DE19652799A1 - Mikrowellenfilter - Google Patents

Description

Bei Bittransportsystemen, wie z. B. Anschlußnetze für ATM (Asynchronous Transfer Mode) - Übertragungssysteme AN/A (für: Access Network/ATM) werden u. a. sogenannte Crossover- Frequenzweichen mit hohen Anforderungen an die Selektivität und mit geringen Verlusten bis zu Frequenzen von 1 GHz benö­ tigt.

Der Anmeldungsgegenstand betrifft einen Streifenleitungsfil­ ter gemäß dem Anspruch 1.

Aus der EP 03 73 028 ist ein Streifenleitungsfilter bekannt, bei dem die auf einer ersten Oberfläche des Substrats aufge­ brachten Bandleiter einer Metallisierung, die auf der zweiten Oberfläche des Substrats voll flächig aufgebracht ist und die mit dem Bezugspotential verbunden ist, gegenüberliegen. In einer besonderen Ausführungsform ist das bekannte Streifen­ leitungsfilter zur Verringerung der beanspruchten Fläche ge­ faltet, wobei die das Bezugspotential führenden Metallisie­ rungen aneinanderliegen und die Bandleiter jedenfalls einer das Bezugspotential führenden Metallisierung gegenüberliegen.

Die vorgeschlagene Resonatoranordnung mit gefalteten Resona­ toren ohne dazwischenliegender Bezugspotentialebene weist ge­ genüber der bekannten Anordnung eine kürzere Länge der Band­ leiter, eine höhere Güte und weiter eine kleinere Verkopplung zwischen den einzelnen Resonatoren auf. Dies wird auf gerin­ gere Feldverdrängungsverluste und darauf, daß die gefalteten Resonatoren nicht auf der ganzen Länge über einen gemeinsamen Massebelag verkoppelt sind, zurückgeführt. Im übrigen läßt sich das vorgeschlagene Streifenleitungsfilter in einem auto­ matisierten Prozeß fertigen und weist damit den Vorteil eines geringen Aufwandes für die Herstellung auf.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung schließen die Enden zu­ gehöriger Bandleiterabschnitte mit der Kante des Substrats ab und die Bandleiterabschnitte sind durch eine um die Schmal­ seite des Substrats herumgeführte Metallisierung zu einem Bandleiter verbunden. Diese Maßnahme erübrigt das Einbringen von Durchbrüchen in das Substrat.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung sind die Enden zugehöri­ ger Bandleiterabschnitte durch mindestens eine elektrisch leitende Durchkontaktierung zu einem Bandleiter verbunden. Diese Maßnahme bringt eine von der Kante des Substrats unab­ hängige Anordenbarkeit eines Bandleiterresonators mit sich.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung sind die Enden der Band­ leiter über ein durch eine Induktivität oder eine Kapazität gegebenes Verkopplungselement verbunden. Auf diese Weise kön­ nen Filter verschiedener Art (z. B. Tiefpässe oder Bandpässe) nach weitgehendem Belieben bezüglich der Bandbreite und Fre­ quenzlage realisiert werden.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung ist ein Ende eines Band­ leiters mit einer auf das Substrat aufmetallisierten Leiter­ bahn verbunden. Diese Maßnahme bringt eine Herstellbarkeit eines Bandleiters und einer Leiterbahn in einem Arbeitsgang mit sich.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung ist ein Verkopplungsele­ ment mit einer Leiterbahn gebildet. Diese Maßnahme bringt durch Realisierung eines Verkopplungselementes in einer als gedruckte Schaltung bekannten Ausführung eine zusammen mit anderen auf das Substrat aufzumetallisierender Flächen in ei­ nem Arbeitsgang mit sich und erspart die Anordnung eines dis­ kreten Bauelements.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung trägt eine auf das Substrat aufgebrachte Leiterbahn ein diskretes Verkopplungse­ lement. Auf diese Weise ist ein Hybridfilter gebildet, bei dem ein Bandleiter und ein Verkopplungselement auf einem Substrat angeordnet sind. Weiter können durch Bestückung mit unterschiedlichen Verkopplungselementen Filter verschiedener Art (z. B. Tiefpässe oder Bandpässe) nach weitgehendem Belie­ ben bezüglich der Bandbreite und Frequenzlage mit der glei­ chen Substratplatte realisiert werden.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung ist ein Anschluß der An­ ordnung auf dem Substrat aufgebracht. Diese Maßnahme bringt eine einfache Anschließbarkeit der Anordnung mit sich.

Das Aufbringen der Metallisierungen in Dickschichttechnik oder in Dünnschichttechnik auf das Substrat bringt eine Her­ stellbarkeit in einer gängigen Technologie mit sich.

Der Anmeldungsgegenstand wird im folgenden als Ausführungs­ beispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang an­ hand von Fig. näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1a und Fig. 1b perspektivische Darstellungen eines anmel­ dungsgemäßen Streifenleitungsfilters,

Fig. 2a und Fig. 2b zueinander äquivalente elektrische Ersatz­ schaltungen für das Filter nach Fig. 1, gültig für die λ/4 Frequenz,

Fig. 3 den Dämpfungsverlauf eines Filters nach Fig. 1,

Fig. 4 ein dielektrisches Bandpaßfilter mit Bandleitungsreso­ natoren unterschiedlicher Länge,

Fig. 5 eine elektrische Ersatzschaltung für das Filter nach Fig. 4, gültig für die λ/4 Frequenz,

Fig. 6 den Dämpfungsverlauf eines Filters nach Fig. 5 und

Fig. 7 einen Streifenleitungsfilter mit Durchkontaktierungen.

Die Beschreibung eines in einer Figur bezeichneten und/oder dargestellten Elements trifft gilt gleichermaßen für gleich bezeichnete und/oder gleich dargestellte Elemente anderer Fi­ guren.

Das in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellte Bandleitungsfilter ist mit einem dielektrischen Substrat S, das durch eine Keramik gegeben sein kann, gebildet. Das Substrat ist insbesondere durch eine dünne, rechteckige Substratplatte der Dicke h ge­ geben, bei der die einander gegenüberliegenden großflächigen Oberflächen eine erste Hauptoberfläche HO 1 und eine zweite Hauptoberfläche HO 2 bilden.

Auf die erste Hauptoberfläche ist eine Mehrzahl paralleler Bandleiterabschnitte in einer Breite W und einem Abstand a angeordnet. Die Länge l eines Bandleiterabschnitts gleicht einem Viertel der Wellenlänge λ der zu behandelnden Frequenz eines elektrischen Signals. Auf der zweiten Hauptoberfläche sind zu den Bandleiterabschnitten der ersten Hauptoberfläche in der Draufsicht auf die Hauptoberfläche deckungsgleiche Bandleiterabschnitte angeordnet. Ein Bandleiterabschnitt der ersten Hauptoberfläche und der zugehörige deckungsgleiche Bandleiterabschnitt der zweiten Hauptoberfläche sind durch geeignete Mittel zu einem Bandleiter elektrisch verbunden. Ein mit dem Bandleiterabschnitt der ersten Hauptoberfläche verbundener Bandleiterabschnitt der zweiten Hauptoberfläche bildet einen durch einen Bandleiter gegebenen λ/4-Resonator. Die Verbindung der Bandleiterabschnitte bildet gewissermaßen den Kurzschluß des λ/4-Resonators. Schließen die Enden der Bandleiterabschnitte mit der Kante des Substrats ab, erfolgt die Verbindung vorteilhafterweise mittels einer um die Schmalseite SF des Substrats herumgeführten Metallisierung. Eine andere Verbindung zugehöriger Bandleiterabschnitte ist durch eine oder mehrere Durchkontaktierungen (DK in Fig. 7) an den Enden der Bandleiterabschnitte gegeben. Die Enden der Bandleiter auf der zweiten Hauptoberfläche sind mit dem Be­ zugspotential, das in Fachkreisen auch als Masse bezeichnet wird, verbunden. Die Verbindung mit dem Bezugspotential ist durch eine Metallisierung bewirkt, die rechtwinklig zu der Längsachse der Bandleiter verläuft und die auf die zweite Hauptoberfläche aufgebracht ist. Die Metallisierung für das Bezugspotential ist in einer bevorzugten Ausführungsform um die Schmalseite und gegebenenfalls ein Stück weit auf die er­ ste Hauptoberfläche herumgeführt.

Die Enden der Bandleiter auf der ersten Hauptoberfläche sind mit Verkopplungselementen untereinander verbunden. Die Ver­ kopplungselemente sind durch Kopplungsimpedanzen, wie z. B. Kondensatoren und/oder Koppelspulen gegeben. Auf das Substrat mögen Leiterbahnen L aufgebracht sein, die eine Aufnahme für als diskrete Bauelemente gegebene Verkopplungselemente, wie z. B. einen Chipkondensator C1. . .C9 und/oder eine diskrete Kop­ pelspule L1. . .L3 bilden und die eine elektrische Verbindung zwischen den Enden der Bandleiterabschnitte und den Verkopp­ lungselementen schaffen. Die Leiterbahnen können so ausge­ staltet sein, daß sie die Verkopplungselemente als sogenannte gedruckte Schaltung ausbilden. Die Enden der äußeren Bandlei­ ter auf der ersten Hauptoberfläche sind gegebenenfalls über Verkopplungselemente mit einem Eingangsanschluß E bzw. mit einem Ausgangsanschluß A verbunden. Der Eingangsanschluß und/oder der Ausgangsanschluß können auf der ersten Haupto­ berfläche aufgebracht und über Leiterbahnen mit den Enden der äußeren Bandleiter verbunden sein.

Die auf das Substrat aufgebrachten Bandleiterabschnitte, die Metallisierung des Bezugspotentials, die Leiterbahnen und ge­ gebenenfalls die als gedruckte Schaltung gegebenen Verkopp­ lungselemente mögen durch in Dickschichttechnik oder in Dünn­ schichttechnik auf das Substrat aufgebrachte Metallisierungen M gegeben sein.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung bildet ein Streifenlei­ tungsfilter. Die zu einem Bandleiter verbundenen Bandleiter­ abschnitte bilden einen gefalteten Bandleiterresonator. Bei Anordnung von diskreten Verkopplungselementen auf dem Substrat des Streifenleitungsfilters ist speziell ein Hybrid­ filter gebildet.

Die Fig. 2a und 2b zeigen zueinander äquivalente, elektrische Ersatzschaltungen von Fig. 1 gültig für die λ/4-Frequenz. In der Ersatzschaltung ist ein Bandleiterresonator R als Paral­ lelschaltung einer Kapazität und einer Induktivität wiederge­ geben.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Dämpfung in dB über der Frequenz für den Bandpaß aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt einen Streifenleitungsfilter mit unterschiedlich langen Resonatoren R1. . .R4. Die Bandleiterabschnitte sind so angeordnet, daß ihre Enden - unabhängig von ihrer Länge - mit einer Kante des Substrats abschließen. Die gewissermaßen ei­ nen Kurzschluß bewirkende Verbindung zugehöriger Bandleiter­ abschnitte ist durch eine um die Schmalseite des Substrats herumgeführte Metallisierung bewirkt. Die das Bezugspotential führende Metallisierung ist auf der zweiten Hauptoberfläche des Substrats flächig bis an die Bandleiterabschnitte heran­ geführt.

In Fig. 5 ist die für die λ/4-Frequenz gültige elektrische Er­ satzschaltung von Fig. 4 dargestellt. In der Ersatzschaltung ist ein Bandleiterresonator R als Parallelschaltung einer Ka­ pazität und einer Induktivität wiedergegeben.

Fig. 6 zeigt den Verlauf der Dämpfung in dB über der Frequenz für den Bandpaß aus Fig. 4.

Fig. 7 zeigt einen Streifenleitungsfilter, bei dem die Verbin­ dung zugehöriger Bandleiterabschnitte mittels elektrisch lei­ tender Durchkontaktierungen DK bewirkt ist. Mehrere Durchkon­ taktierungen können zwei zugehörige Bandleiterabschnitte zu einem Bandleiter verbinden. Bei dieser Ausführungsform ist die Anordnung der Bandleiterabschnitte vorteilhafterweise un­ abhängig von der Lage der Kante des Substrats wählbar.

Für die Dimensionierung dieser Filter können bekannte Synthe­ se- und Optimierungsverfahren mit diskreten und Leitungsele­ menten als Näherung angewendet werden. Als Zielschaltungen sollten jedoch die nach Fig. 2b und Fig. 5 angestrebt werden, weil die Elemente der Parallelkreise mit den Resonanzfrequen­ zen F1 bis F4 in die mechanischen Parameter des Resonators =λ/4=c/4F√ε und Z=(120π/√ε).h/(h+w) umgerechnet werden können (Z=Wellenwiderstand des Bandleiters, l=Länge und w=Breite des Bandleiterabschnitts, h=Dicke des Substrates S, ε=Dielektrizitätskonstante, c=Lichtgeschwindigkeit).

Da die Verkopplung zwischen den Resonatoren bei einem Resona­ torabstand a<w relativ klein ist, ergeben diese Rechnungen mit diskreten Elementen brauchbare Näherungen. Eine Optimie­ rung mit planaren Elementen bringt eine noch genauere Über­ einstimmung mit der Praxis.

Claims (10)

1. Anordnung zur Filterung eines elektrischen Signals, insbe­ sondere Streifenleitungsfilter, bei dem

• - ein dielektrisches Substrat gegeben ist, das eine erste Hauptoberfläche und eine der ersten Hauptoberfläche gegen­ überliegende zweite Hauptoberfläche aufweist,
• - eine Mehrzahl von Bandleitern parallel angeordnet sind,
• - ein Bandleiter gegebener Länge in einen auf der ersten Hauptoberfläche aufgebrachten ersten Abschnitt und in einen auf der zweiten Hauptoberfläche aufgebrachten zweiten Ab­ schnitt geteilt ist,
• - der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Bandlei­ ters sich überdecken,
• - der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Bandlei­ ters durch geeignete Mittel zu dem Bandleiter gegebener Länge verbunden sind,
• - die ersten Enden der Bandleiter durch Verkopplungselemente verbunden sind,
• - die ersten Enden der äußeren Bandleiter mit dem Eingang (E) bzw. mit dem Ausgang (A) der Anordnung verbunden sind,
• - die zweiten Enden der Bandleiter durch eine auf der zweiten Hauptoberfläche aufgebrachte Metallisierung verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden zugehöriger Bandleiterabschnitte mit der Kante des Substrats abschließen und das Mittel zur Verbindung der Band­ leiterabschnitte zu einem Bandleiter durch eine um die Schmalseite des Substrats herumgeführte Metallisierung gege­ ben ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Verbindung der Enden zugehöriger Bandleiterab­ schnitte zu einem Bandleiter durch mindestens eine elektrisch leitende Durchkontaktierung gegeben ist.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Bandleiter, die von der das Bezugspotential führenden Metallisierung abgewandt sind, über ein Verkopp­ lungselement verbunden sind.

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung eines Endes eines Bandleiters, das von der das Bezugspotential führenden Metallisierung abgewandt ist, über eine auf das Substrat aufmetallisierte Leiterbahn gege­ ben ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verkopplungselement mit einer Leiterbahn gebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiterbahn ein diskretes Verkopplungselement trägt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß der Anordnung auf dem Substrat aufgebracht ist.

9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in Dickschichttechnik auf das Substrat aufgebrachte Metalli­ sierungen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch in Dünnschichttechnik auf das Substrat aufgebrachte Metalli­ sierungen.