TW201345037A

TW201345037A - 以指叉式耦合及均勻阻抗共振器（ｕｉｒ）設計具抑制共模訊號之平衡式寬頻帶通濾波器

Info

Publication number: TW201345037A
Application number: TW101113548A
Authority: TW
Inventors: yu-jie Hong; zhao-xing Xu
Original assignee: Univ Chienkuo Technology
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-11-01

Abstract

本發明係提供一種以指叉式耦合及均勻阻抗共振器(UIR)設計具抑制共模訊號之平衡式寬頻帶通濾波器，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，使本發明以兩個λ/2均勻阻抗共振器(UIR)之架構來設計平衡式寬頻帶通濾波器，利用指叉式耦合饋入結構與強耦合的特點在差模時呈寬頻帶通濾波器特性，操作在共模時在通帶內的共模雜訊可達到抑制效果。

Description

以指叉式耦合及均勻阻抗共振器(UIR)設計具抑制共模訊號之平衡式寬頻帶通濾波器

本發明係有關一種以指叉式耦合及均勻阻抗共振器(UIR)設計具抑制共模訊號之平衡式寬頻帶通濾波器，尤其是一種可達到共模訊號抑制效果之創新型態設計者。

由於通訊產業的快速發展，現今各式各樣的無線通訊產品已然充斥在日常生活當中，而每種產品使用的頻段皆可能不同，如果欲設計能同時涵蓋這些頻帶之射頻電路，則其勢必需要有足夠的頻寬響應。因此組成寬頻系統的通訊與微波組件(例如平衡式寬頻帶通濾波器)的研究與設計，也就格外受到注意。根據美國聯邦通訊委員會議(FCC)對於UWB的技術最新定義[FCC,“Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems,”First Report and Order,ET Docket pp.98-153,Feb. 2002.]，其頻寬範圍為3.1 GHz至10.6 GHz之間，可用頻寬為7.5 GHz，中心頻率大於2.5GHz的超寬頻系統至少需要500MHz、-10dB的頻寬，中心頻率在2.5GHz以下的超寬頻系統則需要至少20%的頻寬比(Fractional bandwidth)。超寬頻除了頻寬大，傳送速率快(最高可達500 Mbps)之外，還具有低耗電量、高安全性、不易產生干擾、定位功能精準、低成本晶片結構等特色。在目前，UWB主要技術有脈衝無線電(Impulse radio)與多頻帶系統(Multi-band system)等。在多頻帶系統方面可分為兩種，Direct Sequence Ultra-Wideband(DS-UWB)系統技術與Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing(MB-OFDM)系統技術。MB-OFDM系統技術是將3.1 GHz至10.6 GHz的頻率範圍分割成14個子頻段、5大頻道群，每一子頻段的頻寬為528 MHz。惟上述文獻所揭示平衡式帶通濾波器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，係在提供一種以指叉式耦合及均勻阻抗共振器(UIR)設計具抑制共模訊號之平衡式寬頻帶通濾波器；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；一第一均勻阻抗共振器(uniform impedance resonator,UIR)，該第一均勻阻抗共振器為一半波長均勻阻抗共振器，其係配置於該微波基板表面左半平面，其中該第一均勻阻抗共振器上下分別各設有一相對稱的第一指叉端；一第二均勻阻抗共振器(uniform impedance resonator,UIR)，該第二均勻阻抗共振器為一半波長均勻阻抗共振器，其係配置於該微波基板表面右半平面，其中該第二均勻阻抗共振器上下分別各設有一相對稱的第二指叉端；兩上下對稱的第一指叉式耦合饋入結構，其係對應該第一均勻阻抗共振器之第一指叉端分別設有一第一耦合槽，令各該第一耦合槽對應指叉耦合於該第一均勻阻抗共振器之該第一指叉端；另該兩上下對稱的第一指叉式耦合饋入結構另端分別設有訊號輸入端；兩上下對稱的第二指叉式耦合饋入結構，其係對應該第二均勻阻抗共振器之第二指叉端分別設有一第二耦合槽，令各該第二耦合槽對應指叉耦合於該第二均勻阻抗共振器之該第二指叉端；另該兩上下對稱的第二指叉式耦合饋入結構另端分別設有訊號輸出端；一水平方向的對稱平面(Plane of symmetry,POS)，其係與該第一均勻阻抗共振器及該第二均勻阻抗共振器呈上下對稱設置；一1/4波長之開路殘段，其係設於該對稱平面與該第一均勻阻抗共振器的相對位置；藉此創新獨特設計，使本發明以兩個λ/2均勻阻抗共振器(UIR)之架構來設計平衡式寬頻帶通濾波器，利用指叉式耦合饋入結構與強耦合的特點在差模時呈寬頻帶通濾波器特性，操作在共模時在通帶內的共模雜訊可達到抑制效果。

請參閱第1～7圖所示，係本發明以指叉式耦合及均勻阻抗共振器(UIR)設計具抑制共模訊號之平衡式寬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(70)，其中該微波基板(70)板厚為0.635 mm、介電係數為10.2、耗損正切(Loss tangent)為0.0023；一第一均勻阻抗共振器(10)(uniform impedance resonator,UIR)，該第一均勻阻抗共振器(10)為一半波長均勻阻抗共振器，其係配置於該微波基板(70)表面左半平面，其中該第一均勻阻抗共振器(10)上下分別各設有一相對稱的第一指叉端(11)；一第二均勻阻抗共振器(20)(uniform impedance resonator,UIR)，該第二均勻阻抗共振器(20)為一半波長均勻阻抗共振器，其係配置於該微波基板(70)表面右半平面，其中該第二均勻阻抗共振器(20)上下分別各設有一相對稱的第二指叉端(21)；其中前述兩均勻阻抗共振器的結構尺寸如第1圖所示，第一尺寸(L1)=1.5 mm、第二尺寸(L2)=4.6 mm、第三尺寸(L3)=4.9 mm、第五尺寸(L5)=1.1 mm、第六尺寸(L6)=0.1 mm、第七尺寸(L7)=0.1 mm、第八尺寸(L8)=0.3 mm、第九尺寸(L9)=0.7mm；兩上下對稱的第一指叉式耦合饋入結構(30)，其係對應該第一均勻阻抗共振器(10)之第一指叉端(11)分別設有一第一耦合槽(31)，令各該第一耦合槽(31)對應指叉耦合於該第一均勻阻抗共振器(10)之該第一指叉端(11)；另該兩上下對稱的第一指叉式耦合饋入結構(30)另端分別設有訊號輸入端()、()；兩上下對稱的第二指叉式耦合饋入結構(40)，其係對應該第二均勻阻抗共振器(20)之第二指叉端(21)分別設有一第二耦合槽(41)，令各該第二耦合槽(41)對應指叉耦合於該第二均勻阻抗共振器(20)之該第二指叉端(21)；另該兩上下對稱的第二指叉式耦合饋入結構(40)另端分別設有訊號輸出端()、()；一水平方向的對稱平面(50)(Plane of symmetry,POS)，其係與該第一均勻阻抗共振器(10)及該第二均勻阻抗共振器(20)呈上下對稱設置；一1/4波長之開路殘段(60)，其係設於該對稱平面(50)與該第一均勻阻抗共振器(10)的相對位置；如第1圖所示，其主要以第一指叉式耦合饋入結構(30)及第二指叉式耦合饋入結構(40)來指叉式耦合饋入至第一均勻阻抗共振器(10)及第二均勻阻抗共振器(20)，利用指叉式耦合饋入結構與強耦合的特點在差模時呈寬頻帶通濾波器特性，並在對稱平面(50)上加載一λ/4開路殘段(60)來設計能同時滿足差模響應(Differential-mode response)與共模抑制之平衡式寬頻帶通濾波器。由於平衡式電路為對稱式結構，故電路在差模和共模操作時，有不同的特性。虛線部分為結構之對稱平面(50)(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(50)可視為電牆(短路)，而共模操作時，則可視為磁牆(開路)，如第2圖所示。

當操作在差模時，由於對稱平面(50)等效接地，第一均勻阻抗共振器(10)及第二均勻阻抗共振器(20)可看作為兩個λ/4共振器，其共振器之共振頻率設計在3.9 GHz，利用指叉式耦合饋入結構與強耦合機制，亦即，相同頻率的兩共振器形成強耦合時，會於共振頻率點產生兩個分裂的模態，且該兩分裂模態之間距由耦合量來決定[J.-S. Hong and M. J. Lancaster,Microstrip filters for RF/Microwave Application,John Wiley and Sons,pp. 129-159,2001.]，如第3圖所示，增加耦合量和產生傳輸零點來形成寬頻響應。當操作在共模時，對稱平面(50)等效為開路，加載在第一均勻阻抗共振器(10)之λ/4開路殘段(60)增加了第一均勻阻抗共振器(10)之等效半電路長度，故第一均勻阻抗共振器(10)與第二均勻阻抗共振器(20)之電性長度不同，可錯開共振頻率點，而達到共模抑制的效果。

此外，在饋入部分利用指叉式耦合方式，除了形成強耦合饋入外，饋入部分的兩高阻抗段在高頻產生兩個零點，調整高阻抗段之長度，在差模操作時，可以改善高頻端之裙襬響應，亦即，指叉式共振器結構是應用髮夾型共振器特有之結構所產生，具有電壓最弱、電流最強之特性。

如第4圖所示，係一般耦合與指叉式耦合之結構。指叉式耦合對減少耦合損失來提高耦合量有明顯改善[YP. Zhang and M. Sun,“Dual-band microstrip bandpass filter using stepped-impedance resonators with new coupling schemes,"IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,Vol. 54,no. 10,pp. 3779-3785,Oct. 2006][A. A. A. Apriyana and Y. P. Zhangm“A dual-band BPF for concurrent dual-band wireless transceiver,”Electronics Packaging Technology Conference,pp. 145-149,Dec. 2003.]。

如第5圖所示，其係一般耦合與指叉式耦合之耦合量比較圖，指叉狀的耦合可以得到比較高的耦合量，亦即，耦合損失較低。

第6圖為平衡式寬頻BPF之頻率響應模擬與量測圖，在差模操作時，寛頻頻帶量測(模擬)之中心頻率分別為4(3.9) GHz，3dB頻寬為3.06~4.82(3.02~4.89) GHz。插入損耗(Insertion loss)量測(模擬)最小值為0.43(0.25) dB。共模操作，在MB-OFDM系統之Group 1(3.168~4.752 GHz)頻率範圍內量測(模擬)之插入損耗(Insertion loss)大於20dB。

第7圖為實體照片圖，電路總面積不包含饋入線為12.3×8.8 mm2。

本發明提出了一個簡單架構來設計之具有良好響應的平衡式寬頻帶通濾波器，在結構上利用指叉式耦合饋入結構的零點機制與強耦合機制來形成寬頻，同時我們利用電路之對稱平面(50)(POS)特性，在第一均勻阻抗共振器(10)加上λ/4開路殘斷(60)，使其在共模操作時，在Group A:(3.168-4.752 GHz)頻帶範圍內，可達到極佳之共模雜訊抑制。

據此，以兩個λ/2均勻阻抗共振器(UIR)之架構來設計平衡式寬頻帶通濾波器，利用指叉式耦合饋入結構與強耦合的特點在差模時呈寬頻帶通濾波器特性，操作在共模時在通帶內的共模雜訊可達到抑制效果。

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)．．．第一均勻阻抗共振器

(11)．．．第一指叉端

(20)．．．第二均勻阻抗共振器

(21)．．．第二指叉端

(30)．．．第一指叉式耦合饋入結構

(31)．．．第一耦合槽

(40)．．．第二指叉式耦合饋入結構

(41)．．．第二耦合槽

(50)．．．對稱平面

(60)．．．開路殘段

(70)．．．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

()．．．共模輸入反射係數

()．．．共模順向傳送係數

()．．．差模輸入反射係數

()．．．差模順向傳送係數

()．．．訊號輸入端

()．．．訊號輸出端

第1圖：係本發明平衡式寬頻帶通濾波器架構圖。

第2A圖：係本發明差模(DM)操作時之等效半電路圖。

第2B圖：係本發明共模(CM)操作時之等效半電路圖。

第3圖：係本發明強耦合之分裂模態圖。

第4A圖：係本發明指叉式耦合之結構圖。

第4B圖：係一般耦合之結構圖。

第5圖：係本發明指叉式耦合與一般耦合量比較圖。

第6A圖：係本發明平衡式寬頻帶通濾波器模擬與實測所得之差模響應圖。

第6B圖：係本發明平衡式寬頻帶通濾波器模擬與實測所得之共模響應圖。

第7圖：係本發明平衡式寬頻帶通濾波器實作電路照片。