EP1298757A1 - Bandpassfilter für ein Hochfrequenzsignal und Abstimmverfahren dafür - Google Patents

Bandpassfilter für ein Hochfrequenzsignal und Abstimmverfahren dafür Download PDF

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EP1298757A1
EP1298757A1 EP01123545A EP01123545A EP1298757A1 EP 1298757 A1 EP1298757 A1 EP 1298757A1 EP 01123545 A EP01123545 A EP 01123545A EP 01123545 A EP01123545 A EP 01123545A EP 1298757 A1 EP1298757 A1 EP 1298757A1
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EP
European Patent Office
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resonator
bandpass filter
signal
filter according
section
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Ceased
Application number
EP01123545A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg. Grunewald
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Telent GmbH
Original Assignee
Marconi Communications GmbH
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Publication date
Application filed by Marconi Communications GmbH filed Critical Marconi Communications GmbH
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Priority to US10/256,464 priority patent/US6819204B2/en
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Priority to NO20024688A priority patent/NO20024688D0/no
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203—Strip line filters
    • H01P1/20327—Electromagnetic interstage coupling
    • H01P1/20336—Comb or interdigital filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01P1/203—Strip line filters
    • H01P1/20327—Electromagnetic interstage coupling
    • H01P1/20354—Non-comb or non-interdigital filters
    • H01P1/20381—Special shape resonators

Definitions

  • the present invention relates to a bandpass filter for a high frequency signal, especially in Microstrip technology, and a method of tuning the pass band of such a filter.
  • filters are from a variety of Writings are known, among which only US 5,825 263 and US 5,786,303 are examples.
  • this filter is based on that the resonator segments 2 in sequence a high-frequency signal occurring at input segment 1 stimulated to vibrate in their basic fashion whose wavelength ⁇ is twice the length of the resonator segments is 2. These vibrations in turn induce the filtered in output segment 3 Signal.
  • the electrical currents flowing in the segments induce electromagnetic fields around the Segments. While the fields in the substrate plane are needed to each adjacent segments to stimulate that goes in fields outside the substrate level contained energy lost. this leads to excessive losses of the filter, if not one Shielding is provided which is outside the Field-emitted fields on the segments reflected back.
  • the shielding is not entirely satisfactory Solution of the loss problem.
  • the distance between segments and shielding can not be made zero. So it necessarily exists a phase shift between the currents flowing in the segments and those of the Shield reflected back on the segments Fields. This leads to a shift in the Passage frequency of the filter by the distance of the segments for shielding and of the dielectric constant of the material in between depends. This makes it difficult to use high frequency filters of the type shown in Fig. 1 with a targeted desired, precisely specified pass frequency manufacture. If a filter with a precisely specified Pass frequency is needed, so it is practically only possible from a large one Number of finished filters by manufacturing spread requires different center frequencies have to select those that are exact have the desired value.
  • the object of the present invention is a filter for high frequency signals, which is a low Radiation and at the same time a simple, has space-saving structure.
  • the resonator By making the resonator a two-fold (rotational or mirror) symmetry and through that too filtering signal to a vibration with the same Symmetry is stimulated, it is achieved that a current excited the resonator from a fixed point the symmetry operation out in the resonator spreads symmetrically. So everyone exists Time inside the resonator opposite the same Currents on both sides and at equal intervals from the center of symmetry - the plane of symmetry, if the two-fold symmetry operation is a reflection, or the axis of symmetry if the symmetry operation is a 180 ° rotation - whose radiation fields cancel each other out on the plane or axis of symmetry. This effect is achieved without it an unbalanced signal is required convert to a push-pull signal with a balun.
  • the bandpass filter has at least two resonators, one of which is galvanically connected to the lead section is coupled and the other galvanically is coupled to the derivation section. Between said two resonators can be further resonators be arranged. Preferably all are these resonators with respect to the same mirror plane symmetrical.
  • the supply section and the discharge section one transmitter electrode each for excitation a resonator and one with the transmitter electrode connected input conductor or a receiver electrode, by the vibration of the resonator is excitable, and one with the receiver electrode connected output conductor.
  • Electrodes and resonators are preferably galvanic separated, so the coupling between the two only capacitive or magnetic is possible.
  • Input and / or output conductors extend preferably at right angles to the entrance or output electrode. Through this arrangement of The input and output conductor is an influence the current distribution in the respectively assigned electrode excluded by fields generated by the conductor.
  • All resonators are preferably the same Expansion across the plane of symmetry. This expansion corresponds to the entire wavelength ⁇ of the resonance frequency of the resonators.
  • the resonators are preferably transverse to the plane of symmetry elongated. Such a form enables a very low loss coupling. For space reasons you can also get an angled or curved shape the electrodes and the resonator, then in the case of mirror symmetry, however be accepted that the emitted No longer fields each other in the plane of symmetry cancel completely.
  • Each resonator has a design of the bandpass filter one constant across the plane of symmetry Cross-sectional area.
  • each resonator can be in one Section between the plane of symmetry and each have a narrowing of its longitudinal ends. This has the advantage that the expansion of the resonator transverse to the plane of symmetry with the same Resonance frequency in comparison to the previously considered Alternative shortens so that the space requirement of the bandpass filter can be reduced.
  • FIG. 2 shows a filter according to the invention in a perspective view.
  • a ceramic substrate 10 made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a thickness of 254 ⁇ m gold conductor surfaces are applied using microstrip technology. The thickness of the gold layer is 3 ⁇ m.
  • a continuous metallization 11 is deposited on the underside of the ceramic substrate 10.
  • the structured conductor layer on the top of the substrate 10 includes an input conductor 12 for the high-frequency signal to be filtered, which under at a right angle to a straight elongated Transmitter electrode 13 hits.
  • the connection point 14 of the input conductor 12 with the transmitter electrode 13 lies exactly in the middle of the latter, on one in the figure by dashed lines S indicated mirror plane of symmetry of the transmitter electrode 13th
  • the high-frequency signal fed into the transmitter electrode 13 spreads from connection point 14 in Longitudinal direction of the transmitter electrode 13 symmetrically in both directions.
  • the through the so on both sides the plane of symmetry flowing, opposite same currents induced electromagnetic Fields cancel each other out on the symmetry level are small in the vicinity of the plane of symmetry, whereby a significantly reduced radiation in Direction perpendicular to the transmitter electrode in comparison to the filter of FIG. 1 results.
  • the wavelength of the longitudinal extension corresponds to the electrode 13.
  • the electrode 13 has indeed a resonance at half this frequency; however, their currents change during reflection their sign at the plane of symmetry. she has a lower symmetry and those induced by it Fields compensate each other on the symmetry level S not. It is within the scope of the present Invention undesirable and is due to the symmetrical Signal supply to the transmitter electrode 13 not excited.
  • Conductor element, as an unconnected resonator Designated 15, also from elongated straight Shape, is parallel to the transmitter electrode 13 arranged on the ceramic substrate 10.
  • the resonator 15 is galvanic from the transmitter electrode 13 separated, with it congruent and mirror-symmetrical with respect to the same plane of symmetry S. He is through that of the transmitter electrode 13 in the plane of the substrate 10 radiated fields capacitive and magnetic to the same electrical vibration like the transmitter electrode 13 excitable.
  • the unconnected Resonator 15 is like the transmitter electrode 13 with a wavelength equal to twice its Length oscillates, but becomes one Vibration due to the symmetrical current distribution not excited in the transmitter electrode 13.
  • a receiver electrode 16 On the side facing away from the transmitter electrode 13 of the unconnected resonator 15 is a receiver electrode 16 arranged on a central Connection point 17 with an output conductor 18 connected is.
  • the shape of the receiver electrode 16 and the output conductor 18 is a mirror image to that of transmitter electrode 13 and input conductor 12. Of those flowing in the unconnected resonator 15 Currents in the receiver electrode 16 capacitive and magnetically excited currents form the output signal of the filter.
  • Zones 19 of maximum current are located on the electrodes 13 and 16 facing long sides of the resonator in the middle between its outer ends and the plane of symmetry S.
  • the currents are different at all times Sides of the plane of symmetry S in opposite Directions as shown by arrows P indicated.
  • FIG. 4A shows a top view with omission of the substrate a second embodiment of the invention Filters, in which two resonators 15th one after the other between the transmitter and receiver electrodes 13 and 16 are arranged.
  • This filter is narrower than that of Fig. 2; otherwise is the principle of operation the same.
  • the number of resonators 15 can also be chosen larger than two.
  • the number of unconnected resonators can also be Be zero, in this case based on Fig. 4B the effect of the filter alone on the resonances of transmitter and receiver electrodes 13, 16.
  • the filter shown in Fig. 5 differs from that of FIG. 2 in that the input conductor 12 not at right angles to the transmitter electrode 13 meets.
  • One such or another asymmetrical Arrangement of the input or output conductor can become necessary for reasons of space. In this case is not excluded in the filter of FIG. 2, that by a slight break in symmetry the current distribution in the transmitter electrode 13 of the Resonator 15 for vibrations with a wavelength is excited twice the resonator length and thus a certain permeability of the filter in a frequency range at half the desired Pass frequency results.
  • 5 in the embodiment of FIG Plane of symmetry S interrupted.
  • the transmission behavior the filter in the desired pass band is not affected by this since, as shown in FIG. 3, none with symmetrical excitation of the resonator Current flow occurs over the plane of symmetry.
  • FIG. While in the embodiments shown so far the cross-sectional areas of the electrodes 13, 16 and the resonator 15 in the longitudinal direction 6, an embodiment is shown in FIG. where the width of the electrodes 13, 16 and of the resonator 15 varies in the longitudinal direction. More specifically, the electrodes 13, 16 and Resonator 15 on the plane of symmetry and on their ends widened portions 20 and in between tapered sections 21.
  • the invention is not straightforward Electrodes and resonators limited. It is also e.g. a sine or, as shown here, Zigzag shape of the electrodes and the resonator possible.
  • Radiation reduction is that of the electrodes and resonators each have a 180 ° rotational symmetry or - inversion symmetry in the present case exhibit.
  • FIG. 8B shows a further modification of FIG. 2, in which the electrodes 13, 16 compact conductor surfaces with a small extension across the direction of signal propagation, i.e. the plane of symmetry S, are.
  • the filter effect is based on this configuration solely on the resonance of the unconnected resonator 15, a resonance of the electrodes 13, 16 becomes not excited
  • Figs. 10A, 10B show the reflectivity of a 2 with pass band at approx. 26.5 to 27.5 GHz for different frequency scales; the transmission characteristic of the same Filters is shown in Figs. 11A, 11B.
  • the radiation of the filter according to the invention is low, is a shield for functionality the filter is no longer required, and the filter is relatively insensitive to the dielectric Properties of its environment. This improves the reliability of the filter and reduces it its cost.
  • FIG. 12 shows such post-processing by ablation using a laser beam 23 along two symmetrical to the plane of symmetry S of the filter traces T1, T2 led and so all electrodes and resonators trimmed to the same length.

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Abstract

Ein Bandpassfilter für ein Hochfrequenzsignal umfasst einen Zuleitungsabschnitt (12,13) für ein zu filterndes Signal, einen Ableitungsabschnitt (16,18) für das gefilterte Signal und wenigstens einen Resonator (15), der elektromagnetisch oder galvanisch an Zuleitungs- und Ableitungsabschnitt (12,13;16,18) gekoppelt ist. Der Resonator (15) ist durch Anlegen des zu filternden Signals an den Zuleitungsabschnitt zu einer symmetrischen Schwingung anregbar. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bandpassfilter für ein Hochfrequenzsignal, insbesondere in Mikrostreifentechnik, und ein Verfahren zum Abstimmen des Durchgangsbandes eines solchen Filters. Derartige Filter sind aus einer Vielzahl von Schriften bekannt, unter denen hier nur US-5 825 263 und US-5 786 303 als Beispiele genannt seien.
Herkömmliche Filter dieser Art, wie bereits in US-5 825 263 als Stand der Technik beschrieben, sind aufgebaut aus einer Mehrzahl von auf einem Substrat strukturierten Leitersegmenten mit einer Länge λ/4 oder λ/2, die gestaffelt nebeneinander angeordnet sind, wobei benachbarte Segmente miteinander auf einer Länge λ/4 überlappen, wobei λ diejenige Wellenlänge ist, die der Mittenfrequenz des Durchgangsbandes des Filters entspricht.
Fig. 1 zeigt ein solches Filter mit Eingangssegment 1 und Ausgangssegment 3 der Länge λ/4, die jeweils mit Signalleitungen verbunden sind, und dazwischen liegenden Resonatorsegmenten 2 der Länge λ/2.
Das Funktionsprinzip dieses Filters beruht darauf, dass die Resonatorsegmente 2 der Reihe nach durch ein am Eingangssegment 1 auftretendes Hochfrequenzsignal zu Schwingungen in ihrer Grundmode angeregt werden, deren Wellenlänge λ das Zweifache der Länge der Resonatorsegmente 2 beträgt. Diese Schwingungen wiederum induzieren im Ausgangssegment 3 das gefilterte Signal.
Die in den Segmenten fließenden elektrischen Ströme induzieren elektromagnetische Felder rings um die Segmente. Während die Felder in der Substratebene benötigt werden, um jeweils benachbarte Segmente anzuregen, geht die in Feldern außerhalb der Substratebene enthaltene Energie verloren. Dies führt zu starken Verlusten des Filters, sofern nicht eine Abschirmung vorgesehen wird, die die außerhalb der Substratebene abgestrahlten Felder auf die Segmente zurück reflektiert.
Die Abschirmung stellt jedoch keine vollauf befriedigende Lösung des Verlustproblems dar. Der Abstand zwischen Segmenten und Abschirmung kann nicht gleich Null gemacht werden. Es besteht somit notwendigerweise eine Phasenverschiebung zwischen den in den Segmenten fließenden Strömen und den von der Abschirmung auf die Segmente zurückreflektierten Feldern. Dies führt zu einer Verschiebung der Durchgangsfrequenz des Filters, die von dem Abstand der Segmente zur Abschirmung und von der Dielektrizitätskonstanten des dazwischenliegenden Materials abhängt. Dies macht es schwierig, Hochfrequenzfilter vom in Fig. 1 gezeigten Typ gezielt mit einer gewünschten, genau vorgegebenen Durchgangsfrequenz herzustellen. Wenn ein Filter mit einer genau spezifizierten Durchgangsfrequenz benötigt wird, so ist es praktisch nur möglich, aus einer großen Stückzahl von fertigen Filtern, die durch Fertigungsstreuung bedingt unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen, diejenigen auszuwählen, die exakt den gewünschten Wert haben.
Um das Problem der übermäßigen Abstrahlung außerhalb der Substratebene zu lösen, wird in US-A-5 825 263 eine Filteranordnung vorgeschlagen, die im Prinzip aus zwei Paaren von Filtern besteht, von denen jeder einzelne ähnlich wie in Fig. 1 gezeigt aus gestaffelten Resonatorsegmenten aufgebaut ist, wobei ein Filter das Spiegelbild des anderen darstellt. Die zwei Eingänge dieses Filterpaars werden mit einem Gegentakt-Eingangssignal versorgt, so dass in zwei einander entsprechenden Segmenten der Filter zu jedem Zeitpunkt Ströme in entgegengesetzten Richtungen fließen. Die von diesen Strömen ausgestrahlten Felder heben einander auf der Symmetrieebene zwischen den beiden Filtern auf und reduzieren so die Abstrahlung senkrecht zur Substratebene.
Um eine solche Filteranordnung mit einem unsymmetrischen Signal zu betreiben, ist es notwendig, den einzelnen Filtern jeweils einen Balun vor- und nachzuschalten, der das unsymmetrische Signal in ein symmetrisches Gegentaktsignal bzw. das gefilterte Gegentaktsignal zurück in ein unsymmetrisches Signal umwandelt. Diese bekannte Filteranordnung ist daher aufwendig in der Herstellung und erfordert eine große Substratfläche.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Filter für Hochfrequenzsignale anzugeben, das eine geringe Abstrahlung aufweist und gleichzeitig eine einfache, platzsparende Struktur hat.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bandpassfilter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2.
Indem der Resonator eine zweizählige (Rotations- oder Spiegel-)symmetrie aufweist und durch das zu filternde Signal zu einer Schwingung mit gleicher Symmetrie anregbar ist, wird erreicht, dass ein in dem Resonator angeregter Strom sich von einem Fixpunkt der Symmetrieoperation aus in dem Resonator symmetrisch ausbreitet. Somit existieren zu jeder Zeit innerhalb des Resonators entgegengesetzt gleiche Ströme beiderseits und in gleichen Abständen vom Symmetriezentrum - der Symmetrieebene, wenn die zweizählige Symmetrieoperation eine Spiegelung ist, oder der Symmetrieachse, wenn die Symmetrieoperation eine 180°-Drehung ist -, deren Strahlungsfelder einander auf der Symmetrieebene oder -achse aufheben. Diese Wirkung wird erreicht, ohne dass es vorher erforderlich ist, ein unsymmetrisches Signal mit einem Balun in ein Gegentaktsignal umzuwandeln.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Bandpassfilter wenigstens zwei Resonatoren, von denen einer galvanisch an den Zuleitungsabschnitt gekoppelt ist und der andere galvanisch an den Ableitungsabschnitt gekoppelt ist. Zwischen den besagten zwei Resonatoren können weitere Resonatoren angeordnet sein. Vorzugsweise sind alle diese Resonatoren bezüglich der gleichen Spiegelebene symmetrisch.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung weisen der Zuleitungsabschnitt und der Ableitungsabschnitt jeweils eine Senderelektrode zum Anregen eines Resonators und einen mit der Senderelektrode verbundenen Eingangsleiter bzw. eine Empfängerelektrode, die durch die Schwingung des Resonators anregbar ist, und einen mit der Empfängerelektrode verbundenen Ausgangsleiter auf.
Elektroden und Resonatoren sind vorzugsweise galvanisch getrennt, so dass die Kopplung zwischen beiden nur kapazitiv oder magnetisch möglich ist.
Die besagten zwei Ausgestaltungen sind dahingehend kombinierbar, dass die Elektroden gleichzeitig auch Resonatoren sein können.
Eingangs- und/oder Ausgangsleiter erstrecken sich vorzugsweise jeweils rechtwinklig zur Eingangs- bzw. Ausgangselektrode. Durch diese Anordnung der Eingangs- und Ausgangsleiter ist eine Beeinflussung der Stromverteilung in der jeweils zugeordneten Elektrode durch von dem Leiter erzeugte Felder ausgeschlossen.
Vorzugsweise haben alle Resonatoren die gleiche Ausdehnung quer zur Symmetrieebene. Diese Ausdehnung entspricht der ganzen Wellenlänge λ der Resonanzfrequenz der Resonatoren.
Dieses Merkmal und insbesondere eine vollständige Kongruenz der Resonatoren erleichtert die Abstimmung des erfindungsgemäßen Bandpassfilters auf eine gewünschte Resonanzfrequenz, wie später noch deutlich werden wird.
Vorzugsweise sind die Resonatoren quer zur Symmetrieebene langgestreckt. Eine solche Form ermöglicht eine sehr verlustarme Kopplung. Aus Platzgründen kann man auch eine gewinkelte oder gekrümmte Form der Elektroden und des Resonators in Betracht ziehen, dann muss im Falle von Spiegelsymmetrie jedoch in Kauf genommen werden, dass die abgestrahlten Felder einander in der Symmetrieebene nicht mehr vollständig aufheben.
Bei einer einfach herzustellenden und verlustarmen Ausgestaltung des Bandpassfilters weist jeder Resonator jeweils eine quer zur Symmetrieebene gleichbleibende Querschnittsfläche auf.
Alternativ kann jeder Resonator jeweils in einem Abschnitt zwischen der Symmetrieebene und jedem seiner Längsenden eine Verengung aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Ausdehnung des Resonators quer zur Symmetrieebene sich bei gleichbleibender Resonanzfrequenz im Vergleich zur zuvor betrachteten Alternative verkürzt, so dass der Flächenbedarf des Bandpassfilters reduziert werden kann.
Aufgrund der geringen Abstrahlung ist das erfindungsgemäße Bandpassfilter auch ohne eine den Resonator umschließende Abschirmung arbeitsfähig bzw. in seinem Durchlassverhalten wenig von einer solchen Abschirmung und der Dielektrizitätskonstante des zwischen dem Filter und der Abschirmung liegenden Materials abhängig. Dadurch wird es möglich, ein solches Filter nach dem Strukturieren jedes Resonators noch nachträglich auf ein vorher festgelegtes, gewünschtes Durchgangsfrequenzband abzustimmen, indem bei Bedarf Material von dem Resonator unter Aufrechterhaltung seiner Symmetrie abgetragen wird. Eine solche Abtragung kann zweckmäßigerweise durch Laserablation vorgenommen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1,
bereits diskutiert, eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Bandpassfilters;
Fig. 2
eine perspektivische Ansicht eines Bandpassfilters gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 3
schematisch die im Resonator des Filters von Fig. 2 induzierte Stromverteilung;
Figs. 4A, 4B, 5 und 6
jeweils Draufsichten auf ein Filter gemäß einer zweiten bis fünften Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 7
eine Abwandlung der fünften Ausgestaltung in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 8A, 8B, 8C
jeweils eine Draufsicht auf eine sechste bis achte Ausgestaltung;
Fig. 9
ein Diagramm, das für unterschiedliche Signalfrequenzen die Strahlungseffizienzen eines herkömmlichen Filters gemäß Fig. 1 und des erfindungsgemäßen Filters gemäß Fig. 2 zeigt;
Figs. 10A und 10B
die Reflexionscharakteristik des Filters aus Fig. 2;
Figs. 11A, 11B
die Transmissionscharakteristik des Filters aus Fig. 2; und
Figs. 12, 13
je eine Ansicht eines Filters beim Abstimmen nach einer ersten und einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Filter in einer perspektivischen Ansicht. Auf einem Keramiksubstrat 10 aus Aluminiumoxyd (Al2O3) mit einer Dicke von 254 µm sind Leiterflächen aus Gold in Microstrip-Technik aufgebracht. Die Dicke der Goldschicht beträgt 3 µm. An der Unterseite des Keramiksubstrats 10 ist eine durchgehende Metallisierung 11 abgeschieden.
Die strukturierte Leiterschicht an der Oberseite des Substrats 10 umfasst einen Eingangsleiter 12 für das zu filternde Hochfrequenzsignal, der unter einem rechten Winkel auf eine geradlinig langgestreckte Senderelektrode 13 trifft. Der Verbindungspunkt 14 des Eingangsleiters 12 mit der Senderelektrode 13 liegt exakt in der Mitte der letzteren, auf einer in der Fig. durch gestrichelte Linien S angedeuteten Spiegelsymmetrieebene der Senderelektrode 13.
Das in die Senderelektrode 13 eingespeiste Hochfrequenzsignal breitet sich vom Verbindungspunkt 14 in Längsrichtung der Senderelektrode 13 symmetrisch in beide Richtungen aus. Die durch die so beiderseits der Symmetrieebene fließenden, entgegengesetzt gleichen Ströme induzierten elektromagnetischen Felder heben sich auf der Symmetrieebene auf und sind in der Umgebung der Symmetrieebene gering, wodurch eine erheblich reduzierte Abstrahlung in Richtung senkrecht zur Senderelektrode im Vergleich zum Filter der Fig. 1 resultiert.
Angeregt durch das eingespeiste Hochfrequenzsignal ist die Senderelektrode 13 mit einer Frequenz schwingfähig, deren Wellenlänge der Längsausdehnung der Elektrode 13 entspricht. Die Elektrode 13 hat zwar auch eine Resonanz bei der Hälfte dieser Frequenz; deren Ströme wechseln jedoch bei der Spiegelung an der Symmetrieebene ihr Vorzeichen. Sie hat eine geringere Symmetrie und die von ihr induzierten Felder kompensieren einander auf der Symmetrieebene S nicht. Sie ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unerwünscht und wird infolge der symmetrischen Signalzuführung zur Senderelektrode 13 nicht angeregt.
Ein wie die Senderelektrode 13 als Resonator fungierendes Leiterelement, als unverbundener Resonator 15 bezeichnet, ebenfalls von langgestreckt geradliniger Form, ist parallel zur Senderelektrode 13 auf dem Keramiksubstrat 10 angeordnet. Der Resonator 15 ist von der Senderelektrode 13 galvanisch getrennt, mit ihr kongruent und spiegelsymmetrisch bezüglich der gleichen Symmetrieebene S. Er ist durch die von der Senderelektrode 13 in der Ebene des Substrats 10 abgestrahlten Felder kapazitiv und magnetisch zu der gleichen elektrischen Schwingung wie die Senderelektrode 13 anregbar. Der unverbundene Resonator 15 ist zwar wie die Senderelektrode 13 mit einer Wellenlänge gleich dem Doppelten seiner Länge schwingfähig, doch wird eine solche Schwingung aufgrund der symmetrischen Stromverteilung in der Senderelektrode 13 nicht angeregt.
Auf der von der Senderelektrode 13 abgewandten Seite des unverbundenen Resonators 15 ist eine Empfängerelektrode 16 angeordnet, die an einem mittigen Verbindungspunkt 17 mit einem Ausgangsleiter 18 verbunden ist. Die Gestalt der Empfängerelektrode 16 und des Ausgangsleiters 18 ist spiegelbildlich zu der von Senderelektrode 13 und Eingangsleiter 12. Von den im unverbundenen Resonator 15 fließenden Strömen in der Empfängerelektrode 16 kapazitiv und magnetisch erregte Ströme bilden das Ausgangssignal des Filters.
Fig. 3 zeigt schematisch die im Resonator 15 induzierte Stromverteilung. An den äußeren Enden des Resonators und auf der Symmetrieebene S verschwindet die Stromstärke; Zonen 19 maximaler Stromstärke befinden sich jeweils an den den Elektroden 13 bzw. 16 zugewandten Längsseiten des Resonators mittig zwischen dessen äußeren Enden und der Symmetrieebene S. Die Ströme sind zu jedem Zeitpunkt auf verschiedenen Seiten der Symmetrieebene S in entgegengesetzte Richtungen orientiert, wie durch Pfeile P angedeutet.
Fig. 4A zeigt in einer Draufsicht unter Weglassung des Substrats eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filters, bei der zwei Resonatoren 15 nacheinander zwischen Sender- und Empfängerelektrode 13 bzw. 16 angeordnet sind. Dieses Filter ist schmalbandiger als das der Fig. 2; ansonsten ist das Funktionsprinzip das gleiche. Die Zahl der Resonatoren 15 kann auch größer als zwei gewählt werden.
Die Zahl der unverbundenen Resonatoren kann auch Null sein, in diesem in Fig. 4B gezeigten Fall beruht die Wirkung des Filters allein auf den Resonanzen von Sender- und Empfängerelektrode 13, 16.
Das in Fig. 5 gezeigte Filter unterscheidet sich von dem der Fig. 2 dadurch, dass der Eingangsleiter 12 nicht rechtwinklig auf die Senderelektrode 13 trifft. Eine derartige oder andere asymmetrische Anordnung des Eingangs- oder Ausgangsleiters kann aus Platzgründen notwendig werden. In diesem Fall ist beim Filter der Fig. 2 nicht ausgeschlossen, dass durch eine geringfügige Brechung der Symmetrie der Stromverteilung in der Senderelektrode 13 der Resonator 15 zu Schwingungen mit einer Wellenlänge gleich der zweifachen Resonatorlänge angeregt wird und somit eine gewisse Durchlässigkeit des Filters in einem Frequenzbereich bei der Hälfte der gewünschten Durchgangsfrequenz resultiert. Um eine solche Schwingung des Resonators 15 zu unterbinden, ist dieser bei der Ausgestaltung der Fig. 5 auf der Symmetrieebene S unterbrochen. Das Transmissionsverhalten des Filters im gewünschten Durchgangsband ist hiervon nicht betroffen, da, wie Fig. 3 zeigt, bei symmetrischer Anregung des Resonators kein Stromfluss über die Symmetrieebene auftritt.
Während bei den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen die Querschnittsflächen der Elektroden 13, 16 und des Resonators 15 in deren Längsrichtung konstant sind, ist in Fig. 6 eine Ausgestaltung gezeigt, bei der die Breite der Elektroden 13, 16 und des Resonators 15 in deren Längsrichtung variiert. Genauer gesagt weisen die Elektroden 13, 16 und der Resonator 15 jeweils auf der Symmetrieebene und an ihren Enden verbreiterte Abschnitte 20 und dazwischen verjüngte Abschnitte 21 auf. Durch die Verjüngung der Elektroden und des Resonators jeweils im Bereich hoher Stromstärken kann bei gleichbleibender Durchgangsfrequenz die Wellenlänge der im Resonator angeregten Schwingung verringert und damit der Platzbedarf des Filters reduziert werden.
Das gleiche Ergebnis läßt sich mit der in Fig. 7 gezeigten Abwandlung erzielen, wo Abschnitte 21 verminderten Querschnitts jeweils durch Reduzieren der Schichtdicke der Leitersegmente der Elektroden 13, 16 und des Resonators 15 erzeugt sind. Diese Abschnitte 21 können z.B. erzeugt werden, indem ausgehend von Leitersegmenten konstanter Dicke die Abschnitte 21 durch kurzzeitiges Ätzen oder Laserablation teilweise abgetragen werden.
Wie Fig. 8A zeigt, ist die Erfindung nicht auf geradlinige Elektroden und Resonatoren beschränkt. Es ist auch z.B. eine Sinus- oder, wie hier gezeigt, Zickzackform der Elektroden und des Resonators möglich. Entscheidend für die durch die Erfindung angestrebte Strahlungsreduzierung ist, dass die Elektroden und Resonatoren jeweils eine 180°-Rotationssymmetrie oder - im vorliegenden Fall-Inversionssymmetrie aufweisen.
Fig. 8B zeigt eine weitere Abwandlung von Fig. 2, bei der die Elektroden 13, 16 kompakte Leiterflächen mit geringer Ausdehnung quer zur Signalausbreitungsrichtung, d.h. der Symmetrieebene S,sind. Bei dieser Ausgestaltung beruht die Filterwirkung allein auf der Resonanz des unverbundenen Resonators 15, eine Resonanz der Elektroden 13,16 wird nicht angereg
Wie Fig. 8C zeigt, können die Elektroden 13, 16 auch völlig fortfallen, und Eingangsleiter 12 und Ausgangsleiter 18 stehen am Resonator 15', der Eigenschaften der Komponenten 13, 15, 16 des Filters aus Fig.2 in sich vereint, in galvanischer Verbindung. Allerdings weist dieses Filter neben dem Durchlassband bei der Resonanzfrequenz des Resonators 15' noch einen Durchlassbereich bei niedrigen Frequenzen auf.
Das Ausmaß der Strahlungsreduzierung, das mit Filtern der in Fig. 2 gezeigten Bauart im Vergleich zu herkömmlichen Filtern gemäß Fig. 1 erreichbar ist, ist in Fig. 9 quantitativ dargestellt. An der Ordinate des Diagramms von Fig. 9 sind Filter-Durchgangsfrequenzen aufgetragen, und an der Abszisse die zugehörigen Strahlungseffizienzen in Prozent. Die Strahlungseffizienz ist das Verhältnis zwischen der von der Senderelektrode abgestrahlten Leistung und der tatsächlich in den Resonator eingespeisten Leistung. Je höher sie ist, um so größer ist der Anteil des Signals, der vom Filter nutzlos abgestrahlt wird, sie sollte daher so niedrig wie möglich sein. Diese Strahlungseffizienz liegt beim erfindungsgemäßen Filter bei ca. 15% und ist damit weniger als halb so hoch wie beim herkömmlichen Filter, dessen Strahlungseffizienz zwischen 35 und 40 % liegt.
Die Figs. 10A, 10B zeigen die Reflektivität eines Filters gemäß Fig. 2 mit Durchgangsband bei ca. 26,5 bis 27,5 GHz für unterschiedliche Frequenzskalen; die Transmissionscharakteristik des gleichen Filters ist in Figs. 11A, 11B gezeigt.
Da die Abstrahlung des erfindungsgemäßen Filters gering ist, ist eine Abschirmung für die Funktionsfähigkeit des Filters nicht mehr erforderlich, und das Filter ist relativ unempfindlich gegen die dielektrischen Eigenschaften seiner Umgebung. Dies verbessert die Zuverlässigkeit des Filters und reduziert dessen Kosten.
Ein weiterer Vorteil, der hieraus resultiert, ist die leichte Abstimmbarkeit der Mittenfrequenz des Filters. Bei in Serie gefertigten Filtern streut diese Mittenfrequenz in einem erheblichen Umfang. Wenn die Filter für eine Anwendung verwendet werden, bei der die Durchgangsfrequenz mit engen Toleranzen vorgegeben ist, so kann dies dazu führen, dass nicht alle Filter einer Serie ohne weiteres verwendet werden können. Da das erfindungsgemäße Filter nicht abgeschirmt werden muss, ist es ohne weiteres möglich, bei Filtern, deren Mittenfrequenz einer Spezifikation nicht entspricht, eine Nachbearbeitung vorzunehmen.
Wenn die an einem Filter gemessene Durchgangsfrequenz unterhalb einer Spezifikation liegt, so besteht diese nach Bearbeitung aus einem Abtragen von Material an den Spitzen der Elektroden 13, 16 und Resonatoren 15. Fig. 12 zeigt eine solche Nachbearbeitung durch Ablation mittels eines Laserstrahls 23, der entlang zweier symmetrisch zur Symmetrieebene S des Filters verlaufender Spuren T1, T2 geführt wird und so alle Elektroden und Resonatoren auf die gleiche Länge beschneidet.
Falls die an einem fertigen Filter gemessene Mittenfrequenz oberhalb der Spezifikation liegt, so kann dies, wie in Fig. 13 gezeigt, durch Materialabtrag in Bereichen der Elektroden und Resonatoren zwischen deren Enden und der Symmetrieebene S erfolgen, so dass das in Fig. 7 gezeigte Filter resultiert.
Da die Mittenfrequenz des erfindungsgemäßen Filters nur wenig von den elektrischen Eigenschaften seiner unmittelbaren Umgebung abhängt, ist es auch möglich, eine Nachbearbeitung wie in Fig. 12 und 13 gezeigt an Filtern vorzunehmen, die nachträglich noch eine Abschirmung erhalten.

Claims (19)

  1. Bandpassfilter für ein Hochfrequenzsignal, mit einem Zuleitungsabschitt (12) für ein zu filterndes Signal, einem Ableitungsabschnitt (18) für das gefilterte Signal und wenigstens einem Resonator (13, 16, 15, 15'), der elektromagnetisch oder galvanisch an Zuleitungs- und Ableitungsabschnitt (12; 18) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (13, 16, 15, 15') eine in Bezug auf eine Signalausbreitungsebene zweizählig rotationssymmetrische Form aufweist und durch Anlegen des zu filternden Signals an den Zuleitungsabschnitt zu einer in gleicher Weise symmetrischen Schwingung anregbar ist.
  2. Bandpassfilter für ein Hochfrequenzsignal, mit einem Zuleitungsabschitt (12) für ein zu filterndes Signal, einem Ableitungsabschnitt (18) für das gefilterte Signal und wenigstens einem Resonator (13, 16, 15, 15'), der elektromagnetisch oder galvanisch an Zuleitungs- und Ableitungsabschnitt (12; 18) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (13, 16, 15, 15') eine in Bezug auf eine Signalausbreitungsrichtung spiegelsymmetrische Form aufweist und durch Anlegen des zu filternden Signals an den Zuleitungsabschnitt zu einer in gleicher Weise symmetrischen Schwingung anregbar ist.
  3. Bandpassfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens zwei Resonatoren (13, 16) umfasst, von denen einer galvanisch an den Zuleitungsabschnitt (12) gekoppelt ist und der andere galvanisch an den Ableitungsabschnitt (18) gekoppelt ist.
  4. Bandpassfilter nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Resonatoren (13, 16, 15) bezüglich der gleichen Spiegelebene (S) symmetrisch sind.
  5. Bandpassfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitungsabschnitt (12, 13) und/oder der Ableitungsabschnitt (16, 18) jeweils einen Eingangsleiter(12) und eine Senderelektrode (13) bzw. einen Ausgangsleiter (18) und eine Empfängerelektrode (16) aufweisen.
  6. Bandpassfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich Eingangs- und/oder Ausgangsleiter (12, 18) jeweils rechtwinklig zur Eingangs- bzw. Ausgangselektrode (13, 16) erstrecken.
  7. Bandpassfilter nach Anspruch 2 und Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender- und/oder Empfängerelektrode (13, 16) mit dem Eingangs- bzw. Ausgangsleiter (12, 18) für das Hochfrequenzsignal jeweils an einem Fixpunkt (14, 17) der Spiegelung verbunden sind.
  8. Bandpassfilter nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (13, 16) und der Resonator (15) die gleiche Ausdehnung quer zur Symmetrieebene (S) aufweisen.
  9. Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (13, 16) und der Resonator (15) jeweils kongruent sind.
  10. Bandpassfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Resonator (13, 15, 16) eine langgestreckte Form aufweist.
  11. Bandpassfilter nach Anspruch 2 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Resonators quer zur Symmetrieebene (S) verläuft.
  12. Bandpassfilter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Resonator (13, 15, 16) jeweils eine in seiner Längsrichtung gleichbleibende Querschnittsfläche aufweist.
  13. Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Resonator (13, 15, 16) jeweils in einem Abschnitt zwischen der Symmetrieebene (S) und jedem seiner Längsenden eine Verengung (21) aufweist.
  14. Bandpassfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeder Resonator (13, 15, 16) ein auf einem Substrat (10) aufgebrachter Mikrostreifenleiter ist.
  15. Verfahren zum Abstimmen eines Bandpassfilters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein gewünschtes Durchgangsfrequenzband des Filters festgelegt wird, das tatsächliche Durchgangsband des Bandpassfilters erfasst und Material von jedem Resonator (13, 15, 16) abgetragen wird, wenn das erfasste Durchgangsband zu weit von dem gewünschten Durchgangsfrequenzband abweicht.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material an den Enden jedes Resonators (13, 15, 16) abgetragen wird, wenn das erfasste Durchgangsband bei tieferen Frequenzen als das gewünschte Durchgangsband liegt.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, dass das Material in einem Abschnitt (21) zwischen der Symmetrieebene (S) und den Enden jedes Resonators (13, 15, 16) abgetragen wird, wenn das erfasste Durchgangsband bei höheren Frequenzen als das gewünschte Durchgangsband liegt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtragen ein Laser eingesetzt wird.
  19. Verwendung eines Filters nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Filtern eines Signals mit einer Mittenfrequenz, deren Wellenlänge einer Resonanz des Resonators entspricht, die die gleiche Symmetrie wie der Resonator aufweist. der Resonator (13, 16, 15, 15') weist eine in Bezug auf eine Signalausbreitungsebene zweizählig symmetrische Form aufweist und durch Anlegen des zu filternden Signals an den Zuleitungsabschnitt zu einer in gleicher Weise symmetrischen Schwingung anregbar ist.
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