FI106608B

FI106608B - Sähköisesti säädettävä suodatin

Info

Publication number: FI106608B
Application number: FI963841A
Authority: FI
Inventors: Tapio Raettilae; Mauri Alila
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2001-02-28
Also published as: EP0838874A3; EP0838874A2; US6037848A; EP0838874B1; FI963841A0; DE69726092D1; DE69726092T2; FI963841A

Description

106608 Sähköisesti säädettävä suodatin - Elektriskt reglerbart filter

Keksintö koskee yleisesti siirtojohtoresonaattoreihin perustuvia suodattimia ja eri-5 tyisesti suodatinratkaisua, jonka taajuusvaste on muutettavissa sähköisellä ohjaussignaalilla.

Siirtojohtoresonaattoreihin perustuvat suodattimet ovat nykyaikaisten radiolaitteiden peruskomponentteja. Taajuusvasteen mukaan tarkasteltuna tavallisimpia suodatin-10 tyyppejä ovat kaistanesto- ja kaistanpäästösuodattimet, joita käytetään vaimentamaan korkeataajuista signaalia halutulla taajuusaleella (kaistanesto) tai tietyn taajuusalueen ulkopuolella (kaistanpäästö). Lisäksi käytetään alipäästö- ja ylipäästö-suodattimia. Siirtojohtoresonaattorit, joiden resonanssitaajuuden valintaan ja muuttamiseen suodattimen taajuusvaste perustuu, ovat yleisimmin lieriökelajohtimia eli 15 heliksejä, dielektriseen väliaineeseen muodostettuja metalloituja uria tai reikiä, koaksiaalisia ulko/sisäjohdinpareja tai levymäiselle substraatille muodostettuja lius-kajohtimia. Resonaattorien määrä suodattimissa on yleensä kahdesta noin kahdeksaan. Suodatin kytkeytyy muuhun radiolaitteeseen tulo-, lähtö- ja ohjaussignaali-porttien kautta.

20

Useissa sovelluksissa on edullista, jos suodattimen taajuusvastetta voidaan muuttaa käytön aikana antamalla suodattimelle jokin sähköinen signaali. Esimerkiksi monissa solukkojärjestelmien matkapuhelimissa lähetys ja vastaanotto tapahtuvat kulloinkin kapeahkolla taajuuskaistalla, joka voi sijaita eri kohdissa leveämpää taajuus-, ; - 25 aluetta. Tällöin vastaanottimen kaistanpäästösuodatin, jonka tehtävä on estää mui den kuin halutun signaalin pääsy vastaanottimeen, on säädettävä niin, että sen taajuusvasteessa vaimennuksen minimi osuu halutun signaalin taajuudelle. Tunnetaan myös taajuusdupleksiin perustuvien puhelimien dupleksisuodattimia, joissa vastaan-ottohaaran päästökaista on leveä silloin, kun laite ei lähetä, ja kapea silloin, kun laite 30 lähettää ja voimakasta lähetettä on estettävä pääsemästä herkkiin vastaanotto-osiin. - ... Kapea vastaanoton päästökaista on luonnollisesti myös voitava siirtää vastaanotto- taajuusalueen siihen kohtaan, jossa haluttu signaali kulloinkin on.

Tekniikan tasosta ei tunneta yksinkertaista suodatinta, joka olisi muutettavissa säh-35 köisellä signaalilla kaistanestosuodattimesta alipäästösuodattimeksi siten, että suodatin päästää alipäästösuodattimena lävitseen koko aiemman estokaistan, mutta vaimentaa molemmissa tapauksissa tarkasteltavan kaistan harmoniset taajuudet. Teknii-kan tason mukainen toiminnaltaan vastaava ratkaisu edellyttää, että radiolaitteessa 2 106608 on kaksi erillistä suodatinta, joista toinen on kaistanestosuodatin ja toinen on ali-päästösuodatin. Erillinen kytkinjärjestely ohjaa suodattimista yhden kerrallaan käyttöön. Tällaisen järjestelyn haittoja ovat kahdesta erillisestä suodattimesta johtuva suuri tilantarve ja korkeataajuisen signaalin vaimeneminen sen kulkiessa kytkinjär-5 jestelyn läpi.

Keksinnön tavoitteena on esittää radiotaajuussuodatin, joka on sähköisellä signaalilla muutettavissa kaistanestosuodattimesta alipäästösuodattimeksi. Keksinnön tavoitteena on myös, että sen mukainen ratkaisu on helposti sovellettavissa erityyppi-10 sistä resonaattoreista perustuviin suodattimiin. Lisäksi keksinnön tavoitteena on, että sen mukainen säädettävä suodatin on pienikokoinen ja tuottaa vain vähän ei-toivot-tua vaimennusta. Keksinnön tavoitteena on edelleen, että sen mukainen suodatin on toteutettavissa suhteellisen vähillä komponenteilla.

15 Keksinnön tavoitteet saavutetaan suodatinrakenteella, jossa kaistanestosuodattimen tavoin kytkettyihin siirtojohtoresonaattoreihin on jäljestetty lisäksi piiri, joka vasteena tiettyyn ohjaussignaaliin sitoo tietyn kohdan kustakin siirtojohtoresonaattorista haluttuun vakiopotentiaaliin.

20 Keksinnön mukaiselle suodatinrakenteelle on tunnusomaista, että se käsittää ohjaus-signaaliportin ulkoista ohjaussignaalia varten ja suodattimen ensimmäiseen siirto-johtoresonaattoriin kytkettynä ensimmäisen kytkimen ja toiseen siirtojohtoresonaat-toriin liitettynä toisen kytkimen, jotka kytkimet on järjestetty muodostamaan sähköinen yhteys niihin kytkettyjen siirtojohtoresonaattorien ja tietyn kiinteän potentiaalin 25 välille niin, että taajuusvasteen muuttamiseksi alipäästötyyppiseksi vasteena tiettyyn ohjaussignaaliin ensimmäinen kytkin on järjestetty muodostamaan sähköinen yhteys ensimmäisen siirtojohtoresonaattorin ja tietyn kiinteän potentiaalin välille ja toinen kytkin on järjestetty muodostamaan sähköinen yhteys toisen siirtojohtoresonaattorin ja tietyn kiinteän potentiaalin välille.

30 . Keksintö perustuu oivallukseen, jonka mukaan kaistanestosuodattimessa oleva siir- tojohtoresonaattori voidaan ohittaa kytkemällä sen jokin kohta vakiopotentiaaliin, joka on edullisimmin maapotentiaali. Ohitettu resonaattori ei aiheuta kytkennässä merkittävää vaimennusta signaalille, jonka taajuus on ohittamattoman resonaattori-35 kytkennän estokaistalla. Rakenne vaimentaa kuitenkin tarkasteltavan taajuuskaistan harmonisia taajuuksia lähes samalla tavalla riippumatta siitä, onko resonaattorit ohitettu vai ei.

3 106608

Keksinnön toteutus riippuu jonkin verran siitä, millä tekniikalla resonaattorit on toteutettu. Piiri, joka vasteena ohjaussignaaliin kytkee resonaattorien tietyn kohdan vakiopotentiaaliin, kytkeytyy resonaattoreihin sinänsä tunnetulla tavalla. Heliksi-resonaattoreissa kytkentä tapahtuu edullisimmin tapituksena, joka on heliksin muo-5 toisen lieriökelajohtimen tiettyyn kohtaan juotettu johdin. Muihin resonaattoriraken-teistin soveltuvia kytkentätapoja selostetaan jäljempänä. Keksinnön mukaiseen säätöpiiriin kuuluva kytkin on jokin sinänsä tunnettu sähköisesti ohjattava kytkin, kuten PIN-diodi tai transistori.

10 Seuraavassa selostetaan keksintöä yksityiskohtaisemmin viittaamalla esimerkkinä esitettyihin edullisiin suoritusmuotoihin ja oheisiin kuviin, joissa kuva 1 esittää kaavamaisesti keksinnön periaatetta, 15 kuva 2 esittää kytkentäkaaviona keksinnön soveltamista heliksiresonaattoreita käsittävään suodattuneen, kuvat 3a-3d esittävät kuvan 2 mukaisen suodattimen mitattua taajuusvastetta eri tapauksissa, ja 20 kuva 4 esittää keksinnön soveltamista dielektriseen suodattimeen.

Kuvissa käytetään toisiaan vastaavista osista samoja viitenumerolta.

25 Kuvassa 1 on esitetty suodatin 1, joka käsittää kaksi siirtojohtoresonaattoria 2 ja 3. Keksintö ei rajoita suodattimen piirilukua eli siinä olevien resonaattorien määrää, mutta tässä patenttihakemuksessa selostetaan erityisesti kahden resonaattorin suodattimia, koska pyrkimyksenä on rakentaa nimenomaan pieni suodatin ja kaksi on yleensä resonaattorien vähimmäismäärä. Kuvan esittämässä suodattimessa on tulo-30 portti 4 ja lähtöportti 5. Lohko 6 sisältää sovitus- ja muita kytkentöjä, joiden avulla suodattimen tulo- ja lähtöimpedanssi saadaan halutun suuruiseksi ja jotka yhdessä resonaattorien 2 ja 3 kanssa aikaansaavat kaistanestotyyppisen taajuusvasteen silloin, kun taajuusvasteeseen ei vaikuteta muulla tavoin. Lohkon 6 tarkoittamien kytkentöjen laatiminen ja mitoittaminen on sinänsä tunnettua tekniikkaa.

35

Keksinnön mukaisesti suodatin 1 käsittää lisäksi kytkimet 7 ja 8, joista kumpikin on y kytketty yhden siirtojohtoresonaattorin ja maapotentiaalin väliin. Kytkimien toimin taa ohjaa ohjaussignaaliporttiin 9 tuotu signaali. Kuvan esittämässä suoritusmuodos- 4 106608 sa kytkimillä on kaksi asentoa ja ne toimivat samassa vaiheessa eli ohjaussignaalin tietty ensimmäinen arvo ohjaa molemmat kytkimet auki ja ohjaussignaalin tietty toinen arvo ohjaa molemmat kytkimet kiinni. Kytkimien ollessa suljettuna ne muuttavat merkittävästi resonaattorien 2 ja 3 sähköisiä ominaisuuksia, koska maadoitettava 5 piste 2a, 3a sijaitsee kummassakin resonaattorissa varsin lähellä pistettä 2b, 3b, josta kyseinen resonaattori on kytkettynä lohkoon 6 kaistanestotoiminnan toteuttamiseksi.

Kuvassa 2 on esitetty kytkentäkaaviona suodatin 1, joka käsittää kaksi heliksireso-naattoria 2 ja 3. Tuloportin 4 ja ensimmäisen heliksiresonaattorin 2 välillä on gal-10 vaaninen yhteys tapituspisteen 2b kautta. Vastaavasti lähtöportin 5 ja toisen heliksi-resonaattorin 3 välillä on galvaaninen yhteys tapituspisteen 3b kautta. Kuvan 1 lohkoa 6 vastaavat kuvan 2 tapauksessa kapasitanssit 6a ja 6b sekä siirtolinjat, joilla tulo- ja lähtöporttien 4, 5 ja resonaattorien 2, 3 väliset yhteydet on toteutettu.

15 Keksinnön mukaisesti kuvan 2 esittämään suodattuneen on järjestetty kytkinpiiri, joka koostuu kahdesta PIN-diodista D7 ja D8, kapasitansseista C7 ja C8 sekä resistansseista R7 ja R8. Kummankin PIN-diodin katodi on kytketty yhteen heliksireso-naattoriin erityisessä lisätapituspisteessä 2a ja 3 a. Kapasitanssi C7 on kytketty PIN-diodin D7 anodin ja maapotentiaalin väliin ja kapasitanssi C8 on kytketty PIN-dio-20 din D8 anodin ja maapotentiaalin väliin. Kummankin PIN-diodin anodilta on lisäksi yhteys resistanssin R7, R8 kautta ohjaussignaaliporttiin 9. Kuvan esittämässä suoritusmuodossa etäisyys varsinaisen tapituspisteen 2b, 3b ja lisätapituspisteen 2a, 3a välillä on kummassakin heliksiresonaattorissa noin yhden heliksikierroksen pituinen. Etäisyys voi kuitenkin olla myös lyhyempi tai pitempi kuin yksi heliksikierros.

... 25

Keksintöön johtaneen tutkimustyön yhteydessä valmistettiin kuvan 2 mukainen he-liksiresonaattoreihin perustuva suodatin ja mitattiin sen taajuusvaste ohjaussignaali-porttiin 9 tuodun jännitesignaalin eri arvoilla. Kun ohjaussignaali on nolla eli oh-jaussignaaliportti 9 on oleellisesti maapotentiaalissa, PIN-diodit D7 ja D8 on biasoi-30 tu estosuuntaisesti, mikä kuvaan 1 verraten vastaa kytkimien 7 ja 8 auki-asentoa. Tällöin esimerkkisuodattimen taajuusvaste kuvattuna läpäisyllä tuloportista 4 lähtö-porttiin 5 on kuvien 3 a ja 3b mukainen. Kuvassa 3 a käyrä 10 esittää läpäisykerrointa desibeliasteikolla taajuuden muuttuessa 370 MHz:stä 400 MHziiin. Käyrässä nähdään kuoppana estokaista, jonka keskitaajuus on noin 392 MHz. Kuvassa 3b on esi-35 tetty käyrällä 11 läpäisykertoimen mittaus korkeammilla taajuuksilla. Kuvasta 3b nähdään, että estokaistan keskitaajuuden ensimmäisellä harmonisella taajuudella (784 MHz) vaimennus on yli -30 dB ja muilla harmonisilla taajuuksilla aina 2 GHz:iin asti vaimennus on yli -50 dB.

5 106608

Kun kuvan 2 mukaisessa suodattimessa ohjaussignaaliporttiin 9 tuodaan positiivinen jännitesignaali, PIN-diodit D7 ja D8 biasoituvat myötäsuuntaisesti. Tällöin radiotaajuisen signaalin kannalta lisätapituspisteistä 2a ja 3a on yhteys maapotentiaaliin. Kapasitanssit C7 ja C8 eristävät ohjaussignaaliporttiin tuodun tasajännitesignaalin 5 maapotentiaalista ja resistanssit R7 ja R8 estävät radiotaajuista signaalia kytkeytymästä ohjaussignaaliporttiin 9. Kuvissa 3c ja 3d on kuvattu suodattimen läpäisy pe-rustaajuudella (kuva 3c, käyrä 12) ja harmonisilla taajuuksilla (kuva 3d, käyrä 13), kun ohjaussignaaliporttiin on tuotu positiivinen jännitesignaali. Käyrästä 12 nähdään, että suodattimen läpäisy on miltei tasainen ja suuruudeltaan alle -1 dB koko 10 mitatulla alueella. Sen sijaan käyrä 13 kuvassa 3d osoittaa, että harmonisten taajuuksien vaimennus on lähes identtinen verrattuna kuvaan 3b, jossa ohjaussignaalipor-tissa ei ole jännitesignaalia.

Keksintö ei rajoitu heliksiresonaattoritoteutuksiin. Kuvassa 4 on esitetty dielektrinen 15 lohko 14, joka on oleellisesti suorakulmaisen särmiön muotoinen rajoittuen neljään pareittain yhdensuuntaiseen sivupintaan, joista vierekkäiset sivupinnat ovat toisiaan vastaan kohtisuorassa, sekä kahteen sivupintoihin nähden kohtisuoraan päätypin-taan. Päätypinnalta toiselle ulottuu kaksi lieriömäistä reikää 15 ja 16, joiden sisäpinta on päällystetty sähköä johtavalla materiaalilla (esitetty kuvassa varjostuksella), 20 jolloin kumpikin reikä muodostaa yhdessä lohkon ulkopinnan osittaisen pinnoitteen kanssa siirtojohtoresonaattorin. Suodattimen rakentaminen käyttäen hyväksi kuvan 4 mukaista dielektristä resonaattorilohkoa on sinänsä hyvin tunnettua tekniikkaa. Lohkon 14 ei tarvitse olla yhtenäinen, vaan siinä voi olla useampia yhteenliitettyjä osia. Esimerkiksi kukin resonaattori voi olla muodostettuna omaan runkolohkon osaansa. 25 Lohkon ei myöskään tarvitse olla suorakulmaisen särmiön muotoinen.

Resonaattoreihin kytkeytymistä varten kuvassa näkyvällä ylemmällä päätypinnalla, joka muuten on pinnoittamaton, on johtavasta pinnoitteesta muodostetut kytkeyty-misalueet 17 ja 18. Keksinnön mukaisesti dielektrisen lohkon eräälle sivupinnalle on 30 muodostettu lisäksi kytkeytymisalueet 19 ja 20, joihin voidaan liittää kytkinpiiri kytkeytymisalueiden 19 ja 20 maadoittamiseksi vasteena tiettyyn ohjaussignaaliin.

• · .

Kapasitiivinen kytkentä siirtojohtoresonaattoreista 15 ja 16 kytkeytymisalueiden 19 ja 20 kautta maapotentiaaliin aiheuttaa sen, että suodattimen, jonka yhteydessä reso-naattoreita käytetään, taajuusvaste muuttuu samalla tavalla kuin on esitetty edellä 35 viitaten kuviin 3a - 3d. Kytkinpiiri, joka käsittää kytkimet 7 ja 8 ja ohjaussignaali-portin 9, on esitetty kuvassa vain kaavamaisesti, mutta sen toteuttaminen esimerkiksi .** . lohkon pinnalle muodostettuihin juotostäpliin (ei esitetty kuvassa) kiinnitettävillä erilliskomponenteilla on sinänsä tunnettua tekniikkaa.

6 106608

Kapasitiivisten ja/tai galvaanisten kytkentöjen rakentaminen myös muunlaisiin reso-naattoreihin, kuten liuskajohto- ja koaksiaaliresonaattoreihin, on sinänsä tunnettua, joten niihin voidaan helposti soveltaa keksinnön mukaista maadoituskytkentää. Maadoituskohdan sijainti resonaattorissa ja maadoituskytkennässä käytettävien 5 komponenttien mitoitus voidaan kussakin tapauksessa etsiä sopiviksi kokeilemalla, koska niihin vaikuttavat mm. suodattimen haluttu impedanssisovitus ja haluttu signaalin kokonaisvaimennus.

Vaikka edellä on esitetty mittaustuloksia koskien suodatinta, jonka nimellinen toi-10 mintataajuus on noin 385 MHz, keksintö ei rajoitu käytettäväksi minkään tietyn taajuusalueen suodattimissa. Se on edullisimmin sovellettavissa kaikkiin radiotaajuista signaalia käsitteleviin laitteisiin, joissa suodattimilta edellytetään pientä kokoa ja mahdollisuutta taajuusvasteen sähköiseen muuttamiseen. Keksintö sisältää hyvin vähän muita komponentteja kuin resonaattorit, joten se on valmistuskustannuksil-15 taan edullinen ja soveltuu hyvin sarjatuotantoon. Komponenttien vähyydestä johtuen keksintö aiheuttaa radiotaajuiseen signaaliin hyvin vähän ei-toivottua vaimennusta.

> · * • 4

Claims

1. Radiotaajuussuodatin (1), joka käsittää - tuloportin (4) ja lähtöportin (5), 5. ensimmäisen siirtojohtoresonaattorin (2) ja toisen siirtojohtoresonaattorin (3), - ohjaussignaaliportin (9) ulkoista ohjaussignaalia varten, - mainittuun ensimmäiseen siirtojohtoresonaattoriin liittyvän ensimmäisen kytkimen (7) ja - mainittuun toiseen siirtojohtoresonaattoriin liittyvän toisen kytkimen (8), 10 ja jolla radiotaajuussuodattimella on kaistanestotyyppinen taajuusvaste, tunnettu siitä, että mainitun taajuusvasteen muuttamiseksi alipäästötyyppiseksi vasteena tiettyyn ohjaussignaaliin ensimmäinen kytkin (7) on järjestetty muodostamaan sähköinen yhteys ensimmäisen siirtojohtoresonaattorin (2) ja tietyn kiinteän potentiaalin välille ja toinen kytkin (8) on järjestetty muodostamaan sähköinen yhteys toi-15 sen siirtojohtoresonaattorin (3) ja tietyn kiinteän potentiaalin välille.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainittu kiinteä potentiaali on maapotentiaali.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mai nitut siirtojohtoresonaattorit (2, 3) ovat heliksiresonaattoreita.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen siirtojohtoresonaattori (2) käsittää ensimmäisen tapituspisteen ... · 25 (2b) muuhun suodattuneen kytkeytymiseksi ja ensimmäisen lisätapituspisteen (2a) mainittuun ensimmäiseen kytkimeen kytkeytymistä varten, ja mainittu toinen siirtojohtoresonaattori (3) käsittää toisen tapituspisteen (3b) muuhun suodattaneen kytkeytymiseksi ja toisen lisätapituspisteen (3a) mainittuun toiseen kytkimeen kytkeytymistä varten. 30 ..

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että etäi- syys molemmissa siirtojohtoresonaattoreissa tapituspisteestä (2b, 3b) lisätapituspis-teeseen (2a, 3 a) on oleellisesti yhden heliksikierroksen pituinen.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mai nitut siirtojohtoresonaattorit (2, 3) ovat dielektrisiä resonaattoreita. • · * 106608

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainitut siirtojohtoresonaattorit (2, 3) ovat koaksiaaliresonaattoreita.

7 106608

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mai-5 nitut siirtojohtoresonaattorit (2, 3) ovat liuskajohtoresonaattoreita.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäinen ja toinen kytkin ovat samanlaisia käsittäen kumpikin PIN-diodin (D7, D8), jonka katodi on kytketty siirtojohtoresonaattoriin ja jonka anodi on kyt- 10 ketty kapasitiivisen elimen (C7, C8) välityksellä mainittuun kiinteään potentiaaliin, sekä resistiivisen elimen (R7, R8) kytkettynä mainitun PIN-diodin anodin ja mainitun ohjaussignaaliportin (9) väliin. 15