无反射滤波器的制作方法

专利名称：无反射滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子滤波器及其使用方法。具体而言，本发明涉及无反射电子滤波器及其使用方法。2.
背景技术：
滤波器是从通讯到射电天文学的几乎所有电子系统中普遍存在的组件，且大半个世纪以来认为滤波器理论和优化的基本原则是众所周知的。然而，实用滤波器的设计和实施仍然是当今电子界最活跃的研究领域之一。然而，使频谱的阻带部分被吸收而非被反射回到源的无反射滤波器，在很大程度上却被忽视了。标准反射滤波器在许多应用中会导致许多问题，包括(1)带外端口终端混频器性能的敏感性；( 具有高带外增益的集成放大器的潜在不稳定性；( 无功谐波负载导致的有害或不可预知的非线性效应；(4)谐波含量大的高功率发射器的潜在损害；和(5)在滤波器和耦合到封闭腔室内的另一不佳匹配组件之间的捕获能量导致的泄漏、干扰或串扰。有许多实际情况，在这之中由传统滤波器在其阻带中呈现的无功终端影响系统性能。例如，混频器对于存在于其任何端口上的带外终端极其敏感，而这正是滤波器在许多外差应用中最有可能的情况。宽带系统设计师通常通过在混频器附近的信号路径中插入固定衰减器来解决此问题。同样的，高增益放大器(尽管它们可能在测试固定装置中绝对稳定) 会容易形成封闭环境中的不稳定性，在该封闭环境中非预期的反馈在其输入或输出上与无功带外终端相结合。同样，滤波器通常邻近放大器使用，以更好地确定系统带宽，以及滤波器的阻带阻抗可能需要加装衰减器，以避免造成稳定性问题。制备同时与通带和阻带相匹配的滤波器的一个常规做法，是设计一个使用两个或两个以上具有来自单独加载(反射)原型的互补导纳曲线滤波器的双工器(或复用器)，以及终止除了这些滤波器的与负载匹配的一个滤波器之外的所有滤波器。这是一个相当复杂的过程，需要使得作为相同阶传统滤波器的不同组件的数量至少加倍，以及将只能在两个端口的一个端口上匹配。另一种可选设计是在均衡配置中使用两个正交混合或通过使用定向耦合结构来制备定向滤波器。然而，难以设计具有足够带宽的正交混合，以及实质上定向滤波器结构不适合将自身用于高阶执行。因此，希望具有在其阻带中不将信号反射回到源的无反射滤波器。此外，希望具有在所有频率下并在两个端口匹配良好的无反射滤波器。

发明内容
本发明致力于解决与传统滤波器相关的一些问题和缺点，并提供适于带选择以及适于在电子系统中定义的新资源。发明的实施例涉及无反射滤波器。该滤波器可以是对称的双端口电路，其包括至少一个基本无损元件以及至少一个基本有损元件。对称电路可沿对称线分为两个部分，而且当端口分别以同相和180°异相驱动时，利用偶数模式和奇数模式等效电路，可形成对称电路。此外，对于选定的标准化阻抗，偶数模式等效电路的标准化输入阻抗可大体上等于奇数模式等效电路的标准化输入导纳。滤波器可具有至少一个无损元件，其可为电感器、电容器、变容二极管、谐振器、以及传输线和/或至少一个可为电阻器的有损元件的其中一种。在某些实施例中，至少一个电路元件是可调谐的。滤波器可以是一个低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、或带阻滤波器。滤波器还可包括在电路节点和对称线之间的至少一个分流元件。滤波器可为一阶，二阶或高阶滤波器。在某些实施例中，所有电感器都具有相同的值，以及所有电容器具有相同的值。此外所有电阻器可具有相同的值。在某些实施例中，滤波器可为带通滤波器和带阻滤波器之一，以及所有的电阻器可具有相同的值，所有的电感器为两个值之一，以及所有电容器为两个值之一。在某些实施例中，滤波器是低通滤波器和高通滤波器之一，以及
T ^OL =——
ωΡ
γC = -^l
0iPR = Z0其中L是所有电感器的电感，C是所有电容器的电容，R是所有电阻的电阻，ωρ是弧度/秒的极点频率，Y0为标准化导纳，以及A是标准化阻抗。在其它实施例中，滤波器是带通滤波器和带阻滤波器之一，具有第一极点和第二极点，以及
ZLs=-4 =—Cs = ^
γCx =丄
ωχR = Z0其中电感器的电感为Lx和Ls之一，电容器的电容是Cx和Cs之一，电阻器的电阻为 R，Y0为标准化导纳，Z0是标准化阻抗，以及GJs=Gv2-Gviωχ --
7
其中Gvi和ωρ,2分别是第一和第二极点频率。在某些实施例中，两个对称的对半电路可以包括一个端口节点、第一内部节点、 第二内部节点、将端口节点连接到对称线上节点的第一种类型的无损元件、将端口节点连接到第一内部节点的第二种类型的无损元件、将第一内部节点接地的第一种类型的无损元件、将第一内部节点连接到第二内部节点的有损元件、将第二内部节点接地的第二种类型的无损元件、以及在第二内部节点和对称线上节点之间的直接连接。有损元件可以是一个电阻器。第一种类型的无损元件可以是一个电感器，而第二种类型的无损元件可以是一个电容器或反之亦然。在其它实施例中，第一种类型的无损元件是并联的电感器和电容器，以及第二种类型的无损元件是串联的电感器和电容器。但在其它实施例中，第一种类型的无损元件是串联的电感器和电容器，第二种类型的无损元件是并联的电感器和电容器。在某些实施例中，许多无反射滤波器可级联。级联滤波器的极点可重合或分散。滤波器可由另一无反射滤波器的缩放或变换得到。电路元件可为集总元件的等效或近似的传输线，和/或集总元件的等效或近似的晶体管电路。在某些实施例中，晶体管是场效应晶体管或双极晶体管。在其它实施例中，晶体管是CMOS或BiCMOS。在某些实施例中，至少一个电路元件可以是二极管或隧道结。电路元件的物理介质可以是同轴电缆，波导，电线引线、表面贴装，以及单片集成之一。在某些实施例中，至少一个电路元件是超导体。本发明的其它实施例涉及包括本发明的无反射滤波器的组装件。在组装件的某些实施例中，滤波器与其它无反射滤波器、放大器、混频器、探测器、和/或传统滤波器级联。 组装件可为增益模块，可调谐滤波器，滤波器库，多路复用器，信号源，增频变频器或降频变频器，发射器，接收器或收发器。本发明的其它实施例涉及无反射滤波器的设计方法。本发明的步骤包括将电路限制为对称的；选择一个标准化阻抗；和限制偶数模式等效电路的标准化输入阻抗使其大体等于奇数模式等效电路的标准化输入导纳。该方法还可以包括将偶数模式等效电路拓扑结构限制为包括高通、低通、带通、 以及带阻的滤波器组的其中之一，其中一个端口终止；将奇数模式等效电路拓扑结构限制为偶数模式电路拓扑结构的对偶结构；调整偶数和奇数模式的电路拓扑结构，以满足对称条件，同时保持电路的行为；和限制电路元件的值，以便还满足对称性和对偶条件。某些实施例还可包括在电路节点和对称线上节点之间加入新的元件；给电路元件分配值以便在所需位置形成至少一个传输极点；将多个无反射滤波器级联；和/或将极点位置设置为重合和分散之一。某些实施例还可以包括选择非常接近无反射滤波器拓扑结构中的电路元件电路特性的物理组件。物理组件可以是集总元件、传输线和晶体管的其中之一。此外，物理组件可以是同轴电缆、波导、电线引线、表面贴装、以及单片集成的其中之一。在下述的部分说明书中提出本发明的其它实施例和优点，以及部分从该说明书显而易见或可从本发明的实践中汲取。


仅仅通过实例的方式以及参考附图更详细地描述本发明，其中图1是一个对称的双端口网络的框图。图2是在无反射低通滤波器的推导中使用的一对双高通电路的示意图。图3是在改型后以便满足对称条件后的一对双高通电路的示意图。图4是一个任意阶无反射低通滤波器的示意图。图5是扩大η阶的低通无反射滤波器拓扑结构的示意图。图6是示出适于一阶、二阶和三阶无反射低通滤波器的模拟传输特性的图。图7是示出在其中极点为重合或分散的四节级联无反射低通滤波器的模拟比较图。图8是示出适于四节无反射低通滤波器的模拟增益(实线)和群延迟(虚线)的图，其中电感Q从4变化至64。图9a是一阶低通无反射滤波器的示意图。图9b是一阶高通无反射滤波器的示意图。图9c是一阶带通无反射滤波器的示意图。图9d是一阶带阻无反射滤波器的示意图。图IOa-IOd是示出图9a_9d所示的一阶滤波器的频率响应曲线。图Ila是当信号处于滤波器通带时通过电路的信号路径。图lib是当信号处于滤波器阻带时通过电路的信号路径，。图12是与传统Butterworth和Chebyshev滤波器相比的适于四节级联无反射滤波器的插入损耗和复杂增益斜率的图。图13是无反射低通滤波器原型的布局。图14是无反射带通滤波器原型的布局。图15是无反射低通滤波器原型的测量性能对模拟性能的图。图16是无反射带通滤波器原型的测量性能对模拟性能的图。图17是利用了集成无反射滤波器的优势的降频变频器的图。
具体实施例如在此具体体现和广义概述的那样，此处的说明提供本发明的具体实施例。然而， 披露的实施例可仅仅是本发明的示例性实施例，而本发明可以各种形式和替换形式体现。 因此，具体结构和功能细节并不意旨是限制性的，其用意是，它们提供权益的基础以及作为教导本领域技术人员以各种方式实施本发明的代表性基础。能够由本发明实施例解决的问题是适于在所有频率下匹配良好的电子滤波器的电路拓扑结构和设计技术。令人惊讶地发现，这种滤波器具有一些意想不到的优势，包括无论是在其通带或阻带或过渡带中的在它们的输入和输出端口上的最小反射。这些滤波器的回波损耗在所有频率下大体是无限的。另一方面，在传统的滤波器中，阻带抑制是通过向信号源反射回频谱不需要部分而不是吸收它们而实现的。瞬时滤波器是由集总元件电阻、电感器和电容器、或等效传输线构成，且可以适合应用的任何形式(如波导、同轴电缆、电线引线、表面贴装、单片集成)实施。图1示出了任意的对称双端口网络。虽然无反射滤波器无需对称性，但是优选实施例是对称的。在这样的网络中，如果这两个端口用相同的信号幅度和匹配的相位来同时激励，那么将不存在从对称面的一个侧面穿越到另一侧面的电流。这就是所谓的偶数模式。 同样，如果两个端口用相同的幅度但180度异相的相位来激励，那么位于对称面上的所有节点应该具有相对于地面的零电势。这就是所谓的奇数模式。因此，它可能具有两个单端口网络，每个都包含原来的双端口网络元件的一半，位于对称面上的节点要么开路要么短路至地。这些可以分别称为偶数模式等效电路和奇数模式等效电路。等效电路是保留所有原(往往比较复杂)电路的电特性的电路。然后将原双端口网络的散射参数给出为偶数模式和奇数模式等效电路的反射系数的叠加，如下
权利要求
1.无反射电子滤波器，包括对称的双端口电路，其中当端口分别以同相和180°异相驱动时，由偶数模式和奇数模式等效电路形成对称性；其中对称电路包括至少一个无损元件以及至少一个有损元件，上述元件如此设置以致于偶数模式等效电路的标准化输入阻抗大体上等于奇数模式等效电路的标准化输入导纳；以及奇数模式等效电路的标准化输入阻抗基本上等于偶数模式等效电路的标准化输入导纳。
2.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中至少一个无损元件选自于由下述构成的组电感器、电容器、谐振器、传输线、变容二极管、及其组合。
3.根据权利要求2所述的无反射滤波器，其中存在具有相同电感的若干电感器以及具有相同电容的若干电容器。
4.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中至少一个有损元件选自于由下述构成的组电阻器、变阻器、及其组合。
5.根据权利要求4所述的无反射滤波器，其中存在具有相同电阻的若干电阻器。
6.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器是带通滤波器或带阻滤波器，其中存在具有两个电感之一的若干电感器以及具有两个电容之一的若干电容器。
7.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器是低通滤波器或高通滤波器，以及
8.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器是具有第一极点和第二极点的带通滤波器或带阻滤波器，以及
9.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中至少一个电路元件是可调谐的。
10.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器选自于包括下述的滤波器组低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器以及带阻滤波器。
11.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器选自于包括下述的滤波器组双带滤波器和多带滤波器。
12.根据权利要求1所述的无反射滤波器，还包括 在对称电路每一侧中的至少一个节点；以及在对称电路每一侧中的节点之间的至少一个元件。
13.根据权利要求1所述的无反射滤波器，还包括保持电路对称性以及偶数模式和奇数模式等效电路的对偶性的附加的电路元件。
14.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器选自于由下述构成的组一阶滤波器、二阶滤波器和高阶滤波器。
15.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中对称电路的两侧的每一侧包括 端口节点；第一内部节点； 第二内部节点；将端口节点连接到对称线上节点的第一种类型的无损元件； 将端口节点连接到第一内部节点的第二种类型的无损元件； 将第一内部节点接地的第一种类型的无损元件； 将第一内部节点连接到第二内部节点的有损元件； 将第二内部节点接地的第二种类型的无损元件；以及在第二内部节点和对称线上节点之间的直接连接。
16.根据权利要求15所述的无反射滤波器，其中有损元件是电阻器。
17.根据权利要求15所述的无反射滤波器，其中第一种类型的无损元件是电感器，以及其中第二种类型的无损元件是电容器。
18.根据权利要求15所述的无反射滤波器，其中第一种类型的无损元件是电容器，以及其中第二种类型的无损元件是电感器。
19.根据权利要求15所述的无反射滤波器，其中第一种类型的无损元件是并联的电感器和电容器，以及其中第二种类型的无损元件是串联的电感器和电容器。
20.根据权利要求15所述的无反射滤波器，其中第一种类型的无损元件是串联的电感器和电容器，以及其中第二种类型的无损元件是并联的电感器和电容器。
21.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中若干无反射滤波器级联。
22.根据权利要求21所述的无反射滤波器，其中级联滤波器包括极点，极点是重合或分散之一。
23.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器可缩放或变换。
24.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中电路元件选自于由下述构成的组集总元件的等效传输线和集总元件的等效晶体管电路。
25.根据权利要求M所述的无反射滤波器，其中晶体管是场效应晶体管、双极晶体管、 CMOS晶体管或BiCMOS晶体管的至少之一。
26.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中至少一个电路元件选自于由下述构成的组二极管和隧道结。
27.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中电路元件的物理介质是同轴电缆、波导、电线引线、以及表面贴装之一。
28.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中至少一个电路元件选自于由下述构成的组单片集成和超导体。
29.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器与附加的无反射滤波器、放大器、混频器、探测器、和/或传统滤波器的至少之一级联。
30.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其中滤波器可用于增益模块、可调谐滤波器、滤波器库、多路复用器、增频变频器、降频变频器、发射器、接收器、收发器和信号源的至少之一内。
31.设计无反射电子滤波器的方法，包括下述步骤提供对称的双端口电路，其中当端口分别以同相和180°异相驱动时，由偶数模式和奇数模式等效电路形成对称性；限制所述对称电路，从而使得偶数模式等效电路的标准化输入阻抗基本上等于奇数模式等效电路的标准化输入导纳；以及奇数模式等效电路的标准化输入阻抗基本上等于偶数模式等效电路的标准化输入导纳。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括将偶数模式等效电路拓扑结构限制为包括高通、低通、带通、带阻、双带以及多带的滤波器组的其中之一，其中一个端口终止；将奇数模式等效电路拓扑结构限制为偶数模式电路拓扑结构的对偶结构；调整偶数和奇数模式的电路拓扑结构，以满足对称条件，同时保持电路的特性；以及调整电路元件的值，以便满足对称性和对偶条件。
33.根据权利要求32所述的方法，其中调整偶数和奇数模式的电路拓扑结构包括下述的至少之一在偶数模数等效电路中在电路节点和对称线之间加入元件；将奇数模式等效电路中的电路元件的接地在绝对接地和虚拟接地之一和绝对接地和虚拟接地的另一个之间改变；改变串联元件的阶数；将偶数模数等效电路中的电路节点连接到对称线；以及在奇数模式等效电路中在绝对接地和虚拟接地之间增加一个元件。
34.根据权利要求31所述的方法，还包括在电路节点和对称线上的节点之间增加一个新的元件。
35.根据权利要求31所述的方法，还包括增加附加元件，以便保持电路对称性以及偶数模式和奇数模式等效电路的对偶性。
36.根据权利要求31所述的方法，还包括给电路元件的至少之一分配值以便在所需位置形成至少一个传输极点。
37.根据权利要求31所述的方法，还包括将多个无反射滤波器级联。
38.根据权利要求31所述的方法，还包括将极点位置设置为重合和分散之一。
39.根据权利要求31所述的方法，还包括选择很接近无反射滤波器拓扑结构中的至少一个电路元件的电路特性的物理组件。
40.根据权利要求39所述的方法，其中物理组件是集总元件、传输线、晶体管、同轴电缆、波导、电线引线、以及表面贴装其中之一。
41.根据权利要求39所述的方法，其中至少一个物理组件选自于由下述构成的组单片集成和超导体。
全文摘要
公开了无反射低通、高通、带通以及带阻滤波器以及用于设计这种滤波器的方法。滤波器通过将频谱的阻带部分吸收而不是将其反射回到源而起作用，在许多不同的应用中上述具有明显的优势。
文档编号H01P1/20GK102365784SQ201080014266
公开日2012年2月29日 申请日期2010年1月29日 优先权日2009年2月9日
发明者马修·亚历山大·摩根 申请人:联合大学公司