微波聲波濾波器的網(wǎng)絡合成設計的制作方法
【專利摘要】一種根據(jù)頻率響應要求設計聲微波濾波器的方法。所述方法包括選擇初始濾波器電路結構，所述結構包括包含至少一個諧振元件和至少一個其它電抗電路元件的多個電路元件；基于頻率響應要求，選擇無損電路響應變量；根據(jù)所選擇的無損電路響應變量為每個電路元件選擇值，以生成初始濾波器電路設計；將所述初始濾波器電路設計的所述諧振元件和另外的電抗電路元件變換成至少一個聲諧振器模型，以生成聲濾波器電路設計；為聲濾波器電路設計增加寄生效應，以便產(chǎn)生預優(yōu)化濾波器電路設計；優(yōu)化預優(yōu)化濾波器電路設計，以便產(chǎn)生最終濾波器電路設計；并且根據(jù)最終濾波器電路設計，構建聲微波濾波器。
【專利說明】微波聲波濾波器的網(wǎng)絡合成設計

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及微波濾波器，并且更具體地涉及聲波微波濾波器。

【背景技術】
[0002] 在1910年左右，開始研制用于通信應用的低損耗的、頻率選擇的電氣信號濾波 器，用于電報和電話使用中，尤其用于多路復用和解復用在長距離電纜和無線鏈路上攜帶 的通信信號信道。其中，Bell Laboratories研發(fā)了被稱為"圖像"或"圖像參數(shù)"設計 方法的濾波器設計方法（見 George A. Campbell, "Physical Theory of the Electric Wave Filter"、The Bell System Technical Journal、第 I 卷、2 號（1922 年 11 月）；0tto J. ZobeI，"Theory and Design of Uniform and Composite Electric Wave-Filters^The Bell System Technical Journal、第II卷、I號（1923年I月））。這些濾波器電路使用包 括電感器、電容器以及變壓器的電路元件。
[0003] 在20世紀20年代，聲波（AW)諧振器（特別是體聲波（BAW)諧振器）開始用于 一些電信號濾波器中。AW諧振器的等效電路具有在被稱為"諧振"頻率和"反諧振頻率" 的頻率中緊密間隔開的兩個諧振（見see K.S. Van Dyke, "Piezo-Electric Resonator and its Equivalent Network"Proc. IRE、第 16 卷、1928、第 742-764 頁）。圖像濾波器設 計方法應用于利用這些石英諧振器的濾波器電路中，并且兩個AW濾波器電路類型造成"階 梯"和"晶格"AW濾波器設計（見L. Espenschied, Electrical Wave Filter、美國專利號 1，795, 204;以及 W.P.Mason，"Electrical Wave Filters Employing Quartz Crystals as Elements，'，The Bell System Technical Journal (1934)) 〇
[0004] 在20世紀20和30年代，針對用于通信應用的頻率選擇的電信號濾波器的設計， 研制了被稱為"網(wǎng)絡合成"另一種方法。其中，美國的Foster和Darlington(見Ronald M.Foster, "A Reactance Theorem,''Bell Syst.Tech.J·，第 3卷、1924、第 259-267 頁， 以及 S. Darlington, "Synthesis of Reactance 4-poles which produce prescribed insertion loss characteristics"，J.Math Phys、第 18卷、1939、第257-353頁）以及德國 的Cauer (見W. Cauer、美國專利號1，989, 545 ;1935)開創(chuàng)了這種新濾波器電路設計方法。
[0005] 在"網(wǎng)絡合成"中，在選擇包括電路元件的類型和互連方式的初始電路結構之后， 期望的無損濾波器響應被轉(zhuǎn)化成具有復合頻率相關電路響應參數(shù)（例如，散射參數(shù)，例如， S21和S11)的形式的復數(shù)多項式的比率?？梢匀缦卤硎維21散射參數(shù)：
[0006] [1]

【權利要求】
1. 一種根據(jù)頻率響應要求來設計聲微波濾波器的方法，包括： 選擇初始濾波器電路結構，所述初始濾波器電路結構包括包含至少一個諧振元件和至 少一個其它電抗電路元件的多個電路元件； 基于所述頻率響應要求，選擇無損電路響應變量； 基于選擇的所述無損電路響應變量為每個電路元件選擇值，以生成初始濾波器電路設 計； 將所述初始濾波器電路設計的所述至少一個諧振元件和所述至少一個其它電抗電路 元件變換成至少一個聲諧振器模型，以生成聲濾波器電路設計； 向所述聲濾波器電路設計添加寄生效應，以生成預優(yōu)化濾波器電路設計； 將所述預優(yōu)化濾波器電路設計最優(yōu)化，以生成最終濾波器電路設計；以及 基于所述最終濾波器電路設計，構建所述聲微波濾波器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述頻率要求包括頻率相關回波損耗、插入損 耗、抑制以及線性度中的一個或多個。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述頻率響應要求包括在500MHz至3500MHz范 圍內(nèi)的通帶。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述頻率響應要求包括通帶和阻帶。
5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述至少一個諧振器中的每一個均包括電容器 和電感器的并聯(lián)L-C諧振器組合。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述至少一個其它電抗電路元件包括電容器。
7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述初始濾波器電路結構是同軸非諧振節(jié)點電 路結構。
8. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述無損電路響應變量是限定傳輸零點的分子 多項式與限定反射零點的分母多項式之間的比乘以比例因子的形式。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，傳輸零點的總數(shù)大于等于反射零點的總數(shù)。
10. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述至少一個聲諧振器模型中的每個均是 Butterworth-Van Dyke (BVD)模型。
11. 根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述至少一個諧振器包括分流并聯(lián)L-C諧振器 組合，所述至少一個其它電抗電路元件包括與所述分流并聯(lián)L-C諧振器組合串聯(lián)的分流導 納逆變器以及與所述分流并聯(lián)L-C諧振器組合并聯(lián)的分流非諧振電納，并且其中，所述分 流并聯(lián)L-C諧振器組合、所述分流導納逆變器以及所述分流非諧振電納被變換成所述至少 一個BVD模型中的一個。
12. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述分流并聯(lián)L-C諧振器組合和所述分流導納 逆變器被變換成分流串聯(lián)L-C諧振器組合，并且所述分流串聯(lián)L-C諧振器組合和所述分流 非諧振電納被變換成所述一個BVD模型。
13. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述BVD模型是分流BVD模型。
14. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述至少一個電抗電路元件進一步包括耦接 至所述分流并聯(lián)L-C諧振器組合與所述分流非諧振電納之間的節(jié)點的兩個同軸導納逆變 器，并且其中，所述分流BVD模型和所述兩個同軸導納逆變器被變換成同軸BVD模型以及與 所述同軸BVD模型串聯(lián)的電抗。
15. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述至少一個諧振元件包括多個諧振元件，所 述至少一個其它電抗電路元件包括多個電抗電路元件，并且所述至少一個聲諧振器模型包 括多個諧振器模型。
16. 根據(jù)權利要求15所述的方法，進一步包括將所述初始濾波器電路設計分成多個子 集電路設計，每個子集電路設計均包括所述多個諧振元件中的一個以及所述多個電抗電路 元件中的一個或多個，其中，對于每個子集電路設計，所述諧振元件和所述一個或多個電抗 電路元件被變換成所述聲諧振器模型中相應的一個。
17. 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括從表面聲波（SAW)諧振器、體聲波（BAW) 諧振器、薄膜體聲波諧振器（FBAR)以及微機電系統(tǒng)（MEMS)諧振器中的一個選擇所述至少 一個諧振元件中的每一個的結構類型。
18. 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括： 將所述頻率響應要求映射到標準化設計空間，其中，所述電路元件值是基于映射的所 述頻率響應要求確定的標準化值；以及 將所述聲濾波器電路設計的標準化電路元件值取消映射到實際設計空間。
19. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述至少一個諧振元件包括多個諧振元件。
20. 根據(jù)權利要求19所述的方法， 改變所述預優(yōu)化濾波器電路設計中的所述多個諧振元件沿著信號傳輸路徑設置的順 序，以生成多個濾波器解決方案； 針對每個濾波器解決方案計算性能參數(shù)； 將所述性能參數(shù)相互比較；以及 基于所計算出的所述性能參數(shù)的比較，選擇所述多個濾波器解決方案中的一個作為所 述預優(yōu)化電路設計。
21. 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括進行所述預優(yōu)化濾波器電路設計的元件 去除最優(yōu)化，以生成所述最終濾波器電路設計。
22. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述最終電路設計包括多個聲諧振器，并且其 中，所述最終濾波器電路設計中的所述多個聲諧振器的最低諧振頻率與最高諧振頻率之間 的差值是所述多個聲諧振器中的單個諧振器的最大頻率分離的至少1倍。
23. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中，所述最終濾波器電路設計中的多個諧振器的 所述最低諧振頻率與所述最高諧振頻率之間的差值是所述多個諧振器中的單個諧振器的 所述最大頻率分離的至少2倍。
24. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中，所述最終濾波器電路設計中的多個諧振器的 所述最低諧振頻率與所述最高諧振頻率之間的差值是所述多個諧振器中的單個諧振器的 所述最大頻率分離的至少3倍。
25. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，將所述預優(yōu)化濾波器電路設計最優(yōu)化包括將所 述預優(yōu)化濾波器電路設計輸入至濾波器優(yōu)化器內(nèi)，以生成所述最終濾波器電路設計。
【文檔編號】H03H9/54GK104412509SQ201480001748
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2013年3月15日
【發(fā)明者】帕特里克·J·特納, 理查德·N·西爾弗, 巴拉姆·奎策·安德烈斯·威廉森科爾特斯, 庫爾特·F·賴恩, 尼爾·O·芬齊, 羅伯特·B·哈蒙德 申請人:諧振公司