有源lc帶通濾波器的製作方法

2023-07-26 04:52:16

專利名稱：有源lc帶通濾波器的製作方法
有源LC帶通濾波器
背景技術：
本發明涉及帶通濾波器，並且更具體地說，涉及一種適於無線或有 線發射器和接收器應用的濾波器。
無源LC串聯/並聯帶通濾波器的諧振特性已經被詳盡地研究，並且 廣為人知。在無線或有線發射器和接收器中，無源LC帶通濾波器通常是 優選的選頻放大器單元或是調諧放大器單元(單調諧或雙調諧)，並且由 於低廉的價格、操作的穩定性、簡單的設計、頻率改變的簡便以及優良 的性能，而被廣泛使用。然而，環路(loop)的Q值將隨操作頻率的增 加而降低。隨著頻率增加，電容器除了它的電容特性之外還將消耗電阻 並分布電感，而電感器除了它的電感特性之外還將消耗電阻並分布電容。 當操作頻率增加時電阻的這種消耗將增加，從而環路的電阻損耗增加， 導致環路的質量降低。由於這些缺陷，出於改善接收設備的信噪比、靈 敏度和選擇性的目的，無源LC帶通濾波器很少被直接用作具有可變頻率 的高頻接收設備的前置級處的調諧放大器單元。由於這些缺點，無線接 收設備採用超外差模式(即，混頻、中頻放大、波檢測、低頻放大以及 功率放大)，並且將接收設備需要的放大的大部分置於其中頻率被固定的 中頻放大上，而將少部分放大置於隨後的低頻放大上。
無源LC串聯帶通濾波器通常被用在具有較小源電阻的高頻接收器 的前置級處。 一般來說，它是單調諧諧振系統，並且當在高頻下工作時， 需要具有高質量因子的電感器，即，由塗覆了銀的中空導線製作的電感 器。即使這樣，該系統仍將具有相對較高的形狀因子(shape factor)。 在無線工程、聲學工程和機械振動應用中，無源LC並聯帶通濾波器被廣 泛用在具有相對較低的工作頻率和較大的源電阻的低頻信號傳輸和檢測 設備中。
使用傅立葉變換並從網絡頻域的角度，對由無源R和C元件以及運算放大器製作的有源RC高通濾波器、低通濾波器和帶通濾波器進行了許 多研究。對由高通濾波器和低通濾波器製作的帶通濾波器也己經進行了 許多研究。然而，這些帶通濾波器的諧振頻率的改變需要同時、同步並 精確地改變幾個R和C元件的參數的值，使得頻率的改變極複雜和困難， 對使用多個串聯的雙調諧單元的高性能帶通濾波器尤其如此。因此，這 種類型的有源RC帶通濾波器總是被限制為僅用於固定頻率的接收系統。 然而，對有源LC諧振很少進行研究，並且很少看到相關的理論與專利。 數據顯示，到目前為止，還沒有關於有源LC帶通濾波器的專利。
典型地，用於可變頻率的接收系統使用外差接收器。目前，在外差 無線接收系統中，高頻增益相對較小。為了滿足整個系統的增益要求， 主流的做法是將增益任務安排給可以在固定頻率處穩定工作的中頻放大 器。為了改善整個系統的靈敏性，通用的做法是依賴於較大的天線或使 用額外的天線放大器，或者在技術複雜的場合下，在輸入的前置級處使 用由具有可變電容的兩個電調諧二極體製作的雙調諧帶通濾波器，來以 較小功率放大高頻分量。
因此，特別是在有線和無線接收系統領域內，存在對高性能輸入單 元的需要，所述高性能輸入單元能夠具有較高電壓增益、良好的選擇性、 強大的噪聲抑制、較高SNR、簡便的輸入/輸出匹配以及穩定的操作，以 替換己有無源LC帶通濾波器。此外，該替換應該非常簡單並且可以容易 進行。這種輸入單元應該非常穩定地工作。

發明內容
本發明通過提供特別適合於用作接收設備的輸入單元的有源LC帶 通濾波器來滿足這種需要。該單元容易提供諧振頻率的改變，並且可以 方便地結合到接收設備中。多個可調節的電阻元件，每個所述電阻元件 由所述多個放大器之一饋給，來改變增益、諧振頻率和/或形狀因子。在 本發明的一個方面， 一種有源LC帶通濾波器包括LC對，所述LC對為 相連接的電感器和電容器，用於諧振；多個有源放大器；所述放大器以 與所述LC對組合以形成至少一個諧振電路的方式被連接；以及多個可調整的電阻元件，每個所述電阻元件由所述多個放大器之一饋給，來在不
改變所述LC對的電感元件或電容元件的情況下，改變所述濾波器的增益、 諧振頻率和/或形狀因子。優選地，所述有源放大器補償高頻輻射導致的 所述LC對的電阻損耗和諧振能量損耗。至少一個所述可調整電阻元件包 括電位計。優選地，在所述多個放大器之一和所述多個可調整電阻元件 中對應的一個之間串聯限流電阻器。優選地，所述放大器形成僅使用單 獨LC對的多個分離的諧振電路，以便於製造和控制。
優選地，所述分離的諧振電路能夠在不同的預先確定的獨立頻率處 諧振，以便於形成期望的頻率響應特性。所述不同的頻率可以在所述LC 對處相加，所述濾波器還包括連接到所述LC對用於對下一級電路進行饋 送的運算放大器(具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的算術放大器)。所述多 個諧振電路能夠在相隔很近的頻率處諧振，來形成單峰的總頻率響應曲 線。有益地，較高頻率僅受所述有源放大器的截止頻率的限制。所述通 帶可以適合於用在寬帶通信接收單元和/或具有多個子信道的擴頻通信 接收單元中。這還允許本發明的有源LC帶通濾波器替代無源LC濾波器。
所述LC對被串聯或並聯。所述帶通濾波器能夠單諧振、雙諧振和多 諧振。優選地，所述帶通濾波器具有隨所述濾波器的工作頻率增加的電 路輸出電壓放大。
在一個特定實現中，所述帶通濾波器具有至少為2000的電壓增益G、 至少為200的質量因子Q，和不大於10的形狀因子S。
所述有源LC帶通濾波器可以併入接收系統中。
在本發明的另一方面， 一種有源IX帶通濾波器包括LC對，所述 LC對相連的電感器和電容器，用於諧振；多個有源放大器；所述放大器 以與所述LC對組合以形成至少一個諧振電路的方式被連接；以及用於改 變的裝置，所述用於改變的裝置用來在不改變所述LC對的電感元件或電 容元件的情況下，改變所述濾波器的增益、諧振頻率和/或形狀因子。優 選地，所述有源放大器補償因高頻輻射導致的所述LC對的電阻損耗和諧 振能量損耗。用於改變的裝置可以包括電位計。另選或附加地，至少一 個所述有源放大器可以包括有源電路元件，並且用於改變的裝置包括其中適當連接的不同有源電路元件。
在本發明的另一方面， 一種用於處理電信號的方法包括以下步驟
提供有源LC帶通濾波器，所述有源LC帶通濾波器包括LC對，所述LC 對為相連接的電感器和電容器，用於主諧振頻率處的諧振；多個有源放 大器，並且所述放大器以與所述LC對組合以形成至少一個諧振環的方式 被連接，所述諧振環包括至少一個電阻元件；向所述帶通濾波器饋送電 信號；從所述帶通濾波器提取輸出信號；以及調整所述電阻元件來改變 所述帶通濾波器的頻率響應特性，由此對應地改變所述輸出信號。所述 電信號可以是在頻帶內具有多個頻率信道的無線信號，並且所述調整步 驟對於選擇所述多個信道中特定的一個可以是有效的。所述帶通濾波器 可以在第一工作頻率處是可操作的，所述方法還包括以下步驟改變所 述電容器，使所述帶通濾波器工作在不同工作頻率處。
在本發明進一步的方面， 一種用於處理電信號的方法包括以下步驟
(a) 定義用於有源LC帶通濾波器的電路結構，所述電路包括LC 對，所述LC對為相連接的電感器和電容器，用於主諧振頻率處的諧振； 多個有源放大器，所述放大器以與所述LC對組合以形成至少一個諧振環 的方式被連接，所述諧振環包括至少一個電阻元件；
(b) 對於每個諧振環，形成描述所述帶通濾波器的常係數線性非齊
次常微分方程的特徵方程，以—[FJ土 - 4^的形式標識所述微分 方程的兩個特徵根，並且選擇電路參數，從而使F2不小於單位元素並且
本徵解的期望頻率"。=M -4^;
(C)構建所述電路；
(d) 向所述帶通濾波器饋給所述電信號；以及
(e) 從所述帶通濾波器提取輸出信號。
所述方法還可以包括以下步驟調整所述電阻元件來改變所述帶通 濾波器的頻率響應特性，由此對應地改變所述輸出信號。


參照後面的描述、所附權利要求以及附圖將更好地理解本發明的這
些和其他特徵、方面以及優點，其中
圖1是根據本發明的有源LC帶通濾波器的電路圖； 圖2是示出了圖1的濾波器的另選結構的電路圖； 圖3是具有圖1的結構的測試電路的頻率響應圖； 圖4是示出了圖1的濾波器與運算放大器組合的電路圖；以及 圖5是使用根據本發明的有源LC帶通濾波器來處理電信號的方法的
流程圖。
具體實施例方式
本發明致力於一種包括有源組件、L (電感)和C (電容)元件的帶 通濾波器，這裡標示為有源LC帶通濾波器，並且更具體來說，致力於這 樣的有源LC帶通濾波器，在高頻率下，所述有源LC帶通濾波器改善了 環路的Q值(品質因子)、選擇性(即形狀因子)和電壓增益，並且所述 有源LC帶通濾波器使用電感器-電容器對進行從單調諧、雙調諧到多調 諧的選定頻率調諧，並且其中，可以容易地進行調諧頻率的改變。本發 明的有源LC帶通濾波器具有不再主要由L和C元件的參數決定而由放大 器部件的頻率特性決定的高頻性能。只要放大器能夠在操作頻率下適當 操作，該電路就可以維持優良的性能。
基本技術和理論
可以從具有非常清晰的物理意義並直接描述物理過程的微分方程， 而不是從使用網絡的頻域理論的通常途徑，來直接理解本發明的有源LC 帶通濾波器的基本理論。從該角度來看，電感器是電流的微分單元，而 電容器是電壓的積分單元。由這兩個單元製作的環路當然由二階線性常 係數常微分方程系統來描述。二階線性常係數常微分方程具有兩種類型 的解，即，穩定解和振蕩解。當用在放大系統中時，穩定解是唯一期望 的解，而振蕩解是不期望的。二階線性常係數常微分方程的解由方程的 係數確定。二階非齊次方程的通解可以由具有激勵的非齊次方程的特解和齊次方程的通解聯合確定。儘管諧振頻率解也由方程的係數確定，但 是可以任意確定這些係數。因此，可以控制微分方程的解。
根據本發明，適當方程的解被限制在遠離諧振的範圍內，使放大系
數能夠在指定頻率下穩定地進行濾波和放大。參照附圖的圖1，有源LC 濾波器10包括從信號源Vs進行饋送的第一放大器12，該放大器12具有 第一放大率(amplifying p0wer) K,，並通過限流保護電阻14對具有第 一衰減因子q (電流衰減)的第一電位計13的遊標(wiper)進行饋送。 濾波器10還包括電感器15和串聯的電容器16，該電感器具有電感L和 內阻iy，該電容器具有電容C和極小的內阻r。。具有電阻r,的外部電阻 器17被串聯到電感器15，而具有電阻i"2的另一外部電阻器18被串聯到 電容器16。第一放大器12驅動L和r,諧振電路，還提供有源LC濾波器 10的輸出V。ut。電感L的反電動勢從V。"饋至第二放大器19，該第二放大 器19具有第二放大率K2並對具有第二衰減因子ct2 (電壓衰減)的第二電 位計20進行饋送，放大的信號穿過電容器16並進入電感器15。在輸出 V,^處生成、被第二放大器19放大的電壓還被饋送至第三電位計21，被 第三衰減因子《3衰減(電壓衰減)，並如22處所示，相加性地與輸入信 號V,組合。如上所述，該分量進一步被放大K,並被衰減c^，然後從電容 器16輸出，流過作為與電感器串聯的電阻的電阻器n，電阻器n和ra 是限流並自勵磁抑制的電阻。下面的方程描述了有源LC濾波器10:
方程左側的第一項為輸入Vs,如上所述，被第一放大器12放大；第 二項是反電動勢；第三項是在源於輸出V。ut的電流被放大K2並被衰減ct2， 並且通過電容器16饋給之後在兩個電阻iy和r,處產生的電壓；第四項是 當來自輸出V。ut並被放大K2、衰減&、進一步被放大K,並衰減c^，然後從 電容器16輸出的電流流過作為串聯電感器的電阻的電阻ri時在輸出處生 成的電壓。從上面預先未知的方程，可以獲得典型模式的二階常係數非 齊次常微分方程formula see original document page 12
方程右側是激勵源，即信號源vs。該常係數線性非齊次常微分方求
的特徵方程為
formula see original document page 12
兩個特徵根為
formula see original document page 12
該線性非齊次方程的通解可以很快獲得。衰減因子為: 1 為:
有初始條件確定兩個特定常數A和B￡ 在方程
formula see original document page 12
中，為了使正弦激勵函數Vs-V^iru^t具有穩定解，根號內的表達式 必須小於等於0。顯然，電容C至少比電感L小兩級(level)。通過調整 放大器的放大率的值和衰減因子的值，即K、 q、 K2和0C3，可以確切地 維持條件K^^cx3-1^0。以這種方式，可以確保解函數也為正弦函數。
變量恆定法(也已知為特定係數法，微分方程數學中的一種熟知方 法)快速產生非齊次方程的通解必o、ct2丄C" 、 合併、計算和求解之後，零初始條件下非齊次方程的特解最終表達 如下
。w 2rt 0t2ct2￡C (o> —必。)
方程中的其他項(未示出)因為太高的頻率而被過濾，所以不能檢 測這些項。
在正弦輸入信號，Vosinwt，的作用下，輸出信號與輸入信號的角頻
率W和方程的本徵解的角頻率W(j之間的差(即CO-Wo)成反比，並且與
w。LC也成反比。這確定了本發明的非常重要的特徵，即，當頻率差接近 較小的值時，有源IX帶通濾波器10具有非常大的輸出，並因此具有非 常高的電壓放大率以及非常高的品質因子Q。
上面示出了圖1的示例性有源LC帶通濾波器10的響應，該有源LC 帶通濾波器10僅具有一個諧振環。當電路中存在幾個諧振環時，該響應 規則應用於電路中的每個環。每個諧振環都具有與同一環路的參數對應 的頻率。這些頻率可以相同或不同。當諧振環的諧振頻率彼此不同時， 電路的輸出波形為堆疊這些不同頻率的所有波形的結果。
附加的有源組件可以被用於將對應數目的二階環路添加到使用相同 LC對的LC帶通濾波器中。此外，存在多種可用於形成串聯/並聯有源LC
濾波器電路的有源元件結構。環路的響應於正弦輸入的諧振頻率由上面 的方程(2)確定。在根表達式中，第二項的絕對值大於第一項，並且輸 出的正弦信號的頻率主要由第二項確定。因為包括K,、 &、 K2、 ot2以及a3 的其他參數遠大於L和C,所以該頻率主要由L和C的值確定，但是也稍 微受包括K,、 &、 K2、 &.以及(13在內的參數的影響。這是對應於各個諧振 環的頻率可以相同或不同的原因。
上面是對圖1的濾波器10所示例的串聯有源LC濾波器的理論分析。 進一步參照圖2，本發明的另一結構提供了具有典型低頻應用的並聯有源 LC帶通濾波器10'。可以基於前面的討論根據圖2展開與方程(1)對應 的微分方程，並且對應的理論分析對於本領域技術人員來說將是顯而易見的。本發明的有源LC帶通濾波器被公開為集中於串聯諧振，並且僅需 要柱形圖來例示並聯諧振，所述並聯諧振的工作機制可以通過參考串聯 諧振來討論。
進一步參照圖5，本發明由此提供了用於處理電信號的新穎方法40，
包括以下步驟
(a) 定義有源LC帶通濾波器的電路結構，該電路包括LC對，所 述LC對相連接的電感器和電容器，用來主諧振頻率處的諧振；以及多個 有源放大器，這些放大器以和所述LC對組合以形成至少一個諧振環的方 式被連接，所述諧振環包含至少一個電阻元件；
(b) 對於每個諧振環，形成常係數線性非齊次常微分方程的特徵方
程，所述特徵方程描述帶通濾波器、以-[t]土 /^2-4^的形式標識 所述微分方程的兩個特徵根，並選擇電路參數，從而使F2不小於1並且
針對本徵解的期望頻率為0>。 = 4^; (C)構建該電路；
(d)向所述帶通濾波器饋給電信號；以及
(e )從所述帶通濾波器提取輸出信號。該方法還可以包括以下步驟
調整所述電阻元件，來改變所述帶通濾波器的頻率響應特性，由此對應 地改變所述輸出信號。 .
使用有源組件補償環路的電阻損耗可以改善環路的Q值。應該理解， 過補償導致環路的自激(self-activation),並且電感器的電阻和電容 器的電阻將不再對諧振環的Q值有顯著影響。理論分析和實驗結果都證 明該結論是正確的。如可以在理論分析中看到的，將有源組件插入到諧 振環中的結果是環路的諧振頻率不再僅由電容器和電感器的值確定，還 受環路中其他元件的影響。通過調整環路中其他元件的參數，可以在不 改變電感值和電容值的情況下，改變二階非齊次方程解的頻率。通過使 用連接到相同電感器與電容器對的幾個不同環路，可以獲得幾個不同的 諧振頻率。因此，使用相同的L與C組成對，有源LC帶通濾波器能夠雙 諧振和多諧振，以減小形狀因子S (BW。VBW。.7)，來增加電壓增益並改善接收設備的選擇性。
從技術角度來看，實驗結果支持上面的理論分析。進一步參照圖3， 示例性頻率響應曲線示出了使用與普通中空電感器串聯的普通滌綸電容 器在765kHz的主頻處的雙諧振，所述普通中空電感器由單股商用薄漆包 銅線製作。這些元件被包括為圖1的電路中的電感器15 (電感L約為 43jiH)和電容器16 (電容C約為lnF)，第一和第二放大器12和19為 FET。
在上述實驗中，輸入為0.95mV，輸出為2776mV。因此，電壓放大率 為2922，即，電壓增益為69dB。測量的帶寬在-3dB處為BW。.7二12kHz，而 在-20dB處為BW。,Fll7kHz。該環具有Q=232的品質因子和S二9, 7的形狀 因子，用由無源L和C組成的對製作的單調諧環很難獲得這樣的因子。 因為單調諧的頻率響應曲線具有尖頂，所以從頻率響應曲線的圓頂來看，
與單調諧的差異是明顯的。實驗數據示出了這種雙調諧環的品質因子， 即環路的Q值，優選地不太高，因為這將增加環路的形狀因子。這是因 為，在本發明的有源LC帶通濾波器中，電感器和電容器自身不再是環路 的Q值的決定因子。和無源LC濾波器不同，電容器和電感器自身的電阻 以及在LC環路中串聯的電阻不再是確定環增益的僅有因子。實驗數據還 示出了環路的Q值不應該太低，因為這會增加環路的形狀因子。在LC值 保持不變的情況下，可能容易地用許多方式改變諧振環的Q值。如實驗 中所示出的，如果Q值被盲目地增加並且諧振頻率被調整為lMHz，則第 一級處的電壓放大率可以高於73dB,而形狀因子超過IO。實際上，根據 本發明的多諧振系統，僅提供了一個LC對。此外，這樣製作的多諧振的 有源LC帶通濾波器可以具有大於73dB的電壓放大率。
如上面的方程(3)中所示的，輸出電壓與齊次方程的本徵頻率成反 比，並且當輸入頻率增加時，它稍微降低。然而， 一方面，即使。。(o)-c^) 非常低，也可獲得較高的輸出電壓。另一方面，通過調整K,的值並增加 調諧環的數目可以增加輸出電壓，因此即使在非常高的頻率處，也可獲 得較大的輸出電壓。如電子放大器領域中的技術人員所已知的，可以通 過替換第一放大器12中的一個或更多個不同的有源元件和/或調整包括的諸如放大器的增益改變電位計的元件，來改變K,的值。
過去對無源單調諧LC諧振環的實驗示出，環路的Q值越高，則帶寬 越窄，並且放大率越大。然而，當工作在高頻處時，因為當工作頻率增 加時諧振環的損耗增加，所以無源LC帶通濾波器將不能具有非常高的Q 值。相反，由於有源組件補償了諧振環的能量損耗，並且補償的水平由 可調整的環路參數確定，所以本發明的有源LC帶通濾波器具有不同的性 質。以這種方式，即使工作在高頻處，環路的損耗也會降低，並且可具 有非常高的增益。當然，改善諧振環的Q值不應該是單一的目標。包括 環路的Q值、通帶寬度、電壓放大率以及形狀因子在內的所有參數都應 該被考慮。平衡這些參數來最優地使用該系統是重要的。
在使用單對L和C的雙諧振有源帶通濾波器中，兩個諧振環使用由 作為耦合元件的電感器和電容器組成的相同對。因此，該耦合是緊密的 耦合，並且諧振曲線是單峰的。上述實驗數據示出，與單諧振無源LC濾 波器相比較，有源LC濾波器具有高得多的性能、大得多的電壓增益和更 小的形狀因子。
當使用由電感器和電容器組成的相同對時，本發明的有源LC濾波器 可以具有多個諧振環，可以在對應頻率處調諧各諧振環，並且這些頻率 可以彼此不同。因此，可能具有多信道調諧，即基於相同電容器和電感 器對的多調諧。這是用己有的無源LC諧振電路無法獲得的。
潛在應用
諧振放大單元是信號處理系統的基本部件。本發明的有源LC帶通濾 波器具有插入的有源組件，從而當諧振頻率增加時，諧振環的質量不再
降低。因此，本發明的有源帶通濾波器放大單元在各種頻帶內具有廣泛 應用，所述頻帶的範圍可以從諸如機械振動的極低頻率到音頻頻率，再 到射頻。例如，它可以用在機械振動頻譜的各種傳感器內，用於進行實 時分析，並且可以用在超聲應用系統中，用於水下檢測應用。它還可以 用在無線接收系統中，來接收中波、短波和超短波信號，並且可以用在 移動通信接收系統以及TV接收應用中。有源LC帶通濾波器對於不同頻率的輸入信號具有選擇性的電壓增益，並且在諧振頻率處增益達到它的 最大值。如可以從上面實驗結果看到的，放大率在所得的鐘形頻率響應 曲線的兩側都迅速降低。有源帶通濾波器的頻譜放大一般不被相等對待， 而是被加權。在諧振頻率處，放大的權重最大，並且放大率也最大。可
獲得的測量結果示出了有源LC雙調諧系統的電壓放大率可以大於60dB。 在諧振的情況下，諧振曲線的形狀因子可以為6-12，甚至更小。當由L 和C組成的相同對在這種諧振系統中作為諧振元件被共享時，兩個諧振 環被非常緊密地耦合，並且頻率曲線是圓頂和單峰的。這允許直接替換 有線或無線接收系統中的原始(現有技術)LC帶通輸入單元，以用較高 的放大率對選擇的頻率的輸入信號進行加權放大。然後，電阻或有源組 件的網絡被用來在頻譜處以相等的功率權重壓縮從濾波器輸出的信號， 並將壓縮的信號饋入用於頻率轉換的轉換級。從有源IX帶通濾波器單元 輸出的信號的範圍非常寬，並且這種巨大信號不能被直接饋入電晶體頻 率轉換級。廣為人知地，如果饋入電晶體頻率轉換級的信號太大，則頻 率轉換不能被正確完成。應該理解，使用模擬乘法器而使成本顯著增加 是不可行的。接收系統隨後的超差接收布置(layout)保持不變。因為 衰減電阻的網絡或有源組件的衰減器為各單獨頻率提供了輸入信號的相 同加權的衰減，所以諧振曲線兩側的信號都動態降低，從而諧振環的形 狀因子減小。因此，該系統顯著改善了接收系統的靈敏性和選擇性、減 小了噪聲幹擾，並改善了輸出信號的SNR。
顯然，由本發明的有源LC濾波器製作的諧振單元可以被直接用來替 換超外差接收系統的輸入單元的原始無源LC諧振單元。這種簡單替換可 以在不改變超差接收系統的原始布置的情況下，顯著改善接收系統的接 收靈敏性與選擇性以及SNR。接收系統的接收靈敏性僅取決於該系統的 SNR， SNR主要由前置級處接收系統的性能確定。第一級放大單元之後的 隨後級處的放大對第一級單元的SNR的改善沒有很大影響。這種簡單修 改將顯著改善超差接收系統的接收性能。當然，其他類型的無線通信移 動電話也可以將有源LC諧振器用作緊接在天線之後的高頻放大單元，用 來顯著增加接收靈敏性、使網站之間的距離變窄，並減少網站的數目。所有這些都是最簡單、方便、直接的應用，在這些應用中，可以最容易 地獲得最佳的結果。
當然，和已有雙調諧一樣，電容或互感可以耦合到有源單調諧或者 由兩對電感器與電容器製作的有源雙或多調諧的兩個獨立帶通濾波器單 元的諧振環，以減小這兩個單元之間的耦合度，從而可以獲得平頂(臨 界耦合)或單峰(鬆耦合)諧振曲線。這進一步減小了形狀因子，並增 加了電壓增益。根據當前的實驗結果，該系統具有比無源雙調諧系統高 得多的性能。與當前使用的典型中頻放大器相比較，由這種有源帶通濾 波器製作的中頻放大器的使用提供了高得多的電壓增益。這可能是有線 和無線接收系統的性能未來改善的方向。
通過改變二階微分方程的一階導數之前的係數，可以容易並迅速獲 得穩定解和振蕩解之間的轉移。實驗結果支持該理論結果。這是在單類 型電路中有益地提供放大和振蕩的電路。
儘管本發明是參照本發明的某些優選版本相當詳細地描述的，但是 其他版本也是可能的。因此，所附權利要求的精神和範圍不是必須限制 到其中包含的優選版本的描述。
權利要求
1.一種有源LC帶通濾波器，所述帶通濾波器包括(a)LC對，所述LC對為相連的電感器和電容器，用於諧振；(b)多個有源放大器；(c)所述放大器以與所述LC對組合以形成至少一個諧振電路的方式連接；以及(d)多個可調整的電阻元件，每個所述電阻元件由所述多個放大器之一饋給，來在不改變所述濾波器的電感元件或電容元件的情況下，改變所述濾波器的增益、諧振頻率和/或形狀因子。
2. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，其中，所述有源放大器補償 因高頻輻射導致的所述LC對的電阻損耗和諧振能量損耗。
3. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，其中，至少一個所述可調整 電阻元件包括電位計。
4. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，所述帶通濾波器還包括在所 述多個放大器之一和所述多個可調整電阻元件中對應的一個可調整電阻 元件之間串聯的限流電阻器。
5. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，其中，所述放大器形成僅使 用一個LC對的多個分立的諧振電路。
6. 根據權利要求5所述的帶通濾波器，其中，所述分立的諧振電路能夠在不同的預定的獨立頻率處諧振。
7. 根據權利要求6所述的帶通濾波器，其中，所述不同的頻率在所 述LC對處相加，所述濾波器還包括連接到所述LC對用於對下一級電路 進行饋給的運算放大器。
8. 根據權利要求5所述的帶通濾波器，其中，所述多個諧振電路能 夠在近相隔的頻率處諧振，來形成單峰頻率響應曲線。
9. 根據權利要求5所述的帶通濾波器，其中，通帶適合於在寬帶通信接收單元中使用。
10. 根據權利要求5所述的帶通濾波器，其中，通帶適於在具有多個子信道的擴頻通信接收單元中使用。
11. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，其中，所述LC對被串聯連接。
12. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，其中，所述LC對被並聯連接。
13. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，能夠單諧振、雙諧振和多 諧振。
14. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，具有隨所述濾波器的工作 頻率增加的電路輸出電壓放大。
15. 根據權利要求1所述的帶通濾波器，具有至少為2000的電壓增 益G、至少為200的品質因子Q，和不大於10的形狀因子S。
16. —種包括權利要求1所述的帶通濾波器的接收系統。
17. —種有源LC帶通濾波器，所述帶通濾波器包括(a) LC對，所述LC對為相連接的電感器和電容器，用於諧振；(b) 多個有源放大器；(c) 所述放大器以與所述LC對組合以形成至少一個諧振電路的方 式被連接；以及(d) 用於改變的裝置，用來在不改變所述濾波器的電感元件或電容 元件的情況下，改變所述濾波器的諧振頻率。
18. 根據權利要求17所述的帶通濾波器，其中，所述有源放大器補 償高頻輻射造成的所述LC對的電阻損耗和諧振能量損耗。
19. 根據權利要求17所述的帶通濾波器，其中，所述用於改變的裝 置包括電位計。
20. 根據權利要求17所述的帶通濾波器，其中，至少一個所述有源 放大器包括有源電路元件，並且所述用於改變的裝置包括其中適當連接 的不同有源電路元件。
21. —種用於處理電信號的方法，所述方法包括以下步驟 (a)提供有源LC帶通濾波器，所述有源LC帶通濾波器包括(i)LC對，所述LC對為相連接的電感器和電容器，用於主諧振頻率處的諧振;(ii)多個有源放大器；並且(iii)所述放大器以與所述LC對組合以形成至少一個諧 振環的方式被連接，所述諧振環包括至少一個電阻元件；(b) 向所述帶通濾波器饋送所述電信號；(c) 從所述帶通濾波器提取輸出信號；以及(d) 調整所述電阻元件來改變所述帶通濾波器的頻率響應特性，由 此對應地改變所述輸出信號。
22. 根據權利要求21所述的方法，其中，所述電信號是在頻帶內具 有多個頻率信道的無線信號，並且調整對於選擇所述多個信道中特定的 一個信道是有效的。
23. 根據權利要求21所述的方法，其中，所述帶通濾波器在第一工 作頻率處是可操作的，所述方法還包括以下步驟改變所述電容器使所 述帶通濾波器工作在不同工作頻率處。
24. —種用於處理電信號的方法，該方法包括以下步驟(a)定義用於有源LC帶通濾波器的電路結構，所述有源LC帶通濾 波器包括-(i) LC對，所述LC對為相連接的電感器和電容器，用於 主諧振頻率處的諧振；(iii)所述放大器以與所述LC對組合以形成至少一個諧 振環的方式連接，所述諧振環包括至少一個電阻元件； (b)對於每個諧振環(i)形成描述所述帶通濾波器的常係數線性非齊次常微分 方程的特徵方程；(ii)多個有源放大器；並且的兩個特徵根；並且(iii)選擇電路參數，從而使F2不小於1，且本徵解的期望頻率W。-JF^ — 4^;(c) 構建所述電路；(d) 向所述帶通濾波器饋給所述電信號；以及(e) 從所述帶通濾波器提取輸出信號。
25. 根據權利要求24所述的方法，所述方法還包括以下步驟調整 所述電阻元件來改變所述帶通濾波器的頻率響應特性，由此對應地改變 所述輸出信號。
26. 根據權利要求25所述的方法，其中，所述電信號是在頻帶內具 有多個頻率信道的無線信號，並且調整對於選擇所述多個信道中特定的 一個信道是有效的。
全文摘要
有源LC帶通濾波器10包括提供多個分離的諧振電路的單個LC對和多個有源放大器。所述有源放大器補償電阻損耗、高頻趨膚效應和高頻輻射。每個電路都具有諧振頻率，可通過僅改變一個或更多個有源放大器的參數來調整所述諧振頻率。濾波器10具有非常高的可調整品質值Q、非常低的形狀因子S、相對高的信噪比以及隨頻率增加的非常高的電壓增益。高頻性能不受所述LC對的品質的影響，僅受所述放大器組件的高頻性能的限制。還公開了一種使用所述有源LC帶通濾波器10來處理電信號的方法。
文檔編號H03H11/12GK101553982SQ200680056490
公開日2009年10月7日 申請日期2006年11月30日 優先權日2006年11月30日
發明者張雲鶚 申請人:錫安公司