CN1774832A - 用于分配滤波器输出信号的设备 - Google Patents

Abstract

一种将无线电接收设备的天线滤波器的输出信号分成两个通路的设备，例如基站的两个平行低噪声放大器支路。分配器电路物理集成在谐振型天线滤波器(RXF)中。这通过将分配器的一些导体(332，333)放置在滤波器结构的一些导电部分或者谐振器壳体的内部，并且同时将输出谐振器的耦合导体(331)作为分配器输入线的部分来实现。分配器采用威尔金森分配器。由于这种设备，天线滤波器和分配器之间的传输线不是必须的了，并且相对于现有技术来讲，分配器介质损耗减少，在这种情况下低噪声放大器可以允许较低的噪声品质。

Description

用于分配滤波器输出信号的设备

本发明涉及一种把无线电接收机的天线滤波器的输出信号分成两个不同通路的设备。这种设备适于移动通信网络和卫星接收机基站的接收端使用，例如，其中低噪声放大器单元里包括了两个平行并定相的放大器支路。

在所有的无线电接收机中，天线后的第一个放大器在进入接收机时应该是低噪声的，因为放大器输入端的信号电平很低，而且放大器引起的附加噪声在以后的放大级中会被放大。这样一种低噪声的前置放大器常缩写为LNA。一些接收机所允许的最大值规定为LNA及其输入和输出电路的总噪声系数。传输通路中的损耗会引起信号衰减，这就会直接增加噪声系数一个同样数量。因此，例如，如果接收机的天线滤波器损耗很低，那么LNA的噪声系数会相应高一些。

图1是显示了一个接收机天线端部的普通结构的方框图。除了天线和可能的天线开关，该结构还包括一个天线滤波器和一个放大器单元AU。在图示的实施例中，天线滤波器RXF有两部分：从天线端开始，首先有一个带通滤波器110接着是一个低通滤波器120。这些滤波器可以组成一个机械集成结构。前者的天线频率分量在无线电系统的接收波段外，后者则会进一步净化在接收波段之上的区域。放大器单元AU有两个平行的放大器支路。从而，将从低通滤波器120来的信号E_in在分配器(divider)130中分成两个相等的部分E₁₁和E₂₁。第一分配信号E₁₁的相位在移相器140中改变了90度，又在第一LNA 150中得到了放大。移相器产生一个延迟信号E_lp，第一LNA产生信号E₁₂。第二分配信号E₂₁在第二LNA 160中得到放大，接着该信号的相位在第二移相器170中改变了90度，其产生信号E₂₂。接着，同相信号E₁₂和E₂₂在组合器180中求和，其输出信号E_out继续沿接收机的合成器传送。与单独的LNA相比，上述放大器单元的阻抗匹配会简单一些，尤其在朝向天线滤波器的时候。此外，可以得到更宽的动态线性区及更好的稳定性。另一方面，分配器、移相器和它们所需的附加线路会使信号衰减得更厉害，这将直接削弱放大器支路的噪声系数。

图2给出了根据图1在放大之前分配所接收信号的公知设备的实例。该设备包括一块电路板101，其下表面在图中不可见，该电路板101是导电的并且作为信号接地端GND使用。集成天线滤波器RXF包含谐振器，它的输出通过其端壁的连接器125和同轴电缆129相连，同轴电缆129的特性阻抗是50Ω。导电电缆外壳的两端都与信号接地端相连。电缆129作为传输线延伸到电路板101上，该电缆129包含一个设置在电路板上表面上的条形导体131，一个设置在下表面上的接地导体，以及两者之间的介电材料。传输线的尺寸配置到特性阻抗是50Ω。该传输线属于分配器130的输入线。分配器130是威尔金森(Wilkinson)型，这意味着把上述的输入线分成两根传输线，在工作频率下其长度是λ/4，特性阻抗是 $\sqrt{2}\·50\≈71\mathrm{\Ω}$ 。两根传输线支路的一个支路由电路板上表面的第一分配导体(division conductor)132、在下表面上的接地导体、和二者之间的介电材料构成，第二支路则相应由电路板的上表面上的第二分配导体133、在下表面上的接地导体、和二者之间的介电材料构成。大小为2·50＝100Ω的电阻器134将第一和第二分配导体的尾端连接在一起便形成威尔金森型分配器。在此种情况下，如果两根传输线支路都端接于50Ω的阻抗，则从滤波器输入的能量就对半划分，在理论上是没有损耗的。因此，尽管由电阻器134连接其间，但分配器并不消耗能量。只有向前传输通路发生匹配不足的情况时，电阻器134才会引起损耗。此外，实现了两个支路之间很好的隔离。图1中的移相器140采用四分之一波长的传输线，在图2中作为第一分离导体132的延伸的条形导体141是可以看到的。它端接于第一LNA 150的输入引脚。第二分配导体133则直接端接于第二LNA 160的输入引脚。

图2所示的设备有一个缺陷，就是在实际中会有损耗，电路板材料会引起分配器130和移相器140的介质损耗，前者损耗大小是0.2-0.5dB，后者是0.1-0.3dB。从滤波器到分配器的传输线129和它的连接器会引起更多损耗，损耗大小根据线路长度可达几十分贝。这些衰减会直接增加放大器单元的噪声系数一个同样数量。因此如果总的噪声系数必须尽可能保持得低，则对LNA本身的要求会相应变高。

本发明的目的就是要减少前述现有技术的缺点。这项发明所采用的设备的特征在独立权利要求1中有详细说明，并在其他权利要求中列出了发明的更多优选实施例。

本发明最基本的思想是：接收机的低噪声放大器单元的分配器电路被物理集成到一个谐振型的天线滤波器中。通过在滤波器结构的一些导体部分内部或谐振器腔体中放置一些分配器的导体，同时用输出谐振器的耦合导线作为分配器输入线路的一部分来实现上述目的。理论上可以采用无损耗的结构，像分配器作分配器。

这项发明的优点在于接收机低噪声放大器单元的损耗被降低了。这是由于在天线滤波器和分配器之间不必再用传输线，同时相比于现有技术来讲分配器的介质损耗降低了。损耗的降低就意味着放大器单元的噪声系数的改进，此种情况下它的两个LNA就可以容许劣质噪声品质，这进一步节省了放大器的成本。另外，本发明的优点还在于简化了放大器单元的结构，这样节省了制造的成本。

下面，将详细说明本发明。参照附图，其中：

图1是一个接收机天线部分普通结构的方框图，

图2是根据图1列出的用于分配接收信号的一种公知设备的实施例，

图3是根据本发明用于分配接收信号的设备的实施例，

图4是另一个根据本发明用于分配接收信号的设备的实施例，以及

图5a-f是根据本发明用于分配接收信号的设备的其它实施例。

图1和图2描述的现有技术在先前的部分已经讨论过了。

图3列举了一个根据本发明在放大之前用于分配接收信号的设备的实施例。图中示出了接收机天线滤波器的部分(其盖子被拿走了)。天线滤波器RXF是谐振型的，由串联的空气介电的同轴谐振器组成。整个滤波器的底部、侧壁和盖子组成了一个导电的滤波器壳体，里面间隙则被导电的分隔板隔成一些谐振器腔体。限定出单个谐振器的分隔板和滤波器的侧壁部分组成了所讨论的谐振器的外导体。腔体里面有谐振器的内导体，内导体在谐振器的底端被电流固定在底部，因此谐振器在其底端被缩小了。而在上端，每个谐振器都是电开路的，因而这些结构是作为四分之一波长的谐振器。图3显示了天线滤波器的输出谐振器，即从其中提取信号能量的谐振器。为了提取出能量，在其内导体321和外导体之间的间隙内，有一个设置在输出谐振器腔体内的导体元件331。在这个例子的情况中，是一个与以电流方式连接到谐振器底部的内导体并联的圆柱导体。当延伸在谐振器外面的导体同导体元件331的上端相连接时，由连接到滤波器壳体的该导体和接地导体形成的线路可以把高频场的能量从腔体内传输到外部负载。在此种情况下，两个导体连接到用于分配信号的导体元件331的上端、第一分配导体332和第二分配导体333。这些分配导体通过在输出谐振器的导电外壁322上形成放大而并行运行，每个导体周围都有一个圆柱型的介电块。导电分隔壁作用就相当于一个信号接地端GND。分配导体、导电分隔壁和它们之间的介电块组成了一个分隔线(division line)。壁的厚度，圆柱孔的直径，即介电圆柱体的直径和介电材料这样来选择，使得分隔线的电气长度是工作波段的四分之一波长，以及它们的特性阻抗是 Z₀是无线电频率传输通路的理想阻抗水平，例如50Ω。分配导体的末端与一个电阻器334连在一起，它的阻抗是2Z₀。上述导体元件331的位置和尺寸这样设置，使得从分配导体起端或者从谐振器腔体侧“看过去”的阻抗是Z₀。因而所述的结构与图2的分配器的原理一样用作威尔金森分配器。

分配导体也可以通过空气绝缘的方式来实施。这种导体因而具有很好的韧性和紧固性，使得可以承受合理的机械压力而不致它们的属性发生变化。分配导体孔的交叉部分可以做成一个正方形或矩形，而不是圆形。同样，分配导体也可以不考虑孔的形状而具有一个矩形状的截面部分。

本发明中，位于输出谐振器的腔体内并且是电磁耦合的导体元件331(该导体元件在任何情况下都是必要的)在功能上是同时作为威尔金森分配器的输入导体。分配器的输入线可以是由输入导体、滤波器壳体周围的部件和其间的空气间隙形成。因此在滤波器和分配器之间没有中间电缆或连接器，这意味着衰减大幅减少。另一个同方向上的影响因素就是可以在分配导体周围的分配器支路里使用低损耗的介电材料。此外，根据图2，当支路里该材料的数量比电路板结构中要少时，例如，介质损耗量也会降低。实际上，增加分配器只会引起信号中0.05-0.1dB的附加衰减。

图3中，滤波器壳体在实际滤波器的一个侧面上被放大了。在附加腔体里有一块电路板来实现分配器后的射频电路。

图4列出了另一个根据本发明，在放大前分配所接收信号的设备的实施例。图中显示了其盖子被移除的天线滤波器RXF的部分。这也是一个包括空气绝缘的四分之一波长共轴谐振器的谐振滤波器。滤波器底部，它的侧壁和盖子组成了一个导电的滤波器壳体，里面的间隙则是被导电的分离壁隔成谐振器腔体。在滤波器的输出谐振器的腔体里，在内导体421和外导体之间的间隙中，有一个与谐振器耦合的导体元件431，用来提取能量。这个例子中，信号分配器电路是完全位于输出谐振器的腔体内。导体元件431的上端通过一个短的中间导体连接到一个小的电路板405，电路板405被固定在谐振器壁的内表面上。在腔体侧的电路板的表面上，设置有分配器的第一分配导体432和第二分配导体433，并且它们的末端与一个电阻器连接，连接的方式同图2的分配器。作为移相器的传输线的条型导体441还连接到第一分配导体432的末端。

电路板上的导电分隔壁作为分隔线和传输线上的接地导体。信号通过这个导电分隔壁的通孔从滤波器壳体中提取出来。延迟后的第一分配信号(division signal)E_lp和第二分配信号E₂₁都在图4中标了出来，跟图1的标识是一致的。

图4中，导体元件431和作为其延伸的所述中间导体一起实现了到输出谐振器的电磁耦合。因而同时，它们也作为威尔金森分配器的输入导体。在这种情况下，滤波器和分配器之间没有任何会增加衰减的中间电缆或连接器。此外，由于该中间电缆或连接器的介电材料和大小，电路板405会比图2的结构损耗更小些。

图5a-f显示了其它6种根据本发明在放大前用于分配所接收信号的设备的实施例。天线滤波器的输出谐振器用纵切面来显示。根据图5a的标注，谐振器的底部5a3，内导体5a1，属于外导体的滤波器壳体的部分5a2以及外盖5a4都被显示出来了。图5a的结构和图4的结构一样，不同的是图5a中的分配器和谐振器是用电流方式耦合，而不是电磁方式。分配器的输入导体5a6一端连接到固定在外壁内表面的电路板5a5上，另一端连接到内导体5a1上。图5b的结构与图5a相同，不同的是包含分配器主体的电路板5b5背靠着谐振器外盖的内表面。外盖用作分隔线的接地导体。图5c的结构与图5a、5b相同，不同的是包含分配器主体的电路板5c5背靠着谐振器底部的内表面。底部用作分隔线的接地导体。

图5d的结构与图5a的相同，不同的是包含分配器主体的电路板5d5被安装在谐振器的外壁5d2内部。在图5e中，包含分配器主体的电路板5e5被安装在谐振器的内导体5e1内部，并延伸通过底部5e3。能量通过输入导体5e6进入电路板，输入导体5e6的一端也是通过电流方式连接到内导体。分隔线的接地导体也必须位于电路板上，以与内导体隔离。在根据图5f的结构中，输出谐振器的腔体中有一个类似的导体元件531，它与图3和4的导体元件331、431一样耦合。图中导体元件531显示为纵截面。包含分配器主体的电路板5f5位于该导体元件中，并延伸通过底部5f3。能量通过输入导体5f6进入电路板，输入导体5f6的一端以电流方式与导体元件531耦合。电路板必须包括分隔线的接地导体，以与导体元件隔离。

图5a-f没有显示来自谐振器的信号的外部耦合。这种耦合通过与电路板连接的壳体部分中的通孔实现。在图5e和5f的情况下不需要通孔，因为电路板延伸到了滤波器的外表面。

以上描述了根据本发明的一些设备的实施例。本发明不仅仅局限于上述解决方案。例如，天线滤波器的谐振器可以是半波而非四分之一波，这样其两端都可以变短。它们也可以是陶瓷方式，而非空气绝缘方式。分配器与谐振器的耦合方式也可以完全是电感的或电容的。分配器本身也可以是一个例如所谓的混合电路，在这种情况下它具有由四分之一波长的部件构成的闭合电路。在独立权利要求1限定的范围内，可以不同方式实现本发明的主旨。

Claims (14)

1、一种将无线电接收机中天线滤波器(RXF)的输出信号分成两个平行低噪声放大器支路的设备，其利用连接在上述支路的带有分配导体(332，333；432，433)的分配器，其中天线滤波器属于谐振器型，由导电的滤波器壳体、被导电分隔壁分离成谐振器腔体的间隙所组成，这种情况下，滤波器至少具有输入和输出谐振器，其特征在于分配器被置于滤波器壳体的外表面内部。

2、根据权利要求1所述的设备，其中输出谐振器的腔体内有一个导体元件(331；431)，用于从滤波器中提取出信号能量，其特征在于该导体元件同时是上述分配器的一部分。

3、根据权利要求1所述的设备，其特征在于上述分配导体(332，333)的基本构成部分均位于滤波器的导电部分内部。

4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于上述分配导体(432，433)位于输出谐振器的腔体内。

5、根据权利要求3所述的设备，其特征在于上述滤波器的导电部分是输出谐振器的外壁(322；5d2)。

6、如权利要求5所述的设备，其特征在于在上述每个分配导体(332，333)的外壁(322)上有一个孔，而在孔中央，分配导体与孔表面是隔离的。

7、如权利要求3所述的设备，其特征在于上述滤波器的导电部分是输出谐振器的内导体(5e1)。

8、如权利要求4所述的设备，其特征在于该设备包括分配器电路板(405；5b5；5c5)，分配导体是属于该电路板的条形导体。

9、如权利要求8所述的设备，其特征在于上述电路板(405；5a5)被固定到输出谐振器外壁的内表面上。

10、如权利要求8所述的设备，其特征在于上述电路板(5b5)被固定到输出谐振器的盖子(5b4)的内表面上。

11、如权利要求8所述的设备，其特征在于上述电路板(5c5)被固定到输出谐振器的底部(5c3)的内表面上。

12、如权利要求2所述的设备，其特征在于分配器与输出谐振器之间的耦合是电磁方式的。

13、如权利要求2所述的设备，其特征在于分配器与输出谐振器之间的耦合是电流方式的。

14、如权利要求1所述的设备，其特征在于该分配器是威尔金森分配器。

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