TWI499121B

TWI499121B - A balanced wideband pass filter with a common mode signal is designed with a ground plane defect structure (DGS) and a similar open loop resonator (SRR)

Info

Publication number: TWI499121B
Application number: TW101113113A
Authority: TW
Original assignee: Univ Chienkuo Technology
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2015-09-01
Also published as: TW201342702A

Description

以接地面缺陷結構(DGS)及類似開環共振器(SRR)設計具有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接地面缺陷結構(DGS)及類似開環共振器(SRR)設計具有抑制共模訊號之平衡式寬頻帶通濾波器，尤其是一種操作於差模時，將電路組態以交錯耦合的方式排列，以製造傳輸零點於通帶兩側，使通帶的裙擺更加為尖銳，並利用強耦合機制以形成寬頻響應；操作於共模時，利用接地面缺陷結構形成帶拒效應，使共模共振頻率被侷限在接地面缺陷結構上之創新型態設計者。

一個良好的平衡式濾波器必須同時擁有良好的差模響應和抑制共模訊號的傳輸，平衡式濾波器可分為以下兩種主要設計概念：第一種為耦合線架構[Y.-S.Lin and C.H.Chen,"Novel balanced coupled-line bandpass filters," in In Proc.URSI Int.Eleectromag.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 Trans.Microw.Theory Tech.,vol.55,no.2,pp.287-295,Feb.2007.]，第二種為共振器耦合架構[C.-H.Wu,C.-H.Wang,and C.H.Chen,"Stopband-extended balanced bandpass filter using coupled stepped-impedance resonators," IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.17,no.7,Jul.2007.][C.-H.Wu,C.-H.Wang,and C.H.Chen,"Balanced coupled-resonator bandpass filters using multisection resonators for common-mode suppression and stopband extension," IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.17,no.7,Jul.2007.]，惟上述文獻所揭示皆為單頻平衡式帶通濾波器，並不能滿足現今的通訊系統。請參閱第1圖所示，其係習知的開環共振器外觀，開環共振器於1999年被J.B.Pemdry等人提出[J.B.Pendry,A.J.Holden,D.J. Robbins,and W.J.Stewart,"Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena,"IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.47,no.11,pp.2075-2084,Nov.1999.]，近年被廣泛的運用於微波電路(如濾波器)。而近年所發表的開環共振器文獻有非常多，傳統的開環共振器是由兩個同心圓的開路環型微帶線所構成的，如第1圖開環共振器(10A)所示，其開路環型微帶線之間耦合是不容易去控制的。

是以，針對上述習知結構所存在之問題點，如何開發一種更具理想實用性之創新結構，實消費者所殷切企盼，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，係在提供一種以接地面缺陷結構(DGS)及類似開環共振器(SRR)設計具有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，係針對由於無線行動通訊產品快速普及，傳輸頻道與品質必須因應市場需求而增加，習用耦合線架構及共振器耦合架構之平衡式濾波器皆為單頻平衡式帶通濾波器，已無法滿足現今通訊系統之所需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；兩相對稱的開環共振器，該兩開環共振器之架構係分別各由兩個內、外部開環微帶所組成，且該兩個內、外部開環微帶有相同的2θ電信長度，並配置於該微波基板表面，且以一水平方向的對稱平面與該兩相對稱的開環共振器呈上下對稱設置；兩接地面缺陷結構，分別設於該對稱平面的上、下兩邊；藉此創新獨特設計，使本發明濾波器操作於差模時，將該兩相對稱的開環共振器以交錯耦合的方式排列，並利用強耦合機制以形成寬頻響應；操作於共模時，利用接地面缺陷結構形成帶拒效應，使共模共振頻率被侷限在該接地面缺陷結構上者。

請參閱第2~8圖所示，係本發明以接地面缺陷結構(DGS)及類似開環共振器(SRR)設計具有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(40)，其中該微波基板(40)板厚為0.635mm、介電係數為10.2、耗損正切(Loss tangent)為0.0023；兩相對稱的開環共振器(10)(Split-Ring Resonatorss,SRR)，該兩開環共振器(10)之架構係分別各由兩個內、外部開環微帶(11、12)所組成，且該兩個內、外部開環微帶(11、12)有相同的2θ電信長度，並配置於該微波基板(40)表面，且以一水平方向的對稱平面(30)(plane of symmetry，POS)與該兩相對稱的開環共振器(10)呈上下對稱設置，其中該外部開環微帶(11)所對應的頻率為4.5GHz，且該內部開環微帶(12)所對應的頻率為4.6GHz，該開環共振器(10)的結構尺寸如第2圖所示，第一尺寸(L1)=6mm、第二尺寸(L2)=2mm、第三尺寸(L3)=0.2mm、第四尺寸(L4)=3.5mm、第五尺寸(L5)=0.2mm、第六尺寸(L6)=0.15mm、第八尺寸(L8)=3mm、第九尺寸(L9)=1.1mm、第十尺寸(L10)=2.3mm、第十一尺寸(L11)=2.8mm、第十二尺寸(L12)=0.1mm、第十三尺寸(L13)=0.55mm；兩接地面缺陷結構(20)(defected ground structure，DGS)，分別設於該對稱平面(30)的上、下兩邊，其中該接地面缺陷結構(20)設第七尺寸(L7)=0.2mm及第十四尺寸(L14)=4.1mm，其中濾波器操作於差模時，對稱平面(30)為短路至地，此時電流可沿流於整個接地面缺陷結構(20)半電路之周圍；本發明利用兩個類似開環共振器(10)來當作平衡式寛頻濾波器的主要的電路架構，由於開環共振器(10)電路本身就是一個上下對稱之設計，所以在結構中心存在一水平方向的對稱平面(30)，一個平衡式濾波器訊號可分為差模與共模，並以對稱平面(30)做為分析的參考平面，當操作於差模時，對稱平面(30)視為一電牆(短路至地)；而操作於共模時，對稱平面(30)視為一磁牆(開路)。並根據前面所提出的論點可知，將開環共振器(10)的兩段長度都設計相同時，則會產生一個雙頻帶的響應，故本發明將開環共振器(10)的兩段長度設計接近相同，並將結構把擺放如第2圖所示，將外部微帶線所對應的頻率設計在4.5GHz，而內部微帶線所對應的頻率設計為4.6GHz，因頻率的不同與相同頻率所造成的模態分裂，相對來說就比較小，故不會因強耦合而形成雙頻，並加上排列結構內部共振器的間距，可使得原本已經分裂的模態，再一次的分裂，而形成四個模態，藉此形成寛頻，並將電路組態設計具有雙重路徑，當訊號經過兩個不同路徑且相位差為180°時，在通帶的兩旁會產生一對傳輸零點。

首先當濾波器操作於差模時，可將對稱平面(30)視為短路至地，此時只激發電路的奇模態，而其奇模態因排列方式所產生其四個模態(即其頻率為4.1、4.62、5.24和5.77GHz)，以形成寛頻的主要原因；而操作於共模時，可將對稱平面(30)視為開路，此時只激發電路的偶模態，而其偶模態為整體電路所設計的倍頻，又因排列方式所產生的模態(即其頻率為8.5與9GHz)，因此在差模模態下，有良好的響應，以及因交錯耦合所產生的零點機制，使得裙擺效果更為尖銳，而原本在差模通帶的共模響應已經達到20dB以下，但是為了將差模通帶外的共模響應達到其抑制效果，本發明將於接地面上嵌入(embed)兩個接地面缺陷結構(20)來製造傳輸零點於共模共振模態頻率，於前面中曾提及，當接地面缺陷結構(20)共振時，產生之零點頻率即為其周長為λ時所對應之頻率。由於將接地面缺陷結構(20)設計於差共模有相同的零點位置時，會將差模原本因交錯耦合所產生的傳輸零點的效果變差，且對原先的頻帶有很大的影響，故本發明將其設計接地面缺陷結構(20)之傳輸零點在電路操作於差共模時需不同之頻率，目標其零點能抑制共模訊號，但不影響差模響應；為了達到此目的，本發明將接地面缺陷結構(20)設計成跨越對稱平面(30)兩邊，當此電路操作在差模時，對稱平面(30)為短路至地，此時電流可沿流於整個接地面缺陷結構(20)半電路之周圍，故其產生之零點頻率為接地面缺陷結構(20)半電路之周長等於λ之整數倍時所對應之頻率；另一方面，當電操作於共模時，對稱平面(30)為開路；如第3圖所示，此時電流無法越過對稱平面(30)，其路徑將沿A-B-C-D-C-B-A，即由A點至D點再折回A點，故電流路徑之長度將約等於操作於差模時的兩倍，而其產生之零點頻率則約為差模操作時零點頻率的一半；如第4圖所示，本發明可利於接地面中嵌入橫跨對稱平面(30)之接地面缺陷結構(20)方式來產生零點以抑制共模訊號；本發明將所設計之平衡式寛頻帶通濾波器製作於Duroid 6010的微波基板(40)上，板厚為0.635mm、介電係數為10.2、耗損正切(Loss tangent)為0.0023。

第5~7圖為平衡式雙頻帶通濾波器模擬與量測之頻率響應圖，在差模操作時，寛頻頻帶量測(模擬)之中心頻率分別為5(5)GHz，插入耗損(insertion loss)為3dB，頻寬為3.8-6.2(3.95-6.5)GHz。插入耗損(insertion loss)為量測(模擬)最小值為0.53(0.44)dB。共模操作時，在1-10 GHz頻率範圍內，量測(模擬)之插入耗損(insertion loss )大於21dB。第8圖為實作照片圖，電路總面積不包含饋入線區域為9.2×7.6mm² 。本發明平衡式寛頻帶通濾波器，利用簡單的微帶線原理，加上對稱平面(30)的特性，並利用交錯耦合方式，讓通帶內的裙擺更為尖銳，加上強耦合機制，使其頻寛達到所設計之目的。而在共模時，利用接地面缺陷結構(20)的具有帶拒特性，將頻率設計在共模共振點上，使得在1-10GHz的頻率範圍內皆有良好的抑止效果。量測之差模響應，寬頻內之插入耗損(insertion loss)最小值為0.54dB；共模響應在1-10GHz頻率範圍內，其量測所得之插入耗損(insertion loss)皆大於21dB，故可驗證所設計之寬頻平衡式帶通濾波器有良好之特性。

據此，本發明濾波器操作於差模時，將該兩相對稱的開環共振器(10)以交錯耦合的方式排列，並利用強耦合機制以形成寬頻響應；操作於共模時，利用接地面缺陷結構(20)形成帶拒效應，使共模共振頻率被侷限在該接地面缺陷結構(20)上者。

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。

習知部份：

(10A)‧‧‧開環共振器

本發明部份：

(10)‧‧‧開環共振器

(11)‧‧‧外部開環微帶

(12)‧‧‧內部開環微帶

(20)‧‧‧接地面缺陷結構

(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

(L10)‧‧‧第十尺寸

(L11)‧‧‧第十一尺寸

(L12)‧‧‧第十二尺寸

(L13)‧‧‧第十三尺寸

(L14)‧‧‧第十四尺寸

()‧‧‧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

(①)‧‧‧訊號輸入端

()‧‧‧訊號輸入端

(②)‧‧‧訊號輸出端

()‧‧‧訊號輸出端

第1圖：係習知開環共振器之結構外觀圖。

第2圖：係本發明之平衡式雙頻帶通濾波器架構圖。

第3圖：係本發明操作於差模時，接地面缺陷結構的等效半電路模態圖。

第4圖：係本發明操作於共模時，接地面缺陷結構的等效半電路模態圖。

第5圖：係本發明之共模響應使用和未使用接地面缺陷結構比較圖。

第6圖：係本發明之平衡式雙頻帶通濾波器模擬與量測之差模頻率響應圖。

第7圖：係本發明之平衡式雙頻帶通濾波器模擬與量測之共模頻率響應圖。

第8圖：係本發明之平衡式雙頻帶通濾波器實作電路與硬幣比較照片。