TWI699970B - 深度排斥無反射濾波器 - Google Patents

Abstract

本發明揭示無反射電子濾波器以及一種用於設計此等濾波器之方法連同一種實現模擬具有負元件之T形網路及π形網路之行為之該等濾波器內之臨界子電路的方法，儘管臨界子電路本身完全被動。此允許以無反射形式實現比先前技術寬很多之一傳輸響應範圍，且尤其在相等漣波切比雪夫(Chebyshev)響應中具有較深排斥之較低漣波因數。無反射濾波器宜藉由吸收頻譜之阻帶部分而非將其反射回源來運作，其在諸多不同應用中具有顯著優點。

Description

深度排斥無反射濾波器

本發明係針對電子濾波器及其使用方法。具體而言，本發明係針對無反射電子濾波器及其使用方法。

實際上，所有電子系統使用某種濾波以排斥不需要的頻率分量。在大多數習知濾波器中，排斥信號反彈回源，最終在產生器本身中或在互連線/傳輸線耗散或輻射至儀器外殼中。此排斥不需要的信號之方式有時可由非線性裝置中之假性混合、敏感主動組件之非意欲重新偏壓或各種信號路徑之間的串擾導致與系統中之其他組件之有害交互。針對將在此等不需要的信號可損及效能之前吸收該等信號之一濾波器尋求一種解決方案。此導致2013 (美國專利第8,392,495號)中獲得專利、使用2017及2018 (美國專利第9,705,467號及第9,923,540號)及額外非臨時申請案(美國公開申請案第2017/0126195號、第2017/0331446號及第2018/0083601號)中之額外專利改良及擴展之一新穎吸收濾波器拓撲，該等案之全部內容以引用的方式併入本文中。圖1A及圖1B描繪先前技術中已知之無反射低通濾波器之兩個實例。無反射濾波器解決了習知濾波器所遇之諸多問題，諸如混合器對不良帶外終端之敏感度、不利及難以自無功諧波負載預測非線性效應、歸因於濾波器與其他不良匹配組件之間的捕獲能量之漏電或串擾及與帶外阻抗匹配相關聯之多種其他問題。當與吸收濾波器(諸如採用正交併合之終端雙工器及方向濾波器結構)之其他方法相比時，亦應認識到優異效能及可製造性。

然而，不管此等優點，可實現傳統最佳濾波器響應之無反射濾波器拓撲之更複雜版本(諸如切比雪夫I型及II型)受限於可針對低於非被動之具有負值之元件所需之此等拓撲中之一特定臨限值之漣波因數達成之漣波因數。一種解決方案係使用主動回饋電路(如美國公開申請案第2018/0083601號中所教示)合成此等負元件。期望移除對漣波因數之限制以允許在無需引入主動元件之情況下達成更傳統濾波器響應(諸如巴特渥斯(Butterworth))，同時全部維持原始無反射濾波器拓撲之優點。

本發明解決與習知濾波器及無反射濾波器之先前技術者相關聯之若干問題及缺點，藉此提供電子系統中之頻帶選擇及定義之一新資源。已令人驚訝地發現使用與其他被動元件協作之變壓器以顯現相同於含有負元件之原始拓撲中的元件之群組之行為之一替代拓撲。

在此文件中，圖1A、圖1B及所有其他圖式中之元件標記為正規化元件值。例如，若一電容器標記為「x」，則其非正規化值將由以下給出

且若一電感器標記為「x」，則其非正規化值將由以下給出

其中Z₀ 係系統特性阻抗，Y₀ = 1/Z₀ 係系統特性導納，且ω_c 係以弧度每秒為單位之濾波器之角截止頻率。最後，使用正規化值「x」標記之電阻器將具有非正規化值

由於圖1A係一電對稱電路—意謂其具有相同前後電行為—因此，可使用稱為偶/奇模分析之熟習技術者熟知之一技術來分析。總而言之，電路藉由測試其對兩個理論輸入之響應而特徵化：一偶模，其中使用相同信號同相刺激兩個埠；及一奇模，其中使用相同信號180度異相刺激兩個埠。濾波器對於此等輸入之各者之響應可類似於分別稱為偶模及奇模等效電路之一等效單埠電路之響應。接著，如先前技術(例如美國專利第8,392,495號)中所教示，完整濾波器之響應可發現為偶模及奇模等效電路之響應之疊加。更重要的係，發現濾波器無反射(在任一埠及任何頻率下具有零反射係數)，若且唯若偶模及奇模等效電路係雙重的，即，偶模等效電路之正規化輸入阻抗等於奇模等效電路之正規化輸入導納，或等效地，偶模等效電路之正規化輸入導納等於奇模等效電路之正規化輸入阻抗。

可任意選擇圖1A及圖1B中之給定拓撲之原型參數值(g_k ，對於k = 1至N，其中N係濾波器階)以實現不同響應。特定正則響應(例如切比雪夫)之值之公式較為完備且結果列於諸多教科書中。無論如何選擇公式，吾人必須確保對於奇數k，值g_k 必須大於相鄰值g_k (對於偶數k)。在一切比雪夫響應之情況中，若漣波因數(界定I型之通帶及II型之阻帶中之漣波之大小之一參數)大於一特定臨限值(美國公開申請案第2017/0126195號及第 2018/0083601號中所給定)，則確保此。就較小漣波因數而言，或就違反此條件之g_k 值之任何選擇而言，圖中所展示之一些元件將呈負值—例如，圖1A中之頂部中間電容器(其標記為「1/(g₁ –g₂ )」)或標記為「2/(g_N –g_{N – 1} )」之最底部電感器，其中N係奇數。

本發明藉由認識到負元件總是以與將其等顯現為整體被動之其他正元件之群組出現來改良此限制，且因此可替換為不併入負元件同時具有相同行為之等效電路。圖2中展示三個實例。應注意變壓器具有單位匝比，但連線以在一線圈中相對於另一線圈逆轉電流(應注意使用已建立之點法則)。在本發明中，元件群組(諸如僅具有被動元件但在行為上等同於具有負元件之等效電路之群組)將被稱為「臨界子電路」。存在可完成此之其他類似電路，所有電路併入本發明中。例如，除微調響應所需之變壓器之外，臨界子電路可不僅含有一個被動元件。其可為與變壓器之線圈串聯或並聯之任何複合導抗(經形成具有多個集總元件)，且變壓器本身可具有相對於電路之其餘部分之不同匝比或定向。

應注意圖1B之輸出埠上之變壓器並非一臨界子電路之部分，因為其不以達成與具有負元件之一配對群組等效之任何方式與其他元件組合—在此情況中，變壓器僅充當一平衡-不平衡轉換器以將埠連接自差動轉換為單端。

重要的係應注意儘管圖2中所展示之等效T型或π形網路拓撲上對稱，但相同情況不必適用於等同於T型或π形網路之臨界子電路(儘管臨界子電路可重新繪製為看上去對稱)。無論是否繪製為拓撲上對稱，臨界子電路仍電對稱，此係由於臨界子電路之行為自兩側相同，且上文所提及之偶/奇模分析之原理仍適用。

藉由將臨界子電路應用於圖1A中之拓撲而最佳繪示使用本發明中之臨界子電路。首先，讓吾人聚焦於底部之三重電感器，且假定g_N ＜ g_{N – 1} 。使用來自圖2之第一等效電路，吾人可將此群組轉換為如圖3中所展示之臨界子電路。應注意其餘元件(尤其係2/(g_{N – 1} –g_N ))為正。將此替代回原始拓撲，吾人具有圖4中所展示之新濾波器。

若吾人進一步假定g₁ ＜ g₂ (其不需要總是如此)，則吾人仍具有位於拓撲之頂部中間中之一負電容器，其經標記為「2/(g₁ –g₂ )」。此負元件耗費更多努力移除，此係由於其係不直接連接至易於鈍化該元件之任何元件。然而，拓撲可藉由認識到此等電容器下方之濾波器整體不連接至接地來鈍化負元件。因此，除透過電容器之間的負電容器之外，流經電容器1/g₂ 的電流無處汲取，如圖5中所繪示。因此，吾人可如圖中所展示添加耦合變壓器以執行此條件以準備下一步驟，其中外電容器將移動至濾波器之內部。圖6中展示此移動，其中吾人僅將各外電容器自相鄰變壓器之一側轉移至另一側。若變壓器不具有單位匝比，則電容器之值亦將改變(然而，為了本實例，吾人將使電容器之值固定)。應注意，在此步驟之後，吾人在濾波器的中間具有電容器之一T形網路，其中中央電容器為負。因此，如圖中所展示，對於僅具有正元件但等效電行為之一臨界子電路，這可交換。

此處，濾波器可被視為本發明之一完整實例，其中已移除具有負元件之兩個元件群組以支援模擬元件群組之臨界子電路。然而，存在於一些實施例中有用之一些變動。在圖7A中，吾人再次將串聯電容器移出內部電路(現具有值1/g₁ 替代1/g₂ )。此變動之優點係其使變壓器與電路之通帶進一步隔離，以減輕變壓器必須良好執行之頻寬(實際上真實變壓器，不同於此處展示之理想變壓器，具有有限有用頻寬)。另一變動使耦合變壓器線圈旋轉90度，如圖7B中所展示。在用於此處之開發序列的理想情況中，此旋轉無效，但實際上再次，真實變壓器在DC下操作有困難。經修改之定向有助於阻擋DC電流免於到達電路之下部分，其可為低通濾波器所期望。當然，如同任何集總元件電路，本發明之整個濾波器可使用熟知元件間替代轉換，以視需要自此等實例產生高通、帶通或阻帶濾波器。

吾人亦可認識到由於圖7A及圖7B中之電路之頂部附近的三個變壓器全部僅將電流自電路的特定分支反射至其他分支，因此該三個變壓器的群組彼此冗餘。可使用一單一變壓器來達成相同效應，如圖8中所展示。

一臨界子電路中的變壓器可具有洩漏電感，或可具有可被吸收至濾波器之相鄰元件中的其他寄生現象。此可允許使用具有有限線圈電感來替代真實變壓器，或使用具有相對低耦合因數之變壓器實施方案(諸如平面)的耦合線圈。事實上，在此文件中，術語「變壓器」應理解為包含變壓器及耦合線圈兩者。

可包含多如在無任何負元件之情況下實現濾波器所需之臨界子電路。第七階之一巴特渥斯低通濾波器在圖9中展示為一實例，其利用以虛線圍繞之四個臨界子電路。

本發明不使使用者受限於一特定濾波器響應，但能夠取決於正規化元件值g_k 之選擇而實現偶階及奇次階兩者之諸多正則響應(例如巴特渥斯、切比雪夫、柔羅塔瑞(Zolotarev)或雷建德(Legendre))(在偶階情況中，最終正規化元件值g_N 可接近零或無窮大)。此等響應繼而具有一些自由參數，諸如稱為漣波因數之漣波之振幅。已知特定漣波因數(即，切比雪夫濾波器)，產生元件值使得相鄰差異(例如1/(g_k –g_k±1 ))相同於零或無窮大。在此等例項中，一或多個元件可自濾波器完全消除以簡化濾波器。例如，就一第七階切比雪夫濾波器，此對於0.2187、0.01891等等之漣波因數發生。

本發明之權利 本發明係在國家科學基金會與相關大學、 公司之間之合作協定AST-0223851的政府支持下進行，且因此，美國政府在本發明中具有特定權利。

如本文所體現及廣泛描述，本文之揭示內容提供本發明之詳細實施例。然而，所揭示之實施例僅為可以各種及替代形式體現之本發明之實例。因此，不意欲具體結構及功能細節應具限制性而是本發明意欲提供申請專利範圍之一基礎且作為用於教示熟習技術者以各種方式採用本發明之一代表性基礎。

能夠由本發明之實施例解決之技術中之一問題係一電路拓撲及良好匹配所有頻率之電子濾波器的設計技術。已令人驚訝地發現此等濾波器具有若干出乎意料之優點，包含濾波器之輸入埠及輸出埠上(濾波器之通帶或阻帶或過渡頻帶中)的最小反射。此等濾波器之回波損耗在所有頻率下實質上無限(以分貝為單位)。另一方面，在習知濾波器中，阻帶排斥係藉由朝向信號源反射頻譜之不需要的部分而非吸收不需要的部分來達成。瞬時濾波器包括集總元件電阻器、電感器、電容器及變壓器，且可以適於應用之任何形式來實施(例如引線、表面安裝、單體整合或使用主動、合成等效電路)。

圖7A展示本發明之一無反射濾波器之一可能實施例。儘管未拓撲地對稱繪製，其係電對稱的，因為其自兩側具有相同埠參數。因此，可使用偶/奇模分析來分析，其中使用兩個正則測試輸入驅動濾波器。第一輸入(稱為偶模)包括位於同相之兩個埠的相同輸入信號。第二輸入(稱為奇模)包括位於180度異相之兩個埠的相同信號。可分別使用稱為偶模等效電路及奇模等效電路之單埠等效物來刺激濾波器對於此等兩個輸入的響應。濾波器係無反射(在任何頻率下自任一埠不具有反射)，因為偶模等效電路之正規化輸入阻抗等於奇模等效電路之正規化輸入導納，且奇模等效電路之正規化輸入阻抗等於偶模等效電路之正規化輸入導納。

在一較佳實施例中，無功元件(電感器、電容器及變壓器)實質上無損耗。其他元件(電阻器)實質上有損。在一些較佳實施例中，實質上有損元件呈阻抗匹配內部子網路之形式。在一些實施例中，實質上有損元件具有等於特性阻抗之等效電阻，而在其他實施例中，實質上有損元件不具有等於特性阻抗之等效電阻。

圖7B中之實施例進一步具有涉及變壓器及其他被動元件(由虛線圍繞)之兩個臨界子電路。此等臨界子電路在其行為上等同於集總元件之T型及π形網路，其中元件中之至少一者為負值，如圖2中所展示。

在諸如圖7A及圖7B中所展示之一些較佳實施例中，可使用額外耦合變壓器將臨界子電路之一或多者耦合至濾波器之其餘部分，如圖中所指示。此外，在諸如圖7A中所展示之一些實施例中，此等耦合變壓器經定向使得DC電流傳至阻帶中之濾波器之其餘部分，而在諸如圖7B中所展示之其他較佳實施例中，耦合變壓器經定向以自阻帶中之濾波器之其餘部分阻擋DC電流。在其他較佳實施例中，臨界子電路包括一單一變壓器，如圖8中所展示。

在一些實施例中，臨界子電路中之變壓器或將其耦合至電路之其餘部分之變壓器具有單位匝比。在其他實施例中，變壓器可具有除單位職務之匝比。在一些較佳實施例中，一真實變壓器或耦合線圈之寄生現象可由濾波器中之相鄰元件吸收。

在一些較佳實施例中，一或多個臨界子電路可包括經連線以逆轉電流在一線圈中相對於另一線圈之流動方向之一變壓器。另外，在一些實施例中，電流逆轉變壓器與一集總元件組合或與複合導抗串聯，且等同於相同類型之集總元件或導抗之一π形網路，其中中央導抗為負值，如針對圖2中之一串聯電感器所繪示。在一些實施例中，電流逆轉變壓器與一並聯集總元件或複合導抗組合，且等同於相同類型之導抗之一T形網路，其中中央導抗為負值，如針對圖2中之一並聯電容器所繪示。其他串聯及並聯導抗可被包含以匹配一指定響應，如圖3中所指示。

在一些較佳實施例中，選擇元件值及臨界子電路以實現係切比雪夫I型、切比雪夫II型(亦稱為逆切比雪夫)、柔羅塔瑞(亦稱為阿希士爾(Achieser)-柔羅塔瑞) I型或II型(或逆)、雷建德(亦稱為最佳L)、巴特渥斯(亦稱為最大扁平)、高斯(Gaussian)或貝索(Bessel)(亦稱為貝索-湯姆森(Thomson))之一者之一傳輸響應。在其中響應係一切比雪夫型之實施例中，就第三階濾波器而言，臨界子電路可經選定使得漣波因數(切比雪夫響應中之一自由參數)小於或等於0.1925；就第五階濾波器而言，小於或等於0.2164；就第七階濾波器而言，小於或等於0.2187或0.01891；就第九階濾波器而言，小於或等於0.2192或0.02688；就第十一階濾波器而言，小於或等於0.2194或0.02875；就第十三階濾波器而言，小於或等於0.2194或0.2940；且就高於第十三階之濾波器而言，小於0.2195。

在一些實施例中，濾波器之傳輸響應係低通。在其他實施例中，其可為高通、帶通、阻帶或甚至多帶。在一些實施例中，濾波器係奇階，在其他實施例中，濾波器係偶階，如圖10中所展示。

熟習技術者應自考量本文所揭示之本發明之說明書及實踐明白本發明之其他實施例及用途。本文所列之所有參考(包含所有出版物、美國及外國專利及專利申請案)具體而言且完全以引用的方式併入本文中。無論何處使用，術語「包括」意欲包含術語「由…組成」及「基本上由…組成」。此外，術語「包括」、「包含」及「含有」不意欲具限制性。意欲說明書及實例僅被視為具例示性，其中本發明之真實範疇就精神由以下申請專利範圍指示。

1/g₂‧‧‧電容器 1/(g₁–g₂)‧‧‧頂部中間電容器 2/(g₁–g₂)‧‧‧負電容器 2/(g_N–g_{N – 1})‧‧‧最底部電感器 x‧‧‧電容器

本發明僅以實例之方式及參考附圖更詳細描述本發明，其中： 圖1A及圖1B展示先前技術中已知之無反射濾波器。圖1A (尤其)描繪能夠實現切比雪夫II型濾波器之一拓撲。圖1B (尤其)描繪能夠實現切比雪夫I型濾波器之一拓撲。切比雪夫II型濾波器及切比雪夫I型濾波器兩者均標記為正規化元件值，且為了說明，切比雪夫II型濾波器及切比雪夫I型濾波器兩者兩者均為低通濾波器，但可使用領域中熟知之轉換轉換為高通、帶通或阻帶。 圖2展示併入變壓器及具有等效於經展示各具有一負元件之π形網路及T形網路之行為之被動元件之電路。 圖3繪示其中電感器為負(g_N ＜ g_N–1 )之電感器之一π形網路之轉換為僅具有正元件之一臨界子電路。 圖4展示本發明中之一新濾波器拓撲之開發，其具有等效於其中一元件為負之原始拓撲中之一群組之一臨界子電路。 圖5繪示修改原始濾波器拓撲使得一負電容器可替換為一臨界子電路中之第一步驟。在此步驟中，添加耦合變壓器以在外電容器移動至內部之前保持電流累加約束。 圖6繪示修改原始拓撲中之第二步驟。外電容器移動至內部，使得所得電容器群組可替換為如圖中所展示之一等效臨界子電路。 圖7A及圖7B展示本發明中之一無反射濾波器之兩個實例，其中移除兩個負元件以支援模擬其行為之臨界子電路。圖7A描繪移動回濾波器之外部分之串聯電容器。圖7B描繪經旋轉以阻擋阻帶中之DC電流之耦合電容器之定向。標記耦合變壓器之兩者且使用虛線圍繞臨界子電路。 圖8展示本發明中之一無反射濾波器之一實例，其中一臨界子電路之三個冗餘變壓器已替換為一個變壓器。使用以虛線圍繞臨界子電路。 圖9展示使用四個臨界子電路(以虛線圍繞)以實現一低通巴特渥斯響應之一第七階無反射濾波器之一實例。 圖10展示一第六階無反射濾波器之一實例，其繪示使用一臨界子電路實現一偶階濾波器以及具有除單位之外之正規化值之有損元件(電阻器)。

1/g₂‧‧‧電容器

2/(g₁-g₂)‧‧‧負電容器

Claims (15)

1. 一種無反射電子濾波器，其包括：一電對稱、兩埠電路，其中當該等埠分別經同相及180度異相驅動時，該對稱行為界定一偶模等效電路及一奇模等效電路；至少一實質上無損元件；至少一實質上有損元件或阻抗匹配內部子網路；及至少一臨界子電路，其包括一變壓器及一或多個集總元件；其中該臨界子電路僅具有正值集總元件，但具有等效於具有係負值之至少一集總元件之一T形或π形網路的電響應，使得：該偶模等效電路之一正規化輸入阻抗實質上等於該奇模等效電路之一正規化輸入導納；且該偶模等效電路之一正規化輸入導納實質上等於該奇模等效電路之一正規化輸入阻抗。
2. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中該變壓器可係使用具有有限線圈電感之耦合線圈來實施。
3. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中該變壓器具有低耦合因數或具有由相鄰濾波器元件吸收之其他寄生現象。
4. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中至少一臨界子電路係藉由額外變壓器耦合至該濾波器之其餘部分。
5. 如請求項4之無反射電子濾波器，其中將一臨界子電路耦合至該濾波器之其餘部分之一變壓器可經定向以使DC電流在一阻帶中通過或阻擋該阻帶中之DC電流。
6. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中至少一變壓器具有係單位及非單位中之一者之匝比。
7. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中至少一變壓器係以一電流極性逆轉定向連線。
8. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中至少一臨界子電路包括與一集總元件組合或與複合導抗串聯之一變壓器，且等同於相同類型之導抗之一π形網路，其中中央導抗為負值。
9. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中至少一臨界子電路包括與一集總元件組合或與複合導抗並聯之一變壓器，且等同於相同類型之導抗之一T形網路，其中中央導抗為負值。
10. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中該濾波器之一傳輸響應係切比雪夫I型、切比雪夫II型、柔羅塔瑞I型、柔羅塔瑞II型、雷建德、巴特渥斯、高斯或貝索之一者。
11. 如請求項10之無反射電子濾波器，其中響應係一切比雪夫型，且當濾波器係第三階時，其具有小於或等於0.1925之漣波因數；當濾波器係第五階時，其具有小於或等於0.2164之漣波因數；當濾波器係第七階時，其具有小於或等於0.2187之漣波因數；當濾波器係第九階時，其具有小於或等於0.2192之漣波因數；當濾波器係第十一階及第十三階時，其具有小於或等於0.2194之漣波因數；且當濾波器高於第十三階時，其具有小於或等於0.2195之漣波因數。
12. 如請求項10之無反射電子濾波器，其中響應係一切比雪夫型，且當濾波器係第七階時，其具有小於或等於0.01891之漣波因數；當濾波器係第九階時，其具有小於或等於0.02688之漣波因數；當濾波器係第十一階時，其具有小於或等於0.02875之漣波因數；當濾波器係第十三階時，其具有小於或等於0.02940之漣波因數；當濾波器係第十五階時，其具有小於或等於0.02967之漣波因數；且當濾波器高於第十五階時，其具有小於或等於0.2980之漣波因數。
13. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中該濾波器之一傳輸響應係低通、高通、帶通、阻帶及多帶中之一者。
14. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中該濾波器之一階係偶或奇之一者。
15. 如請求項1之無反射電子濾波器，其中一實質上有損元件或阻抗匹配內部子網路具有單位或非單位之一者之等效正規化阻抗。

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