EP2100343A1 - Ferritfilter aus blendengekoppelten flossenleitungen - Google Patents

Ferritfilter aus blendengekoppelten flossenleitungen

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EP2100343A1
EP2100343A1 EP07856438A EP07856438A EP2100343A1 EP 2100343 A1 EP2100343 A1 EP 2100343A1 EP 07856438 A EP07856438 A EP 07856438A EP 07856438 A EP07856438 A EP 07856438A EP 2100343 A1 EP2100343 A1 EP 2100343A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filter
magnetically tunable
filter according
tunable filter
resonator
Prior art date
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Granted
Application number
EP07856438A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2100343B1 (de
Inventor
Michael Sterns
Dirk Schneiderbanger
Robert Rehner
Lorenz-Peter Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Original Assignee
Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rohde and Schwarz GmbH and Co KG filed Critical Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Publication of EP2100343A1 publication Critical patent/EP2100343A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2100343B1 publication Critical patent/EP2100343B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • H01P1/215—Frequency-selective devices, e.g. filters using ferromagnetic material
    • H01P1/218—Frequency-selective devices, e.g. filters using ferromagnetic material the ferromagnetic material acting as a frequency selective coupling element, e.g. YIG-filters

Definitions

  • Bandpass filter Resonator elements made of ferrites, in which the resonance frequency is set via an external magnetic constant field.
  • the resonators are usually spherical, as this shape can be technically relatively easily in the dimensions required for use at high frequencies (ball diameter ⁇ 0.3mm) can be made.
  • One reason to use spherical resonators is the linear relationship between the resonant frequency and the magnitude of the external DC magnetic field.
  • YIG Yittrium Iron Granet
  • YIG Yittrium Iron Granet
  • hexaferrites Due to their crystal structure, hexaferrites have an anisotropy field, which, when appropriately aligned with the external magnetic dc field, enables high resonance frequencies to be set at significantly lower field strengths of the dc field than is the case with YIG. This feature of the Hexaferrite avoids the technically demanding generation of high magnetic field strengths for setting high resonance frequencies in accordance with the prior art.
  • Shielded (suspended) strip lines are, for example, in fully milled metal channels. These channels are only connected to each other via a circular coupling opening (iris).
  • iris circular coupling opening
  • the state of the art assumes that the lines perpendicular to each other, which due to the orthogonality of the electromagnetic fields leads to a high decoupling out of resonance, the balls are mounted in this structure as in many other coupling structures according to the prior art in the vicinity of a short circuit.
  • the reason for this is that the coupling of the resonators, in particular the resonator balls via the magnetic field (RF field) takes place, which is maximum in the region of the short circuit. Since this maximum occurs independently of the frequency according to the prior art in the short circuit range, a good coupling of the balls is made possible in the resonance case over a wide frequency range.
  • the field energy fed in by the ferrite properties of the balls is radiated in the direction of the diaphragm, as a result of which-unlike outside the resonance case-increased energy transmission between the filter input and the filter output occurs.
  • the center conductor is on the resonator or to
  • Resonator ball directed side of the substrate, wherein the resonators are further arranged with the associated disadvantages in the short-circuit region.
  • US Pat. No. 4,888,569 B1 lists coupling structures with four resonator balls for setting up magnetically tunable filters. From this patent, for example, a variable bandpass for frequencies within a frequency range of a maximum of a waveguide band, for example, 50- 75 GHz emerges.
  • the variable bandpass includes an input waveguide, output waveguide, and transition waveguide designed to propagate a TEi 0 wave mode.
  • the end of the short-circuited wall input waveguide, the beginning of the output waveguide, which is also provided with a shorting wall and mounted in the direction of externally applied homogeneous magnetic field below the input waveguide and the output waveguide transitional waveguide, is arranged in the operation of the filter between two magnetic poles supply the variable magnetic field for setting a resonant frequency.
  • Input waveguide and output waveguide have in the direction of wave propagation on a rectangular profile, which has a significantly smaller cross-sectional area in the coupling region than at the connecting flange.
  • the coupling region of the variable bandpass comprises the four resonator balls mounted near a shorting wall and each of the tapered end of the input waveguide and output waveguide and the transitional waveguide of constant cross-sectional area.
  • variable bandpass filter described in US Pat. No. 4,888,569 B1
  • the field distribution of the shaft to be coupled out in the coupling region is unfavorable, since this is guided in a waveguide whose profile narrows perpendicular to the propagation direction of the shaft to be coupled out to the coupling region.
  • This leads to unwanted reflections, which overlap destructively and thus reduce the amount of energy transported by the incoming wave.
  • This effect also affects the output in the waveguide expiring wave, which now has a defined frequency, so that total relative to the input of the input waveguide and the output of the output waveguide, the insertion loss is increased because the field distributions in the coupling region are disturbed because of the tapered geometry of the waveguide ,
  • the invention is therefore based on the object to provide a magnetically tunable filter for high frequencies, which in the case of resonance has the lowest possible insertion loss and in the decoupling a very high isolation of the filter input and filter output and the coupling structure does not stimulate disturbing secondary modes.
  • the filter according to the invention is integrated in a filter housing with two filter arms and has two tunable and made of magnetizable material resonator balls, which are arranged one above the other in the two filter arms. At least one of the filter arms preferably has a substrate layer which is coated with a fin line or slot line extending in the direction of an electrical connection. Both filter arms are connected by a common coupling opening, wherein in each case a resonator ball is positioned on each side of the coupling opening within the two filter arms.
  • a particular advantage of using a fin line for the magnetically tunable filter according to the invention results from the only weakly pronounced component of the magnetic RF field (high-frequency field) in the propagation direction of the coupled-out electromagnetic wave (x-direction).
  • the magnetic field in the region of the resonator ball advantageously has only a very weak component in the x direction. Due to these characteristics of the field distribution, the 210 secondary mode is excited only very weakly, so that the undesired secondary resonance advantageously appears only significantly attenuated in the resonance curve.
  • both filter arms are arranged one above the other, so that the two resonator balls are no longer positioned side by side but one above the other.
  • the internal structures which are defined by a sequence of the different layers, are constructed analogously in the case of both filter arms, which simplifies the production of the filter according to the invention.
  • a realization of the coupling opening as a single-gap or as a pinhole with any free cross-section is also easy to manufacture.
  • the coupling opening has a free cross-section whose surface area corresponds at least to the surface area of an equatorial surface of a resonator sphere. This ensures that inhomogeneous field regions (edge effects) are shielded from the walls beyond the coupling opening, so that the coupling mechanism via electron spin resonance can occur only in a homogeneous field region in which the two resonator spheres are located.
  • the metal strips of the fin line are laterally soldered with indium solder.
  • the resonator ball is arranged in each case within the filter arm over an idling region, wherein the idling region isolates the metal strip of the fin line at their ends from each other and at the same time also forms an insulated region relative to the walls of the filter housing.
  • a filter arm is composed of two differently sized cuboids, so that the structure of the substrate layer takes place on the smaller cuboid. This ensures a stable attachment of the substrate layer within a filter arm.
  • the layer thickness of the substrate layer can be varied so that the magnetically tunable filter according to the invention can advantageously be used in different frequency bands.
  • the metal strip of the fin line on a substrate made of Teflon since Teflon has the property that it is stable to jam in the filter arm.
  • the resonator spheres preferably have a diameter of approximately 300 .mu.m, and this size is still easy to handle during their production.
  • a mirror-image arrangement of the resonator balls on both sides of the coupling opening is also advantageous since this contributes to reducing the adjustment effort.
  • the resonator balls are each glued directly to the substrate layer, so that the expense can be circumvented by attaching a suitable holder, which advantageously in turn facilitates the assembly of the filter according to the invention.
  • a magnetically tunable filter according to the invention which consists of a dazzling-coupled microstrip line and a unilateral fin line, has a stretched geometry with a reduced overall height.
  • the entire filter according to the invention is easier to install in a narrow slot between the pole pieces of an electromagnet.
  • a small distance between the pole pieces high magnetic field strengths with a reduced effort and thus can be easily generated.
  • a small distance advantageously has a positive effect.
  • FIG. 1 shows a structure of hitherto conventional blind-coupled shielded (Suspended) strip lines.
  • FIG. 2 shows the dependence of the isolation of the strip lines shown in FIG. 1 on the frequency
  • FIG. FIG. 3 shows a resonance profile of the strip lines shown in FIG. 1 as a function of the frequency
  • Fig. 5 shows the dependence of the isolation of the inverse strip lines shown in Fig. 4 in
  • FIG. 6 shows a resonance profile of the strip lines shown in FIG. 4 as a function of the frequency
  • FIG. 7 shows a distribution of the m x component of the 210 wave mode in the interior of a resonator sphere
  • FIG. 8 shows a local distribution of the magnetic field of a conventional inverse shielded (strip) strip line in the region of the resonator sphere
  • FIG. 9 shows a first exemplary embodiment of a magnetically tunable filter according to the invention with a unilateral fin line
  • FIG. 10 shows an exemplary cross section through a unilateral fin line
  • FIG. 11 shows a local distribution of the magnetic field in the region of the short circuit of a unilateral one Fin line as an example of a better understanding of the present invention
  • Fig. 12 shows the relationship between a DC magnetic field and a magnetic
  • FIG. 13 shows three local distributions of the magnetic field in the idle region of a unilateral fin line of the first exemplary embodiment of the magnetically tunable filter according to the invention at 50 GHz, 60 GHz and 70 GHz;
  • FIG. 14 shows a local distribution of the magnetic field of a second embodiment of the magnetically tunable filter according to the invention with an antipodal fin line
  • FIG. 15 shows the dependence of the isolation of the magnetic filter according to the invention on the frequency
  • FIG. 16 shows a resonance curve of the magnetic filter according to the invention as a function of the frequency
  • FIG. 17 shows a structure of the first embodiment of the magnetic filter according to the invention, wherein a slot-shaped aperture is used;
  • FIG. 18 shows a structure of the second embodiment of the magnetic filter according to the invention, wherein a pinhole diaphragm is used;
  • FIG. 18 shows a structure of the first embodiment of the magnetic filter according to the invention, wherein a slot-shaped aperture is used;
  • FIG. 18 shows a structure of the second embodiment of the magnetic filter according to the invention, wherein a pinhole diaphragm is used;
  • FIG. 19 shows an exemplary cross-section through an antipodal fin line as used in the filter according to the invention.
  • Fig. 20 shows a third embodiment of a magnetically tunable according to the invention
  • FIG. 21 shows a fourth exemplary embodiment of a magnetically tunable filter according to the invention with a microstrip line and a unilateral fin line using a slot-shaped aperture;
  • FIG. 22 shows a unilateral fin line with a recess within the metallization for use in a magnetically tunable filter according to the invention
  • FIG. 23 shows a fifth exemplary embodiment of a magnetically tunable filter according to the invention with a unilateral fin line using a slit-shaped aperture which is designed as a double double slit;
  • Fig. 24 shows the fifth embodiment of a magnetically tunable according to the invention Filter with a unilateral fin line in both filter arms using a slit-shaped aperture, which is formed as a double double slit of Figure 23 in a plan view.
  • FIG. 25 shows a 3D perspective view of the fifth embodiment from FIG. 23 and FIG. 24 with a substrate layer made of Teflon;
  • FIG. 26 is a 3D perspective view of the
  • Fig. 27 is a plan view of the junction shown in Fig. 26;
  • FIG. 28 is a side view of the transition shown in FIG. 26 and FIG.
  • Fig. 29 is a view of the transition shown in Fig. 26 viewed from the bottom.
  • Fig. 1 shows a hitherto conventional structure of blind-coupled shielded (suspended) strip lines, wherein a coupling structure consisting of two superposed and separated by a pinhole 13 resonator 3 a, 3 b is used for coupling the connection resonators 23.
  • the DC constant magnetic field H 0 for tuning the resonance frequency is aligned parallel to the z-axis of the coordinate system shown in FIG.
  • FIG. 2 shows the dependence of the isolation of the strip lines shown in FIG. 1 on the frequency of the coupled-in electromagnetic wave over a frequency range of 50-70 GHz.
  • the shown curve of the isolation is obtained when the magnetic DC field H 0 is switched off.
  • the course of the S-parameters approaches s 2 ⁇
  • FIG. 3 shows a resonance profile of the strip lines shown in FIG. 1 as a function of the frequency of the incident electromagnetic wave. Just below a frequency of 61 GHz, the disturbing secondary mode 210 is pronounced.
  • FIG. 4 shows a hitherto conventional structure of iris-coupled shielded (suspended) Inverse-type stripline.
  • the difference from FIG. 1 is that with the inverse type of stripline, both metallizations 10 are respectively arranged on the opposite surface 16a, 16b of the substrate layer 5.
  • FIG. 5 shows the dependence of the isolation of the inverse strip lines shown in FIG. 4 on the frequency. Due to the concentration of the field energy in the region of the iris (pinhole 13), a smaller decoupling is achieved with the strip lines of inverse design than is the case when using the shielded (suspended) strip lines.
  • FIG. 6 shows a resonance profile of the strip lines shown in FIG. 4 as a function of the frequency, wherein the interfering 210 secondary mode is more pronounced just below a frequency of 61 GHz than in the course of the resonance curve in FIG 6 it can be seen that a lower insertion loss is achieved in the passband. Furthermore, one can clearly see the secondary resonance occurring below the main resonance (210 mode). This unwanted spurious resonance is due to inhomogeneities of the magnetic RF field to conditions.
  • the distribution of the m x component of the magnetization of the 210 mode in the interior of a resonator sphere 3 a, 3 b is shown in FIG. 7.
  • FIG. 7 shows a distribution of the m x component of the 210 wave mode in the interior of a resonator sphere 3 a, 3 b. It can be clearly seen that in the respective hemispheres one resulting m x component prevails, which causes the occurrence of the interfering 210 Maumodes.
  • Fig. 8 shows a local distribution of the magnetic field of a conventional inverse (suspended) stripline in the region of the resonator sphere 3a, 3b.
  • the excitation of the 210 mode is favored by inhomogeneities of the x component of the magnetic RF field.
  • the x component of the magnetic field is particularly pronounced, which is why a strong excitation of the 210 mode is given.
  • a line structure is needed with a very little to no pronounced x-component of the magnetic field. This property is fulfilled by fin leads, which are used according to the invention in a magnetically tunable filter.
  • FIG. 9 shows a first exemplary embodiment of a magnetically tunable filter 1 according to the invention.
  • the filter 1 according to the invention is integrated in a filter housing 2 with two filter arms 4a, 4b and has two tunable and magnetizable material resonator balls 3a, 3b which are superimposed in the two Filter arms 4a, 4b are arranged.
  • At least one of the filter arms 4a, 4b has a substrate layer 5 on which a fin line 7 or slot line running in the direction of an electrical connection 6 is provided.
  • Both filter arms 4a, 4b are arranged one above the other in the filter housing 2 and connected by a common coupling opening 8, one resonator ball 3a, 3b being positioned on each side of the coupling opening 8 within the two filter arms 4a, 4b.
  • Both filter arms 4a, 4b have a internal structure 9, which is defined by a sequence of different layers.
  • the various layers comprise the substrate layer 5 with a metallization layer 10, and an air layer 11 surrounding the other layers.
  • the substrate layer 5 itself has a variable layer thickness 31.
  • the internal structures 9 of both filter arms 4a, 4b are symmetrical to each other.
  • a unilateral fin line 7 is provided as a line structure.
  • the substrate layers 5 of the two filter arms 4a, 4b are each located in two milled or eroded metal propagation channels, which are interconnected only by a circular opening or through a pinhole.
  • the pinhole 13 has a free cross-section whose surface area corresponds at least to the area of an equatorial surface of a resonator sphere 3a, 3b.
  • the resonator balls 3a, 3b which consist of a ferromagnetic or a ferro-magnetic material, in particular a ferrite are positioned on opposite sides, mirror images of each other on both sides of the coupling opening 8 and the pinhole within an idle region 17 of the fin lines 7.
  • the coupling of the resonator spheres 3a, 3b over an idling region 17 differs significantly from the conventional concepts in which the resonator spheres 3a, 3b, which have a diameter in the range of 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m, are coupled in the region of a short circuit.
  • the two filter arms 4a, 4b common coupling opening 8 is also a combination of To realize pinhole 13 with at least one single gap 12.
  • FIG. 10 shows an exemplary cross section through a conventional unilateral fin line 7, the substrate layer 5 being mounted symmetrically to a center plane 21 of a waveguide 25 with a rectangular, likewise symmetrical cross section.
  • a unilateral fin line 7 two metal strips 15a, 15b separated by a non-conductive strip 14 are arranged together on a first surface 16a of the substrate layer 5.
  • a bilateral fin line 7 which is not shown in the drawing, two separated by a non-conductive strip 14 metal strips 15a, 15b are arranged together on a first surface 16a of the substrate layer 5, wherein at the same time a second surface 16b of the substrate layer 5 at least one metal strip 15c having.
  • the substrate layer 5 is arranged in the magnetically tunable filter 1 according to the invention to the aperture or to a coupling opening 8 towards shifted.
  • the distance between the substrate layer 5 and the coupling opening 8, which in this first exemplary embodiment is designed as a pinhole 13 or as an iris, is reduced in order to ensure a good coupling between the two resonator spheres 3a, 3b in the case of resonance.
  • the entire propagation channel for the electromagnetic wave to be transported is designed stepped, which means that in each case a filter arm 4a, 4b is made up of a larger cuboid 20a and a smaller cuboid 20b, so that the substrate layer 5 with its additional layers applied is simply placed on the substrate smaller cuboid 20b is to install.
  • a stable support of the substrate layer 5 within the waveguide 25 or within the propagation channel is made possible.
  • the fixation of the substrate layer 5 in the propagation channel or in the waveguide 25 can be effected for example by a conductive adhesive, which is applied to the side edges 26 at the boundary between the larger cuboid 20a and the smaller cuboid 20b.
  • the conductive connection of the lateral metallizations with the surrounding waveguide 25 according to the invention prevents the propagation of unwanted modes.
  • the magnetic DC field H 0 with which the filter 1 according to the invention is tuned, is perpendicular to the substrate layer fifth
  • the line wavelength is greater than when using substrate materials having a high dielectric constant e r .
  • the greater conduction wavelength has the advantage that the magnetic field in the interior of the resonator sphere 3a, 3b is more homogeneous and thus the excitation of magnetostatic modes of higher order, which make themselves noticeable as disturbing secondary resonances, is reduced.
  • 11 shows a local distribution of the magnetic field in the region of the short circuit of a unilateral fin line 7 as an example for a better understanding of the present invention.
  • the unilateral fin line 7 causes the expression of an x-component of the magnetic field to be lower than that of the inverse-type shielded (suspended) strip line, which is shown in FIG.
  • the coupling of the resonator balls 3a, 3b takes place according to the invention via an idling region 17 of the two lateral metal strips 15a, 15b.
  • Fig. 11 clearly shows that at the short circuit, the field lines of the magnetic RF field parallel to the external magnetic DC field H 0 , are.
  • the magnetic RF field in the region of the sphere must be perpendicular to the external constant field H 0 , which is illustrated in FIG ,
  • Fig. 12 shows the relationship between a DC magnetic field H 0 and a high-frequency magnetic field (RF field) upon exciting the electron spin resonance as an example for a better understanding of the present invention and in particular for explaining the above-described facts.
  • RF field high-frequency magnetic field
  • Fig. 13 shows three local distributions of the magnetic field in the idle region 17 of the unilateral Fin line 7 of the first embodiment of the magnetically tunable filter 1 according to the invention at the frequencies 50 GHz, 60 GHz and 70 GHz. Due to the formation of an open-circuit region 17, the proportion of the component of the magnetic RF field perpendicular to the magnetic constant field in the region of the resonator spheres 3a, 3b is more pronounced. Therefore, a good excitation of the electron spins and thus a good coupling of the resonator spheres 3a, 3b allows. This ensures the desired field distribution in the region of the resonator spheres 3a, 3b over a wide bandwidth, which is shown in FIG.
  • the magnetic field component of the RF field which is perpendicular to the external constant field H 0 , dominates with increasing distance to the substrate layer 5, so that it is favorable to position the resonator spheres 3 a, 3 b at a sufficiently large distance from the substrate layer 5 ,
  • the fixing of the aligned resonator balls 3a, 3b takes place in a holder made of a non-conductive material, which will not be discussed here.
  • FIG. 14 shows a spatial distribution of the magnetic field of a second embodiment of the magnetically tunable filter 1 according to the invention with an antipodal fin line 7a, it being apparent from this figure that it is favorable to position the resonator spheres 3a, 3b along the z-axis , because in this area the magnetic field has a vanishingly small x-component.
  • Fig. 15 shows the dependence of the isolation of the magnetic filter according to the invention as a function of the frequency, wherein the attenuation (-75 dB) is better here by a few orders of magnitude than in a hitherto customary Filter, as the isolation curves in Fig. 2 (about -55dB) and in Fig. 5 (about -45dB) show.
  • FIG. 16 shows a resonance profile of the iris-coupled unilateral fin lines 7 as a function of the frequency according to the first exemplary embodiment of the magnetically tunable filter 1 according to the invention.
  • the inventive use of a coupling in the idle region 17 and the use of unilateral fin lines 7 a significantly better performance than with the classical coupling structures using a coupling in the short circuit region is achieved.
  • the coupling of the two waveguides 25 and propagation channels takes place according to the first embodiment of the magnetically tunable filter 1 according to the invention via a slot-shaped coupling opening or via a single gap 12.
  • slot-shaped coupling openings 12 the coupling structure shown in FIG.
  • the coupling of the resonator balls 3a, 3b takes place via an idling region 17 DC magnetic field H 0 is also perpendicular to the substrate layer. 5
  • the coupling of the resonator is carried 3a, 3b to the Stefansresonator 23, which is designed for the transport of a Hi I0 -WeIlenmodes, either by the width of the slot or gap 12 between the single- For wide columns 12 results in a stronger coupling of the resonator 3 a, 3 b, since the electromagnetic wave is more out in the air than in the case of narrow columns 12 of the case is.
  • the adjustment of the coupling between the resonator balls 3a, 3b is carried out according to FIG. 9 via the diameter of the pinhole 13 or according to FIG. 17 over the length and the width of the single gap 12.
  • Fig. 18 shows a structure of the second embodiment of the magnetic filter 1 according to the invention, wherein also a pinhole 13 is used.
  • the magnetically tunable filter 1 according to the invention has antipodal fin leads 7a.
  • the lateral in the antipodal fin line 7a Metallizations 10 mounted on opposite substrate sides 16a, 16b.
  • the substrate layer 5 is located in two milled or eroded metal propagation channels or waveguides 25, which are interconnected only by a coupling opening 8, which is provided as a circular opening or as a pinhole 13.
  • the coupling opening 8 can also be designed as an ellipse, a rectangle or a triangle.
  • the coupling opening 8 is at least as a single gap 12 or as a multiple-gap, such as a double or double double slit 29 gestaltbar.
  • the resonator balls 3a, 3b are positioned on opposite sides of the pinhole 13 in the idling region of the fin line 7 and the fin lines 7, respectively. Also in this coupling structure, the coupling of the resonator balls 3a, 3b via the open-circuit region 17 takes place, since the course of the magnetic field is very similar to the field profile of a unilateral fin line 7.
  • the magnetic field energy is preferably conducted in the substrate layer 5 in the antipodal fin line, which makes the difference to an application of a unilateral fin line 7.
  • the resonator spheres 3a, 3b are applied or glued directly to the substrate layer 5, for which reason ball retainers are not required in this structure.
  • circular contours 24 were provided in the lateral metallizations.
  • the substrate layer 5 to the coupling opening 8 is out arranged so that the substrate layer 5 in the filter arms 4a, 4b is respectively arranged asymmetrically with respect to a median plane 21 of the respective filter arm 4a, 4b. Because of this arrangement, the distance between substrate layer 5 and coupling opening 8 is reduced in order to ensure a good coupling between the resonator balls 3a, 3b in the case of resonance.
  • the overall height of the structure of the second embodiment can be compared to the first
  • the propagation channel or the waveguide 25 is also stepped in the second embodiment in order to allow a stable support of the substrate layer 5 on one of the smaller cuboid 20b of the filter housing 2.
  • the fixation of the substrate layer 5 in the propagation channel or in the waveguide 25 is realized for example by a conductive adhesive, which is applied to the side edges 26 at the boundary between the smaller cuboid 20b and a larger cuboid 20a.
  • soldering with indium solder ensures a conductive connection of the lateral metallizations 10 with the propagation channel surrounding them, so that the propagation of undesirable modes is prevented.
  • the magnetic DC field H 0 is also perpendicular to the substrate layer fifth Even when antipodal fin line 7a is used in a magnetically tunable filter 1 according to the invention, a coupling of the resonator spheres 3a, 3b via a slot-shaped coupling opening 8 or aperture is possible according to the second exemplary embodiment. In this case, only the substrate layers have to be constructed in FIG 5 with the unilateral line structure are replaced by substrate layers 5 with antipodal line structure 7a.
  • the coupling structures of Figs. 9 and 17 may also be constructed by the use of bilateral fin leads.
  • the coupling of the resonator balls 3a, 3b also takes place in the bilateral fin lines via an open-circuit region 17.
  • this embodiment is not shown in the drawing.
  • FIG. 19 shows an exemplary cross-section through an antipodal fin line 7a, wherein two metal strips 15a, 15b or metallizations 10 separated by the non-conductive substrate layer 5 are arranged symmetrically on mutually opposite surfaces 16a, 16b of the substrate layer 5.
  • Fig. 20 shows a third embodiment of a magnetically tunable filter 1 according to the invention with a microstrip line 22 and a unilateral fin line 7 using a pinhole 13 as a coupling opening 8 between the two filter arms 4a, 4b.
  • the waveguides are located in two metal milled or eroded propagation channels, the only connected via a coupling opening 8 according to the invention in the.
  • the resonator balls 3a, 3b are positioned on opposite sides of the coupling opening 8 in the idling region 17 of the fin line 7 or in the short-circuit region of the microstrip line 22. Since the field line images of a unilateral fin line 7 and a microstrip line are orthogonal, when using the iris-shaped coupling opening 8 (pinhole 13) for the third embodiment of the filter 1 according to the invention a stretched structure 28 results.
  • the two resonator spheres 3a, 3b are subjected to different boundary conditions with respect to the course of the magnetic field, one possibility for rotating at least one of the two resonator spheres 3a, 3b is provided.
  • Different boundary conditions in the field profile lead to offset resonance frequencies of the individual resonator balls 3a, 3b, whereby the insertion loss in the passband of the relevant filter is increased.
  • Through targeted rotations of the resonator spheres 3a, 3b it is possible to adjust the position of the resonant frequency of the individual resonator spheres 3a, 3b within a certain frequency range.
  • Fig. 21 shows a fourth embodiment of a magnetically tunable filter 1 according to the invention with a microstrip line 22 and a unilateral fin line 7 using a slot-shaped aperture 12 as a coupling opening 8.
  • the resonator balls 3a, 3b are superposed in two filter arms 4a, 4b with different inner structure 9 is arranged.
  • the microstrip line 22 is at more
  • the fin line 7 in the second filter arm 4b is replaced by a
  • the unilateral fin line 7 can also be replaced by an antipodal fin line 7a or a bilateral fin line.
  • the increase in isolation is, as already mentioned, possible by cascading with the same or another coupling structure.
  • the coupling opening 8 can also be realized by polygonal pulls of any desired shape.
  • FIG. 22 shows a unilateral fin line 7 without a waveguide 25 surrounding it.
  • the unilateral fin line 7 has a recess 24, which is provided inside the metallization 10. This structure is also intended for use in a magnetically tunable filter 1 according to the invention.
  • Fig. 23 shows a fifth embodiment of a magnetically tunable filter 1 according to the invention, each with a unilateral fin line 7 in both filter arms 4a, 4b, being provided as a coupling opening 8 between the two filter arms 4a, 4b, a slot-shaped aperture, which is formed as a double double gap 29 ,
  • FIG. 24 again shows the fifth exemplary embodiment of a magnetically tunable filter 1 according to the invention from FIG. 3 in plan view.
  • This Embodiment has in each filter arm 4a, 4b each have a unilateral fin line 7.
  • Fig. 25 shows a 3D perspective view of the fifth embodiment of Fig. 23 and Fig. 24, wherein as a substrate layer 5 Teflon is used, which is easy to fix in a waveguide 25 by clamping.
  • FIG. 26 shows a perspective 3D representation of the transition 30 of the microstrip line 22 to the fin line 7 or slot line of the fourth exemplary embodiment of the filter 1 according to the invention.
  • the center conductor 32 of the microstrip line 22 is short-circuited in this case.
  • Fig. 27 is a plan view of the junction 30 shown in Fig. 26; and Fig. 28 is a side view of the junction 30 shown in Fig. 26, wherein Fig. 29 is a bottom view of the junction 30 shown in Fig. 26.
  • tunable bandpass filters are needed whose center frequency can be set as desired over a certain frequency range.
  • a coupling structure for coupling the resonator balls 3a, 3b is required, which ensures that far away from the resonant frequency there is a high decoupling / isolation between filter input and filter output.
  • a high energy transfer from the input to the output must be ensured by the coupling structure in the case of resonance.
  • the invention makes it possible at frequencies far Beyond 70 GHz up to 110 GHz a high isolation and at the same time in the case of resonance to achieve a high energy transfer.
  • the invention is not limited to the embodiments shown in the drawing, in particular not spherical resonators made of a ferrite. All features described above and shown in the drawing can be combined with each other.

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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Description

Ferritfilter aus blendengekoppelten Flossenleitungen
Gemäß dem Stand der Technik besitzen abstimmbare
Bandpassfilter Resonatorelemente aus Ferriten, bei denen die Resonanzfrequenz über ein externes magnetisches Gleichfeld eingestellt wird. Die Resonatoren sind meistens kugelförmig, da diese Form technisch verhältnismäßig leicht in den für den Einsatz bei hohen Frequenzen erforderlichen Dimensionen (Kugeldurchmesser ≤ 0,3mm), gefertigt werden kann. Ein Grund kugelförmige Resonatoren einzusetzen ist der lineare Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz und dem Betrag des externen magnetischen Gleichfelds.
Als Material für die Resonatoren wird bei Frequenzen bis ca. 50GHz YIG (Yittrium Iron Granet) eingesetzt. Für Frequenzen oberhalb von 50GHz erweist sich die Verwendung von Hexaferriten als vorteilhaft. Aufgrund ihrer Kristallstruktur besitzen Hexaferrite ein Anisotropiefeld, welches bei entsprechender Ausrichtung zum externen magnetischen Gleichfeld die Einstellung hoher Resonanzfrequenzen bei deutlich niedrigeren Feldstärken des Gleichfeldes ermöglicht, als dies beim Einsatz von YIG der Fall ist. Durch diese Eigenschaft der Hexaferrite wird gemäß dem Stand der Technik die technisch anspruchsvolle Erzeugung hoher magnetischer Feldstärken für die Einstellung hoher Resonanzfrequenzen umgangen.
Geschirmte (Suspended) Streifenleitungen befinden sich beispielhafterweise in vollständig aus Metall gefrästen Kanälen. Diese Kanäle sind lediglich über eine kreisförmige Koppelöffnung (Iris) miteinander verbunden. Der Stand der Technik geht davon aus, dass die Leitungen senkrecht zueinander stehen, was aufgrund der Orthogonalitat der elektromagnetischen Felder zu einer hohen Entkopplung außerhalb der Resonanz führt, wobei die Kugeln bei diesem Aufbau wie bei vielen anderen Koppelstrukturen gemäß des Standes der Technik in der Nähe eines Kurzschlusses angebracht sind. Der Grund hierfür ist, dass die Ankopplung der Resonatoren, insbesondere der Resonatorkugeln über das magnetische Feld (HF-Feld) erfolgt, welches im Bereich des Kurzschlusses maximal ist. Da dieses Maximum unabhängig von der Frequenz gemäß dem Stand der Technik im Kurzschlussbereich auftritt, wird eine gute Ankopplung der Kugeln im Resonanzfall über einen großen Frequenzbereich ermöglicht.
Ferner wird im Resonanzfall durch die Ferriteigenschaften der Kugeln eingespeiste Feldenergie in Richtung der Blende abgestrahlt, wodurch es - anders als außerhalb des Resonanzfalls - zu einer erhöhten Energieübertragung zwischen Filtereingang und Filterausgang kommt.
Eine Möglichkeit, die Einfügedämpfung des Filters unter sonst gleichen Vorraussetzungen (gleiche Linienbreite der Resonanzkurve des Resonators, gleiche Sättigungsmagnetisierung des Resonators und gleicher Durchmesser der Iris) zu verringern, besteht gemäß dem
Stand der Technik in dem Einsatz von inversen geschirmten
(suspended) Streifenleitungen. Bei diesem Leitungstyp ist der Mittelleiter auf der zum Resonator bzw. zur
Resonatorkugel gerichteten Seite des Substrats angebracht, wobei die Resonatoren weiterhin mit den damit verbundenen Nachteilen im Kurzschlussbereich angeordnet sind.
Beim Stand der Technik ist es von Nachteil, wenn im Kurzschlussbereich zweier metallischer Streifen innerhalb des Kopplungsbereiches das Magnetfeld eine erhebliche Komponente parallel zur Transportrichtung der ausgekoppelten Welle aufweist. Dadurch können bei der Ankopplung störende Nebenmoden angeregt werden.
In der US 4,888,569 Bl werden Koppelstrukturen mit vier Resonatorkugeln zum Aufbau magnetisch abstimmbarer Filter aufgeführt. Aus diesem Patent geht beispielsweise ein variabler Bandpass für Frequenzen innerhalb eines Frequenzbereichs von maximal einem Hohlleiterband z.B. 50- 75 GHz hervor. Der variable Bandpass umfasst einen Eingangshohlleiter, einen Ausgangshohlleiter und einen Übergangshohlleiter, welche für die Ausbreitung eines TEi0 Wellenmodes ausgelegt sind. Das Ende des mit einer Kurzschlusswand terminierten Eingangshohlleiters, der Anfang des Ausgangshohlleiters, der ebenfalls mit einer Kurzschlusswand versehen ist und der in Richtung des extern angelegten homogenen Magnetfelds unterhalb des Eingangshohlleiters und des Ausgangshohlleiters angebrachte Übergangshohlleiter, ist im Betrieb des Filters zwischen zwei Magnetpolen angeordnet, die das für die Einstellung einer Resonanzfrequenz veränderbare Magnetfeld zuführen. Eingangshohlleiter und Ausgangshohlleiter weisen in Richtung der Wellenpropagation ein rechteckiges Profil auf, das im Koppelbereich eine deutlich kleinere Querschnittsfläche aufweist als am Verbindungsflansch. Der Koppelbereich des variablen Bandpasses umfasst die vier nahe an einer Kurzschlusswand angebrachten Resonatorkugeln und jeweils das verjüngte Ende des Eingangshohlleiters und des Ausgangshohlleiters sowie den Übergangshohlleiter mit konstanter Querschnittsfläche. Ein Nachteil des in der US 4,888,569 Bl beschriebenen variablen Bandpasses besteht darin, dass im Resonanzfall die Feldverteilung der auszukoppelnden Welle im Koppelbereich ungünstig ist, da diese in einem Hohlleiter geführt ist, dessen Profil sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der auszukoppelnden Welle zum Koppelbereich hin verkleinert . Dadurch kommt es zu unerwünschten Reflexionen, die destruktiv überlappen und somit den Betrag der durch die einlaufende Welle transportierten Energie mindern. Dieser Effekt betrifft auch die im Ausgangshohlleiter auslaufende Welle, die nun eine definierte Frequenz aufweist, so dass insgesamt bezogen auf den Eingang des Eingangshohlleiters und den Ausgang des Ausgangshohlleiters die Einfügedämpfung erhöht ist, da die Feldverteilungen im Koppelbereich wegen der sich verjüngenden Geometrie der Hohlleiter gestört sind.
Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Bandbreite des Hohlleiterkonzepts .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein magnetisch durchstimmbares Filter für hohe Frequenzen zu schaffen, welches im Resonanzfall eine möglichst niedrige Einfügedämpfung und im Entkopplungsfall eine sehr hohe Isolation von Filtereingang und Filterausgang aufweist und dessen Kopplungsstruktur keine störenden Nebenmoden anregt .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 beschriebene magnetisch durchstimmbare Filter gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Filters sind in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen beschrieben. Das erfindungsgemäße Filter ist in einem Filtergehäuse mit zwei Filterarmen integriert und weist zwei durchstimmbare und aus magnetisierbarem Material bestehende Resonatorkugeln auf, die übereinander in den beiden Filterarmen angeordnet sind. Zumindest einer der Filterarme weist bevorzugt eine Substratschicht auf, die mit einer in Richtung eines elektrischen Anschlusses verlaufenden Flossenleitung oder Schlitzleitung beschichtet ist. Beide Filterarme sind durch eine gemeinsame Koppelöffnung verbunden, wobei jeweils eine Resonatorkugel auf jeder Seite der Koppelöffnung innerhalb der beiden Filterarme positioniert ist.
Ein besonderer Vorteil des Einsatzes einer Flossenleitung für das erfindungsgemäße magnetisch durchstimmbare Filter ergibt sich aus der nur schwach ausgeprägten Komponente des magnetischen HF-Feldes (Hochfrequenz-Feldes) in Ausbreitungsrichtung der ausgekoppelten elektromagnetischen Welle (x-Richtung) . Das Magnetfeld im Bereich der Resonatorkugel weist vorteilhafterweise nur eine sehr schwache Komponente in x-Richtung auf. Durch diese Eigenschaften der Feldverteilung wird der 210- Nebenmode nur sehr schwach angeregt , so dass die unerwünschte Nebenresonanz vorteilhafterweise nur deutlich abgeschwächt in der Resonanzkurve erscheint .
Ferner ist es von Vorteil, dass beide Filterarme übereinander angeordnet sind, so dass die beiden Resonatorkugeln nun nicht mehr nebeneinander, sondern übereinander positioniert sind. Dies zieht weitere Vorteile bei der Integration des erfindungsgemäßen Filters zusammen mit weiteren Bauteilen in ein gemeinsames Gehäuse nach sich. So können in ein Gehäuse mit einer bestimmten und begrenzten Grundfläche nun mehr Bauteile um das erfindungsgemäße Filter eingesetzt werden, da dieses vorteilhafterweise eine geringere seitliche Ausdehnung aufweist .
Vorteilhafterweise sind die inneren Strukturen, die durch eine Abfolge der verschiedenen Schichten definiert sind, bei beiden Filterarmen analog aufgebaut, was die Herstellung des erfindungsgemäßen Filters vereinfacht.
Eine Realisierung der Koppelöffnung als Einfach-Spalt oder als Lochblende mit einem beliebigen freien Querschnitt ist ebenfalls einfach herzustellen.
Vorteilhafterweise hat die Koppelöffnung einen freien Querschnitt, dessen Flächeninhalt mindestens dem Flächeninhalt einer Äquatorialfläche einer Resonatorkugel entspricht. Dadurch ist gewährleistet, dass inhomogene Feldbereiche (Randeffekte) von den Wänden jenseits der Koppelöffnung abgeschirmt werden, so dass der Kopplungsmechanismus über Elektronenspinresonanz nur in einem homogenen Feldbereich, in welchem sich die beiden Resonatorkugeln befinden, auftreten kann.
Zusätzlich ist es von Vorteil, dass die Metallstreifen der Flossenleitung seitlich mit Indiumlot verlötet sind.
Von Vorteil ist außerdem, dass die Resonatorkugel jeweils innerhalb des Filterarms über einem Leerlaufbereich angeordnet ist, wobei der Leerlaufbereich die Metallstreifen der Flossenleitung an ihren Enden von einander isoliert und gleichzeitig auch noch einen isolierten Bereich gegenüber den Wänden des Filtergehäuses bildet. Durch eine solche Anordnung ist vorteilhafterweise die Komponente des HF-Magnetfeldes in ihrem Betrag reduziert, die störende Nebenmoden in der ausgekoppelten elektromagnetischen Welle verursacht.
Zusätzlich ist von Vorteil, dass ein Filterarm aus zwei unterschiedlich großen Quadern zusammengesetzt ist, so dass der Aufbau der Substratschicht auf dem kleineren Quader erfolgt. Dadurch ist eine stabile Befestigung der Substratschicht innerhalb eines Filterarms gewährleistet.
Zweckmäßigerweise kann die Schichtdicke der Substratschicht variiert werden, so dass das erfindungsgemäße magnetisch durchstimmbare Filter vorteilhafterweise in unterschiedlichen Frequenzbändern angewendet werden kann Die Dielektrizitätskonstante des Materials aus welchem die Substratschicht besteht ist vorteilhafterweise gering.
Vorteilhafterweise sind die Metallstreifen der Flossenleitung auf einem Substrat aus Teflon aufgebaut, da Teflon die Eigenschaft hat, dass es stabil im Filterarm zu verklemmen ist.
Bevorzugt haben die Resonatorkugeln einen Durchmesser von ungefähr 300μm, wobei diese Größe bei ihrer Herstellung noch gut zu handhaben ist.
Eine spiegelbildliche Anordnung der Resonatorkugeln beiderseits der Kopplungsöffnung ist ebenfalls von Vorteil, da dies dazu beiträgt, den Justierungsaufwand zu reduzieren. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Resonatorkugeln jeweils direkt auf die SubstratSchicht geklebt werden, so dass der Aufwand mit dem Anbringen einer geeigneten Halterung umgangen werden kann, was vorteilhafterweise wiederum die Montage des erfindungsgemäßen Filters erleichtert.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filters besteht darin, dass die Resonatorkugeln in Filterarmen mit unterschiedlicher inneren Struktur angeordnet sind. So weist ein erfindungsgemäßes magnetisch abstimmbares Filter, welches aus einer blendengekoppelten Mikrostreifenleitung und einer unilateralen Flossenleitung besteht eine gestreckte Geometrie mit einer reduzierten Gesamthöhe auf. Dadurch ist das gesamte erfindungsgemäße Filter leichter in einen engen Schlitz zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten einzubauen. Durch einen geringen Abstand zwischen den Polschuhen können hohe magnetische Feldstärken mit einem reduzierten Aufwand und somit leichter erzeugt werden. Auch auf die Homogenität des Gleichfeldes wirkt sich ein geringer Abstand vorteilhafterweise positiv aus.
Sowohl die Struktur als auch die Betriebsweise der Erfindung sowie deren weitere Vorteile und Aufgaben sind am besten anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der dazugehörigen Zeichnung verständlich. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Aufbau von bislang üblichen blendengekoppelten geschirmten (Suspended) Streifenleitungen;
Fig. 2 die Abhängigkeit der Isolation der in Fig. 1 dargestellten Streifenleitungen von der Frequenz; Fig. 3 einen Resonanzverlauf der in Fig. 1 dargestellten Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz;
Fig. 4 einen Aufbau von bisher üblichen blendengekoppelten geschirmten (Suspended) - Streifenleitungen in inverser Bauart;
Fig. 5 die Abhängigkeit der Isolation der in Fig. 4 dargestellten inversen Streifenleitungen in
Abhängigkeit von der Frequenz;
Fig. 6 einen Resonanzverlauf der in Fig. 4 dargestellten Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz;
Fig. 7 eine Verteilung der mx-Komponente des 210- Wellenmodes im Inneren einer Resonatorkugel;
Fig. 8 eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes einer herkömmlichen inversen geschirmten (Suspended) Streifenleitung im Bereich der Resonatorkugel ;
Fig. 9 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer unilateralen Flossenleitung;
Fig. 10 einen beispielhaften Querschnitt durch eine unilaterale Flossenleitung;
Fig. 11 eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes im Bereich des Kurzschlusses einer unilateralen Flossenleitung als Beispiel für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 die Beziehung zwischen einem magnetischen Gleichfeld und einem magnetischen
Hochfrequenzfeld bei Anregung der
Elektronenspinresonanz als Beispiel für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 drei örtliche Verteilungen des magnetischen Feldes im Leerlaufbereich einer unilateralen Flossenleitung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters bei 50 GHz, 60 GHz und 70 GHz;
Fig. 14 eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer antipodalen Flossenleitung;
Fig. 15 die Abhängigkeit der Isolation des erfindungsgemäßen magnetischen Filters von der Frequenz ;
Fig. 16 einen Resonanzverlauf des erfindungsgemäßen magnetischen Filters in Abhängigkeit von der Frequenz ;
Fig. 17 einen Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetischen Filters, wobei eine schlitzförmige Blende zum Einsatz kommt; Fig. 18 einen Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetischen Filters, wobei eine Lochblende Blende zum Einsatz kommt;
Fig. 19 einen beispielhaften Querschnitt durch eine antipodale Flossenleitung wie sie in dem erfindungsgemäßen Filter angewendet wird;
Fig. 20 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren
Filters mit einer Mikrostreifenleitung sowie einer unilateralen Flossenleitung unter
Verwendung einer Lochblende;
Fig. 21 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer Mikrostreifenleitung sowie einer unilateralen Flossenleitung unter Verwendung einer schlitzförmigen Blende;
Fig. 22 eine unilaterale Flossenleitung mit einer Aussparung innerhalb der Metallisierung für eine Anwendung in einem erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filter;
Fig. 23 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer unilateralen Flossenleitung unter Verwendung einer schlitzförmigen Blende, welche als doppelter Doppelspalt ausgebildet ist;
Fig. 24 das fünfte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters mit einer unilateralen Flossenleitung in beiden Filterarmen unter Verwendung einer schlitzförmigen Blende, welche als doppelter Doppelspalt ausgebildet ist aus Fig. 23 in einer Draufsicht;
Fig. 25 eine perspektivische 3D-Darstellung des fünften Ausführungsbeispiels aus Fig. 23 und Fig. 24 mit einer Substratschicht aus Teflon;
Fig. 26 eine perspektivische 3D-Darstellung des
Übergangs der Mikrostreifenleitung auf die
Flossenleitung bzw. Schlitzleitung des vierten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Filters;
Fig. 27 eine Draufsicht des in Fig. 26 gezeigten Übergangs ;
Fig. 28 eine Seitenansicht des in Fig. 26 gezeigten Übergangs und
Fig. 29 eine Ansicht des in Fig. 26 gezeigten Übergangs von der Unterseite aus betrachtet .
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters wird zunächst anhand der Figuren 1 bis 8 auf bislang bei der Anmeldung übliche Bauformen und auf deren Nachteile kurz eingegangen, bevor mit Fig. 9 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 genauer beschrieben wird. Dabei werden bei der Beschreibung der bislang üblichen Bauformen und der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für funktionsgleiche Elemente identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt einen bislang üblichen Aufbau von blendengekoppelten geschirmten (Suspended) Streifenleitungen, wobei eine Koppelstruktur bestehend aus zwei übereinander liegenden und durch eine Lochblende 13 getrennten Resonatorkugeln 3a, 3b zur Ankopplung der Verbindungsresonatoren 23 verwendet wird.
Das externe magnetische Gleichfeld H0 zur Durchstimmung der Resonanzfrequenz ist parallel zur z-Achse des in Fig. 1 zu sehenden Koordinatensystems ausgerichtet.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Isolation der in Fig. 1 dargestellten Streifenleitungen von der Frequenz der eingekoppelten elektromagnetischen Welle über einen Frequenzbereich von 50-70 GHz. Die gezeigte Kurve der Isolation erhält man bei abgeschaltetem magnetischem Gleichfeld H0. Bei genügend großem Abstand von der Hauptresonanzfrequenz, d.h. wenn sich die Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Welle nicht in der Nähe der Hauptresonanzfrequenz befindet, nähert sich der Verlauf der S-Parameter | s2χ | bzw. | S12 | dem Verlauf der Isolationskurve an.
Fig. 3 zeigt einen Resonanzverlauf der in Fig. 1 dargestellten Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Welle. Knapp unterhalb einer Frequenz von 61 GHz ist die störende Nebenmode 210 ausgeprägt.
Fig. 4 zeigt einen bislang üblichen Aufbau von blendengekoppelten geschirmten (Suspended) Streifenleitungen in inverser Bauart. Der Unterschied zu Fig. 1 besteht darin, dass bei der inversen Bauart dieser Streifenleitung beide Metallisierungen 10 jeweils auf der gegenüberliegenden Oberfläche 16a, 16b der Substratschicht 5 angeordnet sind.
Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Isolation der in Fig. 4 dargestellten inversen Streifenleitungen von der Frequenz. Durch die Konzentration der Feldenergie im Bereich der Iris (Lochblende 13) wird mit den Streifenleitungen in inverser Bauart eine geringere Entkopplung erzielt als dies bei Verwendung der geschirmten (Suspended) - Streifenleitungen der Fall ist.
Fig. 6 zeigt einen Resonanzverlauf der in Fig. 4 dargestellten Streifenleitungen in Abhängigkeit von der Frequenz, wobei die störende 210-Nebenmode knapp unterhalb einer Frequenz von 61 GHz deutlicher ausgeprägt ist als bei dem Verlauf der Resonanzkurve in Fig. 3. Im Resonanzverlauf der Fig. 6 sieht man, dass dafür im Durchlassbereich eine geringere Einfügedämpfung erzielt wird. Weiterhin kann man deutlich die unterhalb der Hauptresonanz auftretende Nebenresonanz (210 -Mode) erkennen. Diese unerwünschte Nebenresonanz kommt durch Inhomogenitäten des magnetischen HF-Feldes zu Stande. Die Verteilung der mx-Komponente der Magnetisierung des 210- Modes im Inneren einer Resonatorkugel 3a, 3b ist in Fig. 7 dargestellt .
Zum besseren Verständnis dieser Nebenmode zeigt Fig. 7 eine Verteilung der mx-Komponente des 210-Wellenmodes im Inneren einer Resonatorkugel 3a, 3b. Deutlich ist zu erkennen, dass in den jeweiligen Kugelhälften eine resultierende mx-Komponente vorherrscht, welche das Auftreten des störenden 210-Nebenmodes bedingt.
Fig. 8 zeigt eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes einer herkömmlichen inversen (Suspended) - Streifenleitung im Bereich der Resonatorkugel 3a, 3b. Die Anregung des 210-Modes wird durch Inhomogenitäten der x- Komponente des magnetischen HF-Feldes begünstigt. Wie man in Fig. 8 erkennen kann, ist bei einer (Supended) - Streifenleitung die x-Komponente des magnetischen Feldes besonders stark ausgeprägt, weshalb auch eine starke Anregung des 210-Modes gegeben ist. Um den 210-Mode besser zu unterdrücken, wird eine Leitungsstruktur mit einer nur sehr schwach bis gar nicht ausgeprägten x-Komponente des Magnetfeldes benötigt. Diese Eigenschaft wird von Flossenleitungen erfüllt, welche erfindungsgemäß in einem magnetisch durchstimmbaren Filter eingesetzt werden.
Fig. 9 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1. Das erfindungsgemäße Filter 1 ist in einem Filtergehäuse 2 mit zwei Filterarmen 4a, 4b integriert und weist zwei durchstimmbare und aus magnetisierbarem Material bestehende Resonatorkugeln 3a, 3b auf, die übereinander in den beiden Filterarmen 4a, 4b angeordnet sind. Zumindest einer der Filterarme 4a, 4b weist eine Substratschicht 5 auf, auf welcher eine in Richtung eines elektrischen Anschlusses 6 verlaufende Flossenleitung 7 oder Schlitzleitung vorgesehen ist. Beide Filterarme 4a, 4b sind im Filtergehäuse 2 übereinander angeordnet und durch eine gemeinsame Koppelöffnung 8 verbunden, wobei jeweils eine Resonatorkugel 3a, 3b auf jeder Seite der Koppelöffnung 8 innerhalb der beiden Filterarme 4a, 4b positioniert ist. Beide Filterarme 4a, 4b weisen eine innere Struktur 9 auf, welche durch eine Abfolge verschiedener Schichten definiert ist. Die verschiedenen Schichten umfassen die Substratschicht 5 mit einer Metallisierungsschicht 10, sowie eine Luftschicht 11, welche die anderen Schichten umgibt. Die Substratschicht 5 selbst weist eine variierbare Schichtdicke 31 auf In diesem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters 1 sind die inneren Strukturen 9 beider Filterarme 4a, 4b zueinander symmetrisch. Als Leitungsstruktur ist eine unilaterale Flossenleitung 7 vorgesehen.
Die Substratschichten 5 der beiden Filterarme 4a, 4b befinden sich jeweils in zwei aus Metall gefrästen oder erodierten Ausbreitungskanälen, die lediglich durch eine kreisförmige Öffnung bzw. durch eine Lochblende 13 miteinander verbunden sind. Die Lochblende 13 weist erfindungsgemäß einen freien Querschnitt auf, dessen Flächeninhalt mindestens dem Flächeninhalt einer Äquatorialfläche einer Resonatorkugel 3a, 3b entspricht. Die Resonatorkugeln 3a, 3b, die aus einem ferri- magnetischen oder einem ferro-magnetischen Material, insbesondere einem Ferrit bestehen, sind auf gegenüberliegenden Seiten, spiegelbildlich zu einander beiderseits der Koppelöffnung 8 bzw. der Lochblende innerhalb eines Leerlaufbereichs 17 der Flossenleitungen 7 positioniert. Die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b über einen Leerlaufbereich 17 unterscheidet sich deutlich von den herkömmlichen Konzepten, in denen die Resonatorkugeln 3a, 3b, welche einen Durchmesser im Bereich von 100 μm bis 1000 μm aufweisen, im Bereich eines Kurzschlusses angekoppelt werden.
Die den beiden Filterarmen 4a, 4b gemeinsame Koppelöffnung 8 ist auch als Kombination einer Lochblende 13 mit mindestens einem Einfach-Spalt 12 zu realisieren.
Fig. 10 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch eine klassische unilaterale Flossenleitung 7, wobei die Substratschicht 5 symmetrisch zu einer Mittelebene 21 eines Hohlleiters 25 mit einem rechteckigen, ebenfalls symmetrischen Querschnitt angebracht ist. Bei einer unilateralen Flossenleitung 7 sind zwei durch einen nichtleitenden Streifen 14 getrennte Metallstreifen 15a, 15b gemeinsam auf einer ersten Oberfläche 16a der Substratschicht 5 angeordnet .
Bei einer bilateralen Flossenleitung 7, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist, sind zwei durch einen nichtleitenden Streifen 14 getrennte Metallstreifen 15a, 15b gemeinsam auf einer ersten Oberfläche 16a der Substratschicht 5 angeordnet, wobei gleichzeitig eine zweite Oberfläche 16b der Substratschicht 5 zumindest einen Metallstreifen 15c aufweist.
Im Gegensatz zu dieser klassischen unilateralen Flossenleitung 7, wo die Substratschicht 5 bevorzugt in der Mitte des diese umgebenden Hohlleiters 25 angebracht ist, wird die Substratschicht 5 bei dem erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filter 1 zur Blende bzw. zu einer Koppelöffnung 8 hin verschoben angeordnet. Durch diese Anordnung der Substratschicht 5 wird der Abstand zwischen Substratschicht 5 und der Koppelöffnung 8, welche in diesem ersten Ausführungsbeispiel als Lochblende 13 bzw. als Iris ausgeführt ist, verringert, um im Resonanzfall eine gute Verkopplung zwischen beiden Resonatorkugeln 3a, 3b zu gewährleisten. Der gesamte Ausbreitungskanal für die zu transportierende elektromagnetische Welle ist gestuft ausgeführt, was bedeutet, dass jeweils ein Filterarm 4a, 4b aus einem größerem Quader 20a und aus einem kleinerem Quader 20b zusammengesetzt ist, so dass die Substratschicht 5 mit ihren aufgetragenen zusätzlichen Schichten einfach auf dem kleineren Quader 20b anzubringen ist. Dadurch wird eine stabile Auflage der Substratschicht 5 innerhalb des Hohlleiters 25 bzw. innerhalb des Ausbreitungskanals ermöglicht. Die Fixierung der Substratschicht 5 im Ausbreitungskanal bzw. im Hohlleiter 25 kann z.B. durch einen leitenden Klebstoff erfolgen, der auf die Seitenränder 26 an der Grenze zwischen dem größerem Quader 20a und dem kleineren Quader 20b aufgetragen wird. Die leitende Verbindung der seitlichen Metallisierungen mit dem diese umgebenden Hohlleiter 25 verhindert erfindungsgemäß die Ausbreitung unerwünschter Moden. Das magnetische Gleichfeld H0, mit welchen das erfindungsgemäße Filter 1 durchgestimmt wird, steht senkrecht auf der Substratschicht 5.
Als Substratschicht 5 ist Quarz, Keramik, oder ein ähnliches Material vorgesehen, das eine niedrige Dielektrizitätszahl er aufweist. Bei den Substratschichten 5, die aus den genannten Materialien bestehen, fällt die Leitungswellenlänge größer aus als beim Einsatz von Substratmaterialien mit einer hohen Dielektrizitätszahl er. Die größere Leitungswellenlänge hat zum Vorteil, dass das Magnetfeld im Inneren der Resonatorkugel 3a, 3b homogener ist und somit die Anregung von magnetostatischen Moden höherer Ordnung, die sich als störende Nebenresonanzen bemerkbar machen, verringert ist. Fig. 11 zeigt eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes im Bereich des Kurzschlusses einer unilateralen Flossenleitung 7 als Beispiel für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung. Die unilaterale Flossenleitung 7 bewirkt, dass die Ausprägung einer x- Komponente des magnetischen Feldes geringer ist, als bei der geschirmten (Suspended) Streifenleitung inverser Bauart, was in Fig. 8 gezeigt ist.
Die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b erfolgt erfindungsgemäß über einen Leerlaufbereich 17 der beiden seitlichen Metallstreifen 15a, 15b. Der Leerlaufbereich 17 isoliert zum einen beide Metallstreifen 15a, 15b an ihren Enden voneinander und zum anderen auch von einer Wand 18 des Filtergehäuses 2. Die Gründe für diese Art der Kopplung werden im Folgenden genauer erläutert. Fig. 11 zeigt deutlich, dass am Kurzschluss die Feldlinien des magnetischen HF-Feldes parallel zum externen magnetischen Gleichfeld H0, liegen. Um die Elektronenspins in der Resonatorkugel 3a, 3b bzw. der Ferritkugel, die für das Auftreten der Resonanz verantwortlich sind, anzuregen, muss das magnetische RF-FeId im Bereich der Kugel senkrecht zum externen Gleichfeld H0 stehen, was in Fig. 12 veranschaulicht ist.
Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen einem magnetischen Gleichfeld H0 und einem magnetischen Hochfrequenzfeld (HF- Feld) bei Anregung der Elektronenspinresonanz als Beispiel für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und insbesondere zur Erläuterung des oben beschriebenen Sachverhalts.
Fig. 13 zeigt drei örtliche Verteilungen des magnetischen Feldes im Leerlaufbereich 17 der unilateralen Flossenleitung 7 des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 bei den Frequenzen 50 GHz, 60 GHz und 70 GHz. Durch die Ausbildung eines Leerlaufbereichs 17 ist der Anteil der Komponente des magnetischen HF-Feldes senkrecht zum magnetischen Gleichfeld im Bereich der Resonatorkugeln 3a, 3b stärker ausgeprägt . Deshalb wird eine gute Anregung der Elektronenspins und somit eine gute Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b ermöglicht. Damit ist die gewünschte Feldverteilung im Bereich der Resonatorkugeln 3a, 3b über eine große Bandbreite hinweg gewährleistet, was in Fig. 13 gezeigt ist. Hier ist zu erkennen, dass die magnetische Feldkomponente des HF-Feldes die zum externen Gleichfeld H0 senkrecht steht, mit größer werdendem Abstand zur Substratschicht 5 dominiert, so dass es günstig ist die Resonatorkugeln 3a, 3b in hinreichend großem Abstand zur Substratschicht 5 zu positionieren. Die Fixierung der ausgerichteten Resonatorkugeln 3a, 3b erfolgt in einer Halterung aus einem nicht leitenden Material, auf das hier nicht näher eingegangen wird.
Fig. 14 zeigt eine örtliche Verteilung des magnetischen Feldes eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 mit einer antipodalen Flossenleitung 7a, wobei aus dieser Figur zu entnehmen ist, dass es günstig ist, die Resonatorkugeln 3a, 3b entlang der z-Achse zu positionieren, da in diesem Bereich das magnetische Feld eine verschwindend kleine x-Komponente aufweist.
Fig. 15 zeigt die Abhängigkeit der Isolation des erfindungsgemäßen magnetischen Filters in Abhängigkeit von der Frequenz, wobei die Dämpfung (-75 dB) hier um einige Zehnerpotenzen besser ist als bei einem bislang üblichen Filter, wie die Isolationskurven in Fig. 2 (ca. -55dB) bzw. in Fig. 5 (ca. -45dB) zeigen.
Fig. 16 zeigt einen Resonanzverlauf der blendengekoppelten unilateralen Flossenleitungen 7 in Abhängigkeit von der Frequenz gemäß des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1.
In dem Resonanzverlauf aus Fig. 16 wird im Durchlassbereich des Filters eine deutlich geringere
Einfügedämpfung erzielt als dies beim geschirmten
(Suspended) Streifenleitungs Filter der Fall ist. Darüber hinaus ergibt sich für die unilateralen Flossenleitungen 7 eine bessere Isolation fernab der Resonanzfrequenz, besonders bei Anregung mit höheren Frequenzen. Zusätzlich ist die unerwünschte Nebenresonanz - trotz gleicher
Verkopplung im Resonanzfall und höherer Isolation fernab der Resonanzfrequenz - beim geschirmten unilateralen
Flossenleitungsfilter deutlich geringer ausgeprägt als beim (Suspeded) Streifenleiter Filter inverser Bauart.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Kopplung im Leerlaufbereich 17 und der Verwendung von unilateralen Flossenleitungen 7 wird eine deutlich bessere Leistung als mit den klassischen Koppelstrukturen unter Verwendung einer Kopplung im Kurzschlussbereich erzielt . Die Kopplung der beiden Hohlleiter 25 bzw. Ausbreitungskanäle erfolgt gemäß des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 über eine schlitzförmige Koppelöffnung bzw. über einen Einfach-Spalt 12. Bei einem Einsatz von schlitzförmigen Koppelöffnungen 12 ergibt sich die in Fig. 17 dargestellte Koppelstruktur. Auch hier erfolgt die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b über einen Leerlaufbereich 17. Das magnetische Gleichfeld H0 steht dabei ebenfalls senkrecht auf der Substratschicht 5.
Eine Erhöhung der Isolation kann bei beiden KoppelStrukturen aus Fig. 9 und Fig. 17 durch
Kaskadierung, d.h. durch geeignetes Hintereinanderschalten der jeweils gleichen Struktur oder durch Kombination der verschiedenen Koppelstrukturen erfolgen, was im dritten und vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung realisiert ist (Siehe Fig. 20 und 21) .
Bei beiden KoppelStrukturen aus Fig. 9 und Fig. 17 erfolgt die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b an den Verbindungsresonator 23, welcher für den Transport eines HiI0-WeIlenmodes ausgelegt ist, entweder durch die Breite des Schlitzes bzw. des Einfach-Spalts 12 zwischen den seitlichen Metallisierungen 10 oder durch den Abstand der Resonatorkugeln 3a, 3b zur SubstratSchicht 5. Für breite Spalten 12 ergibt sich eine stärkere Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b, da die elektromagnetische Welle mehr in der Luft geführt wird als dies bei schmalen Spalten 12 der Fall ist. Die Einstellung der Verkopplung zwischen den Resonatorkugeln 3a, 3b erfolgt gemäß Fig. 9 über den Durchmesser der Lochblende 13 bzw. gemäß Fig. 17 über die Länge und die Breite des Einfach-Spalts 12.
Fig. 18 zeigt einen Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen magnetischen Filters 1, wobei ebenfalls eine Lochblende 13 zum Einsatz kommt . Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der erfindungsgemäße magnetisch durchstimmbare Filter 1 antipodale Flossenleitungen 7a aufweist. Im Gegensatz zur unilateralen Flossenleitung 7 sind bei der antipodalen Flossenleitung 7a die seitlichen Metallisierungen 10 auf gegenüberligenden Substratseiten 16a, 16b angebracht. Die Substratschicht 5 befindet sich in zwei aus Metall gefrästen oder erodierten Ausbreitungskanälen bzw. Hohlleitern 25, welche lediglich durch eine Koppelöffnung 8, die als kreisförmige Öffnung bzw. als Lochblende 13 vorgesehen ist, miteinander verbunden sind. Die Koppelöffnung 8 kann auch als Ellipse, als Rechteck oder als Dreieck ausgeführt sein. Außerdem ist die Koppelöffnung 8 mindestens auch als ein Einfach- Spalt 12 oder als Mehrfach-Spalt , wie beispielsweise als ein doppelter bzw. zweifacher Doppelspalt 29 gestaltbar.
Die Resonatorkugeln 3a, 3b sind auf gegenüberliegenden Seiten der Lochblende 13 im Leerlaufbereich der Flossenleitung 7 bzw. der Flossenleitungen 7 positioniert. Auch bei dieser Koppelstruktur erfolgt die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b über den Leerlaufbereich 17, da der Verlauf des magnetischen Feldes dem Feldverlauf einer unilateralen Flossenleitung 7 sehr ähnlich ist. Die magnetische Feldenergie wird bei der antipodalen Flossenleitung bevorzugt in der Substratschicht 5 geführt, was den Unterschied zu einer Anwendung einer unilateralen Flossenleitung 7 ausmacht . Aus diesem Grund sind die Resonatorkugeln 3a, 3b direkt auf der Substratschicht 5 aufgebracht bzw. aufgeklebt, weshalb bei diesem Aufbau keine Kugelhalterungen erforderlich sind. Für eine exakte Positionierung der Resonatorkugeln 3a, 3b auf der Substratschicht 5 wurden in den seitlichen Metallisierungen 10 kreisförmige Konturen 24 vorgesehen.
Im Gegensatz zur klassischen antipodalen Flossenleitung 7a, bei der die Substratschicht 5 in der Mitte des diese umgebenden Hohlleiters 25 angebracht ist, wird die Substratschicht 5 zur Koppelöffnung 8 hin verschoben angeordnet, so dass die Substratschicht 5 in den Filterarmen 4a, 4b jeweils unsymmetrisch bezüglich einer Mittelebene 21 des jeweiligen Filterarms 4a, 4b angeordnet ist. Aufgrund dieser Anordnung ist der Abstand zwischen Substratschicht 5 und Koppelöffnung 8 verringert, um im Resonanzfall eine gute Verkopplung zwischen den Resonatorkugeln 3a, 3b zu gewährleisten.
Durch die Konzentration der magnetischen Feldenergie in der Substratschicht 5 kann die Gesamthöhe des Aufbaus des zweiten Ausführungsbeispiels gegenüber dem ersten
Ausführungsbeispiel mit der unilateralen Flossenleitung 7 weiter reduziert werden, wodurch das erfindungsgemäße magnetisch durchstimmbare Filter 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels leichter in einen engen Schlitz zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten integrierbar ist.
Der Ausbreitungskanal bzw. der Hohlleiter 25 ist im zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls gestuft, um eine stabile Auflage der Substratschicht 5 auf einem dem kleineren Quader 20b des Filtergehäuses 2 zu ermöglichen. Die Fixierung der Substratschicht 5 im Ausbreitungskanal bzw. im Hohlleiter 25 ist z.B. durch einen leitenden Klebstoff realisiert, welcher auf die Seitenränder 26 an der Grenze zwischen dem kleineren Quader 20b und einem größeren Quader 20a aufgetragen wird. Ferner wird durch eine Verlötung mit Indiumlot für eine leitende Verbindung der seitlichen Metallisierungen 10 mit dem ihn umgebenden Ausbreitungskanal gesorgt, so dass die Ausbreitung unerwünschter Moden verhindert ist. Das magnetische Gleichfeld H0 steht ebenfalls senkrecht auf der Substratschicht 5. Auch bei einem Einsatz einer antipodalen Flossenleitung 7a in einem erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filter 1 ist gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels eine Kopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b über eine schlitzförmige Koppelöffnung 8 bzw. Blende möglich, für diesen Fall müssen im Aufbau aus Fig. 17 lediglich die Substratschichten 5 mit der unilateralen Leitungsstruktur durch Substratschichten 5 mit antipodaler Leitungsstruktur 7a ersetzt werden.
Eine Erhöhung der Isolation ist ebenfalls durch geeignete Kaskadierung der KoppelStrukturen möglich. Die Koppelstrukturen aus den Fig. 9 und Fig. 17 können auch durch die Verwendung von bilateralen Flossenleitungen aufgebaut werden. Die Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b erfolgt auch bei den bilateralen Flossenleitungen über einen Leerlaufbereich 17. Diese Ausführung ist in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt.
Fig. 19 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch eine antipodale Flossenleitung 7a, wobei zwei durch die nichtleitende Substratschicht 5 getrennte Metallstreifen 15a, 15b bzw. Metallisierungen 10 zueinander symmetrisch auf einander gegenüberliegenden Oberflächen 16a, 16b der SubstratSchicht 5 angeordnet sind.
Fig. 20 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 mit einer Mikrostreifenleitung 22 sowie einer unilateralen Flossenleitung 7 unter Verwendung einer Lochblende 13 als Koppelöffnung 8 zwischen den beiden Filterarmen 4a, 4b. Die Wellenleiter befinden sich in zwei aus Metall gefrästen oder erodierten Ausbreitungskanälen, die lediglich über eine Koppelöffnung 8 erfindungsgemäß im miteinander verbunden sind. Die Resonatorkugeln 3a, 3b sind auf gegenüberliegenden Seiten der Koppelöffnung 8 im Leerlaufbereich 17 der Flossenleitung 7 bzw. im Kurzschlussbereich der Mikrostreifenleitung 22 positioniert. Da die Feldlinienbilder einer unilateralen Flossenleitung 7 und einer Mikrostreifenleitung orthogonal sind, ergibt sich bei Verwendung der irisförmigen Koppelöffnung 8 (Lochblende 13) für das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters 1 ein gestreckter Aufbau 28.
Da die beiden Resonatorkugeln 3a, 3b unterschiedliche Randbedingungen im Bezug auf den Verlauf des magnetischen Feldes ausgesetzt sing, ist eine Möglichkeit zum Drehen mindestens einer der beiden Resonatorkugeln 3a, 3b vorgesehen. Unterschiedliche Randbedingungen beim Feldverlauf führen zu versetzten Resonanzfrequenzen der einzelnen Resonatorkugeln 3a, 3b, wodurch die Einfügedämpfung im Durchlassbereich des betreffenden Filters erhöht ist. Durch gezielte Drehungen der Resonatorkugeln 3a, 3b ist es möglich, die Lage der Resonanzfrequenz der einzelnen Resonatorkugeln 3a, 3b innerhalb eines gewissen Frequenzbereichs einzustellen.
Fig. 21 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 mit einer Mikrostreifenleitung 22 sowie einer unilateralen Flossenleitung 7 unter Verwendung einer schlitzförmigen Blende 12 als Koppelöffnung 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Resonatorkugeln 3a, 3b übereinander in zwei Filterarmen 4a, 4b mit unterschiedlicher inneren Struktur 9 angeordnet. Anstelle der Mikrostreifenleitung 22 ist bei weiteren
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch der
Einsatz einer Koplanarleitung mit oder ohne Masse vorgesehen. Für zusätzliche Ausführungsbeispiele ist die Flossenleitung 7 im zweiten Filterarm 4b durch eine
(Suspended) Streifenleitung oder durch eine (Suspended)
Streifenleitung inverser Bauart zu ersetzen. Die unilaterale Flossenleitung 7 kann auch durch eine antipodale Flossenleitung 7a oder eine bilaterale Flossenleitung ersetzt werden. Die Erhöhung der Isolation ist, wie bereits erwähnt durch Kaskadierung mit derselben oder einer anderen Koppelstruktur möglich. In den KoppelStrukturen aus Fig. 9, Fig. 17, Fig. 18, Fig. 20 und Fig. 21 ist die Koppelöffnung 8 auch durch Polygonzüge mit beliebiger Form zu realisieren.
Fig. 22 zeigt eine unilaterale Flossenleitung 7 ohne einen diese umgebenden Hohlleiter 25. Die unilaterale Flossenleitung 7 weist eine Aussparung 24 auf, welche innerhalb der Metallisierung 10 vorgesehen ist. Diese Struktur ist ebenfalls für eine Anwendung in einem erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filter 1 vorgesehen.
Fig. 23 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 mit jeweils einer unilateralen Flossenleitung 7 in beiden Filterarmen 4a, 4b, wobei als Koppelöffnung 8 zwischen den beiden Filterarmen 4a, 4b eine schlitzförmige Blende vorgesehen ist, welche als doppelter Doppelspalt 29 ausgebildet ist.
Fig. 24 zeigt nochmals das fünfte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch durchstimmbaren Filters 1 aus Fig. 3 in der Draufsicht. Dieses Ausführungsbeispiel weist in jedem Filterarm 4a, 4b jeweils eine unilaterale Flossenleitung 7 auf.
Fig. 25 zeigt eine perspektivische 3D-Darstellung des fünften Ausführungsbeispiels aus Fig. 23 und Fig. 24, wobei als Substratschicht 5 Teflon verwendet wird, welches einfach in einem Hohlleiter 25 durch Klemmen zu befestigen ist.
Fig. 26 zeigt eine perspektivische 3D-Darstellung des Übergangs 30 der Mikrostreifenleitung 22 auf die Flossenleitung 7 bzw. Schlitzleitung des vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Filters 1. Der Mittelleiter 32 der Mikrostreifenleitung 22 ist dabei kurzgeschlossen.
Fig. 27 zeigt eine Draufsicht des in Fig. 26 gezeigten Übergangs 30 und Fig. 28 eine Seitenansicht des in Fig. 26 gezeigten Übergangs 30, wobei Fig. 29 eine Ansicht des in Fig. 26 gezeigten Übergangs 30 von der Unterseite aus darstellt.
In vielen Bereichen der Hochfrequenztechnik werden abstimmbare Bandpassfilter benötigt, deren Mittenfrequenz über einen bestimmten Frequenzbereich beliebig einstellbar ist. Für den Aufbau eines magnetisch abstimmbaren Bandpassfilters gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Koppelstruktur zur Ankopplung der Resonatorkugeln 3a, 3b benötigt, die gewährleistet, dass fernab der Resonanzfrequenz eine hohe Entkopplung/Isolation zwischen Filtereingang und Filterausgang gegeben ist. Zugleich muss durch die Koppelstruktur im Resonanzfall eine hohe Energieübertragung vom Eingang zum Ausgang gewährleistet werden. Die Erfindung ermöglicht es bei Frequenzen weit über 70 GHz hinaus bis zu 110 GHz eine hohe Isolation und zugleich im Resonanzfall eine hohe Energieübertragung zu erzielen.
Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere nicht auf kugelförmige Resonatoren aus einem Ferrit, beschränkt. Alle vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar.

Claims

Ansprüche
1. Magnetisch durchstimmbares Filter (1) mit einem Filtergehäuse (2) und mit zwei durchstimmbaren und aus magnetisierbarem Material bestehenden Resonatorkugeln (3a, 3b) , die übereinander in zwei Filterarmen (4a, 4b) angeordnet sind, wobei zumindest einer der Filterarme (4a, 4b) eine Substratschicht (5) enthält, die eine in Richtung eines elektrischen Anschlusses (6) verlaufende Flossenleitung (7) oder Schlitzleitung aufweist, wobei die zwei Filterarme (4a, 4b) durch eine gemeinsame Koppelöffnung (8) verbunden sind und jeweils eine Resonatorkugel (3a, 3b) auf jeder Seite der Koppelöffnung (8) innerhalb der beiden Filterarme (4a, 4b) positioniert ist.
2. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Filterarme (4a, 4b) eine innere Struktur (9) aufweisen, welche durch eine Abfolge der Substratschicht (5), einer Metallisierungsschicht (10) und einer Luftschicht (11) definiert ist.
3. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Strukturen (9) beider Filterarme (4a, 4b) symmetrisch zueinander sind.
4. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den beiden Filterarmen (4a, 4b) gemeinsame Koppelöffnung (8) mindestens als Einfach-Spalt (12) ausgebildet ist.
5. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den beiden Filterarmen (4a, 4b) gemeinsame Koppelöffnung (8) als Lochblende (13) ausgebildet ist.
6. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelöffnung (8) kreisförmig, ellipsenförmig, rechteckig oder dreieckig ist oder die Form eines Polygons aufweist .
7. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (13) einen freien Querschnitt aufweist, dessen Flächeninhalt mindestens dem Flächeninhalt einer Äquatorialfläche einer der Resonatorkugeln (3a, 3b) entspricht.
8. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die den beiden Filterarmen (4a, 4b) gemeinsame Koppelöffnung (8) als Lochblende (13) in Kombination mit mindestens einem Einfach-Spalt (12) vorgesehen ist.
9. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Filterarme (4a, 4b) im Filtergehäuse (2) übereinander angeordnet sind.
10. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flossenleitung (7) unilateral ist, wobei zwei durch einen nichtleitenden Streifen (14) getrennte Metallstreifen (15a, 15b) auf einer ersten Oberfläche (16a) der Substratschicht (5) angeordnet sind.
11. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flossenleitung (7) bilateral ist, wobei zwei durch einen nichtleitenden Streifen (14) getrennte Metallstreifen (15a, 15b) auf einer ersten Oberfläche (16a) der Substratschicht (5) angeordnet sind und gleichzeitig eine zweite Oberfläche (16b) der Substratschicht (5) zumindest einen Metallstreifen (15c) aufweist .
12. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flossenleitung (7) antipodal ist, wobei zwei durch die nichtleitende Substratschicht (5) getrennte Metallstreifen (15a, 15b) zueinander symmetrisch auf einander gegenüberliegenden Oberflächen (16a, 16b) der
Substratschicht (5) angeordnet sind.
13. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstreifen (15a, 15b) und das Filtergehäuse (2) seitlich mit Lot, insbersondere mir Indiumlot, verlötet sind.
14. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugel (3a, 3b) innerhalb jedes Filterarms (4a, 4b) in der Nähe eines Leerlaufbereichs (17) der beiden seitlichen Metallstreifen (15a, 15b) positioniert ist, wobei der Leerlaufbereich (17) die Metallstreifen (15a, 15b) an ihren Enden sowohl von einander isoliert als auch und von einer Wand (18) des Filtergehäuses (2) isoliert.
15. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Filterarm (4a, 4b) jeweils aus einem größeren Quader (20a) und einem kleineren Quader (20b) zusammengesetzt ist.
16. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der verschiedenen Schichten auf dem kleineren Quader (20b) erfolgt.
17. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (5) in den Filterarmen (4a, 4b) jeweils unsymmetrisch bezüglich einer Mittelebene (21) des jeweiligen Filterarms (4a, 4b) angeordnet ist.
18. Magnetisch durchstimmbares Filter Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (5) in den Filterarmen (4a, 4b) parallel zur Mittelebene (21) des jeweiligen Filterarms (4a, 4b) jeweils zur Koppelöffnung (8) hin verschoben ist.
19. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (5) eine niedrige relative
Dielektrizitätskonstante εr aufweist.
20. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (5) aus Teflon besteht.
21. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der
Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugeln (3a, 3b) aus einem ferri- magnetischen oder einem ferro-magnetischen Material, insbesondere aus einem Ferrit bestehen.
22. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugeln (3a, 3b) einen Durchmesser von 100 μm bis 1000 μm, bevorzugt von ca. 300μm, aufweisen.
23. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugeln (3a, 3b) spiegelbildlich zu einander beiderseits der Koppelöffnung (8) angeordnet sind.
24. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Filterarm (4a, 4b) die Resonatorkugel (3a, 3b) jeweils mittels einer Halterung aus einem nicht leitendem Material fixiert ist.
25. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkugel (3a, 3b) in jedem Filterarm (4a, 4b) jeweils auf die Substratschicht (5) geklebt ist.
26. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Metallstreifen (15a, 15b) der Flossenleitung (7) eine Aussparung (24) vorgesehen ist, innerhalb welcher die Resonatorkugel (3a, 3b) direkt auf die Substratschicht (5) geklebt ist.
27. Magnetisch durchstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die aus magnetisierbarem Material bestehenden Resonatorkugeln (3a, 3b) übereinander in zwei Filterarmen (4a, 4b) mit unterschiedlicher innerer Struktur (9) angeordnet sind.
28. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Filterarm (4a oder 4b) eine Mikrostreifenleitung (22) enthält und der andere Filterarm (4b oder 4a) eine Flossenleitung (7) enthält.
29. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Filterarm (4a oder 4b) eine Mikrostreifenleitung (22) enthält und der zweite Filterarm (4b oder 4a) eine geschirmte (suspended) Streifenleitung enthält.
30. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Filterarm (4a oder 4b) eine Mikrostreifenleitung (22) enthält und der andere Filterarm (4b oder 4a) eine inverse geschirmte (suspended) Streifenleitung enthält .
31. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung der Wellenwiderstände der Flossenleitung (7) und der Mikrostreifenleitung (22) im Endbereich eines Verbindungsresonators (23) der beiden Filterarme (4a, 4b) mittels eines kurzgeschlossenen Mittelleiters (32) der Mikrostreifenleitung (22) realisiert ist.
32. Magnetisch durchstimmbares Filter nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsresonator (23) für einen Transport einer Hn0-Wellenmode ausgelegt ist.
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