一种基于有线数字电视的带阻滤波器的制造方法

一种基于有线数字电视的带阻滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及有线数字电视技术领域，尤其是涉及一种用于有线数字电视广播的信 道消除的带阻滤波器设计方法。
【背景技术】
[0002] 在有线数字电视（DCTV)系统中，正交振幅调制（QAM)能够用于DVB-C和ATSC标 准中的信道编码调制。在DVB-C网络中，调制QAM信号可得到200MHz到800MHz间的中心 频点，中心频点具有8MHz左右的窄带带宽。通常情况下，一个8MHz的DVB-C信道的有效带 宽为6. 8966MHz(64QAM，a= 〇. 16)，两个相邻的QAM信号之间的频带约为1. 1MHz。因此 用于信道消除的带阻滤波器的过渡带宽应窄于1. 1MHz，确保滤波器不会破坏相邻的信道。 目前，关于带阻滤波器的设计方法已经有很多，如微带线、共面波导（CPW)结构、SAW等。在 这些滤波方法中，同轴谐振腔滤波器凭借其良好的选择性和高品质因数被广泛应用于 无线通信系统。近年来，同轴谐振腔滤波器的实现也采用了许多技术，如阶梯阻抗谐振器 (SIR)，交叉耦合，采用探针和圆环激励的介质谐振器等。但是，这些实现技术的反射带宽并 不够窄，过渡带宽也往往大于1. 1MHz。因此，现有的方法并不能满足DCTV网络中信道消除 应用的需求。

【发明内容】

[0003] 为了克服上述现有技术的问题，基于上述技术问题，本发明提出了一种基于有线 数字电视的带阻滤波器，实现了基于曲流输电线路和弱耦合同轴阶梯阻抗谐振器（SIRS) 的DCTV信道消除滤波器的设计。
[0004] 本发明提出了一种基于有线数字电视的带阻滤波器，该设备包含多阶级联同轴 SIR单元和隔离板6 ;其中：所述级联同轴SIR单元由多个同轴SIR单元7级联构成，所述同 轴SIR单元7由传输线4、同轴SIR谐振腔1、谐振杆2及其末端设置的谐振螺帽7和调谐 螺杆3组成；相邻的同轴SIR单元7之间用隔离板分隔开；所述谐振杆2同轴贯穿设置于同 轴SIR谐振腔1中，调谐螺杆3垂直于谐振杆2设置，相邻两个所述同轴SIR谐振腔1之间 通过传输线4连接；
[0005] 所述传输线4用于信号的传输，而同轴SIR谐振腔1用于生成指定频率附近的能 量耦合效应来完成传输信号的并联；所述同轴SIR谐振腔1中谐振螺帽7的半径r、谐振杆 2的半径r'、谐振杆2到传输线4的距离h和调谐螺杆3到谐振杆2的距离h'用来调整 滤波器的中心频率、反射带宽。
[0006] 与现有技术相比，本发明设计的带阻滤波器具有如下技术效果：
[0007] 1)通过选取6阶级联滤波单元来完成滤波器的设计，能够得到DCTV信道消除滤波 器的超窄带反射带宽（大约7MHz)和1. 1MHz的过渡带宽需求；
[0008] 2)该滤波器可以通过铝材等实现，极大的降低了滤波器的生产成本，具有优良的 选择性和低衰减、低成本的特性；
[0009] 3)该设计是DCTV网络信道消除应用的先进的解决方案；
[0010] 4)可以广泛用于诸如酒店、校园、社区等DCTV传输节点。
【附图说明】
[0011] 图1为有线数字电视网络的信道消除过程示意图；(a)为输入DCTV信号曲线 (64QAM，a= 〇? 16)，（b)为378MHz频率处的带阻滤波器的频率响应曲线，（c)为带阻滤波 器输出信号曲线；
[0012] 图2为n阶带阻L-C集总电路模型电路图；
[0013] 图3为n阶低通滤波器模型电路图；
[0014] 图4为同轴SIR滤波单元结构示意图，（4a)左视图，（4b)俯视图，2、谐振杆，3、调 谐螺杆，4、传输线，7、谐振螺帽；
[0015]图5为谐振频率& (MHz)、h和r间的变化关系曲线图；
[0016] 图6为2阶级联滤波单元电路图；
[0017] 图7为本发明的带阻滤波器结构示意图；（7a)主视图，（7b)仰视图；1、同轴SIR谐 振腔，2、谐振杆，3、调谐螺杆，4、传输线，5、隔离板，6、同轴SIR单元；
[0018] 图8为滤波器的简化等效电路模型图；
[0019] 图9为同轴谐振腔滤波器的实物图；
[0020] 图10为使用HFSS仿真的频率响应曲线图；
[0021] 图11为使用网络分析仪测量实物的频率响应曲线显示界面图；
[0022] 图12为现实DVTV网络中的输入信号曲线图；
[0023] 图13为滤波后的输出信号曲线图。
【具体实施方式】
[0024] 下面将结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细描述，这些实施方式若存在示 例性的内容，不应解释成对本发明的限制。
[0025] 图1为DCTV网络的信道消除过程示意图。DCTV网络中的输入信号、378MHz频率 处的带阻滤波器的频率响应、带阻滤波器的输出信号分别如图1 (a)、1 (b)、1 (c)所示。通常 情况下，一个8MHz的DVB-C信道的有效带宽为6. 8966MHz(64QAM，a= 〇. 16)，两个相邻的 QAM信号之间的频带约为1. 1MHz。在实际DCTV网络中，许多传输站（如机场，购物商场和 酒店等）需要用当地的节目代替一些原有的DCTV信道。例如，酒店需要在DCTV信号中插 播视频广告来发送一些食品和娱乐信息。在本地节目插入到DCTV信号前，需要将占据该信 道带宽的原信号移除。以378MHz的中心频点信道为例，频率响应如图1(b)所示的带阻滤 波器能够移除该信道，本地节目能够插入进来，如图1(c)所示。
[0026] 为了得到高选择性和较窄的反射带宽，采用具有多个传输零点和极点的多层滤波 结构来设计信道消除滤波器。n阶集总L-C带阻滤波器模型如图2所示，该模型是基于如图 3所示的n阶低通滤波器模型衍生出来的。图3中的L-C并联部分（U-Q，L2-C2，…，Ln-Cn) 作为一个谐振器生成多反射极点。该极点能够实现高选择性。如果用fi(i= 1，2, ...，n) 代表每个谐振器的谐振频率，可以得到以下公式：
[0027]
[0028] 耦合系数可以通过改变相对于每个谐振腔的谐振频率进行调整。当电容Cji= 1. 2, . . .，3)小到可以忽略不计时，第i个谐振器可看作电感Q，传输信号在频率fH(i= 1，2, . . .，n)处被反射，如公式（2)所示：
[0029]
⑵
[0030] 谐振器间的耦合系数（ky，可以通过公式（3)得到：
[0031]
(3)
[0032] Aphsft表示的是传输信号的相位偏移，f^表示相邻L-C电路间的谐振频率。由公 式⑶可以看出，当h的绝对值减少时，反射带宽也将变得更窄。因此，可以使用图3中的 相位偏移结构Ji，i+1(i= 1，2,. . .，n-1)来调整耦合效果。
[0033] 对于品质因数（Q)，输入和输出的值可以通过以下公式进行计算：
[0034] ⑷
[0035] (5)
[0036] gd,gi,gn,gn+1分别为低通滤波器元件值，w' 1是归一化低通滤波器截止频率，f。是 反射带宽的中心频率。由于输入输出需要满足阻抗匹配，因此，gngn+1，0：： =2= =2。 品质因数Q也可以通过以下公式得到：
[0037] (6)
[0038] BR±9(I。表示滤波频率附近±90°相位变化的带宽，&是反射带宽的中心频率。
[0039]在公式（6)中，品质因数Q受中心频率、反射带宽 w'1和BR±9(I。共同影响。由 于f〇和:受需要消除的DCTV信道参数的影响，在此需要设计一个可调相位的滤波单元 来得到高的品质因数Q。
[0040]如图4所示，同轴SIR单元作为本发明的带阻滤波器的基本单元由传输线（4)、同 轴SIR谐振腔（1)、谐振杆（2)及其末端设置的谐振螺帽（7)和调谐螺杆（3)组成。传输线 用于信号的传输，而同轴SIR用于生成指定频率附近的能量耦合效应来完成传输信号的并 联。同轴SIR谐振腔（1)中的谐振螺帽的半径（r)、谐振杆（2)的半径（r')、谐振杆（2) 到传输线（4)的距离（h)和调谐螺杆（3)到谐振杆（2)的距离（h')用来调整滤波器的中 心频率、反射带宽等参数。图4中的同轴SIR相当于图3中的集总L-C模型。相比于传统 谐振器，在兼顾阻抗比的前提下，本发明的SIR在长度上具有更灵活的特点。单一同轴SIR 单元的谐振频率主要受h和r的影响。当r'= 2. 5mm时，谐振频率fd(MHz)、h和r间的变 化关系如图5所示。图4中的带阻单元只能生成一个滤波极点，在此使用级联单元来得到 更多的极点和传输零点，进一步改善滤波特性。图6展示了 2阶级联滤波单元的模型，该模 型的插入损耗S21可通过以下公式（7)进行计算。
[0046] 由公式（7)可以看出，2阶级联滤波单元的插入损耗S21有多个传输零点
)和极点。零点的位置可以通过改变q，hQa = 1,2,.......)进行调整。同时，2阶级联滤波单元的中心频率、带宽和过渡带宽也将相应 的调整。
[0047] 当级联滤波单元的数量增加到n阶时，相应的传输零点和极点也会更多。然而，滤 波器的成本也会随着级联滤波单元n的增加而增加。因此，n的选择应该权衡考虑滤波性 能和成本。考虑DCTV信道消除滤波器7MHz的反射带宽和1. 1MHz的过渡带宽需求，在此选 择6阶级联滤波单元来实现滤波器的设计。由6个图4中的滤波单元构成的滤波器模型如 图7所示。该滤波器是基于集总L-C带阻滤波器模型进行设计。通过曲流输电线路、级联 同轴SIR单元和隔离板可以实现该滤波器的设计。曲流输电线路用于信号的传输，而同轴 SIR用于生成指定频率附近的能量耦合效应来完成传输信号的并联。滤波器的中心频点可 以通过调整同轴SIR的相关参数实现。实验结果表明设计的滤波器在高选择性的前提下具 有优良的反射电平值、带宽、过渡带宽等。同时，该滤波器能够应用于现实DCTV网络，实现 低成本的有线数字电视信道消除。
[0048] 6阶同轴SIRs滤波器的等效电路如图8所示，同轴SIRs可视为L-C分流电路，如 U-Ci，L2-C2等。Cn，C22等是谐振器和传输线间的耦合电容。此外，在曲流输电线路、隔离板和 相邻的同轴SIRs间的耦合网络等价于如图所示的J56相位偏移器。图4所示的同轴SIR的半 径r可视为图8中的，参数W，h将会改变图8中的CpLi。因此，参数r，W，h可以显 著影响电场和磁场的耦合效应。图8中的调谐螺钉也会影响滤波特性，改变图4所示的参数 h'可得到所需的谐振频率和高Q值带宽。因此，滤波单元的谐振频率主要受r，r'，h，h' 参数的影响。
[0049] 图9给出了设计滤波器的实物图。图9中的调谐螺钉用于调整图4中的参数h'。 仿真结果如图10所示，通过网络分析仪测量的实际滤波器的频率响应如图11所示。图10 和图11的良好的一致性证明了该滤波器设计方法的可行性。
[0050] 如图11所示，设计的滤波器实测结果具有1MHz的过渡带宽（_3dB到-27dB) 和6MHz的窄带反射带宽。同时，滤波器也得到-27dB的反射电平值，Sn在反射带宽（低 于-27dB)间高于-0. 5dB。通过公式（4)、（5)、（6)计算可得到设计的滤波器的Q值大概为 1000。尽管图11表明设计的滤波器对相邻信道的信号有微小的影响（大约2dB的功率衰 减），但是相邻信道的信号质量在滤波后仍然是可以接收的。综上所述，设计的滤波器的反 射电平值、反射带宽和Q值都足以满足移除中心频点为378MHz的DCTV信道。
[0051] 在实验过程中，我们也建立了真实的DCTV环境来评估设计的滤波器在现实的 DCTV网络中的性能。一个在连续信道上的DCTV信号可以通过QAM调制器生成。该信号发 送到滤波器上来删除中心频点为378MHz的信道。使用频谱分析仪得到的输入和输出的信 号如图12和图13所示。由图13可以看出，在保证相邻信道信号质量的前提下，滤波器已 经成功的移除了 378MHz的信道。此外，我们也测试了滤波后相应的功率、MER和FLT衰减。 测试结果如原信号和滤波后的DCVT信号的参数变化表所示。由测试结果可以看出，378MHz 信道的功率完全被抑制，相邻信道则只有2dB的功率衰减。同时，相邻信道的MER仅有1. 8dB 的衰减，而FLT基本不变。此外，我们也使用了另外一种QAM调制器来生成一个中心频点为 378MHz的新的信号。新信道的信号与滤波后的信号混合在一起发送到DCTV常用的机顶盒 (STB)上。三个信道的节目通过机顶盒成功播放。
[0052] 通过调整r，r'，h，h'等参数，可以得到中心频点从200MHz到800MHz间变化的 指定频点的带阻滤波器的设计。设计的滤波器可以通过低成本的铝材进行实现，从而可以 很好的应用于酒店、医院和校园等场所，实现DCTV信道消除和本地的节目插播。
[0053] 原信号和滤波后的DCVT信号的参数变化表
[0054]

【主权项】
1. 一种基于有线数字电视的带阻滤波器，其特征在于，该设备包含级联同轴SIR单元 和隔离板（5);其中：所述级联同轴SIR单元由多个同轴SIR单元（6)级联构成，所述同轴 SIR单元（6)由传输线（4)、同轴SIR谐振腔（1)、谐振杆（2)及其末端设置的谐振螺帽（7) 和调谐螺杆（3)组成；相邻的同轴SIR单元（6)之间用隔离板分隔开；所述谐振杆（2)同轴 贯穿设置于同轴SIR谐振腔（1)中，调谐螺杆（3)垂直于谐振杆（2)设置，相邻两个所述同 轴SIR谐振腔⑴之间通过传输线⑷连接； 所述传输线（4)用于信号的传输，而同轴SIR谐振腔（1)用于生成指定频率附近的能 量耦合效应来完成传输信号的并联；所述同轴SIR谐振腔（1)中谐振螺帽（7)的半径r、谐 振杆（2)的半径r'、谐振杆（2)到传输线（4)的距离h和调谐螺杆（3)到谐振杆（2)的距 离h'用来调整滤波器的中心频率、反射带宽。
【专利摘要】本发明公开了一种基于有线数字电视的带阻滤波器，包含级联同轴SIR单元和隔离板(5)；其中：所述级联同轴SIR单元由多个同轴SIR单元(6)级联构成，所述同轴SIR单元(6)由传输线(4)、同轴SIR谐振腔(1)、谐振杆(2)及其末端设置的谐振螺帽(7)和调谐螺杆(3)组成；相邻的同轴SIR单元(6)之间用隔离板分隔开；所述谐振杆(2)同轴贯穿设置于同轴SIR谐振腔(1)中，调谐螺杆(3)垂直于谐振杆(2)设置，相邻两个所述同轴SIR谐振腔(1)之间通过传输线(4)连接。本发明能够得到DCTV信道消除滤波器的超窄带反射带宽7MHz)，具有优良的选择性和低衰减、低成本的特性；该设计是DCTV网络信道消除应用的先进的解决方案；可以广泛用于诸如酒店、校园、社区等DCTV传输节点。
【IPC分类】H01P1/20
【公开号】CN104882649
【申请号】CN201510218258
【发明人】刘昱, 徐放, 高雄, 张亦驰, 李海宾, 李胜龙
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月30日