态中的一种状态。如所示出的，滤波器10的全部频率响应具有与四个谐振元件18的频率相对应的四个传输零点30、以及在传输零点30之间形成的三个子带36。因此，可以在三个子带36的每一个中产生通带38，以实现总共三种不同的状态：在第一子带36(1)中产生通带38的左状态；在第二子带36(2)中产生通带38的中间状态；以及在第三子带36(3)中产生通带38的右状态。
正如所示，每个非谐振元件22均具有并联的三个电容器C1-C3，其中，外部的两个电容器C1和C2具有与用于激励开关S1和S2的电阻损耗的电阻器R1和R2串联的各自的开关电容。因此，可以通过闭合开关S1和S2而将电容器C1和C2包括在电路中，并且通过单独断开开关S1和S2而将电容器C1以及C2排除在电路之外。因此，假设电容器C1-C3具有相等的值，则每个非谐振元件22均可具有三个值中所选取的一个值：C1(开关S1、S2都不闭合)、C2+C3(开关S1、S2中的一个闭合)、或C1+C2+C3(开关S1、S2都闭合)。开关S1和S2可以是任意适合的损耗开关，例如，低损耗GaAs开关。可选地，可以使用能够调节电容值的其他可变元件，例如，可变电容器、GaAs变抗器、或开关电容器。
已确定：当非谐振元件22具有由图15(a)所示的开关状态所指示的值时，通带38可以被设置在第一子带36(1)中(左状态)；当非谐振元件22具有由图15(b)所示的开关状态所指示的值时，通带38可以被设置在第二子带36(2)中(中间状态)；以及当非谐振元件22具有由图15(c)所示的开关状态所指示的值时，通带38可以被设置在第三子带36(3)中(中间状态)。可以使用在美国专利公开第2006/0202775号中所公开的参数提取和分析技术来对滤波器10进行调谐。出于说明的目的，已将与处于闭合状态下的开关相邻的灯泡示为点亮(被填色)，而已与将处于断开状态下的开关相邻的灯泡示为未点亮(未被填色)。尽管已相对于图15(a)-15(c)将滤波器10描述为仅具有使通带38在子带36之间跳迁的能力，但可以通过添加更多的开关电容器以使通带38能够在所选子带36内移动，来提高电路的解决方案。同样，由于通带38位于子带36的中心，因此未示出连接至谐振元件18的调谐元件。
现在参考图17，示出了沿770MHz至890MHz的频率范围调谐图13(c)所示的仿真滤波器10以使插入损耗最小化的。在这种情况下，通过调节非谐振元件22以使通带38在子带36的中心之间跳迁(如图16(a)-16(c)所示)，以及改变谐振元件18的频率以将使通带38在子带36内移动(即，使其覆盖在子带36的中心之间的频率范围)，来对滤波器10进行调谐。正如所示，将通带38从位于890MHz处的第三子带36(3)的中心(图15(c)中所示)移动至位于850MHz处的第三子带36(3)的左侧，从而使滤波器10的插入损耗从约-0.2dB增加到约-1.5dB。一旦其到达850MHz，通带38就从第三子带36(3)跳迁至第二子带36(2)的中心(图15(b)中所示)，从而使插入损耗从约-1.5dB减小到约-0.25dB。接下来，通带38从位于850MHz处的第二子带36(2)的中心移动至位于810MHz处的第二子带36(2)的左侧，从而使滤波器10的插入损耗从约-0.25dB增加到约-1.5dB。一旦其到达810MHz，通带38就从第二子带36(2)跳迁至第一子带36(1)的中心(图15(a)中所示)，从而使插入损耗从约-1.5dB减小到-0.7dB。接下来，通带38从位于810MHz处的第一子带36(1)的中心移动至位于770MHz处的第一子带36(1)的左侧，从而使滤波器10的插入损耗从约-0.7dB增加到约-1.9dB。因此，应了解，通过沿着频率范围移动通带38以及在子带36之间跳迁以使插入损耗最小化，滤波器10可以覆盖频率范围770MHz至890MHz的全部范围。
使用在图15中所示的模拟参数，已证明了与仅使用谐振元件18相比当使用非谐振元件22来对滤波器进行调谐时，插入损耗在整个频率范围上明显减小。例如，如图18所示，当在频率范围770MHz至890MHz上调节非谐振元件22和谐振元件18的频率以使调谐滤波器10时，滤波器10的最坏情况插入损耗比在相同的频率范围上仅调节谐振元件的频率以调谐滤波器10时滤波器10的插入损耗小约8dB。
这也证明了，根据图15所示的参数模拟的滤波器10具有明显比现有技术的开关滤波调谐技术中的插入损耗更小的插入损耗。例如，如图19所示，当在770MHz至890MHz频率范围上调节可变非谐振元件以及谐振元件的频率来调谐滤波器10时，滤波器10的最坏情况插入损耗明显小于在相同的频率范围上调谐开关滤波器的插入损耗(假设由于添加开关而产生了小插入损耗以及调节谐振元件的频率以覆盖在切换之间的整个调谐范围的一半)。
显然地，尽管传统思想认为通带滤波器的插入损耗随着谐振元件数量的增加而增大，但已证明了插入损耗不会随着在利用本文所描述的设计技术的滤波器中所使用的谐振元件的数量而增大。例如，如图20所示，沿从750GHz至950GHz的频率范围绘制了利用本文所述技术的2-谐振器、4-谐振器和6-谐振器滤波器设计以及标准滤波器设计的频率响应。如图所示，最接近的谐振元件的Q，而不是谐振元件的数目，控制插入损耗。
尽管已示出并且描述了本发明的特定实施例，但应该理解，上述讨论并不旨在将本发明限制于这些实施例。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改，这对于本领域的技术人员是显而易见的。例如，本发明具有超出具有单一的输入端和输出端的滤波器的良好应用，并且本发明的特定实施例可以用于形成可以使用低损耗选择电路的双工机、多路复用器、信道处理器、反应开关等。因此，本发明旨在覆盖落入由权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等同。

Claims (46)

1.一种射频(RF)滤波器，包括：
信号传输通道，具有输入端和输出端；
多个谐振元件，沿在所述输入端和所述输出端之间的所述信号传输通道布置；以及
多个非谐振元件，与所述多个谐振元件连接在一起以形成具有与所述谐振元件的各个频率相对应的多个传输零点的阻带、以及在所述传输零点之间的至少一个子带，其中，所述非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于将至少一个反射零点选择性地引入到所述阻带内以在所述至少一个子带的一个子带中产生通带。
2.根据权利要求1所述的RF滤波器，其中，所述至少一个子带包括多个子带。
3.根据权利要求2所述的RF滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件用于沿所述阻带移置所述至少一个反射零点以在所述多个子带的被选取的子带内产生所述通带。
4.根据权利要求3所述的RF滤波器，其中，所述通带在所述被选取的子带内具有很大不同的带宽。
5.根据权利要求2所述的RF滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件用于在所述阻带内移置至少另一个反射零点以在所述多个子带的另一个子带内产生另一个通带。
6.根据权利要求1所述的RF滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件用于沿所述阻带移置所述至少一个反射零点以在所述一个子带内选择性地移动所述通带。
7.根据权利要求1所述的RF滤波器，其中，所述至少一个反射零点包括多个反射零点。
8.根据权利要求1所述的RF滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件包括多个可变非谐振元件。
9.根据权利要求1所述的RF滤波器，进一步包括至少一个调谐元件，被配置为用于改变所述多个谐振元件的至少一个谐振元件的频率。
10.根据权利要求9所述的RF滤波器，其中，所述至少一个调谐元件被配置为用于改变所述至少一个谐振元件的所述频率，以相对于所述至少一个反射零点沿所述阻带移置与所述至少一个谐振元件的每个频率相对应的所述传输零点。
11.根据权利要求9所述的RF滤波器，其中，所述至少一个调谐元件包括多个调谐元件，被配置为用于改变所述谐振元件的所述频率以沿频率范围同时移置所述阻带与所述通带。
12.根据权利要求1所述的RF滤波器，其中，所述至少一个可调非谐振元件具有可调节电纳。
13.根据权利要求1所述的RF滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件包括可变电容器、损耗-损耗开关、变抗器、以及开关电容器中的至少一个。
14.根据权利要求1所述的RF滤波器，其中，所述谐振元件中的每一个均包括薄膜集总元件结构。
15.根据权利要求14所述的RF滤波器，其中，所述薄膜集总元件结构包括高温超导体(HTS)。
16.根据权利要求1所述的RF滤波器，进一步包括控制器，被配置为用于生成电信号以调节所述至少一个可变非谐振元件。
17.一种射频(RF)滤波器，包括：
信号传输通道，具有输入端和输出端；
多个谐振元件，沿在所述输入端和所述输出端之间的所述信号传输通道布置；
多个非谐振元件，与所述多个谐振元件连接在一起以形成具有与所述谐振元件的各个频率相对应的多个传输零点的阻带、和在所述传输零点之间的多个子带；以及
电控制器，被配置为用于改变所述非谐振元件的至少一个非谐振元件，以沿所述阻带引入至少一个反射零点来在所述多个子带的被选取的子带内产生通带。
18.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述通带在所述被选取的子带内具有很大不同的带宽。
19.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述电控制器被配置为用于改变所述至少一个非谐振元件，以沿所述阻带移置所述至少一个反射零点来在所述多个子带的另一个子带内产生另一个通带。
20.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述电控制器被配置用于改变所述至少一个非谐振元件，以沿所述阻带移置所述至少一个反射零点来在所述被选取的子带的每一个中选择性地移动所述通带。
21.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述至少一个反射零点包括多个反射零点。
22.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述至少一个非谐振元件包括至少两个非谐振元件。
23.根据权利要求17所述的RF滤波器，进一步包括多个调谐元件，被配置为用于改变所述谐振元件的频率，以相对于所述至少一个反射零点单独地移置各个传输零点。
24.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述电控制器被配置为用于调节所述至少一个非谐振元件的电纳。
25.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述至少一个非谐振元件包括可变电容器、损耗-损耗开关、变抗器、以及开关电容器中的至少一个。
26.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述多个谐振元件中的每一个均包括薄膜集总元件结构。
27.根据权利要求17所述的RF滤波器，进一步包括控制器，被配置为用于生成电信号以调节所述至少一个可变非谐振元件。
28.根据权利要求17所述的RF滤波器，其中，所述薄膜集总元件结构包括高温超导体(HTS)。
29.一种射频(RF)滤波器，包括：
信号传输通道，具有输入端和输出端；
多个谐振元件，沿在所述输入端和所述输出端之间的所述信号传输通道布置；以及
多个非谐振元件，与所述多个谐振元件连接在一起以形成具有与所述谐振元件的各个频率相对应的多个传输零点的阻带、以及在所述传输零点之间的至少一个子带，其中，所述非谐振元件具有使至少一个反射零点位于所述阻带内以在所述至少一个子带的一个子带中产生通带的电纳值。
30.根据权利要求29所述的RF滤波器，其中，所述至少一个子带包括多个子带。
31.根据权利要求29所述的RF滤波器，其中，所述至少一个反射零点包括多个反射零点。
32.根据权利要求29所述的RF滤波器，其中，所述多个谐振元件中的每一个均包括薄膜集总元件结构。
33.根据权利要求32所述的RF滤波器，其中，所述薄膜集总元件结构包括高温超导体(HTS)。
34.一种射频(RF)滤波器，包括：
信号传输通道，具有输入端和输出端；
多个节点，沿所述信号传输通道布置；
多个谐振支路，分别从所述节点延伸；
多个非谐振支路，分别从所述节点延伸；
多个谐振元件，分别连接至所述谐振支路；
多个非谐振元件，所述多个非谐振元件中的一些分别连接至所述非谐振支路；
多个传输零点，与所述多个谐振元件的谐振频率相对应；以及
至少一个反射零点，形成在所述传输零点之间以产生通带。
35.根据权利要求34所述的RF滤波器，其中，所述非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于相对于所述传输零点选择性地移置所述至少一个反射零点。
36.根据权利要求34所述的RF滤波器，其中，多个传输零点包括至少两个传输零点。
37.根据权利要求34所述的RF滤波器，其中，所述至少一个反射零点包括多个反射零点。
38.根据权利要求34所述的RF滤波器，其中，所述多个谐振元件中的每一个均包括薄膜集总元件结构。
39.根据权利要求38所述的RF滤波器，其中，所述薄膜集总元件结构包括高温超导体(HTS)。
40.一种调谐射频(RF)滤波器的方法，所述射频滤波器具有限定调谐范围的阻带，所述方法包括：
将所述RF滤波器从第一频率配置改变为第二频率配置，其中，所述RF滤波器当在所述第一频率配置中时具有在由所述阻带限定的所述调谐范围内的第一组通带特性，以及其中，所述RF滤波器当在所述第二频率配置中时具有在所述阻带的所述调谐范围内的不同的第二组通带特性。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述第一通带特性和所述第二通带特性具有不同的中心频率。
42.根据权利要求40所述的方法，其中，所述第一通带特性和所述第二通带特性具有不同的带宽。
43.根据权利要求40所述的方法，其中，所述第一通带特性和所述第二通带特性具有不同数量的不相邻通带。
44.根据权利要求40所述的方法，其中，通过在所述阻带内移置至少一个反射零点来将所述RF滤波器从所述第一频率配置改变为所述第二频率配置。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述阻带具有多个传输零点，以及其中，所述至少一个参考零点移置的频率大于所述传输零点移置的频率。
46.根据权利要求40所述的方法，其中，当将所述RF滤波器从所述第一频率配置改变为所述第二频率配置时，所述RF滤波器的所述插入损耗被最小化。
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