DE19530848A1

DE19530848A1 - Tiefpaßfilter für Hochleistungsanwendungen

Info

Publication number: DE19530848A1
Application number: DE19530848A
Authority: DE
Inventors: Ajaj Asija
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1994-09-08
Filing date: 1995-08-22
Publication date: 1996-03-14
Also published as: US5576673A; GB9517306D0; GB2293707A; FR2725571A1; GB2293707B; FR2725571B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Tiefpaßfilter für Hochlei stungsanwendungen. Elektrische Filter werden bei der Radio frequenz-Übertragung eingesetzt, um unerwünschte Frequenzen zu blockieren. Die Fig. 1 und 2 zeigen ein elektrisches Filter 10, welches mehrere alternierend oder abwechselnd angeordnete kapazitive Elemente 12 und induktive Elemente 14 in einem elektrisch leitenden Rohr 16 aufweist. Die ka pazitiven Elemente 12 sind von dem Rohr 16 durch ein Di elektrikum 18 getrennt, und die induktiven Elemente 14 sind von Luft umgeben. Die Elemente 12 und 14 sind elektrisch miteinander verbunden, um einen ersten elektrischen Pfad 20 zu schaffen.

Das Rohr 16 bildet einen zweiten elektrischen Pfad 22, wobei die kapazitiven Elemente 12 zum zweiten Pfad 20 parallele Shunts bilden, wie dies in US-PS 4,680,560 beschrieben ist.

Man möchte elektrische Filter verkleinern, da Filter zur Wärmeerzeugung tendieren. Die Größenverringerung erhöht die Schwierigkeit, die durch die kapazitiven und induktiven Elemente in dem Filter erzeugte Wärme abzuführen; Filter verminderter Größe sind nicht für Hochleistungs-Anwendungen (bis herauf zu etwa 4000 Watt) geeignet; und Filter für hohe Leistungen sind größer als erwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Filter zu schaffen, das die Schwierigkeiten des Standes der Technik vermeidet.

Die Erfindung schafft ein elektrisches Filter mit einer alternierenden Folge oder Reihe von mindestens einem kapa zitiven Element und mindestens einem induktiven Element, wobei die Folge oder Reihe in einem Zwischen-Dielektrikum angeordnet ist, welches von einem äußeren elektrischen Lei ter umgeben ist, das kapazitive Element einen inneren elek trischen Leiter aufweist, welcher das Zwischen-Dielektrikum kontaktiert, und das induktive Element ein Innen-Dielektri kum aufweist, das nicht aus Luft besteht und das Zwischen- Dielektrikum sowie den inneren elektrischen Leiter kontak tiert.

Ein Filter nach der Erfindung verbessert die Wärmeableitung aus den induktiven Elementen dadurch, daß das die indukti ven Elemente umgebende wärmeleitende Dielektrikum in Kon takt mit einem wärmeleitenden dielektrischen Rohr steht, welches alle induktiven Elemente sowie benachbarte kapazi tive Elemente umgibt.

Ferner erhöht ein Filter nach der Erfindung die Leistung dadurch, daß Luft das elektrisch leitende äußere Rohr des Filters von dem inneren dielektrischen Rohr trennt, welches die Filterelemente umgibt, um zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren in jedem kapazitiven Element zu schaffen und so die Leistung bei kompakter Bauweise groß zu machen.

Schließlich wird bei einem Filter nach der Erfindung die Wärmeableitung aus dem Filterinneren nach außen dadurch verbessert, daß das wärmeleitende, die Filterelemente ein schließende dielektrische Rohr, welches von dem äußeren elektrischen Leiter durch einen luftgefüllten Spalt ge trennt ist, diesen äußeren Leiter berührt.

Die Erfindung umfaßt auch eine elektrische Schaltung mit einer alternierenden Reihe von kapazitiven und induktiven Elementen in einer elektrisch leitenden Anordnung, wobei jedes kapazitive Element zwei in Reihe geschaltete Konden satoren aufweist, welche die Reihe der Elemente mit einem Rohr verbinden, und wobei jedes induktive Element einen Shunt-Kondensator aufweist, der elektrisch parallel zu den beiden Kondensatoren angeordnet ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeich nungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein elektrisches Filter, welches eine alternierende Reihe aus kapazitiven und induktiven Elementen auf weist;

Fig. 2 ein Schaltbild des Filters nach Fig. 1;

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch eine Ausfüh rung des Filters nach der Erfindung;

Fig. 4 ein Schaltbild des Filters nach Fig. 3;

Fig. 5 einen vertikalen Teilschnitt durch einen äußeren Leiter und ein Zwischen-Dielektri kum, wobei Kontaktstellen zwischen diesen verdeutlicht sind, welche die Wärmeableitung im Betrieb des Filters verbessern; und

Fig. 6 ein Schaltbild einer alternativen Ausführung der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung des elektrischen Filters 30 mit einem äußeren elektrischen Leiter 32, der von einem Zwischen-Dielektrikum 34 mittels eines Außen-Dielektrikums 36 getrennt ist. Das Zwischen-Dielektrikum 34 umgibt eine Reihe von alternierend angeordneten kapazitiven Elementen 38 und induktiven Elementen 40. Jedes kapazitive Element 38 weist einen inneren elektrischen Leiter 42 auf, der das Zwischen-Dielektrikum 34 kontaktiert. Jedes induktive Ele ment 40 weist eine Drahtspule 44 auf, die von einem Innen- Dielektrikum 46 umgeben ist, welches das Zwischen-Dielek trikum 34 und den inneren elektrischen Leiter 42 kontak tiert.

Ein Schaltbild der Ausführung nach Fig. 3 ist in Fig. 4 gezeigt. Ein erster Übertragungspfad 50 ist von den Spulen 46 gebildet, und ein zweiter Übertragungspfad 52 ist von dem äußeren Leiter 32 gebildet. Jedes kapazitive Element 38 umfaßt zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren, welche ei nen Shunt zwischen dem ersten und dem zweiten Übertragungs pfad bilden, nämlich einen ersten Kondensator 54, welcher durch den inneren elektrischen Leiter 42 und das Zwischen- Dielektrikum 34 gebildet ist, und einen zweiten Kondensator 56, welcher durch das Zwischen-Dielektrikum 34 und das Au ßen-Dielektrikum 36 gebildet ist. Jedes induktive Element umfaßt Kondensatoren 58 und 60, welche die beiden Übertra gungspfade shunten. Die Kondensatoren 58 und 60 sind von dem inneren Dielektrikum 46, welches die Spulen 44 umgibt, sowie von dem äußeren Leiter 32 gebildet.

Der äußere Leiter 32 und der innere Leiter 42 sind elek trisch leitend und wärmeleitend und können aus Kupfer be stehen; das innere Dielektrikum 46 ist wärmeleitfähig, hat einen niedrigen Verlustfaktor und kann aus einem Silikon- Compound bestehen; das Zwischen-Dielektrikum 34 ist wärme leitfähig und hat eine hohe Dielektrizitätskonstante und kann aus einer Aluminiumverbindung bestehen; das Außen-Die lektrikum 36 kann ein gasförmiges Dielektrikum sein. Wenn gleich die Größe des Filters von der speziellen Anwendung abhängt, ist es erwünscht, das Filter klein zu halten, d. h. bei einer Länge von 125 bis 250 mm (5 bis 10 Zoll) sowie einem Durchmesser von zwischen 12 und 38 mm (1/2 bis 1 1/2 Zoll).

Ferner sind vier kapazitive Elemente 38 und drei induktive Elemente 40 vorgesehen. Der äußere Leiter 32 ist ein Kup ferrohr mit 22 mm (7/8 Zoll) Durchmesser und einer Länge von etwa 200 mm (8 Zoll) sowie einem Volumen von etwa 82 cm³ (5 Kubikzoll), und der innere Leiter 42 ist ein Kupfer- Vollzylinder mit einer Länge von 25 bis 50 mm (1 bis 2 Zoll) sowie einem Durchmesser von etwa 16 mm (5/8 Zoll). Das Innen-Dielektrikum 46 ist ein auf Silikon basierendes, wärmeleitendes Epoxyharz mit niedrigen Verlusten, wie es im Handel von der Firma Eemerson & Cummings als "Ecosil 5954" erhältlich ist, das Zwischen-Dielektrikum 34 ist ein Rohr aus Aluminiumoxid, welches eine Wandstärke von etwa 1,5 mm (0,06 Zoll) und eine Dielektrizitätskonstante von ε_X = 9,3 haben kann, und das Außen-Dielektrikum 36 ist ein mit Luft gefüllter Spalt von etwa 0,5 mm (0,02 Zoll) Stärke. Diese Ausführung kann 4000 Watt (etwa 800 Watt je 16,4 cm³ (1 Kubikzoll)) in einer 4 : 1-Last mit einem maximalen Ein gangsverlust von etwa 0,05 dB im 2-30 MHz-Bereich und mit einer Abschaltfrequenz von 155 MHz bewältigen.

Fig. 3 zeigt jedes Ende des Filters 30, welches ein End stück 62 zum Kontaktieren der Übertragungspfade 50 und 52 einschließt. In dem Endstück 62 kontaktiert ein erstes An schlußstück 64 den äußeren Leiter 32, und ein zweites An schlußstück 66 kontaktiert ein kapazitives Element 38 am Ende des Filters. Zwischen den beiden Anschlußstücken kön nen geeignete Isolatoren 68 vorgesehen sein. Das Endstück 62 kann eine Wärmesenke (nicht gezeigt) kontaktieren, um Wärme aus dem Filter 30 abzuleiten.

Im Betrieb schafft das Zwischen-Dielektrikum 34 sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante, welche einen Kondensator hoher Kapazität in einem kleinen Raum unterzubringen er laubt, als auch eine gute Wärmeleitfähigkeit, um Wärme aus den Elementen 38 und 40 abzuleiten. Das Silikon-Compound, welches die induktiven Elemente 40 umgibt, überträgt Wärme von den induktiven Elementen 40 zu den benachbarten kapazi tiven Elementen 38 (d. h. zu den Kupfer-Vollzylindern) und zum Zwischen-Dielektrikum 34. Das Silikon-Compound hat ge ringe Verluste, so daß die Filterleistung nicht ver schlechtert wird. Die zusätzlichen Kondensatoren 56 bis 60, die von dem Außen-Dielektrikum 36 und dem Innen-Dielektri kum 46 gebildet sind, erhöhen die Kondensatorleistung des Filters und tragen zu einer Erzielung hoher Leistung bei.

Wenn das Filter in Betrieb ist, können sich der äußere Lei ter 32 und das Zwischen-Dielektrikum 34 ausdehnen und zu sammenziehen, so daß sie einander an mehreren Stellen längs der Längenausdehnung des Filters berühren, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Dies verschlechtert die Filterleistung nicht (die Verringerung der Kondensatorkapazität aufgrund des Verlustes eines kleinen Abschnittes des Außen-Dielek trikums 36 ist minimal) sondern wird mit Vorteil dazu ver wendet, einen zusätzlichen Pfad zum Wärmeableiten aus dem Inneren des Filters zu schaffen.

Bei einer alternativen Ausführung kann die Reihe aus alter nierenden oder abwechselnden kapazitiven und induktiven Elementen mit je einem induktiven Element anstatt eines ka pazitiven Elementes am Anfang und am Ende ausgeführt sein. Ein Schaltbild dieser alternativen Ausgestaltung ist in Fig. 6 gezeigt. Die Ausführung des Filters ist gleich wie in Fig. 3, wobei jedoch induktive Elemente 40 an den beiden Enden vorgesehen sind.

Claims

1. Elektrisches Filter mit einer alternierenden Reihe von mindestens einem kapazitiven Element (38) und mindestens einem induktiven Element (40), wobei die Reihe innerhalb eines von einem äußeren elektrischen Leiter (32) umgebenen Zwischen-Dielektrikums (34) angeordnet ist, das kapazitive Element (38) einen inneren elektrischen Leiter (42) umfaßt, welcher das Zwischen-Dielektrikum (34) kontaktiert, und das in duktive Element (40) ein Innen-Dielektrikum (46) um faßt, welches nicht aus Luft besteht und das Zwi schen-Dielektrikum (34) und den inneren elektrischen Leiter (42) kontaktiert.

2. Filter nach Anspruch 1, bei dem ein Außen-Dielektri kum (36) zwischen dem Zwischen-Dielektrikum (34) und dem äußeren elektrischen Leiter (32) angeordnet ist, so daß das kapazitive Element (38) zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren umfaßt, nämlich einen er sten Kondensator aus dem inneren elektrischen Leiter (42) und dem Zwischen-Dielektrikum (34) sowie einen zweiten Kondensator aus dem Zwischen-Dielektrikum (34) und dem Außen-Dielektrikum (36).

3. Filter nach Anspruch 2, bei dem die dielektrische Struktur ein Innen-Dielektrikum (46) aus einem Sili kon-Compound, ein Zwischen-Dielektrikum (34) aus Aluminiumoxid und ein Außen-Dielektrikum (36) im wesentlichen aus Luft umfaßt.

4. Filter nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der innere und der äußere elektrische Leiter (42, 32) im wesent lichen aus Kupfer bestehen.

5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der äußere elektrische Leiter (32) und das Zwischen-Die lektrikum (34) miteinander in Kontakt stehen, wenn der Filter in Betrieb ist, um die Wärmeableitung zu verbessern.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Zwischen-Dielektrikum (34) und der äußere elektri sche Leiter (32) Hohlzylinder sind.

7. Filter nach Anspruch 6, bei dem vier kapazitive Ele mente (38) und drei induktive Elemente (40) vorgese hen sind.

8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit minde stens zwei kapazitiven Elementen, wobei die Reihe mit mindestens einem der beiden kapazitiven Elemente beginnt und endet, wobei jedes kapazitive Element einen zylindrischen inneren Leiter (42) aus Kupfer umfaßt, der von einem Aluminiumoxid-Rohr (34) umge ben ist, das seinerseits von einer Luftschicht (36) umgeben ist, die ihrerseits von einem Rohr (32) ins besondere aus Kupfer umgeben ist, und wobei ein Die lektrikum (46) aus einem Silikon-Compound zwischen dem induktiven Element (40) und dem Aluminiumoxid rohr (34) angeordnet ist.

9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das induktive Element einen Shunt-Kondensator umfaßt, der mit dem Silikon-Compound-Dielektrikum gebildet ist.

10. Elektrische Schaltung mit einer alternierenden Reihe von kapazitiven und induktiven Elementen in einem elektrisch leitenden Rohr, wobei jedes kapazitive Element zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren auf weist, welche die Reihe der Elemente mit dem Rohr verbinden, und wobei jedes der induktiven Elemente einen Shunt-Kondensator aufweist, der elektrisch parallel zu den beiden Kondensatoren geschaltet ist.

11. Schaltung nach Anspruch 10, umfassend ein Zwischen- Dielektrikum zwischen dem Rohr und dem Innen-Dielek trikum.