DE4292383C2 - Monolithisches Keramikblock-Bandsperrfilter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einem Filter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 aus.

Dielektrische Blockfilter sind im Stand der Technik wohl bekannt. Im allgemeinen bestehen dielektrische Blockfilter aus einem monolithischen Block aus Keramik oder einem anderen dielektrischen Material, durch welchen Löcher gebildet werden, deren Innenoberflächen dann mit einem leitfähigen Material beschichtet werden. Die Außenoberflächen des monolithischen Blocks werden typischerweise ebenfalls mit einem leitfähigen Material beschichtet, mit der Ausnahme einer Oberfläche des Blockes, durch welche sich die Löcher innerhalb des Blockes erstrecken.

Die beschichteten, metallisierten Oberflächen innerhalb der sich durch den Block erstreckenden Löcher bilden infolge der physikalischen Abmessungen des Blocks, welche eine geeignete Metallisierungslänge innerhalb des Loches ermöglichen, Viertelwellenlängen einer Übertragungsleitung, von denen jeweils ein Ende an die Metallisierung der Außenoberflächen des Blocks kurzgeschlossen ist. Diese kurzgeschlossenen Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen bilden Resonatoren mit einem relativ hohen Q-Wert und bilden abgestimmte Elemente eines dielektrischen Blockfilters.

In zahlreichen Anwendungszwecken für dielektrische Blockfilter sollen Mehrfachresonatorstufen, die durch diese kurzgeschlossenen Längen von Übertragungsleitungen gebildet werden, elektrisch verbunden werden, typischerweise in Reihe mit einem anderen Resonator, jedoch möglicherweise auch parallel. Zum selben Zeitpunkt, in welchem derartige Stufen miteinander verbunden werden sollen, ist es in zahlreichen Anwendungsfällen wünschenswert, die Resonatorstufen voneinander zu entkoppeln, um das Einkoppeln ungewünschter Signale von einer Stufe in eine nachfolgende Stufe zu verringern. Bei diesen Anwendungen ist eine Kopplung der diese Stufen aufweisenden Resonatoren miteinander erforderlich, typischerweise entweder durch diskrete Drahtlängen, die an Koppelanschlußstücke oben auf dem Block nahe dem offenen Schaltungsende dieser Übertragungsleitungen angelötet sind, oder durch oben auf dem monolithischen Materialblock angeordnete, gedruckte Muster.

Wie voranstehend erläutert, wurde bislang das Zusammenkoppeln von Resonatorstufen hauptsächlich unter Verwendung von Draht-Stücken oder konzentrierten Leiterelementen durchgeführt. Bei der Verwendung eines Draht-Stückes zum Zusammenkoppeln von Resonatorabschnitten tritt typischerweise ein Übersprechen zwischen den Resonatorstufen und Signalen auf den Drähten auf, wodurch die Leistung des Filters beträchtlich verschlechtert werden kann. Darüber hinaus sind Draht-Stücke, die physikalisch an Verbindungsanschlußflächen oben auf dem Block angebracht sind, bezüglich einer körperlichen Versetzung und Unterbrechung empfindlich und zwar infolge der Tatsache, daß die Draht-Stücke der sie umgebenden Außenumgebung ausgesetzt sind.

Ein monolithischer Keramikblock-Bandsperrfilter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der EP 04 44 948 A2 bekannt. Der Block ist ganz mit leitfähigem Mate­ rial beschichtet bis auf einen begrenzten Bereich um Reso­ nanzöffnungen. Zwischen den Resonanzöffnungen sind Öffnungen vorgesehen, die sich von der Unterseite des Blocks bis zu den Aussparungen, die auf der Oberseite des Blocks vorgese­ hen sind, erstrecken. Die Öffnungen sind mit leitfähigem Ma­ terial beschichtet, die Aussparungen sind jedoch unbeschich­ tet. Übertragungsleitungswindungen ragen in die Aussparungen hinein. Die Filtercharakteristik dieser Vorrichtung ist je­ doch abhängig von der exakten mechanischen Konfiguration der Windungen. Wenn die Windungen auseinandergezogen oder zusam­ mengedrückt werden, beeinflußt diese Strukturänderung das Ausgangssignal wesentlich. Da die Übertragungsleitungen nicht ausreichend geschirmt sind, kann es leicht zu Störun­ gen kommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen monolithischen Keramikblock-Bandsperrfilter bereitzu­ stellen, der sowohl platzsparend aufgebaut ist, als auch ei­ ne verbesserte elektrische und mechanische Abschirmung und somit eine verbesserte Betriebscharakteristik aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschla­ gen, den monolithischen Keramikblock-Bandsperrfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend dem kennzeich­ nenden Teil dieses Anspruchs auszubilden.

Es wird ein monolithisches, keramisches Blockfilter zur Verfügung gestellt, welches aus einem Block aus dielektrischem Material besteht, der mit mehreren Löchern versehen ist, die in dem Block ausgebildet sind und sich vollständig durch diesen erstrecken. Die Innenoberflächen der Löcher sind mit einer Metallisierungsschicht beschichtet, welche Resonatorstufen durch den Materialblock bildet. Entkopplungs-Stufen, die selbst metallisierte Löcher darstellen, die in dem Materialblock ausgebildet sind und sich körperlich zwischen Resonatorstufen befinden, sind mit in sie eingesetzten Draht-Stücken versehen, welche Resonatorstufen koppeln, die innerhalb des Blocks aus dielektrischem Material ausgebildet sind, und die anderenfalls sich körperlich oberhalb des Blocks befinden würden, Signale aussenden würden und gegenüber körperlichen Beschädigungen empfindlich sein würden. Die Entkopplungs-Stufen, in welchen diese Draht-Stücke innerhalb des Loches eingeschlossen sind, stellen eine elektrische Abschirmung gegenüber Signalen auf den Draht-Stücken zur Verfügung, und schirmen auch den Draht gegenüber einer körperlichen Versetzung ab, die dann wahrscheinlich auftreten würde, wenn das Draht-Stück frei auf einer oder mehreren Oberflächen des dielektrischen Blocks angebracht oder freigelegt wäre.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Perspektivansicht eines Blocks aus dielektrischem Material, der mit mehreren Löchern versehen ist, die in ihm ausgebildet sind, und zeigt weiterhin die Verbindung von Drahtlängen, die innerhalb von Entkopplungshohlräumen angebracht sind;

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt ein monolithisches, dielektrisches Blockfilter (20), welches in der gezeigten Ausführungsform elektrisch ein Kerbfilter darstellt, und sämtliche Frequenzen unterdrückt mit Ausnahme von denen, die zwischen seiner oberen und unteren Abschneidefrequenz F₁ bzw. F₂ liegen. Das in Fig. 1 gezeigte Filter besteht aus einem Block aus dielektrischem Material (21), der zumindest sechs im wesentlichen ebene Außenoberflächen aufweist, die bei der bevorzugten Ausführungsform ein Parallelepiped bilden. (27, 28, 29 und 30) sind die vertikalen Stirnflächen des Blocks. (Die obere Oberfläche wird durch die Bezugsziffer 32 bezeichnet, und die untere Oberfläche durch die Bezugsziffer 33, jedoch ist die untere Oberfläche selbst nicht gezeigt). Wie gezeigt weist der Block (21) eine Höhe H auf, eine Länge L, und eine Breite W.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform weist fünf im wesentlichen einen elliptischen Querschnitt aufweisende Löcher (34, 36, 38, 40 und 42) auf, die innerhalb des Blocks (21) ausgebildet sind, und von denen sich jedes vollständig durch die Höhe des Blockes erstreckt, und jedes mit Öffnungen sowohl oben auf dem Block (32) als auch unten am Block (33) versehen ist.

Mit Ausnahme der oberen Oberfläche (32) des Blockes sind sämtliche äußeren ebenen Oberflächen des Blockes mit einer leitfähigen Beschichtung bedeckt und werden so angesehen, daß sie auf solche Weise metallisiert sind, daß die Beschichtung auf diesen Oberflächen elektrisch leitfähig ist und eine elektrische Abschirmung und ebenso eine Bezugs- oder Masseebene für elektrische Signale in dem Block bildet.

Drei von diesen Löchern, nämlich das erste (34), das mittlere (38), und das dritte (42) weisen metallisierte Innenoberflächen auf, die jedoch an die äußere Metallisierung auf den äußeren ebenen Oberflächen nur am unteren Ende (33) des Blockes angekoppelt ist. Als solche bilden diese drei Löcher (34, 38 und 42) kurzgeschlossene Übertragungsleitungen infolge der Metallisierung, welche die Innenoberfläche dieser Löcher beschichtet, die an die Metallisierung auf der Außenoberfläche des Blockes nur am unteren Ende oder der unteren Stirnfläche (33) des Blockes (21) angekoppelt ist. Elektrische Signale werden an das erste dieser Löcher (34) durch eine Eingangsanschlußfläche (22) angekoppelt, die wie gezeigt eine Metallisierung auf einem Abschnitt der oberen Oberfläche darstellt. Elektrische Signale werden an das erste Loch (34) angekoppelt durch die Schicht aus leitendem Material (Metallisierung) (24), welche das Loch (34) umgibt und sich weiterhin um die Ecke herum erstreckt, die durch den Schnitt der oberen Seite (32) und der Vorderseite (28) gebildet wird, um so eine Eingabe/Ausgabe-Anschlußfläche auf der Vorderseite (28) auszubilden. Eine zweite Eingabe/Ausgabeeinrichtung besteht aus der Metallisierung (22), welche das fünfte Loch (42) umgibt und um dieselbe Ecke herum gewickelt ist. Diese Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse sind typischerweise zumindest Einzelschichten einer Metallisierung, die auf dem Block abgelagert ist, um zumindest kapazitiv Signale in die Resonatoren innerhalb des Blocks (21) hinein und von dort wieder heraus zu koppeln.

Zwischen diesen Resonatoren (welche durch die Metallisierung innerhalb der Löcher (34, 38 und 42) gebildet werden) befinden sich Entkoppler, welche als metallisierte Löcher (36 und 40) zwischen den Resonatorstufen ausgebildet sind. Diese Entkoppler, welche metallisierte Löcher darstellen, die an die Metallisierung auf den Außenoberflächen des Blockes (21) sowohl an der oberen Oberfläche (32) als auch an der unteren Oberfläche (33) kurzgeschlossen sind, unterdrücken eine kapazitive Kopplung zwischen den Resonatorstufen und sind weiterhin als Löcher ausgebildet, die im wesentlichen elliptische Querschnitte aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Entkoppler, die durch die Metallisierung auf den Innenoberflächen der Löcher (36 und 40) gebildet werden, an die äußere Metallisierung auf den Stirnflächen des Blockes (21) an ihren beiden oberen Enden nahe der oberen Oberfläche (32) angekoppelt sind, und darüber hinaus am unteren Ende (33) an Masse gekoppelt sind, wodurch sie praktisch elektrische Abschirmungen zwischen den Resonatorstufen bilden. Übertragungsleitungen (44 und 46), welche die Resonatorstufen zusammenkoppeln und welche, wie in Fig. 1 gezeigt ist, nur Drähte sind, stellen eine Signalleitung zwischen den Resonatorstufen zur Verfügung.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Drähte (44 und 46) an die oberen Enden der Resonatorstufen (34, 38 und 42) angeschlossen sind und sich in das Volumen erstrecken, welches von den Entkopplern umschlossen wird, die durch die Löcher (36 und 40) gebildet werden. Als solche sind diese Drähte zumindest teilweise innerhalb der Löcher (36 und 40) eingeschlossen. Die körperlichen Längen dieser Drähte, welche diese Übertragungsleitungen bilden, sind so ausgewählt, daß sie bei einer bestimmten Frequenz eine elektrische Länge aufweisen, welche einschließlich der verteilten Kapazität zwischen diesen Drähten und der geerdeten Metallisierung, welche die beiden Entkopplungshohlraumlöcher (36 und 40) beschichtet, einen Impedanzwandler bildet. (Eine Viertelwellenlänge-Übertragungsleitung). In einigen Einsatzfällen können statt der Verwendung von Drähten elektrische Bauteile beispielsweise ein Widerstand, ein Kondensator, Induktivitäten oder sogar Halbleiter innerhalb der Löcher (36 und 40) angeordnet sein, in welchen derartige Vorrichtungen elektrisch abgeschirmt wären und einen Raum ausnützen würden, der anderenfalls verschwendet würde.

Im Stand der Technik ist wohl bekannt, daß sich eine Viertelwellenlänge-Übertragungsleitung als ein Impedanzwandler verhält. Die Impedanz einer Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung am Sendeende ist im wesentlichen gleich dem Kehrwert am entfernten Ende oder Empfangsende der Übertragungsleitung. Wenn ein entferntes Ende einer Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung an Masse kurzgeschlossen ist, oder einen Wert von Null Ohm aufweist, wäre ihre Sendeimpedanz praktisch gleich unendlich. Eine Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung, die am entfernten Ende offen ist, weist eine Impedanz von im wesentlichen 0 Ohm an Sendeende auf.

Bei der bevorzugten Ausführungsform stellt die Länge des Drahtes (44 und 46), der in den Entkopplungshohlraumlöchern (36 und 40) eingeschlossen ist, einen Impedanzwandler zur Verfügung, der in Kombination mit der Topologie der anderen Resonatorelemente ein dielektrisches Blockfilter zur Verfügung stellt, welches eine Kerbfilterantwort aufweist. Infolge der Topologie der kurzgeschlossenen Resonatoren, die aus den Löchern und der Entkopplung der darauffolgenden Stufen bestehen, stellt die Impedanzwandlung, die in den verschiedenen Stufen stattfindet, eine Kerbfilterantwort oder eine Bandsperreantwort zur Verfügung.

Bei der bevorzugten Ausführungsform war der Block (21), der in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ein keramisches Material, typischerweise Bariumtitanat oder Neodymtitanat, obwohl Fachleute auf diesem Gebiet erkennen werden, daß auch andere dielektrische Materialien geeignet sein können, die geeignete Dielektrizitätskonstanten aufweisen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform stellte der in Fig. 1 und 2 gezeigte Aufbau eine Kerbfilterreaktion zur Verfügung mit einem Kerbfilterband zwischen 869 MHz und 894 MHz. Die Länge des Blockes betrug 0,490 Zoll (1244 Millimeter), die Breite 0,235 Zoll (596 Millimeter), und die Höhe 0,530 Zoll (1 346 Millimeter). Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Querschnitt der Löcher (34, 36, 38, 40 und 42) im wesentlichen elliptisch ist, jedoch könnten ebenso Löcher mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt vorgesehen werden. Diese Löcher, die in dem Block während der anfänglichen Formgebung des keramischen Materials ausgebildet werden, weisen eine im wesentlichen parallele Zentralachse auf. Dies bedeutet, daß die Löcher im wesentlichen einander parallel angeordnet sind und sich wie gezeigt durch die gesamte Höhe des Blockes erstrecken.

Zwar ist eine Drahtlänge in Fig. 1 und 2 gezeigt, deren Funktion darin besteht, eine Länge einer Übertragungsleitung zur Verfügung zu stellen, die als ein Impedanztransformator oder als ein Impedanzanpaßnetzwerk arbeitet, wie voranstehend beschrieben, jedoch ist es auch möglich, daß statt der bloßen Anordnung eines Stückes eines leitfähigen Drahtes auch andere Bauteile innerhalb der Entkopplungshohlräume (38 und 40) angeordnet werden könnten. Es wäre einfach, zusätzlich innerhalb dieser Entkopplungshohlräume weitere Schaltungselemente anzuordnen, einschließlich bestimmter aktiver Bauteile, die darin angebracht werden könnten.

Zusätzlich zur elektrischen Abschirmung, die durch Anbringung dieser Übertragungsleitungen innerhalb der Entkopplungshohlräume bereitgestellt wird, wird auch ein gewisses Ausmaß einer mechanischen Abschirmung bereitgestellt. Eine mechanische Abschirmung verhindert, daß die Drähte, die anderenfalls oberhalb der oberen Oberfläche des Blocks angebracht werden müßten, körperlich gegen eine Störung oder Ortsveränderung geschützt werden müssen, die sich aus einer fehlerhaften Behandlung der Vorrichtung entweder während des Gebrauchs oder des Zusammenbaus ergeben könnten.

Es wurde beobachtet, daß die Anbringung der Drähte (44 und 46) innerhalb dieser Entkopplungshohlräume auch eine erhöhte verteilte Kapazität zwischen diesen Drähten und den geerdeten Oberflächen des Filters (20) erzeugt. Es wurde beobachtet, daß diese erhöhte verteilte Kapazität eine in gewisser Weise verbesserte elektrische Leistung hervorruft, und daß diese verteilte Kapazität die körperliche Länge der Drähte (44 und 46) verringern kann, die dafür erforderlich ist, eine elektrische Länge zu erzeugen, die im wesentlichen gleich einer Viertelwellenlänge der interessierenden Frequenz ist.

Claims (9)

1. Monolithisches Keramikblock-Bandsperrfilter (20) zur Unterdrückung elektrischer Signale mit einer gewünschten Frequenz, mit:
einem Filterkörper (21), der aus einem Block aus dielek­ trischem Material besteht, der vorbestimmte körperliche Abmessungen sowie eine obere (32), eine untere (33) Boden und zumindest eine Seitenoberfläche (27, 28, 29, 30) aufweist, wobei der Filterkörper zumindest mit ersten und zweiten Löchern (34, 38, 42) versehen ist, die sich durch den Filterkörper (21) erstrecken, die Löcher erste Enden an der oberen Oberfläche (32) des Blockes (21) aufweisen und zweite Enden am Boden (33) des Blockes, und die Löcher vorbestimmte Querschnittsformen und Quer­ schnittsgrößen aufweisen und sich durch die obere und untere Oberfläche erstrecken, der Filterkörper und die Innenoberflächen der ersten und zweiten Löcher im we­ sentlichen mit einem leitfähigen Material bedeckt sind, mit Ausnahme der oberen Oberfläche (32), wobei die be­ schichteten Innenoberflächen der ersten und zweiten Löcher und des Filterkörpers jeweils einen ersten bzw. zweiten Resonator bilden, der eine erste und zweite elektrische Länge aufweist, welche elektrische Signale eines Frequenzbereiches unterdrücken, der in die Resona­ toren eingegeben wird;
einem Entkopplungshohlraum (36, 40) innerhalb des Fil­ terkörpers, der eine kapazitive Kopplung zwischen den ersten und zweiten Resonatoren unterdrückt, und aus ei­ nem dritten Loch (36, 40) besteht, welches sich durch den Block (21) erstreckt und zwischen dem ersten und zweiten Loch (34, 38, 42) angeordnet ist, wobei das dritte Loch (36, 40) eine vorbestimmte Querschnittsform und Querschnittsgröße aufweist, wobei in dem dritten Loch leitfähiges Material vorgesehen ist, und mit zumin­ dest einer Übertragungsleitung (44, 46), um den ersten und zweiten, kurzgeschlossenen Koaxialresonator aneinan­ der zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Loch mit einem ersten Ende an der oberen Oberfläche (32) und einem zweiten Ende an der zweiten Oberfläche ver­ sehen ist, wobei sich das dritte Loch durch die obere und untere Oberfläche des parallelepipedförmigen Blockes erstreckt, und die Oberfläche innerhalb des dritten Loches so mit dem leitfähigen Material bedeckt ist, daß das elektrisch leitfähige Material elektrisch sowohl am ersten als auch am zweiten Ende des dritten Loches (36, 40) an die mit einem leitfähigen Material beschichteten Oberflächen des Filterkörpers angekoppelt ist, um hier­ durch eine leitfähige Oberfläche zu bilden, die im we­ sentlichen elektrische Signale in dem ersten und zwei­ ten, kurzgeschlossenen Koaxialresonator voneinander iso­ liert, wobei die Übertragungsleitung (44, 46) zumindest teilweise innerhalb des dritten Loches ange­ ordnet und dadurch geschirmt ist.

2. Filter nach Anspruch 1, welches weiterhin zumindest eine Übertragungsleitung (44, 46) aufweist, die zumindest teilweise innerhalb des dritten Loches (36, 40) angeordnet und dadurch geschirmt ist, um einen Impedanzwandler zwi­ schen dem ersten und zweiten, kurzgeschlossenen Koaxial­ resonator zur Verfügung zu stellen, und den ersten und zweiten kurzgeschlossenen Koaxialresonator elektrisch zusammenzukoppeln.

3. Filter nach Anspruch 1, bei welchem die zumindest ei­ ne Übertragungsleitung (44, 46) aus einer Drahtlänge besteht, wobei die Drahtlänge eine elektri­ sche Länge aufweist, die im wesentlichen gleich der elektrischen Länge des ersten und zweiten Resonators ist.

4. Filter nach Anspruch 2, bei welchem zumindest eine Übertragungsleitung (44, 46) aus einer Draht­ länge besteht, und die Drahtlänge eine elektrische Länge aufweist, die im wesentlichen gleich der elektrischen Länge des ersten und zweiten Resonators ist.

5. Filter nach Anspruch 1, welches einen Eingangsan­ schluß (22) aufweist, der aus einem Bereich leitfähigen Materials besteht, welches in der Nähe des ersten Kurz­ geschlossenen Koaxialresonators auf der oberen Ober­ fläche angeordnet ist.

6. Filter nach Anspruch 1, welches einen Ausgangsan­ schluß (24) aufweist, der aus einem Bereich aus leit­ fähigem Material besteht, der nahe an dem zweiten kurz­ geschlossenen Koaxialresonator auf der oberen Oberfläche angeordnet ist.

7. Filter nach Anspruch 1, welches einen Eingangsan­ schluß (22) aufweist, der aus einem Bereich aus leit­ fähigem Material besteht, der in der Nähe des ersten kurzgeschlossenen Koaxialresonators auf der Seitenober­ fläche angeordnet ist.

8. Filter nach Anspruch 1, bei welchem ein Ausgangsan­ schluß (24) vorgesehen ist, der aus einem Bereich leit­ fähigen Materials besteht, welcher nahe an dem zweiten kurzgeschlossenen Koaxialresonator auf der Seitenober­ fläche angeordnet ist.

9. Filter nach Anspruch 1, bei welchem der erste und der zweite Resonator elektrische Längen aufweisen, die im we­ sentlichen einander gleich sind.