CN1305172C - 用于射频信号的带通滤波器及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

一种用于一射频信号的带通滤波器包括一个输入部分(12，13)，用于一个将被滤波的信号，一个输出部分(16，18)，用于滤过的信号，以及至少一个谐振器(15)，被电磁或者直接耦合到输入和输出部分(12，13；16，18)。所述谐振器(15)具有一个相对于一信号传播方向二元旋转对称和/或镜像对称的外形，适合于通过地将被滤波的信号施加到所述输入部分而被激励为一个具有相同类型对称的振荡。

Description

用于射频信号的带通 滤波器及其调谐方法

技术领域

本发明涉及一种用于一射频信号的带通滤波器，特别是用于微带技术中，以及一种用于对这样一种滤波器的传输频带进行调谐的方法。这种类型的滤波器可从许多文献中了解，其中的US-5 825 263和US-5 786 303在此被引用为例子。

背景技术

在US-5 825 263中被描述为现有技术的这种类型的传统滤波器，由若干导体部分形成，这些导体部分具有在交错布局中构造在一衬底上的λ/4或者λ/2长度，其中邻近的部分彼此重叠λ/4的长度，λ是相当于所述滤波器的通带的中心频率的波长。

图1示出这样一种滤波器：其具有长度为λ/4的连接到信号线的一个输入部分1和一个输出部分3，以及两者之间的长度为λ/2的谐振器部分2。

该滤波器的操作原理基于这样的事实：所述谐振器部分2被一个施加于输入部分1的射频信号连续地激励以便在其基谐模式中振动，并具有一个两倍于谐振器部分2的长度的波长λ。这些振荡又感应输出部分3中的滤过信号。

在这些部分的流动的电流感应所述部分周围的电磁场。而衬底平面内的这些电磁场是必需的，以便激励邻近的部分，该衬底平面外面的电磁场中包含的能量损失了。这导致滤波器的大量损失，除非提供一屏蔽将辐射到该衬底平面外的电磁场反射回到这些部分。

然而，该屏蔽没有完全满意的解决该损失问题。这些部分和屏蔽之间的距离不能为零。结果，在这些部分中的电流与由所述屏蔽反射给这些部分的所述电磁场的电流之间不可避免的存在一相移。这导致所述滤波器的传输频率的位移，其取决于所述部分与所述屏蔽之间的距离以及两者之间材料的介电常数。为此，很难产生图1中所示的具有精确预定的所要求传输频率的这类射频滤波器，如果需要一个具有精确指定的传输频率的滤波器，仅有的实际可能性是从大量已经完成的由于制造散射而具有不同中心频率的滤波器中选择，它们刚好具有该期望值。

为了解决该过量的辐射出衬底平面的问题，US-A-5 825 263中建议了一种滤波器方案，其本质上由两对滤波器形成，每个都是由类似于图1中所示的交错的谐振器部分形成。其中一个滤波器是另一个滤波器的一个镜像图像。该滤波器对的两输入端被提供了一个平衡输入信号，以便在该滤波器的相应部分电流一直是反方向流动。由这些电流辐射的电磁场在两个滤波器之间对称平面上抵消了因此减少了垂直于该衬底平面上的辐射。

为了运行这样一种具有一个不平衡信号的滤波器方案，必须提供单独的滤波器的一个平衡--不平衡转换器上游和下游，分别用于将该不对称信号变换为一个对称的平衡信号，并将该滤波的平衡信号返回为一个不对称的信号。因此，现有技术中的滤波器方案在制造方面很昂贵，并且要求一个大衬底表面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于射频信号的滤波器，具有小的辐射损失同时具有简单的节省空间的结构。

该目的可由这样一种带通滤波器来实现，该带通滤波器具有：一个输入部分，用于将被滤波的一信号，一个输出部分，用于滤过的信号，以及至少一个谐振器，被电磁或直接耦合到馈送和输出部分，其特征在于，所述谐振器具有一个相对于一信号传播平面二元旋转对称的外形，适合于通过将所述将被滤波的信号施加到所述输入部分而被激励为一个具有相同的对称性的振荡。

上述目的还可由这样一种带通滤波器来实现，该带通滤波器具有：一个输入部分，用于一个将被滤波的信号，一个输出部分，用于滤过的信号，以及至少一个谐振器，被电磁或者直接耦合到馈送和输出部分，其特征在于，所述谐振器具有一个相对于一信号传播方向镜像对称的外形，适合于通过将所述将被滤波的信号施加到所述输入部分而被激励为一个具有相同的对称性的振荡。

通过所述具有二元(旋转或者镜像)对称性并且可以由被滤波为具有相同对称性的谐振的信号所激励，实现了所述谐振器激励的电流在所述谐振器中从所述对称操作的一个定点对称地散播开。因此具有相同振幅和相反极性的电流总是在谐振器内的距离对称平面的对称中心(如果所述二元对称操作是一镜像反射)或者对称轴(如果所述对称操作是180°旋转)相等距离的相对侧存在，而其辐射场在该对称平面或者轴上抵消。实现这些效果无需在之前不得不使用一个平衡-不平衡转换器将一个不对称信号转换成为一个平衡信号。

根据第一最佳实施例，所述带通滤波器包括至少两个谐振器，其中一个是直接耦合到输入部分而另一个是直接耦合到输出部分。在所述两个谐振器之间可以进一步提供谐振器。最好是，所有这些谐振器是关于同一镜平面对称的。

根据第二最佳实施例，所述输入部分和输出部分每个均包括一个发射电极，用于激励谐振器；一个输入导体，与所述发射电极和/或一个由所述谐振器的谐振激励的接收电极相连接；以及一个连接到所述接收电极的输出导体。

电极和谐振器最好是不直接耦合，以便仅仅可能是电容或者磁耦合中的一种。

可以通过使所述电极同时是谐振器将所述两个实施例结合起来。

输入和/或输出导体最好分别以与所述输入与输出电极成直角的方向延伸。通过所述输入与输出导体的这种方案，防止了由所述导体产生的场对相应电极中的电流分布的影响。

最好是，所有这些谐振器对于所述对称平面具有相同的横向延伸。该延伸与所述谐振器的谐振频率的整个波长λ一致。

该特征，更具体地说是所述谐振器的完全一致助于将本发明的带通滤波器调谐到一个期望的谐振频率，这在稍后将更加明显。

最好是，这些谐振器关于所述对称平面横向延长。这样一种外形允许非常低损耗的耦合。考虑到可用空间，人们可能还考虑到所述电极和所述谐振器的角度或者曲线形状，然而在镜象对称性的情况下，则必须接受所述辐射场在所述对称平面内不再被完全抵消。

在一个制造特别简单并且低损耗的带通滤波器的实施例中，每个谐振器具有一个垂直于对称平面的恒定横截面面积。

另外，每个谐振器在对称平面与它的每个纵向末端之间的一部分中具有一收缩。该特征有下列好处，即相对于上述的比较方案，所述谐振器以恒定谐振频率垂直于所述对称平面的延伸被缩短了，因此用于所述带通滤波器的需要面积可以被减少。

由于该低辐射，本发明的带通滤波器还可以不用屏蔽封装所述谐振器来使用，和/或它的传输行为对屏蔽以及对滤波器与屏蔽之间采用材料的介电常数依赖很少。因此在维持它的对称性的同时，在将其结构构造到一个预定的期望传输频带后，可以通过从谐振器中除去材料来调谐这样一种滤波器。执行这样一种移除的一种实际方式是激光烧蚀。

附图说明

本发明的其它特征和优点将通过参照附图说明对给定的实施例的描述而变得清楚。

图1已经论述了，是一种传统带通滤波器的示意性表示。

图.2是根据本发明的第一实施例的一种带通滤波器的透视图；

图.3示意地图解了图2中的滤波器的谐振器中感应的电流分布2；

图4A、4B、5和6是根据本发明的第二至第五实施例的滤波器的俯视图。

图7以透视图示出对第五实施例的一种修改；

图8A、8B、8C是第六至第八实施例的俯视图；

图9示出根据图1的一传统的滤波器和根据图2的本发明的滤波器在各种信号频率时的辐射率；

图10A和10B示出图2的滤波器的反射特性；

图11A、11B示出图2的滤波器的传输特性；以及

图12、13是根据本发明的方法的第一和第二实施例的在调谐期间的一个滤波器的视图。

具体实施方式

图2是一种根据本发明的滤波器的透视图。在一个由氧化铝(Al₂O₃)制成的、厚度为254μm的陶瓷衬底10上，其传导部分是用黄金采用微带技术形成的。该黄金层的厚度是3μm。在该陶瓷衬底10底部淀积了连续的金属化层。

处于衬底10的上端的构造的导电层包括一个用于安被过滤的射频信号的输入导体12，与一个笔直延长的发射电极13直角会合。该输入导体12与发射电极13的连接点14刚好在发射电极13的中间，在所述发射电极13的一个镜像对称平面上，在图中由虚线S指示出。

所述射频信号从连接点14输入到发射电极13，沿所述发射电极13的纵向对称地向两个方向传播。由在所述对称平面两边流动的、相同振幅和相反极性的电流感应的电磁场在所述对称平面上抵消，并且在所述对称平面附近具有一低电平，与图1中滤波器相比，从实质上减弱了垂直于所述发射电极的辐射。

所述发射电极13由所述输入射频信号被激励到一个频率，其波长相当于所述电极13的纵向延伸。所述电极13还具有该频率一半的谐振，然而该谐振的电流当在所述对称平面反射时改变了极性，因此具有较少的对称性，由它感应的场在所述对称平面上没有彼此补偿。在本发明的结构中，不期望该谐振，并且通过将所述信号对称地馈给发射电极13，它不被激励。

一个作为类似发射电极13的谐振器并被称为非连接谐振器15的导体元件，它也具有一个笔直的延长外形，在所述陶瓷衬底10上与发射电极13并行排列。所述谐振器15与发射电极13不是直接耦合，但具有相同的外形，并且也具有相对于同一对称平面S的镜像对称性。它适合于被由所述平面衬底10中的发射电极13辐射的场电容地和磁性地激励到与所述发射电极13相同的电振荡。正如所述发射电极13一样，所述非连接谐振器15可以以两倍于它的长度的波长谐振，但是由于发射电极13中的对称电流分配，没有激励这样一种谐振。

在所述不连接的谐振器15的远离所述发射电极13的一侧设置了一个接收电极16。它在中央连接点17与输出导体18连接。所述接收电极16和输出导体18的外形是输入导体12以及发射电极13的接收电极和输出导体的镜像图像。由不连接的谐振器15中的电流电容和磁性激励的电流形成所述滤波器的输出信号。

图3示意地示出谐振器15中感应的电流分布。在所述谐振器的外端和所述对称平面S上，电流强度消失了；最大强度地带19分别位于所述谐振器面向电极13和16的纵向侧面，在它的外端和所述对称平面S之间的中间位置。在所述对称平面S相对侧的电流总是方向相反，如箭头P所示。

图4A是本发明的滤波器的第二实施例的俯视图，其中没有示出衬底。两个谐振器15被分别一个接一个地布置在发送和接收电极13和16之间。该滤波器具有比图2中的滤波器更窄的频带宽度，在其他方面工作原理是相同的。谐振器的数目还可以选择大于两个。

非连接谐振器的数目还可以是0，在图4B示出的情况下，该滤波器的效果仅依赖发送和接收电极13、16的谐振。

图5所示滤波器不同于图2中的滤波器，因为该输入导体12与该发射电极13不成直角相遇。这类或者另一种非对称类型的输入/输出导体的一种方案由于缺乏空间而可能变得必需。在这种情况下，在图2所示滤波器中，以下情况不会被排除：由于发射电极13中的电流分布的对称性的小扰动，该谐振器15被激励从而以一个等于两倍于该谐振器长度的波长调谐，结果得到该滤波器在一个只有所要求的传输频率的一半的频率范围中的传输。为了防止谐振器15的这样一种谐振，在图5的实施例中，该谐振器在对称平面S处被断开。在所需要的传输频带中，该滤波器的传输行为没有受这一点的影响，因为如图3所示，由于该谐振器的对称激励，没有电流在该对称平面流动。

与至此所说明的其中的电极13、16的横截面面积和谐振器15的横截面面积在它们的纵向是恒定的实施例对比，图6示出一个实施例，其中电极13、16的宽度以及谐振器15的宽度在它们的纵向不同。具体地说，该电极13、16和谐振器15，每个在对称平面上、它们的末端具有加宽部分20，而在两者之间具有收缩部分21。通过在高电流强度区域内收缩电极和谐振器，对于一恒定谐振频率，该谐振器中激励得到的振荡的波长可以被减小，借此该滤波器需要的面积也被减少了。

相同的结果可以用图7的修改过的实施例实现，其中减少的横截面部分21是通过减少电极13、16的导体部分的厚度以及谐振器15的厚度来形成的。例如，这些部分可以通过短时间的蚀刻或者激光切除部分21从具有一恒定厚度的导体部分开始形成。

如图8A所示，本发明不局限于笔直的电极和谐振器。举例来说，如这里所示，该电极和该谐振器的外形也可能是一正弦波或者一锯齿形的外形。对于由本发明实现的辐射减少，很明确的是每个电极和谐振器都具有180°旋转对称性或者如这里所示的反对称性。

图8B示出图2的另一修改，其中该电极13，16是具有一个垂直于该信号传播方向即垂直于该对称平面S的微小扩展的紧凑的导体部分。在该实施例中，该滤波效应仅依赖于该非连接谐振器15的谐振，而不激励电极13、16的谐振。

如图8C所示，电极13、16可以完全省去，而输入导体12和输出导体18被直接地连接到谐振器15’，其中图2的滤波器的组件13、15、16的特性被组合在一起。然而除在谐振器15’的谐振频率的传输带之外，该滤波器还具有一个在低频部分的传输范围。

可以用具有图2中所示设计的滤波器实现的辐射减少的程度，与图1中的传统的滤波器的比较在图9被定量的显示出。图9的图表的纵座标指示了滤波器传输频率，而该横坐标以百分比给出相应的辐射效率。该辐射效率是由发射电极辐射的功率与有效进入该谐振器的功率之间的比例。它越高，由该滤波器辐射的无用信号的比例就越高；因此它应该尽可能的低。该辐射频率用本发明的滤波器达到15％，因此小于用传统的滤波器时的一半，所述传统滤波器的辐射效率介于范围35-40％之间。

图10A、10B示出根据图2的一滤波器的反射率，该滤波器具有一个在大约27.6至27.5千兆赫的传输频带，用于各种频率刻度；相同的滤波器的传输特性在图11A、11B中被示出。

因为根据本发明的所述滤波器的辐射很低，因此不再必需一个用于所述滤波器的可操作性的屏蔽，而且该滤波器对其环境中的介电性质极其不敏感。这改善了该滤波器的可靠性并且减少了它的成本。

由此而来的进一步的有益效果是可以很容易的在该滤波器的中心频率调谐。在批量生产制造的滤波器的中心频率中存在相当多的散射。如果这些滤波器被用于一个应用场合中，其中该应用场合中该传输频率被预定具有窄的公差，这可能使得不一定能使用该系列中的所有滤波器。因为本发明的滤波器不必被屏蔽，因此很容易对中心频率超过规格限制之外的滤波器进行后处理。

如果一个滤波器的传输频率低于规格，该后处理就是除去电极13、16和谐振器15的端部的材料。图12示出一种通过一激光束23烧蚀进行的后处理，该激光束23被沿着在相对于该滤波器的对称平面S对称放置的轨道T1、T2引导，从而将所有电极和谐振器切割为相同的长度。

如果一个完成的滤波器的中心频率超过规格，则可以在其电极和谐振器的末端与对称平面S之间的所述电极和谐振器的区域内执行材料的烧蚀，从而得到图7中所示的滤波器。

因为根据本发明的滤波器的中心频率仅仅微小地取决于它的直接环境的介电性质，因此也可以在后来接收一个屏蔽的滤波器上实施一种如图12和13所示的后处理。

Claims (18)

1.一种用于射频信号的带通滤波器，具有用于将被滤波的信号的一个输入部分(12)，用于滤波过的信号的一个输出部分(18)，以及以电磁方式被耦合到或者直接耦合到输入和输出部分(12；18)的至少一个谐振器(13，16，15，15’)，其特征在于，所述谐振器(13，16，15，15’)具有一相对于信号传播平面有二元旋转对称的外形，适合于通过将所述将被滤波的信号施加到所述输入部分而被激励为一具有相同对称性的振荡，其中，每个谐振器(13，15，16)是一个在一衬底(10)上沉积的微带导体。

2.一种用于射频信号的带通滤波器，具有用于一个将被滤波的信号的一个输入部分(12)，用于滤波过的信号的一个输出部分(18)，以及以电磁方式被耦合到或者直接耦合到输入和输出部分(12；18)的至少一个谐振器(13，16，15，15’)，其特征在于，所述谐振器(13，16，15，15’)具有一个相对于信号传播方向为镜像对称的外形，适合于通过将所述将被滤波的信号施加到所述输入部分而被激励为一种具有相同对称性的振荡，其中，每个谐振器(13，15，16)是一个在一衬底(10)上沉积的微带导体。

3.如权利要求1或2所述的带通滤波器，其特征在于，它包括至少两个谐振器(13，16)，其中一个被直接耦合到所述输入部分(12)而另一个被直接耦合到所述输出部分(18)。

4.如权利要求2或3所述的带通滤波器，其特征在于，所述至少两个谐振器(13，16，15)相对于所述相同对称平面(S)是对称的。

5.如权利要求1或2所述的带通滤波器，其特征在于，所述输入部分(12，13)和/或输出部分(16，18)的每一个分别包括一个输入导体(12)和一个发射电极(13)，和/或一个输出导体(18)和一个接收电极(16)。

6.如权利要求5所述的带通滤波器，其特征在于，所述输入和/或输出导体(12，18)分别相对于发送或者接收电极(13，16)以直角延伸。

7.如权利要求2、5或6的其中之一所述的带通滤波器，其特征在于，所述发送和/或接收电极(13，16)分别与所述输入或输出导体(12，18)连接，用于在所述镜像对称操作的一定点(14，17)的射频信号。

8.如权利要求5、6或7所述的带通滤波器，其特征在于，所述电极(13，16)和所述谐振器(15)具有垂直于所述对称平面(S)的相同的延伸部分。

9.如权利要求5至8的其中任一所述的带通滤波器，其特征在于，所述电极(13，16)和所述谐振器(15)是相同的。

10.如前述权利要求的其中任一所述的带通滤波器，其特征在于，每个谐振器(13，15，16)具有细长的外形。

11.如权利要求2或10所述的带通滤波器，其特征在于，所述谐振器的纵轴垂直于所述对称平面(S)。

12.如权利要求10或11所述的带通滤波器，其特征在于，每个谐振器(13，15，16)在其纵向上具有恒定的横截面面积。

13.如权利要求10至12的其中任一所述的带通滤波器，其特征在于，每个谐振器(13，15，16)在所述对称平面(S)和它的每个纵向末端之间的区域中具有一个收缩部分(21)。

14.一种用于调谐根据前述权利要求的其中任一所述的带通滤波器的方法，其中，定义所述滤波器的一个期望的传输频带，检测所述带通滤波器的有效传输频带，并且如果所检测到的传输频带与所述期望的传输频带过于不同则从每个谐振器(13，15，16)除掉材料。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，如果所检测到的传输频带比所期望的传输频带有更低的频率，则在每个谐振器(13，15，16)的末端除去材料。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，如果所检测到的传输频带比所期望的传输频带有更高的频率，则在每个谐振器(13，15，16)的末端与所述对称平面(S)之间的一区域(21)中除去部分材料。

17.如权利要求14至16的其中任一所述的方法，其特征在于，用激光来进行所述去除。

18.根据前述权利要求的其中任一所述的滤波器的用途，用于对具有一中心频率的信号滤波，其波长相当于具有与所述谐振器相同的对称性的所述谐振器的谐振，所述谐振器(13，16，15，15’)具有一个相对于信号传播平面有二元对称的外形，适合于通过将被滤波的信号施加到所述输入部分而被激励为具有相同类型对称的振荡。

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