TWI767338B

TWI767338B - 電氣濾波器結構

Info

Publication number: TWI767338B
Application number: TW109133171A
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: 2020-09-24
Publication date: 2022-06-11
Also published as: US20220238975A1; TW202137625A; WO2021160246A1

Abstract

本案揭示一種電氣濾波器結構，其用於以一頻率選擇性方式將一電氣信號自例如P1之一第一埠轉遞至例如P2之一第二埠，其中該濾波器為一微波濾波器，該電氣濾波器結構包含：一開路短截線及一短路短截線之複數對，其在鄰接傳輸線部分之間的例如交叉接頭之複數個接頭處與包含複數個傳輸線部分之一傳輸線並聯地電氣耦接；且其中該第一埠與該等接頭中之一第一接頭連接，該第一接頭具有包含一第一開路短截線及一第一短路短截線之一第一對；其中該第二埠與該等接頭中之一最後接頭連接，該最後接頭具有包含一最後開路短截線及一最後短路短截線之一最後對；其中選擇耦接至該等接頭中之同一者的該開路短截線及該短路短截線之該對的長度，使得各別對之該開路短截線及該短路短截線的電氣長度在+/-10%之一容限內相等。

Description

電氣濾波器結構

發明領域

根據本發明之實施例係關於一種用於以頻率選擇性方式將電氣信號自第一埠轉遞至第二埠之電氣濾波器結構。根據本發明之實施例係關於一種微波濾波器。

發明背景

電氣濾波器結構用於許多應用中。舉例而言，電氣濾波器結構可經實施以充當低通濾波器、帶通濾波器或高通濾波器。在下文中，將給出對濾波器之設計的簡要介紹。

圖1展示根據先前技術之直接耦接式短截線型濾波器(在下文中指示為DCSF)的實例。DCSF為經典的微波濾波器結構。下文簡要地解釋DSCF之工作原理及設計程序。

如圖1所展示，習知DCSF由 N 個( N 為濾波器之階數)短路短截線(ST1、……STN )組成，該等短路短截線藉由 N-1 條傳輸線(TL1、……TLN-1)交錯。所有短截線及所有傳輸線皆具有相同電氣長度，亦即，濾波器通帶之中心頻率( f0)下的波長的四分之一(λ/4)。

通常，濾波器為對稱的，此係因為其表達為ST1=STN 、ST2=STN-1……，且TL1=TLN-1、TL2=TLN-2、……STk =STN+1-k、 TLk =TLN-k， k =1、2、……floor( N /2)。此類濾波器尤其適合於印刷實現，例如微帶或帶狀線。在圖1中，埠1及埠2為濾波器之射頻(RF)埠，亦即，一者(無論哪個)為輸入埠，另一者為輸出埠。

與許多分佈式RF/微波濾波器一樣，DCSF具有週期性頻率回應，具有以 f0、3 f0、……(2 h +1)* f0( h =0、1、2、……)為中心之無限數目個通帶。在每一通帶中，頻率回應圍繞其各別中心對稱。

圖2展示習知DCSF之樣本回應。如圖2中所展示，主通帶用虛線指示，且僅展示前3個通帶，該等通帶可圍繞軸線 x =(2 h +1)* f0成鏡像而不改變其形狀。通常，濾波器用於「第一窗口」中，亦即，用於範圍介於零至略高於2 f0(精確值取決於所接受之阻帶抑制)之頻率。關於習知DCSF，已知以下問題使得難以達成理想回應。

首先，圖1中所描繪之濾波器(其產生類似於如圖2所展示之回應的回應)的短截線(ST1、……STN )及傳輸線(TL1、……TLN-1)為無損耗元件且點狀地接合。其次，真實/實體上可實現之短截線及傳輸線呈現耗損，其通常隨頻率增加。因此，在通帶(阻帶)中，功率轉移比率小於(高於)理想狀況。此外，通帶額外衰減隨頻率增加且自中心傳遞至通帶之邊緣。第三，二條傳輸線之間及短截線上的接頭不可能為點狀的，確切而言，其包括「連接」元件(參見圖3)，該等元件表現為不連續性，其效應隨頻率增加而更重要。回應變成僅大致週期性的，其中在較高 h 處不規則性增加。第四，隨著頻率增加，短截線及傳輸線之交叉尺寸相較於波長變得顯著，亦即，較高頻率下之回應變得愈來愈不規則以及愈來愈不可預測。

圖3展示所實現之習知DCSF的實例。圖3(a)指示單個短截線結構且圖3(b)指示雙內部短截線結構。如圖3中所指示，每一短截線藉由具有接地連接GND而短路，該接地連接通常經由通孔連接。圖3(a)之濾波器結構指示例如：短截線ST1經由T形接頭10耦接至第一埠P1及傳輸線TL1，短截線ST2經由T形接頭10耦接至傳輸線TL1及傳輸線TL2，……，且短截線ST7經由T形接頭10耦接至傳輸TL6及第二埠P2。圖3(b)之濾波器結構指示例如：短截線ST1'經由T形接頭10耦接至第一埠P1及傳輸線TL1'，且短截線ST7'經由T形接頭10耦接至傳輸線TL6'及第二埠Ps。然而，如圖3(b)中所指示，DCSF具有雙內部短截線，且因此，除短截線ST1'及ST7'以外，雙內部短截線經由交叉接頭20耦接至傳輸線。舉例而言，短截線ST2'經由交叉接頭20耦接至傳輸線TL1'及傳輸線TL2'，且短截線ST2'對稱地置設於傳輸線之中心。

為設計如圖3中所指示之濾波器，存在額外的自由設計參數「 d 」，亦即，傳輸線之長度及短截線之長度。運用額外設計參數 d ，有可能獲得具有極類似之特性阻抗的所有短截線(第一狀況)或使得外部短截線之特性阻抗約為內部短截線之特性阻抗的二倍(類似於彼此，第二狀況)。在第一狀況下，最便利的實現為如圖3(a)所展示之實現。在第二狀況下，較佳用並聯之二個短截線(具有二倍特性阻抗)實現內部短截線，如圖3(b)中所展示。

通常，濾波器之設計模型模擬不同於濾波器之真實回應。特別而言，低通側之差異相對較大。如圖2中所指示，需要尖銳的低通側來實現理想的主通帶。

因此，本發明之目標為建立一種促進使用可易於獲得之技術來實施所欲濾波器特性的概念。

發明概要

根據本發明之實施例係關於一種電氣濾波器結構，其用於以頻率選擇性方式將電氣信號自例如P1之第一埠轉遞至例如P2之第二埠。該濾波器為微波濾波器，該電氣濾波器結構包含：開路短截線及短路短截線之複數對，其在鄰接傳輸線部分之間的例如交叉接頭之複數個各別接頭處與包含複數個傳輸線部分之傳輸線並聯地電氣耦接；且其中第一埠與接頭中之第一接頭連接，該第一接頭具有包含第一開路短截線及第一短路短截線之第一對；其中該第二埠與接頭中之最後接頭連接，該最後接頭具有包含最後開路短截線及最後短路短截線之最後對；其中選擇耦接至接頭中之同一者的開路短截線及短路短截線之對的長度，使得各別對之開路短截線及短路短截線的電氣長度在+/-10%之容限相等。

在較佳實施例中，選擇傳輸線部分之長度，使得傳輸線部分之電氣長度比信號之波長的四分之一短至少10百分比，該信號具有電氣濾波器結構之通帶中心頻率的頻率。因此，有可能提供在低通側始終更具選擇性之濾波器結構，亦即，具有尖銳的低通側。

在較佳實施例中，選擇傳輸線部分之長度，使得傳輸線部分之電氣長度比信號之波長的四分之一短介於15至50百分比之間，較佳介於20至40百分比之間，更佳介於20至35百分比之間，該信號具有電氣濾波器結構之通帶中心頻率的頻率。

在較佳實施例中，該微波濾波器具有對稱結構，當電氣濾波器結構包含具有長度SST之N個短路短截線(其中1

s

N)、具有長度OST之N個開路短截線及具有長度TL之N-1個傳輸線部分時，其中短路短截線經組配以滿足式(1)，開路短截線經組配以滿足式(2)且傳輸線經組配以滿足式(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=正整數。

在較佳實施例中，該微波濾波器為契比雪夫(Chebyshev)濾波器，其具有0.1dB之通帶波動，容限為+/-5百分比或+/-2百分比。該微波濾波器為帶通濾波器。一對之開路短截線及短路短截線包含相同的特性阻抗。

在較佳實施例中，各別對之開路短截線及短路短截線的電氣長度為信號之波長的八分之一，容限為+/-2至5%，該信號具有電氣濾波器之通帶中心頻率的頻率。短路短截線包含經組配以在設計中心頻率下電氣短路之端部電容。因此，此配置有可能改善電氣濾波器特性。

10:T形接頭

20:交叉接頭

f0:中心頻率

GND:接地連接

P1:第一埠

P2:第二埠

ST1,ST2,ST3,ST4,ST5,ST6,ST7,ST1',ST2',ST3',ST4',ST5',ST6',ST7',STN-1,STN:短路短截線

TL1,TL2,TL3,TL4,TL5,TL6,TL1',TL2',TL3',TL4',TL5',TL6',TLN-1:傳輸線

隨後將參看附圖描述根據本發明之實施例，在附圖中：圖1展示根據先前技術之直接耦接式短截線型濾波器DCSF的可能結構之示意性說明；圖2展示表示理想DCSF之理論回應的示意圖；圖3(a)、圖3(b)展示根據先前技術之DCSF的可能印刷實現之示意性說明；圖4(a)、圖4(b)展示習知DCSF及根據本申請案之第一實施例之DCSF的示意性回應；圖5展示根據先前技術之習知DCSF的示意性回應及根據本申請案之第一實施例的DCSF之量測結果；圖6(a)、圖6(b)展示根據本申請案之第二實施例的DCSF之可能結構的示意性說明；圖7展示根據本申請案之第二實施例的DCSF之電路等效性的證明。

較佳實施例之詳細說明

根據本申請案之第一實施例的電氣濾波器結構(直接耦接式短截線型濾波器DCSF之濾波器結構)在拓樸上相同於習知DCSF。亦即，根據本申請案之第一實施例的DCSF具有與圖3(a)或圖3(b)所指示相同的拓樸結構。然而，選擇傳輸線部分之長度，使得傳輸線部分之電氣長度比信號之波長的四分之一短至少10百分比，該信號具有電氣濾波器結構之通帶中心頻率的頻率。

此外，選擇短截線之長度，使得短截線之電氣長度比信號之波長的四分之一長至少2%，該信號具有電氣濾波器結構之通帶中心頻率的頻率。

此外，如圖3中所指示，微波濾波器具有對稱結構。對稱結構定義為：當電氣濾波器結構包含具有長度SST之N個短截線(其中1

s

N)及具有長度TL之N-1個傳輸線部分時，其中短截線經組配以在+/-5百分比或+/-2百分比之容限內滿足式(1)，且傳輸線部分經組配以在+/-5百分比或+/-2百分比之容限內滿足式(2)；ST(k)=ST(N+1-k) (1)，[k

floor(N/2)]

TL(k)=TL(N-k) (2)，[k

floor(N/2)]

k=正整數。

圖4展示習知DCSF及根據本申請案之第一實施例之DCSF的示意性回應。圖4(a)展示根據習知結構之所設計或所模擬DCSF及根據本申請案之第一實施例的DCSF之回應。圖4(b)展示根據本申請案之第一實施例的所實現濾波器關於圖4(a)中所描繪之回應的回應。在圖4中，將習知DCSF之回應指示為長虛線，將根據本申請案之第一實施例的DCSF之回應指示為點虛線，且將根據本申請案之第一實施例的所實現DCSF之量測結果指示為線。

模擬/設計DCSF之準則為：

- DCSF具有 N =9；通帶為13至26GHz。

- 具有0.1dB之通帶波動(頻帶內回波損耗為~16.4dB)的契比雪夫設計。

- 用於短截線及傳輸線之半理想模型(包括損耗)。

- x 軸：以GHz為單位之頻率。

- y 軸：以dB為單位之功率轉移比率(|S21|)

如圖4(a)中所指示，相比根據本申請案之第一實施例的DCSF，習知DCSF之回應在高通側具有較佳選擇性。在低通側，根據本申請案之第一實施例的DCSF具有較佳選擇性。

根據圖4(b)，根據本申請案之第一實施例的DCSF之量測回應看似比根據本申請案之第一實施例的所模擬DCSF之回應更佳。亦即，如圖4(b)中所展示，量測回應之高通選擇性與習知設計幾乎相同，且低通選擇性與根據本申請案之第一實施例的所模擬DCSF幾乎相同。因此，根據第一實施例之DCSF有可能提供通帶之較佳選擇性，亦即，藉由調整傳輸線部分之長度及/或短截線之長度來改善電氣濾波器之特性。

圖5展示習知DCSF、具有不同階數之契比雪夫濾波器(亦即，15階濾波器及10階濾波器)之回應。在圖5中，將15階之回應指示為點線，且將10階之回應指示為點虛線。在習知DCSF中，其經設計為具有0.2dB之通帶波動，考慮耗損以模擬回應。在圖4中關於階數及通帶波動所指示之偏差主要係由於以下事實：此處考慮之濾波器為純理想的(具有損耗)且規範的，而DCSF為冗餘的：傳輸線產生一些額外選擇性。

如圖5中所指示，根據本發明之第一實施例的濾波器結構在低通側展示15之等效階數，其中相對於現有解決方案改善50%。亦即，根據本發明之第一實施例的濾波器結構顯著改善濾波器特性而不改變濾波器之拓樸結構。

作為修改，選擇傳輸線部分之長度，使得傳輸線部分之電氣長度比信號之波長的四分之一短介於15至50百分比之間，較佳介於20至40百分比之間，更佳介於20至35百分比之間，該信號具有電氣濾波器結構之通帶中心頻率的頻率。此外，選擇短截線之長度，使得短截線之電氣長度比信號之波長的四分之一長介於2至5百分比之間，該信號具有電氣濾波器結構之通帶中心頻率的頻率。

圖6展示根據本申請案之第二實施例的DCSF之示意性可能結構。圖6(a)展示根據根據本申請案之第一實施例的DCSD，且圖6(b)展示根據本申請案之第二實施例的DCSF。

如圖6(b)中所指示之DCSF結構為如圖6(a)中所指示之第一實施例的又一變型。圖6(b)之DCSF結構係基於電路等效性，亦即，具有相同電氣長度及特性阻抗之並聯的二個短截線(一個開路且一個短路)等效於如圖6(a)中所指示之具有二倍電氣長度及一半特性阻抗的單一個短路短截線。電路等效性之證明指示於圖7中。在理想狀況下，其為 I _a= I _b=λ/8，亦即，在+/-10%之容限內，實際上，由於實體短路及開路上之非理想性元件，僅大致考慮一致性。

此外，可選擇傳輸線部分之長度，使得傳輸線部分之電氣長度比信號之波長的四分之一短至少10百分比，該信號具有電氣濾波器結構之通帶中心頻率的頻率。在此狀況下，選擇傳輸線部分之長度，使得傳輸線部分之電氣長度比信號之波長的四分之一短介於15至50百分比之間，較佳介於20至40百分比之間，更佳介於20至35百分比之間，該信號具有電氣濾波器結構之通帶中心頻率的頻率。

作為修改，該微波濾波器具有對稱結構，當電氣濾波器結構包含具有長度SST之N個短路短截線(其中1

s

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=正整數。

作為另一修改，該微波濾波器為契比雪夫濾波器，其具有0.1dB之通帶波動，容限為+/-5百分比或+/-2百分比。此外，該微波濾波器為帶通濾波器。此外，一對之開路短截線及短路短截線包含相同的特性阻抗。此外，各別對之開路短截線及短路短截線的電氣長度為信號之波長的八分之一，容限為+/-2至5%，該信號具有電氣濾波器之通帶中心頻率的頻率。

GND:接地連接

P1:第一埠

P2:第二埠

Claims

一種電氣濾波器結構，其用於以一頻率選擇性方式將一電氣信號自一第一埠轉遞至一第二埠，其中該濾波器為一微波濾波器，該電氣濾波器結構包含：一開路短截線及一短路短截線之複數對，其在鄰接傳輸線部分之間的複數個接頭處與包含複數個傳輸線部分之一傳輸線並聯地電氣耦接；且其中該第一埠與該等接頭中之一第一接頭連接，該第一接頭具有包含一第一開路短截線及一第一短路短截線之一第一對；其中該第二埠與該等接頭中之一最後接頭連接，該最後接頭具有包含一最後開路短截線及一最後短路短截線之一最後對；其中選擇耦接至該等接頭中之同一者的該開路短截線及該短路短截線之對的長度，使得各別對之該開路短截線及該短路短截線的電氣長度在+/-10%之一容限內相等。
如請求項1之濾波器結構，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一信號之一波長的四分之一短至少10百分比，該信號具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率的一頻率。
如請求項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一信號之一波長的四分之一短介於15至50百分比之間，較佳介於20至40百分比之間，更佳介於20至35百分比之間，該信號具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率的一頻率。
如請求項1至3中任一項之濾波器結構，其中該微波濾波器具有一對稱結構，當該電氣濾波器結構包含具有長度SST之N個短路短截線(其中1
s
N)、具有長度OST之N個開路短截線及具有長度TL之N-1個傳輸線部分時，其中該等短路短截線經組配以滿足一式(1)，該等開路短截線經組配以滿足一式(2)且該傳輸線經組配以滿足一式(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。
如請求項1之濾波器結構，其中該微波濾波器為一契比雪夫濾波器，其具有0.1dB之一通帶波動，一容限為+/-5百分比或+/-2百分比。
如請求項1之濾波器結構，其中該微波濾波器為一帶通濾波器。
如請求項1之濾波器結構，其中一對之該開路短截線及該短路短截線包含相同的特性阻抗。
如請求項1之濾波器結構，其中該等各別對之該開路短截線及該短路短截線的該電氣長度為一信號之一波長的八分之一，容限為+/-2至5%，該信號具有該電氣濾波器結構之一通帶中心頻率的一頻率。
如請求項1之濾波器結構，其中該等短路短截線包含經組配以在設計中心頻率下電氣短路之端部電容。