DE2142748A1 - MINIATURIZED YIG BANDPASS FILTER WITH DAMPING POLES - Google Patents
MINIATURIZED YIG BANDPASS FILTER WITH DAMPING POLESInfo
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Description
Philips Patentverwaltung GmbH., 2 Hamburg 1, SteindammPhilips Patentverwaltung GmbH., 2 Hamburg 1, Steindamm
Miniaturisiertes YIG-Bandpaßfilter mit DämpfungspolenMiniaturized YIG bandpass filter with attenuation poles
Die Erfindung bezieht sich auf ein miniaturisiertes YIG-Bandpaßfilter mit Dämpfungspolen zur Erzielung hoher Selektivität im Mikrowellenbereich, bei dem die Koppelstruktur z.B. aus gekreuzten, halbkreisförmig über dem YIG-Element gebogenen Koaxialinnenleitern in einem äußeren Magnetkreis besteht.The invention relates to a miniaturized YIG band pass filter with attenuation poles to achieve high selectivity in the microwave range, in which the coupling structure, for example, consists of crossed, Coaxial inner conductors bent in a semicircle over the YIG element exists in an external magnetic circuit.
Dabei wird die ferr!magnetische Resonanz in Perritkörpern ausgenutzt, vorzugsweise werden Yttrium-Eisen-Granat- oder ähnliche, z.B. mit Ga substituierte, YIG-Einkristalle verwendet, die sehr % kleine Resonanzlinienbreiten und daher hohe Resonanzgüten aufweisen. Da die Resonanzfrequenz der ferr!magnetischen Resonanz in erster Näherung nur durch die Stärke eines statischen oder quasistatischen Magnetisierungsfeldes bestimmt wird, spielen anders als bei konventionellen Mikrowellenfiltern mit Leitungs- oder Hohlraumresonatoren die Absolutabmessungen des ferr!magnetischenThe ferr! Magnetic resonance is utilized in Perritkörpern, preferably yttrium iron garnet or the like are, for example, substituted with Ga, YIG single crystals used have very little% resonance line widths and therefore high resonance qualities. Since the resonance frequency of ferromagnetic resonance is only determined in a first approximation by the strength of a static or quasistatic magnetization field, the absolute dimensions of ferromagnetic resonators play a role in contrast to conventional microwave filters with line or cavity resonators
PHD 1649/Mü ' -2-PHD 1649 / Mü '-2-
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Resonators in erster Näherung keine Rolle, es werden vorzugsweise polierte Kugeln mit typischen Durchmessern zwischen 0.3 und 1 mm verwendet. Diese Eigenschaft der YIG-Resonatoren kann vorteilhaft zur 'Realisierung sehr kleiner Filter herangezogen werden, insbesondere lassen sich mit Hilfe von Dauermagneten sehr kleine fest abgestimmte oder mechanisch abstimmbare Filter herstellen. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig für die zunehmend in Anwendung kommenden mit Photoätzverfahren hergestellten miniaturisierten Mikrowellenschaltungen in Streifenleitertechnik (Mikrostrip). Streifenleitungssubstrate sind im allgemeinen Keramiken mit einer Dielektrizitätskonstanten e zwischen 9 und Dadurch ergibt sich eine Verkleinerung umyi* also ca. Faktor 3-4; außerdem sind Streifenleitungsschaltungen abgesehen von der Substratdicke zwischen 0.2 und 0.6 mm nur zweidimensional. Infolge der relativ hohen Leitungsverluste bei Streifenleitungen haben konventionelle Leitungsresonatoren in dieser Technik niedrige unbelastbare Güten in der Größenordnung zwischen 100 und 400 (YIG-Resonatoren 1000 - 10 000). Da die Verluste eines ™ Bandpaßfilters umgekehrt proportional zur Bandbreite und der unbelasteten Güte ansteigen, sind verlustarme und schmalbandige Filter mit hoher Selektivität in Streifenleitungstechnik nicht realisierbar. Eine gewünschte Zusammenschaltung von bekannten verlustarmen Koaxialkreis- oder Hohlraumfiltern und Streifenleitungsschaltungen kommt vor allem wegen der unterschiedlichen Baugröße selten in Frage. Dagegen können YIG-Filter vom Prinzip her in einer zur Streifenleitungstechnik kompatiblen Baugröße realisiert werden.In a first approximation, resonators do not matter, polished spheres with typical diameters between 0.3 and 1 mm are preferred used. This property of the YIG resonators can advantageously be used to implement very small filters, in particular With the help of permanent magnets, very small, permanently tuned or mechanically tunable filters can be produced. These Properties are particularly important for the miniaturized ones that are increasingly being used using photo-etching processes Microwave circuits in stripline technology (microstrip). Stripline substrates are generally ceramics with a dielectric constant e between 9 and This results in a reduction by yi * that is approx. factor 3-4; in addition, apart from the substrate thickness between 0.2 and 0.6 mm, stripline circuits are only two-dimensional. As a result of the relatively high line losses in striplines, conventional line resonators have this technology low unstable grades in the order of magnitude between 100 and 400 (YIG resonators 1000-10 000). Since the losses of a ™ bandpass filter are inversely proportional to the bandwidth and the increase in unloaded quality, low-loss, narrow-band filters with high selectivity in stripline technology are not realizable. A desired interconnection of known low-loss coaxial circuit or cavity filters and stripline circuits is seldom an option, mainly because of the different sizes. On the other hand, YIG filters can work in principle can be implemented in a size compatible with stripline technology.
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t 2U27A8 t 2U27A8
Aufgabe der Erfindung ist es, mit Hilfe von YIG-Resonatoren räumlich kleine, verlustarme, schmalbandige Bandpaßfilter zu realisieren, die einfach mit geringem Platzbedarf in eine Mikrostripschaltung eingebaut werden können, wobei definierte Dämpfungspole erzeugt werden, um mit der kleinstmöglichen Anzahl von YIG-Kugeln eine sehr hohe Flankensteilheit zu erzeugen.The object of the invention is to use YIG resonators to realize spatially small, low-loss, narrow-band bandpass filters that are easily integrated into a microstrip circuit with little space requirement can be built in, with defined damping poles being generated with the smallest possible number to generate a very high edge steepness of YIG balls.
Das Filter soll dabei als fertiger funktionsfähiger Baustein in eine Streifenleitungsschaltung ähnlich wie z.B. Dioden oder Transistoren, eingefügt werden können.The filter should be a ready-to-use, functional component in a stripline circuit similar to e.g. diodes or Transistors, can be inserted.
Bekanntlich erhöht sich die Flankensteilheit eines Filters (Selektivität) mit der Anzahl der verwendeten Resonanzkreise. Eine Möglichkeit, bei vorgegebener Anzahl der Resonanzkreise die Flankensteilheit zu erhöhen, ist durch die Erzeugung definierter Dämpfungspole gegeben (bekannte Verfahren: Zobel Glieder, Cauer Glieder, elliptisch gekoppelte Filter, n-Pfad-Filter). Die Anwendung dieser Technik verringert die Anzahl der erforderlichen Resonanzkreise für einen vorgegeben fAs is well known, the steepness of a filter's edge (selectivity) increases with the number of resonance circuits used. One possibility of increasing the edge steepness with a given number of resonance circuits is more defined through the generation Damping poles given (known methods: Zobel members, Cauer members, elliptically coupled filters, n-path filters). The use of this technique reduces the number of resonance circuits required for a given f
Dämpfungsverlauf eines Filters und bringt somit eine erhebliche Ersparnis an Kosten und Baugröße mit sich. So kann z.B. ein zweikreisiges Bandpaßfilter mit zwei Dämpfungspolen eine Flankensteilheit entsprechend eines drei- oder vierkreisigen geradeaus gekoppelten Filters (Tchebyscheff, Butterworth) aufweisen, wobei die Verluste im Bandpaßbereich sogar geringer sein können. Diese Filter sind besonders geeignet, wenn beiAttenuation curve of a filter and thus brings with it a considerable saving in costs and size. E.g. a two-circuit bandpass filter with two attenuation poles an edge steepness corresponding to a three- or four-circuit have straight coupled filters (Tchebyscheff, Butterworth), the losses in the bandpass range even lower could be. These filters are particularly useful when at
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einem HF-Mischer die Spiegelfrequenz der gewünschten ZF unterdrückt werden soll, der Abstand Bandpaßmittenfrequenz zur Polfrequenz muß dann gleich der doppelten ZF-Frequenz sein.an RF mixer suppresses the image frequency of the desired IF is to be, the distance from the bandpass center frequency to the pole frequency must then be equal to twice the IF frequency.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Koppelstruktur für die YIG-Resonatoren in einem Filterkörper aus z.B. Kupfer oder Messing so angeordnet ist, daß die zur Ankopplung des ersten und zur Ankopplung des letzten YIG-Resonators führenden Koaxialzuleitungen nebeneinander liegen und bei Filtern mit gerader Anzahl von YIG-Resonatoren magnetisch miteinander verkoppelt sind oder bei Filtern mit ungerader Anzahl von YIG-Resonatoren die zur Ankopplung des ersten YIG-Resonators führende Koaxialzuleitung mit der zur Ankopplung des letzten YIG-Resonators führenden Leitung magnetisch verkoppelt ist.The object is achieved according to the invention in that the coupling structure for the YIG resonators is arranged in a filter body made of e.g. copper or brass in such a way that the of the first coaxial feed lines leading to the coupling of the last YIG resonator are next to each other and in the case of filters with an even number of YIG resonators are magnetically coupled to one another or with filters with an odd number of YIG resonators, the coaxial line leading to the coupling of the first YIG resonator with that of the coupling of the last YIG resonator leading line is magnetically coupled.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar.The drawing shows exemplary embodiments.
Es zeigenShow it
Fig. 1 einen zweistufigen YIG-Bandpaßfilter-Baustein, Fig. 2 eine schematische Außenansicht mit Magneten, Fig. 3 eine schematische Draufsicht,1 shows a two-stage YIG band-pass filter module, Fig. 2 is a schematic external view with magnets, Fig. 3 is a schematic plan view,
Fig. 4 Bandpaßfilterkurven, .Fig. 4 band-pass filter curves,.
Fig. 5 einen Querschnitt durch ein YIG-Filter mit magnetischer . Verkopplung,Fig. 5 is a cross section through a YIG filter with magnetic. Coupling,
Fig. 6 eine schematische Draufsicht,6 is a schematic plan view,
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Querschnitt,7 shows a further embodiment in cross section,
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer abstimmbaren Ausführungsform mit Magneten. 8 is a schematic view of a tunable embodiment with magnets.
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Die Koaxialinnenleiter 2 der Zuführungen werden nach Fig. 1 um ca. 0.5 bis 1mm nebeneinanderliegend, vorzugsweise parallel» aus dem Filterblock 1 herausgeführt. Der in einem Dauermagneten montierte Filterkörper wird zunächst in einem Meßadapter eingebaut, und die YIG-Kugeln 3 im Frequenzwobbelverfahren mittels Halterungen 31 Justiert. Der so erhaltene Filterbaustein wird von der Erdplattenseite des Streifenleitungssubstrats her, das mit passenden Durchführungslöchern versehen ist, in die Streifenleitungsschaltung eingebaut, z.B. durch Verlöten oder durch Bonden der aus dem Filterbaustein herausgeführten Koaxialinnenleiter mit den dafür vorgesehenen Enden der Streifenleitung. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen zweistufigen miniaturisierten YIG-Bandpaßfilterbaustein, der Magnet wurde hier weggelassen und ist in Fig. 2 mit dargestellt. Es sind im einzelnen: Filterkörper 1, koaxiale Zuleitungen 2, innere Koppelleitung 2', YIG-Kugeln 3, gekreuzte halbkreisförmige Koppelschleifen 4, Streifenleitungssubstrat 5, Befestigungsfeder 6, Schraube 7, Streifenleitung 8, Erdplatte 9. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Filterbäusteins mit Magneten, ä in diesem Beispiel einem Dauermagneten, bestehend aus Joch 10, Permanentmagnet 11. Die Montage des Magneten mit dem Filterkörper kann durch Verschrauben oder durch Verkleben oder Verlöten erfolgen. Eine Montageart des Filterbausteins in ein Streifenleitungssubstrat zeigt Fig. 3, die Befestigungsfeder wird mit Schraube 7 am Filterkörper 1 festgeschraubt, die Feder 6 drückt dabei auf das Substrat und stellt einen GegendruckAccording to FIG. 1, the coaxial inner conductors 2 of the supply lines are led out of the filter block 1 lying next to one another by approximately 0.5 to 1 mm, preferably in parallel. The filter body, which is mounted in a permanent magnet, is first installed in a measuring adapter, and the YIG balls 3 are adjusted using the frequency wobble method by means of brackets 3 1. The filter module obtained in this way is installed in the stripline circuit from the earth plate side of the stripline substrate, which is provided with suitable feed-through holes, for example by soldering or by bonding the coaxial inner conductor leading out of the filter module to the ends of the stripline provided for this purpose. Fig. 1 shows an embodiment for a two-stage miniaturized YIG band-pass filter module, the magnet has been omitted here and is shown in FIG. They are in detail: filter body 1, coaxial supply lines 2, inner coupling line 2 ', YIG balls 3, crossed semicircular coupling loops 4, stripline substrate 5, fastening spring 6, screw 7, stripline 8, earth plate 9. Fig. 2 shows a perspective view of the Filter module with magnets - in this example a permanent magnet, consisting of yoke 10, permanent magnet 11. The assembly of the magnet with the filter body can be done by screwing or by gluing or soldering. FIG. 3 shows a type of installation of the filter module in a stripline substrate, the fastening spring is screwed to the filter body 1 with screw 7, the spring 6 presses on the substrate and creates a counterpressure
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, 2U2748 , 2U2748
her. Die koaxialen Zuleitungen 2 können mit der Streifenleitung 8 durch Löten oder Bonden leitend verbunden werden.here. The coaxial feed lines 2 can be conductively connected to the strip line 8 by soldering or bonding.
Zur Erzeugung von Dämpfungspolen werden die Zuleitungen 2 vor dem (äußeren) Ankopplungsort an die YIG-Resonatoren magnetisch verkoppelt. Anhand von Fig. 4 wird das Prinzip verdeutlicht. Die gestrichelte Übertragungskurve 12>stellt das Amplitudenverhalten eines geradeaus gekoppelten Bandpaßfilters in Abhängigkeit von der Frequenz dar, Kurve 13 zeigt die Übertragung ak durch die magnetische Verkopplung der Zuleitungen (die zum Beispiel gemessen werden kann, wenn die YIG-Kugeln aus den Filterkörpern entfernt werden). Kurve 14 zeigt eine typische Bandpaßfilterkurve mit Dämpfungspolen. Die Polfrequenzen f^ und f2 liegen bei den Schnittpunkten von Kurve 12 und 13 (Interferenz), hier löschen sich das von den YIG-Resonatoren übertragene Signal und das durch die magnetische Kopplung der Zuleitungen übertragene Signal (ak) aus. Experimentell hat sich herausgestellt, daß die Dämpfungspole zwischen 65 dB und 70 dB liegen, bedingt durch ^ geringfügige Phasenfehler, so daß die Bedingung, gleiche Amplituden bei entgegengesetzter Phase nicht gleichzeitig auftritt. Durch Änderung des Pegels ak des direkt gekoppelten Signals kann der Abstand der Polfrequenzen f^ und t^ zur Mittenfrequenz f symmetrisch verschoben werden, geht man von der 3 dB-Bandbreite * dB) des Filters aus, können Werte (fQ - f^) zwischen ca.To generate damping poles, the supply lines 2 are magnetically coupled to the YIG resonators before the (outer) coupling point. The principle is illustrated using FIG. 4. The dashed transmission curve 12> represents the amplitude behavior of a straight-coupled bandpass filter as a function of the frequency, curve 13 shows the transmission a k through the magnetic coupling of the supply lines (which can be measured, for example, when the YIG balls are removed from the filter bodies ). Curve 14 shows a typical bandpass filter curve with attenuation poles. The pole frequencies f ^ and f 2 are at the intersection of curves 12 and 13 (interference), here the signal transmitted by the YIG resonators and the signal (a k ) transmitted by the magnetic coupling of the supply lines cancel each other out. Experimentally it has been found that the attenuation poles are between 65 dB and 70 dB, due to slight phase errors, so that the condition that the same amplitudes with opposite phase does not occur at the same time. By changing the level a k of the directly coupled signal, the distance between the pole frequencies f ^ and t ^ to the center frequency f can be symmetrically shifted, assuming the 3 dB bandwidth * dB) of the filter, values (f Q - f ^ ) between approx.
(3 £g\ bis zu 10Äf(3 $q\ erzielt werden, entsprechend eines Kopplungspegels a^ zwischen -30 dB bis ca. -55 dB.(3 £ g \ up to 10Äf (3 $ q \ can be achieved, corresponding to a coupling level a ^ between -30 dB to approx. -55 dB.
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Die zur Erzeugung der Dämpfungspole erforderliche Interferenz kann nur dann symmetrisch an beiden Filterflanken entstehen, wenn die vom Filter übertragenen unterhalb und oberhalb des Durchlaßfrequenzbereiches um fo liegenden Signalfrequenzen f (f£ fo) näherungsweise gleichphasig bzw. eine um ein Vielfaches von 2 π verschobene Phasenlage zueinander haben. Bei Bandpaßfiltern beträgt allgemein für Signale f£fo die Phasenlage ein um die Anzahl der Filterkreise Vielfaches von π, die obige Phasenbedingung (Vielfaches von 2ττ) wird nur bei gerader Anzahl von Filterkreisen erfüllt; und hier kann die magnetische Kopp- (| lung (X^, wie eingangs beschrieben, zwischen den Filterzuleitungen erfolgen.The interference required to generate the attenuation poles can only occur symmetrically on both filter flanks, if the signal frequencies transmitted by the filter below and above the pass frequency range around fo are f (f £ fo) approximately in phase or one by a multiple have phase positions shifted by 2 π to one another. With bandpass filters For signals f £ fo, the phase position is generally a multiple of π by the number of filter circuits, the above phase condition (Multiple of 2ττ) is only fulfilled with an even number of filter circuits; and here the magnetic coupling (| ment (X ^, as described above, between the filter feed lines take place.
Bei ungerader Anzahl der Filterkreise muß die magnetische Kopplung <xk z.B. zwischen der zur (äußeren) Ankopplung des ersten Resonators führenden Zuleitung und der zur (inneren, bezogen auf das Filter) Ankopplung des letzten Resonators führenden inneren Koppelleitung 21 erfolgen.If the number of filter circuits is uneven, the magnetic coupling <x k must take place, for example, between the feed line leading to the (outer) coupling of the first resonator and the inner coupling line 2 1 leading to the (inner, based on the filter) coupling of the last resonator.
Die magnetische Verkopplung der Zuleitungen kann durch teilweise Öffnung der Trennwand zwischen den Zuleitungen erfolgen. Fig. 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel, das durch Wegfall des Steges 15 entstanden ist. Sowohl der Abstand a zwischen den Filterzuleitungen 2 als auch der Abstand b zwischen Filterkörpern und Leiterseite des Mikrostripsubstrats beeinflussen den Pegel cuThe supply lines can be magnetically coupled by partially opening the partition between the supply lines. FIGS. 5 and 6 show an exemplary embodiment which was created by eliminating the web 15. Both the distance a between the Filter feed lines 2 and the distance b between the filter bodies and the conductor side of the microstrip substrate influence the level cu
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des direkt gekoppelten Signals. Fig. 7 zeigt im Prinzip eine Ausführungsform, die es gestattet, den Koppelpegel a^ kontinuierlich einzustellen, durch den Schlitz 16 sind die beiden Zuleitungen verkoppelt, mit einer verschiebbaren Blende 17 kann die Kopplung variiert werden. Andere sinngemäße Vorrichtungen •mit Schrauben sind ebenfalls möglich.of the directly coupled signal. Fig. 7 shows in principle an embodiment which allows the coupling level a ^ continuously set, through the slot 16, the two supply lines are coupled, with a sliding panel 17 can the coupling can be varied. Other analogous devices • with screws are also possible.
In Fig. 6 und 8 ist eine weitere Befestigungsart des Filterkörpers an das Mikrostripsubstrat dargestellt. Mit den Schrauben 18 W wird von der Schaltungsseite des Substrates das unter dem Substrat befindliche Filter festgeschraubt. Fig. 8 zeigt die erforderlichen Gewindelöcher 19, z.B. in den Magnet^ochen. Weiterhin zeigt Fig. 8 eine einfache Möglichkeit, die Mittenfrequenz des Filters durch mehr oder weniger tiefes Einschrauben der aus magnetischem Material hergestellten Schraube 20 abzustimmen, hierdurch entsteht ein magnetischer Nebenschluß, der das Feld im Bereich des Filters und damit die Resonanzfrequenz mehr oder weniger erniedrigt. Mit Hilfe einer Spule 21 im Magnetkreis läßt sich auch eine elektronische (Zusatz) Abstimmung erzielen, die vorteilhaft z.B. für eine elektronisch geregelte Frequenznachstellung ist. Die Erzeugung von Polfrequenzen ist nicht auf die hier beschriebenen speziellen Fälle beschränkt, auch in den üblichen elektronisch abstimmbaren YIG-Filtern lassen sich die erforderlichen Maßnahmen sinngemäß der genannten Beis j realisieren.In Fig. 6 and 8, a further type of attachment of the filter body to the microstrip substrate is shown. The filter located under the substrate is screwed tight with the screws 18 W from the circuit side of the substrate. Fig. 8 shows the required threaded holes 19, for example in the magnet ^ ochen. Furthermore, FIG. 8 shows a simple possibility of adjusting the center frequency of the filter by screwing in the screw 20 made of magnetic material more or less deeply, this creates a magnetic shunt that more or less lowers the field in the area of the filter and thus the resonance frequency. With the aid of a coil 21 in the magnetic circuit, electronic (additional) tuning can also be achieved, which is advantageous, for example, for electronically controlled frequency readjustment. The generation of pole frequencies is not limited to the special cases described here; the necessary measures can also be implemented in the usual electronically tunable YIG filters in accordance with the aforementioned Beis j.
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2U27482U2748
Abschließend sollen einige Ergebnisse genannt werden, die an einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 (und Fig. 8) erzielt wurden:Finally, some results should be mentioned, which are related to an embodiment according to Fig. 6 (and Fig. 8) were achieved:
Mittenfrequenz fCenter frequency f
Zwischenschaltdämpfung 3 dB BandbreiteIntermediate switching attenuation 3 dB bandwidth
PolfrequenzenPole frequencies
PoldämpfungPole damping
Koppelpegel ak Coupling level a k
Abmessungen des Filterblocks mechanischer Abstimmbereich Temperaturabhängigkeit von f 2 500 MHz 1.5 dB 12 MHz 60 MHzDimensions of the filter block mechanical tuning range temperature dependence of f 2 500 MHz 1.5 dB 12 MHz 60 MHz
67 dB - 47 dB67 dB - 47 dB
12 x 6 x 5 mm 2 500 - 2 000 MHz ca.20 KHz/0C12 x 6 x 5 mm 2 500 - 2 000 MHz about 20 KHz / 0 C
Patentansprüche:Patent claims:
-10--10-
309810/0 135309810/0 135
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2142748B2 DE2142748B2 (en) | 1976-02-05 |
DE2142748C3 DE2142748C3 (en) | 1976-09-09 |
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ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115911793A (en) * | 2023-03-01 | 2023-04-04 | 成都威频科技有限公司 | Up-down coupling ultra-wideband high-isolation adjustable band-pass filter |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115911793A (en) * | 2023-03-01 | 2023-04-04 | 成都威频科技有限公司 | Up-down coupling ultra-wideband high-isolation adjustable band-pass filter |
Also Published As
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JPS5340062B2 (en) | 1978-10-25 |
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US3801936A (en) | 1974-04-02 |
GB1389126A (en) | 1975-04-03 |
DE2142748B2 (en) | 1976-02-05 |
JPS4831037A (en) | 1973-04-24 |
FR2150454B1 (en) | 1978-10-27 |
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