專利名稱：微波傳輸帶交叉耦合控制設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于電信號(hào)的濾波器，較具體地說(shuō)，涉及在窄帶濾波器中的交叉耦合控制，及更具體地說(shuō)，涉及當(dāng)在窄帶濾波器中在非相鄰諧振器之間引入交叉耦合時(shí)控制傳輸零點(diǎn)的放置的方法和設(shè)備。
窄帶濾波器在通信工業(yè)中特別有用，并且特別適用于利用微波信號(hào)的無(wú)線通信系統(tǒng)。時(shí)常，無(wú)線通信具有操作在相同地理區(qū)域內(nèi)的分離帶上的兩個(gè)或多個(gè)服務(wù)提供器。在這種情況下，基本上是，來(lái)自一個(gè)提供器的信號(hào)不會(huì)干擾其他提供器的信號(hào)。同時(shí)，在分配頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)量應(yīng)該具有非常小的損失。
在單個(gè)提供器的分配頻率內(nèi)，希望通信系統(tǒng)能夠處理多個(gè)信號(hào)。幾種這樣的系統(tǒng)是適用的，包括頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、及寬帶CDMA(b-CDMA)。使用多址的最初兩種方法的提供器需要濾波器以在多帶中劃分其分配頻率。要不然，CDMA操作器也可以從把頻率范圍劃分成帶獲得優(yōu)點(diǎn)。在這樣的情況下，濾波器的帶寬越窄，通道可以放置在一起越密。因而，以前一直努力建造非常窄的帶通濾波器，最好具有小于0.05％的分帶寬。
對(duì)于電信號(hào)濾波器的一種另外的考慮是整體尺寸。例如，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，單元尺寸(例如在其內(nèi)單個(gè)基站操作的區(qū)域)變得越來(lái)越小，或許僅覆蓋一個(gè)街區(qū)甚至一個(gè)建筑物。結(jié)果，基站提供器需要為站購(gòu)買或租借空間。由于每個(gè)站需要多個(gè)分離的濾波器，所以濾波器的尺寸在這樣一種環(huán)境中變得越來(lái)越重要。因此，希望在實(shí)現(xiàn)具有非常窄的分帶寬和高品質(zhì)因數(shù)Q的濾波器的同時(shí)使濾波器尺寸最小。然而，在過(guò)去，幾個(gè)因素一直限制減小濾波器尺寸的償試。
例如，在窄帶濾波器結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)弱耦合是一種挑戰(zhàn)。在微波傳輸帶配置中的濾波器結(jié)構(gòu)構(gòu)造容易。然而，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)非常窄帶寬的微波傳輸帶濾波器，因?yàn)樵谥C振器之間的耦合作為元件分離的函數(shù)僅緩慢地衰減。在微波傳輸帶配置中使用選擇性耦合技術(shù)減小分帶寬的償試僅獲得有限的成功。在微波傳輸帶配置中至今報(bào)道的最窄分帶寬是0.6％。通過(guò)元件分離實(shí)現(xiàn)弱耦合最終由微波傳輸帶電路的饋通電平限制。
對(duì)于非常窄帶寬濾波器已經(jīng)考慮了兩種其他方法。首先，可以使用空腔型濾波器。然而，這樣的濾波器通常很大。第二，可以使用在帶狀態(tài)配置中的濾波器，但這樣的器件通常難以封裝。因此，通過(guò)利用這兩種器件的任一種，不可避免地增大最終系統(tǒng)尺寸、復(fù)雜性及工程成本。
如果希望準(zhǔn)橢圓濾波器，則認(rèn)識(shí)到，在通帶兩側(cè)上的傳輸零點(diǎn)可以用來(lái)提高濾波器裙部拒絕。對(duì)于較少的極和較小的Q要求，準(zhǔn)橢圓濾波器能實(shí)現(xiàn)與切比雪夫?yàn)V波器相比類似的裙部拒絕。圖5表明與切比雪夫?yàn)V波器相比準(zhǔn)橢圓濾波器的模擬響應(yīng)。
實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)橢圓濾波器響應(yīng)的一種方法是在兩個(gè)或多個(gè)特定非相鄰諧振器之間引入交叉耦合。在微波傳輸帶濾波器結(jié)構(gòu)中，非相鄰諧振器的分離和基片的介電性質(zhì)確定交叉耦合的強(qiáng)度。如果建造濾波器的布置布局，從而希望的非相鄰諧振器靠近在一起，那么這樣的非相鄰諧振器的交叉耦合能在濾波器傳輸兩側(cè)引入傳輸零點(diǎn)。這導(dǎo)致在準(zhǔn)橢圓濾波器響應(yīng)中提供有益寄生效應(yīng)的布局。
然而，在過(guò)去不容易控制這樣的非相鄰交叉耦合的引入。例如，根據(jù)要求的濾波器尺寸，傳輸零點(diǎn)不可能提供在適當(dāng)位置處。因而，時(shí)常交叉耦合不可能足夠長(zhǎng)，從而傳輸零點(diǎn)在非常低的電平下。在其他時(shí)刻，交叉耦合太大，從而傳輸零點(diǎn)在非常高的電平下-這干擾通帶性能。
因此，存在對(duì)這樣一種超窄帶寬濾波器的需要，該濾波器具有微波傳輸帶濾波器的便利構(gòu)造優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在小濾波器中實(shí)現(xiàn)引入傳輸零點(diǎn)所必需的、提供濾波器的一種優(yōu)化傳輸響應(yīng)的適當(dāng)非相鄰交叉耦合。
本發(fā)明提供一種控制在微波傳輸帶濾波器中的非相鄰交叉耦合的方法和設(shè)備。在弱交叉耦合的例子中，如在高介電常數(shù)基片材料(例如具有24介電常數(shù)的LaAlO3)上的一個(gè)濾波器電路，一個(gè)閉合環(huán)路用來(lái)感應(yīng)增強(qiáng)交叉耦合。閉合環(huán)路增大傳輸零點(diǎn)電平。對(duì)于強(qiáng)交叉耦合情形，如在較低介電常數(shù)基片材料上的濾波器電路(例如具有9.6介電常數(shù)的MgO)，引入一種電容性交叉耦合抵消機(jī)構(gòu)以減小交叉耦合。在以后的例子中，傳輸零點(diǎn)電平向下運(yùn)動(dòng)。
在最佳實(shí)施例中，聯(lián)系一種使用頻率依賴L-C元件的超窄帶濾波器使用本發(fā)明(如在Zhang等的US.Ser.No.08/706,974中描述的那樣，該專利由此包括在這里，并且參考其一部分)。濾波器利用一個(gè)對(duì)于作為頻率函數(shù)的電感器值具有正斜率k的頻率依賴L-C電路。正k值允許非常窄帶濾波器的實(shí)現(xiàn)。盡管該濾波器環(huán)境和其布局用來(lái)描述本發(fā)明，但這樣的環(huán)境通過(guò)例子使用，而本發(fā)明可以用在其他環(huán)境中(例如，具有非相鄰諧振器器件的其他濾波器器件，如集總元件準(zhǔn)橢圓濾波器)。而且，這里通過(guò)例子使用通信和無(wú)線技術(shù)的環(huán)境。本發(fā)明的原理也能在其他環(huán)境中采用。因而，本發(fā)明不應(yīng)該理解成由這樣的例子限制。
如以上提到的那樣，以前已經(jīng)償試?yán)梅窍噜徏纳詈显跒V波器中引入傳輸零點(diǎn)。然而，這樣的努力一般純粹作為沒(méi)有控制的寄生效應(yīng)提供。這樣一種償試的一個(gè)例子在S.Ye和R.R Mansour的DESIGN OFMANIFOLD-COUPLED MULTIPLEXERS USINGSUPERCONDUCTIVE LUMPED ELEMENT FILTERS，p.191，IEEEMTT-S Digest(1994)中描述。還已經(jīng)開(kāi)發(fā)了其他技術(shù)以便人為地添加非相鄰交叉耦合。這里一般已經(jīng)努力引入使用一根適當(dāng)定相傳輸線的傳輸零點(diǎn)。這些以后努力的例子可以在S.J.Hedges和R.G.Humphreys的ESTRACTED POLE PLANAR ELLIPTICAL FUNCTION FILTERS，p.97；和授予Hey-Shipton等的美國(guó)專利No.5,616,539中找到。然而，這些努力都沒(méi)有提供精確的交叉耦合控制和優(yōu)化濾波器性能的靈活性。
更具體地參照在Hey-Shipton專利中公開(kāi)的器件，公開(kāi)在多元件集總元件濾波器中在非相鄰電容器墊之間的電容性元件(見(jiàn)例如該參考資料的

圖13)。諧振器的線性布置限制可在小基片上實(shí)現(xiàn)的元件數(shù)量，而連接線的相位要求限制交叉耦合。另外，Hey-Shipton專利沒(méi)有公開(kāi)或講授任何抵消手段。
因此，本發(fā)明的一個(gè)特征在于，提供一種用于抵消技術(shù)以控制傳輸零點(diǎn)的位置(或減小交叉耦合)的方法和設(shè)備。另一種特征在于，提供閉合環(huán)路的使用以增強(qiáng)交叉耦合。通過(guò)提供增大或減小交叉耦合的裝置，完成對(duì)非相鄰諧振器器件交叉耦合的控制，并且優(yōu)化濾波器的傳輸響應(yīng)。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，為了增大非相鄰元件的交叉耦合，在其之間提供一個(gè)閉合環(huán)路耦合元件。在本發(fā)明的一個(gè)第二最佳實(shí)施例中，為了減小非相鄰元件的交叉耦合，提供串聯(lián)電容性元件以抵消(或控制)過(guò)分感應(yīng)交叉耦合。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供有一種用于電信號(hào)的濾波器，包括在微波傳輸帶布局中的至少一對(duì)非相鄰諧振器器件；和一個(gè)在至少一對(duì)非相鄰諧振器器件之間的交叉耦合控制元件，其中優(yōu)化濾波器的傳輸響應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供有一種帶通濾波器，包括多個(gè)L-C濾波器元件，所述L-C濾波器元件的每一個(gè)包括一個(gè)電感器和一個(gè)與電感器并聯(lián)的電容器；多個(gè)Pi電容性元件，插入在L-C濾波器元件之間，其中一個(gè)集總元件濾波器借助于彼此非相鄰的L-C濾波器元件的至少兩個(gè)形成；及用來(lái)控制在非相鄰L-C濾波器元件之間的交叉耦合的裝置，其中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)橢圓濾波器傳輸響應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供有一種控制在一個(gè)電信號(hào)濾波器中的交叉耦合的方法，包括步驟連接多個(gè)L-C濾波器元件，L-C濾波器元件的每一個(gè)包括一個(gè)電感器和一個(gè)與電感器并聯(lián)的電容器；在L-C濾波器元件的每一個(gè)之間插入一個(gè)Pi電容性元件，其中一個(gè)集總元件濾波器借助于彼此非相鄰的L-C濾波器元件的至少兩個(gè)形成；及在非相鄰L-C濾波器元件之間插入一個(gè)用來(lái)控制在非相鄰L-C濾波器元件之間的交叉耦合的裝置，其中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)橢圓濾波器傳輸響應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供有一種用于電信號(hào)的濾波器，包括在微波傳輸帶布局中的至少一對(duì)非相鄰諧振器器件，其中在至少一對(duì)非相鄰諧振器器件之間只有一個(gè)諧振器器件；和一個(gè)在至少一對(duì)非相鄰諧振器器件之間的交叉耦合元件，其中優(yōu)化濾波器的傳輸響應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供有一種控制在一個(gè)電信號(hào)濾波器中的交叉耦合的方法，包括步驟連接多個(gè)L-C濾波器元件，L-C濾波器元件的每一個(gè)包括一個(gè)電感器和一個(gè)與電感器并聯(lián)的電容器；在L-C濾波器元件的每一個(gè)之間插入一個(gè)Pi電容性元件，其中一個(gè)集總元件濾波器借助于彼此非相鄰的L-C濾波器元件的至少兩個(gè)和借助于在至少兩個(gè)非相鄰L-C濾波器元件之間的僅一個(gè)L-C濾波器元件形成；及在至少兩個(gè)非相鄰L-C濾波器元件之間插入一個(gè)交叉耦合元件，其中優(yōu)化濾波器的傳輸響應(yīng)。
借助于附屬于本發(fā)明和形成其另外部分的權(quán)利要求書(shū)中的特殊性，指出其特征在于本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點(diǎn)及特征。然而，為了更好地理解本發(fā)明、通過(guò)其使用獲得的優(yōu)點(diǎn)和目的，應(yīng)該參考形成其另外部分的附圖和參考附屬描述性材料，其中表明和描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
在附圖中，其中類似標(biāo)號(hào)和字母在幾個(gè)視圖中指示對(duì)應(yīng)元件圖1是一種第n階集總元件帶通濾波器的電路模型，表示使所有電感器變換成相同電感值的管狀結(jié)構(gòu)。
圖2是一種帶有表示為L(zhǎng)′(ω)的L-C濾波器元件設(shè)備的第n階集總元件帶通濾波器的電路模型。
圖3是頻率依賴電感器實(shí)現(xiàn)的布置的一個(gè)例子。
圖4表明沒(méi)有交叉耦合的集總元件濾波器的實(shí)現(xiàn)。
圖5a表明用于切比雪夫?qū)崿F(xiàn)和準(zhǔn)橢圓實(shí)現(xiàn)的十二(12)極濾波器的模擬響應(yīng)。
圖5b是曲線圖，表示增強(qiáng)濾波器裙部拒絕的準(zhǔn)橢圓性能。
圖6表明一個(gè)通過(guò)在非相鄰諧振器器件之間提供一個(gè)串聯(lián)電容性器件包括交叉耦合抵消的器件的示意表示。
圖7a是在利用交叉耦合抵消的MgO基片上的HTS準(zhǔn)橢圓濾波器的舉例布局布置。
圖7b是表明性曲線圖，表示具有用來(lái)抵消(控制)交叉耦合的電容性器件的圖7a的傳輸響應(yīng)。
圖8a和8b分別表明在沒(méi)有交叉耦合抵消和帶有交叉耦合抵消的MgO基片上的濾波器性能。
圖9是利用一種具有交叉耦合抵消的集總元件濾波器的舉例布置，該布置不包括并聯(lián)的L-C頻率指示器。
圖10a表明在利用交叉耦合增強(qiáng)的LaAlO3基片上的HTS濾波器的布局。
圖10b是圖10a的一個(gè)放大區(qū)域，表明在非相鄰諧振器元件之間的閉合環(huán)路。
圖10c是基于測(cè)量的曲線圖，表明具有至-30dB的交叉耦合閉合環(huán)路增強(qiáng)的圖10a的濾波器的傳輸響應(yīng)。
圖11a是在高側(cè)具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)和在低側(cè)具有一個(gè)傳輸零點(diǎn)的10極濾波器的示意圖。
圖11b表明圖11a中所示濾波器的HTS布置的布局。
圖12a是在每側(cè)具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的10極濾波器的示意圖。
圖12b表明圖12a中所示濾波器的HTS布置的布局。
圖13a是具有用于HTS微波傳輸帶Pi諧振器的正交叉耦合的三聯(lián)體的示意圖。
圖13b是具有用于HTS微波傳輸帶Pi諧振器的負(fù)交叉耦合的三聯(lián)體的示意圖。
圖14a-c表明用于微波傳輸帶Pi諧振器的三種可能交叉耦合結(jié)構(gòu)。
圖15a-c分別表明圖14a-c中所示三種可能交叉耦合結(jié)構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)。
圖16a-c表明對(duì)于一個(gè)具有傳輸線兩部分的理想導(dǎo)納轉(zhuǎn)換器的Pi電容器網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。
圖17a表明能用于圖14a中實(shí)際交叉耦合結(jié)構(gòu)的等效網(wǎng)絡(luò)。
圖17b表明能用于圖14b中實(shí)際交叉耦合結(jié)構(gòu)的等效網(wǎng)絡(luò)。
圖17c表明能用于圖14b-c中實(shí)際交叉耦合結(jié)構(gòu)的等效網(wǎng)絡(luò)。
圖17d表明從圖17a-c的等效網(wǎng)絡(luò)變換的等效網(wǎng)絡(luò)。
圖18a表明6極準(zhǔn)橢圓功能濾波器的交叉耦合方案。
圖18b是基于測(cè)量的曲線圖，表明圖18a的濾波器的傳輸響應(yīng)。
圖19a表明10極準(zhǔn)橢圓功能濾波器的交叉耦合方案。
圖19b是曲線圖，表明圖19a的濾波器的模擬傳輸響應(yīng)。
圖19c是基于測(cè)量的曲線圖，表明圖19a的濾波器的傳輸響應(yīng)。
圖20a表明10極非對(duì)稱濾波器的交叉耦合方案。
圖20b是基于測(cè)量的曲線圖，表明圖20a的濾波器的傳輸響應(yīng)。
圖21a表明由四聯(lián)體實(shí)現(xiàn)的6極準(zhǔn)橢圓功能濾波器的交叉耦合方案。
圖21b表明由三聯(lián)體實(shí)現(xiàn)的6極準(zhǔn)橢圓功能濾波器的交叉耦合方案。
圖22是曲線圖，表示圖21a、圖21b的及具有精調(diào)節(jié)交叉耦合的三聯(lián)體的濾波器的傳輸響應(yīng)。
本發(fā)明的原理應(yīng)用于電信號(hào)的濾波。本發(fā)明的最佳設(shè)備和方法為傳輸零點(diǎn)的放置的控制而提供，以提供較大的裙部拒絕并且優(yōu)化濾波器的傳輸響應(yīng)曲線。提供增大或減小在非相鄰諧振器元件之間的交叉耦合的裝置，以便控制零點(diǎn)。
如以上提到的那樣，本發(fā)明的最佳使用是在通信系統(tǒng)中，并且更具體地說(shuō)是在無(wú)線通信系統(tǒng)中。然而，這種使用僅表明其中可以采用按照本發(fā)明原理建造的濾波器的方式。
其中可以采用本發(fā)明的最佳環(huán)境濾波器包括頻率依賴L-C元件和相對(duì)于頻率的正電感斜率的利用。就是說(shuō)，有效電感隨增大頻率而增大。圖1和2表示一個(gè)Pi電容器網(wǎng)絡(luò)10，其中可以使用這樣的頻率依賴L-C元件。這樣的網(wǎng)絡(luò)由熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，并因此在這里不再更詳細(xì)地討論。一般參照?qǐng)D1，表明示意Pi電容器建造塊10。電路由在其之間布置一個(gè)電感元件11的電容性元件12組成。一個(gè)電容性元件13用在輸入和輸出處，以匹配適當(dāng)?shù)碾娐份斎牒洼敵鲎杩?。圖1表明其中在一個(gè)類似的電感L處建立電感元件的每一個(gè)情形。在圖2中，利用一個(gè)頻率依賴的電感器器件30。因而電感成為L(zhǎng)(ω)，而生成的L-C濾波器元件(在圖2中表示得最好)是L′(ω)。
圖3表明由叉指電容性元件36和一個(gè)半環(huán)路電感性元件34組成的L-C濾波器元件20。圖4表明一種帶-線布局，其中Pi電容器網(wǎng)絡(luò)25由L-C濾波器元件20和電容器器件21形成。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，然后可以改進(jìn)這種布局，以彼此靠近地布置非相鄰元件，如下面更詳細(xì)描述的那樣。
本發(fā)明的濾波器器件最好由能夠產(chǎn)生高電路Q濾波器的材料建造，電路Q為至少10,000較好，電路Q為至少40,000更好。超導(dǎo)材料適用于高Q電路。超導(dǎo)體包括某些金屬和金屬合金，如鈮以及某些鈣鈦礦氧化物，如Yba2Cu3O7-*(YBCO)。超導(dǎo)體在基片上沉積的和構(gòu)造器件的方法在先有技術(shù)中是熟知的，并且類似于在半導(dǎo)體工業(yè)中使用的方法。
在鈣鈦礦型高溫氧化物超導(dǎo)體的情況下，沉積可以是任何已知的方法，包括濺射、激光燒蝕、化學(xué)沉積、或共蒸發(fā)。基片最好是與超導(dǎo)體晶格匹配的單晶體材料。在氧化物超導(dǎo)體與基片之間的中間緩沖層可以用來(lái)改進(jìn)膜的質(zhì)量。這樣的緩沖層在先有技術(shù)中是已知的，并且例如在授予Newman等的美國(guó)專利No.5,132,282中描述，該專利由此通過(guò)參考包括在這里。用于氧化物超導(dǎo)體的適當(dāng)介電基片包括藍(lán)寶石(單晶Al2O3)、鋁酸鑭(LaAl2O3)、氧化鎂(MgO)及釔穩(wěn)定的鋯(YSZ)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5b，表明表示改進(jìn)濾波器裙部拒絕的準(zhǔn)橢圓性能增強(qiáng)的曲線表示。圖5b表明傳輸零點(diǎn)(或凹槽)提供帶有需要的少數(shù)個(gè)極的較靈敏裙部拒絕。另外，這樣的性能要求較低的損失或較小的Q。
利用在微波傳輸帶設(shè)計(jì)中的這些原理，非相鄰諧振器器件的交叉耦合可以有益地提供引入準(zhǔn)橢圓性能的零點(diǎn)。然而，通過(guò)控制零點(diǎn)的放置，改進(jìn)傳輸響應(yīng)以進(jìn)一步優(yōu)化濾波器性能。
圖6表明在太大交叉耦合的情況下，然后可以在非相鄰諧振器器件之間采用電容性交叉耦合技術(shù)。在圖6中，示意表明布置在非相鄰諧振器器件71與72之間的串聯(lián)電容器73。熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在圖6中有五對(duì)非相鄰諧振器。然而，只有一對(duì)非相鄰諧振器器件71和72、以及一個(gè)串聯(lián)電容73特別標(biāo)有數(shù)字指示。
圖7a更具體地表明在其中可以采用交叉耦合抵消的MgO基片上的HTS準(zhǔn)橢圓濾波器的布局。該MgO基片可以具有9.6的介電常數(shù)。根據(jù)在器件之間的距離，在非相鄰器件之間以抵消交叉耦合的另外電容可以改進(jìn)濾波器性能。
諧振器元件71和72通常包括由于其彼此鄰近造成的交叉耦合。為了抵消(或控制)交叉耦合，把串聯(lián)電容器73插入在布置在元件71與72之間的區(qū)域中。圖7b表明具有交叉耦合的PCS D-Block(5MHz)濾波器的輸出。用于這樣一種濾波器的代表性參數(shù)包括1865-1870MHz濾波器通帶頻率，在離帶裙部1MHz處有60dB的拒絕。
作為一個(gè)舉例電路，所有電感器在具有100微米線寬的濾波器內(nèi)都是相同的。所有叉指電容器指狀物是50微米寬。該電容加載電路的等效電感在1.6GHz下是約12納亨。整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)可以構(gòu)造在具有約10的介電常數(shù)的MgO基片上?；羌s0.5毫米厚。也用在這種濾波器中的其他基片能是鋁酸鑭和藍(lán)寶石。
YBCO典型地使用反應(yīng)共蒸發(fā)沉積在基片上，但也能使用濺射和激光燒蝕。一個(gè)緩沖層可以用在基片與YBCO層之間，特別是如果藍(lán)寶石是基片的話。光刻用來(lái)摹制濾波器結(jié)構(gòu)。
圖8a和8b表明在不帶有交叉耦合抵消(圖8a)和帶有交叉耦合抵消(圖8b)的MgO基片上的濾波器性能。
如對(duì)于熟悉本技術(shù)的專業(yè)人員顯然的那樣，交叉耦合的原理可以用在其中不采用頻率轉(zhuǎn)換電感性元件的的環(huán)境中。例如，圖9表明利用交叉耦合抵消的集總元件濾波器的代表性布置(不帶有頻率依賴電感器)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖10a和10b，表明放置在LaAlO3基片上的HTS濾波器。由于該基片呈現(xiàn)高介電常數(shù)，交叉耦合一般較低(部分基于在器件之間的距離)。因此，在這種類型的布置中，交叉耦合增強(qiáng)可能是必需的以優(yōu)化濾波器性能。
圖10b表示帶有表明的非相鄰諧振器器件61和62的放大區(qū)域。將理解，這樣的器件61和62可以包括諸如圖3中指示為20的元件之類的集總電容性感應(yīng)元件。諧振器元件61和62在其之間包括一個(gè)其中由于在基片上的元件布置弱交叉耦合發(fā)生的區(qū)域。為了增強(qiáng)交叉耦合，一個(gè)環(huán)路器件63布置在其之間(例如，在以前沒(méi)有元件駐留的區(qū)域中)。該閉合環(huán)路增強(qiáng)在器件61與62之間的交叉耦合。而且，因?yàn)橐郧皼](méi)有器件布置在該區(qū)域內(nèi)，所以輔助元件不要求在布置上的不動(dòng)產(chǎn)，也不會(huì)干擾其他器件。要理解，能進(jìn)行環(huán)路的多種選擇，包括圓形、矩形、弧形、三角形及其組合。
圖10c表明閉合環(huán)路器件63把傳輸零點(diǎn)電平增強(qiáng)到-30dB。這樣一種濾波器在使用傳輸零點(diǎn)增強(qiáng)之前具有-70dB傳輸電平。
用于非相鄰諧振器的交叉耦合的第二實(shí)施例在以上討論的四聯(lián)體結(jié)構(gòu)中有一些問(wèn)題。對(duì)于四聯(lián)體部分，第二階交叉耦合，如在諧振器一與三、在諧振器一與五及在諧振器一與六之間的寄生交叉耦合干擾零點(diǎn)的布置，并且導(dǎo)致一種非對(duì)稱濾波器。這些問(wèn)題借助于一可選擇實(shí)施例的使用克服，特別是在高溫超導(dǎo)體(HTS)中的三聯(lián)體(tri-section)交叉耦合。
當(dāng)在交叉耦合非相鄰諧振器之間僅有一個(gè)諧振器時(shí)，三聯(lián)體交叉耦合產(chǎn)生。在三聯(lián)體交叉耦中的交叉耦合值比對(duì)稱四聯(lián)體的大得多，并因而能顯著減小寄生非相鄰耦合的影響。另外，在利用三聯(lián)體交叉耦合的濾波器中的每個(gè)零點(diǎn)獨(dú)立地由一種交叉耦合控制，這種交叉耦合提供一種基本解決方案以補(bǔ)償寄生非相鄰耦合和非對(duì)稱諧振器的影響，并因而使具有多個(gè)傳輸零點(diǎn)的HTS薄膜濾波器和對(duì)稱頻率響應(yīng)是可能的。
圖11a-b和12a-b是利用三聯(lián)體交叉耦合的濾波器的舉例示意和布局圖。圖11a表示一個(gè)在高側(cè)具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)而在低側(cè)具有一個(gè)傳輸零點(diǎn)的10極濾波器。數(shù)字在他們中的圓，每個(gè)表示一個(gè)諧振器。圖11b表明圖11a中所示濾波器的HTS布局。在圖11b中，交叉耦合元件100把諧振器元件102交叉耦合到諧振器元件104上。在交叉耦合諧振器102與104之間僅有一個(gè)諧振器103存在。交叉耦合元件110把諧振器104交叉耦合到諧振器106上。交叉耦合元件111把諧振器107交叉耦合到諧振器109上。交叉耦合元件100、110及111的示意表示也標(biāo)識(shí)在圖11a中。
圖12a表明在每側(cè)具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的10極濾波器。圖12b表明圖12a中所示濾波器的HTS布局。
圖13a表示一個(gè)具有用于由一個(gè)理想導(dǎo)納轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的HTS微波傳輸帶Pi諧振器的正交叉耦合的三聯(lián)體。圖13b表示一個(gè)具有用于由一個(gè)理想導(dǎo)納轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的HTS微波傳輸帶Pi諧振器的負(fù)交叉耦合的三聯(lián)體。一個(gè)帶有一個(gè)正交叉耦合元件的三聯(lián)體在濾波器高側(cè)停止帶上實(shí)現(xiàn)一個(gè)零點(diǎn)，而負(fù)交叉耦合元件在低側(cè)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)零點(diǎn)。由于微波傳輸帶電路的平面結(jié)構(gòu)的限制，對(duì)于交叉耦合結(jié)構(gòu)需要一條輔助延伸線。圖14a-c表示用于對(duì)微波傳輸帶Pi諧振器的三聯(lián)體交叉耦合結(jié)構(gòu)的三種可能配置。這些耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)該轉(zhuǎn)換成一個(gè)能包括在濾波器結(jié)構(gòu)中的等效網(wǎng)絡(luò)。
圖15a-c表示分別與圖14a-c的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的三種可能物理結(jié)構(gòu)。
如果元件尺寸比感興趣的波長(zhǎng)小得多(＜30°)，則能把交叉耦合元件模型化為Pi電容網(wǎng)絡(luò)。該P(yáng)i電容網(wǎng)絡(luò)對(duì)于窄帶用途能由一個(gè)在其輸入和輸出處有輔助傳輸線的理想導(dǎo)納轉(zhuǎn)換器近似，如圖16a-c中所示。圖14a-c中所示的實(shí)際耦合結(jié)構(gòu)然后能分別轉(zhuǎn)換成圖17a-c中的等效網(wǎng)絡(luò)。在圖17a、b及c中的等效網(wǎng)絡(luò)能轉(zhuǎn)換成圖17d中的等效網(wǎng)絡(luò)。過(guò)程是通過(guò)串級(jí)各個(gè)部分(即轉(zhuǎn)換器、傳輸線或分路導(dǎo)納)的矩陣計(jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的[ABCD]矩陣，并且匹配圖17d中的網(wǎng)絡(luò)的矩陣。結(jié)果總結(jié)如下由圖17a至17dJeff=1/(-Jsin2θc2/Yc2+cos2θc2/J);]]>B=sinθc2cosθc2(J/Yc+Yc/J)/(-Jsin2θc2/Yc2+cos2θc2/J);]]>由圖17b至17dJeff=JaJbYcsinθc;]]>B1=-Jeff(Ja/Jb)cosθc=-Ja2Yccotθ;]]>B2=-Jeff(Jb/Ja)cosθc=-Jb2Yccotθ;]]>假定諧振器的電納斜率參數(shù)是b，在諧振器與分路電納的耦合k表示為k=1QaQbsinθc=gagbsinθc;]]>B1b=cotθcQa;]]>B2b=cotθcQb;]]>其中Qa和Qb是從傳輸線Yc觀察諧振器的外部Q，并且ga和gb是分別從耦合(通過(guò)諧振器)呈現(xiàn)給諧振器Yc的輸出導(dǎo)納(對(duì)于b正交化)。
由圖17c至17dJeff=JcosθC;]]>B1=-J22YCtanθC;B2=-YCtanθC]]>用于利用三聯(lián)交叉耦合的濾波器的濾波器結(jié)構(gòu)/合成過(guò)程非常類似于全極濾波器的情形，如在Qiang Haung、Ji-Fuh Liang、Dawei Zhang及Guo-Chur Liang的“帶有頻率依賴電感器的管狀帶通濾波器的直接合成(Direct synthesis of tubular bandpass filters with frequency-dependentinductors)”，in 1998 IEEE Int.Microwave Symp.Dig.，1992年6月中表示的那樣。把它總結(jié)如下1.使用耦合諧振器分析/合成技術(shù)以得到用于特定頻率響應(yīng)要求的要求耦合矩陣，2.選擇一種能是頻率依賴的適當(dāng)電感器L(W)，3.按照在文章“帶有頻率依賴電感器的管狀帶通濾波器的直接合成”中的過(guò)程，得到諧振器和相鄰耦合電容的LC值，
4.選擇交叉耦合結(jié)構(gòu)和計(jì)算非相鄰耦合電容，5.通過(guò)附近的諧振器吸收寄生電容，6.使用以上結(jié)果以構(gòu)造LC濾波器網(wǎng)絡(luò)并且計(jì)算濾波器響應(yīng)，7.如有必要細(xì)微調(diào)節(jié)非相鄰耦合電容以重新定位傳輸零點(diǎn)，撤回優(yōu)化以恢復(fù)返回?fù)p失。
令人并不驚奇的是，從步驟1至6發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的初始響應(yīng)通常相對(duì)于由理想耦合諧振器模型給出的原始響應(yīng)具有一些差異。主要影響在于，在“帶有頻率依賴電感器的管狀帶通濾波器的直接合成”中計(jì)算耦合的導(dǎo)出公式是一種窄帶近似，并且不考慮電感器的頻率依賴。然而，初始響應(yīng)足夠靠近優(yōu)化的一個(gè)，并且調(diào)諧/優(yōu)化能用來(lái)恢復(fù)響應(yīng)而沒(méi)有任何麻煩。
值得注意的是，減小對(duì)薄膜電路的這種影響的努力仍然需要強(qiáng)調(diào)?；牧系倪x擇、諧振器結(jié)構(gòu)及認(rèn)真的布置是確定寄生耦合強(qiáng)度的主要因素。
下面提供的是在HTS中利用三聯(lián)體諧振器的概念的濾波器的工作例子。
例I六極準(zhǔn)橢圓功能濾波器在停止帶每側(cè)上有一個(gè)傳輸零點(diǎn)的6極準(zhǔn)橢圓功能濾波器和測(cè)量結(jié)果的示意圖表示在圖18中。有數(shù)字在其中的圓表示諧振器。諧振器1至諧振器3的耦合通過(guò)Pi諧振器的分路電容器的直接耦合實(shí)現(xiàn)，而諧振器4至諧振器6的負(fù)交叉耦合由圖14c中所示的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該例子和其他都基于一個(gè)20密耳厚LAO(er＝24.0)基片。
例II具有對(duì)稱和非對(duì)稱傳輸零點(diǎn)的10極濾波器在每側(cè)有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的10極準(zhǔn)橢圓功能濾波器的交叉耦合方案、模擬響應(yīng)及測(cè)量數(shù)據(jù)表示在圖19中。在圖19b中有兩個(gè)模擬響應(yīng)，一個(gè)來(lái)自LC模型，另一個(gè)來(lái)自各個(gè)物理結(jié)構(gòu)的計(jì)算散布矩陣的串級(jí)。對(duì)于圖19c中的測(cè)量響應(yīng)，在低側(cè)有一個(gè)輔助零點(diǎn)，這是由于微波傳輸帶諧振器的寄生交叉耦合。在這種情況下，它不會(huì)顯著影響濾波器的拒絕斜率。否則，稍微調(diào)節(jié)交叉耦合能恢復(fù)在通帶邊緣上的拒絕裙部的對(duì)稱。有兩個(gè)零點(diǎn)在停止帶的高側(cè)和一個(gè)零點(diǎn)在低側(cè)的10極濾波器的交叉耦合方案和測(cè)量響應(yīng)分別表示在圖20a和b中。
例III基于使用(a)一個(gè)四聯(lián)體和(b)兩個(gè)三聯(lián)體的非對(duì)稱Pi-諧振器的6極準(zhǔn)橢圓功能濾波器用來(lái)建造濾波器的HTS集總元件諧振器的電容器加載電感器具有一個(gè)諧振頻率，該諧振頻率比濾波器中心頻率高，并且在濾波器停止帶的高側(cè)產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。因而，諧振器的響應(yīng)相對(duì)于濾波器中心頻率是非對(duì)稱的。
由于該諧振器的非對(duì)稱本質(zhì)，用于對(duì)稱傳輸實(shí)現(xiàn)的四聯(lián)體將產(chǎn)生非對(duì)稱拒絕裙部。圖21a表明使用四聯(lián)體部分的6極濾波器。圖21b表明使用兩個(gè)三聯(lián)體的6極濾波器以實(shí)現(xiàn)在每個(gè)停止帶中的單個(gè)傳輸零點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)初始結(jié)構(gòu)的濾波器響應(yīng)對(duì)于四聯(lián)體(CQ結(jié)構(gòu))或CT-I(直接從理想耦合矩陣轉(zhuǎn)換的三聯(lián)體結(jié)構(gòu)I)方法是不對(duì)稱的。然而，能調(diào)節(jié)CT-I結(jié)構(gòu)的交叉耦合(并且指示為結(jié)構(gòu)CT-II)以重新定位傳輸零點(diǎn)以恢復(fù)響應(yīng)的對(duì)稱。濾波器通過(guò)四聯(lián)體、CQ、及三聯(lián)體、CT-I及CT-H的響應(yīng)表示在圖22中。類似的原理能用來(lái)校正由于寄生或非理想非相鄰耦合造成的濾波器與設(shè)計(jì)響應(yīng)的拒絕偏差。
如對(duì)于熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員顯然的那樣，這種樣式交叉耦合的原理也可以用在其中不采用頻率轉(zhuǎn)換元件的環(huán)境中(例如，集總元件濾波器)。
要理解，本發(fā)明的原理適用于控制在非相鄰諧振器件之間的交叉耦合以便改進(jìn)濾波器性能。在這里提供的例子中，這以兩種方式實(shí)現(xiàn)，即添加電感性或電容性元件。例子也表明控制可以基于利用的基片。
要理解，即使本發(fā)明的多個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)、以及本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)節(jié)，已經(jīng)在以上描述中敘述，但公開(kāi)僅是說(shuō)明性的，并且在細(xì)節(jié)上可以進(jìn)行變化。其他修改和變化都在熟悉本專業(yè)技術(shù)人員的知識(shí)范圍內(nèi)，并且包括在附屬權(quán)利要求書(shū)的寬廣范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于電信號(hào)的濾波器，包括a.至少一對(duì)非相鄰諧振器器件，在一種微波傳輸帶布局中；和b.一個(gè)交叉耦合控制元件，在至少一對(duì)非相鄰諧振器器件之間，其中優(yōu)化濾波器的傳輸響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其中交叉耦合控制元件包括一個(gè)布置在非相鄰諧振器器件對(duì)之間的電容性元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濾波器，其中電容性元件是連接到非相鄰諧振器器件對(duì)每一個(gè)上的一個(gè)串聯(lián)電容器元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其中用來(lái)控制交叉耦合的裝置包括一個(gè)布置在非相鄰諧振器器件對(duì)之間的環(huán)路元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的濾波器，其中閉合環(huán)路元件是一個(gè)通過(guò)非相鄰諧振器器件對(duì)近似每一個(gè)的電感性環(huán)路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其中用來(lái)控制交叉耦合的裝置包括一個(gè)電容性元件或一個(gè)電感性元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其中微波傳輸帶布局包括MgO、LaAlO3、Al2O3或YSZ的一個(gè)介電基片。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的濾波器，其中非相鄰諧振器器件對(duì)的每一個(gè)包括一個(gè)電容性器件和一個(gè)電感性器件，以便形成一個(gè)集總元件器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的濾波器，其中電容性器件、電感性器件及電容性或電感性元件由在介電基片上的一個(gè)導(dǎo)電材料形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的濾波器，其中電容性器件由電感性器件的叉指化指狀物形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其中諧振器器件包括一種超導(dǎo)材料。
12.一種帶通濾波器，包括a.多個(gè)L-C濾波器元件，所述L-C濾波器元件的每一個(gè)包括一個(gè)電感器和一個(gè)與電感器并聯(lián)的電容器。b.多個(gè)Pi電容性元件，插入在L-C濾波器元件之間，其中一個(gè)集總元件濾波器借助于是彼此非相鄰的至少兩個(gè)L-C濾波器元件形成；及c.用來(lái)控制在非相鄰L-C濾波器元件之間的交叉耦合的裝置，其中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)橢圓濾波器傳輸響應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的濾波器，其中用來(lái)控制交叉耦合的裝置包括一個(gè)布置在非相鄰L-C濾波器元件之間的電容性元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的濾波器，其中電容性元件是連接到L-C濾波器元件上的一個(gè)串聯(lián)電容器元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的濾波器，其中用來(lái)控制交叉耦合的裝置包括一個(gè)布置在L-C濾波器元件之間的閉合環(huán)路。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的濾波器，其中閉合環(huán)路元件是一個(gè)通過(guò)L-C濾波器元件近似每一個(gè)的電感性環(huán)路。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的濾波器，其中用來(lái)控制交叉耦合的裝置包括一個(gè)電容性元件或一個(gè)電感性元件。
18.一種控制在電信號(hào)濾波器中的交叉耦合的方法，包括步驟a.連接多個(gè)L-C濾波器元件，L-C濾波器元件的每一個(gè)包括一個(gè)電感器和一個(gè)與電感器并聯(lián)的電容器；b.把一個(gè)Pi電容性元件插入在L-C濾波器元件的每一個(gè)之間，其中一個(gè)集總元件濾波器借助于是彼此非相鄰的至少兩個(gè)L-C濾波器元件形成；及c.在非相鄰L-C濾波器元件之間插入一個(gè)用來(lái)控制在非相鄰L-C濾波器元件之間的交叉耦合的裝置，其中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)橢圓濾波器傳輸響應(yīng)。
19.一種用于電信號(hào)的濾波器，包括a.至少一對(duì)非相鄰諧振器器件，在微波傳輸帶布局中包括一種超導(dǎo)材料，其中在至少一對(duì)非相鄰諧振器器件之間僅有一個(gè)諧振器器件。b.一個(gè)交叉耦合元件，在至少一對(duì)非相鄰諧振器器件之間，其中優(yōu)化濾波器的傳輸響應(yīng)。
20.一種控制在電信號(hào)濾波器中的交叉耦合的方法，包括步驟a.連接多個(gè)L-C濾波器元件，L-C濾波器元件包括一種超導(dǎo)材料，L-C濾波器元件的每一個(gè)包括一個(gè)電感器和一個(gè)與電感器并聯(lián)的電容器；b.把一個(gè)Pi電容性元件插入在L-C濾波器元件的每一個(gè)之間，其中一個(gè)集總元件濾波器借助于是彼此非相鄰的至少兩個(gè)L-C濾波器元件和僅借助于在兩個(gè)非相鄰L-C濾波器元件之間的一個(gè)L-C濾波器元件形成；及c.在至少兩個(gè)非相鄰L-C濾波器元件之間插入一個(gè)交叉耦合元件，其中優(yōu)化濾波器的傳輸響應(yīng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其中在非相鄰諧振器器件之間僅有一個(gè)諧振器器件。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的帶通濾波器，其中在非相鄰L-C濾波器元件之間僅有一個(gè)L-C濾波器元件。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中在非相鄰L-C濾波器元件之間僅有一個(gè)L-C濾波器元件。
全文摘要
本發(fā)明提供用來(lái)控制在微波傳輸帶濾波器中的非相鄰交叉耦合的一種方法和設(shè)備。在弱交叉耦合的情況下,如在高介電常數(shù)基片材料(例如,LaAlO
文檔編號(hào)H01P1/203GK1352814SQ00806534
公開(kāi)日2002年6月5日 申請(qǐng)日期2000年3月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月2日
發(fā)明者張達(dá)威, 梁濟(jì)夫, 申成夫 申請(qǐng)人:康達(dá)特斯公司