布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器.pdf

本发明是一种布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，该微波滤波器是利用印刷电路板的制作技术，在制作无线通讯产品的电路板时，直接将该微波滤波器所包括的一输入端、一双频共振腔及一输出端等微波线路，布设在该电路板上，以期在无需使用额外高频滤波器的状态下，可有效抑制该无线通讯产品的功率放大器因非线性失真所产生的二倍频及更高倍频的谐波杂讯，大幅降低该无线通讯产品的制造成本，并有效降低所产生的电磁波干扰。

1、  一种布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：是利用印刷电路板的制作技术，在制作一无线通讯产品的电路板时，将一微波滤波器所包含的输入端、双频共振腔及输出端等微波线路，以金属微带方式直接制作在该电路板上。

2、  根据权利要求1所述的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：该双频共振腔的微带线路包括：
一第一微带线路，该第一微带线路的一端是与该输入端的一端呈直交相接；
一第三微带线路，该第三微带线路的一端是与该输出端的一端呈直交相接，且该第三微带线路是与该第一微带线相互间隔且对称排列：
一第二微带线路，该第二微带线路是布设在对应于该第一及第三微带线路的位置，并以蜿蜓状跨接在该二直交位置处；
一第四微带线路，该第四微带线路是跨接在该二直交位置间。

3、  根据权利要求2所述的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：该输入端的微带线路、第一微带线路及第二微带线路，是布设在该电路板的上层，该第三微带线路、第四微带线路及该输出端的微带线路，则是布设在该电路板的下层，以藉该二层做为射频讯号的传输面，再通过该电路板上所设的两个贯穿孔，将该二层上的线路连接起来。

4、  根据权利要求3所述的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：该电路板中邻近该输入端的微波线路的一内层，布设有一接地面，以作为该输入端的微带线路、第一微带线路及第二微带线路的参考接地面，该电路板中邻近该输出端的微波线路的另一内层，则布设有另一接地面，以作为该第三微带线路、第四微带线路及该输出端的微带线路的参考接地面。

5、  根据权利要求1所述的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：该第二微带线路是呈“ㄇ”形跨接在该二直交位置处。

布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器
技术领域
本发明涉及一种滤波器，特别是一种布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器。
背景技术
近年来，由于无线通讯产品的市场需求大增，使得无线区域网路(WLAN)的发展更为快速，尤其是在1997年间制定出IEEE802.11无线区域网路协定后，不仅提供了无线区域网路通讯上许多前所未有的功能，还提供了可令各种不同厂牌的无线产品得以相互沟通的解决方案，为无线区域网路的发展开启了另一个新的里程碑，该协定并确定了以核心装置执行单芯片的解决方案，大幅降低了采用无线技术所需的成本，使得无线区域网路得以被广泛地应用于各种无线通讯产品中。
该等无线通讯产品在高功率状态下，进行资料的无线传输时，一般均极易产生电磁波，造成电磁波干扰(EMI)，故各先进国家为解决此一问题，依续制定了相关法规，以对不符规定的无线通讯产品的输入及使用，加以限制。有鉴于此，无线通讯产品的设计及制造厂商，在设计无线通讯产品的控制线路时，亦均需考虑相关法规的要求，而在其功率放大器之后，增设一滤波器，以抑制其所产生的高频谐波杂讯，希望所制作出的无线通讯产品的高频谐波，均能符合各国相关法规的要求。然而，各该厂商在设计及制造该等无线通讯产品的控制线路时，所使用的滤波器，一般仅是用以抑制该等无线通讯产品所产生的二倍频谐波，以图1所示为例，是针对一发射讯号主频为5.5GHz的无线区域网路产品进行滤波后，所量测的结果，其中插入损失约为0.1dB，二倍频谐波11GHz的抑制量为35.8dB，三倍频谐波16.5GHz的抑制量则表现并不佳，仅为7.17dB；若欲同时有效抑制该二倍频谐波及更高频的谐波，即必须使用插入损失(Insertion Loss)较大的高频滤波器，该种高频滤波器由于价格昂贵，且其体积亦相对庞大，故对目前朝轻薄短小且价廉物美的设计趋势发展的产品而言，增设该种高频滤波器，将大幅增加产品的制作成本及体积，显然并不适宜。
由于，在对该等无线通讯产品进行电磁波干扰测试时，高功率发射讯号所产生的谐波，往往是最不容易通过测试的部分，其中尤以发射讯号主频的二倍频谐波及更高倍频的谐波，最难达到标准，故如何在不大幅增加产品制作成本及体积的前提下，能设计制作出符合相关法规的无线通讯产品，即成为各该设计及制造厂商亟待克服与解决的一重要课题。
发明内容
有鉴于前述在设计制造系统无线通讯产品时，为同时抑制所产生的二倍频谐波及更高频的谐波，所需付出的代价及所产生的缺失，发明人根据多年来从事无线通讯产品的技术经验，及所累积的专业知识，针对上述缺失，开发设计出本发明的一种布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器。
本发明的目的，是提供一种利用印刷电路板的制作技术，在制作无线通讯产品的电路板时，直接将该微波滤波器制作于该电路板上的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，以期在无需使用额外高频滤波器的状态下，可有效地抑制该无线通讯产品的功率放大器因非线性失真所产生的二倍频及更高倍频的谐波杂讯(Harmonic Spurious)，大幅降低该无线通讯产品的制造成本，并有效降低所产生的电磁波干扰。大幅减少传统无线通讯产品为达成此一目的所需付出的制作成本及所增加的体积。
本发明的上述目的是由如下技术方案来实现的。
一种布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：是利用印刷电路板的制作技术，在制作一无线通讯产品地电路板时，将一微波滤波器所包含的输入端、双频共振腔及输出端等微波线路，以金属微带方式直接制作在该电路板上。
所述的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：该双频共振腔的微带线路包括：
一第一微带线路，该第一微带线路的一端是与该输入端的一端呈直交相接；
一第三微带线路，该第三微带线路的一端是与该输出端的一端呈直交相接，且该第三微带线路是与该第一微带线相互间隔且对称排列：
一第二微带线路，该第二微带线路是布设在对应于该第一及第三微带线路的位置，并以蜿蜓状跨接在该二直交位置处；
一第四微带线路，该第四微带线路是跨接在该二直交位置间。
所述的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：该输入端的微带线路、第一微带线路及第二微带线路，是布设在该电路板的上层，该第三微带线路、第四微带线路及该输出端的微带线路，则是布设在该电路板的下层，以藉该二层做为射频讯号的传输面，再通过该电路板上所设的两个贯穿孔，将该二层上的线路连接起来。
所述的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：该电路板中邻近该输入端的微波线路的一内层，布设有一接地面，以作为该输入端的微带线路、第一微带线路及第二微带线路的参考接地面，该电路板中邻近该输出端的微波线路的另一内层，则布设有另一接地面，以作为该第三微带线路、第四微带线路及该输出端的微带线路的参考接地面。
所述的布设在无线通讯产品的电路板上的微波滤波器，其特征是：该第二微带线路是呈“ㄇ”形跨接在该二直交位置处。
本发明的优点在于：
本发明利用印刷电路板的制作技术，在制作无线通讯产品的电路板时，直接将微波滤波器制作于该电路板上，在无需使用额外高频滤波器的状态下，可有效地抑制该无线通讯产品的功率放大器因非线性失真所产生的二倍频及更高倍频的谐波杂讯，有效降低所产生的电磁波干扰；大幅减少传统无线通讯产品为达成此一目的所需付出的制作成本及所增加的体积。
为能对本发明的形状、构造、设计原理及其功效，有更进一步的认识与了解，兹列举若干实施例，并配合附图，详细说明如下：
图1是对一习知发射讯号主频为5.5GHz的无线区域网路产品，进行滤波后，所得的频率响应图；
图2是一三阶π型架构的低通滤波器的等效电路示意图；
图3是图2所示低通滤波器的微带线路示意图；
图4是利用图3所示的低通滤波器对无线通讯产品进行滤波后，实测的频率响应图；
图5是本发明的一较佳实施例所制成的一低通滤波器的微带线路示意图；
图6是利用图5所示的低通滤波器对无线通讯产品进行滤波后，实测的频率响应图；
图7是利用波导元件模拟图5所示的该低通滤波器所形成的架构示意图；
图8是本发明的另一较佳实施例所制成的一低通滤波器的微带线路示意图；
第9图是将图8所示的微波滤波器布设在一无线通讯产品的电路板上后，该电路板的局部俯视立体图；
第10图是将图8所示的微波滤波器布设在一无线通讯产品的电路板上后，该电路板的局部仰视立体图。
在本发明的一较佳实施例中，主要是利用印刷电路板的制作技术，在制作一无线通讯产品的电路板时，将一微波滤波器所包含的输入端、双频共振腔、及输出端等微波线路，以金属微带直接布设在该电路板上，形成所需的微波滤波器，以有效抑制该无线通讯产品的功率放大器因非线性失真所产生的二倍频及更高倍频的谐波杂讯。兹以一发射讯号主频为5.5GHz的无线区域网路产品为例，本发明在实际设计该微波滤波器时，若选择以等涟波(Equal ripple)为0.5dB的三阶π型架构低通滤波器(low pass filter)为其原型(prototype)，依图2所示的等效电路，其输入端1及输出端5的终端电阻R_s及R_L分别为50欧姆(Ohms)，通过查表(可参考Microwave Enginneering，2ndEd.，David M.pozar，John Wiley & Sons，Inc，1998一书)可知，g₁＝1.5963，g₂＝1.0967，g₃＝1.5963，g₄＝1，故依下列公式：
C_K’＝C_K/(R₀ω_C)
L_K’＝R₀L_K/ω_C
其微带元件(Lumped element)的等效电容及电感值为：
C_1’＝g₁/(50*2π*5.5GHz)＝0.9239(pF)
L_2’＝(50*g₂)/(2π*5.5GHz)＝1.587(nH)
C_3’＝g₃/(50*2π*5.5GHz)＝0.9239(pF)
R₀＝g₄*50＝50(Ohms)
故其微带线路的布设元件(Distributed elements)的等效电路则为：
Z_C＝1/C_k
Z_L＝L_k
即：
Z₁＝1/C₁＝1/g₁＝0.6264
Z₂＝L₂＝g₂＝1.0967
Z₃＝1/C₃＝1/g₃＝0.6264
故其微带线路Z₁、Z₂及Z₃的阻抗值将分别为：
Z₁＝Z₁*R₀＝31.32(Ohms)
Z₂＝Z₂*R₀＝54.835(Ohms)
Z₃＝Z₃*R₀＝31.32(Ohms)
依该等阻抗值所形成的低通滤波器的微带线路，将如图3所示，其中该输入端1微波线路的一端是与该第一微带线路Z₁的一端呈直交相接，该输出端5微波线路的一端是与该第三微带线路Z₃的一端呈直交相接，该第一微带线路Z₁与该第三微带线路Z₃相互间隔且对称排列，该第二微带线路Z₂则是布设在对应于该第一及第三微带线路Z₁及Z₃的位置，并以蜿蜓状(如：“ㄇ”形)跨接在该二直交位置处。再将该无线通讯产品所产生的高功率发射讯号馈入该低通滤波器的输入端1后，实测其输出端5的频率响应图，如图4所示，由该频率响应图可清楚得知，其插入损失约为0.1dB，二倍频谐波11GHz的抑制量为35.8dB，三倍频谐波16.5GHz的抑制量则为7.17dB，类似于传统滤波器所产生的效应，在三倍频谐波的抑制量表现上，不甚理想。
有鉴于此，发明人在该二直交位置间(即该第二微带线路Z₂间)并联—第四微带线路Z₄，并藉适当调整其长度及阻抗值，形成如图5所示的微带滤波器，该第一、二、三及四微带线路Z₁、Z₂、Z₃及Z₄即构成该微带滤波器上的一双频共振腔，再经由将该无线通讯产品所产生的高功率发射讯号，馈入其输入端1后，实测其输出端5，即得到如图6所示的频率响应图，由该频率响应图可清楚得知，其插入损失约为0.2dB，二倍频谐波11GHz的抑制量为37.8dB，三倍频谐波16.5GHz的抑制量则高达61.6dB，亦即在抑制该二倍频谐波时，尚可同时抑制更高频的谐波。
在本发明的另一较佳实施例中，为令该微波仅占用该电路板上未被使用的有限空间，以避免需增加该电路板的面积，特别将图5所示的该微带滤波器上的微带线路区分成两部分，其中一部分包括该输入端1微带线路、第一微带线路Z₁及第二微带线路Z₂等，另一部分则包括该第三微带线路Z₃、第四微带线路Z₄及该输出端5微带线路，该二部分可分别布设在该电路板的最上层及最下层，并以该二层做为射频讯号的传输面，再通过该电路板上所设的两个贯穿孔(Through Via)，将该二部分连接起来。
发明人为确认此一作法的可行性，乃利用波导元件(Waveguide element)，依图5所示的该微带滤波器，模拟出如图7所示的架构，该架构包活一输入端1、一双频共振腔2及一输出端5的微带线路，其中该输入端1包含一第一微带线(microstrip line)12，该第一微带线12的一端是与一输入埠(port)11相连接，其另端则与该双频共振腔2的一第一微带交越元件21(microstripcross component)相连接，该第一微带交越元件21的其余三端，则分别与一第一末端效应元件22(end effect component)、一第一微带弯曲元件24(microstrip curve component)及一第一微带通孔元件31(microstrip viahole)相连接，其中该微带弯曲元件24的另端并依序连接有一第二微带线25、一第二微带弯曲元件26、一第三微带线27、一第三微带弯曲元件28、一第四微带线29、一第二微带通孔元件32及一第二微带交越元件42，该第一微带通孔元件31再藉一第五微带线41与该第二微带交越元件42相连接，该第二微带交越元件42的其余二端再分别与一第二末端效应元件43及一第六微带线52相连接，该第六微带线52的另端再与一输出埠51相连接，形成该微波滤波器的输出端5。在该架构中，位在该第一微带通孔元件31及该第二微带通孔元件32一侧的微波线路，是对应于一射频讯号的参考接地面，而位在该第一微带通孔元件31及该第二微带通孔元件32另一侧的微波线路，则是对应于另一射频讯号的参考接地面，如此，藉由适当控制各该微带元件的尺寸及所选用的不同介电常数，即可令该微波滤波器可共振在一无线通讯产品的发射主频的二倍频及三倍频的频带，有效抑制发射讯号主频的第二及第三次谐波。
因此，在实际利用印刷电路板的制作技术，将图7所示的微波线路，直接布设在一无线通讯产品的电路板5上时，参阅图8、9及10所示，可将该输入端1的微波线路及双频共振腔2的部分线路布设在该电路板6的一外层61，而该双频共振腔2另一部分的线路及输出端5的微波线路则是布设在该电路板6的另一外层62，以将该二外层61及62作为射频讯号(RF)的传输面，该二外层61及62上的微波线路是通过该电路板6上的两个贯穿孔71及72，将二者连接起来，该电路板6中邻近该输入端1及双频共振腔2的微波线路的一内层，则布设有一接地面81，以作为该输入端1及双频共振腔2的微波线路的参考接地面，该电路板6中邻近该输出端5的微波线路的另一内层，则布设有另一接地面82，以作为该输出端5的微波线路的参考接地面。如此，该另一较佳实施例所设计的微波滤波器，仅需利用该电路板6上未使用的空间，即可布设出所需的微波线路，并可在无需增加该无线通讯产品的制作成本及体积的条件下，有效达成可同时抑制第二及更高频的谐波杂讯的效能。
以上所述，仅为本发明最佳具体实施例，但是本发明的构造特征并不局限于此，任何熟悉该项技艺者在本发明领域内，可轻易思及的变化或修饰，皆可涵盖在本案的权利要求范围。