FI102430B

FI102430B - Impedanssiaskelresonaattoreilla toteutettu suodatusratkaisu

Info

Publication number: FI102430B
Application number: FI963578A
Authority: FI
Inventors: Jukka Loukkola
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 1998-11-30
Also published as: US6011452A; FI963578A0; FI963578A; EP0829914B1; FI102430B1; DE69711524D1; EP0829914A3; DK0829914T3; DE69711524T2; EP0829914A2

Description

102430

Impedanssiaskelresonaattoreilla toteutettu suodatusratkaisu - Filtreringsanordning med impedansstegresonatorer 5 Keksintö koskee radiotaajuussuodattimia, joilla on rakenteellisista seikoista johtuen useita samanaikaisia toimintataajuuksia.

Siirtojohtoresonaattoreihin perustuvat suodattimet ovat nykyaikaisten radiolaitteiden peruskomponentteja. Taajuusvasteen mukaan tarkasteltuna tavallisimpia suodatin-10 tyyppejä ovat kaistanesto- ja kaistanpäästösuodattimet, joita käytetään vaimentamaan korketaajuista signaalia halutulla taajuusaleella (kaistanesto) tai tietyn taajuusalueen ulkopuolella (kaistanpäästö). Lisäksi käytetään alipäästö- ja ylipäästö-suodattimia. Siirtojohtoresonaattorit, joiden resonanssitaajuuden valintaan ja muuttamiseen suodattimen taajuusvaste perustuu, ovat yleisimmin lieriökelajohtimia eli 15 heliksejä, dielektriseen väliaineeseen muodostettuja metalloituja uria tai reikiä, ko-aksiaalisia ulko/sisäjohdinpareja tai levymäiselle substraatille muodostettuja liuska-johtimia. Resonaattorien määrä suodattimissa on yleensä kahdesta noin kahdeksaan. Suodatin kytkeytyy muuhun radiolaitteeseen tulo-, lähtö-ja ohjaussignaaliporttien kautta.

20

Matka-ja johdottomat puhelimet ovat tärkein kannettavan radiotekniikan soveltamisala. Eri puolilla maailmaa on käytössä solukkopuhelinjärjestelmiä, joiden toi-mintataajuusalueet poikkeavat merkittävästi toisistaan. Digitaalisista solukkopuhe-linjärjestelmistä GSM-järjestelmän (Global System for Mobile telecommunications) • 25 toimintataajuudet ovat 890-960 MHz, JDC:n (Japanese Digital Cellular) 800 ja 1500 MHz:n alueilla, PCN:n (Personal Communication Network) 1710-1880 MHz ja PCS:n (Personal Communication System) 1850-1990 MHz. Amerikkalaisen AMPS-matkapuhelinjärjestelmän toimintataajuudet ovat 824-894 MHz ja eurooppalaisen johdottoman DECT-puhelinjärjestelmän (Digital European Cordless Telephone) toi-30 mintataajuudet ovat 1880-1900 MHz.

Ihmisten liikkuvuuden ja ihmisten välisen kommunikaation kasvaessa tarvitaan yleispuhelimia, jotka toimivat useissa eri verkoissa aina sen mukaan, mikä verkko on saatavilla ja/tai mikä verkko tarjoaa käyttäjälle edullisimmat palvelut. Kaksitoi-35 misessa (dual mode) radiotietoliikenteessä pareina voivat toimia esim. GSM ja DECT (Digital European Cordless Telephone), GSM ja PCN (Personal Communication Network) tai muut järjestelmät. Kaksitoimisuuteen on varauduttu myös siirryttäessä tulevaisuuden ns. kolmannen sukupolven solukkojärjestelmien (UMTS / 2 102430 FLPMTS; Universal Mobile Telecommunication System / Future Public Land Mobile Telecommunication System) käyttöön.

Kahdella taajuudella toimivassa radiolaitteessa suodatusratkaisu voidaan sunnitella 5 kahdella tavalla. Ensimmäisen vaihtoehdon mukaan suodattimien on täytettävä samat vaatimukset molemmilla taajuuksilla. Kaistanpäästösuodattimella on tällöin oltava päästökaista molempien järjestelmien toimintataajuuksilla, kaistanestosuodat-timella on oltava vastaavasti osuvat estokaistat ja niin edelleen. Toisen vaihtoehdon mukaan eritaajuiset radiosignaalit johdetaan eri reittejä pitkin, jolloin laitteessa on 10 kutakin suodatustehtävää varten kaksi rinnakkaista suodatinta. Ensimmäinen vaihtoehto on edullisempi laitteissa, joissa fyysisen koon minimointi on tärkeää.

Yhteisten suodattimien suunnittelussa ongelmaksi on muodostunut siirtojohtoreso-naattorien resonanssitaajuuksien valinta. Edellä luetellut esimerkit järjestelmien toi-15 mintataajuuksista osoittavat, että jos ensimmäisen jäijestelmän (toimintataajuudel taan alemman järjestelmän) toimintataajuus on fO, dual-mode-puhelimeen halutun toisen järjestelmän taajuus sijaitsee tyypillisesti alueella 1.5*fD - 2.5*fD. Vakio-impedanssisella λ/4-siirtojohtoresonaattorilla, jonka perusresonanssitaajuus on fO, on parittomia harmonisia resonanssitaajuuksia (fsl, fs2,...) perusresonanssitaajuu-20 den parittomilla monikerroilla. Kuvassa 1 on esitetty vakioimpedanssisilla λ/4-siir-tojohtoresonaattoreilla Raja Rb toteutettu 2-piirinen kaistanpäästösuodatin. Suodat-timelle tyypillinen taajuusvaste esitetään kuvassa 2. Suodattimen ensimmäinen päästökaista esiintyy taajuudella fD ja seuraava, resonaattoreiden ensimmäisen parittoman harmonisen resonanssitaajuuden fsl määräämä päästökaista esiintyy taajuudel-25 la 3*fö. Harmonistaajuus on liian suuri, jotta sitä voitaisiin käyttää hyväksi dual band / dual mode suodatukseen.

Tämän keksinnön tarkoituksena on esittää suodatusratkaisu, jonka mukaisesti kahdella toimintataajuudella toimivan radiolaitteen suodatusosissa voidaan käyttää ai-30 nakin osittain yhteisiä resonaattoreita.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan käyttämällä radiolaitteen suodattimissa impedans-siaskelresonaattoreita, joiden mitoitus valitaan siten, että ne toimivat halutuilla taajuuksilla.

35

Keksinnön mukaiselle suodatusratkaisulle on tunnusomaista, että sen impedanssias-.. . kelresonaattorien perusresonanssitaajuus on kahden taajuusalueen radiojärjestelmän 3 102430 ensimmäisellä taajuusalueella ja tietty harmoninen resonanssitaajuus on radiojärjestelmän toisella taajuusalueella.

Keksintö perustuu oivallukseen, jonka mukaan siirtojohtoresonaattorin harmonista 5 resonanssitaajuutta voidaan siirtää edellä mainitusta suurehkosta arvosta alaspäin halutulle toiselle toimintataajuusalueelle tietyllä ns. impedanssiaskelrakenteella. Ajatus resonaattorin impedanssin muuttamisesta sen pituusakselin suunnassa on sinänsä tunnettu, mutta tästä seuraavaa resonanssitaajuuden siirtymistä on pidetty vain keinona vaimentaa harmonisia taajuuksia tai vaikuttaa resonaattorien väliseen säh-10 kömagneettiseen kytkentään yhdelle taajuusalueelle tarkoitetun radiolaitteen suo-dattimissa. Esillä olevassa keksinnössä impedanssiaskelresonaattorin tai -resonaattorien mitoitus siirtää valittua harmonista resonanssitaajuutta niin, että resonaattorin tai resonaattorien perustaajuus tuottaa resonaattoreista koostuvalle suodattimelle halutun taajuusvasteen ensimmäisellä toimintataajuusalueella ja harmoninen taajuus 15 tuottaa suodattimelle vastaavan taajuusvasteen toisella toimintataajuusalueella.

Seuraavassa selostetaan keksintöä yksityiskohtaisemmin viitaten esimerkkinä esitettyihin edullisiin suoritusmuotoihin ja oheisiin kuviin, joissa 20 kuva 1 esittää tunnettua kaistanpäästösuodatinta, kuva 2 esittää kuvan 1 mukaisen suodattimen taajuusvastetta, kuva 3 esittää sinänsä tunnettua impedanssiaskelresonaattoria, 25 kuva 4 esittää kaavamaisesti erästä impedanssiaskelresonaattorin rakennetta, kuva 5 esittää erästä keksinnön mukaista kaistanpäästösuodatinta, 30 kuva 6 esittää kuvan 5 mukaisen suodattimen taajuusvastetta, kuva 7 esittää erästä keksinnön mukaista kaistanestosuodatinta, kuva 8 esittää kuvan 7 mukaisen suodattimen taajuusvastetta, 35 kuva 9 esittää erästä keksinnön mukaista dual-mode-suodatinta, 102430 4 kuva 10 esittää kuvan 9 mukaisen suodattimen läpäisyvaimennusta porttien 1 ja 2 välillä ja kuva 11 esittää kuvan 9 mukaisen suodattimen läpäisyvaimennusta porttien 1 ja 3 5 välillä.

Kuvat 1 - 3 liittyvät tekniikan tason selostukseen ja kuvat 4-11 liittyvät keksinnön selostukseen. Kuvissa käytetään toisiaan vastaavista osista samoja viitenumerolta.

10 Vakioimpedanssisten λ/4-siirtojohtoresonaattorien ohella tietyissä matkapuhelinso- velluksiin tarkoitetuissa suodattimissa käytetään impedanssiaskelresonaattoria, jonka periaatteellinen rakenne on esitetty kuvassa 3. Kuvan esittämä λ/4-resonaattori koostuu kahdesta peräkkäisestä siirtojohdosta TL1 ja TL2 ja sen avoimen ja oikosul-jetun pään impedanssit ovat keskenään erisuuret. Impedanssiaskelresonaattorien 15 käyttö tähtää tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa resonaattorirakenteen fyysisen pituuden lyhentämiseen ja/tai suodattimen harmonisvaimennusominaisuuksien parantamiseen. US-patentti 4 506 241 esittää, miten ensimmäistä paritonta harmonista resonanssitaajuutta (fsl) voidaan siirtää kauemmas ylöspäin taajuudelta 3*fÖ siten, että taajuusalueella fO sijaitsevan järjestelmän suodattimen harmonisvaimennusvaa-20 timukset saadaan toteutettua. Rakennetta käytetään tunnetusti myös suodattimessa, jossa yksi dielektrinen lohko käsittää useita resonaattoreita. US-patentissa 4 733 208 on esitetty impedanssiaskelrakenteen soveltamista tällaisten resonaattoreiden välisen sähkömagneettisen kytkennän säätöön.

25 Keksinnön mukaisessa ratkaisussa impedanssiaskelresonaattori mitoitetaan siten, että sen perusresonanssitaajuus, jota seuraavassa merkitään fO:lla, esiintyy dual band- tai dual mode -laitteen alemmalla toimintataajuudella ja pariton harmonis-resonanssitaajuus (fsl) esiintyy laitteen ylemmällä toimintataajuudella. Tällöin samaa resonaattoria voidaan käyttää hyväksi molempien järjestelmien vaatimassa suo-30 datuksessa.

Kuvassa 4 on esitetty halkileikkauksena eräs impedanssiaskelresonaattorin sinänsä tunnettu toteutus. Dielektrinen runkolohko 1 rajoittuu kahteen yhdensuuntaiseen päätypintaan 3 ja 4, joita nimitetään vakiintuneen käytännön mukaisesti yläpinnaksi 35 (3) ja alapinnaksi (4) ilman mitään rajoitusta rakenteen käyttöasennolle. Lisäksi lohko rajoittuu sivupintoihin 2, jotka ovat kohtisuorassa päätypintoja vastaan ja useimmiten pareittain yhdensuuntaisia, jolloin lohko 1 on suorakulmaisen särmiön muotoinen. Resonaattoria varten lohkossa on lieriömäinen reikä, jonka ensimmäinen 5 102430 osuus 5 on halkaisijaltaan suurempi kuin toinen osuus 6. Osuuden 5 pituutta merkitään Li lliä ja osuuden 6 pituutta L2:lla.

Lohkon pinnoista ainakin yksi sivupinta 2, reikien 5, 6 sisäpinnat sekä ainakin osa 5 alapintaa 4 on pinnoitettu sähköä johtavalla materiaalilla. Yläpinnalle 3 aukeava resonaattorireikä 6 on irti pinnoituksesta, joko siten, että yläpinta 3 on kokonaan pinnoittamaton tai reiän ympärille on tehty sähköä johtamaton alue. On myös mahdollista muodostaa resonaattorireikä siten, että se ei aukea yläpinnalle lainkaan, vaan resonaattorireikä on umpinainen yläpinnan 3 puolelta. Alapinnalle 4 on pinnoi-10 tus tehty siten, että se on yhteydessä resonaattorireiän pinnoitukseen ja tätä kautta sivupinnan pinnoitukseen, jolloin muodostuu resonaattorin oikosuljettu pää. Kuvan 4 sovelluksessa impedanssiaskel on muodostettu tekemällä resonaattorireikään porras siten, että suodattimen yläpintaan 3 aukeavan reiän halkaisija on pienempi kuin alapintaan 4 aukeavan reiän halkaisija. Näin eri halkaisijaisilla rei'illä on eri suurui-15 set impedanssit. Tässä tapauksessa oikosuljettuun päähän avautuvan reiän 5 impedanssi on pienempi kuin avoimeen päähän avutuvan reiän 6 impedanssi. Resonaattorin fyysinen pituus kuvan vaakasuorassa suunnassa on hieman suurempi kuin va-kioimpedanssisen siirtojohtoresonaattorin.

20 Keksintö ei rajoitu edellä esitetyn kaltaiseen dielektriseen resonaattoriratkaisuun, vaan sitä voidaan soveltaa useilla eri tavoilla. Impedanssiaskelresonaattorit voivat olla myös esimerkiksi liuskajohtoresonaattoreita. Dielektrisessä resonaattorissa im-pedanssiaskeleen ei tarvitse välttämättä johtua sisäjohtimen porrastuksesta, vaan askel voi olla myös runkolohkon metalloidulla ulkopinnalla.

25

Resonaattorin mitoituksessa voidaan käyttää lähteessä "A design method of bandpass filters using dielectric-filled coaxial resonators. IEEE TMTT No.2 Feb 1985" esitettyä matematiikkaa. Valitaan esimerkiksi toteuttavaksi resonaattori, jota voidaan käyttää GSM-järjestelmän ja DCS1800-järjestelmän vastaanottohaarojen suodatuk-30 siin käytettäväksi. Perusresonanssitaajuuden PO on tällöin oltava noin 950 MHz ja fsl:n oltava noin 2*fÖ. Mitoituksen yksinkertaistamiseksi resonaattorin ylä-ja alaosan fyysiset pituudet valitaan yhtäpitkiksi (L1=L2). Mainitun tieteellisen julkaisun perusteella fsl määräytyy f0:n ja K:n funktiona kaavasta 35 fsl = (^-'>f0 · (,) 6 102430 missä K tarkoittaa impedanssin Z2 suhdetta impedanssiin Z1. K saadaan ratkaistua kirjoittamalla kaava (1) muotoon K = ““"[** (f0 +°fsI)] (2) 5

Huomioimalla, että fsl=2*fÖ, saadaan K:n arvoksi 3. Esimerkin tapauksessa siis Z2/Z1=K=3, eli siirtojohdon yläpään impedanssi Z2=3*Z1.

Seuraavaksi mitoitetaan resonaattorin ala-ja yläosan fyysiset pituudet (L1=L2).

10 LI = L2 = tan 1 Vk / β (3) missä β=2*π*—ja

O

c on valon nopeus tyhjössä 15 εΓ on siirtojohdon eristemateriaalin suhteellinen permittiivisyys.

K:n arvoksi on edellä saatu 3 ja εΓ on käytettävästä materiaalista riippuva vakio, joten kaava (3) antaa resonaattorin osien 5 ja 6 pituuden, joka riippuu vain taajuudesta fO. On huomattava, että samat kaavat pätevät mille tahansa taajuuksien fO ja fsl kes-20 kinäiselle suhteelle. Sijoittamalla kaavaan (2) halutut taajuusarvot saadaan K:n arvo, joka edelleen yhdessä taajuuden fO kanssa määrää resonaattorien osien pituuden kaavan (3) mukaisesti

Kuva 5 esittää kytkentäkaaviona kaistanpäästösuodatinta, jonka impedanssiaskel-25 resonaattorien Raja Rb osien impedanssit on valittu siten, että Z2 = 3*Z1. Kuva 6 esittää tällaisen suodattimen simuloitua taajuusvastetta. Kuviosta nähdään, että suodattimena on kaksi selvää päästökaistaa, joista ensimmäinen on taajuudella fO ja toinen on kaksi kertaa suuremmalla taajuudella.

30 Kuva 7 esittää kytkentäkaaviona kaistanestosuodatinta, jonka impedanssiaskelreso-naattorien Ra ja Rb osien impedanssit on jälleen valittu siten, että Z2 = 3 *Z 1. Kuva 8 esittää tällaisen suodattimen simuloitua taajuusvastetta. Kuviosta nähdään, että suodattimella on kaksi selvää estokaistaa, joista ensimmäinen on taajuudella fO ja toinen on kaksi kertaa suuremmalla taajuudella.

35 7 102430

Kuvien 5 ja 7 esittämiin suodattimiin on helppo järjestää omat portit ylemmän ja alemman taajuusalueen järjestelmille. Lisäksi eri järjestelmien spesifikaatiot, jotka asettavat minimivaatimuksia tiettyjen taajuusalueiden vaimennukselle, voivat edellyttää porttien yhteyteen lisäsuodatusta. Kuva 9 esittää keksinnön kehittyneen suori-5 tusmuodon mukaista suodatinta, jossa perusosana on kuvan 5 mukainen suodatin. Kuvassa 5 tuloporttina esitetty portti (in) on kuvan 9 suodattimessa antenniportti (port 1). Kuvan 5 mukaisesta lähtöportista (out) signaalitie haarautuu alemman taajuusalueen haaraksi (port 2) ja ylemmän taajuusalueen haaraksi (port 3). Alemman taajuusalueen haarassa (port 2) on sinänsä tunnettu rinnankytkettyjen induktiivisen 10 ja kapasitiivisen elementin muodostama LC-piiri LC1, joka vaimentaa taajuudella 2*fD eteneviä signaaleja. Ylemmän taajuusalueen haarassa (port 3) on sinänsä tunnetun rakenteen mukainen LC-ylipäästöketju LC2, jotta vaimennus tässä haarassa taajuudella fO olisi riittävä ja jotta porttien 2 ja 3 välillä olisi tarvittava isolaatio.

15 Kuva 10 esittää kuvan 9 mukaisen suodattimen simuloitua läpäisyvaimennusta portin 1 ja 2 välillä ja kuva 11 esittää saman suodattimen simuloitua läpäisyvaimennusta portin 1 portin 3 välillä. Kuvan 10 mukaisesti suodattimella on porttien 1 ja 2 välillä päästökaista taajuudella fö ja kapea estokaista kaksi kertaa suuremmalla taajuudella. Kapean estokaistan molemmin puolin vaimennus on vähintään -25 dB. Ku-20 van 11 mukaisesti suodattimella on porttien 1 ja 3 välillä päästökaista suuremmalla toimintataajuudella ja vähintään -28 dB:n vaimennus taajuudella fO.

Vaikka impedanssiaskelresonaattori on yleensä pituusakselinsa suunnassa pitempi kuin sen kumpaakaan toimintataajuutta vastaava yhden taajuuden vakioimpedanssi-25 resonaattori, keksinnön mukainen ratkaisu säästää tilaa radiolaitteessa, koska yksi resonaattori korvaa kaksi erillistä resonaattoria. Jos kokonainen suodatin voidaan toteuttaa yksillä resonaattoreilla kahden rinnakkaisen resonaattoriryhmän asemesta, tilansäästö on hyvin merkittävä.

Claims

8 102430

1. Radiotaajuussuodatin sekä ensimmäisellä taajuusalueella että toisella taajuusalueella toimivaa radiolaitetta varten, jossa radiotaajuussuodattimessa on ainakin yksi siirtojohtoresonaattori (Ra, Rb), joka käsittää ensimmäisen osuuden (L2) ja toi- 5 sen osuuden (LI), joista mainitun ensimmäisen osuuden impedanssi on erisuuri kuin mainitun toisen osuuden impedanssi, jolloin mainitulla siirtojohtoresonaattorilla on perusresonanssitaajuus (fö) ja tietty harmoninen resonanssitaajuus (fsl), tunnettu siitä, että mainittu perusresonanssitaajuus on mainitulla ensimmäisellä taajuusalueella ja mainittu harmoninen resonanssitaajuus on mainitulla toisella taajuusalueella. 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, jossa lisäksi mainittu siirtojohtoresonaattori käsittää avoimen pään ja oikosuljetun pään, jolloin mainittu ensimmäinen osuus rajoittuu mainittuun avoimeen päähän ja mainittu toinen osuus rajoittuu mainittuun oikosuljettuun päähän, tunnettu siitä, että mainitun ensimmäi- 15 sen osuuden impedanssi (Z2) on suurempi kuin mainitun toisen osuuden impedanssi (Zl).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että se käsittää dielektrisen runkolohkon (1), jonka pinta (2) on ainakin osittain päällystetty 20 sähköä johtavalla materiaalilla ja joka rajoittuu ainakin ensimmäiseen päätypintaan (3) ja sen kanssa yhdensuuntaiseen toiseen päätypintaan (4), jolloin mainittu siirtojohtoresonaattori on mainitulta ensimmäiseltä päätypinnalta mainitulle toiselle pää-typinnalle ulottuva reikä, jonka sisäpinta on päällystetty sähköä johtavalla materiaalilla, joka on mainitun toisen päätypinnan (4) kautta sähköä johtavassa yhteydessä 25 mainitun runkolohkon sähköä johtavaan päällysteeseen.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainittu reikä käsittää mainittuun ensimmäiseen päätypintaan rajoittuvan ensimmäisen reikäosuuden (6) ja senja mainitun toisen päätypinnan välillä toisen reikäosuuden 30 (5), joista mainitun ensimmäisen reikäosuuden halkaisija on pienempi kuin mainitun toisen reikäosuuden halkaisija.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainittu runkolohko käsittää mainittuun ensimmäiseen päätypintaan rajoittuvan en- 3. simmäisen lohko-osuuden ja sen ja mainitun toisen päätypinnan välillä toisen lohko-osuuden, joista mainitun ensimmäisen lohko-osuuden poikkileikkauspinta-ala mainittujen päätypintojen suunnassa on suurempi kuin mainitun toisen lohko-osuuden poikkileikkauspinta-ala mainittujen päätypintojen suunnassa. 102430

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että se on kaistan-päästösuodatin.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että se on kaistanes-5 tosuodatin.

8. Impedanssiaskelresonaattoreista muodostetun suodattimen käyttö dual band/-dual mode radiojärjestelmässä, jossa impedanssiaskelresonaattorien perustaajuus on radiojärjestelmän alemmalla toimintataajuusalueella ja tietty pariton harmonisreso- 10 nanssitaajuus on radiojärjestelmän ylemmällä toimintataajuusalueella.