DE102005048597B4

DE102005048597B4 - Elektrisch abstimmbares mehrkreisiges Bandpassfilter

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Publication number: DE102005048597B4
Application number: DE102005048597A
Authority: DE
Inventors: Ehrenhardt Kaupa
Original assignee: Thales Defence Deutschland GmbH
Current assignee: Thales Deutschland GmbH
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: DE102005048597A1

Abstract

Elektrisch abstimmbares mehrkreisiges Bandpassfilter (1) zum Herausfiltern eines Nutzbandes aus einem an einem Eingang (5) des Bandpassfilters (1) anliegenden Signalspektrum, wobei das Bandpassfilter (1) mindestens zwei hintereinander geschaltete Filterkreise (2, 3) aufweist, von denen jeweils zwei benachbarte Kreise (2, 3) mittels eines Koppelnetzwerkes (4) zur Realisierung einer kapazitiven Stromkopplung miteinander gekoppelt sind, wobei das Bandpassfilter (1) mindestens eine Kapazitätsdiode (10) in jedem der Filterkreise (2, 3) zum Abstimmen des Filters (1) mittels einer Steuerspannung (V_tune) aufweist, und wobei das Bandpassfilter (1) mindestens eine in Sperrrichtung geschaltete Kapazitätsdiode (10b) aufweist, wobei die Kapazitätsdiode (10b) einerseits unmittelbar an Masse angeschlossen ist und wobei an der nach Masse geschalteten Kapazitätsdiode (10b) andererseits die Steuerspannung (V_tune) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (1) mehrere zueinander parallel in Sperrrichtung geschaltete Kapazitätsdioden (10b) aufweist, wobei die Kapazitätsdioden (10b) einerseits unmittelbar an Masse angeschlossen sind und wobei an den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden (10b) andererseits die Steuerspannung...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch abstimmbares mehrkreisiges Bandpassfilter zum Herausfiltern eines Nutzbandes aus einem an einem Eingang des Bandpassfilters anliegenden Signalspektrum. Das Bandpassfilter weist mindestens zwei hintereinander geschaltete Filterkreise auf, von denen jeweils zwei benachbarte Kreise mittels eines Koppelnetzwerkes zur Realisierung einer kapazitiven Stromkopplung miteinander gekoppelt sind. Das Bandpassfilter weist mindestens eine Kapazitätsdiode in jedem der Filterkreise zum Abstimmen des Filters mittels einer Steuerspannung auf, wobei das Bandpassfilter mindestens eine in Sperrrichtung geschaltete Kapazitätsdiode aufweist. Die Kapazitätsdiode ist einerseits unmittelbar an Masse angeschlossen, und an der nach Masse geschalteten Kapazitätsdiode liegt andererseits die Steuerspannung an.
Bandpassfilter der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die US 3,192,491 ein Bandpassfilter, mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Filterkreisen, von denen jeweils zwei benachbarte Kreise mittels eines Koppelnetzwerkes zur Realisierung einer kapazitiven Stromkopplung miteinander gekoppelt sind. zur Abstimmung des Filters ist ein Widerstand vorgesehen, dessen Widerstandswert stromabhängig eingestellt werden kann. Der Widerstand erfordert eine gezielte, hochgenaue Ansteuerung, damit der Bandpassfilter über den gesamten Frequenzbereich das gleiche Produkt aus Koppelfaktor und Güte aufweist. Dieser Bandpassfilter hat somit den Nachteil, dass er für einen ordnungsgemäßen Betrieb aufwendig abgestimmt werden muss.
Ein etwas anderes ausgebildeter Bandpassfilter ist aus der JP 2003-333554 A bekannt.
Ein Bandfilter wird bspw. in der Nachrichtentechnik in einer Sendereinheit oder einer Empfangseinheit zum Herausfiltern eines Nutzbandes aus einem breiten anliegenden Signalspektrum eingesetzt. Abstimmbare Bandfilter werden in der Regel mit Kapazitätsdioden mittels einer Steuerspannung abgestimmt. Eine Kapazitätsdiode ist eine Halbleiterdiode, bei der die Raumladungszone am PN-Übergang wie ein Kondensator wirkt. Sie wird auch als Varaktordiode bezeichnet und erfüllt die Funktion eines veränderbaren Kondensators. Das Dielektrikum ist das von Ladungsträgern entblößte Halbleitermaterial. Bei Erhöhung der angelegten Spannung wird die Sperrschicht größer, und die Kapazität wird kleiner. Eine kleinere Spannung vergrößert die Kapazität. Die Kapazitätsdiode wird bei der Schwingkreisabstimmung und der Frequenzvervielfachung sowie in Schaltungen zur Erzeugung von Frequenzmodulation verwendet. Sie wird in Sperrrichtung betrieben und die Raumladungszone der Kapazitätsdiode wird gesteuert. Beim Anlegen einer Spannung baut sich in der Sperrschicht ein elektrisches Feld auf, das sich bei Spannungserhöhung vergrößert. Dadurch vergrößert sich ebenfalls die Breite der ladungsfreien Zone, wodurch die Kapazität sinkt. Die Kapazitätsänderung liegt bei etwa 5 pF/V bis 10 pF/V.
Die dem Bandfilter vor- und nachgeschalteten Funktionseinheiten sind meist in 50 Ohm Technik ausgelegt und können deshalb nicht direkt an die Filterkreise angebunden werden. Beispiele für solche Funktionseinheiten sind bspw. Einheiten zum Mischen (sog. Mixer), zum Verstärken (z. B. Low Noise Amplifier; LNA), zur Modulation/Demodulation, zur Synthese (z. B. Direct Digital Synthesis; DSS)/Steuerung (z. B. Direct Digital Control; DDC), zur Synchronisation (z. B. Phase-Locked Loop; PLL), zum Verschlüsseln (sog. Scrambling), zur Verschränkung (sog. Interleaving), zum Ausgleichen und Entzerren (sog. Equalizer), zum Filtern/Korrelieren (sog. matched-Filter/Korrelator), etc. Die Funktionseinheiten werden also über Anpassnetzwerke an dem Eingang und dem Ausgang des Filters angeschlossen. Die Anpassnetzwerke werden auch als Einkoppel- und Auskoppelnetzwerke bezeichnet.
Je mehr Filterkreise in dem Bandfilter miteinander gekoppelt sind, desto größer wird die Flankensteilheit des Signalverlaufs des Filters. Da mit der Anzahl der Filterkreise auch der Aufwand für Entwurf, Realisierung, Fertigung und Abstimmen des Filters ansteigt, werden in der Praxis häufig zweikreisige Bandfilter mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis eingesetzt, die einen guten Kompromiss zwischen Flankensteilheit und Aufwand bieten. Im nachfolgenden Dokument wird häufig beispielhaft auf ein zweikreisiges Bandfilter Bezug genommen. Das ist jedoch nicht einschränkend und die Ausführungen gelten in entsprechender Weise auch für Bandfilter mit mehr als zwei Filterkreisen.
Zum Durchstimmen des Filters werden die Filterkreise mittels der Kapazitätsdioden in der Resonanzfrequenz gleichmäßig verändert. Die Güte der Kreise und der Koppelfaktor des Koppelnetzwerks bestimmen die Bandbreite des Filters.
Jeweils zwei der sequenziell geschalteten Kreise des Bandfilters sind lose miteinander gekoppelt und ermöglichen so eine gute Selektion des Nutzsignals. Zur Kopplung der Filterkreise können Spulen oder Transformatoren eingesetzt werden. In einem Artikel von Rohde, U. et al.: "A novel approach to voltage controlled tuned filters using CAD Validation", Microwave Engineering Europe, October 1997, S. 35–41, veröffentlicht auch in "Communications Receivers", Second Edition, McGraw-Hill, 1997, ISBN 0-07-053608-2, S. 418–424 sind verschiedene Schaltungen von Bandpassfiltern, insbesondere verschiedene Arten der Kopplung der Filterkreise, dargestellt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene, im wesentlichen drei, Arten der Kopplung bekannt. Bei der sog. magnetischen Kopplung sind die beiden induktiven Koppelelemente (Spulen oder Transformatoren) des Primärkreises und des Sekundärkreises magnetisch gekoppelt. Die magnetische Kopplung ist frequenzunabhängig, das Filter kann über einen weiten Frequenzbereich durchgestimmt werden, ohne dass sich die Kopplung verändert. Allerdings erfordert die magnetisch Kopplung, dass die Koppelelemente sehr genau positioniert werden, wodurch die Fertigung des Bandfilters sehr kompliziert, aufwendig und teuer werden kann. Die nötige Kopplung ist mit einzelnen Spulen zum Teil nicht realisierbar. Die Kopplung des Bandfilters ist bei schwankender Positionierung der Koppelelemente von Bandfilter zu Bandfilter zum Teil erheblichen Schwankungen ausgesetzt, wodurch die Eigen schaften eines Bandfilters mit magnetischer Kopplung, insbesondere die Filtereigenschaften, nur sehr schlecht reproduzierbar sind.
Bei der sog. Spannungskopplung sind der Primärkreis und der Sekundärkreis durch einen Kondensator oder eine Spule miteinander verbunden. Platzierungstoleranzen von Kondensator oder Spule haben nur einen geringen Einfluss auf die Filterparameter des Bandfilters. Allerdings ist der Koppelfaktor frequenzabhängig, was dazu führt, dass die Kopplung des Filters bei einem großen Frequenzbereich nachgestellt werden muss. Die Koppelkapazität ist in der Regel sehr klein (z. B. im Femtofarad (10^–15 F)-Bereich) ausgelegt, wodurch der Einfluss der durch den Aufbau bedingten parasitären Kapazitäten auf den Koppelfaktor sehr groß ist. Eine Koppelinduktivität ist in der Regel sehr groß, und deshalb aufgrund ihrer Eigenresonanzen schwer zu realisieren.
Bei der sog. Stromkopplung wird unterschieden zwischen kapazitiver und induktiver Stromkopplung. Bei der kapazitiven Stromkopplung sind der Primär- und Sekundärkreis über einen gemeinsamen Kondensator am Fußpunkt (dem sog. Koppelpunkt) miteinander verbunden. Platzierungstoleranzen des Kondensators haben nur einen geringen Einfluss auf die Filterparameter des Bandfilters. Allerdings ist der Koppelfaktor frequenzabhängig, was dazu führt, dass die Kopplung des Filters bei einem großen Frequenzbereich nachgestellt werden muss.
Bei der induktiven Stromkopplung sind der Primär- und Sekundärkreis über eine gemeinsame Spule am Fußpunkt miteinander verbunden. Platzierungstoleranzen der Spule haben nur einen geringen Einfluss auf die Filterparameter des Bandfilters. Zudem ist der Koppelfaktor frequenzunabhängig. Allerdings ergibt sich durch das Einkoppel- und Auskoppelnetzwerk (Längsspule und Kapazitätsdiode nach Masse) ein zusätzlicher Pol in der Übertragungskurve des Filters, wodurch die Kurve verfälscht wird. Diese physikalisch bedingte Verfälschung führt dazu, dass das Filter unsymmetrisch wird. Die Übertragungskurve weist einen Höcker unterhalb der Resonanzfrequenz auf.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bandpassfilter der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass auf ein aufwendiges und teures Nachführen des Koppelfaktors des Filters in Abhängigkeit von der Frequenz verzichtet werden kann, dass der Koppelfaktor des Filters ohne großen Aufwand frequenzunabhängig und exakt eingestellt werden kann und dass die Fertigung des Filters ohne Einbußen bei den Filtereigenschaften einfach, schnell und kostengünstig, vorzugsweise automatisiert, erfolgen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Bandpassfilter der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Bandpassfilter mehrere zueinander parallel in Sperrrichtung geschaltete Kapazitätsdioden aufweist, wobei die Kapazitätsdioden einerseits unmittelbar an Masse angeschlossen sind und wobei an den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden andererseits die Steuerspannung anliegt, dass das Koppelnetzwerk jeweils über mindestens eine zweite Kapazitätsdiode an den Eingang und den Ausgang des Bandpassfilters angeschlossen ist, und dass sowohl die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden als auch die zweiten Kapazitätsdioden die gleichen Kennlinien aufweisen.
Die vorgeschlagene Kopplung der Filterkreise basiert auf einer frequenzunabhängigen kapazitiven Stromkopplung. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Kapazitätsdioden am Koppelpunkt nach Masse geschaltet sind. Zur Kopplung kann also auf den Einsatz eines extra Koppelkondensators verzichtet werden. Als Kapazität für die Kopplung werden die Kapazitäten der nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden herangezogen. Beim Abstimmen des Filters ändert sich die Koppelkapazität in gleichem Maße wie die Kapazitätsdioden in den Filterkreisen. Durch die Anzahl der nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden kann der Koppelfaktor des Koppelnetzwerks exakt eingestellt werden. Damit ergibt sich eine konstante frequenzunabhängige Kopplung.
Es liegen also die mehreren Kapazitätsdioden jeweils mit ihrem positiven Anschluss unmittelbar an Masse. Das ergibt sich aus dem Erfordernis, dass die Kapazitätsdioden in Sperrrichtung betrieben werden. An dem negativen Anschluss der Kapazitätsdioden liegt die Steuerspannung zum Durchstimmen oder Verstimmen des Bandpassfilters an. Je mehr Kapazitätsdioden parallel zueinander an Masse geschaltet werden, desto loser ist die Kopplung zwischen den Filterkreisen.
Die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden weisen die gleichen Kennlinien (Kapazitätsänderung/Änderung der Steuerspannung) auf. Insbesondere weisen die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden die gleichen Kapazitätswerte auf. Selbst Bauteilstreuungen und/oder Temperaturschwankungen können die Koppelkapazität des gesamten Koppelnetzwerkes nicht beeinträchtigen. Sie ergibt sich stets aus der Summe der Einzelkapazitäten der einzelnen Kapazitätsdioden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Bandpassfilter an seinem Eingang ein Einkoppelnetzwerk und/oder an seinem Ausgang ein Auskoppelnetzwerk zum Anpassen der Impedanz an die Impedanz der eingangsseitig und/oder ausgangsseitig an das Bandpassfilter angeschlossenen Funktionseinheiten aufweist.
Vorteilhafterweise weist das Einkoppelnetzwerk und/oder das Auskoppelnetzwerk mehrere Spulen, eine Spule mit einem Abgriff oder einen Transformator auf. Der Einsatz eines Transformators ist eher für niedrigere Frequenzen (z. B. 10–50 MHz) einsetzbar, wohingegen bei höheren Frequenzen (z. B. 200–500 MHz) der Einsatz von Spulen empfehlenswert ist. Die eine Spule mit Abgriff wird vorzugsweise zwischen Masse und den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden geschaltet, wobei am Abgriff der Eingang oder der Ausgang des Bandpassfilters anliegt.
Vorzugsweise ist die mindestens eine zweite Kapazitätsdiode in entgegengesetzter Richtung geschaltet wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden. Die Steuerspannung liegt an den negativen Anschlüssen der nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden und dem negativen Anschluss der mindestens einen zweiten Kapazitätsdiode.
Zur Verarbeitung eines am Eingang des Bandpassfilters anliegenden Signalspektrums mit höherer Amplitude wird vorgeschlagen, dass das Koppelnetzwerk jeweils über mindestens eine dritte Kapazitätsdiode an den Eingang und den Ausgang des Bandpassfilters angeschlossen ist, wobei die mindestens eine dritte Kapazitätsdiode in gleicher Richtung geschaltet ist wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden. Zwischen dem negativen Anschluss der mindestens einen zweiten Kapazitätsdiode und dem negativen Anschluss der mindestens einen dritten Kapazitätsdiode kann wiederum die Steuerspannung angelegt werden.
Vorteilhafterweise ist zwischen den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden und der mindestens einen dritten Kapazitätsdiode mindestens ein Koppelkondensator geschaltet, wobei die Steuerspannung zwischen den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden und dem mindestens einen Koppelkondensator anliegt. Die Kapazität des Koppelkondensators läuft mit wie die Kapazitäten in den Filterkreisen.
Von ganz besonderer Bedeutung ist, dass die mindestens eine zweite Kapazitätsdiode und/oder die mindestens eine dritte Kapazitätsdiode die gleichen Kennlinien aufweisen wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden. Sämtliche Kapazitätsdioden der erfindungsgemäßen Schaltung sollen möglichst ähnlich, vorzugsweise identisch, sein. Dies kann dadurch erzielt werden, dass alle in der Schaltung eingesetzten Kapazitätsdioden von dem gleichen Hersteller bezogen werden, vom gleichen Herstellungstag stammen, aus der gleichen Charge stammen und/oder sogar vom gleichen Wafer (Halbleiterscheibe) stammen. Die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden und die mindestens eine zweite Kapazitätsdiode und – sofern vorhanden – auch die dritte Kapazitätsdiode bilden eine Art kapazitiven Spannungsteiler, wobei sich der Kapazitätswert der einzelnen Kapazitätsdioden bei der Berechnung der Koppelkapazität der gesamten Schaltung herauskürzt und als Maß für die Koppelkapazität nur noch die Anzahl n der nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden verbleibt. Bauteilstreuungen und/oder Alterungserscheinungen mitteln sich über die Gesamtzahl aller in der Schaltung verwendeter Kapazitätsdioden aus.
Zusammenfassend wird also ein mehrkreisiges Bandpassfilter vorgeschlagen, dessen Koppelfaktor zwischen den Filterkreisen frequenzunabhängig ist und dessen Filterkurve symmetrisch ist.
Die Platzierungstoleranzen durch eine Automatenbestückung im Rahmen der Fertigung des Bandpassfilters haben nur einen sehr geringen Einfluss auf die Filterparameter. Die Einzelkomponenten des Filters sind preiswert, so dass eine Serienproduktion des Filters äußerst kostengünstig ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Bandpassfilters gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
2 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Bandpassfilters gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
3 einen Verlauf einer Übertragungsfunktion eines erfindungsgemäßen Bandpassfilters im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Bandpassfilter in einem Frequenzbereich von 100 bis 600 MHz bei einer Resonanzfrequenz von etwa 270 MHz;
4 einen Verlauf einer Übertragungsfunktion eines erfindungsgemäßen Bandpassfilters im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Bandpassfilter in einem Frequenzbereich von 100 bis 600 MHz bei einer Resonanzfrequenz von etwa 425 MHz;
5 einen prinzipiellen Aufbau eines zweikreisigen Bandfilters;
6a einen schematischen Verlauf einer Übertragungsfunktion eines Bandpassfilters mit loser Kopplung;
6b einen schematischen Verlauf einer Übertragungsfunktion eines Bandpassfilters mit kritischer Kopplung;
6c einen schematischen Verlauf einer Übertragungsfunktion eines Bandpassfilters mit überkritischer Kopplung;
7 eine Schaltung eines aus dem Stand der Technik bekannten zweikreisigen Bandpassfilters mit magnetischer Kopplung;
8 eine Schaltung eines aus dem Stand der Technik bekannten zweikreisigen Bandpassfilters mit Spannungskopplung;
9 eine Schaltung eines aus dem Stand der Technik bekannten zweikreisigen Bandpassfilters mit kapazitiver Stromkopplung; und
10 eine Schaltung eines aus dem Stand der Technik bekannten zweikreisigen Bandpassfilters mit induktiver Stromkopplung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch abstimmbares mehrkreisiges Bandpassfilter zum Herausfiltern eines Nutzbandes aus einem an einem Eingang des Bandpassfilters anliegenden Signalspektrum. Das Bandpassfilter weist mindestens zwei hintereinander geschaltete Filterkreise auf, von denen jeweils zwei benachbarte Kreise mittels eines Koppelnetzwerkes miteinander gekoppelt sind.
Bandpassfilter werden bspw. in der Nachrichtentechnik in einer Sendereinheit oder einer Empfangseinheit zum Herausfiltern eines Nutzbandes aus einem breiten anliegenden Signalspektrum eingesetzt. Bandpassfilter weisen häufig mehrere Filterkreise auf, die über ein Koppelnetzwerk miteinander gekoppelt sind. Der prinzipielle Aufbau eines zweikreisigen Bandpassfilters ist in 5 dargestellt. Das Bandpassfilter ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Ein Primärkreis 2 ist mit einem Sekundärkreis 3 über ein Koppelnetzwerk 4 gekoppelt. Das Eingangssignal (Signalspektrum) liegt an einem Eingang 5 des Bandpassfilters 1 an. An einem Ausgang 6 liegt das Ausgangssignal (herausgefiltertes Nutzband) an.
Zwischen seinem Eingang 5 und dem Primärkreis 2 weist das Bandpassfilter 1 ein Einkoppelnetzwerk 7 auf. Ebenso weist es zwischen dem Sekundärkreis 3 und seinem Ausgang ein Auskoppelnetzwerk 8 auf. Einkoppelnetzwerk 7 und Auskoppelnetzwerk 8 werden auch als Anpassnetzwerke bezeichnet und dienen zum Anpassen der Impedanz des Bandfilters 1 an die Impedanz der eingangsseitig und/oder ausgangsseitig an das Bandpassfilter 1 angeschlossenen Funktionseinheiten (nicht dargestellt). Die Funktionseinheiten sind meist in 50 Ohm Technik ausgelegt und können deshalb nicht direkt an die Filterkreise 2, 3 angebunden werden. Funktionseinheiten sind bspw. Einheiten zum Mischen (sog. Mixer), zum Verstärken (z. B. Low Noise Amplifier; LNA), zur Modulation/Demodulation, zur Synthese (z. B. Direct Digital Synthesis; DSS)/Steuerung (z. B. Direct Digital Control; DDC), zur Synchronisation (z. B. Phase-Locked Loop; PLL), zum Verschlüsseln (sog. Scrambling), zur Verschränkung (sog. Interleaving), zum Ausgleichen und Entzerren (sog. Equalizer), zum Filtern/Korrelieren (sog. matched-Filter/Korrelator), etc. Die Funktionseinheiten werden also über die Anpassnetzwerke 7, 8 an dem Eingang 5 und dem Ausgang 6 des Filters 1 angeschlossen.
Je mehr Filterkreise 2, 3 in dem Bandfilter 1 miteinander gekoppelt sind, desto größer wird die Flankensteilheit des Signalverlaufs des Filters 1. Da mit der Anzahl der Filterkreise 2, 3 auch der Aufwand für Entwurf, Realisierung, Fertigung und Abstimmen des Filters 1 ansteigt, werden in der Praxis häufig zweikreisige Bandfilter 1 mit einem Primärkreis 2 und einem Sekundärkreis 3 eingesetzt, die einen guten Kompromiss zwischen Flankensteilheit und Aufwand bieten. In der nachfolgenden Beschreibung wird beispielhaft auf ein zweikreisiges Bandfilter Bezug genommen. Das soll jedoch nicht einschränkend verstanden werden, und die Ausführungen gelten in entsprechender Weise auch für Bandfilter mit mehr als zwei Filterkreisen.
In den 6a, 6b und 6c sind verschiedene Arten von Kopplungen durch das Koppelnetzwerk 4 bzw. die resultierenden Übertragungsfunktionen (Amplitude A in Abhängigkeit der Frequenz f) des Filters 1 dargestellt. In 6a ist die Übertragungsfunktion bei einer losen Kopplung gezeigt, wobei die Funktion vor einer Resonanzfrequenz f_res des Filters 1 ansteigt, bei der Resonanzfrequenz f_res ein Maximum aufweist und dann wieder abfällt. Der Funktionsverlauf ist relativ schmal, d. h. zu beiden Seiten der Resonanzfrequenz f_res fällt die Funktion relativ schnell wieder ab. In 6b ist die Übertragungsfunktion bei einer kritischen Kopplung dargestellt, wobei die Funktion breiter ist als die entsprechende Funktion bei loser Kopplung und ein deutlich erkennbares Plateau aufweist, das sich zu beiden Seiten der Resonanzfrequenz f_res erstreckt. Die kritische Kopplung ist die gewünschte Kopplung, die idealerweise durch das Koppelnetzwerk 4 erzielt werden soll. In 6c ist der Verlauf der Übertragungsfunktion für eine überkritische Kopplung dargestellt, wobei das Plateau im Bereich der Resonanzfrequenz f_res eingebrochen ist.
In den 7 bis 10 sind verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Arten der Kopplung von Primärkreis 2 und Sekundärkreis 3 dargestellt und werden nachfolgend im Detail beschrieben. Das Einkoppelnetzwerk 7 und/oder das Auskoppelnetzwerk 8 weisen mehrere Spulen 9 oder einen Transformator (nicht dargestellt) auf. Der Einsatz eines Transformators ist eher für niedrigere Frequenzen (z. B. 10–50 MHz) einsetzbar, wohingegen bei höheren Frequenzen (z. B. 200–500 MHz) der Einsatz von Spulen 9 empfehlenswert ist.
Abstimmbare Bandfilter 1 werden in der Regel mit Kapazitätsdioden 10 mittels einer Steuerspannung V_tune abgestimmt. Eine Kapazitätsdiode 10 ist eine Halbleiterdiode, bei der die Raumladungszone am PN-Übergang wie ein Kondensator wirkt. Sie wird auch als Varaktordiode bezeichnet und erfüllt die Funktion eines veränderbaren Kondensators. Das Dielektrikum ist das von Ladungsträgern entblößte Halbleitermaterial. Bei Erhöhung der angelegten Spannung V_tune wird die Sperrschicht größer, und die Kapazität wird kleiner. Eine kleinere Spannung V_tune vergrößert die Kapazität. Die Kapazitätsdiode 10 wird bei der Schwingkreisabstimmung und der Frequenzvervielfachung sowie in Schaltungen zur Erzeugung von Frequenzmodulation verwendet. Sie wird in Sperrrichtung betrieben und die Raumladungszone der Kapazitätsdiode wird gesteuert. Beim Anlegen der Spannung V_tune baut sich in der Sperrschicht ein elektrisches Feld auf, das sich bei Spannungserhöhung V_tune vergrößert. Dadurch vergrößert sich ebenfalls die Breite der ladungsfreien Zone, wodurch die Kapazität sinkt. Die Kapazitätsänderung liegt bei etwa 5 pF/V bis 10 pF/V.
Zum Durchstimmen des Filters 1 werden die Filterkreise 2, 3 mittels der Kapazitätsdioden 10 in der Resonanzfrequenz f_res gleichmäßig verändert. Die Güte der Kreise 2, 3 und der Koppelfaktor K des Koppelnetzwerks 4 bestimmen die Bandbreite des Filters 1.
Bei der in 7 dargestellten magnetischen Kopplung sind induktiven Koppelelemente 11 (Spulen oder Transformatoren) des Primärkreises 2 und des Sekundärkreises 3 magnetisch gekoppelt (M). Die magnetische Kopplung ist frequenzunabhängig, das Filter 1 kann über einen weiten Frequenzbereich durchgestimmt werden, ohne dass sich die Kopplung verändert. Allerdings erfordert die magnetisch Kopplung, dass die Koppelelemente 11 sehr genau positioniert werden, wodurch die Fertigung des Bandfilters 1 sehr kompliziert, aufwendig und teuer werden kann. Die nötige Kopplung ist mit einzelnen Spulen 11 zum Teil nicht realisierbar. Die Kopplung des Bandfilters 1 ist bei schwankender Positionierung der Koppelelemente 11 von Bandfilter zu Bandfilter zum Teil erheblichen Schwankungen ausgesetzt, wodurch die Eigenschaften eines Bandfilters 1 mit magnetischer Kopplung, insbesondere die Filtereigenschaften, nur sehr schlecht reproduzierbar sind.
Bei der in 8 dargestellten Spannungskopplung sind der Primärkreis 2 und der Sekundärkreis 3 durch einen Kondensator 12 (C_koppel) oder alternativ eine Spule 13 (L_koppel) miteinander verbunden. Platzierungstoleranzen von Kondensator 12 oder Spule 13 haben nur einen geringen Einfluss auf die Filterparameter des Bandfilters 1. Allerdings ist der Koppelfaktor frequenzabhängig, was dazu führt, dass die Kopplung des Filters 1 bei einem großen Frequenzbereich nachgestellt werden muss. Die Koppelkapazität C_koppel ist in der Regel sehr klein (z. B. im Femtofarad (10^–15 F)-Bereich) ausgelegt, wodurch der Einfluss der durch den Aufbau bedingten parasitären Kapazitäten auf den Koppelfaktor sehr groß ist. Eine Koppelinduktivität L_koppel ist in der Regel sehr groß, und deshalb aufgrund ihrer Eigenresonanzen schwer zu realisieren.
Bei der in den 9 und 10 dargestellten Stromkopplung wird unterschieden zwischen kapazitiver Stromkopplung (9) und induktiver Stromkopplung (10). Bei der kapazitiven Stromkopplung sind der Primärkreis 2 und der Sekundärkreis 3 über einen gemeinsamen Kondensator 14 (C_koppel) am Fußpunkt 15 (dem sog. Koppelpunkt) miteinander verbunden. Platzierungstoleranzen des Kondensators 14 haben nur einen geringen Einfluss auf die Filterparameter des Bandfilters 1. Allerdings ist der Koppelfaktor frequenzabhängig, was dazu führt, dass die Kopplung des Filters 1 bei einem großen Frequenzbereich nachgestellt werden muss.
Bei der induktiven Stromkopplung sind der Primärkreis 2 und der Sekundärkreis 3 über eine gemeinsame Spule 16 (L_koppel) am Fußpunkt 15 miteinander verbunden. Platzierungstoleranzen der Spule 16 haben nur einen geringen Einfluss auf die Filterparameter des Bandfilters 1. Zudem ist der Koppelfaktor frequenzunabhängig. Allerdings ergibt sich durch das Einkoppel- und Auskoppelnetzwerk 7, 8 (Längsspule 9 und Kapazitätsdiode 10a nach Masse) ein zusätzlicher Pol in der Übertragungskurve des Filters 1, wodurch die Kurve verfälscht wird. Diese physikalisch bedingte Verfälschung führt dazu, dass das Filter unsymmetrisch wird. Die Übertragungskurve weist einen Höcker unterhalb der Resonanzfrequenz f_res auf. Dies kann auch den in den 3 und 4 dargestellten Übertragungskurven 17 des Filters 1 mit induktiver Stromkopplung entnommen werden, wo der Höcker mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist.
Es zeigt sich also, dass die bekannten Kopplungsarten Nachteile aufweisen. Diese Nachteile können mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kopplung verhindert bzw. verringert werden. Beispielhafte Schaltungen des erfindungsgemäßen Filters 1 sind in den 1 und 2 dargestellt. In den 3 und 4 sind die entsprechenden Übertragungsfunktionen bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen f_res mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet.
Bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Bandpassfilter 1 sind mehrere zueinander parallel in Sperrrichtung geschaltete Kapazitätsdioden 10b vorgesehen, die jeweils unmittelbar zwischen Masse und dem Fußpunkt 15 geschaltet sind. Die Steuerspannung V_tune zum Durchstimmen oder Verstimmen des Bandpassfilters 1 liegt an dem Fußpunkt 15 an. Die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b weisen vorzugsweise die gleichen Kennlinien (Kapazitätsänderung/ Änderung der Steuerspannung) auf. Insbesondere weisen die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b die gleichen Kapazitätswerte auf. Selbst Bauteilstreuungen und/oder Temperaturschwankungen können die Koppelkapazität des gesamten Koppelnetzwerkes 4 nicht beeinträchtigen. Sie ergibt sich stets aus der Summe der Einzelkapazitäten der einzelnen Kapazitätsdioden 10b.
Das Koppelnetzwerk 4 ist jeweils über mindestens eine zweite Kapazitätsdiode 10c der Filterkreise 2, 3 an den Eingang 5 und den Ausgang 6 des Bandpassfilters 1 angeschlossen, wobei die mindestens eine zweite Kapazitätsdiode 10c in entgegengesetzter Richtung geschaltet ist wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b. Die Steuerspannung V_tune liegt an den negativen Anschlüssen der nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b und dem negativen Anschluss der mindestens einen zweiten Kapazitätsdiode 10c an.
Von ganz besonderer Bedeutung ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Bandpassfilter 1 die zweiten Kapazitätsdioden 10c die gleiche Kennlinie aufweisen wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b. Sämtliche Kapazitätsdioden 10b, 10c der erfindungsgemäße Schaltung sollen möglichst ähnlich, vorzugsweise identisch, sein. Dies kann dadurch erzielt werden, dass alle in der Schaltung eingesetzten Kapazitätsdioden 10b, 10c vom gleichen Hersteller, vom gleichen Herstellungstag, aus der gleichen Charge und/oder sogar vom gleichen Wafer (Halbleiterscheibe) stammen. Die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b und die mindestens eine zweite Kapazitätsdiode 10c bilden eine Art kapazitiven Spannungsteiler, wobei sich der Kapazitätswert der einzelnen Kapazitätsdioden 10b, 10c bei der Berechnung der Koppelkapazität der gesamten Schaltung herauskürzt und als Maß für die Koppelkapazität nur noch die Anzahl n der nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden verbleibt. Die Koppelkapazität ergibt sich also aus der Summe der Einzelkapazitäten der Kapazitätsdioden 10b. Bauteilstreuungen und/oder Alterungserscheinungen mitteln sich über die Gesamtzahl aller in der Schaltung verwendeter Kapazitätsdioden aus.
Das Einkoppelnetzwerk 7 und das Auskoppelnetzwerk 8 weisen jeweils eine Längsspule 9 und weitere Spulen 9a und 9b in Richtung Masse bzw. des Fußpunkts 15 auf. Statt der beiden Spulen 9a, 9b kann auch eine einzige Spule mit Abgriff (nicht dargestellt) eingesetzt werden, wobei an dem Abgriff über die Längsspule 9 der Eingang 5 bzw. der Ausgang 6 anläge. Als weitere Alternative könnte im Einkoppelnetzwerk 7 und/oder im Auskoppelnetzwerk 8 jeweils ein Transformator (nicht dargestellt) eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kopplung der Filterkreise 2, 3 basiert auf einer frequenzunabhängigen kapazitiven Stromkopplung. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Kapazitätsdioden 10b am Koppelpunkt 15 nach Masse geschaltet sind. Zur Kopplung kann also auf den Einsatz eines gesonderten Koppelkondensators (z. B. Koppelkondensator 12 in 8) verzichtet werden. Als Kapazität für die Kopplung werden die Kapazitäten der nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b herangezogen. Beim Abstimmen des Filters 1 ändert sich die Koppelkapazität in gleichem Maße wie die Kapazitätsdioden 10c in den Filterkreisen. Durch die Anzahl der nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b kann der Koppelfaktor des Koppelnetzwerks 4 exakt eingestellt werden. Je mehr Kapazitätsdioden 10b parallel zueinander an Masse geschaltet werden, desto loser ist die Kopplung zwischen den Filterkreisen 2, 3. Damit ergibt sich eine konstante frequenzunabhängige Kopplung.
Zur Verarbeitung eines am Eingang 5 des Bandpassfilters 1 anliegenden Signalspektrums mit höherer Amplitude wird die in 2 dargestellte Schaltung vorgeschlagen. Dabei ist das Koppelnetzwerk 4 jeweils über mindestens eine dritte Kapazitätsdiode 10d an den Eingang 5 und den Ausgang 6 des Bandpassfilters 1 angeschlossen. Die mindestens eine dritte Kapazitätsdiode 10d ist in gleicher Richtung geschaltet wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b. Zwischen dem negativen Anschluss der mindestens einen zweiten Kapazitätsdiode 10c und dem negativen Anschluss der mindestens einen dritten Kapazitätsdiode 10d ist wiederum die Steuerspannung V_tune angelegt.
Zwischen den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b und der mindestens einen dritten Kapazitätsdiode 10d ist mindestens ein Koppelkondensator 20 geschaltet, wobei die Steuerspannung V_tune zwischen den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden 10b und dem mindestens einen Koppelkondensator 20 anliegt. Die Kapazität des Koppelkondensators läuft mit wie die Kapazitäten in den Filterkreisen 2, 3.
Zusammenfassend wird also ein mehrkreisiges Bandpassfilter 1 vorgeschlagen, dessen Koppelfaktor zwischen den Filterkreisen 2, 3 frequenzunabhängig ist und dessen Filterkurve (vgl. Bezugszeichen 19 in den 3 und 4) symmetrisch ist. Die Platzierungstoleranzen durch eine Automatenbestückung im Rahmen der Fertigung des Bandpassfilters 1 haben nur einen sehr geringen Einfluss auf die Filterparameter. Die Einzelkomponenten des Filters 1 sind preiswert, so dass eine Serienproduktion des Filters 1 äußerst kostengünstig ist.

Claims

Elektrisch abstimmbares mehrkreisiges Bandpassfilter (1) zum Herausfiltern eines Nutzbandes aus einem an einem Eingang (5) des Bandpassfilters (1) anliegenden Signalspektrum, wobei das Bandpassfilter (1) mindestens zwei hintereinander geschaltete Filterkreise (2, 3) aufweist, von denen jeweils zwei benachbarte Kreise (2, 3) mittels eines Koppelnetzwerkes (4) zur Realisierung einer kapazitiven Stromkopplung miteinander gekoppelt sind, wobei das Bandpassfilter (1) mindestens eine Kapazitätsdiode (10) in jedem der Filterkreise (2, 3) zum Abstimmen des Filters (1) mittels einer Steuerspannung (V_tune) aufweist, und wobei das Bandpassfilter (1) mindestens eine in Sperrrichtung geschaltete Kapazitätsdiode (10b) aufweist, wobei die Kapazitätsdiode (10b) einerseits unmittelbar an Masse angeschlossen ist und wobei an der nach Masse geschalteten Kapazitätsdiode (10b) andererseits die Steuerspannung (V_tune) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (1) mehrere zueinander parallel in Sperrrichtung geschaltete Kapazitätsdioden (10b) aufweist, wobei die Kapazitätsdioden (10b) einerseits unmittelbar an Masse angeschlossen sind und wobei an den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden (10b) andererseits die Steuerspannung (V_tune) anliegt, dass das Koppelnetzwerk (4) jeweils über mindestens eine zweite Kapazitätsdiode (10c) an den Eingang (5) und den Ausgang (6) des Bandpassfilters (1) angeschlossen ist, und dass sowohl die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden (10b) als auch die zweiten Kapazitätsdioden (10c) die gleichen Kennlinien aufweisen.
Bandpassfilter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (1) an seinem Eingang (5) ein Einkoppelnetzwerk (7) und/oder an seinem Ausgang (6) ein Auskoppelnetzwerk (8) zum Anpassen der Impedanz an die Impedanz der eingangsseitig und/oder ausgangsseitig an das Bandpassfilter (1) angeschlossenen Funktionseinheiten aufweist.
Bandpassfilter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelnetzwerk (7) und/oder das Auskoppelnetzwerk (8) mehrere Spulen (9), einen Transformator oder eine Spule mit einem Abgriff aufweist.
Bandpassfilter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Kapazitätsdiode (10c) in entgegengesetzter Richtung geschaltet ist wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden (10b).
Bandpassfilter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelnetzwerk (4) jeweils über mindestens eine dritte Kapazitätsdiode (10d) an den Eingang (5) und den Ausgang (6) des Bandpassfilters (1) angeschlossen ist, wobei die mindestens eine dritte Kapazitätsdiode (10d) in gleicher Richtung geschaltet ist wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden (10b).
Bandpassfilter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden (10b) und der mindestens einen dritten Kapazitätsdiode (10d) mindestens ein Koppelkondensator (20) geschaltet ist, wobei die Steuerspannung (V_tune) zwischen den nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden (10b) und dem mindestens einen Koppelkondensator (20) anliegt.
Bandpassfilter (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine dritte Kapazitätsdiode (10d) die gleichen Kennlinien aufweisen wie die nach Masse geschalteten Kapazitätsdioden (10b).
Bandpassfilter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (1) in der Nachrichtentechnik in einer Sendereinheit und/oder einer Empfangseinheit zum Herausfiltern eines Nutzbandes aus einem am Eingang (5) anliegenden breiten Signalspektrum ausgelegt ist.