DE3535198A1 - Kompaktes schrittabgestimmtes filter - Google Patents

Description

Kompaktes schrittabgestimmtes Filter

Die Erfindung bezieht sich auf Mikrowellenfrequenzfilter, insbesondere verwendbar in miniaturisierten leichtgewichtigen in der Luftfahrt zu verwendenden schrittabgestimmten Mischern.

Eine übliche Empfängerkomponente ist der Herabsetzer oder Mischer, der das empfangene HF-Signal mit einem (ortsgebundenen) Oszillator LO-Signal mischt, um eine Zwischenfrequenz ZF-Ausgangsgröße zu liefern. In solchen Mischern ist oftmals ein Filter erforderlich, um die schädliche Wechselwirkung zwischen den LO- und ZF-Schaltungen zu verhindern.

Wenn der Empfänger eine große Bandbreite abdecken muß, so ist es oftmals zweckmäßig, die LO-Frequenz in diskreten Schritten zu ändern. Wenn der Abstand zwischen den LO-Schritten klein ist und ein großes Schutzband zwischen den LO- und ZF-Bändern existiert, so sind konventionelle Filterverfahren ausreichend; vgl. dazu die folgende Literaturstelle: G.L. Matthaei, L. Young und E. M. T. Jones, "Microwave Filters, Impedance-Matching Networks and Coupling Structures", McGraw-Hill, 1964, Seiten 83-104, 440-450 und 584-595. Wenn jedoch die LO-Bandbreite groß ist und der Abstand zwischen den LO- und ZF-Bändern schmal ist, so benötigen konventionelle Filter viele Abschnitte und das Filter kann sehr groß und schwer werden. Für in der Luftfahrt zu verwendende Empfänger, wo Größe und Gewicht minimiert werden müssen, sind die konventionellen, mehrere Abschnitte aufweisenden Filter unerwünscht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Bedürfnis für schrittweise abgestimmte Breitbandanwendungsfälle und bringt eine entsprechende Lösung hinsichtlich einer geringen Größe und einer Gewichtsreduktion bei der Anwendung in der Luftfahrt, obwohl die Erfindung auf einen solchen Anwendungsfall nicht beschränkt ist.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen konventionelles Bandpaßfilter; Fig.2-5 verschiedene Ubertragungsleitungs-Strukturen gemäß dem Stand der Technik und verwendbar

gemäß der Erfindung;
Fig. 6 zeigt ein kompaktes stufenabgestimmtes Filter gemäß der Erfindung;

Fig. 7 veranschaulicht graphisch das berechnete FiIteransprechen;

Fig. 8 veranschaulicht graphisch das gemessene Filteransprechen;

Fig. 9 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6.
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Es sei zunächst der Stand der Technik erläutert. Das konventionelle Bandpaßfilter 2 der Fig. 1 überträgt Signale von der Quelle 4, die einen Generator 6 und eine Widerstandslast 8 aufweist, an eine Anschlußlast 10 im Durchlaßband und weist Signale oberhalb und unterhalb des Durchlaßbandes zurück. Eine Reihe von Ubertragungsleitungen ist derart angeordnet, daß aufeinanderfolgende Streifen parallel längs eines Abstandes einer Viertelwellenlänge verlaufen, wie beispielsweise 11-12, 13-14, 15-16, 17-18 und 19-20. Bekannte Syntheseverfahren werden dazu verwendet, die

Dimensionen der Kopplerleitungen zu bestimmen; vgl. dazu beispielsweise S. B. Cohn, "Parallel-Coupled Transmission-Line-Resonator Filters," IRE Trans, Vol. MTT-6, Seiten 223-231, April 1958;in dieser Druck schrift ist die grundsätzliche Konstruktion beschrieben, die für Bandbreiten bis zu 30 % geeignet ist. Verschiedene Übertragungsleitungs-Strukturen können verwendet werden, beispielsweise die Strip- oder Streifenleitung oder die suspendierte Strip- oder Streifenleitung gemäß den Fig. 2 und 3; siehe dazu auch Matthaei et al, Seite 175, und ferner kann auch die sogenannte Slabline oder Slableitung oder der Mikrostrip verwendet werden, vgl. dazu die Fig. 4 und 5 in der Literaturstelle: T. G. Bryant and J.A. Weiss, "Parameters of Microstrip Transmission Lines and Coupled Pairs of Microstrip Lines," IEEE Trans Vol. MTT-16, Dezember 1968.

Die Anzahl der verwendenden gekoppelten Leitungen wird durch die Breite des Durchlaß- oder Paßbandes bestimmt, ferner den Abstand zwischen dem Durchlaßband und dem Stoppband der Durchlaßbandrauheit (ripple) und der bestimmten Stoppbandzurückweisung. Für größere Bandbreiten sind genauere Ausleggleichungen '. verfügbar in: G. L. Matthaei und anderen, Seiten 83-104, 584-595.

Alternative Losungsmöglichkeiten, die sich mit strengen dimensionsmäßigen Anforderungen beschäftigen, umfassen die Verwendung von:

Eingangs-ZAusgangs-Transformatoren: P. A. Kirton und K. K. Pang, "Extending the Realizable Bandwidth of Edge-Coupled Stripline Filters", IEEE Trans Vol. MTT-25, Seite 672-676, August 1977;

"Redundant"-Zwischenleitungen: B.J. Minnis, "Printed Circuit Coupled-Line Filters for Bandwidths Up to and Greater Than an Octave,", IEEE Trans Vol. MTT-29, Seite 215-222, März 1981; und

mehrfach gekoppelte Leitungen: M. Makimoto und S. Yamashita, "Strip-Line Resonator Filters for Bandwidths Up to and Greater Than an Octova," Digest of IEEE MTT-S Symposium, Seiten 92-94, Mai 1983. Alle diese Möglichkeiten machen jedoch viele Abschnitte für strenge Breitbandanwendungsfälle erforderlich.

Ein veranschaulichendes Beispiel sei für die folgenden Bedingungen angegeben: Niedrige (LO) Frequenzen von 24 bis 36 Gigahertz; Maximalverlust bei LO-Frequenzen von 0,5 dB und ZF-Zurückweisung von 20 dB oder besser unterhalb 18 Gigahertz. Diese Bedingungen gelten für ein Breitband K -Bandempfänger, der in Nachrichtenverbindungen oder in der Lufttechnik verwendeten Empfängern verwendet werden könnte.Unter "Anwendung üblicher Konstruktionsmaßnahmen gemäß der Matthaei et al Literaturstelle sind vier Abschnitte und eine Axiallänge von mehr als 400 mils (1 mil = 1/1000 Zoll) erforderlich, wenn die Konstruktion mit einer suspendierten Substrat "Stripline" erfolgt mit einer äqui\alenten dielektrischen Konstanten von 1,5. Diese Dimension ist groß relativ zu anderen Komponenten, die in einem Stripline K -Bandmischer auftreten.

Im folgenden sei nunmehr die Erfindung beschrieben.

Fig. 6 zeigt ein kompaktes stufenabgestimmtes Filter gemäß der Erfindung zur übertragung von Signalen von einer Quelle 32, einschließlich eines Generators 34 und einer Widerstandslast 36, zu einer Abschlußlast 38.

Das Filter 30 läßt zwei oder mehr weit voneinander getrennte Frequenzen durch, sieht eine hohe Zurückweisung für Signale unterhalb des Durchlaßbandes vor und minimiert die Größe und das Gewicht der Schaltung. Das Filter 30 weist einen Eingangssatz von parallel gekoppelten Über-

tragungsleitungen 39 bus 40 mit einer Axiallänge L1 auf unter Vorsehung eines ein zusammengefaßtes Element bildenden Kondensators (lumped element capacitor) bei der niedrigeren der beiden Frequenzen, wie beispielsweise 24 Gigahertz im obigen Beispiel, und ferner ist eine angepaßte übertragungsleitung bei der höheren der Frequenzen, wie beispielsweise 36 Gigahertz im obigen Beispiel vorgesehen. Das Filter 30 weist ferner einen Ausgangssatz von parallel gekoppelten übertragungsleitungen 41-42 auf, die bei der niedrigeren Frequenz, wie beispielsweise 24 Gigahertz einen ein zusammengefaßtes Element bildenden Kondensator vorsieht, und ferner eine angepaßte übertragungsleitung bei der höheren Frequenz, wie beispielsweise bei 36 Gigahertz. Das Filter weist ferner eine zentrale übertragungsleitung 44 auf, und zwar mit einer Axiallänge L2 geschaltet zwischen die Eingangs- und Ausgangssätze der gekoppelten Leitungen 39-40 und 41-42, und unter Vorsehung eines Resonators zwischen den als zusammengefaßtes Element vorliegenden Kondensatoren bei der niedrigeren Frequenz und einer angepaßten Übertragungsleitung bei der höheren Frequenz. Bei der niedrigeren Frequenz sehen die eingangs- und ausgangsgekoppeltec Leitungen 39-40 und 41-42 und die zentrale Leitung 44 eine einen Einzelabschnittbandpaßfilter vor. Bei und oberhalb der höheren Frequenz sehen die eingangs- und ausgangsgekoppelten Leitungen 39-40 und 41-42 und die zentrale Leitung 44 eine angepaßte verteilte übertragungsleitung vor.

Im dargestellten Ausführungsbaispiel beträgt die Axiallänge L1 ungefähr eine Viertel wellenlänge und die Axiallänge L2 beträgt ungefähr eine halbe Wellenlänge bei der oberen Frequenz. Die Geradzahlig-Mode (Betriebsart)- und Ungeradzahlig-Mode-Impedanzen der gekoppelten Z -Z Leitungen sind derart gewählt, daß —— = 50 Ohm.

Um die erwünschte Anpassung in einem 50 Ohm-System zu erhalten, wird der Absolutwert von Z verändert, um die Stoppband- oder Sperrbereichs-Zurückweisung zu steuern.
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Fig. 7 zeigt das berechnete Ansprechen des vorliegenden Filters. Drei Beispiele sind gegeben, und zwar angedeutet durch eine ausgezogene Linie, eine langgestrichelte Linie und eine kurzgestrichelte Linie, wobei die Parameter für die Breite W der Übertragungsleitungen angegeben sind und ebenso für den Abstand S, der derart gewählt wurde, daß der 50 Ohm-Anpassungsbedingung Genüge getan wurde, d. h. ^z _oe~^z _oo = 1°° ^ohm· ^{Um die} Stoppband-Zurückweisung zu maximieren, wurde L1 auf 55 mils festgelegt, der Minimalwert, der ein adequates Schutzband unterhalb 36 Gigahertz im angegebenen Beispiel liefert. Die Resonatorlänge L2 wurde derart gewählt, um eine Anpassung bei 24 Gigahertz vorzusehen. Die Kurven veranschaulichen den Ausgleich, den man erhält, zwischen der Stoppband-Zurückweisung und der Durchlaßbandwelligkeit. Bei schritt-abgestinmten Anwendungsfällen wird die LO-Frequenz in diskreten Schritten geändert und es besteht keine Notwendigkeit, den Verlust bei Frequenzen zwischen 24 und 36 Gigahertz zu spezifizieren. Die Einfügungsdämpfung (Einfügungsverlust) bei Frequenzen zwischen den Stufen ist von geringer oder keiner Bedeutung. Durch Einstellung der Dimensionen der gekoppelten Leitungen kann die Welligkeit zwischen den zu durchlaufenden Frequenzen erhöht werden, wodurch die Stoppband-Zurückweisung ohne Schaltungskomplexitität erhöht wird. Die erhöhte Welligkeit bei nichtbenutzten Frequenzen ist in schrittabgestimmten Mischern nicht bedeutungsvoll. Ein konventionelles Filter, wie das gemäß Fig. 1, liefert einen geringen Verlust bei sämtlichen Frequenzen über ein breites Band hinweg und ist unnötig kompliziert für stufenabgestimmte Anwendungsfälle, d. h. es ist nicht notwendig,

niedrigen Verlust bei Frequenzen zwischen den zwei stufenabgestimmten LO-Freguenzen vorzusehen.

In verschieden aufgebauten Schaltungen gemäß Fig. 6 wurden Filter auf eine 10 mil-suspendierte Streifenleitung (stripline) aufgedruckt, und zwar in Gehäusen mit einem erdungsebenen Abstand von 62 mils. Unterhalb 26,5 Gigahertz waren die Filter zwischen Koaxübergängen eingebettet. Im Band von 18 bis 26,5 Gigahertz wurden eine niedrige Reflexion aufweisende Wellenleiter/Koax-Adapter verwendet. Für Tests im Band von 26,5 -40 Gigahertz wurden die Filter mit Wellenleiter/Sondenübergängen integriert; vgl. dazu D. Rubin und A. Hisplop, "Millimeter-Wave Coupled Line Filters," Microwave Jour., Seite 67-68, Oktober 1980. Vorläufige Tests zeigten, daß es notwendig war, die körperliche Länge L1 der gekoppelten Leitungen auf 40 mils zu reduzieren, um die Streu- oder 'Randkapazität zu kompensieren.

Fig. 8 zeigt das gemessene Ansprechen gemäß der Erfindung. Wie gewünscht, wurde bei 18 Gigahertz eine adequate Zurückweisung von 25 dB erhalten und der Einfügungsverlust war niedrig, 0,5 dB bei 24 und 36 Gigahertz. Die körperliche Länge des Filters ist nicht größer als ungefähr eine Wellenlänge, 0,23 Zoll, was ungefähr die Hälfte dessen ist, was erforderlich ist, für eine konventionelle Vier-Abschnittskonstruktion, die, wie oben erwähnt, ansonsten erforderlich ist.

Fig. 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Fig. 6 und die gleichen Bezugszeichen werden hier aus Gründen der Klarheit verwendet. Der Eingangssatz gekoppelter Leitungen weist hier eine Vielzahl von parallelen Paaren auf, wie beispielsweise 3 9-40, 51-52 usw., und zwar von Viertelwellenlängen-parallel gekoppelten Übertragungsleitungen, die eine Vielzahl von parallelen

Kondensatoren in Form eines zusanunengefaßten Elements bei der niedrigeren Frequenz vorsehen, und eine Vielzahl von parallelen abgestimmten Übertragungsleitungen bei der höheren Frequenz. Der Ausgangssatz gekoppelter Leitungen weist eine Vielzahl von Paaren auf, wie beispielsweise

41-42, 53-54 usw., und zwar von Viertelwellenlängenparallel gekoppelten Übertragungsleitungen, die eine Vielzahl von parallelen in einem Element zusammengefaßten Kondensatoren bei der niedrigeren Frequenz vorsehen und eine Vielzahl von parallel abgepaßten Übertragung sie itungen bei der höheren Frequenz. Wie in der Fig. 6 ist die gesamte Axiallänge der Eingangs-, Ausgangs- und Zentral-Leitungen nicht größer als ungefähr eine Wellenlänge. Die Sätze von mehreren parallelen Paaren von gekoppelten Leitungen liefern eine größere Konstruktionsflexibilität; vgl. M. Makimoto und S. Yamashita, "Strip-Line Resonator Filters for Bandwidths Up to and Greater Than an Octave," Digest of IEEE MTT-S Symposium, Seiten 92-94, Mai 1983.

Die Erfindung erfordert nur zwei Sätze gekoppelter Leitungen, nämlich Eingang und Ausgang. Die Länge dieser gekoppelten Leitungen ist kürzer als die Viertelwellenlängenabmessung verwendet in konventionellen paral-IeI gekoppelten.. Filtern, weil L1 weit unterhalb einer Viertelwellenlänge in der Mitte des LO-Bandes liegt.

Im Rahmen der Erfindung sind Abwandlungen möglich.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Ein kompaktes stufenabgestimmtes Filter 30 in Fig. 6 ist vorgesehen, um zwei oder mehrere weitgetrennte Mikrowellenfrequenzen hindurchzulassen und eine hohe Zurückweisung oder Unterdrückung für Signale unterhalb des Durchlaßbands vorzusehen. Das Filter ist besonders brauchbar

für miniaturisierte leichtgewichtige in der Luft- und Raumfahrt zu verwendende stufenabgestimmte Mischer und dgl. Das Filter weist Eingangs- und Ausgangssätze 30-40, 41-42 von Viertelwellenlängen-parallel-gekoppelten-übertragungsleitungen auf, die bei niedrigerer Frequenz "lumped element"-konzentrierte Kondensatoren, bei der höheren Frequenz angepaßte Übertragungsleitungen vorsehen, und das Filter weist ferner eine zentrale HaIbwellenlängenübertragungsleitung auf, die zwischen die Eingangs- und Ausgangssätze der gekoppelten Leitungen geschaltet ist und einen Resonator vorsieht zwischen den "lumped element"-Kondensatoren bei der niedrigeren Frequenz und eine angepaßte übertragungsleitung bei der höheren Frequenz.

Mit dem Ausdruck "suspended stripline" und "suspended substrate stripline" ist immer eine Übertragungsleitung gemeint, die ein Substrat aufweist, suspendiert in der Mitte von einem metallischen oder abgeschirmten Gehäuse, wobei Leiter auf das Substrat gedruckt sind; vgl. dazu Fig. 3 der Anmeldungszeichnung, "slabline" bezieht sich auf eine Übertragungsleitung mit nicht ebenen Leitern, die in einem Metallgehäuse zentriert sind; vgl. dazu Fig. 4 der Anmeldungszeichnung. Mit dem Ausdruck "lumped element capacitor" oder auch"als ein zusammengefaßtes Element vorgesehener Kondensator"ist ein Kondensator bezeichnet, dessen Dimensionen klein,annähernd 1/10 oder weniger, bezüglich der Wellenlänge sind.

Claims (6)

E-8126 Kompaktes schrittabgestimmtes Filter Patentansprüche

1. Mikrowellenfrequenzfilter, welches folgendes aufweist:

einen Eingangssatz von parallel gekoppelten Übertragung sleitungen, die einen Kondensator als *" zusammengefaßtes Element auf einer Frequenz und * eine angepaßte übertragungsleitung auf einer anderen Frequenz vorsehen,

einen Ausgangssatz von parallel gekoppelten Übertragung sleitungen, die einen Kondensator in der Form eines zusammengefaßten Elements auf der erwähnten einen Frequenz und eine angepaßte übertragungsleitung auf der erwähnten anderen Frequenz vorsehen, und

eine zentrale übertragungsleitung verbunden zwischen den Eingangs- und Ausgangssätzen der gekoppelten Leitungen und einen Resonator vorsehend zwischen den erwähnten Kondensatoren in der Form eines zusammengefaßten Elements auf der erwähnten einen Frequenz und einer angepaßten übertragungsleitung auf der anderen Frequenz.

2. Filter nach Anspruch 1, wobei

die Eingangs- und Ausgangssätze der gekoppelten

Leitungen ungefähr gleiche Länge besitzen, wobei die zentrale Resonatorübertragungsleitung ungefähr doppelt so lang als jede der Eingangsund Ausgangssätze der gekoppelten Leitungen ist,

wobei bei der erwähnten einen Frequenz die gekoppelten Eingangs- und Ausgangsleitungen und die zentrale Leitung ein Bandpaßfilter vorsehen, und
wobei bei der anderen Frequenz die gekoppelten Eingangs- und Ausgangsleitungen und die zentrale Leitung eine angepaßte verteilte übertragungsleitung vorsehen.

3. Kompaktes schrittabgestimmtes Filter verwendbar in miniaturisierten leichtgewichtigen in der Luftfahrt zu verwendenden schrittabgestimmten Mischern und dgl., zum Hindurchleiten von zwei oder mehr weitgetrennten Frequenzen und zum Vorsehen einer hohen Zurückweisung gegenüber Signalen unterhalb des Durchgangsbandes, wobei folgendes in Kombination vorgesehen ist: ein Eingangssatz von parallelen gekoppelten Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen, die als zusammengefaßtes Element einen Kondensator bei der niedrigeren der erwähnten Frequenzen vorsehen und eine angepaßte übertragungsleitung bei der höheren der Frequenzen, einen Ausgangssatz von parallel gekoppelten Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen, die ein zusammengefaßtes Element in der Form eines Kondensators bei der erwähnten niedrigeren Frequenz vorsehen und eine angepaßte übertragungsleitung bei der erwähnten höheren Frequenz, und

eine zentrale Halbwellenlängen-übertragungsleitung verbunden zwischen den Eingangs- und Ausgangssätzen der gekoppelten Leitungen,und zwar einen Resonator vorsehend zwischen den als zusammengefaßtes Element betrachteten Kondensatoren bei der niedrigeren Frequenz und einer angepaßten übertragungsleitung bei der höheren Frequenz, und zwar derart, daß bei der niedrigeren Frequenz die gekoppelten Eingangs- und Ausgangsleitungen und die erwähnte zentrale Leitung ein Bandpaßfilter vorsehen, und ferner derart, daß bei der erwähnten höheren Frequenz die gekoppelten Eingangs- und Ausgangsleitungen und die zentrale Leitung eine angepaßte verteilte Ubertragungsleitung vorsehen.

4. Filter nach Anspruch 3, wobei das Filter bei Frequenzen zwischen den unteren und höheren Frequenzen dem Einsatzverlust ausgesetzt ist.

5. Filter nach Anspruch 3, wobei die gesamte Axiallänge der Eingangs-, Ausgangs- und zentralen Leitungen nicht größer ist als ungefähr eine

Wellenlänge.
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6. Filter nach Anspruch 5, wo hai folgendes vorgesehen ist:

der Eingangssatz gekoppelter Leitungen umfaßt eine Vielzahl von parallelen Paaren von parallel gekoppelten Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen, die eine Vielzahl von parallelen Kondensatoren als zusammengefaßtes Element bei der niedrigen Frequenz bilden und eine Vielzahl von parallelen angepaßten Übertragungsleitungen bei der erwähnten höheren Frequenz,

der Ausgangssatz der gekoppelten Leitungen umfaßt eine Vielzahl von parallelen Paaren von parallelen gekoppelten Viertelwellenlängen-Ubertragungsleitungen, die eine Vielzahl von parallelen Kondensatoren als zusammengefaßtes Element bei der niedrigeren Frequenz vorsehen und eine Vielzahl von parallelen angepaßten Ubertragungsleitungen bei der höheren Frequenz, und die gesamte Axiallänge der Eingangs-, Ausgangs- und zentralen Leitungen ist nicht größer als ungefähr eine Wellenlänge.