CN102148609B - 宽带模拟带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带通滤波器，包括：RF输入端；RF输出端；在该RF输入和输出端之间串联耦合的多个电可调耦合电容器；以及多个谐振电路，其中每个谐振电路包括电可调谐振电容器，其耦合至其中一个耦合电容器。在其中至少一个耦合电容器之间串联耦合至少一个电阻，以提供对滤波器增强的带外抑制。

Description

宽带模拟带通滤波器

相关申请

本申请特此按照35U.S.C.§§119，120，363，365和37C.F.R.§1.55和§1.78之规定要求于2010年2月4日提交的美国临时申请No.61/337,474的权益和优先权，在此将其通过参考并入本文。

技术领域

本发明涉及模拟带通滤波器。

背景技术

存在许多其中需要具有高线性度的带通滤波器的应用，以使得当经过具有多频段的输入光谱时产生最少量的额外假信号。在一些应用中，还需要中心频率和带宽可调谐的带通滤波器。

带通滤波器为现有技术中已知的。美国专利No.3,110,004涉及现有的可调谐带通滤波器，如图1所示，包括多调谐的谐振滤波器，其中每个调谐部分包括可变电抗装置，即，单个变抗器。该滤波器还包括电抗耦合网络，它包括自身的可变电抗装置以及在第一谐振器的输出端处的可变电抗分配器，该第一谐振器还结合了可变电抗装置。图1中滤波器的一个缺点在于其线性度低于期望的线性度。

美国专利No.5,376,907涉及另一种滤波器，如图2所示，其中施加到谐振变抗器的调谐电压等于施加到耦合变抗器的电压。因而，该滤波器无法对频率和带宽提供独立控制。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供具有高线性度的带通滤波器。

本发明的目的还在于提供中心频率和带宽均可调谐的带通滤波器。

本发明通过具有高线性度的改进的带通滤波器来实现，其中该改进的带通滤波器可以通过在RF输入和输出端之间串联耦合的多个电可调耦合电容器以及在至少一个耦合电容器之间串联耦合至少一个电阻以提供滤波器的增强的带外抑制来实现。该带通滤波器还包括多个谐振电路，其中每个谐振电路包括电可调谐振电容器，其耦合至其中一个耦合电容器。在本发明的实施例中，带通滤波器包括控制电路，用于对滤波器的中心频率和带宽进行调谐。

然而，在其它实施例中，本发明需要实现所有这些目标，其权利要求不应局限于能够实现这些目标的结构或方法。

本发明的特征在于一种带通滤波器，包括：RF输入端；RF输出端；在该RF输入和输出端之间串联耦合的多个电可调耦合电容器；多个谐振电路，每个谐振电路包括电可调谐振电容器，其耦合至其中一个耦合电容器；以及至少一个电阻，其在RF输入和输出端之间、与其中至少一个耦合电容器串联耦合，用于提供所述滤波器的提高的带外抑制。

在一个实施例中，滤波器可以包括第一控制电路，其耦合至耦合电容器，用于调节滤波系统的带宽。第一控制电路可以包括带宽控制端以及在该带宽控制端和各个耦合电容器之间串联耦合的电感和电阻，用于对耦合电容器进行调谐。

滤波器还可以包括第二控制电路，其耦合至谐振电路的谐振电容器，用于调节滤波系统的中心频率。滤波器内的第二控制电路可以包括频率控制端以及在该频率控制端和各个谐振电容器之间串联耦合的电感和电阻，用于对谐振电路进行调谐。

每个电容器包括变抗器。每个变抗器可以包括耦合在一起的两个二极管。每个变抗器可以仅包括一个二极管。滤波器可以在平面单片基板上实施。单片基板可以选自于GaAs或SiGe的组。变抗器可以包括PN结。变抗器可以包括场效应晶体管(FET)，并在该FET的棚极和源极之间使用电容。每个电容器包括基于铁电的电容器。每个变抗器可以包括基于MEMS的电容器。单片基板可以安装为表面安装封装。滤波器内至少一个电阻可以是非寄生电阻。该至少一个电阻可以包括与其中一个谐振电路耦合在一起的两个电阻，该谐振电路耦合至这两个电阻之间的节点。

至少一个电阻的值在大于0至100欧姆之间的范围内。

本发明的特征还在于一种带通滤波器，包括：RF输入端；RF输出端；在RF输入和输出端之间以背对背的方式串联耦合的多个电可调谐变抗器对；多个谐振电路，每个谐振电路包括电可调谐振电容器，其耦合至其中一对变抗器；以及在其中至少一对变抗器之间串联耦合的至少一个电阻，用于提供对滤波器增强的带外抑制。

在一个实施例中，滤波器可以包括第一控制电路，其耦合至至少一个变抗器对，用于调节滤波系统的带宽。第一控制电路可以包括频率控制端以及在该频率控制端和各个变抗器对之间串联耦合的电感和电阻，用于对变抗器进行调谐。滤波器还可以包括第二控制电路，其耦合至谐振电路的至少一个谐振电容器，用于调节滤波系统的中心频率。第二控制电路可以包括频率控制端以及在该频率控制端和每个谐振电容器之间串联耦合的电感和电阻，用于对谐振电路进行调谐。

滤波器的配置包括Chebyshev滤波器。Chebyshev滤波器是三阶滤波器。

附图说明

根据以下对优选实施例的描述和附图，本领域技术人员将会想到其它目的、特征和优点，其中：

图1是现有技术的一种带通滤波器的电路图；

图2是现有技术的另一种带通滤波器的电路图；

图3是根据本发明的宽带带通滤波器的一个实施例的电路图；

图4是图3中宽带带通滤波器的更具体的实施例的电路图；

图5a和5b分别是表示在谐振器和带宽控制发生改变时对图4的宽带带通滤波器的响应的曲线图；

图6是图4中宽带带通滤波器的管芯布局和接合图；以及

图7是表示对于图4中宽带带通滤波器的给定的频率和带宽的带通滤波器的响应的曲线图。

具体实施方式

除优选实施例或以下公开的实施例以外，本发明还可以以其他实施例实施，并能以各种方式实施或实现。因而，要理解，本发明在其实际应用上并不局限于在以下说明中阐述或在附图中表示的组件的具体结构和组件安排。虽然若本文仅仅描述了一个实施例，但所在权利要求也将不局限于此实施例。此外，将不受限制地读取此处权利要求，除非存在清楚且令人信服的证据清楚表示了特定的排他性、约束性或放弃权项。

在图1中显示了现有的可调谐带通滤波器10，包括多调谐的谐振滤波器，每个调谐部分12-14结合了可变电抗装置16-18，即，单个变抗器。滤波器10还包括电抗耦合网络20，它包括自己的可变电抗装置22、24以及在第一谐振器12的输入端处的可变电抗分配器26，该第一谐振器12还结合了可变电抗装置28。图1中滤波器的一个缺点在于其线性度低于期望的线性度，这是因为该滤波器的变抗器的单端配置。

图2中另一个现有的可调谐带通滤波器30在线路32上具有向谐振变抗器和耦合变抗器施加的调谐电压。如上所述，带通滤波器30无法对频率和带宽提供独立控制。

根据本发明，图3中提供了高线性度的宽带模拟带通滤波器40包括RF输入端42；RF输出端44；在该RF输入和输出端42、44之间串联耦合的多个电可调耦合电容器46a、46b。多个谐振电路48a、48b中的每一个包括电可调谐振电容器，其耦合至其中一个耦合电容器。为了提供滤波器的增强的带外抑制，至少一个电阻50在RF输入和输出端42、44之间、与耦合电容器46a和/或46b中的至少其中一个串联耦合。

图4中宽带模拟带通滤波器40a的另一个实施例采用按照“Top C”耦合的三阶集总元件Chebyshev滤波器的配置，并包括背对背的变抗器46c-46f，用来提供电可调耦合电容。谐振电路48c-48e中的每一个包括一对背对背的变抗器52c-52e，其分别与电感器54c-54e并联耦合。电感器54c-54e可以被实施为短传输线。谐振电路48c-48e中的每一个耦合至耦合变抗器对46c-46f中的至少一个。

电阻56c-d耦合在RF输入和输出端42a、44a之间，耦合电容器46d和46e与RF输入和输出端串联耦合，以增强滤波器的带外抑制。电感器56c-56d分别与电阻器58c-58d串联连接，该电阻器58c-58d分别依次耦合至耦合变抗器46c和46f。

第一和第二控制电路60和62被用来对滤波器的带宽和中心频率提供独立控制。第一控制电路60耦合至耦合变抗器46c-46f，用于调节滤波系统的带宽。第一控制电路60包括带宽控制端64以及在频率控制端和每一对耦合变抗器46c-46f之间串联耦合的电感66c-66f和电阻68c-68f，用于对耦合变抗器进行调谐。

第二控制电路62耦合至谐振电路48c-48e，用于调节滤波系统的中心频率。第二控制电路62包括频率控制端72以及在该频率控制端和每一对谐振变抗器52c-52e之间串联耦合的电感74c-74e和电阻76c-76e，用于对谐振电路进行调谐。

通过在滤波器中结合背对背的变抗器对来提高滤波器40a的线性度，这大体上消除了在给定的直流操作点附近在交流激励下电容的不均匀变化。如图4所示，背对背的变抗器对被示出为按照阴极接阴极的方式耦合，但可选的，每个变抗器对还可以按照阳极接阳极的方式耦合。其它电可调电容器可以用来代替背对背的变抗器对，例如单个变抗器、基于铁电的电容器、基于MEMS的电容器和/或场效应晶体管(FET)，该FET在其栅极和源极之间使用电容。

电阻器50a和50b在频率范围内提供了显著的额外的带外抑制，在该频率范围内，正如通带频率范围内的情况那样，谐振电感器54c-54e不再提供集总元件等效电感。电阻器50a和50b优选为非寄生电阻，例如变抗器或连接线以寄生方式提供的那些电阻。

可以通过平衡通带插入损耗和带外抑制之间的折衷来选择电阻器50a和50b的值。电阻器50a和50b的值可以在大于0到100欧姆的范围内，或甚至更大。更优选地，电阻器50a和50b的值可以在大于0到50欧姆的范围内。特别优选地，电阻器50a和50b的值可以在大于0到20欧姆的范围内。图4所示的电阻器50a和50b中的每一个具有4欧姆的可接受的值，其提供了最小插入损耗，但是提供了可接受的带外抑制。优选地，选择电阻器50a和50b的值，以使得通带插入损耗的增加小于1dB。

尽管该实施例示出了滤波器40a具有三个谐振部分48c-48e，但是相同的技术可以用于不同数量的谐振部分。除此处作为示例给出的“Top C”Chebyshev拓扑之外，还可能用许多其它的拓扑，包括Butterworth、Bessel、Cauer-Chebyshev、Eliptic等。优选的特征在于谐振部分以及各部分之间的耦合包括可调电容，其允许对中心频率和带宽的调谐。

图5a中的曲线图显示了在谐振器和带宽控制发生改变时的带通滤波器响应。图5b显示了在保持谐振器调谐电压为常量且仅仅改变耦合变抗器对46c-46f的调谐电压时的滤波器的带宽如何变化。

图6中MMIC管芯80的一种可能的布局和接合图显示出怎样可以将MMIC管芯装配为允许使用低成本装配技术的表面安装封装。滤波器可以在平面单片基板上实施，例如，平面单片基板可以是GaAs基板或SiGe基板。

在图7中，给定频率和带宽处的带通滤波器的响应显示出电阻器50a和50b显著提高带外抑制的效果。点82显示出未使用电阻器50a和50b时小于期望的带外抑制。点84显示出在使用电阻器50a和50b与耦合变抗器对46c-46f串联时显著提高的带外抑制。

本发明的实施例提供了具有高线性度的带通滤波器，该滤波器在中心频率和带宽方面都是可调谐的。另外，带外抑制可以保持为高，并扩展几个倍频或超出原始阻带，以确保远离载波的假信号不会以某种方式重新进入系统。本发明的带通滤波器可以以相对较低且平坦的插入损耗来实现以上性能。本发明的带通滤波器还可以具有以单片方式实现的电路，从多个电抗元件的一致性、缩小的尺寸、低成本和在同一个管芯上集成其它有源或无源电路功能方面受益。

尽管在一些附图中显示了本发明的特定特征，而在其它附图中没有进行显示，但是这仅仅是为了方便起见，因为根据本发明可以将每个特征与其他特征中的任何一个或所有其它的特征组合。本文使用的“包括”、“包含”、“具有”和“带有”一词将得到宽泛且广泛的解释，而不局限于任何物理互连。此外，在本申请中公开的任何实施例都不必作为仅仅是可能的实施例而被采用。

另外，在对本专利的专利申请和审查期间提出的任何修改并不是对本申请提交时提出的任何权利要求要素放弃权项，即无法合理地预期本领域技术人员对照字面意义包含所有可能的等效内容的权利要求的起草，在修改时，许多等效内容将是不可预料的，并超出了对放弃什么内容的公平解释(如果是任何内容)，以下修改的基本原理可以负担仅仅是与许多等效内容略为相关，和/或存在其他原因，无法预期申请人对任何修改的权利要求要素的某些非实质性替换的描述。

本领域技术人员将想到在以下请求保护的权利要求中的其它实施例。

Claims (25)

1.一种带通滤波器，包括：

RF输入端；

RF输出端；

在所述RF输入端和RF输出端之间串联耦合的多个电可调耦合电容器；

多个谐振电路，每个谐振电路包括电可调谐振电容器，所述电可调谐振电容器耦合至其中一个耦合电容器；以及

至少一个电阻器，在所述RF输入端和RF输出端之间、与至少一个耦合电容器串联耦合，用于提供所述滤波器的提高的带外抑制。

2.根据权利要求1所述的滤波器，还包括第一控制电路，所述第一控制电路耦合至至少一个耦合电容器，用于调节滤波器系统的带宽。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其中所述第一控制电路包括带宽控制端以及在所述带宽控制端和每个耦合电容器之间串联耦合的电感和电阻器，用于调谐所述耦合电容器。

4.根据权利要求1所述的滤波器，还包括第二控制电路，其耦合至所述谐振电路的至少一个谐振电容器，用于调节滤波器系统的中心频率。

5.根据权利要求4所述的滤波器，其中所述第二控制电路包括频率控制端以及在所述频率控制端和每个谐振电容器之间串联耦合的电感和电阻器，用于调谐所述谐振电路。

6.根据权利要求1所述的滤波器，其中每个电容器包括变抗器。

7.根据权利要求6所述的滤波器，其中每个变抗器包括耦合在一起的两个二极管。

8.根据权利要求6所述的滤波器，其中每个变抗器仅包括一个二极管。

9.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述滤波器在平面单片基板上实施。

10.根据权利要求9所述的滤波器，其中所述单片基板选自于GaAs或SiGe的集合。

11.根据权利要求6所述的滤波器，其中每个变抗器包括PN结。

12.根据权利要求6所述的滤波器，其中每个变抗器包括场效应晶体管FET，并在所述FET的棚极和源极之间使用电容。

13.根据权利要求1所述的滤波器，其中每个电容器包括基于铁电的电容器。

14.根据权利要求6所述的滤波器，其中每个变抗器包括基于MEMS的电容器。

15.根据权利要求9所述的滤波器，其中所述单片基板被安装为表面安装封装。

16.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述至少一个电阻器是非寄生电阻器。

17.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述至少一个电阻器包括第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器与其中一个谐振电路耦合在一起，所述其中一个谐振电路耦合至所述第一和第二电阻器之间的节点。

18.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述至少一个电阻器的值在大于0至100欧姆之间的范围内。

19.一种带通滤波器，包括：

RF输入端；

RF输出端；

在所述RF输入端和RF输出端之间以背对背的方式串联耦合的多个电可调谐变抗器对；

多个谐振电路，每个谐振电路包括电可调谐振电容器，所述电可调谐振电容器耦合至其中一对变抗器；以及

在至少一对变抗器之间串联耦合的至少一个电阻器，用于提供所述滤波器的增强的带外抑制。

20.根据权利要求19所述的滤波器，还包括第一控制电路，其耦合至至少一对变抗器，用于调节滤波器系统的带宽。

21.根据权利要求20所述的滤波器，其中所述第一控制电路包括带宽控制端以及在所述带宽控制端和各对变抗器之间串联耦合的电感和电阻器，用于调谐所述变抗器对。

22.根据权利要求19所述的滤波器，还包括第二控制电路，其耦合至所述谐振电路的至少一个谐振电容器，用于调节滤波器系统的中心频率。

23.根据权利要求22所述的滤波器，其中所述第二控制电路包括频率控制端以及在所述频率控制端和每个谐振电容器之间串联耦合的电感和电阻器，用于调谐所述谐振电路。

24.根据权利要求22所述的滤波器，其中所述滤波器的配置包括Chebyshev滤波器。

25.根据权利要求24所述的滤波器，其中所述Chebyshev滤波器是三阶滤波器。