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Die
Erfindung betrifft eine Filteranordnung für eine Frequenzweiche, insbesondere
eine ADSL-Frequenzweiche, zum Trennen von niederfrequenten Signalen
und von hochfrequenten Signalen in einem analogen/digitalen Kommunikationssystem.
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ADSL-fähige Kommunikationssysteme (Asymmetric
Digital Subscriber Line) ermöglichen
die gleichzeitige Datenübertragung
von Digitalsignalen, zum Beispiel zur Nutzung des Internets, sowie
der üblichen Übertragung
von POTS-Signalen (Plain Old Telephone System) oder ISDN-Signalen
(Integrated Services Digital Network) über eine öffentliche Zweidrahtleitung
zwischen einer ADSL-fähigen
Ortsvermittlung und einem ADSL-Modem,
das gleich dem teilnehmerseitigen Netzabschluss ist. Die Trennung
der niederfrequenten (POTS, ISDN) Signale und der hochfrequenten
(ADSL) Signale wird durch Frequenzweichen (so genannte POTS- oder ISDN-Splitter)
bewirkt, die an den Enden der öffentlichen
Zweidrahtleitung angeordnet sind. Die niederfrequenten POTS- oder
ISDN-Signale werden dabei über
einen Tiefpass in einen Tiefpasszweig geleitet, während die
ADSL-Signale über
einen Hochpass in einen Hochpasszweig geführt werden.
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Ein
für die
Verwendung in einer ADSL-Frequenzweiche geeigneter Tiefpass muss
bestimmten Anforderungen bezüglich
der Übertragungsfunktion, der
Gruppenlaufzeitverzerrung und der Reflexionsdämpfung genügen. Im Durchlassbereich wird
insbesondere eine möglichst
hohe Reflexionsdämpfung angestrebt.
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Tiefpassfilter
sind in der Regel aus einer Kombination von elektrischen Bauteilen
wie Induktivitäten,
Kapazitäten
und Widerständen
aufgebaut. Solche passive Filter ermöglichen den nahezu ungestörten Durchlass
von Frequenzen von Signalen un terhalb einer Grenzfrequenz des Filters.
Frequenzen von Signalen oberhalb der Grenzfrequenz werden hingegen
stark abgeschwächt.
So werden in üblichen ADSL-Kommunikationssystemen
die POTS-Signale mit einer Frequenz kleiner 4 kHz von den hochfrequenten
Datensignalen im Frequenzbereich größer als 32 kHz abgetrennt.
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Die
Tiefpassfilter befinden sich einerseits in Ortsvermittlungen der
Telekommunikationsunternehmen und andererseits als Einzelfilter
bei dem teilnehmerseitigen Netzabschluss. Die Tiefpassfilter beim Endkunden
sind üblicherweise
als eigenständige Einheit
ausgeführt
und an einer Wand montiert.
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Die
Bauelemente eines Tiefpassfilters sind als Frequenzweichen üblicherweise
auf einer Leiterplatte angeordnet, die wiederum in einem Kunststoffgehäuse eingebaut
ist. Je nach Eigenschaftsprofil und Dämpfungseigenschaften weist
ein Tiefpassfilter eine oder mehrere Induktivitäten auf, die mit weiteren elektrischen
Bauelementen, wie Kondensatoren und Widerständen, verbunden sind.
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Je
nach Ausführungsform
bestehen die Induktivitäten
herkömmlicherweise
aus Ferritkernen (Magnetkern) mit einer Bauform wie RM, EP oder ähnlich geteilten
Kernen, oder aus geschlossenen Bauformen, wie Ringkernen.
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Die
Magnetkerne einer aus der
WO 99/45643
A2 bekannten Filteranordnung für eine Frequenzweiche sind
aus amorphen und nanokristallinen Legierungen hergestellt. Somit
können
diese Magnetkerne gut für
Längsinduktivitäten in Tiefpassfiltern
verwendet werden, durch die ein geringes Bauvolumen geschaffen wird.
Derartige Legierungen werden üblicherweise
in Form von dünnem
Band zu Ringbandkernen weiterverarbeitet, welche nach der Bewicklung
der Ringkerne (Toroide) die benötigte
Induktivität
darstellen.
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Des
Weiteren sind spezielle Filterkonfigurationen für ADSL-Filter aus der
DE 199 59 724 C1 und
WO 00/28660 A1 sowie
xDSL-Kommunikationssysteme aus der
US 6,239,672 B1 bekannt.
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Aus
der
US 6 102 741 A sind
ineinander angeordnete Ringkern-Induktivitäten bekannt.
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Da
Induktivitäten
auf Grund ihrer weichmagnetischen Kerne durch äußere Magnetfelder beeinflussbar
sind (Kondensatoren und Widerstände
hingegen magnetfeldunabhängig
sind), kann die Funktion des Filters (Herausfiltern eines bestimmten
Frequenzbereichs) durch störende,
externe Magnetfelder z.T. stark beeinträchtigt werden. Bei den bekannten
Filtern kann die Funktion des Filters durch solche externen Magnetfelder
derart gestört
werden, dass die sichere Datenübertragung
teilweise stark beeinträchtigt
wird. Als solche externen Fremdeinflüsse gelten einerseits die Nähe von Permanentmagneten, die
absichtlich oder unabsichtlich dem Filter angenähert werden, oder andererseits
alle magnetischen Gleich- oder Wechselfelder, die zum Beispiel durch stromdurchflossene
Leiter in der Nähe
der Filter erzeugt werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Filteranordnung für eine Frequenzweiche zu schaffen,
durch die die Frequenzweiche unempfindlicher gegen elektromagnetische
und permanentmagnetische Felder wird, damit die eigentliche Filterfunktion
sowie die ungestörte
Signalübertragung
gewährleistet
bleibt, und die einfach und preiswert aufgebaut werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Filteranordnung für eine Frequenzweiche mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei weist die Filteranordnung
zum Trennen niederfrequenter Signale von hochfrequenten Signalen
in einem Kommunikationssystem zumindest zwei induktive Bauelemente (Induktivitäten) mit
ringförmigen
Magnetkernen auf. Erfindungsgemäß ist dabei
ein erstes induktives Bauelement innerhalb eines zweiten induktiven
Bauelements angeordnet.
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Induktivitäten mit
ringförmigen
Magnetkernen weisen – im
Vergleich zu Induktivitäten
mit anderen Magnetkernformen – aufgrund
ihrer Geometrie eine geringere magnetische Beeinflussbarkeit auf, d.h.
sie sind sehr unempfindlich auf äußere Magnetfelder.
Dadurch dass eine Induktivität
mit kleinerem, ringförmigen
Magnetkern in eine Induktivität
mit einem größeren, ringförmigen Magnetkern
montiert wird, bildet der äußere Magnetkern
eine zusätzliche magnetische
Abschirmung für
den inneren Magnetkern. Somit können
niederfrequente Signale zumindest über die innen liegende Induktivität bestimmungsgemäß und weitgehend
magnetisch unbeeinflusst übertragen
werden, während
hochfrequente Signale effektiv bedämpft werden (bei einer Längsinduktivität).
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Wenn
die Induktivitäten
koaxial zueinander angeordnet sind, d.h. wenn die ringförmigen Magnetkerne
eine gemeinsame Mittelpunktachse aufweisen, so ist der Innenraum
des äußeren Magnetkerns
weitgehend gleichmäßig ausgenutzt
und der Abstand des inneren Magnetkerns zum äußeren Magnetkern ist über den
etwa kreisförmigen
Umfang gleichmäßig verteilt.
Die beiden Induktivitäten
können
dann auch näher
zusammengerückt
werden, so dass eine sehr kleine Bauform entsteht.
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Falls
die ringförmigen
Induktivitäten
als um den ringförmigen
Magnetkern gewickelte Spulen ausgebildet sind und parallel zur Ringebene
flach liegend auf einer Leiterplatte angeordnet sind, d.h. mit ihrer
radialen Ebene flach auf der Leiterplatte befestigt sind, so werden
im Wesentlichen Magnetfelder abgeschirmt, die horizontal zur Leiterplattenebene angreifen.
So werden zum Beispiel bei der Wandmontage der Filteranordnung (d.h.
die Leiterplattenebene ist parallel zur Wand angeordnet) Magnetfelder mit
Feldlinien parallel zur Wand, wie es bei in der Wand verlegten,
stromdurchflossenen Leitungen der Fall ist, weitgehend abgeschirmt.
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Vorteilhaft
ist es zudem, die ineinander angeordneten Induktivitäten in etwa
in der Mitte der Leiterplatte und die restlichen Bauelemente der
Filteranordnung auf der Leiterplatte um die Induktivitäten herum
anzuordnen. Dadurch wird rundum ein möglichst großer Abstand der Induktivitäten zu möglichen
störenden
externen Magnetfeldern erreicht. Da Magnetfelder mindestens umgekehrt
proportional zum Abstand in ihrer Feldstärke abfallen, ist durch die
Mittenmontage ein gleichmäßiger, möglichst
großer
Abstand zu den Quellen von externen, störenden Magnetfeldern geschaffen
und der störende
Einfluss der Magnetfelder dadurch geringer.
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Falls
die Magnetkerne aus Bändern
amorpher oder nanokristalliner Legierungen mit hoher Sättigungsmagnetisierung
hergestellt sind, so wird die Möglichkeit
der Sättigung
der daraus hergestellten Filterinduktivität bei permanenten Magnetfeldern sehr
gering. Die Magnetkerne können
somit auch nicht so leicht bis in die Sättigung ausgesteuert werden.
Daher können
Ringkerninduktivitäten
mit Magnetkernen aus solchen Legierungen erst durch größere äußere Magnetfelder
in Sättigung
gebracht werden.
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Durch
solche Legierungen der Magnetkerne besitzen die Induktivitäten eine
sehr hohe Sättigungsinduktion
von z.T. weit über
1 T und eine sehr lineare Hystereseschleife mit einem sehr kleinen
Sättigungs-
zu Remanenzverhältnis
von z.T. deutlich kleiner als 0,2. Ähnliche Legierungen für Magnetkerne
sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
WO 99/45643 A2 ) bereits
bekannt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Verbindung zwischen einer Ortsvermittlungsstelle
und einem teilnehmerseitigen Netzabschluss,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Filteranordnung, die auf
einer Leiterplatte montiert ist,
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3 ein
elektrisches Ersatzschaltbild der Filteranordnung gemäß 2,
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4 einen
Feldlinienverlauf bei Einwirkung eines Permanentmagnetes auf die
Filteranordnung gemäß 2,
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5 eine
perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Filteranordnung, die
auf einer Leiterplatte montiert ist, und
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6 einen
Feldlinienverlauf bei Einwirkung eines Permanentmagnetes auf die
bekannte Filteranordnung gemäß 5.
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In 1 ist
ein Blockschaltbild einer Verbindung zwischen einer Ortsvermittlungsstelle 1 und
einem teilnehmerseitigen Netzabschluss 2 schematisch dargestellt.
Die Ortsvermittlungsstelle 1 und der teilnehmerseitige
Netzabschluss 2 sind über
eine öffentliche
Zweidrahtleitung 3 miteinander verbunden. Die über die öffentliche
Zweidrahtleitung 3 übertragenen
niederfrequenten POTS- oder ISDN-Signale werden von Frequenzweichen 4 jeweils
in einen POTS- oder ISDN-Zweig 5 geleitet, während die hochfrequenten
ADSL-Signale von den Frequenzweichen 4 in einen ADSL-Zweig 6 geleitet
werden.
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Die
Trennung und Übertragung
der niederfrequenten Signale und der hochfrequenten Signale wird
durch die Frequenzweichen 4 bewirkt, die an den Enden der öffentlichen
Zweidrahtleitung 3 sitzen. Die niederfrequenten Signale
werden dabei zweckmäßi gerweise über eine
Filteranordnung zum Filtern (sehr hohe Ü-bertragungsdämpfung) von hohen Frequenzen
und zum Durchlassen (geringe Übertragungsdämpfung)
von niedrigen Frequenzen in den POTS- oder ISDN-Zweig 5 gelenkt.
Solche Filteranordnungen werden üblicherweise
als Tiefpass bezeichnet.
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2 zeigt
den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Filteranordnung für eine Frequenzweiche 4.
Diese Filteranordnung ist derart aufgebaut, dass störende, äußere Magnetfelder
nur einen ganz geringen Einfluss auf die Filterfunktion haben sollen.
Hierzu weist die Filteranordnung zwei Induktivitäten 7, 8 auf,
die jeweils ringförmige
Magnetkerne (so genannte Ringbandkerne, die zusammen mit einer um
den Magnetkern gewickelten Spule eine Induktivität bilden, die auch als Ringkerndrossel
bezeichnet werden kann) aufweisen.
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Die
erste Induktivität 7 weist
einen größeren, ringförmigen Magnetkern
(größerer Ringdurchmesser)
auf. Innerhalb der äußeren Induktivität 7 ist
eine zweite Induktivität 8 mit
einem kleineren, ringförmigen
Magnetkern (kleinerer Ringdurchmesser) angeordnet. Die beiden Induktivitäten 7, 8 sind
hier flach liegend auf einer Leiterplatte 9 angeordnet
(d.h. die radiale Ringebene liegt parallel zur Leiterplattenebene
und die Achsen der ringförmigen
Magnetkerne stehen senkrecht auf der Leiterplattenebene).
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Die
beiden ringförmigen
Magnetkerne sind hier koaxial (mit fluchtender oder weitgehend übereinstimmender
Achse) und möglichst
in der Mitte (geometrische Mitte) der Leiterplatte 9 angeordnet.
Die restlichen Bauelemente 10, wie Kondensatoren und Widerstände, sind
auf dem äußeren Bereich
der Leiterplatte 9 um die Induktivitäten 7, 8 herum
angeordnet. Die Leiterplatte 9 kann mit ihren Bauteilen
in einem Gehäuse
montiert sein, das seinerseits zum Beispiel an einer Wand montiert
wird. Durch die mittige Montage der Induktivitäten 7, 8 sind
diese weitest möglich
von Magnetfelderzeugern entfernt, die sich möglicherweise und unerwünschterweise
außerhalb des
Ge häuses
befinden können.
Je weiter die Induktivitäten 7, 8 von
den Magnetfelderzeugern entfernt sind, desto geringer ist die Feldstärke am Ort
der Induktivitäten 7, 8 und
um so geringer ist der störende Einfluss
der Magnetfelder.
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In 3 ist
das elektrische Ersatzschaltbild der Filteranordnung dargestellt.
Die Induktivitäten 7, 8 sind
dabei mit L1 bis L4 bezeichnet.
Die beiden Induktivitäten
L1 und L2 sowie
L3 und L4 weisen
dabei jeweils einen gemeinsamen ringförmigen Magnetkern auf. Die
restlichen Bauelemente 10, wie Widerstände R1 und
R2 sowie Kondensatoren C1 bis
C4, sind mit den längs angeordneten Induktivitäten L1 bis L4 entsprechend
beschaltet, so dass ein geeignetes Tiefpassfilter entsteht.
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Für die Filteranordnung
werden einerseits Ringbandkerne für die Induktivitäten 7, 8 verwendet und
andererseits ein ineinander geschachtelter Aufbau der Induktivitäten 7, 8 ausgenutzt,
um die Filteranordnung unempfindlich gegen äußere Magnetfelder werden zu
lassen.
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In 4 ist
beispielhaft ein ungefährer
Feldlinienverlauf für
den – unerwünschten
Fall – dargestellt,
dass sich ein Magnetfelderzeuger, wie beispielsweise ein Permanentmagnet 11,
in der Nähe der
Filteranordnung befindet. Zu sehen ist eine Draufsicht auf die Leiterplatte 9 mit
der Filteranordnung und auf den Permanentmagneten 11, dessen Nord-Südpol-Richtung direkt auf
die Induktivitäten 7, 8 zuweist.
Der Permanentmagnet 11 ist dabei – für einen angenommenen ungünstigen
Fall – seitlich
der Leiterplatte 9 mit seinem Nord- und Südpol derart
gerichtet, dass die Feldlinien noch mit hoher Feldstärke durch
die Filteranordnung verlaufen. Durch die hohe Permeabilität des Magnetkerns
der äußeren Induktivität 7 werden
die Feldlinien teilweise im Magnetkern konzentriert und teilweise
darin entlang geleitet. Dadurch schirmt der äußere Magnetkern den inneren Magnetkern
magnetisch ab. Der innere Magnetkern wird kaum oder gar nicht von
Magnetfeldlinien durchsetzt, so dass diese Induktivität 8 (hier
mit den Spulen L3 und L4)
von dem störenden
Magnetfeld magnetisch weitgehend nicht beeinflusst wird. Auf diese Weise
bleibt die eigentliche Filterfunktion der inneren Induktivität 8 weitgehend
erhalten.
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Im
Vergleich dazu wirkt sich ein Magnetfeld eines Permanentmagnetes
auf eine herkömmliche Filteranordnung,
wie sie in der 5 dargestellt ist, wesentlich
schädlicher
aus. Bei der herkömmlichen Filteranordnung
sind die Induktivitäten 7, 8 (in
den 5 und 6 sind Elemente gleicher Funktion
mit denselben Bezugszeichen wie in den 2 und 4 bezeichnet)
zwar ebenfalls als Ringkerndrossel mit ringförmigen Magnetkernen ausgebildet,
aber getrennt und beabstandet voneinander an gegenüberliegenden
Seiten der Leiterplatte 9 angeordnet. Gemäß 6 verlaufen
die Feldlinien des störenden Magnetfeldes
konzentriert durch beide Magnetkerne und beeinflussen daher beide
Induktivitäten 7 und 8. Bei
ausreichend hoher Feldstärke
des Permanentmagneten (und großer
Nähe zu
der Filteranordnung) führt
dies zu Sättigungserscheinungen
in den Filterinduktivitäten.
Infolgedessen wird die Filterfunktion stark beeinträchtigt bis
nahezu lahmgelegt. Die Signal- und
Datenübertragung
kann daher bei einer herkömmlichen
Filteranordnung, wie sie beispielhaft in der 5 dargestellt
ist, durch störende
Magnetfelder beeinträchtigt
sein, während
sie bei der erfindungsgemäßen Filteranordnung,
wie sie in 2 dargestellt ist, weitgehend
unbeeinflusst davon ist.
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- 1
- Ortsvermittlungsstelle
- 2
- teilnehmerseitiger
Netzabschluss
- 3
- öffentliche
Zweidrahtleitung
- 4
- Frequenzweiche
- 5
- POTS/ISDN-Zweig
- 6
- ADSL-Zweig
- 7
- Induktivität (äußere)
- 8
- Induktivität (innere)
- 9
- Leiterplatte
- 10
- Bauelement
- 11
- Permanentmagnet