In der Art vom Kammleitungs- bzw. Interdigitalleitungsfiltern ausgebildetes Filter für kurze elektromagnetische Wellen

Abstract

 Bei Funkübertragungswesen, insbesondere bei Verkehrsfunk­übertragungswegen, sind Mikrowellenfilter erforderlich, die bei einem möglichst kleinen Volumen möglichst gute elektrische Werte haben. Angegeben werden hierzu nach Art von Kammleitungs- bzw. Interdigitalleitungsfiltern ausge­bildete Filter, bei denen die Resonatorinnenleiter als ebene Spirale (SpR₁...SpR₄) ausgebildet sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein in der Art von Kammleitungs-­bzw. Interdigitalleitungsfiltern ausgebildetes Filter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Filter der vorgenannten Art sind aus der Literaturstelle "Band-Pass and Band-Stop Microwave Filter using λ/4 Circular Cylindrical Real Resonators", Fujitsu Scientific Technical Journal, Vol. 4, No. 3, S. 29 bis 52, (Autoren Dy Juhio Ito, Takeshi Meguro) bekannt.

[0003] Beim beweglichen Funk, Richtfunk und Satellitenfunk werden u.a. Sende-Empfangsweichen und ZF-Bandpässe mit hoher Selektivität und geringen Verlusten benötigt.

[0004] Neben der Forderung nach hoher Resonatorgüte werden speziell beim beweglichen Funk, wie z.B. beim Autotelefon, kleines Volumen, geringes Gewicht und kostengünstige Herstellungsverfahren für die Massenproduktion verlangt.

[0005] Bisher wurden solche Filter mit Helix-Resonatoren gemäß der Literaturstelle B.K. Dube "The Design of Filters Using Helical Resonators in VHF-Band, J. Instn. Electro­nics Telecom. Engrs., Vol. 22, No. 2, 1976, S. 77 bis 79". oder mit Resonatoren in Form von Metallstäben z.B. als Kamm- oder Interdigitalfiltern gemäß der einleitend ge­nannten Literaturstelle aufgebaut, wobei als Dielektrikum neben Luft auch Keramik, z.B. nach der US-PS 4 431 977, verwendet wird, was die Metallstablänge und das Volumen um den Faktor √ε verkleinert, wenn ε die Dielektrizitäts­konstante der Keramik ist. Außerdem sind Filter bekannt, bei denen auf Keramiksubstrat planare Spiralspulen mit diskreten Kondensatoren zu Serienkreisen ergänzt und zu einem Bandpaß zusammengeschaltet werden. In dieser Technik werden weder hohe Resonatorgüten noch eine kostengünstige Herstellung erreicht.

[0006] Ebenso erfordern Helixfilter relativ großen Fertigungs­aufwand und viele Einzelteile. Die mit Metallstäben auf­gebauten Filter mit Luftdielektrikum sind voluminös, die mit Keramikdielektrikum relativ schwer, was besonders bei tragbaren Geräten nicht erwünscht ist.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Realisierungs­möglichkeiten von Filtern nach Art von Kammleitungs- bzw. Interdigitalleitungsfiltern anzugeben, die hochwertige elektrische Eigenschaften aufweisen und die bei kleiner Baugröße möglichst kostengünstig herstellbar sind.

[0008] Diese Aufgabe wird für Filter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß nach dem kennzeichnen­den Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0010] Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

[0011] Es zeigen in der Zeichnung

Fig. 1a die Draufsicht auf ein bekanntes Filter das als Kammleitungsfilter ausgebildet ist,

Fig. 1b das Filter nach Fig. 1a im Aufriß,

Fig. 2a ein Spiralresonatorfilter mit vier planaren Resonatoren,

Fig. 2b den Aufriß und den Seitenriß eines Filters nach Fig. 2a,

Fig. 3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Filters nach Fig. 2 mit vier Schwingkreisen,

Fig. 4a die Draufsicht und den Seitenriß eines Spiral­resonatorfilters mit vier planaren Resonatoren auf einem Trägermaterial T mit einer Überkopp­lung Ü,

Fig. 4b den Aufriß eines Filters nach Fig. 4a,

Fig. 5 den Aufriß und den Seitenriß eines Spiralreso­natorfilters mit vier planaren Resonatoren auf einer doppelt-kaschierten Leiterplatte L,

Fig. 6 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der Filter nach den Fig. 4a, 4b und 5,

Fig. 7 eine fünfkreisige Spiralresonatoranordnung in rechteckiger Ausführung der Spiralen,

Fig. 8 den Aufriß und die Seitenansicht eines fünfkrei­sigen Spiralresonatorfilters, dessen Resonatoren gegenüber den Fig. 2 bis 7 um 90° gedreht sind,

Fig. 9 ein fünfkreisiges Spiralresonatorfilter mit 90° gedrehten Einzelresonatoren und einer Innen-Mas­sung M der Spiralen,

Fig. 10 eine vierkreisige Spiralresonatoranordnung mit planaren Einzelresonatoren und einer Innenmas­sung der einzelnen Resonatoren,

Fig. 11 die Betriebsdämpfung a_B und die Reflexions­dämpfung a_r eines Vierkreisfilters nach Fig. 4a, b als Funktion der Frequenz f.

[0012] Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist zum raschen Ver­ständnis nochmals der Stand der Technik dargestellt, wie er beispielsweise in der eingangs genannten Literatur­stelle "Fujitsu Scientific Technical Journal, Vol. 4, Nr. 3, Seite 29 bis 52" angegeben ist. Als Beispiel ist dar­gestellt ein Kammleitungsfilter, das mit den sogenann­ ten Interdigitalfiltern bekanntlich an sich wirkungsgleich ist. Beim Kammleitungsfilter sind die Innenleiter nach Art eines Kammes angeordnet und münden auf der gleichen Gehäusefläche ein, während beim Interdigitalfilter die Innenleiter abwechselnd auf gegenüberliegende Gehäuseflächen einmünden. Im Beispiel von Fig. 1a und Fig. 1b sind vier Resonatoren R₁ bis R₄ vorgesehen. Sie haben etwa die Länge λ/4. Die Resonatoren R₁ bis R₄ sind im Gehäüse G angeord­net und an ihren Stirnseiten sind die Kapazitäten CV₁ bis CV₄ zu erkennen, die entweder tatsächlich geschaltet sein können oder die auch symbolisch die Streukapazitäten der Innenleiter R₁ bis R₄ darstellen. Die Resonatoren R₁ bis R₄ haben den Durchmesser d. An den ersten Resonator R₁ mündet eine Eingangsleitung E, die in der Regel als Ko­axialleitung ausgebildet ist. Der Innenleiter dieser Ko­axialleitung ist fest mit dem Resonator R₁ verbunden, der Außenleiter fest mit dem Gehäuse G verbunden. Entsprechend dazu ist am Resonator R₄ die Ausgangsleitung A zu erkennen, deren Innenleiter mit dem Resonator R₄ verbunden ist, während der Außenleiter ebenfalls mit dem Gehäuse G verbunden ist. Erkennbar ist auch durch die Bezugszeichen K₁, K₂ und K₃ daß die Kopplung zwischen den Resonatoren als Leitungskopplung wirkt wie dies auch bei Interdigital­filtern der Fall ist.

[0013] Diese Art der Filterrealisierung hat jedoch den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig großen Raumbedarf hat und gegebenenfalls auch verhältnismäßig schwer wird.

[0014] Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2a und 2b sind nun Spi­ralresonatoren SpR₁ bis SpR₄ verwendet, die als flache, ebene Spiralen ausgebildet sind und die ebenfalls im Ge­häuse G untergebracht sind. Auch zwischen diesen Spiralen besteht eine Leitungskopplung K₁ K₂ und K₃. Die Eingangs­leitung E und die Ausgangsleitung A ist ebenfalls zu er­kennen. Im Aufriß von Fig. 2b ist zu erkennen, daß dort Abstimmschrauben A₁ bis A₄ vorgesehen sind, die im speziellen Ausführungsbeispiel senkrecht stehen auf dem Ebenen der Spiralen und deren Längsachse etwa durch das Zentrum der Spiralen geht.

[0015] In Fig. 3 ist das elektrische Ersatzschaltbild darge­stellt, das also vier Resonanzkreise 1, 2, 3 und 4 enthält. Der Eingang E und der Ausgang A sind als ange­zapfte Spulen dargestellt um die transformatorische Wir­kung der Anzapfung ebenfalls symbolisch darzustellen.

[0016] Der wesentliche Vorteil der planaren Spiralresonatoren besteht jedoch darin, daß jeweils der gesamte Resonator­satz eines Filters in Stanz-, Formätz- oder Gußtechnik sowie auf kaschierten Leiterplatten präzise und kosten­günstig hergestellt werden kann, was z.B. bei den Filtern mit Helixresonatoren grundsätzlich nicht möglich ist. Zur Konzipierung können alle Entwurfsverfahren für Leitungs­filter (z.B. Fujitsu Scientific Technical Journal, Vol. 4 Nr. 3, S. 29 bis 52) angewandt werden, wobei der Kopp­lungsabstand K₁-K₃ zwischen den Spiralen abhängig ist von der gewählten Spiralform und dem Windungssinn und experi­mentell ermittelt werden muß. Ebenso ist eine geringe Ver­kürzung der Spiralenlänge gegenüber einem gestreckten Re­sonator erforderlich wegen der zwischen den Spiralwindun­gen auftretenden zusätzlichen Kapazität C_w.

[0017] Fig. 2 zeigt also ein zwischen Eingang E und Ausgang A liegendes unversteilertes Filter mit einem geätzten oder gestanzten oder funkenerodierten kompakten Resonatorsatz SpR₁-SpR₄, eingebaut in ein Gehäuse G und umgeben von einem Dielektrikum D₁, welches hier z.B. Luft ist. Eine Frequenzabstimmung ist durch die Schrauben A₁-A₄ möglich. Die vereinfachte Ersatzschaltung mit vier Schwingkreisen zeigt die schon erläuterte Fig. 3.

[0018] In den Fig. 4a, 4b und 5 sind weitere vorteilhafte Ausfüh­rungsformen gezeigt. Auch bei diesen Ausführungsbeispielen sind wirkungsgleiche Teile mit den gleichen Bezugshinwei­sen wie in den vorhergehenden Figuren bezeichnet, so daß hierauf nicht mehr im einzelnen eingegangen werden muß. In den Fig. 4a, 4b und 5 sind im Aufriß, in der Seitenansicht und in Fig. 4a auch der Draufsicht Spiralresonatorfilter mit einer Überkopplung Ü₁ bzw. Ü₂ gezeigt. Das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild ist in Fig. 6 gezeichnet. Die Überkopplung Ü₁ führt vom Eingang E zu einem Anschlußpunkt S₁, die Überkopplung Ü₂ die als Beispiel gezeigt und die im Ausführungsmuster nicht realisiert ist - führt von einem Anschlußpunkt S₂ zum Ausgang A. Wenn solche Überkopplungen nicht unmittelbar vom Eingang zum ersten Resonator SpR₁ führen bzw. analog dazu auch eine Überkopplung Ü₂ nicht unmittelbar zum Ausgang A führt, dann lassen sich mit solchen Maßnahmen bekanntlich Dämpfungspole in der Filter­charakteristik erzeugen. Im speziellen sind im Ausführungs­beispiel der Fig. 5 zwei Resonatorsätze SpR₁ bis SpR₄ parallel geschaltet. Die beiden Resonatorsätze haben die gleiche Geomtrie und durch die Parallelschaltung der einzelnen Leiterteile werden die Verluste verringert und damit die Güte der Resonatoren erhöht. In Fig. 6 sind die einzelnen Resonatoren wieder mit 1 bis 4 bezeichnet, die zugehörigen Induktivitäten mit L₁ bis L₄ und die zugehörigen Kapazitäten C₁ bis C₄. Die Einkoppelkapazit ät ist mit C_K1 und die Auskoppelkapazität mit C_K2 bezeichnet. Zwischen den einzelnen Resonanzkreisen liegen Induktivitäten im Längszweig der Schaltung, die noch mit L_K1 bzw. L_K2 kennt­lich gemacht sind. Eine kapazitive Überkopplung C_ü, die vom Eingang zum Resonanzkreis 2 geschaltet ist, veranschau­licht die Wirkung der Überkopplung Ü₁.

[0019] Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wurde der komplette Re­sonatorsatz zur Vermeidung von mechanischen Schwingungen zusätzlich auf einer verlustarmen z.B. Teflon-Trägerplatte T punktuell befestigt ins Gehäuse G eingebaut. In der Trä­gerplatte T sind ferner Bohrungen für die Abstimmelemente A₁ bis A₄ und die Ankoppelstützpunkte S₁ und S₂ eingear­beitet.

[0020] In Fig. 5 wurde als Beispiel der Resonatorsatz auf einer doppeltkaschierten, verlustarmen Leiterplatte L reali­siert. Bei dieser Lösung ist je nach Art des verwendeten Dielektrikums eine geringere Güte als bei reinem Luftdi­elektrikum zu erwarten.
Das Ersatzschaltbild für die Realisierungen nach den Fig. 4 und 5 ist in Fig. 6 wiedergegeben. Ihnen können einige weitere vorteilhafte Details entnommen werden. Aus der zu Fig. 6 gehörenden charakteristischen Funktion

ersieht man eine endliche Polstelle, die durch die Überkopplung C_ü (Fig. 6) bzw. Ü₁ realisiert wird.

[0021] Eine weitere Polstelle wäre z.B. durch die Überkopplung Ü₂ von SpR₄ nach SpR₃ (Fig. 4) möglich.
Zur Konzipierung von Filtern aus λ/4-Resonatoren z.B. mit Luftdielektrikum sind folgende Gesichtspunkte zu be­achten.

[0022] Die Leiterlänge der Spirale ist inklusive der Wirkung eines Verkürzungsfaktors gleich λ/4. Die dazu korres­pondierende Frequenz ist auf die Mitte des Durchlaßbe­reiches bezogen.

[0023] Der Wellenwiderstand Z wird zweckmäßig mit 50...150 ge­wählt. Z ist bei rechteckigem Querschnitt des Leiters bekanntlich von der Leiterbreite und -dicke sowie von dessen Abstand zum Metallgehäuse abhängig und kann nach bekannten Methoden wie in der Strip-Line-Technik berech­net werden.

[0024] Die Resonatorgüten sind wesentlich von der Beschaffenheit und Leitfähigkeit der Oberfläche und dem Filtervolumen ab­hängig. Zwei etwa im Abstand der Leiterbreite parallel aufgebaute Resonatoranordnungen gleicher Geometrie (nach Fig. 5) bringen Güteverbesserungen bis zu 30 %.

[0025] In den Fig. 7 bis 10 sind weitere mögliche Ausführungs­varianten nur noch schematisch dargestellt, da die Wir­kungsweise im vorstehenden bereits beschrieben wurde.

[0026] Zum Beispiel braucht die Geometrie der Resonatoren nicht auf Spiralen mit stetigem Verlauf beschränkt bleiben. Die Resonatoren können ggfs. auch in rechteckiger Form wie in Fig. 7 gezeigt oder mit unterschiedlichem Leitungsquerschnitt - angepaßt an die Strombelegung des Resonators - realisiert werden. Ebenso ist eine 90°-Dre­hung der Spiralen SpR₁ bis SpR₅, wie in Fig. 8 oder Fig. 9 dargestellt, möglich. Als gemeinsamer Fußpunkt der Spi­ralen können auch die Spiralenmittelpunkte M wie in den Fig. 9 und Fig. 10 gewählt werden. Im Beispiel der Fig. 10 ist eine Trägerplatte 6 zur Aufnahem der Masseanschlüsse M und der Resonatoren SpR₁ bis SpR₄ verwendet.

[0027] Fig. 11 zeigt den gemessenen Verlauf der Betriebsdämpfung a_B und der Reflexionsdämpfung a_r in Abhängigkeit von der Frequenz f eines bei 900 MHZ realisierten Filters nach Fig. 4. Der Durchlaßbereich liegt etwa zwischen 935 MHZ und 970 MHZ. Im frequenztieferen Sperrbereich, also etwa bei 910 MHZ tritt ein Dämpfungspol der Betriebsdämpfung a_b auf, so daß erkennbar ist, daß Versteilerungen des Betriebsdämpfungsverlaufes jederzeit möglich sind.

[0028] Es kommt hinzu, daß die vorstehend beschriebenen Filter, insbesondere auch im Frequenzbereich des Verkehrsfunkes, bei guten elektrischen Eigenschaften ein verhältnismäßig kleines Volumen benötigen. Die als Spiralresonatoren aus­gebildeten Resonatoren haben eine Verkürzung der elektri­ schen Baulänge zur Folge, was gerade auch in fahrbaren Anlagen als vorteilhaft anzusehen ist.

Ansprüche

1. In der Art von Kammleitungs- bzw. Interdigitallei­tungsfiltern ausgebildetes Filter für kurze elektromag­netische Wellen, bei dem die Resonatoren derart angeordnet sind, daß ihre Kopplung als Leitungskopplung (K₁...K₃) wirkt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenleiter der Resonatoren (R₁...R₄) als ebene Spirale (SpR₁...SpR₄) ausgebildet ist (Fig. 2).

2. Filter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Abstimmelemente (A₁...A₄) vorgesehen sind, die in den Feldraum der Spiralresonatoren (SpR₁...SpR₄) ein­tauchen.

3. Filter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstimmelemente (A₁...A₄) als Abstimmschrauben ausgebildet sind, deren Längsachse senkrecht steht zur Ebene der Spiralresonatoren (SpR₁...SpR₄) und die Spi­rale etwa mittig durchdringt.

4. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Form der Spirale (SpR₁) abweicht von der stetigen Form.

5. Filter nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spirale (SpR₁) als rechteckförmiger Linienzug nachgebildet ist.

6. Filtern nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Leiterquerschnitt der Spirale (SpR₁) sich stetig oder sprunghaft ändert.

7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiralresonatoren (SpR₁...SpR₄) derart angeordnet sind, daß die von den Spiralen gebildeten Ebenen in der gleichen Ebene liegen (Fig. 2).

8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiralresonatoren (SpR₁...SpR₅) derart angeordnet sind, daß die von den Spiralen gebildeten Ebenen zueinan­der parallel verlaufen (Fig. 8).

9. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einkopplung (E) bzw. die Auskopplung (A) derart ausgebildet ist, daß wenigstens ein Resonator (SpR₁) über­brückt ist (Fig. 4).

10. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Resonatorsätze (SpR₁...SpR₄) gleicher Geometrie parallel geschaltet sind (Fig. 5).

Zeichnung