EP4233124B1

EP4233124B1 - Waffeleisen-filteranordnung für hochfrequenzsignale

Info

Publication number: EP4233124B1
Application number: EP21798032.5A
Authority: EP
Inventors: Chad Bartlett; Christian Arnold; Michael Höft
Original assignee: Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Current assignee: Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2025-12-24
Anticipated expiration: 2041-10-21
Also published as: DE102020127767A1; EP4233124A1; CA3190802A1; WO2022084449A1; US20230395961A1; US12347913B2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Filteranordnung für hochfrequente Signale (HF-Signale), welche beispielsweise in Kommunikationseinrichtungen, insbesondere in Verbindung mit Hohlleitern, zum Einsatz kommt. Solche Kommunikationseinrichtungen können beispielsweise Sende- und/oder Empfangseinrichtungen sein.

Technischer Hintergrund

Signalfilter werden in Kommunikationseinrichtungen verwendet, um Signalanteile in bestimmten Frequenzbereichen durchzulassen bzw. zu unterdrücken, so dass an einem Ausgang des Filters im Wesentlichen nur die gewünschten Signalanteile erscheinen und die nicht gewünschten Signalanteile entfernt oder sehr stark gedämpft sind.
Solche Signalfilter sind in verschiedenen Bauweisen und für diverse Einsatzzwecke bekannt. Beispielsweise können Signalfilter mit diskreten elektronischen Bauelementen wie Spulen, Kondensatoren und Halbleiterelementen aufgebaut sein. Gerade für hohe Frequenzen, beispielsweise für einige GHz und darüber, werden für die Signalverarbeitung und -übertragung Hohlleiter verwendet. Im Verbund mit Hohlleitern werden auch entsprechende Filter verwendet, welche ohne diskrete elektronische Bauelemente auskommen.
Bei Hohlleiterfiltern (oder auch Resonatoren) für hohe Frequenzen (z.B. im K-Band, 18 bis 27 GHz und bei höheren Frequenzen) ist der Aufbau und die Geometrie des Hohlleiters und des Filters ausschlaggebend für die Filterfunktion. Um eine hohe Güte der Filterfunktion zu erreichen, kommt es also auf Aufbau, Dimension und geometrische Ausgestaltung des Filters oder Resonators an.
Guthart H: " A High-Power S-Band Filter (Correspondence)", IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, IEEE, USA, Bd. 6. Nr. 2, 1. März 1962, Seiten 148-149 beschreibt ein sog. Waffeleisenfilter für das S-Band. Das Filter besteht aus zwei Halbschalen, zwischen denen ein Hohlraum angeordnet ist. In dem Hohlraum ist ein Abschnitt mit Vertiefungen und entsprechenden Erhöhungen angeordnet. Die Ausmaße der Vertiefungen und Erhöhungen ist auf die Wellenlänge der zu verarbeitenden Signalen abgestimmt. Das Gehäuse ist aus hoch-leitfähigem Kupfer hergestellt.
US 7 132 909 B2 beschreibt Ausgestaltungsvarianten von Hohlleitern, die grundsätzlich einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei in einer Kavität des Hohlleiters geometrisch unterschiedlich ausgestaltete Elemente angeordnet sind, um das sich ausbreitende Feld zu beeinflussen. Es ist ein besonderer Aspekt dieses Dokuments, dass die in der Kavität angeordneten Elemente voneinander abweichende Maße haben, um durch die Zufallsverteilung der Abweichungen der Maße der einzelnen über einen Mittelungseffekt im Ergebnis eine höhere Genauigkeit und geringere Gesamtabweichung zu erzielen, als dies über die Fertigung eines Hohlleiters ohne solche zusätzlich eingebrachten Elemente möglich wäre.
MAAS SUSAN ET AL: "Multi-layered substrate integrated waveguide waffle-iron filters",IET MICROWAVES, ANTENNAS & PROPAGATION, THE INSTITUTION OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY, UNITED KINGDOM, Bd. 14, Nr. 10, 12. August 2020, Seiten 1038-1046 beschreibt ein in ein Mehrlagensubstrat integriertes Waffeleisenfilter mit eingangs- und ausgangsseitigen Transformator-Abschnitten, die in die Rechteckhohlleiter der an das Waffeleisenfilter angeschlossenen Komponenten geschoben werden.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2012 020 576 A1 ein Filter für einen Hohlleiter mit einstellbaren Koppelresonatoren und einem Frequenzresonator.
Ein weiteres Beispiel eines Hochfrequenzresonators findet sich in der DE 10 2016 107 955 A1 . Hier erfolgt die Abstimmung des Resonators mittels eines Behälters, in welchem ein Flüssigkristall enthalten ist, wobei der Behälter zumindest teilweise in dem Resonatorraum aufgenommen ist.

Beschreibung

Es kann als Aufgabe betrachtet werden, ein Filter für hohe Frequenzen anzugeben, welches sich durch ein breites Stoppband auszeichnet, in welchem das Filter keine Signale durchlässt oder deren Dämpfung über einem erforderlichen Dämpfungspegel liegt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Filteranordnung für Hochfrequenz-Signale, HF-Signale, angegeben. Die Filteranordnung weist ein Gehäuse und eine Waffeleisenanordnung auf. In dem Gehäuse befindet sich ein Hohlraum, der sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckt. Die Waffeleisenanordnung ist in dem Hohlraum angeordnet und weist eine Trägerplatte auf. Die Trägerplatte enthält eine Mehrzahl von Ausnehmungen, wobei in zumindest einigen der Ausnehmungen ein elektrisch leitfähiges Material angeordnet ist, um einen in der Ausnehmung angeordneten Stift zu formen. Der Hohlraum des Gehäuses enthält zwei Transformator-Abschnitte und einen Waffel-Abschnitt, wobei der Waffel-Abschnitt zwischen den zwei Transformator-Abschnitten angeordnet ist. Die Trägerplatte ist in dem Waffel-Abschnitt angeordnet. Die Trägerplatte enthält ein für HF-Signale durchlässiges Material.
In einer Ausführungsform ist das Gehäuse als integrales Bauteil gestaltet oder aus zwei Halbschalen geformt.
Beispielsweise kann ein integral gestaltetes Gehäuse mittels 3D-Drucktechnik gefertigt werden. Alternativ kann das Gehäuse gegossen werden oder mit einer anderen Fertigungstechnik hergestellt werden, so dass der Hohlraum sich im Inneren des Gehäuses befindet und mindestens von einer Seite zugänglich ist, um die Trägerplatte einzuführen und an ihrem vorgesehen Platz einzusetzen.
Alternativ kann das Gehäuse zwei Halbschalen aufweisen, wobei die zweite Halbschale in einem montierten Zustand so an der ersten Halbschale angeordnet ist, dass sich der Hohlraum zwischen der ersten Halbschale und der zweite Halbschale befindet oder gebildet wird.
Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird detailliert Bezug genommen auf die Variante des Gehäuses bestehend aus zwei Halbschalen. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass diese Bezugnahme lediglich beispielhaft ist und dass die Beschreibung auch für andere Varianten des Gehäuses gilt, also insbesondere für die einstückige Variante des Gehäuses, wie es beispielsweise mit 3D-Drucktechnik hergestellt werden kann. Die Funktion der Trägerplatte und die Anordnung der Trägerplatte in dem Hohlraum des Gehäuses ist unabhängig davon, ob das Gehäuse einstückig oder mehrstückig ausgestaltet ist.
Der Hohlraum zwischen der ersten und zweiten Halbschale ist kanalartig ausgestaltet und erstreckt sich von einer Stirnseite zu der gegenüberliegenden Stirnseite in Längsrichtung der Filteranordnung bzw. der Halbschalen, so dass der Hohlraum wie ein Hohlleiter für HF-Signale wirkt. Der Hohlraum hat eine geringere Breite als die Halbschalen, d.h. dass die Halbschalen sich in dem montierten Zustand (d.h. wenn die erste Halbschale und die zweite Halbschale miteinander verbunden sind) neben dem Hohlraum berühren bzw. aneinander anliegen.
Beispielsweise wird der Hohlraum gebildet, indem in die in dem montierten Zustand der Filteranordnung einander gegenüberliegenden oder aneinander anliegenden Flächen der beiden Halbschalen jeweils eine entsprechende Vertiefung gefräst oder auf andere Weise gefertigt wird, so dass diese Vertiefungen den in Längsrichtung der Filteranordnung verlaufenden Hohlraum bilden, wenn die Halbschalen mit den dafür vorgesehenen Flächen aneinander montiert, z.B. verschraubt oder geklemmt, werden.
Die Waffeleisenanordnung ist in dem Hohlraum so angeordnet, dass der Hohlraum entlang der Längsrichtung der Filteranordnung in mehrere Abschnitte unterteilt wird. Die Waffeleisenanordnung ist so angeordnet, dass sich auf beiden Seiten hiervon entlang der Längsrichtung des Hohlraums ein Abschnitt zwischen der Waffeleisenanordnung und den jeweiligen stirnseitigen Anschlüssen der Filteranordnung befindet. Beispielsweise ist die Waffeleisenanordnung in Längsrichtung des Hohlraums mittig angeordnet und die Abschnitte des Hohlraums auf beiden Seiten der Waffeleisenanordnung sind gleich lang.
Der Hohlraum wird damit in einen Waffel-Abschnitt und zwei Transformator-Abschnitte unterteilt, wobei sich der Waffel-Abschnitt zwischen den beiden Transformator-Abschnitten befindet. Ausgehend von einem Anschluss oder einer Stirnseite der Filteranordnung schließt sich zunächst ein Transformator-Abschnitt an, sodann folgt der Waffel-Abschnitt, an den sich ein weiterer Transformator-Abschnitt anschließt, der bis zu der gegenüberliegenden Stirnseite der Filteranordnung verläuft. Die beiden Transformator-Abschnitte können, bezogen auf den Waffel-Abschnitt, spiegelsymmetrisch sein.
Die Waffeleisenanordnung dient dazu, sich in dem Hohlraum der Filteranordnung ausbreitende HF-Signale durchzulassen oder zu unterdrücken. Hierdurch wird die Filterfunktion als solche implementiert.
Die Ausnehmungen in der Trägerplatte sind beispielsweise als Bohrungen in Form von Vertiefungen oder Löchern ausgestaltet und erstrecken sich so in der Trägerplatte, dass die Ausnehmungen senkrecht zu der Längsrichtung des Hohlraums verlaufen. In den Ausnehmungen ist ein elektrisch leitfähiges Material angeordnet, welches die Form von Stiften annimmt. Die Stifte bilden sodann Zähne des Waffeleisens, um in dem Hohlraum die Filterfunktion auf Grund ihrer Geometrie und Position zu realisieren.
Das elektrisch leitfähige Material kann in einem flüssigen Zustand in die Ausnehmungen gebracht werden, wo es dann aushärtet, um die Stifte zu bilden, die von der Trägerplatte in Position gehalten werden.
Die Mehrzahl der Ausnehmungen können in der Trägerplatte in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen in einer oder mehreren Reihen angeordnet sein. Die Trägerplatte kann eine Vielzahl von Ausnehmungen aufweisen, von denen alle oder auch nur einige mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden, beispielsweise um eine gewünschte Filterfunktion zu erreichen. Somit kann eine Trägerplatte je nach Bedarf ausgestaltet sein, indem die gewünschten Ausnehmungen und die gewünschte Anzahl hiervon mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden. Die Trägerplatte kann Ausnehmungen aufweisen, welche nicht mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt sind, beispielsweise um die Menge des Materials der Trägerplatte, welches sich in dem Hohlraum der Filteranordnung befindet, zu reduzieren oder gering zu halten.
Die Halbschalen bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material oder weisen ein solches Material oder eine Kombination von solchen Materialien wie beispielsweise Aluminium, Invar, Kupfer oder Messing auf. Die Halbschalen können beschichtet (beispielsweise mit Gold oder Silber) oder chromatiert sein.
Üblicherweise werden die Zähne eines Waffeleisenfilters umso kleiner, je höher die damit zu filternden Signalfrequenzen werden. Sind die zu verarbeitenden Signale im Bereich von einigen Gigahertz (GHz), z.B. im K-Band mit etwa 20 GHz oder darüber, so müssen die Zähne des Waffeleisenfilters sehr klein sein.
Die Filteranordnung und die Waffeleisenanordnung, welche gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien ausgestaltet sind, erlauben es, dass die in der Trägerplatte ausgestalteten Stifte bei sehr kleinen Maßen (bis hin zu einem Durchmesser oder einer Höhe der Stifte von einigen zehntel oder gar hundertstel Millimeter) mit hoher Genauigkeit gefertigt werden können, so dass die Waffeleisenanordnung auch bei hohen Frequenzen (beginnend bei 20 GHz bis hin zu 100 GHz oder darüber) verwendet werden kann. Die Trägerplatte verleiht den Zähnen darüber hinaus auch mechanische Stabilität, weil die Zähne als Stifte in den Ausnehmungen der Trägerplatte gehalten werden.
Die Form, die Position und die Anzahl der jeweiligen Stifte sind sozusagen ein Negativ der Trägerplatte mit ihren Ausnehmungen. Die Trägerplatte wird zunächst als Leiterplatte mit den entsprechenden Ausnehmungen versehen. Sodann wird das Material, aus dem die Stifte sind, in flüssigem Zustand in die Ausnehmungen gegossen, wo das Material aushärtet und wo es auch verbleibt. Die Trägerplatte mitsamt den Stiften bildet dann die Waffeleisenanordnung und wird in der Filteranordnung verwendet. Auf diese Weise kann eine Waffeleisenanordnung bereitgestellt werden, welche für sehr hohe Frequenzen (20 GHz oder höher) geeignet ist, weil die Stifte der Waffeleisenanordnung mit der geforderten (mitunter sehr geringen) Größe und den geforderten Ausmaßen gefertigt und verwendet werden können.
Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich die Ausnehmungen in der Trägerplatte über eine gesamte Plattendicke der Trägerplatte, wobei ein Stift die jeweilige Ausnehmung vollständig ausfüllt.
Die Ausnehmungen sind beispielsweise Bohrungen, welche sich zwischen zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatte erstrecken.
Bevorzugt schließen die Stifte mit den Oberflächen der Trägerplatte bündig ab, d.h. dass die Stifte nicht aus der Trägerplatte herausragen, die Ausnehmungen aber dennoch vollständig ausfüllen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthalten die Stifte in den Ausnehmungen ein elektrisch leitfähiges Epoxidharz.
Das Epoxidharz kann beispielsweise galvanisch verkupfert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform haben zumindest einige der Ausnehmungen, in welchen die Stifte angeordnet sind, einen kreisförmigen Querschnitt.
Entsprechend haben auch die Stifte einen kreisförmigen Querschnitt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Oberfläche der Trägerplatte, von welcher die Ausnehmungen sich in die Trägerplatte hinein erstrecken, eine Beschichtung auf, wobei die Beschichtung ein elektrisch leitfähiges Material aufweist.
Die Beschichtung bildet damit eine galvanische Verbindung zwischen den in den Ausnehmungen angeordneten Stiften, so dass die Stifte als Verbund die Filterfunktion implementieren. Alle Stifte sind galvanisch miteinander verbunden und üben gemäß ihrer Form, Position und Anordnung eine Filterfunktion auf hochfrequente Signale, welche durch den Hohlraum übertragen werden, aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Waffeleisenanordnung so mit dem Gehäuse verbunden, dass die Stifte in den Ausnehmungen galvanisch mit dem Gehäuse verbunden sind.
Aus signalübertragungstechnischer Sicht im Hochfrequenzbereich bilden die Stifte und das damit galvanisch verbundene Gehäuse oder die damit galvanisch verbundene Halbschale eine Einheit. Auf hochfrequente Signale, welche über den Hohlraum übertragen werden und gefiltert werden sollen, wirkt dieser Aufbau prinzipiell in gleicher Weise als wenn die Stifte in Form von Zähnen in eine Oberfläche der Halbschale gefräst sind.
Der Aufbau gemäß dieser Ausführungsform kann beispielsweise umgesetzt werden, indem diejenige Oberfläche der Trägerplatte, von welcher sich die Ausnehmungen mit den Stiften in die Trägerplatte hinein erstrecken, elektrisch leitfähig mit der ersten Halbschale oder dem Gehäuse verklebt ist. Bevorzugt befindet sich an dieser Oberfläche der Trägerplatte die oben genannte Beschichtung, so dass die Trägerplatte an der Fläche der Beschichtung mit der ersten Halbschale oder dem Gehäuse elektrisch leitfähig geklebt ist.
Die Stifte sind mittelbar oder unmittelbar galvanisch mit dem Gehäuse oder der ersten Halbschale verbunden. Ein Beispiel für eine mittelbare galvanische Verbindung ist die galvanische Verbindung durch Verklebung der Beschichtung mit dem Gehäuse oder der ersten Halbschale. Ein alternatives Beispiel für eine unmittelbare galvanische Verbindung wäre, dass die Stifte jeweils einzeln mit elektrisch leitfähigem Kleber mit dem Gehäuse oder der ersten Halbschale verklebt werden, beispielsweise indem auf jeden Stift eine vorbestimmte Menge Kleber angebracht und dann die Trägerplatte gegen eine Oberfläche des Hohlraumes in dem Gehäuse oder einer Oberfläche der ersten Halbschale gedrückt und damit verklebt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Waffeleisenanordnung mit dem Gehäuse mittels einer Klebeschicht aufweisend einen elektrisch leitfähigen Kleber verklebt.
Als Kleber kann beispielsweise ein Epoxid-Kleber oder ein bei Raumtemperatur vulkanisierender Silikon-Kleber verwendet werden.
Die Trägerplatte enthält ein für HF-Signale durchlässiges Material. Beispielsweise ist die Trägerplatte eine für HF-Signale durchlässige Leiterplatte.
Die Trägerplatte ist insbesondere aus hochwertigem und HF-tauglichem Leiterplattenmaterial gefertigt, wie beispielsweise aus verstärktem Teflon. Die Trägerplatte ist ein Dielektrikum, das sich durch geringe dielektrische Verluste auszeichnet und eine hohe Durchlässigkeit für HF-Signale hat. Solche hochwertigen Materialien haben geringe Verluste, damit haben sie weniger Umsetzung von HF-Energie in Wärme, und liegen mit ihren dielektrischen Eigenschaften im Idealfall sehr nahe an den dielektrischen Eigenschaften von Vakuum. Damit kann die Waffeleisenanordnung die an sie gestellte Filterfunktion für HF-Signale erfüllen, weil die HF-Signale das Material für HF-Signale ohne nennenswerten Einfluss auf die HF-Signale passiert und das Waffeleisen den ihm eigenen Einfluss auf die HF-Signale nehmen kann. Die Trägerplatte umgibt die Zähne der Waffeleisenanordnung und schützt das Waffeleisen an sich und die Stifte aus elektrisch leitfähigem Material vor äußeren mechanischen Belastungen, was insbesondere für Zähne eines Waffeleisenfilters mit sehr kleinen Ausmaßen für hohe Frequenzen vorteilhaft ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Filteranordnung weiterhin eine zweite Waffeleisenanordnung auf, welche mit dem Gehäuse verbunden ist. Die zweite Waffeleisenanordnung liegt der ersten Waffeleisenanordnung gegenüber und ist von der ersten Waffeleisenanordnung in einem vorgegebenen Abstand beabstandet.
Für die Ausgestaltung der zweiten Waffeleisenanordnung gilt dasselbe, was mit Bezug zu der (ersten) Waffeleisenanordnung weiter oben ausgeführt wurde. Die dortigen Erläuterungen gelten analog für die zweite Waffeleisenanordnung und werden an dieser Stelle nicht wiederholt. Ebenso gilt für die Verbindung zwischen der zweiten Waffeleisenanordnung und dem Gehäuse oder der zweiten Halbschale dasselbe, was mit Bezug zu der Verbindung zwischen der (ersten) Waffeleisenanordnung und dem Gehäuse oder der ersten Halbschale dargelegt wurde. Jedenfalls sind die beiden Waffeleisenanordnungen an einander gegenüberliegenden Flächen des Hohlraums des Gehäuses angebracht, was sowohl für ein einstückiges Gehäuse oder ein aus zwei (oder mehr) Halbschalen bestehendes Gehäuse gilt.
Der Verbund aus erster und zweiter Waffeleisenanordnung realisiert die Filterfunktion in dem Hohlraum zwischen den beiden Halbschalen, wobei sich zwischen dem Verbund der beiden Waffeleisenanordnungen und jeder der zwei gegenüberliegenden Stirnseiten der Filteranordnung jeweils ein Transformator-Abschnitt befindet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Stifte der Waffeleisenanordnung in Richtung der zweiten Waffeleisenanordnung.
Die Filteranordnung wie hierin beschrieben kann beispielsweise in Signalverarbeitungseinheiten oder Signalübertragungseinheiten in Kommunikationseinrichtungen verwendet werden, beispielsweise in Kommunikationssatelliten oder anderen Komponenten von Signalübertragungsstrecken.
Der hier beschriebene Aufbau der Filteranordnung ermöglicht einen hohen Grad der Miniaturisierung von Waffeleisenfiltern und damit die Verwendung für sehr hohe Frequenzen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Teils eines Waffeleisenfilters.
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Halbschale einer Filteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 3: eine schematische Darstellung des Hohlraums und zweier Waffeleisenanordnungen einer Filteranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 4: eine schematische Darstellung zweier Waffeleisenanordnungen einer Filteranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 5: eine schematische Darstellung zweier Halbschalen einer Filteranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 6: eine schematische Darstellung der Stifte und der Beschichtung einer Waffeleisenanordnung für eine Filteranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 7: eine schematische Darstellung einer Halbschale mit Klebeschicht und Waffeleisenanordnung für eine Filteranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt schematisch die typische Struktur einer Halbschale 20 einer Filteranordnung 10 in Waffeleisen-Struktur. Üblicherweise besteht eine Filteranordnung aus zwei solchen Halbschalen 20, die an der dem Betrachter zugewandten Fläche miteinander verbunden werden, so dass zwischen den Halbschalen ein Hohlraum (oder zwei solche Hohlräume 18, wie in Fig. 1 gezeigt, die sich von unten nach oben erstrecken) und eine Waffeleisenstruktur ausgebildet wird.
Die Halbschale 20 weist einen ersten Anschluss 11 (die Stirnseite oben in der Darstellung) und einen zweiten Anschluss 12 (die Stirnseite unten in der Darstellung) auf. An diese Anschlüsse 11, 12 wird ein externer Hohlleiter angeschlossen, der aber in Fig. 1 nicht gezeigt ist. Die Anschlüsse 11, 12 weisen jeweils einen Flansch 13 auf, an welchen jeweils ein Hohlleiter angeschlossen werden kann.
Ausgehend von dem ersten Anschluss 11 und dem zweiten Anschluss 12 erstreckt sich ein Hohlraum (oder auch zwei Hohlräume) in Richtung des Waffel-Abschnitts 15, wobei der Hohlraum 18 auf beiden Seiten des Waffel-Abschnitts 15 einen Transformator-Abschnitt 14 bildet. Der Waffel-Abschnitt 15 weist eine Vielzahl von Zähnen 16 auf. Die Ausmaße der Zähne 16 nehmen ab, je höher die Frequenz der zu verarbeitenden Signale ist. In dem Beispiel der Fig. 1 sind die Zähne und die gesamte Struktur der Halbschale in einen metallischen Block gefräst. Mit abnehmender Größe der Zähne 16 werden jedoch an die Fertigung der Zahnstruktur in dem Waffel-Abschnitt 15 höhere Anforderungen gestellt, weil die Zähne bei sehr hohen Frequenzen Querschnitte von einigen zehntel oder hundertstel Quadratmillimeter haben können.
Entlang der Halbschale 20 sind mehrere Ausnehmungen 17 angeordnet, welche das Zusammensetzen der zwei Halbschalen ermöglichen, beispielsweise indem in diese Ausnehmungen 17 Schrauben eingeführt und befestigt werden.
Der Transformator-Abschnitt 14 hat einen Querschnitt, der sich ausgehend von den Stirnseiten hin zu dem Waffel-Abschnitt 15 verjüngt.
Im Lichte dieser allgemeinen Beschreibung einer Waffeleisen-Filterstruktur der Fig. 1 werden nun mit Bezug zu den Fig. 2 bis 7 alternative Strukturen einer Filteranordnung beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbschale 20. An den Stirnseiten links und rechts sind jeweils zwei Befestigungen 19 angeordnet, um einen externen Hohlleiter (nicht gezeigt) mit der Filteranordnung zu verbinden. Bei den Befestigungen handelt es sich in diesem Beispiel um Bohrungen mit Innengewinde. Es ist jedoch selbstverständlich möglich, andere Befestigungsarten zu wählen, beispielsweise Klemmverbindungen oder andere geeignete Verbindungsarten.
Mittig in der Halbschale von links nach rechts verlaufend ausgehend von dem ersten Anschluss 11 und hin zu dem zweiten Anschluss 12 erstreckt sich der Hohlraum 18, der zunächst einen Transformator-Abschnitt 14 bildet, wobei dieser Transformator-Abschnitt in den Waffel-Abschnitt 15 mündet, an den sich erneut ein Transformator-Abschnitt anschließt.
Die Transformator-Abschnitte 14 sind so ausgestaltet, dass sich ihr Querschnitt von der jeweiligen Stirnfläche zu dem Waffel-Abschnitt 15 reduziert. Dies wird vorliegend erreicht, indem die Tiefe des Hohlraums abnimmt, je näher man dem Waffel-Abschnitt 15 kommt. In dem Beispiel der Fig. 2 sind hierzu mehrere Stufen angeordnet, deren Höhe zunimmt, je näher sie an dem Waffel-Abschnitt 15 angeordnet sind. Diese Änderung des Querschnitts filtert bereits einige Signalanteile des Signals heraus.
In dem Waffel-Abschnitt 15 ist eine Waffeleisenanordnung 100 angeordnet und mit der Halbschale elektrisch leitend verbunden, und zwar an der Unterseite der Waffeleisenanordnung 100.
Fig. 3 zeigt eine detaillierte Darstellung des Hohlraums 18 (hier als Negativ dargestellt ohne die umgebenden Halbschalen) sowie zweier Waffeleisenanordnungen 100, 200. Die beidseitig der Waffeleisenanordnungen 100, 200 liegenden Hohlräume 18 zeigen einen sich verjüngenden Querschnitt ausgehend von dem ersten Anschluss 11 bzw. dem zweiten Anschluss 12 in Richtung der Waffeleisenanordnungen 100, 200. Die Transformatorabschnitte 14 des Hohlraums 18 können hinsichtlich ihrer Ausmaße und Form gleich ausgestaltet sein.
Zwischen den Transformator-Abschnitten 14 ist der Waffel-Abschnitt 15 mit zwei Waffeleisenanordnungen 100, 200 angeordnet. Die Waffeleisenanordnungen sind jeweils mit einer Halbschale elektrisch leitend verbunden und sind voneinander beabstandet.
Fig. 4 zeigt eine detaillierte Darstellung der beiden Waffeleisenanordnungen 100, 200 aus Fig. 3. Jede Waffeleisenanordnung 100, 200 weist eine Trägerplatte 102, 202 mit einer entsprechenden Plattendicke 120, 220 auf. Es ist zu erkennen, dass die zwei Waffeleisenanordnungen 100, 200 sich nicht berühren, sondern in einem vorgegebenen Abstand zueinander stehen, so dass sich der Hohlraum 18 dazwischen erstreckt. Vorliegend wird die erste Waffeleisenanordnung 100 beschrieben, wobei die zweite Waffeleisenanordnung ähnlich aufgebaut ist.
Die Waffelanordnung 100 weist eine Trägerplatte 102 auf, welche beispielsweise eine Leiterplatte (printed circuit board, PCB) sein kann. Die Trägerplatte kann Seitenlängen von ein paar Millimetern haben. In der Trägerplatte 102 sind mehrere Ausnehmungen 115 angeordnet, welche sich über die gesamte Plattendicke 120 von einer Oberfläche 105 bis zu der gegenüberliegenden Oberfläche an dem Hohlraum 18 erstrecken. In die Ausnehmungen 115 wird ein elektrisch leitfähiges Material eingesetzt, um die Zähne des Waffeleisenfilters zu bilden.
Die Oberfläche 105 der Trägerplatte 102 ist die Fläche, welche an der Halbschale befestigt wird. Die Oberfläche 105 ist in diesem Beispiel metallisch beschichtet, wobei die Beschichtung 110 als Schraffur dargestellt ist, damit die Struktur der Trägerplatte 102 mit den Ausnehmungen 115 erkennbar ist. Die Beschichtung 110 stellt also eine metallische Ebene auf der Oberfläche 105 der Trägerplatte 102 dar. Die Beschichtung 110 ist galvanisch mit den Zähnen in den Ausnehmungen 115 verbunden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl und die Anordnung der Ausnehmungen in der Darstellung der Fig. 4 lediglich beispielhaft gewählt ist. Sowohl die Anzahl als auch die Anordnung der Ausnehmungen ist in Abhängigkeit der geforderten Filtereigenschaften der Filteranordnung frei wählbar.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der ersten Halbschale 20 und der zweiten Halbschale 25 in einem nicht montierten Zustand der Filteranordnung. Mittig in der ersten Halbschale 20 ist die erste Waffeleisenanordnung 100 und mittig in der zweiten Halbschale 25 ist die zweite Waffeleisenanordnung 200 angeordnet, so dass sich die beiden Waffeleisenanordnungen gegenüberliegen, wenn die zweite Halbschale 25 mit der ersten Halbschale 20 montiert wird. Der Hohlraum 18 erstreckt sich entlang der Halbschalen 20, 25 in Längsrichtung 40.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der metallischen Beschichtung 100 sowie der Stifte 112 der Waffeleisenanordnung 100. Hierbei handelt es sich um das Negativ der Trägerplatte 102, wobei in Fig. 6 aus Veranschaulichungs- und Vereinfachungsgründen lediglich vier Stifte 112 gezeigt sind. Die Beschichtung 110 bildet ein durchgängiges flächiges Element entlang der Oberfläche 105. An die Beschichtung schließen sich die Stifte 112 an und erstrecken sich senkrecht darauf. Dementsprechend erstrecken sich auch die Ausnehmungen 115 senkrecht zu der Oberfläche 105.
Fig. 7 zeigt schematisch die Verbindung zwischen Halbschale 20, Klebeschicht 30 und Waffeleisenanordnung 100. Auf die Darstellung der übrigen Struktur der Halbschale wurde hier verzichtet. Jedenfalls ist die Waffeleisenanordnung 100 mit einer Klebeschicht 30 an der Halbschale 20 elektrisch leitfähig verklebt, nämlich an der Stelle, welche in Fig. 2 den Waffel-Abschnitt 15 bildet.
Die Filteranordnung 10 wie hierin beschrieben ermöglicht die Verwendung der Waffeleisen-Filterstruktur für hohe Frequenzen bei 20 GHz und höher.
Waffeleisen-Filter, welche als Tiefpass verwenden werden, haben vorteilhafte Eigenschaften, weil sie eine sehr hohe Wiederkehrfrequenz haben, bei der sie für hochfrequente Signale wieder durchlässig werden. Nachteilig für herkömmliche Waffeleisen-Filter wie in Fig. 1 gezeigt ist jedoch, dass sie für hohe Frequenzen kaum hergestellt werden können, weil die Zahnstruktur nicht in den geforderten Geometrien für hohe Frequenzen hergestellt werden kann. Mit dem hier beschriebenen Aufbau ist es jedoch einfach, ein Waffeleisen-Filter auch für Frequenzen im HF-Bereich anzubieten, weil dieser Aufbau eine besonders genaue und miniaturisierte Gestalt der Waffeleisenanordnung ermöglicht.

Bezugszeichenliste

10: Filteranordnung, Waffeleisen-Filter
11: erster Anschluss
12: zweiter Anschluss
13: Flansch
14: Transformator-Abschnitt
15: Waffel-Abschnitt
16: Zahn
17: Ausnehmung
18: Hohlraum
19: Befestigung
20: erste Halbschale
25: zweite Halbschale
30: Klebeschicht
40: Längsrichtung
100: Waffeleisenanordnung
102: Trägerplatte
105: Oberfläche
110: Beschichtung
112: Stift
115: Ausnehmung
120: Plattendicke
200: Waffeleisenanordnung
202: Trägerplatte
220: Plattendicke

Claims

Filteranordnung (10) für Hochfrequenz-Signale, HF-Signale, aufweisend:
ein Gehäuse (20, 25), in dem sich ein Hohlraum (18) befindet, der sich in Längsrichtung (40) des Gehäuses (20, 25) erstreckt;

eine Waffeleisenanordnung (100), welche in dem Hohlraum (18) angeordnet ist;

wobei die Waffeleisenanordnung (100) aufweist:
eine Trägerplatte (102) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (115);

wobei in zumindest einigen der Ausnehmungen (115) ein elektrisch leitfähiges Material angeordnet ist, wobei das elektrisch leitfähige Material jeweils einen Stift (112) in den zumindest einigen Ausnehmungen (115) formt;

wobei der Hohlraum (18) des Gehäuses (20, 25) zwei Transformator-Abschnitte (14) und einen Waffel-Abschnitt (15) enthält, wobei der Waffel-Abschnitt (15) zwischen den zwei Transformator-Abschnitten (14) angeordnet ist;

wobei die Trägerplatte (102) in dem Waffel-Abschnitt (15) angeordnet ist;

wobei die Trägerplatte (102) ein für HF-Signale durchlässiges Material enthält.
Filteranordnung (10) nach Anspruch 1,
wobei sich die Ausnehmungen (115) in der Trägerplatte (102) über eine gesamte Plattendicke (120) der Trägerplatte (102) erstrecken;

wobei ein Stift (112) die jeweilige Ausnehmung (115) vollständig ausfüllt.
Filteranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Stifte (112) in den Ausnehmungen (115) ein elektrisch leitfähiges Epoxidharz enthalten.
Filteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei zumindest einige der Ausnehmungen (115), in welchen die Stifte (112) angeordnet sind, einen kreisförmigen Querschnitt haben.
Filteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei eine Oberfläche (105) der Trägerplatte (102), von welcher die Ausnehmungen (115) sich in die Trägerplatte hinein erstrecken, eine Beschichtung (110) aufweist;

wobei die Beschichtung (110) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist.
Filteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Waffeleisenanordnung (100) so mit dem Gehäuse verbunden ist, dass die Stifte (112) in den Ausnehmungen (115) galvanisch mit dem Gehäuse verbunden sind.
Filteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Waffeleisenanordnung (100) mit dem Gehäuse mittels einer Klebeschicht (30) aufweisend einen elektrisch leitfähigen Kleber verklebt ist.
Filteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Trägerplatte eine für HF-Signale durchlässige Leiterplatte ist.
Filteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
weiterhin aufweisend eine zweite Waffeleisenanordnung (200), welche mit dem Gehäuse verbunden ist;

wobei die zweite Waffeleisenanordnung (200) der ersten Waffeleisenanordnung (100) gegenüberliegt und von der ersten Waffeleisenanordnung (100) in einem vorgegebenen Abstand beabstandet ist.
Filteranordnung (10) nach Anspruch 9,
wobei sich die Stifte (112) der Waffeleisenanordnung (100) in Richtung der zweiten Waffeleisenanordnung (200) erstrecken.
Filteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das Gehäuse ein integrales Gehäuse ist oder aus zwei Halbschalen (20, 25) besteht.