TW201345036A - 以步階阻抗共振器（ｓｉｒ）及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，尤指一種可達到共模訊號抑制效果之創新型態設計；藉此創新獨特設計，使本發明操作於差模時，該對稱平面等效為接地，該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B兩個共振頻率相同，並作為通帶之中心頻率，在共模操作時，該對稱平面的特性改變(呈開路)，由於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B間共振頻率不同，錯開該前述二共振器之共振頻率，故在耦合過程中，訊號將被衰減，達到共模訊號抑制效果。
Description
本發明係有關一種以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，尤其是一種可達到共模訊號抑制效果之創新型態設計者。
目前有關平衡式帶通濾波器的文獻有限，大部分文獻以單頻和雙頻為主，主要以三種形式設計。第一種為平行耦合線架構，利用耦合線段結構之設計，在差模操作時，呈現所要之通帶響應，並在共模操作時，會有全止的效果，達到共模訊號的抑制。第二種為耦合共振器架構，在電路設計上利用調整饋入點位置的方式，使其在共模時能滿足全反射之條件，達到抑制共模訊號的效果。上述文獻[Y.-S. Lin and C. H. Chen,“Novel balanced microstrip coupled-line bandpass filters,”in Proc. URSI Int. Electromag. Theory Symp.,pp. 567-569,2004.][C.-H. Wu,C.-H. Wang,and C. H. Chen,“Novel balanced coupled-line bandpass filters with common-mode noise suppression,”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol. 55,no. 2,pp. 287-295,Feb. 2007.]皆為平衡式單頻帶通濾波器。第三種為步階阻抗共振器[C.-H. Lee,I.-C. Wang,and C.-I.G. Hsu,"Balanced dual-band BPF using λ/4 stepped-impedance resonators and folded feed lines," Journal of Electromagnetic Wave and Applications,vol. 23,no. 17-18,2441-2449,Dec. 2009.]為平衡式雙頻帶通濾波器，利用步階阻抗共振器(Stepped-impedance resonator,SIR)之共振特性，在差模操作形成所需之通帶，並利用錯開共振頻率點的方式來達到寬截止頻帶。近兩年來，雙頻之平衡式帶通濾波器[C.-H. Lee,I.-C. Wang,and C.-I.G. Hsu,"Balanced dual-band BPF using λ/4 stepped-impedance resonators and folded feed lines," Journal of Electromagnetic Wave and Applications,vol. 23,no. 17-18,2441-2449,Dec. 2009.]已有部分文獻陸續發表，主要使用耦合共振器與步階阻抗共振器設計之電路架構。文獻[張宗翰、李清和、許崇宜、陳勛祥，“以不同類型SIRs設計之平衡式雙頻帶通濾波器”，2010全國電磁相容技術與實務研討，雲林，台灣。]在共模模態時，內部SIRs無外部SIRs第二共振頻率，在耦合時訊號無法傳遞，達到抑制的效果。[C.-I G. Hsu,C.-C. Hsu,C.-H. Lee,and S.-H. Chen,"Balanced dual-band BPF using only equal-electric-length SIRS for common-mode suppression,"Journal of Electromagnetic Waves and Applications,vol. 24,no. 5/6,pp. 695-705,2010.]以四個λ/2 SIRs組成之平衡式帶通濾波器架構，[C.-I G. Hsu,C.-C. Hsu,C.-H. Lee,and S.-H. Chen,"Balanced dual-band BPF using only equal-electric-length SIRS for common-mode suppression,"Journal of Electromagnetic Waves and Applications,vol. 24,no. 5/6,pp. 695-705,2010.]利用內部SIRs並無外部SIRs的第二共振頻率之設計，來抑制共模訊號傳輸；[Ching-Her Lee,Hsu,C.-I.G.,Chih-Chan Hsu,"Balanced Dual-Band BPF With Stub-Loaded SIRs for Common-Mode Suppression," Microwave and Wireless Components Letters,IEEE,vol 20,Issue 2,pp. 70-72,Feb. 2010.]在內部SIRs中央加載開路殘段，錯開共振頻率，達到抑制共模訊號的效果。[J. Shi and Q. Xue,"Novel balanced dual-band bandpass filter using coupled stepped-impedance resonators,"IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. vol. 20,no. 1,Jan. 2010.]以指叉式耦合方式來增加耦量，和[Ching-Her Lee,Hsu,C.-I.G.,Chih-Chan Hsu,"Balanced Dual-Band BPF With Stub-Loaded SIRs for Common-Mode Suppression," Microwave and Wireless Components Letters,IEEE,vol 20,Issue 2,pp. 70-72,Feb. 2010.]一樣利用殘段方式來抑制共模訊號傳輸。[J. Shi and Q. Xue,"Dual-Band and Wide-Stopband Single-Band Balanced Bandpass Filters With High Selectivity and Common-Mode Suppression,"IEEE Microwave Theory and Techniques Society. vol. pp,no. 99,Jul. 2010.]是由J. Shi和Q. Xue提出，在POS面加上電阻和電容(SMD)元件，藉此抑制共模訊號的傳輸。
惟上述文獻所揭示皆為平衡式電路，若遇到各種設計單頻、雙頻、多頻甚至是寬頻、超寬頻之射頻電路時，其共模訊號抑制能力較低，並不能滿足現今的通訊系統。
是以，針對上述習知平衡式電路所存在之問題點，如何開發一種共模訊號抑制能力較高的創新技術，實使用消費者所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向；有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。
即，本發明之主要目的，係在提供一種以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器；其所欲解決之問題點，係針對習知平衡式電路所存在之共模訊號抑制能力較低問題點加以改良突破；而其解決問題之技術特點，主要係包含有：一微波基板；一三階平衡式帶通濾波器，其係設於該微波基板表面，該三階平衡式帶通濾波器係包含：兩相左右對稱的一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(Stepped-impedance resonator,SIRs A)，兩側分別設有一訊號輸入端及一訊號輸出端；兩相上下對稱的一半波長(λ/2)步階阻抗共振B(Stepped-impedance resonator,SIRs B)；其係間設於該兩一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A之間；一水平方向的對稱平面(Plane of symmetry,POS)，其係與該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B呈上下對稱設置；一第一高阻抗開路殘段(open Stub)，其係設於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A之近訊號輸入端位置；一第二高阻抗開路殘段(open Stub)，其係設於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A之近訊號輸出端位置；藉此創新獨特設計，使本發明操作於差模時，該對稱平面等效為接地，該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B兩個共振頻率相同，並作為通帶之中心頻率，在共模操作時，該對稱平面的特性改變(呈開路)，由於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B間共振頻率不同，錯開該前述二共振器之共振頻率，故在耦合過程中，訊號將被衰減，達到共模訊號抑制效果。
請參閱第1～6圖所示，係本發明以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器之較佳實施例，惟此等實施例僅供說明之用，在專利申請上並不受此結構之限制，其係包括：一微波基板(40)，其中該微波基板(40)板厚為0.635 mm、介電係數為10.2、耗損正切(Loss tangent)為0.0023；一三階平衡式帶通濾波器(10)(BPF)，其係設於該微波基板(40)表面，該三階平衡式帶通濾波器(10)係包含：兩相左右對稱的一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)(Stepped-impedance resonator,SIRs A)，兩側分別設有一訊號輸入端()、()及一訊號輸出端()、()；兩相上下對稱的一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)(Stepped-impedance resonator,SIRs B)；其係間設於兩該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)之間；一水平方向的對稱平面(30)(Plane of symmetry,POS)，其係與該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)呈上下對稱設置，如第1圖所示，為本發明所提出的平衡式雙頻帶通BPF電路結構圖。如前述，平衡式電路必為對稱結構，虛線部分為結構之對稱平面(30)(Plane of symmetry,POS)，故電路在差模(DM)或共模(CM)操作時，會有不同的特性；在差模操作時，對稱平面(30)可視為電牆(短路)，而共模操作時，則可視為磁牆(開路)(如第3圖所示)；一第一高阻抗開路殘段(21)(open Stub)，其係設於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)之近訊號輸入端()、()位置；一第二高阻抗開路殘段(22)(open Stub)，其係設於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)之近訊號輸出端()、()位置；當操作在差模時，由於該對稱平面(30)等效接地，因此一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)只有奇模態可被激發，我們將其前兩個奇模態(即第一與第三共振模態)之共振頻率f0、f2設計為2.45與5.25 GHz，而一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)和一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)雖同為λ/2之類型，但由於一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)並無越過對稱平面(30)，其奇、偶模態都可被激發，其第一與第二共振頻率f0、f1亦設計於2.45及5.25 GHz。當操作在共模時，對稱平面(30)等效為開路，此時一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)只存在偶模態(其第一個偶模態共振頻率設為f1)，而一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)則無該模態，故一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)與一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)之共振頻率將錯開，達到抑制共模訊號的效果。如第2圖所示為一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)與一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)之共振頻率分佈情形。
本發明為三階平衡式雙頻帶通濾波器，在差模操作下，諧振頻率設計在2.45/5.25 GHz之WLAN頻段。一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)與一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)皆為λ/2 SIRs(令θ1=θ2=θ0)，將一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)與一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)之兩節電性長度設計為相同，其第二、第三共振頻率f1、f2與基頻f0之比可由下述公式表示：
其中Rz=Z2/Z1為SIR之阻抗比。經由公式(1)、(2)可得一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)與一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)之阻抗比同為2.42，0.81；其電性長度(θ0)在基頻分別為57.27°、42°，其中選定高阻抗部份為28Ω(60Ω)，由上述參數即可決定一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)與一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)兩共振器之尺寸。其結果如第1圖所示，第一尺寸(L1)=0.55mm、第二尺寸(L2)=2mm、第三尺寸(L3)=0.37mm、第四尺寸(L4)=2.2mm、第五尺寸(L5)=1.25mm、第六尺寸(L6)=0.5mm、第七尺寸(L7)=2.15mm、第八尺寸(L8)=2mm、第九尺寸(L9)=2.67mm。
為了得到能符合各頻帶所需頻寬之耦合間距，本電路選擇以Butterworth函數為濾波器所要之響應，兩頻帶之比例頻寬(Δ)設為7%(此滿足WLAN之頻寬要求且預留一些安全範圍)，其低通濾波器原型的各元件參數值為g0=1、g1=1、g2=2、g3=1、g4=1，在差模操作時所需之級間耦合係數和輸入/輸出之一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)之外部品質因素()如下所示[15]：
根據上式，我們利用電磁模擬軟體進行模擬，並做出參數變化之曲線圖，如第4A圖及第4B圖所示，同時選擇對應上述計算之參數的耦合係數和外部品質因素，並選定耦合間距及饋入位置。
此外，在實作上，為了有足夠大的空間焊接SMA接頭，所以饋入線以45°彎折拉出。由上述計算所得之結果，搭配電磁模擬軟體進行微調，即可得到所要之電路尺吋，如第1圖所示。
本發明所提出之三階平衡式雙頻帶通濾波器雖然能有效達到共模訊號抑制效果，但在2.45及5.25 GHz時共模訊號之抑制效果不佳，亦即會有少量之2.45及5.25 GHz的共模訊號存在，所以本發明利用對稱平面(30)的特性於兩外側一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)中間各設計一高阻抗λ/4開路殘段，加載在近輸入端之一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)，開路殘段設計在對應2.45GHz時為λ/4長，而在近輸出端之一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)開路殘段則設計在對應5.25GHz時之λ/4長，如第1圖所示。差模操作時，由於對稱平面(30)視為短路，訊號則不會沿著外側λ/4開路殘段傳輸，對差模不會有影響，故可維持原通帶之響應。而共模操作時，兩殘段各增加了一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)之半電路長度，故可錯開共振頻率點來抑制一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)在共模時所產生之微量共模訊號，達到共模抑制的效果。由第3-5圖所示，在加上λ/4的開路殘段，可使共模雜訊被抑止在-20 dB以下。
第5圖為三階平衡式帶通濾波器(10)之頻率響應模擬與量測圖，在差模操作時，第一頻帶和第二頻帶量測(模擬)之中心頻率分別為2.46(2.44)與5.24(5.26) GHz，3-dB頻寬分別為2.395~2.51(2.38~2.52)與5.09~5.39(5.08~5.41) GHz。插入耗損(Insertion loss)之量測(模擬)最小值為-2.27(-1.1)與-2.2(-1.4) dB。共模操作時，在1-7 GHz內量測(模擬)之插入耗損(Insertion loss)小於-20dB。第6圖為實體照片圖，電路總面積不包含饋入線為11.7×22.15 mm2。
本發明提供一個簡單架構來設計之具有良好響應的平衡式雙頻帶通濾波器，在結構上其具有反平行耦合的特性可以使得頻帶內的產生一傳輸零點，使頻帶獲得較好的選擇性。利用步階阻抗共振器(SIR)公式計算出耦合與外部品質因子，即可設計可供作於2.45與5.25 GHz且具有良好差模響應之濾波器，同時我們利用電路之對稱平面(30)(POS)特性，在一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)加上λ/4開路殘斷，使其在共模操作時，在1-7 GHz頻帶範圍內，可達到極佳之共模雜訊抑制。
據此，本發明操作於差模時，該對稱平面(30)等效為接地，該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)兩個共振頻率相同，並作為通帶之中心頻率，在共模操作時，該對稱平面(30)的特性改變(呈開路)，由於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(11)及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(12)間共振頻率不同，錯開該前述二共振器之共振頻率，故在耦合過程中，訊號將被衰減，達到共模訊號抑制效果。
歸納上述的說明，藉由本發明上述結構的設計，可有效克服習式發明所面臨的缺失，進一步具有上述眾多的優點及實用價值，因此本發明為一創意極佳之發明創作，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，故本發明已符合發明專利有關『新穎性』與『進步性』的要件，乃依法提出申請。
(10)．．．三階平衡式帶通濾波器
(11)．．．一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A
(12)．．．一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B
(21)．．．第一高阻抗開路殘段
(22)．．．第二高阻抗開路殘段
(30)．．．對稱平面
(40)．．．微波基板
(L1)．．．第一尺寸
(L2)．．．第二尺寸
(L3)．．．第三尺寸
(L4)．．．第四尺寸
(L5)．．．第五尺寸
(L6)．．．第六尺寸
(L7)．．．第七尺寸
(L8)．．．第八尺寸
(L9)．．．第九尺寸
()．．．差模輸入反射係數
()．．．差模順向傳送係數
()．．．訊號輸入端
()．．．訊號輸入端
()．．．訊號輸出端
()．．．訊號輸出端
(MAB=MBA)．．．耦合係數
(S)．．．耦合間距
(t)．．．饋入位置
第1圖：係本發明平衡式雙頻帶通濾波器架構圖。
第2圖：係本發明SIRs A與SIRs B之共振頻率分佈圖。
第3A圖：係本發明差模(DM)操作時之等效半電路圖。
第3B圖：係本發明共模(CM)操作時之等效半電路圖。
第4A圖：係本發明M AB=M BA曲線圖。
第4B圖：係本發明外部品質因素曲線圖。
第5A圖：係本發明平衡式雙頻帶通濾波器模擬與實測所得之差模響應圖。
第5B圖：係本發明平衡式雙頻帶通濾波器模擬與實測所得之共模響應圖。
第6圖：係本發明平衡式雙頻帶通濾波器實作電路照片。
(10)．．．平衡式帶通濾波器
(11)．．．一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A
(12)．．．一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B
(21)．．．第一高阻抗開路殘段
(22)．．．第二高阻抗開路殘段
(30)．．．對稱平面
(40)．．．微波基板
(L1)．．．第一尺寸
(L2)．．．第二尺寸
(L3)．．．第三尺寸
(L4)．．．第四尺寸
(L5)．．．第五尺寸
(L6)．．．第六尺寸
(L7)．．．第七尺寸
(L8)．．．第八尺寸
(L9)．．．第九尺寸
()．．．訊號輸入端
()．．．訊號輸入端
()．．．訊號輸出端
()．．．訊號輸出端
Claims (7)
- 一種以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，係包含有：一微波基板；一三階平衡式帶通濾波器，其係設於該微波基板表面，該三階平衡式帶通濾波器係包含：兩相左右對稱的一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A(Stepped-impedance resonator,SIRs A)，兩側分別設有一訊號輸入端及一訊號輸出端；兩相上下對稱的一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B(Stepped-impedance resonator,SIRs B)；其係間設於該兩一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A之間；一水平方向的對稱平面(Plane of symmetry,POS)，其係與該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B呈上下對稱設置；一第一高阻抗開路殘段(open Stub)，其係設於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A之近訊號輸入端位置；一第二高阻抗開路殘段(open Stub)，其係設於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A之近訊號輸出端位置；據此，操作於差模時，該對稱平面等效為接地，該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B兩個共振頻率相同，並作為通帶之中心頻率，在共模操作時，該對稱平面的特性改變(呈開路)，由於該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A及該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B間共振頻率不同，錯開該前述二共振器之共振頻率，故在耦合過程中，訊號將被衰減，達到共模訊號抑制效果。
- 依據申請專利範圍第1項所述之以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，其中該第一高阻抗開路殘段在對應2.45GHz時為λ/4長，且該第二高阻抗開路殘段在對應5.25GHz時為λ/4長者。
- 依據申請專利範圍第1項所述之以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，其中該微波基板板厚尺寸為0.635 mm、介電係數為10.2、耗損正切為0.0023。
- 依據申請專利範圍第1項所述之以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，其中該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A與該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B之阻抗比為2.42。
- 依據申請專利範圍第1項所述之以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，其中該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A與該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B之阻抗比為0.81。
- 依據申請專利範圍第1項所述之以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，其中該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器A之高阻抗為28Ω。
- 依據申請專利範圍第1項所述之以步階阻抗共振器(SIR)及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器，其中該一半波長(λ/2)步階阻抗共振器B之高阻抗為60Ω。
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|---|---|---|---|
| TW101113550A TW201345036A (zh) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | 以步階阻抗共振器（ｓｉｒ）及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器 |
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|---|---|---|---|
| TW101113550A TW201345036A (zh) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | 以步階阻抗共振器（ｓｉｒ）及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器 |
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| TW101113550A TW201345036A (zh) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | 以步階阻抗共振器（ｓｉｒ）及開路殘段設計具抑制共模訊號之平衡式雙頻帶通濾波器 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103985926A (zh) * | 2014-04-24 | 2014-08-13 | 南京航空航天大学 | 一种基于微带开槽线结构的双模平衡滤波器 |
| TWI578607B (zh) * | 2015-10-16 | 2017-04-11 | 大同股份有限公司 | 差動式雙頻濾波器 |
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2012
- 2012-04-17 TW TW101113550A patent/TW201345036A/zh unknown
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| TWI578607B (zh) * | 2015-10-16 | 2017-04-11 | 大同股份有限公司 | 差動式雙頻濾波器 |
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