CN110651393A - 基于耦合传输线的带通滤波器 - Google Patents

基于耦合传输线的带通滤波器 Download PDF

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Abstract

一种带通滤波器(BPF)。该BPF包括：实现为第一传输线的第一谐振器；实现为第二传输线的第二谐振器；以及位于第一谐振器线和第二谐振器之间的耦合器，其中，所述耦合器被设计成产生通带，使得输入传输信号内的特定频率被滤除。在一个实施方式中，所述耦合器是3分贝混合耦合器。

Description

基于耦合传输线的带通滤波器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年5月11日提交的美国临时申请No.62/504,907的权益，其内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开总体上涉及带通滤波器，并且更具体地涉及基于适合于高频的耦合传输线的带通滤波器。
背景技术
带通滤波器(BPF)是用于对所连接的设备的不想要的频率信号进行滤波的电子部件。也就是说，带通滤波器允许特定范围内的频率，并且抑制或衰减该范围外的频率。
在图1中示出了BPF的典型传输函数，其显示了被允许通过BPF的带宽(即通带130)的曲线图100。如曲线图100所示，通带130是从最小频率f1 100到最大频率f2 120的允许频率的范围。
如图1的曲线图100的垂直轴上所示，通带130的振幅140以分贝(dB)为单位测量，并且指示所传输的通带的功率。所指示的振幅的值与所传输的频率的插入损耗或信号损耗的量有关。
另外，曲线图100指示相对陡峭的抑制曲线150，即，从衰减信号过渡到通带中的信号曲线的斜率。陡峭的抑制曲线允许BPF的最佳应用，因为越陡峭的抑制曲线允许更多的期望频率成功地通过滤波器，同时防止更多的不期望频率通过滤波器。
期望的BPF的要求包括通带中的低信号损耗，以及当BPF安装在传输线内时的低插入损耗，即信号功率的损耗。另外，优选陡峭的抑制曲线以使被允许通过BPF的不想要的频率(包括接近通带的频率)的量最小化。
许多当前可用的BPF采用具有特定频率的谐振的一个或多个谐振器。频率接近谐振频率的信号通过滤波器，而远离滤波器的信号被阻挡。在现有技术中，当前谐振器的三种主要设计包括：(a)基于电容器和电感器的谐振器；(b)基于表面和体声波滤波器(称为SAW和BAW滤波器)的谐振器；以及(c)基于介电材料中的腔的谐振器。
图2示出了具有四个LC谐振器的BPF 200的电路图，每个LC谐振器包括并联配置并耦合在一起的电感器(由L指示)和电容器(由C指示)。每个谐振器为衰减信号和通带之间的过渡提供附加精度。仅一个谐振器通常不足以提供期望的抑制曲线陡度。因此，几个连续且连接的谐振器经常一起使用。
SAW类型和BAW类型的BPF(未示出)在现代无线通信设备中是流行的设计，因为它们除了具有～0.5-3.0dB的合理可接受的插入损耗之外，还具有对于不想要的频率(在接近通带～50MHz处～30-50dB)的高抑制率。
然而，这种类型的BPF具有主要限制。具体地，SAW型滤波器仅对高达～3.5GHz的频率有效，但不能对目前正在开发并用于许多设备的较高频带(例如，6GHz、28GHz等)进行滤波。此外，BAW型滤波器制造起来可以非常昂贵，并且同样对28GHz频带无效。另外，SAW类型和BAW类型的BPF产生的通带相对较窄(大约在70MHz-100MHz之间)并且不能被调整。另外，SAW型和BAW型滤波器通常受限于通带的单个固定宽度，而现代电信技术需要可调整通带。
标准BPF的其他限制来自于其结构。作为示例，可以使用传输线来构建简单的微波谐振器，其中传输线必须具有等于通带中心处的电磁波的波长的四分之一的特定长度。在这种情况下，设计以特定频率(即通带中心的频率)谐振。然而，这种单谐振器BPF虽然设计简单，但常常不能提供足够陡的抑制曲线。
图3示出了具有几个连接的LC谐振器的标准BPF 300。为了增加抑制曲线，可以将几个基于单个传输线的谐振器彼此耦合。每个附加谐振器允许增加抑制斜率的陡度，但同时增加插入损耗。因此，期望抑制曲线的陡度和最小化插入损耗之间的适当平衡。
用于将几个谐振器连接在一起的标准方法是在它们之间建立电容性和/或电感性连接，如图3所示，其中各种电容器C1和C2连接到各种电感器L1和L2。在Pi(π)滤波器配置中，一个电感器被两个电容器围绕(形成希腊字母Pi(π))。在T型过滤器配置中，“T”几何形状由两个电感器和单个电容器形成。然而，当与非常高的频率一起使用时，这些设计是有问题的，其中对于期望的连接需要特别低的电容值。使用基于LC谐振器的BPF很难以足够的容限实现该低电容值。
因此，提供一种将克服上述限制的带通滤波器将是有利的。
发明内容
下面是本公开的几个示例性实施方式的概述。提供本概述是为了方便读者提供对此类实施方式的基本理解，且并非完全界定本发明的广度。此概述并非对所有预期实施方式的广泛概述，其目的既不识别所有实施方式的关键或关键要素，也不描绘任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化形式呈现一个或多个实施方式的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。为方便起见，本文中可使用术语“一些实施方式”来指代本公开的单个实施方式或多个实施方式。
本文公开的特定实施方式包括带通滤波器(BPF)，其包括：实现为第一传输线的第一谐振器；实现为第二传输线的第二谐振器；以及位于第一谐振器线和所述第二谐振器之间的耦合器，其中，所述耦合器被设计成产生通带，使得输入传输信号内的特定频率被滤除。
本文所公开的特定实施方式还包括带通滤波器(BPF)，其包含：第一耦合器，该第一耦合器被配置为接收传入信号并将传入信号分割为第一信号和第二信号；至少两个谐振器，其中，第一谐振器被配置为接收所述第一信号并且所述第二谐振器被配置为接收所述第二信号；以及第二耦合器，该第二耦合器被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，并且将所述第一信号和所述第二信号重新组合为重组信号。
附图说明
在说明书的结尾处，在权利要求中特别指出并清楚地要求本文公开的主题。从下面结合附图的详细描述中，所公开的实施方式的前述和其他目的、特征和优点将是显而易见的。
图1是通过带通滤波器的频率的曲线图。
图2是具有四个谐振器的基于LC谐振器的带通滤波器的示例图。
图3是具有多个连接的LC谐振器的标准BPF。
图4A是根据实施方式的具有两条传输线的谐振器的第一配置。
图4B是根据实施方式的具有两条传输线的谐振器的第二配置。
图4C是根据实施方式的具有两条传输线的谐振器的第三配置。
图5A是根据实施方式的环形谐振器传输线的前视图。
图5B是根据实施方式的环形谐振器传输线的顶视图。
图6A是根据实施方式的连续耦合谐振器单元的框图。
图6B是根据替代实施方式的连续耦合谐振器单元的框图。
图7是根据实施方式的包括3dB耦合器的连续耦合谐振器单元的框图。
图8是根据实施方式的耦合谐振器单元的替代示例的框图。
图9是示出根据实施方式的带通滤波器的组合的所得传输信号的图。
图10A是示出使用根据实施方式公开的带通滤波器的传输函数的曲线图。
图10B是示出使用根据替代实施方式公开的带通滤波器的传输函数的曲线图。
具体实施方式
重要的是要注意，这里公开的实施方式仅仅是这里的创新教导的许多有利使用的示例。通常，在本申请的说明书中作出的陈述不一定限制所要求保护的各种实施方式中的任何一个。此外，一些陈述可适用于一些创造性特征，但不适用于其他特征。通常，除非另有说明，否则单个元件可以是复数，反之亦然，而不损失一般性。在附图中，贯穿几个视图，相同的附图标记表示相同的部件。
本文所公开的实施方式包括被设计为对传入频率的带宽进行滤波的带通滤波器(BPF)。在实施方式中，所公开的BPF设计基于使用一个或多个耦合线或链路来耦合传输线。所公开的BPF设计的特征在于陡峭的抑制曲线、低插入损耗和灵活的带宽。根据所公开的实施方式，BPF被设计为在较高频率带(例如，6GHz、28GHz、32GHz及更高频率带)下操作。这允许BPF用于现代通信设备中，诸如但不限于使用高级蜂窝协议(例如LTE、4G、5G等)的智能电话，其中许多在较高频率带内操作。
谐振器是在特定频率下以比其他频率更大的振幅自然振荡的设备。用作BPF的谐振器的基本形式包括长度等于期望被允许通过的频率的电磁波长的一半的传输线。某些谐振器包括一个或多个长度的多条传输线。如上所述，单个谐振器虽然设计简单，但在BPF内使用时常常不能提供足够陡的抑制曲线。根据一个实施方式，为了实现期望的陡峭抑制曲线，可以实施两种方法：设计多个电磁耦合传输线谐振器的单元或者将多个连续单元耦合在一起。
图4A、图4B和图4C示出了根据实施方式的两个传输线谐振器的各种配置。采用电磁耦合将几个单个谐振器连接在一起允许设计对于非常高的频带有效的BPF。在这种情况下，第一谐振器的传输线是耦合器的第一线，第二谐振器的传输线是耦合器的第二线。
在一个实施方式中，如图4A所示，两条主传输线410和420与置于它们之间的耦合线430电磁耦合。在替代实施方式中，如图4B所示，两条主传输线412和422通过耦合线和通过电容性链路、电感性链路433或两者进行电磁耦合。电容性链路允许通过由电场引起的电路节点之间的电流位移来在传输线之间传递信号。感应链路包括连接两条传输线，使得通过一条线的电流通过电磁感应在另一条线的两端感应出电压。
在又一实施方式中，可在没有任何额外电容性或电感性链路的情况下实现谐振器之间的耦合，如图4C中所示。在该实施方式中，两个传输线谐振器在传输线之间提供电磁耦合器。另外，两条主传输线和耦合线的接近允许改变连接强度。在一个实施方式中，耦合在一起的几个谐振器可组合以形成单个谐振器单元。
图5A示出了根据实施方式的用于环形500的BPF的谐振器结构的示意图的前视图。为了减小BPF的物理尺寸并增加线路之间的耦合功率，可以将传输线构造成环形。在一个实施方式中，多个环形传输线彼此同轴平行地放置，即沿着单个轴线放置。在这种情况下，可以通过改变环500与相邻环的接近度来调整线之间的耦合。在一些实施方式中，可以调整环500的x轴和y轴定位以实现期望的滤波结果。图5B是环形谐振器500结构的顶视图，示出了沿至少一个轴线的偏移，其中偏移的距离直接影响传输线的耦合。
可以采用谐振器和耦合器的各种配置。图6A示出了根据实施方式设计的带通滤波器的框图。在该实施方式中，第一谐振器单元610耦合到第一耦合器620，第一耦合器620耦合到第二谐振器单元630。
根据图6B中所说明的另一实施方式，谐振器单元可通过耦合器的网络(即，两个或更多个耦合器)进行耦合。在一个实施方式中，耦合器是混合耦合器。在图6B所示的示例性布置中，两个耦合器620耦合在两个谐振器单元610和630之间。
在图7所示的另一实施方式中，置于谐振器单元710和730之间的耦合器720是3dB耦合器。为了进一步增加所得抑制斜率的陡度，可使用两个或更多个耦合器(例如，混合耦合器)将两个或更多个谐振器单元彼此耦合。
图8是根据实施方式的耦合谐振器单元810的替代示例的框图。在上文讨论的图6A、图6B和图7的布置的替代配置中，BPF可以被设计为使得谐振器单元810耦合在3dB耦合器820和830之间。在此实施方式中，第一3dB耦合器820均等地分割传入信号以产生发送到两个谐振器单元810的输出。然后将输出信号重新组合并连接到第二3dB耦合器830。在单个谐振器单元的连接中使用3dB耦合器，以便使信号的插入损耗最小化。
图9是示出根据实施方式的BPF的组合的所得传输信号的图。如上所述，标准SAW和BAW BPF设计具有固定的通带宽度(即，固定带宽)。然而，对于现代多频带无线通信，通常需要通带的可调整带宽。因此，所提出的设计通过改变单元内的单个谐振器之间的耦合强度(耦合越强，带宽越窄)来允许带宽的灵活性以及具有不同通带的单个单元的组合。在一个实施方式中，将多个BPF输出进行组合以形成新输出。在图9中，示出了这种布置的总传输900的图，包括类似于图6A至图8中所示的实施方式的布置。第一BPF输出信号910与第二BPF信号920组合。
图10A和图10B是示出根据所公开的实施方式(例如，图8所示的实施方式)设计的BPF的传输函数的曲线图。图10A是具有强电磁耦合的BPF的频率的曲线图1000。作为一般规则，传输线之间的强电磁耦合提供具有非陡峭抑制曲线(例如，曲线1020)和最小插入损耗(例如，小于1dB的信号损耗的通带1030的插入损耗)的滤波器。
或者，如图10B的曲线图1050中所示，增加谐振器的数目或调整传输线之间的定位提供具有较陡抑制曲线(例如，曲线1060)的BPF，其具有最小插入损耗(例如，通带1070内的信号损耗)。在一个实施方式中，BPF被配置成在1千兆赫(GHz)与32GHz的频率之间的任何地方创建通带。
如本文所使用的，项目列表后的短语“至少一个”意味着可以单独使用任何所列出的项目，或者可以使用两个或更多个所列出的项目的任何组合。例如，如果系统被描述为包括“A、B和C中的至少一个”，则系统可以包括：单独的A；单独的B；单独的C；组合的A和B；组合的B和C；组合的A和C；或组合的A、B和C。
本文所列举的所有示例和条件语言旨在用于教育目的，以帮助读者理解所公开的实施方式的原理和发明人为促进本领域而贡献的概念，并且应被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。此外，在此列举所公开的实施方式的原理、方面和实施方式以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同物。另外，意图是这样的等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，执行相同功能的开发的任何元件，而不管结构如何。

Claims (11)

1.一种带通滤波器(BPF)，其包括：
实现为第一传输线的第一谐振器；
实现为第二传输线的第二谐振器；以及
耦合器，该耦合器位于第一谐振器线和所述第二谐振器之间，其中，所述耦合器被设计成产生通带，使得输入传输信号内的特定频率被滤除。
2.根据权利要求1所述的BPF，所述BPF进一步包括：
在所述第一传输线和所述第二传输线之间的电容耦合链路。
3.根据权利要求1所述的BPF，所述BPF进一步包括：
在所述第一传输线和所述第二传输线之间的电感耦合链路。
4.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述第一传输线和所述第二传输线各自形成环形谐振器。
5.根据权利要求4所述的BPF，其中，所述第一传输线与所述第二传输线同轴平行地定位。
6.根据权利要求4所述的BPF，其中，所述第一传输线平行于所述第二传输线定位并且沿着与所述第二传输线不同的轴线定位。
7.根据权利要求1所述的BPF，所述BPF进一步包括：
至少两个耦合器，该至少两个耦合器被放置在所述第一传输线和所述第二传输线之间。
8.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述耦合器是3分贝混合耦合器。
9.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述BPF的工作频率在1千兆赫(GHz)与32GHz之间，其中，所述BPF的所述工作频率包括多个不同的频率通带。
10.一种带通滤波器(BPF)，其包括：
第一耦合器，该第一耦合器被配置为接收传入信号并将所述信号分割为第一信号和第二信号；
至少两个谐振器，其中，第一谐振器被配置为接收所述第一信号，第二谐振器被配置为接收所述第二信号；以及
第二耦合器，该第二耦合器被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，并将所述第一信号和所述第二信号重组为重组信号。
11.根据权利要求10所述的BPF，其中，所述第一耦合器和所述第二耦合器是3分贝混合耦合器。
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