專利名稱：帶通濾波器、包括其的電子裝置以及制造其的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶通濾波器的領(lǐng)域，特別涉及基于開口環(huán)諧振器(split-rings resonator)和互補開口環(huán)諧振器(complementary split-ringsresonators)的帶通濾波器。
背景技術(shù)：
在許多電子系統(tǒng)中，例如，在無線電通信系統(tǒng)中，帶通濾波器是重要的部件。例如，對于超寬帶(UWB)通信的興趣的不斷增長(至少部分地是由于美國聯(lián)邦通信委員會(U.S.Federal CommunicationCommision)在2002年準許將3.1到10.6GHz的對應(yīng)頻譜無限制地用于室內(nèi)和手持系統(tǒng))已導(dǎo)致對UWB部件和系統(tǒng)的關(guān)注日益增加。UWB系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一是UWB帶通濾波器，其應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)出足夠的帶寬，且當(dāng)然應(yīng)該呈現(xiàn)出對相關(guān)頻帶以外的頻帶的足夠阻擋特性。另外，該帶通濾波器必須具有相當(dāng)小的尺度。這也同樣適用于UWB領(lǐng)域以外的帶通濾波器。
已經(jīng)嘗試了不同的方法。例如，Hand Wang，et al.，“Ultra-WidebandBandpass Filter With Hybrid Microstrip/CPW Structure”，IEEE Microwaveand Wireless Components Letters，Vol.15，No.12，Dec.2005公開了一種基于混合微帶和共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的UWB帶通濾波器。
其它嘗試基于所謂的開口環(huán)諧振器(SRR)或互補開口環(huán)諧振器(CSRR)。利用這些類型的單元，結(jié)合其它組成元件(如電容和電感)，可以實現(xiàn)左手和右手傳輸介質(zhì)。左手介質(zhì)的特征在于其呈現(xiàn)電場矢量(E)、磁場矢量(H)以及傳播矢量(k)左手三元組(triplet)，而不是常規(guī)傳播介質(zhì)(即，右手介質(zhì))所呈現(xiàn)的右手三元組(例如參見V.G.Veselago，“The electrodynamics of substances with simultaneouslynegative values ofεandμ”，Sov.Phys.Usp.Vol.10，No.4，pp.509-514，Jan.-Feb.1968)。
例如，Jordi Bonache，et al.，“Microstrip Bandpass Filters with WideBandwidth and Compact Dimensions ”， Microwave and Optical TechnologyLetters，Vol.46，No.4，August 20，2005公開了待實現(xiàn)在微帶技術(shù)中的具有小尺度的基于CSRR的帶通濾波器。該帶通濾波器具有基于包括CSRR(或者，更具體來說是雙開口CSRR，即DS-CSRR)的單元的拓撲結(jié)構(gòu)，該CSRR被蝕刻在接地層中，且通過介電層與包括由所謂的接地線腳(grounded stub)連接到接地層的導(dǎo)體帶的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)相分隔。圖1a示出了單個濾波器單元的總體拓撲結(jié)構(gòu)。該濾波器按“右手結(jié)構(gòu)”工作(即，它充當(dāng)常規(guī)傳播介質(zhì))，其等效電路模型(如圖1b所示)包括由圖1b中的兩個電感“L/2”表示的對應(yīng)于導(dǎo)體帶的電感，和位于所述兩個電感之間的到地的連接，該連接包括并聯(lián)的電感(Lp)(對應(yīng)于線腳對的電感)和一電路，該電路包括串聯(lián)的電容(Cc)(對應(yīng)于線路接地電容)和所謂的諧振回路，該諧振回路包括并聯(lián)布置的電容(Cr)和電感(Lr)并對應(yīng)于DS-CSRR回路。該電路布局被宣稱提供了具有小尺寸并且適合于要求寬帶寬的應(yīng)用的濾波器。
從Jordi Bonache，et al.，“Novel Microstrip Bandpass Filters Based onComplementary Split-Ring Resonators”了解到一種另選的左手結(jié)構(gòu)，該文獻公開了充當(dāng)具有可控帶寬的左手傳輸線路的多個單元。每個單元都包括位于介電層的一側(cè)的CSRR(該CSRR被刻蝕在微帶的接地層中)、位于另一側(cè)的被兩個間隙中斷的導(dǎo)體帶(所述導(dǎo)體帶在這些間隙處具有顯著增大的寬度以增加電容)、以及連接到位于這些間隙之間的導(dǎo)體線路的分流金屬線，所述分流金屬線借助通孔接地，由此構(gòu)成了所謂的“線腳對”。圖2a示出了單個濾波器單元的總體拓撲結(jié)構(gòu)。該單元的等效電路模型(如圖2b所示)包括兩個電容(2Cs)(對應(yīng)于導(dǎo)體帶中的間隙)，和位于所述兩個電容之間的接地的連接，該連接包括并聯(lián)的電感(分流電感Lp，對應(yīng)于接地線腳的電感)和一電路，該電路包括串聯(lián)的電容(Cc)(對應(yīng)于線路接地電容，或者更精確地說對應(yīng)于如下電容，即，該電容取決于與CSRR的內(nèi)開口內(nèi)的金屬面對面的串聯(lián)間隙之間的金屬間區(qū)的部分)和所謂的LC諧振回路，該LC諧振回路包括并聯(lián)的電容(Cr)和電感(Lr)(并對應(yīng)于CSRR)。據(jù)稱，可以獲得電學(xué)上小的裝置，并且通過將多個CSRR與多個串聯(lián)間隙組合起來，可以實現(xiàn)具有向后(或左手)波傳播的帶通結(jié)構(gòu)。
還公開了應(yīng)當(dāng)如何在電路的中心頻率f0處使影像阻抗(或布洛赫阻抗ZB)與端口處的基準阻抗(其通常被設(shè)定為Z0＝50歐姆)相一致?，F(xiàn)在，考慮圖2b所示的電路，并假設(shè)它可以由其具有串聯(lián)阻抗Zs和分流阻抗Zp(如圖2c所示)的T電路模型來描述，在f0處，以下條件應(yīng)當(dāng)成立Zs＝-jZ0并且Zp＝j(luò)Z0為了在基本單元的輸入與輸出端口之間提供對應(yīng)于φ＝90°的相移，該條件是必須的。
闡明了對偶解(Zs＝j(luò)Z0并且Zp＝-jZ0)與電路的電容性串聯(lián)阻抗不相容。另外闡明了在濾波器的中央頻率處，串聯(lián)電抗是負的(即，電容性的)，而分流電抗(對應(yīng)于Lp與耦合到線路的CSSR的阻抗的并聯(lián)組合)是正的(即，電感性的)。因此，由這種單元組成的周期結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)為左手傳輸線路。該文獻還描述了可以如何計算合適的元件值。
在Jordi Bonache，et al.，“Ultra Wide Band Pass Filters(UWBPF)Based on Complementary Split Ring Resonators”，Microwave and OpticalTechnology Letters，Vol.46，No.3，pp.283-286，A ugust 5，2005中公開了基于CSRR的帶通濾波器的其它示例。
現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些左手方法和右手方法不總是適當(dāng)?shù)?，盡管它們可以為許多應(yīng)用提供合適的頻率響應(yīng)。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們可能并非一直提供足夠的帶通特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面涉及一種基于或包括平面?zhèn)鬏斀橘|(zhì)(諸如微帶、共面波導(dǎo)、帶狀線等)的帶通濾波器，該平面?zhèn)鬏斀橘|(zhì)包括傳輸線路，所述傳輸線路包括至少一個導(dǎo)體帶。所述帶通濾波器在所述傳輸線路中具有至少一個帶通濾波器單元，所述濾波器單元包括至少一個開口環(huán)諧振器(諸如開口環(huán)諧振器、互補開口環(huán)諧振器或雙開口互補開口環(huán)諧振器)、至少一個電感元件(諸如將所述導(dǎo)體帶接地的線腳)以及至少一個電容元件(諸如所述導(dǎo)體帶中的間隙)。所述帶通濾波器具有其中可以識別出至少一個通帶的頻率響應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，所述導(dǎo)體帶、所述至少一個開口環(huán)諧振器、所述至少一個電感元件以及所述至少一個電容元件被形成為所需尺寸，并且被設(shè)置為使得帶通濾波器針對所述通帶內(nèi)的頻率表現(xiàn)為對于所述通帶內(nèi)的至少一個頻率范圍，表現(xiàn)為左手傳輸線路，而對于所述通帶內(nèi)的至少另一個頻率范圍，表現(xiàn)為右手傳輸線路。
因此，可以獲得具有小尺寸并且呈現(xiàn)出大帶寬特性的濾波器。
迄今為止，已將現(xiàn)有技術(shù)的基于開口環(huán)諧振器的帶通濾波器設(shè)計成按右手模式或左手模式起作用。當(dāng)然，基本上，可以認為本電路的總體“等效電路”圖類似于上述某些現(xiàn)有技術(shù)的“等效電路”圖。然而，在這些現(xiàn)有技術(shù)的電路中，將導(dǎo)體帶設(shè)計成提供與右手或左手傳輸模式相對應(yīng)的通帶，但未將導(dǎo)體帶的尺寸設(shè)定為可提供如下電感，即，該電感與該電路的其它電感和電容相結(jié)合，使得該電路對于與通帶的一部分相對應(yīng)的頻率來說按左手模式操作，而對于與同一通帶的另一部分相對應(yīng)的頻率來說按右手模式操作。通過相應(yīng)地設(shè)定該電感，即，例如，通過將該導(dǎo)體帶電感視為對濾波器的設(shè)計中的待設(shè)定相關(guān)值(表示該設(shè)計的一個自由度)，連同對(多個)電感元件(諸如線腳)、電容元件(諸如(多個)間隙)、以及構(gòu)成(多個)開口環(huán)諧振器的部分的結(jié)構(gòu)選擇(包括尺寸選擇)，實現(xiàn)了如下目的在通帶內(nèi)，該濾波器的性質(zhì)可以從左手模式改變成右手模式(即，在通帶的對應(yīng)于左手模式的部分與通帶的對應(yīng)于右手模式的部分之間不存在任何阻帶)。該情形對應(yīng)于對稱模式(即，對應(yīng)于Zs和Zp的串聯(lián)和分流諧振頻率是相同的，見下文)。這樣，實現(xiàn)了如下目的在同一通帶內(nèi)，考慮具有串聯(lián)阻抗Zs和分流阻抗Zp的濾波器單元的T等效電路，該濾波器還具有布洛赫阻抗ZBI)存在對應(yīng)于諧振模式(其中，所述單元的串聯(lián)阻抗Zs是零(Zs＝0)(根據(jù)它們的T模式)，同時所述單元的分流阻抗Zp變成無窮大(Zp＝∞))的反射零點(即，傳輸峰值)。在該頻率處，相位對應(yīng)于零。在該頻率處，Zs和Zp的阻抗符號同時改變，即，條件Zs＜0、Zp＞0(左手傳輸)直接改變成Zs＞0、Zp＜0(右手傳輸)。
II)存在使所述濾波器按左手傳輸模式(Zs＜0；Zp＞0)進行操作的頻率；此外，布洛赫阻抗ZB可以可選地與濾波器的端口處的阻抗(通常是50歐姆)相匹配，在此情況下，在通帶內(nèi)為每個濾波器單元提供了又一反射零點(傳輸峰值)，因此提供了更寬的通帶。
III)存在使所述濾波器按右手傳輸模式(Zs＞0；Zp＜0)進行操作的頻率；此外，布洛赫阻抗ZB可以可選地與濾波器的端口處的阻抗(通常是50歐姆)相匹配，在此情況下，在通帶內(nèi)為每個濾波器單元提供了又一反射零點(傳輸峰值)，因此提供了更寬的通帶。
當(dāng)每個濾波器單元的3個反射零點全部位于通帶內(nèi)時，可以獲得最佳寬通帶。因此，可以獲得更寬的通帶，同時保證對通帶的上限以上和下限以下的信號的良好的抑制。當(dāng)然，采用開口環(huán)諧振器技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)的濾波器也可以既按左手模式又按右手模式進行操作，但是不是在同一通帶(即，在基本上不被阻帶打斷的頻帶內(nèi))內(nèi)進行操作。因此，根據(jù)本發(fā)明，按連續(xù)的方式產(chǎn)生了左手模式與右手模式之間的過渡，即，在同一頻率處產(chǎn)生了對應(yīng)于Zs和Zp的諧振。因此，產(chǎn)生了Zs和1/Zp的同時的符號變化，并且在通帶內(nèi)未出現(xiàn)阻帶。
左手模式對應(yīng)于電容串聯(lián)阻抗和電感分流阻抗性質(zhì)，而右手模式對應(yīng)于電感串聯(lián)阻抗和電容分流阻抗性質(zhì)。
按另一方式闡述，通過本發(fā)明，對于濾波器的每一級或單元并且對于至少一個通帶，可以獲得多達3個反射零點(即，3個最大傳輸峰值)，而在按右手模式或左手模式操作的普通帶通濾波器中，在通帶內(nèi)每級通常只存在一個這種峰值。
通過對中介元件(導(dǎo)體帶、間隙、線腳、開口環(huán)諧振器等)的尺寸進行調(diào)節(jié)，使得在通帶內(nèi)滿足以下條件，來獲得本發(fā)明產(chǎn)生的效果(Zs是濾波器單元的T模型(例如，參見圖6b)的串聯(lián)阻抗，Zp是分流阻抗，而ZB是所謂的布洛赫阻抗)i)Zs＜0并且Zp＞0(這對應(yīng)于左手模式)(為了產(chǎn)生對應(yīng)的傳輸峰值，還可以將濾波器單元設(shè)計成使得布洛赫阻抗與濾波器的端口處的阻抗(通常是50歐姆)相匹配)ii)Zs＝0并且Zp＝∞(這對應(yīng)于阻抗諧振區(qū)，按照定義，在阻抗諧振區(qū)中該結(jié)構(gòu)提供對信號的完全傳輸)iii)Zs＞0并且Zp＜0(這對應(yīng)于右手模式)(為了產(chǎn)生對應(yīng)的傳輸峰值，還可以將濾波器單元設(shè)計成使得布洛赫阻抗與濾波器的端口處的阻抗(通常是50歐姆)相匹配)。
在通帶上(即，對于通帶內(nèi)的每個頻率)，應(yīng)當(dāng)滿足這些條件中的一個，由此將不存在阻帶。考慮條件i)和iii)，如果布洛赫阻抗是不匹配的(即，通常，如果所述布洛赫阻抗不等于濾波器的端口處的阻抗(通常是50歐姆))，那么在通帶內(nèi)可能沒有對應(yīng)的反射零點，因而通帶的寬度可能會減小到某個程度(然而，對于許多實際應(yīng)用，它仍然能提供足夠的帶寬)。
如下定義了單元的相移Φ及其布洛赫阻抗(參考上述T模型)cosφ=1+ZS(jω)ZP(jω)]]>ZB(jω)=ZS(jω)[ZS(jω)+2ZP(jω)]]]>當(dāng)兩個值(Φ和ZB)均為實數(shù)時發(fā)生傳輸。當(dāng)ZB＝Zo時達到了匹配條件，其中Zo是特征阻抗，其通常被設(shè)定為50歐姆。這樣，根據(jù)以上公式，對于要達到的匹配條件，應(yīng)當(dāng)滿足以下條件Zs＜0并且Zp＞0(左手模式)Zs＞0并且Zp＜0(右手模式)第一個條件對應(yīng)于大致電容串聯(lián)阻抗(例如，可以通過傳輸線路中的(多個)間隙的電容來確定)和大致電感分流阻抗。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于特異材料(metamaterial)(即，人工材料，在自然界未發(fā)現(xiàn))，其為實際上均勻(結(jié)構(gòu)單元比傳輸信號的波長小得多)的電磁材料。通過周期性地重復(fù)該單元，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于左手傳輸線路，并支持所謂的向后波(例如，參見G.V.Eleftheriades，A.K.Iyer，and P.C.Kremer，“Planar negativerefractive index media using L-C loaded transmission lines”，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.50，no.12，pp.2702-2712，Dec.2002)。另一方面，在右手模式下，該單元將包括大致電感串聯(lián)阻抗(由傳輸線路的電感支配)和大致電容分流阻抗。該類型的周期結(jié)構(gòu)對應(yīng)于右手傳輸線路。
如上所述，為了提供非常大帶寬的通帶，要在通帶內(nèi)按連續(xù)方式(即，沒有任何實質(zhì)的中間阻帶的情況下)出現(xiàn)兩種傳輸模式。這被稱為對稱模式，在此模式下與串聯(lián)阻抗(Zs)和分流阻抗(Zp)相對應(yīng)的諧振在大致相同的頻率處共振。因此，在中央最小反射(Zs＝0；Zp＝∞)處，Zs和1/Zp的符號(正/負)同時發(fā)生變化。如果不滿足該條件，即，如果在一頻帶內(nèi)存在串聯(lián)阻抗和分流阻抗具有相同符號的區(qū)域，那么根據(jù)以上公式在該頻帶內(nèi)將存在“阻帶”，因為將不存在信號的傳播(因為不能獲得Φ的實值)。因此，沒有獲得寬通帶。這是在許多現(xiàn)有技術(shù)的濾波器中發(fā)生的情況。
根據(jù)本發(fā)明，所述至少一個單元由此呈現(xiàn)出具有串聯(lián)阻抗和分流阻抗的T等效電路的特性，其中，對于所述帶通濾波器的通帶內(nèi)的一個頻帶，所述單元的所述串聯(lián)阻抗為負，而所述分流阻抗為正，其中，對于所述同一通帶內(nèi)的另一個頻帶，所述單元的所述串聯(lián)阻抗為正，而所述分流阻抗為負，并且其中，在所述兩個頻帶之間的頻率處，所述串聯(lián)阻抗大致是零，而所述分流阻抗大致是無窮大(在該限定中，不考慮歐姆損耗)。
可選的是，在所述兩個頻帶中的一個或兩個內(nèi)，存在使所述單元的所述布洛赫阻抗與所述濾波器的端口處的阻抗相匹配的頻率(例如，所述布洛赫阻抗可匹配為50歐姆(所述濾波器的端口處的典型阻抗))。
例如，所述至少一個帶通濾波器單元可呈現(xiàn)出在所述通帶內(nèi)存在3個反射零點的特性。
所述至少一個開口環(huán)諧振器是互補開口環(huán)諧振器，即，它可以包括設(shè)置在所述傳輸線路的至少一個金屬部分中(諸如在其一個或更多個金屬層中(例如，所述傳輸線路的接地層中))的非金屬開口環(huán)。
所述導(dǎo)體帶例如還可以包括所述單元中的至少一個間隙，所述至少一個間隙構(gòu)成所述電容元件。
所述至少一個電感元件例如可以包括與所述間隙相對應(yīng)地設(shè)置的至少一個導(dǎo)電線腳，該至少一個導(dǎo)電線腳經(jīng)由介電層將所述導(dǎo)體帶連接到金屬層(諸如所述傳輸線路的接地層(其中可以形成所述至少一個互補開口環(huán)諧振器))。
所述至少一個互補開口環(huán)諧振器可以包括在所述介電層的一側(cè)的所述金屬層(如接地層)中刻蝕的多個開口環(huán)，并且所述導(dǎo)體帶可被配置在所述介電層的另一側(cè)。所述至少一個線腳可被布置成與所述至少一個間隙相對應(yīng)，并且所述至少一個線腳可經(jīng)由穿過所述介電層的通孔連接到所述金屬層。
所述至少一個間隙可以包括至少兩個間隙，并且所述至少一個線腳可以包括在所述兩個間隙之間連接到所述導(dǎo)體帶的至少兩個線腳。
作為一個另選例，所述互補開口環(huán)諧振器也可被刻蝕在所述導(dǎo)體帶中。
作為一個另選例，所述至少一個開口環(huán)諧振器可以是金屬開口環(huán)諧振器，所述金屬開口環(huán)諧振器包括多個金屬環(huán)，在所述導(dǎo)體帶與所述至少一個開口環(huán)諧振器之間存在磁耦合。
可以按許多另選方式實現(xiàn)多個開口環(huán)諧振器。例如，-它們可以包括大致呈圓形或橢圓形或多邊形的開口環(huán)；-它們可以包括多個開口環(huán)，這些開口環(huán)在每個環(huán)中呈現(xiàn)一個或更多個“開口”(在互補開口環(huán)諧振器的情況下是“金屬開口”，或者在基于金屬環(huán)的開口環(huán)諧振器的情況下是“非金屬開口”；例如，常規(guī)DS-CSRR在每個非金屬環(huán)中呈現(xiàn)兩個“金屬開口”)；-它們可以包括布置在所述傳輸線路的多個不同層中的一個或更多個金屬和/或非金屬元件。
所述帶通濾波器的所述至少一個通帶可以呈現(xiàn)出至少20％的分數(shù)帶寬特性，所述分數(shù)帶寬被定義為2*(fu-fl)/(fu+fl)，其中fu是所述通帶的-10dB頻率上限，fl是所述通帶的-10dB頻率下限。
所述至少一個通帶可以具有-10dB頻率上限與-10dB頻率下限之間的至少500MHz的帶寬。
所述至少一個通帶可以具有不高于4GHz的-10dB頻率下限和不低于9GHz的-10dB頻率上限。
所述帶通濾波器可以包括多個所述濾波器單元，該多個濾波器單元被級聯(lián)布置，使得傳輸信號通過所述多個濾波器單元。
可以將所述帶通濾波器實現(xiàn)在厚度小于150μm(例如，在127μm的量級上)的介電基板上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該小厚度適合于獲得通帶以外的高阻滯。這是因為使基板波在輸入與輸出端口之間最小化的必要性。這些不期望的基板波取決于頻率和介電基板的厚度。
本發(fā)明的另一方面涉及一種包括如上所述的至少一個帶通濾波器的電子裝置，如用于進行無線電發(fā)送和/或接收的電子電路(例如，用作UWB發(fā)送器或接收器的電子電路)，或包括這種電路的裝置，如UWB發(fā)送器或接收器。
本發(fā)明的另一方面涉及一種制造基于平面?zhèn)鬏斀橘|(zhì)的帶通濾波器的方法。該方法包括設(shè)置傳輸線路的步驟，該傳輸線路包括導(dǎo)體帶，并且在所述傳輸線路中至少一個帶通濾波器單元包括至少一個開口環(huán)諧振器、至少一個電感元件以及至少一個電容元件，以便獲得具有其中可以識別出至少一個通帶的頻率響應(yīng)的帶通濾波器。
根據(jù)本發(fā)明，按以下方式執(zhí)行所述設(shè)置傳輸線路的步驟將所述導(dǎo)體帶、所述至少一個開口環(huán)諧振器、所述至少一個電感元件以及所述至少一個電容元件形成為所需尺寸，并將它們布置成使得所述帶通濾波器對于所述通帶內(nèi)的頻率表現(xiàn)為對于所述通帶內(nèi)的至少一個頻率范圍，表現(xiàn)為左手傳輸線路；而對于所述通帶內(nèi)的至少另一個頻率范圍，表現(xiàn)為右手傳輸線路。
加以必要的變更，以上針對濾波器的陳述也適用于濾波器的制造方法。
例如，將所述導(dǎo)體帶、所述至少一個開口環(huán)諧振器、所述至少一個電感元件以及所述至少一個電容元件形成為所需尺寸，并將它們布置成使得所述至少一個單元呈現(xiàn)出具有串聯(lián)阻抗和分流阻抗的T等效電路的特性，其中，對于所述帶通濾波器的通帶內(nèi)的一個頻帶，所述單元的所述串聯(lián)阻抗為負，并且所述分流阻抗為正，其中，對于所述同一通帶內(nèi)的另一個頻帶，所述單元的所述串聯(lián)阻抗為正，并且所述分流阻抗為負，并且其中，在所述兩個頻帶之間的頻率處，所述串聯(lián)阻抗大致是零，并且所述分流阻抗大致是無窮大。
可以將所述至少一個開口環(huán)諧振器實現(xiàn)為互補開口環(huán)諧振器。
可以在所述至少一個單元中的所述導(dǎo)體帶中設(shè)置所述至少一個間隙，并且所述至少一個間隙構(gòu)成所述電容元件。
可以通過與所述間隙相對應(yīng)地設(shè)置至少一個導(dǎo)電線腳來提供所述至少一個電感元件，并且所述至少一個導(dǎo)電線腳將所述導(dǎo)體帶經(jīng)由介電層連接到其中形成有所述至少一個互補開口環(huán)諧振器的金屬層。
所述方法可以包括以下步驟通過在所述介電層的一側(cè)的所述金屬層中刻蝕多個開口環(huán)來設(shè)置所述至少一個互補開口環(huán)諧振器，同時可以將所述導(dǎo)體帶實現(xiàn)在所述介電層的另一側(cè)。該方法還可以包括以下步驟與所述至少一個間隙相對應(yīng)地設(shè)置所述至少一個線腳，并將所述至少一個線腳經(jīng)由穿過所述介電層的通孔連接到所述金屬層。


為了使描述完整并提供對本發(fā)明的更好的理解，提供了一組附圖。這些附圖構(gòu)成本描述的組成部分，并例示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，這些優(yōu)選實施例不應(yīng)當(dāng)被解釋成對本發(fā)明范圍的限制，而僅僅是作為如何實現(xiàn)本發(fā)明的示例。附圖包括下列圖圖1a和1b例示了現(xiàn)有技術(shù)的濾波器單元，即，分別例示了現(xiàn)有技術(shù)的濾波器單元的拓撲結(jié)構(gòu)和等效電路模型。
圖2a、2b以及2c例示了另一現(xiàn)有技術(shù)的濾波器單元，即，分別例示了另一現(xiàn)有技術(shù)的濾波器單元的拓撲結(jié)構(gòu)、等效電路模型以及T模型。
圖3a到3c示意性地例示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的包括4個濾波器單元的帶通濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)。
圖4示意性地例示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的濾波器單元的拓撲結(jié)構(gòu)。
圖5a和5b更詳細地例示了所述濾波器單元的部件。
圖6a和6b分別例示了所述濾波器單元的等效電路模型和T模型。
圖7例示了根據(jù)對根據(jù)圖4到5b的線路布局的濾波器單元的電磁線路布局級仿真的頻率響應(yīng)。
圖8例示了根據(jù)基于圖6a的等效電路模型執(zhí)行的電等效電路級仿真的這種濾波器單元的頻率響應(yīng)。
圖9a和9b分別示出了如在原型上測量到的圖3a到3c中例示的具有如圖4到5b的濾波器單元的濾波器的俯視圖和頻率響應(yīng)。
圖10例示了一種另選的開口環(huán)諧振器的線路布局。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一個可能的實施例，提供了一種如圖3a到3c所例示的那樣實現(xiàn)的帶通濾波器。該濾波器包括位于包括導(dǎo)體帶2和接地層5的微帶傳輸線路上的4個濾波器單元1。在每個濾波器單元中，導(dǎo)體帶2被兩個電容性間隙3中斷。金屬線腳對4位于這兩個間隙之間，所述線腳對4經(jīng)由通孔41將導(dǎo)體帶2接地，這些通孔41穿透將傳輸線路結(jié)構(gòu)的一個層隔開的介電層8(所述層被例示在圖3a中并包括導(dǎo)體帶2、間隙3以及線腳4)，并到達圖3b中例示的金屬接地層5，在金屬接地層5中刻蝕有開口環(huán)6、7(這些開口環(huán)構(gòu)成常規(guī)互補開口環(huán)諧振器(CSRR))。在圖3c中也可以觀察到將線腳4連接到接地層的通孔41。在現(xiàn)有技術(shù)中該基本拓撲結(jié)構(gòu)是公知的，例如，參見以上引用的現(xiàn)有技術(shù)參考文獻。在此公開的優(yōu)選實施例中，將這些濾波器單元實現(xiàn)在介電常數(shù)εr＝10.2并且厚度為127μm的Rogers RO3010基板上。在圖4中，可以觀察到濾波器單元的俯視圖，其中帶有間隙3和線腳4的導(dǎo)體帶2位于頂層上，并且互補開口環(huán)6和7被刻蝕在基板的由介電層8隔開的底層(接地層5)中。在圖3a和4中，例如，容易觀察到導(dǎo)體帶如何在面對間隙的端部處顯著變寬，由此增大了間隙的電容。
將該帶通濾波器實現(xiàn)在微帶技術(shù)中。其它實施例可以采用共面波導(dǎo)或其它類似的技術(shù)作為實現(xiàn)該濾波器的基礎(chǔ)。還可以采用開口環(huán)諧振器的其它類型和實現(xiàn)。例如，可以在導(dǎo)體帶中刻蝕互補開口環(huán)諧振器?？梢圆捎闷渌_口環(huán)諧振器，諸如SRR(即，金屬開口環(huán)諧振器)或上述DS-CSRR，來替代互補開口環(huán)諧振器?？梢詫㈤_口環(huán)諧振器實現(xiàn)在所述結(jié)構(gòu)的一個或更多個層上。這些環(huán)不一定是圓的，也可以采用其它拓撲結(jié)構(gòu)，例如，基于多邊形環(huán)或橢圓環(huán)幾何形狀并具有一個或更多個開口的開口環(huán)諧振器(在圖10中示意性地例示了基于多邊形環(huán)的開口環(huán)諧振器線路布局圖)。
圖5a和5b例示了構(gòu)成濾波器單元的不同部分的相對尺寸，當(dāng)實施在上述基板上時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以下值對于適合于UWB傳輸?shù)膶拵崿F(xiàn)是合適的。
該導(dǎo)體帶的總體寬度“a”為0.13mm，該寬度在間隙處增大到2.0mm的寬度“b”，從而建立尺寸為b(如上所述的2.0mm)×c(0.21mm)的多塊相應(yīng)電容板21。分流線腳4的寬度為d＝0.1mm，并與所述多塊電容板21中的每一塊分開e＝0.15mm的距離。通孔41的直徑為0.3mm，并且這些通孔的外端之間的距離是5.0mm，該距離確定了單元的物理高度。
另一方面，該互補開口環(huán)諧振器組件的外徑(即，外環(huán)的外徑)是h＝3.3mm，每個環(huán)的厚度均為i＝0.3 mm，并且由寬度為j＝0.19mm的金屬間隙將內(nèi)環(huán)7與外環(huán)6隔開。每個環(huán)的開口都為長度為k＝0.3 mm的間隙。
每個金屬部件的厚度均為35μm。
圖6a示意性地例示了該濾波器單元的等效電路模型，其中互補開口環(huán)諧振器對應(yīng)于包括并聯(lián)布置的電感“Lc”和電容“Cc”的諧振回路；“C”對應(yīng)于導(dǎo)體帶與CSRR之間的電耦合電容?！癓p”代表導(dǎo)體帶與地之間的線腳的電感。在導(dǎo)體帶中，將間隙的總電容表示為“Cg”，而“L”是導(dǎo)體帶的電感，“L”基本上取決于導(dǎo)體帶部分的寬度，應(yīng)當(dāng)細致地選擇該寬度以獲得期望的頻率響應(yīng)。
為了設(shè)定從如上所述的電路的總體拓撲結(jié)構(gòu)開始的有關(guān)參數(shù)并獲得期望的頻率響應(yīng)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過應(yīng)用本公開內(nèi)容(包括對左手模式和右手模式的描述)的教導(dǎo)可以容易地獲得合適的結(jié)果，并且不必施行任何創(chuàng)造性的技巧或?qū)嵸|(zhì)的努力就可以達到合適的結(jié)果。為了正確地設(shè)定單元和濾波器的參數(shù)，可以使用商業(yè)上可獲得的軟件，諸如AgilentMomentum、Agilent ADS、Ansoft HFSS等。在此情況下應(yīng)當(dāng)考慮傳輸線路的寬度，因為它對電路的阻抗有貢獻。
圖6b示意性地例示了圖6a的電路的T模型。將該濾波器單元設(shè)計成在對稱模式下工作，其中串聯(lián)與分流諧振頻率相同。在此情況下向后波傳播區(qū)(左手波傳播區(qū))和向前波傳播區(qū)(右手波傳播區(qū))是連續(xù)的(即，不被任何阻帶分隔開)。
圖7示意性地例示了對結(jié)合圖4到5b描述的濾波器單元的頻率響應(yīng)的電磁線路布局級仿真的結(jié)果，包括其反射系數(shù)(S(1，1))71和其傳輸系數(shù)(S(2，1))72?？梢杂^察到，插入損耗(S(2，1))示出了超寬帶響應(yīng)(分數(shù)帶寬高于60％)，盡管只使用了一個濾波器單元。另一方面，回波損耗表現(xiàn)出20dB以下的零反射的性質(zhì)(傳輸峰值)。在該仿真中未考慮金屬損耗。
圖8示意性地例示了根據(jù)電等效電路級仿真、對應(yīng)于圖5a的等效電路的頻率響應(yīng)(即，反射系數(shù)81和傳輸系數(shù)82)。該頻率響應(yīng)性質(zhì)本質(zhì)上與圖7例示的頻率響應(yīng)性質(zhì)相同。然而，在等效電路情況下，已對集總參數(shù)進行了調(diào)節(jié)，以呈現(xiàn)最佳情形，即，每濾波器級或單元存在3個反射零點(傳輸峰值)。在對稱模式下(這里是此情況)，傳輸系數(shù)表現(xiàn)出反射零點。這是因為在左手頻帶與右手頻帶之間的過渡頻率處的零相位。另一方面，如果在通帶中特征阻抗等于濾波器的端口處的阻抗(通常是50歐姆)，則能夠設(shè)計出具有相匹配的相位與阻抗的拓撲結(jié)構(gòu)。該情況對應(yīng)于“無反射”情形，因此意味著完全傳輸(因為該匹配阻抗條件)。在周期結(jié)構(gòu)的情況下(如這里描述的濾波器那樣)，特征阻抗由布洛赫阻抗ZB確定。即，為了實現(xiàn)阻抗匹配，ZB必須等于濾波器的端口處的阻抗。于是，在通帶內(nèi)每濾波器單元可以獲得一個以上反射零點(即，2個或多達3個反射零點或傳輸峰值)。在圖8中，可以觀察到對應(yīng)于反射零點的3個峰值。這些峰值之一對應(yīng)于在左手區(qū)(其中Zs＜0并且Zp＞0)中布洛赫阻抗ZB＝50歐姆的頻率，另一個峰值對應(yīng)于在右手區(qū)(其中Zs＞0并且Zp＜0)中布洛赫阻抗ZB＝50歐姆的頻率，這些峰值中的中心峰值對應(yīng)于Zs＝0并且Zp＝∞的頻率。使用Agilent ADS并通過對多個電參數(shù)進行擬合來進行這些電仿真，以對在對稱模式下的濾波器單元進行設(shè)定。
圖9a和9b示出了基于上述4個濾波器單元的帶通濾波器的俯視圖和所測得的頻率響應(yīng)；圖9b示出了反射系數(shù)91和傳輸系數(shù)92?？梢杂^察到覆蓋從約4 GHz(-10dB頻率下限)到約10 GHz(-10dB頻率上限)的頻率的通帶。
在本文中，不應(yīng)當(dāng)將術(shù)語“包括”及其派生義理解成具有排除含義，即，不應(yīng)當(dāng)將該術(shù)語解釋成排除了所描述和定義的內(nèi)容可能包括其它要素、步驟等的可能性。
另一方面，本發(fā)明顯然并不限于在此描述的(多個)具體實施例，而是還包括本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員可能考慮到的在如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的總體范圍內(nèi)的任何變化(例如，關(guān)于對材料、尺寸、部件、結(jié)構(gòu)等的選擇)。
權(quán)利要求
1.一種帶通濾波器，該帶通濾波器包括平面?zhèn)鬏斀橘|(zhì)，該平面?zhèn)鬏斀橘|(zhì)包括傳輸線路，所述傳輸線路包括導(dǎo)體帶(2)，所述帶通濾波器在所述傳輸線路中具有至少一個帶通濾波器單元(1)，所述帶通濾波器單元(1)包括至少一個開口環(huán)諧振器(6、7)、至少一個電感元件(4、41)以及至少一個電容元件(3)，所述帶通濾波器具有其中可識別出至少一個通帶的頻率響應(yīng)，該帶通濾波器的特征在于所述導(dǎo)體帶(2)、所述至少一個開口環(huán)諧振器(6、7)、所述至少一個電感元件(4、41)以及所述至少一個電容元件(3)被形成為所需尺寸，并被布置成使得所述帶通濾波器對于所述通帶內(nèi)的頻率表現(xiàn)為對于所述通帶內(nèi)的至少一個頻率范圍，表現(xiàn)為左手傳輸線路；而對于所述通帶內(nèi)的至少另一個頻率范圍，表現(xiàn)為右手傳輸線路，并且其中，所述至少一個帶通濾波器單元呈現(xiàn)出具有串聯(lián)阻抗和分流阻抗的T等效電路的特性，其中，對于所述帶通濾波器的通帶內(nèi)的一個頻帶，所述帶通濾波器單元的所述串聯(lián)阻抗為負，而所述分流阻抗為正，其中，對于同一通帶內(nèi)的另一個頻帶，所述帶通濾波器單元的所述串聯(lián)阻抗為正，而所述分流阻抗為負，并且其中，在所述兩個頻帶之間的頻率處，所述串聯(lián)阻抗大致是零，而所述分流阻抗大致是無窮大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶通濾波器，其中，在所述兩個頻帶中的至少一個內(nèi)，存在使所述帶通濾波器單元的所述布洛赫阻抗與所述帶通濾波器的端口處的阻抗相匹配的頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶通濾波器，其中，在所述兩個頻帶中的全部兩個內(nèi)，存在使所述帶通濾波器單元的所述布洛赫阻抗與所述帶通濾波器的端口處的阻抗相匹配的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的帶通濾波器，其中，所述布洛赫阻抗被匹配為50歐姆。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個帶通濾波器單元呈現(xiàn)出在所述通帶內(nèi)存在3個反射零點的特性。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個開口環(huán)諧振器是互補開口環(huán)諧振器(6、7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶通濾波器，其中，所述導(dǎo)體帶(2)還包括位于所述帶通濾波器單元中的至少一個間隙(3)，所述至少一個間隙構(gòu)成所述電容元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶通濾波器，所述至少一個電感元件包括與所述間隙(3)相對應(yīng)地設(shè)置的至少一個導(dǎo)電線腳(4)，所述至少一個導(dǎo)電線腳(4)經(jīng)由介電層(8)將所述導(dǎo)體帶(2)連接到其中形成有所述至少一個互補開口環(huán)諧振器(6，7)的金屬層(5)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個互補開口環(huán)諧振器(6、7)包括在所述介電層(8)的一側(cè)的所述金屬層(5)中刻蝕形成的多個開口環(huán)(6、7)，并且其中，所述導(dǎo)體帶(2)被配置在所述介電層(8)的另一側(cè)，所述至少一個線腳(4)被布置成與所述至少一個間隙(3)相對應(yīng)，所述至少一個線腳(4)由穿過所述介電層(8)的通孔(41)連接到所述金屬層(5)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8和9中的任何一項所述的帶通濾波器，所述至少一個間隙包括至少兩個間隙，所述至少一個線腳包括在所述兩個間隙(3)之間連接到所述導(dǎo)體帶(2)的至少兩個線腳(4)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8到10中的任何一項所述的帶通濾波器，其中，所述金屬層(5)是所述傳輸線路的接地層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任何一項所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個互補開口環(huán)諧振器被刻蝕在所述導(dǎo)體帶中。
13.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個開口環(huán)諧振器包括設(shè)置在所述傳輸線路的至少一個金屬部分處的非金屬開口環(huán)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任何一項所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個開口環(huán)諧振器是金屬開口環(huán)諧振器，其包括多個金屬開口環(huán)，在所述導(dǎo)體帶與所述至少一個開口環(huán)諧振器之間存在磁耦合。
15.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個開口環(huán)諧振器包括大致呈圓形的開口環(huán)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1到14中的任何一項所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個開口環(huán)諧振器包括大致呈多邊形的開口環(huán)。
17.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個通帶呈現(xiàn)出至少20％的分數(shù)帶寬，所述分數(shù)帶寬被定義為2*(fu-fl)/(fu+fl)，其中fu是所述通帶的-10dB頻率上限，fl是所述通帶的-10dB頻率下限。
18.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個通帶在所述通帶的-10dB頻率上限與-10dB頻率下限之間具有至少500MHz的帶寬。
19.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，其中，所述至少一個通帶具有不高于4GHz的-10dB頻率下限和不低于9GHz的-10dB頻率上限。
20.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，該帶通濾波器包括多個所述濾波器單元(1)，所述多個濾波器單元(1)被級聯(lián)布置，以使得傳輸信號通過所述多個濾波器單元。
21.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器，該帶通濾波器被設(shè)置在厚度小于150μm的介電基板上。
22.一種電子裝置，該電子裝置包括根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的至少一個帶通濾波器。
23.一種制造基于平面?zhèn)鬏斀橘|(zhì)的帶通濾波器的方法，該方法包括設(shè)置傳輸線路的步驟，該傳輸線路包括導(dǎo)體帶(2)，并且在所述傳輸線路中至少一個帶通濾波器單元(1)包括至少一個開口環(huán)諧振器(6、7)、至少一個電感元件(4、41)以及至少一個電容元件(3)，以便獲得具有其中可以識別出至少一個通帶的頻率響應(yīng)的帶通濾波器，該方法的特征在于按以下方式執(zhí)行所述設(shè)置傳輸線路的步驟將所述導(dǎo)體帶(2)、所述至少一個開口環(huán)諧振器(6、7)、所述至少一個電感元件(4、41)以及所述至少一個電容元件(3)形成為所需尺寸，并將它們布置成使得所述帶通濾波器對于所述通帶內(nèi)的頻率表現(xiàn)為對于所述通帶內(nèi)的至少一個頻率范圍，表現(xiàn)為左手傳輸線路；而對于所述通帶內(nèi)的至少另一個頻率范圍，表現(xiàn)為右手傳輸線路，其中，將所述導(dǎo)體帶(2)、所述至少一個開口環(huán)諧振器(6、7)、所述至少一個電感元件(4、41)以及所述至少一個電容元件(3)形成為所需尺寸，并將它們布置成使得所述至少一個帶通濾波器單元呈現(xiàn)出具有串聯(lián)阻抗和分流阻抗的T等效電路的特性，其中，對于所述帶通濾波器的通帶內(nèi)的一個頻帶，所述帶通濾波器單元的所述串聯(lián)阻抗為負，而所述分流阻抗為正，其中，對于所述同一通帶內(nèi)的另一個頻帶，所述帶通濾波器單元的所述串聯(lián)阻抗為正，而所述分流阻抗為負，并且其中，在所述兩個頻帶之間的頻率處，所述串聯(lián)阻抗大致是零，并且所述分流阻抗大致是無窮大。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述至少一個開口環(huán)諧振器被實現(xiàn)為互補開口環(huán)諧振器(6、7)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，在所述至少一個帶通濾波器單元中的所述導(dǎo)體帶中設(shè)置至少一個間隙(3)，所述至少一個間隙(3)構(gòu)成所述電容元件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，通過與所述間隙(3)相對應(yīng)地設(shè)置至少一個導(dǎo)電線腳(4)來提供所述至少一個電感元件，所述導(dǎo)電線腳(4)將所述導(dǎo)體帶(2)經(jīng)由介電層(8)連接到其中形成有所述至少一個互補開口環(huán)諧振器(6，7)的金屬層(5)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，該方法包括以下步驟通過在所述介電層(8)的一側(cè)的所述金屬層(5)中刻蝕多個開口環(huán)(6，7)來設(shè)置所述至少一個互補開口環(huán)諧振器；將所述導(dǎo)體帶(2)實現(xiàn)在所述介電層(8)的另一側(cè)；與所述至少一個間隙(3)相對應(yīng)地設(shè)置所述至少一個線腳(4)；以及將所述至少一個線腳(4)經(jīng)由穿過所述介電層(8)的通孔(41)連接到所述金屬層(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶通濾波器、包括其的電子裝置以及制造其的方法。該帶通濾波器包括傳輸線路和位于所述傳輸線路中的至少一個帶通濾波器單元，該傳輸線路包括導(dǎo)體帶(2)，該帶通濾波器單元包括至少一個開口環(huán)諧振器(6、7)、電感元件(4、41)以及電容元件(3)。該帶通濾波器具有其中可識別出至少一個通帶的頻率響應(yīng)。導(dǎo)體帶(2)、開口環(huán)諧振器(6、7)、電感元件(4、41)以及電容元件(3)被形成為所需尺寸，并被布置成使得所述帶通濾波器對于所述通帶內(nèi)的頻率表現(xiàn)為對于所述通帶內(nèi)的至少一個頻率范圍，表現(xiàn)為左手傳輸線路，而對于所述通帶內(nèi)的至少另一個頻率范圍，表現(xiàn)為右手傳輸線路，由此提供大帶寬。
文檔編號H03H3/00GK101072017SQ200710102298
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者若爾迪·博納凱·阿爾瓦塞特, 胡安·若澤·加西亞·加西亞, 馬爾塔·吉爾·巴爾瓦, 胡安·費爾南多·馬丁·安托林, 何塞普·伊格斯·卡伊羅·莫林, 伊格納西奧·吉爾·加利 申請人:精工愛普生株式會社