CN100382384C - 带定向耦合器的低通滤波器和蜂窝电话 - Google Patents

带定向耦合器的低通滤波器和蜂窝电话 Download PDF

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Abstract

一种既提供常规定向耦合器功能又提供在指定频段具有两个衰减极点而不需要改变线长的低通滤波器功能的集成元件。短截线(108)和(109)连接到定向耦合器主传输线(105)的两端。衰减极点的频率可通过短截线的特性阻抗、终接条件以及线长来调整。

Description

带定向耦合器的低通滤波器和蜂窝电话
技术领域
本发明涉及适于用在移动通信的蜂窝电话发射电路中的带定向耦合器的低通滤波器，以及使用这种带定向耦合器的低通滤波器的蜂窝电话。
背景技术
图10是一个普通蜂窝电话发射系统的方框图。监示信号通过一个电容耦合的电容器2按照功率放大器1放大的功率来耦合输出。一个隔离器3以及其后面的一个低通滤波器4接在系统中，并且当工作方式转换开关5接通到发射侧时，信号在去掉发射系统中的二次寄生谐波和三次寄生谐波之后从天线6发射出去。
但是，在上面的结构中，为了完全衰减掉系统中已被放大的二次寄生谐波和三次寄生谐波，可能需要增加低通滤波器4的极点数。此外，不管工作方式转换开关5的输入位置如何，为了防止反射信号都得接入隔离器3会导致较高的价格。
发明内容
本发明提供一种带定向耦合器的小型廉价低通滤波器以及一种使用这种低通滤波器来衰减高频段特别是系统中的二次寄生谐波和三次寄生谐波的蜂窝电话。
本发明的低通滤波器消除了隔离器的使用，并将一个短截线连接到用于耦合输出监示信号的定向耦合器的主传输线。利用这一结构，一个特定的频段可以通过和现有技术的定向耦合器同样的线长来衰减，从而减少蜂窝电话发射系统的元件数目。
本发明提供一种带定向耦合器的低通滤波器，包括：一个定向耦合器，包括在同一个介电线路板上互相电磁连接并被放置的互相平行的一个主传输线和一个副传输线；以及一个仅连接到所述主传输线一端或仅连接到所述主传输线的每一端的各短截线，每一所述短截线形成一个串联谐振电路，并且所述串联谐振电路的谐振频率可通过所述短截线的特性阻抗、终接条件和线长至少之一进行调整。
本发明提供一种蜂窝电话，具有带定向耦合器的低通滤波器、四个接线端子、功率放大器、工作方式转换开关、天线，其中第一接线端子连接到上述功率放大器，第二接线端子连接到工作方式转换开关，第三接线端子用作监视端子，第四接线端子被用来终接于50Ω，上述工作方式转换开关连接到天线，所述带定向耦合器的低通滤波器连接于所述第一接线端子和所述第二接线端子之间。
附图说明
图1是根据本发明第一示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器透视图；
图2是根据本发明第二示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器透视图；
图3是说明根据本发明第二示例性实施例的主传输线和短截线之间的关系的视图；
图4是根据本发明第三示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器透视图；
图5是根据本发明第四示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器透视图；
图6是根据本发明第五示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器透视图；
图7是根据本发明第六示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器透视图；
图8是根据本发明第七示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器透视图；
图9是使用本发明的带定向耦合器的低通滤波器的蜂窝电话中的发射系统方框图；
图10是现有技术蜂窝电话中的发射系统方框图。
具体实施方式
第一示例性实施例
参照附图说明本发明的第一示例性实施例。
图1示出一个根据本发明第一示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器，用于900MHz频段中。在图1中，一个在其两端具有接线端子101和102的主传输线105以及一个在其两端具有接线端子103和104的副传输线106平行放置在介电线路板107上，介电线路板107的底面是一个屏蔽电极。主传输线105与副传输线106电磁耦合，并且接线端子104终接在50Ω处以组成一个定向耦合器。介电线路板107由氧化铝构成并且其底面是一个屏幕蔽电极。由于介电线路板107的介电常数不大，所以传输线的特性阻抗可以做得较大，从而改善了定向耦合器的特性。
接线端子101和102分别连接到短截线108和109。这些传输线和短截线可利用包括网板印刷和薄膜凹版转移印刷等一系列通常用于制造集成电路板的方法形成。
下一步说明如上结构的带有定向耦合器的低通滤波器的工作。
短截线108和108的连接点输入阻抗Zi如果忽略损耗的话则可计算如下：
Zi＝Z0·(Z1+jZ0tanβl)/(Z0+jZ1tonβl)
式中
Z0：线的特性阻抗；
β：相移常数；
1：线长；以及
Z1：终接阻抗。
这意味着，短截线108和109充当着一个依赖于线的特性阻抗条件、终接条件以及线长的串联谐振电路的角色，并且其频率特性包括一个衰减极点。此外，由于主传输线105起电感的作用，本发明组成一个具有通带频率(下文称为W0)的两衰减极点的低通滤波器，其中主传输线105的线长等于四分之一波长(下文称为λ/4波长)。
上面的示例性实施例通过将短截线连接到常规定向耦合器的主传输线两端和调节这些短截线的特性阻抗、终接条件以及线长提供一个除了具有定向耦合器功能之外，还在特定频段具有衰减极点的低通滤波器功能的元件。
本示例性实施例中有两个短截线，但一个短截线也是可以采用的。单个短截线使得有可能减少元件所占的面积。
在这一示例性实施例中，至少一个短截线长度也可以设定为以W0的二倍频(下文称为2W0)谐振的长度。这使得能够抑制系统的二次寄生谐波。
本示例性实施例也可通过设定短截线之一的线长谐振于2W0，并且另一线长谐振于W0的三倍频(下文称为3W0)来实现。这使得能够抑制二次寄生谐波和三次寄生谐波输出。
本示例性实施例中的短截线也可以用曲折线、螺旋线或者步进阻抗线替代。这允许缩减带定向耦合器的低通滤波器尺寸，而不改变其特性。
本示例性实施例中的短截线也可用一个开式短截线替代。在这一情形，元件将起到一个其中短截线的线长以λ/4谐振的谐振器的作用。这使得能够缩短形成所需衰减极点所要求的线长。这里，两个短截线在W0波段还呈现出一个电容器的特性，并且主传输线和两个短截线组成一个π型3极点低通滤波器，用来改善高频段的衰减特性。
本示例性实施例中使用的是900MHz频段。但是，通过利用本发明，在任何用于传输高频信号的频率都能获得同样的效果。
第二示例性实施例
图2示出本发明第二示例性实施例的一个用于900MHz频段的带定向耦合器的低通滤波器。图2所示第二示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器具有基本上和图1示出的第一示例性实施例同样的结构。因此通过对同一样的部件赋予同一样的数字代号而略去详细说明。
本示例性实施例中带定向耦合器的低通滤波器的短截线208和209放置得平行于主传输线105，如图2所示。短截线208和209以电磁方式与主传输线105耦合。其他结构与第一示例性实施例中一样。
下面说明如上结构的带定向耦合器的低通滤波器的工作。
在第一示例性实施例中，主传输线起到一个电感的作用，并且其两端连接到起串联谐振电路作用的短截线以形成具有两个衰减极点的低通滤波器。由于各线都形成在一个低介电常数的线路板上，短截线的长度变得相对长一些，结果就产生一个带定向耦合器的低通滤波器。
在本示例性实施例中，短截线208和209放置得平行于主传输线105和副传输线106，使得能够实现一种带有和定向耦合器210一样长度的带定向耦合器的低通滤波器。
如果主传输线105与短截线208电磁耦合的部分由使用图3(a)中所示耦合传输线的两端口电路组成，则其等效电路将如图3(b)所示。在这一情形，主传输线的特性阻抗Z1和短截线208的特性阻抗Z2算出如下：
Z1＝(Ze+Z0)/2
Z2＝(Ze/Z0)·(Ze+Z0)/2
式中
Ze：耦合传输线的偶模阻抗，且
Z0：耦合传输线的奇模阻抗。
随着耦合传输线的耦合电平上升，生成一个较大的Ze-Z0数值，上式规定短截线208的特性阻抗Z2将增加，使短截线208形成的衰减极点的带宽变窄。当主传输线105与短截线209的耦合电平增加时，由短截线209形成的衰减极点的带宽同样会变窄。
因此，在本示例性实施例中，由短截线208和209形成的衰减极点的带宽可通过改变主传输线105和短截线208的宽度以及两线之间的距离，或者主传输线和短截线209的线宽以及两线之间的距离来控制。
在本示例性实施例中使用的是900MHz频段。但是，通过利用本发明，在任何用于传输高频信号的频率都能获得同样的效果。
第三示例性实施例
图4示出本发明第三示例性实施例的一个用于900MHz频段的带定向耦合器的低通滤波器。图4所示第三示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器具有基本上与图2示出的第二示例性实施例同一样的结构。因此通过对同一样部件赋予同一样数字代号而略去详细说明。
在本示例性实施例中，一个电容器410连接到主传输线105的一端，并且电容器411和412连接到副传输线106的两端。其他结构与第二示例性实施例一样。
下面说明如上结构的带定向耦合器的低通滤波器的工作。
在第一和第二示例性实施例中，主传输线起电感的作用，并且其两端均连接到形成谐振于2W0和3W0的串联谐振电路的短截线，以获得具有两个衰减极点的低通滤波器特性。在这一情形，两个短截线还在W0频段呈现电容器特性并形成π型3极点低通滤波器。但是，二个短截线的电容成份并不完全一样。当短截线208和209为图4所示的开式短截线并且分别以2W0和3W0谐振时，其导纳等于
Y＝Y0tanβl(式中Y0＝1/Z0)
以低频谐振的开式短截线的导纳高于以较高频率谐振的开式短截线的导纳。因而，作用到接线端子101的电容成份大于作用到接线端子102的电容成份。没有任何电容成份作用于接线端子103和104。因此，在第一和第二示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器中，阻抗是不匹配的。
第三示例性实施例通过调整电容器410、411和412从而校正每一个电容量，实现了一个具有匹配阻抗的低通滤波器。
电容器410的电容量最好设置为从短截线208的电容成份减去短截线209的电容成份所得到的数值。电容器411和412的电容量最好也设置为短截线208的电容成份。这些设置值使得在W0能有最好的阻抗匹配。
在本示例性实施例中，短截线209的电容量不足以被连接接线端子102的电容器410校正。这可以用另一种方式通过将短截线209的宽度做得比短截线208更宽些，而不用连接电容器来达到。这样做就使得元件数量能够减少，并且也能够更精密地调整电容量。
本示例性实施例中使用的是900MHz频段。但是，通过利用本发明，对任何用于传输高频信号的频率都能得到同样的效果。
第四示例性实施例
图5示出本发明第四示例性实施例的一个用于900MHz频段的带定向耦合器的低通滤波器。图5示出的第四示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器具有基本上和图1所示第一示例性实施例同样的结构。因此通过对同一样的部件赋予同一样的数字代号而略去详细说明。
在本示例性实施例中，短截线513和514并联连接而且短截线515和516也并联连接，使得每一对都形成带定向耦合器的低通滤波器中的一个电容器。在短截线513、514、515和516的接点处的输入阻抗Zi，如果忽略损耗的话，则算出如下：
Zi＝Z0·(Z1+jZ0tanβ1)/(Z0+jZ1tanβl)
式中：
Z0：线的特性阻抗；
β：相移常数；
1：线长；以及
Z1：终接阻抗。
由于短截线513、514、515和516都起着依赖于特性阻抗条件、终接条件、以及线长的串联谐振电路的作用，本发明便组成了一个对频率W0具有两个衰减极点的π型3极低通滤波器，其中主传输线105的长度等λ/4波长。这里，短截线513和514的电容成份组成低通滤波器的电容器之一，从而使得短截线与第一示例性实施例中的相比相对窄一些。对于短截线515和516的电容成份也获得同样的效果。
如上所述，第四示例性实施例通过分割电容量提供一个带定向耦合器的低通滤波器，从而使短截线变窄。
在示例性实施例中有4个短截线，但这可以减少为1至3个线，或者增加到5个线以上。这就允许减少元件所占用的面积。
在本示例性实施例中，至少一个短截线的长度可以做成以2W0谐振的长度。这就使得能够抑制二次寄生谐波。
在本示例性实施例中，至少一个短截线的长度可以做成以3W0谐振的长度。这就允许抑制三次寄生谐波。
另外，在本示例性实施例中，至少一个短截线可以做成以2W0的长度，同时至少一个短截线可做成以3W0谐振。这就允许既抑制二次寄生谐波又抑制三次寄生谐波。
在本示例性实施例中，至少一个短截线的长度还可以做成以不同于2W0或3W0的频率谐振的长度。这就允许抑制二次寄生谐波和三次寄生谐波以外的频率。
在本示例性实施例中，至少一个短截线的长度还可以做成以一个指定频率谐振的长度。这就允许抑制一个指定频率的寄生输出。
本示例性实施例中的短截线均连接在同一侧，但当线被连接在相反的一侧时也能获得同样的效果。
本示例性实施例中使用的是900MHz频段。但是，通过利用本发明，对任何用于传输高频信号的频率都能获得同样的效果。
第五示例性实施例
图6示出本发明第五示例性实施例的一个用于900MHz频段的带定向耦合器的低通滤波器。图6示出的第五示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器具有基本上与图5所示第四示例性实施例同样的结构。因此通过对同一样的部件赋予同一样的数字代号而略去详细说明。
在第五示例性实施例中，至少一个连接到主传输线105的电容是短截线，而对于剩下的电容则使用片式电容器。其他结构与第四示例性实施例的一样。
下面说明上述结构带定向耦合器的低通滤波器的工作。
在第四示例性实施例中，主传输线105起电感的作用。短截线被连接到主线105的两端，以起到一个在频率W0呈现电容性的串联谐振电路的作用，用于组成一个具有衰减极点的低通滤波器。但是，例如说为了在氧化铝线路板上衰减900MHz二倍频，短截线的长度就相对变长，达13.4mm，结果将形成较大的带定向耦合器的低通滤波器。
在本示例性实施例中，一个片式电容器617连接到主传输线105作电容。适用的片式电容器长度为1mm。
如上所述，本示例性实施例通过使用一个短截线作为连接到主传输电极线的电容之一和一个片式电容器用作其余的电容，实现了一个较小的带定向耦合器的低通滤波器。
本示例性实施例中使用的是900MHz频段。但是，通过利用本发明，在任何用于传输高频信号的频率都能获得同样的效果。
第六示例性实施例
图7示出本发明第六示例性实施例的一个用于900MHz频段的带定向耦合器的低通滤波器。图7所示第六示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器具有基本上与图5示出的第四示例性实施例的结构。因此通过向同一样的部件赋予同一样的数字代号而略去详细说明。
在第六示例性实施例中，至少一个连接到主传输线的电容是短截线，并且一个内置电容718用于剩下的电容。其他结构与第四示例性实施例的一样。
下面说明上面结构的带定向耦合器的低通滤波器的工作。
在第四示例性实施例中，主传输线105起到一个电感的作用。短截线连接到主传输线105的两端以起到在频率W0呈现电容性的串联谐振电路的作用，用于组成一个具有衰减极点的低通滤波器。但是，例如说为了在氧化铝线路板上衰减900MHz的二倍频，短截线的长度就变得相对较长，达13.4mm，其结果产生一个较大的带定向耦合器的低通滤波器。
在本示例性实施例中，把一个内置电容器718连接到主传输线105。内置电容可用短于几毫米的长度形成。
如上所述，本示例性实施例通过使用一个短截线作为连接到主传输线的电容和一个内置电容器用作其余的电容，实现了一个带定向耦合器的较小低通滤波器。
本示例性实施例中使用的是900MHz频段。但是，通过利用本发明，在任何用于传输高频信号的频率都可获得同样的效果。
第七示例性实施例
图8示出本发明第七示例性实施例的一个用于900MHz频段的带定向耦合器的低通滤波器。图8所示第七示例性实施例的带定向耦合器的低通滤波器具有基本上和图1示出的第一示例性实施例同样的结构。因此，通过对同一样的部件赋予同一样的数字代号而略去详细说明。
在第七示例性实施例中，连接到主传输线的短截线是一个内置在线路板内部的短截线。其他结构均与第一示例性实施例的一样。
下面，说明上述结构的带定向耦合器的低通滤波器的工作。
使用通常用来制造集成电路板的网板印刷和凹板印刷一类的方法形成在线路板上的短截线的性态，由于形成方法的局限性很难调整。而且，短截线可能会在形成之后受到外部因素的影响。因为本发明的短截线是靠其特性阻抗、终接条件和线长精确调整的，所以这种型式的短截线的特性可能不稳定。
第七示例性实施例提供一种维持线在形成时的初始性态的带定向耦合器的低通滤波器，并通过将形成在线路板内部的短截线连接到主传输线105而避免了外部影响。
在本示例性实施例中设置了一个内置短截线。显而易见，可以设置两个或两个以上的短截线。在这一情形，带定向耦合器的低通滤波器特性能得到进一步稳定。
在本示例性实施例中，一个短截线设置在线路板的内部，但整个带定向耦合器的低通滤波器也可被设置在内部。那将进一步稳定带定向耦合器的低通滤波器特性。
本示例性实施例中使用的是900MHz频段。但是，通过利用本
发明，在任何用于传输高频信号的频率都可获得同样的效果。
第八示例性实施例
图9示出第八示例性实施例中使用带定向耦合器的低通滤波器
的蜂窝电话中的发射系统输出电路。本示例性实施例中使用的带定
向耦合器的低通滤波器可以是第一至第七示例性实施例之一。
在图9中，接线端子101连接到一个功率放大器1，接线端子102连接到一个工作方式转换开关5。接线端子103用作监示器端子，接线端子104被用来终接于50Ω。
下面说明上述结构的蜂窝电话中发射系统输出电路的工作。
功率放大器1放大系统信号，信号经过一个带定向耦合器的低通滤波器7和工作方式转换开关5从天线6发射出去。这里，系统的高频频段，特别是二次寄生谐波和三次寄生谐波被带定向耦合器的低通滤波器7衰减掉而不传送到天线。监示信号也可通过定向耦合器耦合输出。
本示例性实施例通过利用本发明带定向耦合器的低通滤波器，使得能够减少蜂窝电话的发射系统输出电路中的元件数目，从而提供一种较小而又更为便宜的蜂窝电话。
本发明通过将一个短截线连接到定向耦合器的主传输线，提供一种带有低通滤波器附加功能的元件。在指定的频段有一衰减极点而不需要改变线长。衰减极点的带宽也可通过用电磁方法连接短截线和主传输线来控制。带定向耦合器的低通滤波器阻抗也可通过将主副传输线的两端经由一个电容器接地来匹配。在蜂窝电话的发射系统输出电路中使用本发明带定向耦合器的低通滤波器能够减少元件数量并实现一种较小的和价廉的蜂窝电话。本发明通过分割定向耦合器的至少一个电容并提供至少一个短截线，使一个用来衰减所需频率的低通滤波器功能附加到定向耦合器的功能上。短截线的宽度可通过分割电容而变窄，以实现较小型带定向耦合器的低通滤波器。通过在蜂窝电话的发射电路中采用本发明带定向耦合器的低通滤波器，元件的数目就能减少，较小型而又价廉的蜂窝电话就能实现。

Claims (20)

1.一种带定向耦合器的低通滤波器，包括：
一个定向耦合器，包括在同一个介电线路板上互相电磁连接并被放置的互相平行的一个主传输线和一个副传输线；以及
一个仅连接到所述主传输线一端或仅连接到所述主传输线的每一端的各短截线，每一所述短截线形成一个串联谐振电路，并且所述串联谐振电路的谐振频率可通过所述短截线的特性阻抗、终接条件和线长至少之一进行调整。
2.根据权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中被连接到定向耦合器的所述主传输线的每一端的所述短截线被放置得顺着定向耦合器的所述主传输线的长度方向并与所述主传输线电磁连接。
3.根据权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中至少所述短截线之一具有以低通滤波器通带频率的二倍频率谐振的线长。
4.根据权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中至少一个所述短截线之一具有以低通滤波器通带频率的三倍频率谐振的线长。
5.根据权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器，在具有多个短截线时，所述短截线之一具有以低通滤波器通带频率的二倍频率谐振的线长，另一短截线具有以通带频率的三倍频率谐振的线长。
6.根据权利要求5所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中在连接到所述三倍频率谐振的短截线的端子和地线之间，以及在定向耦合器副传输线的两个端子和地线之间各接一个电容器。
7.根据权利要求5所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中以三倍频率谐振的短截线的线宽度要比以二倍频谐振的短截线的宽度更宽一些。
8.根据权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器，还包括：
一个有多个电容元件设置在所述定向耦合器的主传输线的至少一端的并联电路，所述电容元件包括至少一个所述短截线，所述短截线形成所述串联谐振电路。
9.根据权利要求8所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中至少一个所述短截线具有以通带频率的二倍频率谐振的线长。
10.根据权利要求8所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中至少一个所述短截线具有以通带频率的三倍频率谐振的线长。
11.根据权利要求8所述的带定向耦合器的低通滤波器，在具有多个短截线的情况下，所述短截线之一具有以低通滤波器通带频率的二倍频率谐振的线长，并且至少一个另外的短截线具有以通带频率的三倍频率谐振的线长。
12.根据权利要求8所述的带定向耦合器的低通滤波器，在具有多个短截线的情况下，至少一个短截线具有以不同于二倍频和三倍频的频率谐振的线长。
13.根据权利要求8所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中并联电路设置在定向耦合器主传输线的一端，所述并联电路具有多个电容元件，至少包括一个短截线；还有一个片式元件设置在主传输线的另一端，所述片式元件具有电容成份。
14.根据权利要求8所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中并联电路连接到定向耦合器主传输线的一端，所述并联电路具有多个电容元件，至少包括一个短截线；还有一个置放在介电线路板内且设置到定向耦合器主传输线另一端的内置电容元件。
15.根据权利要求8所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中，
所述并联电路具有多个放置在定向耦合器的所述主传输线的一端的电容元件，所述电容元件包括至少一个所述短截线；以及
至少一个被置放在定向耦合器的所述主传输线的另一端的短截线，所述短截线具有以指定频率谐振的线长。
16.根据权利要求8所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中所述具有多个电容元件的并联电路既连到定向耦合器的主传输线，又连到定向耦合器的副传输线。
17.根据权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中所述短截线为曲折线、螺旋线或步进阻抗线之一。
18.根据权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中所述短截线是一个开式短截线。
19.根据权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器，其中所述短截线被放置在介电线路板之内部。
20.一种蜂窝电话，具有权利要求1所述的带定向耦合器的低通滤波器、四个接线端子、功率放大器、工作方式转换开关、天线，其中第一接线端子连接到上述功率放大器，第二接线端子连接到工作方式转换开关，第三接线端子用作监视端子，第四接线端子被用来终接于50Ω，上述工作方式转换开关连接到天线，所述带定向耦合器的低通滤波器连接于所述第一接线端子和所述第二接线端子之间。
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