CN102148610B - 宽带模拟低通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低通滤波器，包括：RF输入端、RF输出端、在RF输入和输出端之间串联耦合的多个电感器以及至少一个电可调电容器，其耦合在接地与其中一个电感器的节点之间。其中至少一个电感器包括绕组以及跨越该绕组的一部分串联耦合的电阻和电容，以增强低通滤波器的带外抑制。

Description

宽带模拟低通滤波器
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.61/337,515的权益和优先权，在此将其通过参考并入本文。
技术领域
本发明涉及低通滤波器。
背景技术
低通滤波器为现有技术中已知的。一种低通滤波器类型为切比雪夫(Chebyshev)滤波器，该滤波器对其电感器和电容器采用固定值。一旦选定电感器和电容器的固定值，则在未改变组件的情况下，该滤波器的截止频率一般就不会变化。
存在许多其中需要具有截止频率可调谐的RF低通滤波器的实际应用。低通滤波器还需要具有高的线性度，以便当经过具有多频段的输入频谱时产生最少量的额外的假信号。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供具有高线性度的低通滤波器。
本发明的目的还在于提供这样一种低通滤波器，其截止频率为可调谐的。
本发明通过具有高线性度和可调谐截止频率的低通滤波器来实现，该可调谐截止频率可以通过在RF输入和输出端之间串联耦合的多个电感器以及耦合至其中一个电感器的节点的至少一个电可调电容器来实现，其中每个电感器包括绕组以及串联耦合跨越该绕组的一部分的电阻和电容，以增强低通滤波器的带外抑制。
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。
在一个实施例中，本发明的特征在于一种低通滤波器，包括：RF输入端；RF输出端；在RF输入和输出端之间串联耦合的多个电感器；以及至少一个电可调电容器，其耦合至其中一个电感器的节点；其中至少一个电感器包括绕组以及串联耦合跨越该绕组的一部分的电阻和电容，以增强低通滤波器的带外抑制。
在优选实施例中，该电阻和电容在使电感器实现谐振的频率处的相位差约为180度的两个节点之间串联耦合。电容的电抗的幅值约等于电阻器在电感器的谐振频率处的值。
每个电可调电容器可以包括变抗器。其中每个变抗器可以包括按照阳极接阳极或阴极接阴极的方式耦合在一起的两个二极管。其中每个变抗器还可以包括一个二极管。其中每个变抗器可以包括PN结。其中每个变抗器可以包括场效应晶体管(FET)，并在FET的栅极和源极之间使用电容。
每个电可调电容器可以包括基于铁电的电容器。每个电可调电容器可以包括基于MEMS的电容器。电可调电容器可以耦合在接地与其中一个电感器的节点之间。
滤波器还可以包括控制电路，其耦合至电可调电容器，用来调节滤波器的截止频率。控制电路可以包括频率控制端以及在频率控制端和其中每一个可调电容器之间串联耦合的电感和电阻，用于对可调电容器进行调谐。
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的集合。可以以表面安装封装来安装单片基板。
其中每个电感器可以为集总电感器。其中每个电感器可以为螺旋电感器。
在另一个实施例中，本发明的特征在于一种低通滤波器，包括：RF输入端；RF输出端；在RF输入和输出端之间串联耦合的多个电感器；至少一个电可调电容器，其耦合在接地与其中一个电感器的节点之间；以及控制电路，其耦合至电可调电容器，用于调节滤波器的截止频率；其中每个电感器包括绕组以及跨越该绕组中使电感器实现谐振的频率处的相位差约为180度的两个节点串联耦合的电阻和电容，以增强低通滤波器的带外抑制。
在优选实施例中，多个电可调电容器中的每一个包括变抗器。其中每个变抗器可以包括按照阳极接阳极或阴极接阴极的方式耦合在一起的两个二极管。其中每个变抗器可以包括一个二极管。
在另一个实施例中，电感器包括：绕组；以及跨越该绕组的一部分串联耦合的电阻和电容，以增强所述电感器的带外抑制，该电阻和电容在绕组中使电感器实现谐振的频率处的相位差约为180度的两个节点之间串联耦合。电容的电抗的幅值约等于电阻器在电感器的谐振频率处的值。
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是根据本发明的宽带低通滤波器的一个实施例的示意图；
图2是图1中宽带低通滤波器的更具体的实施例的电路图；
图3a和3b是图2中电感器之一的示意图和等效电路图；
图4是图2中宽带低通滤波器的管芯布局和接合图；以及
图5a和5b分别是在谐振抑制和没有谐振抑制的情况下示出了根据调谐电压的低通滤波器响应的曲线图。
具体实施方式
除优选实施例或以下公开的实施例以外，本发明还可以是其它实施例，并能以各种方式来实践或实现。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排列。如果本文仅仅描述了一个实施例，此处权利要求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、约束性或放弃权利。
在图1中显示了根据本发明的宽带模拟低通滤波器10，包括RF输入端12、RF输出端14以及串联耦合在RF输入和输出端之间的多个电感器16a-b。至少一个电可调电容器18耦合至其中一个电感器16a-b的节点。其中每个电感器16a-b分别包括绕组20a-b以及跨越该绕组的一部分串联耦合的电阻22a-b和电容24a-b，以增强低通滤波器的带外抑制。
图2中带宽模拟低通滤波器10a的另一个实施例采用七阶集总元件Chebyshev滤波器的配置。滤波器10a包括背对背的变抗器18a-18c，用来提供电可调电容。尽管可以使用单个变抗器，但是背对背的变抗器提供了高于单个变抗器实施方案的改善的线性度性能。
控制电路26耦合至可调谐变抗器对18a-18c，以调节滤波器的截止频率。控制电路26包括频率控制端28以及在该频率控制端和每个可调谐变抗器对18a-18c的阴极之间串联耦合的电感器30a-c和电阻器32a-c，用来对变抗器进行调谐。电感器33a-c和电阻器31a-c还对变抗器对18a-18c中一些尚未直接接地的阳极提供直流(DC)返回。变抗器对18a-18c分别通过电容器34a-c交流(AC)耦合至电感器16a-c。电容器34a-c的电抗分别相比于背对背的可变二极管对18a-18c的电抗要小得多。
电感器16c-f具有内嵌的电阻器22c-f和电容器24c-f，这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，诸如电感器物理布局内固有的寄生电容的分布式电路效果通常无法提供集总元件等效电感。电感器16c-f可以被实施为集总电感器和/或平面螺旋电感器。
尽管滤波器10a的实施例包括四个电感器16c-f，但是本发明可以包括任意数量的电感器。实际上，本发明的一个实施例包括单个电感器16a，该电感器包括绕组20a以及跨越该绕组的一部分串联耦合的电阻22a和电容24a，以增强电感器的带外抑制。滤波器10a还可以采用任何滤波器拓扑类型的配置，其集成有集总元件等效电感器，例如，Butterworth滤波器、Eliptic滤波器、Bessel滤波器、Cauer滤波器等。
通过在滤波器中包括背对背的变抗器对来提高滤波器10a的线性度，这大体上消除了在给定的直流操作点附近的交流激励下电容的不均匀变化。如图2所示，背对背的变抗器对18a-c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进行耦合。其它电可调电容器可以被用来代替背对背的可调谐变抗器对18a-18c，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。
图3a中电感器16g的一个实施例的布局显示出电感器16g内的阻容元件40的示例性位置。阻容元件40的位置取决于电感器布局，而且可以通过检查对显示电磁场分布的结构有限元分析来确定阻容元件40的位置。阻容元件40优选位于在使电感器16g实现谐振的频率处具有约180度相位差的各节点之间。这在电感器谐振的频率范围内具有期望的能量吸收效果，而在通带频率范围内对电感器16g(并依次为滤波器10a)的性能只有非常小的影响。图3b表示与电感器16g等效的低频集总元件电感器模型16h，其显示出在节点42和44之间跨越电感器绕组的一部分串联耦合的电阻器22h和电容器24h的示例，用来增强低通滤波器的带外抑制。
优选地，电容器24h的电抗的幅值约等于电阻器22h在电感器的谐振频率处的值。这有助于确保通带内的对电感器性能的最小影响。
图4中MMIC管芯的一种可能的布局和接合图50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，所述平面单片基板可以是GaAs基板或SiGe基板。
图5中低通滤波器10a的响应60显示出当施加到变抗器18a-c的阴极的调谐电压在0到14伏特的范围内变化时的低通滤波器的插入损耗。滤波器10a的拐角频率或截止频率62从2GHz调谐至4GHz。此滤波器的60dB阻带64扩展至24GHz，带外抑制66在30GHz处仍为30dB。相时于本发明，图5b中对电感器16c-f内无电阻器22c-22f和电容器24c-24f的低通滤波器10a的响应70显示出在17GHz处存在较大的二次通带72，在28GHz处的抑制74仅缩小至不到10dB，这显示了本发明在显著改善带外抑制的效果。
本发明的实施例提供了具有可调谐截止频率和高线性度的低通滤波器，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的假信号。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非显而易见的方式重新进入系统。此性能可以通过相对低且平坦的插入损耗来实现。本发明的实施例还可以在单片基板上实现，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的可能性方面受益。
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 (24)

1.一种低通滤波器，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感器；以及
至少一个电可调电容器，其耦合到其中一个电感器的第一节点；
至少一个电感器包括：
绕组，包括第一端、第二端以及一对节点，所述一对节点在所述第一端和第二端之间限定绕组的一部分；
电阻器；以及
电容器；
所述电阻器与所述电容器串联耦合，所述电阻器和电容器跨越所述绕组的由所述一对节点限定的所述部分并联耦合，用于增强所述低通滤波器的带外抑制。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述一对节点在使所述多个电感器中的一个实现谐振的频率处相位差约为180度。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其中多个电可调电容器中的每一个包括变抗器。
4.根据权利要求3所述的滤波器，其中每个变抗器包括按照阳极接阳极或阴极接阴极方式耦合在一起的两个二极管。
5.根据权利要求1所述的滤波器，还包括控制电路，其耦合至所述电可调电容器，用来调节所述滤波器的截止频率。
6.根据权利要求5所述的滤波器，其中所述控制电路包括频率控制端，以及在所述频率控制端和每一个可调电容器之间串联耦合的电感和电阻，用于对至少一个可调电容器进行调谐。
7.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现。
8.根据权利要求7所述的滤波器，其中所述单片基板选自于GaAs或SiGe的集合。
9.根据权利要求3所述的滤波器，其中每个变抗器包括PN结。
10.根据权利要求3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的栅极和源极之间使用电容。
11.根据权利要求1所述的滤波器，其中每个电可调电容器包括基于铁电的电容器。
12.根据权利要求1所述的滤波器，其中每个电可调电容器包括基于MEMS的电容器。
13.根据权利要求7所述的滤波器，其中所述单片基板被安装为表面安装封装。
14.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述每个电感器是集总电感器。
15.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述每个电感器是螺旋电感器。
16.根据权利要求3所述的滤波器，其中所述每个变抗器包括一个二极管。
17.根据权利要求1所述的滤波器，其中至少一个电可调电容器耦合在接地与其中一个电感器的第一节点之间。
18.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述电容的电抗的幅值约等于所述电阻器在所述电感器的谐振频率处的值。
19.一种低通滤波器，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感器；
至少一个电可调电容器，其耦合在接地与其中一个电感器的第一节点之间；以及
控制电路，其耦合至谐振电路的所述电可调电容器，用于调节所述滤波器的截止频率；
每个电感器包括：
绕组，包括第一端、第二端以及一对节点，所述一对节点在所述第一端和第二端之间限定绕组的一部分；
电阻器；以及
电容器，与所述电阻器串联耦合，所述电阻器和电容器跨越所述绕组的由所述一对节点限定的所述部分并联耦合，所述一对节点在使所述电感器实现谐振的频率处相位差约为180度，用于增强所述低通滤波器的带外抑制。
20.根据权利要求19所述的滤波器，其中所述多个电可调电容器中的每一个包括变抗器。
21.根据权利要求20所述的滤波器，其中所述每个变抗器包括按照阳极接阳极或阴极接阴极方式耦合在一起的两个二极管。
22.根据权利要求20所述的滤波器，其中所述每个变抗器包括一个二极管。
23.一种电感器，包括：
绕组，包括第一端、第二端以及一对节点，所述一对节点在所述第一端和第二端之间限定绕组的一部分；以及
跨越所述绕组的所述部分串联耦合的电阻和电容，以增强所述电感器的带外抑制，所述电阻和所述电容在所述绕组中使所述电感器实现谐振的频率处相位差约为180度的所述一对节点之间串联耦合。
24.根据权利要求23所述的电感器，其中所述电容的电抗的幅值约等于所述电阻器在所述电感器的谐振频率处的值。
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