DK163618B - Semikoaksialt hulrumsresonansfilter, med justerbar resonansfrekvens - Google Patents

Description

DK 163618B

i

Opfindelsen angår et semikoaksialt hulrumsresonansfilter af den i krav l's indledning angivne art.

Sådanne filtre er kendt fra USA-patentskrift nr. 3 273 5 083 og DE-patentskrift nr. 3 012 820.

Et båndpasfilter med semikoaksiale hulrumsresonatorer, som er indkoblet i flere trin, har fra tidligere fundet anvendelse i udstrakt grad for at tjene som filter med 10 tilfredsstillende selektivitets- og lavtabskarakteristika i tilknytning til VHF- eller UHF-bånd. Et sådant konventionelt filter kræver imidlertid meget komplicerede justeringer for opnåelse af ønsket båndpas-filter-egenskab, på grund af den kendsgerning, at resonansfrekvensen og 15 den karakteristiske impedans hos de semikoaksialt hulrumsresonatorer i hvert trin indvirker ugunstigt på hinanden, når de forbindes i en kaskadekobling. Det er endvidere nødvendigt at opretholde en høj grad af dimensionsnøj agtighed for de respektive dele af filteret, og 20 dette medfører høje produktionspriser.

Som kendt fra japansk offentliggørelsesskrift nr.

54-163656 er der tidligere foreslået et økonomisk rimeligt og let justerbart båndpasfilter, omfattende en rekt-25 angulær cylinder, som fremstilles ved at overskære en kommerciel tilgængelig, rektangulær bølgeleder på tværs, og som anvendes som en yderleder i hvert trin, og hvor cylinderens to mundingsender er aflukket med plane plader, og en inderleder er anbragt i yderlederen. De såle-30 des separat fremstillede semikoaksiale hulrumsresonatorer i de enkelte trin justeres inden for en forud valgt resonansfrekvens og kobles integrerende med deraf følgende reduktion af materialeudgifter og antal justeringstrin.

35 Den foreliggende opfindelse er i hovedsagen baseret på den ovennævnte konstruktionstype, som vil blive omtalt mere detaljeret i den efterfølgende beskrivelse af udfø-

DK 163618B

2 relsesformerne ifølge opfindelsen.

Der er opstået et behov for mindre og mobilt radiokommunikationsudstyr, f.eks. i form af mobiltelefoner og rej-5 seradioapparater, hvortil der kræves anvendelse af mindre komponenter, eksempelvis filtre af mindre størrelse. For at imødekomme dette behov er der, som beskrevet i japansk offentliggørelsesskrift nr. 53-099849, foreslået et filter med et antal trinvis indkoblede resonatorer med en 10 konstruktion, hvor der, i inderkanalen i en yder leder 1 i en semikoaksial hulrumsresonator, ifyldes et dielektrisk materiale, som derved omslutter en inderleder og opretholder elektrisk kontakt med yderlederen gennem en elektrode, idet graden af sammenkobling mellem resonatoreme 15 reguleres ved hjælp af en koblings-justerskrue. Ved dette konventionelle filter kan mellemrummet mellem inderledere reduceres i sammenligning med et luftfyldt filter med samme båndbredde, og resonansfrekvensen kan stabiliseres ved kompensering af varmeudvidelsespåvirkningen på yder-20 lederen og inderlederen, ved hensigtsmæssigt valg af temperaturkoefficient for det dielektriske materiale.

Et filter med denne konstruktion er imidlertid behæftet med ulemper og mangler, således som det fremgår af det 25 efterfølgende.

Hvis der som dielektrisk materiale anvendes keramisk materiale af titanoxider med gode temperaturegenskaber, vil filteret med ovennævnte konstruktion blive meget kost-30 bart, enhedspris og anvendt mængde taget i betragtning, og desuden tungt. Selv om det japanske offentliggørelsesskrift ikke beskriver fremgangsmåden for frekvensjustering af de enkelte resonatorer, som danner filteret, kan en sådan justering ikke anses for at være let. Justering 35 af filtreringsegenskaberne ved hjælp af en justerskrue vil kræve betydelig dygtighed.

DK 163618 B

3

Den foreliggende opfindelse har til formål at eliminere de ovennævnte ulemper og mangler ved det konventionelle båndpasfilter.

5 Hulrumsresonansfilteret ifølge opfindelsen er særligt ved det i krav l's kendetegnende del angivne.

I en konventionel, semikoaksial hulrumsresonator uden dielektrisk underlag er luftspalten mellem den åbne ende af 10 inderlederen og yderlederen reduceret til det mindst mu lige for at forøge den elektrostatiske kapacitet mellem delene og resonatorens reduktionsforhold for derved at reducere resonatorens størrelse. 1 en sådan semikoaksial hulrumsresonator bliver den højeste spænding imidlertid 15 overført til luftspalten på tidspunktet for den elektriske resonans, og en yderliggående reducering af luftspalten er derfor utilrådelig af hensyn til resonatorens strømmodstandsegenskaber. Ved fremstilling af filteret er det desuden vanskeligt at opretholde en yderst lille 20 luftspalte uden uregelmæssigheder, og dette medfører forøgelse af produktionsomkostningerne.

Ifølge opfindelsen fyldes luftspalten med et dielektrisk underlag, som har større specifik dielektricitetskonstant 25 end luften, og den elektrostatiske kapacitet mellem den åbne ende af inderlederen og yderlederen kan forøges tilstrækkeligt uden forringelse af modstandsegenskabeme over for strømgennemgang, således at resonatordimensio-nerne kan formindskes med deraf følgende væsentlig reduk-30 tion af filterstørrelsen. Ved filteret ifølge opfindelsen kan der f.eks. opnås en størrelsesreduktion på en fjerdedel eller mere, hvis der som dielektrisk materiale i overensstemmelse med en forud fastlagt specifikation anvendes keramiske materialer af titanoxider. Filtervolumi-35 net kan derfor reduceres til praktisk talt en fjerdedel.

Da tykkelsen af det dielektriske substrat kan reguleres nøjagtigt ved omhyggelig bearbejdning, eksempelvis pole-

DK 163618B

4 ring, kan den elektrostatiske kapacitet desuden justeres med nøjagtighed, og der kan på økonomisk rimelig måde fremstilles en resonator med Ønskede karakteristika og et minimum af egenskabsvariation.

5

Den konventionelle semikoaksiale resonator har tendens til at variere resonansfrekvensen på grund af temperaturforandringer, som forårsager dimensionsændringer af yderledere og inderledere, og der må derfor anvendes kostbart 10 materiale med ringe varmeudvidelseskoefficient, eksempelvis ingvar eller lignende ved krav om højydelse.

På den anden side kan der ifølge opfindelsen, som omfatter anvendelse af et dielektrisk underlag, ved at benytte 15 et underlag bestående af keramisk materiale af titanoxider med en dielektricitetskonstant, hvis forandringsgrad på grund af temperaturpåvirkning kan vælges vilkårligt, opnås, at variationerne i resonansfrekvensen på grund af termiske deformationer af inder- og yderledere kompense-20 res og udjævnes ved variation i det dielektriske underlag. Af den grund kan inder- og yderlederne være fremstillet af et relativt billigt materiale, f.eks. messing, aluminium og lignende.

25 På grund af anvendelsen af det dielektriske underlag vil den foreliggende opfindelse frembringe en yderligere effekt, som forøger filterets gennemslagsspænding. Hvis der f.eks. anvendes aluminiumoxid til fremstilling af det dielektriske underlag, vil underlagets gennemslagsspænding 30 udgøre 10-16 kV/mm, d.v.s. ca. 5 gange mere end luftens, hvis gennemslagsspænding er 3 kV/mm, og dette er meget fordelagtigt af hensyn til modstanden mod strømgennemgang.

35 Særtrækkene og fortrinnene ved den foreliggende opfindelse er angivet i det nedenstående.

DK 163618 B

5 1) Da et dielektrisk materiale med en specifik dielektri-citetskonstant, som er større end luftens, er anbragt i en luftspalte mellem den åbne ende af inderlederen og yderlederen, hvorved resonatorens størrelse kan reduceres 5 i større grad, vil filterets totalstørrelse og -vægt kunne reduceres betydeligt. Hvis der i filteret, i overensstemmelse med forud fastlagte specifikationer for dette, benyttes keramisk materiale af titanoxider, kan filtervo-luminet reduceres til en fjerdedel af det konventionelle 10 filters volumen.

2) Ved hensigtsmæssigt valg af dielektricitetsmateriale kan den variation i resonansfrekvens, som skyldes termisk deformation af resonatoren, kompenseres således, at reso- 15 natoren kan være fremstillet af relativt billigt materiale med stor varmeudvidelseskoefficient, hvorved prisen for resonatoren reduceres betragteligt.

3) Da der kan vælges dielektrisk materiale med høj gen-20 nemslagsspænding, kan filteret med fordel anvendes til et signal med stor strømstyrke, med henblik på høj strømgennemgangsmodstand .

4) Da tykkelsen af det dielektriske underlag let kan re-25 guleres med nøjagtighed, vil underlagets elektrostatiske kapacitet kunne kontrolleres, således at de ønskede filteregenskaber let kan opnås.

5) Da hver resonator, som indgår som en enhed i filteret, 30 justeres individuelt i frekvens og sammenkobles integrerende med de øvrige, kan frekvens justeringen af filteret efter monteringen forenkles, hvorved antallet af monteringstrin og følgelig prisen reduceres.

35 Opfindelsen skal i det følgende nærmere beskrives med henvisning til tegningen, hvorpå:

DK 163618 B

6 fig. 1 og 2 viser snit af en konventionel udførelsesfonn, hvor der er anvendt et dielektrisk materiale i det semi-koaksiale hulrumsresonansfilter, 5 fig. 3 viser en udtrukket perspektivisk afbildning af den semikoaksiale hulrumsresonator som indgående enhed i filteret ifølge opfindelsen, fig. 4 viser et snit af filtermontagen, 10 fig. 5, 6a og 6b viser rids af en foretrukken udførelsesform af den elektrostatiske kapacitetsregulator, som er anbragt i den semikoaksiale hulrumsresonator ifølge opfindelsen, 15 fig. 7 viser et diagram, som illustrerer forholdet imellem temperatur og grad af forandring i resonansfrekvens i den viste udførelsesform ifølge opfindelsen, 20 fig. 8 og 9 viser henholdsvis en udtrukket perspektivisk afbildning og en montageafbildning, delvis i snit, som viser et eksempel på monteringssekvens for den semikoaksiale hulrumsresonator ifølge opfindelsen.

25 Der i fig. 3 og 4 viste en udtrukket perspektivisk afbildning og et snit af en semikoaksial hulrumsresonator, som indgår som en enhed i båndpasfilteret ifølge opfindelsen.

30 Som vist på tegningen er der, ved at skære en kommerciel tilgængelig, rektangulær bølgeleder (med dimensioner som er nøjagtigt specificeret i Japanese Industriel Standard) på tværs i en forud fastlagt længde T, fremstillet en yderleder 11, som tjener som resonatorkappe. I en sædvan- 35 lig filterkonstruktion er et antal resonatorer af samme længde T indkoblet i flere trin.

DK 163618 B

7

En åbning 12 er anbragt i den forreste sidevæg af yderlederen 11, en inderleder 14 er indført gennem åbningen 12 og fastgjort indvendig i yderlederen 11 ved hjælp af en skrue 13, og denne skrue 13 benyttes som jordkontakt. Et 5 dielektrisk underlag 15 er anbragt i en luftspalte mellem den bageste sidevæg af yderlederen 11 og den (åbne) ende af inderlederen 14, og elektroder 16 og 17 er anbragt på begge sideflader af underlaget 15. Elektroderne 16 og 17 er, ved lodning eller ved anvendelse af et ledende klæbeto middel 18 eller lignende, elektrisk forbundet både med den åbne ende af inderlederen 14 og med den bageste sidevæg af yderlederen 11. Endvidere er skærmplader 21 og 22 med koblingsudsparinger 19 og 20 placeret i anlæg mod de to åbne ender af yder lederen 11, og der er på denne måde 15 oprettet et trin i den semikoaksiale hulrumsresonator.

Justeringen af resonansfrekvensen i den således fremstillede semikoaksiale hulrumsresonator gennemføres ved anvendelse af en mekanisme som vist i fig. 5, 6a og 6b.

20 Nærmere beskrevet er der, i den bageste sidevæg af yderlederen 11, som er forbundet med elektroden 17 i det dielektriske underlag 15, anbragt en cirkelformet åbning 23 af tilstrækkelig tværsnit, og en kapacitetsregulerings-25 knap 25 af isolerende materiale med en tilhørende, halvcirkelformet elektrode 24 er, som vist i fig. 6a, drejeligt lejret i den cirkel formede åbning 23 ved hjælp af en egnet fjederanordning 26, således at yderf laden af den halvcirkelformede elektrode 24 tvinges i kontakt med 30 yderfladen af elektroden 17 i det dielektriske underlag 15.

Som det fremgår af fig. 6b, er der på elektroden 17 udformet et afskallet, halvcirkulært parti, hvorved det di-35 elektriske materiale 15 på yderfladen af elektroden 17 blotlægges for at kunne placeres rigtigt over for den halvcirkelformede elektrode 24 på kapacitetsjusterings-

DK 163618 B

8 knappen 25.

Da fladen af elektroden 17 i det dielektriske underlag 15 kan forandres trinløst ved drejning af kapacitetsregule-5 ringsknappen 25 i den ovennævnte justeringsmekanisme, kan resonatorens resonansfrekvens finindstilles.

Der henvises til fig. 7, hvor en fuldt optrukket linie A angiver forholdet mellem temperaturen og resonansfrekvens 10 forandringsgrad-karakteristikken (Af/fg) for en konventionel, semikoaksial hulrumsresonator uden dielektrisk underlag, medens en punkteret linie B viser forandrings-grad-karakteristikken i det tilfælde, hvor et keramisk underlag af titanoxider, med en variation af dielektrici- 15 tetskonstanten som funktion af temperaturen på —6 -23x10 /°C, er indført i luftspalten. Karakteristikkur ven A i fig. 7 viser en høj forandringsgrad i forholdet -4 mellem temperatur og resonansfrekvens, ca. 12x10 /0 til 50°C, for resonatoren, fordi aluminium (med en tempera- — fi 20 turudvidelseskoefficient på 23x10 /°C) er anvendt som materiale i yderleder og inderleder. På den anden side viser karakteristikkurven B en reduceret temperaturreso- -4 nans forandringsgrad på ca. 1x10 /0 til 50° C. Denne tem peraturkarakteristik er den samme som ved anvendelse af 25 ingvar i konventionel, semikoaksial hulrumsresonator. Til fremstilling af elektroderne 16 og 17 på de to sider af det dielektriske underlag 15, som er vist i fig. 3, har en fremgangsmåden omfattende afsætning af tyndt metallag eller printning af en tyk film på det dielektriske under-30 lag 15 vist sig effektiv og bliver derfor udelukkende benyttet. Der må i dette tilfælde vælges et egnet elektrodemateriale, som ikke vil forårsage vanskeligheder, f.eks. afskalning af elektroderne 16 og 17 på grund af spændingen, som opstår som følge af ubalance mellem var-35 meudvidelseskoefficienterne for yder- og inderlederne 11 og 14 og det dielektriske underlag 15.

DK 163618B

9

Foruden keramisk materiale af titanoxider eller aluminiumoxid kan der til det dielektriske underlag anvendes ethvert materiale med ringe dielektrisk tab, og hvis re-sonatorens kvalitetsfaktor ønskes øget, kan materialer 5 som teflon, mica, glas o.s.v. komme til anvendelse.

Fremgangsmåden til fremstilling af båndpasfiltre, som oprettes ved kaskadekobling af et antal semikoaksiale hul-rumsresonatorer, er beskrevet i det efterfølgende.

10

Der er i fig. 8 vist yderledere 101 og 102 og dækplader 121 og 122 med koblingsudsparinger 111 og 112 (fig. 9) for afskærmning mellem strømlederne, og skærmplader 123 og 124, med åbninger 131 og 132 til indføring af ind-15 gangs- og udgangspropper, til afskærmning af indgangs- og udgangssideåbningerne i yderlederne henholdsvis 101 og 103, og disse komponenter er anbragt på den viste måde.

Endvidere er der, på ydersiden af skærmpladerne 123 og 20 124, anbragt klemplader 161 og 162, med huller 151 og 152 til kontaktstykker 141, 142 for indgangs- og udgangsterminalerne, og disse klemplader 161, 162 er indeholdt i en række øvre og nedre monteringsrammer 171 og 172. Rammerne 171, 172 er udstyret med flade, bakkeformede dæksler og 25 har huller 191 og 192 til optagelse af indstillingstappe 181 og 182, som er anbragt på klempladerne 161 og 162 ved kanten af indgangskontaktsiden.

Endvidere er der i fire hjørne af filtermonterings-spænd-30 pladen 210 anbragt åbninger 211, 212, 213 og 214 til optagelse af fire skruebolte 201, 202, 203 og 204 til sammenspænding i en enhed af filteraggregaterne ved kanten af udgangstilslutningssiden. Efter at samtlige af disse komponenter er monteret, bliver boltene, som strækker sig 35 gennem filtermonterings-klempladen 210, forbundet med låsemøtrikker 221, 222, 223 og 224, hvorved der fremkommer en filtermontage som vist i snit i fig. 9.

10

DK 163618B

I det udførelseseksempel, som er beskrevet i det ovenstående, er tre resonatorer sammenkoblet, men der kan inden for opfindelsens ramme anbringes sammenkoblede resonatorer, i et hvilket som helst ønsket antal, og længden af 5 monteringsrammerne 171 og 172 kan ændres i sådanne tilfælde. Yderlederens form, set i snit, er ikke nødvendigvis begrænset til den rektangulære, idet lederen også kan være cirkelformet eller have anden form.

10 Resonansfrekvenserne i de enkelte resonatortrin justeres før monteringen. Under monteringen bliver skærmpladerne med indgangs- og udgangskontakterne monteret som fiksturer på yderlederne henholdsvis 101, 102 og 103, og den førnævnte kapacitetsreguleringsknap 25 kan drejes indivi-15 duelt for finjustering af resonansfrekvensen.

Frekvensjusteringen kan også foretages ved at fjerne kapacitet sreguleringsknappen 25 med elektroden 24 og fjederanordningen 26 fra åbningen 23 i yderlederens bageste 20 sidevæg, forbinde elektroden med den samlede flade på underlaget 15 og gradvis formindske den blotlagte del ved åbningen 23 for elektroden 24.

25 30 35

Claims (5)

1. Semikoaksialt hulrumsresonansfilter, som omfatter et 5 antal semikoaksiale hulrumsresonatorer, som hver omfatter en rørformet yderleder (11) med forudbestemt længde, en inderleder (14), som er anbragt i yderlederen (11), og som med sin ene ende er fastgjort til yderlederens inder-væg, en anordning (25) til regulering af elektrostatisk 10 kapacitans i en spalte mellem inderlederens (14) anden ende og yderlederens (11) indervæg, samt mindst én dækplade (21, 22), som er udformet med en koblingsudsparing (19, 20) for integrerende kaskadesammenkobling af resona-torerne, 15 kendetegnet ved, at den kapacitansregulerende anordning (25) omfatter a) et dielektrisk underlag (15), som har en specifik di-20 elektricitetskonstant, som er højere end 1, og som er anbragt i spalten, idet det dielektriske underlags (15) sideflader er i kontakt med hver sin elektrode (16, 17), hvoraf den ene elektrode (17), som er i kontakt med yderlederens (11) indervæg, er udformiet med en udsparing med 25 forudbestemt areal, medens yderlederens (11) indervæg, som er i kontakt med denne elektrode (17), er udformet med et hul, og b) en dielektrisk plade (25), som er udstyret med en 30 halvcirkel formet elektrode eller en vifteformet elektrode med forudbestemt vinkel, idet pladen (25) er drejelig lejret i hullet og bliver holdt trykket an mod elektroden (17) ved hjælp af et fjederorgan, således at kontaktarealet mellem elektroden, som er anbragt i den dielektriske 35 plade (25), og udsparingen i elektroden (17) er varier-bar. DK 163618B

2. Semikoaksialt hulrumsresonansfilter ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det dielektriske underlag (15) består af keramisk materiale af titanoxider.

3. Semikoaksialt hulrumsresonansfilter ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det dielektriske underlag (15) består af aluminiumoxid.

4. Semikoaksialt hulrumsresonansfilter ifølge krav 1, 10 kendetegnet ved, at det dielektriske underlag (15) består af en makromolekylær harpiks.

5. Semikoaksialt hulrumsresonansfilter ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hver resonator er integre- 15 rende koblet til en anden af resonatoreme ved hjælp af dækpladen (21, 22), som er forsynet med koblingsudsparingen (19, 20), efter at dens resonansfrekvens er blevet reguleret med den kapacitansregulerende anordning (25). 20 25 30 35