DE3530676A1

DE3530676A1 - Multi-circuit filter for frequency selection especially for the millimetric waveband, and a method for filter production

Info

Publication number: DE3530676A1
Application number: DE19853530676
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Holpp
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-08-28
Filing date: 1985-08-28
Publication date: 1987-03-12

Abstract

In order to improve the frequency selection, especially for use in the millimetric waveband and also in higher or lower frequency bands, a multi-circuit filter is implemented by means of dielectric resonators and dielectric lines, which filter can be produced in combination with waveguide technology, such that it is easily compatible, without major outlay.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 9..The invention relates to a filter arrangement according to the Preamble of claim 1 and a manufacturing method according to claim 9 ..

Schaltungen und Systeme im Milimeterwellenbereich werden bislang so ausgelegt, daß die frequenzselektive Funktion von den naturbedingt bandbegrenzten Komponenten, wie zum Beispiel Richtkoppler, Zirkulatoren, Oszillatoren, Antennen, wahrgenommen wird. Der Grund dafür liegt darin, daß Filterstrukturen im Frequenzgebiet oberhalb etwa 30 GHz in herkömmlicher Technik nur mit großem technischen Aufwand realisierbar sind. So verlangen klassische Hohlleiter- Kammerfilter, wie sie zum Beispiel im X-Band angewendet werden, proportional zur kleiner werdenden Betriebswellenlänge engere Herstellungstoleranzen, um vorgegebene elektrische Eigenschaften (Filterspezifikationen) zu erhalten. Planare Filteranordnungen im Microstrip-Technik erreichen mit steigender Frequenz immer geringere Gütewerte und sind deshalb nur bedingt im Millimeterwellenbereich einsetzbar.Circuits and systems in the millimeter wave range So far designed so that the frequency-selective function of the naturally band-limited components, such as Example directional couplers, circulators, oscillators, antennas, is perceived. The reason for this is that Filter structures in the frequency range above about 30 GHz in conventional technology only with great technical effort are realizable. So classic waveguide Chamber filters, such as those used in the X-band become proportional to the decreasing operating wavelength tighter manufacturing tolerances to predetermined electrical Obtain properties (filter specifications). Achieve planar filter arrangements using microstrip technology with increasing frequency, the quality values are always lower therefore it can only be used to a limited extent in the millimeter wave range.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung sollen diese Nachteile vermieden werden.These disadvantages are intended with the arrangement according to the invention be avoided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Filteranordnungen zu schaffen, die sowohl im Millimeterwellenbereich als auch bei höheren oder tieferen Frequenzen gute frequenzselektive Eigenschaften besitzen, wobei gleichzeitig bei geringem Herstellungsaufwand eine gute Reproduzierbarkeit erreichbar ist. Das erfindungsgemäße Filter soll in Kombination mit üblicher Hohlleitertechnik leicht kompatibel sein.The invention is based, filter arrangements to create that both in the millimeter wave range as well as good frequency selective at higher or lower frequencies Possess properties, while at the same time good reproducibility with little manufacturing effort is achievable. The filter according to the invention is intended in Combination easily compatible with conventional waveguide technology be.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in vorteilhafter Weise gelöst.This task is characterized by the characteristics of the Claim 1 solved in an advantageous manner.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:Further advantageous refinements and developments can be found in the subclaims. An embodiment the invention is shown in the drawing and is described in more detail below:

Fig. 1 Filteranordnung mit dielektrischen Resonatoren; Fig. 1 filter arrangement with dielectric resonators;

Fig. 2 dielektrischer Resonator; Fig. 2 dielectric resonator;

Fig. 3 dielektrische Bildleitung. Fig. 3 dielectric image line.

Mit der Entwicklung dielektrischer, vorwiegend keramischer Materialien, welche auch noch im Millimeterwellenbereich ausreichend gute elektromagnetische Eigenschaften (insbesondere geringe Verluste) vorweisen, geht seit längerer Zeit schon der Einsatz dielektrischer Resonatoren, im Frequenzbereich bis etwa 10 GHz vorwiegend, mit der Zielsetzung der Schaltungsminiaturisierung, welche bei Dielektrziitätskonstanten bis zu 100 von beträchtlichem Umfang sein kann, einher. Im Millimeterwellenbereich bieten dielektrische Resonatoren primär den Vorteil eines wesentlich reduzierten Herstellungsaufwands, verglichen mit den oben genannten Lösungen.With the development of dielectric, mainly ceramic Materials that are still in the millimeter wave range sufficiently good electromagnetic properties (in particular low losses) has been around for a long time Dielectric resonators have been used for some time Frequency range up to about 10 GHz predominantly, with the objective circuit miniaturization, which is used for dielectric constants up to 100 of considerable size can be hand in hand. Bid in the millimeter wave range dielectric resonators primarily have the advantage of one reduced manufacturing costs compared to the above solutions.

Im Gegensatz zum metallischen Hohlraumresonator, bei dem der Feldverlauf der elektromagnetischen Wellen zwangsläufig durch leitende Begrenzungsflächen bestimmt wird, sind beim dielektrischen Resonator auch Feld- und damit Energieanteile außerhalb seiner Grenzflächen vorhanden. Für sehr hohe Dielektrizitätskonstanten und hohe Betriebsfrequenzen konzentriert sich das elektromagnetische Feld jedoch zunehmend im Innern des Körpers.In contrast to the metallic cavity resonator, in which the field course of the electromagnetic waves inevitably is determined by conductive boundary surfaces, are also field and thus with the dielectric resonator Share of energy outside of its interfaces. For very high dielectric constants and high operating frequencies the electromagnetic field is concentrated however, increasingly inside the body.

Fig. 1 zeigt eine in prinzipieller Hinsicht mehrkreisige bevorzugte Filteranordnung, im Beispielsfall einen dreikreisigen Bandpaß für den Frequenzbereich 90-100 GHz, mit dem eine Bandbreite von 1% bezogen auf die Mittenfrequenz und eine Flankensteilheit von ca. 30 dB/GHz erreichbar ist. Fig. 1 shows a multi-circuit preferred filter arrangement in principle, in the example a three-circuit bandpass filter for the frequency range 90-100 GHz, with which a bandwidth of 1% based on the center frequency and an edge steepness of approximately 30 dB / GHz can be achieved.

Here are: 1, 2, 3 - resonators
4, 5 - coupling elements
6, 7 - image lines
8, 9 - waveguide transitions
10 - solid, electrically conductive base plate
11 - absorber plate

Die Absorberplatte 11 dient der Vermeidung von störenden Reflexionen durch die Grundplatte 10. Die dielektrischen Resonatoren 1, 2, 3 bestehen vorzugsweise aus TiO₂ (auch eine Vielzahl anderer Dielektrika könnte verwendet werden), die Koppelelemente 4, 5 zur definierten Feldanpassung und Leistungsübertragung zwischen den Resonatoren 1, 2, 3 sind vorzugsweise kreiszylindrische Scheiben z. B. aus Polystyrol mit der Dicke The absorber plate 11 serves to avoid disturbing reflections through the base plate 10 . The dielectric resonators 1, 2, 3 are preferably made of TiO ₂ (a large number of other dielectrics could also be used), the coupling elements 4, 5 for defined field matching and power transmission between the resonators 1, 2, 3 are preferably circular cylindrical disks, for. B. made of polystyrene with the thickness

Die Dielektrizitätskonstante des Materials der Koppelelemente sollte vorzugsweise im Bereich 2≦ωτε _K≦ωτ10 liegen. Der Scheibendurchmesser D _K wird vorzugsweise so gewählt, daß sich ein äquivalentes Leistungsverhalten zur Bildleitung ergibt (gleiche Ausbreitungskonstanten, das heißt gleicher Feldwellenwiderstand). Der Resonatordurchmesser D _R ist vorzugsweise mindestens so groß wie die Diagonale d des rechteckigen Querschnitts der Bildleitung 6, 7. Die Symmetrieachse Z in Wellenausbreitungsrichtung von Bildleitung und Ein- bzw. Auskoppelresonator fallen vorzugsweise zusammen. Mit einer dergestalt ausgeführten Dimensionierung werden Strahlungsverluste in der Filteranordnung auf ein Minimum reduziert. The dielectric constant of the material of the coupling elements should preferably be in the range 2 ≦ ωτ ε _K ≦ ωτ10. The disk diameter D _K is preferably chosen so that there is an equivalent performance to the image line (same propagation constants, that is, the same field wave resistance). The resonator diameter D _R is preferably at least as large as the diagonal d of the rectangular cross section of the image line 6, 7 . The axis of symmetry Z in the direction of wave propagation of the image line and the coupling or decoupling resonator preferably coincide. With such a dimensioning, radiation losses in the filter arrangement are reduced to a minimum.

Aufgrund ihrer Geometrie führen die Koppelelemente 4, 5 eine inverse Impedanztransformation zwischen ihren Stirnflächen durch; somit werden Fehlanpassungen zwischen den Resonatoren 1, 2, 3 kompensiert.Due to their geometry, the coupling elements 4, 5 carry out an inverse impedance transformation between their end faces; mismatches between the resonators 1, 2, 3 are thus compensated for.

Vorzugsweise sind die dielektrischen Resonatoren 1, 2, 3 in zylinderförmiger Gestalt ausgeführt, dadurch kann ein solcher Resonator 1, 2, 3 als Sonderfall eines in Längsrichtung unendlich ausgedehnten dielektrischen Leiters von kreiszylindrischem Querschnitt angesehen werden (siehe Bild 2).The dielectric resonators 1, 2, 3 are preferably designed in a cylindrical shape, as a result of which such a resonator 1, 2, 3 can be regarded as a special case of a dielectric conductor of circular cylindrical cross section which is infinitely extended in the longitudinal direction (see Figure 2).

Das Leiterinnere ist charakterisiert durch eine Dielektrizitätskonstante ε _R≦λτ1, der umgebende Raum sei Luft mit ε _U=1. Der Zusammenhang zwischen der Geometrie des Resonators bzw. seinen dielektrischen Eigenschaften einerseits und seinem Resonanzverhalten andererseits kann dargestellt werden mit der Kenntnis der Phasenkonstante β _z, welche die Wellenausbreitung entlang der Längsachse Z eines dielektrischen Leiters bzw. Resonators beschreibt.The interior of the conductor is characterized by a dielectric constant ε _R ≦ λτ1, the surrounding space is air with ε _U = 1. The relationship between the geometry of the resonator or its dielectric properties on the one hand and its resonance behavior on the other hand can be represented with knowledge of the phase constant β _z , which describes the wave propagation along the longitudinal axis Z of a dielectric conductor or resonator.

Bei bekanntem β _z läßt sich eine Modenkarte für rotationssymmetrische und hybride Schwingungsmoden des Zylinders gewinnen. Die Integration der Teilwellen im Innenraum des Resonators führt für den radialen Verlauf des elektromagnetischen Feldes auf Besselfunktionen. Der exponentielle Feldabfall im Außenraum kann durch die Macdonaldsche Funktion beschrieben werden. Die Phasenkonstante β _z ergibt sich somit aus folgender Funktion:If β _z is known, a mode map for rotationally symmetrical and hybrid vibration modes of the cylinder can be obtained. The integration of the partial waves in the interior of the resonator leads to Bessel functions for the radial course of the electromagnetic field. The exponential decay in the field can be described by the Macdonald function. The phase constant β _z thus results from the following function:

J _m = Besselfunktion der Ordnung m
J′ _m = erste Ableitung von J _m
K _m = Macdonaldsche Funktion der Ordnung m
K′ _m = erste Ableitung von K _m
ε _R = Dielektrizitätskonstante
λ _o = Freiraumwellenlänge
D _R = Resonatordurchmesser
m = Ordnung der Resonanz J _m = Bessel function of order m
J ′ _m = first derivative of J _m
K _m = Macdonald's function of order m
K ′ _m = first derivative of K _m
ε _R = dielectric constant
λ _o = free space wavelength
D _R = resonator diameter
m = order of resonance

Da die genannte Funktion transzendent und somit nicht geschlossen lösbar ist, ist eine numerische Auswertung mittels der Modenkarte notwendig. Daraus lassen sich die Eigenwerte u der Bestimmungsgleichung für β _z, dargestellt in der Form bei bekannter Dielektrizitätskonstante ε _R des Materials ermitteln. Aus den Schnittstellen der Eigenwertkurven für die H _onp-, E _onp- und HEM _mnp-Resonanzen und den Kurven, z. B. für p=1 und p=2, können kreiszylindrische Resonatoren dimensioniert werden, deren Höhe H _R ganzzahlige Vielfache der halben Materialwellenlänge λ _{ε R} sind, d. h. für die gilt: p = 1, 2, 3 . . .Since the function mentioned is transcendent and therefore cannot be solved in a closed manner, a numerical evaluation using the mode card is necessary. From this, the eigenvalues u of the equation for β _z can be represented in the form with known dielectric constant ε _{R of} the material. From the interfaces of the eigenvalue curves for the H _onp , E _onp and HEM _mnp resonances and the curves, e.g. B. for p = 1 and p = 2, circular cylindrical resonators can be dimensioned, the height H _{R of which is} an integral multiple of half the material wavelength λ _{ε R} , ie for which: p = 1, 2, 3. . .

Vorzugsweise wird für den Frequenzbereich 80 bis 100 GHz ein Material mit ε _R ≦λτ 90 gewählt (z. B. Titandioxid TiO₂). Auch andere Materialien, wie z. B. Bariumtitanate, sind denkbar. A material with ε _R ≦ λτ 90 is preferably selected for the frequency range 80 to 100 GHz (e.g. titanium dioxide TiO ₂ ). Other materials, such as. B. barium titanates are conceivable.

Zur Ein- und Auskopplung einer elektromagnetischen Welle in den dielektrischen Resonator wird im Falle der vorgeschlagenen Filteranordnung vorzugsweise eine dielektrische Bildleitung 6, 7 verwendet. Sie besteht im Prinzip aus einem Stab aus dielektrischem Material vorzugsweise mit niedrigem ε _B, welcher auf einer elektrisch leitenden Grundplatte 10 angebracht ist (Bild 1 und 3).In the case of the proposed filter arrangement, a dielectric image line 6, 7 is preferably used to couple an electromagnetic wave into and out of the dielectric resonator. In principle, it consists of a rod made of dielectric material, preferably with a low ε _B , which is attached to an electrically conductive base plate 10 ( Figures 1 and 3).

Üblicherweise werden die Querschnittsabmessungen einer Bildleitung zu a = b gewählt. Ihr Verhalten entspricht dann dem einer dielektrischen Leitung mit quadratischem Querschnitt (4·a·b) im freien Raum; eine Hälfte des Feldverlaufs der quadratischen Leitung wird bei der Bildleitung durch das "Spiegelbild" in der leitenden Grundplatte ersetzt. Auf der Bildleitung existieren ausschließlich hybride Wellentypen. Der EH ₁₁-Grundmode entspricht im Feldverlauf dem HEM ₁₁-Grundmode der kreiszylindrischen dielektrischen Leitung bzw. einem entsprechenden Resonator. Die zu bevorzugenden Materialien für Bildleitungen im Millimeterwellenbereich sind zum Beispiel PTFE (Teflon) oder Polystyrol.The cross-sectional dimensions of an image line are usually chosen to be a = b . Their behavior then corresponds to that of a dielectric line with a square cross section (4 · a · b ) in free space; half of the field profile of the square line is replaced by the "mirror image" in the conductive base plate in the image line. Only hybrid wave types exist on the image line. The basic EH ₁₁ mode corresponds to the HEM ₁₁ basic mode of the circular cylindrical dielectric line or a corresponding resonator. The preferred materials for image lines in the millimeter wave range are, for example, PTFE (Teflon) or polystyrene.

Je ein Teilstück der Bildleitungen (Teilstück vor den Ein- bzw. Ausgangsresonatoren) liegt nicht auf der leitenden Grundplatte auf (s. Fig. 1). Dies führt zu einem Impedanzsprung an der Schnittlinie S. Damit auch hier eine Kompensation der Fehlanpassung zwischen Ein- bzw. Ausgangsresonator und dem auf der Grundplatte liegenden Teil der Bildleitungen 6, 7 erreicht wird, muß der Feldwellenwiderstand Z _F dieses Bildleitungsteilstücks nach folgender Gleichung gewählt werden:A section of the image lines (section in front of the input and output resonators) does not lie on the conductive base plate (see FIG. 1). This leads to an impedance jump at the section line S. In order to compensate for the mismatch between the input or output resonator and the part of the image lines 6, 7 lying on the base plate, the field wave resistance Z _{F of} this image line section must be selected according to the following equation:

wobei Z _B der Feldwellenwiderstand der Bildleitung 6, 7 mit der Grundplatte 10 und Z _R der Feldwellenwiderstand des Ein- bzw. Ausgangsresonators, d. h. des angekoppelten Resonators sind.where Z _{B is} the field wave resistance of the image line 6, 7 with the base plate 10 and Z _R the field wave resistance of the input or output resonator, ie the coupled resonator.

Daraus ergibt sich ein stoßfreier Übergang vorzugsweise mittels eines n·λ/4 langen Bildleitungsteilstückes (mit n = 1, 3, 5, . . .).This results in a smooth transition, preferably by means of an n · λ / 4 long image line section (with n = 1, 3, 5,...).

Zur Realisierung eines mehrkreisigen Filters ist folgendes Vorgehen zu wählen:
1) Filterspezifikation vorgeben,
2) Anzahl der Kreise sowie normierte Größen der Filterelemente beispielsweise aus Filterkatalogen ermitteln,
3) Ersatzschaltbilderstellung,
4) Umsetzung der Größen der Ersatzschaltung in geometrische Größen (Resonatoren, Koppelelemente),
5) die Geometrie der zur Ein- und Auskopplung der elektromagnetischen Wellen dienenden Bildleitungen sind vorzugsweise empirisch zu ermitteln, wenn komplexe Feldberechnungen umgangen werden sollen.The following procedure must be used to implement a multi-circuit filter:
1) Specify filter specification,
2) Determine the number of circles and standardized sizes of the filter elements, for example from filter catalogs,
3) equivalent circuit diagram,
4) converting the sizes of the equivalent circuit into geometric sizes (resonators, coupling elements),
5) The geometry of the image lines used for coupling and decoupling the electromagnetic waves should preferably be determined empirically if complex field calculations are to be avoided.

Generell kann die Bildleitung durch andere Leitungsarten ersetzt werden unter Voraussetzung von Realisierungsmöglichkeiten für geeignete Koppelstrukturen zwischen Leitung und Resonatoren.In general, the image line can be carried out by other line types are replaced provided that they can be implemented for suitable coupling structures between Line and resonators.

Zur Gewährleistung ausreichender Reproduzierbarkeit der Filterdaten sind die Filterelemente (Resonatoren und Koppelelemente) mit entsprechend enger Tolerierung ihrer Abmessungen herzustellen. Dies kann vorzugsweise mittels der in der DE-OS 32 08 196 beschriebenen Ultraschall- Bohrtechnik erfolgen.To ensure adequate reproducibility of the Filter data are the filter elements (resonators and Coupling elements) with a correspondingly narrow tolerance of their Manufacturing dimensions. This can preferably be done using the ultrasound described in DE-OS 32 08 196 Drilling technology take place.

Gemäß dieser OS wird zur Herstellung zylindrischer Körper ein Ultraschallbohrverfahren eingesetzt, bei dem eine Bohrplatte eine Anzahl von Durchgangslöcher entsprechend den herzustellenden zylindrischen Körpern aufweist, und bei dem die Schallenergieübertragung über den Bohrrüssel sowie über die massiven Bereiche der mit Löchern versehenen Bohrplatte auf das zu bearbeitende dielektrische Material erfolgt.According to this OS is used to manufacture cylindrical bodies used an ultrasonic drilling process in which a Drill plate corresponding to a number of through holes has the cylindrical bodies to be produced, and where the sound energy transmission via the proboscis as well as over the massive areas of the holes Drill plate on the dielectric to be machined Material is done.

Claims

1. Multi-circuit filter with dielectric resonators for frequency selection, in particular for the millimeter wave range, characterized in that
that at least two dielectric resonators ( 1, 2, 3 ) are electromagnetically coupled to one another via dielectric coupling elements ( 4, 5 ), and
that dielectric materials for the resonators ( 1, 2, 3 ) and coupling elements ( 4, 5 ) are selected, which have substantially higher dielectric constant values than their surroundings.

2. Filter according to claim 1, characterized in that the dielectric resonators ( 1, 3 ) located at the input and output are provided with dielectric portions of a dielectric image line ( 6, 7 ) which serve as input and output elements for electromagnetic waves and end in free space ) are connected.

3. Filter according to one of claims 1 to 2, characterized in that the dielectric resonators ( 1, 2, 3 ) have a circular cylindrical shape, and that their heights ( H _R ) are selected so that they are half the wavelength λ _{ε R} or correspond to integer multiples thereof.

4. Filter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the dielectric coupling elements ( 4, 5 ) have a circular cylindrical disc shape, and that the disc thickness H _{K of} the coupling elements ( 4, 5 ) a quarter of the material wavelength λ _{ε K} or whole and odd multiples thereof.

5. Filter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the disc diameter of the resonators ( D _R ) and coupling elements D _{K are selected} in accordance with the electromagnetic coupling factor k .

6. Filter according to one of claims 2 to 5, characterized in that the image lines ( 6, 7 ) with their entire cross-sectional area completely contact the adjacent resonators ( 1, 3 ).

7. Filter according to one of claims 2 to 6, characterized in that the dielectric image lines ( 6, 7 ) in the form of a dielectric rod with a smaller dielectric constant ε _B than that of the dielectric resonators ( 1, 2, 3 ) and coupling elements ( 4, 5 ) are formed, and that they are attached to an electrically conductive base plate ( 1 ).

8. Filter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the image lines ( 6, 7 ), resonators ( 1, 2, 3 ) and coupling elements ( 4, 5 ) are arranged so that their geometric axes of symmetry ( Z ) in Wave propagation direction coincide.

9. Method of making a multi-circuit filter according to one of claims 1 to 8, characterized in that resonators and coupling elements by means of an ultrasonic drilling process are drilled from the base material, and that the assembly of the individual parts into a filter by coaxial lining up of resonators and coupling elements and possibly by thinly gluing the common contact surfaces of the parts.