CN111224634B - 一种低群时延波动滤波器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种低群时延波动滤波器的设计方法，包括以下步骤：根据滤波器指标，设计高斯型低通滤波器，得到高斯型低通滤波器的电感值和电容值；将低通滤波器转换成带通滤波器；在每个LC串联谐振电路上并联一个电容从而构成BVD电路模型；在每个LC并联谐振电路上串联一个电容，从而将并联支路转化为BVD电路模型；以BVD电路模型中的电容值和电感值作为目标优化函数的初始值，通过迭代方法，使得目标优化函数趋近于零，或者达到最小值，记录此时的电容值和电感值；根据得到的电容值和电感值计算各谐振器参数。根据本设计方法得到的滤波器，在性能不变或者没有严重恶化的情况下，其群时延波动得到明显的降低。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种低群时延波动滤波器的设计方法。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，许多射频器件在通信领域得到广泛应用，例如，在移动终端如手机、笔记本电脑上对滤波器、双工器等产生了大量需求，主要用来滤除不需要的射频信号，改善通信质量，提升用户体验。由于移动通信终端固有的特性，如便携、轻薄，所以对滤波器、双工器除性能上有较高的要求外，还对体积尺寸提出较高的要求。基于机械声波原理的声波滤波器刚好可以满足其要求，构成此类声波滤波器的谐振器主要包括：体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)和表面声波谐振器(SurfaceAcoustic Wave，SAW)，其中体声波谐振器，相比表面声波谐振器，具有更高的Q值，更高的工作频率，受到了业内的关注。体声波谐振器利用压电晶体的压电效应产生谐振。由于谐振由机械波产生，而非电磁波作为谐振来源，机械波的波长比电磁波波长短很多。因此，体声波谐振器及其组成的滤波器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小。另一方面，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，谐振器的损耗极小，品质因数高，能够应对陡峭过渡带和低插入损耗等复杂设计要求。由于体声波滤波器具有的尺寸小、高滚降、低插损等特性，以此为核心的滤波器在通信系统中得到了广泛的应用。
通信终端发展的另一个重要趋势是更高的数据传输量，无论是基于WLAN协议的Wi-Fi通信，还是基于3GPP协议的LTE通信，数据传输量相比3G时代已经有了指数级的飞跃。提高数据传输量的途径主要有两种：一是通过载波聚合实现信道的扩展，但是这需要对终端硬件及软件设计做较大的升级改动，且实现的带宽扩展最多为2-3倍。二是通过提高调制解调效率，从早期的BPSK，QPSK调试，到大数据传输量的16-QAM，64-QAM，甚至256-QAM，数据传输速率理论上最大可以得到上百倍的提升。但是，调制模式的提高，对通信信道的性能也提出了更高的要求，信道质量不高，将直接影响EVM特性，从而导致数据传输速率退化，信号失真。对于滤波器来说，群时延波动会影响数据的传输速率和信号保真度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种低群时延波动滤波器的设计方法，在确保滤波器性能不变或者没有严重恶化的情况下，使其具有较小的群时延波动。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低群时延波动滤波器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据滤波器指标，设计高斯型低通滤波器，得到高斯型低通滤波器的电感值和电容值；
步骤2：将低通滤波器转换成带通滤波器，其中，低通滤波器中的电感转变成带通滤波器中的LC串联谐振电路，低通滤波器中的电容转变成带通滤波器中的LC并联谐振电路；
步骤3：在每个LC串联谐振电路上并联一个电容从而构成BVD电路模型；在每个LC并联谐振电路上串联一个电容，从而将并联支路转化为BVD电路模型；
步骤4：以BVD电路模型中的电容值和电感值作为目标优化函数的初始值，通过迭代方法，使得目标优化函数趋近于零，或者达到最小值，记录此时的电容值和电感值；
步骤5：根据步骤4中得到的电容值和电感值计算各谐振器参数，利用具有该参数的体声波谐振器替代BVD电路模型，从而构建成低群时延波动滤波器。
可选地，所述步骤1中：通过传输函数的根得到高斯型低通滤波器的电感值和电容值，传输函数为：
其中，ωc为截止频率。
可选地，所述步骤2中：将低通滤波器转换成带通滤波器的转换公式为：
其中，ω0为中心频率，Δω为滤波器带宽。
可选地，所述步骤3中：将并联支路转化为BVD电路模型的转换公式为：
Li1＝Li(1+βi)2 i＝6,…9
Ci1＝Ci/(1+βi) i＝6,…9
C0i1＝C0i/(1+βi) i＝6,…9
其中，C0i为LC串联谐振电路上并联的电容或LC并联谐振电路上串联的电容；Ci为LC串联谐振电路中的电容或LC并联谐振电路中的电容；Li为LC串联谐振电路中的电感或LC并联谐振电路中的电感；Li1为转化为BVD电路模型后并联支路中的电感；Ci1为转化为BVD电路模型后并联支路中的并联电容；C0i1为转化为BVD电路模型后并联支路中的串联电容。
可选地，所述步骤4中：目标优化函数为：
S(ω)＝A[H(ω)-Hd(ω)]2+B[D(ω)-Dd(ω)]2
其中，H(ω)为滤波器的幅频函数，D(ω)为滤波器的群时延函数；Hd(ω)为滤波器的幅频目标函数，Dd(ω)为滤波器的群时延目标函数。
可选地，所述步骤4中：通过牛顿迭代方法或遗传算法，使得目标优化函数趋近于零，或者达到最小值。
可选地，所述步骤5中：谐振器参数包括有效机电耦合系数
谐振器面积A，串联谐振频点fs。
本发明技术方案中的设计方法，基于高斯原型滤波器，通过优化迭代得到具有低群时延波动滤波器；该滤波器在性能不变或者没有严重恶化的情况下，其群时延波动得到明显的降低。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1是本实施例提供的低群时延波动滤波器的设计方法的流程框图；
图2为椭圆函数型滤波器和高斯型滤波器的群时延波动对比图；
图3a是低通滤波器中的电感转变成带通滤波器中的LC串联谐振电路图；
图3b是低通滤波器中的电容转变成带通滤波器中的LC并联谐振电路图；
图4是带通滤波器的拓扑结构示意图；
图5是修正后的带通滤波器拓扑结构示意图；
图6是BVD等效电路图；
图7是转换后的带通滤波器拓扑结构图；
图8是BVD组成的梯型滤波器拓扑结构图；
图9为采用本方法设计的低群时延波动滤波器各谐振器的参数；
图10为传统滤波器与本实施例方法设计得到的滤波器的群时延波动对比图；
图11为传统滤波器与本实施例方法设计得到的滤波器的通带插损情况对比图；
图12为本实施例方法设计得到的滤波器0-3GHz范围的带外抑制图。
具体实施方式
图1是本实施例提供的低群时延波动滤波器的设计方法的流程框图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：根据滤波器指标，设计高斯型低通滤波器，其传输函数为：
其中，ωc为截止频率；通过传输函数的根得到高斯型低通滤波器的电感值和电容值；
高斯函数型滤波器相比于现有的椭圆函数型滤波器，其群时延波动较小；图2为椭圆函数型滤波器和高斯型滤波器的群时延对比图，如图2所示，实线部分为高斯型滤波器的波动范围，虚线为椭圆函数型滤波器的波动范围，由图2可知，椭圆函数型滤波器的群时延波动范围(约14ns)远大于高斯型滤波器的波动范围(约4ns)。
S2：将低通滤波器转换成带通滤波器，转换公式为：
其中，ω0为中心频率，Δω为滤波器带宽。图3a和图3b为低通滤波器转换成带通滤波器的示意图，图3a中，低通滤波器中的电感转变成带通滤波器中的LC串联谐振电路，图3b中低通滤波器中的电容转变成带通滤波器中的LC并联谐振电路；上述LC串并联谐振电路按照梯形结构组成的滤波器如图4所示。
S3：在每个LC串联谐振电路上并联一个电容，在每个LC并联谐振电路上串联一个电容，得到如图5所示的修正后的带通滤波器，图6为BVD等效电路，由图6可知，图5所示的电路中，串联支路的每一级已经是BVD电路模型，而并联支路并不是BVD电路模，需要进行转换，将并联支路转化为BVD电路模型的转换公式为：
Li1＝Li(1+βi)2 i＝6,…9
Ci1＝Ci/(1+βi) i＝6,…9
C0i1＝C0i/(1+βi) i＝6,…9
其中，C0i为LC串联
谐振电路上并联的电容或LC并联谐振电路上串联的电容；Ci为LC串联谐振电路中的电容或LC并联谐振电路中的电容；L1为图5中LC串联谐振电路中的电感或LC并联谐振电路中的电感；Li1为图7中并联支路中的电感；Ci1为图7中并联支路中的并联电容；C0i1为图7中并联支路中的串联电容。
最终，得到转换后的带通滤波器结构，如图7所示；串联支路每一级谐振电路和并联支路的谐振电路都已转换为BVD电路模型，所以进一步可以用相应的体声波谐振器代替，构成如图8所示的电路图。
S4：设计目标函数为：
S(ω)＝A[H(ω)-Hd(ω)]2+B[D(ω)-Dd(ω)]2
其中，H(ω)为滤波器的幅频函数，D(ω)为滤波器的群时延函数；Hd(ω)为滤波器的幅频目标函数，Dd(ω)为滤波器的群时延目标函数；以BVD电路模型中的电容值和电感值作为目标优化函数的初始值，通过迭代方法，优选地，通过牛顿迭代法、遗传算法等方法，使得目标优化函数趋近于零，或者达到最小值，记录此时的电容值和电感值；
S5：根据步骤S4中得到的电容值和电感值计算各谐振器参数，如，有效机电耦合系数
谐振器面积A，串联谐振频点fs等，利用具有该参数的体声波谐振器替代BVD电路模型，从而构建成低群时延波动滤波器。
图9为采用本方法设计的低群时延波动滤波器各谐振器的参数，该滤波器包括5个串联谐振器S11、S12、S13、S14和S15，及4个并联谐振器P11、P12、P13和P14，谐振器参数包括串联谐振频点fs、谐振器面积A和有效机电耦合系数
图10为传统滤波器与本实施例方法设计得到的滤波器的波动对比图，如图10所示，虚线为传统滤波器的波动范围，实线为本实施例方法设计得到的滤波器的波动范围，其中，虚线的波动范围为20ns左右，而实线的波动范围为6ns左右，由此可知本实施例方法设计得到的滤波器的群时延波动相比于现有技术得到明显改善。
图11为传统滤波器与本实施例方法设计得到的滤波器的通带插损情况对比图，如图11所示，实线为本实施例方法设计得到的滤波器的插损，虚线为传统滤波器的插损，本实施例方法设计得到的滤波器通带内部分频段的插损略有恶化。图12为本实施例方法设计得到的滤波器0-3GHz范围的带外抑制图，如图12可知，该滤波器的带外抑制大于40dB。
由此可知，利用本实施例方法得到滤波器，在性能不被严重恶化的情况下，可明显改善其群时延波动。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低群时延波动滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据滤波器指标，设计高斯型低通滤波器，得到高斯型低通滤波器的电感值和电容值；
步骤2：将低通滤波器转换成带通滤波器，其中，低通滤波器中的电感转变成带通滤波器中的LC串联谐振电路，低通滤波器中的电容转变成带通滤波器中的LC并联谐振电路；
步骤3：在每个LC串联谐振电路上并联一个电容从而构成BVD电路模型；在每个LC并联谐振电路上串联一个电容，从而将并联支路转化为BVD电路模型；
步骤4：以构成的所述BVD电路模型和转化得到的所述BVD电路模型中的电容值和电感值作为目标优化函数的初始值，通过迭代方法，使得目标优化函数趋近于零，或者达到最小值，记录此时的电容值和电感值；
步骤5：根据步骤4中得到的电容值和电感值计算各谐振器参数，利用具有该参数的体声波谐振器替代构成的所述BVD电路模型和转化得到的所述BVD电路模型，从而构建成低群时延波动滤波器。
2.根据权利要求1所述的低群时延波动滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤1中：
通过传输函数的根得到高斯型低通滤波器的电感值和电容值，传输函数为：
其中，ωc为截止频率。
3.根据权利要求1所述的低群时延波动滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤2中：
将低通滤波器转换成带通滤波器的转换公式为：
其中，ω0为中心频率，Δω为滤波器带宽。
4.根据权利要求1所述的低群时延波动滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤3中：
将并联支路转化为BVD电路模型的转换公式为：
Li1＝Li(1+βi)2i＝6,…9
Ci1＝Ci/(1+βi)i＝6,…9
C0i1＝C0i/(1+βi)i＝6,…9
其中，C0i为LC串联谐振电路上并联的电容或LC并联谐振电路上串联的电容；Ci为LC串联谐振电路中的电容或LC并联谐振电路中的电容；Li为LC串联谐振电路中的电感或LC并联谐振电路中的电感；Li1为转化为BVD电路模型后并联支路中的电感；Ci1为转化为BVD电路模型后并联支路中的并联电容；C0i1为转化为BVD电路模型后并联支路中的串联电容。
5.根据权利要求1所述的低群时延波动滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤4中：
目标优化函数为：
S(ω)＝A[H(ω)-Hd(ω)]2+B[D(ω)-Dd(ω)]2
其中，H(ω)为滤波器的幅频函数，D(ω)为滤波器的群时延函数；Hd(ω)为滤波器的幅频目标函数，Dd(ω)为滤波器的群时延目标函数。
6.根据权利要求1所述的低群时延波动滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤4中：
通过牛顿迭代或遗传算法，使得目标优化函数趋近于零，或者达到最小值。
7.根据权利要求1所述的低群时延波动滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤5中：
谐振器参数包括有效机电耦合系数kt 2，谐振器面积A，串联谐振频点fs。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A design method of low group delay wave filter Effective date of registration: 20210908 Granted publication date: 20210226 Pledgee: Tianjin TEDA Haihe intelligent manufacturing industry development fund partnership (L.P.) Pledgor: ROFS MICROSYSTEM(TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2021980009022 |
|
| PP01 | Preservation of patent right | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20240130 Granted publication date: 20210226 |