DE2112040C3

DE2112040C3 - Aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehendes Netzwerk fur elektrische Schwingungen

Info

Publication number: DE2112040C3
Application number: DE19712112040
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Kuenemund
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1971-03-12
Publication date: 1973-10-04
Also published as: DE2112040B2; DE2112040A1

Description

Die Erfindung betrifft ein aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehendes Netzwerk für elektrische Schwingungen, das zwischen einem Ouell- und einem Verbrauchervviderstand vorgegebener Größe betreibbar ist, und bei dem die Induktivitätswerte der im Netzwerk enthaltenen Induktivitäten derart klein gewählt sind, daß der Wellenwiderstand Z des Netzwerkes gegenüber dem Quell- bzw. Verbraucherwiderstand wesentlich kleiner ist und bei dem weiterhin dem Ein- und Ausgang des Netzwerkes ein Widerstand parallel geschaltet ist.

Bekanntlich kommt es bei der Realisierung von Netzwerken, die zwischen vorgegebenen Ouell- bzw. Absehkißwiderständen betrieben werden, darauf an. das Nci -werk so zu dimensionieren, daß sein Wellenwiderstand mit dem Quell- bzw. Abschlußvvidcrstand übereinstimmt. Aus diesem Grund haben bei niedrigen Frequenzen die in diesen Netzwerken verwendeten Spulen einen verhältnismäßig hohen Induktivitätswert, wodurch zwingend auch das Bauvolumen <w ' inlen verhältnismäßig groß wird. Wenn es darauf ankommt, Netzwerke, wie beispielsweise Filter-Schaltungen, bei einem möglichst kleinen Bauvolumen zu realisieren, kann man Abhilfe dadurch sehatü-!\ daß man die Netzwerke in Verbindung mit sngenannten Gyratorcn aufbaut, so daß man zu Netzvserkschaltungen gänzlich ohne Spulen kommt. Im L'HF- und SHF-Bereich dagegen sind elektrische Filterschaltungen ohne Spulen als passive Schaltungen mit verhältnismäßig geringem Aufwand möglich.

ίο Der hohen Frequenzlage wegen können dort nämlich Induktivitäten bzw. vollständige Schwingkreise durch kurze Abschnitte von elektrischen Ühertragiinssleiuingen gebildet werden. Im Cbergangsbcreich zwischen sehr tiefen und sehr hohen Frequenzen.

>5 ei. h. im VHF-Bereich und im Kurzvvellenbercich also, ist man nach wie vor jedoch darauf angewiesen, elektrische Nev/werke mit Hilfe von Spulen zu Koalisieren. Abgesehen davon, daß solche Spulen der neuerdings angestrebten integrierten Schaltungstechnik nur schwer zugänglich sind, zeigt sich immer wieder, daß bei ihrer Herstellung insbesondere in einer größeren Serienfertigung verhältnismäßig große Streuungen der Induktiv itäisvverte auftreten, weil solche Spulen im allgemeinen aus wenig Windungen dicker Drähte bestehen, wodurch eine nur verhältnismäßig geringe mechanische Stabilität zustande kommt. Zwar läßt sieh diese Schwierigkeit dadurch umgehen, daß man beispielsweise die Spulenwindungen auf Keramikkörpern aufklebt oder durch Glasfluß befestigt bzw. die Spulenvvindungen einbrennt, jedoch ist in diesem Fall der fertigungstechnische Aufwand verhältnismäßig groß.

In der »Zeitschrift für technische Physik'«, 1933, Nr. 5. S 197 bis 202, ist ein Überlagerungssummer beschrieben, in dem ein aus Spulen und Kondensatoren bestehender Tiefpaß verwendet ist. dessen Grenzfrequenz möglichst dicht über der höchsten durchzulassenden Niederfrequenzschwingung liegt. Dieser Tiefpaß ist einer als Gleichrichter wirkenden Röhrenstufe nachgeschaltet und müßte demzufolge einen sehr hohen Eingangswiderstand haben, weshalb einuiid ausgangsseitig Widerstände parallel geschaltet sind. Abgesehen davon, daß der Durchlaßbereich des Tiefpasses etwa im Tonfrequenzbereich liegt, ist auch eine spezielle Bemessung der einzelnen Schaltelemente nicht angegeben. Die Parallelschaltung der ein- und ausgangsseitigen Widerstände wird an sich nur zu dem Zweck vorgenommen, um für die einzelnen Schaltelemente Induktivitäts- und Kapazitätswerte zu erhalten, die in Größenordnungen von in der Praxis realisierbaren und auch zusammenschaltbaren Spulen und Kondensatoren liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten in einfacher Weise abzuhelfen; insbesondere soll der Aufbau von Netzwerkschaltungen angegeben werden, die im Bereich der Kurzwellen und dem VHF-Bereich einsetzbar sind und bei denen die erforderlichen Induktivitäten mit Bauteilen realisiert werden können, die einerseits

6ί der integrierten Technik zugänglich sind und die andererseits ein möglichst geringes Bauvolumen erfordern. Darüber hinaus soll auch die Verwendung von Gyratorcn vermieden werden, da bei diesen bekanntlich zumindest bei einigen Bauteilen sehr enge ToIeranzen eingehalten werden müssen.

Ausgehend von einem aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehenden Netzwerk für elektrische Schwingungen, das zwischen einem Quell- und einem

Verbrauchtwider tandvorgegebener Große betr.b- aus uer Parallei-Resonanzkrcscn I. 2, 3 und 4. die bjir .st. und bu dem die ndukir. „atsuerte der im im Querzweie eine elektrischen Vierpols angeordnet ^Nt-h⁷.r° Ι^Ϊ Γ¹ tv "^Illlkti;ⁿ'^{;tcn dc!art 1}^'" ^- ^d. Die engine,, Resonanzkreise sind über Ko_P-jvah.t sind, daß der Wellenwiderstand / des V^ er- pclinduktivitiitcn 6. 7 und S miteinander ^koppelt kes gegenüber dem Quell- Wr,. Verbrauchender- 5 Die Schaltung wird tischen den Betriebs;idersuin- «and wesentlich kiemer ,si und hei dem weiterhin den R betrieben, wobei der Widerstand R am Hindern Hn₁- und Ausgang des V-.^erke. „n Wider- »;_ιΠί der Schaltung dem Innenwiderstand der Spanend _Paral el geschaltet ist. ·,.,.,! ,|i„_t. _Al,tgabe erlin- mmWmcll·.· 5 einend,!, führend der Widersland K dungsgemaß dadurch gelost. d;.ß das Net/werk nach am Aii^aii« der Sc!:..:- n» dem Innenwiderstand des Art d-.-r Schichttcchmken dun h Aufbringen w,n Lei- ,„ angeschlossenen \ erbrauchers entspricht. Die Indukleroahnen bzw. Widerstands<chichien auf ein Tracer- mitätswerte der im Netzwerk enthaltenen Induktiv isuhstral rea.siert ,st. daß d,, I- iukmuaten durch ;a,en sind nun so klein »ewlihli. daß der Wellen-(,egenuber der Betnebsw elleni, kurz. I.ciium-s- Widerstand des Net/Merkes erh.-Xich kleiner ist _:t|s alwhmite realisiert sind, und ,'.,.,;, der em- und aus- d.e Betriehswiderstande R. Bei ^m üblichen l-iltergan-sse.tig parallel geschaltete Widerstand einen Wi- ., entwurf ist man. wie bereits erwähnt, sehr dar.ml beiierstandswert H hat. der der Bedingung W RZ dacht, daß der Wellenwiderstand des Net/v.erkc· (R /!genügt, wenn «der Wer: des Quell- b/-\. Ver- möglichst deich ist dem Wert der Betriebswicierhraucherw.derstandes.si. _slandc ^,^ _mm _{dcf W}elk.-.widerstand beispicK-

/ur l-.r/ielung hoher Kapazitaiswerte bei gleich- weise bloß um den Faktor 2 vom Wert der Betriebs-

ieüiger Verwendung möglichst kurzer l.eitunnsab- 20 widerstände ab. dann ist darunter bereits eine \\e-

seli'iitte ist es gunstig, wenn das Tragersubstrat ein sentliehe S'erkleineruni; des Wellenwidei tandes zu

dKi.ktnsches Material ist. dessen relative Dielektri- ν erstehen.

zitatskonstante wesentlich gröi.W. als 1 ,st. insbeson- L™ trot/dem cmc Anpassung des Netzwerkes an

dele großer oder gleich dem Wert '). Bei »eei»neter die Betriebswiderstande R lierbei/iiführen, d.h.. um

Ausbildung laßt sich dieses Neizwerk zwischen Quell- -5 das angestrebte elektrische Filterverhalten sicher/u-

unJ Abschhißwiderständen unterschiedlidier Größe stellen.Verden dem Filtereirmanr. und dem Filteraus-

betreiben, ohne daß ein zusaizüdier schaltuimstech- ^ans die Widerstände H' parallel ueschaltet. Der Wi-

ni-dier Aufwand erforderlich ware. Zur Ausgleichung derstandswert ist dabei so gewählt, daß die Bedin-

der Grunddampfung ist es günstig, dem Netzwerk gung IV RZ (R-Z) erfüllt ist. Auf diese Weise ist

einen geeigneten Verstärker zuzuordnen, der sich 30 es mödieh. die im Netzwerk enthaltenen Induktivi-

ebenfalls in integrierter Technik ausbilden läßt. Fer- täten durch Spulen mit extrem kleiner Baugröße zu

tigiingstechnisch gut reproduzierbare Werte für die realisieren. Dem Aufbau integrierter Schaltungen ins-

Induktivitäten erhält man insbesondere dann, wenn besondere kommt es zugute, daß die Induktivitäten

zumindest einige der induktiv wirkenden Leiterbah- mit Hilfe von Leitunusabschnitten aufgebaut werden

neu Mäanderform oder Spiralform haben. ₃₅ können, deren l.änge"kur/ ist im Verhältnis zur Be-

Bei der Erfindung wird von der Überlegung aus- triebswellenlänge. Die I.eitungsabschnitte lassen sieh gegangen, uaß im Kurzwellenbereich und im VHF- insbesondere durch Aufbringen von Leiterbahnen auf Bereich Kondensatoren der integrierten Technik ver- ein Trägersubstrat realisieren. In Anbetracht der verhältnismäßig leicht zugänglich sind, da heutzutage hältnismäßig tiefen Frequenzlage U'ssen sich dann Trägersubstrate zur Verfügung stehen, mit deren 40 verhältnismäßig kleine Kondensatoren mit ausrei-Hilfe bei verhältnismäßig kleinen Abmessungen aus- chendem Kapazitätswert aufbauen, wenn als Trägerreichende Kapazitätswerte erzeugt werden können. substrat ein dielektrisches Material verwendet wird. Wenn es nun gelänge, die im UHF- und SHF-Bereich dessen relative Dielektrizitätskonstante wesentlich bereits eingesetzten und erprobten Schaltelemente größer als 1 ist. So hat beispielsweise die bekannte und Netzwerkstrukturen, wie beispielsweise Filter, 45 und für diese Zwecke anwendbare Aluminium-Oxyd-Entzerrer und Frequciizweichen, auch im Kurzwei- keramik eine relative Dielektrizitätskonstante vom lenbereich und im VHF-Bereich einzusetzen, dann Wert 9.

bestünde dadurch eine Möglichkeit, solche Netz- Durch die Zuschaltung der Widerstände W ergibt

werke auch in diesem Frequenzbereich der integrier- sich in der Betriebsschaltung eine gegenüber der

ten Aufbauweise anzupassen. 50 eigentlichen Filterdämpfung zusätzliche frequenz-

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von unabhängige Dämpfung a - In R/Z, die jedoch

Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt durch einen Verstärker" auf einfache Weise ausge-

Fig. I die Betriebsschaltung eines vierkreisigen glichen werden kann. Beispielsweise kann dieser Ver-

Bandpasses als Ausführungsbeispiel eines Netzwerkes, stärker der Schaltung vor- oder nachgeschaltet sein

Fig. 2 die Aufbaustrukttir eines vierkreisigen 55 oder gegebenenfalls ebenfalls unmittelbar als inte-

Bandpasses in gedruckter Technik, griertcs Bauelement mit der gesamten Netzwerk-

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Anordnung schaltung zu einer Baueinheit zusammengefaßt

nach Fig. 2, werden.

Fig. 4 das elektrische Ersatzschaltbild des Band- Im Alisführungsbeispiel der F i g. 2 ist ein vierpasses nach Fig. 2. 00 kreisiges Bandpaßfilter gezeigt, das nach Art der ge-

F ig. 5 eine weitere Aufbaustruktur eines vierkrei- druckten Schaltungen aufgebaut ist. Im Querschnittssigen Bandpasses mr. Reihen-Resonanzkreisen in bild der Fig. 3 ist dabei das Trägersubstrat K) zu den Längszweigen, erkennen, das mittig in ein Gehäuse II eingebaut ist.

I·' i g. fi einen Querschnitt durch die Anordnung Üblicherweise wird man dabei ein metallisches Genach F ig. 5, 65 häusc verwenden und diesem Be/ugspotential. wie

F i g. 7 das elektrische Ersatzschaltbild der Anord- z.B. Massepolential, zuordnen. Der Filtereingani;

nung nach F i g. 5. wird von einem gedruckten Leitungszug 12 gebildc:.

in der Schaltung nach Fig. 1 besteht das Filter von dem ai^:s zinn Massepotential unmittelbar der Wi

(.!erstand W ebenfalls in gedruckter Technik aufgebracht ist. Die Leitung 12 ist übergeführt in einen Kondensatorbelag, der zusamirxn mit einem auf der Unterseite des Substrates liegenden weiteren Belag, der mit Massepotential verbunden ist. die erforderliche Kapazität C1 gibt. Der Kondensator C1 ist durch einen auf Massepotential, d. h. also durch einen auf das Gehäuse 11 geführten LeitungszugLl, zu einem Parallelresonan/kreis ergänzt. Die Kopplung /um benachbarten Parallelresonanzkreis erfolgt durch einen Kondensator C12. Dieser wird in der Weise gebildet, daü der obere Belag für den Kondensator C 1 über seinen Ciegenbelag hinausgeführt wird und auf der unteren Fläche des Substrates ein weiterer, gestrichelt kenntlich gemachter Belag für den folgenden Schwingkreis-Kondensator C 2 mit dem oberen Belag Min Cl überlappend aufgebracht ist. Der ausgezogen gezeichnete Belag für den Kondensator C 2 liegt in diesem Fall dann auf der Oberseite des Substrates 10 und ist unmittelbar mit dem Gehäuse 11 in Verbindung. Durch einen auf der Unterseite des Substrates K) liegenden weiteren Leitungszug LZ wird auch der Kondensator C 2 /v. einem Parallelresonan/.kreis ergänzt. In genau der gleichen Weise sind auch die weiteren Koppelungen C23 und C34 ausgeführt, so daß mit Hilfe der Kapazitäten C 3 und C4 und der ihnen jeweils zugeordneten Leitungs-.i'osci'iriiüc /.3 und '.4 vier kapazitiv gekoppi'lu· l'nrallelresonanzkreise realisiert werden. An dem durch die Be/ugsziffer 14 kenntlich gemachten Ausgang des filters ist auf der Unterseite des Substrates der /weite Widersland W in Drucktechnik aufgebracht.

Das zum Alisführungsbeispiel der Fig. 2 gehörende elektrische Hrsatzschaltbild ist in der F i c. 4 dargestellt. Zur besseren Übersicht sind dabei sich jeweils entsprechende Grölten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Am Fingang der Schaltung sind die AnschiuBlciuing 12 und dio auf Massepotential liegende Leitung 11 zu erkennen, zwischen die der Widerstand W geschaltet ist. In den Querzweigen der Schaltung sind entsprechend die Parallelresonanzkreisc aus dem Kondensator C 1 und der Induktivität /. 1 bzw. C2 und 1.2 bzw. C3 und L3 bzw. C4 und /.4. Die Kopplung der einzelnen Parallelresonanzkreise erfolgt über die im Längszweig liegenden Kondensatoren Cl 2. C23 und C34. Zwischen der Ausgangsklemme 14 und der Klemme 11 liegt wiederum der Widerstand W.

Während im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ein Filter dargestellt ist. das mit Hilfe von in den Querzweigcn der Schaltung liegenden, kapazitiv gekoppelten Parallelresonanzkreisen aufgebaut ist, ist im Ausführungsbeispiel der F i g. 5 ein Filter dargestellt, das mit Hilfe von in den Längszweigen der Schaltung liegenden, induktiv gekoppelten Serienresonanzkreisen aufgebaut ist, so daß also die zur Schaltung nach Fig. 2 duale Schaltung entsteht. In Analogie zum Ausführungsbeispicl nach F i g. 2 sind in der Schaltung nach F i g. 5 die jeweils dualen Schaltelemente lediglich mit einer Apostrophierung versehen. Das in der F i g. 6 gezeichnete Quersehnittsbild UiLU wiederum das Substrat 10 und das auf Bezugspotential liegende Gehäuse 11 erkennen, wobei durch die dem Substrat 10 parallel verlaufenden, gestrichtelten Linien die jeweils aufgedruckten Leitungsbahnen kenntlich gemacht gemacht sind. Vom Anschluß 12' des Filters ist wicui-riiTi unmittelbar der Widerstand W in gedruckter Tcüniik zum Gehäuse 1' geführt. Die An schlußlcitimg 12' geht unmittelbar über in die Induk

ίο tivität /. Γ, die parallel zu den Berandungcn des Kondensatorbelages C Γ geführt ist. Die Leitcibahn der Induktiv itiil /. Γ ist lediglich als einfache Linie dargestellt und an der Stelle 13 mit dem oberen Belag des Kondensators Cl' verbunden. Deckungsgleich mit dem oberen Belag ist auf der Unterseite des Substrates 10 ein weiterer Belag angeordnet, der zusammen mit dem oberen Belag den Kondensator C Γ bildet. Vom unleren Belag ist eine Leitung 15 zum unteren Belag des in der Schaltung darauffolgenden Kondensators C 2' geführt. Dieser wird ergänzt durch einen deckungsgleichen, auf der Oberseite des Substrates 10 liegenden zweiten Belag. Von der Leitung 15 führt eine weitere Leitung /.12' zum Gehäuse 11. durch dk die im Queizweig liegende Koppelinduktivität realisiert wird. Die folgenden Schaltelemente sind entsprechend aufgebaut, wie dies im elektrischen Ersatzschaltbild nach Fig. 7 erkennbar ist. In dieser Schaltung sind ebenfalls die Lingangsklernmen 12' und 11 sowie die Ausgangsklemmen i4' und ii erkennbar, zu denen jeweils im Quer zweig der Schaltung der Widerstand W liegt. Die Serienresonanzkreise sind in den Längszweigen der Schaltung angeordnet und werden von der Spule IA' und dem Kondensator Cl'. dem KondensatorC2', der Spule/.2'.

der weiteren Spule/.3' und dem Kondensator C 3' und schließlich dem Kondensator C4' und der Spule L4' gebildet, /wischen den einzelnen Scrienresonanzkreisen liegen jeweils im Querzweig der Ersatzschaltung die Koppelinduktivitäten /.12', L23' und /.34'.

Zur besseren Übersieht ist im F.rsatzschaltbild noch die in Fig. 5 ebenfalls eingezeichnete Leitung 15 kenntlich gemacht.

Die Erfindung wurde an Hand von Ausführungsbeispiclen erläutert, die als vierkreisige Bandpaßfilter

ausgebildet sind. In analoger Weise sind auch andere Filter- und Netzwerkschaltungen zu realisiert 1. Die bekannten Vorteile der reinen Reaktanzschaltungen, auch hinsichtlich der Toleranzunempfindlichkeit von Abzweigschaltungen, bleiben dabei vollständig erhal-

ten. Die Zuschallung der Widerstände W hat lediglich zur Folge, daß sich die Grunddämpfung um einen konstanten Betrag erhöht, wodurch die Filtercharakteristik an sich vollständig erhalten bleibt. Als Beispiel kann hier unter der Filtercharakteristik die

Dämpfungsebnung im Durchlaßbereich des Filters verstanden werden. Der Ausgleich der Grunddämpfung läßt sich verhältnismäßig einfach durch einen Verstärker konstanter Verstärkung vornehmen, der ebenfalls in integrierter Bauweise ausgebildet werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspi üche:

1. Aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehendes Netzwerk für elektrische Schwingungen, das zwischen einem Ouell- und einem Vcrbrauüherwiderstand vorgegebener Größe hetreibbai iM. und bei dem die Induktivitätswerte uer im Netzwerk enthaltenen Induktiv itäten derart klein gewählt sind, daß der Wellenwiderstand 7 des Netzwerkes gegenüber dem Ouell- bzw. Verbraucher-Widerstand wesentlich kleiner ist und bei dem weiterhin dem Kin- und Ausgang des Netzwerkes ein Widerstand parallel geschaltet ist. d a d u r e h gekennzeichnet, daß das Net/werk nach Art der Schichttechniken durch Aufbringen von Leiterbahnen bzw. Widerstandsschichten auf ein Trägersubstrat reagiert ist. daß die Induktivitäten durch gegenüber der Betriebst ellenlange kurze Leitungsabschnitte realisiert sind, und daß der ein- und ausgangsseitig parallel geschaltete Widerstand einen Widerstandsvvert W hat. der der Bedingung W RZi(R-Z) genügt, wenn R der Wert des Quell- bzw. Verbrauchervviderstande;-ist.

2. Netzwerk nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat ein dielektrisches Material ist. dessen relative Dielektrizitätskonstante wesen'ieh größer als 1 ist. insbesondere größer oder gleich dem Wert ^l).

3. Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen QueU- und Abschlußvviderständen unterschiedlicher Größe betrieben wird.

4. Netzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in Verbindung mit einem die Dämpfung ausgleichenden Verstärker betrieben wird.

5. Netzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige induktiv wirkende Leiterbahnen Mäanderform haben.

6. Netzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige induktiv wirkende Leiterbahnen Spiralform haben.