TWI758932B

TWI758932B - 電氣濾波器結構

Info

Publication number: TWI758932B
Application number: TW109138297A
Authority: TW
Inventors: 喬凡尼畢安琪
Original assignee: 日商愛德萬測試股份有限公司
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2022-03-21
Also published as: US20220320699A1; WO2021160245A1; TW202135375A

Abstract

一種用於採用一頻率選擇性方式將一電氣信號從一第一連接埠，例如P1，轉發至一第二連接埠，例如P2，之電氣濾波器結構，其中該濾波器係一微波濾波器，該電氣濾波器結構包含：耦合至一傳輸線之複數個例如開路及/或短路殘段，例如ST1、ST2、ST3、ST4、…，該傳輸線在介於相鄰傳輸線部分之間的複數個各別接面處，例如T接面或交叉接面處，包含複數個傳輸線部分，例如TL1、TL2、TL3、TL4、…；並且其中該第一連接埠與該等接面中具有一第一殘段之一第一接面連接；其中該第二連接埠與該等接面中具有一最後殘段之一最後接面連接；其中選擇該等傳輸線部分之長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短至少百分之10。

Description

電氣濾波器結構

根據本發明之實施例係有關於用於採用頻率選擇性方式將電氣信號從第一連接埠轉發至第二連接埠之電氣濾波器結構。根據本發明之實施例係有關於微波濾波器。

電氣濾波器結構係用於許多應用中。舉例而言，可將電氣濾波器結構實施成用以當作一低通濾波器、當作一帶通濾波器或當作一高通濾波器。在下文中，將簡要介紹濾波器之設計。

圖1根據先前技術，展示一直接耦合殘段濾波器(下文稱為DCSF)之一實例。DCSF係一種典型微波濾波器結構。下文簡要解釋DSCF之工作原理及設計程序。

如圖1所示，習知的DCSF由透過 N -1 條傳輸線(TL1 、...TLN -1 )交錯而成之 N ( N 係濾波器之階數)個短路殘段(ST1 、...STN )所組成。所有殘段及所有傳輸線都具有相同之電氣長度，即濾波器通帶之中心頻率( f 0 )處之四分之一波長(λ/4)。

一般而言，濾波器具有對稱性，其表達式為ST1 =STN 、ST2 =STN -1 、...以及TL1 =TLN -1 、TL2 =TLN -2 、...STk =STN +1-k TLk =TLN-k ， k =1,2, ... floor( N /2)。此類濾波器尤其適用於印刷實現，例如微帶或帶線。在圖1中，一連接埠1及一連接埠2係濾波器之RF (射頻)連接埠，亦即，一者(無論何者)係輸入埠，另一者係輸出埠。

如許多分散式RF/微波濾波器，DCSF具有一週期性頻率響應，帶有無限數量之通帶，以 f 0 、3 f 0 、...(2 h + 1)* f 0 為中心( h = 0,1,2，...)。在各通帶中，頻率響應繞著其各自中心具有對稱性。

圖2展示習知DCSF之樣本響應。如圖2所示，一主帶通係以一虛線指出，並且其僅示出前3個通帶，其可繞著軸 x = (2 h + 1) * f 0 鏡射而不改變其形狀。一般而言，濾波器係用於「第一窗口」，亦即用於範圍從零到略高於2 f 0 (確切值取決於所接受之阻帶拒斥)之頻率。關於習知的DCSF，已知以下難以實現一理想響應之問題。

首先，圖1所示濾波器之殘段(ST1 、...STN )及傳輸線(TL1 殘段...TLN -1 )產生如圖2所示之一響應，係無損耗元件，並且係點狀地結合。其次，真實/實體可落實之殘段及傳輸線呈現消散損耗，一般而言，消散損耗隨著頻率而增加。因此，功率轉移比小於(高於)通帶(阻帶)中之理想狀況。此外，通帶附加衰減隨著頻率而增加，並且從通帶之中心傳遞至通帶之邊緣。第三，兩條傳輸線之間及殘段上之接面不能是點狀，而是包括「連接」元件(請參照圖3)，其表現出不連續性，該等不連續性之效應隨著頻率增加而更為重要。該響應變為僅大約具有週期性，更高之 h 會使不規則性增加。第四，隨著頻率增加，殘段及傳輸線之交叉尺寸與波長相比變得顯著，亦即，更高頻率下之響應變得越來越不規則，並且越來越難以預測。

圖3展示已落實之習知DCSF之實例。圖3 (a)指出單一殘段結構，並且圖3 (b)指出一雙重內殘段結構。如圖3所指，各殘段均因為有一接地連接GND係一般性連接之通孔而短路。圖3 (a)之濾波器結構舉例而言，指出一殘段ST1係經由T接面10耦合至一第一連接埠P1及一傳輸線TL1、一殘段ST2係經由T接面10耦合至傳輸線TL1及傳輸線TL2、…、以及一殘段ST7係經由T接面10耦合至一傳輸TL6及一第二連接埠P2。圖3 (b)之濾波器結構舉例而言，指出一殘段ST1'係經由一T接面10耦合至一第一連接埠P1及一傳輸線TL1'，並且一殘段ST7'係經由T接面10耦合至一傳輸線TL6'及一第二連接埠Ps。然而，如圖3 (b)所指，DCSF具有一雙重內殘段，因此，有別於殘段ST1'及ST7'，雙重內殘段係經由交叉接面20耦合至傳輸線。舉例而言，殘段ST2'係經由交叉接面20耦合至傳輸線TL1'及一傳輸線TL2'，並且殘段ST2'係以傳輸線為中心對稱而置。

為了設計如圖3所指之一濾波器，有一附加自由設計參數「 d 」，即傳輸線之一長度及殘段之一長度。透過使用附加設計參數 d ，有可能取得帶有非常類似特性阻抗(一第一狀況)、或使得外殘段之特性阻抗約為內殘段之特性阻抗的兩倍之所有殘段(彼此類似，一第二狀況)。在第一狀況中，最方便之實現係如圖3 (a)所示之實現。在第二狀況中，最好是落實並聯帶有兩個殘段 - 帶有雙重特性阻抗 - 之內殘段，如圖3 (b)所示。

通常，一濾波器之設計模型模擬有別於該濾波器之真實響應。尤其是，低通側之差異較大。如圖2所指，需要銳利之低通側才能落實理想之主通帶。

因此，本發明之一目的係建立使用一輕易可得技術來促進實施一所欲濾波器特性之一概念。

根據本發明之一實施例係有關於用於採用一頻率選擇性方式將一電氣信號從一第一連接埠，例如P1，轉發至一第二連接埠，例如P2，之一電氣濾波器結構。該濾波器係一微波濾波器，該電氣濾波器結構包含：耦合至一傳輸線之複數個例如開路及/或短路殘段ST1、ST2、ST3、ST4、…，該傳輸線在介於相鄰傳輸線部分之間的複數個各別接面處，例如T接面或交叉接面處，包含複數個傳輸線部分TL1、TL2、TL3、TL4、…；並且其中該第一連接埠與該等接面中具有一第一殘段之一第一接面連接；其中該第二連接埠與該等接面中具有一最後殘段之一最後接面連接。選擇該等傳輸線部分之長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短至少百分之10。因此，相較於習知的DCSF，根據本發明之濾波器更短。

在一較佳實施例中，選擇該等殘段之長度，使得該等殘段之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一長至少2%。殘段之長度之確切值係基於傳輸線之長度來確定。

在一較佳實施例中，當該電氣濾波器結構包含具有s符合1≤s≤N之長度SST(s)的N個殘段、以及具有長度TL之N-1個傳輸線部分時，該微波濾波器具有一對稱結構，其中該等殘段被組配用以在一+/-百分之5或+/-百分之2容差內滿足一公式(1)，並且該等傳輸線部分被組配用以在一+/-百分之5或+/-百分之2容差內滿足一公式(2)； ST(k) = ST(N+1-k), [k≤floor(N/2)] (1) TL(k) = TL(N-k), [k≤floor(N/2)] (2) k = 一正整數。

在一較佳實施例中，該微波濾波器係一契比雪夫(Chebyshev)濾波器，其具有在一+/-百分之5或+/-百分之2容差內之一0.1 dB通帶漣波。該微波濾波器係一帶通濾波器。因此，從取自設計公式之值開始，並且嘗試保持相同之通帶極限及阻抗匹配(帶內回波損耗)，以數值調諧/最佳化方法調整殘段及傳輸線之特性阻抗。換句話說，根據本發明之電氣濾波器結構，有可能準確地設計濾波器。另外，有可能提供在低通側始終更具有選擇性之濾波器結構，亦即具有銳利低通側之濾波器結構。

在一較佳實施例中，選擇該等傳輸線部分之該等長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短百分之15至百分之50之間，較佳為百分之20至百分之40之間，更佳為百分之20至百分之35之間。

在一較佳實施例中，選擇該等殘段之該等長度，使得該等殘段之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一長百分之2至百分之5之間。

根據本申請案之一第一實施例之一電氣濾波器結構即一直接耦合殘段濾波器DCSF之濾波器結構，在拓撲方面等同於一習知的DCSF。亦即，根據本申請案之一第一實施例之DCSF在拓撲方面具有與圖3 (a)或3 (b)所指相同之結構。然而，選擇該等傳輸線部分之長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短至少百分之10。

另外，選擇該等殘段之長度，使得該等殘段之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一長至少2%。

再者，如圖3所指，微波濾波器具有一對稱結構。該對稱結構係定義為：條件是該電氣濾波器結構包含具有s符合1≤s≤N之長度SST(s)的N個殘段、以及具有長度TL之N-1個傳輸線部分，其中該等殘段被組配用以在一+/-百分之5或+/-百分之2容差內滿足一公式(1)，並且該等傳輸線部分被組配用以在一+/-百分之5或+/-百分之2容差內滿足一公式(2)； ST(k) = ST(N+1-k) (1), [k≤floor(N/2)] TL(k) = TL(N-k) (2), [k≤floor(N/2)] k = 一正整數。

圖4展示一習知的DCSF及根據本申請之一第一實施例的一DCSF之示意性響應。圖4(a)展示根據一習知結構之一經設計、或經模擬之DCSF及根據本申請案之第一實施例之DCSF的一響應。圖4(b)繼圖4(a)所示之響應，根據本申請案之第一實施例展示一所實現濾波器之一響應。在圖4中，習知DCSF之響應係以一長虛線指出，根據本申請案之第一實施例之DCSF之響應係以一點劃線指出，並且根據本申請案之第一實施例之所實現DCSF之測量結果係以一線條指出。

用於模擬/設計DCSF之準則為： - N =9之DCSF，通帶13 GHz至26 GHz。 - 通帶漣波為0.1 dB (帶內回波損耗~16.4 dB)之契比雪夫設計。 - 殘段及傳輸線(包括損耗)之半理想模型。 - x 軸：以GHz為單位之頻率。 - y 軸：以dB為單位之功率轉移比(|S21|)

如圖4 (a)所指，與根據本申請案之第一實施例之DCSF相比，習知DCSF之響應在高通側具有更好之選擇性。在低通側，根據本申請案之第一實施例之DCSF具有一更好之選擇性。

根據圖4 (b)，根據本申請案之第一實施例之DCSF之測量響應似乎比根據本申請案之第一實施例之經模擬DCSF之響應更好。亦即，如圖4 (b)所示，該測量響應之高通選擇性與習知設計幾乎相同，並且低通選擇性與根據本申請案之第一實施例之經模擬DCSF幾乎相同。因此，根據第一實施例之DCSF可能提供更好之通帶選擇性，亦即藉由調整傳輸線部分之長度、及/或殘段之長度來改善電氣濾波器之特性。

圖5展示習知DCSF之響應，其為具有不同階數之契比雪夫濾波器，即第15階濾波器及第10階濾波器。在圖5中，第15階之響應係以點線指出，且第10階之響應係以點劃線指出。在習知DCSF中，其係設計為通帶漣波0.2 dB，模擬響應時有考量消散損耗。階次上與圖4所指響應之差異及通帶漣波主要導因於這裡考量之濾波器純粹係理想(有損耗)且正準之濾波器，而DCSF則是冗餘濾波器之事實：傳輸線產生一些附加選擇性。

如圖5所指，根據本發明之第一實施例之濾波器結構在低通側展示一等效之15階，相對於現有解決方案提升50%。亦即，根據本發明之第一實施例之濾波器結構使濾波器特性顯著改善而不會改變濾波器之拓撲結構。

作為一修改，選擇該等傳輸線部分之該等長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短百分之15至百分之50之間，較佳為百分之20至百分之40之間，更佳為百分之20至百分之35之間。另外，選擇該等殘段之該等長度，使得該等殘段之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一長百分之2至百分之5之間。

圖6為根據本申請案之第二實施例的一DCSF展示可能結構的一示意圖。圖6 (a)根據本申請案之第一實施例展示一DCSD，並且圖6 (b)根據本申請案之第二實施例展示一DCSF。

如圖6 (b)所指之DCSF結構係如圖6 (a)所指之第一實施例之又一個變體。圖6 (b)之DCSF結構係基於一電路等效性，亦即，具有相同電氣長度及特性阻抗之兩個並聯殘段(一個開路殘段及一個短路殘段)等效於如圖6 (a)所指帶有兩倍電氣長度及一半特性阻抗之一個單一短路殘段。電路等效性之證明如圖7中所指。在理想狀況中，其為 la = lb = λ/8，亦即，在+/-10%容差內，實際上，僅大致尊重那身份，原因在於實體短路及斷路之非理想因素。

再者，可選擇該等傳輸線部分之長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短至少百分之10。在這種狀況中，選擇該等傳輸線部分之該等長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短百分之15至百分之50之間，較佳為百分之20至百分之40之間，更佳為百分之20至百分之35之間。

作為一修改，當電氣濾波器結構包含具有s符合1≤s≤N之長度SST(s)的N個短路殘段、具有長度OST之N個開路殘段、以及具有長度TL之N-1個傳輸線部分時，微波濾波器具有一對稱結構，其中該等短路殘段被組配用以滿足一公式(1)，該開路殘段被組配用以滿足一公式(2)，並且該傳輸線被組配用以滿足一公式(3)； SST(k) = SST(N+1-k) (1), [k≤floor(N/2)] OST(k) = OST(N+1+k) (2), [k≤floor(N/2)] TL(k) = TL(N-k) (3), [k≤floor(N/2)] k = 一正整數。

作為一進一步修改，該微波濾波器係一契比雪夫濾波器，其具有在一+/-百分之5或+/-百分之2容差內之一0.1 dB通帶漣波。另外，該微波濾波器係一帶通濾波器。再者，成對之開路殘段及短路殘段包含相同之特性阻抗。另外，各別成對之開路殘段及短路殘段之電氣長度係一信號之一波長之八分之一，該信號具電氣濾波器結構之通帶中心頻率之一頻率，容差為+/-2%至5%。

10:T接面 20:交叉接面 P1,P2:連接埠 ST1~STN,ST1'~ST7':殘段 TL1~TLN-1,TL1'~TLN7':傳輸線

根據本發明之實施例隨後將參照附圖作說明，其中：圖1根據先前技術，為一直接耦合殘段濾波器DCSF展示可能結構的一示意圖；圖2展示一示意曲線圖，其表示一理想DCSF之理論響應；圖3(a)至3(b)根據先前技術，展示DCSF之可能印刷實現的一示意圖；圖4(a)至4(b)展示一習知的DCSF及根據本申請之一第一實施例的一DCSF之示意性響應；圖5展示根據先前技術之習知DCSF之示意性響應以及根據本申請案之第一實施例之DCSF之一測量結果。圖6(a)至6(b)為根據本申請案之一第二實施例的一DCSF展示可能結構的一示意圖；圖7根據本申請案之第二實施例展示DCSF之一電路等效性之一證明。

Claims

一種電氣濾波器結構，用於以一頻率選擇性方式將一電氣信號從一第一連接埠轉發至一第二連接埠，其中該濾波器係一微波濾波器，該電氣濾波器結構包含：複數個殘段，其在介於相鄰傳輸線部分之間的複數個接面處耦合至包含複數個傳輸線部分之一傳輸線；以及其中該第一連接埠與該等接面中具有一第一殘段之一第一接面連接；其中該第二連接埠與該等接面中具有一最後殘段之一最後接面連接；其中選擇該等傳輸線部分之長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短至少百分之10。
如請求項1之濾波器結構，其中選擇該等殘段之長度，使得該等殘段之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一長至少2%。
如請求項1或2之濾波器結構，其中該微波濾波器具有一對稱結構，條件是該電氣濾波器結構包含具有s符合1
s
N之長度SST(s)的N個殘段、以及具有長度TL之N-1個傳輸線部分，其中該等殘段被組配以在一+/-百分之5或+/-百分之2的容差內滿足一公式(1)，並且該等傳輸線部分被組配以在一+/-百分之5或+/-百分之2的容差內滿足一公式(2)；ST(k)=ST(N+1-k) (1),[k
floor(N/2)] TL(k)=TL(N-k) (2),[k
floor(N/2)] k=一正整數。
如請求項1或2之濾波器結構，其中該微波濾波器係一契比雪夫濾波器，其具有在一+/-百分之5或+/-百分之2容差內之0.1dB之一通帶漣波。
如請求項1或2之濾波器結構，其中該微波濾波器係一帶通濾波器。
如請求項1或2之濾波器結構，其中選擇該等傳輸線部分之該等長度，使得該等傳輸線部分之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一短百分之15至百分之50之間，較佳為百分之20至百分之40之間，更佳為百分之20至百分之35之間。
如請求項1或2之濾波器結構，其中選擇該等殘段之該等長度，使得該等殘段之電氣長度比具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率之一頻率的一信號之一波長之四分之一長百分之2至百分之5之間。