DE3835480A1 - Hochfrequenz-bandpassfilter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-Band­ paßfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Hochfrequenz-Bandpaßfilter ist bereits bekannt aus dem Lehrbuch "Zintze/Brunswich: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Band 1, 3. Auflage, Springer-Verlag 1986, Seite 209, Abbildung 4.14/9". Bei diesem bekannten Hochfrequenz-Bandpaßfilter handelt es sich um ein sogenann­ tes Interdigitalfilter mit kapazitiv verkürzten Resonator- Innenleitern. Bei diesem Hochfrequenz-Bandpaßfilter liegen ein Eingangsleitungsresonator, ein Mittenleitungsresonator und ein Ausgangsleitungsresonator parallel zueinander in der Weise, daß eine Kopplung zwischen dem Eingangsleitungsreso­ nator und dem Mittenleitungsresonator sowie eine Kopplung zwischen dem Mittenleitungsresonator und dem Ausgangslei­ tungsresonator auftritt. Bei dieser Kopplung handelt es sich um eine sogenannte Kopplung paralleler Leitungen. Bei diesem bekannten Interdigitalfilter mit drei kapazitiv verkürzten Lambda- Viertel-Resonatoren tritt eine wünschenswerte Verschiebung des nächsten Durchlaßbereiches, der bei Lambda-Halbe- Resonatoren bei der zweifachen Resonanzfrequenz liegt, zu höheren Frequenzen auf, so daß eine gute Dämpfung bei der ersten Harmonischen der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches erzielt werden kann. Andererseits kann der Kopplungsgrad dieses bekannten Interdigitalfilters nicht beliebig erhöht werden und damit die Dämpfung bei der Resonanzfrequenz nicht auf niedrige Dämpfungswerte herabgesenkt werden, ohne daß es zu einer unerwünschten direkten Kopplung des Eingangsresonators mit dem Ausgangsresonator kommt, die ihrerseits die Sperrcharakteristika des Interdigitalfilters beeinträchtigen würde. Ein weiteres Problem liegt in der aufwendigen mechanischen Struktur dieses Filters begründet, die eine kostengünstige Großserienfertigung nicht ermöglicht.

Aus dem oben zitierten Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Seite 207, Abbildung 4.14/6 ist ferner ein Bandpaßfilter mit parallel gekoppelten Lambda-Halbe-Resonatoren bekannt. Das bekannte Bandpaßfilter ist in Streifentechnik oder Mikro­ striptechnik realisiert und umfaßt auf einem Substrat eine Mehrzahl von Lambda-Halbe-Streifenleitungsresonatoren, die gegeneinander in Längsrichtung um Lambda-Viertel voneinander beabstandet sind. Eine derartige Hochfrequenz-Bandpaßfilter­ struktur hat einerseits eine relativ hohe Durchlaßdämpfung und weist andererseits relativ große Außenabmessungen auf. Ferner ist ein derartiges unverkürztes Hochfrequenz- Bandpaßfilter nicht abstimmbar und hat eine relativ niedrige Dämpfung bei der ersten Harmonischen.

Aus dem Standardlehrbuch "Meinke/Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 4. Auflage, Springer-Verlag 1986", Abschnitte F 14 bis F 19 in Verbindung mit Bild 27 sind verschiedene gekoppelte Leitungsschaltungen, die einen Band­ paß bilden, bekannt.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenz-Bandpaß­ filter der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei einfacher Herstellbarkeit und geringen Außenabmessungen des Filters eine niedrige Durchlaßdämpfung bei hoher Dämpfung insbesondere im Bereich der ersten Harmonischen bzw. der ersten Oberschwingung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Hochfre­ quenz-Bandpaßfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Hochfrequenz-Bandpaßfilter verhindert eine direkte Kopplung des Eingangsresonators mit dem Aus­ gangsresonator durch deren in Längsrichtung des Mittelreso­ nators versetzte Anordnung, wodurch ein hoher Kopplungsgrad erzielbar ist, der eine Durchgangsdämpfung von lediglich 1 bis 2,5 dB bei der Durchgangsfrequenz ermöglicht, ohne daß es zu einer bei einem derart hohen Kopplungsgrad üblichen Wellenbildung des Dämpfungsverlaufes im Frequenzbereich kommt. Das erfindungsgemäße Hochfrequenz-Bandpaßfilter zeigt nicht nur die soeben angesprochene, sehr hohe Durchlaß­ dämpfung, sondern verfügt ferner, je nach Kopplungsgrad und Bandbreite des Durchlaßbereiches, über eine Dämpfung von bis zu -70 dB bei der ersten Harmonischen.

Ein bedeutender Vorzug des erfindungsgemäßen Filters liegt darin, daß dessen Charakteristika rechnerisch simulierbar sind, was bei vielen bekannten Filterstrukturen nicht der Fall ist oder nur näherungsweise bei erheblichen Aufwand durchführbar ist.

Das erfindungsgemäße Filter eignet sich für eine Abstimmung bei Kondensatoren mit einstellbaren Kapazitätswerten oder Trimmern und kann kompakt und kostengünstig in Mikrostrip­ technologie aufgebaut werden.

Aufgrund seiner niedrigen Durchlaßdämpfung erscheint der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Leitungsfilters nicht nur auf die Frequenzaufbereitung beschränkt, sondern es scheint grundsätzlich möglich, das erfindungsgemäße Filter auch im Leistungsbereich einzusetzen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fil­ ters wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Struktur einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters;

Fig. 2 eine rechnerische Simulation des Dämpfungs­ verlaufes der Ausführungsform gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 ein Meßergebnis des Dämpfungsverlaufes der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt das erfindungsgemäße Hoch­ frequenz-Bandpaßfilter dritter Ordnung, das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, einen Eingangsresonator 2, einen Mittenresonator 3 und einen Aus­ gangsresonator 4. Die Resonatoren 2, 3, 4 sind als Leitungs­ resonatoren in Streifentechnik bzw. Mikrostriptechnik auf einem Substrat mittels der an sich üblichen Ätztechnik aus­ gestaltet. Bei der gezeigten, bevorzugten Ausführungsform hat das Substrat eine Dicke von etwa 1,5 mm bei einer rela­ tiven Permeabilität bzw. effektiven Dielektrizitätszahl E _R von etwa 4,0.

Der Eingangsresonator 2 ist mit dem Mittenresonator 3 paral­ lel gekoppelt. Der Mittenresonator 3 ist seinerseits mit dem Ausgangsresonator 4 parallel gekoppelt. Die einander zuge­ wandten Enden 5, 6 des Eingangsresonators 2 und des Aus­ gangsresonators 4 sind mit Masse verbunden. Gleichfalls sind die beiden Enden 7, 8 des Mittenresonators 3 mit Masse ver­ bunden. Der Mittelpunkt des Mittenresonators 3 ist über einen ersten einstellbaren Kondensator 9 mit Masse verbun­ den. Die einander entgegengesetzten Enden 10, 11 des Ein­ gangsresonators 2 und des Ausgangsresonators 4 sind über einen zweiten bzw. dritten einstellbaren Kondensator 12, 13 gleichfalls mit Masse verbunden.

Der Eingangsresonator 2 liegt parallel zum Mittenresonator 3 zwischen einem Ende 7 und dem Mittelpunkt 14 des Mitten­ resonators 3. Der Ausgangsresonator 4 liegt parallel zum Mittenresonator 3 zwischen dem Mittelpunkt 14 des Mitten­ resonators 3 und dessen anderem Ende 8. Durch diesen gegen­ seitigen Versatz des Eingangsresonators und des Ausgangs­ resonators wird eine unerwünschte, direkte Kopplung vom Eingangsresonator auf den Ausgangsresonator, die zu einer Schwächung der Dämpfung außerhalb der Durchgangsfrequenz führen würde, weitgehend vermieden.

Der Eingangsresonator 2 und der Ausgangsresonator 4 bilden in Verbindung mit dem ihnen zugeordneten zweiten bzw. dritten Kondensator 12, 13 kapazitiv verkürzte Lambda­ Viertel-Leitungsresonatoren, deren elektrische Länge durch geeignete Wahl des Kapazitätswertes des zweiten bzw. drit­ ten Kondensators 12, 13 auf 10 bis 30%, vorzugsweise etwa 15% der Länge eines Lambda-Viertel-Leitungsresonators ein­ gestellt ist.

Der Mittenresonator 3 in Verbindung mit dem ihm zugeordne­ ten ersten Kondensator 9 bildet einen verkürzten Lambda­ Halbe-Leitungsresonator, dessen Länge durch geeignete Wahl des Kapazitätswerts des ersten Kondensators gleichfalls auf 10 bis 30%, vorzugsweise jedoch etwa 16% der Länge eines Lambda-Halbe-Resonators eingestellt ist.

Der Kapazitätswert des ersten Kondensators 9 entspricht mit etwa 2% Genauigkeit dem zweifachen Kapazitätswert des zweiten bzw. dritten Kondensators 12, 13. Das Verhältnis der Kapazitätswerte ergibt sich aus den Leitungslängen. Man kann die Längen in gewissen Grenzen unabhängig voneinander verändern, was mit einer entsprechenden Änderung der Kapazitätswerte einhergeht.

Die äußeren Leitungselemente 2, 4 können parallel geringfügig zur mittleren Leitung 3 verschoben sein, wodurch die Plazierung des mittleren Kondensators 9 erleichtert wird.

Wie allgemein bekannt ist, geht die relative, effektive elektrische Permeabilität mit der Wurzel ihres Kehrwertes in die Länge der Leitungsresonatoren 2, 3, 4 ein. (vergl. "Erich Pehl: Mikrowellentechnik", S. 87 ff).

Dies führt bei einer relativen Permeabilität von etwa 4,0 bei einem Verhältnis von Leiterbreite zu Substratdicke von 1,33 zu einer weiteren Verringerung der Abmessungen auf etwa 58% des Wertes, der sich bei einer relativen Permeabilität von 1 ergeben würde.

Der Eingangsresonator 2 ist mittels einer direkten Anzapfung mit einer Eingangsanschlußleitung 15 verbunden. Entspre­ chend ist der Ausgangsresonator 4 mittels einer direkten Anzapfung mit einer Ausgangsanschlußleitung 16 verbunden. Anstelle der Ankopplung der Eingangsanschlußleitung 15 und der Ausgangsanschlußleitung 16 mittels einer direkten An­ zapfung kann in Abweichung von dem gezeigten Ausführungs­ beispiel auch jede andere Ankopplung verwendet werden.

Bei einer praktisch realisierten Ausführungsform in Mikro­ striptechnik für eine Durchlaßfrequenz f _B von 400 MHz und bei einer relativen Permeabilität des Substrates von E _R = 4,0 wurden folgende Dimensionen gewählt: Die Kapazität des zweiten und dritten Kondensators 12, 13 be­ trägt 18,6 pF, diejenige des ersten Kondensators 9 beträgt 36,6 pF. Die Längen des Eingangsresonators und des Ausgangs­ resonators 2, 4 betragen 17 mm. Die Länge des Mittenreso­ nators 3 beträgt 34 mm. Die Anschlußleitungen 15, 16 mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm sind um 4,8 mm von den entgegengesetzten Enden 10, 11 des Eingangsresonators 2 bzw. Ausgangsresonators 4 beabstandet.

Ein bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Hochfrequenz- Bandpaßfilters 1 besteht darin, daß dessen Dämpfungsverlauf rechnerisch simulierbar ist. Das Ergebnis einer derartigen Simulation ist in Fig. 2 dargestellt.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, zeigt der rechnerische Dämp­ fungsverlauf eine Durchlaßdämpfung von weniger als -1 dB und eine Dämpfung von -65 dB bei der doppelten Durchlaßfrequenz 2 f _B .

Aus einem Vergleich mit Fig. 3, die den tatsächlich gemes­ senen Dämpfungsverlauf der Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Hochfrequenz-Bandpaßfilters mit der oben angegebe­ nen Dimensionierung wiedergibt, deckt sich der rechnerische Dämpfungsverlauf gemäß Fig. 2 relativ gut mit dem tatsäch­ lich gemessenen Dämpfungsverlauf gemäß Fig. 3. Bei der der Fig. 3 zugrundeliegenden Messung wurde eine Durchlaßdämpfung von -1,2 dB bei der Durchlaßfrequenz f _B von 400 MHz er­ reicht. Die Dämpfung bei der ersten Harmonischen 2 f _B ist besser als -70 dB.

Besonders auffällig an dem in Fig. 3 gezeigten Dämpfungs­ verlauf ist es für den Fachmann, daß ein sehr hoher Kopp­ lungsgrad bei der Durchlaßfrequenz f _B erzielt wird, ohne daß hierfür die bei derart hohen Kopplungsgraden übliche Wellen­ bildung des Dämpfungsverlaufes im Frequenzbereich in Kauf genommen werden muß, wie es bei Filtern mit zwei parallel gekoppelten Resonatoren auftritt.

Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Hochfre­ quenz-Bandpaßfilters besteht darin, daß dessen Dämpfungsver­ halten mit geringem Aufwand mit an sich bekannten Program­ men rechnerisch simuliert werden kann, was z. B. bei einem Interdigitalfilter mit mehr als zwei Resonatoren nicht mög­ lich ist.

Das gezeigte, bevorzugte Ausführungsbeispiel ist in Strei­ fentechnik realisiert. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Hochfrequenztechnik ist es jedoch offensichtlich, daß neben dieser Technologie auch andere geeignete Techniken, wie beispielsweise die Technik der Luftleitungen, eingesetzt werden können. Eine Realisierung in Streifenleitungstechnik bzw. Mikrostriptechnik erscheint jedoch als kostengünstigste Lösung.

Bevorzugte Einsatzbereiche des erfindungsgemäßen Filters liegen im Bereich der Frequenzaufbereitungstechnik bei Frequenzen zwischen etwa 50 MHz und 10 GHz. Gleichfalls ist es denkbar, das erfindungsgemäße Filter als Ausgangsfilter für Sender geringer Leistung zur Unterdrückung von Ober­ wellen einzusetzen.

Claims (9)

1. Hochfrequenz-Handpaßfilter

• - mit einem Eingangsresonator (2), einem Mittenresonator (3) und einem Ausgangsresonator (4),
• - wobei der Eingangsresonator (2) mit dem Mittenresona­ tor (3) und der Mittenresonator (3) mit dem Ausgangs­ resonator (4) parallel gekoppelt sind, und
• - wobei der Eingangsresonator (2) und der Ausgangsreso­ nator (4) als kapazitiv verkürzte Lambda-Viertel- Leitungsresonatoren ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet,
  daß der Mittenresonator (3) als kapazitiv verkürzter Lambda-Halbe-Leitungsresonator ausgebildet ist, der an seinen beiden Enden (7, 11) mit einem Bezugspotential und an seiner Mitte (14) mit einem ersten Kondensator (9) verbunden ist, und
  daß sich der Eingangsresonator (2) über einen ersten Teil der Länge des Mittenresonators (3) und sich der Ausgangsresonator (4) über einen zweiten Teil der Länge des Mittenresonators (3) erstrecken.

2. Hochfrequenz-Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangsleitung (15) und eine Ausgangsleitung (16) mit einer direkten Anzapfung an den Eingangsreso­ nator (2) bzw. den Ausgangsresonator (4) an jeweils einem Anschlußpunkt angeschlossen sind, der zwischen den Enden (5, 10; 6, 11) dieser Resonatoren (2, 4) liegt.

3. Hochfrequenz-Bandpaßfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsresonator (2) und der Ausgangsresonator (4) mit ihren einander zugewandten Enden (5, 6) an ein Bezugspotential und mit ihren einander entgegengesetzten Enden (10, 11) an einen zweiten bzw. dritten Kondensa­ tor (12, 13) angeschlossen sind.

4. Hochfrequenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des zweiten bzw. dritten Kondensators (12, 13) derart gewählt ist, daß die Länge des Eingangs­ resonators (2) bzw. des Ausgangsresonators (4) 10% bis 30%, vorzugsweise etwa 15%, der Länge eines Lambda­ Viertel-Resonators beträgt.

5. Hochfrequenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des ersten Kondensators (9) derart ge­ wählt ist, daß die Länge des Mittenresonators (3) 10% bis 30%, vorzugsweise etwa 15%, der Länge eines Lambda-Halbe-Resonators beträgt.

6. Hochfrequenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des ersten Kondensators (9) dem dop­ pelten Kapazitätswert des zweiten oder dritten Kondensa­ tors (12, 13) entspricht.

7. Hochfrequenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (1) in Streifentechnik auf einem Substrat ausgebildet ist.

8. Hochfrequenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit von einem Grundkörper beabstandeten Luftleitungen ausgebildet ist.

9. Hochfrequenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (9, 12, 13) zum Zwecke der Ab­ stimmung des Bandpaßfilters (1) in ihrem Kapazitäts­ wert einstellbar sind.