FI97754C - Resonaattorin resonanssitaajuuden sähköinen säätö - Google Patents

Description

97754

Resonaattorin resonanssitaajuuden sähköinen säätö -Elektrisk regiering av resonatorns resonansfrekvens . 5 Keksintö kohdistuu kytkentään, jolla säädetään resonaat torin resonanssitaajuutta. Resonaattori muodostuu oleellisesti neljännesaallon pituisesta keskijohtimesta, joka on toisesta päästään maadoitettu ja toisesta päästään avoin. Keskijohdinta ympäröi etäisyyden päässä johtava 10 vaippa. Kytkentään kuuluu säätöpiiri, joka sisältää ainakin yhden ohjattavan kytkimen, joka ohjauksen vaikutuksesta rinnankytkee säätöpiirin resonaattorin keskijohti-meen.

15 Sähköisesti säädettäviä resonaattoreita käytetään suurtaajuustekniikassa suodattimien ja jänniteohjattujen oskillaattorien (VCO) rakenneosana. Suodattamissa resonaattorin resonanssitaajuuden säädöllä voidaan vaikuttaa esimerkiksi suodattimen päästö- tai estokaistan keskitaajuu-20 teen, minkä vuoksi säädettävällä suodattimena on mahdollista korvata useampia kiinteällä keskitaajuudella toteutettuja suodattimia. Sähköinen säätö voi kohdistua myös suodattimen kaistanleveyteen. Säädettävistä suodattimista on etua esimerkiksi radiolaitteissa, jotka toimivat use-25 alla tiedonsiirtokanavalla ja joiden käyttämän piirilevy-pinta-alan tulee olla pieni ja valmistuskustannusten edulliset. Hyvänä esimerkkinä säädettävän suodattimen sovellutuskohteista ovat nykyiset, pienikokoiset matkapuhelimet .

30 • · Jänniteohjatun oskillaattorin (VCO) tapauksessa resonaat- - - torin säädöllä vaikutetaan oskillaattorin lähtötaajuu- . teen. Myös jänniteohjattujen oskillaattorien tärkeimpiä käyttökohteita ovat matkapuhelimet. Aikajakotekniikkaan 35 perustuvien digitaalisten puhelimien purskemuotoiset lähetteet ja puhelimen rf-osan systeemiratkaisut, joissa 2 97754 VCO toimii laajalla taajuusalueella, asettavat resonaattorille tiukat vaatimukset häiriösietoisuuden ja taajuuden säätöalueen suhteen.

5 Siirtojohtoresonaattoreissa resonanssitaajuuden tunnetut sähköiset säätötavat perustuvat pääsääntöisesti resonaattorin kapasitiivisen kuormituksen säätöön resonaattorin maadoittamattomassa korkeaimpedanssisessa päässä. Säätö-kytkentä voi muodostua esimerkiksi resonaattorin keski-10 johtimen rinnalle, korkeaimpedanssisen pään ja maan välille galvaanisesti kytketystä, yhden tai useamman kapa-sitanssidiodin muodostamasta säätöpiiristä, jota ohjataan ohjausjännitteellä. Kapasitanssidiodi toimii säädettävänä kapasitanssina. Esimerkiksi koaksiaaliresonaattorissa 15 voidaan kapasitanssidiodi sijoittaa resonaattorin kuormitetun pään eli reiän yläreunan ja maadoitetun yläpinnan välille. Vastaavan tyyppinen säätökytkentä on toimiva kaikissa siirtojohtoresonaattoreissa. Kapasitanssin säädöllä saavutetaan laaja säätöalue.

20

Kapasitiiviseen säätöön liittyy kuitenkin ongelmia. Säätökytkentä kasvattaa tuntuvasti resonaattorin häviöitä.

Tästä on seurauksena esimerkiksi resonaattoreista muodostuvan suodattimen päästökaistan vaimennus, mikä ei ole 25 toivottavaa. Lisäksi kytkennöissä yleisesti käytetyt komponentit, erityisesti kapasitanssidiodit, eivät kestä resonaattorin avoimen pään voimakkaan sähkökentän aiheuttamia suuria jännitteitä ja tehoja. Komponentteihin kohdistuva ylikuormitus näkyy myös resonaattorin epästabii-30 Iina toimintana. Säätökytkennän komponenteista aiheutuvia • ongelmia on pyritty poistamaan esimerkiksi koaksiaali- - resonaattoreilla sijoittamalla kapasitanssidiodi reso naattorin reikään, jossa kentänvoimakkuus on lähellä nollaa. Tämä on kuitenkin valmistusteknisesti ongelmallista 35 ja sopii käytännössä vain koaksiaaliresonaattoreille.

3 97754

Eräs tapa toteuttaa resonaattorin sähköinen säätö on sijoittaa resonaattorin viereen toinen resonaattori, ns. sivuresonaattori, jonka resonanssitaajuus on säädön kohteena olevan eli pääresonaattorin resonanssitaajuutta so-5 pivasti suurempi tai pienempi. Sivuresonaattorin toisessa päässä on ohjattava kytkin, jonka avulla resonaattori on oikosuljettavissa maahan. Ohjattava kytkin voi olla esimerkiksi kapasitanssidiodi. Pääresonaattorin resonanssi-taajuuden säätö sivuresonaattorin avulla perustuu reso-10 naattorien väliseen kytkentään. Periaatteena on, että kytkimen ollessa auki sivuresonaattori toimii puolenaal-lon resonaattorina, jolloin sen resonanssitaajuus on niin kaukana pääresonaattorin resonanssitaajuudesta, ettei niiden välille synny säätövaikutusta. Kytkimen ollessa 15 kiinni, sivuresonaattori muuttuu neljännesaallon reso-, naattoriksi, joka puolestaan vaikuttaa pääresonaattorin resonanssitaajuuteen. Tällä säätömenetelmällä voidaan eliminoida säätökytkentään, erityisesti kapasitanssidio-diin, kohdistuvia suuria jännitteitä ja suurta rf-tehoa.

20 Menetelmä soveltuu pääasiassa dielektristen resonaattorien, etenkin dielektrisen kappaleen pintaan toteutettujen 1iuskajohtoresonaattorien säätöön.

Eräs tapa säätää helix-resonaattorin resonanssitaajuutta 25 on oikosulkea resonaattorikelan kierroksia, esimerkiksi PIN-diodilla, jolloin resonaattorin resonanssitaajuus kasvaa. Vastaavasti oikosulku voidaan poistaa ohjaamalla PIN-diodi estotilaan, jolloin resonanssitaajuus pienenee. Säätöalue määräytyy helix-kelaan asennettujen 30 "oikosulkujen" määrästä. Diodin kautta kulkeva virta, joka on verrannollinen oikosuljettavien kierrosten jännite-eroon, on pieni verrattuna kapasitiivisen säädön yhteydessä esitettyyn resonaattorin avoimen pään ja maan välillä kulkevaan virtaan. Tällä rakenteella voidaan siten 35 eliminoida säätökytkennän tehon- ja jännitteen kestoon liittyviä ongelmia. Tämän säätötavan ongelmat liittyvät 4 97754 kytkennän toteutukseen. "Oikosulkujen" juottaminen reso-naattorikelaan on sitä hankalampaa mitä pienempikokoinen resonaattori on kyseessä. Parhaiten tätä säätötapaa voidaankin soveltaa helix-antenneihin.

5 Tämän keksinnön tavoitteena on toteuttaa yksinkertainen neljännesaallon siirtojohtoresonaattorin resonanssitaa-juuden säätökytkentä, johon ei liity edellä esitettyjä säätöpiirin komponenttien tehon- ja jännitteen kestoon 10 tai kytkennän toteutukseen liittyviä ongelmia. Keksinnön mukaiselle kytkennälle resonaattorin resonanssitaajuuden säätämiseksi on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Muissa patenttivaatimuksissa on määritelty keksinnön eri suoritusmuotoja.

15

Keksinnön mukainen säätökytkentä sopii erityisesti liuska johtoresonaattoreiden resonanssitaajuuden säätöön. Keksinnössä tunnetun tekniikan mukainen resonaattorin kanssa rinnankytketty säätöpiiri, joka sisältää esimer-20 kiksi diodiin perustuvan ohjattavan kytkimen, on sijoitettu neljännesaaltoresonaattorin keskijohtimen oleellisesti matalaimpedanssisemman pään ja maan väliin, jolloin resonanssitaajuuden säätö perustuu pääasiassa resonaattorin induktanssin muutokseen. Kytkemällä säätöpiiri reso-25 naattoriin keskijohtimen fyysisen pituuden puolen välin alapuolelta, resonaattorin matalaimpedanssisesta päästä, voidaan resonaattorin kuvitella jakautuvan kahteen osaan: yläosaan, joka on oleellisesti kapasitiivinen, ja alaosaan, joka taas on oleellisesti induktiivinen. Keksin-30 nössä resonaattorin kokonaisinduktanssi syntyy pääasiassa alaosan ja säätökytkennän muodostaman induktanssin rin-nankytkennästä. Tämä induktanssi on pienempi kuin resonaattorin alkuperäinen induktanssi. Kytkimellä aiheutetun oikosulun seurauksena siis resonaattorin taajuus kasvaa.

35 Lisäämällä säätöpiiriin säädettäviä kapasitiivisia elementtejä, voidaan toteuttaa portaaton säätö. Säätöpiirin kapasitanssit ja induktanssit muodostavat tällöin sarja-resonanssipiirin, jonka induktiivinen reaktanssi on rin- 5 97754 nankytkennässä keskijohtimen alaosan kanssa. Keksinnön mukaisesti toteutettuun säätökytkentään vaikuttavat jän-* nitteet ja tehot ovat oleellisesti pienemmät kuin kytken nässä, jossa säädetään resonaattorin kapasitiivista kuor-5 mitusta resonaattorin korkeaimpedanssisessa päässä. Sää-tökytkennän kautta kulkevaan virtaan ja siten kytkennän komponenttien aiheuttamiin tehohäviöihin voidaan vaikuttaa komponenttien valinnalla. On edullista johtaa pääosa resonaattorin virrasta resonaattorin alaosan kautta, 10 sillä se on jo alunperin mitoitettu kestämään suuria virtoja.

Seuraavassa keksintöä kuvataan tarkemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 15

Kuvat la ja Ib esittävät ensimmäisen keksinnön mukaisen säätökytkennän ja sitä vastaavan sijaiskytkennän,

Kuvat 2a ja 2b esittävät toisen keksinnön mukaisen säätö-20 kytkennän ja sitä vastaavan sijaiskytkennän,

Kuva 3 esittää resonanssitaajuuden muutosta taajuustasossa kuvan la säätökytkennällä, ja . 25 Kuva 4 esittää resonanssitaajuuden muutosta taajuustasossa kuvan 2a säätökytkennällä.

Keksinnön säätökytkentä voidaan toteuttaa kuvien la ja Ib mukaisesti kaksiasentoisena kytkimenä SI toimivalla PIN-30 diodilla Dl, joka on kytkentäkapasitanssin Cl kautta gal-' · vaanisesti kytketty resonaattorin 11 matalaimpedanssiseen päähän pisteeseen A. Säätökytkentä sallii resonanssitaajuuden vaihtamisen kahden säätöasennon välillä. Resonaattorin 11 resonassitaajuutta voidaan keksinnön mukaisesti 35 kasvattaa ohjaamalla diodi Dl johtavaan tilaan ohjausjän-nitteellä Vc, mikä vastaa tilannetta, jossa kytkin SI on 6 97754 kiinni. Vastaavasti resonanssitaajuus voidaan palauttaa alkuarvoonsa ohjaamalla diodi Dl estotilaan, jolloin kytkin SI on auki. Kuvan la kapasitanssin Cl arvo on valittu siten, että se toimii rf-taajuuden kannalta suoran johti-5 men tavoin, mutta estää ohjausjännitteen Vc pääsyn resonaattorille 11. Vastaavasti kuristin Lc estää rf-tehon johtumisen ohjausjännitteen Vc muodostaviin piirin osiin.

Kuvan Ib sijaiskytkennässä resonaattori on asian havain-10 nollistamiseksi jaettu pisteen A suhteen kahteen osaan: yläosaan, jonka pituus on 1^, ja alaosaan, jonka pituus on I2 - Resonaattorin kokonaispituus 1 on osien 1]_ ja I2 summa, joka on noin aallonpituuden nejäsosa, λ/4. Keksinnön mukaisesti kytkentäkohta A on resonaattorin matalaim-15 pedanssisemmassa päässä, jolloin I2 < li- Vastaavasti yläosan ja alaosan induktanssit ovat ja L2, joista L2 on siirtojohtoresonaattoreille ominaisesti L^istä suurempi. Kuvasta Ib voidaan havaita, että kytkimen 11 ollessa kiinni, kytkeytyy resonaattorin alaosan induktanssin L2 20 rinnalle säätökytkennän induktanssi Lp^ joka syntyy pääasiassa kytkinkomponentista ja kytkennän johtimista. Resonaattorin kokonaisinduktanssiksi L saadaan lausekkeesta : 25 (1) L\ + - 1 · - -+-

Li Lp

Kokonaisinduktanssiin L ja siten resonaattorin säätöalu-eeseen voidaan vaikuttaa kytkentäkohdan A valinnalla. Mitä lähempänä kytkentäkohta A on resonaattorin maadoitet-30 tua, matalaimpedanssista päätä sitä pienemmäksi säätöalue muodostuu lausekkeen (1) perusteella.

Resonaattorin resonanssitaajuus f määräytyy tunnetusti yhtälöstä 35 il ; utu *11 ii I:: s m 7 97754 (2) /--)=,

Ίπ-jLC

s jossa L = resonaattorin kokonaisinduktanssi ja C = resonaattorin kokonaiskapasitanssi.

5

Keksinnön mukaisella säätökytkennällä päästiin koeolosuhteissa 450 MHz:n alueella jopa 15 MHz:n säätöalueeseen. Tällöin kytkentäpiste A on lähellä resonaattorin fyysisen pituuden puoltaväliä, mutta sen alapuolella, eli noin 10 aallonpituuden kahdeksasosan, λ/8, päässä resonaattorin maadoitetusta päästä. Kytkentäkapasitanssin Cl arvo oli InF luokkaa, joka vastaa 450MHz:n rf-taajuudella suoraa johdinta. Vastaavasti induktanssin Lc arvo voi olla esimerkiksi 150nH. Saavutettu säätöalue on riittävä useim-15 piin resonaattorisovellutuksiin mainitulla taajuusalueella esimerkiksi radiopuhelimissa. Valitsemalla kytkentä-kohta A sopivasti voidaan resonaattorin säätöalueeseen vaikuttaa ilman, että säätökytkennän komponenttien arvoja muutetaan. Käytännössä säätöalue valitaan resonaattori-20 komponentin valmistusvaiheessa.

Kuvan 2a säätökytkennällä voidaan toteuttaa portaaton resonaattorin 21 resonanssitaajuuden säätö. Kytkentä poikkeaa kuvan la säätökytkennästä lähinnä kapasitanssien * 25 osalta. Tässä kapasitanssin C2 arvo valitaan siten, että se toimii resonaattorin taajuusalueella kapasitiivisena elementtinä. Tällöin kuvan 2b sijaiskytkennässä kytkimen S2 ollessa kiinni säätökytkentä toimii resonaattorin 21 rinnalle kytkettynä sarjaresonanssipiirinä, jolla on tie-, , 30 tyn suuruinen reaktiivinen induktanssi Lx> Kokonaisinduk tanssi L määräytyy lausekkeesta (1) sijoittamalla suureen Lp tilalle induktiivinen reaktanssi Lx.

Kapasitanssi Cp toteutetaan sopivalla säädettävällä kapa-35 sitanssielimellä, jolloin induktiivista reaktanssia Lx ja siten resonanssitaajuutta f voidaan helposti muuttaa esi- 8 97754 merkiksi ohjausjännitteellä. Kuvassa 2a on edullinen sää-tökytkentä, jossa kapasitanssin säädettävä osuus on toteutettu kapasitanssidiodilla D2, joka tarvittaessa toimii myös kytkimenä. Kapasitanssin C2 ja kapasitanssidio-5 din D2 kapasitanssien välisellä suhteella voidaan vaikuttaa resonanssitaajuuden säätösuuntaan tietyllä ohjausjännitteellä.

Säätökytkennän aiheuttama resistanssi on kuvien Ib ja 2b 10 sijaiskytkennöissä asian yksinkertaistamiseksi jätetty huomiotta.

Kuvassa 3 on esimerkki resonanssitaajuuden muutoksesta kuvan la mukaisessa kaksiasentoiseen kytkimeen perustu-15 vassa säätökytkennässä. Säätökytkennän komponenttien arvot ovat: kapasitanssi Cl 9pF, induktanssi Lc 220nH ja ohjausjännite Vc 5V. Induktanssin Lc kanssa sarjaan on lisätty 390Ω vastus virran säätämiseksi oikealle tasolle. Kytkin Dl on toteutettu PIN-diodilla BA682. Resonaattori 20 11 on liuskajohtoresonaattori. Kun diodi Dl on johtavassa tilassa, eli kytkin kiinni, nousee resonanssitaajuus kuvan 3 mukaisesti arvosta arvoon f2» mikä vastaa noin 5 MHz:n muutosta 425MHz:in taajuusalueella (1 jakoväli vastaa n. 5 MHz:ä). Säätöpiirin kytkentäkohta A on noin 4.5 , 25 mm resonaattorin maadoitetusta päästä. Tässä kytKennässä < kapasitanssin Cl arvo on niin pieni, että se toimii kapa-sitiivisena elementtinä mainitulla 425MHz:n taajuusalueella, joten säätökytkentä vastaa kuvan 2b mukaisen si-jaiskytkennän sarjaresonanssipiiriä. Kapasitanssin Cl ar-30 voa muuttamalla voidaan vaikuttaa säätöalueen suuruuteen.

Esimerkiksi valitsemalla kapasitanssin Cl arvoksi 18pf, saadaan säätöalueeksi noin 15 MHz. Verrattaessa resonaattorin hyvyyslukua eli niin sanottua Q-arvoa sekä ennen säätöä resonanssitaajuudella f1 että säädön jälkeen reso-35 nanssitaajuudella f2> voitiin todeta sen pysyneen muuttumattomana .

‘1 m t mi» Iit i n 9 97754

Kuvassa 4 on kuvan 2a mukaisen resonaattorin resonanssi -taajuuden säädön vaikutus estosuodattimessa taajuustasossa esitettynä. Säätökytkennän kapasitanssin C2 arvo on . 5 14pF. Ohjausjännitelinjaan on lisätty 150kQ vastus virran säätämiseksi oikealle tasolle. Kytkin on toteutettu kapa-sitanssidiodilla SMV 1204-99. Muuttamalla ohjausjännitettä Vc alueella 0V - 4V, saadaan resonanssitaajuus nousemaan kuvan 4 mukaisesti arvosta arvoon f2, mikä vastaa 10 noin 2.5 MHz:n muutosta 425MHz:in taajuusalueella (1 ja-koväli vastaa n. 5 MHz:ä).

Keksinnön kytkennällä voidaan toteuttaa resonanssitaajuuden säätö, joka ei aiheuta resonaattorissa sellaisia te-15 hohäviöitä kuin tunnetun tekniikan mukaiset, resonaattorin avoimeen päähän toteutetut kapasitiivista kuormitusta säätävät säätökytkennät. Säätökytkentään ei myöskään kohdistu suuria jännitteitä, sillä sähkökenttä on resonaattorin maadoitetun pään läheisyydessä tunnetusti heikko.

20 Tämän johdosta säätökytkennän komponentteihin ei myöskään kohdistu sellaista ylikuormitusta, joka voisi vaikuttaa säädön stabiiliuteen tai komponenttien elinikään. Lisäksi keksinnön mukaisella säädöllä ei tehtyjen kokeiden perusteella näyttäisi olevan vaikutusta resonaattorin Q-ar-, 25 voon, toisin kuin tunnetun tekniikan mukaisissa säätöta- voissa, joissa Q-arvo pääsääntöisesti huononee säädön seurauksena. Tästä on etua esimerkiksi VCO-sovellutuksis-sa.

30 Keksinnön mukainen säätökytkentä on helposti toteutetta-• · vissa erityisesti liuskajohtoresonaattoriin esimerkiksi tapittamalla säätöpiiri sopivaan kohtaan resonaattoria sen matalaimpedanssisemmassa päässä. Periaatteessa säätö-kytkentää voidaan soveltaa myös muihin siirtojohtoreso-35 naattoreihin. Esimerkiksi helix-resonaattorin säätökytkentä on valmistusteknisesti yksinkertaisempi toteuttaa 10 97754 keksinnön mukaisesti kuin tunnetun tekniikan mukaisia "oikosulkuja" käyttäen, sillä keksinnön tavalla resonaat-torikelaan tarvitsee kytkeytyä vain yhdestä kytkentäpisteestä .

5 Säätöpiirin komponenttien valinnalla voidaan vaikuttaa esimerkiksi säädön tarkkuuteen, nopeuteen ja osittain myös säätöalueeseen. Karkea säätöalue määräytyy kuitenkin kytkentäkohdan A perusteella. Keksinnöllä saavutetaan 10 säätöalue, joka on maksimissaan noin 10% resonanssitaa- juudesta. Tämä alue on riittävä käytännön radiopuhelinso-vellutuksissa sekä myös useimmissa muissa resonaattoriso-vellutuksissa. Edellä esitetyt esimerkit eivät rajoita keksintöä, vaan kuvattua säätökytkentää voidaan soveltaa 15 oheisten patenttivaatimusten sallimassa laajuudessa.

Claims (5)

97754

1. Kytkentä resonaattorin resonanssitaajuuden säätämiseksi, 5 resonaattorin sisältäessä oleellisesti neljän- nesaallon pituisen keskijohtimen (11), joka on toisesta päästään maadoitettu ja toisesta päästään avoin, ja siitä etäisyyden päässä olevan johtavan vaipan, ja kytkennän sisältäessä säätöpiirin, joka sisältää 10 ainakin yhden ohjattavan kytkimen (SI, S2), joka ohjauksen (Vc) vaikutuksesta rinnankytkee säätöpiirin resonaattorin keskijohtimeen (11), tunnettu siitä, että säätöpiiri on kytketty keskijohti-meen galvaanisesti kytkentäpisteessä (A), jonka etäisyys 15 (I2) keskijohtimen (11) maadoitetusta päästä on enintään puolet keskijohtimen koko pituudesta (I1+I2)-

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että säätöpiiri muodostaa induktanssin (Lp), jonka 20 ohjattava kytkin SI, S2) kytkee rinnan keskijohtimessa (11) kytkentäpisteen (A) ja keskijohtimen maadoitetun pään välille muodostuvan induktanssin (L2) kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kytkentä, tunnettu ; - 25 siitä, että säätöpiiri sisältää lisäksi kapasitanssin (Cp), joka muodostaa induktanssin (Lp) kanssa sarjareso-nanssipiirin, jolla on tietty induktiivinen reaktanssi.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kytkentä, tunnettu 30 siitä, että säätöpiiri sisältää säädettävän kapasitanssin (Cp) .

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että säätöpiiri sisältää kapasitanssidiodin (D2), 35 joka toimii kytkimenä (S2) ja säädettävänä kapasitanssina (Cp) . 97754