專利名稱：多相濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及一種多相帶通濾波器。
這樣的濾波器本身是已知的，例如可以從美國(guó)專利4.914.408中得知，它們可以應(yīng)用于用在例如無(wú)線電應(yīng)用系統(tǒng)，電視應(yīng)用系統(tǒng)或電話應(yīng)用系統(tǒng)中的接收器電路。盡管這樣的濾波器也可用在其它應(yīng)用系統(tǒng)中，在此仍在接收器環(huán)境下，對(duì)其一種可能的應(yīng)用做更詳細(xì)的解釋。
在美國(guó)專利4.914.408中所描述的濾波器一個(gè)重大的缺陷是兩個(gè)濾波通道之間的耦合是通過(guò)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，本發(fā)明的一個(gè)重要目的就是提供一個(gè)多相帶通濾波器，其中省略了這樣的耦合電阻。
本發(fā)明的上述以及其它的方面，特征以及優(yōu)點(diǎn)，將參照附圖，通過(guò)下面對(duì)根據(jù)本發(fā)明的一種多相帶通濾波器的優(yōu)選實(shí)施方案的說(shuō)明，進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同或相似的部分，其中

圖1示意地表示了一種已知的接收電路。
圖2A示意地圖示了低通濾波器的傳輸特性。
圖2B示意地圖示了從圖2A的傳輸特性中導(dǎo)出的帶通濾波器的傳輸特性。
圖2C示意地表示了一個(gè)電容器和復(fù)雜單元的并聯(lián)連接。
圖2D示意地表示了兩個(gè)濾波通道的一種已知的耦合方法。
圖3A闡明了根據(jù)本發(fā)明的耦合原理。
圖3B闡明了圖3A中耦合方案的一種替代表達(dá)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的多相濾波器實(shí)施方案的基本配置(schedule)。
圖1示意性地表示一種已知的接收器電路1，其中來(lái)自天線2的接收器信號(hào)S在第一混合級(jí)3和局部振蕩器5所提供的信號(hào)混合，且其中所述信號(hào)S在第二混合級(jí)4和局部振蕩器5提供的相對(duì)于第一個(gè)信號(hào)有90°相移的第二個(gè)信號(hào)混合。第一混合級(jí)3的輸出信號(hào)，也稱作同相信號(hào)，被供給濾波器10的第一輸入11，第二混合級(jí)4的輸出信號(hào)，也稱作正交信號(hào)，被供給濾波器10的第二輸入12。濾波器10有兩個(gè)濾波通道分別是13和14，分別以基本相同的方式處理第一輸入11的同相信號(hào)和第二輸入12的正交信號(hào)，濾波通道13和14分別輸出15和16，分別提供同相輸出信號(hào)和正交輸出信號(hào)，其中第二輸出的正交輸出信號(hào)相對(duì)于第一輸出的同相輸出信號(hào)有90°相移。濾波通道13和14具有相互一致的濾波特性，例如帶通特性。
在后文中，局部振蕩器信號(hào)的頻率將用f1表示。在接收器信號(hào)S中有很多種頻率，后文中，接收電路1必須被調(diào)諧到的諧振頻率將表示為f2。假設(shè)該頻率比局部頻率f1高，也就是f2＝f1+Δf。
通常，當(dāng)具有兩個(gè)不同頻率f1和f2的兩個(gè)信號(hào)混合時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生具有差分頻率Δf＝f2-f1的信號(hào)分量。然而在接收器信號(hào)S中也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)頻率f3，符合f3＝f1-Δf。該分量也會(huì)影響最終的混合信號(hào)，也就是說(shuō)，產(chǎn)生一個(gè)具有差分頻率f3-f1＝Δf的虛擬鏡像信號(hào)分量。期望濾波器10抑制這種鏡像信號(hào)分量。
此外，還期望濾波器10具有相對(duì)于中心頻率ωc基本對(duì)稱的帶通特性。
已知的設(shè)計(jì)具有相對(duì)于中心頻率ωc＞0基本對(duì)稱的頻率特性的帶通濾波器，并且其中的鏡像信號(hào)分量被有效抑制的方法，以低通濾波器開始，該低通濾波器的特性對(duì)應(yīng)于將要設(shè)計(jì)的帶通濾波器的期望特性。
圖2A示意性地表示了低通濾波器的傳輸特性。沿水平軸表示頻率ω，沿垂直軸表示傳輸函數(shù)H。在實(shí)際中，只有頻率高于零的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)；這部分頻率特性用實(shí)線表示。然而頻率特性不依賴于頻率的符號(hào)，這意味著頻率特性相對(duì)于ω＝0是對(duì)稱的，如圖2A中的虛線所示。
根據(jù)低通濾波器的設(shè)計(jì)方法，所述低通濾波器可以具有期望的特性，例如一階，二階，高階，Bessel型，Butterworth型等。在具有期望的特性的低通濾波器的基礎(chǔ)上，通過(guò)將濾波特性向高頻轉(zhuǎn)換或平移獲得可以得到帶通濾波器。圖2B表示向高頻平移了ωc的距離后圖2A的特性。該帶通濾波器的傳遞函數(shù)HBDF(ω)符合如下公式HBDF(ω)＝HLDF(ω-ωc) (1)濾波特性期望的平移對(duì)應(yīng)于濾波器所有極點(diǎn)和零點(diǎn)沿著虛軸移動(dòng)相同的距離。在帶有依賴于頻率的阻抗的元件是純?nèi)菪缘臑V波器設(shè)計(jì)中，這可以通過(guò)把一個(gè)復(fù)合元件X和所述容性濾波器元件并聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn)，復(fù)合元件的導(dǎo)納Yx是一個(gè)依照如下公式的復(fù)數(shù)常量Yx(ω)＝-j·ωc·C (2)
圖2C示意性地表示了電容C和這樣的復(fù)合元件X的并聯(lián)連接。對(duì)于具有電容值C的電容器的依賴于頻率的導(dǎo)納Yc，如下公式適用于理想電容的情況Yc(ω)＝j(luò)·ω·C (3)對(duì)于圖2C中并聯(lián)聯(lián)接中的依賴于頻率的導(dǎo)納Y，下式是有效的Y＝Y(jié)c(ω)+Yx(ω)＝j(luò)·ω·C-j·ωc·C＝j(luò)·(ω-ωc)·C(4)因此對(duì)于一個(gè)具有頻率ω的信號(hào)，該并聯(lián)電路的工作特性等同于電容C在頻率ω-ωc的工作特性。通過(guò)把濾波器所有的容性濾波元件都用這樣的并聯(lián)電路替代，整個(gè)濾波器在頻率ω的工作特性就等同于原來(lái)的濾波器在頻率ω-ωc的工作特性。
以上推論已經(jīng)應(yīng)用在單個(gè)濾波器上。用上述方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶通濾波器的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為提供一個(gè)其導(dǎo)納(或相反地阻抗)為復(fù)數(shù)常數(shù)的元件的問(wèn)題。雖然這本身是可能的，在多相濾波器中可能用巧妙的方法利用這樣一個(gè)事實(shí)，即有兩個(gè)相互一致的濾波通道，通道里的信號(hào)相互一致但是相對(duì)于彼此有90°相移。那么，在這樣的濾波器中，通過(guò)每一個(gè)通道中采用一個(gè)其導(dǎo)納是實(shí)數(shù)的元件，可以獲得復(fù)合元件X的特性，但是此元件在輸入處接收另一個(gè)通道的90°相移信號(hào)。
這樣構(gòu)成多相帶通濾波器的方法已經(jīng)在美國(guó)專利4.914.408中描述過(guò)了。那里，兩個(gè)濾波器通道之間的實(shí)際耦合如圖2D所示是通過(guò)電阻實(shí)現(xiàn)的。其中每一個(gè)電阻的阻值為R＝ωc·C。
不過(guò)這種已知的方法有一些缺陷，特別與在芯片上實(shí)現(xiàn)濾波器時(shí)相關(guān)。由于加工過(guò)程的偏差，濾波器上的電阻和電容會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)較大的公差。因此，電容和電阻應(yīng)該能夠在制造后進(jìn)行調(diào)整。但是，這一點(diǎn)不容易實(shí)現(xiàn)。
克服所提到的缺點(diǎn)是本發(fā)明的一個(gè)基本目標(biāo)。
更具體而言，本發(fā)明著眼于提供這樣一個(gè)多相帶通濾波器，該濾波器不用電阻即可實(shí)現(xiàn)為達(dá)到期望的頻移所必需的兩個(gè)濾波通道之間的耦合。
依照本發(fā)明的一個(gè)重要方面，兩個(gè)濾波通道之間的耦合是通過(guò)一個(gè)壓控電流源實(shí)現(xiàn)的。依照本發(fā)明的這一原理在圖3A中示出。在圖3A中，多相濾波器總體用參考標(biāo)號(hào)20表示。濾波器20有兩個(gè)相互一致的濾波通道30，為了相互區(qū)分，分別用下標(biāo)I和Q表示。每一個(gè)濾波通道30I和30Q有一個(gè)輸入31I，31Q和一個(gè)輸出32I和32Q。由于濾波通道30I和30Q的設(shè)計(jì)可能是任何一種合適的設(shè)計(jì)，而濾波通道的各種結(jié)構(gòu)本身眾所周知，濾波通道30的完整設(shè)計(jì)沒有在圖3A中示出。
為了后文的討論，同相濾波通道30I的容性濾波元件CI在圖3A中示出，相應(yīng)的正交濾波通道30Q的容性濾波元件CQ也在圖3A中示出。這兩個(gè)容性濾波元件CI和CQ通過(guò)兩個(gè)以反并聯(lián)方式連接在一起的電流源耦合40QI和40IQ相互耦合。第一電流源耦合40QI包括第一壓控電流源41I，該電流源的輸出和容性濾波元件CI在同相濾波通道31I中并聯(lián)連接，同時(shí)，第二電流源耦合40IQ包括第二壓控電流源41Q，該電流源的輸出和容性濾波元件CQ在正交濾波通道31Q中并聯(lián)連接。
第一壓控電流源41I由第一電壓檢測(cè)器42Q的輸出信號(hào)控制，該檢測(cè)器的輸入和容性濾波元件CQ并聯(lián)連接。類似地，第二壓控電流源41Q由第二電壓檢測(cè)器42I的輸出信號(hào)控制，該檢測(cè)器的輸入和容性濾波元件CI并聯(lián)連接。
這樣，第一壓控電流源41I向第一濾波通道30I加上了一個(gè)電流，該電流的值依賴于第二濾波通道30Q中容性濾波元件CQ上的電壓，同時(shí)，第二壓控電流源41Q向第二濾波通道30Q加上了一個(gè)電流，該電流的值依賴于第一濾波通道30I中容性濾波元件CI上的電壓。
這兩個(gè)電流源耦合40QI和40IQ可以相互一致，盡管這并不是必需的。重要的只是，電壓檢測(cè)器42檢測(cè)到的電壓和電流源41產(chǎn)生的電流之間的比例因數(shù)對(duì)于兩個(gè)電流源耦合40QI和40IQ來(lái)說(shuō)相互一致；換句話說(shuō)，重要的只是兩個(gè)電流源耦合40QI和40IQ有相互一致的傳輸特性。這意味著每一個(gè)電流源耦合40QI和40IQ被設(shè)計(jì)為使得壓控電流源41I和41Q分別產(chǎn)生電流I41，I和I41，Q，這些電流的幅值根據(jù)如下公式分別決定于由電壓檢測(cè)器42Q和42I檢測(cè)到的電壓VCQ和VCI，I41，I＝VCQ/(ωc·C)I41，Q＝VCI/(ωc·C)其中C分別代表兩個(gè)容性濾波元件的電容值CI和CQ，ωc是帶通濾波器期望的中心頻率。
在后文中，由兩個(gè)電流源耦合以反并聯(lián)方式連接在一起的組合將稱作“回轉(zhuǎn)器”，并由圖3B中所示的符號(hào)50所指。回轉(zhuǎn)器50有兩個(gè)端子51A和51B。對(duì)于從51A到51B的耦合，回轉(zhuǎn)器50包括一個(gè)沒有在圖3B中示出的第一電流源耦合，端子51A是該電流源耦合的電壓輸入，端子51B是該電流源耦合的電流輸出。對(duì)于從51B到51A的耦合，回轉(zhuǎn)器50包括一個(gè)沒有在圖3B中示出的第二電流源耦合，端子51B是該電流源耦合的電壓輸入，端子51A是該電流源耦合的電流輸出。這兩個(gè)電流源耦合每一個(gè)都具有分別由輸出電流除以輸入電壓定義的比例因數(shù)GAB和GBA。當(dāng)兩個(gè)比例因數(shù)彼此相等，或者至少具有相同的特性時(shí)，回轉(zhuǎn)器將被稱為對(duì)稱回轉(zhuǎn)器。如果兩個(gè)電流源耦合是相同的，這一點(diǎn)可以達(dá)到，但是相同并不是必需的。
圖4表示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的多相濾波器100實(shí)現(xiàn)的例子。該多相濾波器100包括一個(gè)同相通道101I和一個(gè)正交通道101Q，這兩個(gè)通道相互基本一致。通道101I和101Q具有輸入102I和102Q來(lái)分別接收同相輸入信號(hào)I和正交輸入信號(hào)Q。通道101I和101Q還具有輸出103I和103Q來(lái)分別輸出同相輸出信號(hào)ΨI和正交輸出信號(hào)ΨQ。輸入102I和102Q是電流輸入，也就是說(shuō)，輸入信號(hào)I和Q是電流信號(hào)；如果需要濾波器100接收電壓信號(hào)，電壓-電流轉(zhuǎn)換器可以裝在輸入102I和102Q之前；由于電壓-電流轉(zhuǎn)換器可以用在這里本身是公知的，此處就不再詳細(xì)介紹。輸出103I和103Q是電壓輸出，也就是說(shuō)，輸出信號(hào)ΨI和ΨQ是電壓信號(hào)；如果需要濾波器100輸出電流信號(hào)，電壓-電流轉(zhuǎn)換器可以裝在輸出103I和103Q之后；由于電壓-電流轉(zhuǎn)換器可以用在這里本身是公知的，此處也不再詳細(xì)介紹。
通道101I和101Q分別包括N個(gè)電容C1I，C2I，C3I...CNI和C1Q，C2Q，C3Q...CNQ，其中N≥2。
在同相通道101I中，兩個(gè)相鄰的電容C[i]I和C[i+1]I總是通過(guò)一個(gè)回轉(zhuǎn)器105iI耦合。類似地，在正交通道101Q中，兩個(gè)相鄰的電容C[i]Q和C[i+1]Q總是通過(guò)一個(gè)回轉(zhuǎn)器105iQ耦合。相應(yīng)的回轉(zhuǎn)器105iI和105iQ互相一致；這里，“向前的”比例因數(shù)G(i->i+1)和“向后的”比例因數(shù)G(i+1->i)不需要互相一致。
相應(yīng)的電容CiI和CiQ總是有互相一致的電容值Ci；對(duì)i的不同值，電容值Ci可以不同。相應(yīng)的電容CiI和CiQ總是通過(guò)一個(gè)對(duì)稱的回轉(zhuǎn)器106i互相耦合；每一個(gè)回轉(zhuǎn)器106i的比例因數(shù)GiIQ和GiQI總是等于1/(ωc·Ci)。
這樣，本發(fā)明提供了一種多相濾波器20；100，帶有兩個(gè)濾波通道30I，30Q；101I，101Q來(lái)分別處理I輸入信號(hào)I和Q輸入信號(hào)Q。該濾波器在兩個(gè)濾波通道30I，30Q；101I，101Q中至少有兩個(gè)相互對(duì)應(yīng)的容性濾波元件CI，CQ；CiI，CiQ，其中這兩個(gè)容性濾波元件CI，CQ；CiI，CiQ的電容值C；Ci彼此基本相等。所述兩個(gè)容性濾波元件CI，CQ；CiI，CiQ通過(guò)兩個(gè)反并聯(lián)安裝的具有基本相同特性的電流源耦合40QI，40IQ；106i相互耦合在一起。這樣，濾波器特性向更高頻率轉(zhuǎn)移ωc距離就實(shí)現(xiàn)了。
顯然對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的范圍不局限于以上討論的幾個(gè)例子，而在不偏離所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明范圍對(duì)其進(jìn)行修正和改動(dòng)是可能的。
權(quán)利要求
1.多相濾波器(20；100)包括具有期望的濾波特性的第一濾波通道(30I；101I)，有一個(gè)輸入(31I；102I)來(lái)接收I輸入信號(hào)(I)和一個(gè)輸出(32I；103I)來(lái)提供I輸出信號(hào)(ΨI)；基本上和第一濾波通道(30I；101I)相同的第二濾波通道(30Q；101Q)，有一個(gè)輸入(31Q；102Q)來(lái)接收相對(duì)于I輸入信號(hào)(I)有90°相移的Q輸入信號(hào)(Q)和一個(gè)輸出(32Q；103Q)來(lái)提供相對(duì)于I輸出信號(hào)(ΨI)有90°相移的Q輸出信號(hào)(ΨQ)；所述濾波器(20；100)有至少一個(gè)容性濾波元件(CI；CiI)在第一濾波通道(30I；101I)中和一個(gè)相應(yīng)的容性濾波元件(CQ；CiQ)在第二濾波通道(30Q；101Q)中，其中兩個(gè)容性濾波元件(CI，CQ；CiI，CiQ)的電容值(C；Ci)基本上彼此相等；其中所述的兩個(gè)容性濾波元件(CI，CQ；CiI，CiQ)通過(guò)兩個(gè)具有基本上相同的特性并以反并聯(lián)方式連接的電流源耦合(40QI，40IQ；106i)相互耦合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的濾波器，其中每一個(gè)電流源耦合(40QI，40IQ)包括一個(gè)具有電壓輸入和電流輸出的壓控電流源(41I，41Q)，其中電流輸出和濾波通道(30I，30Q)的容性濾波元件(CI，CQ)并聯(lián)耦合，而電壓輸入和另一個(gè)濾波通道(30Q，30I)的相應(yīng)的容性濾波元件(CQ，CI)并聯(lián)耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的濾波器，其中第一電流源耦合(40QI)包括第一電壓檢測(cè)器(42Q)，該檢測(cè)器的輸入在第二濾波通道(30Q)中與所說(shuō)的相應(yīng)的容性濾波元件(CQ)并聯(lián)連接；第一壓控電流源(41I)，該電流源在第一濾波通道(30I)中與所說(shuō)的相應(yīng)的容性濾波元件(CI)并聯(lián)連接，并由第一電壓檢測(cè)器(42Q)的輸出信號(hào)控制；其中第二電流源耦合(40IQ)包括第二電壓檢測(cè)器(42I)，該檢測(cè)器的輸入在第一濾波通道(30I)中與所說(shuō)的相應(yīng)的容性濾波元件(CI)并聯(lián)連接；第二壓控電流源(41Q)，該電流源在第二濾波通道(30Q)中與所說(shuō)的相應(yīng)的容性濾波元件(CQ)并聯(lián)連接，并由第二電壓檢測(cè)器(42I)的輸出信號(hào)控制；且其中每個(gè)電流源(41I，41Q)用來(lái)提供電流(I41，I，I41，Q)，其電流幅值分別符合I41，I＝VCQ/(ωc·C)I4I，Q＝VCI/(ωc·C)
4.根據(jù)以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的濾波器，其中每一個(gè)濾波通道(101I，101Q)包括至少一個(gè)由兩個(gè)電容(CiI和C[i+1]I，CiQ和C[i+1]Q)構(gòu)成的組合，所述的兩個(gè)電容通過(guò)一個(gè)回轉(zhuǎn)器(105iI，105iQ)相互耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的濾波器，其中所說(shuō)的組合的第一濾波通道(101I)的第一電容(CiI)和與之相應(yīng)的第二濾波通道(101Q)的第二電容(CiQ)，以及第一濾波通道(101I)的第二電容(C[i+1]I)和與之相應(yīng)的第二濾波通道(101Q)的第二電容(C[i+1]Q)相互之間總是通過(guò)一個(gè)對(duì)稱的回轉(zhuǎn)器(106i，106[i+1])互相耦合，回轉(zhuǎn)器的比例因數(shù)(GiIQ和GiQI，G[i+1]IQ和G[i+1]QI)分別總是等于1/(ωc·Ci)和1/(ωc·C[i+1])。
6.根據(jù)以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的濾波器，其中每一個(gè)濾波通道(30I，30Q；101I，101Q)具有多個(gè)容性濾波元件，其中第一濾波通道(30I；101I)中的每一個(gè)濾波元件都通過(guò)兩個(gè)以反并聯(lián)方式連在一起的電流源耦合(40QI，40IQ；106i)和第二濾波通道(30Q；101Q)中相應(yīng)的容性濾波元件(CQ；CiQ)耦合。
7.根據(jù)以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的濾波器，其中每一個(gè)單獨(dú)的濾波通道(30I，30Q；101I，101Q)有一個(gè)低通濾波特性，其中多相濾波器(20；100)具有由所述電流源耦合(40QI，40IQ；106i)引起的帶通濾波特性。
全文摘要
描述了一種多項(xiàng)濾波器(20；100)，具有兩個(gè)濾波通道(30
文檔編號(hào)H03H11/34GK1413379SQ00817695
公開日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2000年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月24日
發(fā)明者B·H·埃辛克 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司