CN107078708B - 子网络增强型无反射滤波器拓扑 - Google Patents

子网络增强型无反射滤波器拓扑 Download PDF

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Abstract

公开了无反射低通、高通、带通、带阻、全通和全阻滤波器以及用于设计这种滤波器的方法，连同通过使用子网络进一步修改和改善频率响应来增强这种滤波器的性能的方法。这些滤波器优选地通过吸收频谱的阻带部分而不是将其反射回源来起作用，这在许多不同的应用中具有显著优点。子网络优选地提供附加的自由度，通过该附加的自由度，通过父滤波器的泄漏可以被抵消或加强，以改变截止锐度、阻止抑制或其他性能度量。

Description

子网络增强型无反射滤波器拓扑
本发明的权利
本发明是在国家科学基金和联合大学公司之间的合作协议AST-0223851下以政府支持进行的，并且相应地美国政府享有本发明的某些权利。
相关申请的参考
本申请要求2014年6月25日提交的美国临时申请号62/016,715、2014年7月29日提交的申请号62/030171、2014年8月26日提交的申请号62/041,965和2014年11月3日提交的申请号62/074,142的优先权，这些申请的标题全部为“Sub-Network EnhancedReflectionless Filter Topology（子网络增强型无反射滤波器拓扑）”，并且这些申请具体地和整体地通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及电子滤波器及其使用方法。具体地，本发明涉及无反射电子滤波器及其使用方法。
背景技术
实际上，所有电子系统都使用某种滤波来抑制不需要的频率分量。在大多数常规滤波器中，被抑制的信号被反射回到源，从而最终耗散在生成器本身中或者在互连线/传输线中，或者通过被辐射到仪器外壳被耗散。这种抑制不需要的信号的方式有时可能由于非线性器件中的杂散混合、敏感有源组件的无意重新偏置或各种信号路径之间的串扰而导致与系统中的其他组件的有害交互。寻求一种滤波器的解决方案，该滤波器将在其可能损害性能之前吸收这些不需要的信号。这导致一种新颖的吸收式滤波器拓扑，该滤波器拓扑被描述在Morgan的美国专利号8,392,495中，该专利的全部内容通过引用合并于此。图1描绘了现有技术的低通无反射滤波器的示例。吸收式滤波器解决了常规滤波器遇到的许多问题，诸如混合器对不良带外终止的敏感性，有害的和难以预测的来自无功谐波负载的非线性效应，由于在滤波器和其他不良匹配的组件之间的俘获能而导致的泄漏或串扰，以及与带外阻抗匹配相关联的许多其他问题。与用于吸收式滤波器的其他方法（诸如，端接的双工器和采用正交混合器的定向滤波器结构）相比时，吸收式滤波器还实现了卓越的性能和可制造性。
然而，不论这些益处如何，一些应用需要比先前展示的无反射滤波器可以提供的响应更尖锐的截止响应。最近为解决这个问题所作的努力已经产生了增强版本的结构，其可以具有更尖锐得多的截止响应，并且因此在需要时在那些应用中产生更大的选择性，同时保持原始无反射滤波器拓扑的所有益处。
发明内容
本发明解决了与常规滤波器以及与现有技术的无反射滤波器相关联的若干问题和缺点，从而提供用于电子系统中的频带选择和定义的新的资源。
本发明的实施例涉及一种无反射电子滤波器。该滤波器包括对称双端口电路，其中，对称性定义分别在端口被同相驱动和180°异相驱动时的偶模式等效电路和奇模式等效电路；至少一个无损元件和至少一个匹配的内部子网络，其被布置在对称双端口电路内，使得：偶模式等效电路的归一化输入阻抗基本上等于奇模式等效电路的归一化输入导纳，并且奇数模式等效电路的归一化输入阻抗基本上等于偶模式等效电路的归一化输入导纳。以该方式，偶模式和奇模式等效电路被称为彼此的对偶。每个匹配的内部子网络提供到无反射电子滤波器的阻带信号路径的匹配端接。
优选地，每个子网络是对称的或不对称的。无反射滤波器优选地还包括泄漏路径，该路径在不穿过子网络的情况下将阻带信号的一部分从输入传递到输出，并且每个子网络被适配为使具有下述幅度和相位的阻带信号通过：该幅度和相位部分地抵消通过泄漏路径的阻带信号的一部分的幅度和相位。
在优选实施例中，每个子网络是衰减器、直通连接（thru-connection）、延迟线和无反射滤波器中的一个。优选地，子网络包含至少一个附加子网络。优选地，子网络包括子网络的级联。在优选实施例中，每个子网络是低通、高通、带通、带阻、全通和全阻滤波器之一。每个子网络优选地是有源或无源的。每个子网络优选地是可调谐的。
第一子网络优选地包括包含第二子网络的无反射滤波器，并且嵌套的无反射滤波器的总数提供滤波器阶数。优选地，子网络滤波器被调谐到与无反射滤波器相同或不同的频率。优选地，滤波器是三阶的。在优选实施例中，三阶滤波器是抗混叠滤波器。优选地，滤波器被实现为单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路、低温共烧陶瓷（LTCC）印刷电路和集成电路中的一个。优选地，每个基本上无损耗元件是电感器、电容器、传输线和波导中的一个或多个。优选地使用与无反射滤波器相同或不同的技术来实现每个子网络。
在另一实施例中，可以通过构造前一个无反射滤波器的对偶来获得无反射滤波器。当滤波器由集总元件构成时，通过用分流连接代替所有串联连接，用串联连接代替分流连接，用电容器代替电感器和用电感器代替电容器来获得对偶。优选地，所得到的对偶网络在拓扑上与原型不同，但是保持无反射并且具有相同的频率响应。还可以通过使内部子网络端口与外部端口交换来构造对偶。
在优选实施例中，通过使无反射滤波器与其对偶交替嵌套来构造高阶滤波器，从而产生一些元件的有效抵消（通过相同元件的后续串联和并联连接）。所得到的网络优选地具有比通过嵌套相同的无反射滤波器所获得的网络更少的元件，但是表现出相同的性能。
先前（Morgan，#8,392,495）教导了，可以通过以下述方式在电路节点之间添加对偶元件来改变无反射滤波器：该方式使得保持对称性，并且允许满足无反射性能所需要的对偶性约束。当与上述子网络增强组合时，这些附加元件可以用于积极效果。在优选实施例中，无反射滤波器是二阶的，其中已经用至少一个附加电感器和一个附加电容器修改两个嵌套滤波器中的一个。优选地，添加的电感器具有近似九分之一的电感作为滤波器中的电感器的其余部分，并且所添加的电容器具有是其余电容器的近似九分之一的电容。优选地，该修改的二阶滤波器具有更尖锐的截止响应和更深、延长的阻带抑制。
在另一实施例中，无反射滤波器可以与一个或多个附加的无反射滤波器级联，该附加的无反射滤波器具有类似或不同的设计（例如，低通、高通、带通、带阻、全通、全阻、或多频带）。级联的滤波器还可以被调谐到相同或不同的频率。将各个级联的无反射滤波器称为“单元”，可以将两个或更多个单元的子网络端口与单元间子网络交叉连接。单元间子网络可以连接级联中的相邻单元或非相邻单元。本发明的其他实施例和优点部分地被阐述在下面的描述中，并且部分地根据该描述中可以是显而易见的，或者可以从本发明的实践中获悉。
附图说明
仅通过示例的方式并且参考附图来更详细地描述本发明，在附图中：
图1是现有技术中已知的低通无反射滤波器的示例。
图2是重新绘制以强调端接主要阻带信号路径的子网络的位置和内部端口的图1的电路。
图3是对称双端口网络的框图。
图4是与现有技术的无反射滤波器的拓扑（虚线）相比的具有衰减器子网络（实线）的低通无反射滤波器的仿真性能和拓扑（插图）的示例。阻带的泄漏的抵消产生改善的阻带抑制。
图5是具有另一无反射滤波器作为子网络的低通无反射滤波器的仿真性能和拓扑（插图）的示例，其中子网络滤波器包含作为其子网络（实线）的衰减器。为了比较而示出现有技术的一阶无反射滤波器的性能（虚线）。与过渡带泄漏的建设性干涉改善了过渡角的锐度。
图6是三阶低通无反射滤波器拓扑的示例。
图7是三阶低通无反射滤波器拓扑的仿真性能。
图8是用于构造对偶无反射滤波器的方法的图示。
图9A-图9B示出了用嵌套的对偶构造的三阶无反射滤波器的两个示例。所示的两个电路具有与图6中的拓扑相同的性能，但是具有更少的元件。
图10是图9A所示的三阶滤波器中的示例性MMIC布局。
图11是通过嵌套对偶滤波器构造的二阶无反射滤波器的示例，其中已经用附加的电感器和电容器修改滤波器。
图12是图11中的无反射滤波器的模拟性能。
图13是图11的二阶无反射滤波器的示例性MMIC布局。
图14是具有单元间子网络的无反射滤波器单元的级联的示例，该单元间子网络将无反射滤波器单元交叉连接。
图15是具有1：1变换器作为单元间子网络的双单元级联的仿真性能。
具体实施方式
如本文所体现和广泛描述的，本文的公开内容提供了本发明的详细实施例。然而，所公开的实施例仅仅是可以以各种和替代形式体现的本发明的示范。因此，不期望具体的结构和功能细节应当是限制性的，而是期望具体的结构和功能细节提供权利要求的基础并且作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
能够由本发明的实施例解决的本领域中的问题是针对在所有频率上良好匹配的电子滤波器的电路拓扑和设计技术。已经令人惊讶地发现，这种滤波器具有许多意想不到的优点，包括在该滤波器的输入和输出端口上（在它们的通带或阻带或过渡带中）的最小反射。这些滤波器的回波损耗在所有频率上基本上是无穷大的。另一方面，在常规滤波器中，通过将频谱的不需要部分反射向信号源而不是吸收它来实现阻带抑制。本滤波器由下述各项组成：集总元件电阻器、电感器和电容器，或传输线等效物及其组合，并且可以以适合于应用的任何形式（例如，波导、同轴、导线引导、表面安装、单片集成）来实现本滤波器。
图3描绘了任意、对称的双端口网络。尽管无反射滤波器不需要对称性，但是优选实施例是对称的。在这种网络中，如果两个端口用相等的信号幅度和匹配相位被同时激励，则将没有电流从对称平面的一侧穿到另一侧。这被称为偶模式。类似地，如果以相等的幅度但180°异相来激励两个端口，则位于对称平面上的所有节点应当相对于地具有零电位。这被称为奇模式。
因此，有可能具有两个单端口网络，每个单端口网络包含原始双端口网络的元件的一半，其中位于对称平面上的节点是开路的或对地短路的。这些可以分别称为偶模式等效电路和奇模式等效电路。等效电路是保持原始（并且通常更复杂）电路的所有电气特性的电路。然后，给出原始双端口网络的散射参数作为偶模式和奇模式等效电路的反射系数的叠加，如下：
Figure 861584DEST_PATH_IMAGE001
其中sij是从端口j到端口i的散射系数，并且Γeven和Γodd分别是偶模式和奇模式等效电路的反射系数。因此，从（1）导出针对完全输入匹配的条件s11=0如下：
Figure 575462DEST_PATH_IMAGE002
这等效于说归一化偶模式输入阻抗等于归一化奇模式输入导纳（或反之亦然）：
Figure 886358DEST_PATH_IMAGE003
其中zeven是归一化偶模式阻抗，并且yodd是归一化奇模式导纳，如果偶模式电路和奇模式电路彼此对偶（例如，用电容器代替电感器，用串联连接代替并联连接），则满足上式。此外，通过组合（2）和（3），原始双端口网络的传递函数由偶模式反射系数直接给出：
Figure 281567DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明的实施例涉及无反射滤波器。滤波器可以是包括至少一个基本上无损耗元件和阻抗匹配的至少一个子网络的对称双端口电路。该匹配的子网络（图4和图5中所描绘的示例）可以提供到主要阻带信号路径的端接，并且可以取代现有技术的无反射滤波器中的有损耗元件或端接电阻器。当端口分别以同相和180°异相被驱动时，对称电路可以沿着对称线平分并且使用偶模式和奇模式等效电路进行建模。此外，对于所选择的归一化阻抗，偶模式等效电路的归一化输入阻抗可以基本上等于奇模式等效电路的归一化输入导纳。
虽然包含子网络的无反射滤波器的结构可以是对称的，但是子网络本身不必如此。只要子网络的端口匹配，复合滤波器也将优选地是无反射的。
在某些实施例中，例如如图2所示，存在使阻带信号的一部分在不通过子网络的情况下从滤波器的输入传递到输出的泄漏路径。图2描绘了重新绘制以强调端接主要阻带信号路径的子网络的位置和内部端口的图1的电路。然后，子网络可以被设计成通过滤波器传输一些阻带能量，其具有与泄漏路径的阻带能量的幅度和相位完全或部分抵消的幅度和相位，如图4所描绘的。替代地，子网络可以被设计成在过渡频带的开始处与泄漏建设性地相加，并且相消地进一步加到阻带中，从而改善截止响应的锐度，如图5所示。
在某些实施例中，该子网络可以采取衰减器的形式。在其他实施例中，子网络可以简单地是直通线或延迟线，从而实现具有频率选择性相位特性的全通滤波器。
在另外其他实施例中，如图5所示，子网络本身可以是另一无反射滤波器。然后，子网络无反射滤波器可以包含另一子网络等，其中以该方式嵌套的滤波器的数量可以被称为滤波器阶数。子网络滤波器可以被调谐到与父滤波器相同的频率，或被调谐到不同的频率。
在优选实施例中，如图6所示，滤波器是低通和三阶的。该实施例的频率响应优选地对于带宽的第一倍频具有非常尖锐的截止和良好抑制，如图7所示，并且因此，作为基带抗混叠滤波器是非常有用的，其中第一奈奎斯特区的抑制是最关键的。
在其他实施例中，无反射滤波器是另一无反射滤波器的对偶。在其中无反射滤波器包括集总元件网络的一些实施例中，通过用并联连接代替串联连接，用串联连接代替并联连接，用电容器代替电感器以及用电感器代替电容器来构造该对偶。在另外其他实施例中，通过将内部子网络与外部端口交换来获得对偶。通过图8中的示例图示这两种用于获得对偶的方法。
在另一优选实施例中，无反射滤波器的子网络是其自身的对偶无反射滤波器。在图9A和图9B中示出了示例，其中通过使图1中的规范一阶滤波器与图8中示出的该滤波器的对偶嵌套，再次与原始无反射滤波器嵌套来构造三阶低通无反射滤波器，或者反之亦然。相同元件的后续并联和串联连接已经导致了与图6中的三阶滤波器相比元件数目的减少，但是该元件具有相同的频率响应，如图7所示。减少数目的元件促进该元件以一些技术来实现，诸如图10所示的MMIC布局。
在另一优选实施例中，用保持对称性并且允许对偶性约束被满足的附加元件来修改嵌套结构中的无反射滤波器中的一个或多个。（在该上下文中，“对偶性约束”分别指代归一化偶模式和奇模式等效电路阻抗和导纳的实质性等效）。在图11中示出示例，其中通过嵌套两个无反射滤波器（一个无反射滤波器已经用附加电感器和电容器被修改，并且另一个无反射滤波器用其（未修改的）对偶被修改）来构造二阶无反射滤波器。电感器和电容器优选地是结构中的其余元件的尺寸的九分之一。在图12中示出了该结构的仿真响应，并且在图13中示出了针对相同结构的MMIC布局。
在另一优选实施例中，无反射滤波器与一个或多个附加无反射滤波器级联。级联中的各个无反射滤波器的子网络端口可以用单元间子网络彼此连接。每个单元间子网络可以包括衰减器、直通连接、延迟线和无反射滤波器中的一个或多个。单元间子网络可以优选地包括变换器，如图8所图示的。该单元间子网络可以在阻带信号路径中引入环路，该环路优选地修改频率响应，同时优选地保持级联的无反射性质。该实施例的频率响应优选地在宽带宽上具有非常尖锐的截止和良好的阻带抑制，如图9A和图9B所示。
本发明的实施例可以以许多不同的技术而被实现，该技术包括但不限于，单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路、低温共烧陶瓷和其他类型的集成电路。基本上无损耗的元件可以是电感器、电容器、传输线或波导，并且该元件可以是有引线的、连接化的或表面安装的。子网络不需要与父过滤器具有相同的类型或技术。
尽管实施例被示出使用电阻器、电容器和电感器，但是可以使用任何无损元件或有损耗元件。通常，滤波器可以仅包含“有损元件”（有损元件的一个可能示例是电阻器）和“无损元件”（无损元件可以是电感器、电容器、谐振器、变容二极管和/或传输线）。另外，滤波器的某些元件可以是可调谐元件、二极管和/或隧道结。尽管所示的实施例包括处于特定顺序的元件，但是元件可以处于任何顺序。此外，在某些实施例中，两个或更多个相同的元件或两个或更多个不同的元件可以串联或并联连接在一起。在滤波器中可以使用集总元件、集总元件的传输线等效物或近似、集总元件的晶体管电路等效物或近似或其任何组合。如果使用晶体管，则晶体管可以是场效应晶体管、双极型晶体管、CMOS晶体管和/或BiCMOS晶体管。
用于制造元件的介质可以是本领域中任何已知的介质，包括但不限于：同轴、波导、有引线的、表面安装的和单片集成的。每个电路可以是超导的。
滤波器可以用在增益块中、可调谐滤波器中、滤波器组中、复用器中、上转换器中、下转换器中、发射机中、接收机中、收发器中或信号源中。
考虑到本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实施例和用途对本领域技术人员是显而易见的。包括所有出版物、美国和外国专利和专利申请的本文引用的所有参考文献通过引用被具体地和全部并入。期望说明书和示例仅被认为是关于由所附权利要求指示的本发明的真实范围和精神的范例。此外，术语“由...组成”包括术语“由...构成”和“基本上由...构成”。

Claims (30)

1.一种无反射滤波器，包括：
对称双端口电路，其中，对称性定义分别在端口以同相和180°异相被驱动时的偶模式等效电路和奇模式等效电路；
至少一个无损元件和至少一个复杂的阻抗匹配的内部子网络，被布置在所述对称双端口电路内，使得：
所述偶模式等效电路的归一化输入阻抗基本上等于所述奇模式等效电路的归一化输入导纳；以及
所述奇模式等效电路的归一化输入阻抗基本上等于所述偶模式等效电路的归一化输入导纳；
其中，每个复杂的阻抗匹配的内部子网络位于所述无反射滤波器的阻带信号路径内；
其中，每个复杂的阻抗匹配的内部子网络提供在所有频率上到所述无反射滤波器的阻带信号路径的阻抗匹配端接；
其中，至少一个复杂的阻抗匹配的内部子网络具有取决于频率的幅度和相位响应；并且
其中，除了端口节点和与子网络的端口或接地节点串联的节点外，至少一个复杂的阻抗匹配的内部子网络还具有至少一个内部节点。
2.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，每个子网络是对称的或不对称的。
3.根据权利要求1所述的无反射滤波器，进一步包括：
泄漏路径，所述泄漏路径在不穿过子网络的情况下将阻带信号的一部分从输入传递到输出；以及
其中，每个子网络被适配为使具有下述幅度和相位的阻带信号通过：该幅度和相位部分地抵消通过所述泄漏路径的阻带信号的部分的幅度和相位。
4.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，每个子网络包括衰减器、直通连接、延迟线和无反射滤波器中的一个。
5.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，子网络包含至少一个附加子网络。
6.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，子网络包括子网络的级联。
7.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，每个子网络包括低通、高通、带通、带阻、全通和全阻滤波器中的一个。
8.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，每个子网络是有源或无源的。
9.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，每个子网络是可调谐的。
10.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，所述无反射滤波器是另一无反射滤波器的对偶。
11.根据权利要求10所述的无反射滤波器，其中，所述无反射滤波器包括集总元件网络，并且其中，通过用并联连接代替串联连接，用串联连接代替并联连接，用电容器代替电感器和用电感器代替电容器来获得对偶。
12.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，第一子网络包括包含第二子网络的无反射滤波器，并且其中，嵌套的无反射滤波器的总数提供滤波器阶数。
13.根据权利要求12所述的无反射滤波器，其中，所述第一和第二子网络被调谐到与所述无反射滤波器相同或不同的频率。
14.根据权利要求12所述的无反射滤波器，其中，所述无反射滤波器是所述无反射滤波器的子网络的对偶。
15.根据权利要求12所述的无反射滤波器，其中，所述滤波器是二阶或三阶之一。
16.根据权利要求15所述的无反射滤波器，其中，三阶滤波器是抗混叠滤波器。
17.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，所述无反射滤波器进一步包括辅助元件，所述辅助元件保留归一化偶模式等效电路阻抗和归一化奇模式等效电路导纳的对称性和基本同等性。
18.根据权利要求17所述的无反射滤波器，其中，所述无反射滤波器是二阶的，其中，第一无反射滤波器包括辅助元件，并且第二无反射滤波器是所述第一无反射滤波器的对偶和子网络二者。
19.根据权利要求18所述的无反射滤波器，其中，所述第二无反射滤波器包括或不包括辅助元件。
20.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，所述滤波器被实现为单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路、低温共烧陶瓷（LTCC）印刷电路和集成电路中的一个。
21.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，每个基本上无损耗元件是电感器、电容器、传输线和波导中的一个或多个。
22.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，使用与所述无反射滤波器相同或不同的技术来实现每个子网络。
23.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中，所述无反射滤波器与一个或多个附加无反射滤波器级联。
24.根据权利要求23所述的无反射滤波器，其中，所级联的滤波器具有相同或不同的类型。
25.根据权利要求24所述的无反射滤波器，其中，所述类型是低通、高通、带通、带阻、全通、全阻或多频带。
26.根据权利要求23所述的无反射滤波器，其中，所级联的滤波器被调谐到相同或不同的频率。
27.根据权利要求23所述的无反射滤波器，其中，所述无反射滤波器经由单元间子网络与级联中的另一无反射滤波器交叉连接。
28.根据权利要求27所述的无反射滤波器，其中，所述单元间子网络连接所述级联中的相邻或不相邻的滤波器。
29.根据权利要求27所述的无反射滤波器，其中，所述单元间子网络包括衰减器、直通连接、延迟线和无反射滤波器中的一个。
30.根据权利要求27所述的无反射滤波器，其中，所述单元间子网络包括1:1变换器。
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