TWI307576B - An ultra wide band (uwb) filter with enhanced coupling - Google Patents

Description

1307576 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 - 本發明係有種濾波器，其特別有關於-種使用耦合增 強式之超寬猶波器，其可應用於超寬頻無線系統。 【先前技術】 現今人㈣追求鱗通訊之轉目標包括有高速、省電、低 發射功率與低成本等。目前採用的無線區域網路(饥颜声誌芽 (細0〇_統將無法_滿足人們對傳輸大量數位資^要 未。另-方面，有鑑於人睛於健康問題的重視；太強能量駐 線電磁波將會有害於人_健康；故低發射功率的無線通訊系統 是目前最迫切需要的。 在-般的無線通訊祕中，以接收機為例。射頻電路係位於 收發祕㈣端。射舰驗由场(Ant_)触職，再經由 •濾、波器(騰r)、低雜訊放大(LNA)，以及藉著電壓控制振盪器(vc〇) 提供本地振舰號(LG Signal)與咖峨在驗到胞…降頻至 中頻訊號(IF Signal) ’最終輸人至訊號處理器並將其轉成所需 頻資訊。在射頻前端電路中’濾波器通常位在天線關後端。其 主要用途就是過滤非必要之訊號，選擇部份訊號予以通過，而阻 隔其他訊號。濾波斋亦是具關鍵性的被動元件之一。以行動電話 為例，被動讀·佔了主機板上將近65%的面積；射又以遽波器 為較具價值關鍵元件m皮⑽鮮特性會間接影響後端 1307576 電路在處理信號時的準確度與失真率，由此可見濾波器頻率特性 的優劣將決定無線通訊系統的品質。 為了要提供一種具有高速傳輸能力與低發射功率的無線通訊 ' 系統，超寬頻(Ultra Wide Band,UWB)系統即可達到此一目標。超 I頻系統是一種嶄新的無線個人區域網路技術標準。 UWB的頻譜範圍極廣’從3432MHz至10296MHz，以528MHz $ 做為一個頻帶的單位，將頻譜切割為5個通道(Channel)，可用來 進行向速且大里的資料傳輸(最高可達5〇〇MbpS)。在美國聯邦通訊 委員冒（Federal Communications Commission，FCC)訂定的 UWB 系 統通訊標準中，其頻寬範圍需在3.1〜10_6GHz之間。為了符合UWB 的頻率響應’在UWB的射頻前端電路中，許多主被動元件需要重 新設計’特別是最具價值之功能性射頻被動元件_渡波器。在傳統 無線通訊系統中，例如IEEE 802.11/a/b/g與藍芽系統。濾波器多 鲁 是用來建構窄頻(Narrow band)的頻率響應，或是用來設計多頻響 應的濾波盗。為了符合UWB的頻率響應，傳統窄頻帶的濾波器已 不適用。有需要重新設計一種具有超寬頻特性之濾波器。 為了解決上述問題，有需要提供一種超寬頻濾波器以克服先 刖技術的缺點。職是之故，申請人乃細心試驗與研究，並一本鍥 而不捨的精神，終於研究出以複數個共振器，使用耦合增強式之 電磁搞合的方式來形成超寬頻帶特性之濾波器。 【發明内容】 7 1307576 知技術之問題’本發明提供—種超寬頻織器， 可應用於超寬頻無線通訊系統中。 本發a月之—目的在於提供一種超寬頻渡波器，利用複數個共 振=合單元_雜繼，形成__大於娜以上 之超X頻濾波器。 一射目的’本發明提供—種超寬頻濾波it，其包含一第 元广輪出/人埠；-第二射頻信號輸出，人埠·，一第一编合單 輸出/入^合單元；狀複數個共振11。財該第，頻信號 信雜屮/入褚 貝應疚。°之域饋出/入端；該第二賴 ° 車用於作為該超寬頻丨； —息皮态之尨旎饋出/入端；該第一 單元=::=懈爾™ 振器 用於產生t 電购合強度；以及該複數個共 、產生一超見頻之頻率響應。 根據本發明之„特徵，其 線構成 成。 超讀K胃之結獅以微帶 器之結構係為步階 之頻寬範圍在 式：r-特徵，其-複數個共振 Μ:，:明之-特徵，射該超寬峨波器 下文特舉數=^其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂， 心例，魏合所_式，作詳細說明如下。 1307576 【實施方式】 雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於 下文中說明麵為本㈣可之雛實細，並請了解本文所揭示 者係考量為本發明之—範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖 示及/或所描述之特定實施例中。

現請參考第1圖，其顯示根據本發明第一實施例之輕合增強 式超寬頻遽波器100之電路方塊（第吵）圖）與結構（第1(b) 圖）示意圖。請參照第i⑻圖，其所示為本發明之第—實施例之 耦合增強式超寬頻遽波器卿之電路方塊（第工⑷圖）示意圖。 根據本發明之一種轉合增強式超寬頻濾波器卿之第— ^包含概f做賴_雜如直絲合生超寬 、之頻率¥應。在結構上，該超寬頻濾波器_ :信號輸―-第二射频信號輪心有;： 配置:寬^皮器31。該第一咖 該超寬職〜於作為 、置於該超寬頻濾波入璋 電性連接於該第-射頻信號輪該第一共振器如，係 通之頻率響應。該第二共振器31，係用於產生:第一寬頻帶 輸出/入埠11，用於產生一第_ 1連接於该第二射頻信號 見頻帶通之頻率響應。其中，該第 9 1307576 μZ 該第二共振器31係以電磁麵合4G方式互相連接， 二^地5周整該第—共振器30與該第二共振器31之距離與耦 σ^Γ可翻轉合增触功效來形成Ε舰拉觸。該第-共 振°。3〇所產生之第一寬頻通帶之頻率係不同於該第二共振器31 3生H親帶之醉，___合财歧得 =Γ/Γ㈣職生之第—寬躺帶之解接近郷二共振器 >生之第二寬頻通帶之頻率以得到一寬的通帶響應。 雜合增強式超寬頻濾波器細的結構至少包含有具有 表面201及一 ^ ± . 的第—表面加之Γ第—丘基板200;設置於該基板200 本二Λ 弟—共振器30 ;及設置於該基板200的第一 二01且電性連接於該第一共振器3〇之-第二共振器31。在第 —共振器30盥第-丘择哭。η ^ 10>11 Ua 31的左右邊各具有-輸人埠/輸出埠 以曰立°亥輪入璋/輪出璋10,11最佳設計的阻抗為5〇.，但亦可 ^其他的特触抗值。若該輪人埠_埠K)，u的阻抗不為 信麥於1…、他70件連接時’只要作—阻抗轉換即可。該第一射頻 30 ^ /入蜂10與该第二射頻信號輪出/入埠11之特性阻抗係為 17〇歐姆。 —幸一、、弟2圖’本發明之輕合增強式超寬頻濾波器100之第 振器作a f長度為二分之-導波長之髮夾型共 入埠、、、…為30與弟二共振器31。該第-射頻信號輪出/ 人弟二射頻信號輪出/入埠U係使用饋入線（Tapped Line) 10 1307576 結構。輸入外部品質因素(Exte 是決定饋讓置的输彻外_因饥 h應'及时參數之一。當濾 :雜量或頻率不高的時候，若採用平谢 ==·在實作上可能有相當的_。使·線 日為在私的諧振11上都可峨晴應α值的 ^、輸出點。Qei可視為電源阻抗&與第—_振器_合程 度，Qe。可視為負载Rl與最後—級鎌器的耦合程度，並斑耦人 係數呈倒數關係。換言之，雜人、輸出所需_合係數越大， 則代表其α越小l輸崎需_合餘編、，則代表盆 α越大。Qe值的另-項意義’就是輸入、輸出觸振器造成負載 政應的品質因素，内含輸入阻抗或導納對頻率的變率，對應某& 值之輸入及輸出點位置可以由此推導出來。 在饋入線的設計上，請參照第3圖。第3咖與第3(b)圖所示 分別為半波長與四分之-波長微帶線共振轉輸線料圖。該傳 輪線共振器上各點的輸入阻抗，可利用傳輸線理論求得。在第3(a) 圖中’其中Zl代表輸入點到零電位點之距離，L為總長度。對半 波長共振器而言，中心點係為零電位處；對四分之一波長共振哭 而言則是其接地處。令微帶線特性阻抗為z〇，當半波長共振器發 生共振時，總電性長度(Electrical Length)為.，故輸入導納γ_可 舄成頻率之函數如下式所示： y JY〇 •π ⑴ 11 (2) '1307576 因此’ Qe與&之關係可為 Qe 兀 RS/Z〇 2 sin:

L :==::=:=〜 ϊ; = jy〇 tan ω ω -π β

Qe與/l之關係可為 Qe 7ΐ (3) 4 sin: (4)

f πΙλ ~L 輸入點所龍之麵振頻物近有效，即卜Λ|/Λ<<1。 〃在本發明之輕合增強式超寬頻濾波器1〇〇之第一實施例中，誃 第一共㈣％與第二共 31係使用—對均皱抗且長声為I 分之一導波長之髮夹型編。該第—共振器％與第：共二二 之部分結構係交錯以形成耦合(0ver -coupling )現象。夢由、商片 地調整共振器之間的間跖 曰^田 濾波哭娜可皆旦^、重豐的長度’ _合增強式超寬頻 ^ m β 地調整其頻寬。該超寬頻濾、波器觸之一且 ，實施例巾，錢製雜RT彻i_c餘上，財心頻率係 3又a十在4.3GHz，間距&发π。 ' 1 E gl 為 0.2 歷 ’ U 為 1〇軸與 L2 為 19 5mm。 θ不<、、、發明之輕合增強式超寬頻濾波器伽之第一 :之:率_圖’可藉由全波模擬軟體如咖或HFSS事先:: 传知，上之響應。_中可知，該第—實施例之_圍係在 12 1307576 3.5-5 GHz ’ 3-dB頻寬比為35% ’插入損失在〇5dB以内，漣波小 於0.3dB。在-較佳貫施例中，該超寬頻濾波器之頻寬範圍係在 • 3-HGHz 之間。 .- 對於操作頻率在2〇GHz以下的超寬頻濾波器1〇〇而言，該基 板200也可選擇-般商用基板，懸浮基板、陶究基板、玻璃基板、 玻璃纖維基板、碳氫化合物喊基板、高溫共燒陶莞、低溫共燒 陶究、鐵弗龍基板、鐵弗龍玻璃纖維基板及鐵_贼基板，其 •巾懸浮基板為一般商用基板支撐-高度在接地所形成。使用商用 基板的優點是成本低，且製作容易。然而，為了能有效地整合主 被動元件至單基板而達到系統單晶片(s赌瓜⑽细p，，該 基板200可選擇如懸浮基板、雜板、梦錯基板及坤化嫁基板等 半導體性機板。其中，懸浮基板可以採用微機電㈣⑽ Electro-Mechanical，MEM)技術所形成的薄膜懸浮基板。 鲁 *上揭的實施例中’該第一共振器30與第二共振器31之電路 結構為微雜㈣咖邱line)結構。然而需注意是，該超寬頻遠波 器100之該第-共振器3〇與第二共振器31亦可以使用其他的電 路結構，如同軸線、微帶線、共面波導線、槽線與帶線所組成族 群中之任何一種結構。此外，在上揭的實施例中，該第一共振器 30與第二共振器31係使用-對均句阻抗且長度為二分之二導： 長之4夾型共振益。然而，該共振器結構亦可以採用步階式阻抗 共振器(Step Impeda腦resonator, SIR)、環形(Ring)共振器、髮失型 13 l3〇7576 強式超寬頻濾波器1GG可以輕易地調整其頻寬，_寬比（定義 為頻1/中心頻率）可輕易地調整的範圍為1〇%到觀之間。 然而，為了更寬的頻寬比，在本發明中，更揭示一種加入額 外的耦合元件_合增強式超寬賴波器i.現請參考第6圖，、 其所不為本發明之雜合增強式超寬頻濾波器觸之第三實施例之 ^塊圖。其包含概念係使賴數個共振器並結合複數她合單元 ^達到增誠波na合能力，衫生超_之鮮響應。在結 n t要匕3有第—射頻信號輸出/入埠10，係配置於該超寬 '員遽波器100之射糖拉缺終山/λ λ 輸出/人之—端；—第二射頻信號輸出/ 山广配置於該超寬頻濾波器⑽之射頻信號輪出/入之— 1.弟1馬合早70 20 ’係電性連接於該第一射頻信號輸出/入埠 31 .…第二轉合單元21 ’係電性連接於該第二射頻信號輸出/入埠 30 η至少—第—共振113G與—第二共振1131。該第一共振器 哭糸乂也磁耗:4〇方式連接於該第一輕合單元如與該第二共振 之^該帛—共振器31係以電雜合40方式連接於該第二 二單元21與該第—共振器％之間。在功能上，該第一射頻信 =出7入㈣，用於作為該超寬頻濾波器勘之信號饋出/入端； ㈣n#u輪出/入璋11 ’用於作為該超寬頻滤波器100之信 賴出/人端；舞—私單元2("_加_超錢濾波器· =岭40強度；該㈣合單元Μ，用於加強該超寬舰波 裔謂之電軸合，度；卿峨個伽，_生超寬 15 1307576 頰炙頻率響應。 X f 〃版只知例中，該第一轉合單元20與第二耦合單元21係 ，第於::分之一導波長。該第，合單元％，該第二•合單元η， ㈣結構之_構娜線㈣_叩 况，該第二轉合單元7=賴渡波器100之該第一輛合單元 以使用4一共振器30與第二共振器31亦可 與帶線所組成族群中之任何^=~線、共面波導線、槽線 該第-共細狀實施例中， 該第-共振器3。與階式阻抗共振器。然而 使用環形共振写、髮/採用步階式阻抗共振器亦可以 哭盘_轉1 〃振^梳型、片形共振器、介電共振 ^〜振辑组成辦中之任何—種共振器結構。 請參照第7圖，在本發明第-與 頻濾波it _s_RTDu = _合增強式超寬 叶W 顧上；射心頻率係設 一二广為0.05 mm ’ Ll與l2均為6.7麵。請參照第8圖，其所 不為弟三實_之頻轉顧呵融全賴練挪丨励 =事输得知咖之響應。嫩可知，_合增強式超 見賴波II勘之第三實蘭之頻寬細係在3额6邮，通 頻見比為娜’插人損失在a9dB以内，漣波小於她。 需注意的是，上述所揭示的輕合增強式超寬頻濾波器獅係 16 1307576 採用分別採用-對共振器所成，但亦可以相同的原理但採用更多 級的共脑來减，雖職波！!會有較大的面積，但可以達到更 高的選擇性(sdectivity)，亦即是在止帶會有更高的衰減速度。 綜上所述，根據本發明之-種轉合增強式超寬頻渡波器卿， 其错由共振難耦合單元間_合效應，以產生地頻寬比大於 3〇%以上之超寬頻濾波器細，其同時具有以下列優點：高頻化 微小化、㈣魏寬、終合料導體製程及具有高度的商業化 價值，各種材料之基板2〇〇皆可實現_合增強式超寬頻渡波器 ⑽。、另外’具有低插入損失與高品質因素，可廣泛應用於超寬頻 热線通訊系統中。 雖然本發邮赠述雛實施_示，财並_以限定本 創作，任何师b技藝者，衫雌树批精神和顧内，當 可作各種之更軸修改。如上述的轉，射以作各型式的修: 與變化，糾會破壞關刺精神。目此本伽之鍾範圍當視 後附之申請專利範圍所界定者為準。 17 1307576 【圖式簡單說明】 第1固 - 強式超寬頻濾波器之 圖顯示根據本發明第一實施例之耦合增 兔路方塊與結構示意圖； 第2 ®顯示為本發明之第一實施例之結構圖； ^圖顯權核娜)四狀-嶋^編讎示

卑4圖顯福本發明之第-實_之_塑應圖· 心顯示為(啊與_之步階式阻；；振器； ^6 m為本發明之第三實施例之方塊圖； =7圖顯示為本發明之第三實關之結構圖；以及 弟8圖齡為本發明之第三關之頻率響應圖。 【主要元件符號說明】 10第一射頻信號輪出/ ΟΛ ^ 〗田/入埠11第二射頻信號輸出/入埠 \弟一輕合單元輕合單元 3〇第—共振器、31第二共振器 40電磁耦合 100本發明之第-實施例 200本發明之第二實施例 1〇〇超寬頻濾波器 202第二表面 200基板201第—表面 18

Claims (1)

1307576 十、申請專利範園： ^一種超寬缩麵^其至少包含： —奸板財一第—表面及—第二表面； 為該^=^輪出/入璋，設置於該基板的第—表面，用於作 _見頻遽'波器之信號饋出/入端； ^二射頻信號輪出/入埠，設置於絲 為该―超寬T波器之信號饋出/入端； 用於作 -二，器’設置於該基板的第-表面，係電性連接”第 射_號輪出/入埠，其用於產 = 於料 一第二此撫突 逋f之頻率響應； 二射頻二二設？該基板的第一表面，係電性連接於該第 其用於==:以電磁耦合方式連接於該第-共振器， 王弟—通帶之頻率響應； 其中， s “ 該第—共振器所產生之第—通帶 器所產生之第二通帶之頻率糸不同於該第二共振 τ之頻率’猎由增強的電 弟-共振器所產生之第—通帶之頻率接近該第=式_ 之第-通帶之頻率以得到、振崙所產 2.如申請專浙网〜 ⑽通讀應。 乾圍弟1項所述之超寬頻濾 更包含： 、〜皮时，該超寬頻濾波器 第耦合單凡，係電性連接於該第—射 於加強該超寬頻濾波器之電_合強Up輪出/入埠，用 19 1307576 -第二輕合單元，係電性連接於該第二射·號輪出 於加強该超寬頻渡波器之電磁李馬合強度。 如申明專利㈣第！項所述之超寬麵波器，其中該基r ^ FR4 . RT.Dur〇id Series ^ ^ ^ r〇 ^ 4·二:，:充解導體所組成族群中之任何-種基板材料。 π利祀圍帛1項所述之超寬頻濾波器 波器之地頻寬比係不小於2〇%。 、中掏爾 如申π專利範圍第3項所述之超寬頻濾波 波器之頻寬細係在处GHz之間。 中賊見衡慮 6 第1項所述之超寬減波器，其中該第-胁 線:器之電路形式係為同轴線、微帶線、共面波導 7 u 成族群中之任何—種結構。 .哭^請專鄕綱述之超寬賴波器，其中該第— ™人該第二魏^之結構 、 器、髮夾型轉” ^白式阻抗共振益、環形共振 線形#⑽= 片形共翻、介電共振器與 8.如申:=組成族群中之任何-種共振器結搆。 甲叫專利乾圍第i項所述之超# 9 ^輪出其中該第—射頻 .信==Γ之超寬頻_，其中該第二射頻 10.如申t主衷；:蜂之特性阻抗係為奶0歐姆。 耗圍弟1項所述之超寬頻濾波器，其中該第—輕合 20 1307576 單元係不小於八分之一導波長。 11.如申請專利範圍第1項所述之超寬頻濾波器，其中該第二耦合 單元係不小於八分之一導波長。

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