DE3382762T2

DE3382762T2 - Dielektrischer Filter.

Info

Publication number: DE3382762T2
Application number: DE3382762T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Oki Electric Fukasawa; Kenichiro Oki Electric Hosoda; Takuro Oki Electric Indus Sato; Tatumasa Electric Indu Yoshida
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1982-05-10
Filing date: 1983-04-27
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2003-04-28
Also published as: EP0093956A3; EP0093956A2; CA1195391A; DE3380549D1; EP0093956B1; DE3382762D1; US4546333A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen dielektrischen Hochfrequenzfilter, insbesondere bezieht sie sich auf eine neue Struktur eines Bandpaßfilters für einen dielektrischen Wellenleitertyp, welcher geeignet ist für die Verwendung insbesondere in dem Bereich der VHF-Bänder bis zu den vergleichsweise niederfrequenten Mikrowellenbändern. Der Filter bezieht sich insbesondere auf einen solchen Filter mit einer Anzahl von Resonatorstangen, die elektrisch und/oder magnetisch mit benachbarten Resonatoren gekoppelt sind und bequem in einem mobilen Kommunikationssystem untergebracht werden kann.
Diese Art von Filter muß die Anforderung erfüllen, daß die Größe gering ist, der Energieverlust bei Hochfrequenz klein ist, das Herstellungsverfahren einfach ist und die Charakteristiken stabil sind.
Wenn ein Filter aus einer Anzahl von länglichen Stangenresonatoren zusammengesetzt ist, muß die Größe jedes Resonators und die Kopplung zwischen den Resonatoren betrachtet werden.
Zunächst werden drei bekannte Filter für die Verwendung der genannten Frequenzbänder beschrieben, wie sie aus EP-A-0 038 996 bekannt sind.
Fig. 1A zeigt eine perspektivische Ansicht eines konventionellen Interdigitalfilters, welcher weitverbreitet in den VHF Bändern und den niederfrequenten Mikrowellenbändern verwendet wird. In der Figur bezeichnen Bezugszeichen 1-1 bis 1-5 die Resonatorstangen, welche aus einem leitenden Material gefertigt sind, 2-1 bis 2-4 sind Lücken zwischen benachbarten Resonatorstangen und 3 ist ein Gehäuse. Die Bezugszeichen 3-1 bis 3-3 sind leitende Wände des Gehäuses 3. Eine Abdeckung des Gehäuses 3 ist zur Vereinfachung der Zeichnung nicht gezeigt. Ein Paar von Anregungsantennen 4 ist vorgesehen für die Kopplung des Filters mit einem externen Schaltkreis. Die Länge jeder gezeigten Resonatorstange 1-1 bis 1-5 ist so gewählt, daß sie im wesentlichen äquivalent einer viertel Wellenlänge ist und ein Ende der Resonatorstangen ist wechselweise kurzgeschlossen mit der angrenzenden leitenden Wand 3-1 und 3-2, wobei die gegenüberliegenden Enden freistehend sind.
Wie bekannt ist, wenn Resonatoren auf einer leitenden Ebene stehen, verteilt sich ein Magnetfluß so, daß die Dichte des Magnetflusses am Fuß der Resonatoren ist und gleich Null oben an den Resonatoren ist, wobei das elektrische Feld sich so verteilt, daß das Feld maximal ist oben an den Resonatoren und daß das Feld am Fuß der Resonatoren gleich Null ist. Wenn daher ein Paar von Resonatoren auf einer einzigen Leiterebene angebracht wird, koppeln solche Resonatoren miteinander magnetisch und elektrisch und die magnetische Kopplung wird am Fuß der Resonatoren ausgeführt und die elektrische Kopplung wird oben an den Resonatoren ausgeführt. Da jedoch der absolute Wert der magnetischen Kopplung gleich ist zur elektrischen Kopplung und das Vorzeichen der vorangegangenen umgekehrt zu dem der letzteren ist, wird die magnetische Kopplung vollständig ausgelöst durch die elektrische Kopplung und im Ergebnis wird keine Kopplung zwischen den Resonatoren erreicht.
Um dieses Problem zu lösen ordnet ein Interdigitalfilter die Resonatoren abwechselnd auf einem Paar von gegenüberliegenden leitenden Wänden an. In diesem Fall werden zwei benachbarte Resonatoren elektrisch miteinander gekoppelt, wie es in Fig. 1B gezeigt ist, wobei der Magnetfluß M, welcher einen maximalen Wert am Fuße des Resonators aufweist, nicht zu der Kopplung der zwei Resonatoren beiträgt, da der Fuß des ersten Resonators 1-1 fern vom Fuß des zweiten Resonators 1-2 liegt und auf diese Weise nur das elektrische Feld E zu der Kopplung der zwei Resonatoren beiträgt.
Jedoch hat der Interdigitalfilter den Nachteil, daß die Herstellung des Filters mühsam ist und folglich der Filter teuer ist, da jede der Resonatorstangen wechselweise an den gegenüberliegenden beiden leitenden Wänden befestigt wird, um einen genügend hohen Kopplungskoeffizienten zwischen jeder der Resonatorstangen zu erreichen.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines anderen konventionellen Filters, welcher ein Filter des Kammlinientyps genannt wird und der in den VHF Bändern und den niederfrequenten Mikrowellenbändern verwendet wird. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen 11-1 bis 11-5 leitende Resonatorstangen, wobei ein Ende derselben freistehend gehalten wird, und das gegenüberliegende Ende desselben kurzgeschlossen wird mit einer einzigen leitenden Wand 13-1 des leitenden Gehäuses 13. Die Länge von jeder Resonatorstange 11-1 bis 11-5 wird so gewählt, daß sie ein bißchen kürzer ist, als eine Viertelwellenlänge. Die Resonatorstange wirkt als Induktanz (L), wobei die Kapazität (C) am Kopf jeder Resonatorstange vorgesehen ist, um die Resonatorbedingung zu erfüllen. In Fig. 2 wird die Kapazität durch dielektrische Scheiben 11a-1 bis 11a-5 und die leitende Bodenwand 13-2 des Gehäuses 13 geliefert. Die Lücken 12-1 bis 12-4 zwischen jeder der Resonatorstangen und die Kapazität zwischen den dielektrischen Scheiben 11a-1 bis 11a-5 und die Bodenwand 13-2 liefern die notwendige Kopplung zwischen jeder der Resonatorstangen. Ein Paar von Antennen 14 ist vorgesehen zur Kopplung zwischen dem Filter und externen Schaltkreisen.
Mit diesem Typ von Filter sind die Resonatorstangen 11-1 bis 11-5 an einer einzigen Bodenwand 13-1 befestigt und die Herstellungskosten können insofern vermindert werden, als es diesen Punkt betrifft, doch gibt es einen Nachteil bei der Herstellung der Kapazität (C) mit einer Genauigkeit von beispielsweise mehreren Prozent, was ziemlich schwierig ist und folglich keine Kosteneinsparung bringt. Daher ist der Vorteil eines Filters des Kammlinientyps im wesentlichen der, daß er kleiner gemacht werden kann, als ein Interdigitalfilter.
Obwohl wir versucht haben, die Resonatoren in den Filtern von Fig. 1A und/oder Fig. 2 durch Füllen von dielektrischem Material in ein Gehäuse zu verkürzen, ist es fast unmöglich, da die Struktur dieser Filter kompliziert ist. Es ist zu beachten, daß das Material des dielektrischen Körpers für die Verwendung in einem Hochfrequenzfilter Keramik sein muß, um niedrige Hochfrequenzverluste zu erhalten, wobei es schwierig ist, Keramik entsprechend der komplizierten Struktur herzustellen, um die interdigitalen Elektroden von Fig. 1A oder die Kombination von Scheiben und Stangen von Fig. 2 zu bedecken. Wenn wir versuchen würden, das Gehäuse mit Kunststoffen zu füllen, wäre der Hochfrequenzverlust durch die Kunststoffe größer, als die zulässige obere Grenze.
Weiterhin ist ein dielektrischer Filter mit einer Anzahl von dielektrischen Resonatoren bekannt. Jedoch hat ein dielektrischer Filter den Nachteil, daß die Größe jeden Resonators ziemlich groß ist, selbst wenn die Dielektrizitätskonstante des Materials des Resonators so groß wie möglich ist.
Entsprechend hat der Anmelder einen Filter mit der Struktur von Fig. 3A (EP-A-0 005 525) vorgeschlagen, wobei jeder Resonator einen kreisförmigen Mittelleiter (31-1 bis 31-5) aufweist und der zylindrische dielektrische Körper (31a-1 bis 31a-5) den zugehörigen Mittelleiter bedeckt, und wobei jeder der Resonatoren auf einer einzigen Leiterebene 33-1 des Gehäuses 33 befestigt wurde, wobei Luftspalte (32-1 bis 32-4) zwischen den Resonatoren beibehalten wurden. Das Bezugszeichen 34 bezeichnet Antennen zum Koppeln des Filters mit externen Schaltkreisen. Das Gehäuse 33 hat geschlossene leitende Wände mit den Wänden 33-1, 33-2, und 33-3 (obere Abdeckwand, nicht gezeigt). Die Struktur des Filters von Fig. 3A hat den Nachteil, daß die Länge L eines Resonators verkürzt ist, aufgrund der Anwesenheit des dielektrischen Körpers, welcher den Leiter bedeckt, und daß die Resonatoren miteinander gekoppelt sind, obwohl die Resonatoren auf einer einzigen Leiterebene befestigt sind, wegen der Anwesenheit der dielektrischen Körper, die die Mittelleiter bedecken.
Wenn zwei Resonatoren miteinander in Kontakt geraten, wie in Fig. 3B gezeigt ist, koppeln diese zwei Resonatoren nicht miteinander, weil die elektrische Kopplung zwischen den zwei Resonatoren vollständig durch die magnetische Kopplung zwischen den beiden Resonatoren aufgehoben wird. In diesem Fall trägt die dielektrische Abdeckung 31-1 und 31-2 nicht zur Kopplung zwischen den Resonatoren bei. Wenn auf der anderen Seite ein Luftraum 32-1 vorgesehen ist zwischen den Flächen der dielektrischen Körper 31-1 und 31-2, wie in Fig. 3C gezeigt ist, wird ein elektrisches Feld (p), das von einem Resonator stammt, an der Oberfläche des dielektrischen Körpers gekrümmt (dem Rand zwischen dem dielektrischen Körper und der Luft) aufgrund des Unterschiedes der dielektrischen Konstanten des dielektrischen Körpers 31-1 oder 31-2 und der Luft, so daß das elektrische Feld zu einer oberen oder unteren leitenden Wand gelenkt wird. Das bedeutet, daß das elektrische Feld (p) herausleckt und die elektrische Kopplung zwischen den zwei Resonatoren vermindert wird, und daß die verminderte elektrische Kopplung nicht die ganze magnetische Kopplung aufheben kann, die nicht durch die Anwesenheit der dielektrischen Abdeckung beeinflußt wird. Entsprechend koppeln die beiden Resonatoren magnetisch um einen Betrag gleich der Verminderung der elektrischen Kopplung. Diese Verminderung der elektrischen Kopplung wird verursacht durch ein Lecken des elektrischen Feldes am Rand zwischen der dielektrischen Oberfläche und der Luft aufgrund der Anwesenheit eines Luftspaltes 32-1.
Das Herauslecken des elektrischen Feldes an eine obere und/oder untere Leiterwand erhöht sich mit der Länge (x) zwischen den beiden Resonatoren oder die Verminderung der elektrischen Kopplung erhöht sich mit der Länge (x). Folglich wird die Gesamtkopplung zwischen den Resonatoren, die gleich dem Unterschied zwischen der magnetischen Kopplung und der elektrischen Kopplung ist, erhöht mit der Länge (x), solange der Wert (x) kleiner ist als ein vorbestimmter Wert (x&sub0;). Wenn die Länge (x) den Wert (x&sub0;) überschreitet, wird der Absolutwert sowohl der elektrischen Kopplung wie auch der magnetischen Kopplung geringer und folglich verringert sich die Gesamtkopplung mit der Länge (x).
Wir haben jedoch herausgefunden, daß der Filter von Fig. 3A den Nachteil hat, daß das Lecken (p) des elektrischen Feldes zu einer oberen und/oder unteren Wand beträchtlich beeinflußt wird durch Herstellungsfehler sowohl des Gehäuses wie auch der dielektrischen Abdeckung. Das heißt, kleine Fehler der Lücke zwischen der oberen und/oder unteren Wand und der dielektrischen Abdeckung und/oder kleine Fehler der Größe der dielektrischen Abdeckung ergeben große Fehler für die Charakteristiken des Filters. Weiterhin ist der Filter manchmal unstabil, da die Resonatoren nur an einem Ende befestigt sind.
Weiterhin haben wir festgestellt, daß der Kopplungskoeffizient zwischen den Resonatoren nicht ausreicht für die Schaffung eines Breitbandfilters.
Weiterhin hat der dielektrische Filter in den Fig. 3A bis 3C die Nachteile, daß die Länge der leitenden Stangen 31a-1 bis 31a-5 sehr genau sein muß, wobei ein kleiner Fehler in der Länge dieser leitenden Stangen einen großen Fehler in den Charakteristiken des Filters ergibt, und daß die Störcharakteristiken des Filters nicht ausreichen.
Dokument EP-A1 0 038 996 offenbart einen dielektrischen Filter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einem dielektrischen Körper, welcher innere Leiter umgibt. Schlitze sind zwischen zwei benachbarten Resonatoren vorgesehen, wobei diese Schlitze als Luftspalte wirken zum Bewirken der Kopplung zwischen den Resonatoren. Weiterhin sind längliche Leitereinrichtungen zwischen zwei Resonatoren vorgesehen, die beide durch einen dielektrischen Körper umgeben sind.
Dokument DE-A-2 805 965 offenbart einen dielektrischen Filter, in welchen Schlitze oder Löcher innerhalb des dielektrischen Körpers vorgesehen sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten dielektrischen Filter zu schaffen, welcher einfach im Aufbau ist, und wobei die Charakteristiken des Filters und/oder die Resonanzfrequenz der Resonatoren leicht einzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch einen dielektrischen Filter gemäß dem kennzeichnenden Merkmal von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorangegangene und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden erkannt werden, wenn sie besser verstanden werden durch die folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1A einen bekannten Interdigitalfilter zeigt, der aus EP-Al-0 038 996 bekannt ist;
Fig. 1B das Kopplungsprinzip des Interdigitalfilters von Fig. 1A zeigt;
Fig. 2 einen bekannten Kammlinienfilter zeigt, der aus EP-A1-0 038 996 bekannt ist;
Fig. 3A die Struktur eines bekannten dielektrischen Filters zeigt, der aus EP-A1-0 038 996 bekannt ist, der Resonatoren aufweist mit inneren Leitern und einer ringförmigen dielektrischen Abdeckung;
Fig. 3B und Fig. 3C das Kopplungsprinzip des Filters von Fig. 3A zeigen;
Fig. 4 eine Ausführungsform eines dielektrischen Filters zeigt;
Fig. 5 eine erklärende Zeichnung zur Erklärung des Betriebes des Filters von Fig. 4 zeigt;
Fig. 6 einen Ersatzschaltkreis der Struktur von Fig. 5 zeigt;
Fig. 7 eine Modifikation des Filters von Fig. 4 zeigt;
Fig. 8 eine andere Modifikation des Filters von Fig. 4 ist;
Fig. 9 eine weitere andere Modifikation des Filters von Fig. 4 zeigt;
Fig. 10 eine weitere Modifikation des Filters von Fig. 4 zeigt;
Fig. 11A den Aufbau einer anderen Ausführungsform des Filters zeigt;
Fig. 11B einen Querschnitt entlang der Linie A-A von Fig. 11A zeigt;
Fig. 11C das Trimmen einer Elektrode des Filters von Fig. 11A zeigt;
Fig. 11D und Fig. 11E Modifikationen des Filters von Fig. 11A zeigen;
Fig. 11F eine andere Modifikation des Filters von Fig. 11A zeigt;
Fig. 11G und Fig. 11H Alternativen zu dem Filter von Fig. 11F zeigen;
Fig. 12 die Charakteristiken des Filters von Filter 11A bis Fig. 11F zeigt;
Fig. 13A und Fig. 13B eine andere Ausführungsform des dielektrischen Filters zeigt;
Fig. 14 und Fig. 15 die Charakteristiken der Ausführungsformen der Filter von Fig. 13A und Fig. 13B zeigen; und
Fig. 16 eine Ausführungsform des dielektrischen Filters gemäß der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Der dielektrische Filter basiert auf dem dielektrischen Filter der Fig. 3A bis 3C, in welchem eine Anzahl von Resonatoren mit einer leitenden Stange, die in einem dielektrischen Körper eingeschlossen ist, auf einer gemeinsamen leitenden Wand des leitenden Gehäuses angeordnet ist, und ein Paar von Antennen an beiden äußeren Enden der Resonatoren vorgesehen ist, um den Filter mit externen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen zu koppeln. Ein Luftspalt ist zwischen benachbarten Resonatoren vorgesehen, um eine Kopplung zwischen diesen zu bewirken. Die Dicke des dielektrischen Körpers, welcher eine leitende Stange umgibt, ist ausreichend, um fast die gesamte elektromagnetische Energie in dem Resonator mit Ausnahme der Energie zum Koppeln des Resonators mit dem benachbarten Resonator zu halten. Es ist zu beachten, daß eine leitende Stange ersetzt werden kann durch ein längliches Loch, das mit einem leitenden Material plattiert ist und in einem dielektrischen Körper vorgesehen ist.
Der dielektrische Filter hat mindestens die folgenden drei Verbesserungen im Vergleich mit der Struktur der Fig. 3A bis 3C.
a) Ein dielektrischer Körper, welcher eine mittlere Leiterstange eines Resonators bedeckt, ist ein Blockkörper, der allen Resonatoren gemeinsam ist, mit einer Anzahl von linearen Vertiefungen zum Vorsehen einer Kopplung zwischen zwei benachbarten Resonatoren. Diese Vertiefungen wirken wie der Luftspalt der Ausführungsform von den Fig. 3A bis 3C.
b) Ein Trimmkondensator ist an dem freistehenden Ende jedes Resonators vorgesehen zum Feineinstellen der Resonanzfrequenz jedes Resonators.
c) Eine Leiterstange oder ein leitender Film ist zwischen zwei benachbarten Resonatoren in Richtung senkrecht zu den Resonatoren vorgesehen, um die Störcharakteristiken des Filters zu verbessern.
Diese drei Merkmale oder Verbesserungen werden getrennt beschrieben, um die Erklärung zu vereinfachen.
Zunächst wird das Merkmal (a) in Übereinstimmung mit den Fig. 4 bis 10 beschrieben.
Fig. 4 zeigt den Hauptteil des Filters, in welcher das Bezugszeichen 41 den gemeinsamen dielektrischen Körper bezeichnet, 42 ein lineares Loch in dem dielektrischen Körper 41 ist, so daß jedes lineare Loch parallel zu einem anderen ist, und die Oberfläche der Löcher mit leitendem Material plattiert sind. Die Länge des Loches 42 ist ungefähr 1/4 Wellenlänge, doch ist die Länge ein bißchen kürzer als 1/4 Wellenlänge. Auf diese Weise arbeitet das Loch, das mit einem leitenden Material plattiert ist, als eine Leiterstange eines Resonators. Das Bezugszeichen 43 ist eine Vertiefung, die zwischen den leitenden Stangen oder Löchern 42 vorgesehen ist. Die Vertiefung wirkt wie der Luftspalt 32-1 bis 32-4 in Fig. 3A. Die Breite und die Tiefe der Vertiefung 43 sind W bzw. D.
Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Querschnitt des Filters und Filter 6 ist ein Ersatzschaltkreis des Filters von Fig. 5, in welchem L&sub1; eine Selbstinduktion für eine Einheitslänge einer leitenden Stange ist, L&sub1;&sub2; die gegenseitige Induktion für eine Einheitslänge von zwei Leiterstangen ist, C&sub1; eine Selbstkapazität zwischen einer leitenden Stange und einem leitenden Gehäuse für jede Einheitslänge einer leitenden Stange ist, und C&sub1;&sub2; die gegenseitige Kapazität zwischen zwei benachbarten leitenden Stangen für eine Einheitslänge einer Stange ist.
Der Kopplungskoeffizient KT zwischen den 1/4 Wellenlängenresonatoren 52a und 52b ist die Summe des magnetischen Kopplungskoeffizienten KL und des statischen Kopplungskoeffizienten KC und wird durch die folgende Gleichung gegeben.
KT = L12(i)/L1(i)-C12(i)/C1(i)= KL-KC (1).
Der Index (i) in der Gleichung (1) zeigt die Struktur von Fig. 5, die Vertiefungen und inhomogene Einrichtungen aufweist, da der dielektrische Körper nicht einheitlich ist, wegen der Anwesenheit der Vertiefungen. Die Struktur ohne Vertiefung wird homogen genannt.
Die Werte L1(i), und L12(i) in Gleichung (1) sind gleich der Selbstinduktion L1(h) und der gegenseitigen Induktion L12(h), für eine Einheitslänge eines Resonators in einer homogenen Struktur, in welcher ein dielektrischer Körper vollständig mit dielektrischem Material ohne Vertiefungen ausgefüllt ist. Die obige Beziehung bedeutet, daß der magnetische Kopplungskoeffizient nicht abhängt von der Anwesenheit der Vertiefungen, da die Permeabilität eines dielektrischen Körpers = 1. Die Werte L1(h) und L12(h) werden durch die Gleichung (2) und (3) ausgedrückt, in welchen die Selbstkapazität C1(h), die gegenseitige Kapazität C12(h) für eine Einheitslänge eines Resonators in einer homogenen Struktur verwendet wird.
wobei &epsi;r, &epsi;&sub0;, u&sub0; die dielektrische Konstante des dielektrischen Körpers, die dielektrische Konstante des Raumes bzw. die Raumpermeabilität sind.
Der Kopplungskoeffizient KT(i) zwischen zwei benachbarten Resonatoren in der Struktur von Fig. 5 wird von den obigen Gleichungen (1), (2) und (3) abgeleitet und das Ergebnis ist in Gleichung (4) gezeigt.
KT(i) = C12(h)/(C1(h)+C12(h))-C12(i)/(C1(i)+C12(i))=KL-KC (4).
In Gleichung (4) ist zu beachten, daß der magnetische Kopplungskoeffizient KL unabhängig von der Struktur des dielektrischen Körpers ist, egal ob er inhomogen (mit Vertiefungen) oder homogen (ohne Vertiefung) ist oder nicht. Im Falle einer Homogenstruktur ohne Vertiefungen sind die Werte C1(i) und C12(i) in Gleichung (4) gleich C1(h) bzw. C12(h) und der magnetische Kopplungskoeffizient KL ist gleich dem statischen Kopplungskoeffizienten KC. Folglich ist der Gesamtkopplungskoeffizient des Filters fast Null und es wird kein Filter erhalten.
Fig. 7 zeigt eine Modifikation in ähnlicher Weise, wie sie in DE-A 2 805 965 offenbart ist, der Struktur von Fig. 5, in welcher eine einzelne zentrale Vertiefung 73 zwischen zwei Resonatoren 72a und 72b vorgesehen ist, anstatt eines Paares von Vertiefungen 53 in Fig. 5. Der Kopplungskoeffizient zwischen den Resonatoren wird durch die Länge L und die Breite W der Vertiefung 73 eingestellt.
Fig. 8 ist eine andere Modifikation, in welcher mindestens eine leitende Stange 85 zwischen zwei Resonatoren vorgesehen ist. Diese leitende Stange 85 bewirkt die Einstellung des Kopplungskoeffizienten zwischen den Resonatoren durch Einstellung der Dicke und/oder der Anzahl der Stangen. Diese Stangen bewirken ebenfalls eine Verbesserung der Störcharakteristiken des Filters.
Fig. 9 zeigt eine Antennenstruktur zum Koppeln des Filters mit einem externen Schaltkreis. In Fig. 9 bezeichnet Bezugszeichen 95 eine Ausnehmung, die in dem dielektrischen Körper vorgesehen ist, und 96 eine Elektrode, die an dem Boden der Ausnehmung 95 angebracht ist. Die Kopplung zwischen dem Resonator mit der Stange 52a und der Antenne (95, 96) erfolgt durch die Kapazität zwischen der Elektrode 96 und der leitenden Stange 52a.
Fig. 10 ist eine andere Modifikation des Filters, in welcher ein lineares inneres Loch 104 vorgesehen ist zur Erhöhung des Kopplungskoeffizienten zwischen den Resonatoren 102a und 102b. Die äußeren Vertiefungen 103a und 103b sind ebenfalls vorgesehen, um die Resonatoren zu koppeln.
Die Wirkung der Vertiefungen in den obigen Ausführungsformen besteht darin, die gegenseitige Kapazität C12(i) zwischen den Resonatoren in der Gleichung (4) zu vermindern und den statischen Kopplungskoeffizienten KC zu vermindern. Andererseits hängt der magnetische Kopplungskoeffizient KL nicht von der Anwesenheit der Vertiefungen ab. Im Ergebnis erhöhen die Vertiefungen den Gesamtkopplungskoeffizienten KT, welcher die Differenz zwischen dem statischen Kopplungskoeffizienten und dem magnetischen Kopplungskoeffizienten darstellt. Auf diese Weise wird ein Filter mit der gewünschten Bandbreite geschaffen mit geeigneten Kopplungskoeffizienten zwischen jedem der Resonatoren.
Der Betriebsmodus der elektromagnetischen Welle in den Resonatoren des Filters liegt nahe bei dem TEM Modus, welcher der Betriebsmodus eines koaxialen Kabels ist. Da der Kopplungskoeffizient des Filters in den Ausführungsformen von Fig. 4 bis 10 einstellbar ist durch einfache Einstellung der Breite und der Vertiefung der Vertiefungen, kann ein Filter mit der gewünschten Bandbreite einfach erhalten werden. Da der dielektrische Körper ein einzelner Blockkörper ist, der allen Resonatoren gemeinsam ist, ist die Struktur des Filters einfach und der Zusammenbau wird vereinfacht.
Als nächstes wird das Merkmal (b) des Filters beschrieben in Bezug auf die Fig. 11A bis 12. Fig. 11A zeigt einen Teil der perspektivischen Ansicht des Filters, in welcher das Bezugszeichen 111 ein dielektrischer Körper für eine Anzahl von Resonatoren ist, 112 ein leitendes Gehäuse ist, 113 eine leitende Stange mit einer Länge von ungefähr 1/4 Wellenlänge in dem dielektrischen Körper 111 ist, 114 eine dünne undurchdringliche dielektrische Platte ist, die an dem freien Ende der Resonatoren vorgesehen ist, 115 eine leitende Schicht ist, die auf der dielektrischen Platte 114 vorgesehen ist, 118 eine Vertiefung ist, die auf dem dielektrischen Körper 111 vorgesehen ist zum Erstellen der Kopplung zwischen den Resonatoren. Fig. 11B ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A von Fig. 11A. Das Bezugszeichen 116 bezeichnet die Verlängerung des mittleren Leiters 113 oben auf dem dielektrischen Körper 111, 115 ist eine leitende Schicht, die auf der dielektrischen Platte 114 so vorgesehen ist, daß die Schicht 115 an den sich erstreckenden Teil 116 des mittleren Leiters 113 anstößt. Die leitende Schicht 115 ist elektrisch gekoppelt mit dem Gehäuse 112 oder geerdet. Es ist festzustellen, daß ein mittlerer Leiter 113 eines Resonators durch Plattieren eines leitenden Filmes auf der inneren Fläche des Loches in dem dielektrischen Körper 111 vorgesehen ist. Die leitende Schicht 115, die dielektrische Platte 114 und der leitende Teil 116 bilden einen Kondensator, welcher mit dem Resonator gekoppelt ist und die Feineinstellung der Resonanzfrequenz des Resonators erleichtert. Aufgrund der Anwesenheit des Kondensators ist die Länge des Leiterstabes 113 etwas kürzer als 1/4 Wellenlänge. Wenn ein Resonator elektrisch angeregt wird, dann hat das freie Ende des Resonators, an welchem der Kondensator angekoppelt ist, ein maximales elektrisches Feld und das Magnetfeld ist maximal am anderen Ende des Resonators, wie in Bezug auf Fig. 1B beschrieben wurde. Das Bezugszeichen 117 ist ein Ausschnittsteil der leitenden Schicht 115.
Die Kopplung zwischen zwei benachbarten Resonatoren wird durch die Anwesenheit der Vertiefung 118 geschaffen, wie im Falle der Ausführungsformen von Fig. 4.
Wenn die leitende Schicht 115 geerdet ist an dem Gehäuse 112, dann fließt der Erdungsstrom in die leitende Schicht 115. Eine Störung des unbelasteten Qu des Resonators durch den Erdungsstrom wird verhindert, wenn die Fläche der leitenden Schicht 115 größer ist als der Querschnitt der Mittelstange 113. Das nichtbelastete Qu wird ebenfalls durch den Verschiebungsstrom in der dielektrischen Platte 114 gestört. Um daher die Beeinträchtigung des nichtbelasteten Qu des Resonators durch den Verschiebungsstrom zu verhindern, muß der Verlust in der dielektrischen Platte 114 sehr klein sein. Ein Beispiel für ein Material der dielektrischen Platte 114 mit einem solchen kleinen Verlust ist Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;).
Die Kapazität entsteht zwischen der leitenden Schicht 115 und dem ausgedehnten Teil 116 der Mittelstange 113. Aufgrund der Anwesenheit der leitenden Schicht 115, die den oberen Teil des Resonators bedeckt, leckt das elektrische Feld in dem Resonator nicht in Richtung des Pfeiles Y aus. Daher wird eine Drift der Resonatorfrequenz durch Öffnen oder Schließen einer Abdeckung 119 des Filters verhindert. Die Resonanzfrequenz jedes Resonators wird eingestellt durch Einstellung der Kapazität zwischen den Elektroden 115 und 116.
Die Einstellung der Kapazität zum Einstellen der Resonanzfrequenz wird ausgeführt durch Trimmen der Fläche der äußeren Elektrode 115 unter Verwendung eines Laserstrahls. Durch die Verwendung des obigen Verfahrens zum Einstellen der Kapazität wird die Resonanzfrequenz des Resonators eingestellt ohne Änderung oder Einstellung des Resonators selbst oder der leitenden Stange 113.
In einer Ausführungsform zum Einstellen der Kapazität wird die geerdete leitende Schicht 115 getrimmt unter Verwendung eines L Laserstrahls, wie in Fig. 11C gezeigt ist, bei welcher die leitende Schicht 115 als ein undurchsichtiges Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) gefertigt ist. Die Elektrode 115 wird in der Länge (x) geschnitten, wie in Fig. 11C gezeigt ist, in welcher das Bezugszeichen 117 die Ausschnittsspur eines Lasers zeigt.
Fig. 12 zeigt das experimentelle Ergebnis des Trimmens der Elektrode. In. Fig. 12 zeigt die horizontale Achse die Länge von Fig. 11C und die vertikale Achse zeigt die Frequenzverschiebung Δf&sub0; des Resonators (linke Seite) und das unbelastete Qu des Resonators (rechte Seite). Wie in Fig. 12 gezeigt ist, ist die Empfindlichkeit der Frequenzänderung = 7,6 MHz/mm. Das bedeutet, daß wenn die Elektrode 115 um 1 mm (x=1) abgeschnitten wird, dann ändert sich die Resonanzfrequenz um 7,6 MHz. Der zulässige Fehler der Resonanzfrequenz in dieser Art von Filter ist ± 0,02% im allgemeinen und wenn daher die Zentralfrequenz des Filters 800 MHz ist, dann ist der zulässige Fehler ± 160 KHz. Auf der anderen Seite ist die Breite der Laserspur 117 gewöhnlich 20 um. Daher ist der Fehler der Resonanzfrequenz durch die Breite der Laserspur gleich:
7,6 MHz/mm·0,02 = 152 KHz (± 76 KHz).
Es ist folglich zu erkennen, daß die Genauigkeit der Resonanzfrequenz des Resonators befriedigend ist, trotz des Fehlers durch die Laserspur.
Es ist ebenfalls festzustellen in Fig. 12, daß das unbelastete Qu des Filters nicht beeinträchtigt wird, wenn die Elektrode 115 durch einen Laserstrahl getrimmt wird.
Die dielektrische Platte 114 ist für die Wellenlänge des Laserstrahls undurchdringlich, so daß ein Laserstrahl den dielektrischen Körper 111 nicht beeinträchtigt durch direktes Beleuchten desselben. Wenn der dielektrische Körper 111 des Resonators direkt durch einen starken Laserstrahl beleuchtet wird, wird das Keramik (beispielsweise MgTiO&sub3; Typ Keramik) beeinträchtigt, da Ti in Keramik sich in etwas Ähnliches verwandelt wie eine Legierung und der dielektrische Verlust des dielektrischen Körpers wird erhöht. Im Falle von Aluminiumoxid muß die Dicke der dielektrischen Platte 114 dicker sein als 1,6 mm, um den dielektrischen Körper 111 vor einem Laserstrahl zu schützen.
Wenn die Abdeckung 119 des Gehäuses transparent ist, dann wird das Trimmen durch Beleuchten der Elektrode mit einem Laserstrahl von außerhalb des Resonators durchgeführt.
Als eine Modifikation der Ausführungsform von Fig. 11C kann ein Laserstrahl ein Loch auf einer leitenden Platte erzeugen, statt diese zu schneiden.
Die dielektrische Platte 114 kann für jeden Resonator getrennt werden, obwohl die Ausführungsform von Fig. 11A eine einzige durchgehende längliche dielektrische Platte zeigt, die für alle Resonatoren gemeinsam ist.
Fig. 11D zeigt eine andere Alternative, in welcher der innere Leiter 113 nicht durch den dielektrischen Körper 111 hindurchgeht und wobei der dielektrische Körper 111 eine dielektrische Wand 111a aufweist, auf welcher die dielektrische Schicht 115 vorgesehen ist.
Fig. 11E zeigt eine weitere Alternative, in welcher eine leitende Schicht 115 in eine Anzahl von Zellen 115a auf getrennt ist, die elektrisch miteinander durch dünne Leiterbahnen 115b gekoppelt sind, die auf der dielektrischen Platte plattiert sind. In der Ausführungsform von Fig. 11E wird das Trimmen der Kapazität einfach durchgeführt durch Aufschneiden der dünnen Leiterbahnen 115b.
Fig. 11F ist eine weitere Modifikation des Filters von Filter 11A und das Merkmal des Filters von Fig. 11F besteht darin, daß keine dielektrische Platte 114 vorgesehen ist und daß eine Trimmelektrode 122 direkt auf dem dielektrischen Körper 111 vorgesehen ist. Diese Trimmelektrode 122 und die Erdungselektrode 120 ergeben die Kapazität zwischen diesen. Das Bezugszeichen 121 zeigt den Trimmteil der Trimmelektrode 122. Zwei Alternativen für das Trimmen sind möglich, wie in den Fig. 11G und 11H gezeigt ist. In Fig. 11G stößt ein Paar von Erdungselektroden 120 an die Elektrode 122, welche mit dem inneren Leiter 113 gekoppelt ist, und die Erdungselektrode 120 wird getrimmt, um die Resonanzfrequenz des Resonators einzustellen. Auf der anderen Seite ist in der Ausführungsform von Fig. 11H keine Erdungselektrode vorgesehen, sondern eine Mittelelektrode 122 hat einen Flansch 123, welcher getrimmt wird, um die Resonanzfrequenz einzustellen. Es ist zu beachten, daß die Modifikationen in den Fig. 11F bis 11H keine undurchlässige dielektrische Platte 114 aufweisen. Daher kann der Trimmvorgang nicht ausgeführt werden unter Verwendung eines Laserstrahls, da der Laserstrahl den dielektrischen Körper eines Resonators beschädigen würde, doch kann der Trimmvorgang mechanisch durch Beschneiden einer Trimmelektrode ausgeführt werden.
Als nächstes wird das Merkmal (c) des Filters beschrieben in Bezug auf die Fig. 13A bis 15.
Der unerwünschte Modus in dem Filter umfaßt Störungen des koaxialen Modus und Störungen des Wellenleitermodus. Die Frequenz des koaxialen Modus kann höher sein als 3f&sub0;, (wobei f&sub0; die Resonanzfrequenz ist), wenn das Verhältnis D/d (wobei D der äußere Durchmesser eines dielektrischen Körpers ist, und d der innere Durchmesser eines dielektrischen Körpers ist) in geeigneter Wahl. Die Frequenz der Störung des Wellenleitermodus hängt ab von den Abmessungen des Gehäuses des Filters und die Resonanzwellenlänge wird erhalten gemäß der folgenden Formel:
λ&sub0;=2 &epsi;w/ (m/H)²+(n/D)²+(a/L)&sub2;
wobei &epsi;w äquivalent der dielektrischen Konstante des dielektrischen Körpers ist, m die Anzahl der Wellenlängen entlang der Höhe H eines Resonators ist, n die Anzahl der Wellenlängen entlang der Höhe des Gehäuses ist und s die Anzahl der Wellenlängen entlang der Länge (L) des Gehäuses ist (siehe Fig. 16). Die Frequenz der Störung des Wellenleitermodus gemäß der obigen Gleichung kann kleiner als 2f&sub0; sein, was die Dämpfungscharakteristiken des Filters beeinträchtigt.
Die Fig. 13A und 13B zeigen zwei Ausführungsformen, in welcher das Bezugszeichen 131 das leitende Gehäuse ist, 132 der dielektrische Körper ist, 133 der innere Leiter ist, 134 ein Eingangs/Ausgangsanschluß ist, 136 einen leitenden Film darstellt, der auf dem dielektrischen Körper vorgesehen ist und 137 eine leitende Stange ist, die in den Vertiefungen zwischen den Resonatoren vorgesehen ist. Der leitende Film oder die leitende Stange erstreckt sich senkrecht zu dem inneren Leiter des Resonators und die beiden Enden des leitenden Filmes oder der leitenden Stange sind an das Gehäuse 131 geerdet. Der Durchmesser der leitenden Stange 137 beträgt 0,8 bis 1,6 mm und eine Anzahl von 2-4 leitenden Stangen sind um die Mitte der Höhe H des Resonators angeordnet.
Fig. 14 zeigt die Wirkung des leitenden Films oder der leitenden Stange auf den Filter, in welcher die Zentralfrequenz im 800 MHz Band liegt. Die theoretische Störresonanzfrequenz des TE&sub1;&sub0;&sub1; Modus ist 1,468 GHz, die ungefähr mit der experimentellen Störfrequenz 1,56 GHz übereinstimmt. Soweit es den TE&sub1;&sub0;&sub1; Modus betrifft, ist es offensichtlich, daß der Störpegel abnimmt, wenn die Anzahl der leitenden Stangen erhöht wird, wie in Fig. 14(b) gezeigt ist. Das bedeutet, das elektrische Feld durch den Wellenleitermodus TE&sub1;&sub0;&sub1; nimmt ab, wenn die Anzahl der leitenden Stangen ansteigt.
Fig. 15 zeigt, daß die Wirkung der leitenden Stangen von der Position derselben abhängt. In dem Experiment von Fig. 15 ist der Durchmesser der leitenden Stangen 1,2 mm und drei leitende Stangen mit einer Länge von 20 mm wurden verwendet. In Fig. 15(a) bedeutet Position (1), daß drei leitende Stangen an der Position (1) angeordnet sind, die nahe dem freien stehenden Ende des Resonators liegt, die Position (3) bedeutet, daß drei leitende Stangen um die Mitte der Höhe (H) des Resonators angeordnet sind, und die Position (2) liegt zwischen Position (1) und der Position (3). Wie aus Fig. 15 hervorgeht, ist die Position (3), die nahe der Mitte des Resonators liegt, die beste zum Dämpfen der unerwünschten Störmodi. Der Abstand zwischen der Position (1) und der Position (3) beträgt ungefähr 4 mm und die Dämpfung an der Position (1) ist schlechter als 10 dB im Vergleich mit der Position (3).
Fig. 16 zeigt eine perspektivische Ansicht des dielektrischen Filters, welcher alle drei Merkmale der Erfindung aufweist. In Fig. 16 ist der dielektrische Körper 111 mit den Vertiefungen 118 in dem Gehäuse 112 angeordnet und der innere Leiter 113 ist durch Plattierung der inneren Fläche des Loches in dem dielektrischen Körper 111 mit leitendem Material vorgesehen. Die undurchlässige dielektrische Platte 114 ist oben an dem freien stehenden Ende der Resonatoren angebracht und die leitende Schicht 115 zum Trimmen ist auf der Oberfläche der dielektrischen Platte befestigt. Eine Eingangs/Ausgangsantenne ist in Fig. 16 nicht gezeigt. Die leitenden Stangen 137 sind in den Vertiefungen so angeordnet, daß diese leitenden Stangen senkrecht zu dem inneren Leiter 113 liegen und diese leitenden Stangen sind ungefähr in der Mitte der Höhe H des inneren Leiters 113 angeordnet.
Aus dem Vorangegangenen ist nunmehr ersichtlich, daß ein neuer und verbesserter dielektrischer Filter gefunden wurde.

Claims

1. Dielektrischer Filter, umfassend:

(a) ein leitendes Gehäuse (112),

(b) mindestens zwei Resonatoren, die in dem Gehäuse (112) befestigt sind,

(c) eine Eingabeeinrichtung zum Koppeln von einem Endresonator der mindestens zwei Resonatoren an einen externen Schaltkreis, und eine Ausgabeeinrichtung zum Koppeln des anderen Endresonators der mindestens zwei Resonatoren an einen externen Schaltkreis, wobei

(d) jeder Resonator einen länglichen, linearen, inneren Leiter (113) umfaßt, dessen eines Ende gemeinsam an dem Boden des Gehäuses (112) befestigt ist und dessen anderes Ende freistehend ist, wobei ein dielektrischer Körper (111) die inneren Leiter (113) umgibt,

(e) die Dicke des dielektrischen Körpers (111), welcher die inneren Leiter (113) umgibt, ausreichend ist, um alle elektromagnetische Energie in dem dielektrischen Körper zu halten mit Ausnahme der Energie zum Koppeln zwischen zwei benachbarten Resonatoren, und wobei das Verhältnis D/d des äußeren Durchmessers D zum inneren Durchmesser d des dielektrischen Körpers (111) geeignet gewählt ist, um kleine Streucharakteristiken zu erzielen,

(f) ein Luftspalt (118) zwischen benachbarten Resonatoren vorgesehen ist,

(g) der dielektrische Körper (111), welcher die innere Leiter (113) umgibt, ein Blockkörper ist, der allen Resonatoren gemeinsam ist,

(h) ein Kondensator an dem freien Ende des inneren Leiters (13, 123) von jedem Resonator zur Feineinstellung der Resonanzfrequenz der Resonatoren vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

(i) der dielektrische Körper (111), welcher die inneren Leiter (113) umgibt, Vertiefungen (118) aufweist, welche die Luftspalte bilden, von denen jede zwischen zwei benachbarten Resonatoren jeweils angeordnet ist, wobei die Vertiefung (118) mindestens an einer Seitenfläche des dielektrischen Körpers (111) vorgesehen sind, wobei die Vertiefungen (118) sich parallel zu und entlang der gesamten Länge der inneren Leiter erstrecken, und daß

(j) der Kondensator mindestens eine Leiterschicht (115, 116, 120, 122, 123) am freistehenden Ende des dielektrischen Körpers (111) umfaßt, wobei die Einstellung der Kapazität zum Einstellen der Resonanzfrequenz durch Trimmen der Fläche der Leiterschicht erfolgt.

2. Dielektrischer Filter nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine längliche Leitereinrichtung (136, 137), die in der Vertiefung (118) so vorgesehen ist, daß die längliche Leitereinrichtung senkrecht zu den inneren Leitern (113) jedes der Resonatoren liegt.

3. Dielektrischer Filter nach Anspruch 1, worin der Kondensator eine undurchlässige dielektrische Platte (114) und ein Paar von Elektroden (115, 116) aufweist, die an beiden Flächen der dielektrischen Platte (114) vorgesehen sind, wobei eine Elektrode (116) elektrisch mit dem inneren Leiter (113) jedes Resonators gekoppelt ist und die andere Elektrode (115) an dem Gehäuse (112) geerdet ist, und wobei die letztere Elektrode durch einen Laserstrahl zum Einstellen der Kapazität des Kondensators getrimmt ist.

4. Dielektrischer Filter nach Anspruch 3, worin die Elektrode (115) in einer Anzahl von Zellen (115a) unterteilt ist, von denen jede elektrisch miteinander gekoppelt ist.

5. Dielektrischer Filter nach Anspruch 3, worin die dielektrische Platte (114) durch einen Teil des dielektrischen Blockkörpers (111) gegeben ist, so daß ein dünner dielektrischer Teil (111a) zwischen der Elektrode (115) und dem oberen des inneren Leiters (113) vorgesehen ist (Fig. 11D).

6. Dielektrischer Filter nach Anspruch 1, worin eine Abdeckung (119) des Gehäuses (112), welche der Elektrode (115) gegenüberliegt, durchlässig ist, so daß ein Trimmen der Elektrode (115) mittels eines Laserstrahles durch einen externen Laserstrahl bewirkt wird.

7. Dielektrischer Filter nach Anspruch 1, worin die Leiterschicht (120, 122, 123) an dem freistehenden Ende des dielektrischen Körpers vorgesehen ist.

8. Dielektrischer Filter nach Anspruch 7, worin die Leiterschicht zusammengefügt ist aus einer ersten Schicht (122), welche mit einem inneren Leiter (113) eines Resonators gekoppelt ist und einer zweiten Schicht, welche mit dem Gehäuse (112) gekoppelt ist und wobei die zweite Schicht getrimmt wird.

9. Dielektrischer Filter nach Anspruch 7, worin die Leiterschicht eine Schicht (123) aufweist, welche mit einem inneren Leiter (113) gekoppelt ist, wobei die Schicht (123) getrimmt wird und der Kondensator zwischen der Schicht (123) und dem Gehäuse (112) vorgesehen ist.

10. Dielektrischer Filter nach Anspruch 2, worin die längliche Leitereinrichtung ein Leiterfilm (136) ist.

11. Dielektrischer Filter nach Anspruch 2, worin die längliche Leitereinrichtung eine Leiterstange (137) ist.

12. Dielektrischer Filter nach Anspruch 2, worin die längliche Leitereinrichtung (136, 137) vorgesehen ist, um den mittleren Teil der Höhe (H) eines Resonators herum vorgesehen ist.

13. Dielektrischer Filter nach Anspruch 1, worin der dielektrische Körper aus MgTiO&sub3;-Typ-Keramik gefertigt ist.

14. Dielektrischer Filter nach Anspruch 3, worin die undurchlässige dielektrische Platte (114) aus Aluminium gefertigt ist.