TWI540787B - 巴倫濾波器及射頻系統 - Google Patents

Description

巴倫濾波器及射頻系統

本發明係指一種巴倫濾波器及射頻系統，尤指一種可節省設置面積之巴倫濾波器及射頻系統。

在射頻系統中，因天線所收發的射頻訊號為單端(非平衡)訊號，而射頻系統後端之射頻處理模組所接收或產生的訊號為差動(平衡)訊號，因此，習知技術係透過一平衡非平衡轉換器(Balance-to-Unbalance Converter，Balun Converter，以下稱巴倫轉換器)耦接於天線與射頻處理模組之間，即可將非平衡訊號轉換成平衡訊號，或將平衡訊號轉換成非平衡訊號，除此之外，天線與射頻處理模組之間通常包含一帶通濾波器，用來濾除雜訊。

舉例來說，請參考第1圖，第1圖為習知一射頻系統10之示意圖。射頻系統10包含一天線100、一帶通濾波器102、一巴倫轉換器104以及一射頻處理模組106。當射頻系統10為接收端時，天線100接收空氣中之射頻訊號，經由帶通濾波器102以濾除特定頻帶以外的雜訊，再由巴倫轉換器104將非平衡訊號轉換成為平衡差動訊號，以輸入至射頻處理模組106進行後續射頻訊號處理。當射頻系統10應用於傳送端時，射頻處理模組106所輸出之射頻訊號為一平衡差動訊號，平衡差動訊號需傳遞至巴倫轉換器104以轉換成為單端非平衡訊號，經過帶通濾波器102濾除雜訊後，最後經由傳送天線100發射至空氣中。

詳細來說，如第1圖所示，巴倫轉換器104係以鼠徑耦合器(Rat-race Coupler)加上特定的負載匹配電阻，以實現單端轉雙端之轉換，而帶通濾波器102係由多個耦合線段(Coupled Line)所組成，用以過濾出特 定頻率之訊號。換句話說，巴倫轉換器104與帶通濾波器102需個別設計後，再串接在一起。然而，當巴倫轉換器104與帶通濾波器102串接時，將產生阻抗匹配的問題，而降低系統效能。另一方面，除了巴倫轉換器104與帶通濾波器102之間的走線外，巴倫轉換器104與帶通濾波器102皆各自佔用印刷電路板一定的面積，增加設置空間之成本。若串接的路徑過長，亦增加傳輸路徑之損耗，降低天線增益。

由上述可知，習知技術需分別設計巴倫轉換器與濾波器後再串接在一起，不但增加設置空間之成本，亦增加傳遞路徑之損耗，降低天線增益，且面臨阻抗匹配的問題，因此，習知技術實有改善之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種巴倫濾波器及射頻系統，以改善習知技術之缺點。

本發明揭露一種巴倫濾波器，用於一射頻系統，包含有一第一端，耦接於該射頻系統之一天線，用來傳遞一射頻訊號；一差動埠，包含一第二端及一第三端，用來傳遞一差動訊號；以及一帶通濾波器，耦接於該第一端與該差動埠之間，該帶通濾波器包含有複數個共振器，每一共振器包含有一環繞線，大致環繞一區域，並於該每一共振器之一邊形成一缺口；以及複數個線段，相互間隔設置於該環繞線所環繞之該區域中並連接於該環繞線。

本發明另揭露一種射頻系統，包含有一天線，用來接收或發射一射頻訊號；一巴倫濾波器，包含有一第一端，耦接於該射頻系統之一天線，用來傳遞一射頻訊號；一差動埠，包含一第二端及一第三端，用來傳遞一差動訊號；以及一帶通濾波器，耦接於該第一端與該差動埠之間，該帶通濾波器包含有複數個共振器，每一共振器包含有：一環繞線，大致環繞一區域，並於該每一共振器之一邊形成一缺口；以及複數個線段，相互間隔設置於該環繞線所環繞之該區域中並連接於該環繞線；以及一射頻處理模組，耦接於該差動埠，用來接收或產生該差動訊號。

10、20、30、60、90‧‧‧射頻系統

100、200‧‧‧天線

106、204‧‧‧射頻處理模組

102、220‧‧‧帶通濾波器

104‧‧‧巴倫轉換器

210‧‧‧第一端

212‧‧‧第二端

214‧‧‧第三端

202、302、602‧‧‧巴倫濾波器

222、224、322、324、622、624、922_1~922_M、924_1~924_M‧‧‧共振器

222_0、322_0、324_0、622_0、624_0‧‧‧環繞線

222_1~222_n、322_1~322_2、324_1~324_2、622_1、624_1‧‧‧線段

2220、2240、3220、3240、6220、6240‧‧‧缺口

A-A’‧‧‧水平中心線

第1圖為習知一射頻系統之示意圖。

第2圖為本發明實施例一射頻系統之示意圖。

第3圖為本發明實施例一射頻系統之示意圖。

第4圖為第3圖之巴倫濾波器之反射係數頻率響應示意圖。

第5圖為第3圖之巴倫濾波器之穿透係數頻率響應示意圖。

第6圖為本發明實施例一射頻系統之示意圖。

第7圖為第6圖之巴倫濾波器之反射係數頻率響應示意圖。

第8圖為第6圖之巴倫濾波器之穿透係數頻率響應示意圖。

第9圖為本發明實施例一射頻系統之示意圖

為了改善改善習知技術之缺點，本發明提供一巴倫濾波器，其同時具有平衡非平衡轉換與濾波功能，以節省電路設置面積，並可避免巴倫轉換器與濾波器之間阻抗匹配的問題。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一射頻系統20之示意圖。射頻系統20包含一天線200、一巴倫濾波器202以及一射頻處理模組204。巴倫濾波器202同時具有平衡非平衡轉換與濾波功能，其包含有一第一端210、一第二端212、一第三端214以及一帶通濾波器220。巴倫濾波器202透過第一端210耦接於天線200，用來傳遞一單端之射頻訊號，而巴倫濾波器202之第二端212及第三端214形成一差動埠並耦接於帶通濾波器220與射頻處理模組204之間，用來傳遞一差動訊號。在第2圖中，帶通濾波器220係為一耦合共振結構，其包含有共振器222、224。共振器222、224排列成一1x2陣列，相互間隔以產生耦合作用，且共振器222、224相對於一水平中心線A-A’成對稱。為了便於說明，在本實施例中，共振器222、224具有相同的結構及形狀，但不限於此。共振器222、224的周長大致為共振頻率所對應波長 的二分之一，因此，當來自第一端210之訊號符合共振器222之共振條件時，即可透過耦合作用將訊號能量傳遞至共振器224，即可達成帶通濾波效果。

詳細來說，巴倫濾波器202之第一端210耦接於帶通濾波器220之共振器222，而第二端212及第三端214耦接於帶通濾波器220之共振器224。另一方面，帶通濾波器220為一柵欄式濾波器，可於柵欄式濾波器的主體架構下細部調整濾波器的一中心頻率和一頻寬。以共振器222為例，共振器222包含有一環繞線222_0以及線段222_1~222_n，環繞線222_0大致環繞一區域，並於共振器222之一邊形成一缺口2220，且線段222_1~222_n相互間隔，設置於環繞線222_0所環繞之區域中，並連接於環繞線222_0。線段222_1~222_n可視為與環繞線222_0之部份線段並聯，使共振器222等效於一步階性阻抗(Step Impedance)，藉由步階性阻抗的特性，相較於均勻阻抗(Uniform Impedance)可減少共振器222整體所需的周長。柵欄式濾波器可藉由改變線段222_1~222_n的個數以調整帶通濾波器220之中心頻率，當線段222_1~222_n的個數越大時，所對應的中心頻率越低，而線段222_1~222_n的間距相關於帶通濾波器220之頻寬，間距越窄則頻寬越寬。另一方面，共振器222、224為具有相對於水平中心線A-A’對稱結構之共振體，而共振器222之缺口2220與共振器224之缺口2240相互對齊，換句話說，共振器222、224之缺口2220、2240位於共振器222、224之相鄰邊之中心，且巴倫濾波器202之第二端212及第三端214耦接於共振器224的位置亦相對於水平中心線A-A’成對稱，如此一來，巴倫濾波器202可利用共振器222、224(即帶通濾波器220)相對於水平中心線A-A’的對稱結構進行巴倫轉換。

利用對稱結構進行巴倫轉換的運作方式說明如下。為了實現巴倫濾波器202之巴倫轉換功能以及使巴倫濾波器202之阻抗匹配，可使用散射參數(S-parameter)來分析三端之巴倫濾波器202。其中，散射參數S₁₁、S₂₁、S₃₁分別表示第一端210、第二端212、第三端214相對於第一端210之散射參數。為了達到阻抗匹配，需設計巴倫濾波器202使得巴倫濾波器202的散 射參數S₁₁為零(S₁₁=0)，同時，為了使巴倫濾波器202輸出平衡之差動訊號，即承載於第二端212及第三端214之二訊號為能量相等且相位相差180度(即相位相反)之二訊號，需設計巴倫濾波器202使得巴倫濾波器202的散射參數S₂₁、S₃₁之正負符號相反(S₂₁=-S₃₁)。因此巴倫濾波器202之差模反射係數、差模穿透係數、共模反射係數、共模穿透係數需滿足：

因巴倫濾波器202具有相對於水平中心線A-A’之對稱結構，可使用巴倫濾波器202之等效半電路進行設計。換句話說，只要設計巴倫濾波器202使得巴倫濾波器202之差模半電路之輸入阻抗為零()即可滿 足，以達成阻抗匹配。另一方面，設計巴倫濾波器202使得巴倫濾

波器202之共模半電路之輸入阻抗為一特性阻抗之兩倍()即可滿足，以達成平衡輸出(即於第二端212及第三端214之訊號為能量相等相位相反之二訊號)。更進一步地，藉由調整第一端210於共振器222之饋入位置即可達成與。在此情形下，巴倫濾波器202可同時具備阻抗匹配及平衡輸出的特性，再加上巴倫濾波器202中的帶通濾波器220，巴倫濾波器202即同時具備巴倫轉換器及帶通濾波器的功能，並能有效減少射頻系統20所需之設置面積。

簡而言之，本發明之巴倫濾波器202藉由調整第一端210於帶通濾波器220之饋入位置以滿足差模半電路之輸入阻抗為零與共模半電路之輸入阻抗為特性阻抗之兩倍，即可達成阻抗匹配與平衡輸出，其中，巴倫濾波器202之帶通濾波器220為柵欄式濾波器，改變柵欄式濾波器之線段個數與線段間距，即可調整帶通濾波器220之中心頻率與頻寬。因此，巴倫濾波器 202同時具備平衡非平衡轉換及帶通濾波器的功能，並能有效減少射頻系統所需之設置面積。

舉例來說，請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一射頻系統30之示意圖。射頻系統30之一操作頻率大致為24Ghz，其與射頻系統20結構類似，故相同元件沿用相同符號，與射頻系統20不同的是，射頻系統30中巴倫濾波器302之共振器322、324包含線段322_1~322_2、324_1~324_2，即在共振器322、324之環繞線322_0、324_0所圍成的區域內各自包含二線段，以滿足操作頻率大致為24Ghz所需之共振條件。巴倫濾波器302之反射係數頻率響應及穿透係數頻率響應可參考第4圖及第5圖，由第4圖及第5圖可知，巴倫濾波器302於24Ghz附近具有低於-15dB的反射係數及接近0dB的穿透係數，因此可有效降低反射損耗，增加阻抗匹配，以及有效地將單端訊號轉換成差模訊號。

另一方面，改變環繞線所包圍區域內之線段數目可調整巴倫濾波器之中心頻率。舉例來說，請參考第6圖，第6圖為本發明實施例一射頻系統60之示意圖。射頻系統60之一操作頻率大致為77Ghz，其與射頻系統20結構類似，故相同元件沿用相同符號，與射頻系統20不同的是，為了滿足操作頻率大致為77Ghz所需之共振條件，射頻系統60中巴倫濾波器602之共振器622、624僅包含線段622_1、624_1，即在環繞線622_0、624_0所圍成的區域內各自僅包含一線段。巴倫濾波器602之反射係數頻率響應及穿透係數頻率響應可參考第7圖及第8圖，由第7圖及第8圖可知，巴倫濾波器602於77Ghz附近亦有低於-15dB的反射係數及接近0dB的穿透係數，可有效降低反射損耗，增加阻抗匹配，以及有效地將單端訊號轉換成差模訊號。

需注意的是，前述實施例係用以說明本發明之概念，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾，而不限於此。舉例來說，共振器中的環繞線所包圍的區域並不限於矩形，其可包含弧形或斜角，使環繞線所包圍的區域為其他不同的形狀，只要共振器相對於共振器之水平中心線對稱，即具有 可將帶通濾波器簡化為等效半電路之對稱結構(以下簡稱上下對稱)即滿足本發明之要求。另外，帶通濾波器中的二共振器並不限於具有相同的結構及形狀，帶通濾波器中的二共振器可分別具有不同的結構及形狀，只要二共振器皆為上下對稱，即滿足本發明之要求。更進一步的，於前述實施例中，帶通濾波器包含二共振器排列成1x2陣列，而不限於此，帶通濾波器可包含數量大於二之共振器並沿垂直方向延伸。舉例來說，請參考第9圖，第9圖為本發明實施例一射頻系統90之示意圖，射頻系統90之帶通濾波器可包含共振器922_1~922_M、924_1~924_M而排列成一Mx2陣列(M為一大於1之正整數)，只要帶通濾波器整體而言具有上下對稱結構，即滿足本發明之要求。

在習知技術中，巴倫轉換器與帶通濾波器需個別設計後再串接在一起，故會產生巴倫轉換器與帶通濾波器之間阻抗匹配的問題，且需要較大的設置面積，並增加傳輸路徑之損耗而降低天線增益。相較之下，本發明之巴倫濾波器將巴倫轉換器與帶通濾波器合併設計為單一功能區塊，因此無阻抗匹配的問題，並有效降低路徑之損耗而提昇天線增益，且佔用較小的設置面積。

綜上所述，本發明之巴倫濾波器藉由調整帶通濾波器之饋入位置以滿足差模半電路之輸入阻抗為零，而達成阻抗匹配，並調整饋入位置使共模半電路之輸入阻抗為特性阻抗之兩倍，以達成平衡輸出。其中，巴倫濾波器之帶通濾波器使用柵欄式濾波器，可藉由改變柵欄式濾波器之線段個數與線段間距，調整帶通濾波器之中心頻率與頻寬。因此，本發明之巴倫濾波器同時具備巴倫轉換器及帶通濾波器的功能，並能有效減少射頻系統所需之設置面積。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

20‧‧‧射頻系統

200‧‧‧天線

204‧‧‧射頻處理模組

220‧‧‧帶通濾波器

210‧‧‧第一端

212‧‧‧第二端

214‧‧‧第三端

202‧‧‧巴倫濾波器

222、224‧‧‧共振器

2220‧‧‧環繞線

222_1~222_n‧‧‧線段

A-A’‧‧‧水平中心線

Claims (16)

1. 一種巴倫濾波器，用於一射頻系統，包含有：一第一端，耦接於該射頻系統之一天線，用來傳遞一射頻訊號；一差動埠，包含一第二端及一第三端，用來傳遞一差動訊號；以及一帶通濾波器，耦接於該第一端與該差動埠之間，該帶通濾波器包含有複數個共振器，每一共振器包含有：一環繞線，大致環繞一區域，並於該每一共振器之一邊形成一缺口；以及至少一線段，相互間隔設置於該環繞線所環繞之該區域中並連接於該環繞線。
2. 如請求項1所述之巴倫濾波器，其中該至少一線段的個數相關於該帶通濾波器之一中心頻率。
3. 如請求項1所述之巴倫濾波器，其中該第一端耦接於該帶通濾波器之一饋入位置相關於該第二端及該第三端之訊號能量比及相位差。
4. 如請求項1所述之巴倫濾波器，其中該第二端及該第三端之訊號能量相等，且相位相反。
5. 如請求項1所述之巴倫濾波器，其中該帶通濾波器相對於該缺口之一中心線成對稱。
6. 如請求項1所述之巴倫濾波器，其中該帶通濾波器之一共模輸入阻抗大致為零，且該帶通濾波器之一差模輸入阻抗大致為一特性阻抗之整數倍。
7. 如請求項1所述之巴倫濾波器，其中該複數個共振器排列成一Mx2陣列。
8. 如請求項7所述之巴倫濾波器，其中該複數個共振器中位於每一列包含一第一共振器及一第二共振器，該第一共振器與該第二共振器相互間隔， 且該第一共振器之一缺口與該第二共振器之一缺口相互對齊，以及該第一共振器與該第二共振器相互對稱。
9. 一種射頻系統，包含有：一天線，用來接收或發射一射頻訊號；一巴倫濾波器，包含有：一第一端，耦接於該射頻系統之一天線，用來傳遞一射頻訊號；一差動埠，包含一第二端及一第三端，用來傳遞一差動訊號；以及一帶通濾波器，耦接於該第一端與該差動埠之間，該帶通濾波器包含有複數個共振器，每一共振器包含有：一環繞線，大致環繞一區域，並於該每一共振器之一邊形成一缺口；以及至少一線段，相互間隔設置於該環繞線所環繞之該區域中並連接於該環繞線；以及一射頻處理模組，耦接於該差動埠，用來接收或產生該差動訊號。
10. 如請求項9所述之射頻系統，其中該至少一線段的個數相關於該帶通濾波器之一中心頻率。
11. 如請求項9所述之射頻系統，其中該第一端耦接於該帶通濾波器之一饋入位置相關於該第二端及該第三端之訊號能量比及相位差。
12. 如請求項9所述之射頻系統，其中該第二端及該第三端之訊號能量相等，且相位相反。
13. 如請求項9所述之射頻系統，其中該複數個共振器中每一共振器相對於該缺口之一中心線成對稱。
14. 如請求項9所述之射頻系統，其中該帶通濾波器之一共模輸入阻抗大致為零，且該帶通濾波器之一差模輸入阻抗大致為一特性阻抗之整數倍。
15. 如請求項9所述之射頻系統，其中該複數個共振器排列成一Mx2陣列。
16. 如請求項15所述之射頻系統，其中該複數個共振器中位於每一列包含一 第一共振器及一第二共振器，該第一共振器與該第二共振器相互間隔，且該第一共振器之一缺口與該第二共振器之一缺口相互對齊，以及該第一共振器與該第二共振器相互對稱。