TW201611404A - 子網路增強之無反射濾波器拓樸 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種無反射低通、高通、帶通、帶阻、全通及全阻濾波器以及一種用於設計此等濾波器之方法，除此之外，本發明亦揭示一種透過子網路的使用增強此等濾波器的效能來進一步修改及改良頻率回應之方法。此等濾波器較佳藉由吸收頻譜的阻帶部分而不是將其反射回源而發揮作用，此作用在很多不同的應用中具有明顯優勢。該等子網路較佳提供額外自由度，藉此透過上層濾波器的洩漏可被消除或加強以變更截止清晰度、阻帶抑制或其他效能度量。

Description

子網路增強之無反射濾波器拓樸 本發明之權利

本發明係在美國國家科學基金會與聯合大學之間的合作協議AST-0223851下並在政府支援下進行，且因此美國政府在本發明中具有特定權利。

相關申請案之參考

本申請案主張2014年6月25日申請之美國臨時申請案第62/016,715號、2014年7月29日申請之第62/030,171號、2014年8月26日申請之第62/041,965號及2014年11月3日申請之第62/074,142號之優先權，該等申請案全部以「子網路增強之無反射濾波器拓撲(Sub-Network Enhanced Reflectionless Filter Topology)」為標題，且在此以引用之方式明確地且全部地併入本文中。

本發明係關於電子濾波器及其使用方法。更特定言之，本發明係關於無反射電子濾波器及其使用方法。

實際上，所有的電子系統都使用某種濾波來抑制不想要之頻率分量。在絕大多數習知濾波器中，經抑制信號被退回到源，最終自己消散在產生器中或互連導線/傳輸線中，或者被輻射至儀器外殼中。這種抑制不想要之信號之方式有時會因以下項而導致與系統內其他組 件之有害交互作用：非線性裝置中之偽混合、敏感主動組件之無意再偏壓或各種信號路徑之間的串擾。已為將在損及效能之前吸收此等不想要之信號的濾波器找到一種解決方案。此引起一種新穎吸收式濾波器拓撲，其在Morgan之美國專利第8,392,495號中予以描述，該專利之全文以引用之方式併入本文中。圖1描繪先前技術之一低通無反射濾波器之一實例。該吸收式濾波器解決了很多習知濾波器遭遇之問題，諸如混合器對於較差帶外終端之敏感度、來自無功諧波負載之有害及難以預測的非線性效應、歸因於濾波器與其他匹配較差的組件之間的捕獲能量而引起之洩露或串擾、及與帶外阻抗匹配相關聯之諸多其他問題。當與不同於吸收式濾波器之其他方法(諸如端接雙工器及採用正交混合器之雙向濾波器結構)相比時，吸收式濾波器亦實現較高效能及可製造性。

然而，儘管具有此等益處，一些應用仍要求比先前展現之無反射濾波器可提供的更加清晰之截止回應。解決這一問題之近來之努力已經給出可具有一清晰得多之截止回應之結構之一增強版本，並且因此給出在那些應用中所要求之更多選擇性，同時，保持該原始無反射濾波器拓撲之所有益處。

本發明解決了與習知濾波器相關及與先前技術無反射濾波器相關的問題及缺點中的數個，藉此在電子系統中為帶選擇及定義提供一新的資源。

本發明之一實施例係關於一種無反射電子濾波器。該濾波器包括一對稱之雙埠電路，其中當該等埠分別以同向及180度異向驅動時，該對稱性定義一偶模等效電路及一奇模等效電路；至少一個無損耗元件及至少一個匹配之內部子網路被配置在該對稱之雙埠電路中使得：偶模等效電路之一標準化輸入阻抗實質上等於奇模等效電路之一 標準化輸入導納以及奇模等效電路之一標準化輸入阻抗實質上等於偶模等效電路之一標準化輸入導納。以此方式，偶模及奇模等效電路可被認為係彼此之對偶。每一匹配之內部子網路給該無反射電子濾波之阻帶信號路徑提供一匹配終端。

較佳地，每一子網路係對稱的或係不對稱的。無反射濾波器較佳進一步包括一洩露路徑，該洩露路徑將阻帶信號之一部分從輸入端傳遞至輸出端而不經過一子網路，且每一子網路經調適以用一振幅及相位傳遞該阻帶信號，其部分消除傳遞通過該洩漏路徑之該阻帶信號之一部分之振幅及相位。

在一較佳實施例中，每一子網路係一衰減器、一貫通連接、一延遲線、及無反射濾波器中之一者。較佳地，一子網路含有至少一額外子網路。較佳地，一子網路包括一級聯之子網路。在一較佳實施例中，每一子網路係低通、高通、帶通、帶阻、全通以及全阻中之一者。每一子網路較佳係主動的或者被動的。每一子網路較佳係可調諧的。

第一子網路較佳包括含有一第二子網路之一無反射濾波器，並且所嵌套之無反射濾波器之總數提供了濾波器階。較佳地，子網路濾波器被調諧至與無反射濾波器相同或不同之頻率。較佳地，該濾波器係第三階的。在一較佳實施例中，第三階濾波器係一抗混疊濾波器。較佳地，濾波器被實施為一單片微波積體電路、一薄膜印刷電路、一厚膜印刷電路、一低溫共燒陶瓷(LTCC)印刷電路及一積體電路中之一者。較佳地，每一基本上無損耗之元件係電感器、電容器、傳輸線以及波導中之一或多者。每一子網路使用與無反射濾波器相同或不同之技術予以較佳地實施。

在另一實施例中，該無反射濾波器可藉由建構先前無反射濾波器之對偶而獲得。當該濾波器由集總元件組成時，該對偶藉由用分路 連接替換全部串聯連接、用串聯連接替換分路連接、用電容器替換電感器以及用電感器替換電容器而獲得。較佳地，所得之對偶網路在拓撲上相異於原始網路，但是其保持無反射且具有相同的頻率回應。該對偶亦可藉由用外部埠交換內部子網路埠來建構。

在一較佳實施例中，較高階濾波器藉由以下方法予以建構：與其對偶交替地嵌套無反射濾波器，從而導致一些元件之有效取消(藉由相同元件之後續串聯連接及並聯連接)。所得網路所具有的元件較佳地少於藉由嵌套相同無反射濾波器獲得的網路，但是展現相同效能。

先前教示(Morgan,#8,392,495)藉由在電路節點之間添加對偶元件而予以變更，添加的方式係保留該對稱性以及允許滿足無反射效能所要求的對偶限制。當與上述子網路增強組合時，此等額外元件可被用於產生積極效果。在一較佳實施例中，該無反射濾波器係第二階的，其中兩個嵌套濾波器中之一者已用至少一個額外電感器及一個額外電容器予以修改。較佳地，該添加的電感器所具有的電感係濾波器中其餘電感器的電感的大約九分之一，且該添加的電容器所具有的電容係其餘電容器的電容的大約九分之一。較佳地，此經修改之第二階濾波器具有更清晰之截止回應及更深的延長之阻帶抑制。

在另一實施例中，無反射濾波器可與具有相似或不同設計(例如低通、高通、帶通、帶阻、全通、全阻或多帶)之一個或多個額外無反射濾波器級聯。該等級聯濾波器亦可被調諧至相同或不同之頻率。將個別級聯無反射濾波器稱為「小區」，吾人可將兩個或更多個小區之子網路埠與小區間子網路交叉連接。小區間子網路可將級聯中之相鄰小區或非相鄰小區予以連接。本發明之其他實施例及優勢部分在下文描述中予以闡明，並且部分可從本描述變得顯然，或可從本發明的實行中得到瞭解。

本發明僅藉由實例且參考附圖進行更加詳細的描述，其中：

圖1係在先前技術中已知之一低通無反射濾波器之一實例。

圖2係為了強調端接主要阻帶信號路徑之子網路的位置及內部埠而重新繪製之圖1之電路。

圖3係一對稱雙埠子網路之一方塊圖。

圖4係與先前技術之無反射濾波器(虛線)相比，具有衰減器子網路之一低通無反射濾波器(實線)之拓撲(插入式)及模擬效能之實例。 該阻帶洩露之消除導致改良的阻帶抑制。

圖5係以另一無反射濾波器作為子網路的一低通無反射濾波器之拓撲(插入式)及模擬效能之一實例，其中該子網路濾波器含有一衰減器作為其子網路(實線)。先前技術之第一階無反射濾波器之效能被展示用於比較(虛線)。對過渡帶洩露之相長干涉已改良過渡角隅之清晰度。

圖6係一第三階低通無反射濾波器拓撲之一實例。

圖7係一第三階低通無反射濾波器拓撲之模擬效能。

圖8係用於建構一對偶無反射濾波器之方法之一圖解說明。

圖9A至圖9B展示以嵌套對偶建構之一第三階無反射濾波器之兩個實例。兩個電路被展示為具有與圖6相同之效能，但是具有更少元件。

圖10係在圖9A中展示之第三階濾波器之外之一例示性MMIC佈局。

圖11係由嵌套對偶濾波器建構之一第二階無反射濾波器之實例，其中該濾波器已用一額外電感器及電容器予以修改。

圖12係在圖11中之無反射濾波器之模擬效能。

圖13係圖11之第二階無反射濾波器之一例示性MMIC佈局。

圖14係一級聯之無反射濾波器小區之一實例，其中一小區間子網路將該等小區交叉連接。

圖15係以一1：1變壓器作為小區間子網路之一雙小區級聯之模擬效能。

如本文中所體現及寬泛描述，本文之揭示內容提供本發明之詳細實施例。然而，所揭示之實施例僅例示本發明，其等可以各種替代形式體現。因此，不希望特定結構及功能細節具有限制性，相反，希望其等為申請專利範圍提供基礎且作為教示熟習此項技術者多方面地使用本發明的代表性基礎。

此項技術中能夠藉由本發明之實施例解決之一問題係在所有頻率處皆充分匹配的電子濾波器之電路拓撲及設計技術。已驚奇地發現此等濾波器具有很多意想不到的優勢，包含在其等輸入及輸出埠上在其等通帶或阻帶、或者過渡帶中的最小反射。此等濾波器之返回損耗在所有頻率上實質上係無限的。另一方面，在習知濾波器中，阻帶抑制係藉由將頻譜之不想要之部分反射回信號源而非吸收其而實現。瞬時濾波器係由集總元件電阻器、電感器、及電容器或者傳輸線等效物及其組合構成且可以適用於應用之任何形式來實施(例如波導、共軸的、引線連接的、表面安裝的、單片積體的)。

圖3描繪一任意之對稱雙埠網路。儘管不要求無反射濾波器係對稱性的，然較佳實施例係對稱的。在此一網路中，若兩個埠用同等的信號振幅及匹配相位同時激發，則將不會有電流從對稱平面之一側交叉流至另一側。此被稱作偶模。類似地，若該兩個埠以同等振幅但以180度異相激發，則位於對稱平面上之所有節點應相對於接地具有零電位。此被稱作奇模。

因此，具有兩個單埠網路是可能的，每一單埠網路含有原始雙 埠網路的元件的一半，其中位於對稱平面上之節點係開路或短接至接地。此等可分別被稱為偶模等效電路及奇模等效電路。等效電路係保留原始(及常常更複雜)電路之所有電特性之電路。原始雙埠網路之散射參數接著作為偶模及奇模等效電路之反射係數之疊加而給出，如下：

其中s_ij係從埠j到埠i之散射係數，且Γ_even及Γ_odd分別係偶模及奇模等效電路之反射係數。因此，自(1)中推導出完美的輸入匹配之條件，s₁₁=0，如下：Γ _even =-Γ _odd (3)

這相當於說標準化偶模輸入阻抗等於標準化奇模輸入導納(或反之亦然)：z _even =y _odd (4)

其中z_even係標準化偶模阻抗，且y_odd係標準化奇模導納，此在該偶模及奇模電路係彼此之對偶(例如用電容器來替換電感器、用串聯連接來替換分路連接)的情況下得到滿足。更進一步，藉由組合(2)及(3)，藉由偶模反射係數直接給出原始雙埠網路之傳遞函數：s ₂₁=Γ _even (5)

本發明之實施例係關於無反射濾波器。該濾波器可係一對稱雙埠電路，其包含至少一基本上無損耗元件，及阻抗匹配之至少一子網路。此匹配子網路(在圖4及圖5中所描繪之實例)可提供一端接至主要阻帶信號路徑，且可取代先前技術之無反射濾波器中之損耗元件或終端電阻器。當埠分別以同相及180度異相驅動時，該對稱電路可以沿著對稱線被平分且可使用偶模及奇模等效電路予以模型化。更進一步，對於一已選擇之標準化阻抗，該偶模等效電路之標準化輸入阻抗 基本上等效於該奇模等效電路之標準化輸入導納。

儘管含有子網路之無反射濾波器之結構可係對稱的，但該子網路本身無需係對稱的。只要該子網路之埠係匹配的，合成濾波器將較佳地亦係無反射。

在特定實施例中，例如如在圖2中展示，存在一洩露路徑，其供阻帶信號之一部分從濾波器之輸入端傳遞至輸出端，而不傳遞通過該子網路。圖2描繪為了強調端接主要阻帶信號路徑之子網路之位置及內部埠而重新繪製之圖1之電路。該子網路可接著被設計為以振幅及相位將阻帶能量中之一些傳遞通過濾波器，其全部或部分消除洩露路徑之振幅及相位，如圖4中所描繪。或者，該子網路可被設計為在過渡帶起點處建設性地添加洩漏，及進一步破壞性地添加至阻帶中，藉此改良截止回應之清晰度，如圖5中所示。

在特定實施例中，此子網路可採用一衰減器之形式。在其他實施例中，該子網路可僅係一貫通線，或一延遲線，藉此達成具有頻率選擇性相位特性之一全通濾波器。

在另外的其他實施例中，如圖5中所展示，該子網路本身可係另一無反射濾波器。該子網路無反射濾波器接著可含有另一子網路，等等，其中以此方式嵌套之濾波器之數量可稱為濾波器階。該等子網路濾波器可被調諧為與上層濾波器相同之頻率，或被調諧為不同頻率。

在一較佳實施例中，如圖6中所展示，該濾波器係一低通及第三階濾波器。此實施例之頻率回應較佳針對第一倍頻程頻寬具有極清晰截止及良好抑制，如圖7中所展示，及因此作為一基頻抗混疊濾波器係非常有用的，其中第一奈奎斯特區之抑制係最關鍵的。

在其他實施例中，該無反射濾波器係另一無反射濾波器之對偶。在一些實施例中，其中該無反射濾波器包括一集總元件網路，該對偶係藉由用並聯連接替換串聯連接、用串聯連接替換並聯連接、用 電容器替換電感器、用電感器替換電容器來建構。在另外其他實施例中，該對偶係藉由用外部埠交換內部子網路來獲得的。此兩種獲得對偶之方法在圖8中藉由實例予以闡述。

在另一較佳實施例中，一無反射濾波器之子網路係其本身之對偶無反射濾波器。在圖9A及圖9B中展示一實例，其中第三階階低通無反射濾波器藉由將圖1中之典型第一階濾波器與其之圖8中所示的對偶嵌套在一起、再與原始無反射濾波器嵌套在一起、或反之亦然而建構。在圖7中展示，與圖6中之第三階濾波器相比，後續相同元件之並聯及串聯連接已導致元件數量之減少，但是其等具有相同之頻率回應。減少之元件數量在一些技術中促進其實施，如圖10中展示之MMIC佈局。

在另一較佳實施例中，一嵌套結構中之無反射濾波器之一或多者經修改具有保留對稱性且允許滿足對偶性限制之額外元件。(此內容脈絡中「對偶性限制」分別指代標準化偶模及奇模等效電路阻抗及導納之實質上等效性。)在圖11中展示一實例，其中一第二階無反射濾波器藉由嵌套兩個無反射濾波器建構，其中一個已經修改具有一額外電感器及電容器，且另一個(未經修改)係其對偶。該電感器及電容器較佳係該結構中剩餘元件大小之九分之一。圖12中展示此結構之模擬回應，及圖13中展示相同結構之一MMIC配置。

在另一較佳實施例中，該無反射濾波器與一或多者額外無反射濾波器級聯。級聯中之個別無反射濾波器之子網路埠可用小區間子網路彼此連接。每一小區間子網路可包括一衰減器、一貫通連接、一延遲線及無反射濾波器中之一或多者。如在圖8中所圖解說明，小區間子網路可較佳地包括一變壓器。此小區間子網路可在阻帶信號路徑中引入一迴路，該迴路較佳地修改頻率回應，同時較佳地維持級聯之無反射性質。如圖9中所示，此實施例之頻率回應在寬頻寬上較佳地具 有一非常清晰之截止及一良好的阻帶抑制。

本發明之實施例可以很多不同技術實施，包含但不限於單片微波積體電路、薄膜印刷電路、厚膜印刷電路、低溫共燒陶瓷及其他類型之積體電路。基本上無損耗元件可係電感器、電容器、傳輸線或波導，且其等可以係引線連接的、連接器連接的或表面安裝的。該子網路之類型或技術無需與上層濾波器相同。

儘管實施例被展示為使用電阻器、電容器及電感器，然可以使用任何無損耗元件或者損耗性元件。一般來說，濾波器可以僅僅含有「損耗性元件」(其之一可行實例係電阻器)及「無損耗元件」(其可以係電感器、電容器、諧振器、變容二極體及/或傳輸線)。該等濾波器之額外特定元件可以係可調諧元件、二極體及/或穿隧接面。儘管所示之實施例包含之元件係依特定順序，然該等元件可以係依任何順序。更進一步說，在特定實施例中，兩個或更多個相同元件或者兩個或更多個不同元件可以被串聯或者並聯連接在一起。集總元件、傳輸線等效物或者集總元件之近似者，電晶體電路等效物或者集總元件之近似者，或者其等之任何組合可以在濾波器中被使用。若使用電晶體，則其等可以係場效應電晶體、雙極型電晶體、互補金氧半導體(CMOS)電晶體及/或雙互補金氧半導體(BiCMOS)電晶體。

被用來製作元件之媒介可為在此項技術中已知的任何媒介，包含但不限於：共軸的、波導、引線連接的、表面安裝的及單片積體的。每一電路可係超導的。

該等濾波器可在一增益區塊、一可調諧濾波器、一濾波器組、一多工器、一升頻轉換器、一降頻轉換器、一傳輸器、一接收器、一收發器或者一信號源中使用。

從對本文揭示之本發明之說明及實行之考慮，本發明之其他實施例及使用對於熟習此項技術者係顯然的。此處引用之全部引用，包 含所有公開案、美國及國外專利及專利申請案，皆係以引用的方式特定且全部地併入。希望本說明書及實例在由下列申請專利範圍指示之本發明的真實範疇及精神下僅被視為例示性。更進一步說，術語「由……構成」包含術語「由……組成」及「基本上由……組成」。

Claims (29)

1. 一種無反射電子濾波器，其包括：一對稱之雙埠電路，其中當該等埠分別以同相及180度異相驅動時，該對稱性定義一偶模等效電路及一奇模等效電路；至少一無損耗元件及至少一匹配之內部子網路，其被配置在該對稱之雙埠電路內使得：該偶模等效電路之一標準化輸入阻抗實質上等於該奇模等效電路之一標準化輸入導納；且該奇模等效電路之一標準化輸入阻抗實質上等於該偶模等效電路之一標準化輸入導納；其中每一匹配之內部子網路給該無反射電子濾波器之阻帶信號路徑提供一匹配之終端。
2. 如請求項1之無反射濾波器，其中每一子網路係對稱的或係不對稱的。
3. 如請求項1之無反射濾波器，其進一步包括：一洩漏路徑，其將阻帶信號之一部分從輸入端傳遞到輸出端而不經過一子網路；且其中每一子網路經調適以用一振幅及相位傳遞該阻帶信號，其部分消除傳遞通過該洩漏路徑之該阻帶信號之一部分之振幅及相位。
4. 如請求項1之無反射濾波器，其中每一子網路包括一衰減器、一貫通連接、一延遲線及無反射濾波器中之一者。
5. 如請求項1之無反射濾波器，其中一子網路含有至少一額外子網路。
6. 如請求項1之無反射濾波器，其中一子網路包括一級聯之子網 路。
7. 如請求項1之無反射濾波器，其中每一子網路包括低通、高通、帶通、帶阻、全通及全阻濾波器中之一者。
8. 如請求項1之無反射濾波器，其中每一子網路係主動的或被動的。
9. 如請求項1之無反射濾波器，其中每一子網路係可調諧的。
10. 如請求項1之無反射濾波器，其中該無反射濾波器係另一無反射濾波器之對偶。
11. 如請求項10之無反射濾波器，其中該無反射濾波器包括一集總元件網路，且其中該對偶係藉由用並聯連接替換串聯連接、用串聯連接替換並聯連接、用電容器替換電感器以及用電感器替換電容器來獲得。
12. 如請求項1之無反射濾波器，其中一第一子網路包括含有一第二子網路之一無反射濾波器，且其中所嵌套之無反射濾波器之總數提供濾波器階。
13. 如請求項12之無反射濾波器，其中該等子網路濾波器被調諧至與該無反射濾波器相同或不同之一頻率。
14. 如請求項12之無反射濾波器，其中該無反射濾波器係該無反射濾波器之子網路之對偶。
15. 如請求項12之無反射濾波器，其中該濾波器係第二階或第三階濾波器中之一者。
16. 如請求項15之無反射濾波器，其中該第三階濾波器係一抗混疊濾波器。
17. 如請求項1之無反射濾波器，其中該無反射濾波器進一步包括輔助元件，該等輔助元件保留該標準化偶模等效電路阻抗及標準化奇模等效電路導納之對稱性及實質上同等性。
18. 如請求項17之無反射濾波器，其中該無反射濾波器係第二階的，其中一第一無反射濾波器包括輔助元件，且一第二無反射濾波器既係對偶的又係該第一無反射濾波器之子網路。
19. 如請求項18之無反射濾波器，其中該子網路無反射濾波器可包括或不包括輔助元件。
20. 如請求項1之無反射濾波器，其中該濾波器被實施為一單片微波積體電路、一薄膜印刷電路、一厚膜印刷電路、一低溫共燒陶瓷(LTCC)印刷電路及一積體電路中之一者。
21. 如請求項1之無反射濾波器，其中每一基本上無損耗之元件係電感器、電容器、傳輸線及波導中之一或多者。
22. 如請求項1之無反射濾波器，其中每一子網路使用與無反射濾波器相同或不同之技術來實施。
23. 如請求項1之無反射濾波器，其中該無反射濾波器與一或多個額外之無反射濾波器級聯。
24. 如請求項23之無反射濾波器，其中該等級聯濾波器係相同或不同之類型(低通、高通、帶通、帶阻、全通、全阻或多帶)。
25. 如請求項23之無反射濾波器，其中該等級聯濾波器被調諧至相同或一不同之頻率。
26. 如請求項23之無反射濾波器，其中該無反射濾波器經由一小區間子網路而與該級聯中之另一無反射濾波器交叉連接。
27. 如請求項26之無反射濾波器，其中該小區間子網路連接該級聯中之相鄰或者不相鄰之濾波器。
28. 如請求項26之無反射濾波器，其中該小區間子網路包括一衰減器、一貫通連接、一延遲線及無反射濾波器中之一者。
29. 如請求項26之無反射濾波器，其中該小區間子網路包括一1：1變壓器。