DE69420924T2 - Bandpassfilter mit gekoppelten resonatoren - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bandpassfilter mit gekoppelten Resonatoren. Sie findet Anwendung in der Elektronik, insbesondere bei der Herstellung von Bandpassfiltern, deren Arbeitsfrequenz sich in dem FM-Band befindet, d. h. im wesentlichen zwischen 70 und 120 MHz.
Stand der Technik
• Das erfindungsgemäße Filter ist von dem Typ, der gekoppelte Resonatoren umfasst. Die französische Patentanmeldung FR-A-2 626 716 (oder die entsprechende europäische Patentanmeldung EP-A-0 326 498) beschreibt ein Filter mit gekoppelten Resonatoren, das in Fig. 1 dargestellt ist. So wie dargestellt, umfasst dieses Filter fünf auf demselben Substrat 10 abgeschiedene Resonatoren C1 bis C5. Jeder Resonator umfasst eine Mikrostreifenleitung 14 (z. B. aus Kupfer), die eine Schleife mit einer Öffnung 16 bildet. An diese Öffnung angeschlossen ist ein regulierbarer oder endgültig justierter Kondensator 18. Die Einheit aus Leitung und Kondensator bildet einen Resonanzkreis LC. Die Länge des Mikrostreifens ist in der Größenordnung von λ/8, wenn λ die der Resonanzfrequenz zugeordnete Wellenlänge des Kreises ist.
• Das Substrat. 10 ist aus dielektrischen Material (z. B. aus Exoxydglas, Teflon, ...). Auf der Unterseite dieses Substrats befindet sich eine nicht dargestellte leitfähige Schicht (z. B. aus Kupfer), die die Massenebene bildet.
• Die verschiedenen Resonatoren sind miteinander gekoppelt durch parallele und benachbarte Seiten.
• Das Filter wird durch einen Eingangsmikrostreifen E und einen Ausgangsmikrostreifen S vervollständigt.
• Solche Filter arbeiten in dem Frequenzband, das im wesentlichen von 950 bis 1750 MHz geht, insbesondere in Empfangsstationen von Fernsehsignalen, die von Satelliten ausgestrahlt werden.
• Obwohl in gewisser Hinsicht zufriedenstellend, weisen diese Filter Nachteile auf. Zunächst einmal nehmen ihre Dimensionen schnell zu, wenn die Arbeitsfrequenz abnimmt (da diese Dimensionen die Größenordnung eines Bruchteils der Wellenlänge haben). Sie werden prohibitiv in dem FM-Band gegen 100 MHz.
• Anschließend weisen sie eine nicht vernachlässigbare Dämpfung im Zentrum des Durchlassbandes in der Größenordnung von 6dB auf, wobei diese Dämpfung noch zunimmt, wenn die Bandbreite abnimmt.
• Schließlich sind sie schwierig zu simulieren und zu berechnen, wegen der zahlreichen Kopplungen zwischen Zellen, deren genaue Quantifizierung immer schwierig ist.
• Das Dokument mit dem Titel "Kammleitungsfilter aus gekoppelten Mikrostreifenleitungen" von Roland Briechle, veröffentlicht in der Zeitschrift FREQUENZ, Bd. 30, Nr. 8, August 1976, beschreibt ein Filter, das eine große Anzahl Resonatoren umfasst, jeder gebildet durch einen Mikrostreifen, der die Rolle der Induktanz spielt, und einen Kondensator, beide mit der Masse verbunden. Jeder Resonator bildet somit einen "Finger" und das komplette Filter wird durch eine große Anzahl solcher Finger gebildet, die längs der Mikrostreifen miteinander gekoppelt sind.
• Außerdem erfordern diese Filter Abstimmschaltkreise am Eingang und am Ausgang.
• Ein solches Filter führt zu Verlusten aufgrund der Kopplungen zwischen Resonatoren und ist nur sehr schwierig simulierbar, denn keine Software ist fähig, so zahlreiche und - gewisse betreffend - auch weit entfernte Kopplungen zu simulieren. Sobald man die Anzahl der Resonatoren verändert, um z. B. das Durchlassband zu variieren, verändern sich die Kopplungen, und man muss die ganze Simulation neu beginnen.
• Selbst dann, wenn man die Anzahl der Resonatoren auf ihr theoretisches Minimum beschränkt, das 3 beträgt, erhält man immer noch ein komplexes, schwer zu simulierendes Filter mit einem Eingangsfinger, einem Ausgangsfinger und einem Zwischenfinger.
• Diese Filter lösen also auch nicht das Problem der Simulation und der Berechnung.
Darstellung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen. Zu diesem Zweck schlägt sie ein Filter vor, dessen Dimensionen reduziert sind (praktisch um einen Faktor 10 in Bezug auf das schon beschriebene Filter des Dokuments FR-A- 2 626 716) und ungefähr λ/100 betragen. Das Filter kann also mit Frequenzen arbeiten, die unter 500 MHz sinken. Außerdem hat das erfindungsgemäße Filter sehr geringe Verluste, in der Größenordnung von 2dB. Seine Bandbreite kann zwischen einem schmalen Band (2%) und einem breiten Band (40%) eingestellt werden.
• Alle diese Resultate erhält man dank einer speziellen Struktur, die ausschließlich zwei gekoppelte Resonatoren umfasst, die eine Filtrierzelle bilden. Erfindungsgemäß werden die Resonatoren einer Zelle alle durch eine Mikrostreifenleitung, die bei der Arbeitsfrequenz im wesentlichen die Rolle einer Induktanz spielt, und durch einen Abstimmkondensator gebildet. Es handelt sich also wieder um einen Resonator des Typs LC, aber nach einer ersten Charakteristik des Resonators hat die Leitung nicht mehr die Form einer Schleife mit Öffnung. Der Abstimmkondensator wird also nicht in eine Öffnung eingefügt, sondern mit einem der Enden der Leitung verbunden und eine Belegung liegt an der elektrischen Masse. Nach einer anderen Charakteristik umfasst die Leitung einen geradlinigen Teil (oder Zweig), der dazu dient, die beiden Resonatoren einer Zelle miteinander zu koppeln, und dazu sind die beiden geradlinigen Zweige der beiden Resonatoren benachbart. Die Länge dieser Zweige sowie ihre Breite ermöglichen, die Kopplung leicht auf den passenden Wert einzustellen.
• Eine solche Zelle mit ausschließlich zwei Resonatoren ist im Stand der Technik nicht vorgesehen, auch nicht in dem oben zitierten Dokument FREQUENZ, wo die Anzahl der Finger noch immer sehr groß ist und auf gar keinen Fall kleiner als 3.
• Die Erfindung deckt also schon eine Elementarzelle des beschriebenen Typs ab. Aber sie deckt auch den Fall ab, wo das Filter mehrere Elementarzellen umfasst, die in aufeinanderfolgender Weise direkt miteinander verbunden sind, wobei der zum zweiten Resonator gehörende Abgriff einer Zelle mit dem zum ersten Resonator gehörenden Abgriff der nachfolgenden Zelle verbunden ist. Die Kaskadenschaltungsverluste werden so auf ein Minimum reduziert in Bezug auf das Filter des schon zitierten Dokuments FREQUENZ, wo die Kaskadenschaltung der Resonatoren durch Kopplung erfolgt. Bei gleicher Gesamtzahl der Resonatoren weist das erfindungsgemäße Filter kleinere Verluste auf und seine Simulation ist sehr viel einfacher.
• Noch genauer hat die vorliegende Erfindung also ein Bandpassfilter mit gekoppelten Resonatoren zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es wenigstens eine Filtrier- Elementarzelle enthält, wobei jede Elementarzelle durch ausschließlich zwei Resonatoren gebildet wird, hier anschließend als erster und zweiter Resonator bezeichnet, und jeder Resonator einer Zelle umfasst:
• - eine leitfähige Mikrostreifenleitung, die bei der Arbeitsfrequenz die Rolle einer Induktanz spielen, wobei diese Leitung einen ersten geradlinigen Teil umfasst, der einen Teil des Mikrostreifens darstellt, dieser erste Teil ein mit einer elektrischen Masse verbundenes Ende hat, die beiden zum ersten und zweiten Resonator einer selben Zelle gehörenden ersten Teile nebeneinanderliegen und die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Resonator sicherstellen, die Leitung noch einen zweiten Teil umfasst und dieser zweite Teil ein Ende aufweist,
• - einen Abstimmkondensator mit einer Belegung, die mit dem Ende des zweiten Teils verbunden ist, und einer weiteren Belegung, die mit der elektrischen Masse verbunden ist,
• - einen Abgriff in einem zwischen den Enden des zweiten Teils und des Abstimmkondensators befindlichen Punkt, wobei der zweite Teil jedes Mikrostreifens mit dem ersten Teil einen bestimmten Winkel bildet und die beiden zweiten Teile der Mikrostreifen der beiden Resonatoren zwischen sich einen doppelten Winkel bilden.
• Das erfindungsgemäße Filter kann mehrere Zellen dieser Art enthalten, wobei in diesem Fall zwei aufeinanderfolgende Zellen direkt miteinander verbunden sind und der zum zweiten Resonator einer Zelle gehörende Abgriff mit dem zum ersten Resonator der nachfolgenden Zelle gehörenden Abgriff verbunden ist.
• Der der Kopplung der beiden Resonatoren dienende erste Teil oder Zweig einer Zelle muss eine geradlinige Form haben, aber der Rest der Mikrostreifenleitung, d. h. der zweite Zweig, kann eine beliebige Form haben, z. B. eine schräge, rechtwinklige, etc.. Die Mikrostreifenleitung kann also verschiedene Formen aufweisen, z. B. L-Form, Γ-Form, etc. ...
• Bezüglich der Breiten der Mikrostreifenzweige gilt, dass sie nicht unbedingt identisch sein müssen. Sie können unterschiedlich sein. Sie können sogar längs eines selben Zweiges mit oder ohne Übergang variieren.
• Alle gegenwärtigen oder zukünftigen Techniken ermöglichen, Mikrostreifen zu realisieren, die sich für die Erfindung eignen: Verwendung eines dielektrischen Substrats, Dreiplattentechnik, Aufhängung in einem Gehäuse, Vorhandensein einer Massenebene unter einem Substrat oder Benutzung der metallischen Wände eines Gehäuses als Masse, etc. ... Die Verwendung eines Dielektrikums mit starker Permittivität ermöglicht, die Dimensionen zu reduzieren. Aber, wenn diese zu klein werden, ermöglicht die Verwendung von Luft als Dielektrikum, zu vernünftigen Dimensionen zurückzufinden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• - Die Fig. 1, schon beschrieben, zeigt ein Filter aus dem Stand der Technik mit gekoppelten Zellen;
• - die Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Filter mit einer Zelle;
• - die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsart mit ganz geradlinigen Mikrostreifen;
• - die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsart mit Mikrostreifen mit schrägen Zweigen;
• - die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsart mit Mikrostreifen mit Kopplungszweigen von variabler Breite;
• - die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsart mit Mikrostreifen mit einem zweiten Zweig von variabler Breite;
• - die Fig. 7 zeigt ein Maske zum Herstellen eines Filters mit zwei Zellen;
• - die Fig. 8 ist ein elektrischer Schaltplan eines Filters mit zwei Zellen;
• - die Fig. 9 zeigt das Durchlassband des Filters der Fig. 8 in einem Bereich, der von 78 bis 118 MHz geht;
• - die Fig. 10 zeigt die Dämpfung des Filters in Abhängigkeit von der Frequenz in einem Bereich, der von 1 bis 200 MHz geht;
• - die Fig. 11 zeigt die Dämpfung gegen die hohen Frequenzen bis 2000 MHz;
• - die Fig. 12 zeigt das Stehwellenverhältnis in einem Frequenzbereich, der von 1 bis 200 MHz geht.
Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten
• Man sieht in Fig. 2 ein dielektrisches Substrat 20, auf dessen Unterseite sich eine Metallschicht 22 befindet, die eine Massenebene bildet. Auf der Oberseite sieht man zwei Resonatoren R1, R2, jeder gebildet durch einen Mikrostreifen MR1 bzw. MR2 und einen Kondensator C1 bzw. C2. Jeder Mikrostreifen umfasst einen geradlinigen ersten Teil (oder Zweig) L1 (bzw. L2) und einen zweiten Teil (oder Zweig) L'1 (bzw. L'2), der in der dargestellten Variante mit dem Teil L1 (bzw. L2) ein Γ bildet. Das Ende e1 (e2) des Zweigs L1 (L2) ist mit der Massenebene 22 durch eine Konaktstelle und einen leitenden Durchgang 24/1 (24/2) verbunden. Das Ende e'1 (e'2) des Zweigs L'1 (L'2) ist mit einer der Belegungen eines Kondensators C1 (C2) verbunden, wobei die andere Belegung des Kondensators durch eine Kontaktstelle und einen leitenden Durchgang 26/1 (26/2) mit der Massenebene 22 verbunden ist.
• Eventuell können eine einzige Kontaktstelle und ein einziger leitender Durchgang benutzt werden, um die Enden e1, e2 mit der Massenebene zu verbinden. Die Leitungen werden also an einem ihrer Enden kurzgeschlossen.
• Der Eingang E der Zelle wird zwischen C1 und L'1 realisiert und der Ausgang S zwischen C2 und L'2. Natürlich ist die Vorrichtung symmetrisch und man kann S als Eingang und E als Ausgang benutzen.
• Die Gesamtheit dieser Einrichtungen bildet eine Zelle C.
• Die Fig. 3, 4, 5 und 6 zeigen einige Ausführungsarten der verschiedenen Zweige der Mikrostreifen.
• Zunächst befinden sich in der Fig. 3 die Zweige L1 (L2) und L'1 (L'2) in ihrer gegenseitigen Verlängerung und der Mikrostreifen ist geradlinig. Es gibt genau genommen keinen zweiten Teil und der erste kann als der betrachtet werden, der die Gesamtheit des Streifens bildet.
• In der Fig. 4 sind die Zweige L'1 (L'2), die nicht der Kopplung dienen, auf den Kopplungszweigen L1 (L2) um einen bestimmten Winkel (θ) geneigt. Dabei bilden die Zweige L'1 (L'2) miteinander einen Doppelwinkel (2A). Man kann z. B. θ = 45º wählen, was dazu führt, dass die Zweige L'1 und L'2 einen rechten Winkel bilden.
• Man könnte auch θ = 90º wählen, wobei in diesem Fall die Zweige L'1, L'2 sich in ihrer gegenseitigen Verlängerung befänden und mit dem Kopplungszweigen L1 bzw. L2 ein Γ bilden würden.
• In der Fig. 5 nimmt die Breite des Kopplungszweigs L1 (L2) (im vorliegenden Fall der, der an Masse liegt) von einem Ende zum anderen zu, wobei auch das Gegenteil möglich ist.
• In der Fig. 6 ist es der Zweig L'1, dessen Breite zunimmt.
• Die Fig. 7 und 8 zeigen eine besondere Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Filters in dem Fall, wo dieses Filter zwei Zellen umfasst.
• Zunächst zeigt die Fig. 7 die Maske, die benutzt wird, um auf der Oberseite des Substrats die gedruckte Schaltung herzustellen. Diese Maske ist im Massstab 3 dargestellt, was ermöglicht, die reduzierten Dimensionen des erfindungsgemäßen Filters zu würdigen. Diese Maske umfasst zwei symmetrische Teile, bezogen auf einen Punkt O. Jeder Teil umfasst einen Zugriffstreifen ME für den Eingang und MS für den Ausgang und zwei T-förmige, benachbarte Streifen, die eine Einheit M1,2 (M3,4) bilden, die den beiden Zellen entsprechen werden.
• Die Fig. 8 zeigt den der Fig. 7 entsprechenden elektrischen Schaltplan, nachdem die Kondensatoren C1, C2, C3, C4 hinzugefügt worden sind. Man sieht die gekoppelten Resonatoren R1 und R2 der ersten Zelle C1-2 und die gekoppelten Resonatoren R3, R4 der zweiten Zelle C3-4. Die gekoppelten Zweige sind jeweils L1, L2 für die erste Zelle und L3, L4 für die zweite Zelle.
• In dem Schaltplan der Fig. 8 sieht man, dass jede Zelle direkt mit der nächsten verbunden ist. Der Verbindungsstreifen ist mit 30 bezeichnet. Es gibt also keine Kopplung mehr, wie bei der vorhergehenden Technik, sondern eine einfache Serienschaltung.
• Die beiden Zellen sind außerdem so angeordnet, dass sie möglichst weit voneinander entfernt sind, um jede gegenseitige Kopplung zu vermeiden. So ist die zweite Zelle C3-4 nicht in der Verlängerung der ersten C1-2 angeordnet, sondern symmetrisch platziert in Bezug auf das Element 30.
• Wenn das Filter mehr als zwei Zellen umfasst, ändert sich daran nichts, denn die Zellen werden so angeordnet, dass sie abwechselnd in die eine und die andere Richtung weisen, sodass sie eine Zickzack-Zellenkaskade bilden.
• Die Fig. 9 bis 12 ermöglichen, die Leistungen des Filters der Fig. 7 und 8 zu zeigen.
• Die Fig. 9 zeigt zunächst die Dämpfung des Filters in dem von 78 bis 118 MHz reichenden Band. Man sieht, dass die Dämpfung in der Mitte des Durchlassbandes sehr klein ist (ungefähr 2 dE).
• Die Fig. 10 zeigt dieselbe Dämpfung, aber über einen breiteren Frequenzbereich, der von 1 MHz bis 200 MHz geht.
• Die Fig. 11 zeigt die Dämpfung gegen die hohen Frequenzen, bis 2000 MHz. Man sieht ein parasitäres Peak auftreten, aber mit einer beträchtlichen Dämpfung in der Größenordnung von 70 dB. Dieses Peak ist in der Praxis ohne Bedeutung.
• Schließlich zeigt die Fig. 12 das Stehwellenverhältnis (TOS) als Funktion der Frequenz. In dem Durchlaßband fällt dieses Verhältnis auf ungefähr -22 dB.

Claims (9)

1. Bandpaßfilter mit gekoppelten Resonatoren

dadurch gekennzeichnet,

daß es wenigstens eine Filtrier-Elementarzelle enthält, wobei jede Elementarzelle durch ausschließlich zwei Resonatoren gebildet wird, hier anschließend als erster und zweiter Resonator bezeichnet, und jeder Resonator einer Zelle umfaßt:

- eine leitfähige Mikrostreifenleitung (MR1, MR2), die bei der Arbeitsfrequenz die Rolle einer Induktanz spielen, wobei diese Leitung einen ersten geradlinigen Teil (L1, L2) umfaßt, der einen Teil des Mikrostreifens darstellt, dieser erste Teil (L1, L2) ein mit einer elektrischen Masse (22) verbundenes Ende (e1, e2) hat, die beiden zum ersten und zweiten Resonator (R1, R2) einer selben Zelle (C) gehörenden ersten Teile (L1, L2) nebeneinanderliegen und die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Resonator (R1, R2) sicherstellen, die Leitung noch einen zweiten Teil (L'1, L'2) umfaßt und dieser zweite Teil ein Ende (e'1, e'2) aufweist,

- einen Abstimmkondensator (C1, C2) mit einer Belegung, die mit dem Ende (e'1, e'2) des zweiten Teils verbunden ist, und einer weiteren Belegung, die mit der elektrischen Masse (22) verbunden ist,

- einen Abgriff (E, S) in einem zwischen den Enden (e'1, e'2) des zweiten Teils und des Abstimmkondensators (C1, C2) befindlichen Punkt, wobei der zweite Teil (L'1, L'2) jedes Mikrostreifens mit dem ersten Teil (L1, L2) einen bestimmten Winkel (6) bildet und die beiden zweiten Teile (L'1, L'2) der Mikrostreifen der beiden Resonatoren zwischen sich einen doppelten Winkel (26) bilden.

2. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Filtrier-Elementarzellen enthält, die in aufeinanderfolgender Weise direkt miteinander verbunden sind, wobei der zum zweiten Resonator einer Zelle gehörende Abgriff mit dem zum ersten Resonator der nachfolgenden Zelle gehörenden Abgriff verbunden ist.

3. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (θ), den der zweite Teil (L'1, L'2) mit dem ersten (L1, L2) bildet, gleich 90º ist, wobei jeder Mikrostreifen eine L-Form aufweist.

4. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrostreifen einen r-Form aufweist.

5. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (L1, L2) des Mikrostreifens eine variable Breite hat.

6. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (L'1, L'2) des Mikrostreifens eine variable Breite hat.

7. Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (e1, e2) der ersten Teile (L1, L2) der beiden zu zwei gekoppelten Resonatoren (R1, R2) gehörenden Mikrostreifen mit einer einzigen elektrischen Masse (24/1, 24/2) verbunden sind.

8. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Zellen (C1-2, C3-4) versetzt angeordnet sind.

9. Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem auf ungefähr 100 MHz zentrierten Frequenzband arbeitet.