EP4165717A1 - Elektronisch einstellbares hochfrequenz-filter - Google Patents

Elektronisch einstellbares hochfrequenz-filter

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Publication number
EP4165717A1
EP4165717A1 EP21735861.3A EP21735861A EP4165717A1 EP 4165717 A1 EP4165717 A1 EP 4165717A1 EP 21735861 A EP21735861 A EP 21735861A EP 4165717 A1 EP4165717 A1 EP 4165717A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electronically adjustable
filter
bandpass filter
resonance structure
stripline
Prior art date
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Pending
Application number
EP21735861.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benedikt Thelen
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4165717A1 publication Critical patent/EP4165717A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203Strip line filters

Definitions

  • the present invention relates to an electronically adjustable high-frequency bandpass filter (HF bandpass filter), which has a resonance structure formed from a stripline with at least one perturbation, the stripline forming a closed square loop and an integrated component with electronic at each corner adjustable capacity is arranged.
  • HF bandpass filter electronically adjustable high-frequency bandpass filter
  • Electronically adjustable high-frequency band-pass filters are required in many areas of high-frequency technology, for example in radar technology. Such filters are used e.g. in the receiving channel of
  • bandpass filters Used in radar systems. These bandpass filters should have a small size, a low insertion loss and an amplitude variation that is as small as possible over the center frequency setting range.
  • High-frequency bandpass filters can be implemented by a resonance structure formed from a stripline, the dimensions of which are matched to the desired filter parameters.
  • an electronically adjustable HF filter is known, which has a resonance structure formed from a stripline with at least one perturbation for double-mode excitation.
  • the stripline forms a closed square loop, in the corners of which, in one embodiment, a varactor diode with an electronically adjustable capacitance is arranged.
  • the center frequency of the bandpass filter can be electronically adjusted between 1.5 and 1.62 GHz via these varactor diodes.
  • the object of the present invention is to provide an electronically adjustable RF bandpass filter which has a low insertion loss and an amplitude variation that is as small as possible over the center frequency setting range and which can be implemented with a small overall size.
  • the proposed RF bandpass filter has a resonance structure formed from a stripline with at least one perturbation, by means of which double-mode excitation is achieved.
  • the strip conductor forms a closed square loop with a rectangular indentation on each side, an integrated component with an electronically adjustable capacitance being arranged at an inner corner of each indentation.
  • Inner corners of the indentations are to be understood as the corners of the indentations which are in the inner region of the square loop, that is to say not on the sides of the square formed by the square loop.
  • This configuration forms an electronically adjustable HF bandpass filter which, on the one hand, due to the special shape of the resonance structure and, on the other hand, due to the arrangement of the integrated components with electronically adjustable capacitance at the inner corners of the
  • the HF filter can be implemented in a particularly space-saving manner.
  • the HF filter can be implemented with low insertion loss and has a very low one Amplitude variation over the center frequency adjustment range of the filter.
  • so-called PTICs passive tunable integrated circuits
  • capacitance diodes in these components it is not the distance d of the depletion zone but the permeativity s r that changes with the applied voltage, since a ferroelectric material, in particular barium-strontium-titanate, is used as the dielectric material.
  • the coupling-in and coupling-out from the resonance structure preferably take place in each case via a coupling structure made up of intersecting conductor track sections, one section of which runs parallel to one side and the other perpendicular to this side of the square loop.
  • the vertical section extends into the respective rectangular indentation in order to realize a double-sided coplanar coupling.
  • the dimensioning of the filter in particular the dimensions of the resonance structure or conductor tracks, as well as the choice of the suitable integrated components with electronically adjustable capacitance is carried out in an HF simulation program, over which the width of the conductor tracks, the outer dimensions of the square and the rectangular indentations are looped can be optimized for the desired parameters.
  • the HF filter can thus be dimensioned for different frequencies or frequency ranges.
  • the proposed HF bandpass filter can be used for all frequency-selective high-frequency applications, for example in radar systems in which an electronically adjustable center frequency of the bandpass filter is desired.
  • Fig. 1 is a plan view of an exemplary
  • FIG. 2 shows an enlarged illustration of the layout of the inner area of the filter from FIG. 1 without the PTICs.
  • Figure 1 shows a photo in plan view of the circuit board 1, on which the HF-
  • the filter has a resonance structure formed by a strip conductor 2.
  • the strip conductor 2 forms a closed square loop with rectangular indentations on each side, as can be seen from FIG.
  • a perturbation 3 is formed, by means of which a double-mode excitation of the resonance structure is made possible, which leads to an enlarged pass bandwidth of the filter.
  • a PTIC 4 the capacitance of which is electronically adjustable, is arranged at an inner corner of each rectangular indentation. To set the capacity, each of these PTICs 4 is connected to a central via 9, via which a direct voltage can be applied to the PTICs 4.
  • the ground vias 8 to which the PTICs 4 are each connected can also be seen in FIG.
  • the PTICs 4 are arranged symmetrically in the resonance structure.
  • FIG. 1 also shows the adaptation network 6 for adapting the coupling structures 5 to the input or output line 7 with an impedance of 50 ohms.
  • FIG. 2 again shows a plan view of the inner area of the RF filter of FIG. 1 without the PTICs 4.
  • the contact surfaces or conductor tracks for the connection of the PTICs with the ground vias 8 and the via 9 for the direct voltage supply (DC) can be seen better.
  • the resonance structure of the filter shown in FIG. 1 can, for example, have a side length of approximately 30 mm.
  • the filter can thus be implemented in a very space-saving manner.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisch einstellbares HF-Filter, das eine aus einem Streifenleiter (2) gebildete Resonanzstruktur mit wenigstens einer Perturbation (3) aufweist. Der Streifenleiter (2) bildet eine geschlossene Quadratschleife mit einer rechteckförmigen Einbuchtung auf jeder Seite. An jeweils einer inneren Ecke jeder Einbuchtung ist zur elektronischen Einstellbarkeit ein PTIC (4) angeordnet. Das vorgeschlagene HF-Filter lässt sich auf kleinem Bauraum realisieren und weist eine geringe Einfügedämpfung sowie eine geringe Amplitudenvariation über den Mittenfrequenz-Einstellbereich auf.

Description

Elektronisch einstellbares Hochfrequenz-Filter
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisch einstellbares Hochfrequenz-Bandpass-Filter (HF-Bandpass-Filter), das eine aus einem Streifenleiter gebildete Resonanzstruktur mit wenigstens einer Perturbation aufweist, wobei der Streifenleiter eine geschlossene Quadratschleife bildet und an jeweils einer Ecke ein integriertes Bauelement mit elektronisch einstellbarer Kapazität angeordnet ist.
Elektronisch einstellbare Hochfrequenz-Bandpass- Filter werden in vielen Bereichen der Hochfrequenz technik benötigt, beispielsweise in der Radartechnik. So werden derartige Filter z.B. im Empfangskanal von
Radarsystemen eingesetzt. Diese Bandpassfilter sollten eine geringe Baugröße, eine niedrige Einfügedämpfung und eine über den Mittenfrequenz-Einstellbereich möglichst geringe Amplitudenvariation aufweisen.
Stand der Technik
Hochfrequenz-Bandpass-Filter können durch eine aus einem Streifenleiter gebildete Resonanzstruktur realisiert werden, deren Dimensionen auf die gewünschten Filterparameter abgestimmt sind. Aus S.-W. Fok et al., „A novel microstrip square-loop dual-mode bandpass filter with simultaneous size reduction and spurious response suppression", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 54, No. 5, 2006, Seiten 2033-2041, ist ein elektronisch einstellbares HF-Filter bekannt, das eine aus einem Streifenleiter gebildete Resonanzstruktur mit wenigstens einer Perturbation für eine Doppelmode-Erregung aufweist. Der Streifenleiter bildet dabei eine geschlossene Quadratschleife, in deren Ecken in einer Ausgestaltung jeweils eine in der Kapazität elektronisch einstellbare Varaktordiode angeordnet ist. Über diese Varaktordioden lässt sich bei dieser Veröffentlichung die Mittenfrequenz des Bandpassfilters zwischen 1,5 und 1,62 GHz elektronisch verstellen.
Auch aus der Veröffentlichung von J.S. Hong et al., „Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a novel meander loop resonator", IEEE Microw. Guid. Wave Lett., Vol. 5, No. 11, 1995, Seiten 371-372, ist ein HF-Bandpass-Filter bekannt, das eine aus einem Streifenleiter gebildete Resonanzstruktur mit wenigstens einer Perturbation aufweist. Bei diesem Filter bildet der Streifenleiter eine geschlossene Quadratschleife mit einer rechteckförmigen Einbuchtung auf jeder Seite. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die Baugröße des Filters gegenüber einem Filter mit einer einfachen Quadratschleife nochmals reduzieren. Allerdings ist das in der Veröffentlichung beschriebene Filter nicht elektronisch einstellbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektronisch einstellbares HF-Bandpass- Filter anzugeben, das eine niedrige Einfügedämpfung und eine über den Mittenfrequenz-Einstellbereich möglichst geringe Amplitudenvariation aufweist und sich mit geringer Baugröße realisieren lässt. Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem elektronisch einstell baren HF-Bandpass-Filter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Filters sind
Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Das vorgeschlagene HF-Bandpass-Filter weist eine aus einem Streifenleiter gebildete Resonanzstruktur mit wenigstens einer Perturbation auf, durch die eine Doppelmode-Erregung erreicht wird. Der Streifenleiter bildet bei dem vorgeschlagenen Filter eine geschlossene Quadratschleife mit einer rechteckförmigen Einbuchtung auf jeder Seite, wobei an jeweils einer inneren Ecke jeder Einbuchtung ein integriertes Bauelement mit elektronisch einstellbarer Kapazität angeordnet ist. Unter inneren Ecken der Einbuchtungen sind dabei die Ecken der Einbuchtungen zu verstehen, die im inneren Bereich der Quadratschleife, also nicht an den Seiten des durch die Quadratschleife gebildeten Quadrats liegen. Durch diese Ausgestaltung wird ein elektronisch einstellbares HF-Bandpass-Filter gebildet, das einerseits aufgrund der besonderen Form der Resonanzstruktur und andererseits aufgrund der Anordnung der integrierten Bauelemente mit elektronisch einstellbarer Kapazität an den inneren Ecken der
Struktur besonders raumsparend realisierbar ist. Das HF-Filter lässt sich bei diesem Aufbau mit geringer Einfügedämpfung realisieren und weist eine sehr geringe Amplitudenvariation über den Mittenfrequenz- Einstellbereich des Filters auf.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden als integrierte Bauelemente mit elektronisch einstellbarer Kapazität sogenannte PTICs (passive tunable integrated circuits) eingesetzt. Im Gegensatz zu Kapazitätsdioden ändert sich bei diesen Bauelementen nicht der Abstand d der Verarmungszone sondern die Permeativität sr mit der angelegten Spannung, da ein ferroelektrisches Material, insbesondere Barium- Strontium-Titanat, als Dielektrizitätsmaterial genutzt wird. Durch Nutzung derartiger Bauelemente ist die für die Kapazitätseinstellung erforderliche Gleichspannung voll entkoppelt von der HF-Struktur und beeinflusst somit nicht das Übertragungsverhalten des Hochfrequenz pfades. Die an den PTICs angelegte Spannung bestimmt sehr genau die gewünschte Mittenfrequenz. Vorzugsweise erfolgen die Ein- und Auskopplung aus der Resonanzstruktur jeweils über eine Koppelstruktur aus sich kreuzenden Leiterbahnabschnitten, von denen ein Abschnitt parallel zu einer Seite und der andere senkrecht zu dieser Seite der Quadratschleife verläuft. Der senkrechte Abschnitt erstreckt sich dabei in die jeweilige rechteckförmige Einbuchtung, um eine doppelseitig koplanare Ankopplung zu realisieren. In Verbindung mit der symmetrischen Anordnung der integrierten Bauelemente mit elektronisch einstellbarer Kapazität in der Resonanzstruktur wird dadurch eine noch geringere Amplitudenvariation im Mittelfrequenz- Einstellbereich des HF-Filters erreicht. Die Dimensionierung des Filters, insbesondere der Dimensionen der Resonanzstruktur bzw. Leiterbahnen, sowie die Wahl der geeigneten integrierten Bauelemente mit elektronisch einstellbarer Kapazität erfolgt in über ein HF-Simulationsprogramm, über das die Breite der Leiterbahnen, die äußeren Dimensionen der Quadrat schleife sowie der rechteckförmigen Einbuchtungen für die gewünschten Parameter optimierbar sind. Das HF- Filter lässt sich damit für unterschiedliche Frequenzen bzw. Frequenzbereiche dimensionieren.
Das vorgeschlagene HF-Bandpass-Filter lässt sich für alle frequenzselektiven hochfrequenten Anwendungen einsetzen, beispielsweise in Radarsystemen, in denen eine elektronisch einstellbare Mittenfrequenz des Bandpassfilters gewünscht ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene HF-Bandpass-Filter wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine beispielhafte
Ausgestaltung des vorgeschlagenen Filters; und
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Layouts inneren Bereiches des Filters aus Figur 1 ohne die PTICs.
Wege zur Ausführung der Erfindung Im Folgenden wird beispielhaft eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen HF-Bandpass-Filters als elektronisch einstellbares Filter im L-Band beschrieben. Figur 1 zeigt hierzu ein Foto in Draufsicht auf die Leiterplatte 1, auf der das HF-
Filter aufgebaut ist. Das Filter weist eine durch einen Streifenleiter 2 gebildete Resonanzstruktur auf. Der Streifenleiter 2 bildet hierzu eine geschlossene Quadratschleife mit rechteckförmigen Einbuchtungen auf jeder Seite, wie dies aus der Figur 1 ersichtlich ist. An einer äußeren Ecke der Quadratschleife ist eine Perturbation 3 (Störstelle) ausgebildet, durch die eine Doppelmode-Erregung der Resonanzstruktur ermöglicht wird, die zu einer vergrößerten Durchlass-Bandbreite des Filters führt.
An jeweils einer inneren Ecke jeder rechteck förmigen Einbuchtung ist ein PTIC 4 angeordnet, dessen Kapazität elektronisch einstellbar ist. Zur Kapazitätseinstellung ist jeder dieser PTICs 4 mit einem zentralen Via 9 verbunden, über den eine Gleichspannung an die PTICs 4 angelegt werden kann. In der Figur 1 sind auch die Masse-Vias 8 zu erkennen, mit denen die PTICs 4 jeweils verbunden sind. Die PTICs 4 sind symmetrisch in der Resonanzstruktur angeordnet.
Die Ein- bzw. Auskopplung in die bzw. aus der Resonanzstruktur erfolgt über jeweils eine Koppel struktur 5 aus zwei senkrecht gekreuzten Leiter- bahnabschnitten . Einer der Leiterbahnabschnitte verläuft dabei parallel zur jeweiligen Seite der Quadratschleife, der zweite erstreckt sich in die jeweilige rechteckförmige Einbuchtung, wie dies in der Figur 1 zu erkennen ist. Dadurch wird eine doppel seitige Koplanar-Kopplung erreicht. Die Figur 1 zeigt schließlich noch das Anpassungsnetzwerk 6 zur Anpassung der Koppelstrukturen 5 an die Ein- bzw. Ausgangsleitung 7 mit einer Impedanz von 50 Ohm.
In Figur 2 ist noch einmal eine Draufsicht auf den inneren Bereich des HF-Filters der Figur 1 ohne die PTICs 4 dargestellt. In dieser Figur sind die Kontaktflächen bzw. Leiterbahnen für die Anbindung der PTICs mit den Masse-Vias 8 und dem Via 9 für die Gleichspannungszuführung (DC) besser zu erkennen.
Für einen elektronisch einstellbaren Bandpass- filter im L-Band kann die Resonanzstruktur des in Figur 1 dargestellten Filters beispielsweise eine Seitenlange von ca. 30 mm aufweisen. Damit lässt sich das Filter sehr platzsparend realisieren.
Bezugszeichenliste
1 Leiterplatte 2 Streifenleiter
3 Perturbation
4 PTIC
5 Kopplungsstruktur
6 Anpassungsnetzwerk 7 50Q-Leitung
8 Masse-Vias
9 DC-Via

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisch einstellbares HF-Bandpass-Filter, das eine aus einem Streifenleiter (2) gebildete Resonanzstruktur mit wenigstens einer Perturbation (3) aufweist, wobei der Streifenleiter (2) eine geschlossene Quadratschleife mit einer rechteckförmigen Einbuchtung auf jeder Seite bildet, und an jeweils einer inneren Ecke jeder Einbuchtung ein integriertes Bauelement mit elektronisch einstellbarer Kapazität (4) angeordnet ist.
2. Elektronisch einstellbares HF-Bandpass-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Einkopplung in die Resonanzstruktur und für eine Auskopplung aus der Resonanzstruktur jeweils eine Koppelstruktur (5) aus sich kreuzenden Streifenleitungsabschnitten an der Quadratschleife angeordnet ist, von denen ein Streifenleitungsabschnitt parallel und der andere senkrecht zu einer Seite der Quadratschleife verläuft und sich der senkrecht verlaufende Streifenleitungsabschnitt für eine doppelseitig koplanare Ankopplung in die jeweilige rechteck- förmige Einbuchtung erstreckt.
3. Elektronisch einstellbares HF-Bandpass-Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Bauelemente mit elektronisch einstellbarer Kapazität (4) mit einer gemeinsamen, zentral zwischen den integrierten Bauelementen angeordneten Gleichspannungszuführung verbunden sind.
4. Elektronisch einstellbares HF-Bandpass-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Bauelemente mit elektronisch einstellbarer Kapazität (4) PTICs sind.
5. Elektronisch einstellbares HF-Bandpass-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Bauelemente mit elektronisch einstellbarer Kapazität (4) symmetrisch in der Resonanzstruktur angeordnet sind.
EP21735861.3A 2020-06-15 2021-06-15 Elektronisch einstellbares hochfrequenz-filter Pending EP4165717A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020115690.1A DE102020115690A1 (de) 2020-06-15 2020-06-15 Elektronisch einstellbares Hochfrequenz-Filter
PCT/EP2021/066063 WO2021255004A1 (de) 2020-06-15 2021-06-15 Elektronisch einstellbares hochfrequenz-filter

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EP4165717A1 true EP4165717A1 (de) 2023-04-19

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Country Status (3)

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EP (1) EP4165717A1 (de)
DE (1) DE102020115690A1 (de)
WO (1) WO2021255004A1 (de)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2467763B (en) 2009-02-13 2013-02-20 Univ Kent Canterbury Tuneable surface

Non-Patent Citations (3)

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Title
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See also references of WO2021255004A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020115690A1 (de) 2021-12-16
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