CN2809909Y

CN2809909Y - 平行耦合线形滤波器

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Publication number: CN2809909Y
Application number: CNU2005200177188U
Authority: CN
Inventors: 李胜源
Original assignee: Via Technologies Inc
Current assignee: Via Technologies Inc
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2015-05-18
Also published as: US20050258919A1; TW200539568A; US7215226B2; TWI280737B

Abstract

本实用新型公开了一种平行耦合线形滤波器，可改善此平行耦合线形滤波器的响应。依据本实用新型，一种平行耦合线形滤波器的实施例至少包括：至少一个开路谐振器、至少一个缺陷接地结构置于该谐振器的另一侧，其中缺陷接地结构含有经由一狭缝相连的第一区块与第二区块，第一区块与第二区块呈斜对称排列于接地平面。

Description

平行耦合线形滤波器

技术领域

本实用新型是关于射频(radio frequency，RF)电路设计，特别是关于一种具有斜对称缺陷接地结构(defected ground structure，DGS)的平行耦合线形滤波器(parallel-coupled line filter)。

背景技术

平行耦合线形滤波器(parallel-coupled line filter)是目前微波滤波器中一种常见的设计，因为此线形滤波器不须孔洞(via)连接至接地平面(groundplane)，具有结构简单及制造容易的优点。例如，一带通线形滤波器(band-passtransmission-line filter)的基本结构是由一系列平行排列并经由电场与磁场感应耦合(parallel-coupled)的长条状导线的谐振器(resonator)所组成，其中长条状导线长度为中心频率的波长的一半，且其中一导线跨接另一相临导线的长度为此波长的四分之一。平行耦合线形滤波器相较于其它类型的滤波器，如端点耦合滤波器(end-coupled filter)，具有长度上较短的优点。

然而，传统的平行耦合线形滤波器设计上仍不足之处。尽管平行耦合线形滤波器相较于其它类型的滤波器有较短的长度，然而此滤波器设计上采用长条状导线的谐振器，以现今的制造技术而言，仍占用相当大的电路空间。这意谓其制造上较不经济且生产成本较高。此外，传统的平行耦合线形滤波器还有一项严重的缺点是其带外响应out-of-band response)。此滤波器在其中心频率的二倍频率附近会产生一寄生响应。因为许多电路在其中心频率的倍频附近会产生非预期的谐振，而这非预期的谐振会通过滤波器传递至其它电路，并影响其它电路的运作。

尽管传统对称性缺陷接地结构具有缩小电路尺寸及提高寄生谐振频率的效果，然而却无法应用平行耦合线形滤波器上。因为传统对称性缺陷接地结构会同时存在于两相临传输线谐振器之下，造成平行耦滤波器失效。

由此可知，一种可应用于线形滤波器的缺陷接地结构而能增进线形滤波器的可靠性的设计是极吸引人的。

实用新型内容

鉴于先前所述，本实用新型的目的就是提供一种平行耦合线形滤波器结构，可将平行耦合线形滤波器的可靠性提升。

本实用新型的目的是这样实现的，即提供一种平行耦合线形滤波器，包括：

至少一开路传输线谐振器；以及

至少一缺陷接地结构，位于该开路传输线谐振器的相对两侧，该缺陷接地结构具有一第一区块及一第二区块以斜对称方式排列，

其中，该第一区块与该第二区块位于一接地平面且两者之间以一狭缝相连接。

经由一具体实施例，本实用新型公开一平行耦合线形滤波系统，其包括至少一个开路传输线谐振器及至少一个缺陷接地结构位于谐振器的相对两侧。缺陷接地结构具有第一区块及第二区块，此二区块经由一狭缝相连且采斜对称配置于接地平面。借由设计此斜对称区块的物理特征，可使得一平行耦合线形滤波器的至少一个寄生谐振频率因而提高，进一步降低干扰及提高可靠性。

以下结合附图，描述本实用新型的实施例。借由以下的数个具体实施例的详述说明及所对应的附图，可以清楚了解此实用新型的结构与应用方法，以及本实用新型具有的特征与优点。

附图说明

图1说明一传统平行耦合线形滤波器的上视图。

图2A说明依据本实用新型第一具体实施例的具有斜对称缺陷接地结构的开路导线谐振器的上视图。

图2B说明依据本实用新型第一具体实施例中斜对称缺陷接地结构的等效电阻-电容-电感电路。

图2C说明依据本实用新型第一具体实施例的等效阻抗示意图。

图3A说明依据本实用新型第二具体实施例的应用斜对称缺陷接地结构的平行耦合线形滤波器的上视图。

图3B说明依据本实用新型第三具体实施例的应用斜对称缺陷接地结构的一平行耦合线形滤波器的上视图。

图4说明分别示于图1、图3A、及图3B的传统平行耦合线滤波器、第二具体实施例、及第三具体实施例的频带响应图。

符号说明

100传统平行耦合线形滤波器

102开路传输线谐振器

104接地平面

200具有斜对称缺陷接地结构的开路传输线谐振器(为依据本实用新型的第一实施例)

202区块

204区块

208开路传输线谐振器，或开路线段

210斜对称缺陷接地结构的等效电路

211狭缝

212等效电阻

214等效电感

216等效电容

218端点

220端点

300具有斜对称缺陷接地结构的平行耦合线形滤波器(为依据本实用新型的第二实施例)

302具有斜对称缺陷接地结构的开路传输线谐振器

304接地平面

306区块对

308斜对称缺陷接地结构的平行耦合线形滤波器(为依据本实用新型的第三实施例)

310斜对称缺陷接地结构的开路传输线谐振器

312接地平面

314长方形区块对

402传统平行耦合线形滤波器100的频率响应

404第二实施例300的频率响应

406第三实施例308的频率响应

L有斜对称缺陷接地结构的开路传输线谐振器302的长度

Z_IN自等效电路中心点的输入阻抗

Z_OC自端点218向外侧的开路线段的输入阻抗

Z_DGS等效电路210的整体阻抗

Z₀开路线段208的特征阻抗

θ开路传输线208的电长度的一半

具体实施方式

本实用新型是关于一种用来提高平行耦合线形滤波器的可靠性的系统及其应用方法。

图1说明一传统平行耦合线形滤波器100的上视图。以实例说明，此传统平行耦合线形滤波器100为一应用在中心频率为2.5GHz的三阶滤波器。传统平行耦合线形滤波器100在相关领域的应用上极为常见，因其具有简易的电路结构及容易制造的优点。此具有三阶响应的传统平行耦合线形滤波器100的结构包括三个开路传输线谐振器(open transmission line resonator)102，此谐振器的长度接近于此传统平行耦合线形滤波器100中心频率下的波长的二分之一。这些开路传输线谐振器102也被业内人士称为开路线段(open-linesection)。传统平行耦合线形滤波器因为不需要有连接至接地平面104的孔洞(via)连接而较为容易制造。

然而，传统平行耦合线形滤波器100具有较大的物理尺寸，因为该平行耦合线形滤波器的长度由开路传输线谐振器102所需的长度所决定。在此实例中，此传统平行耦合线形滤波器100两端点的长度为65毫米。需要较大的尺寸是传统平行耦合线形滤波器100的一项缺点，因为这代表此滤波器在制造上效益较低、成本较高。另一项缺点是传统平行耦合线形滤波器100的带外响应。此传统平行耦合线形滤波器100在5GHz(即为中心频率2.5GHz的两倍)附近会产生一寄生响应。因为其它电路有可能在中心频率的倍频处产生非预期谐振，传统平行耦合线形滤波器无法阻隔这些非预期谐振以及其引发非预期的干扰。

图2A说明依据本实用新型的第一具体实施例，一具有斜对称缺陷接地结构的开路导线谐振器200。此斜对称缺陷接地结构包括区块202与区块204，该区块位于接地平面206中且沿着一开路传输线谐振器208呈斜角对称排列，区块202与区块204可经由蚀刻此接地平面206所形成，两区块之间有一狭缝211相连接。此外，一开路传输线谐振器208(或称为开路线段)位于此狭缝211之上，且跨越过此狭缝。此处所提到的「斜对称」是指此二区块排列在其两者中心线的不同侧。在此实施例中，可以明了区块202与区块204排列在开路传输线谐振器208的不同侧。此外，相对于两者的中心处有两区块具有一微小的横向偏移，造成区块202与区块204经由一狭缝211相连接。此狭缝211可经由形成区块的蚀刻制程一并形成。区块202与区块204(可视为一区块对)所形成的缺陷接地结构相当于在一开路传输线谐振器208串联一个由电阻、电容、电感并联的等效电路。可以被理解的是，尽管于图2A的具体实施例中所示的区块形状为方形，并非意在限制本实用新型的区块形状为方形，进一步说，区块的尺寸亦可以适当变化。事实上，此二区块不需具有相同的形状与尺寸。自于本实用新型可以引申出在形状及尺寸上各种变化及润饰，但这些区块均未脱离本实用新型公开的影响其谐振频率的概念，即具有一电阻、电容、电感并联的等效电路，且应用此等效电路的响应用来缩小一开路传输线谐振器208的长度及提高一开路导线谐振振器208的寄生谐振频率，进一步因寄生谐振频率提高而降低干扰。此等效电路中的等效电感和等效电容的大小与区块202及区块204的外观及区块202和区块204在接地平面206上的间距有关。有一点需进一步注意的是当此二区块的尺寸或形状不同时，需将具有缺陷接地结构的谐振器视为一体，决定出其中心点及其斜对称配置方式。

借由此具体实施例说明，业内人士可以了解一个对称的缺陷接地结构可能无法适当应用于平行耦合线形滤波器。因为对称的缺陷接地结构会同时存在数个相临的谐振器之下，如此会造成线形滤波器操作失效，所以无法将应对称的缺陷接地结构应用在平行耦合线形滤波器。而本实用新型新提出的斜对称缺陷接地结构不受电路布局的限制而可应用在平行耦合线形滤波器上。

图2B说明此斜对称缺陷接地结构的等效电路210。此等效电路210包括并联配置的一等效电阻212、一等效电感216及一等效电容214，而提供一并联谐振响应。而此等效电阻212、等效电感216和等效电容214的数值与区块尺寸、区块形状、以及两区块间的间距有关。谐振频率是此电路相关应用上的重要特征之一，特别针对基频模态(fundamental mode)及第一高次谐振(first spurious mode)。对于传统平行耦合线形滤波器而言，可以理解的是其基频模态频率即为其中心谐振频率，而其第一高次谐振频率为中心频率的两倍频率。借由此适当设计的等效电阻212、等效电感216、等效电容214，可以缩小开路传输线谐振器的长度，同时提高开路传输线谐振器第一寄生频率，使开路传输线谐振器操作时不受到谐振干扰。端点218及端点220各自电性连接至一开路线段(未绘于图上)，所以此等效电阻-电容-电感电路210可以沿着一开路线段或传输线连续串联放置。

当一传统开路传输线谐振器在奇模态(odd mode)及偶模态(even mode)输入下，系统会产生两种相对应的模式：基频模态与第一高次谐振。当系统在奇模态输入下，谐振器中心点基本上是一个虚拟接地点(virtual to ground)。另一方面，如果系统在偶模态输入下，则谐振器中心点是一开路端(open)。然而，如同业内人士所知的，对于一具有缺陷接地结构的开路传输线谐振器亦可由奇模态及偶模态输入了解其响应特性。

图2C是说明以含有等效电路210的电路阻抗示意图。如图2B所示的电阻、电容、电感并联电路210的整体阻抗可以Z_DGS来代表。此等效电路210两端分别电性连接两个不受缺陷接地结构影响的开路线段，其中此开路线段的特征阻抗为Z₀。所以在缺陷接地结构的开路传输线谐振器的谐振频率可用下列两式其中之一来代表：

I_m[Z_IN]＝I_m[Z_OC+Z_DGS/2]＝0 式(1)

I_m[Z_IN]＝I_m[Z_OC+Z_DGS/2]＝±∞ 式(2)

其中Z_IN是自等效电路中心点的输入阻抗，而Z_OC是自端点218向外侧的开路线段的输入阻抗。当等效电阻-电容-电感电路的阻抗不为无穷大(I_m[Z_DGS]≠±∞)且自图2B的端点218的输入阻抗为无穷大(I_m[Z_OC]＝±∞)时，可以发现第2式可以简化成：

θ＝nπ，n＝1，2，3...，式(3)

第3式对应到该开路传输线谐振器的偶模态响应。

尽管要更准确计算此电路的谐振频率时，必须要计算该等效电阻-电容-电感电路的电阻值，特别是当此谐振器的品质因子(quality factor，Q)较小的时候。另一方面，为了了解其响应行为的主要特征时，可以先假设忽略电阻值(即假设R_DGS＝∞)，并导出下列式子：

cotθ＝(ω_0DGS*L_DGS)/(2Z₀*((ω_0DGS/ω)-(ω/ω_0DGS)) 式(4)

其中ω_0DGS代表该缺陷接地结构的响应频率，θ代表开路传输线谐振器208的电长度(electrical length)的一半，L_DGS代表其等效电感，Z₀代表该开路线段的特征阻抗。假设一开路传输线谐振器的主要模态为ω_0OC且当电长度为周长的二分之一(θ＝π/2)，则此缺陷接地结构的开路传输线谐振器的谐振特性可以分别为下列三种不同状况来讨论：

第一种状况是缺陷接地结构的谐振频率大于基本模态频率或第一高次频率时(即2*ω_0OC＜ω_0DGS)，此状况下的缺陷接地结构的影响类似一个电感。可以理解的是对一基态的谐振器而言，必须满足第1式与第4式所表示的谐振条件必须满足。所以在此状况下，开路线段的长度与谐振频率存有一特定关系：如果谐振频率是固定不变的，当此缺陷接地结构的等效电感L_DGS较大且此开路线段的特征阻抗Z₀较小，谐振器长度随之缩短。换言之，对一相同长度的谐振器而言，当其具有缺陷接地结构时，必须同时满足第1式与第4式，所以可在较低频率下产生谐振。

另一方面，第一高次谐振模态代表第2式与第3式必须同时满足，也就是代表该开路传输线谐振器的第一偶模态响应。既然该缺陷接地结构等效于一电感，使得该开路传输线谐振器的基频偏移至较低频率，第一高次谐振也不会再出现于基频两倍频率处。事实上，将第3式中的n设成1后可以推知第一高次谐振会出现在较高频率处。

第二种状况是缺陷接地结构的谐振频率在基频与基频的两倍频率之间(ω_0OC＜ω_0DGS＜2*ω_0OC)，则在偶模态下的开路线段产生第三种谐振模式。当响应频宽高于缺陷接地结构的并联谐振频率时，缺陷接地结构表现出电容特性而与开路传输线谐振器的电感产生一谐振响应，这即是此谐振器的第一寄生响应。既然在此模式的频率小于开路线段的偶模态响应频率，则缺陷接地结构必须妥善设计，以满足其等效电感值L_DGS越大、其等效电容值越小C_DGS的条件，方可达到降低基频频率及提高第一寄生响应频率的效果。但是如果其等效电容C_DGS不够小，第一寄生响应会发生在基频的两倍频率附近，甚至更低的频率。

第三种状况是缺陷接地结构的谐振频率接近于开路线段的基频的两倍频率时，则应用缺陷接地结构的开路传输线谐振器的基频模式很接近第一种状况及第二种状况下的基频响应。然而，缺陷接地结构的并联谐振会出现在接近于开路传输线谐振器的偶模态谐振。因为这两种并联谐振响应发生且彼此相近，整体谐振器的谐振会变得较复杂。不过，第一寄生响应仍发生在这两个频率之间，因为谐振响应主要由开路线段的响应所影响。

图3A说明依据本实用新型的第二具体实施例，为应用斜对称缺陷接地结构的一平行耦合线形滤波器300的上视图。此平行耦合线形滤波器300由三个具有缺陷接地结构的开路传输线谐振器302所组成，且此开路传输线谐振器位于一接地平面304的上方。尽管本具体实施例中明示具有三个开路传输线谐振器302，并非将本实用新型限定为三阶谐振器。可以理解的是在未脱离本实用新型的精神及范畴内，业内人士基于本实用新型可修改类似的线形滤波器，以达到不同阶的谐振响应。以每一开路传输线谐振器302为中心以斜对称方式放置一对长方形区块306于在接地平面304之上，如此形成一斜对称缺陷接地结构。

在接地平面304上蚀刻出此区块对306，每区块对306借由一小狭缝相接，一开路传输线谐振器302位于此狭缝相对侧且通过此狭缝的上方。每区块对306所组成的缺陷接地结构形成一具有电阻、电容、电感并联的等效电路串联在一个开路传输线谐振器302之上。此并联的电阻-电容-电感电路的谐振响应可以减少此开路传输线谐振器302长度，以及提高平行耦合线形滤波器300的第一寄生响应频率，达到降低对其他电路干扰的效果。

利用此一对斜对称区块，可以减少平行耦合线形滤波器300的物理尺寸。如本文所揭示的具体实施例，应用斜对称缺陷接地结构的平行耦合线形滤波器300的总长度为50毫米，而未应用任何非理想接地平面的平行耦合线形滤波器100的最佳长度为65毫米。此外，利用此一对斜对称区块，可以使平行耦合线形滤波器伴随的导电性(conductance)降低及介电值损失(dielectricloss)等效应减低。这种斜对称缺陷接地结构并不会受到电路布局的限制，所以可以应用在各种不同的开路传输线谐振器之中。

在上述的平行耦合线形滤波器之中，需值得注意的是其开路传输线谐振器的总数可以为奇数或偶数。如本具体实施例所示，一开路传输线谐振器位于本具体实施例的中心，其上方及下方各配置一相临的开路传输线谐振器。中心的开路传输线谐振器与上方开路传输线谐振器的间距等于中心的开路传输线谐振器与下方开路传输线谐振器的间距。若谐振器数目为偶数时，谐振器配置以整体滤波器的中心点向两侧依序排列。此外，为了使此滤波器更紧致，通常会将每一开路传输线谐振器重叠于相临开路传输线谐振器约其一半长度，如此使得每一开路传输线谐振器的区块配置在该谐振器的假想中心点且位于相临的谐振器的侧边。此配置方式可使电路空间利用率提高且不会影响缺陷接地结构的配置。基于本实用新型的目的，此对称配置方式为一沿着滤波器的假想中心点依序排列方式。以图3A所示为例，其假想的中心点位于一区块对306之间的狭缝。

图3B说明依据本实用新型的第三具体实施例，为一平行耦合线形滤波器308的上视图，此线形滤波器308应用一较大尺寸的斜对称缺陷接地结构。此平行耦合线形滤波器308包括三个具有缺陷接地结构的开路传输线谐振器310，且此开路传输线谐振器310为在接地平面312的上方。有三对面积较大的长方形区块314放置在接地平面312，每一对长区块沿着一开路传输线谐振器呈斜对称方式排列，形成一个缺陷接地结构。

在接地平面312上蚀刻出该长方形区块对314，每一长方形区块对314借由一小狭缝相接，一开路传输线谐振器310通过此狭缝的上方。每一长方形区块对314所组成的缺陷接地结构形成一具有电阻、电容、电感并联的等效电路，串联在一个开路传输线谐振器310之上，其中此并联的电阻-电容-电感电路的特性与区块的形状、尺寸与两区块间的距离有关。此并联的电阻-电容-电感电路可以降低开路传输线谐振器310的长度，并提高平行耦合线形滤波器308的第一寄生响应频率，达到降低对其他电路干扰的效果。而此具体实施例的任一长方形区块对314的尺寸大于第一具体实施例(参见图3A)的任一区块对306，则其等效电路的电容、电感数值也随之不同，所以在此具体实施例中，平行耦合线形滤波器的总长度进一步缩短为40毫米。

在此具体实施例说明下，应用较大的区块的平行耦合线形滤波器308，可将传统平行耦合线形滤波器100的尺寸缩短了近百分之六十，亦较前一具体实施例的平行耦合线形滤波器300的尺寸缩短了近百分之八十。平行耦合线形滤波器308的介入损失可进一步降低，因为导电性与介电质损失较传统平行耦合线形滤波器100及第一具体实施例300为低。这种斜对称缺陷接地结构并不会受到电路布局的限制，所以可以应用在各种不同的开路传输线谐振器的设计中。

图4说明上述的数个平行耦合线形滤波器(分别揭示于图1、图3A、图3B)的频带响应。响应曲线402、404、406分别代表传统平行耦合线形滤波器100、第二具体实施例300、及第三具体实施例308的频带响应。响应曲线402显示传统平行耦合线形滤波器100在5GHz附近出现寄生响应。响应曲线404及406指出第二具体实施例300及第三具体实施例308的寄生响应偏移到6GHz以上，所以第二具体实施例300及第三具体实施例308可在无谐波干扰下运作。

本实用新型提出一种应用斜对称缺陷接地结构的系统及实施方式，加以应用在开路传输线谐振器上，借由改善传统平行耦合线形滤波器因应用开路传输线谐振器所产生的缺点。经由以上的说明可以明了，应用适当规划的缺陷接地结构，可使得开路传输线谐振器具有较低的基频、及较远离的第一高次谐振频率。而第一高次谐振偏移至较高频率，所以设计一缺陷接地结构可突破其响应频率为基频的两倍频率的限制。本实用新型最佳应用为中心频率不小于1GHz的滤波器。

本文以上公开了数种应用本实用新型的具体实施例及本实用新型的各种特征，借以帮助进一步明了本实用新型的要件与应用方式。可以理解的是，本实用新型的权利范围并不限于所公开的具体实施例，而需以权利要求书范围为依归。

尽管本实用新型经由数个具体实施例来详述说明，然而本实用新型的权利并非限于所公开的具体实施例，因为未脱离本实用新型精神及等同的权利范围而的进行修改或结构变化仍属可能。因此，本实用新型所提出的权利范围为以权利要求书整体所架构出的范畴。

Claims

1.一种平行耦合线形滤波器，包括：

至少一开路传输线谐振器；其特征在于，还包括

2.根据权利要求1所述的平行耦合线形滤波器，其特征在于，该第一区块与该第二区块的形状为长方形。

3.根据权利要求2所述的平行耦合线形滤波器，其特征在于，该第一区块与该第二区块的形状为正方形。

4.根据权利要求1所述的平行耦合线形滤波器，其特征在于，该第一区块与该第二区块具有相同形状与尺寸。

5.根据权利要求1所述的平行耦合线形滤波器，其特征在于，该缺陷接地结构具有一谐振特性，该谐振特性等效于一并联的电阻-电容-电感电路串联于该开路传输线谐振器。

6.根据权利要求5所述的平行耦合线形滤波器，其特征在于，该并联的电阻-电容-电感电路的等效电感越大，则该开路传输线谐振器的长度越小。

7.根据权利要求1所述的平行耦合线形滤波器，其特征在于，该滤波器的中心频率不小于1GHz。

8.根据权利要求1所述的平行耦合线形滤波器，其特征在于对于一先设计的谐振器中所具有的区块不得与其它相临的区块相互重叠。