CN103650340A - 可调滤波器装置以及通信装置 - Google Patents

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CN103650340A CN201180072125.XA CN201180072125A CN103650340A CN 103650340 A CN103650340 A CN 103650340A CN 201180072125 A CN201180072125 A CN 201180072125A CN 103650340 A CN103650340 A CN 103650340A
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Abstract

本发明的课题与可调滤波器的通频带的中心频率一起使通频带的带宽可变。本发明的解决手段在于，可调滤波器装置具有：第一串联臂，所述第一串联臂被串联地连接到信号线上，包含可调电容和电感，构成串联谐振器；第一并联臂和第二并联臂，在第一串联臂的两侧，所述第一并联臂和第二并联臂被连接到信号线和接地之间，分别包含可调电容和电感，构成被接地的串联谐振器，第一串联臂规定通频带的中心频率，第一并联臂和第二并联臂规定夹着通频带的衰减极点。

Description

可调滤波器装置以及通信装置
技术领域
本发明涉及用于高频信号的通频带的可调滤波器装置、以及使用该可调滤波器装置的通信装置。
背景技术
图6A-图6D是示出为了说明用于通频带的、现有的带通滤波器的等价电路图以及特性的图表。在高频通信中具有使用仅使特定的频带的信号选择性通过的通频带的用途。带通滤波器的特性首先规定了通频带的中心频率和通频带带宽。
图6A示出将多个串联谐振器串联地连接到信号线的带通滤波器。规定通频带的串联谐振器SRi、SRi+1、SRi+2、…经由电长度(λ/4)×n的耦合部Zi、Zi+1、…串联地连接到信号线上。各串联谐振器SR包含电容C和电感L的串联连接，具有图6B中简要地示出的传输特性。当连接多级的串联谐振器时，特性为将它们相乘。当将中心频率和通频带带宽相同的串联谐振器串联地连接时，中心频率、通频带带宽不变而陡峭性增加。路经损耗也会增加。
图6C是经由电长度(λ/4)×n的耦合部Z1～Zn将多个并联谐振器PR1～PRn并联地连接到信号线(信号线和设置之间)的构成。并联地连接到信号线的并联谐振器也具有图6B中所示的特性。图6D是交替地连接多个并联谐振器和多个串联谐振器时的梯形结构。图6C、图6D的电路示出带通滤波器的特性，依赖Q值和级数来决定陡峭度的情况与图6A的串联谐振器的情况是同样的。此外，电长度(λ/2)的谐振器满足(λ/4)×n的条件，能成为耦合部。在梯形结构的情况下，对于串联地连接到信号线的串联谐振器来说，并联地连接到信号线的并联谐振器构成耦合部，对于并联连接到信号线的并联谐振器来说，串联连接到信号线的串联谐振器构成耦合部。
最近，随着以便携电话为首的移动体通信(移动通信)的市场扩大，其服务的高功能化也在发展。被移动体通信利用的频带逐渐地转换到千兆赫(GHz)以上的高频带，并且还具有多信道化的倾向。另外，也在积极讨论通过软件改变通信系统的软件无线电(SDR：software-defined-radio)的将来的导入的可能性。对于实现软件无线电，期望电路特性的大幅度的可调整范围。
图7是示出现有的频率可调滤波器100j的电路图。频率可调滤波器100j具有多个信道滤波器101a、101b、101c…以及开关102a、102b。通过切换开关102a、102b来选择信道滤波器101a、101b、101c…中的任一个，切换频带。从输入端子103输入的高频信号进行与被选择的信道滤波器101对应的滤波，并从输出端子104中输出。
该频率可调滤波器100j具有与信道数同数量的信道滤波器。当设为多信道时，信道滤波器数量增加，结构变复杂，尺寸和成本也会增加。软件无线的实现可能性也低。
最近，使用MEMS(micro electro mechanical s，微机电系统)的小型的频率可调滤波器备受关注。利用了技ys术temMEMS的MEMS设备(微机械设备)能够得到高Q(品质因数)，能够适用到高频域的可调滤波器(专利文献1、2、以及非专利文献1、2、3)中。并且，MEMS设备由于小型且低损耗，因此常用于CPW(coplanar waveguide，共面波导)分布常数谐振器。
非专利文献3公开了基于MEMS设备的多个可调电容跨越三级的分布常数电路的构造的滤波器。在该滤波器中，对MEMS设备的驱动电极施加控制电压Vb而置换可调电容，改变与分布常数电路之间的间隙，从而改变电容。根据电容的变化，滤波器的通频带发生变化。现有的滤波器能够改变通频带的中心频率，但是不能大幅度改变通频带带宽。
在带通滤波器中，要求通频带的中心频率、带宽的同时也要求通频带的陡峭度的情况较多。通过提高谐振器的Q值、增加谐振器的级数，能够提高陡峭度。但是，当增加级数时，经常会发生路经损耗增大、不太实用的情况。为了得到宽的频率可调范围，结构容易变复杂。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利文献特开2008-278147号公报；
专利文献2：日本专利文献特开2010-220139号公报。
非专利文献
非专利文献1：D.Peroulis et al，“Tunable LumpedComponents withApplications to Reconfigurable MEMS Filters”，2001IEEE MTT-S Digest，p341—344；
非专利文献2：E.Foum et al，“MEMS SwitchableInterdigital CoplanarFilter”，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，vol.51，No.1p320-324，January2003；
非专利文献3：A.A.Tamijani et al，“Miniature and Tunable Filters UsingMEMS Capacitors”，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，vol.51，No.7，p1878—1885，July2003。
发明内容
本发明的一个目的是提供能够在调整通频带的中心频率的同时调整通频带带宽的滤波器、以及通信装置。
根据一实施方式，提供一种可调滤波器装置，其中，具有：第一串联臂，所述第一串联臂被串联地连接到信号线上，包含可调电容和电感，构成串联谐振器；以及第一并联臂和第二并联臂，在所述信号线的所述第一串联臂的两侧，所述第一并联臂和第二并联臂被连接到所述信号线和接地之间，分别包含可调电容和电感，构成被接地的串联谐振器，所述第一串联臂规定通频带的中心频率，所述第一并联臂和第二并联臂规定夹着所述通频带的衰减极点。
能够在调整通频带的中心频率的同时调整通频带带宽。
附图说明
图1A～图1E是概略性地示出基于实施例的通信装置的框图、可调滤波器的框图、以及示出臂SA乃至PA的各个的构成例的等价电路图、滤波器的特性的曲线图；
图2A、图2B是示出基于实施例1的可调滤波器的元件1、元件2的等价电路图，图2C、图2D是由元件1、元件2的组合形成的可调滤波器的等价电路；
图3A、图3B是示出通过根据实施例1形成的可调滤波器的特性的例的曲线图。
图4A是基于实施例2的、将图2D所示的可调滤波器的串联谐振器替换为分布常数电路的可调滤波器的等价电路图，图4B和图4C是示出分布常数电路的构成例的截面图；
图5A是示出使用了MEMS的可变电容的例子的截面图，图5B是将变容二极管用作可变电容的电路的等价电路图，图5C是将包含电容阵列和开关的电路用作可调电容的电路的等价电路图；
图6是示出用于说明现有技术中的带通滤波器的等价电路图以及特性的曲线图；
图7是基于现有技术的频率可调滤波器的等价电路图。
具体实施方式
图1A概略地示出基于实施例的通信装置。控制电路CTL根据接收频带的中心频率和带宽从数据库DB中选择参数，从而控制可调带通滤波器VBP。从天线Ant输入的高频信号在可调带通滤波器VBP中选择希望的频带，并通过放大器Amp中放大。被放大的高频信号在混频器Mix中对频率进行转换，在模拟／数字转换器A／D中将模拟信号转换为数字信号，在数字信号处理器DSP中进行信号处理。所得到的数字信号被用于各种目的。
图1B是用于可调带通滤波器VBP的可调滤波器的框图。串联臂SA1、SA2、…串联地连接到信号线上。每一个串联臂SA的两端与接地之间连接并联臂PA1、PA2、PA3、…。串联臂SA1的两端连接并联臂PA1、PA2，串联臂SA2的两端连接并联臂PA2和PA3。串联臂SA1、SA2、…的每一个分别包含例如图1C或1D所示的可调电容VC和电感L的串联连接，构成串联谐振器。各串联谐振器具有图6B示出的传输特性。通过改变可调电容VC，能够改变通频带的中心频率。图1C和图1D中的串联谐振器只是调换可调电容和电感的连接顺序，在电路上是等价的。
并联臂PA1、PA2、以及PA3分别包含图1C或图1D所示的、可调电容VC和电容L的串联连接，构成被接地的串联谐振器。即，并联臂PA1、PA2、PA3、…将信号线以特定频率接地，具有形成衰减极点的功能。
图1E示出一个串联臂SA和其两端的并联臂PA构成的基本滤波器构成的特性。通过串联臂SA形成中心频率f0的通频带，通过并联臂PA在通频带的上下、即在频率fH、fL形成衰减极点。以下，有时将衰减极点称为fH、fL。通过改变并联臂PA的可调电容VC，能够改变衰减极点fH、fL的频率。根据衰减极点fH、fL的变化，能够可调地设定通频带的带宽w。
如图1B所示，能够将任意数的串联臂SA串联地连接到信号线，在各串联臂的两侧和接地之间连接并联臂PA。串联臂的数量可以为一个。在该情况下，图1B中的串联臂SA2和并联臂PA3被省略。当将多个串联臂SA串联地连接到信号线时，带通滤波器的频率选择性增强。对于多个串联臂，它们之间的并联臂PA形成(λ/4)×2=(V /)的耦合部。对于多个并联臂PA，它们之间的串联臂SA也形成(λ／4)×2=(λ／2)的耦合部。通过在串联臂两侧连接包含被接地的串联谐振器的并联臂，能够在通频带的上下形成衰减极点fH、fL。能够在控制通频带带宽的同时赋予陡峭性。
图2A、图2B是示出基于实施例1的、滤波器用的两个元件。图2A示出电容性元件CE，所述电容性元件CE在信号线上串联地连接两个可调电容C0、C1，在可调电容C0、C1的相互连接点和接地之间作为并联臂而连接有可调电容C2和电感L2的串联连接。串联臂的可调电容C0、C1用于共振频率的设定。C0、C1是可调的。可调电容C2和电感L2的串联连接构成串联谐振器，相对于信号线规定形成衰减极点的并联臂。
图2B示出电感性元件LE，所述电感性元件LE在信号线上串联地连接两个电感L0、L1，在电感L0、L1的相互连接点和接地之间作为并联臂而连接有可调电容C3和电感L3的串联连接。电感L0、L1具有例如相等的值，但也可以是不同的值。可调电容C3和电容L3的串联连接构成串联谐振器，相对于信号线规定形成衰减极点的并联臂。
通过将图2A、图2B所示的元件CE和LE交替地连接，能够构成带通滤波器。元件CE、LE的顺序、数量能够根据目的而任意地设定。通过将电容性元件CE和电感性元件LE交替地连接，能够将连接到接地的LC并联谐振器作为耦合部，在信号线上串联地形成多个LC串联谐振器。
图2C是在输入端子IN和输出端子OUT之间连接三个元件Em1、Em2、以及Em3的滤波器，其中，元件Em1、元件Em2、以及元件Em3分别由电容性元件CE、电感性元件LE、以及电容性元件CE形成。元件Em3的电容元件被左右反转。元件Em1的输出侧可调电容C1和元件Em2的输入侧电容L0构成串联谐振器，并且元件Em2的输出侧电感L1和元件Em3的输入侧可调电容C1构成串联谐振器。
在电感L0和L1、两个电容C1相等的情况下，构成中心频率相等的两级带通滤波器，通频带被规定。例如，规定中心频率f0的通频带。包含在元件Em1、Em3的并联臂中的C2、L2的串联谐振器规定一个衰减极点，例如fH，包含在元件Em2的并联臂中的C3、L3的串联谐振器规定另外一个衰减极点，例如fL。对于中心频率f0，通过适当地配置衰减极fH、fL得到希望的带宽。
图2D是在输入端子IN和输出端子OUT之间连接三个元件Em1、Em2、以及Em3的滤波器，元件Em1、元件Em2、以及元件Em3分别由电感性元件LE、电容性元件CE、以及电感性元件LE形成。与图2C同样，能够在信号线中串联地连接中心频率相等的两个LC串联谐振器。并联臂构成两个L2C2串联谐振器和一个L3C3串联谐振器。L2C2、L3C3的选择是自由的。在希望高频率侧的陡峭度的情况下，可以通过L2C2规定fH，通过L3C3规定fL。
此外，滤波器的元件连接级数并不限于3。可以为2，也可以为4以上。可以更换并联臂中的L和C的顺序。能够省略信号线最外侧的串联臂中的外侧的L或C。例如，可调带通滤波器的级数设为2～10级，电感L设为0.2nH～30nH，电容C设为0.2pF～100pF。
图3A是示出在图2C的构成中调整衰减极点形成用串联谐振器的可调电容C2、C3来改变衰减极点fH、fL的频率时的通频带带宽的变化的曲线图。
图3B是示出在图2C的构成中改变可变电容C0、C1、C2及C3的电容时的可调带通滤波器的通过特性的变化的曲线图。横轴中以GHz表示频率，纵轴中以单位dB表示通过率。在一例中，通频带的中心频率从约4.4GHz至约2.06GHz之间变化。
图4A是示出在图2C的构成中将LC串联谐振器置换为分布常数电路的构成。串联臂的两个LC串联谐振器被两个可调分布常数电路DL1置换，并联臂的元件Em1、Em3的LC串联谐振器分别被可调分布常数电路DL2(+可调电容)置换，并联臂的元件Em2的LC串联谐振器被可调分布常数电路DL3(+可调电容)置换。分布常数电路能够通过在传输线中形成分布电容来构成。
图4B是示出分布电容电路的构成例的截面图。在电介质基板20上形成例如铜制的传输线L。在传输线L中底部向两侧伸展，宽度比上部宽，在伸展部的上方确保容纳可调电容VC的可动电极ME的空间。传输线L的伸展部构成可调电容VC的固定电极FE。可调电容沿着线路而形成任意数量。在伸展部上表面形成绝缘层27，起到防止短路和提高有效介电常数的功能。绝缘层可以由无机绝缘材料形成，也可以由有机绝缘材料形成。根据情况，绝缘层可以没有。这样的构造可以利用例如具备规定外廓的开口的抗蚀图案的两次电镀工序来制作。
可动电极ME是被形成在绝缘体基板20上的、例如铜制的悬臂构造CL支撑。也能够考虑悬臂CL的前端构成可动电极ME。这样的构造能够通过使用了例如抗蚀图案的电镀工序制作，所述抗蚀图案具备具有立体形状的开口。还可以通过使用了抗蚀图案的两次电镀工序来形成，所述抗蚀图案具备规定外廓的开口。在绝缘体基板20上的、悬臂CL的可动部下方形成驱动电极DE。驱动电极能够与例如传输线的伸展部同时制作。可以通过与传输线不同的金属材料通过其他的工序形成。该情况下可以使用溅射法等其他的处理。
绝缘体基板20具有以下构成：在陶瓷层21之上配置由Ag等形成的、成为接地层的导电金属层22，在其上还形成陶瓷层23。这样的构造能够通过将陶瓷生片层、导电层(布线层)、以及陶瓷生片层对位层积并烧结来形成。在陶瓷层形成层间连接用的金属通孔、以及用于防止高频信号向DC驱动路径泄露的高阻抗电阻通孔。陶瓷的介电常数能在约3至约100的范围内选择。在悬臂CL的支撑部下方、驱动电极的下方中嵌入通孔导电体。悬臂梁CL连接到接地层22，驱动电极DE是经由贯通通孔导电体25连接到在电介质基板20的内表面所形成的端子26。在电介质基板的内表面可以形成用于输入输出RF信号、DC驱动信号的垫片。这些垫片经由基板内部的金属通孔和高阻抗电阻通孔连接到处于基板表面的构造体或基板内部的布线上。
在图4B的构成中，可动电极ME连接到接地层。对驱动电极DE施加10V-100V程度的直流电压。通过静电引力，可动电极ME被吸引靠近固定电极FE。传输线L的电长度是由可调电容VC的可调电容和传输线L的电路常数决定。当增大可调电容时，能够增长电长度。
图4C(双悬臂)是示出梁构造的可调电容的构成例。在电介质基板20上形成一对的柱状导电支撑部PL，在它们之间形成梁构造的可动电极ME。在可动电极ME的下方的电介质基板20上配置传输线L。在传输线L的两侧的电介质基板20上形成驱动电极DE。在传输线L、以及驱动电极DE的上形成绝缘体层27、29。在传输线L、以及驱动电极DE的上可以没有绝缘体27、29。绝缘体基板20内的构成与图4C的构成是同样的。
构成带通滤波器的可调电容能够以MEMS电容、变容二极管、电容阵列和开关群等的各种方式实现。
图5A是示出连接到信号通路中的可调电容VC的构成例的截面图。在电介质基板20上，在底部具有伸展电极的下电极电路L01、在顶部具有伸展电极的上电极电路L02使伸展电极部重叠而形成可调电容。在上电极电路L02的伸展电极下方形成驱动电极DE。在下电极电路L01的伸展电极上面形成有绝缘膜28。驱动电极DE经由贯通通孔导电体25连接到电介质基板20内表面的端子26。上电极电路L01的伸展电极为悬臂构造，通过对驱动电极施加直流电压而使产生静电引力，来向下方发生位移。
图5B是示出使用了变容二极管的可调电容。变容二极管BD是在反向偏置下改变电容。用于施加反向偏置的电感L11、L12连接到变容二极管BD的正极和负极。经过变容二极管传播高频信号，用于隔断直流偏置电压的电容C11、C12连接到变容二极管BD的正极、负极。
图5C是示出使用了电容阵列和开关群等的可调电容。电容C和开关S被串联地连接，形成具有开关的电容阵列。输入端子IN与电容Cj1～Cj5、Ck1～Ck5的输入端子连接，开关Sj1～Sj5、Sk1～Sk5的另一端与输出端子OUT连接。当闭合(连接)任意的开关S寸，对应的电容在输入端子IN、输出端子OUT之间被并联地连接。能够自由地选择电容的电容值以及个数。
以上根据实施例进行说明，但是本发明不限于这些实施例。例如，代替陶瓷基板，也能够使用环氧树脂基板。并且，在上述实施例中的滤波器的两侧或者单侧可以连接其他方式的滤波器(带通滤波器(band passfilter)、低通滤波器(low pass filter)、高通滤波器(high pass filter)、以及陷波滤波器(notch filter)等)。此外，各种改变、置换、改进、以及组合等对本领域技术人员来说也是显而易见的。
符号说明
Ant    天线
VBP    可调带通滤波器
Amp    放大器
Mix    混频器
A／D   模拟数字转换器
DSP    数字信号处理器
CTL    控制电路
DB     数据库
SA     串联臂
PA     并联臂
VC     可调电容
L      电感
C      电容
CE     电容性元件
LE     电感性元件
Em     元件
IN     输入端子
OUT    输出端子
DL     分布常数电路
ME     可动电极
FE     固定电极
DE     驱动电极
CL     悬臂构造
20     电介质基板
20、21 陶瓷层
22     接地层
25     贯通通孔导电体
26     端子
27、28、29  绝缘膜
PL     柱状导电支撑部
BD     变容二极管
S      开关。

Claims (12)

1.一种可调滤波器装置，其中，具有：
第一串联臂，所述第一串联臂被串联地连接到信号线上，构成谐振频率可调的可调串联谐振器；以及
第一并联臂和第二并联臂，在所述信号线的所述第一串联臂的两侧，所述第一并联臂和第二并联臂被连接到所述信号线和接地之间，构成谐振频率可调的可调串联谐振器，
各个所述可调串联谐振器包含可调电容和电感的串联连接或可调分布常数电路。
2.如权利要求1所述的可调滤波器装置，其中，
所述第一串联臂规定通频带的中心频率，所述第一并联臂和第二并联臂规定夹着所述通频带的衰减极点。
3.如权利要求1所述的可调滤波器装置，其中，
所述第一串联臂、以及所述第一并联臂和第二并联臂的每个包含可调电容和电感的串联连接。
4.如权利要求3所述的可调滤波器装置，其中，还包括：
第二串联臂，所述第二串联臂与所述第一串联臂串联地连接、并经由所述第一并联臂或第二并联臂被串联地连接到信号线上，所述第二串联臂包含可调电容和电感的串联连接，构成谐振频率可调的可调串联谐振器；以及
第三并联臂，在所述信号电路的所述第二串联臂的外侧，所述第三并联臂连接到所述信号线和接地之间，所述第三并联臂包含可调电容和电感的串联连接，构成谐振频率可调的可调串联谐振器。
5.如权利要求4所述的可调滤波器装置，其中
所述第二串联臂与所述第一串联臂共同规定通频带的中心频率，所述第三并联臂与所述第一并联臂和第二并联臂共同规定夹着通频带的衰减极点。
6.如权利要求1所述的可调滤波器装置，其中，
所述串联谐振器的至少一个包含可调分布常数电路。
7.如权利要求6所述的可调滤波器装置，其中，
所述可调分布常数电路包含：
传输线；以及
可调电容，所述可调电容将所述传输线设为一个电极，将连接到所述接地的对置电极设为另一个电极。
8.一种可调滤波器装置，其中，包括：
第一串联臂，所述第一串联臂被串联地连接到信号线上，包含可调电容和电感，构成串联谐振器；以及
第一并联臂和第二并联臂，在所述信号线的所述第一串联臂的两侧，所述第一并联臂和第二并联臂被连接到所述信号线和接地之间，所述第一并联臂和第二并联臂分别包含可调电容和电感，构成被接地的串联谐振器。
9.一种可调滤波器装置，其中，包含：
第一滤波器元件，所述第一滤波器元件包括被串联连接的第一可调电容和第二可调电容、以及被连接在所述第一可调电容和第二可调电容的相互连接点与接地之间并包含第三可调电容和第一电感的串联连接的第一串联谐振器；以及
第二滤波器元件，所述第二滤波器元件包括被串联连接的第二电感和第三电感、以及被连接到所述第二电感和第三电感的相互连接点与接地之间、并包含第四可调电容和第四电感的串联连接的第二串联谐振，
所述第一滤波器元件的所述第一可调电容和第二可调电容中的一个与所述第二滤波器元件的所述第二电感和第三电感中的一个被串联连接，构成第三串联谐振器。
10.如权利要求9所述的可调滤波器装置，其中，
还包括第三滤波器元件和第四滤波器元件中的至少一个，
所述第三滤波器元件具有：与所述第一滤波器元件的所述第一可调电容和第二可调电容中的另一个串联连接并被串联连接的第五电感和第六电、以及被连接在所述第五电感和第六电感的相互连接点与接地之间并包含第五可调电容和第七电感的串联连接的第四串联谐振器，
所述第四滤波器元件具有：与所述第二滤波器元件的所述第二电感和第三电感的另一个串联连接并被串联连接的第六可调电容和第七可调电容、以及被连接在所述第六可调电容和第七可调电容的相互连接点与接地之间并包含第八可调电容和第八电感的串联连接的第五串联谐振器。
11.一种通信装置，其中，包含：
天线；
信号线，所述信号线被连接到所述天线；以及
可调带通滤波器，所述可调带通滤波器被连接到所述信号线，
所述可调通频带滤波器包括：
第一串联臂，所述第一串联臂被串联地连接到所述信号线上，构成谐振频率可调的可调串联谐振器；以及
第一并联臂和第二并联臂，在所述信号线的所述第一串联臂的两侧，所述第一并联臂和第二并联臂被连接到所述信号线和接地之间，构成谐振频率可调的可调串联谐振器，
各个所述可调串联谐振器包含可调电容和电感的串联连接或可调分布常数电路。
12.如权利要求11所述的通信装置，其中，还具有：
存储器，所述存储器根据通频带的中心频率和带宽存储多组的控制参数；以及
控制电路，所述控制电路经由所述存储器控制所述可调带通滤波器。
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