CN1639904A - 用于微带滤波器的谐振器以及耦合方法和装置 - Google Patents

Abstract

用来给HTS微带滤波器中的谐振器之间提供适当耦合的方法和装置被公开。本发明在一对谐振器之间使用了主耦合和次耦合。给定一定的间隔，主耦合就被确定，而次耦合却可以具有不同的大小。此外，次耦合可以具有与主耦合相同或相反的相位。通过不同的组合，可以在不使用非常小或非常大的谐振器间隔的情况下获得或大或小的滤波器带宽。同样的交叉耦合方式既可以被设计成正的结果也可以被设计成负的结果。

Description

用于微带滤波器的谐振器 以及耦合方法和装置

技术领域

本发明涉及滤波器领域。更确切的，它涉及微波波段滤波器领域。更确切一些，它涉及的领域为极窄波段、微带、超导带通滤波器。

背景技术

窄带滤波器在通信工业中，尤其是使用了微波信号的无线通信系统中特别有用。有时，无线通信中会有两个或更多的服务供应商在同一地区的不同波段中进行工作。在这样的情况下，一个供应商的信号与另外供应商的信号互不干扰就非常重要。同时，在所分配的频率范围内的信号吞吐量的损失必须很小。

在分配给单个供应商的频率中，通信系统20最好能够处理多个信号。可以实现这一点的系统包括频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及宽带CDMA(b-CDMA)。使用前两种方法的供应商需要用滤波器来把他们所分配的频率分成多个频带。可替换的，CDMA操作者同样也会从分割频率中获益。在这种情况下，滤波器的带宽越窄，通道的放置就可以越接近。所以，人们一直在致力于制作极窄带宽的滤波器，其分数带宽(fractional-bandwidth)最好小于0.05％。

对于电信号滤波器需要考虑的另一问题就是总体的尺寸。例如，随着无线通信技术的发展，蜂窝的大小(例如一个基站所工作的区域)会越来越小——也许仅仅覆盖一个街区甚至一座建筑。这样，基站供应商就必须购买或者租借用于基站的空间。由于每个基站都需要很多分立的滤波器，所以滤波器的尺寸在这种情况中就特别重要。所以就希望减小滤波器的尺寸，同时又使得滤波器具有极窄的分数带宽和高的品质因数Q。

微带滤波器的优点在于小尺寸和低制造成本。然而，用传统金属制造的微带天线会比使用其它技术(例如波导、介质谐振器、梳状线等)带来更多的损耗，这在极窄带宽滤波器中尤为明显。通过高温超导(“HTS”)薄膜技术，使用了HTS材料的微带滤波器可以实现极低的损耗和优越的性能。所以，HTS微带滤波器的使用对极窄带滤波器非常有用。

当使用微带技术来设计窄带带通滤波器时，谐振器之间的距离通常决定了谐振器之间的耦合量。当距离增大，耦合就会减小，所以带宽就会变窄。对于极窄带滤波器，谐振器之间的距离可能会相当可观。现有技术已经开发出减小所需距离的技术。例如，一个集总元件类型谐振器环境(参见Zhang等人，美国专利申请08/706,974，以及Ye，美国专利申请09/699,783)；以及一个分布元件类型谐振器环境(参见Tsuzuki等人，美国临时申请60/298,339)，它们都被转让给本发明的受让人。这些技术都在各自的环境中表明它们可以被用来有效的减小极窄带滤波器中谐振器之间的距离。然而，当所需的滤波器带宽变大，这些技术就不那么有效了(使用相同的结构)。如果需要更宽的带宽，就必须减小谐振器之间的距离。在某些情况下，从制造的观点来看，也就是从光刻、灵敏度、产量等观点来看，这些间隔有可能就太小了。

一般还都知道，要实现高的滤波器抑制效果同时保持使用少量的谐振器，可以用非相邻谐振器之间的耦合来实现传输零点。例如，参见提交于1999年4月2号，序列号09/285350的“微带交叉耦合控制装置和方法(MICROSTRIP CROSS-COUPLING CONTROLAPPARATUS AND METHOD)”，该申请被共同转让给本申请的受让人。该申请被包含在本申请中，且被本申请的一部分所参考。这些传输零点可以被放置在一些关键位置以实现最优滤波器性能。除了实际的交叉耦合值以外，传输零点的准确位置还会依赖于这些交叉耦合的相位，也就是说是正的交叉耦合还是负的交叉耦合。所以，可以利用交叉耦合来改善滤波器的性能。

所以，就需要使得极窄带宽滤波器在拥有微带滤波器制造方便的优点的同时，能够在一个小的滤波器中实现适当的耦合。此外，所述的适当耦合还应该利用非相邻谐振器之间的交叉耦合来引入传输零点，从而优化滤波器的传输响应。

发明内容

本发明中的方法和装置能够在HTS微带滤波器的谐振器之间提供合适的耦合。本发明在一对谐振器之间使用了主耦合和次耦合的思想。给定谐振器之间的距离，主耦合就被固定，而次耦合可以具有不同的大小。此外，次耦合的相位可以与主耦合相同或相反。通过不同的组合，就可以实现带宽或大或小的滤波器，而同时又不会使得相邻滤波器之间的距离过小或过大。使用相同的交叉耦合方式既可以实现正的结果也可以实现负的结果。

本发明的一个特征在于谐振器的两个端可从该谐振器的同一边接入。由于谐振器中流有电流，所以将谐振器的两个端都朝向同一边就可以使主耦合和次耦合能够通过相对简单的设计改变而彼此相加或相减。本发明的另一个特征在于，配置该谐振器的第一端使得它对相邻谐振器的接口比该谐振器的第二端大很多。谐振器之间的主耦合一般对应了该谐振器与相邻谐振器之间的第一较大的接口端。次耦合一般对应了该谐振器与相邻谐振器之间的第二稍小的接口端，但次耦合也可以受到附加耦合带的辅助。

所以，根据本发明的一个方面，本发明提供了用于电信号滤波器中的谐振装置，所述装置包括：一个具有第一端和第二端的第一谐振装置；一个第二谐振装置；以及其中第一端和第二端被安排和配置在第一谐振器的同一边，且靠近第二谐振器，以及其中第一端到第二谐振器的距离形成了第一谐振器和第二谐振器之间的主耦合，而第二端的距离和长度形成了第一谐振器和第二谐振器之间的次耦合，这样，第一谐振器和第二谐振器之间的总距离就可以通过控制主耦合或次耦合来得到优化。

根据本发明的又一方面，本发明提供了与前文对应的下述附加特征：其中第一和第二谐振装置都按照HTS微带的方式来构建；其中的安排和设置使得第一端对第二谐振器所提供的接口比第二端的要大很多；还包括一个将第二端耦合到第二谐振器的耦合带；以及/或其中的微带结构包括由MgO、LaAlO₃、Al₂O₃或YSZ所构成的介质衬底。

根据本发明的又一方面，本发明提供了用于电信号的滤波器，该滤波器包括：多个谐振器，其中至少一个谐振器具有第一端和第二端；以及其中第一端和第二端被安排和配置在所述至少一个第一谐振器的同一边，且靠近第二谐振器，以及其中第一端到第二谐振器的距离形成了所述至少一个第一谐振器和第二谐振器之间的主耦合，而第二端的距离和长度形成了所述至少一个第一谐振器和第二谐振器之间的次耦合，这样，所述至少一个第一谐振器和第二谐振器之间的总距离就可以通过控制主耦合或次耦合来得到优化。

根据本发明的又一方面，本发明提供了用于电信号的滤波器，该滤波器包括：第一谐振装置；第二谐振装置；第一和第二谐振器之间的耦合带；以及第一谐振装置和第二谐振装置在所述第一和第二谐振器之间具有一个主耦合和一个次耦合，其中第一和第二谐振器之间的总距离决定了主耦合，而耦合带与其与第一第二谐振器的重叠部分之间的距离决定了次耦合，从而，相邻谐振器之间的距离就可以通过控制主耦合或者控制次耦合来得到优化。

在本发明的一个附加方面中还提供了在包含了第一第二谐振器和耦合带的电信号滤波器中控制耦合的方法，该方法包括步骤：根据第一和第二谐振器之间所需要的距离来确定第一和第二谐振器之间的主耦合；以达到第一和第二谐振器之间所需要的总耦合为目标，确定所需的次耦合；以及确定耦合带到第一和第二谐振器的距离和长度，以达到所定的次耦合F2和主耦合F1，其中次耦合F2是S2a、S2b、L2a和L2b的函数，其中S2a被定义为耦合带与第一谐振器之间的距离，L2a是与第一谐振器相邻的耦合带的长度，S2b是耦合带和第二谐振器之间的距离，L2b是与第二谐振器相邻的耦合带的长度，其中第一谐振器和第二谐振器之间的总耦合F被定义为

F＝F1(S1)+F2(S2a，S2b，L2a，L2b)。

在与前文对应的本发明的又一方面中所提供的一个附加步骤在于，提供至少一个非相邻谐振装置以及在第一谐振器和所述至少一个非相邻谐振装置之间提供一个耦合带。

附于本文且作为本文一部分的权利要求书将会更加明确指出本发明的这些和其它优点以及本发明的特征。然而，为了更好的理解本发明，以及理解使用它所能带来的好处和所能达到的目标，我们将会参考附图，并对本发明的优选实施例作出描述。

附图说明

附图中，作为附图标记的数字和字母在多个图中表示了20个元件：

图1a、1b和1c表示了三个不同的传统微带滤波器截面，其中的两个谐振器之间的耦合是由间隔“S”来决定的。

图2表示了一个微带滤波器截面，其中的两个谐振器之间的耦合是由间隔“S”来决定的。

图3表示了根据本发明原理的HTS微带滤波器的谐振器之间的第一间隔S1和第二间隔S2。

图4表示了根据本发明原理的可替换实施例中HTS微带滤波器的谐振器之间的第一间隔S1和第二间隔S2，其中间隔S2a、S2b以及长度L2a和L2b可以被调整以控制次耦合的量。

图5a、5b和5c表示了可以用来控制谐振器之间次耦合S2的一些方法的变化。

图6表示了一个应用了本发明原理的6极滤波器。

图7表示了对图6中6极滤波器进行测量所得到的响应。

具体实施方式

本发明的原理适用于对电信号的滤波。本发明的优选装置和方法能够对传输零点的位置进行控制，从而提供更大的边缘抑制以及优化滤波器的传输相应曲线。为了控制零点，本发明提供的装置能够增大或者减小谐振元件之间的耦合。本发明最好被用在通信系统中，更确切的，是用在无线通信系统中。然而，在使用了根据本发明原理所构建的滤波器的各种方式中，这只是一个示例。

本发明提供的方法和装置能够在HTS微带滤波器中的谐振器之间提供适当的耦合。本发明在一对谐振器之间使用了主耦合和次耦合。给定距离后，主耦合就固定了，但次耦合可以具有不同的大小。此外，次耦合可以具有与主耦合相同或者相反的相位。通过不同的组合，就可以获得具有或大或小带宽的滤波器，而同时又不需要在谐振器之间安排过小或者过大的距离。同样的交叉耦合样式既可以被设计来得到正的结果也可以得到负的结果。

首先看图1a、1b和1c，在这些图所表示的传统微带滤波器切面中，两个谐振器之间的耦合是由间隔大小“S”来决定的。通过改变间隔大小“S”，耦合就会增大或者减小，从而就会影响到带宽。图2也表示了现有技术的微带滤波器切面。在该图中，两个谐振器之间的耦合也是由间隔大小“S”来决定的。然而，图2中的耦合与图1中的耦合是不同的，这是因为对于相同的间隔大小“S”，由细长的叉指电容所组成的串联电容的值可以使得两个谐振器之间的耦合量被有效的减小。

现在来看图3，该图表示了根据本法明原理来安排和配置的两个相邻的谐振器。第一谐振器10与第二谐振器11之间的耦合由两部分组成。由间隔大小S1i所控制的耦合的第一部分是主耦合。由间隔大小S2和长度L所控制的耦合的第二部分是次耦合。两个谐振器之间总的耦合是第一耦合部分和第二耦合部分的组合。然而，通过固定S2和L而调整S1将会直接影响谐振器的长度，也就影响了谐振频率。对S2和L也是如此。

在图4所示的另一实施例中，调整S1和/或S2以及L不会改变谐振器的长度(也就不改变谐振频率)。这里，第一和第二谐振器被分别标记为20和21。与图3相似，两个谐振器20、21之间的耦合是由两部分组成的。与图3中一样，作为主耦合的第一部分是由S1所控制的。然而，作为次耦合的第二部分是通过耦合带23来实现的。通过调整间隔S2a、S2b以及长度L2a和L2b，次耦合的大小就可以在一个很宽的范围内改变，而同时又不会影响到两个谐振器的物理结构。

我们可以用图4作为例子来阐述与设计谐振器的主次耦合相关问题。在不改变谐振器的情况下，主耦合F1是S1的一个函数，而第二耦合F2是S2a、S2b、L2a和L2b的函数。谐振器1和谐振器2之间的总耦合就是：

F＝F1(S1)+F2(S2a，S2b，L2a，L2b)                     (1)

作为一个谐振器，流向该谐振器两端的电流总是方向相反的。例如在图4中，如果电流流向谐振器1的A，那么电流一定会同时从谐振器1的B流出。在两端的电荷积累也是这样。也就是说，在任何时刻，A和B就具有不同符号的电荷。这是由谐振器尤其是微带线谐振器的特性所决定的。

所以，F1(S1)和F2(S2a，S2b，L2a，L2b)将具有不同的符号。根据F1和F2的相对大小，谐振器1和谐振器2之间的总耦合的符号将会与F1或F2相同。

例如，

F≈F1(S1)，对于|F2|＜＜|F1|                         (2)

F＝0，对于|F2|＝|F1|                                (3)

以及

F＝sign(F2)|F1|，对于|F2|＝2|F1|                    (4)

由于两个谐振器之间存在很多可能的耦合，尤其是能够改变耦合的符号，所以就可以在滤波器设计方面提供很多的可能性。

对于窄带滤波器设计，可以通过使用|F2|＝|F1|时本发明的耦合消除特性(例如上述方程(3)所表示的情形)来避免大的谐振器间隔。此外，通过调整方程(1)中的耦合值，就可以获得谐振器之间的均匀间隔。更具体的，如果固定S1，也就是固定F1，就可以通过改变F2，也就是改变S2a、S2b、L2a以及L2b，来获得不同的F。

本发明的另一个重要应用在于可以在不改变两谐振器之间距离的情况下改变两谐振器之间的耦合符号或相位。从方程(2)和(4)出发，当S1被选定，且假设F1是正耦合时：

F^*＝F1-|F2|如果F^*＞0，且F1＞|F2|                 (5)

或

F^*＝-|F2|+F1如果F^*＜0，且|F2|＞F1                (6)

其中F^*是期望的耦合，且|F^*|＜F1。

滤波器设计中的一个挑战在于实现非相邻谐振器之间正的或负的交叉耦合。通过根据本发明来改变耦合的符号，就可以很容易的通过控制非相邻谐振器之间类似的交叉耦合结构来实现正的或者负的耦合。

现在参考图5a、5b以及5c，这些图中表示了多个谐振器的变形以及被用来建立次耦合的耦合带。在图5a中，谐振器51与谐振器52相邻。谐振器51之间的间隔S1被标记在图5a中，且这是一个固定的距离。与图4(例如，S2a、S2b、L2a以及L2b)类似，耦合带53提供了次耦合S2。

对谐振器51和52的安排和配置使得能够从各个谐振器的同一边接入它们的两端。此外，对至少一个谐振器的安排和配置，这里是指对谐振器51的配置，会使得两端54和55朝向另一个谐振器52。谐振器51的第一端54对相邻谐振器52的接口比谐振器52第二端55的要大很多。主耦合就产生在谐振器51的第一或较大的接口端54与相邻谐振器52之间。次耦合就产生在谐振器51的第二或较小的接口端55与相邻谐振器52之间。在这种情况下，次耦合受到了耦合带53的辅助。主耦合最好既能够是容性也能够是感性，同样希望次耦合也是这样。

图5b表示了谐振器51’和52’，以及耦合带53’。在该图中，谐振器51’所包括的第一端54’和第二端55’处于谐振器51’的同一边且朝向第二谐振器52’。然而，谐振器52’的第一和第二端却没有被安排在谐振器52’的同一边(也就是与图5a中的第二谐振器52不同)。

图5c表示了谐振器51”和52”，以及耦合带53”。在该图中，谐振器51”所包括的第一端54”和第二端55”处于谐振器51”的同一边且朝向第二谐振器52”。谐振器52”的第一和第二端也没有被安排在谐振器52”的同一边(也就是与图5a中的第二谐振器52不同)。此外，在耦合带53”和第一谐振器51”和第二谐振器52”之间构成一个叉指电容。

图6表示了包含了本发明原理的一个6极滤波器。谐振器1和谐振器3之间的交叉耦合带61的类型与谐振器4和谐振器6之间的交叉耦合带62是相似的。然而，由于谐振器2与谐振器3之间通过交叉耦合带63所形成的不同耦合，以及由于谐振器4和谐振器5之间通过交叉耦合带64所形成的不同耦合，交叉耦合61和62所带来的实际耦合具有相反的符号：一个是正的，另一个是负的。如图7所示，传输零点71是通过谐振器1和3之间61和63所带来的负交叉耦合而形成的，而传输零点72是通过谐振器4和6之间62和64所带来的正交叉耦合而形成的。

熟悉技术的人都很清楚，本交叉耦合形式的原理也可以被用在使用了其它类型滤波器构建方法的情况中。例如，这里所述的谐振器还可以与其它类型的谐振器一起来实现所需的响应形状、滤波器性能、形式、成本等。本发明的原理最好还可以用于控制非相邻谐振装置之间的交叉耦合以提高滤波器性能。

需要理解的是，尽管前面的描述已经说明了本发明的许多特征和优点以及本发明具体的结构和功能，但本公开仅仅是示例性的，也就是说在细节上还可以有很多改变。熟悉技术的人都知道其它的一些修改和替换，这些修改和替换包含在所附权利要求书的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于电信号滤波器中的谐振装置，包括：

a.一个具有第一端和第二端的第一谐振装置；

b.一个第二谐振装置；以及

c.其中第一端和第二端被安排和配置在第一谐振器的同一边，且靠近第二谐振器，以及其中第一端到第二谐振器的距离形成了第一谐振器和第二谐振器之间的主耦合，而第二端的距离和长度形成了第一谐振器和第二谐振器之间的次耦合，这样，第一谐振器和第二谐振器之间的总距离就可以通过控制主耦合或次耦合来得到优化。

2.权利要求1中的谐振装置，其中第一和第二谐振装置都按照HTS微带配置来构建。

3.权利要求1中的谐振装置，其中安排和设置第一端使其提供的到第二谐振器的接口比第二端的显著较大。

4.权利要求1中的谐振装置，还包括一个将第二端耦合到第二谐振器的耦合带。

5.权利要求4中的谐振装置，其中主耦合F1是第一和第二谐振器之间距离S1的函数，次耦合F2是S2a、S2b、L2a和L2b的函数，其中S2a是耦合带与第一谐振器之间的距离，L2a是与第一谐振器相邻的耦合带的长度，S2b是耦合带和第二谐振器之间的距离，L2b是与第二谐振器相邻的耦合带的耦合带的长度，其中第一谐振器和第二谐振器之间的总耦合F被定义为：

F＝F1(S1)+F2(S2a，S2b，L2a，L2b)。

6.权利要求1中的谐振装置，其中主耦合既可以是容性也可以是感性，以及次耦合既可以是容性也可以是感性。

7.权利要求1中的谐振装置，其中主耦合既可以是容性也可以是感性。

8.权利要求1中的谐振装置，其中次耦合既可以是容性也可以是感性。

9.权利要求1中的谐振装置，还包括至少一个非相邻谐振装置，以及位于第一谐振器和所述至少一个非相邻谐振装置之间的耦合带。

10.权利要求2中的谐振装置，其中微带的结构包括由MgO、LaAlO₃、Al₂O₃或YSZ所构成的电介质衬底。

11.一种用于电信号的滤波器，包括

a.多个谐振器，其中至少一个谐振器具有第一端和第二端；以及

b.其中第一端和第二端被安排和配置在所述至少一个第一谐振器的同一边，且靠近第二谐振器，以及其中第一端到第二谐振器的距离形成了所述至少第一谐振器和第二谐振器之间的主耦合，而第二端的距离和长度形成了所述至少第一谐振器和第二谐振器之间的次耦合，这样，所述至少第一谐振器和第二谐振器之间的总距离就可以通过控制主耦合或次耦合来得到优化。

12.一种用于电信号的滤波器，包括：

a.一个第一谐振装置；

b.一个第二谐振装置；

c.第一和第二谐振器之间的一个耦合带；以及

d.所述第一谐振装置和第二谐振装置具有一个主耦合和一个次耦合在所述第一和第二谐振器之间，其中第一和第二谐振器之间的总距离决定了主耦合，而耦合带与其与第一第二谐振器的重叠部分之间距离决定了次耦合，从而，相邻谐振器之间的距离就可以通过控制主耦合或者控制次耦合来得到优化。

13.一种在包含了第一第二谐振器和耦合带的电信号滤波器中控制耦合的方法，包括步骤：

a.根据第一和第二谐振器之间所需距离来确定第一和第二谐振器之间的主耦合；

b.为达到第一和第二谐振器之间所需要的总耦合，确定所需的次耦合；以及

c.确定耦合带到第一和第二谐振器的距离和长度，以达到所确定的次耦合F2和主耦合F1，其中次耦合F2是S2a、S2b、L2a和L2b的函数，其中S2a被定义为耦合带与第一谐振器之间的距离，L2a是与第一谐振器相邻的耦合带的长度，S2b是耦合带和第二谐振器之间的距离，L2b是与第二谐振器相邻的耦合带的长度，其中第一谐振器和第二谐振器之间的总耦合F被定义为

F＝F1(S1)+F2(S2a，S2b，L2a，L2b)。

14.权利要求13中的方法，还包括放置至少一个非相邻谐振装置以及在第一谐振器和所述至少一个非相邻谐振装置之间放置一个耦合带。

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