专利名称：多相滤波器的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种多相带通滤波器。
这样的滤波器本身是已知的，例如可以从美国专利4.914.408中得知，它们可以应用于用在例如无线电应用系统，电视应用系统或电话应用系统中的接收器电路。尽管这样的滤波器也可用在其它应用系统中，在此仍在接收器环境下，对其一种可能的应用做更详细的解释。
在美国专利4.914.408中所描述的滤波器一个重大的缺陷是两个滤波通道之间的耦合是通过电阻来实现的。因此，本发明的一个重要目的就是提供一个多相带通滤波器，其中省略了这样的耦合电阻。
本发明的上述以及其它的方面，特征以及优点，将参照附图，通过下面对根据本发明的一种多相带通滤波器的优选实施方案的说明，进行更详细的解释。图中，相同的标号表示相同或相似的部分，其中
图1示意地表示了一种已知的接收电路。
图2A示意地图示了低通滤波器的传输特性。
图2B示意地图示了从图2A的传输特性中导出的带通滤波器的传输特性。
图2C示意地表示了一个电容器和复杂单元的并联连接。
图2D示意地表示了两个滤波通道的一种已知的耦合方法。
图3A阐明了根据本发明的耦合原理。
图3B阐明了图3A中耦合方案的一种替代表达。
图4是根据本发明的多相滤波器实施方案的基本配置(schedule)。
图1示意性地表示一种已知的接收器电路1，其中来自天线2的接收器信号S在第一混合级3和局部振荡器5所提供的信号混合，且其中所述信号S在第二混合级4和局部振荡器5提供的相对于第一个信号有90°相移的第二个信号混合。第一混合级3的输出信号，也称作同相信号，被供给滤波器10的第一输入11，第二混合级4的输出信号，也称作正交信号，被供给滤波器10的第二输入12。滤波器10有两个滤波通道分别是13和14，分别以基本相同的方式处理第一输入11的同相信号和第二输入12的正交信号，滤波通道13和14分别输出15和16，分别提供同相输出信号和正交输出信号，其中第二输出的正交输出信号相对于第一输出的同相输出信号有90°相移。滤波通道13和14具有相互一致的滤波特性，例如带通特性。
在后文中，局部振荡器信号的频率将用f1表示。在接收器信号S中有很多种频率，后文中，接收电路1必须被调谐到的谐振频率将表示为f2。假设该频率比局部频率f1高，也就是f2＝f1+Δf。
通常，当具有两个不同频率f1和f2的两个信号混合时，将会产生具有差分频率Δf＝f2-f1的信号分量。然而在接收器信号S中也会出现一个频率f3，符合f3＝f1-Δf。该分量也会影响最终的混合信号，也就是说，产生一个具有差分频率f3-f1＝Δf的虚拟镜像信号分量。期望滤波器10抑制这种镜像信号分量。
此外，还期望滤波器10具有相对于中心频率ωc基本对称的带通特性。
已知的设计具有相对于中心频率ωc＞0基本对称的频率特性的带通滤波器，并且其中的镜像信号分量被有效抑制的方法，以低通滤波器开始，该低通滤波器的特性对应于将要设计的带通滤波器的期望特性。
图2A示意性地表示了低通滤波器的传输特性。沿水平轴表示频率ω，沿垂直轴表示传输函数H。在实际中，只有频率高于零的信号会出现；这部分频率特性用实线表示。然而频率特性不依赖于频率的符号，这意味着频率特性相对于ω＝0是对称的，如图2A中的虚线所示。
根据低通滤波器的设计方法，所述低通滤波器可以具有期望的特性，例如一阶，二阶，高阶，Bessel型，Butterworth型等。在具有期望的特性的低通滤波器的基础上，通过将滤波特性向高频转换或平移获得可以得到带通滤波器。图2B表示向高频平移了ωc的距离后图2A的特性。该带通滤波器的传递函数HBDF(ω)符合如下公式HBDF(ω)＝HLDF(ω-ωc) (1)滤波特性期望的平移对应于滤波器所有极点和零点沿着虚轴移动相同的距离。在带有依赖于频率的阻抗的元件是纯容性的滤波器设计中，这可以通过把一个复合元件X和所述容性滤波器元件并联起来实现，复合元件的导纳Yx是一个依照如下公式的复数常量Yx(ω)＝-j·ωc·C (2)
图2C示意性地表示了电容C和这样的复合元件X的并联连接。对于具有电容值C的电容器的依赖于频率的导纳Yc，如下公式适用于理想电容的情况Yc(ω)＝j·ω·C (3)对于图2C中并联联接中的依赖于频率的导纳Y，下式是有效的Y＝Yc(ω)+Yx(ω)＝j·ω·C-j·ωc·C＝j·(ω-ωc)·C(4)因此对于一个具有频率ω的信号，该并联电路的工作特性等同于电容C在频率ω-ωc的工作特性。通过把滤波器所有的容性滤波元件都用这样的并联电路替代，整个滤波器在频率ω的工作特性就等同于原来的滤波器在频率ω-ωc的工作特性。
以上推论已经应用在单个滤波器上。用上述方法实现一个带通滤波器的问题就转化为提供一个其导纳(或相反地阻抗)为复数常数的元件的问题。虽然这本身是可能的，在多相滤波器中可能用巧妙的方法利用这样一个事实，即有两个相互一致的滤波通道，通道里的信号相互一致但是相对于彼此有90°相移。那么，在这样的滤波器中，通过每一个通道中采用一个其导纳是实数的元件，可以获得复合元件X的特性，但是此元件在输入处接收另一个通道的90°相移信号。
这样构成多相带通滤波器的方法已经在美国专利4.914.408中描述过了。那里，两个滤波器通道之间的实际耦合如图2D所示是通过电阻实现的。其中每一个电阻的阻值为R＝ωc·C。
不过这种已知的方法有一些缺陷，特别与在芯片上实现滤波器时相关。由于加工过程的偏差，滤波器上的电阻和电容会表现出相对较大的公差。因此，电容和电阻应该能够在制造后进行调整。但是，这一点不容易实现。
克服所提到的缺点是本发明的一个基本目标。
更具体而言，本发明着眼于提供这样一个多相带通滤波器，该滤波器不用电阻即可实现为达到期望的频移所必需的两个滤波通道之间的耦合。
依照本发明的一个重要方面，两个滤波通道之间的耦合是通过一个压控电流源实现的。依照本发明的这一原理在图3A中示出。在图3A中，多相滤波器总体用参考标号20表示。滤波器20有两个相互一致的滤波通道30，为了相互区分，分别用下标I和Q表示。每一个滤波通道30I和30Q有一个输入31I，31Q和一个输出32I和32Q。由于滤波通道30I和30Q的设计可能是任何一种合适的设计，而滤波通道的各种结构本身众所周知，滤波通道30的完整设计没有在图3A中示出。
为了后文的讨论，同相滤波通道30I的容性滤波元件CI在图3A中示出，相应的正交滤波通道30Q的容性滤波元件CQ也在图3A中示出。这两个容性滤波元件CI和CQ通过两个以反并联方式连接在一起的电流源耦合40QI和40IQ相互耦合。第一电流源耦合40QI包括第一压控电流源41I，该电流源的输出和容性滤波元件CI在同相滤波通道31I中并联连接，同时，第二电流源耦合40IQ包括第二压控电流源41Q，该电流源的输出和容性滤波元件CQ在正交滤波通道31Q中并联连接。
第一压控电流源41I由第一电压检测器42Q的输出信号控制，该检测器的输入和容性滤波元件CQ并联连接。类似地，第二压控电流源41Q由第二电压检测器42I的输出信号控制，该检测器的输入和容性滤波元件CI并联连接。
这样，第一压控电流源41I向第一滤波通道30I加上了一个电流，该电流的值依赖于第二滤波通道30Q中容性滤波元件CQ上的电压，同时，第二压控电流源41Q向第二滤波通道30Q加上了一个电流，该电流的值依赖于第一滤波通道30I中容性滤波元件CI上的电压。
这两个电流源耦合40QI和40IQ可以相互一致，尽管这并不是必需的。重要的只是，电压检测器42检测到的电压和电流源41产生的电流之间的比例因数对于两个电流源耦合40QI和40IQ来说相互一致；换句话说，重要的只是两个电流源耦合40QI和40IQ有相互一致的传输特性。这意味着每一个电流源耦合40QI和40IQ被设计为使得压控电流源41I和41Q分别产生电流I41，I和I41，Q，这些电流的幅值根据如下公式分别决定于由电压检测器42Q和42I检测到的电压VCQ和VCI，I41，I＝VCQ/(ωc·C)I41，Q＝VCI/(ωc·C)其中C分别代表两个容性滤波元件的电容值CI和CQ，ωc是带通滤波器期望的中心频率。
在后文中，由两个电流源耦合以反并联方式连接在一起的组合将称作“回转器”，并由图3B中所示的符号50所指。回转器50有两个端子51A和51B。对于从51A到51B的耦合，回转器50包括一个没有在图3B中示出的第一电流源耦合，端子51A是该电流源耦合的电压输入，端子51B是该电流源耦合的电流输出。对于从51B到51A的耦合，回转器50包括一个没有在图3B中示出的第二电流源耦合，端子51B是该电流源耦合的电压输入，端子51A是该电流源耦合的电流输出。这两个电流源耦合每一个都具有分别由输出电流除以输入电压定义的比例因数GAB和GBA。当两个比例因数彼此相等，或者至少具有相同的特性时，回转器将被称为对称回转器。如果两个电流源耦合是相同的，这一点可以达到，但是相同并不是必需的。
图4表示了一个根据本发明的多相滤波器100实现的例子。该多相滤波器100包括一个同相通道101I和一个正交通道101Q，这两个通道相互基本一致。通道101I和101Q具有输入102I和102Q来分别接收同相输入信号I和正交输入信号Q。通道101I和101Q还具有输出103I和103Q来分别输出同相输出信号ΨI和正交输出信号ΨQ。输入102I和102Q是电流输入，也就是说，输入信号I和Q是电流信号；如果需要滤波器100接收电压信号，电压-电流转换器可以装在输入102I和102Q之前；由于电压-电流转换器可以用在这里本身是公知的，此处就不再详细介绍。输出103I和103Q是电压输出，也就是说，输出信号ΨI和ΨQ是电压信号；如果需要滤波器100输出电流信号，电压-电流转换器可以装在输出103I和103Q之后；由于电压-电流转换器可以用在这里本身是公知的，此处也不再详细介绍。
通道101I和101Q分别包括N个电容C1I，C2I，C3I...CNI和C1Q，C2Q，C3Q...CNQ，其中N≥2。
在同相通道101I中，两个相邻的电容C[i]I和C[i+1]I总是通过一个回转器105iI耦合。类似地，在正交通道101Q中，两个相邻的电容C[i]Q和C[i+1]Q总是通过一个回转器105iQ耦合。相应的回转器105iI和105iQ互相一致；这里，“向前的”比例因数G(i->i+1)和“向后的”比例因数G(i+1->i)不需要互相一致。
相应的电容CiI和CiQ总是有互相一致的电容值Ci；对i的不同值，电容值Ci可以不同。相应的电容CiI和CiQ总是通过一个对称的回转器106i互相耦合；每一个回转器106i的比例因数GiIQ和GiQI总是等于1/(ωc·Ci)。
这样，本发明提供了一种多相滤波器20；100，带有两个滤波通道30I，30Q；101I，101Q来分别处理I输入信号I和Q输入信号Q。该滤波器在两个滤波通道30I，30Q；101I，101Q中至少有两个相互对应的容性滤波元件CI，CQ；CiI，CiQ，其中这两个容性滤波元件CI，CQ；CiI，CiQ的电容值C；Ci彼此基本相等。所述两个容性滤波元件CI，CQ；CiI，CiQ通过两个反并联安装的具有基本相同特性的电流源耦合40QI，40IQ；106i相互耦合在一起。这样，滤波器特性向更高频率转移ωc距离就实现了。
显然对于本领域的技术人员来说，本发明的范围不局限于以上讨论的几个例子，而在不偏离所附权利要求中定义的本发明范围对其进行修正和改动是可能的。
权利要求
1.多相滤波器(20；100)包括具有期望的滤波特性的第一滤波通道(30I；101I)，有一个输入(31I；102I)来接收I输入信号(I)和一个输出(32I；103I)来提供I输出信号(ΨI)；基本上和第一滤波通道(30I；101I)相同的第二滤波通道(30Q；101Q)，有一个输入(31Q；102Q)来接收相对于I输入信号(I)有90°相移的Q输入信号(Q)和一个输出(32Q；103Q)来提供相对于I输出信号(ΨI)有90°相移的Q输出信号(ΨQ)；所述滤波器(20；100)有至少一个容性滤波元件(CI；CiI)在第一滤波通道(30I；101I)中和一个相应的容性滤波元件(CQ；CiQ)在第二滤波通道(30Q；101Q)中，其中两个容性滤波元件(CI，CQ；CiI，CiQ)的电容值(C；Ci)基本上彼此相等；其中所述的两个容性滤波元件(CI，CQ；CiI，CiQ)通过两个具有基本上相同的特性并以反并联方式连接的电流源耦合(40QI，40IQ；106i)相互耦合在一起。
2.根据权利要求1的滤波器，其中每一个电流源耦合(40QI，40IQ)包括一个具有电压输入和电流输出的压控电流源(41I，41Q)，其中电流输出和滤波通道(30I，30Q)的容性滤波元件(CI，CQ)并联耦合，而电压输入和另一个滤波通道(30Q，30I)的相应的容性滤波元件(CQ，CI)并联耦合。
3.根据权利要求1或2的滤波器，其中第一电流源耦合(40QI)包括第一电压检测器(42Q)，该检测器的输入在第二滤波通道(30Q)中与所说的相应的容性滤波元件(CQ)并联连接；第一压控电流源(41I)，该电流源在第一滤波通道(30I)中与所说的相应的容性滤波元件(CI)并联连接，并由第一电压检测器(42Q)的输出信号控制；其中第二电流源耦合(40IQ)包括第二电压检测器(42I)，该检测器的输入在第一滤波通道(30I)中与所说的相应的容性滤波元件(CI)并联连接；第二压控电流源(41Q)，该电流源在第二滤波通道(30Q)中与所说的相应的容性滤波元件(CQ)并联连接，并由第二电压检测器(42I)的输出信号控制；且其中每个电流源(41I，41Q)用来提供电流(I41，I，I41，Q)，其电流幅值分别符合I41，I＝VCQ/(ωc·C)I4I，Q＝VCI/(ωc·C)
4.根据以上任一项权利要求的滤波器，其中每一个滤波通道(101I，101Q)包括至少一个由两个电容(CiI和C[i+1]I，CiQ和C[i+1]Q)构成的组合，所述的两个电容通过一个回转器(105iI，105iQ)相互耦合。
5.根据权利要求4的滤波器，其中所说的组合的第一滤波通道(101I)的第一电容(CiI)和与之相应的第二滤波通道(101Q)的第二电容(CiQ)，以及第一滤波通道(101I)的第二电容(C[i+1]I)和与之相应的第二滤波通道(101Q)的第二电容(C[i+1]Q)相互之间总是通过一个对称的回转器(106i，106[i+1])互相耦合，回转器的比例因数(GiIQ和GiQI，G[i+1]IQ和G[i+1]QI)分别总是等于1/(ωc·Ci)和1/(ωc·C[i+1])。
6.根据以上任一项权利要求的滤波器，其中每一个滤波通道(30I，30Q；101I，101Q)具有多个容性滤波元件，其中第一滤波通道(30I；101I)中的每一个滤波元件都通过两个以反并联方式连在一起的电流源耦合(40QI，40IQ；106i)和第二滤波通道(30Q；101Q)中相应的容性滤波元件(CQ；CiQ)耦合。
7.根据以上任一项权利要求的滤波器，其中每一个单独的滤波通道(30I，30Q；101I，101Q)有一个低通滤波特性，其中多相滤波器(20；100)具有由所述电流源耦合(40QI，40IQ；106i)引起的带通滤波特性。
全文摘要
描述了一种多项滤波器(20；100)，具有两个滤波通道(30
文档编号H03H11/34GK1413379SQ00817695
公开日2003年4月23日 申请日期2000年12月22日 优先权日1999年12月24日
发明者B·H·埃辛克 申请人:艾利森电话股份有限公司