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

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Kammleitungs- bzw. Interdigitalleitungsfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Das Dokument D1 (USA 3 836 881) offenbart ein 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 wirkt, worin die Innenleiter der Resonatoren als Helix-Resonatoren ausgebildet sind (siehe Spalte 1, Zeilen 8-19, und auch Fig. 1).

[0003] Der Unterschied zwischen D1 und der Gegenstand des Anspruchs 1 liegt darin, daß die in D1 benutzten Resonatoren nicht ebene Spiralen sind. Die Funktion eines Helix-Resonators und eines Resonators mit ebener Spirale ist in D2 ("Review of the Electrical Communication Laboratories, Band 24, Nrs. 9-10, September-Oktober 1976, Seiten 776-786; I. Nishi et al.: "Spiral Resonator for PCM-400 M system") angegeben.

[0004] Filter der eingangs genannten 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.

[0005] Beim beweglichen Funk, Richtfunk und Satellitenfunk werden u.a. Sende-Empfangsweichen und ZF-Bandpässe mit hoher Selektivität und geringen Verlusten benötigt.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] Diese Aufgabe wird für Filter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

[0011] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0012] Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

[0013] 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.

[0014] 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 sogenannten 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.

[0015] Diese Art der Filterrealisierung hat jedoch den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig großen Raumbedarf hat und gegebenenfalls auch verhältnismäßig schwer wird.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] Die Leiterlänge der Spirale ist inklusive der Wirkung eines Verkürzungsfaktors gleich λ/4. Die dazu korrespondierende Frequenz ist auf die Mitte des Durchlaßbereiches bezogen.

[0025] 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.

[0026] 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 %.

[0027] In den Fig. 7 bis 10 sind weitere mögliche Ausführungsvarianten nur noch schematisch dargestellt, da die Wirkungsweise im vorstehenden bereits beschrieben wurde.

[0028] 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.

[0029] 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.

[0030] 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 elektrischen 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 elektromagnetsiche Wellen, bei dem die Resonatoren derart angeordnet sind, daß ihre Kopplung als Leitungskopplung (K₁ ... K₃) wirkt,
und bei dem eine Einkopplung (E) und eine Auskopplung (A) vorgesehen sind und bei dem die Innenleiter der Resonatoren (R₁ ... R₄) als ebene Spirale (SpR₁ ... SpR₄) ausgebildet sind und bei dem Abstimmelemente (A₁ ... A₄) vorgesehen sind, die in den Feldraum der Spiralresonatoren (SprR₁..SpR₄) eintauchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einkopplung (E) bzw. die Auskopplung (A) derart ausgebildet ist, daß wenigstens ein Resonator (SpR₁) überbrückt ist.

2. Filter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Resonatoren (SpR₁... SpR₄) gleicher Geometrie parallel geschaltet sind.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 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 Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Form der Spirale (SpR₁) abweicht von der stetigen Form.

5. Filter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spirale (SpR₁) als rechteckförmiger Linienzug ausgebildet ist.

6. Filter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Leiterquerschnitt der Spirale (SpR₁) sich stetig oder sprunghaft ändert.

7. Filter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiralresonatoren (SpR₁ ... SpR₄) derart angeordnet sind, daß die von den Spiralen gebildeten Ebenen in der gleichen Ebene liegen.

8. Filter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiralresonatoren (SpR₁ ... SpR₅) derart angeordnet sind, daß die von den Spiralen gebildeten Ebenen zueinander parallel verlaufen.

Claims

1. Filter for short electromagnetic waves formed as a comb line or interdigital line filter, in which the resonators are arranged such that their coupling acts as a line coupling (K₁ ... K₃), and in which an input coupling lead (E) and an output coupling lead (A) are provided, and in which the inner conductors of the resonators (R₁ ... R₄) are formed as flat spirals (SpR₁ ... SpR₄), and in which tuning elements (A₁ ... A₄) which extend into the field space of the spiral resonators (SprR₁ ... SpR₄) are provided, characterised in that the input coupling lead (E) and the output coupling lead (A) are formed in such a way that at least one resonator (SpR₁) is bridged.

2. Filter according to Claim 1, characterised in that two resonators (SpR₁ ... SpR₄) of identical geometry are connected in parallel.

3. Filter according to Claim 1 or 2, characterised in that the tuning elements (A₁ ... A₄) are formed as tuning screws whose longitudinal axis is perpendicular to the plane of the spiral resonators (SpR₁ ... SpR₄) and penetrates the spiral approximately in the centre.

4. Filter according to Claim 1 or 2, characterised in that the form of the spiral (SpR₁) deviates from the constant form.

5. Filter according to Claim 1 or 2, characterised in that the spiral (SpR₁) is formed as a rectangular line.

6. Filter according to Claim 1 or 2, characterised in that the line cross-section of the spiral (SpR₁) changes gradually or suddenly.

7. Filter according to Claim 1 or 2, characterised in that the spiral resonators (SpR₁ ... SpR₄) are arranged in such a way that the planes formed by the spirals lie in the same plane.

8. Filter according to Claim 1 or 2, characterised in that the spiral resonators (SpR₁ ... SpR₅) are arranged in such a way that the planes formed by the spirals extend parallel to one another.

Revendications

1. Filtre agencé selon la technique des filtres de ligne en peigne ou des filtres de ligne interdigitées pour des ondes électromagnétiques courtes et dans lequel les résonateurs sont disposés de telle sorte que leur couplage agit à la manière d'un couplage de ligne (K₁...K₃),
et dans lequel il est prévu un couplage (E) et un découplage (A) et dans lequel le conducteur intérieur des résonateurs (R₁...R₄) est agencé sous la forme de spirales planes (SpR₁...SpR₄) et dans lequel il est prévu des éléments de réglage d'accord (A₁...A₄), qui pénètrent dans l'espace du champ des résonateurs en spirale (SpR₁...SpR₄),
caractérisé par le fait
que le couplage (E) ou le découplage (A) est agencé de telle sorte qu'au moins un résonateur (SpR₁) est shunté.

2. Filtre suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que deux résonateurs (SpR₁...SpR₄) possédant une même géométrie sont branchés en parallèle.

3. Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les éléments de réglage d'accord (A₁...A₄) sont agencés sous la forme de vis de réglage d'accord, dont l'axe longitudinal est perpendiculaire au plan des résonateurs spiraux (SpR₁...SpR₄) et traverse la spirale approximativement en son centre.

4. Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la forme de la spirale (SpR₁) diffère de la forme continue.

5. Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la spirale (SpR₁) a un tracé rectangulaire.

6. Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la section transversale du conducteur de la spirale (SpR₁) varie continûment ou de façon brusque.

7. Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les résonateurs en spirale (SpR₁... SpR₄) sont disposés de telle sorte que les plans formés par les spirales sont confondus.

8. Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les résonateurs en spirale (SpR₁... SpR₄) sont disposés de telle sorte que les plans formés par les spirales sont parallèles entre eux.

Zeichnung