CN111669148B - 可调谐带通滤波器、设备及方法 - Google Patents

可调谐带通滤波器、设备及方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种可调谐带通滤波器，包括：功分器，用于连接输入信号将其分为两路信号；延时/相位补偿器，至少设置于其中一路信号上，用于调节该路信号的时延和相位使得所述两路信号在重叠工作频率范围内绝对群时延相同和相位相近；两个相同的第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器，分别设置于所述两路信号上，用于改变所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器各自对应的截止频率来调节带通滤波器的工作带宽和中心频率；减法器，用于使得所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器的信号在重叠工作频率范围内相互抵消，形成带通滤波器。在本申请设计简单灵活，更容易集成，解决了现有可调谐带通滤波器设计难题。

Description

可调谐带通滤波器、设备及方法
技术领域
本申请涉及滤波器领域，特别是涉及一种可调谐带通滤波器、设备及方法，尤其是应用于单芯片上实现中心频率与中心带宽均可调的带通滤波器。
背景技术
目前虽然收发信机里绝大部分模拟电路已经被数字电路所替代，但带通滤波器作为射频前端重要的选频器件，由于其特殊性而仍不可能被数字滤波器替代。现在射频收发信机为满足具备多个模式功能要求(比如智能手机同时具备蓝牙、WiFi、5G等功能)，在射频前端集成了多个不同中心频率与工作带宽的带通滤波器来进行滤波选频，这些滤波器的中心频率与工作带宽是固定的。然而，随着系统工作模式的不断增多，这种多个滤波器切换的技术方案将无法满足未来产品小型化、高集成度的需要。
近年来，可调谐带通滤波器技术研究受到了广泛关注，希望通过一个调谐滤波器件来解决射频前端可重构滤波问题。然而现有技术中普遍通过调节谐振单元之间匹配或耦合来实现可调谐带通滤波器，存在设计技术难度大、难以单片集成等缺点。因此，期望提供一种设计与实现简单、可单芯片集成的可调谐带通滤波器。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种可调谐带通滤波器、设备及方法，用于解决现有技术中存在设计难度大、难以单片集成的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种可调谐带通滤波器，包括：
功分器，用于连接输入信号将其分为两路信号；
延时/相位补偿器，至少设置于其中一路信号上，用于调节该路信号的时延和相位使得所述两路信号在重叠工作频率范围内绝对群时延相同和相位相近；
具有相同属性的第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器，分别设置于所述两路信号上，用于根据控制信号改变所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器各自对应的截止频率来调节带通滤波器的工作带宽和中心频率；
减法器，用于使得所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器的信号在重叠工作频率范围内相互抵消，形成带通滤波器。
如上所述，本申请的可调谐带通滤波器、设备及方法，具有以下有益效果：
在本申请中由于采用可调谐低通滤波器来构成可调谐带通滤波器，相比可调谐带通滤波器而言，在集成电路设计领域更易实现；同时，通过两个完全相同的可调谐低通滤波器实现了中心频率与工作带宽均可调谐的带通滤波器，设计简单灵活，降低了可调谐带通滤波器的设计难度、更易单片集成。
附图说明
图1显示为本申请中可调谐带通滤波器电路原理框图；
图2显示为本申请基于两个Butterworth低通滤波器的可调谐带通滤波器插入损耗与频率关系曲线图；
图3显示为本申请基于两个Butterworth低通滤波器数的可调谐带通滤波器绝对群时延与频率关系曲线图；
图4显示为本申请基于两个Bessel低通滤波器的可调谐带通滤波器插入损耗与频率关系曲线图；
图5显示为本申请基于两个Bessel低通滤波器数的可调谐带通滤波器绝对群时延与频率关系曲线图；
图6显示为本申请中一种可自适应补偿的可调谐带通滤波电路原理框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
可调谐低通滤波器是指低通滤波器的截止频率可调。
滤波器的群延迟特性是指通过滤波器的信号经过一段延迟后输出，延迟等于滤波器相位特性的微分值。这里，相位误差与群延迟误差的概念是相同的，唯一的区别是作为中间变量的值(相位或时间)，因为当一个现有的输入信号产生相位差时，信号本身则落后或超前于标准的时间。
请参阅图1，本申请提供一种可调谐带通滤波器电路原理框图，包括：
功分器1，用于连接输入信号将其分为两路信号；
其中，该功分器1为信号功率或幅度分配器，用于将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等信号，在此优选为两路信号。
延时/相位补偿器，至少设置于其中一路信号上，用于调节该路信号的时延和相位使得所述两路信号在重叠工作频率范围内绝对群时延相同和相位相近；
其中，延时/相位补偿器可由第一延时/相位补偿器2和第二延时/相位补偿器3构成，对应设置于两路信号中，调节两路信号的时延和相位进行补偿，使得补偿后的该路信号与另一路信号在重叠工作频率范围内绝对群时延相同和相位相近；延时/相位补偿器也可只对其中一路信号进行补偿，使得补偿后的该路信号与另一路信号在重叠工作频率范围内绝对群时延相同和相位相近。
在此，需要说明的是，可调谐带通滤波器根据具体延时范围与精度，所述延时/相位补偿器可为有源电路、无源移相器、无源延迟传输线、声体波延迟线等。例如，所述延时/相位补偿器可为基于硅基CMOS工艺的移相器与延迟器。
具有相同属性的第一可调谐低通滤波器4与第二可调谐低通滤波器5，分别设置于所述两路信号上，用于根据控制信号改变所述第一可调谐低通滤波器4与第二可调谐低通滤波器5各自对应的截止频率来调节带通滤波器的工作带宽和中心频率；
其中，所述可调谐低通滤波器与延时/相位补偿器位置可互换，即，功分器1与减法器6之间可以依次连接可调谐低通滤波器与延时/相位补偿器位置；功分器1与减法器6之间还可以依次连接延时/相位补偿器位置与可调谐低通滤波器。
在此，需要说明的是，所述可调谐低通滤波器为基于运放的RC、跨导电容等的有源滤波器，第一可调谐低通滤波器4与第二可调谐低通滤波器5为相同属性(相同类型和相同阶数)的滤波器，例如，巴特沃兹(Butterworth)滤波器或贝塞尔(Bessel)滤波器。
另外，控制信号由控制单元产生，或，该控制信号通过人工调节。例如：可调谐带通滤波器还包括：控制单元，分别连接所述延时/相位补偿器和可调谐低通滤波器，用于生成控制信号来调节延时/相位补偿器与可调谐低通滤波器。所述延时/相位补偿器补偿两个可调谐低通滤波器的时延和相位来调节两路信号的绝对群时延和相位，使得补偿后的所述两个可调谐低通滤波器在重叠的工作频率范围内的绝对群时延相同与相位接近。
减法器6，用于使得所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器的信号在重叠工作频率范围内相互抵消，形成带通滤波器。
在此，减法器6为180度宽带功率合成器，也可为有源差分运算放大器等。
在本实施例中，由于可调谐低通滤波器工作在不同的截止频率，而具有不同的相位—频率特性。为了使得所述两个滤波器重叠工作频率范围内的信号通过减法器时能够互相抵消，从而形成最终带通滤波器，需要通过延时/相位补偿器将两路信号在所述重叠工作频率范围内的相位调节至接近相同，也就是，两路信号在所述频率范围内具有接近相同的相位—频率特性。
具体地，第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器是两个完全相同的可调谐低通滤波器，只是为了实现所述可调谐带通滤波器，它们在工作时必须被调节至不同的截止频率；所述可调谐带通滤波器的下限截止频率由具有较小工作带宽的可调谐低通滤波器截止频率决定；所述可调谐带通滤波器的上限截止频率由所述具有较大带宽的可调谐低通滤波器截止频率决定；所述带通滤波器工作带宽和中心频率的调节是通过调谐改变所述两个低通滤波器的截止频率来实现的。
另外，还需要说明的是，采用本申请的发明构思还可将输入信号分成多路信号，通过两两之间的信号相互抵消，最终多路信号相互抵消后输出一路信号形成带通滤波器。
在一些实施方式中，图2展示了一种基于两个Butterworth低通滤波器实现的可调谐带通滤波器插入损耗与频率关系曲线。两个可调谐低通滤波器-3dB截止频率分别设置在500MHz与550MHz，均为9阶Butterworth低通滤波器，具有最大平坦幅度特性，适合工作带宽较窄的可调谐带通滤波器设计，最终形成中心频率为531MHz，3dB带宽为111.8MHz的带通滤波器。由于两个低通滤波器具有不同的相位—频率特性，所以需要对两路信号进行绝对群时延(Group Delay)与相位补偿，具体方法是，先获取在重叠工作频率范围内不同频率点的两个低通滤波器绝对群时延差值，如图3所示，在频率为0.16GHz处绝对群时延差值为0.185ns，在频率为0.2GHz处绝对群时延差值为0.197ns；然后将重叠工作频率范围内多个频率点绝对群时延差值进行算术平均，再通过延时/相位补偿器进行两路信号的绝对群时延补偿，其补偿值为所述算术平均值，最后再进行相位补偿(绝对群时延求导即可得到)，使得两路信号在重叠工作频率范围内的相位—频率特性接近一致。在所述带通滤波器进行调谐的过程中，延时/相位补偿器会进行实时调节补偿，补偿值则是根据具体调谐参数通过上述方法提前计算得到。
在另一些实施方式中，图4展示了一种基于两个Bessel低通滤波器实现的可调谐带通滤波器插入损耗与频率关系曲线。两个可调谐低通滤波器-3dB截止频率分别设置在500MHz与1000MHz，均为9阶Bessel低通滤波器，具有最大平坦幅度群时延特性，适合工作带宽较宽的可调谐带通滤波器设计，最终形成中心频率为1151MHz，3dB带宽为932.7MHz的带通滤波器。同样地，需要对两路信号进行绝对群时延与相位补偿，具体方法是，先获取在重叠工作频率范围内不同频率点的两个低通滤波器绝对群时延差值，由于采用Bessel滤波器，带内群时延是十分平坦额，如图5所示，在频率为0.1GHz处绝对群时延差值为0.539ns，在频率为0.3GHz处绝对群时延差值为0.539ns；然后将重叠工作频率范围内多个频率点绝对群时延差值进行算术平均，再通过延时/相位补偿器进行两路信号的绝对群时延补偿，其补偿值为所述算术平均值，最后再进行相位补偿，使得两路信号在重叠工作频率范围内的相位—频率特性接近一致。在所述带通滤波器进行调谐的过程中，延时/相位补偿器会进行实时调节补偿，补偿值则是根据具体调谐参数通过上述方法提前计算得到。
在一些具体示例中，图6展示了一种可自适应补偿的可调谐带通滤波器。所述可调谐带通滤波器芯片还可集成ADC(模数转换器)、DAC(数模转换器)、DDS(信号发生器)、FPGA(可编程逻辑芯片，即，控制单元)、射频开关等集成电路来实现延时/相位补偿器的实时在线补偿，具体过程包括，在所述两个低通滤波器完成带宽调节设置后，经FPGA(11)处理后利用DAC或DDS(9)产生两个扫频信号，并通过射频开关(12)分别馈入所述两个低通滤波器(4、5)输入端口，所述扫频信号的扫描频率范围至少覆盖所述低通滤波器的工作带宽，经低通滤波器处理后的两个扫频信号再通过射频开关(13)分别输入至ADC(10)进行采样，然后通过FPGA(11)进行对比计算得出经过两个低通滤波器前后扫频信号的延时与相位变化，再对延时/相位补偿器(2、3)进行实时调节补偿，而无需事先进行计算与存储。
在此，通过上述方式能够在线实时调谐带通滤波器，相比传统的调谐方式，本实施例无需人为协助，不仅能够实现实时自动调谐带通滤波器，还提高了调谐准确性。
在一些实施例中，一种无线电接收机，用于接收无线信号，包括：
混频器，用于将高频信号变频到低频信号；以及
耦合到所述混频器的可调谐带通滤波器，用于滤除所述低频信号带通外的高频成分和低频成分，所述可调谐带通滤波器的具体结构在此不再详述。
例如，某些实施方式可以特别适用于基站应用、移动通信或卫星通信应用。
在一些实施例中，一种操作可调谐带通滤波器的方法，包括：上述的可调谐带通滤波器；其中，利用延时/相位补偿器调节至少一路信号使得两路信号在重叠工作频率范围内绝对群时延相同和相位相近；改变所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器各自对应的截止频率来调节带通滤波器的工作带宽和中心频率；促使所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器的信号在重叠工作频率范围内相互抵消合成一路输出信号。
藉由上述各示例，采用上述方式操作可调谐带通滤波器，其中，该可调谐带通滤波器具有由第一可调谐低通滤波器的截止频率和第二可调谐通滤波器的截止频率限定的可调谐滤波器的通频带，完美克服了可调谐带通滤波器设计技术难度大、难以单片集成等缺点。
综上所述，在本申请中由于采用可调谐低通滤波器来构成可调谐带通滤波器，相比可调谐带通滤波器而言，在集成电路设计领域更易实现；同时，通过两个完全相同的可调谐低通滤波器实现了中心频率与工作带宽均可调谐的带通滤波器，设计简单灵活，降低了可调谐带通滤波器的设计难度、更易单片集成。所以，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种可调谐带通滤波器，其特征在于，包括：
功分器，用于连接输入信号将其分为两路信号；
延时/相位补偿器，至少设置于其中一路信号上，用于调节该路信号的时延和相位使得所述两路信号在重叠工作频率范围内绝对群时延相同和相位相近；
具有相同属性的第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器，分别设置于所述两路信号上，用于根据控制信号改变所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器各自对应的截止频率来调节带通滤波器的工作带宽和中心频率；
减法器，用于使得所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器的信号在重叠工作频率范围内相互抵消，形成带通滤波器。
2.根据权利要求1所述的可调谐带通滤波器，其特征在于，所述可调谐带通滤波器的上限截止频率由具有较大带宽的可调谐低通滤波器截止频率来确定；所述可调谐带通滤波器的下限截止频率由具有较小带宽的可调谐低通滤波器截止频率来确定。
3.根据权利要求1所述的可调谐带通滤波器，其特征在于，所述可调谐低通滤波器与延时/相位补偿器位置可互换。
4.根据权利要求1或3所述的可调谐带通滤波器，其特征在于，所述延时/相位补偿器补偿两个可调谐低通滤波器的时延和相位来调节两路信号的绝对群时延和相位，使得补偿后的所述两个可调谐低通滤波器在重叠的工作频率范围内的绝对群时延相同与相位接近。
5.根据权利要求4所述的可调谐带通滤波器，其特征在于，所述延时/相位补偿器为基于硅基CMOS工艺的移相器与延迟器。
6.根据权利要求1所述的可调谐带通滤波器，其特征在于，所述减法器为180度宽带功率合成器或有源差分运算放大器。
7.根据权利要求1所述的可调谐带通滤波器，其特征在于，还包括：控制单元，分别连接所述延时/相位补偿器和可调谐低通滤波器，用于生成控制信号来调节延时/相位补偿器与可调谐低通滤波器。
8.根据权利要求1所述的可调谐带通滤波器，其特征在于，所述可调谐带通滤波器采用硅材料制作。
9.根据权利要求7所述的可调谐带通滤波器，其特征在于，还包括集成的模数转换器、数模转换器、信号发生器、控制单元与射频开关；当检测到所述低通滤波器带宽调节完成时，所述控制单元利用数模转换器或信号发生器产生两个扫频信号；所述射频开关将所述扫频信号分别馈入到两个所述低通滤波器；所述扫频信号经低通滤波器处理后通过其它射频开关输入所述模数转换器进行采样，所述控制单元利用各个低通滤波器前后扫频信号时延与相位变化对所述延时/相位补偿器进行实时在线补偿，其中，所述扫频信号的扫描频率范围大于所述低通滤波器的工作带宽。
10.一种无线电接收机，其特征在于，用于接收无线信号，包括：
混频器，用于将高频信号变频到低频信号；以及
耦合到所述混频器的可调谐带通滤波器，用于滤除所述低频信号带通外的高频成分和低频成分，所述可调谐带通滤波器包括权利要求1至9中任意一项。
11.一种操作可调谐带通滤波器的方法，其特征在于，包括：采用权利要求1至8中任意一项所述的可调谐带通滤波器；其中，利用延时/相位补偿器调节至少一路信号使得两路信号在重叠工作频率范围内绝对群时延相同和相位相近；改变所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器各自对应的截止频率来调节带通滤波器的工作带宽和中心频率；促使所述第一可调谐低通滤波器与第二可调谐低通滤波器的信号在重叠工作频率范围内相互抵消合成一路输出信号。
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