CN110890611A - 开口环交叉耦合的带通滤波器以及相应的射频收发前端电路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开口环交叉耦合的带通滤波器，带通滤波器包括四个开口环谐振器，所述的四个开口环谐振器上下排列。本发明还涉及一种具有上述带通滤波器的射频收发前端电路结构。采用了本发明的开口环交叉耦合的带通滤波器以及具有该带通滤波器的射频收发前端电路结构，解决带通滤波器群时延对5G信号失真的影响。5G比4G系统带宽更大，对滤波器群时延的要求更高。本发明解决带通滤波器低成本、小体积问题。5G系统采用大规模多通道，对体积、成本都有更高的要求。
Description
技术领域
本发明涉及微波射频技术领域，尤其涉及射频前端带通滤波器技术领域，具体是指一种开口环交叉耦合的带通滤波器以及具有该带通滤波器的射频收发前端电路结构。
背景技术
无线通信产业发展迅速，受到人们普遍关注，无论是市场还是用户都对它的发展充满了期待。随着无线通信技术的发展，人们对无线网络的需求不断提升。智能手机、掌上电脑等移动设备的普及预示着移动宽带社会的到来。根据香农定理，为满足系统容量的增长，5G提出了大规模MIMO，以及200MHz带宽(sub-6GHz)的要求。在5G通信网络中，无论是基站、终端、仪器等，信号传输离不开射频前端的支撑。
射频前端的架构有很多种，主要包括超外差架构、零中频架构和低中频架构。超外差架构是被认为最可靠的一种拓扑结构，也是应用最广泛的一种系统结构，其主要架构框图如图1所示。发射机部分的任务是完成中频对载波的调制，将中频信号搬移到所需频段上并保证合适的发射功率，主要包括第一混频器、带通滤波器、第二混频器和功率放大器。接收机部分的任务是完成对载波信号的解调，将射频信号下变频至中频信号，主要包括第一混频器、带通滤波器、第二混频器和低噪声放大器。
射频前端中的滤波器是一个选频网络，它的作用是让有用信号分量通过，而杂散信号分量则受到尽可能的衰减。滤波器的网络函数可以表示为
群时延表征了群信号通过网络传输时，网络对群信号整体产生的时延。它决定了信号的传播时延，并且直接影响信号失真和信息传输质量，群时延表达式如下：
通信系统中，传输带宽越宽，群时延对系统的影响越大。群时延对传输性能的恶化通常以信号带宽与群时延波动的乘积为单位，表达式如下：
X＝Δτ(ω)·BW。
5G系统的信号带宽BW＝200MHz，相对于4G的20MHz提升了一个数量级。当前5G系统的滤波器的设计绝大部分只考虑了200MHz信号的带内平坦度，即只考虑了幅度波动对5G信号的影响，然而基于OFDMA技术的5G信号带内必然包含多种频率分量，带通滤波器群时延对5G系统的影响则不可忽略。因此为保证5G通信200MHz带宽内信号尽可能低失真的传输，射频前端中的第一中频带通滤波器必须综合考虑频率、带内平坦度、杂散抑制度和群时延等指标。
此外，5G大规模MIMO技术使得射频前端的通道数量从4G的几个通道增加为几十个通道，这就要求基于5G的射频前端还必须有体积小、成本低等优点。定制介质滤波器或LTCC滤波器虽然体积小，但群时延特性受限于抑制度和体积约束，且价格比较高；腔体滤波器虽然具有矩形系数高，带内波动小等优点，但是体积较大，不适合5G大规模MIMO系统。微带滤波器，指标可动态仿真实现，且集成于PCB几乎零成本，比较适合于5G大规模MIMO系统
因此，适用于5G射频前端的带通滤波器，必须综合考虑频率、带内平坦度、杂散抑制度、群时延、成本、体积等因素。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足带内波动小、群时延波动小、适用范围广泛的开口环交叉耦合的带通滤波器以及具有该带通滤波器的射频收发前端电路结构。
为了实现上述目的，本发明的开口环交叉耦合的带通滤波器以及具有该带通滤波器的射频收发前端电路结构如下：
该开口环交叉耦合的带通滤波器，其主要特点是，所述的带通滤波器包括四个开口环谐振器，所述的四个开口环谐振器上下排列。
较佳地，所述的四个开口环谐振器为第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第三开口环谐振器和第四开口环谐振器，所述的第二开口环谐振器与输入端相连接，所述的第四开口环谐振器与输出端相连接，所述的第二开口环谐振器和第四开口环谐振器的开口处相对，所述的第一开口环谐振器与第二开口环谐振器以及第三开口环谐振器第四开口环谐振器，所述的第三开口环谐振器与第四开口环谐振器第四开口环谐振器。
较佳地，所述的带通滤波器为开口环交叉耦合结构。
较佳地，所述的带通滤波器的输入信号经过主耦合路径以及交叉耦合路径。
较佳地，所述的带通滤波器为7.3GHz。
该射频收发前端电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括射频接收机模块和射频发射机模块，所述的射频接收机模块包括依次相连接的低噪声放大器、第一混频器、第一中频带通滤波器和第二混频器，所述的射频发射机模块包括依次相连接的第三混频器、第二中频带通滤波器、第四混频器和功率放大器，所述的第一中频带通滤波器和第二中频带通滤波器均为上述的带通滤波器。
较佳地，所述的第一混频器和第四混频器共用第一本振信号，所述的第二混频器和第三混频器共用第二本振信号。
较佳地，所述的射频收发前端电路结构的输入第一中频带通滤波器和第二中频带通滤波器的中频信号为7.3GHz。
较佳地，所述的射频收发前端电路结构的射频信号频率范围为0.4～6GHz，中频信号为737.28MHz，信号带宽为200MHz。
采用了本发明的开口环交叉耦合的带通滤波器以及具有该带通滤波器的射频收发前端电路结构，解决带通滤波器群时延对5G信号失真的影响。5G比4G系统带宽更大，对滤波器群时延的要求更高。本发明解决带通滤波器低成本、小体积问题。5G系统采用大规模多通道，对体积、成本都有更高的要求。
附图说明
图1为本发明的开口环交叉耦合的带通滤波器的结构示意图。
图2为本发明的具有该带通滤波器的射频收发前端电路结构的示意图。
图3为本发明的开口环交叉耦合的带通滤波器的S参数测试结果和群时延测试结果。
图4为本发明的开口环交叉耦合的带通滤波器的实物图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该开口环交叉耦合的带通滤波器，其中包括四个开口环谐振器，所述的四个开口环谐振器上下排列。
作为本发明的优选实施方式，所述的四个开口环谐振器为第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第三开口环谐振器和第四开口环谐振器，所述的第二开口环谐振器与输入端相连接，所述的第四开口环谐振器与输出端相连接，所述的第二开口环谐振器和第四开口环谐振器的开口处相对，所述的第一开口环谐振器与第二开口环谐振器以及第三开口环谐振器第四开口环谐振器，所述的第三开口环谐振器与第四开口环谐振器第四开口环谐振器。
作为本发明的优选实施方式，所述的带通滤波器为开口环交叉耦合结构。
作为本发明的优选实施方式，所述的带通滤波器的输入信号经过主耦合路径以及交叉耦合路径。
作为本发明的优选实施方式，，所述的带通滤波器为7.3GHz。
本发明的该射频收发前端电路结构，其中包括射频接收机模块和射频发射机模块，所述的射频接收机模块包括依次相连接的低噪声放大器、第一混频器、第一中频带通滤波器和第二混频器，所述的射频发射机模块包括依次相连接的第三混频器、第二中频带通滤波器、第四混频器和功率放大器，所述的第一中频带通滤波器和第二中频带通滤波器均为上述的带通滤波器。
作为本发明的优选实施方式，所述的第一混频器和第四混频器共用第一本振信号，所述的第二混频器和第三混频器共用第二本振信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的射频收发前端电路结构的输入第一中频带通滤波器和第二中频带通滤波器的中频信号为7.3GHz。
作为本发明的优选实施方式，所述的射频收发前端电路结构的射频信号频率范围为0.4～6GHz，中频信号为737.28MHz，信号带宽为200MHz。
本发明的具体实施方式中，本发明提供一种适用于5G射频前端的开口环交叉耦合带通滤波器。本发明综合考虑了5G的信号带宽，幅度波动和群时延对信号失真的影响，杂散，以及5G大规模MIMO多通道属性下小体积、低成本等要求。
本发明带通滤波器适用的电路图如图2所示，。
射频发射机中包含第三混频器、带通滤波器、第四混频器和功率放大器，中频信号经过第四混频器与第二本振混频至第一中频，经过第二中频带通滤波器滤波后与本振一混频为射频信号，经过功率放大器后将信号辐射除去。
射频接收机中包含第一混频器、带通滤波器、第二混频器和低噪声放大器，射频信号经过低噪声放大器后进入第一混频器与本振一进行混频输出第一中频信号，该第一中频信号经过带通滤波器滤波后与本振二进行第二次混频输出中频信号。其中，射频信号频率范围0.4～6GHz，第一中频信号7.3GHz，中频信号737.28MHz，信号带宽200MHz。
本发明即对应射频前端中的第一中频7.3GHz带通滤波器。综合考虑了信号带宽、带内波动、杂散抑制、群时延、通道数、滤波器体积、成本等因素，基于传统发夹型滤波器理论，设计的开口环交叉耦合结构的带通滤波器，如图1所示，具有设计简单、性能优越、小体积、低成本等优点，尤其适用于5G超外差架构射频前端电路中使用。其结构主要是四个开口环谐振器上下排列，信号从输入端到输出端，不仅通过主耦合路径，也通过了交叉耦合路径。当电磁信号在某一频点幅度相同，相位相反，则产生传输零点，从而改善频率选择性。
图4展示了本发明开口环交叉耦合带通滤波器的实物图，尺寸为7.4mm×7.3mm。图3展示了本发明开口环交叉耦合带通滤波器的S参数测量结果及群时延测量结果。测量结果显示，5G系统200MHz信号带内波动0.55dB，群时延波动小于0.2ns，尺寸7.4mm×7.3mm，具有通带窄，带内平坦、群时延波动小、体积小等优点，尤其适用于5G系统超外差射频前端。
采用了本发明的开口环交叉耦合的带通滤波器以及具有该带通滤波器的射频收发前端电路结构，解决带通滤波器群时延对5G信号失真的影响。5G比4G系统带宽更大，对滤波器群时延的要求更高。本发明解决带通滤波器低成本、小体积问题。5G系统采用大规模多通道，对体积、成本都有更高的要求。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (9)
1.一种开口环交叉耦合的带通滤波器，其特征在于，所述的带通滤波器包括四个开口环谐振器，所述的四个开口环谐振器上下排列。
2.根据权利要求1所述的开口环交叉耦合的带通滤波器，其特征在于，所述的四个开口环谐振器为第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第三开口环谐振器和第四开口环谐振器，所述的第二开口环谐振器与输入端相连接，所述的第四开口环谐振器与输出端相连接，所述的第二开口环谐振器和第四开口环谐振器的开口处相对，所述的第一开口环谐振器与第二开口环谐振器以及第三开口环谐振器第四开口环谐振器，所述的第三开口环谐振器与第四开口环谐振器第四开口环谐振器。
3.根据权利要求1所述的开口环交叉耦合的带通滤波器，其特征在于，所述的带通滤波器为开口环交叉耦合结构。
4.根据权利要求1所述的开口环交叉耦合的带通滤波器，其特征在于，所述的带通滤波器的输入信号经过主耦合路径以及交叉耦合路径。
5.根据权利要求1所述的开口环交叉耦合的带通滤波器，其特征在于，所述的带通滤波器为7.3GHz。
6.一种射频收发前端电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括射频接收机模块和射频发射机模块，所述的射频接收机模块包括依次相连接的低噪声放大器、第一混频器、第一中频带通滤波器和第二混频器，所述的射频发射机模块包括依次相连接的第三混频器、第二中频带通滤波器、第四混频器和功率放大器，所述的第一中频带通滤波器和第二中频带通滤波器均为权利要求1所述的带通滤波器。
7.根据权利要求6所述的射频收发前端电路结构，其特征在于，所述的第一混频器和第四混频器共用第一本振信号，所述的第二混频器和第三混频器共用第二本振信号。
8.根据权利要求6所述的射频收发前端电路结构，其特征在于，所述的射频收发前端电路结构的输入第一中频带通滤波器和第二中频带通滤波器的中频信号为7.3GHz。
9.根据权利要求6所述的射频收发前端电路结构，其特征在于，所述的射频收发前端电路结构的射频信号频率范围为0.4～6GHz，中频信号为737.28MHz，信号带宽为200MHz。
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