CN101714877B - 滤波装置及其相关无线通信接收机 - Google Patents

Abstract

一种滤波装置，包括一绝缘基板，其包括一第一面及一第二面；一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，用来传输信号；以及一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；其中，该接地金属层中对应于该微带线的一区块形成有一曲折型谐振腔，用来在该微带传输线上产生一截止频带。本发明还提供一种与滤波装置相关的无线通信接收机，包括一天线，用来接收一无线信号；一波导管，耦接于该天线，用来加强该无线信号中一特定频带的电波；一降频器，用来降低所接收的信号的频率，以输出一中频信号；一基频处理器，用来处理该中频信号；以及一滤波装置。

Description

滤波装置及其相关无线通信接收机

技术领域

本发明为一种滤波装置及其相关无线通信接收机，特别是一种可缩小电路布局面积及较高可调性的滤波装置及其相关无线通信接收机。

背景技术

超外差接收机(Super Heterodyne Receiver)是一种最为广泛使用的无线通信接收机，其可以简单的执行载波频率调谐(即选台)、滤波及信号放大。在超外差接收机中，信号从天线接收经过放大、射频滤波、降至中频、经一至多个中频放大及滤波，最后降至基频作信号解调处理。其中，由射频降至中频的过程中，往往会受到镜像频率(Image Frequency)干扰的影响，导致后续信号处理发生问题。

请参考图1，图1为传统用于一超外差接收机10的示意图。超外差接收机10包括一天线100、一低噪声放大器102、一镜像消除滤波器(Image RejectFilter)104、一混频器106、一本地振荡器(Local Oscillator)108、一中频低通滤波器110及一中频放大器112。超外差接收机10的工作方式简述如下。射频信号VRF1由天线100接收后，经低噪声放大器102放大成为射频信号VRF2；接着，镜像消除滤波器104滤除射频信号VRF2中的镜像频率信号，以产生射频滤波信号VFRF，再经混频器106降频至中频频段，并由中频低通滤波器110滤波和中频放大器112放大后输出中频信号VIF。其中，镜像消除滤波器104用来消除镜像频率干扰。镜像频率产生的原因在于：两输入频率|fLO±fIF|，都会在混频器106输出产生频率fIF；其中，频率fLO为本地振荡器108的振荡信号频率，而频率fIF为中频信号VIF的频率。因此，在超外差接收机10中，频谱上对称于本地振荡信号两侧的信号经过混频器106时，会进入到相同的频带中，形成一种干扰信号，降低了信噪比(Signal to Interference Ratio，C/I Ratio)，而污染欲接收的信号，以致影响超外差接收机10的接收效果。面对镜像频率干扰的问题，最常用的方法是在混频器106前加一个带通滤波器，即镜像消除滤波器104，用以先把干扰信号滤除再进入混频器106中，以将干扰降至最低。

在传统技术中，镜像消除滤波器104的实现方式有许多种，例如发夹式带通滤波器(Hairpin Band Pass Filter)或者平行耦合线滤波器(parallel-coupled line filter)等。请参考图2，图2为传统一发夹式带通滤波器20的示意图。发夹式带通滤波器20为横向对称式(Transverse Symmetry)架构，其包括微带线(Micro-strip Line)连接器IO_a、IO_b及谐振器RSN_1～RSN_n。微带线端口IO_a、IO_b连接于前、后级电路，用以接收及输出信号。谐振器RSN_1～RSN_n的每一谐振器的总长大约为欲接收的信号波长的一半，而其个数n代表发夹式带通滤波器20的阶数(Order)，设计者可根据不同需求设计n的大小。

因此，通过调整每一谐振器的总长、个数、宽度等特性，发夹式带通滤波器20可达到适当的抗镜像频率效果。然而，在发夹式带通滤波器20中，每一谐振器均为弯折式(或发夹式)结构，因而会占用较大的电路板面积，使得成本随之增加。更有甚者，发夹式带通滤波器20在靠近通带(Pass Band)两旁的噪声抑制能力较差。换句话说，若噪声较靠近射频频带时，则可能进入到电路内，造成干扰。在此情形下，传统技术可使用微带线的匹配网路，如四分之一波长的开路残段(Open Stub)，来产生另一截止频带，以抑制噪声。

请参考图3，图3为一微带线开路残段架构30的示意图。微带线开路残段架构30是在传输路径(即输入端口PT_i至输出端口PT_o)上，延伸出一终端开路的开路残段300，以产生另一截止频带频宽。然而，开路残段300产生的截止频带频宽约在30％左右，且缩小频宽的效率较差。举例来说，请参考图4及图5，图4及图5为开路残段300在不同线宽下穿透系数及抑制频段频宽的示意图。在图4中，曲线TP_1～TP_5分别表示开路残段300的线宽为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm及0.3mm时，穿透系数的曲线；而在图5中，曲线TP_HM及BW_RJ分别表示开路残段300的线宽为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm及0.3mm时，谐振点穿透系数及抑制频段频宽的曲线。因此，由图4及图5可知，开路残段300缩小频宽的效率较差，换句话说，微带线开路残段架构30对于靠近射频频带的噪声滤除能力不佳，无法有效滤除噪声。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种滤波装置及其相关无线通信接收机。

根据本发明的一方面，提供了一种滤波装置，该滤波装置包括：一绝缘基板，包括一第一面及一第二面；一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，用来传输信号；以及一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；其中，在该接地金属层中，在微带传输线的一区块的正下方形成一曲折型谐振腔，用来产生一截止频带；其中，该滤波装置还包括一调整螺丝，设在该绝缘基板中，用来调整与该微带传输线间的间距，以调整该截止频带的中心频率。

根据本发明的另一方面，提供了一种滤波装置，该滤波装置包括：一绝缘基板，包括一第一面及一第二面；一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，用来传输信号；以及一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；其中，在该接地金属层中，在微带传输线的一区块的正下方形成一曲折型谐振腔，用来产生一截止频带；其中，在该接地金属层上包覆一壳体，该壳体中对应于该曲折型谐振腔的位置形成有一逃料空间，该逃料空间投影在该绝缘基板的该第二面的面积大于该曲折型谐振腔的面积。

根据本发明的再一方面，提供了一种滤波装置，该滤波装置包括：一绝缘基板，包括一第一面及一第二面；一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，用来传输信号；以及一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；其中，在该接地金属层中，在微带传输线的一区块的正下方形成一曲折型谐振腔，用来产生一截止频带；其中，在该接地金属层上包覆一壳体，该壳体中对应于该曲折型谐振腔的位置形成有一逃料空间，该逃料空间的深度与该截止频带的中心频率呈反比。

根据本发明的又一方面，提供了一种无线通信接收机，该无线通信接收机包括：一天线，用来接收一无线信号；一波导管，耦接于该天线，用来加强该无线信号中一特定频带的电波；一降频器，用来降低所接收的信号的频率，以输出一中频信号；一基频处理器，用来处理该中频信号；以及一滤波装置，其包括：一绝缘基板，包括一第一面及一第二面；一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，且耦接于该波导管与该降频器之间，用来传输信号；以及一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；其中，在该接地金属层中，在微带传输线的一区块的正下方形成一曲折型谐振腔，用来产生一截止频带；其中，该滤波装置还包括一调整螺丝，设在该绝缘基板中，用来调整与该微带传输线间的间距，以调整该截止频带的中心频率。

根据本发明的又一方面，提供了一种无线通信接收机，该无线通信接收机包括：一天线，用来接收一无线信号；一波导管，耦接于该天线，用来加强该无线信号中一特定频带的电波；一降频器，用来降低所接收的信号的频率，以输出一中频信号；一基频处理器，用来处理该中频信号；以及一滤波装置，其包括：一绝缘基板，包括一第一面及一第二面；一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，且耦接于该波导管与该降频器之间，用来传输信号；以及一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；其中，在该接地金属层中，在微带传输线的一区块的正下方形成一曲折型谐振腔，用来产生一截止频带；其中，在该接地金属层上包覆一壳体，该壳体中对应于该曲折型谐振腔的位置形成有一逃料空间，该逃料空间投影在该绝缘基板的该第二面的面积大于该曲折型谐振腔的面积。

根据本发明的又一方面，提供了一种无线通信接收机，该无线通信接收机包括：一天线，用来接收一无线信号；一波导管，耦接于该天线，用来加强该无线信号中一特定频带的电波；一降频器，用来降低所接收的信号的频率，以输出一中频信号；一基频处理器，用来处理该中频信号；以及一滤波装置，其包括：一绝缘基板，包括一第一面及一第二面；一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，且耦接于该波导管与该降频器之间，用来传输信号；以及一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；其中，在该接地金属层中，在微带传输线的一区块的正下方形成一曲折型谐振腔，用来产生一截止频带；其中，在该接地金属层上包覆一壳体，该壳体中对应于该曲折型谐振腔的位置形成有一逃料空间，该逃料空间的深度与该截止频带的中心频率呈反比。

附图说明

图1为传统用于一超外差接收机的一降频器的示意图。

图2为传统一发夹式带通滤波器的示意图。

图3为传统一微带线开路残段架构的示意图。

图4为图3的开路残段在不同线宽下穿透系数的示意图。

图5为图3的开路残段在不同线宽下抑制频段频宽的示意图。

图6A为本发明实施例一滤波装置的侧视分解透视图。

图6B为图6A的滤波装置的上视平面图。

图6C为图6A的滤波装置的下视平面图。

图7为图6A的滤波装置在不同曲折型谐振腔的间距下穿透系数的示意图。

图8为图6A的滤波装置在不同曲折型谐振腔的间距下抑制频段频宽的示意图。

图9为图3的微带线开路残段架构的一抑制频段频宽曲线与图6A的滤波装置的一抑制频段频宽曲线的比较图。

图10A为图6A的滤波装置的底部包覆一壳体的示意图。

图10B为图10A的壳体的示意图。

图11为不同逃料空间的深度下，图6A的滤波装置的穿透系数的示意图。

图12为本发明实施例一无线通信接收机的示意图。

主要元件符号说明

10                          超外差接收机

100                         天线

102                         低噪声放大器

104                         镜像消除滤波器

106                         混频器

108                         本地振荡器

110                         中频低通滤波器

112                         中频放大器

VRF1、VRF2                  射频信号

VFRF                        射频波信号

VIF                         中频信号

20                          发夹式带通滤波器

IO_a、IO_b                  微带线端口

RSN_1～RSN_n、IRSN_1～IRSN_n谐振器

30                          微带线开路残段架构

300                         开路残段

PT_i                        输入端口

PT_o                        输出端口

600、602                    箭号

60                          滤波装置

604                         绝缘基板

606                         微带传输线

608                         接地金属层

610                         曲折型谐振腔

A、A’                      区块

1000                        壳体

1002                        逃料空间

1200                        无线通信接收机

1202                        天线

1204                        波导管

1206                        降频器

1208                        基频处理器

TP_1～TP_5、TP_HM、BW_RJ、ITP_1～ITP_5、ITP_HM、IBW_RJ、OPS_BW、DGS_BW、HTP_1～HTP_3    曲线

具体实施方式

请参考图6A至图6C，图6A为本发明实施例一滤波装置60的侧视分解透视图，图6B为滤波装置60的上视平面图，图6C为滤波装置60的下视平面图。其中，为正确说明本发明，图6A至图6C使用箭号600、602，说明相关于滤波装置60的视角方向。滤波装置60包括一绝缘基板604、一微带传输线606及一接地金属层608。微带传输线606及接地金属层608分别形成在滤波装置60的上、下两面，用以传输信号及提供接地。在接地金属层608中，一区块A’对应于微带传输线606中一区块A，其形成(或蚀刻)有一曲折型(meander-shaped)谐振腔610，用以在微带传输线606上产生一截止频带。简单来说，区块A正下方所形成曲折型谐振腔610用来产生一截止频带，使得滤波装置60可过滤特定频带的信号。

在滤波装置60中，微带传输线606正下方的曲折型谐振腔610等效于一电阻、一电容及一电感的并联电路。换句话说，只要适当调整曲折型谐振腔610的间距、总长等，即可调整截止频带的频宽、中心频率、谐振点穿透系数等。举例来说，请参考图7及图8，图7及图8为滤波装置60在不同曲折型谐振腔610的间距下穿透系数及抑制频段频宽的示意图。在图7中，曲线ITP_1～ITP_5分别表示曲折型谐振腔610的间距为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm及0.3mm时，滤波装置60的穿透系数的曲线；而在图8中，曲线ITP_HM及IBW_RJ分别表示曲折型谐振腔610的间距为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm及0.3mm时，滤波装置60的谐振点穿透系数及抑制频段频宽的曲线。由图7可知，当曲折型谐振腔610的间距变小，滤波装置60的截止频带也跟着变小，主要是由于当曲折型谐振腔610的间距变小时，电容性会增强，而截止频带的频宽相关于等效电阻及电容乘积的倒数，所以截止频带的频宽也跟着变小。另外，由图8可知，当曲折型谐振腔610的间距变小，则截止频带的频宽会快速缩小，例如，当曲折型谐振腔610的间距从0.30mm降至0.10mm时，截止频带的频宽缩小了约17％。进一步与图3的微带线开路残段架构30比较，请参考图9，图9为微带线开路残段架构30的抑制频段频宽曲线OPS_BW与滤波装置60的抑制频段频宽曲线DGS_BW的比较图。由图9可知，滤波装置60的截止频带的频宽缩小速度约为微带线开路残段架构30的两倍。换句话说，只要适当调整曲折型谐振腔610的间距，即可有效调整截止频带的频宽。在此情形下，本领域具通常知识者可使用滤波装置60，辅助带通滤波器，以增加其抑制能力，或是内嵌在微带线底部滤除噪声。

该曲折型谐振腔610的间距与截止频带的频宽呈正比。该曲折型谐振腔610的间距与该滤波装置的谐振点穿透系数呈反比。该曲折型谐振腔610的总长度相关于该截止频带的中心频率。

另一方面，在实现滤波装置60时，通常会在接地金属层608上包覆一壳体。请参考图10A及图10B，图10A为滤波装置60的底部包覆一壳体1000的示意图，图10B为壳体1000的示意图。由于接地金属层608形成有曲折型谐振腔610，因此，壳体1000上需包括一逃料空间1002，其投影在绝缘基板604的面积需大于曲折型谐振腔610的面积，以维持其正常运作。此外，逃料空间1002的深度可改变曲折型谐振腔610的等效电路的电感与电容值，例如，图11为不同逃料空间1002的深度下，滤波装置60的穿透系数的示意图。在图11中，曲线HTP_1～HTP_3分别表示逃料空间1002的深度为0.5mm、1.0mm及2.0mm时，滤波装置60的穿透系数的曲线。因此，当逃料空间1002的深度越浅时，滤波装置60的截止频率的中心频率会越往高频偏移。如此一来，只要适当调整逃料空间1002的深度，即可调整滤波装置60的截止频率的中心频率。

逃料空间1002形成在该壳体中对应于该曲折型谐振腔的位置。该逃料空间1002的深度与该截止频带的中心频率呈反比。

因此，由上述可知，通过调整曲折型谐振腔610的间距、总长或逃料空间1002的深度，即可调整截止频带的频宽、中心频率、谐振点穿透系数等特性。换句话说，本领具通常知识者可根据不同需求，轻易地达到所需的滤波特性。当然，除了上述的调整方式，亦可与业界常见的调整方式结合，以提升滤波装置60的可调性。滤波装置还可包括一调整螺丝，设在该绝缘基板中，用来调整与该微带传输线间的间距，以调整该截止频带的中心频率。例如，在无线射频技术中，调整螺丝(Tuning Screw)是一种常被用来微调微带线电容大小的技术，其可通过转动调整螺丝而改变谐振电路与调整螺丝之间的等效电容，进而调整滤波特性。这种使用调整螺丝的方式亦可用于本发明中，以增进可调性。

如前所述，曲折型谐振腔610等效于电阻、电容及电感的并联电路，此种等效电路拥有较高的Q值，所以频宽会较窄，因而可轻易抑制靠近射频频带的噪声。借由这些的特性，若将滤波装置60适当地应用于无线通信接收机中，则可取代带通滤波器(如图2所示的发夹式带通滤波器20)。请参考图12，图12为本发明实施例一无线通信接收机1200的示意图。无线通信接收机1200使用图6A的滤波装置60，并包括：用来接收一无线信号的一天线1202；一波导管1204，耦接于该天线，用来加强该无线信号中一特定频带的电波；一降频器1206，用来降低所接收的信号的频率，以输出一中频信号；一基频处理器1208，用来处理该中频信号；以及一滤波装置。无线通信接收机1200的工作方式简述如下。射频信号由天线1202接收后，由波导管1204加强特定频率的电波；接着，本发明的滤波装置60滤除镜像频率信号，再经降频器1206降频至中频频段，以由基频处理器1208进行后续处理。简单来说，无线通信接收机1200以波导管1204及滤波装置60取代带通滤波器。由于滤波装置60除了具备较窄的截止频带外，还具备体积小、成本低等优点，且容易内嵌于微带电路中，故可缩小电路布局面积，并提高电路性能及降低成本。

需注意的是，图12仅为无线通信接收机1200的示意图，实际上，无线通信接收机1200可能包括其它元件，如低噪声放大器、中频低通滤波器、中频放大器等，而本领域具通常知识者当可依其所需做适当的变化。

综上所述，本发明是在微带传输线正下方的接地金属层，形成曲折型谐振腔，以产生截止频带，使得滤波装置过滤特定频带的信号。因此，本发明的滤波装置除了具备较窄的截止频带外，还具备体积小、成本低等优点，且容易内嵌于微带电路中，故可缩小电路布局面积，并提高电路性能及降低成本。更重要的是，本发明的滤波装置的可调性较高，可通过多种调整方式，适度调整其滤波特性，以达到系统需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明所做的均等变化与修饰，均应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种滤波装置，包括：

一绝缘基板，包括一第一面及一第二面；

一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，用来传输信号；以及

一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；

其中，在该接地金属层中，在微带传输线的一区块的正下方形成一曲折型谐振腔，用来产生一截止频带；

其中，该滤波装置还包括一调整螺丝，设在该绝缘基板中，用来调整与该微带传输线间的间距，以调整该截止频带的中心频率。

2.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该曲折型谐振腔等效为一电阻、一电容及一电感的并联电路。

3.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该曲折型谐振腔的间距与该截止频带的频宽呈正比。

4.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该曲折型谐振腔的间距与该滤波装置的谐振点穿透系数呈反比。

5.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该曲折型谐振腔的总长度相关于该截止频带的中心频率。

6.根据权利要求1所述的滤波装置，其中该曲折型谐振腔以蚀刻方式形成在该接地金属层中。

7.一种无线通信接收机，包括：

一天线，用来接收一无线信号；

一波导管，耦接于该天线，用来加强该无线信号中一特定频带的电波；

一降频器，用来降低所接收的信号的频率，以输出一中频信号；

一基频处理器，用来处理该中频信号；以及

一滤波装置，其包括：

一绝缘基板，包括一第一面及一第二面；

一微带传输线，布设在该绝缘基板的该第一面上，且耦接于该波导管与该降频器之间，用来传输信号；以及

一接地金属层，布设在该绝缘基板的该第二面上，用来提供接地；

其中，在该接地金属层中，在微带传输线的一区块的正下方形成一曲折型谐振腔，用来产生一截止频带；

其中，该滤波装置还包括一调整螺丝，设在该绝缘基板中，用来调整与该微带传输线间的间距，以调整该截止频带的中心频率。

8.根据权利要求7所述的无线通信接收机，其中该曲折型谐振腔等效为一电阻、一电容及一电感的并联电路。

9.根据权利要求7所述的无线通信接收机，其中该曲折型谐振腔的间距与该截止频带的频宽呈正比。

10.根据权利要求7所述的无线通信接收机，其中该曲折型谐振腔的间距与该滤波装置的谐振点穿透系数呈反比。

11.根据权利要求7所述的无线通信接收机，其中该曲折型谐振腔的总长度相关于该截止频带的中心频率。

12.根据权利要求7所述的无线通信接收机，其中该曲折型谐振腔以蚀刻方式形成在该接地金属层中。

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