DE2620288C2 - Keramikfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramikfilter mit zumindest zwei zweikreisigen monolithischen Keramik-Filterelementen und zumindest einem Kopplungsvierpol aus drei Reaktanzelementen zwischen den Keramik-Filter-

is:, bekannt aus »Proceedings of the 25'* Annual Frequency Control Symposium« (Tagung vom 26. bis 28. April 1971 in Atlantic City, New Jersey, USA; Seiten 287 bis 296), bei welchem zwischen den zweikreisigen monolithisehen Filterelementen jeweils ein Kopplungsvierpol aus drei Reaktanzschaltelementen, nämlich aus zwei Kondensatoren und einer Spule, eingefügt ist, und bei welchem aufgrund der Bemessung der monolithischen Quarz-Filterelemente und der Kopplungsvierpole Tschebyscheff-Verhalten der Dämpfungskurve der Gesamtanordnung im Durchlaßbereich erzielt wird. Aus der DE-OS 20 46 421 ist ein Keramikfilter bekannt, welches im wesentlichen nachfolgend unter Bezugnahme auf F i g. 1 beschrieben ist und bei dem die beiden Zweikreis-Abschnitte und der Kopplungskondensator auf einem einzigen Substrat angeordnet sind.

Die bekannten Keramikfilter haben den Nachteil, daß eine Einschränkung bezüglich der Anpassung an periphäre Schaltungen dadurch vorliegt, daß deren eingangs- und ausgangsseitiger Wellenwiderstand im Bereich zwischen 300 bis 500 Ohm liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Keramikfilter zu schaffen, mit welchem hohe eingangs- und ausgangsseitige Wellenwiderstände herbeigeführt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kopplungsvierpol aus Kondensatoren in ^--Schaltung oder T-Schaltung mit einer solchen Bemessung der Kapazitätswerte gelöst, daß die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Wellenwiderstände der Gesamtanordnung gegenüber den Wellenwiderstandswerten vergrößert sind, die bei der Kopplung der Filterelemente durch einen einzigen, als Querzweig eingefügten Kondensator auftreten.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden nach der Erläuterung eines dem Stand der Technik angehörenden Keramikfilters bevorzugte Ausführungsformen des Keramikfilters nach der Erfindung anhand von Zeichnungen zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild des bekannten Keramikfilters,

F i g. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Keramikfilters,

F i g. 3 die linke Hälfte der in F i g. 2 gezeigten Schaltung, wobei das Filterelement schematisch als Vierpol mit seiner Kettenmatrix dargestellt ist,

Fig.4 eine Darstellung zur Erläuterung der Impedanzcharakteristiken des Keramikfilters gemäß der Erfindung,

F i g. 5 eine Ansicht zur Erläuterung der Impedanzeigenschaften eines Keramikfilters nach F i g. 1,

F i g. 6 die Dämpfungscharakteristik des Filters nach der Erfindung, welches die Impedanzeigenschaften gemaß F i g. 4 aufweist, und

F i g. 7 die schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels für die bauliche Ausbildung eines erfindungsgemäßen Keramikfilters.

In F i g. 1 ist die Schaltung eines bekannten keramisehen Filters dargestellt, welches zwei zweikreisige keramische Filterelemente F\ und F'₂ mit drei Anschlüssen enthält. Das Element F\ weist ein keramisches Substrat S'\ mit einer Eingangselektrode E'n und einer Ausgangselektrode E'a 1 auf, die auf der einen Hauptfläche dieses Elements vorgesehen sind, sowie eine Elektrode E'cu welche auf der anderen Hauptfläche des Elements vorgesehen ist. In ähnlicher Weise hat das andere Element /"-"': ebenfalls ein keramisches Substrat S'? mit einer

Eingangselektrode £'2 und einer Ausgangselektrode E'o2, die auf der einen Hauptfläche vorgesehen sind, und mit einer Elektrode E'_C2, die auf der anderen Hauptfläche des letzteren Elements vorgesehen ist Die Ausgangselektrode E'o 1 des Elements F\ ist rnit der Eingangselektrode E'n des anderen Elements F'2 verbunden, während die Elektroden £'_ci und E'_c2 dieser Elemente miteinander und mit Masse verbunden sind, obgleich die letztere Verbindung nicht dargestellt ist Ein Kopplungskondensator C_p ist als Querzeig zwischen die Elektroden £'_c\. E'_c2 geschaltet, der demzufolge einerseits an Masse angeschlossen ist und andererseits mit dem Verbindungspunkt ρ zwischen der Ausgangselektrode E'o ι des Elements F\ und der Eingangselektrode E'n des Elements F'2 in Verbindung steht. Mit Γ', und T'_o sind Eingangs- und Ausgangsanschlüsse bezeichnet während mit T'_c ein gemeinsamer Anschluß bezeichnet ist, der in Masseverbindung steht.

Ein derartiges konventionelles Keramikfilter hat den Nachteil, daß die Eingangs- und Ausgangsimpedanz so niedrig ist, daß sich Schwierigkeiten ergeben, wenn versucht wird, diese bekannte Filterschaltung an periphere Schaltungen anzupassen. Dies ergibt sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf F i g. 5.

Im folgenden wird auf Fig.2 Bezug genommen, in der die Schaltung eines Keramikfilters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist Teile, die dem Filter nach F i g. 1 entsprechen, sind in F i g. 2 mit gleichen Bezugsziffern unter Weglassung der Striche bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist die Ausgangseleketrode E₀ \ des zweikreisigen keramischen Filterelements Fi, welches drei Anschlüsse aufweist, übet einen Kondensator C2 mit der Eingangseleketrode En des anderen zweikreisigen keramischen Filterelements F2 verbunden, welches ebenfalls drei Anschlüsse aufweist; die Ausgangselektrode E₀ 1 und die Eingangselektrode En sind über zugeordnete Kondensatoren Ci bzw. C3 mit den an Masse liegenden Elektroden E_c\ und £_c: verbunden. Die Kondensatoren Q, C₂ und C₃ bilden einen Kopplungsvierpol in .^-Schaltung zwischen den beiden Filterelementen. Ersichtlicherweise kann dieser Kopplungsvierpol auch als T-Schaltung ausgebildet sein.

Bei dem durch F i g. 2 gezeigten Keramikfilter aus der Kettenschaltung des Filterelementes F,, dem Kopplungsvierpol in ^--Schaltung mit den Kondensatoren Ci, C₂, Cz und dem Filterelement F2 sind die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen Z, und Z2 — genauer ausgedrückt: die eingangs- und ausgangsseitigen Wellenwiderstände Zi und Z2 — leichter zu berechnen, wenn — wie bekannt — die Hälfte der Schaltung betrachtet wird. In Fig.3 ist deshalb die linke Hälfte der durch Fig.2 veranschaulichten Schaltung mit der Maßgabe wiedergegeben, daß das Filterelement Fi schematisch als Vierpol mit einer Kettenmatrix dargestellt ist, deren Glieder mit A, B, C und D bezeichnet sind. In der durch F i g. 3 gezeigten Schaltungshälf'te weist der Kondensator C'2 einen Kapazitätswert auf, der doppelt so groß ist wie der Kapazitätswert des Kondensators C2 in der Schaltung nach F i g. 2. Die Schaltungen nach F i g. 2 und 3 habep identische eingangsseitige Wellenwiderstände Z\. Der Absolutwert des eingangsseitigen Wellenwiderstandes Z] der Schaltung nach F i g. 3 ist durch die Quadratwurzel des Produktes aus dem Absolutwert des eingangsseitigen Kurzschlußwiderstandes Z„ und dem Ab- t>-5 solutwert des eingangsseitigen Leerlaufwiderstandes Ζ,ι gegeben. Es gilt somit

I z,

Der eingangsseitige Kurzschlußwiderstand Z„ ist an den Anschlüssen T₁ und T_c der Schaltung nach F i g. 3 meßbar, wenn deren Anschlüsse T"_o und T"_c kurzgeschlossen sind, der eingangsseitige Leerlaufwiderstand Zif tritt an den Anschlüssen T und T_c in Erscheinung, wenn die Anschlüsse T"_o und T"_c offen sind. Der ausgangsseitige Wellenwiderstand Z₂ kann in gleicher Weise ermittelt werden. Für den eingangsseitigen Kurzschlußwiderstand Z/s und den eingangsseitigen Leerhufwiderstand Za der Schaltung nach F i g. 3 lassen sich die nachfolgenden Gleichungen (2) und (3) angeben:

Z₁₁-

_{B |} A+jmC_vB

j ω C_{2 Dl} C+ja>C_rD

j ω C₁

A+j

C+ j ω C,- D

Durch eine Änderung von Ci von Null auf Unendlich und durch Änderung von C₂ von Null aaf Unendlich ändert sich Z,_s zwischen den Werten A/C und B/D. Ferner geht Zif durch die Änderung von Ci von Null auf Unendlich von A/C auf B/C über. Daraus ergibt sich, daß Zis und Z,r in einem großen Bereich abhängig von den Werten Ci und C'2 variiert werden können. Gemäß der Erfindung kann somit der eingangs- und ausgangsseitige Wellenwiderstand des Keramikfilters durch geeignete Wahl der Werte C\, C? und C3 erhöht werden. Beispielsweise ist erreichbar, daß sich bei den Werten Ci = C2 = Cj = 1OpF die Absolutwerte der Impedanzen Zis und Z,/mit der Frequenz in der Weise ändern, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. Gemäß der Wellenparametertheorie nimmt der Durchlaßbereich des vorliegenden Filters das in Fig.4 mit E kenntlich gemachte Frequenzband ein, in welchem die beiden Kurven von | Z„ | und I Za\ in zueinander entgegengesetzten Richtungen geneigt sind. Mit dieser Ausführungsform der Erfindung ist es somit möglich, ein Keramikfilter zu erhalten, dessen eingangs- und ausgangsseitiger Wellenwiderstand 1000 Ohm beträgt Ζ, = Z₂ = Z.

Zum Vergleich soll nunmehr für die in F i g. 1 gezeigte bekannte Filterschaltung die Veränderbarkeit der eingangs- und ausgangsseitigen Wellenwiderstände Z\ und Z'2 in Abhängigkeit von der Größe des Kopplungskondensators Cp zwischen den beiden monolithischen Filterelementen F'i und F'2 ermittelt werden. Betrachtet man die linke Hälfte der Schaltung nach Fig. 1 und benennt man die Glieder der Kettenmatrix des Filterelements F'i wieder mit A, B, C und D, so ergibt sich für diese Schaltungshälfte an den Anschlüssen Γ', und V₁ als eingangsseitiger Kurzschlußwiderstand.

und als eingangsseitiger Leerlaufwiderstand
Λ +j (·>—^- B

C+j

Selbstverständlich kann in den Gleichungen (4) und

(5) die in der Gleichung (2) enthaltene Kapazität O nicht auftreten. Die Größe der Kopplungskapazität C₁, ist ohne Einfluß auf den numerischen Wert des eingangsseitigen Kurzschlußwiderstandes Z'„. Durch die Änderung der Kopplungskapazität C,, von Null auf Un- > endlich kann lediglich der eingangsseitige Leerlaufwiderstand ZV zwischen den Werten A/C und B/D geändert werden. F i g. 5 zeigt, wie die Absolutwerte des cingangsseitigen Kurzschlußwiderstandes Z'„ und des eingangsseitigen Leerlaufwiderstandes Ζ'Ίι sich in Abhän- κι gigkeit von der Frequenz ändern. Gemäß der Wellenpa- . rametertheorie tritt der Durchlaßbereich der Schaltungshälfte und damit auch der Gesamianordnung nach Fig. 1 in dem Frequenzband auf, das in F i g. 5 mit G bezeichnet ist. Die eingangs- und ausgangsseitigen WeI-lenwiderstände Z\ und Z'₂ sind dabei im Durchlaßbereich G in der Größenordnung von 330 Ohm.

In F i g. 6 ist die Filterkurve der durch F i g. 2 veranschaulichten Schaltung nach der Erfindung dagestellt. Diese Schaltung weist den in Fig.4 gezeigten Verlauf der Kurzschluß- und Leerlaufwiderstände auf. In diesem Fall beträgt der eingangs- und ausgangsseitige Wellenwiderstand 1000 Ohm, wie dies bereits erläutert wurde.

In der Praxis läßt sich das unter Bezugnahme auf F ι g. 2 beschriebene keramische Filter so aufbauen, wie dies aus F i g. 7 hervorgeht. Bei dieser Ausführungsform sind ein Elektrodenpaar 5 und 7 auf der einen Hauptfläche des keramischen Substrates S in Abstand zueinander einhaltender, nebeneinander liegender Beziehung angeordnet; ein anderes Elektrodenpaar 11, 13 ist in ähnlicher Beziehung zueinander vorgesehen. Auf der anderen Hauptfläche des keramischen Substrats S sind zusätzliche Elektroden 9 und 15 in zu den vorherbesprochenen beiden Elektrodenpaaren entgegengesetzter räumlicher Anordnung vorgesehen. In diesem Fall sind wenigstens diejenigen Abschnitte des keramischen Substrats 5. aufweichen die Elektroden 5, 7,9 und 11,13,15 vorgesehen sind, in an sich bekannter Weise polarisiert. Auf diese Weise werden die beiden keramischen Filterelemente F-. und F> mit drei Anschlüssen durch die Elek-•roden 5, 7, 9 und 11, 13, 15 zusammen mit den polarisierten Abschnitten des keramischen Substrats S gebildet, wobei die Elektroden 5 und 7 den Elektroden En und E, · nach Fi g. 2. die Elektroden 11 und 13 den Elektroden E, j und Ε, 2 nach F i g. 2, die Elektroden 9 und 15 den Elektroden E₁-; und E₁-2 nach Fig. 2 entsprechen. Darüber hinaus ist ein weiteres Elektrodenpaar 21, 23 auf der einen Hauptfläche des keramischen Substrates 5 in Abstand zueinander einhaltender, nebeneinander liegender Beziehung vorgesehen und eine gegenüberliegende Elektrode 25 ist auf der anderen Oberfläche des keramischen Substrates 5 in zu den Elektroden 21, 23 gegenüberliegender Beziehung vorgesehen. Die Elektroden 21 und 23 bilden einen dem Kondensator C2 nach F i g. 2 entsprechenden Kondensator; die Elektroden 21 und 25 bilden einen Kondensator, der dem Kondensator Ci nach F i g. 2 entspricht und die Elektroden 23 und 25 bilden einen Kondensator, welcher dem Kondensator C₃ nach F i g. 2 entspricht Die der Ausgangselektrode E₀1 des Filterelements F₁ entsprechende Elektrode 7 ist über einen Leiter 17 mit der Elektrode 21 verbunden, während die der Eingangselektrode En des Filterelements Fi entsprechende Elektrode 13 über einen Leiter 19 mit der Elektrode 23 verbunden ist: auf diese Weise ist die Ausgangselektrode des Filterelements Fi an die Eingangselektrode des anderen Filterelements F2 über den Kondensator angeschlossen, der durch die Elektroden 21 und 23 gebildet wird, wie dies bei der Schaltung nach F i g. 2 der Fall ist. Die Anschlüsse 27 und 29, die mit den Elektroden 5 und 11 in Verbindung stehen, entsprechen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen T, und T₁, nach Fig. 2; der Anschluß 31, mit welchem die Elektroden 5, 19 und 25 verbunden sind, entspricht dem gemeinsamen Anschluß T- nach F i g. 2, der in der erläuterten Weise in Masseverbindung steht.

Durch die bauliche Ausbildung gemäß F i g. 7 können die drei Kondensatoren Ci, C; und Cj, welche die unter Bezugnahme auf F i g. 2 erläuterte Kopplungsschaltung bilden, in einem schmalen Bereich des Keramiksubstrates S untergebracht werden, so daß letzteres entsprechend klein sein kann, so daß nur dieser Abschnitt des Substrates, auf welchem die Elektroden 21, 23 und 25 vorgesehen sind, nicht polarisiert sein sollte. Demzufolge sind der Aufbau und die Herstellung des erfindungsgemäßen Filters als einfach zu bezeichnen und die Miniaturisierung des Filters selbst ist unschwer erreichbar. Wenn darüber hinaus die Elektroden 21, 23 und 25 die /r-Kopplungsschaltung verwirklichen, wie dies bei der dargestellten Ausführungsform der Fall ist, läßt sich deren Abgleich gleicht verbessern. Alle Elektroden, Leiter und Anschlüsse können in einem vorbestimmten Muster auf dem Keramiksubstrat, wie bei einer integrierten Schaltung vorgesehen werden.

Obgleich bei der vorstehenden Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwei Filterelemente auf einem einzigen, gemeinsamen Keramiksubstrat verwirktlich sind, ist es ebenfalls möglich, daß diese Filterelemente in zwei separaten keramischen Substraten ausgebildet werden.

Obgleich als Ausführungsbeispiel ein Filter mit zwei zweikreisigen Filterelementen in Kettenschaltung behandelt worden ist, eignet sich die Lehre nach der Erfindung auch für den Entwurf von Keramikfiltern, bei welchen mehr als zwei monolithische Keramik-Filterelemente in Kettenschaltung vorzusehen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Keramikfilter mit zumindest zwei zweikreisigen monolithischen Keramik-Filterelementen und zumindest einem Kopplungsvierpol aus drei Reaktanzelementen zwischen den Keramik-Filterelementen, gekennzeichnet durch einen Kopplungsvierpol aus Kondensatoren (Q, C₂, C₃) in „-r-Schaltung oder T-Schaltung mit einer solchen Bemessung der Kapazitätswerte, daß die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Wellenwiderstände der Gesamtanordnung gegenüber den Wellenwiderstandswerten vergrößert sind, die bei der Kopplung der Filterelemente (Fu F₂) durch einen einzigen, als Querzweig eingefügten Kondensator auftreten.

2. Karamikfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anbringung der für die Resonatoren der Filterelemente (Fu F₂) vorzusehenden Elektroden (En, £>i, EcV, E₁₂, E₀₂, E_c2'm Fig. 2, 5,7,9; 11, 13,15 in Fig. 7) und durch die Anbringung der die Kondensatoren CCi, C₂, C3) des Kopplungsvierpoles verwirklichenden kapazitiven Beläge (21, 23, 25) auf einem einzigen, gemeinsamen Keramiksubstrat (S) mit der Maßgabe, daß diejenigen Abschnitte des Keramiksubstrats (S), auf welchem die Resonatoren der Filterelemente (Fu F₂) sich befinden, polarisiert sind, und daß der Bereich des Keramiksubstrats, auf welchem die kapazitiven Beläge des Kopplungsvierpoles angeordnet sind, nicht polarisiert sind.

3. Keramikfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einem gemeinsamen Keramiksubstrat (S) angehörenden Filterelemente (F\, F₂) aufgrund ihrer Ausbildung als Zweikreiseinheiten Eingangs- und Ausgangselektroden (En, E_i2; E₀ ,, £_o2in Fig.2;5,7; 11,13 in Fig. 7)aufweisen,die auf der einen Hauptfläche des Keramiksubstrats (S) im passenden Abstand nebeneinander angeordnet sind und daß die den Eingangs- und Ausgangselektroden jeder Zweikreiseinheit zuzuordnende di itte Elektrode (Ecu Ec2 in Fig. 2; 9,15 in F i g. 7) auf der anderen Hauptfläche des Keramiksubstrats aufgebracht ist und daß von den drei kapazitiven Belägen (21,23,25 in Fig. 7) auf dem Keramiksubstrat, welche die drei Kondensatoren (Q, C₂, Cj in Fi g. 2) eines Kopplungsvierpoles in ^r-Schaltung bilden, zwei Beläge (21,23 in F i g. 7) auf der einen Hauptfläche des Keramiksubstrats angeordnet sind und den Längszweig-Kondensator (C₂) der .^-Schaltung ergeben, während der dritte Belag (25 in F i g. 7) auf der anderen Hauptfläche des Keramiksubstrats den zwei Belägen (21,23 in F i g. 7) zur Verwirklichung der Querzweig-Kondensatoren (Q, C₃) der .^-Schaltung gegenüberliegt.

4. Keramikfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Filterelement (Fu F₂) ein eigenes, polarisiertes Keramiksubstrat vorgesehen ist.