CN105742763B - 巴伦滤波器及射频系统 - Google Patents

Abstract

一种巴伦滤波器及射频系统。该巴伦滤波器用于一射频系统，并包括：一第一端，该第一端耦接于该射频系统的一天线，用来传递一射频信号；一差动端口，该差动端口包括一第二端及一第三端，用来传递一差动信号；以及一带通滤波器，该带通滤波器耦接于该第一端与该差动端口之间，该带通滤波器包括多个共振器，每一共振器包括：一环绕线，该环绕线大致环绕一区域，并在该每一共振器的一边形成一缺口；以及至少一线段，该至少一线段相互间隔设置于该环绕线所环绕的该区域中并连接于该环绕线。本发明的巴伦滤波器同时具备巴伦转换器及带通滤波器的功能，并能有效减少射频系统所需的设置面积。

Description

巴伦滤波器及射频系统

技术领域

本发明涉及一种巴伦滤波器及射频系统，尤指一种可节省设置面积的巴伦滤波器及射频系统。

背景技术

在射频系统中，因天线所收发的射频信号为单端(非平衡)信号，而射频系统后端的射频处理模块所接收或产生的信号为差动(平衡)信号，因此，公知技术是通过一平衡非平衡转换器(Balance-to-Unbalance Converter，Balun Converter，以下称巴伦转换器)耦接于天线与射频处理模块之间，即可将非平衡信号转换成平衡信号，或将平衡信号转换成非平衡信号，除此之外，天线与射频处理模块之间通常包含一带通滤波器，用来滤除噪声。

举例来说，请参考图1，图1为公知的一射频系统10的示意图。射频系统10包含一天线100、一带通滤波器102、一巴伦转换器104以及一射频处理模块106。当射频系统10为接收端时，天线100接收空气中的射频信号，经由带通滤波器102以滤除特定频带以外的噪声，再由巴伦转换器104将非平衡信号转换成为平衡差动信号，以输入至射频处理模块106进行后续射频信号处理。当射频系统10应用于传送端时，射频处理模块106所输出的射频信号为一平衡差动信号，平衡差动信号需传递至巴伦转换器104以转换成为单端非平衡信号，经过带通滤波器102滤除噪声后，最后经由传送天线100发射至空气中。

详细来说，如图1所示，巴伦转换器104是以鼠径耦合器(Rat-race Coupler)加上特定的负载匹配电阻，以实现单端转双端的转换，而带通滤波器102是由多个耦合线段(Coupled Line)所组成，用以过滤出特定频率的信号。换句话说，巴伦转换器104与带通滤波器102需分别设计后，再串接在一起。然而，当巴伦转换器104与带通滤波器102串接时，将产生阻抗匹配的问题，而降低系统效能。另一方面，除了巴伦转换器104与带通滤波器102之间的走线外，巴伦转换器104与带通滤波器102皆各自占用印刷电路板一定的面积，增加设置空间的成本。若串接的路径过长，亦增加传输路径的损耗，降低天线增益。

由上述可知，公知技术需分别设计巴伦转换器与滤波器后再串接在一起，不但增加设置空间的成本，亦增加传递路径的损耗，降低天线增益，且面临阻抗匹配的问题，因此，公知技术实有改善的必要。

从而，需要提供一种巴伦滤波器及射频系统来解决上述问题。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种巴伦滤波器及射频系统，以改善公知技术的缺点。

本发明公开一种巴伦滤波器，用于一射频系统，包含有一第一端，耦接于该射频系统的一天线，用来传递一射频信号；一差动端口，包含一第二端及一第三端，用来传递一差动信号；以及一带通滤波器，耦接于该第一端与该差动端口之间，该带通滤波器包含有多个共振器，每一共振器包含有一环绕线，大致环绕一区域，并在该每一共振器的一边形成一缺口；以及多个线段，相互间隔设置于该环绕线所环绕的该区域中并连接于该环绕线。

本发明还公开一种巴伦滤波器，用于一射频系统，该巴伦滤波器包括：一第一端，该第一端耦接于该射频系统的一天线，用来传递一射频信号；一差动端口，该差动端口包括一第二端及一第三端，用来传递一差动信号；以及一带通滤波器，该带通滤波器耦接于该第一端与该差动端口之间，该带通滤波器包括多个共振器，每一共振器包括：一环绕线，该环绕线大致环绕一区域，并在该每一共振器的一边形成一缺口；以及至少一线段，该至少一线段相互间隔设置于该环绕线所环绕的该区域中并连接于该环绕线。

本发明还公开一种射频系统，包含有一天线，用来接收或发射一射频信号；一巴伦滤波器，包含有一第一端，耦接于该射频系统的一天线，用来传递一射频信号；一差动端口，包含一第二端及一第三端，用来传递一差动信号；以及一带通滤波器，耦接于该第一端与该差动端口之间，该带通滤波器包含有多个共振器，每一共振器包含有：一环绕线，大致环绕一区域，并在该每一共振器的一边形成一缺口；以及多个线段，相互间隔设置于该环绕线所环绕的该区域中并连接于该环绕线；以及一射频处理模块，耦接于该差动端口，用来接收或产生该差动信号。

本发明还公开一种射频系统，该射频系统包括：一天线，该天线用来接收或发射一射频信号；一巴伦滤波器，该巴伦滤波器包括：一第一端，该第一端耦接于该射频系统的一天线，用来传递一射频信号；一差动端口，该差动端口包括一第二端及一第三端，用来传递一差动信号；以及一带通滤波器，该带通滤波器耦接于该第一端与该差动端口之间，该带通滤波器包括多个共振器，每一共振器包括：一环绕线，该环绕线大致环绕一区域，并在该每一共振器的一边形成一缺口；以及至少一线段，该至少一线段相互间隔设置于该环绕线所环绕的该区域中并连接于该环绕线；以及一射频处理模块，该射频处理模块耦接于该差动端口，用来接收或产生该差动信号。

本发明的巴伦滤波器同时具备巴伦转换器及带通滤波器的功能，并能有效减少射频系统所需的设置面积。

附图说明

图1为公知的一射频系统的示意图。

图2为本发明实施例的一射频系统的示意图。

图3为本发明实施例的一射频系统的示意图。

图4为图3的巴伦滤波器的反射系数频率响应示意图。

图5为图3的巴伦滤波器的穿透系数频率响应示意图。

图6为本发明实施例的一射频系统的示意图。

图7为图6的巴伦滤波器的反射系数频率响应示意图。

图8为图6的巴伦滤波器的穿透系数频率响应示意图。

图9为本发明实施例的一射频系统的示意图

主要组件符号说明：

10、20、30、60、90 射频系统

100、200 天线

106、204 射频处理模块

102、220 带通滤波器

104 巴伦转换器

210 第一端

212 第二端

214 第三端

202、302、602 巴伦滤波器

222、224、322、324、622、624 共振器

922_1～922_M、924_1～924_M 共振器

222_0、322_0、324_0、622_0、624_0 环绕线

222_1～222_n、322_1～322_2 线段

324_1～324_2、622_1、624_1 线段

2220、2240、3220、3240、6220、6240 缺口

A-A' 水平中心线

具体实施方式

为了改善公知技术的缺点，本发明提供一巴伦滤波器，其同时具有平衡非平衡转换与滤波功能，以节省电路设置面积，并可避免巴伦转换器与滤波器之间阻抗匹配的问题。

请参考图2，图2为本发明实施例的一射频系统20的示意图。射频系统20包含一天线200、一巴伦滤波器202以及一射频处理模块204。巴伦滤波器202同时具有平衡非平衡转换与滤波功能，其包含有一第一端210、一第二端212、一第三端214以及一带通滤波器220。巴伦滤波器202通过第一端210耦接于天线200，用来传递一单端的射频信号，而巴伦滤波器202的第二端212及第三端214形成一差动端口并耦接于带通滤波器220与射频处理模块204之间，用来传递一差动信号。在图2中，带通滤波器220为一耦合共振结构，其包含有共振器222、224。共振器222、224排列成一1x2阵列，相互间隔以产生耦合作用，且共振器222、224相对于一水平中心线A-A'成对称。为了便于说明，在本实施例中，共振器222、224具有相同的结构及形状，但不限于此。共振器222、224的周长大致为共振频率所对应波长的二分之一，因此，当来自第一端210的信号符合共振器222的共振条件时，即可通过耦合作用将信号能量传递至共振器224，即可达到带通滤波效果。

详细来说，巴伦滤波器202的第一端210耦接于带通滤波器220的共振器222，而第二端212及第三端214耦接于带通滤波器220的共振器224。另一方面，带通滤波器220为一栅栏式滤波器，可在栅栏式滤波器的主体架构下细部调整滤波器的一中心频率和一带宽。以共振器222为例，共振器222包含有一环绕线222_0以及线段222_1～222_n，环绕线222_0大致环绕一区域，并在共振器222的一边形成一缺口2220，且线段222_1～222_n相互间隔，设置于环绕线222_0所环绕的区域中，并连接于环绕线222_0。线段222_1～222_n可视为与环绕线222_0的部分线段并联，使共振器222等同于一步阶性阻抗(Step Impedance)，藉由步阶性阻抗的特性，相比于均匀阻抗(Uniform Impedance)可减少共振器222整体所需的周长。栅栏式滤波器可藉由改变线段222_1～222_n的个数以调整带通滤波器220的中心频率，当线段222_1～222_n的个数越大时，所对应的中心频率越低，而线段222_1～222_n的间距相关于带通滤波器220的带宽，间距越窄则带宽越宽。另一方面，共振器222、224为具有相对于水平中心线A-A'对称结构的共振体，而共振器222的缺口2220与共振器224的缺口2240相互对齐，换句话说，共振器222、224的缺口2220、2240位于共振器222、224的相邻边的中心，且巴伦滤波器202的第二端212及第三端214耦接于共振器224的位置亦相对于水平中心线A-A'成对称，如此一来，巴伦滤波器202可利用共振器222、224(即带通滤波器220)相对于水平中心线A-A'的对称结构进行巴伦转换。

利用对称结构进行巴伦转换的运作方式说明如下。为了实现巴伦滤波器202的巴伦转换功能以及使巴伦滤波器202的阻抗匹配，可使用散射参数(S-parameter)来分析三端的巴伦滤波器202。其中，散射参数S₁₁、S₂₁、S₃₁分别表示第一端210、第二端212、第三端214相对于第一端210的散射参数。为了达到阻抗匹配，需设计巴伦滤波器202使得巴伦滤波器202的散射参数S₁₁为零(S₁₁＝0)，同时，为了使巴伦滤波器202输出平衡的差动信号，即承载于第二端212及第三端214的二信号为能量相等且相位相差180度(即相位相反)的二信号，需设计巴伦滤波器202使得巴伦滤波器202的散射参数S₂₁、S₃₁的正负符号相反(S₂₁＝-S₃₁)。因此巴伦滤波器202的差模反射系数差模穿透系数共模反射系数共模穿透系数需满足：

因巴伦滤波器202具有相对于水平中心线A-A'的对称结构，可使用巴伦滤波器202的等效半电路进行设计。换句话说，只要设计巴伦滤波器202使得巴伦滤波器202的差模半电路的输入阻抗为零即可满足以达到阻抗匹配。另一方面，设计巴伦滤波器202使得巴伦滤波器202的共模半电路的输入阻抗为一特性阻抗的两倍即可满足以达到平衡输出(即在第二端212及第三端214的信号为能量相等相位相反的二信号)。更进一步地，藉由调整第一端210在共振器222的馈入位置即可达到在此情形下，巴伦滤波器202可同时具备阻抗匹配及平衡输出的特性，再加上巴伦滤波器202中的带通滤波器220，巴伦滤波器202即同时具备巴伦转换器及带通滤波器的功能，并能有效减少射频系统20所需的设置面积。

简而言之，本发明的巴伦滤波器202藉由调整第一端210在带通滤波器220的馈入位置以满足差模半电路的输入阻抗为零与共模半电路的输入阻抗为特性阻抗的两倍，即可达到阻抗匹配与平衡输出，其中，巴伦滤波器202的带通滤波器220为栅栏式滤波器，改变栅栏式滤波器的线段个数与线段间距，即可调整带通滤波器220的中心频率与带宽。因此，巴伦滤波器202同时具备平衡非平衡转换及带通滤波器的功能，并能有效减少射频系统所需的设置面积。

举例来说，请参考图3，图3为本发明实施例的一射频系统30的示意图。射频系统30的一操作频率大致为24Ghz，其与射频系统20结构类似，故相同组件沿用相同符号，与射频系统20不同的是，射频系统30中巴伦滤波器302的共振器322、324包含线段322_1～322_2、324_1～324_2，即在共振器322、324的环绕线322_0、324_0所围成的区域内各自包含二线段，以满足操作频率大致为24Ghz所需的共振条件。巴伦滤波器302的反射系数频率响应及穿透系数频率响应可参考图4及图5，由图4及图5可知，巴伦滤波器302在24Ghz附近具有低于-15dB的反射系数及接近0dB的穿透系数，因此可有效降低反射损耗，增加阻抗匹配，以及有效地将单端信号转换成差模信号。

另一方面，改变环绕线所包围区域内的线段数目可调整巴伦滤波器的中心频率。举例来说，请参考图6，图6为本发明实施例的一射频系统60的示意图。射频系统60的一操作频率大致为77Ghz，其与射频系统20结构类似，故相同组件沿用相同符号，与射频系统20不同的是，为了满足操作频率大致为77Ghz所需的共振条件，射频系统60中巴伦滤波器602的共振器622、624仅包含线段622_1、624_1，即在环绕线622_0、624_0所围成的区域内各自仅包含一线段。巴伦滤波器602的反射系数频率响应及穿透系数频率响应可参考图7及图8，由图7及图8可知，巴伦滤波器602在77Ghz附近亦有低于-15dB的反射系数及接近0dB的穿透系数，可有效降低反射损耗，增加阻抗匹配，以及有效地将单端信号转换成差模信号。

需注意的是，前述实施例是用以说明本发明的概念，本领域的普通技术人员应当可据以作不同的修饰，而不限于此。举例来说，共振器中的环绕线所包围的区域并不限于矩形，其可包含弧形或斜角，使环绕线所包围的区域为其他不同的形状，只要共振器相对于共振器的水平中心线对称，即具有可将带通滤波器简化为等效半电路的对称结构(以下简称上下对称)即满足本发明的要求。另外，带通滤波器中的二共振器并不限于具有相同的结构及形状，带通滤波器中的二共振器可分别具有不同的结构及形状，只要二共振器皆为上下对称，即满足本发明的要求。更进一步的，在前述实施例中，带通滤波器包含二共振器排列成1x2阵列，而不限于此，带通滤波器可包含数量大于二的共振器并沿垂直方向延伸。举例来说，请参考图9，图9为本发明实施例的一射频系统90的示意图，射频系统90的带通滤波器可包含共振器922_1～922_M、924_1～924_M而排列成一Mx2阵列(M为一大于1的正整数)，只要带通滤波器整体而言具有上下对称结构，即满足本发明的要求。

在公知技术中，巴伦转换器与带通滤波器需分别设计后再串接在一起，故会产生巴伦转换器与带通滤波器之间阻抗匹配的问题，且需要较大的设置面积，并增加传输路径的损耗而降低天线增益。相比之下，本发明的巴伦滤波器将巴伦转换器与带通滤波器合并设计为单一功能区块，因此无阻抗匹配的问题，并有效降低路径的损耗而提升天线增益，且占用较小的设置面积。

综上所述，本发明的巴伦滤波器藉由调整带通滤波器的馈入位置以满足差模半电路的输入阻抗为零，而达到阻抗匹配，并调整馈入位置使共模半电路的输入阻抗为特性阻抗的两倍，以达到平衡输出。其中，巴伦滤波器的带通滤波器使用栅栏式滤波器，可藉由改变栅栏式滤波器的线段个数与线段间距，调整带通滤波器的中心频率与带宽。因此，本发明的巴伦滤波器同时具备巴伦转换器及带通滤波器的功能，并能有效减少射频系统所需的设置面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是根据本发明权利要求书的范围所作的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (16)

1.一种巴伦滤波器，用于一射频系统，该巴伦滤波器包括：

一第一端，该第一端耦接于该射频系统的一天线，用来传递一射频信号；

一差动端口，该差动端口包括一第二端及一第三端，用来传递一差动信号；以及

一带通滤波器，该带通滤波器耦接于该第一端与该差动端口之间，该带通滤波器包括多个共振器，每一共振器包括：

一环绕线，该环绕线大致环绕一区域，并在该每一共振器的一边形成一缺口；以及

至少一线段，该至少一线段相互间隔设置于该环绕线所环绕的该区域中并连接于该环绕线；

其中该多个共振器中相邻的两个共振器的缺口分别位于该相邻的两个共振器的相邻边；

其中该带通滤波器相对于一水平中心线上下对称。

2.如权利要求1所述的巴伦滤波器，其中该至少一线段的个数相关于该带通滤波器的一中心频率。

3.如权利要求1所述的巴伦滤波器，其中该第一端耦接于该带通滤波器的一馈入位置相关于该第二端及该第三端的信号能量比及相位差。

4.如权利要求1所述的巴伦滤波器，其中该第二端及该第三端的信号能量相等，且相位相反。

5.如权利要求1所述的巴伦滤波器，其中该带通滤波器相对于该缺口的一中心线成对称。

6.如权利要求1所述的巴伦滤波器，其中该带通滤波器的一共模输入阻抗大致为零，且该带通滤波器的一差模输入阻抗大致为一特性阻抗的整数倍。

7.如权利要求1所述的巴伦滤波器，其中该多个共振器排列成一Mx2阵列。

8.如权利要求7所述的巴伦滤波器，其中该多个共振器中每一行包括一第一共振器及一第二共振器，该第一共振器与该第二共振器相互间隔，且该第一共振器的一缺口与该第二共振器的一缺口相互对齐，以及该第一共振器与该第二共振器相互对称。

9.一种射频系统，该射频系统包括：

一天线，该天线用来接收或发射一射频信号；

一巴伦滤波器，该巴伦滤波器包括：

一第一端，该第一端耦接于该射频系统的一天线，用来传递一射频信号；

一差动端口，该差动端口包括一第二端及一第三端，用来传递一差动信号；以及

一带通滤波器，该带通滤波器耦接于该第一端与该差动端口之间，该带通滤波器包括多个共振器，每一共振器包括：

一环绕线，该环绕线大致环绕一区域，并在该每一共振器的一边形成一缺口；以及

至少一线段，该至少一线段相互间隔设置于该环绕线所环绕的该区域中并连接于该环绕线；以及

一射频处理模块，该射频处理模块耦接于该差动端口，用来接收或产生该差动信号；

其中该多个共振器中相邻的两个共振器的缺口分别位于该相邻的两个共振器的相邻边；

其中该带通滤波器相对于一水平中心线上下对称。

10.如权利要求9所述的射频系统，其中该至少一线段的个数相关于该带通滤波器的一中心频率。

11.如权利要求9所述的射频系统，其中该第一端耦接于该带通滤波器的一馈入位置相关于该第二端及该第三端的信号能量比及相位差。

12.如权利要求9所述的射频系统，其中该第二端及该第三端的信号能量相等，且相位相反。

13.如权利要求9所述的射频系统，其中该多个共振器中每一共振器相对于该缺口的一中心线成对称。

14.如权利要求9所述的射频系统，其中该带通滤波器的一共模输入阻抗大致为零，且该带通滤波器的一差模输入阻抗大致为一特性阻抗的整数倍。

15.如权利要求9所述的射频系统，其中该多个共振器排列成一Mx2阵列。

16.如权利要求15所述的射频系统，其中该多个共振器中每一行包括一第一共振器及一第二共振器，该第一共振器与该第二共振器相互间隔，且该第一共振器的一缺口与该第二共振器的一缺口相互对齐，以及该第一共振器与该第二共振器相互对称。