CN110679033A - 紧凑型带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种紧凑型带通滤波器(BPF)，其包括第一传输线，该第一传输线电磁耦合到第二传输线；以及隔离表面，该隔离表面位于所述第一传输线和所述第二传输线之间，其中，所述隔离表面包括被设计为在所述第一传输线和所述第二传输线之间产生期望的电磁耦合的至少一个孔，其中，所述耦合产生通带，使得输入传输信号内的特定频率被滤除。

Description

紧凑型带通滤波器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年5月11日提交的美国临时申请No.62/504,907的权益，其内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开总体上涉及带通滤波器，并且更具体地涉及具有紧凑尺寸并且以陡峭的抑制斜率提供最小***损耗的带通滤波器。
背景技术
带通滤波器(BPF)是用于为所连接的设备滤除不想要的频率的电子组件。也就是说，带通滤波器允许特定范围内的频率，并且抑制或衰减该范围外的频率。
例如，图1示出了通过理想BPF的频率的曲线图。允许通过的带宽，即曲线图上所示的通带，是从最小频率f1延伸到最大频率f2的频率范围。如曲线图的垂直轴上所示，通带的振幅以分贝为单位测量，并且指示传输频率的***损耗或信号损耗的量。理想的BPF包含零***损耗。
该曲线图指示完美垂直的抑制曲线，其允许所有期望的频率或通带成功地通过滤波器，同时防止所有不期望的频率或阻带通过。完美的理想垂直曲线在阻带和通带之间产生明显的截止点。
所需BPF的要求包括低***损耗和陡峭的抑制曲线。然而，与理想BPF不同，实际BPF不能产生完美的垂直抑制曲线或零***损耗。图2示出了实际的、非理想BPF的频率的曲线图。在最小频率和通带之间以及最大频率和通带之间，抑制曲线都很浅(shallow)。另外，在通带内存在允许频率的***损耗，例如3分贝。
许多当前可用的BPF采用具有特定频率的谐振的一个或多个谐振器。频率接近谐振频率的信号通过滤波器，而远离滤波器的信号被阻挡。在现有技术中，电流谐振器的三种主要设计包括：(a)基于电容器和电感器的谐振器；(b)基于表面和体声波滤波器(称为SAW和BAW滤波器)的谐振器；以及(c)基于介电材料中的腔的谐振器。
图3A示出了使用几个连接的电感器(L1、L2、L3和L8)和电容器(C1、C2、C3、C8和C9)的基于LC谐振器的BPF的图。连接的组件C1和L1以及其他类似的电容器和电感器是LC谐振器的基本组件。这些BPF通常采用耦合在一起的多个LC谐振器，因为一个谐振器通常不足以提供所需的或期望的抑制曲线陡度。因此，几个连续且连接的谐振器经常一起使用。然而，如图3B中所示的曲线图所示，由这种谐振器产生的抑制曲线较浅，导致阻带和通带之间的逐渐过渡，允许一些不期望的频率通过，同时还阻挡一些期望的频率，导致不准确的BPF。
图4A和图4B分别示出SAW和BAW类型的BPF。这些滤波器是现代无线通信设备中使用的流行设计，因为它们对不需要的频率具有高的抑制率(在接近通带～50MHz处～30-50dB)。即，如图4C所示，它们产生陡峭的抑制曲线。然而，SAW滤波器和BAW滤波器产生的***损耗通常不期望地高。此外，还存在其他限制。具体地，SAW型滤波器仅对于高达～3.5GHz的频率有效，但是对于当前正在开发的用于许多移动设备的较高频率带(例如，6GHz、28GHz等)不可用。此外，BAW型滤波器制造起来可以非常昂贵，并且同样对28GHz频带无效。另外，SAW类型和BAW类型的BPF产生的通带相对较窄(在70MHz-100MHz之间或类似)并且不能被调整。
第三种类型的BPF基于介电材料中的空腔，如图5A所示。这些滤波器允许陡峭的抑制曲线和低的***损耗。然而，由于最优性能所需的物理结构，这种滤波器的尺寸较大。显然，如图5B所示，第三种BPF通常太大而不能用在许多应用中，例如智能手机、平板设备、可佩戴设备等。
除了物理尺寸之外，窄带宽是在移动电话或智能电话中使用传统BPF的限制因素。移动电话应当在被设计为通过电话发送和接收的射频(RF)信号的整个频带中操作。在现代通信标准中，移动(蜂窝)电话的频带(带宽)可以包括宽的频率范围。典型地，这样的频率范围在1GHz与7GHz之间，同时工作在多频带频率。如上所述，传统的BPF不能满足这种需求。另外，***损耗引起RF信号的不良发送和接收。因此，期望具有低***损耗、宽通带和陡峭抑制曲线的BPF的较小版本。
因此，提供一种将克服上述限制的BPF将是有利的。
发明内容
下面是本公开的几个示例性实施方式的概述。提供本概述是为了方便读者提供对此类实施方式的基本理解，且并非完全界定本发明的广度。此概述并非对所有预期实施方式的广泛概述，其目的既不识别所有实施方式的关键或关键要素，也不描绘任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化形式呈现一个或多个实施方式的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。为方便起见，本文中可使用术语“特定实施方式”来指代本公开的单个实施方式或多个实施方式。
本文公开的特定实施方式包括紧凑型带通滤波器(BPF)，其包括第一传输线，该第一传输线电磁耦合到第二传输线；以及隔离表面，该隔离表面位于第一传输线和第二传输线之间，其中，隔离表面包括被设计为在第一传输线和第二传输线之间产生期望的电磁耦合的至少一个孔，其中，所述耦合产生通带，使得输入传输信号内的特定频率被滤除。
本文公开的特定实施方式还包括紧凑型带通滤波器(BPF)，其包括：第一传输线；以及第二传输线，其中，第一传输线电磁耦合到第二传输线，其中，所述耦合产生通带，使得输入传输信号内的特定频率被滤除。
附图说明
在说明书的结尾处，在权利要求中特别指出并清楚地要求本文公开的主题。从下面结合附图的详细描述中，所公开的实施方式的前述和其他目的、特征和优点将是清楚的。
图1是通过理想带通滤波器的频率的曲线图。
图2是通过非理想带通滤波器的示例的频率的曲线图。
图3A是LC谐振器带通滤波器的示例图。
图3B是通过示例性非理想LC带通滤波器的频率的曲线图。
图4A是表面声波带通滤波器的示例图。
图4B是体声波带通滤波器的示例图。
图4C是通过示例性声波带通滤波器的频率的曲线图。
图5A是基于腔的带通滤波器的示例图。
图5B是根据实施方式的基于腔的带通滤波器的示例。
图6A是根据实施方式的电磁耦合带通滤波器。
图6B是根据实施方式的包括多条传输线的带通滤波器的示例谐振器。
图7A是示出寄生耦合的影响的示例的带通滤波器的频率的曲线图。
图7B是具有强电磁耦合的带通滤波器的频率的曲线图。
图7C是具有弱电磁耦合的带通滤波器的频率的曲线图。
图8是根据实施方式的在两个传输线之间具有隔离表面的带通滤波器。
图9是根据实施方式的在多条传输线之间具有多个隔离表面的带通滤波器。
图10是根据实施方式的具有带多个孔的隔离表面的带通滤波器。
图11A和图11B是根据实施方式的具有非对称孔的示例性隔离表面的图。
图12A和图12B是显示根据实施方式具有隔离表面的带通滤波器的频率的曲线图，其中的隔离表面具有非对称孔。
具体实施方式
重要的是要注意，这里公开的实施方式仅仅是这里的创新教导的许多有利使用的示例。通常，在本申请的说明书中作出的陈述不一定限制所要求保护的各种实施方式中的任何一个。此外，一些陈述可适用于一些创造性特征，但不适用于其他特征。通常，除非另有说明，否则单个元件可以是复数，反之亦然，而不损失一般性。在附图中，贯穿几个视图，相同的附图标记表示相同的部件。
本文公开的一些示例性实施方式包括带通滤波器(BPF)，其被设计为利用阶跃抑制曲线、低***损耗和小物理尺寸来限制传入频率的带宽。本文中所公开的BPF可集成于手持式设备中，例如但不限于移动电话、智能电话、平板计算机、膝上型计算机、可佩戴电子设备等。BPF还可以集成在其他通信设备中，诸如雷达(例如，用于自主汽车)、基站、路由器等。所提出的设计基于在电磁耦合传输线之间放置隔离表面，其中隔离表面包括用于控制通带和阻带频率的性质的孔。根据所公开的实施方式，所公开的BPF可在1GHz与32GHz的频带之间的多频带频率下操作。
图6A示出了根据实施方式设计的示例性带通滤波器(BPF)600。BPF 600采用谐振器来过滤不想要的频率。谐振器是在特定频率下以比其他频率更大的振幅自然振荡的设备。用作BPF的谐振器的基本形式包括长度等于期望被允许通过的频率的电磁波长的一半的传输线。特定谐振器包括一个或多个长度的多条传输线。
如图6A所示，两个导电传输线610和620被放置得非常靠近，使得它们被电耦合以形成谐振器。因此，与两条传输线谐振的频率将通过BPF 600被滤波。为了减小BPF 600的物理尺寸，传输线610和620可以被配置为除了直线之外的各种形状。
在图6所示的示例性实施方式中，第一传输线610包括位于第二传输线620的U形部分640正上方的U形部分630。在一个实施方式中，传入RF信号由第一传输线610接收，并且经由沿着相应U形部分630、640的电磁耦合传送到第二传输线620。基于谐振频率对接收信号进行滤波，并且输出信号包括通带频率，同时使阻带频率衰减。
图6B是根据实施方式的包括多条传输线的BPF 650的示例谐振器。第一传输线660包括与第二传输线670的U形部分对准的U形部分。即，第一传输线660的U形部分放置在第二传输线670的相对定位的U形部分上方，第二传输线670的相对定位的U形部分放置在第三传输线680的相对定位的U形部分上方，随后第三传输线680的相对定位的U形部分放置在第四传输线690的相对定位的U形部分上方。
在BPF 650的实施方式中，第一传输线660接收传入RF信号，并且第四传输线690输出经滤波的输出信号。在示例性实施方式中，每条传输线的U形部分的半径约为790微米，每条传输线的线厚度约为17微米，并且相邻传输线的U形部分之间的距离约为350微米。这种示例性设计提供了具有大约5.9-6.5GHz通带的BPF。
应注意，采用两个或更多个电耦合传输线作为BPF的一部分可导致寄生耦合，其中不同谐振频率进行干扰从而减小通带的带宽或在其中引入***损耗。如图7A所示，陡峭的抑制曲线710导致通带的峰730，但是由于附近的传输线引起的干扰而引入增加的***噪声720。因此，BPF不仅衰减阻带频率，而且衰减通带内的附加频率。当在通信设备上实现时，这种BPF将导致信号损失和潜在的通信故障。
图7B是具有强电磁耦合的BPF的频率的曲线图750。作为一般规则，传输线之间的强耦合提供具有非陡峭抑制曲线(例如，曲线760)和最小***损耗(例如，小于1dB的信号损耗的通带770的***损耗)的滤波器。
或者，如图7C的曲线图780中所示，传输线之间的弱耦合提供具有较陡抑制曲线(例如，曲线785)但具有增加的***损耗(例如，通带内2dB的损耗)的滤波器。
根据所公开的实施方式，为了使寄生耦合最小化并且更好地控制通带的性质，在耦合的传输线之间(例如，在图6A的传输线610、620之间以及在图6B的传输线660、670、680和690之间)引入诸如导电(金属)材料的附加隔离表面。这样的表面部分地隔离传输线并且减少由寄生耦合引入的不希望的干扰。另外，隔离表面的使用使得能够以最小的寄生耦合或没有寄生耦合将多条传输线彼此紧密靠近地放置，从而允许物理上紧凑的BPF。在一个实施方式中，一个或多个隔离表面包括配置成控制电磁耦合和所得通带的孔。孔的尺寸和形状以及其相对于传输线在隔离表面上的位置可以变化。这些性质的调整允许精确的耦合控制。
图8示出了具有置于两个传输线820和830之间的隔离表面810的BPF800的示例性实施方式。隔离表面810包括同轴地放置在传输线820和830的U形部分的中心点之间的孔840。隔离表面840防止传输线820和830之间的不期望的干扰。应当注意，BPF内的隔离表面的层数不限于两层。
如图9所示，多个隔离表面910、920和930交替地放置在BPF 900的多个传输线940、950和960之间。在所公开的实施方式中，传输线940、950、960及970中的每一个呈具有交替方向的U形形状，并且多个隔离表面910、920及930中的每一个包括与传输线的中心定位对准的中心圆孔。当植入BPF900内时，隔离表面910、920和930允许传输线940、950、960和970非常靠近地定位在一起，同时维持最小寄生耦合，从而允许如先前所论述的紧凑型BPF900。
在一个实施方式中，传入RF信号由第一传输线940接收并中继到与其电磁耦合的第二传输线950，其中信号的传输受到第一隔离表面910的影响。接下来，信号被中继到电磁耦合的第三传输线960，其中信号进一步受到第二隔离表面920的影响。在受到第三隔离表面930的影响之后，信号最终被中继到第四传输线970。线和隔离表面之间的每个传输影响所得到的输出信号，并且更具体地改变阻带和通带的形状。
图10示出BPF 1000的替代实施方式，其中隔离表面1010包含多个孔1030。在该示例性实施方式中，隔离表面1010包含五个圆形孔，其中中心孔具有比四个周围孔小的尺寸。调整一个或多个孔的形状和位置允许调整由BPF1000产生的通带输出。
孔1030可以是对称结构的，如图10所示，或者可以包括非对称定位，如图11A和图11B中所示。图11A示出了包含细长矩形孔1110和中心圆形孔1120的示例性隔离表面1110。在图11B所示的替代配置中，矩形孔1130和两个圆形孔1140放置在隔离表面1105上，其中没有一个孔位于隔离表面1105的中心。具有多个对称或非对称孔的各种隔离表面可以交替地堆叠在多条传输线之间。
应注意，由隔离表面内的非对称孔引起的所得滤波曲线相对于左右抑制斜率不对称，左右抑制斜率可具有不同的斜率值。可以基于隔离表面的放置和堆叠来操纵阻带和通带的性质。
在实施方式中，隔离表面的适当放置允许紧密相邻的频带的有效分离。具体地，堆叠多个不相同的隔离表面(例如，具有各种不相同的孔的隔离表面)能够实现不对称的滤波器响应。在实施方式中，在传输线之间堆叠非对称隔离表面允许在通带-阻带接口的至少一侧上的陡峭抑制曲线。
图12A和图12B示出具有由根据各种所公开实施方式设计的BPF内的不对称隔离表面引起的各种倾斜抑制曲线的频率的示例性曲线图。图12A示出了当阻带过渡到通带1215中时的浅左抑制曲线1210。然而，右抑制曲线1220显著更陡，在通带和阻带之间具有更尖锐的过渡。同样，图12B示出了陡峭的左抑制曲线1230和浅的右抑制曲线1240。
如本文所使用的，项目列表后的短语“至少一个”意味着可以单独使用任何所列出的项目，或者可以使用两个或更多个所列出的项目的任何组合。例如，如果***被描述为包括“A、B和C中的至少一个”，则***可以包括：单独的A；单独的B；单独的C；组合的A和B；组合的B和C；组合的A和C；或组合的A、B和C。
本文所列举的所有示例和条件语言旨在用于教育目的，以帮助读者理解所公开的实施方式的原理和发明人为促进本领域而贡献的概念，并且应被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。此外，在此列举所公开的实施方式的原理、方面和实施方式以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同物。另外，意图是这样的等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，执行相同功能的开发的任何元件，而不管结构如何。

Claims (20)

1.一种紧凑型带通滤波器(BPF)，其包括：
第一传输线，该第一传输线电磁耦合到第二传输线；以及
隔离表面，该隔离表面位于所述第一传输线和所述第二传输线之间，其中，所述隔离表面包括被设计为在所述第一传输线和所述第二传输线之间产生期望的电磁耦合的至少一个孔，其中，所述耦合产生通带，使得输入传输信号内的特定频率被滤除。
2.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述隔离表面包括相对于所述第一传输线和所述第二传输线非对称的至少一个非对称孔。
3.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述孔在所述隔离表面内的放置限定所述BPF的所述通带和阻带之间的陡峭抑制曲线。
4.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述第一传输线和所述第二传输线各自还包括U形部分。
5.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述第一传输线的所述U形部分与所述第二传输线的所述U形部分对准。
6.根据权利要求4所述的BPF，其中，所述第一传输线的所述U形部分和所述第二传输线的所述U形部分在方向上交替。
7.根据权利要求1所述的BPF，所述BPF还包括放置在所述第一传输线和所述第二传输线之间的至少一条中间传输线。
8.根据权利要求7所述的BPF，所述BPF还包括中间隔离表面，使得在每条传输线之间存在隔离表面。
9.根据权利要求8所述的BPF，其中，所述隔离表面和中间隔离表面中的每一个隔离表面在其中包括孔。
10.根据权利要求9所述的BPF，其中，所述隔离表面和中间隔离表面的每个孔相对于彼此是非对称的。
11.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述隔离表面内的所述孔包括以下形状中的至少一种：圆形、方形、矩形和椭圆形。
12.根据权利要求1所述的BPF，其中，所述BPF的工作频率在1千兆赫(GHz)与32GHz之间，其中，所述BPF的所述工作频率包括多个不同的频带。
13.一种紧凑型带通滤波器(BPF)，其包括：
第一传输线；以及
第二传输线，其中，所述第一传输线电磁耦合到所述第二传输线，其中，所述耦合产生通带，使得输入传输信号内的特定频率被滤除。
14.根据权利要求13所述的BPF，其中，所述第一传输线和所述第二传输线的放置被配置为在所述BPF的所述通带和阻带之间产生至少一条陡峭的抑制曲线。
15.根据权利要求13所述的BPF，其中，所述第一传输线和所述第二传输线各自还包括U形部分。
16.根据权利要求15所述的BPF，其中，所述第一传输线的所述U形部分与所述第二传输线的所述U形部分对准。
17.根据权利要求15所述的BPF，其中，所述第一传输线的所述U形部分和所述第二传输线的所述U形部分在方向上交替。
18.根据权利要求13所述的BPF，所述BPF还包括：
放置在所述第一传输线和所述第二传输线之间的至少一条中间传输线。
19.根据权利要求13所述的BPF，其中，所述BPF的工作频率在1千兆赫(GHz)与32GHz之间，其中，所述BPF的所述工作频率包括多个不同的频带。
20.根据权利要求13所述的BPF，其中，所述BPF能够集成在手持式电子设备中。
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