TWI437758B - 濾波裝置及其相關無線通訊接收機 - Google Patents

Description

濾波裝置及其相關無線通訊接收機

本發明係一種濾波裝置及其相關無線通訊接收機，尤指一種可縮小電路佈局面積及較高可調性的濾波裝置及其相關無線通訊接收機。

超外差接收機(Super Heterodyne Receiver)是一種最為廣泛使用的無線通訊接收機，其可以簡單的執行載波頻率調諧(即選台)、濾波及訊號放大。在超外差接收機中，訊號從天線接收經過放大、射頻濾波、降至中頻、經一至多個中頻放大及濾波，最後降至基頻作訊號解調處理。其中，由射頻降至中頻的過程中，往往會受到鏡像頻率(Image Frequency)干擾的影響，導致後續訊號處理發生問題。

請參考第1圖，第1圖為習知用於一超外差接收機10之示意圖。超外差接收機10包含有一天線100、一低雜訊放大器102、一鏡像消除濾波器(Image Reject Filter)104、一混頻器106、一本地振盪器(Local Oscillator)108、一中頻低通濾波器110及一中頻放大器112。超外差接收機10的運作方式簡述如下。射頻訊號V_RF1 由天線100接收後，經低雜訊放大器102放大成為射頻訊號V_RF2 ；接著，鏡像消除濾波器104濾除射頻訊號V_RF2 中的鏡像頻率訊號，以產生射頻濾波訊號VF_RF ，再經混頻器106降頻至中 頻頻段，並由中頻低通濾波器110濾波和中頻放大器112放大後輸出中頻訊號V_IF 。其中，鏡像消除濾波器104係用來消除鏡像頻率干擾。鏡像頻率產生的原因在於：兩輸入頻率｜f_LO ±f_IF ∣，都會在混頻器106輸出產生頻率f_IF ；其中，頻率f_LO 為本地振盪器108的振盪訊號頻率，而頻率f_IF 為中頻訊號V_IF 的頻率。因此，在超外差接收機10中，頻譜上對稱於本地振盪訊號兩側的信號經過混頻器106時，會進入到相同的頻帶中，形成一種干擾訊號，降低了訊擾比(Signal to Interference Ratio，C/I Ratio)，而污染欲接收的信號，以致影響超外差接收機10的接收效果。面對鏡像頻率干擾的問題，最常用的方法是在混頻器106前加一個帶通濾波器，即鏡像消除濾波器104，用以先把干擾信號濾除再進入混頻器106中，以將干擾降至最低。

在習知技術中，鏡像消除濾波器104的實現方式有許多種，例如髮夾式帶通濾波器(Hairpin Band Pass Filter)或者平行耦合線濾波器(parallel-coupled line filter)等。請參考第2圖，第2圖為習知一髮夾式帶通濾波器20之示意圖。髮夾式帶通濾波器20係為橫向對稱式(Transverse Symmetry)架構，其包含有微帶線(Micro-strip Line)連接器IO_a、IO_b及共振器RSN_1~RSN_n。微帶線埠IO_a、IO_b連接於前、後級電路，用以接收及輸出訊號。共振器RSN_1~RSN_n之每一共振器的總長大約為欲接收之訊號波長的一半，而其個數n代表髮夾式帶通濾波器20的階數(Order)，設計者可根據不同需求設計n的大小。

因此，透過調整每一共振器的總長、個數、寬度等特性，髮夾式帶通濾波器20可達到適當的鏡像頻率拒斥效果。然而，在髮夾式帶通濾波器20中，每一共振器皆為彎折式(或髮夾式)結構，因而會佔用較大的電路板面積，使得成本隨之增加。更有甚者，髮夾式帶通濾波器20在靠近通帶(Pass Band)兩旁的雜訊抑制能力較差。換言之，若雜訊較靠近射頻頻帶時，則可能進入到電路內，造成干擾。在此情形下，習知技術可使用微帶線之匹配網路，如四分之一波長的開路殘段(Open Stub)，來產生另一截止頻帶，以抑制雜訊。

請參考第3圖，第3圖為一微帶線開路殘段架構30之示意圖。微帶線開路殘段架構30係在傳輸路徑(即輸入埠PT_i至輸出埠PT_o)上，延伸出一終端開路的開路殘段300，以產生另一截止頻帶頻寬。然而，開路殘段300產生的截止頻帶頻寬約在30%左右，且縮小頻寬的效率較差。舉例來說，請參考第4圖及第5圖，第4圖及第5圖為開路殘段300在不同線寬下穿透係數及抑制頻段頻寬之示意圖。在第4圖中，曲線TP_1~TP_5分別表示開路殘段300之線寬為0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm及0.3mm時，穿透係數之曲線；而在第5圖中，曲線TP_HM及BW_RJ分別表示開路殘段300之線寬為0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm及0.3mm時，諧振點穿透係數及抑制頻段頻寬之曲線。因此，由第4圖及第5圖可知，開路殘段300縮小頻寬的效率較差，換句話說，微帶線開路殘段架構30對於靠近射頻頻帶的雜訊濾除能力 不佳，無法有效濾除雜訊。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種濾波裝置及其相關無線通訊接收機。

本發明揭露一種濾波裝置，包含有一絕緣基板，包含有一第一面及一第二面；一微帶傳輸線，佈於該絕緣基板之該第一面上，用來傳輸訊號；以及一接地金屬層，佈於該絕緣基板之該第二面上，用來提供接地；其中，該接地金屬層中對應於該微帶線之一區塊形成有一曲折型共振腔，用來於該微帶傳輸線上產生一截止頻帶。

本發明另揭露一種無線通訊接收機，包含有一天線，用來接收一無線訊號；一導波管，耦接於該天線，用來加強該無線訊號中一特定頻帶之電波；一降頻器，用來降低所接收之訊號的頻率，以輸出一中頻訊號；一基頻處理器，用來處理該中頻訊號；以及一濾波裝置，其包含有一絕緣基板，包含有一第一面及一第二面；一微帶傳輸線，佈於該絕緣基板之該第一面上，且耦接於該導波管與該降頻器之間，用來傳輸訊號；以及一接地金屬層，佈於該絕緣基板之該第二面上，用來提供接地；其中，該接地金屬層中對應於該微帶線之一區塊形成有一曲折型共振腔，用來於該微帶傳輸線上產生一截止頻帶。

請參考第6A圖至第6C圖，第6A圖為本發明實施例一濾波裝置60之側視爆炸圖，第6B圖為濾波裝置60之上視平面圖，第6C圖為濾波裝置60之下視平面圖。其中，為正確說明本發明，第6A圖至第6C圖使用箭號600、602，說明相關於濾波裝置60之視角方向。濾波裝置60包含有一絕緣基板604、一微帶傳輸線606及一接地金屬層608。微帶傳輸線606及接地金屬層608分別形成於濾波裝置60的上、下兩面，用以傳輸訊號及提供接地。在接地金屬層608中，一區塊A'係對應於微帶傳輸線606中一區塊A，其形成(或蝕刻)有一曲折型(meander-shaped)共振腔610，用以於微帶傳輸線606上產生一截止頻帶。簡單來說，區塊A正下方所形成曲折型共振腔610係用來產生一截止頻帶，使得濾波裝置60可過濾特定頻帶的訊號。

在濾波裝置60中，微帶傳輸線606正下方的曲折型共振腔610係等效於一電阻、一電容及一電感之並聯電路。換句話說，只要適當調整曲折型共振腔610的間距、總長等，即可調整截止頻帶之頻寬、中心頻率、諧振點穿透係數等。舉例來說，請參考第7圖及第8圖，第7圖及第8圖為濾波裝置60在不同曲折型共振腔610之間距下穿透係數及抑制頻段頻寬之示意圖。在第7圖中，曲線ITP_1~ITP_5分別表示曲折型共振腔610之間距為0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm及0.3mm時，濾波裝置60之穿透係數的曲線；而在第8圖中，曲線ITP_HM及IBW_RJ分別表示曲折 型共振腔610之間距為0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm及0.3mm時，濾波裝置60之諧振點穿透係數及抑制頻段頻寬的曲線。由第7圖可知，當曲折型共振腔610的間距變小，濾波裝置60的截止頻帶也跟著變小，主要是由於當曲折型共振腔610的間距變小時，電容性會增強，而截止頻帶的頻寬係相關於等效電阻及電容乘積的倒數，所以截止頻帶的頻寬也跟著變小。另外，由第8圖可知，當曲折型共振腔610的間距變小，則截止頻帶的頻寬會快速縮小，例如，當曲折型共振腔610的間距從0.30mm降至0.10mm時，截止頻帶的頻寬縮小了約17%。進一步與第3圖之微帶線開路殘段架構30比較，請參考第9圖，第9圖為微帶線開路殘段架構30之抑制頻段頻寬曲線OPS_BW與濾波裝置60之抑制頻段頻寬曲線DGS_BW的比較圖。由第9圖可知，濾波裝置60之截止頻帶的頻寬縮小速度約為微帶線開路殘段架構30的兩倍。換句話說，只要適當調整曲折型共振腔610的間距，即可有效調整截止頻帶之頻寬。在此情形下，本領域具通常知識者可使用濾波裝置60，輔助帶通濾波器，以增加其抑制能力，或是內嵌在微帶線底部濾除雜訊。

另一方面，在實現濾波裝置60時，通常會在接地金屬層608上包覆一殼體。請參考第10A圖及第10B圖，第10A圖為濾波裝置60之底部包覆一殼體1000之示意圖，第10B圖為殼體1000之示意圖。由於接地金屬層608形成有曲折型共振腔610，因此，殼體1000上需包含有一逃料空間1002，其投影於絕緣基板604之面 積需大於曲折型共振腔610的面積，以維持其正常運作。此外，逃料空間1002的深度可改變曲折型共振腔610之等效電路的電感與電容值，例如，第11圖為不同逃料空間1002之深度下，濾波裝置60之穿透係數的示意圖。在第11圖中，曲線HTP_1~HTP_3分別表示逃料空間1002之深度為0.5mm、1.0mm及2.0mm時，濾波裝置60之穿透係數的曲線。因此，當逃料空間1002的深度越淺時，濾波裝置60之截止頻率的中心頻率會越往高頻偏移。如此一來，只要適當調整逃料空間1002之深度，即可調整濾波裝置60之截止頻率的中心頻率。

因此，由上述可知，透過調整曲折型共振腔610的間距、總長或逃料空間1002之深度，即可調整截止頻帶之頻寬、中心頻率、諧振點穿透係數等特性。換言之，本領具通常知識者可根據不同需求，輕易地達到所需之濾波特性。當然，除了上述的調整方式，亦可與業界常見之調整方式結合，以提升濾波裝置60之可調性。例如，在無線射頻技術中，調整螺絲(Tuning Screw)是一種常被用來微調微帶線電容大小的技術，其可透過轉動調整螺絲而改變共振電路與調整螺絲之間的等效電容，進而調整濾波特性。這種使用調整螺絲的方式亦可用於本發明中，以增進可調性。

如前所述，曲折型共振腔610係等效於電阻、電容及電感之並聯電路，此種等效電路擁有較高的Q值，所以頻寬會較窄，因而可輕易抑制靠近射頻頻帶的雜訊。藉由這些的特性，若將濾波 裝置60適當地應用於無線通訊接收機中，則可取代帶通濾波器(如第2圖所示之髮夾式帶通濾波器20)。請參考第12圖，第12圖為本發明實施例一無線通訊接收機1200之示意圖。無線通訊接收機1200使用第6A圖之濾波裝置60，並包含有一天線1202、一導波管1204、一降頻器1206及一基頻處理器1208。無線通訊接收機1200之運作方式簡述如下。射頻訊號由天線1202接收後，由導波管1204加強特定頻率的電波；接著，本發明之濾波裝置60濾除鏡像頻率訊號，再經降頻器1206降頻至中頻頻段，以由基頻處理器1208進行後續處理。簡單來說，無線通訊接收機1200係以導波管1204及濾波裝置60取代帶通濾波器。由於濾波裝置60除了具備較窄的截止頻帶外，還具備體積小、成本低等優點，且容易內嵌於微帶電路中，故可縮小電路佈局面積，並提高電路性能及降低成本。

需注意的是，第12圖僅為無線通訊接收機1200之示意圖，實際上，無線通訊接收機1200可能包含其它元件，如低雜訊放大器、中頻低通濾波器、中頻放大器等，而本領域具通常知識者當可依其所需做適當之變化。

綜上所述，本發明係於微帶傳輸線正下方的接地金屬層，形成曲折型共振腔，以產生截止頻帶，使得濾波裝置過濾特定頻帶的訊號。因此，本發明之濾波裝置除了具備較窄的截止頻帶外，還具備體積小、成本低等優點，且容易內嵌於微帶電路中，故可 縮小電路佈局面積，並提高電路性能及降低成本。更重要的是，本發明之濾波裝置的可調性較高，可透過多種調整方式，適度調整其濾波特性，以達到系統需求。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧超外差接收機

100‧‧‧天線

102‧‧‧低雜訊放大器

104‧‧‧鏡像消除濾波器

106‧‧‧混頻器

108‧‧‧本地振盪器

110‧‧‧中頻低通濾波器

112‧‧‧中頻放大器

V_RF1 、V_RF2 ‧‧‧射頻訊號

VF_RF ‧‧‧射頻率波訊號

V_IF ‧‧‧中頻訊號

20‧‧‧髮夾式帶通濾波器

IO_a、IO_b‧‧‧微帶線埠

RSN_1~RSN_n、IRSN_1~IRSN_n‧‧‧共振器

30‧‧‧微帶線開路殘段架構

300‧‧‧開路殘段

PT_i‧‧‧輸入埠

PT_o‧‧‧輸出埠

600、602‧‧‧箭號

60‧‧‧濾波裝置

604‧‧‧絕緣基板

606‧‧‧微帶傳輸線

608‧‧‧接地金屬層

610‧‧‧曲折型共振腔

A、A'‧‧‧區塊

1000‧‧‧殼體

1002‧‧‧逃料空間

1200‧‧‧無線通訊接收機

1202‧‧‧天線

1204‧‧‧導波管

1206‧‧‧降頻器

1208‧‧‧基頻處理器

TP_1~TP_5、TP_HM、BW_RJ、ITP_1~ITP_5、ITP_HM、IBW_RJ、OPS_BW、DGS_BW、HTP_1~HTP_3‧‧‧曲線

第1圖為習知用於一超外差接收機之一降頻器之示意圖。

第2圖為習知一髮夾式帶通濾波器之示意圖。

第3圖為習知一微帶線開路殘段架構之示意圖。

第4圖為第3圖之開路殘段在不同線寬下穿透係數之示意圖。

第5圖為第3圖之開路殘段在不同線寬下抑制頻段頻寬之示意圖。

第6A圖為本發明實施例一濾波裝置之側視爆炸圖。

第6B圖為第6A圖之濾波裝置之上視平面圖。

第6C圖為第6A圖之濾波裝置之下視平面圖。

第7圖為第6A圖之濾波裝置在不同曲折型共振腔之間距下穿透係數之示意圖。

第8圖為第6A圖之濾波裝置在不同曲折型共振腔之間距下抑制頻段頻寬之示意圖。

第9圖為第3圖之微帶線開路殘段架構之一抑制頻段頻寬曲線與第6A圖之濾波裝置之一抑制頻段頻寬曲線的比較圖。

第10A圖為第6A圖之濾波裝置之底部包覆一殼體之示意圖。

第10B圖為第10A圖之殼體之示意圖。

第11圖為不同逃料空間之深度下，第6A圖之濾波裝置之穿透係數的示意圖。

第12圖為本發明實施例一無線通訊接收機之示意圖。

60‧‧‧濾波裝置

600、602‧‧‧箭號

604‧‧‧絕緣基板

606‧‧‧微帶傳輸線

608‧‧‧接地金屬層

610‧‧‧曲折型共振腔

Claims (22)

1. 一種濾波裝置，包含有：一絕緣基板，包含有一第一面及一第二面；一微帶傳輸線，佈於該絕緣基板之該第一面上，用來傳輸訊號；以及一接地金屬層，佈於該絕緣基板之該第二面上，用來提供接地；其中，該接地金屬層中對應於該微帶線內之一區塊形成有一曲折型共振腔(meander-shaped)且該曲折型共振腔全部被該微帶線所覆蓋，用來於該微帶傳輸線上產生一截止頻帶，且該曲折型共振腔呈M形。
2. 如請求項1所述之濾波裝置，其中該曲折型共振腔係等效為一電阻、一電容及一電感之並聯電路。
3. 如請求項1所述之濾波裝置，其中該曲折型共振腔之間距係與該截止頻帶之頻寬呈正比。
4. 如請求項1所述之濾波裝置，其中該曲折型共振腔之間距係與該濾波裝置之諧振點穿透係數呈反比。
5. 如請求項1所述之濾波裝置，其中該曲折型共振腔之總長度係相關於該截止頻帶之中心頻率。
6. 如請求項1所述之濾波裝置，其中該曲折型共振腔係以蝕刻方式形成於該接地金屬層。
7. 如請求項1所述之濾波裝置，其另包含一殼體，包覆於該接地金屬層。
8. 如請求項7所述之濾波裝置，其中該殼體中對應於該曲折型共振腔之位置形成有一逃料空間。
9. 如請求項8所述之濾波裝置，其中該逃料空間投影於該絕緣基板之該第二面的面積大於該曲折型共振腔的面積。
10. 如請求項8所述之濾波裝置，其中該逃料空間之深度與該截止頻帶之中心頻率呈反比。
11. 如請求項1所述之濾波裝置，其另包含一調諧螺絲，設於該絕緣基板中，用來調整與該微帶傳輸線間的間距，以調整該截止頻帶之中心頻率。
12. 一種無線通訊接收機，包含有：一天線，用來接收一無線訊號；一導波管，耦接於該天線，用來加強該無線訊號中一特定頻帶之電波；一降頻器，用來降低所接收之訊號的頻率，以輸出一中頻訊號； 一基頻處理器，用來處理該中頻訊號；以及一濾波裝置，其包含有：一絕緣基板，包含有一第一面及一第二面；一微帶傳輸線，佈於該絕緣基板之該第一面上，且耦接於該導波管與該降頻器之間，用來傳輸訊號；以及一接地金屬層，佈於該絕緣基板之該第二面上，用來提供接地；其中，該接地金屬層中對應於該微帶線內之一區塊形成有一曲折型共振腔，(meander-shaped)且該曲折型共振腔全部被該微帶線所覆蓋，用來於該微帶傳輸線上產生一截止頻帶，且該曲折型共振腔呈M形。
13. 如請求項12所述之無線通訊接收機，其中該曲折型共振腔係等效為一電阻、一電容及一電感之並聯電路。
14. 如請求項12所述之無線通訊接收機，其中該曲折型共振腔之間距係與該截止頻帶之頻寬呈正比。
15. 如請求項12所述之無線通訊接收機，其中該曲折型共振腔之間距係與該濾波裝置之諧振點穿透係數呈反比。
16. 如請求項12所述之無線通訊接收機，其中該曲折型共振腔之總長度係相關於該截止頻帶之中心頻率。
17. 如請求項12所述之無線通訊接收機，其中該曲折型共振腔係以蝕刻方式形成於該接地金屬層。
18. 如請求項12所述之無線通訊接收機，其另包含一殼體，包覆於該接地金屬層。
19. 如請求項18所述之無線通訊接收機，其中該殼體中對應於該曲折型共振腔之位置形成有一逃料空間。
20. 如請求項19所述之無線通訊接收機，其中該逃料空間投影於該絕緣基板之該第二面的面積大於該曲折型共振腔的面積。
21. 如請求項19所述之無線通訊接收機，其中該逃料空間之深度與該截止頻帶之中心頻率呈反比。
22. 如請求項12所述之無線通訊接收機，其另包含一調諧螺絲，設於該絕緣基板中，用來調整與該微帶傳輸線間的間距，以調整該截止頻帶之中心頻率。