专利名称：用于振幅匹配的八相45°多相滤波器的系统的制作方法
技术领域：
本发明的背景本发明的领域本发明涉及多相滤波器，并且，特别涉及一种振幅匹配的八相45°多相滤波器。
相关技术某些无线电接收机体系结构要求在信号之间用恒定的45°进行分相，将它们相等地分相成八个独立的相位。例如，直接变换接收机和这种接收机中使用的次谐波变频器就可能具有这样的要求。另外，用于提高输入到这种变频器的本地振荡器的切换特性的预处理器也可能具有这些要求。
通常，实现分相最常见和最可靠的方法之一是使用无源RC滤波器，通常称之为多相滤波器。在最简单的RC串联电路中，电容器上的电压将滞后电流和电阻上的电压90°。在差分RC分相器中，两个输入之间相位相差180°，并且有4个输出，其每个输出相对于下一个输出具有90°的相角差。
通过选择电阻器和电容器的值，对特定的频率，可获得输出电压相对于输入电压的相角。可将两个差分RC分相器的输入连接起来。可选择两个分相器的电阻器和电容器的值，以使在特定频率下，第一分相器的输出与相应的第二分相器的输出之间的相角差为45°。结果是八个输出之间在特定的频率下进行45°的分相。
通过选择合适的电阻器和电容的值，差分RC分相器的有效的四个输出在特定频率下可以振幅匹配。然而，通常电阻器和电容器的值不能选择成既实现振幅匹配，同时实现相对于输入的特定的相差。
本发明的概要通过将两个偏移的四相90°分相器的输入连在一起，可实现全八相45°分割。选择电阻器和电容器的值，使两个偏移的分相器的相应输出之间具有45°的相角差。从附加的单个四相90°分相器获得多相滤波器那一级的输入，并且，该单个四相90°分相器为实现振幅匹配选择了电阻器和电容器的值，以此可实现振幅匹配。对特定频率，附加的分相器可以在两个偏移的分相器的四个输入中平均分配功率，以消除没有它时两个偏移的分相器的输出之间可能会出现的不均匀功率分配。
通过对附图和详细说明的审查，本发明的的其它系统、方法、特点和优点将对本领域的技术人员变得明显。我们的意图是，所有这一类的附加的系统、方法、特点和优点都包括在该说明中，都在本发明的范围内，并且都受所附权利要求的保护。
附图的简要说明参照附图可以更好地理解本发明。附图中的元件不一定按比例绘制，而是强调本发明原理的图解说明。
图1是具有正弦电压源的RC串联电路的电路图。
图2是图1中的电压的矢量图。
图3是两相90°多相滤波器的电路图。
图4是具有两个输入的四相90°多相滤波器的电路图。
图5是具有两个输入的八相45°多相滤波器的电路图。
图6是具有四个输入的八相45°多相滤波器的电路图。
图7是实现具有振幅匹配的八相45°分相的一个分相例子的方框图。
图8是具有两个输入的八相45°多相滤波器的电路图。
图9a是(输入和输出之间的)相角与频率之间的关系图。
图9b是两个输出的相角之差与频率的关系图。
详细说明为讨论方便，图1是现有技术的RC串联电路的电路图，它具有正弦电压源Vi(粗体代表矢量)，Vi驱动经过电阻器R和电容器C的电流。图2是图1中的电压的矢量图。电阻器R上的电压为IR，而电容器C上的电压为I(1/jωC)。Vi＝IR+I(1/jωC)。R上的电压IR总是超前Vi一个相角φ，而C上的电压I(1/jωC)总是滞后IR90°。相角Φ＝arctan(1/ωRC)。当R＝1/ωC或者ωRC＝1时，R上的电压和C上的电压具有相等的振幅。此时，Φ＝45°，并且，R上的电压超前Vi45°，C上的电压滞后Vi45°。
为讨论方便，图3是两相90°多相滤波器的电路图。(“多相滤波器”和“分相器”可以互换使用。)在图3中Vi＝Vi1-VaI1=I2=ViR+1jωC]]>V1=Vo1-Va=I1(1jωC)=ViR+1jωC(1jωC)=Vi11+jωRC]]>V2=Vo2-Va=I2R=ViR+1jωCR=V1jωRC1+jωRC=Vi(jωRC)]]>不管频率、R的值或C的值是多少，V1和V2相互之间相位相差90°。但是，只有当ωRC＝1，即，当ω＝1/RC时，V1和V2的振幅才相等。此时，V1和V2相对于Vi的相角分别是-45°和+45°。图3中的每一边实际上就是图1中的RC串联电路。
图4是差分四相90°多相滤波器的电路图。输入Vi1和Vi2振幅相等，而相位相差180°。当Vi1＝-Vi2，且每个电阻器具有相同的值，且每个电容器具有相同的值时，对称结构使点A和B虚地。图4的电路是两个与图3的电路一样的电路的组合。因此，Vo1滞后Vo290°，并且，就相角来说，它们跨接在Vi1上。同样，Vo3滞后Vo490°，并且，就相角来说，它们跨接在Vi2上。还是因为对称性，Vo1和Vo2分别与Vo3和Vo4的相位相差180°。因此，四个输出中的每个的相角与下一个输出相差90°。如上所述，只有当ω＝1/RC时，才会出现振幅匹配。此时，Vo1、Vo2、Vo3和Vo4相对于Vi1的相角分别为-45°、45°、135°和225°。
图5是差分八相45°多相滤波器的电路图。它是两个与图4的电路一样的电路的组合，将两个电路的各自的输入进行连接，并且将两个电路的各自的虚地进行连接。输入Vi1和Vi2的振幅相等，并且相互之间相位相差180°。输出Vo11、Vo12、Vo13和Vo14中的每个相对于下一个输出的相位差是90°，同样，输出Vo21、Vo22、Vo23和Vo24中的每个相对于下一个输出的相位差也是90°。
如图2所示，通过选择电阻器和电容器的值，可对特定频率实现输出电压相对于输入电压的相角。在图5的电路中，可选择R1C1和R2C2的值，以便对特定频率，使Vo21、Vo22、Vo23和Vo24分别超前Vo11、Vo12、Vo13和Vo1445°(对空载的滤波器)。例如，当1/ωR1C1＝tan22.5°＝0.41421时，Vo11超前Vi122.5°，并且当1/ωR2C2＝tan67.5°＝2.41421时，Vo21超前Vi167.5°(对空载的滤波器)。在那种情况下，对于空载的滤波器，Vo11、Vo21、Vo12、Vo22、Vo13、Vo23、Vo14和Vo24相对于Vi1的相角分别为22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°和337.5°。在那种情况下，R1C1R2C2=1ωR2C21ωR1C1=2.414210.41421≅5.7]]>(1ωR1C1)(1ωR2C2)=(2.41421)(0.41421)=1]]>(必须符合该公式，因为22.5°和67.5°互为余角，并且它们的正切互为倒数)；1ω2R1C1R2C2=1,]]>并且R1C1R2C2=1ω2]]>这个例子导致八个输出之间在特定频率下具有45°的分相。然而，两个关系式R1C1R2C2≅5.7]]>和R1C1R2C2=1ω2,]]>要求1R1C1<ω<1R2C2.]]>也就是说，对于本例子，图5中电路的任何部分都未能处于其振幅匹配点。因为输入Vi1和Vi2的振幅相等，并且彼此之间相位相差180°，所以，如果ω=1RC,]]>则可以实现振幅匹配输出，但是此时输出之间的分相不是所希望的45°。
图6的电路图与图5类似，但是这里有4个输入Vi1、Vi2、Vi3和Vi4。图5中作为虚地的中间点在图6中是附加的电压输入。在图6的电路中，对于空载的滤波器，Vo11-V12=I1R1=(Vi1-Vi2)R1R1+1jωC1=(Vi1-Vi2)jωR1C11+jωR1C1]]>Vo11=V11jωR1C11+jωR1C1+Vi2(1-jωR1C11+jωR1C1)]]>=Vi1jωR1C11+jωR1C1+Vi211+jωR1C1]]>类似地，图6中的其它7个输出可以用输入表示如下Vo12=Vi2jωR1C11+jωR1C1+Vi311+jωR1C1]]>Vo13=Vi3jωR1C11+jωR1C1+Vi411+jωR1C1]]>Vo14=Vi4jωR1C11+jωR1C1+Vi111+jωR1C1]]>Vo21=Vi1jωR2C21+jωR2C2+Vi211+jωR2C2]]>Vo22=Vi2jωR2C21+jωR2C2+Vi311+jωR2C2]]>Vo23=Vi3jωR2C21+jωR2C2+Vi411+jωR2C2]]>Vo24=Vi4jωR2C21+jωR2C2+Vi111+jωR2C2]]>每个输出都具有两个输入的作用。应用于这两个输入的传递函数具有相同的分母，并且，一个传递函数的分子是纯粹的“实数”，另一个传递函数的分子是纯粹的“虚数”。
如果Vi2超前Vi190°，则对于Vo11，其两个输入中的每一个将同相相加，并且，对于Vo21，其两个输入中的每一个将同相相加。类似地，如果每个输入都比前一个输入超前90°，则将每个输出的两个输入将同相相加。
继续参照图6的电路，除了超前前一个输入90°以外，如果输入Vi1、Vi2、Vi3和Vi4中的每一个具有相同的振幅，则Vi2＝jVi1Vi3＝jVi2＝-Vi1并且，Vi4＝jVi3＝-jVi1。
此时，Vo11=jVi11+ωR1C11+jωR1C1]]>Vo12=-jVi11+ωR1C11+jωR1C1]]>Vo13=-jVi11+ωR1C11+jωR1C1]]>Vo14=Vi11+ωR1C11+jωR1C1]]>Vo21=jVi11+ωR2C21+jωR2C2]]>Vo22=-Vi11+ωR2C21+jωR2C2]]>Vo23=-jVi11+ωR2C21+jωR2C2]]>Vo24=Vi11+ωR2C21+jωR2C2]]>输出Vo11、Vo12、Vo13和Vo14中的每一个将具有相同的振幅，并且输出Vo21、Vo22、Vo23和Vo24中的每一个将具有相同的振幅。Vo11与Vo21之比为(1+ωR1C1)(1+jωR2C2)(1+jωR1C1)(1+ωR2C2)=(1+ωR1C1)+j(ω2R1C1R2C2+ωR2C2)(1+ωR2C2)+j(ω2R1C1R2C2+ωR1C1)]]>如果R1C1R2C2=1/ω2,]]>则Vo11与Vo21之比为(1+ωR1C1)+j(1+ωR2C2)(1+ωR2C2)+j(1+ωR1C1)]]>分子和分母两者的绝对值相等，Vo11与Vo21有相同的振幅，并且所有的八个输出都具有相同的振幅。
因此，对于空载的滤波器，如果R1C1R2C2=1ω2,]]>且输入Vi1、Vi1、Vi3和Vi4中的每一个具有相同的振幅，并且都比前一个输入超前90°，则图6的电路中的八个输出将是振幅匹配的，输出Vo11、Vo12、Vo13和Vo14中的每一个都将比前一个输出超前90°，并且，输出Vo21、Vo22、Vo23和Vo24中的每一个都将比前一个输出超前90°。另外，如果R1C1R2C2≅5.7,]]>则Vo11、Vo21、Vo12、Vo22、Vo13、Vo23、Vo14和Vo24相对于(Vi1-Vi2)的相角将分别为22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°和337.5°。这便是我们所寻求的振幅匹配的八相45°分相。由于(Vi1-Vi2)＝(1-j)Vi1，所以(Vi1-Vi2)滞后Vi145°。
图7是说明实现振幅匹配的八相45°分相的分相的一个例子的方框图。可将两个振幅相等、相位相互相差180°的信号Vi1和Vi2分割(12)成四个振幅相等的中间信号，其每一个与四个信号中的下一个信号相位相差90°。在某些实施例中，第二输入Vi2已经有效，在其它的实施例中，可通过本领域中众所周知的将Vi2倒置而容易地得到第二输入Vi2。在一个实施例中，通过适当地选择四相90°多相滤波器中的元件值，可实现对特定频率的结果产生的四个中间信号的振幅匹配。在图7中，振幅匹配点可导致四个中间信号相对于Vi1的相角分别为45°、135°、225°、和315°。这部分内容已参照图4所示的电路进行了说明。
可将四个中间信号转换(14)成第一组四个输出信号，其每一个与下一个的相位相差90°。还可将四个中间信号转换(16)成第二组四个输出信号，其每一个与下一个的相位相差90°。可对图7中的第一组和第二组输出信号分别互相偏移45°。这部分内容已参照图5所示的电路进行了说明。在一个实施例中，对于空载的滤波器，对特定频率，可通过适当地选择有相同输入信号的两个四相90°多相滤波器中的元件值来实现。这可导致八个输出信号相对于Vi1的相角分别为22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°和337.5°。由于四个中间信号振幅匹配，所以图7中的八个输出信号可实现振幅匹配。这部分内容已经照考图6所示的电路进行了说明。
图8是实现图7的方框图的差分八相45°多相滤波器的电路图。输入Vi1和Vi2的振幅相等，相互之间相位相差180°。第一级与图4的电路相似。当ω=1R3C3]]>时，第一级的四个输出(即，输入到第二级的中间信号)将是90°分相并且振幅匹配。这是上文对图6的电路的例子所进行的讨论的输入条件。第一级输出(第二级输入)相对于Vi1的相角将为45°、135°、225°和315°。
图8的电路的第二级与图6的电路相似。对于空载的滤波器，当ω=1R3C3,R1C1R2C2=1ω2,]]>并且R1C1R2C2≅5.7]]>时，第二级的输出将是45°分相，并且振幅匹配。它们相对于Vi1的相角将为22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°和337.5°。
图9a是描述(图8的电路中的输出和输入之间的)相角φ与logω的曲线的示意图。如图2所示，相角φ＝arctan(1/ωRC)。当1/ωRC增大时，相角φ逐渐接近90°，并且当ω比1/RC小一个以上的数量级时，相角φ就相当于常量90°。当1/ωRC减小时，相角φ逐渐接近0°，并且当ω比1/RC大一个以上的数量级时，相角φ就相当于常量0°。当ω＝1/RC，并且φ＝45°时，对应于给定的ω的变化，φ的变化最大。它也是在φ＝45°附近相对不变，然后当φ接近0°或90°时向零减小。
图9a示出了两个曲线，φ1和φ2，分别表示两个不同的RC值，R1C1和R2C2，的相角。由于φ＝arctan(1/ωRC)，所以，如果R1C1＝(K)(R2C2)，这里K是常数，则ω＝ωa时的φ1与ω＝R(1/K)ωa时的φ2的值相同。因为log((1/K)ω)＝logω+log(1/K)，并且因为log(1/K)是常数，所以表示φ1的曲线只是表示φ2的曲线沿着logω轴的平移。
图9b是表示图9a中φ2和φ1的相角差Δφ与logω的曲线的示意图。如果R1C1R2C2≅5.7,]]>则当φ2是67.5°时，φ1将是22.5°。这部分内容已参照图5所示的电路进行了说明。此时，Δφ将在那一点达到最高点，并且等于45°。当ω从这一点沿任何方向变化时，两个相角中的一个(φ1或φ2)将向更接近45°的方向移动，而另一个将更加远离的向移动。对于给定的ω的变化，更接近45°的方向得到的相角增大(减小)的幅度比另一个相角大，并且，如图9b所示，Δφ将变小。
对于工作频率上的22.5°/67.5°的分相，Δφ在很宽的频带上(大约是所希望的工作频率的±50％)保持相对平坦。然而，象图5所示的电路，由于两个RC常量的偏移特性，会在输出上产生严重的振幅失配。如图8的例子所示中，增加第一级则可实现振幅匹配的八相45°分割。第一级在输入到第二级的四个输入中平均分配功率，消除了没有它时在第二级中将会出现的功率分配不均。
上文讨论的电路是以电压模式进行分析的，但是同样的原理也适用于电流模式信号。使用电流输入和输出会产生相同的分相和振幅匹配。
虽然描述了本申请的各种不同的实施例，但是本领域的普通的技术人员应该明白，在本发明的范围内可能有更多的实施例和实现。因此，除所附权利要求和它们的等效条款以外，本发明将不受限制。
权利要求
1.一种多相滤波器，包括具有四个输出的第一四相90°分相器；第二四相90°分相器，其四个输入分别与第一分相器的四个输出连接；以及第三四相90°分相器，其四个输入分别与第一分相器的四个输出连接。
2.如权利要求1所述的多相滤波器，第一分相器还包括电阻值充分相等的四个第一电阻器；电容值充分相等的四个第一电容器；并且其中，在串联回路中，四个第一电阻器的每一个分别在第一四个电容器的其中一个的后面。
3.如权利要求2所述的多相滤波器，其中，当工作频率用弧度表示时，电阻值与电容值的乘积在数值上接近于1除以所希望的工作频率所得的比值。
4.如权利要求1所述的多相滤波器，第二分相器还包括电阻值充分相等的四个第二电阻器；电容值充分相等的四个第二电容器；其中，在串联回路中，四个第二电阻器中的每一个分别在第二四个电容器的其中一个的后面；并且第三分相器还包括电阻值充分相等的四个第三电阻器；电容值充分相等的四个第三电容器；并且其中，在串联回路中，四个第三电阻器中的每一个分别在第三四个电容器的其中一个的后面。
5.如权利要求4所述的多相滤波器，其中，当工作频率用弧度表示时，tan22.5°、第二电阻器的电阻值以及第二电容器的电容值的乘积在数值上接近于1除以所希望的工作频率所得的比值。其中，当工作频率用弧度表示时，tan67.5°、第三电阻器的电阻值以及第三电容器的电容值的乘积，在数值上接近于1除以所希望的工作频率所得的比值。
6.如权利要求4所述的多相滤波器，其中，第二电阻器的电阻值乘以第二电容器的电容值定义第二乘积；其中，第三电阻器的电阻值乘以第三电容器的电容值定义第三乘积；其中，第二乘积除以第三乘积的比在数值上接近于tan67.5°除以tan22.5°的比值；并且其中，当工作频率用弧度表示时，第二乘积乘以第三乘积的乘积在数值上接近于1除以所希望的工作频率的平方所得的比值。
7.一种多相滤波器，包括用于将两个信号分割成四个中间信号的装置，四个中间信号的每一个都与四个中间信号中的下一个的振幅充分相等，并且，四个中间信号中的每一个都与四个中间信号中的下一个的相位相差90°；以及用于将四个中间信号转换成八个输出信号的装置，八个输出信号中的每一个都与八个输出信号中的下一个的振幅充分相等，并且，八个输出信号的每一个都与八个输出信号中的下一个的相位相差45°。
8.如权利要求7所述的多相滤波器，还包括用于提供两个信号的装置，其中，两个信号的振幅充分相等，并且相位相互相差充分达到180°。
9.如权利要求7所述的多相滤波器，转换装置还包括用于将四个中间信号转换成第一组的四个输出信号的装置，第一组的四个输出信号的每一个与其下一个的相位相差充分达到90°；以及用于将四个中间信号转换成第二组的四个输出信号的装置，第二组的四个输出信号中的每一个与其下一个的相位相差充分达到90°。
10.如权利要求9所述的多相滤波器，其中，第一组的四个输出信号中的每一个与第二组的四个输出信号的下一个的相位分别相差充分达到45°。
11.一种信号分相的方法，该方法包括将两个信号分割成四个中间信号，四个中间信号中的每一个与四个中间信号的下一个的振幅充分相等，并且，四个中间信号中的每一个与四个中间信号的下一个的相位相差充分达到90°；以及将四个中间信号转换成八个输出信号，八个输出信号中的每一个与八个输出信号的下一个的振幅充分相等，并且，八个输出信号中的每一个与八个输出信号的下一个的相位相差充分达到45°。
12.如权利要求11所述的方法，其中两个信号的振幅充分相等，相位相互之间相差充分达到180°。
13.如权利要求11所述的方法，还包括，通过将两个信号中的第一个信号进行倒置来提供两个信号中的第二个信号。
14.如权利要求11所述的方法，转换步骤还包括将四个中间信号转换成第一组的四个输出信号，第一组的四个输出信号中的每一个与第一组的四个输出信号的下一个的相位相差充分达到90°。以及将四个中间信号转换成第二组的四个输出信号，第二组的四个输出信号中的每一个与第二组的四个输出信号的下一个的相位相差充分达到90°。
15.如权利要求14所述的方法，其中，第一组的四个输出信号中的每一个与第二组的四个输出信号的下一个的相位分别相差充分达到45°。
16.如权利要求11所述的方法，分割步骤还包括将两个信号输入到第一四相90°分相器，其中，第一分相器包括串联回路中的四个第一电阻器和四个第一电容器，在串联回路中，四个第一电阻器中的每一个分别在四个第一电容器的其中一个的前面，四个第一电阻器的每一个的电阻值充分相等，并且四个第一电容器的每一个的电容值充分相等。
17.如权利要求16所述的方法，其中，当工作频率用弧度表示时，电阻值与电容值的乘积在数值上接近于1除以所希望的工作频率得到的比值。
18.如权利要求11所述的方法，其中，转换步骤还包括向第二四相90°分相器输入四个中间信号；以及向第三四相90°分相器输入四个中间信号。
19.如权利要求18所述的方法，其中，第二分相器包括串联回路中的四个第二电阻器和四个第二电容器，在串联回路中，四个第二电阻器中的每一个分别在四个第二电容器的其中一个的前面，四个第二电阻器中的每一个的电阻值充分相等，并且四个第二电容器中的每一个的电容值充分相等；以及其中第三分相器包括串联回路中的四个第三电阻器和四个第三电容器，在串联回路中，四个第三电阻器中的每一个分别在四个第三电容器的其中一个的前面，四个第三电阻器中的每一个的电阻值充分相等，并且四个第三电容器中的每一个的电容值充分相等。
20.如权利要求19所述的方法，其中，当工作频率用弧度表示时，tan22.5°、第二电阻器的电阻值以及第二电容器的电容值的乘积在数值上接近于1除以所希望的工作频率得到的比值；以及其中，当工作频率用弧度表示时，tan67.5°、第三电阻器的电阻值以及第三电容器的电容值的乘积在数值上接近于1除以所希望的工作频率得到的比值。
21.如权利要求19所述的方法，其中，第二电阻器的电阻值乘以第二电容器的电容值所得的第二乘积，以及第三电阻器的电阻值乘以第三电容器的电容值所得的第三乘积会导致第二乘积除以第三乘积所得的比值在数值上接近于tan67.5°除以tan22.5°所得的比值；并且当工作频率用弧度表示时，第二乘积乘以第三乘积所得的乘积在数值上接近于1除以所希望的工作频率的平方得到的比值。
全文摘要
一种用于振幅匹配的八相45°多相滤波器的系统，其中，通过将两个偏移的四相90°分相器(14和16)的输入(V
文档编号H03H7/00GK1475050SQ01818988
公开日2004年2月11日 申请日期2001年9月10日 优先权日2000年9月18日
发明者阿廖沙·C·莫尔纳, 阿廖沙 C 莫尔纳 申请人:天工方案公司