低损耗可调射频滤波器的制造方法

低损耗可调射频滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种低损耗可调射频滤波器，包括：信号传输路径，具有输入端和输出端；多个谐振元件，沿着输入端和输出端之间的信号传输路径设置；以及一组非谐振元件，用于将谐振元件连接在一起以形成阻带，阻带具有与谐振元件的各个频率相应的多个传输零点以及在所述传输零点之间的至少一个子带，其中，所述一组非谐振元件包括：多个第一非谐振元件和多个第二非谐振元件，多个所述第一非谐振元件分别与所述谐振元件并联连接，多个所述第二非谐振元件分别与所述谐振元件串联连接；其中，多个所述第一非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于在所述阻带内选择性地引进至少一个反射零点，其中所述至少一个可变非谐振元件包括至少一个开关电容器。
【专利说明】低损耗可调射频滤波器
[0001]本申请是申请日为2008年6月27日、申请号为200880022189.7、发明名称为“低
损耗可调射频滤波器”的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作为参考。
【技术领域】
[0002]本发明大体上涉及微波电路，特别是微波带通滤波器。
【背景技术】
[0003]电力滤波器一直用于电信号的处理。尤其是，这种电力滤波器用于通过使需要的信号频率通过并阻止或衰减其他不需要的电信号频率来从输入信号中选择需要的电信号频率。滤波器可以划分为若干通常的种类，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，其表示由滤波器选择性通过的频率的类型。进一步，滤波器可以按照类型分类，例如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、逆切比雪夫滤波器以及椭圆(Elliptic)滤波器，其表示滤波器提供的相对于理想频率响应的谱带形频率响应(频率截止特性)的类型。
[0004]所使用的滤波器的类型常常取决于预期的用途。在通信应用中，带通滤波器通常在蜂窝式基站和其他电信设备中使用，以滤除或者阻止近似的一个或多个预定义的频带的RF信号。例如，这种滤波器典型地在接收器前端使用，以滤除噪音和损害基站或电信设备内的接收器的元件的其他不需要的信号。直接在接收器天线输入端放置边界清楚的(sharplydefined)带通滤波器通常会消除由在靠近需要的信号频率的频率处的强干扰信号导致的各种不良影响。由于滤波器在接收器天线输入端的位置，插入损耗(insertion loss)必须很低以便不降级噪声系数。在大多数滤波器技术中，实现低插入损耗需要在滤波器陡度或选择性上进行相应的折中。
[0005]在商业电信应用中，常常需要使用窄带滤波器过滤出尽可能最小的通带，以使固定频谱能够被分成尽可能最大数量的频带，从而增加能够适合该固定频谱的用户的实际数量。伴随着无线通信的显著上升，这种过滤应该在日益不适宜的频谱中提供高度的选择性(在按照小频率差分开的信号之间区分的能力)和灵敏度(接收弱的信号的能力)。最重要的是用于模拟蜂窝通信的800至900MHz范围的频率范围和用于个人通信服务(PCS)的1，800至2，200MHz范围的频率范围。
[0006]对本发明的特殊兴趣是在微波和RF应用的大范围内，在军事(例如雷达)、通信、电子情报(ELINT)和商业领域，例如包括蜂窝电话的各种通信应用中对高品质因数Q (也就是说，测量存储能量的能力，因而与其功率耗散和损耗反相关)、低插入损耗、可调的滤波器的需要。在很多应用中，接收器滤波器必须是可调的，从而或者选择期望的频率，或者捕获干扰信号频率。因此，假如插入损耗非常低，则在接收器的接收器天线和第一非线性元件(典型地，低噪声放大器或者混合器)之间引进线性、可调的带通滤波器提供了在RF微波系统的大范围内的很多优点。
[0007]例如，在商业应用中，可将PCS使用的1，800至2，200MHz频率范围分成几个较窄的频带(A-F带)，只有其中一个子集可在任何给定的地区被电信运营商使用。因此，这有益于基站和手持单元能够被重构，从而以这些频带中任何选定的子集操作。又例如，在雷达系统中，来自“友好”附近源或者干扰发射台的高振幅干扰信号可以使接收器降低灵敏度或者与高振幅杂乱信号电平互调(intermodulate)，从而给出错误的目标指示。因此，在高密度信号环境中，雷达报警系统频繁地变得完全不可用，在这种情况下，跳频是有用的。
[0008]通常使用两种电路组建块建立微波滤波器:多个谐振器，用于在一个频率A上非常有效地存储能量；以及耦合器，用于耦合谐振器之间的电磁能量，从而形成多个级或极。例如，四极滤波器可以包括四个谐振器。给定的耦合器的强度由它的电抗(即，感抗和/或容抗)决定。耦合器的相对强度决定了滤波器的形状，耦合器的拓扑结构决定了滤波器执行带通功能还是执行带阻功能。谐振频率A主要取决于各个谐振器的感抗和容抗。对于传统的滤波器设计，滤波器起作用的频率是由组成滤波器的谐振器的谐振频率决定的。由于上述讨论的原因，每一个谐振器必须具有非常低的内部阻抗，从而使滤波器的响应变灵敏并具有高度选择性。这种对低阻抗的需求对于给定技术易于驱动谐振器的尺寸和成本。
[0009]典型地，由于传统滤波器的尺寸和成本将随着为了实现它而需要的谐振器的数量而线性地增加，所以固定频率滤波器设计成将为了实现一定形状所需的谐振器的数量减小到最小。与半导体装置的情况相同，光刻定义滤波器结构(photolithographicallydefined filter structure)(例如在高温超导体(HTS)、微机电系统(MEMS)中的那些)和薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器远不如传统的梳状滤波器或介质滤波器对这种尺寸和成本调整敏感。
[0010]目前用于设计可调滤波器的方法遵循与在上述的关于固定频率滤波器相同的方法。因此，它们实现了非常有效率的、有效的和简单的电路，即，它们实现了对实现给定的滤波器响应所需的最简单的电路。在现有技术的调谐技术中，调节滤波器的所有的谐振频率，从而调谐滤波器的频率。例如，如果期望装置的操作频带增加50MHZ，则必须将窄带滤波器的所有的谐振频率增加50MHz。尽管该现有技术在调节频带上总体是成功的，但是它不可避免地向谐振器中引进阻抗，因此不利地增加了滤波器的插入损耗。
[0011]尽管通过机械地移动滤波器中每个谐振器上的HTS (高温超导)板以改变其谐振频率就可以调谐HTS滤波器而不会向谐振器中引入显著的阻抗，但是该技术固有地慢(在秒的量级上)并且需要相对大的三维调谐结构。在所谓的开关滤波器设计中可降低插入损耗；然而，这些设计还在切换次数之间引进了大量的损耗并且需要额外的谐振器。例如，可以通过提供两个滤波器和一对用于在滤波器之间选择的单刀双掷开关(SP2T)来降低滤波器系统的插入损耗，因此，有效地降低了调谐范围需求，但是通过两个因素中的一个增加谐振器的数量并且从开关引进损耗。可以通过引进更多的开关和滤波器进一步降低滤波器系统的损耗，但是每个额外的滤波器将需要与原滤波器相同数量的滤波器，并且将从所需要的开关引进更多的损耗。
[0012]因此，需要提供一种可以快速调谐并且具有减小的插入损耗的带通滤波器。

【发明内容】

[0013]根据本发明的一个方面，提供了一种射频(RF)滤波器。该RF滤波器包括:具有输入端和输出端的信号传输路径；沿着信号传输路径设置在输入端和输出端之间的多个谐振元件；以及将谐振元件连接在一起的多个非谐振元件。谐振元件连接在一起以形成阻带，阻带具有与谐振元件的各个频率相应的多个传输零点以及在传输零点之间的至少一个子带。非谐振元件具有将至少一个反射零点定位在阻带内的电纳值，以在至少一个子带中的一个内产生通带。
[0014]尽管在一个实施例中，非谐振元件可以固定，但是在具体的优选实施例中，非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于在阻带内选择性地引进至少一个反射零点，以在子带中的一个内产生通带。可变非谐振元件可以具有例如可调电纳，并可以包括一个或多个可变电容器、低损耗(loss-loss)开关、可变电抗器和开关电容器。在一个实施例中，尽管谐振元件可以采取在期望的频率处谐振的任何结构的形式，但是在一个实施例中，谐振元件的每一个包括薄膜集总元件结构(例如高温超导体(HTS))。
[0015]在一个实施例中，可变非谐振元件用于沿着阻带转移反射零点，以在一个子带内选择性地移动通带。如果在传输零点之间有多个子带，则可变非谐振元件可用于沿着阻带转移反射零点，以在子带中的所选的一些中产生通带。可选地或者额外地，可变非谐振元件可用于在阻带内转移至少另一个反射零点，以在子带中的另一个内产生另一个通带。在一个实施例中，通带在所选子带内具有基本不同的带宽。虽然本发明在其最广义上不应该如此有限，但是通过调节可变非谐振元件而向子带中的选定的一个内引进通带的能力可以消除或者至少最小化对调节谐振元件的频率的需要，从而减小了由滤波器导致的插入损耗。
[0016]在另一个实施例中，RF滤波器还包括至少一个调谐元件，用于改变谐振元件中的至少一个的频率。例如，调谐元件可以用于改变谐振元件的频率，以沿着阻带相对于反射零点转移谐振元件的每一个传输零点。又例如，RF滤波器包括多个调谐元件，用于改变谐振元件的频率，以沿着频率范围同步地转移阻带与通带。在一个可选实施例中，RF滤波器包括控制器，用于产生电信号，以调节可变非谐振元件。
[0017]根据本发明的另一方面，提供了另一种RF滤波器。该RF滤波器包括具有输入端和输出端的信号传输路径；沿着信号传输路径设置的多个结点；分别从结点延伸的多个谐振分支；以及分别从结点延伸的多个非谐振分支。该RF滤波器还包括分别与谐振分支连接的多个谐振元件；多个非谐振元件，其中的一些分别与非谐振分支连接；与谐振元件的谐振频率相应的多个传输零点；以及在传输零点之间形成以产生通带的至少一个反射零点。
[0018]在一个实施例中，非谐振元件包括用于选择性地转移与传输零点相关的反射零点的至少一个可变非谐振元件。在另一个实施例中，多个传输零点包括多于两个传输零点。尽管谐振元件可以采取在期望的频率处谐振的任何结构的形式，但是在其他实施例中，谐振元件的每一个均包括薄膜集总元件结构(例如高温超导体(HTS))。
[0019]根据本发明的又一方面，提供了一种用于调谐具有界定调谐范围的阻带的RF滤波器的方法。该方法包括将RF滤波器从第一频率配置改变至第二频率配置。当处于第一频率配置时，RF滤波器在调谐范围内具有第一组通带特性，当处于第二频率配置时，RF滤波器在阻带的调谐范围内具有第二组不同的通带特性。以非限制性示例的方式，第一通带特性和第二通带特性具有不同的中部频率、不同的带宽和/或不同数量的非连续通带。在一个方法中，通过在阻带内转移至少一个反射零点将RF滤波器从第一频率配置改变至第二频率配置。在这种情况下，阻带具有多个传输零点，不仅仅是传输零点在频率上转移，而是至少一个反射零点也在频率上转移。在这种情况下，当将RF滤波器从第一频率配置改变至第二频率配置的时候，RF滤波器的插入损耗被最小化。[0020]根据本发明的又一方面，提供了另一种RF滤波器。该RF滤波器包括:具有输入端和输出端的信号传输路径；沿着信号传输路径在输入端和输出端之间设置的多个谐振元件；以及将谐振元件连接在一起的一组非谐振元件。谐振元件连接在一起以形成阻带，该阻带具有与谐振元件的各个频率对应的多个传输零点以及在传输零点之间的至少一个子带。非谐振元件具有将至少一个反射零点定位在阻带内的电纳值，以在至少一个子带中的一个内产生通带。
[0021]这组非谐振元件包括分别与谐振元件并联的多个第一非谐振元件以及分别与谐振元件串联的多个第二非谐振元件。多个第一非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于在阻带内选择性地引进至少一个反射零点，以在一个子带中的一个内产生通带而不改变多个第二非谐振元件中的任何一个。RF滤波器的细节可以与上面讨论的关于本发明的一个方面的RF滤波器的细节相同。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]附图示出了本发明的实施例的设计和应用，其中，用共同的参考标号指代相似的兀件，并且其中:
[0023]图1是根据本发明的一个实施例而构建的可调射频(RF)滤波器的框图；
[0024]图2是使用八个谐振元件的示例性宽阻带的模拟(modeled)频率响应的曲线图；
[0025]图3是图2的频率响应的曲线图，其中，通带被引进到阻带的子带中；
[0026]图4a?图4g是图2的频率响应的曲线图，其中，通带被引进到阻带的选择的子带中；
[0027]图5a?图5d是图2的频率响应的曲线图，其中，阻带在频率上移位，通带在移位的阻带的子带的多个位置处被引进；
[0028]图6是示出了图2的频率响应的传输零点的、用于延伸引进到图4a?图4g的阻带的所选子带中的通带的范围的同步移位的曲线图；
[0029]图7a?图7f是使用九个谐振元件的示例性宽阻带的模拟频率响应的曲线图，其中，通带被引进到阻带的所选子带中，以覆盖个人通信服务(PCS)频率范围；
[0030]图8是示出了图7a?图7f的频率响应的传输零点的独立位移的曲线图，以在阻带的所选子带中容纳通带的引进；
[0031]图9a?图9f是图2的模拟频率响应的曲线图，其中，多个通带被引进到阻带的所选子带中；
[0032]图10是根据本发明的另一实施例构建的可调RF滤波器的框图；
[0033]图11是图10的滤波器的模拟频率响应的曲线图，其中，在移位的阻带的子带的各个位置引进了通带；
[0034]图12是示出了在图10的可调RF滤波器中使用的非谐振元件的耦合值相对于图11中的通带的频率移位的变化的曲线图；
[0035]图13a?图13d示出了图1的可调RF滤波器的电路表示；
[0036]图14是示出了在图14的模拟RF滤波器中使用的、用于三种滤波器状态的元件值的表格；
[0037]图15a?图15c是图1的可调RF滤波器的电路实现，具体示出了各种滤波器状态和相应的频率响应；
[0038]图16a?图16c是在三种状态下的图14的RF滤波器的频率响应的曲线图；
[0039]图17是示出了图14的RF滤波器的调谐相对于滤波器的插入损耗的曲线图；
[0040]图18是当在相同的频率范围内调谐的时候，比较图14的RF滤波器的插入损耗相对于传统滤波器的插入损耗的曲线图；
[0041]图19是当在相同的频率范围内调谐的时候，比较图1的滤波器的插入损耗相对于开关滤波器的插入损耗的曲线图；
[0042]图20是比较根据本发明构建的两个谐振器、四个谐振器和六个谐振器可调滤波器之间的频率响应和标准带通滤波器的频率响应的曲线图；
[0043]图21示出了图1的可调RF滤波器的另一电路表示；
[0044]图22示出了图21的电路表示的耦合矩阵；
[0045]图23 (a)?图23 (C)是图21的RF滤波器的频率响应和相应的耦合矩阵的曲线图；
[0046]图24是图解地示出了图23 Ca)?图23 (C)中的用于调谐图21的RF滤波器的耦合矩阵中的耦合值的曲线图；
[0047]图25是图解地示出了可用于调谐图21的RF滤波器的另一组耦合值的曲线图；以及
[0048]图26是图解地示出了可用于调谐图21的RF滤波器的再一组耦合值的曲线图。【具体实施方式】
[0049]将参照图1描述根据本发明构建的可调射频(RF)滤波器10。在图示的实施例中，RF滤波器10是具有在诸如800?900MHz或者1，800?2，200MHz的期望的频率范围内的可调通带的带通滤波器。在典型的情形中，RF滤波器10放置在接收器(未示出)的前端内，并且放置在用于反射(reject)期望的频率范围之外的能量的宽通带滤波器的后面。RF滤波器10通常包括具有输入端14和输出端16的信号传输路径12、沿着信号传输路径12设置的多个结点17、分别从结点17延伸的多个谐振分支19、以及分别从结点17延伸的多个非谐振分支21。RF滤波器10进一步包括在输入端14和输出端16之间的多个谐振元件18(在这种情况下为四个)，特别是连接在谐振分支21和地之间、用于调节谐振元件18的频率的多个调谐元件20、与谐振元件18连接在一起的多个非谐振元件22，其中的四个连接在非谐振分支21和地之间。RF滤波器10进一步包括电子控制器24，用于将RF滤波器10调谐至频率范围内的所选的窄带。
[0050]尽管在可选实施例中，不使用物理传输线，但是信号传输路径12可以包括直接或间接地连接有非谐振元件22的物理传输线。在图示的实施例中，谐振元件18包括诸如电感器和电容器的集总(lumped)元件电子部件，特别是薄膜集总结构，例如平面螺旋结构、之字形蜿蜒结构、单线圈结构、以及双线圈结构。这些结构可以包括被图案化以在低损耗基板上形成电容器和电感器的薄膜取向附生(印itaxial)高温超导体(HTS)。在美国专利第5，616，539号中阐述了高温超导体集总元件滤波器的进一步详细讨论。
[0051]在图示的实施例中，谐振元件18用电纳Bk表示，非谐振元件22用电纳Bn和导纳反转器J表示，电纳Bn与谐振元件18并联，导纳反转器J连接在谐振元件18之间。非谐振元件22中所选的那些可以变化，非谐振元件22中的剩余的那些可以保持固定。
[0052]如将在下面更加详细地描述的那样，非谐振元件22可以变化，在基本上覆盖整个频率范围上调谐通带，如果必要，仅细微调整谐振元件18的频率，以在频率范围的相对部分内容纳和/或移动通带。由于作为用于调谐滤波器10的初级手段，使用的是非谐振元件22而不是谐振元件18，所以以这种方式可以显著地减小滤波器10的插入损耗。也就是说，由于与对损耗非常敏感的谐振元件18的调节相比，非谐振元件22的调节更少地增加滤波器10的损耗，所以与使用谐振元件作为用于调谐滤波器10的主要手段的现有技术的滤波器相比，本滤波器10将具有更少的损耗。
[0053]RF滤波器10通过在宽阻带的选定区域内引进一个窄通带而实现前述功能。也就是说，尽管RF滤波器10最终用作通带滤波器，但是谐振元件18实际上通过非谐振元件22而连接在一起——不产生通带，而是相应于谐振元件18的各个频率产生具有传输零点(在这种情况下，编号4 (numbering four))的宽阻带。然后，电子控制器24调整非谐振元件22，以沿阻带引进和转移反射零点，从而在期望的频率范围内移动窄通带。电子控制器24还可以通过调谐元件20调节谐振元件18的频率，以沿频率范围移动传输零点，从而优化滤波器响应。在图示的实施例中，电子控制器24包括用于存储非谐振元件22的值的存储器(未示出)，该值对于实现通带在频率范围内的期望位置来说是必要的。
[0054]现在将参照根据下面等式模拟的各种示例性滤波器响应来描述本技术方案:
【权利要求】
1.一种射频(RF)滤波器，包括: 信号传输路径，具有输入端和输出端； 多个谐振元件，沿着所述输入端和所述输出端之间的所述信号传输路径设置；以及 一组非谐振元件，用于将所述谐振元件连接在一起以形成阻带，所述阻带具有与所述谐振元件的各个频率相应的多个传输零点以及在所述传输零点之间的至少一个子带，其中，所述一组非谐振元件包括:多个第一非谐振元件和多个第二非谐振元件，多个所述第一非谐振元件分别与所述谐振元件并联连接，多个所述第二非谐振元件分别与所述谐振元件串联连接；其中，多个所述第一非谐振元件包括至少一个可变非谐振元件，用于在所述阻带内选择性地引进至少一个反射零点，其中所述至少一个可变非谐振元件包括至少一个开关电容器。
2.根据权利要求1所述的射频滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件的每一个包括彼此并联连接以形成电容性电路的三个电容器，所述电容性电路具有连接至第一开关的第一电容器以及连接至第二开关的第二电容器。
3.根据权利要求1所述的射频滤波器，其中，所述至少一个子带包括多个子带。
4.根据权利要求3所述的射频滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件用于沿着所述阻带转移所述至少一个反射零点，以在所述子带中的选定的一些内产生所述通带。
5.根据权利要求4所述的射频滤波器，其中，所述通带在所选的子带内具有基本不同的带宽。
6.根据权利要求3所述的射频滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件用于在所述阻带内转移至少另外一 个反射零点，以在所述子带中的另一个内产生另一个通带。
7.根据权利要求1所述的射频滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件用于沿着所述阻带转移所述至少一个反射零点，以在所述一个子带内选择性地移动所述通带。
8.根据权利要求1所述的射频滤波器，其中，所述至少一个反射零点包括多个反射零点。
9.根据权利要求1所述的射频滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件包括多个可变非谐振元件。
10.根据权利要求1所述的射频滤波器，还包括至少一个调谐元件，用于改变所述谐振元件中的至少一个的频率。
11.根据权利要求10所述的射频滤波器，其中，所述至少一个调谐元件用于改变所述至少一个谐振元件的频率，以沿着与所述至少一个反射零点相关的阻带转移对应于所述至少一个谐振元件的每个频率的传输零点。
12.根据权利要求10所述的射频滤波器，其中，所述至少一个调谐元件包括多个调谐元件，用于改变所述谐振元件的频率，以沿着频率范围同时地转移所述阻带与所述通带。
13.根据权利要求1所述的射频滤波器，其中，所述至少一个可变非谐振元件具有可调电纳。
14.根据权利要求1所述的射频滤波器，其中，所述谐振元件的每一个均包括薄膜集总元件结构。
15.根据权利要求14所述的射频滤波器，其中，所述薄膜集总元件结构包括高温超导#(HTS)0
16.根据权利要求1所述的 射频滤波器，其中，所述谐振元件中的每一个包括声学谐振 器。
【文档编号】H03H7/12GK103546112SQ201310464878
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2008年6月27日 优先权日:2007年6月27日
【发明者】格尼希·楚祖基, 巴拉姆·A·威廉森 申请人:超导技术公司