DE19523374C1 - Mikrowellen-Bandpaßfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Bandpaßfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In modernen Kommunikationssateliten werden in den Sen­ deeinheiten Filterbänke verwendet, in denen typischer­ weise Sendeleistungen von 100 W im Frequenzbereich um 10 GHz frequenzselektiert werden. Solche Filtereinhei­ ten werden heutzutage auf der Basis metallischer Hohl­ raumresonatoren aufgebaut. Sie sind relativ schwer und erzeugen gemäß der typischen Hohlraumresonatorgüten von einigen 10⁴ nennenswerte Wärmeverlusten, die den Ener­ gieverbrauch des Satelliten signifikant erhöhen.

Die Ersetzung solcher Filter durch Filter auf der Basis wesentlich kompakterer, keramischer, dielektrischer Re­ sonatoren (DR) bei Umgebungstemperatur ist aufgrund der relativ hohen Verluste in den Keramiken, die zum ther­ mischen Driften der Filter führen, nicht möglich. Die vielerorts aus Hochtemperatur-Supraleitern (HTSL) her­ gestellten, planaren Filter in Streifenleitungs- oder Koplanartechnik sind für solche hohe Leistungspegel ebenfalls ungeeignet.

Aus US 44 89 293 ist ein mehrkreisiges Filter mit ver­ koppelten, zylindrischen Hohlraumresonatoren bekannt. Ein dreikreisiges Bandfilter ist aus DE 39 23 439 A1 bekannt. Diese bekannten Falter sind zur Lösung im fol­ genden genannter Schwierigkeiten jedoch nicht geeignet.

Die Hauptschwierigkeiten bei der Entwicklung solcher Filter sind die notwendige Frequenzabstimmbarkeit der Resonatoren bei tiefen Temperaturen untereinander, die Realisierung einer genügend starken Ankopplung, sowie die ungenügend optimale Kopplung zwischen den Resonato­ ren.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Mikrowellen- Bandpaßfilter bereitzustellen, bei dem eine Frequenz­ abstimmbarkeit bei tiefen Temperaturen und eine starken Ankopplung an die Mikrowellenzuleitungen sowie eine verbesserte Kopplung zwischen den Resonatoren erreicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Mikrowellen-Band­ paßfilter gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach An­ spruch 1. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen finden sich in den auf diesen Anspruch rückbezogenen Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiel

Eine schematische Darstellung im Querschnitt einer die Achse des zylinderförmigen Hohlraumes enthaltenden Ebene des erfindungsgemäßen Bandpaßfilters ist in der Figur gezeigt. Es handelt sich um ein vierpoliges Tcheby­ schev-Bandpaßfilter mit inneren und äußeren Resonator­ räumen R2 und R3 bzw. R1 und R4 und beidseitig mit HTSL beschichteten Mittelresonatorplatten S1, S2 und S3. Da­ bei ließen sich prinzipiell die Anzahl der Pole durch Hinzufügung weiterer Mittelresonatorplatten beliebig erhöhen. Die Mittelresonatorplatten S1 und S3 weisen dabei beidseitig DR D1 und D2 bzw. D3 und D4 auf. Als geeignete Dielektrika können beispielsweise Rutil oder LaAlO₃ eingesetzt werden.

Die Abstimmung der mittleren Resonatoren erfolgt über die Änderung der Breite des Spaltes zwischen DR und dem den jeweiligen Resonator begrenzenden, gegenüberliegen­ der HTSL-Film. Dazu können Multiplayer-Piezokristalle zum Einsatz kommen, mit denen sich relative Auslenkun­ gen in Feldrichtung von z. B. 1_*10^-3 durch Anlegen einer Gleichspannung von nur 60 V erzielen lassen. Diese Aus­ lenkung reicht zur Kompensation der Fertigungstoleran­ zen aus und ermöglicht auf diese Weise eine in-situ- Abstimmung.

In der Figur sind ringförmige, in der Ring-Ebene lie­ gende Piezokristalle dargestellt. Alternativ ist dies­ bezüglich auch z. B. eine Dreibeinanordnung von kleine­ ren säulenförmigen Elementen vorstellbar.

Die beiden äußeren Resonatoren R1 und R4 sind einseitig von HTSL-Schichten begrenzt und enthalten die als Zu- und Ableitung dienenden, in den Hohlraum hineinragenden Antennen A1 und A2. Bei genügend weit entfernten nor­ mal leitenden Wänden ergeben sich ebenfalls brauchbare Gütewerte im Bereich von beispielsweise 500000 bei aus­ reichend großer Dielektrizitätszahl DK der DRs. Deshalb sind zum Einsatz von DRs LaAlO₃ oder Rutil als Material besonders geeignet. Zur Abstimmung der Endresonatoren R1 und R4 können die normalleitenden Endplatten zylin­ deraxial verschoben werden. Hierzu würde die Positio­ niergenauigkeit einer Mikrometerschraube ausreichen.

Der Grund für die abweichende Form der Endresonatoren im Ausführungsbeispiel liegt in der schwächeren, räum­ lichen Variation der Resonatorfelder außerhalb des DRs. Zur Erzielung einer für das Filter genügend starken An­ kopplung ist von besonderer Bedeutung, daß über den Durchmesser der Koppelschleife die Felder nur schwach variieren. Die exponentielle Variation der Felder in radialer Richtung führt beim für die inneren Resonato­ ren verwendeten Resonatortyp, insbesondere auch bei ho­ hen Frequenzen und hoher DK dazu, daß die Kopplung we­ niger stark ausgeprägt ist. Beim Endresonatortyp ist eine starke Kopplung wesentlich leichter über Koaxial- Schleifenantennen oder Hohlleiter erreichbar. Die Ab­ messungen der äußeren DRs sollen etwas geringer als die inneren DRs sein, damit die Resonanzfrequenzen der DRs übereinstimmen.

Zur Kopplung zwischen den Resonatoren wird ggfs. mit Hilfe photolithographischer Verfahren auf jeder Seite eines doppelseitig mit HTSL-Filmen beschichteten Substrates eine als Koppelblende wirkende Öffnung in der jeweiligen HTSL-Beschichtung gebildet. Insbesondere kann dazu ein ringförmiger Spalt mit bestimmter, ge­ wählter Breite gewählt werden. Zweckmäßigerweise kann der Radius des Ringes dem radialen Abstand maximaler Feldstärke im DR (beispielsweise 2/3 des Radius des DR) entsprechen.

Um Koppelresonanzen zu vermeiden, soll die DK des DRs ausreichend oberhalb der DK des HTSL-Substratmaterials liegen. Als Substratmaterial eignet sich wegen der re­ lativ zu den Materialien Rutil und LaAlO₃ geringen DK- Werte vor allem Saphir oder MgO. Beide Substanzen eig­ nen sich sehr gut zur Deposition qualitativ hochwerti­ ger HTSL-Filme. Bei ringförmiger Gestaltung der Koppel­ blenden wird der Symmetrie der elektromagnetischen Fel­ der der oft verwendeten TE₀₁_δ-Mode der Mikrowelle ent­ sprochen und führt zur Bedämpfung parasitärer Moden. Auf diese Weise wird eine Vergrößerung des Sperrberei­ ches des Filters erreicht.

Eine erwünschte Verstärkung der Bedämpfung parasitärer Moden ist durch weitere konzentrische Spalten größerer Durchmesser sowie durch die Beschichtung der Substrat­ kanten mit Absorberlack möglich.

Claims (4)

1. Mikrowellen-Bandpaßfilter mit einem metallischen Hohlraum und darin hineinragender Zu- und Ableitung (A1, A2), wobei
mit Hochtemperatur-Supraleitendem (im folgenden als HTSL bezeichnet) Material beidseitig beschichtete Platten (S1, S2, S3) vorgesehen sind, die im Hohlraum so positioniert sind, daß dadurch dieser in mehrere Resonatorräume (R1, R2, R3, R4) unterteilt ist und die Platten eine jeweilige, leitende Wand des jeweiligen Resonatorraumes bilden und
im jeweiligen Resonatorraum jeweils ein dielektri­ scher Resonator (D1, D2, D3, D4) an einer der die Wandung bildenden Platten angebracht ist.

2. Mikrowellen-Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (S1, S2, S3) jeweils im Bereich der HTSL- Beschichtung eine HTSL-freie Öffnung aufweisen.

3. Mikrowellen-Bandpaßfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HTSL- freien Öffnungen als konzentrische Ringe ausgebildet sind.

4. Mikrowellen-Bandpaßfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abstimm­ barkeit bei tiefen Temperaturen die Platten (S1, S2, S3), insbesondere mit Hilfe von Piezokristallen, relativ zu einander bewegbar sind.