本申请要求于2015年12月8日提交的题为“tunablebandpassfilter”的美国非临时专利申请第14/962,855号的优先权和权益，其通过引用并入本文中如同在此重现其全部内容。
此改进总体上涉及光学滤波器领域，并且更具体地，涉及可调谐带通滤波器。
背景技术：
电磁波滤波器被用于多种多样的应用中。滤波器用于从信号中消除一些频率(被称为抑制频带)。未被消除的频率被称为通频带。当滤波器所作用的频率在电磁频谱的微波部分中时，该滤波器可以被称为微波滤波器。抑制频带的一个或多个边缘通常被称为截止(cutoff)。选择滤波器时的考虑事项包括截止锐度(在本领域也称为边缘陡度(skirtsteepness)和滚降(roll-off))和q因数。例如，截止锐度会影响通频带的窄度。在一些应用中，例如在可重配置的通信系统中，要求截止频率的可调谐性。已知利用诸如马达机制或其他机械结构的装置以机械方式提供这种滤波器的可调谐性。然而，这种技术具有诸如尺寸、成本、性能限制等缺点。
在无线和卫星系统二者中都需要高品质因数(高q)可调谐滤波器。这些系统的可调谐性和可重配置性可以提供很大的灵活性和经济效益。例如，无线服务供应商所面临的挑战之一是在城市区域中进行基站安装期间的不动产成本。将集成多种功能的可调谐滤波器(例如多标准与多频带滤波器)包括在一个站点中为无线服务供应商将可调谐滤波器而非固定频率滤波器并入基站提供了经济激励。在卫星系统中，由于可调谐滤波器提供的多模式与多功能操作以及可重配置性，所以使用这种滤波器可以显著减小有效载荷的大小和质量。由于发射成本取决于卫星的重量，所以质量和大小的这种减小对卫星系统的成本具有经济影响。
可调谐滤波器呈现出高有载q值通常是理想的。可调谐滤波器的有载q值由滤波器结构本身的q值和在使用中调谐元件的插入损耗来确定。目前可用的系统采用各种类型的调谐元件。例如，一些元件基于半导体、铁电材料、铁磁材料和/或机械系统。滤波器内调谐元件的集成可能会增加插入损耗并导致较低的有载q值。
技术实现要素：
电子可调谐性是相对新的研究领域。虽然从大小和成本的角度来看电子可调谐性是有吸引力的，但仍然有一些挑战需要解决以允许其适用于一些应用。
一种一般的解决方案可适用于基于子滤波器的组合的带通滤波器系统。在本公开内容中，术语“子滤波器”是指用作滤波器系统的组件的滤波器元件。滤波器系统的通频带和抑制频带在本文中将被称为系统通频带和系统抑制频带。系统通频带和系统抑制频带由多个子滤波器的组合行为来确定。子滤波器可以被选择并配置成产生期望的系统通频带而不是基于单独的性能考虑。因此，可以采用具有较低有载q值的子滤波器来实现具有高有载q值的带通滤波器系统。
在一个实施方式中，为了实现系统通频带中期望的性能特性，可以预优化子滤波器，而不是在整个频谱上优化其性能。类似地，可以以增加与带通滤波器系统的截止对应的一个截止的锐度的方式来优化具有两个截止的带通子滤波器。
在实施方式中，可以使用具有低插入损耗的宽频带子滤波器通过优化系统通频带上的滤波器耦合矩阵来实现符合要求的总体性能。
给定的子滤波器可以用于透射或反射，其取决于与系统通频带对应的是子滤波器的通频带还是抑制频带。
根据一方面，提供了一种可调谐带通滤波器系统，其具有由第一可调谐截止频率和第二可调谐截止频率限定的系统通频带。该可调谐带通滤波器系统具有：第一子滤波器，其具有在第一可调谐截止频率处的第一可调谐截止；以及第二子滤波器，其具有在第二可调谐截止频率处的第二可调谐截止。第一子滤波器和第二子滤波器被连接在输入端口与输出端口之间。第一子滤波器和第二子滤波器中的至少一个子滤波器被连接以进行反射操作。可调谐系统通频带与被连接以进行反射操作的所述至少一个子滤波器的抑制频带的一部分对应。
根据另一方面，提供了一种操作可调谐带通滤波器系统的方法。该可调谐带通滤波器系统具有由第一可调谐截止频率和第二可调谐截止频率限定的可调谐系统通频带。该可调谐带通滤波器系统还具有：第一子滤波器，其具有在第一可调谐截止频率处的第一可调谐截止；以及第二子滤波器，其具有在第二可调谐截止频率处的第二可调谐截止。第一子滤波器和第二子滤波器被连接在输入端口与输出端口之间。该方法包括：第一子滤波器和第二子滤波器中的至少一个根据其频率响应的抑制频带来朝向输出端口反射从输入端口进入的电磁信号。
为了清楚起见，在本文中使用表述“子滤波器”来指代形成更大的系统(通常为“带通滤波器系统”)的一部分的滤波器，并且允许读者容易地区分整体与部分。在本文中通常使用表述“滤波器”来涵盖诸如有损滤波器和预优化滤波器的设备。除了特别说明的以外，表述“滤波器”并不旨在暗示性能水平。
还通常使用表述“通频带”来指代下述滤波器的透射频带：带通滤波器(在两个截止之间)、低通滤波器(在截止之下)、高通滤波器(在截止之上)或带阻滤波器(在抑制频带之上和之下)。通常使用表述“抑制频带”来指代在通频带以外的频率响应的部分。通常使用表述“反射频带”来指代由滤波器反射的频率响应的部分，其通常与抑制频带对应。
阅读本公开内容之后，将向本领域技术人员呈现关于本改进的许多其他特征及其组合。
附图说明
在附图中，
图1a是根据实施方式的带通滤波器系统的示意图；
图1b是图1a中的带通滤波器系统的示意性频率响应表示；
图2a和图2b是带通滤波器的频率响应图；
图2c和图2d是根据图1a中的示意图的带通滤波器系统实施方式的频率响应图；
图3a、图3b和图3c是滤波器的不同的示意性表示；
图3d是图3c中的滤波器的频率响应图；
图4a和图4b是相同带通子滤波器的不同配置的频率响应图；
图4c是另一子滤波器的频率响应图；
图4d是根据实施方式的带通滤波器系统的频率响应图；
图5是另一子滤波器的频率响应图；
图6a是根据实施方式的带通滤波器系统的示意图；
图6b和图6c是图6a中的带通滤波器系统的频率响应图；
图7a和图7b是图1a中的带通滤波器系统的示意性频率响应表示；
图8a是根据实施方式的带通滤波器系统的示意图；
图8b和图8c是图8a中的带通滤波器系统的示意性频率响应表示；
图9a是根据实施方式的带通滤波器系统的示意图；
图9b是图9a中的带通滤波器系统的示意性频率响应表示；
图10a和图10b是不同的带阻子滤波器的频率响应图；
图10c和图10d是具有图10a和图10b中的子滤波器的图9a中的带通滤波器系统的频率响应图；
图11是示出使用如图1a和图1b所示的两个带通滤波器系统的示例性双通道多路复用器或双工器的示意图；
图12是示出图11中的双工器的示例性频率响应的图；
图13是示出使用如图1a和图1b所示的两个带通滤波器系统的双工器的示例的示意图；
图14是示出具有另外成对的子滤波器和环行器的双工器的另一示例的示意图；
图15是示出图13中的双工器的示例性频率响应的图。
具体实施方式
在图1a中示出了可调谐带通滤波器系统10的示例。该可调谐带通滤波器系统具有第一子滤波器12和第二子滤波器14，二者均为可调谐带通滤波器。图1b示出了子滤波器12的频率响应12'和子滤波器14的频率响应14'。第一子滤波器12和第二子滤波器14具有比系统通频带18宽的通频带，并且其在本文中将被称为“宽频带子滤波器”。与具有与系统通频带18相当的通频带的滤波器相比，宽频带子滤波器通常具有较低的插入损耗。此外，如下文将更详细地描述的，宽频带子滤波器可以针对其与系统通频带18对应的通频带(或抑制频带)的部分的性能进行优化。因此，即使宽频带子滤波器具有相对低的有载q值，宽频带子滤波器也可以是有利的。由于子滤波器12、14的通频带16、24的宽度，子滤波器12、14的通频带16、24的中心频率之间的间隔19将比系统通频带18宽。
在此示例中，可以说第一子滤波器12以透射模式进行操作。子滤波器12的通频带16内的频率(即，图1b中的截止下限f2'和截止上限f2之间的频率)从输入端口11穿过子滤波器12朝向第二子滤波器14透射。
可以说第二子滤波器14以反射模式进行操作。返回参照图1a，环行器26接收来自第一子滤波器12的信号并将该信号透射到第二子滤波器14。第二子滤波器14的抑制频带或反射频带22中的频率被反射回环行器26，环行器26将该频率透射到可调谐带通滤波器系统10的输出端口17。在子滤波器被用于反射的情况下，子滤波器的抑制频带在本文中也可以被称为“反射频带”。子滤波器14的通频带24内的频率通过子滤波器14并被终端吸收，该终端优选为匹配的负载15(例如50ω终端)。可以理解的是，环行器和匹配的负载布置是实现操作的反射模式的一个可能的示例，并且可以使用其他布置。参照图1b，从带通滤波器系统10的频率响应10'可以看出，最终的系统通频带18是第二子滤波器14的截止f1与第一子滤波器12的截止f2之间的频率的范围。系统通频带18由既在透射模式子滤波器12的通频带16内又在反射模式子滤波器14的反射频带22内的频率组成。
应当认识到的是，如果子滤波器12、14中的任一个或二者可调谐以改变截止f1和/或f2的频率，则带通滤波器系统10可以作为可调谐带通滤波器系统10进行操作。带通滤波器系统可以被配置成使得任一截止频率或全部两个截止频率为可调谐的。这种可调谐性可以允许调整带通滤波器系统的带宽、通频带的中心频率或二者。
图2a至图2d是对图1a所示的配置中的可调谐带通滤波器10的行为的更详细的图示。图2a示出了诸如图1a中的子滤波器12的宽频带带通滤波器的频率响应。在该图示中，f2是截止频率上限并且f2'是截止频率下限。图2b示出了与图1a中的带通子滤波器14类似的带通滤波器的频率响应，该带通滤波器具有在f1处的截止频率上限和在f1'处的截止频率下限。图2c示出了总体响应10'。图2d示出了经放大的图2c的一部分，其与f1与f2之间的通频带18对应。带通滤波器系统10的通频带18在图2b中的截止频率下限f1与图2a中的截止频率上限f2之间。图2c示出了频率下限处的第二通频带21。然而，在一些应用中，例如当光学系统的其他组件具有消除f1'之下的频率分量的滤波效果时，该通频带21可以不影响带通滤波器系统10的操作。在这样的应用中，带通滤波器系统10可以在功能上等同于仅具有在f1与f2之间的单个通频带的滤波器。
参照图3a，子滤波器29具有输入端口30、输出端口32和理想滤波器34。参照图3b中的实施方式，子滤波器29'类似于图3a中的子滤波器29，并且在理想滤波器34与输出端口32之间还具有3db衰减器36，其表示透射时3db损耗和反射时0db损耗。如将在下文更详细地解释的，对子滤波器29'进行预优化以具有锐截止f1和f1'导致了3db衰减。图2b所示的在透射频带中具有3db损耗并且在反射频带中无损耗的频率响应是如图3b所示的示意性子滤波器结构的典型频率响应。参照图3c，另外的衰减器38”表示另外的3db损耗，对于透射和反射二者中的总损耗为6db。图3d示出了图3c中的子滤波器29”的典型频率响应，其中透射频带中有6db损耗并且反射频带中有6db损耗。
将认识到的是，在图1a、图1b和图2a至图2d的实施方式中，每个子滤波器12、14生成带通滤波器系统10的两个截止f1、f2中的仅一个，并且子滤波器12、14二者都将系统通频带18中的频率传递到输出端口17。由于每个子滤波器12、14对系统通频带18内的频率的总体性能贡献最显著，因此可以对子滤波器12、14进行调谐以优化该频率范围内的性能(例如，q值和截止锐度)。应该注意的是，如果子滤波器被用于反射，则系统通频带18的频率范围可以在子滤波器(例如14)的通频带24之外。例如，每个子滤波器12、14可以被优化以在一个截止频率处具有一个锐截止。如果这种优化导致系统通频带18之外的频率的衰减、失真、浅截止或其他不理想的效果，那么由于这些效果不会显著劣化带通滤波器系统10的性能，所以这些效果可以被忽略。由于系统通频带18之外的性能劣化，所以该优化可以被称为“解调谐(de-tuning)”。
图4a示出了具有在截止频率f3'＝7.2ghz与f3＝7.6ghz之间的通频带116的五极宽频带带通滤波器的频率响应。当被用于反射时，该滤波器在其通频带116中具有-20db反射损耗42。截止频率上限f3具有大约0.5db/mhz的截止锐度。
图4b示出了在同一子滤波器已经被预优化以增强在频率f1与f2之间的系统通频带18中的频率响应的性能之后，该子滤波器的频率响应。可以看出，结果是f1之下的频率响应被劣化。然而，与图4a所示的频率响应相比，图4b中的频率响应在系统通频带18中具有较低的-45db回波损耗并且相应地具有较低的插入损耗。抑制频带中的凹陷46、48也被预优化以具有较高的抑制。可以利用软件(诸如可以从keysighttechnologies(是德科技)获得的advanceddesignsystemtm(ads)优化器软件)来执行对带通滤波器的优化。
图4c示出了具有截止频率为f1的高通反射频带22的有损子滤波器的频率响应。图4d示出了图1a的配置中的带通滤波器系统10的频率响应，该带通滤波器系统在进行透射时使用图4b中的子滤波器作为子滤波器12，并且在进行反射时使用图4c中的子滤波器作为子滤波器14。所得的系统通频带18在f1与f2之间。
图5示出了适合用作子滤波器的示例性带通滤波器的频率响应。子滤波器的通频带124由第一截止128和第二截止130来界定。可替选地，可以使用仅具有截止130的低通滤波器。将50欧姆电阻器用作终端，线132表示透射时的频率响应，并且线134表示反射时的频率响应。频率响应在其透射时的通频带124中具有大约-30db的差136，并且在其反射时的抑制频带122中具有大约-40db的差138。该子滤波器可以用于反射以便利用截止锐度上限130和-40db的差138二者。其结果是，与将同一子滤波器用于透射的实施方式中的性能相比，可调谐带通滤波器系统10中的性能更佳。
一般地，当将子滤波器用于反射而非用于透射时，该子滤波器的(在其反射频带22中的)通频带24之外的频率响应会影响带通滤波器系统的通频带响应。通常，子滤波器的反射频带的一个截止和相邻部分将与带通滤波器系统的一个截止和通频带对应。因此，可以将在与截止频率相邻的通频带的部分中具有期望的性能特性的子滤波器用于透射，并且将在与截止频率相邻的抑制频带的部分中具有期望的性能特性的子滤波器用于反射。
可以通过使用具有相同功能的两个子滤波器的组合，而不是使用单个子滤波器来实现改进的性能。参照图6a，带通滤波器系统210包括三个子滤波器212、214、216。第一子滤波器212可以具有图2a所示的频率响应。第二子滤波器214和第三子滤波器216可以各自具有图2b所示的频率响应。与图1a中的实施方式相比，该配置可以用于增加输出端的频带外(左侧)抑制。图6b和图6c示出了带通滤波器系统210的频率响应。可以看出，在f1之下的抑制频带中的衰减为大约-52db，而在图2d中是-26db。
在其他实施方式中，子滤波器可以是低通或高通子滤波器而不是带通子滤波器。图7a示出了使用两个低通子滤波器频率响应12”、14”的实施方式，并且图7b示出了使用两个高通子滤波器频率响应12”'、14”'的示例性实施方式。在所有这些实施方式中，子滤波器可以是电子可调谐的。
图8a示出了另一实施方式。在该实施方式中，子滤波器112、114二者均被用于反射。图8b示出了用于反射的低通子滤波器112'和用于反射的高通子滤波器114'的示意性频率响应。图8c示出了用于反射的两个带阻子滤波器112”、114”的频率响应。在替选实施方式中，用于反射模式的两个子滤波器112、114可以是带通子滤波器。应该认识到，无论所使用的子滤波器类型如何，所得到的带通滤波器系统110的系统通频带118都与作为组件的子滤波器112、114的反射频带中的交叠部分对应。
在上述的所有场景中，用于反射的一个或更多个子滤波器可以是有损滤波器。如下中提供了有损滤波器的示例：2009年ieeemtttrans.(ieee微波理论与技术协会)中vahidmiraftab等人的“advancedcouplingmatrixandadmittancefunctionsynthesistechniquesfordissipativemicrowavefilters”。有损滤波器可以通常以通频带中的插入损耗为代价而有利地具有锐截止。然而，由于损耗发生在带通滤波器系统的抑制频带中，所以如果将子滤波器用于反射，那么通频带中的损耗可以不对带通滤波器系统的性能产生不利影响。
图9a示出了具有用于透射的两个子滤波器312、314的带通滤波器系统310。图9b示出了第一子滤波器312的频率响应312'、第二子滤波器314的频率响应314'以及带通滤波器系统310的总体频率响应310'。f1与f2之间的通频带318与子滤波器312、314的通频带316、324的交叠部分对应，该交叠部分在子滤波器312、314各自的抑制频带320、322之间。
图10a至图10d示出了可以用于图9a的布置中的两个带阻子滤波器312'、314'的频率响应的示例。图10a中的频率f2与图10b中的频率f1之间的差与带通滤波器系统310'的带宽218对应。图10a示出了第一带阻子滤波器312的频率响应312'，其具有截止频率上限f2和截止频率下限f2'。图10b示出了第二带阻子滤波器314的频率响应314'，其具有截止频率上限f1'和截止频率下限f1。图10c示出了带通滤波器系统310的输出端口317处的频率响应310'。图10d示出了图10c的部分的放大图。应该理解的是，在该布置中，两个子滤波器312、314的顺序不会影响带通滤波器系统310的频率响应。还应该理解的是，该布置可以具有比f2与f1之间的通频带318更高或更低频率的另外的通频带330、332。在一些应用中，例如当光学系统的其他组件具有消除这些范围中的频率分量的滤波效果时，这些通频带330、332可以不影响带通滤波器系统310的操作。
可以在如下中找到适合用作本文中描述的实施方式中的子滤波器的滤波器的一些示例：2005年6月12日至17日的2005年ieeemtt-sinternational(ieee微波理论与技术协会国际会议)的微波专题论文集(microwavesymposiumdigest)中卷(vol.)期(no.)pp.4pp.-的zhang,r.、mansour，r.r.的"noveltunablelowpassfiltersusingfoldedslotsetchedinthegroundplane"，其内容通过引用并入本文中。对于本领域的普通技术人员而言其他合适的子滤波器将是已知的。
图11示出了双通道多路复用器50或者双工器的示例，其包括如上参照图1a所述的两个带通滤波器系统10、10a。每个带通滤波器系统10、10a具有两个子滤波器12、12a、14、14a，这些子滤波器具有频率响应12'、14'、12a'、14a'。每个带通滤波器系统10、10a的输入端口11、11a被连接到共用的环行器52。子滤波器12的通频带16中的频率被透射到环行器26。环行器26将子滤波器14的抑制频带22中的频率透射到输出17。类似地，子滤波器12a的通频带16a中的频率被透射到环行器26a。环行器26将子滤波器14a的反射频带22a中的频率透射到输出17a并在该点处呈现频率响应10a'。每个带通滤波器系统10、10a类似于图1a中的实施方式进行操作。还应该理解的是，每个带通滤波器系统10、10a可以使用上述带通滤波器系统的任何实施方式。在图12中示出了利用诸如图11所示的双通道多路复用器50实现的示例性频率响应。
图13示出了双工器60的示例，其包括如上参照图1a所述的两个带通滤波器系统10、10b。这两个带通滤波器系统10、10b中的每一个都具有两个子滤波器12、14、12b、14b，这些子滤波器分别呈现出频率响应12'、14'、12b'、14b'。通过带通滤波器系统10b的信号流动方向相对于图11中的实施方式是相反的。环行器62将进入信号透射到第一带通滤波器10。在第二带通滤波器系统10b的输入端口11b处接收的信号经由环行器26b被透射到第二带通子滤波器14b。环行器26b将子滤波器14b的抑制频带22b中的频率透射到子滤波器12b。子滤波器12b的通频带16b中的频率被透射到通向环行器62的输出端口17b。环行器62还透射从第二带通滤波器10b接收的信号。
在图11和图13中，子滤波器可以是宽频带可调谐带通子滤波器。图11和图13所示的带通滤波器系统是可调谐的。应该理解的是，可以可替选地使用合适的低通、高通或带阻滤波器。
参照图14，可以使用诸如图6a中描述的配置以改善图11的实施方式中的抑制。在图14中，第三子滤波器216、16a和另外的环行器26和26a可以用于每个带通滤波器系统210、10a。用于反射的第三子滤波器216、16a进一步衰减其通频带中的频率，这进一步改善了该频带中的频率的抑制水平。在图15中示出了利用诸如图14所示的双通道多路复用器70实现的示例性频率响应。
例如，某些实施方式可以特别适用于基站应用、移动通信或卫星通信应用。
如可以理解的，以上所描述和示出的示例仅旨在作为示例。范围由所附权利要求书指示。