DE3125763A1

DE3125763A1 - Dielektrisches filter

Info

Publication number: DE3125763A1
Application number: DE19813125763
Authority: DE
Inventors: Yukio Kawasaki Kanagawa Ito; Takeshi Meguro; Bun-ichi Sagamihara Kanagawa Miyamoto
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1980-07-07
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1982-04-01
Also published as: GB2082398A; JPS5717201A; GB2082398B; US4410868A

Description

- 2 Dielektrisches Filter

Priorität: 7. Juli 1980 Japan 92380/1980

Die Erfindung bezieht sich auf ein dielektrisches Filter, das mechanisch und elektrisch stabil ist.

In mobilen Funknachrichtensystemen, wie einem mobilen Land-Funknachrichtensystem u.dgl., ist die verwendete Frequenz vom VHF-Band 'zum UHF-Band und dann zum Mikrowellen-Band erhöht worden, um die Anforderung an eine Erhöhung der Zahl der Kanäle zu erfüllen. Ein mobiles Funknachrichtensystem verlangt Funkeinrichtungen geringer Abmessungen, geringen Gewichts und geringer Kosten. Um diesen Erfordernissen zu genügen, ist vorgegeschlagen worden, ein dielektrisches Filter als Filter oder Antennenduplexer zum Trennen der Sende- und Empfangswellen einer Fahrzeugfunkeinrichtung für beispielsweise ein mobiles 800 MHz-Band-Funknachrichtensystem zu verwenden, so daß eine Antenne gemeinsam verwendet werden kann.

Das vorstehend erwähnte dielektrische Filter ist ein Mehrfachfilter, das durch Metallisieren gewünschter Flächen zylindrischer dielektrischer Stäbe verschiedener Längen hergestellt wird, um koaxiale und/oder durch Stempel belastete Resonatoren zu bilden und diese in einem Metallgehäuse an vorbestimmten Stellen anzuordnen. Unter <Jer Annahme, daß die Dielektrizitätskonstante des verwendeten dielektrischen Materials 40 ist, kann die Abmessung des dielektrischen Filters etwa 1/ y/5Ö~ der eines üblichen Wellenleiterfilters, also eines koaxialen und/oder mit Stempel belasteten Filters, das nicht das dielektrische Material verwendet, gemacht werden.

Da eine Fahrzeug-Funkeinrichtung harten Umweltbedingungen, wie Schwingungen, Stoßen, anormalen lemperaturen, Feuchtigkeit u.s.w. ausgesetzt ist, muß das dielektrische Filter auch unter solchen Bedingungen stabil arbeiten. Bei einem Mehrfachfilter müssen deshalb die Resonatoren in einem starren Metallgehäuse untergebracht werden. Dies ist ein Hindernis für eine Massenfabrikation des dielektrischen Filters und für eine Verringerung seiner Abmessungen und des Gewichts. 10

Der Erfindung liegt die Aufgabe augrunde, ein dielek-' trisches Filter zu schaffen, das le_:icht herzustellen ist j billig ist, geringe Abmessungen aufweist, geringes Gewicht hat und mechanisch und elektrisch stabil ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch did Merkmale,des Hauptanspruchs. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielhaft 'anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind

Fig. 1A.bis-10, 24 bis 20 und 3Λ bis 30 Jeweils teilweise geschnittene Seitenansichten, Grundansichten und Schnittansichten, die verschiedene

Ausführungsformen der Erfindung zeigen, Fig. 4-A bis 4-D eine Drauf sieht, eine teilweise geschnittene Seitenansicht, eine Grundansicht und eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5A bis 50 eine Draufsicht, eine teilweise geschnittene Seitenansicht und eine Endansicht, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigen,

Fig. 6 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht , eines dielektrischen Sechsfachfilters gemäß der Erfindung,

Fig. 7 ein Ersatzschaltbild des in Fig. 6 gezeigten

dielektrischen. Filters und Fig. 8 eine graphische Darstellung der Kennlinie des dielektrischen Filters der Fig. 6.

Die Ausführungsform der Fig. 1A bis 10, bei der Fig. 10 ein Schnitt längs der Linie c-c.¹ in Fig. 1A ist, zeigt ein dielektrisches Viertelwellenfilter mit drei Abschnitten. Löcher 2, 3 und 4 sind in einem Block 1 aus Keramik oder einem gleichartigen dielektrischen Material mit geringen dielektrischen Verlusten gebildet, um sich von dessen Unterseite zu erstrecken, wobei die Tiefe L1 jedes Lochs mit einer Viertelwellenlänge λ/4 ausgewählt ist, wobei Λ die Betriebswellenlänge ist. Des weiteren sind Löcher 7 und 8 in den gegenüberliegenden Seiten des dielektrischen Blocks 1 zur jeweiligen Aufnahme von Verbindern 5 und '6 hergestellt. Der dielektrische Block 1 ist über den gesamten Bereich seiner Fläche mit Ausnahme der Locher 7 und 8 metallisiert. 9 bezeichnet eine Scheibe für eine elektrische Kopplung.

Die Innenflächen der Löcher 2, 3 und 4 sind ebenfalls vollständig metallisiert, um Innenleiter der Resonatoren zu bilden,und der durch die Metallisierung auf der Außenumfangsfläche des dielektrischen Blocks 1 gebildete Leiterfilm dient als Außenleiter. Auf diese Weise werden Viertelwellenresonatoren gebildet und jeder Resonator koppelt elektromagnetisch durch das dielektrische Material des'dielektrischen Blocks 1, wodurch sich ein Dreifachfilter zwischen den Verbindern 5 und 6 ergibt.

Durch Metallisieren des gesamten Bereichs der Fläche des dielektrischen Blocks 1 einschließlich der Innenflächen der Löcher 2, 3 und 4 werden drei Resonatoren gebildet und ihre elektrische Abschirmung wird auch durch die metallisierte Schicht erreicht. Das Filter

hat des weiteren eine einheitliche Struktur, obwohl es aus drei Resonatoren zusammengesetzt ist. Das Filter ist demgemäß leicht herzustellen und ' hat eine große Haltbarkeit gegenüber Schwingungen und Stößen. Die Bildung der metallisierten Schicht flacht das Unterbringen des Filters in einfm Metallgehäuse unnötig. Die Metallisierung kann durch bekannte Mittel hergestellt werden.

Die Ausführungsfora der Fig. 2A^Kbis 2G, bei der Fig. 20 ein Schnitt längs der Linie c-c' in Fig. 2 A ist, bezieht sich auf ein dielektrisches Halbwellenfiltei? mit zwei Abschnitten. Durchgangslöcher 12 und 13 sind in einem dielektrischen Block 11 hergestellt und die ßiefe .Φ2 jedes Lochs entspricht der halben Wellenlänge λ/2. Löcher'17 und 18 zum jeweiligen Aufnehmen von Verbii|dern 15 und 16 sind in den gegenüberliegenden Seiten dest dielektrischen Blocks 11 gebildet und der/Bloelr 11 ist über den gesamten Bereich seiner Fläche mit' !Ausnahme der Löcher 17 und metallisiert. Durch die metalidsierten Schichten an den Innenflächen der Löcher 12 und i£ werden folglich die Halbwellenresonatoren gebildet, um ein Zweifachfilter zwischen den Verbindern i5 und 16 zu schaffen. 19 bezeichnet eine Scheibe für einö elektrische Kopplung.

Die Ausführungsform der Fig* 3A bis 50 bezieht sich auf ein dielektrisches Viertelwellenfilter gleichartig den Fig. 1A bis 10'. Bei'dieser Ausführungsform sind Durchgangslöcher 22, Z$ und 24-in einem dielektrischen Block 21 gebildet. Lpcher 27 und^S zum jeweiligen Aufnehmen von Verbindern 25 und 26 sind in den gegenüberliegenden Seiten des dielektrischen Blocks 21 gebildet. Der dielektrische Blöok 21 ist über den gesamten Bereich aeiner Fläche mit Ausnahme der Löcher 27 und 28 und ausgewählter !eile 22b_i? 23b und 24b der Innenflächen der Locher 22, 23 und 24 metallisiert. Die Viertelwellenresonatoren sind demgemäß durch metallisierte Schichten gebildet, die auf den

verbleibenden Teilen 22a, 23a und 24a der Innenflächen der Löcher 22, 23 und 24 niedergeschlagen sind. 29 bezeichnet eine Scheibe für eine elektrische^Kopplung.

Die ausgewählten Teile 22b,· 2Jb und 24b der Innenflächen der Löcher 22, 23 lind 24 sind nicht metallisiert, wie oben beschrieben, jedoch ergibt dies nicht irgendwelche Nachteile, da die Energie überwiegend in dem dielektrischen Körper gespeichert wird, wenn der dielektrische Block 1 eine große Dielektrizitätskonstante hat. Diese Ausführungsform ist dadurch vorteilhaft, daß die Bildung der Löcher leichter als bei der Ausführungsform der Jig. 1 ist. Eine vollständigere Abschirmung kann durch Schließen der oberen¹ und unseren offenen Enden der Löcher 22, 23 und 24 beispielsweise mit Leiterfolien erreicht werden.

Fig. 4A bis 4D zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Luftspalt zwischen benachbarten Resonatoren vorgesehen ist. Fig. 4A ist eine Draufsicht, Fig. 4B ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht, Fig. 4C ist eine Grundansicht und Fig..4D ist ein Schnitt längs der Linie d-d' in Fig. 4B. Löcher 32 und 33 sind in einem dielektrischen Block 31 hergestellt, der über den gesamten Bereich seiner Fläche metallisiert ist, um Resonatoren durch metallisierte Schichten zu bilden, die auf den Innenflächen der Löcher 32 und 33 niedergeschlagen sind. Ein Loch 34 ist in dem dielektrischen Block 31 zwischen den Resonatoren gebildet. Das Loch 34- ergibt einen Luftspalt zwischen den Resonatoren und die Kopplung zwischen den Resonatoren und ihre Resonanzfrequenzen können durch Auewahl der Abmessung des Lochs 34 eingestellt werden. Dies bedeutet, daß es möglich ist, hauptsächlich die Kopplung zwischen den Resonatoren und hauptsächlich die Resonanzfrequenz -jedes Resonators in dessen Nähe einzustellen. Durch Anordnung eines

solchen Luftspalts an einer geeigneten Stelle können aber sowohl die Kopplung als auch, die Resonanzfrequenz eingestellt werden und es ist auch möglich, mehrere Luftspalte für die jeweiligen Zwfclie vorzusehen. Der Luftspalt zwischen den Resonatoren muß nicht immer ein Loch, sondern kann auch ein Schlitz sein.

Pig. 5Δ bis 50 zeigen eine Abwandlung der Ausführungsform der Pig. 4, wobei ein Einst'el^jglied 36 in dem Loch 34 angeordnet ist, so daß die Kopplung zwischen / den Resonatoren in gewünschter Weise geändert werden kann. Das Einstellglied 36 besteht aus dielektrischem Material oder Metall und ist so ausgebildet, daß es mittels einer Schraube 35 in einer Stellung festlegbar ist.

Diese Ausführungsform ermöglicht eine Feineinstellung der Kopplung zwischen den Resonatoren und ist somit zum Einstellen der Filterkennlinie geeignet.

Gemäß S¹Ig. 6 ist ein dielektrischer Block 4-0 beispielsweise aus Ti-Ba-Keramik mit, holier Dielektrizitätskonstante £ von etwa 38 hergestellt. In dem dielektrischen Block 40 sind Löcher 41.bis. 46 zum Bilden von Resonatoren, Löcher 47 und 48 für iJingangs/Ausgangs-Kopplungen und Löcher 51 bis 55 WM Einstellen der Kopplung zwischen benachbarten-Resonatoren hergestellt. Die Unterseite 63 und die gegenüberliegenden Seiten 64 und 65 des dielektrischen Blockä 40 und die Innenflächen der Löcher 41 bis '46 sind beispielsweise mit einem Ag-Pt-Dickschichtleiter bedeckt. Die Dicke dieser Schicht beträgt etwa 15/unu Das dielektrische Material . ist an der oberen Fläche 60 uM aoi den beiden Endflächen 61 und 62 des dielekta?isfi|heii Blocks 40 sowie an den Innenflächen der Löcher^; 47, 48 und 51 bis ^b freigelegt. Der auf der Innenfläche jedes der Löcher 41 bis 46 niedergeschlagene Dickschichtleiter dient

folglich als Innenleiter jedög Resonators und der

Dickschichtleiter an der Unterseite 63 und den beiden

Seitenflächen 64 und 65 des dielektrischen Blocks dient als Außenleiter des Resonators. Sechs 1/4-Wellen längenresonatpren werden somit geschaffen, wobei die Oberfläche 60 des dielektrischen Blocks 40 eine Ebene mit offenem. Stromkreis und die Unterseite 6$ eine Kurzschlußebene bilden. Metallstäbe* 56 und 57 sind jeweils in die Löcher 47 und 48 eingesetzt, um Eingangs- und ÄuBgangsaäschlüsse unter Ausnutzung der elektrischen Kopplung zu bilden.

: '

Da die Dielektrizitätskonstante £ des dielektrischen Blocks 40 groß .ist, ist die Sesonanzenergie des elektromagnetischen Felds vornehmlich in dem dielektrischen Block 40 eingeschlossen'. Der vorstehend erwähnte Aufbau kann als dielektrisches Filter verwendet werden.

Da jedoch die Oberfläche 60 des dielektrischen Blocks 40 eine Ebene eines offenen" Stromkreises ist, in der kein Dickijchichtleiter gebildet ist, wird eine sehr geringe Menge der Energie des elektro-magnetischen Felds emittiert. ^:De£ dielektrische Block 40 ist deshalb in einem Metallgehäuse 70 untergebracht und hermetisch durch einen Metalldöckel 80 abgedichtet. Das Gehäuse kann durch spatigebende Bearbeitung, Blechbearbeitung od.dgl. mit AbÄeskuiigstoleranzen hergestellt werden. In beiden Endteiljan- des Metaligehäuses 70 sind Löcher 71 und 72 zum jeweiligen Aufnehmen von Anschlüssen der Verbinder 73 und 74 hergestellt. Die Verbinder und 74 sind an,dem Metallgehäuse 70 mittels Schrauben 75 bis 78 befestigt.

Das Metallgehäuse 70 und der Dickschichtleiter an der Unterseite¹· 63 de's dielektrischen Blocks 40 sind elektrisch und mechanisch durch Löten miteinander verbunden. Die Metallstäbe 56 und 57 und die Anschlüsse der Verbinder 73-lind 74 sind untereinander durch Leiterdrähte 58 und 59 verbunden.

In der Metallplatte 80 sind Schrauben 81 bis 86 zur Feineinstellung der Resonanzfrequenzen der Löcher 41 bis 46 des dielektrischen Blocks.40 und^Kopplungseinstellschrauben 91 bis 95 angebracht, die;,in die Löcher 51 bis 55 des dielektrischen Blocks 40<⁴eingesetzt sind. Die Metallplatte 80 ist mittels.Schrauben 99a bis 99h an dem Metallgehäuse 70 befestigt. 3|ei dieser Anordnung ändern sich die aq.ui.valentert Längen der Innenleiter der Resonatoren mit den Abständen zwischen den Schrauben 81 bis 86 und den Löchern 41,bis 46i Auf diese Weise können die Resonanzfrequenzen der, iRffsonatoren fein eingestellt werden. Eine Kopplung zwischen benachbarten Resonatoren wird des weiteren i£ ■'Ölereinstimmung mit dem Betrag des Einfahrens der Schraten 91 bis 95 in die Löcher 51 bis 55 eingestellt. Der dielektrische Block ist vollständig von dem Metallgehäuse 7° und der Metallplatte 80 umgeben, wodurch· siöh ein Filter mit stabilem Betrieb ergibt. ' ·:<

In Hg. 7 bezeichnen BI bis B6 Blindleitwerte der jeweiligen Resonatoren und in der Nähe der Arbeitsfrequenz kann jeder Resonator als LiO-Parallelresonanzkreis, wie dargestellt, angesehen werden:. J01 bis J67 bezeichnen Parameter von Admittanzinveriiern f10f· bis 107, welche die Parallelresonzkreise in Serienrjlsonanzkreise umsetzen und gleichzeitig auch die Aiißenlast Q der jeweiligen Resonatoren ändern. Die Parameter J01 bis J67 sind auf gewünschte Werte durch Auswahl der Kopplungsstärken zwischen den Löchern 47 und 41·, zwischen 41 und 42, zwischen 42 und 43, zwischen 45, und 44, zwischen 44 und 45, zwischen 45 und 46 und zwischen 46 und 48 eingestellt, wodurch eine gewünschte Filterkennlimie erreicht wird. Die Schrauben 91 bis 95 in ^iß· 6 sind zur Feineinstellung der Parameter «T01 bis J67 vorgesehen. Die Schrauben 81 bis 86 dienen dazu, die Randkapazitäten zwischen den Endflächen der Löcher, 41 bis 46 und den Spitzen der Schrauben zu andern, wodurch die Kapazitäten

111 bis 116 der Blindleitwerte B1 bis B6 geändert werden, um eine !Feinregulierung;· der Resonanzfrequenzen durchzuführen. GO bis G7 bezeichnen Eingangs- und Ausgangslasten.
.

Fig. 8 zeigt die Durchlaßkennlinie eines Tschebyscheff-Filters mit sechs Abschnitten in der oben erwähnten Ausführungsform, wobei die Resonanzfrequenz FO auf 876 MHz eingestellt ist. Die Abszisse zeigt die Frequenz Af, welche die Differenz zur Mittenfrequenz ¹I¹O ist, und die Ordinate zMgt den Durchlaßverlust. Die dargestellte Dyrchlaßkennlinie wurde in einem Fall erhalten, bei dem, der dielektrische Block 40 eine Länge von etwa 80 mm und einen rechteckigen· Querschnitt von 13,5 Χ 13,5 mm hatte, wobei die Löcher 41 bis und 51 bis 35> einen Durchmesser von 4 mm und die Löcher 47 und 48 einen Durchmesser von 2,5 mm hatten. Der Durchlaßverlust betrug 1,2 dB bei der Mittenfrequenz FO von 876 MHz. Es galt VSWR < 1,2 und die verwendete Bandbreite betrug 24 MHz.

Gemäß der Erfindung werden mehrere Löcher in einem dielektrischen- Block in vorbestimmten Abständen hergestellt und die Fläche des dielektrischen Blocks einschließlich der Innenflächen der Löcher wird mit einem Leiterfilm durch Metallisierung bedeckt, um Resonatoren zu bilden, deren Resonanzfrequenzen von der Tiefe der jeweiligen Löcher abhängen. Da die Resonatoren als einheitlicher Aufbau durch den dielektrischen

Block gebildet sind, ist das dielektrische Filter der Erfindung sehr widerstandsfähig gegen Schwingungen und Stöße. Da die Abmessungen der Löcher und deren Abstände leicht; innerhalb zulässiger Toleranzgrenzen gehalten werden können, kann das dielektrische Filter leicht in Massenfertigung hergestellt werden und zusätzlich benötigt die Herstellung des dielektrischen Filters nicht das Positionieren und Befestigen der

Resonatoren, welche Schritte "bei der Verwendung einfacher Resonatoren notwendig sind. ,Darüber hinaus ist die Zahl der verwendeten !Peile klein, weshalb das elektrische Filter mit geringen Kosten hergestellt 5" werden kann. Der Leiterfilm an der Fläche des dielektrischen Blocks dient des weiteren, als elektrische Abschirmung, so daß das Filter nicht immer in einem Metallgehäuse untergebracht werden muß. Wenn dies notwendig wird, kann das Filter in ©itiem sehr einfach aufgebauten Metallgehäuse untergebracht werden und folglich hat das dielektrische Filter ein geringes Gewicht. Die Erfindung ergibt-somit ein dielektrisches Filter, das klein ist, das geringes Gewicht hat, das mechanisch und elektrisch stabil ist und das billig ist.

Durch Bilden eines Luftspalts zwischen benachbarten Resonatoren und Auswählen der Abmessung des Spalts oder durch Einführen eines Einstellglieds aus dielektrischem Material oder Metall in den Spalt bis zu einer ausgewählten Tiefe kööjaea des weiteren die Kopplung zwischen den Resonatoren und ihre Resonanzfrequenzen geändert werden, so daß; die Filterkennlinie leicht eingestellt werden kann.

Claims

FUJIOiSU LIMITED

5» Kamikodanaka
Makahara-ku, Kawasaki-shi Kanagawa 211, Japan

Patentansprüche

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Λ J Dielektrisches Filter, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Locher in einem dielektrischen Block in vorbestimmten Abständen vorgesehen sind,und'daß ein Leiterfilm über der Fläche des dielektrischen Blocks einschließlich der Innenflächen der Löcher gebildet ist, wodurch Resonatoren mit Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von der Tiefe der Löcher gebildet werden.
2. Dielektrisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher durch den dielektrischen Block gebohrt sind und daß der Leiterfuß an der Innenfläche jedes Lochs bis zu einer Tiefe gebildet ist, die einer verwendeten Resonanzwellenlänge entspricht.
3* Dielektrisches Filter nacJa. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftspalt zum Einstellen der Kopplung zwischen den Resonatoren und/oder ihrer Resonanzfrequenzen in dem dielektrischen Block nahe den die Resonatoren bildenden Löchern gebildet ist.
4. Dielektrisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftspalt zum.Einsteilen der Kopplung zwischen den Resonatoren und/oder ihrer Resonanzfrequenzen in -dem dielektrischen Block zwischen den die Resonatoren bildenden Löchern gebildet ist und daß ein Einstellglied so vorgesehen ist, daß es in den und aus dem Luftspalt bewegbar ist.
5· Dielektrisches Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellglied aus Metall besteht.
6. Dielektrisches Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellglied aus dielektrischem Material besteht.