DE2142748C3 - Miniaturized YIG bandpass filter with attenuation poles - Google Patents
Miniaturized YIG bandpass filter with attenuation polesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein YIG-Bandpaßfilter in Miniaturbauweise mit Dämpfungspolen zur Erzielung hoher Selektivität im Mikrowcllenbereich, bei dem die Koppelstruktur z. B. aus gekreuzten, halbkreisförmig Ober den YIG-Elementen gebogenen Koaxialinnenlei tern in einem äußeren Magnetkreis besteht.The invention relates to a miniature YIG band pass filter with attenuation poles to achieve this high selectivity in the microwave area, in which the coupling structure z. B. from crossed, semicircular Koaxialinnenlei bent over the YIG elements consists of an external magnetic circuit.
Neben dem normalen Koppelpfad eine oder mehrere Umwegkopplungen vorzusehen, durch die an den Polstellen beide Kopplungen gerade gegenphasig wirken, ist bekannt. Es ist auch bekannt, die ferrimagnetische Resonanz in Ferritkörpern auszunutzen, 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 ferrimagnetischen Resonanz in erster Näherung nur durch die Stärke eines statischen oder quasi-statischen Magnetisierungsfeldes bestimmt wird, spielen anders als bei konventionellen Mikrowellenfiltern mit Leitungsoder Hohlraumresonatoren die Absolutabmessungen des ferrimagnetischen 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 abgestimmte 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 ε zwischen 9 und 16. Dadurch e>gibt sich eine Verkleinerung um ^ε, also etwa Faktor 3 bis 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 niedrigeIn addition to the normal coupling path to provide one or more detour couplings through which to the It is known that both couplings have poles that are in phase opposition. It is also known to be ferrimagnetic To use resonance in ferrite bodies, preferably yttrium-iron-garnet or similar, z. B. YIG single crystals substituted with Ga are used, which have very small resonance line widths and therefore high resonance qualities. Since the resonance frequency the ferrimagnetic resonance in a first approximation only by the strength of a static or quasi-static Magnetization field is determined, unlike conventional microwave filters with line or cavity resonators, the absolute dimensions play of the ferrimagnetic resonator does not matter in a first approximation, polished spheres are preferred used with typical diameters between 0.3 and 1 mm. This property of the YIG resonators can advantageously be used to implement very small filters, in particular can be used with Using permanent magnets, produce very small, permanently tuned or mechanically tuned filters. This Properties are particularly important for those increasingly used with photo-etching processes miniaturized microwave circuits manufactured using stripline technology (microstrip). Stripline substrates are generally ceramics with a dielectric constant ε between 9 and 16. This means e> is reduced by ^ ε, i.e. about a factor of 3 to 4; furthermore, strip line circuits are between 0.2 and 0.6 mm apart from the substrate thickness only two-dimensional. As a result of the relatively high line losses in striplines, conventional Line resonators in this technology are low
ίο unbelastbare Güten in der Größenordnung zwischen 100 und 400 (YIG-Resonatoren 1000 bis 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.ίο unstable grades in the order of magnitude between 100 and 400 (YIG resonators 1000 to 10,000). Since the Losses of a bandpass filter increase inversely proportional to the bandwidth and the unloaded quality, low-loss, narrow-band filters with high selectivity cannot be implemented in stripline technology. A desired interconnection of known low-loss coaxial circuit or cavity filters and Stripline circuits are seldom considered, mainly because of the different sizes.
J0 Dagegen können YIG-Filter vom Prinzip her in einer zur Streifenleitungstechnik kompatiblen Baugröße realisiert werden, vgl. hierzu IEEE Transactions on MTT, 1965/3, S. 306 bis 315.J 0 In contrast, YIG filters can in principle be implemented in a size compatible with stripline technology, cf. IEEE Transactions on MTT, 1965/3, pp. 306 to 315.
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, with the help of YIG resonators, spatially small, low-loss, narrow-band resonators To realize band-pass filters that are easy to use with little space in a microstrip circuit can be built in, with defined damping poles being generated in order with the smallest possible Number of YIG balls has a very high edge steepness to create.
Das Filter soll dabei als fertiger funktionsfähiger Baustein in eine Streifenleitungsschaltung, ähnlich wie z. B. Dioden oder Transistoren, eingefügt werden können.The filter is supposed to be a ready-made, functional component in a stripline circuit, similar to z. B. 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 vorgegebenen 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 sine besonders geeignet, wenn bei einem HF-Mischer die Spiegelfrequenz der gewünschten ZF unterdrück werden soll, der Abstand Bandpaßmittenfrequenz zui Polfrequenz muß dann gleich der doppelten ZF-Fre quenzsein.As is well known, the steepness of the slope of a filter (selectivity) increases with the number of filters used Resonance circles. One possibility of increasing the edge steepness with a given number of resonance circuits increase, is given by the generation of defined damping poles (known methods: Zobel members, Cauer terms, elliptically coupled filters, n-path filters). Using this technique reduces the number of resonance circuits required for one predetermined attenuation curve of a filter and thus brings a considerable saving in costs and Size with itself. So z. B. a two-circuit bandpass filter with two attenuation poles has an edge steepness corresponding to a three- or four-circle straight-coupled filter (Tchebyscheff, Butterworth) have, wherein the losses in the bandpass range can be even lower. These filters are sine particularly suitable when suppressing the image frequency of the desired IF in an HF mixer is to be, the distance from the bandpass center frequency to the pole frequency must then be equal to twice the IF frequency to be quickened.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch daß die Dämpfungspole in der Weise erzeugt werder daß die zur Ankopplung des ersten und zur Ankoppluni des letzten YIG-Resonators führenden Koaxialzuleitun gen nebeneinanderliegen und bei Filtern mit gerade Anzahl von YIG-Resonatoren magnetisch miteinande verkoppelt sind oder bei Filtern mit ungerader Anzal· von YIG-Resonatoren die zur Ankopplung des erste YIG-Resonators führende Koaxialzuleitung mit der zu Ankopplung des letzten YIG-Resonators führende Leitung magnetisch verkoppelt ist.The object is achieved according to the invention in that the damping poles are generated in this way that the Koaxialzuleitun leading to the coupling of the first and to the coupling of the last YIG resonator gen lie next to each other and in filters with an even number of YIG resonators magnetically with each other are coupled or, in the case of filters with an odd number of YIG resonators, those for coupling the first Coaxial feed line leading to the YIG resonator with the one leading to the coupling of the last YIG resonator Line is magnetically coupled.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar. Es zeigtThe drawing represents exemplary embodiments. It shows
Fig. 1 einen zweistufigen YIG-Bandpaßfilter-Baustein, 1 shows a two-stage YIG band-pass filter module,
F i g. 2 eine schematische Außeaansicht mit Magne- s ten,F i g. 2 is a schematic Außeaansicht with magnesium th s,
F i g. 3 eine schematische Draufsicht,F i g. 3 a schematic plan view,
F i g. 4 Bandpaßfilterkurven,F i g. 4 bandpass filter curves,
Fig.5 einen Querschnitt durch ein YIG-Filter mit magnetischer Verkopplung, F i g. 6 eine schematische Draufsicht,5 shows a cross section through a YIG filter with magnetic coupling, F i g. 6 a schematic plan view,
F i g. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Querschnitt, F i g. 7 a further embodiment in cross section,
F i g. 8 eine schematische Ansicht einer abstimmbaren Ausführungsform mit Magneten.F i g. 8 is a schematic view of a tunable embodiment with magnets.
Die Koaxialinnenleiter 2 der Zuführungen werden nach F i g. 1 um etwa 0,5 bis 1 mm 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 Frequenzwobbe!- verfahren mittels Halterungen 3' 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 miniturisierten YIG-Bandpaßfilterbaustein, der Magnet wurde hier weggelassen und ist in F i g. 2 mit dargestellt. Es sind im einzelnen: Filterkörper 1, koaxiaie Zuleitungen 2, innere Koppelleitung 2', YIG-Kugeln 3, gekreuzte halbkreisförmige Koppelschleifen 4, Streifenleitungssubstrat 5, Befestigungsfeder 6, Schraube 7, Streifenleitung 8, Erdplatte 9. F i g. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Filterbausteins mit Magneten, 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 Filierbausteins in ein Streifenleitungssubstrat zeigt F i g. 3, die Befestigungsfeder 6 wird mit Schraube 7 am Filterkörper 1 festgeschraubt, die Feder 6 drückt dabei auf das Substrat und stellt einen Gegendruck her. Die koaxialen Zuleitungen 2 können mit der Streifenleitung 8 durch Löten oder Bonden leitend verbunden werden.The coaxial inner conductor 2 of the feeds are shown in FIG. 1 next to each other by about 0.5 to 1 mm, preferably parallel, led out of the filter block 1 The mounted in a permanent magnet The filter body is first installed in a measuring adapter and the YIG balls 3 in the frequency wobbe! - traverse adjusted by means of brackets 3 '. The filter module obtained in this way is from the earth plate side of the stripline substrate, which is provided with matching through-holes, into the stripline circuit built-in, e.g. B. by soldering or by bonding the lead out of the filter module Coaxial inner conductor with the intended ends of the stripline. Fig. 1 shows an embodiment for a two-stage miniaturized YIG bandpass filter module, the magnet was here is omitted and is shown in FIG. 2 shown with. They are in detail: filter body 1, coaxial feed lines 2, inner ones Coupling line 2 ', YIG balls 3, crossed semicircular coupling loops 4, stripline substrate 5, Fastening spring 6, screw 7, stripline 8, ground plate 9. F i g. 2 shows a perspective illustration 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 done. One way of mounting the filter module in a stripline substrate is shown F i g. 3, the fastening spring 6 is screwed to the filter body 1 with screw 7, the spring 6 pushes in the process on the substrate and creates a counter pressure. The coaxial leads 2 can be connected to the stripline 8 are conductively connected by soldering or bonding.
Zur Erzeugung von Dämpfungspolen werden die Zuleitungen 2 vor dem (äußeren) Ankoppbngsort an die YIG-Resonatoren magnetisch verkoppelt. An Hand von F i g. 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 α* 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 Polfre- ^0 quenzen /i und /2 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 («*) aus. Experimentell hat sich herausgestellt, daß die Dämpfungspole zwischen 65 und 70 dB liegen, bedingt durch geringfügige Phasenfehler, so daß die Bedingung gleiche Amplituden bei entgegengesetzter Phase nicht gleichzeitig auftritt. Durch Änderung des Pegels «* des direkt gekoppelten Signali kann der Abstand der Polfrequenzen /i und /2 zur Mittenfrequenz Λ symmetrisch verschoben werden, geht man von der 3-dB-Bandbreite (Ah dB) des Filters aus, können Werte (Zb — /1) zwischen etwa 34/(3 dB) und zu 10.d/(3 dB) erzielt werden, entsprechend eines Kopplungspegels «* zwischen -30 dB und etwa -55 dB.To generate damping poles, the supply lines 2 are magnetically coupled to the YIG resonators in front of the (outer) coupling location. With reference to FIG. 4 the principle is clarified. The dashed transfer curve 12 represents the amplitude behavior of a straight-coupled bandpass f ilters in function of the frequency is, curve 13 shows the transmission α * by the magnetic coupling of the supply lines (which may be measured, for example, if the YIG spheres removed from the filter bodies will). Curve 14 shows a typical bandpass filter curve with attenuation poles. The Polfre- ^ 0 frequencies / i and / 2 are at the intersections of curve 12 and 13 (interference), here remove this from the YIG resonators transmitted signal and transmitted through the magnetic coupling of the leads signal ( "*) from . Experimentally, it has been found that the attenuation poles are between 65 and 70 dB, due to slight phase errors, so that the condition of equal amplitudes with opposite phase does not occur at the same time. By changing the level «* of the directly coupled signal, the spacing of the pole frequencies / i and / 2 to the center frequency Λ can be symmetrically shifted, assuming the 3 dB bandwidth (Ah dB) of the filter, values (Zb - / 1) between about 34 / (3 dB) and 10d / (3 dB) can be achieved, corresponding to a coupling level «* between -30 dB and about -55 dB.
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 A liegenden Signalfrequenzen f (fe. Λ) näherungsweise gleichphasig bzw. eine um ein Vielfaches von 2π verschobene Phasenlage zueinander haben. Bei Bandpaßfiltern beträgt allgemein für Signale /^ k die Phasenlage ein um die Anzahl der Filterkreise Vielfaches von ji, die obige Phasenbedingung (Vielfaches von 2π) wird nur bei gerader Anzahl von Filterkreisen erfüllt; und hier kann die magnetische Kopplung **, wie eingangs beschrieben, zwischen den Filterzuleitungen erfolgen.The required for generating the attenuation poles interference can only symmetrically on both filter edges are formed when the data transmitted from the filter beneath and lying above the Durchlaßfrequenzbereiches to A signal frequencies f (fe. Λ) have approximately the same phase or a by a multiple of 2π phase shifted relation to each other . In the case of band-pass filters, the phase position for signals / ^ k is generally a multiple of ji by the number of filter circuits, the above phase condition (multiple of 2π) is only met with an even number of filter circuits; and here the magnetic coupling **, as described above, can take place between the filter feed lines.
Bei jngerader Anzahl der Filterkreise muß die magnetische Kopplung «* 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 2' erfolgen.With an even number of filter circuits, the magnetic coupling must B. between the for (outer) coupling of the first resonator leading lead and the (inner, related to the filter) Coupling of the inner coupling line 2 'leading to the last resonator takes place.
Die magnetische Verkopplung der Zuleitungen kann durch teilweise Öffnung der Trennwand zwischen den Zuleitungen erfolgen. F i g. 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 λ* des direkt gekoppelten Signals. F i g. 7 zeigt im Prinzip eine Ausführungsform, die es gestattet, den Koppelpegel λ* 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.The supply lines can be magnetically coupled by partially opening the partition between the supply lines. F i g. FIGS. 5 and 6 show an exemplary embodiment that 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 λ * of the directly coupled signal. F i g. In principle, FIG. 7 shows an embodiment which allows the coupling level λ * to be set continuously. The two feed lines are coupled through the slot 16, and the coupling can be varied with a movable panel 17. Other analogous devices with screws are also possible.
In Fig.6 und 8 ist eine weitere Befestigungsart des Filterkörpers an das Mikrostriptsubstrat dargestellt. Mit den Schrauben 18 wird von der Schaltungsseite des Substrates das unter dem Substrat befindliche Filter festgeschraubt. F i g. 8 zeigt die erforderlichen Gewindelöcher 19, z. B. in den Magnetjochen. 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 sin 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 Polfreqüenzen 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 Beispiele realisieren.In Fig.6 and 8 is another type of attachment of the Filter body shown on the microstrip substrate. With the screws 18 is from the circuit side of the Substrates, the filter located under the substrate is screwed tight. F i g. 8 shows the required threaded holes 19, e.g. B. in the magnet yokes. Furthermore, Fig. 8 shows a simple possibility, the center frequency of the filter by screwing in the screw made of magnetic material more or less deeply 20 to vote, this creates a magnetic shunt, which the field in the area of the filter and so that the resonance frequency is more or less lowered. With the help of a coil 21 in the magnetic circuit also achieve an electronic (additional) vote, which is advantageous z. B. for an electronically regulated frequency adjustment is. The generation of pole frequencies is not limited to the ones described here limited in special cases, even in the usual electronically tunable YIG filters, the Implement the necessary measures in accordance with the examples given.
Abschließend sollen eirige Ergebnisse genannt werden, die an einem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 (und Fig. 8)erzielt wurden:Finally, some results should be mentioned which are based on an exemplary embodiment according to FIG. 6th (and Fig. 8) were achieved:
5 65 6
Mittenfrequenz Λ 2500 MHz Koppelpegel λ* -47 dBCenter frequency Λ 2500 MHz Coupling level λ * -47 dB
Zwischenschaltdämpfung 1,5 dB Abmessungendes Filterblocks 12 χ 6 χ 5 mm*Intermediate switching attenuation 1.5 dB Dimensions of the filter block 12 χ 6 χ 5 mm *
3-dB-Bandbreite 12 MHz Mechanischer Abstimmbereich 2500bis 2000 MHz3 dB bandwidth 12 MHz. Mechanical tuning range 2500 to 2000 MHz
Polfrequenzen ft±60 MHz Temperaturabhängigkeit von /b etwa 20 kHz/°CPole frequencies ft ± 60 MHz temperature dependence of / b approx. 20 kHz / ° C
Poldämpfung 67 dB 5Pole attenuation 67 dB 5
Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings
Claims (3)
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Publications (3)
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DE2142748B2 DE2142748B2 (en) | 1976-02-05 |
DE2142748C3 true DE2142748C3 (en) | 1976-09-09 |
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