DE102007058675A1

DE102007058675A1 - Ferritfilter aus blendengekoppelten Flossenleitungen

Info

Publication number: DE102007058675A1
Application number: DE102007058675A
Authority: DE
Inventors: Michael Sterns; Dirk Schneiderbanger; Robert Rehner; Lorenz-Peter Prof. Dr. Schmidt
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-07-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisch durchstimmbares Filter (1) mit einem Filtergehäuse (2) und mit zwei durchstimmbaren und aus magnetisierbarem Material bestehenden Resonatorkugeln (3a, 3b), die übereinander in zwei Filterarmen (4a, 4b) angeordnet sind. Zumindest ein Filterarm (4a, 4b) weist eine auf einer Substratschicht (5) angeordnete und in Richtung eines elektrischen Anschlusses (6) verlaufende Flossenleitung (7) oder Schlitzleitung sowie eine gemeinsame Koppelöffnung (8) auf, wodurch die beiden Filterarme (4a, 4b) miteinander verbunden sind. Dabei ist jeweils eine Resonatorkugel (3a, 3b) auf jeder der beiden Seiten der Koppelöffnung (8) innerhalb der Filterarme (4a, 4b) positioniert.

Description

Gemäß dem Stand der Technik besitzen abstimmbare Bandpassfilter Resonatorelemente aus Ferriten, bei denen die Resonanzfrequenz über ein externes magnetisches Gleichfeld eingestellt wird. Die Resonatoren sind meistens kugelförmig, da diese Form technisch verhältnismäßig leicht in den für den Einsatz bei hohen Frequenzen erforderlichen Dimensionen (Kugeldurchmesser ≤ 0,3 mm), gefertigt werden kann. Ein Grund kugelförmige Resonatoren einzusetzen ist der lineare Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz und dem Betrag des externen magnetischen Gleichfelds.
Als Material für die Resonatoren wird bei Frequenzen bis ca. 50 GHz YIG (Yittrium Iron Granet) eingesetzt. Für Frequenzen oberhalb von 50 GHz erweist sich die Verwendung von Hexaferriten als vorteilhaft. Aufgrund ihrer Kristallstruktur besitzen Hexaferrite ein Anisotropiefeld, welches bei entsprechender Ausrichtung zum externen magnetischen Gleichfeld die Einstellung hoher Resonanzfrequenzen bei deutlich niedrigeren Feldstärken des Gleichfeldes ermöglicht, als dies beim Einsatz von YIG der Fall ist. Durch diese Eigenschaft der Hexaferrite wird gemäß dem Stand der Technik die technisch anspruchsvolle Erzeugung hoher magnetischer Feldstärken für die Einstellung hoher Resonanzfrequenzen umgangen.
Geschirmte (Suspended) Streifenleitungen befinden sich beispielhafterweise in vollständig aus Metall gefrästen Kanälen. Diese Kanäle sind lediglich über eine kreisförmige Koppelöffnung (Iris) miteinander verbunden.
Der Stand der Technik geht davon aus, dass die Leitungen senkrecht zueinander stehen, was aufgrund der Orthogonalität der elektromagnetischen Felder zu einer hohen Entkopplung außerhalb der Resonanz führt, wobei die Kugeln bei diesem Aufbau wie bei vielen anderen Koppelstrukturen gemäß des Standes der Technik in der Nähe eines Kurzschlusses angebracht sind. Der Grund hierfür ist, dass die Ankopplung der Resonatoren, insbesondere der Resonatorkugeln über das magnetische Feld (HF-Feld) erfolgt, welches im Bereich des Kurzschlusses maximal ist. Da dieses Maximum unabhängig von der Frequenz gemäß dem Stand der Technik im Kurzschlussbereich auftritt, wird eine gute Ankopplung der Kugeln im Resonanzfall über einen großen Frequenzbereich ermöglicht.
Ferner wird im Resonanzfall durch die Ferriteigenschaften der Kugeln eingespeiste Feldenergie in Richtung der Blende abgestrahlt, wodurch es – anders als außerhalb des Resonanzfalls – zu einer erhöhten Energieübertragung zwischen Filtereingang und Filterausgang kommt.
Eine Möglichkeit, die Einfügedämpfung des Filters unter sonst gleichen Vorraussetzungen (gleiche Linienbreite der Resonanzkurve des Resonators, gleiche Sättigungsmagnetisierung des Resonators und gleicher Durchmesser der Iris) zu verringern, besteht gemäß dem Stand der Technik in dem Einsatz von inversen geschirmten (suspended) Streifenleitungen. Bei diesem Leitungstyp ist der Mittelleiter auf der zum Resonator bzw. zur Resonatorkugel gerichteten Seite des Substrats angebracht, wobei die Resonatoren weiterhin mit den damit verbundenen Nachteilen im Kurzschlussbereich angeordnet sind.
Beim Stand der Technik ist es von Nachteil, wenn im Kurzschlussbereich zweier metallischer Streifen innerhalb des Kopplungsbereiches das Magnetfeld eine erhebliche Komponente parallel zur Transportrichtung der ausgekoppelten Welle aufweist. Dadurch können bei der Ankopplung störende Nebenmoden angeregt werden.
In der US 4,888,569 B1 werden Koppelstrukturen mit vier Resonatorkugeln zum Aufbau magnetisch abstimmbarer Filter aufgeführt. Aus diesem Patent geht beispielsweise ein variabler Bandpass für Frequenzen innerhalb eines Frequenzbereichs von maximal einem Hohlleiterband z. B. 50–75 GHz hervor. Der variable Bandpass umfasst einen Eingangshohlleiter, einen Ausgangshohlleiter und einen Übergangshohlleiter, welche für die Ausbreitung eines TE₁₀ Wellenmodes ausgelegt sind. Das Ende des mit einer Kurzschlusswand terminierten Eingangshohlleiters, der Anfang des Ausgangshohlleiters, der ebenfalls mit einer Kurzschlusswand versehen ist und der in Richtung des extern angelegten homogenen Magnetfelds unterhalb des Eingangshohlleiters und des Ausgangshohlleiters angebrachte Übergangshohlleiter, ist im Betrieb des Filters zwischen zwei Magnetpolen angeordnet, die das für die Einstellung einer Resonanzfrequenz veränderbare Magnetfeld zuführen. Eingangshohlleiter und Ausgangshohlleiter weisen in Richtung der Wellenpropagation ein rechteckiges Profil auf, das im Koppelbereich eine deutlich kleinere Querschnittsfläche aufweist als am Verbindungsflansch. Der Koppelbereich des variablen Bandpasses umfasst die vier nahe an einer Kurzschlusswand angebrachten Resonatorkugeln und jeweils das verjüngte Ende des Eingangshohlleiters und des Ausgangshohlleiters sowie den Übergangshohlleiter mit konstanter Querschnittsfläche.
Ein Nachteil des in der US 4,888,569 B1 beschriebenen variablen Bandpasses besteht darin, dass im Resonanzfall die Feldverteilung der auszukoppelnden Welle im Koppelbereich ungünstig ist, da diese in einem Hohlleiter geführt ist, dessen Profil sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der auszukoppelnden Welle zum Koppelbereich hin verkleinert. Dadurch kommt es zu unerwünschten Reflexionen, die destruktiv überlappen und somit den Betrag der durch die einlaufende Welle transportierten Energie mindern. Dieser Effekt betrifft auch die im Ausgangshohlleiter auslaufende Welle, die nun eine definierte Frequenz aufweist, so dass insgesamt bezogen auf den Eingang des Eingangshohlleiters und den Ausgang des Ausgangshohlleiters die Einfügedämpfung erhöht ist, da die Feldverteilungen im Koppelbereich wegen der sich verjüngenden Geometrie der Hohlleiter gestört sind.
Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Bandbreite des Hohlleiterkonzepts.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein magnetisch durchstimmbares Filter für hohe Frequenzen zu schaffen, welches im Resonanzfall eine möglichst niedrige Einfügedämpfung und im Entkopplungsfall eine sehr hohe Isolation von Filtereingang und Filterausgang aufweist und dessen Kopplungsstruktur keine störenden Nebenmoden anregt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 beschriebene magnetisch durchstimmbare Filter gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Filters sind in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Filter ist in einem Filtergehäuse mit zwei Filterarmen integriert und weist zwei durchstimmbare und aus magnetisierbarem Material bestehende Resonatorkugeln auf, die übereinander in den beiden Filterarmen angeordnet sind. Zumindest einer der Filterarme weist bevorzugt eine Substratschicht auf, die mit einer in Richtung eines elektrischen Anschlusses verlaufenden Flossenleitung oder Schlitzleitung beschichtet ist. Beide Filterarme sind durch eine gemeinsame Koppelöffnung verbunden, wobei jeweils eine Resonatorkugel auf jeder Seite der Koppelöffnung innerhalb der beiden Filterarme positioniert ist.
Ein besonderer Vorteil des Einsatzes einer Flossenleitung für das erfindungsgemäße magnetisch durchstimmbare Filter ergibt sich aus der nur schwach ausgeprägten Komponente des magnetischen HF-Feldes (Hochfrequenz-Feldes) in Ausbreitungsrichtung der ausgekoppelten elektromagnetischen Welle (x-Richtung). Das Magnetfeld im Bereich der Resonatorkugel weist vorteilhafterweise nur eine sehr schwache Komponente in x-Richtung auf. Durch diese Eigenschaften der Feldverteilung wird der 210-Nebenmode nur sehr schwach angeregt, so dass die unerwünschte Nebenresonanz vorteilhafterweise nur deutlich abgeschwächt in der Resonanzkurve erscheint.
Ferner ist es von Vorteil, dass beide Filterarme übereinander angeordnet sind, so dass die beiden Resonatorkugeln nun nicht mehr nebeneinander, sondern übereinander positioniert sind. Dies zieht weitere Vorteile bei der Integration des erfindungsgemäßen Filters zusammen mit weiteren Bauteilen in ein gemeinsames Gehäuse nach sich. So können in ein Gehäuse mit einer bestimmten und begrenzten Grundfläche nun mehr Bauteile um das erfindungsgemäße Filter eingesetzt werden, da dieses vorteilhafterweise eine geringere seitliche Ausdehnung aufweist.
Vorteilhafterweise sind die inneren Strukturen, die durch eine Abfolge der verschiedenen Schichten definiert sind, bei beiden Filterarmen analog aufgebaut, was die Herstellung des erfindungsgemäßen Filters vereinfacht.
Eine Realisierung der Koppelöffnung als Einfach-Spalt oder als Lochblende mit einem beliebigen freien Querschnitt ist ebenfalls einfach herzustellen.
Vorteilhafterweise hat die Koppelöffnung einen freien Querschnitt, dessen Flächeninhalt mindestens dem Flächeninhalt einer Äquatorialfläche einer Resonatorkugel entspricht. Dadurch ist gewährleistet, dass inhomogene Feldbereiche (Randeffekte) von den Wänden jenseits der Koppelöffnung abgeschirmt werden, so dass der Kopplungsmechanismus über Elektronenspinresonanz nur in einem homogenen Feldbereich, in welchem sich die beiden Resonatorkugeln befinden, auftreten kann.
Zusätzlich ist es von Vorteil, dass die Metallstreifen der Flossenleitung seitlich mit Indiumlot verlötet sind.
Von Vorteil ist außerdem, dass die Resonatorkugel jeweils innerhalb des Filterarms über einem Leerlaufbereich angeordnet ist, wobei der Leerlaufbereich die Metallstreifen der Flossenleitung an ihren Enden von einander isoliert und gleichzeitig auch noch einen isolierten Bereich gegenüber den Wänden des Filtergehäuses bildet. Durch eine solche Anordnung ist vorteilhafterweise die Komponente des HF-Magnetfeldes in ihrem Betrag reduziert, die störende Nebenmoden in der ausgekoppelten elektromagnetischen Welle verursacht.
Zusätzlich ist von Vorteil, dass ein Filterarm aus zwei unterschiedlich großen Quadern zusammengesetzt ist, so dass der Aufbau der Substratschicht auf dem kleineren Quader erfolgt. Dadurch ist eine stabile Befestigung der Substratschicht innerhalb eines Filterarms gewährleistet.
Zweckmäßigerweise kann die Schichtdicke der Substratschicht variiert werden, so dass das erfindungsgemäße magnetisch durchstimmbare Filter vorteilhafterweise in unterschiedlichen Frequenzbändern angewendet werden kann Die Dielektrizitätskonstante des Materials aus welchem die Substratschicht besteht ist vorteilhafterweise gering.
Vorteilhafterweise sind die Metallstreifen der Flossenleitung auf einem Substrat aus Teflon aufgebaut, da Teflon die Eigenschaft hat, dass es stabil im Filterarm zu verklemmen ist.
Bevorzugt haben die Resonatorkugeln einen Durchmesser von ungefähr 300 μm, wobei diese Größe bei ihrer Herstellung noch gut zu handhaben ist.
Eine spiegelbildliche Anordnung der Resonatorkugeln beiderseits der Kopplungsöffnung ist ebenfalls von Vorteil, da dies dazu beiträgt, den Justierungsaufwand zu reduzieren. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Resonatorkugeln jeweils direkt auf die Substratschicht geklebt werden, so dass der Aufwand mit dem Anbringen einer geeigneten Halterung umgangen werden kann, was vorteilhafterweise wiederum die Montage des erfindungsgemäßen Filters erleichtert.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filters besteht darin, dass die Resonatorkugeln in Filterarmen mit unterschiedlicher inneren Struktur angeordnet sind. So weist ein erfindungsgemäßes magnetisch abstimmbares Filter, welches aus einer blendengekoppelten Mikrostreifenleitung und einer unilateralen Flossenleitung besteht eine gestreckte Geometrie mit einer reduzierten Gesamthöhe auf. Dadurch ist das gesamte erfindungsgemäße Filter leichter in einen engen Schlitz zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten einzubauen. Durch einen geringen Abstand zwischen den Polschuhen können hohe magnetische Feldstärken mit einem reduzierten Aufwand und somit leichter erzeugt werden. Auch auf die Homogenität des Gleichfeldes wirkt sich ein geringer Abstand vorteilhafterweise positiv aus.
Sowohl die Struktur als auch die Betriebsweise der Erfindung sowie deren weitere Vorteile und Aufgaben sind am besten anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der dazugehörigen Zeichnung verständlich. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Aufbau von bislang üblichen blendengekoppelten geschirmten (Suspended) Streifenleitungen;
2 die Abhängigkeit der Isolation der in 1 dargestellten Streifenleitungen von der Frequenz;
3 einen Resonanzverlauf der in 1 dargestellten Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz;
4 einen Aufbau von bisher üblichen blendengekoppelten geschirmten (Suspended)-Streifenleitungen in inverser Bauart;
5 die Abhängigkeit der Isolation der in 4 dargestellten inversen Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz;
6 einen Resonanzverlauf der in 4 dargestellten Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz;
7 eine Verteilung der m_x-Komponente des 210-Wellenmodes im Inneren einer Resonatorkugel;
8 eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes einer herkömmlichen inversen geschirmten (Suspended) Streifenleitung im Bereich der Resonatorkugel;
9 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer unilateralen Flossenleitung;
10 einen beispielhaften Querschnitt durch eine unilaterale Flossenleitung;
11 eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes im Bereich des Kurzschlusses einer unilateralen Flossenleitung als Beispiel für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung;
12 die Beziehung zwischen einem magnetischen Gleichfeld und einem magnetischen Hochfrequenzfeld bei Anregung der Elektronenspinresonanz als Beispiel für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung;
13 drei örtliche Verteilungen des magnetischen Feldes im Leerlaufbereich einer unilateralen Flossenleitung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters bei 50 GHz, 60 GHz und 70 GHz;
14 eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer antipodalen Flossenleitung;
15 die Abhängigkeit der Isolation des erfindungsgemäßen magnetischen Filters von der Frequenz;
16 einen Resonanzverlauf des erfindungsgemäßen magnetischen Filters in Abhängigkeit von der Frequenz;
17 einen Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetischen Filters, wobei eine schlitzförmige Blende zum Einsatz kommt;
18 einen Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetischen Filters, wobei eine Lochblende Blende zum Einsatz kommt;
19 einen beispielhaften Querschnitt durch eine antipodale Flossenleitung wie sie in dem erfindungsgemäßen Filter angewendet wird;
20 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer Mikrostreifenleitung sowie einer unilateralen Flossenleitung unter Verwendung einer Lochblende;
21 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer Mikrostreifenleitung sowie einer unilateralen Flossenleitung unter Verwendung einer schlitzförmigen Blende;
22 eine unilaterale Flossenleitung mit einer Aussparung innerhalb der Metallisierung für eine Anwendung in einem erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filter;
23 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer unilateralen Flossenleitung unter Verwendung einer schlitzförmigen Blende, welche als doppelter Doppelspalt ausgebildet ist;
24 das fünfte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer unilateralen Flossenleitung in beiden Filterarmen unter Verwendung einer schlitzförmigen Blende, welche als doppelter Doppelspalt ausgebildet ist aus 23 in einer Draufsicht;
25 eine perspektivische 3D-Darstellung des fünften Ausführungsbeispiels aus 23 und 24 mit einer Substratschicht aus Teflon;
26 eine perspektivische 3D-Darstellung des Übergangs der Mikrostreifenleitung auf die Flossenleitung bzw. Schlitzleitung des vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Filters;
27 eine Draufsicht des in 26 gezeigten Übergangs;
28 eine Seitenansicht des in 26 gezeigten Übergangs und
29 eine Ansicht des in 26 gezeigten Übergangs von der Unterseite aus betrachtet.
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters wird zunächst anhand der 1 bis 8 auf bislang bei der Anmeldung übliche Bauformen und auf deren Nachteile kurz eingegangen, bevor mit 9 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 genauer beschrieben wird. Dabei werden bei der Beschreibung der bislang üblichen Bauformen und der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für funktionsgleiche Elemente identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen bislang üblichen Aufbau von blendengekoppelten geschirmten (Suspended) Streifenleitungen, wobei eine Koppelstruktur bestehend aus zwei übereinander liegenden und durch eine Lochblende 13 getrennten Resonatorkugeln 3a, 3b zur Ankopplung der Verbindungsresonatoren 23 verwendet wird.
Das externe magnetische Gleichfeld H₀ zur Durchstimmung der Resonanzfrequenz ist parallel zur z-Achse des in 1 zu sehenden Koordinatensystems ausgerichtet.
2 zeigt die Abhängigkeit der Isolation der in 1 dargestellten Streifenleitungen von der Frequenz der eingekoppelten elektromagnetischen Welle über einen Frequenzbereich von 50–70 GHz. Die gezeigte Kurve der Isolation erhält man bei abgeschaltetem magnetischem Gleichfeld H0. Bei genügend großem Abstand von der Hauptresonanzfrequenz, d. h. wenn sich die Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Welle nicht in der Nähe der Hauptresonanzfrequenz befindet, nähert sich der Verlauf der S-Parameter |s₂₁| bzw. |s₁₂| dem Verlauf der Isolationskurve an.
3 zeigt einen Resonanzverlauf der in 1 dargestellten Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Welle. Knapp unterhalb einer Frequenz von 61 GHz ist die störende Nebenmode 210 ausgeprägt.
4 zeigt einen bislang üblichen Aufbau von blendengekoppelten geschirmten (Suspended) Streifenleitungen in inverser Bauart. Der Unterschied zu 1 besteht darin, dass bei der inversen Bauart dieser Streifenleitung beide Metallisierungen 10 jeweils auf der gegenüberliegenden Oberfläche 16a, 16b der Substratschicht 5 angeordnet sind.
5 zeigt die Abhängigkeit der Isolation der in 4 dargestellten inversen Streifenleitungen von der Frequenz. Durch die Konzentration der Feldenergie im Bereich der Iris (Lochblende 13) wird mit den Streifenleitungen in inverser Bauart eine geringere Entkopplung erzielt als dies bei Verwendung der geschirmten (Suspended)-Streifenleitungen der Fall ist.
6 zeigt einen Resonanzverlauf der in 4 dargestellten Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz, wobei die störende 210-Nebenmode knapp unterhalb einer Frequenz von 61 GHz deutlicher ausgeprägt ist als bei dem Verlauf der Resonanzkurve in 3. Im Resonanzverlauf der 6 sieht man, dass dafür im Durchlassbereich eine geringere Einfügedämpfung erzielt wird. Weiterhin kann man deutlich die unterhalb der Hauptresonanz auftretende Nebenresonanz (210-Mode) erkennen. Diese unerwünschte Nebenresonanz kommt durch Inhomogenitäten des magnetischen HF-Feldes zu Stande. Die Verteilung der m_x-Komponente der Magnetisierung des 210-Modes im Inneren einer Resonatorkugel 3a, 3b ist in 7 dargestellt.
Zum besseren Verständnis dieser Nebenmode zeigt 7 eine Verteilung der mx-Komponente des 210-Wellenmodes im Inneren einer Resonatorkugel 3a, 3b. Deutlich ist zu erkennen, dass in den jeweiligen Kugelhälften eine resultierende m_x-Komponente vorherrscht, welche das Auftreten des störenden 210-Nebenmodes bedingt.
8 zeigt eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes einer herkömmlichen inversen (Suspended)-Streifenleitung im Bereich der Resonatorkugel 3a, 3b. Die Anregung des 210-Modes wird durch Inhomogenitäten der x-Komponente des magnetischen HF-Feldes begünstigt. Wie man in 8 erkennen kann, ist bei einer (Supended)-Streifenleitung die x-Komponente des magnetischen Feldes besonders stark ausgeprägt, weshalb auch eine starke Anregung des 210-Modes gegeben ist. Um den 210-Mode besser zu unterdrücken, wird eine Leitungsstruktur mit einer nur sehr schwach bis gar nicht ausgeprägten x-Komponente des Magnetfeldes benötigt. Diese Eigenschaft wird von Flossenleitungen erfüllt, welche erfindungsgemäß in einem magnetisch durchstimmbaren Filter eingesetzt werden.
9 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1. Das erfindungsgemäße Filter 1 ist in einem Filtergehäuse 2 mit zwei Filterarmen 4a, 4b integriert und weist zwei durchstimmbare und aus magnetisierbarem Material bestehende Resonatorkugeln 3a, 3b auf, die übereinander in den beiden Filterarmen 4a, 4b angeordnet sind. Zumindest einer der Filterarme 4a, 4b weist eine Substratschicht 5 auf, auf welcher eine in Richtung eines elektrischen Anschlusses 6 verlaufende Flossenleitung 7 oder Schlitzleitung vorgesehen ist. Beide Filterarme 4a, 4b sind im Filtergehäuse 2 übereinander angeordnet und durch eine gemeinsame Koppelöffnung 8 verbunden, wobei jeweils eine Resonatorkugel 3a, 3b auf jeder Seite der Koppelöffnung 8 innerhalb der beiden Filterarme 4a, 4b positioniert ist. Beide Filterarme 4a, 4b weisen eine innere Struktur 9 auf, welche durch eine Abfolge verschiedener Schichten definiert ist. Die verschiedenen Schichten umfassen die Substratschicht 5 mit einer Metallisierungsschicht 10, sowie eine Luftschicht 11, welche die anderen Schichten umgibt. Die Substratschicht 5 selbst weist eine variierbare Schichtdicke 31 auf In diesem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters 1 sind die inneren Strukturen 9 beider Filterarme 4a, 4b zueinander symmetrisch. Als Leitungsstruktur ist eine unilaterale Flossenleitung 7 vorgesehen.
Die Substratschichten 5 der beiden Filterarme 4a, 4b befinden sich jeweils in zwei aus Metall gefrästen oder erodierten Ausbreitungskanälen, die lediglich durch eine kreisförmige Öffnung bzw. durch eine Lochblende 13 miteinander verbunden sind. Die Lochblende 13 weist erfindungsgemäß einen freien Querschnitt auf, dessen Flächeninhalt mindestens dem Flächeninhalt einer Äquatorialfläche einer Resonatorkugel 3a, 3b entspricht. Die Resonatorkugeln 3a, 3b, die aus einem ferri-magnetischen oder einem ferro-magnetischen Material, insbesondere einem Ferrit bestehen, sind auf gegenüberliegenden Seiten, spiegelbildlich zu einander beiderseits der Koppelöffnung 8 bzw. der Lochblende innerhalb eines Leerlaufbereichs 17 der Flossenleitungen 7 positioniert. Die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b über einen Leerlaufbereich 17 unterscheidet sich deutlich von den herkömmlichen Konzepten, in denen die Resonatorkugeln 3a, 3b, welche einen Durchmesser im Bereich von 100 μm bis 1000 μm aufweisen, im Bereich eines Kurzschlusses angekoppelt werden.
Die den beiden Filterarmen 4a, 4b gemeinsame Koppelöffnung 8 ist auch als Kombination einer Lochblende 13 mit mindestens einem Einfach-Spalt 12 zu realisieren.
10 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch eine klassische unilaterale Flossenleitung 7, wobei die Substratschicht 5 symmetrisch zu einer Mittelebene 21 eines Hohlleiters 25 mit einem rechteckigen, ebenfalls symmetrischen Querschnitt angebracht ist. Bei einer unilateralen Flossenleitung 7 sind zwei durch einen nichtleitenden Streifen 14 getrennte Metallstreifen 15a, 15b gemeinsam auf einer ersten Oberfläche 16a der Substratschicht 5 angeordnet.
Bei einer bilateralen Flossenleitung 7, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist, sind zwei durch einen nichtleitenden Streifen 14 getrennte Metallstreifen 15a, 15b gemeinsam auf einer ersten Oberfläche 16a der Substratschicht 5 angeordnet, wobei gleichzeitig eine zweite Oberfläche 16b der Substratschicht 5 zumindest einen Metallstreifen 15c aufweist.
Im Gegensatz zu dieser klassischen unilateralen Flossenleitung 7, wo die Substratschicht 5 bevorzugt in der Mitte des diese umgebenden Hohlleiters 25 angebracht ist, wird die Substratschicht 5 bei dem erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filter 1 zur Blende bzw. zu einer Koppelöffnung 8 hin verschoben angeordnet. Durch diese Anordnung der Substratschicht 5 wird der Abstand zwischen Substratschicht 5 und der Koppelöffnung 8, welche in diesem ersten Ausführungsbeispiel als Lochblende 13 bzw. als Iris ausgeführt ist, verringert, um im Resonanzfall eine gute Verkopplung zwischen beiden Resonatorkugeln 3a, 3b zu gewährleisten.
Der gesamte Ausbreitungskanal für die zu transportierende elektromagnetische Welle ist gestuft ausgeführt, was bedeutet, dass jeweils ein Filterarm 4a, 4b aus einem größerem Quader 20a und aus einem kleinerem Quader 20b zusammengesetzt ist, so dass die Substratschicht 5 mit ihren aufgetragenen zusätzlichen Schichten einfach auf dem kleineren Quader 20b anzubringen ist. Dadurch wird eine stabile Auflage der Substratschicht 5 innerhalb des Hohlleiters 25 bzw. innerhalb des Ausbreitungskanals ermöglicht. Die Fixierung der Substratschicht 5 im Ausbreitungskanal bzw. im Hohlleiter 25 kann z. B. durch einen leitenden Klebstoff erfolgen, der auf die Seitenränder 26 an der Grenze zwischen dem größerem Quader 20a und dem kleineren Quader 20b aufgetragen wird. Die leitende Verbindung der seitlichen Metallisierungen mit dem diese umgebenden Hohlleiter 25 verhindert erfindungsgemäß die Ausbreitung unerwünschter Moden. Das magnetische Gleichfeld H₀, mit welchen das erfindungsgemäße Filter 1 durchgestimmt wird, steht senkrecht auf der Substratschicht 5.
Als Substratschicht 5 ist Quarz, Keramik, oder ein ähnliches Material vorgesehen, das eine niedrige Dielektrizitätszahl ε_r aufweist. Bei den Substratschichten 5, die aus den genannten Materialien bestehen, fällt die Leitungswellenlänge größer aus als beim Einsatz von Substratmaterialien mit einer hohen Dielektrizitätszahl ε_r. Die größere Leitungswellenlänge hat zum Vorteil, dass das Magnetfeld im Inneren der Resonatorkugel 3a, 3b homogener ist und somit die Anregung von magnetostatischen Moden höherer Ordnung, die sich als störende Nebenresonanzen bemerkbar machen, verringert ist.
11 zeigt eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes im Bereich des Kurzschlusses einer unilateralen Flossenleitung 7 als Beispiel für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung. Die unilaterale Flossenleitung 7 bewirkt, dass die Ausprägung einer x-Komponente des magnetischen Feldes geringer ist, als bei der geschirmten (Suspended) Streifenleitung inverser Bauart, was in 8 gezeigt ist.
Die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b erfolgt erfindungsgemäß über einen Leerlaufbereich 17 der beiden seitlichen Metallstreifen 15a, 15b. Der Leerlaufbereich 17 isoliert zum einen beide Metallstreifen 15a, 15b an ihren Enden voneinander und zum anderen auch von einer Wand 18 des Filtergehäuses 2. Die Gründe für diese Art der Kopplung werden im Folgenden genauer erläutert. 11 zeigt deutlich, dass am Kurzschluss die Feldlinien des magnetischen HF-Feldes parallel zum externen magnetischen Gleichfeld H₀, liegen. Um die Elektronenspins in der Resonatorkugel 3a, 3b bzw. der Ferritkugel, die für das Auftreten der Resonanz verantwortlich sind, anzuregen, muss das magnetische RF-Feld im Bereich der Kugel senkrecht zum externen Gleichfeld H₀ stehen, was in 12 veranschaulicht ist.
12 zeigt die Beziehung zwischen einem magnetischen Gleichfeld H₀ und einem magnetischen Hochfrequenzfeld (HF-Feld) bei Anregung der Elektronenspinresonanz als Beispiel für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und insbesondere zur Erläuterung des oben beschriebenen Sachverhalts.
13 zeigt drei örtliche Verteilungen des magnetischen Feldes im Leerlaufbereich 17 der unilateralen Flossenleitung 7 des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 bei den Frequenzen 50 GHz, 60 GHz und 70 GHz. Durch die Ausbildung eines Leerlaufbereichs 17 ist der Anteil der Komponente des magnetischen HF-Feldes senkrecht zum magnetischen Gleichfeld im Bereich der Resonatorkugeln 3a, 3b stärker ausgeprägt. Deshalb wird eine gute Anregung der Elektronenspins und somit eine gute Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b ermöglicht. Damit ist die gewünschte Feldverteilung im Bereich der Resonatorkugeln 3a, 3b über eine große Bandbreite hinweg gewährleistet, was in 13 gezeigt ist. Hier ist zu erkennen, dass die magnetische Feldkomponente des HF-Feldes die zum externen Gleichfeld H₀ senkrecht steht, mit größer werdendem Abstand zur Substratschicht 5 dominiert, so dass es günstig ist die Resonatorkugeln 3a, 3b in hinreichend großem Abstand zur Substratschicht 5 zu positionieren. Die Fixierung der ausgerichteten Resonatorkugeln 3a, 3b erfolgt in einer Halterung aus einem nicht leitenden Material, auf das hier nicht näher eingegangen wird.
14 zeigt eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 mit einer antipodalen Flossenleitung 7a, wobei aus dieser Figur zu entnehmen ist, dass es günstig ist, die Resonatorkugeln 3a, 3b entlang der z-Achse zu positionieren, da in diesem Bereich das magnetische Feld eine verschwindend kleine x-Komponente aufweist.
15 zeigt die Abhängigkeit der Isolation des erfindungsgemäßen magnetischen Filters in Abhängigkeit von der Frequenz, wobei die Dämpfung (–75 dB) hier um einige Zehnerpotenzen besser ist als bei einem bislang üblichen Filter, wie die Isolationskurven in 2 (ca. –55 dB) bzw. in 5 (ca. –45 dB) zeigen.
16 zeigt einen Resonanzverlauf der blendengekoppelten unilateralen Flossenleitungen 7 in Abhängigkeit von der Frequenz gemäß des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1.
In dem Resonanzverlauf aus 16 wird im Durchlassbereich des Filters eine deutlich geringere Einfügedämpfung erzielt als dies beim geschirmten (Suspended) Streifenleitungs Filter der Fall ist. Darüber hinaus ergibt sich für die unilateralen Flossenleitungen 7 eine bessere Isolation fernab der Resonanzfrequenz, besonders bei Anregung mit höheren Frequenzen. Zusätzlich ist die unerwünschte Nebenresonanz – trotz gleicher Verkopplung im Resonanzfall und höherer Isolation fernab der Resonanzfrequenz – beim geschirmten unilateralen Flossenleitungsfilter deutlich geringer ausgeprägt als beim (Suspeded) Streifenleiter Filter inverser Bauart.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Kopplung im Leerlaufbereich 17 und der Verwendung von unilateralen Flossenleitungen 7 wird eine deutlich bessere Leistung als mit den klassischen Koppelstrukturen unter Verwendung einer Kopplung im Kurzschlussbereich erzielt. Die Kopplung der beiden Hohlleiter 25 bzw. Ausbreitungskanäle erfolgt gemäß des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 über eine schlitzförmige Koppelöffnung bzw. über einen Einfach-Spalt 12. Bei einem Einsatz von schlitzförmigen Koppelöffnungen 12 ergibt sich die in 17 dargestellte Koppelstruktur. Auch hier erfolgt die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b über einen Leerlaufbereich 17. Das magnetische Gleichfeld H₀ steht dabei ebenfalls senkrecht auf der Substratschicht 5.
Eine Erhöhung der Isolation kann bei beiden Koppelstrukturen aus 9 und 17 durch Kaskadierung, d. h. durch geeignetes Hintereinanderschalten der jeweils gleichen Struktur oder durch Kombination der verschiedenen Koppelstrukturen erfolgen, was im dritten und vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung realisiert ist (Siehe 20 und 21).
Bei beiden Koppelstrukturen aus 9 und 17 erfolgt die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b an den Verbindungsresonator 23, welcher für den Transport eines H₁₁₀-Wellenmodes ausgelegt ist, entweder durch die Breite des Schlitzes bzw. des Einfach-Spalts 12 zwischen den seitlichen Metallisierungen 10 oder durch den Abstand der Resonatorkugeln 3a, 3b zur Substratschicht 5. Für breite Spalten 12 ergibt sich eine stärkere Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b, da die elektromagnetische Welle mehr in der Luft geführt wird als dies bei schmalen Spalten 12 der Fall ist. Die Einstellung der Verkopplung zwischen den Resonatorkugeln 3a, 3b erfolgt gemäß 9 über den Durchmesser der Lochblende 13 bzw. gemäß 17 über die Länge und die Breite des Einfach-Spalts 12.
18 zeigt einen Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetischen Filters 1, wobei ebenfalls eine Lochblende 13 zum Einsatz kommt. Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der erfindungsgemäße magnetisch durchstimmbare Filter 1 antipodale Flossenleitungen 7a aufweist. Im Gegensatz zur unilateralen Flossenleitung 7 sind bei der antipodalen Flossenleitung 7a die seitlichen Metallisierungen 10 auf gegenüberliegenden Substratseiten 16a, 16b angebracht. Die Substratschicht 5 befindet sich in zwei aus Metall gefrästen oder erodierten Ausbreitungskanälen bzw. Hohlleitern 25, welche lediglich durch eine Koppelöffnung 8, die als kreisförmige Öffnung bzw. als Lochblende 13 vorgesehen ist, miteinander verbunden sind. Die Koppelöffnung 8 kann auch als Ellipse, als Rechteck oder als Dreieck ausgeführt sein. Außerdem ist die Koppelöffnung 8 mindestens auch als ein Einfach-Spalt 12 oder als Mehrfach-Spalt, wie beispielsweise als ein doppelter bzw. zweifacher Doppelspalt 29 gestaltbar.
Die Resonatorkugeln 3a, 3b sind auf gegenüberliegenden Seiten der Lochblende 13 im Leerlaufbereich der Flossenleitung 7 bzw. der Flossenleitungen 7 positioniert. Auch bei dieser Koppelstruktur erfolgt die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b über den Leerlaufbereich 17, da der Verlauf des magnetischen Feldes dem Feldverlauf einer unilateralen Flossenleitung 7 sehr ähnlich ist. Die magnetische Feldenergie wird bei der antipodalen Flossenleitung bevorzugt in der Substratschicht 5 geführt, was den Unterschied zu einer Anwendung einer unilateralen Flossenleitung 7 ausmacht. Aus diesem Grund sind die Resonatorkugeln 3a, 3b direkt auf der Substratschicht 5 aufgebracht bzw. aufgeklebt, weshalb bei diesem Aufbau keine Kugelhalterungen erforderlich sind. Für eine exakte Positionierung der Resonatorkugeln 3a, 3b auf der Substratschicht 5 wurden in den seitlichen Metallisierungen 10 kreisförmige Konturen 24 vorgesehen.
Im Gegensatz zur klassischen antipodalen Flossenleitung 7a, bei der die Substratschicht 5 in der Mitte des diese umgebenden Hohlleiters 25 angebracht ist, wird die Substratschicht 5 zur Koppelöffnung 8 hin verschoben angeordnet, so dass die Substratschicht 5 in den Filterarmen 4a, 4b jeweils unsymmetrisch bezüglich einer Mittelebene 21 des jeweiligen Filterarms 4a, 4b angeordnet ist. Aufgrund dieser Anordnung ist der Abstand zwischen Substratschicht 5 und Koppelöffnung 8 verringert, um im Resonanzfall eine gute Verkopplung zwischen den Resonatorkugeln 3a, 3b zu gewährleisten.
Durch die Konzentration der magnetischen Feldenergie in der Substratschicht 5 kann die Gesamthöhe des Aufbaus des zweiten Ausführungsbeispiels gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel mit der unilateralen Flossenleitung 7 weiter reduziert werden, wodurch das erfindungsgemäße magnetisch durchstimmbare Filter 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels leichter in einen engen Schlitz zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten integrierbar ist.
Der Ausbreitungskanal bzw. der Hohlleiter 25 ist im zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls gestuft, um eine stabile Auflage der Substratschicht 5 auf einem dem kleineren Quader 20b des Filtergehäuses 2 zu ermöglichen. Die Fixierung der Substratschicht 5 im Ausbreitungskanal bzw. im Hohlleiter 25 ist z. B. durch einen leitenden Klebstoff realisiert, welcher auf die Seitenränder 26 an der Grenze zwischen dem kleineren Quader 20b und einem größeren Quader 20a aufgetragen wird. Ferner wird durch eine Verlötung mit Indiumlot für eine leitende Verbindung der seitlichen Metallisierungen 10 mit dem ihn umgebenden Ausbreitungskanal gesorgt, so dass die Ausbreitung unerwünschter Moden verhindert ist. Das magnetische Gleichfeld H0 steht ebenfalls senkrecht auf der Substratschicht 5.
Auch bei einem Einsatz einer antipodalen Flossenleitung 7a in einem erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filter 1 ist gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels eine Kopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b über eine schlitzförmige Koppelöffnung 8 bzw. Blende möglich, für diesen Fall müssen im Aufbau aus 17 lediglich die Substratschichten 5 mit der unilateralen Leitungsstruktur durch Substratschichten 5 mit antipodaler Leitungsstruktur 7a ersetzt werden.
Eine Erhöhung der Isolation ist ebenfalls durch geeignete Kaskadierung der Koppelstrukturen möglich. Die Koppelstrukturen aus den 9 und 17 können auch durch die Verwendung von bilateralen Flossenleitungen aufgebaut werden. Die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b erfolgt auch bei den bilateralen Flossenleitungen über einen Leerlaufbereich 17. Diese Ausführung ist in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt.
19 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch eine antipodale Flossenleitung 7a, wobei zwei durch die nichtleitende Substratschicht 5 getrennte Metallstreifen 15a, 15b bzw. Metallisierungen 10 zueinander symmetrisch auf einander gegenüberliegenden Oberflächen 16a, 16b der Substratschicht 5 angeordnet sind.
20 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 mit einer Mikrostreifenleitung 22 sowie einer unilateralen Flossenleitung 7 unter Verwendung einer Lochblende 13 als Koppelöffnung 8 zwischen den beiden Filterarmen 4a, 4b. Die Wellenleiter befinden sich in zwei aus Metall gefrästen oder erodierten Ausbreitungskanälen, die lediglich über eine Koppelöffnung 8 erfindungsgemäß im miteinander verbunden sind. Die Resonatorkugeln 3a, 3b sind auf gegenüberliegenden Seiten der Koppelöffnung 8 im Leerlaufbereich 17 der Flossenleitung 7 bzw. im Kurzschlussbereich der Mikrostreifenleitung 22 positioniert. Da die Feldlinienbilder einer unilateralen Flossenleitung 7 und einer Mikrostreifenleitung orthogonal sind, ergibt sich bei Verwendung der irisförmigen Koppelöffnung 8 (Lochblende 13) für das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters 1 ein gestreckter Aufbau 28.
Da die beiden Resonatorkugeln 3a, 3b unterschiedliche Randbedingungen im Bezug auf den Verlauf des magnetischen Feldes ausgesetzt sind, ist eine Möglichkeit zum Drehen mindestens einer der beiden Resonatorkugeln 3a, 3b vorgesehen. Unterschiedliche Randbedingungen beim Feldverlauf führen zu versetzten Resonanzfrequenzen der einzelnen Resonatorkugeln 3a, 3b, wodurch die Einfügedämpfung im Durchlassbereich des betreffenden Filters erhöht ist. Durch gezielte Drehungen der Resonatorkugeln 3a, 3b ist es möglich, die Lage der Resonanzfrequenz der einzelnen Resonatorkugeln 3a, 3b innerhalb eines gewissen Frequenzbereichs einzustellen.
21 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 mit einer Mikrostreifenleitung 22 sowie einer unilateralen Flossenleitung 7 unter Verwendung einer schlitzförmigen Blende 12 als Koppelöffnung 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Resonatorkugeln 3a, 3b übereinander in zwei Filterarmen 4a, 4b mit unterschiedlicher inneren Struktur 9 angeordnet.
Anstelle der Mikrostreifenleitung 22 ist bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch der Einsatz einer Koplanarleitung mit oder ohne Masse vorgesehen. Für zusätzliche Ausführungsbeispiele ist die Flossenleitung 7 im zweiten Filterarm 4b durch eine (Suspended) Streifenleitung oder durch eine (Suspended) Streifenleitung inverser Bauart zu ersetzen. Die unilaterale Flossenleitung 7 kann auch durch eine antipodale Flossenleitung 7a oder eine bilaterale Flossenleitung ersetzt werden. Die Erhöhung der Isolation ist, wie bereits erwähnt durch Kaskadierung mit derselben oder einer anderen Koppelstruktur möglich. In den Koppelstrukturen aus 9, 17, 18, 20 und 21 ist die Koppelöffnung 8 auch durch Polygonzüge mit beliebiger Form zu realisieren.
22 zeigt eine unilaterale Flossenleitung 7 ohne einen diese umgebenden Hohlleiter 25. Die unilaterale Flossenleitung 7 weist eine Aussparung 24 auf, welche innerhalb der Metallisierung 10 vorgesehen ist. Diese Struktur ist ebenfalls für eine Anwendung in einem erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filter 1 vorgesehen.
23 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 mit jeweils einer unilateralen Flossenleitung 7 in beiden Filterarmen 4a, 4b, wobei als Koppelöffnung 8 zwischen den beiden Filterarmen 4a, 4b eine schlitzförmige Blende vorgesehen ist, welche als doppelter Doppelspalt 29 ausgebildet ist.
24 zeigt nochmals das fünfte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 aus 3 in der Draufsicht. Dieses Ausführungsbeispiel weist in jedem Filterarm 4a, 4b jeweils eine unilaterale Flossenleitung 7 auf.
25 zeigt eine perspektivische 3D-Darstellung des fünften Ausführungsbeispiels aus 23 und 24, wobei als Substratschicht 5 Teflon verwendet wird, welches einfach in einem Hohlleiter 25 durch Klemmen zu befestigen ist.
26 zeigt eine perspektivische 3D-Darstellung des Übergangs 30 der Mikrostreifenleitung 22 auf die Flossenleitung 7 bzw. Schlitzleitung des vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Filters 1. Der Mittelleiter 32 der Mikrostreifenleitung 22 ist dabei kurzgeschlossen.
27 zeigt eine Draufsicht des in 26 gezeigten Übergangs 30 und 28 eine Seitenansicht des in 26 gezeigten Übergangs 30, wobei 29 eine Ansicht des in 26 gezeigten Übergangs 30 von der Unterseite aus darstellt.
In vielen Bereichen der Hochfrequenztechnik werden abstimmbare Bandpassfilter benötigt, deren Mittenfrequenz über einen bestimmten Frequenzbereich beliebig einstellbar ist. Für den Aufbau eines magnetisch abstimmbaren Bandpassfilters gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Koppelstruktur zur Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b benötigt, die gewährleistet, dass fernab der Resonanzfrequenz eine hohe Entkopplung/Isolation zwischen Filtereingang und Filterausgang gegeben ist. Zugleich muss durch die Koppelstruktur im Resonanzfall eine hohe Energieübertragung vom Eingang zum Ausgang gewährleistet werden. Die Erfindung ermöglicht es bei Frequenzen weit über 70 GHz hinaus bis zu 110 GHz eine hohe Isolation und zugleich im Resonanzfall eine hohe Energieübertragung zu erzielen.
Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere nicht auf kugelförmige Resonatoren aus einem Ferrit, beschränkt. Alle vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4888569 B1 [0008, 0009]

Claims

Magnetisch durchstimmbares Filter (1) mit einem Filtergehäuse (2) und mit zwei durchstimmbaren und aus magnetisierbarem Material bestehenden Resonatorkugeln (3a, 3b), die übereinander in zwei Filterarmen (4a, 4b) angeordnet sind, wobei zumindest einer der Filterarme (4a, 4b) eine Substratschicht (5) enthält, die eine in Richtung eines elektrischen Anschlusses (6) verlaufende Flossenleitung (7) oder Schlitzleitung aufweist, wobei die zwei Filterarme (4a, 4b) durch eine gemeinsame Koppelöffnung (8) verbunden sind und jeweils eine Resonatorkugel (3a, 3b) auf jeder Seite der Koppelöffnung (8) innerhalb der beiden Filterarme (4a, 4b) positioniert ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Filterarme (4a, 4b) eine innere Struktur (9) aufweisen, welche durch eine Abfolge der Substratschicht (5), einer Metallisierungsschicht (10) und einer Luftschicht (11) definiert ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Strukturen (9) beider Filterarme (4a, 4b) symmetrisch zueinander sind.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den beiden Filterarmen (4a, 4b) gemeinsame Koppelöffnung (8) mindestens als Einfach-Spalt (12) ausgebildet ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den beiden Filterarmen (4a, 4b) gemeinsame Koppelöffnung (8) als Lochblende (13) ausgebildet ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelöffnung (8) kreisförmig, ellipsenförmig, rechteckig oder dreieckig ist oder die Form eines Polygons aufweist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (13) einen freien Querschnitt aufweist, dessen Flächeninhalt mindestens dem Flächeninhalt einer Äquatorialfläche einer der Resonatorkugeln (3a, 3b) entspricht.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die den beiden Filterarmen (4a, 4b) gemeinsame Koppelöffnung (8) als Lochblende (13) in Kombination mit mindestens einem Einfach-Spalt (12) vorgesehen ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Filterarme (4a, 4b) im Filtergehäuse (2) übereinander angeordnet sind.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flossenleitung (7) unilateral ist, wobei zwei durch einen nichtleitenden Streifen (14) getrennte Metallstreifen (15a, 15b) auf einer ersten Oberfläche (16a) der Substratschicht (5) angeordnet sind.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flossenleitung (7) bilateral ist, wobei zwei durch einen nichtleitenden Streifen (14) getrennte Metallstreifen (15a, 15b) auf einer ersten Oberfläche (16a) der Substratschicht (5) angeordnet sind und gleichzeitig eine zweite Oberfläche (16b) der Substratschicht (5) zumindest einen Metallstreifen (15c) aufweist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flossenleitung (7) antipodal ist, wobei zwei durch die nichtleitende Substratschicht (5) getrennte Metallstreifen (15a, 15b) zueinander symmetrisch auf einander gegenüberliegenden Oberflächen (16a, 16b) der Substratschicht (5) angeordnet sind.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstreifen (15a, 15b) und das Filtergehäuse (2) seitlich mit Lot, insbesondere mit Indiumlot, verlötet sind.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugel (3a, 3b) innerhalb jedes Filterarms (4a, 4b) in der Nähe eines Leerlaufbereichs (17) der beiden seitlichen Metallstreifen (15a, 15b) positioniert ist, wobei der Leerlaufbereich (17) die Metallstreifen (15a, 15b) an ihren Enden sowohl von einander isoliert als auch und von einer Wand (18) des Filtergehäuses (2) isoliert.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Filterarm (4a, 4b) jeweils aus einem größeren Quader (20a) und einem kleineren Quader (20b) zusammengesetzt ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der verschiedenen Schichten auf dem kleineren Quader (20b) erfolgt.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (5) in den Filterarmen (4a, 4b) jeweils unsymmetrisch bezüglich einer Mittelebene (21) des jeweiligen Filterarms (4a, 4b) angeordnet ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (5) in den Filterarmen (4a, 4b) parallel zur Mittelebene (21) des jeweiligen Filterarms (4a, 4b) jeweils zur Koppelöffnung (8) hin verschoben ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (5) eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante ε_r aufweist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (5) aus Teflon besteht.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugeln (3a, 3b) aus einem ferri-magnetischen oder einem ferro-magnetischen Material, insbesondere aus einem Ferrit bestehen.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugeln (3a, 3b) einen Durchmesser von 100 μm bis 1000 μm, bevorzugt von ca. 300 μm, aufweisen.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugeln (3a, 3b) spiegelbildlich zu einander beiderseits der Koppelöffnung (8) angeordnet sind.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Filterarm (4a, 4b) die Resonatorkugel (3a, 3b) jeweils mittels einer Halterung aus einem nicht leitendem Material fixiert ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugel (3a, 3b) in jedem Filterarm (4a, 4b) jeweils auf die Substratschicht (5) geklebt ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Metallstreifen (15a, 15b) der Flossenleitung (7) eine Aussparung (24) vorgesehen ist, innerhalb welcher die Resonatorkugel (3a, 3b) direkt auf die Substratschicht (5) geklebt ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die aus magnetisierbarem Material bestehenden Resonatorkugeln (3a, 3b) übereinander in zwei Filterarmen (4a, 4b) mit unterschiedlicher innerer Struktur (9) angeordnet sind.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Filterarm (4a oder 4b) eine Mikrostreifenleitung (22) enthält und der andere Filterarm (4b oder 4a) eine Flossenleitung (7) enthält.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Filterarm (4a oder 4b) eine Mikrostreifenleitung (22) enthält und der zweite Filterarm (4b oder 4a) eine geschirmte (suspended) Streifenleitung enthält.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Filterarm (4a oder 4b) eine Mikrostreifenleitung (22) enthält und der andere Filterarm (4b oder 4a) eine inverse geschirmte (suspended) Streifenleitung enthält.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung der Wellenwiderstände der Flossenleitung (7) und der Mikrostreifenleitung (22) im Endbereich eines Verbindungsresonators (23) der beiden Filterarme (4a, 4b) mittels eines kurzgeschlossenen Mittelleiters (32) der Mikrostreifenleitung (22) realisiert ist.
Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsresonator (23) für einen Transport einer H₁₁₀-Wellenmode ausgelegt ist.