DE4024480A1 - Frequency switching device using parallel filters - has inductance in coupling line section between common supply line and each filter - Google Patents
Frequency switching device using parallel filters - has inductance in coupling line section between common supply line and each filterInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Frequenzweiche, bestehend aus wenigstens zwei parallel geschalteten Filtern, welche beide über eine Leitungsverzweigung an eine gemeinsame Leitung angekoppelt sind.The present invention relates to a crossover, consisting of at least two filters connected in parallel, both of which have a line branch to a common one Line are coupled.
Eine derartige Frequenzweiche ist aus dem Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, H. Meinke und F.W. Gundlach, dritte Auflage, 1968, Seite 478-480, bekannt. Die Filter bestehen jeweils aus einem oder mehreren Koaxial- oder Hohlraumresonatoren. In der DE 30 28 925 ist eine Frequenzweiche offenbart, deren Filter räumlich unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, sodaß die Länge der Verzweigungsleitung sehr kurz gehalten werden kann.Such a crossover is from the paperback Hochfrequenztechnik, H. Meinke and F.W. Gundlach, third Edition, 1968, pages 478-480. The filters exist each from one or more coaxial or Cavity resonators. In DE 30 28 925 is a crossover discloses whose filters are spatially adjacent to one another are arranged so that the length of the branch line is very can be kept short.
Wie weiter unten noch gezeigt wird, besitzen derartige Frequenzweichen den Nachteil, daß die Filterzweige unterschiedliche Durchlaßdämpfungen aufweisen und zwar insbesondere dann, wenn die Zweige auf eng benachbarte Frequenzen abgestimmt sind.As will be shown below, such Crossovers have the disadvantage that the filter branches have different transmission attenuations, namely especially when the branches are close to each other Frequencies are matched.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzweiche der eingangs genannten Art anzugeben, bei der alle Filterzweige möglichst die gleiche Durchlaßdämpfung besitzen. The invention is therefore based on the object Specify crossover of the type mentioned at the beginning all filter branches have the same transmission loss as possible have.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.According to the invention, this object is achieved through the features of Claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.
Eine nach der Erfindung ausgeführte Frequenzweiche hat den Vorteil, daß sie über ein breites Frequenzband durchgestimmt werden kann und dabei die Durchlaßdämpfungen in den einzelnen Filterzweigen nahezu gleich bleiben.A crossover designed according to the invention has the The advantage that they tuned over a wide frequency band can be and the passage attenuation in the individual Filter branches remain almost the same.
Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird nun die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:Using several shown in the drawing Exemplary embodiments of the invention will now be explained in more detail. It demonstrate:
Fig. 1a, 1b zwei Ortskurven des Eingangsreflexionsfaktors zweier Filter mit kapazitiver Kopplung und unterschiedlicher Bandbreite, Fig. 1a, 1b, two loci of the input reflection factor of two filters with capacitive coupling, and different bandwidth,
Fig. 2a, 2b zwei Leitungsverzweigungen, über die zwei Filter an eine gemeinsame Leitung angekoppelt sind,Are coupled via the two filters to a common line Fig. 2a, 2b show two line branches,
Fig. 3 ein Ersatzsschaltbild eines Filters mit Berück sichtigung der Zuleitung, Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of a filter having into account the supply line,
Fig. 4 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors dieses Filters, Fig. 4 shows the locus of the input reflection factor of this filter,
Fig. 5 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors einer herkömmlichen Frequenzweiche, Fig. 5 shows the locus of the input reflection factor of a conventional diplexer,
Fig. 6 das Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäß be schalteten Filters, Fig. 6 shows the equivalent circuit diagram of the present invention be switched filter,
Fig. 7 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors dieses Filters, Fig. 7 shows the locus of the input reflection factor of this filter,
Fig. 8 eine gemäß der Erfindung beschaltete Frequenz weiche, Fig. 8 is a according to the invention wired crossover,
Fig. 9 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors der Frequenzweiche, Fig. 9, the locus of the input reflection factor of the crossover,
Fig. 10a, 10b 10c drei Ausführungsformen, einer an die Leitungs verzweigung der Frequenzweiche angeschlossenen Induktivität und Fig. 10a, 10b 10c three embodiments, one connected to the line branch of the crossover and inductance
Fig. 11 die Ortskurven der Eingangsreflexionsfaktoren zweier auf die Grenzen des Durchstimmbereichs abgestimmter Filter. Fig. 11 shows the loci of the input reflection coefficients of two tuned to the limits of the tuning range filter.
Übliche Bandpaßfilter mit kapazitiver Signaleinkopplung haben einen Eingangsreflexionsfaktor, der einen in Fig. 1a oder 1b dargestellten Verlauf haben kann. Diese Ortskurven beziehen sich der Einfachheit halber auf ein Filter mit einem Resonanzkreis. Die im folgenden gemachten Aussagen gelten jedoch in gleicher Weise auch für Filter mit mehreren Resonanzkreisen.Usual bandpass filters with capacitive signal coupling have an input reflection factor, which can have a course shown in Fig. 1a or 1b. For the sake of simplicity, these locus curves relate to a filter with a resonance circuit. However, the statements made below apply equally to filters with multiple resonance circuits.
Von besonderem Interesse ist das Verhalten des Eingangsreflexionsfaktors S11 des Filters bei Frequenzabständen |Δf|=f-fo|(fo ist die Mittenfrequenz des Filters), die vergleichsweise groß sind im Bezug auf die Bandbreite des Filters. Die beiden Enden der Ortskurven in den Fig. 1a und 1b nähern sich einem Grenzwert, der unter einem Winkel ϕ vom Leerlaufpunkt (das ist der Punkt S11=+1) entfernt ist und mehr oder weniger deutlich im kapazitiven Bereich liegt. Ein Maß für die Verlagerung der Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors S11 in den kapazitiven Bereich ist vor allem die relative Bandbreite des Filters. Dies zeigt ein Vergleich der Ortskurven in den Fig. 1a und 1b, wobei das Filter mit der Ortskurve gemäß Fig. 1a eine relative Bandbreite von weniger als 1% und das Filter mit der Ortskurve gemäß Fig. 1b eine relative Bandbreite von ungefähr 3% hat.Of particular interest is the behavior of the input reflection factor S 11 of the filter at frequency spacings | Δf | = ff o | (f o is the center frequency of the filter), which are comparatively large in relation to the bandwidth of the filter. The two ends of the locus curves in FIGS. 1a and 1b approach a limit value which is at an angle ϕ from the idle point (that is the point S 11 = + 1) and is more or less clearly in the capacitive range. A measure of the displacement of the locus of the input reflection factor S 11 in the capacitive range is above all the relative bandwidth of the filter. This shows a comparison of the location curves in FIGS. 1a and 1b, the filter with the location curve according to FIG. 1a having a relative bandwidth of less than 1% and the filter with the location curve according to FIG. 1b having a relative bandwidth of approximately 3% .
Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei Ausführungsbeispiele für die Ankopplung einer Leitung LT1 (z. B. einer TEM-Leitung vom Koaxial- oder Streifenleitungstyp) an zwei parallel geschaltete Filter F1 und F2. Wenn die Frequenzweichen mehr als zwei Filterzweige haben soll, ist die Leitungsverzweigung LV entsprechend zu erweitern. Gemäß Fig. 2a ist die Leitungsverzweigung LV in der Trennwand T zwischen den beiden Filtern F1 und F2 angeordnet, wobei ihre Enden in diese z. B. als Hohlraumresonatoren ausgeführten Filter F1 und F2 hineinragen und dort eine kapazitive Ankopplung bewirken. Beim in Fig. 2b dargestellten Ausführungsbeispiel ragen die Enden der Leitungsverzweigung LV durch Stirnseiten in die Filter F1 und F2 hinein und bewirken dort eine kapazitive Ankopplung. FIGS. 2a and 2b show two embodiments for the coupling of a line LT 1 (z. B. a TEM line from the coaxial or strip line type) of two parallel-connected filters F 1 and F 2. If the crossover is to have more than two filter branches, the line branch LV must be expanded accordingly. According to Fig. 2a, the line branch LV is arranged in the partition T between the two filters F 1 and F 2 , their ends in this z. B. protruding as resonance filters F 1 and F 2 protrude and cause a capacitive coupling there. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2b, the ends of the line branch LV protrude through end faces into the filters F 1 and F 2 and cause a capacitive coupling there.
Die Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Filters, das gemäß der Fig. 2a oder 2b über eine Leitungsverzweigung LV an die Leitung LT1 angekoppelt ist. Es ist hier ein Filter mit nur einem einzigen Resonanzkreis L1, C1 dargestellt. Die nachfolgend dargelegten Erkenntnisse lassen sich aber ohne weiteres auf mehrkreisige Filter übertragen. Die kapazitive Ankopplung des Filters an die Leitung LT1 ist in der Fig. 4 durch die Kapazität C01 angedeutet. Das am Eingang des Filters befindliche Leitungsstück der Länge lv und mit dem Wellenwiderstand Zv gibt die Wirkung des Leitungsstücks der Leitungsverzweigng LV wieder, das sich vom Verzweigungspunkt S aus bis zum Filter und in dieses hinein erstreckt. Der auf den Verzweigungspunkt S bezogene Eingangsreflexionsfaktor S11 des einzelnen Filters weist die in der Fig. 4 dargestellte Ortskurve auf. Diese Ortskurve liegt aufgrund der Leitung mit der Länge lv und dem Wellenwiderstand Zv noch mehr im kapazitiven Bereich (z. B. bei ϕ ≈ -40°) als der Eingangsreflexionsfaktor eines Filters ohne die Eingangsleitung (vergleiche Fig. 1a, 1b). FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a filter which is coupled to line LT 1 via line branch LV according to FIG. 2a or 2b. A filter with only a single resonance circuit L 1 , C 1 is shown here. However, the findings presented below can easily be transferred to multi-circuit filters. The capacitive coupling of the filter to the line LT 1 is indicated in FIG. 4 by the capacitance C 01 . The line section at the input of the filter with the length l v and with the characteristic impedance Z v represents the effect of the line section of the line branch LV, which extends from the branching point S up to and into the filter. The input reflection factor S 11 of the individual filter relating to the branching point S has the locus shown in FIG. 4. Due to the line with the length l v and the characteristic impedance Z v , this locus is even more in the capacitive range (e.g. at ϕ ≈ -40 °) than the input reflection factor of a filter without the input line (compare FIGS. 1a, 1b).
Um eine Frequenzweiche zu bilden, müssen die beiden parallel geschalteten Filter F1 und F2 auf zwei voneinander verschiedene Frequenzen f1 und f2 abgestimmt sein. Werden die beiden Filter zu einer Weiche zusammengeschaltet, so zeigt der Eingangsreflexionsfaktor der gesamten Frequenzweiche eine Ortskurve wie sie aus der Fig. 5 hervorgeht. Hierbei fällt auf, daß insbesonders dann, wenn die Frequenzen f1 und f2 eng benachbart sind, das Filter F1, das auf die Mittenfrequenz f1 abgestimmt ist, trotz gleicher Resonatorgüte, eine größere Durchlaßdämpfung besitzt als das Filter F2, das auf die Mittenfrequenz f2 abgestimmt ist. Der Grund für dieses Verhalten ist folgender:In order to form a crossover, the two filters F 1 and F 2 connected in parallel must be tuned to two different frequencies f 1 and f 2 . If the two filters are connected to form a crossover, the input reflection factor of the entire crossover shows a locus as shown in FIG. 5. It is noticeable that, especially when the frequencies f 1 and f 2 are closely adjacent, the filter F 1 , which is tuned to the center frequency f 1 , has a higher transmission loss than the filter F 2 , which has the same resonator quality the center frequency f 2 is tuned. The reason for this behavior is as follows:
Da die Mittenfrequenz f1 des Filters F1 kleiner ist als die Mittenfrequenz f2 des Filters F2, befindet sich, wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist, die Mittenfrequenz f1 des Filters F1 auf dem stark kapazitiven Ast der Ortskurve des Filters F2. Das hat zur Folge, daß die Bandbreite des Filters F1 erheblich reduziert wird, und daraus resultiert der Anstieg der Durchlaßdämpfung des Filters F1. Die Durchlaßdämpfung des Filters F1 ließe sich verringern, wenn man die kapazitive Ankopplung C01 zu diesem Filter F1 hin verstärken würde. Diese Maßnahme verbietet sich jedoch, wenn die Frequenzweiche durchstimmbar sein soll, also der Frequenzabstand f2-f1 variabel sein soll und unter Umständen die Filter F1 und F2 ihre Rolle tauschen sollen.Since the center frequency f 1 of the filter F 1 is lower than the center frequency f 2 of the filter F 2 , as can be seen from FIG. 4, the center frequency f 1 of the filter F 1 is on the highly capacitive branch of the locus of the filter F 2 . As a result, the bandwidth of the filter F 1 is considerably reduced, and this results in an increase in the transmission loss of the filter F 1 . The transmission loss of the filter F 1 could be reduced if the capacitive coupling C 01 to this filter F 1 were amplified. However, this measure is prohibited if the crossover is to be tunable, that is to say the frequency spacing f 2 -f 1 is to be variable and, under certain circumstances, the filters F 1 and F 2 are to switch roles.
Folgende Maßnahme gewährleistet für beide Filter F1 und F2 bei den Mittenfrequenzen f1 und f2 gleiche Durchlaßdämpfungen und läßt eine Durchstimmung der Filter in einem breiten Frequenzbereich zu. Wie dem Ersatzschaltbild in Fig. 6 zu entnehmen ist, besteht diese Maßnahme darin, daß an dem Verzweigungspunkt S eine Induktivität Lk angeschaltet wird. Bei geeigneter Dimensionierung dieser Induktivität Lk ergibt sich eine Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors S11 dieses Teilfilters gemäß der Fig. 7, die eine fast perfekte Symmetrie bezüglich der reellen Achse aufweist, d.h. der Winkel ϕ ist nahezu Null.The following measure ensures the same passband attenuation for both filters F 1 and F 2 at the center frequencies f 1 and f 2 and allows the filters to be tuned in a wide frequency range. As can be seen from the equivalent circuit diagram in FIG. 6, this measure consists in that an inductance L k is switched on at the branching point S. With suitable dimensioning of this inductance L k , there is a locus of the input reflection factor S 11 of this sub-filter according to FIG. 7, which has an almost perfect symmetry with respect to the real axis, ie the angle ϕ is almost zero.
Werden zwei in dieser Weise mit einer Induktivität Lk beschaltete Filter F1 und F2 zu einer Frequenzweiche zusammengeschaltet, so können die beiden Induktivitäten Lk durch eine einzige Induktivität L′k ersetzt werden. Bei einer Frequenzweiche mit zwei parallel geschalteten Filtern gilt für die gemeinsame Induktivität L′k=Lk/2. If two filters F 1 and F 2 connected in this way with an inductance L k are connected together to form a crossover, the two inductances L k can be replaced by a single inductance L ' k . In a crossover with two filters connected in parallel, the common inductance L ' k = L k / 2 .
Die Fig. 8 zeigt eine Frequenzweiche, bestehend aus dem Filter F1 mit dem Resonanzkreis L1, C1 und der Koppelkapazität C01 dem Filter F2 mit dem Resonanzkreis L2, C2 und der Koppelkapazität C02 und der gemeinsamen an den Verzweigungspunkt S angeschalteten Induktiviät L′k. Fig. 8 shows a diplexer, comprising the filters F 1 to the resonant circuit L 1, C 1 and the coupling capacitance C 01 of the filter F 2 to the resonant circuit L 2, C 2 and the coupling capacitor C 02 and the joint at the branch point S switched inductance L ' k .
Die Ortstkurve des Eingangsreflexionsfaktors der vorangehend beschriebenen Frequenzweiche zeigt die Fig. 9. Sie liegt symmetrisch zur reellen Achse, und deshalb besitzen die beiden Filter F1 und F2 bei ihren jeweiligen Mittenfrequenzen f1 und f2 gleiche Durchlaßdämpfungen. FIG. 9 shows the local curve of the input reflection factor of the crossover described above . It lies symmetrically to the real axis, and therefore the two filters F 1 and F 2 have the same passband attenuation at their respective center frequencies f 1 and f 2 .
Die an den Verzweigungspunkt S angeschaltete Induktivität L′k kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Die Induktivität L′k kann, wie der Fig. 10a zu entnehmen ist, in Form einer quasi konzentrierten Spule SP realisiert sein. Diese Ausführung ist vorzugsweise für tiefere Frequenzen geeignet. Für höhere Frequenzen (d. h. oberhalb von einigen 100 MHz) empfiehlt es sich, eine kurzgeschlossene Stichleitung LT2 zu verwenden, die vom Verzweigungspunkt S ausgeht (vergleiche Fig. 10b). Die Fig. 10c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in Verbindung mit einer Einkopplung gemäß Fig. 2b zu verstehen ist. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter LT1 der als Koaxialleitung ausgeführten gemeinsamen Leitung LT1 über den Verzweigungspunkt S hinaus weitergeführt und nach einer zur Realisierung der gewünschten Induktivität L′k erforderlichen Länge kurzgeschlossen ist. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders einfache Lösung für die Realisierung der Kompensationsinduktivität L′k.The inductance L ' k connected to the branch point S can be implemented in various ways. The inductance L 'k, as shown in FIG. 10a can be seen to be implemented in the form of a quasi-lumped coil SP. This version is preferably suitable for lower frequencies. For higher frequencies (ie above a few 100 MHz) it is advisable to use a short-circuited stub LT 2 , which starts from the branching point S (see FIG. 10b). Fig. 10c shows a further embodiment in connection with a coupling according to Fig. 2b is to be understood. It is characterized in that the inner conductor LT 1 of the common line LT 1 designed as a coaxial line continues beyond the branching point S and is short-circuited after a length required to implement the desired inductance L ' k . In this way, there is a particularly simple solution for realizing the compensation inductance L ' k .
Die Leitung LT1 und auch die Induktivität L′k können bei entsprechend niedriger Leistung in Streifenleitungstechnik ausgeführt werden. The line LT 1 and the inductance L ' k can be carried out in stripline technology with a correspondingly low power.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel sollen in einer Frequenzweiche Filter verwendet werden, deren Eingangsreflexionsfaktor S11 die in der Fig. 4 dargestellte Ortskurve besitzt (mit ϕ=-40°). Wenn diese Filter nun durch Beschalten mit einer Induktivität Lk gemäß Fig. 6 bei einer Mittenfrequenz von z. B. 950 MHz zu einem Verhalten gemäß Fig. 7 gebracht werden, so muß die Induktivität Lk ungefähr 23 nH sein. Das heißt, daß bei einer aus zwei solchen Filtern bestehenden Frequenzweiche eine Induktivität L′k von ungefähr 11,5 nH erforderlich ist. Diese Induktivität L′k ist z. B. durch eine kurzgeschlossene Stichleitung darstellbar, deren Wellenwiderstand 120 Ω und deren Länge ca. 26 mm (das entspricht einer elektrischen Länge von ca. 30°) beträgt.In a specific exemplary embodiment, filters are to be used in a crossover network, the input reflection factor S 11 of which has the locus shown in FIG. 4 (with ϕ = -40 °). If these filters are now connected to an inductance L k according to FIG. 6 at a center frequency of z. B. 950 MHz to a behavior according to FIG. 7, the inductance L k must be approximately 23 nH. This means that an inductance L ' k of approximately 11.5 nH is required with a crossover consisting of two such filters. This inductance L ' k is z. B. can be represented by a short-circuited stub line, the wave impedance of 120 Ω and the length of which is approximately 26 mm (this corresponds to an electrical length of approximately 30 °).
Im folgenden wird die Durchstimmbarkeit einer nach der Lehre dieser Erfindung aufgebauten Frequenzweiche näher betrachtet.The following is the tunability of one according to the teaching crossover constructed according to this invention.
Die Bemessung der Kompensationsinduktivität Lk gilt streng genommen nur für eine Frequenz. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Symmetrie der Durchlaßdämpfung in den beiden Zweigen der Frequenzweiche auch dann noch nicht nennenswert gestört ist, wenn die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors eines Teilfilters um + oder -5° gegen die reelle Frequenzachse geneigt ist. Bei einer durchstimmbaren Weiche ist der Wert ϕ=+5° der tiefsten Frequenzlage (fmin) und der Wert ϕ=-5° der höchsten Frequenzlage (fmax) zuzuordnen (siehe Fig. 11).The measurement of the compensation inductance L k applies strictly only to one frequency. However, it has been shown that the symmetry of the passband attenuation in the two branches of the crossover is not significantly disturbed even if the locus of the input reflection factor of a sub-filter is inclined by + or -5 ° relative to the real frequency axis. In the case of a tunable crossover, the value ϕ = + 5 ° of the lowest frequency position (f min ) and the value ϕ = -5 ° of the highest frequency position (f max ) must be assigned (see Fig. 11).
Für das oben näher beschriebene konkrete Ausführungsbeispiel ergibt sich fmin=903 MHz und fmax=998,5 MHz. Mit dieser Frequenzweiche ist also ein Durchstimmbereich < 10% realisierbar.For the specific exemplary embodiment described in more detail above, f min = 903 MHz and f max = 998.5 MHz. With this crossover, a tuning range <10% can be achieved.
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