FI112980B - Integroitu suodatinrakenne - Google Patents

Description

112980

Integroitu suodatinrakenne - Integrerad filterkonstruktion

Keksintö koskee radiotaajuussuodatinrakennetta, jossa siirtojohtoresonaattorisuo-dattimeen on liitetty harmonistaajuussuodatin.

5

Radioviestinteollisuudessa kehitys on pitkään kulkenut kohti yhä pienempiä, halvempia ja suorituskykyisempiä laitteita ja komponentteja. Suuntaus on johtanut tehokkaaseen piirilevypintojen hyödyntämiseen ja voimakkaaseen komponenttien in-tegrointiasteen kasvattamiseen. Poikkeuksen muodostavat radiopuhelinten suurtaa-10 juusosat, jotka on toistaiseksi konstruoitu suureksi osaksi erilliskomponentteja ja liuskarakenteita käyttäen.

Dupleksisuodatin, joka erottaa vastaanotettavan ja lähetettävän signaalin toisistaan, on sekä sähköisiltä ominaisuuksiltaan että fyysisiltä mitoiltaan eräs nykyaikaisen ra-15 diopuhelimen tärkeimmistä komponenteista. Koska tämä yksikkö on tilavuudeltaan ja usein myös massaltaan laitteen suurin yksittäinen RF-komponentti, sen koon, pohjapinta-alan ja massan pienentäminen on toivottavaa, jotta matkapuhelimet ja muut vastaavat laitteet voitaisiin tehdä entistä pienemmäksi. Jotta puhelimen akkuun ladattua energiaa ei kuluisi käytön aikana hukkaan, dupleksisuodattimessa tapahtu-20 vien tehohäviöiden on oltava mahdollisimman pienet.

4 t _ i Tekniikan tason mukaisissa analogisissa radiopuhelimissa ja yleisemminkin täys- .; dupleksijärjestelmissä, jotka käyttävät samaa antennia lähetykseen ja vastaanottoon, : ’ käytetään yleisesti resonaattoreihin perustuvia ja kahdesta erotussuodattimesta koos- 25 tuvia dupleksisuodattimia, joilla erotetaan lähetettävä ja vastaanotettava signaali toi- > 4 ‘ sistaan. Dupleksisuodattimella estetään oman lähetteen pääsy vastaanottimelle ja v : vastaanotetun lähetteen pääsy lähettimelle. Digitaalisissa puolitaajuusdupleksiin ja aikajakomonikäyttöjärjestelmiin (TDMA; Time Division Multiple Access) perustu-; ’: vissa matkapuhelinjärjestelmissä, kuten esim. GSM (Global System for Mobile tele- : ’: 30 communications), lähetys ja vastaanotto tapahtuvat eri aikaväleissä ja eri taajuuksil- ,:. la. Digitaalisissa järjestelmissä dupleksisuodattimelle ei tarvitse asettaa niin ankaria ’; ’, ’ vaatimuksia kuin yleensä analogiapuhelimissa, minkä johdosta digitaalisissa radio- I · ' ·; · * viestimissä voidaan käyttää pienikokoisempia dupleksisuodattimia kuin vastaavissa •; · : analogisissa laitteissa.

35

Dupleksisuodatin eli duplekseri on kolmiporttinen piirielin, joka koostuu lähetin-suodattimesta ja vastaanotinsuodattimesta sekä sovituspiiristä, jolla suodattimet so- 112980 2 vitetaan yhteiseen antenniporttiin. Kuvan 1 mukaisessa tunnetussa järjestelyssä on dupleksisuodatin DPLX, joka käsittää lähetinsuodattimen TX ja vastaanotinsuodat-timen RX. Suodattimet ja niiden välinen sovituspiiri T on järjestetty siten, että vas-taanottotaajuuskaistalla lähetinsuodatin TX näkyy antenniin päin erittäin suurena 5 impedanssina ja vastaanotinsuodatin RX näkyy antenniin päin antenni-impedanssin suuruisena eli siihen sovitettuna. Vastaavasti lähetystaajuuskaistalla vastaanotinsuodatin RX näkyy antenniin päin erittäin suurena impedanssina ja lähetinsuodatin TX on sovittuneena antenni-impedanssiin. Estovaimennusvaatimus eli vähimmäisvaatimus signaalin vaimennukselle suoralla reitillä lähettimeltä vastaanottimelle on ny-10 kyaikaisessa digitaalisessa matkapuhelimessa noin 30 dB.

Lähetinsuodattimen TX tehtävä on vaimentaa sen läpi antenniin päin kulkevasta signaalista lähetyskaistan ulkopuoliset häiriösignaalit, kuten lähetystaajuuden harmoniset monikerrat ja muut särötulokset, oskillaattorien vuotosignaalit sekä muut harha-15 lähetteet. Lisäksi on usein tarpeen suodattaa signaalista pois lähetinketjun generoimaa kohinaa, joka osuu taajuudeltaan vastaanottimen taajuskaistalle. Kaikki suoda-tintyypit aiheuttavat väliinkytkentävaimennusta, joka näkyy tehohäviöinä kuormittaen vahvistinasteita ja akkuja ja lyhentäen puheaikaa. On tunnettua, että kaistan-estosuodattimen (BRF; Band Rejection Filter) väliinkytkentävaimennus on pienem-20 pi kuin estovaimennusominaisuuksiltaan vastaavan kaistanpäästösuodattimen (BPF; Band Pass Filter) väliinkytkentävaimennus, minkä vuoksi nykyaikaisessa matkapu-helimessa dupleksisuodattimen lähetinsuodatin (TX) on tyypillisesti kaistanesto-·;·. tyyppinen.

_ _. 25 Dupleksisuodattimen vastaanotinsuodattimen (RX) päätehtävä on suojata vastaanot timen herkkiä vahvistimia suuritehoiselta lähetyssignaalilta ja erottaa antennin kaut- ;;; ta tulevasta signaalista haluttu signaalitaajuus sekä vaimentaa vastaanottokaistan ui- • » » *·’ kopuolisia häiriösignaaleja. Jos vastaanotinsuodattimessa RX ei ole tarpeeksi vai mennusta lähetystaajuudella, radiolaitteen vastaanotinhaara voi tukkeutua. Tukkeu-i 30 tuminen tapahtuu, jos lähetettävä signaali vuotaa tai heijastuu antennista vastaanot- topuolelle RX ja aiheuttaa vastaanottimen vahvistimen (ei esitetty kuvassa) yliohjau-Uimisen. Mikä tahansa paikallisoskillaattori, kuten vastaanottimen syntetisaattori (ei • · · i·., esitetty kuvassa), generoi kohinaa, joka voi päästä vastaanottopiireihin kuuluvan se- koittimen (ei esitetty kuvassa) läpi vastaanotetulle signaalitaajuudelle. Oskillaat-’ *· “: 35 torisignaalin vuoto ja sekoittuminen radiotaajuisen signaalin kanssa aiheuttaa häiriö- signaaleja, joita vastaanotinsuodattimella RX vaimennetaan. Vastaanotinsuodatin, jolle asetetaan vaimennusvaatimuksia vastaanottotaajuuskaistan molemmilla puolilla, on tyypillisesti toteutettu kaistanpäästötyyppisenä.

112980 3

Suodattimina voidaan käyttää erityyppisiä ja erilaisiin resonaattoreihin perustuvia rakenteita. Matkapuhelimissa käytetään yleisesti lieriökelajohdin- eli heliksireso-naattoreihin tai dielektrisiin keraamiresonaattoreihin perustuvia suodattimia. Kysymykseen voivat tulla myös esim. liuskajohtosuodatin ja pinta-aaltosuodatin (SAW-5 suodatin; Surface Acoustic Wave). Alan ammattimiehelle on selvää, että myös muun tyyppisiä suodattimia voidaan käyttää.

Lähetinhaaran suodattimen TX lisäksi toinen hyvin tunnettu radiopuhelimen lähe-tinhaaran piiri on harmonistaajuussuodatin eli harmonissuodatin, joka vähentää 10 energian kytkeytymistä antenniin lähetettävän signaalin harmonisilla taajuuksilla. Kuvassa 2 on esitetty lohkokaaviona tunnettu lähetin- ja vastaanotinhaaran rakenne, jossa on lähetin- ja vastaanotinsuodattimesta koostuva dupleksisuodatin DPLX (Duplex) ja erillinen alipäästötyyppinen harmonistaajuussuodatin LPF (Low Pass Filter). Kuvan 2 järjestelyssä esitetty harmonissuodatin LPF ei rajoitu käytettäväksi 15 vain dupleksisuodattimen yhteydessä, vaan sitä voidaan soveltaa myös muissa suo-datinratkaisuissa, kuten alan ammattimiehelle on selvää.

Järjestelmässä, jossa lähetin on kytketty omaan antenniinsa, harmonissuodatin voi olla suhteellisen yksinkertainen. Jos lähetin jakaa kuvan 2 mukaisesti yhteisen an-20 tennin toisen laitteen kuten vastaanottimen kanssa, harmonissuodatin LPF on yleensä huomattavasti monimutkaisempi. Se voi olla esimerkiksi kaistanpäästösuodatin, ; ’; joka päästää lävitseen vain suhteellisen kapean taajuusalueen, jolla lähetin on suun- ; . niteltu toimivaksi, tai alipäästösuodatin. Tällainen ratkaisu on tyypillinen esimerkik si nykyaikaisten radiopuhelinjärjestelmien käsipuhelimissa.

; 25

Jotta saavutettaisiin pienin mahdollinen väliinkytkentävaimennus mahdollisimman pienikokoisella suodattimena, suodattimissa on tyypillisesti käytetty erilaisia siirto-johtoresonaattorirakenteita, kuten koaksiaali-, heliksi- ja keraamiresonaattoreita. Tällaisten siirtojohtoresonaattorirakenteiden suodatusominaisuudet päästökaistan . * 30 harmonisilla monikerroilla ovat tunnetusti rajalliset, mistä johtuen suodatinsuunnit- ..: telijat ovat perinteisesti joutuneet sijoittamaan erillisen harmonissuodattimen sarjaan .;·. resonaattorityyppisen kaistanpäästösuodattimen kanssa. Tämä lisää komponenttien ,: . lukumäärää, kasvattaa suodatuksen tarvitsemaa piirilevypinta-alaa, kasvattaa väliin- ' 1 ‘ kytkentävaimennusta j a lisää valmistuskustannuksia.

35

Tekniikan tason mukaisten radiolaitteiden ja erityisesti matkapuhelimien dupleksi-suodattimissa on tunnettua mitoittaa lähetinhaaran resonaattorisuodattimen sisäiset kytkennät ja sovituspiirit siten, että niillä on toimintataajuudelle optimoitujen omi- 112980 4 naisuuksien lisäksi jonkin verran alipäästötyyppistä harmonisvaimennusvaikutusta. Kuvassa 3 on esitetty perinteisen kaistanestotyyppisen siirtojohtoresonaattorisuodat-timen sijaiskytkentä, jossa neljännesaallon pituiset siirtojohtoresonaattorit R1-R3 ja sarjakapasitanssit C1-C3 toimivat sarjaresonanssipiireinä ja siirtojohdot LI ja L2 5 mainittujen resonanssipiirien välillä 90 asteen vaiheensiirtiminä. Kuvassa 4a on samaa periaatetta noudattavan ja heliksiresonaattoritekniikalla toteutetun suodattimen sijaiskytkentä ja kuvassa 4b on esitetty tunnettu menetelmä korvata mainitut 90 asteen vaiheensiirtimet kondensaattoreista CS1-CS3 ja siirtolinjoista LI ja L2 koostuvilla piireillä. Kuvan 3 suodatinrakenteella ja sen kuvissa 4a ja 4b esitetyillä muun-10 nelmilla on kaksi toiminnallista tehtävää: kaistanesto- ja alipäästösuodatus. Näin alipäästösuodattimen suunnittelu palautuu keskitetyillä piirivakioilla toteutetun PI-tyyppisen (Proportional Integrator) LC-suodattimen eli kapasitiivisista ja induktiivisista komponenteista koostuvan suodattimen suunnitteluksi.

15 Kuvatun rakenteen ongelmana on se, että harmonissuodatukseen käytetyn alipäästö-rakenteen komponentit LI, L2, C4 - C6, CS1 - CS3 toimivat sekä alipäästö- että kaistanestosuodattimen osina. Näiden toimintojen asettamat komponenttiarvovaati-mukset eivät ole aina yhtenevät, vaan alipäästöominaisuuksien parantaminen yleensä huonontaa kaistanesto-ominaisuuksia ja päinvastoin. Tästä seuraa suunnittelussa 20 jatkuvia kompromisseja varsinaisen siirtojohtoresonaattorisuodattimen ja lähetystaa-juusalueen harmonisia monikertoja vastaan suunnatun alipäästösuodattimen suunnit-: *; telun välillä, mikä yleensä huonontaa rakenteen suorituskykyä. Edelleen digitaalisis- : . sa puolitaajuusdupleksiin ja aikajakomonikäyttöjärjestelmiin (TDMA) perustuvissa matkapuhelinjärjestelmissä, joissa suodattimien estovaimennusvaatimukset ovat lie-. 25 ventyneet, tarvittavien siirtojohtoresonaattorien lukumäärä on vähentynyt analogia- suodattimien 4-5:sta 2-3:een. Resonaattorien vähentyminen on samalla vähentänyt ;;;* niiden välisten vaiheensiirtimien avulla toteutettujen alipäästöasteiden määrää eli '·' pienentänyt harmonissuodattimen astelukua, mikä on synnyttänyt tarpeen keksiä muita menetelmiä harmonisten taajuuksien suodatuksen parantamiseksi.

Γ V 30 :,t>: Seuraavaksi tarkastellaan tekniikan tason mukaisia ratkaisuja harmonissuodattimen , ·. integroimiseksi kaistanpäästösuodattimeen. Koska kaistanpäästörakenne (BPF) tyy- • · · pillisesti ei sisällä edellä kaistanestosuodattimen yhteydessä kuvattuja 90 asteen vai- • · ;* heensiirtimiä, joihin alipäästötyyppinen harmonissuodatin (LPF) olisi integroita- ‘: ‘1: 35 vissa, harmonisvaimennuksen suunnitteleminen BPF-rakenteeseen on huomattavasti ·:*: monimutkaisempaa. Erillisen harmonissuodattimen käytön (kuten LPF kuvassa 2) ohella tunnettu menetelmä on mitoittaa suodattimen tulo- ja/tai lähtöportin sovitus-kytkennät niin, että toimintataajuudelle optimoitujen sovitusominaisuuksien lisäksi 112980 5 niillä on jonkin verran harmonisvaimennusvaikutusta. Tyypillisesti tämä edellyttää lisäkomponentteja, kasvattaa väliinkytkentävaimennusta ja lisää valmistuskustannuksia. Kuvassa 5a on esitetty sijaiskytkentänä tyypillinen siirtojohtoresonaattoreilla toteutettu kaistanpäästösuodatin, jonka tulo- ja lähtöresonaattoreiden Rl ja R3 sovi-5 tuspiirit on suunniteltu alipäästötyyppisiksi, jotta ne vaimentaisivat harmonistaa-juuksia. Siirtojohtojen L6 ja L9 induktanssit sekä poikittaiskapasitanssit Cl, C8 ja C9 toimivat LC-resonanssipiireinä, joilla saadaan aikaan alipäästöominaisuus har-monistaajuuksilla.

10 Estosuodattimen tapaan rakenteen ongelmana on alipäästörakenteen komponenttien L6, L9, Cl - C9 toiminta osana kahta eri suodatinta, joiden komponenttiarvovaati-mukset eivät selvästikään ole aina yhtenevät. Myös tällaisen rakenteen suunnittelu edellyttää kompromisseja varsinaisen siirtojohtoresonaattorisuodattimen ja alipääs-tö- eli LPF-suodattimen suunnittelun välillä, mikä huonontaa rakenteen suoritusky-15 kyä. Tekniikan tason mukaiset ratkaisut edellyttävät harmonissuodatuksen aikaansaamiseksi erilliskomponentteja, kuten kondensaattoreita ja ja keloja.

Tämän keksinnön tavoitteena on saada aikaan erityisesti matkapuhelinjärjestelmiin sopiva yhdistetty dupleksisuodatin- ja harmonissuodatinrakenne, joka osin poistaa ja 20 osin vähentää edellä mainittuja ongelmia, jotka liittyvät erillisten ja integroitujen harmonis- ja siirtojohtoresonaattorisuodattimien rakenteisiin. Keksinnön tavoitteena . on myös parantaa harmonistaajuuksien vaimennusta verrattuna edellä esitettyihin ratkaisuihin.

: 25 Keksinnön tavoitteet saavutetaan liittämällä siirtojohtoresonaattorisuodattimeen eril linen harmonissuodatusosa, johon kytkeytyminen tapahtuu siirtojohtoresonaattori-suodattimessa olevia sovitus- ja kytkentärakenteita käyttäen tai ainakin yhden resonaattorin sähkö- ja/tai magneettikentän välityksellä.

, .·' 30 Keksinnön mukaiselle radiotaajuussuodattimelle on tunnusomaista, että se käsittää ; vaimennuskytkentöjä sen toimintataajuuden harmonisten taajuuksien vaimentami- seksi ja kytkeytyminen mainittuihin vaimennuskytkentöihin tapahtuu siirtojohto-resonaattorien ja porttien välisten sovituskytkentöjen tai siirtojohtoresonaattorien ':' välisten sovituskytkentöjen välityksellä.

·:··: 35

Siirtojohtoresonaattorisuodattimissa kytkennät resonaattoreihin ja resonaattoreiden väliset kytkennät on toteutettu perinteisesti erilaisten siirtojohtorakenteiden ja eril- 112980 6 liskomponenttien muodostamilla sovituskytkennöillä. Keksintö perustuu oivallukseen hyödyntää mainittuja siirtojohtorakenteita myös harmonisvaimennussuodatti-meen kytkeytymiseksi. Keksinnön mukaisessa suodatinjärjestelyssä harmonissuoda-tinrakenne muodostuu suodattimen siirtojohtorakenteesta ja siihen kytkeytyvästä 5 harmonisvaimennussuodattimesta ilman perinteisen erillisen harmonissuodattimen edellyttämiä pitkiä siirtojohtoja ja sovituskomponentteja, jolloin lisähäviöt siirtojoh-toresonaattorisuodattimen toimintataajuudella ovat minimaaliset, mikä on merkittävä parannus verrattuna tekniikan tasoon. Lisäksi integroidun suodattimen suunnittelu helpottuu, koska keksinnön mukaiset harmonisvaimennussuodattimet voidaan pit-10 kälti suunnitella ja optimoida erillään varsinaisesta siirtojohtoresonaattorisuodatti-mesta. Niiden mitoitus voidaan valita vapaasti siten, että ne vaimentavat optimaalisella tavalla haluttua harmonista taajuutta, koska ne eivät vaikuta merkittävästi dup-leksisuodattimen toimintaan perustaajuudella.

15 Keksintö vastaa tavallaan perinteisen erillisen harmonissuodattimen siirtämistä ympäristöhäiriöistä kärsivältä ja usein suurihäviöiseltä matkapuhelimen pohjalevyltä suurtaajuussuodattimen sisään, jossa olosuhteet ovat edulliset: häiriöiltä suojattu koteloitu ympäristö ja suodatintekniikassa välttämätön vähähäviöinen ja stabiili substraatti. Merkittävä ero perinteiseen erilliseen harmonissuodattimeen verrattuna on 20 se, että keksinnön mukaisessa harmonissuodattimessa voi olla useita suodatusas-teita, jotka on sijoitettu siirtojohtoresonaattorisuodattimessa eri kohtiin, jolloin ne . ·: , siirtojohtoresonaattorisuodattimen osat, jotka ovat harmonissuodattimen suodatusas- , *: ·, teiden välissä, toteuttavat harmonissuodatuksen kannalta hyödyllisiä vaiheensiirtoja ja toimivat harmonissuodatusasteiden välisinä siirtojohtoina.

25

Keksinnön kannalta ei ole oleellista, minkälaisia resonaattoreita siirtojohtoresonaat-torisuodatin käsittää. Suuritehoisissa ja korkeataajuisissa sovelluksissa käytetään *.' ‘ edullisesti lieriökelajohtimista eli helikseistä tai dielektriseen lohkoon muodostetuis ta siirtojohtoresonaattoreista koostuvaa suodatinta. Alan ammattimiehelle on selvää, V 30 että myös muun tyyppisiä suodattimia, kuten koaksiaali- ja liuskajohtoresonaattori-suodattimia voidaan käyttää. Kuten edellä todettiin, estovaimennusvaatimus lähetti-,*;·. mestä vastaanottimelle on digitaalisessa matkapuhelimessa noin 30 dB. Vastaavasti !.. analogisessa puhelimessa estovaimennusvaatimus on tyypillisesti noin 60 dB.

I · * * * ‘ : 35 Harmonisvaimennussuodatin voidaan toteuttaa monella eri tavalla käyttämällä alan •: · ·: ammattimiehellä sinänsä tuttuja piirielementtejä, kuten liuskajohtoja ja niiden yhdis telmiä, joissa kytkentä piirielementistä toiseen voi tapahtua galvaanisesti tai sähkömagneettisen kentän välityksellä, sekä erillisiä kondensaattoreita, keloja ja vastuk- 112980 7 siä. Mainitut erilliset komponentit ovat edullisesti pintaliitoskomponentteja. Keksinnön kannalta ei ole oleellista se, miten harmonisvaimennussuodatin teknisesti toteutetaan, vaan se, että harmonisvaimennussuodatin sisältyy suodattimeen ja kytkeytyminen siihen tapahtuu suodattimessa jo olevien rakenteiden avulla. Suodatin voi kä-5 sittää dupleksisuodattimen tavoin kaksi suodatinta, esimerkiksi RX- tai TX-ero-tussuodattimen, tai olla erillinen suodatin kuten kaistanpäästösuodatin (BPF).

Keksintöä kuvataan nyt tarkemmin viittaamalla oheisiin kuviin, joissa: 10 kuva 1 esittää tunnetun dupleksisuodattimen rakennetta ja TX- ja RX-haaran kytkeytymistä yhteiseen antenniin, kuva 2 esittää tunnettua dupleksisuodattimen ja harmonisvaimennussuodattimen lohkotason rakennetta ja sen käyttöä radiopuhelimessa, kuva 3 esittää tunnetun, siirtojohtoresonaattoritekniikalla toteutetun kaistanesto- 15 suodattimen sijaiskytkentää, kuva 4a esittää tunnetun, siirtojohtoresonaattoritekniikalla toteutetun kaistanesto- suodattimen sijaiskytkentää, jossa vaiheensiirtimiä on käytetty myös ali-päästötyyppisenä harmonisvaimennussuodattimena, kuva 4b esittää tunnettua, kuvan 4a esittämän suodatinjärjestelyn toisen suoritus- 20 muodon sijaiskytkentää, kuva 5a esittää tunnetun, siirtojohtoresonaattoritekniikalla toteutetun kaistanpääs- tösuodattimen sijaiskytkentää, jossa tulo- ja lähtöpiirien sovitusrakenteita ; ·, on käytetty myös alipäästötyyppisinä harmonisvaimennussuodattimina, I * ! kuva 5b esittää tunnettua, kuvan 5a esittämän suodatinjärjestelyn toisen suoritus- * · . 25 muodon sijaiskytkentää, » 4 t » kuva 6a esittää keksinnön mukaisen suodatinjärjestelyn sijaiskytkentää, jossa siir- • · • tojohtoresonaattoritekniikalla toteutettuun kaistanestosuodattimeen on v : yhdistetty harmonisvaimennussuodatin, kuva 6b esittää keksinnön mukaista kuvan 6a mukaisen suodatinjärjestelyn erään 4 * 30 toisen suoritusmuodon sijaiskytkentää, :" ‘: kuva 6c esittää keksinnön mukaista kuvan 6a mukaisen suodatinjärjestelyn erään . I. t kolmannen suoritusmuodon sijaiskytkentää,

> · I

;.. kuva 7a esittää keksinnön mukaisen suodatinjärjestelyn sijaiskytkentää, jossa siir- » · tojohtoresonaattoritekniikalla toteutettuun kaistanpäästösuodattimeen on ‘‘ ‘: 35 yhdistetty harmonisvaimennussuodatin, ·;·*: kuva 7b esittää keksinnön mukaista kuvan 7a mukaisen suodatinjärjestelyn erään toisen suoritusmuodon sijaiskytkentää, 112980 8 kuva 7c esittää keksinnön mukaista kuvan 7a mukaisen suodatinjärjestelyn erään kolmannen suoritusmuodon sijaiskytkentää, kuva 8a esittää keksinnön mukaista kuvan 6a kytkentäkaavion toteutusta heliksi-suodattimessa, 5 kuva 8b esittää keksinnön mukaista kuvan 6b kytkentäkaavion toteutusta heliksi-suodattimessa, kuva 8c esittää keksinnön mukaista kuvan 6c kytkentäkaavion toteutusta heliksi-suodattimessa, kuva8d esittää erästä keksinnön mukaisen harmonisvaimennussuodattimen vii-10 dettä suoritusmuotoa heliksisuodattimessa, kuva 8e esittää erästä keksinnön mukaisen harmonisvaimennussuodattimen kuudetta suoritusmuotoa heliksisuodattimessa, kuva 9 esittää erästä tunnettua kuvan 4b kytkentäkaavion toteutusta keraamisuo-dattimessa, 15 kuva 10a esittää keksinnön mukaista kuvan 6a kytkentäkaavion toteutusta keraami-suodattimessa, kuva 10b esittää keksinnön mukaista kuvan 6b kytkentäkaavion toteutusta keraami-suodattimessa, kuva 10c esittää keksinnön mukaista kuvan 6c kytkentäkaavion toteutusta keraami-20 suodattimessa, kuva 11a esittää keksinnön mukaista kuvan 7a kytkentäkaavion toteutusta keraami-suodattimessa, I » * kuva 11b esittää keksinnön mukaista kuvan 7b kytkentäkaavion toteutusta heliksi- I · · ,! suodattimessa, ja : , 25 kuva 1 le esittää keksinnön mukaista kuvan 7c kytkentäkaavion toteutusta keraami- I M t> suodattimessa.

• * * I t 9 v * Kuvia 1 - 5b selostettiin edellä tekniikan tason kuvauksen yhteydessä, joten seuraa- vassa keksinnön kuvauksessa viitataan lähinnä kuviin 6a - 11c. Kaikissa kuvissa on *» * j 30 vastaavia osia merkitty samoilla viitenumeroilla. Aluksi selostetaan kuvien 6a - 6c : ’ ‘ : esittämiä sijaiskytkentöjä ja niiden kuvissa 8a - lOd esitettyjä suoritusmuotoja.

I I t * » » ;,, Kuvassa 6a on esitetty keksinnön mukaisen suodatinjärjestelyn sijaiskytkentä ja ku- f » vassa 8a sen toteutus heliksisuodattimessa. Suodattimen heliksiresonaattorit Rl, R2 ' i “: 35 ja R3 voidaan toteuttaa kuvan 8a mukaisesti ns. sormituentarakenteena (tai kampa- •; · *: rakenteena), jollainen on kuvattu esim. suomalaisessa patentissa 80542. Tällöin re sonaattorit on kierretty metallilangasta lieriökelaksi eristelevyn ulkoneman ympärille. Eristelevyn alaosaan muodostetaan sähköinen piiri käyttäen erillisiä kompo- 112980 9 nentteja, edullisesti pintaliitoskomponentteja, ja liuskajohtoja. Eristelevyyn on yksinkertaista lisätä harmonissuodattimen vaatimat liuskarakenteet L10, LII ja L12, jolloin saavutetaan keksinnön mukainen kompakti yhdistetty siirtojohtoresonaattori-suodattimen (tässä heliksisuodattimen) ja harmonisvaimennussuodattimen rakenne.

5 Kuvan 6a kondensaattorit Cl4, C15 ja C16 eivät näy kuvassa 8a, vaan ne on tarkoitus liittää kuvan 8a suodattimeen pintaliitoskomponentteina, jotka juotetaan liitos-täpliin 1, 2 ja 3.

Kuvan 6a siirtojohtoja LI - L5 ei ole erikseen nimetty kuvaan 8a, vaan ne sisältyvät 10 resonaattorien väliseen liuskajohtorakenteeseen 7. Liuskajohtotekniikalla toteutetut siirtojohdot L10, LII ja L12 ovat avoimia, neljännesaallon pituisia siirtojohto-osuuksia eli stubeja. Liuskarakenteena on käytetty ripustettuja liuskajohtoja (engl. suspended substrate lines) eli johtimet on muodostettu eristelevyn pinnalle ja maatasona toimii suodattimen sähköä johtavasta aineesta valmistettu kuori (ei esitetty ku-15 vissa). Koska siirtojohdot ovat avoimia piirejä perustaajuuden harmonistaajuudella, esimerkiksi kolmannella kerrannaistaajuudella, niiden yhteisvaikutus vaimentaa pe-rustaajuuden harmonistaajuutta. Kytkemällä stubit L10, LlljaL12 yhteiseen siirto-johtoresonaattorisuodattimen liuskaan 7 saadaan suodatinrakenteen tuloportin IN ja lähtöportin OUT välille suuri vaimennus halutulla harmonistaajuudella ja pieni vä-20 liinkytkentävaimennus perustaajuudella. Vaimennettaviksi taajuuksiksi voidaan valita harmonisten taajuuksien lisäksi myös muita ei-toivottuja taajuuksia tekemällä : liuskajohtostubeista eri pituisia ja kytkemällä ne eri kohtiin liuskajohtoa 7. Eri taa- juudella vaikuttavia suodatinrakenteita voidaan integroida siirtojohtoresonaattori- suodattimen eri siirtojohtorakenteisiin vaimentamaan kokonaisuudessaan useita eri 25 harmonistaajuuksia ja harhoja. Se, että liuskajohdot L10, LII ja L12 on sijoitettu t heliksiresonaattorien Rl, R2 ja R3 sisään, ei ole keksinnön kannalta oleellista, vaan niiden sijoituksen eristelevyllä ratkaisee se, missä on tilaa.

* · =· t

Kuvassa 8b on esitetty kuvan 6b mukaisen kytkennän toteutus heliksisuodattimessa. : .: 30 Heliksiresonaattorisuodatin on toteutettu samalla tavoin kuin kuvassa 8a. Harmonis- ..: vaimennussuodatin on toteutettu liuskajohtostubeilla L13, L14 ja L15, jotka on ylä- : ’. päästään kytketty kapasitiivisesti raon välityksellä heliksiresonaattorisuodattimen si- , ··. sältämään liuskajohtoon 7. Alapäästään stubit on kytketty raon välityksellä kapa- • * sitiivisesti eristelevyn pohjassa olevaan maatasoon (ei esitetty kuvassa), jolloin saa- 35 daan lyhennettyä stubin mekaanista pituutta. Stubit LI3, L14 ja L15 sekä niiden kohdalla oleva osuus liuskajohdosta 7 muodostavat sinänsä tunnetun π-tyyppisen alipäästörakenteen, jolla saadaan vaimennettua tietyn rajataajuuden yläpuolisia ei-toivottuja taajuuksia.

10

1Ί 2 9 b O

Kuvassa 8c on esitetty kuvan 6c mukaisen kytkennän toteutus heliksisuodattimessa. Heliksiresonaattorisuodatin on toteutettu samalla tavoin kuin kuvassa 8a. Harmonis-vaimennussuodatin on toteutettu liuskajohtostubeilla L16, L17, L18 ja L19, jotka on yläpäästään kytketty heliksiresonaattorisuodattimen sisältämään liuskajohtoon 7.

5 Alapäästään stubit ovat avoimia muodostaen neljännesaallon pituisia siirtojohto-resonaattoreita. Stubien L16, L17, L18 ja L19 muodostamalla rakenteella saadaan vaimennettua ei-toivottuja taajuuksia samaan tapaan kuin kuvassa 8a stubien L10, LI 1 ja L12 muodostamalla rakenteella.

10 Kuvissa 8d ja 8e on esitetty muita keksinnön mukaisesti sovellettavia harmonisvai-mennussuodatinrakenteita L38 - L46, jotka sinänsä ovat tunnettuja ja joita on käytetty erillisissä alipäästösuodattimissa. Alan ammattimiehelle on selvää, että myös muun tyyppisiä suodatinrakenteita voidaan liittää keksinnön mukaisesti osaksi siir-tojohtoresonaattorisuodatinta, eikä keksintö millään tavalla rajoitu kuvissa 8a - 8e 15 esitettyihin toteutusmuotoihin.

Seuraavaksi tarkastellaan keksinnön mukaisen harmonissuodattimen toteutusta die-lektrisessä suodattimessa. Dielektrisen suodattimen peruskäsitteiden selventämiseksi kuvassa 9 on esitetty tunnettu kuvan 4b mukaisen kytkentäkaavion periaatteellinen 20 toteutus dielektrisenä suodattimena, joka muodostuu dielektristä materiaalia olevasta lohkosta B, jossa resonaattorit Rl - R3 on muodostettu lohkon läpi ulottuvina rei-kinä, jotka on pinnoitettu johtavalla materiaalilla, sekä alustasta eli substraatista S, ;johon on muodostettu fotolitografiatekniikalla tarvittavat johdinkuviot. Alusta S voi olla keraamisubstraatti, teflonsubstraatti tai jotain muuta materiaalia oleva piirilevy. ,25 Kuvassa 9 esitetty järjestely ei kytkennältään ole täysin identtinen kuvan 4b kanssa, mutta esittää toteutuksen pääpiirteet. Dielektrinen lohko B on pääosin pinnoitettu ; johtavalla materiaalilla lukuunottamatta lohkon sitä pintaa, johon resonaattoreiden ‘ ns. avoin korkeaimpedanssinen pää aukeaa, sekä pintaa, joka asettuu alustaa S vas ten. Resonaattorien korkeaimpedanssiset päät sisältävä pinta on esitetty kuvassa pin-30 tana, jossa on resonaattorireiät Rl, R2 ja R3. Resonaattorireikien alapäätä, jossa rei-:: kien pinnoitus yhdistyy lohkon pinnoitukseen, ei näy kuvassa. Alusta S on pääosin . pinnoitettu johtavalla materiaalilla lukuunottamatta kuvassa näkyvää pinnan osaa, ··*, johon johdinkuviot on muodostettu. Kytkentäliuska GND yhtyy alustan S ja sitä kautta lohkon B pinnoitteeseen eli toimii maatasona. Kuvassa 9 on resonaattoreita : 35 lukuunottamatta kuvan 4b muut komponentit muodostettu siirtolinjojen (tum- : : mennetut alueet) ja erilliskomponenttien CS1, CS2 ja CS3 (esim. pintaaliitoskompo- nenttien) avulla. Kytkentäkuviot resonaattoreihin Rl, R2, R3, kytkeytymistä varten jäävät resonaattorilohkon B ja alustan S väliin, eivätkä siten näy kuvassa 9. Kytken- 112980 11 täkuviot voidaan muodostaa suomalaisessa patentissa 86637 esitetyllä tavalla. Kaikki alustalle S muodostetut johdinkuviot ja komponentit voitaisiin yhtä hyvin muodostaa keraamilohkon B sivupinnalle.

5 Kuvassa 10a on esitetty keksinnön mukaisesti kuvan 6a kytkennän toteutus dielekt-risessä suodattimessa, joka on rakenteeltaan pääpiirteittäin samanlainen kuin kuvassa 9 esitetty suodatin. Kuvan 6a siirtojohtoja LI - L5 ei ole erikseen nimetty kuvaan 10a, vaan ne sisältyvät resonaattorien väliseen liuskajohtoon 27. Liuskajohtoteknii-kalla toteutetut siirtojohdot L10, LII ja L12 ovat avoimia neljännesaallonpituisia 10 siirtojohtostubeja. Koska siirtojohdot ovat avoimia piirejä perustaajuuden harmonis-taajuudella, esimerkiksi kolmannella kerrannaistaajuudella, niiden yhteisvaikutus perustaajuuden harmonistaajuudella on oikosulku liuskajohdosta 27 maapotentiaa-liin. Kytkemällä stubit L10, LlljaL12 yhteiseen siirtojohtoresonaattorisuodattimen liuskaan 27 saadaan suodatinrakenteen tuloportin IN ja lähtöportin OUT välille suu-15 ri vaimennus halutulla harmonistaajuudella ja pieni väliinkytkentävaimennus pe-rustaajuudella. Vaimennettaviksi taajuuksiksi voidaan valita harmonisten taajuuksien lisäksi myös muita ei-toivottuja taajuuksia tekemällä liuskajohtostubeista L10 -L12 eri pituisia ja kytkemällä ne eri kohtiin liuskajohtoa 27. Eri taajuudella vaikuttavia suodatinrakenteita voidaan integroida siirtojohtoresonaattorisuodattimen eri 20 siirtojohtorakenteisiin vaimentamaan kokonaisuudessaan useita eri harmonistaa-juuksia ja harhoja.

•'; Kuvassa 10b on esitetty keksinnön mukaisesti kuvan 6b kytkennän toteutus dielekt- risessä suodattimessa, joka on rakenteeltaan pääpiirteittäin samanlainen kuin kuvas-,,: 25 sa 9 esitetty suodatin. Harmonisvaimennussuodatin on toteutettu liuskajohtoteknii- kalla tehdyillä stubeilla L13, L14, ja L15, jotka on yläpäästään kytketty kapasitiivi-; sesti raon välityksellä keraamiresonaattorisuodattimen sisältämään liuskajohtoon 31.

Alapäästään stubit on kytketty raon välityksellä kapasitiivisesti alustan alaosassa olevaan maatasoon GND, jolloin saadaan lyhennettyä stubien mekaanista pituutta. .1 30 Stubit L13, L14 ja L15 sekä niiden kohdalla oleva osuus liuskajohdosta 31 muodos- ,: tavat sinänsä tunnetun π-tyyppisen alipäästörakenteen, jolla saadaan vaimennettua tietyn rajataajuuden yläpuolisia ei-toivottuja taajuuksia.

‘ Kuvassa 10c on esitetty keksinnön mukaisesti kuvan 6c kytkennän toteutus diele- ‘ : 35 ktrisessä suodattimessa, joka on rakenteeltaan pääpiirteittäin samanlainen kuin ku- vassa 9 esitetty suodatin. Harmonisvaimennussuodatin on toteutettu liuskajohto-tekniikalla tehdyillä stubeilla L16, L17, L18 ja L19. Stubit on yläpäästään kytketty keraamiresonaattorisuodattimen sisältämään liuskajohtoon 37. Alapäästään stubit 112980 12 ovat avoimia muodostaen neljännesaallon pituisia siirtojohtoresonaattoreita. Stubien L16, L17, LI 8 ja L19 muodostamalla rakenteella saadaan vaimennettua ei-toivottuja taajuuksia samalla tavoin kuin kuvassa 10a esitetyllä stubien L10, LII ja L12 muodostamalla rakenteella.

5

Edellä on selostettu harmonistaajuussuodattimen integroimista keksinnön mukaisesti osaksi kaistanestosuodatinta (BRF) viitaten yhdistetyn rakenteen sijaiskytkentöihin 6a - 6c ja suoritusmuotoihin 8a - lOd. Seuraavaksi selostetaan harmonistaajuussuodattimen integroimista keksinnön mukaisesti kaistanpäästösuodattimeen (BPF) viita-10 ten kuviin 7a-7c ja 11a-11c.

Kuvassa 11a on esitetty keksinnön mukaisesti kuvan 7a kytkennän toteutus dielek-trisessä suodattimessa, joka on rakenteeltaan pääpiirteittäin samanlainen kuin kuvassa 9 esitetty suodatin. Harmonisvaimennussuodatin on toteutettu liuskajohto-15 tekniikalla tehdyillä stubeilla L23 ja L24, jotka on toisesta päästään kytketty keraa-| miresonaattorisuodattimen sisältämään liuskajohtoon L9. Alapäästään stubit L23 ja L24 ovat avoimia ja niiden pituus on valittu vaimennettavan harmonistaajuuden aallonpituuden neljännekseksi, jolloin ne muodostavat neljännesaallon siirtojohto-resonaattorin harmonistaajuudella ja vaimentavat tehokkaasti kyseistä taajuutta. Li-20 säksi viitenumeroilla Cl8 ja C19 merkityt kondensaattorit sekä liuskajohto L9 muodostavat sinänsä tunnetun π-tyyppisen alipäästörakenteen, jota käytetään liuskajoh-i': toresonaattorien L23 ja L24 lisänä harmonistaajuuksien vaimentamiseen.

Kuvassa 11b on esitetty keksinnön mukaisesti kuvan 7b mukaisen kytkennän toteu-25 tus heliksisuodattimessa. Heliksiresonaattorisuodatin on toteutettu pääpiirteittäin samalla tavoin kuin kuvassa 8a, mutta kytkennät heliksiresonaattorista toiseen on to- • ; ; teutettu kapasitiivisesti suodattimen kotelon 50 väliseiniin muodostettujen kytken- • ’· * täaukkojen 51 ja 52 avulla. Kuvan 7b kondensaattoreita Cl7, C18 ja C19 ei ole esi tetty kuvassa 11b, vaan ne on tarkoitus liittää kuvan 11b suodattimeen pintaliitos- i .· 30 komponentteina, jotka juotetaan liitostäpliin 1, 4 ja 5. Harmonisvaimennussuodatin » » * : on toteutettu liuskajohtostubeilla L25, L26 ja L27, jotka on yläpäästään kytketty ka- pasitiivisesti raon välityksellä heliksiresonaattorisuodattimen sisältämään liuskajoh-.···. toon L6. Alapäästään ne on kytketty raon välityksellä kapasitiivisesti eristelevyn pohjassa olevaan maatasoon (ei esitetty kuvassa), jolloin saadaan lyhennettyä niiden ’ : 35 mekaanista pituutta. Stubit L25, L26 ja L27 sekä niiden kohdalla oleva osuus liuska- johdosta 6 muodostavat sinänsä tunnetun π-tyyppisen alipäästörakenteen, jolla saadaan vaimennettua tietyn rajataajuuden yläpuolisia ei-toivottuja taajuuksia.

112980 13

Kuvassa 11c on esitetty keksinnön mukaisesti kuvan 7c mukaisen kytkennän toteutus dielektrisessä suodattimessa, joka on rakenteeltaan pääpiirteittäin samanlainen kuin kuvassa 9 esitetty suodatin. Harmonisvaimennussuodatin on toteutettu liuska-johtotekniikalla tehdyillä stubeilla L29 - L32, jotka on toisesta päästään kytketty ke-5 raamiresonaattorisuodattimen sisältämään liuskajohtoon L28. Alapäästään stubit L29 - L32 ovat avoimia ja ne vaimentavat harmonistaajuuksia samaan tapaan kuin liuskajohdot L23 ja L24 kuvien 7a ja 11a suodattimessa. Kuvien 7c ja 11c suodattimessa on myös samanlaiset vaimentavat liuskajohtorakenteet L33 ja L34 kuin mainitut liuskajohdot L23 ja L24 kuvien 7a ja 11a suodattimessa. Lisäksi viitenumeroille) la C18 ja C19 merkityt kondensaattorit sekä liuskajohto L9 muodostavat sinänsä tunnetun π-tyyppisen alipäästörakenteen, jota käytetään liuskajohtoresonaattorien lisänä harmonistaajuuksien vaimentamiseen.

Alan ammattimiehelle on selvää, että kuvissa 11a - 11c esitettyjen rakenteiden li-15 säksi myös muun tyyppisiä sinänsä tunnettuja suodatinrakenteita voidaan liittää keksinnön mukaisesti osaksi kaistanpäästötyyppistä siirtojohtoresonaattorisuodatinta, eikä keksintö millään tavalla rajoitu kuvissa esitettyihin toteutusmuotoihin. Yleisesti suodatin, johon keksinnön mukaiset harmonisvaimennuselementit integroidaan, voi perustua myös esimerkiksi liuskajohtoresonaattoreihin.

20 Käyttämällä keksinnön mukaista siirtojohtoresonaattorisuodattimen ja harmonisvai-mennussuodattimen integroitua rakennetta voidaan merkittävästi pienentää erillises-: tä harmonissuodattimesta aiheutuvia häviöitä, parantaa harmonissuodatusta sekä yk sinkertaistaa suodattimen suunnittelua. Edelleen perinteisen dupleksisuodattimen 25 hyvät eristys- ja suodatusominaisuudet voidaan säilyttää, vaikka sekä radiolähe-, ,tin/vastaanotinlaitteen tilavuus että sen puhelimen piirilevyltä vaatima pinta-ala pie-,! nenevät. Lisäksi erilliseen suodatinratkaisuun verrattuna piirilevylle ladottavien ’ ’ komponenttien määrä vähenee, mikä laskee valmistuskustannuksia. Suodattimessa ei tarvita muita lisäkomponentteja kuin esitetyn kaltaiset liuskajohdot, jotka muo-. * 30 dostetaan siirtojohtoresonaattorin rakenteeseen kuuluvalle substraatille samassa työ- ,. · vaiheessa kuin muutkin suodattimen liuskajohtorakenteet.

t > « » ..··, Esillä oleva keksintö ei rajoitu mihinkään tiettyyn suodatintekniikkaan tai sovelluk- seen, vaan sitä voidaan käyttää erilaisissa sovelluksissa, eri suodatintekniikoilla ja * 35 eri taajuuksilla, edullisesti radiotajuuksilla, kuten UHF ja VHF.

> ♦ ·

Claims (9)

112980

1. Radiotaajuussuodatin, jolla on määrätty perustaajuus, ja joka käsittää tulopor-tin, lähtöportin ja ainakin yhden siirtojohtoresonaattorin (Rl; R2; R3), ainakin yh- 5 den siirtojohtoresonaattorin sovituskytkennän ja tähän kuuluvan siirtolinjan sekä ainakin yhden liuskajohtimen, jonka sähköinen pituus on määrätty murto-osa aallonpituudesta mainitun perustaajuuden harmonisella taajuudella, tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi liuskajohdin (L13 - 19; L21 - L32; L38 - L41; L42 - L45) yhdessä mainitun siirtolinjan (7) kanssa muodostaa harmonissuodatinrakenteen mainitun pe-10 rustaajuuden harmonisten taajuuskomponenttien vaimentamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainitut siirtojohtoresonaattorit ovat heliksiresonaattoreita.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mai nitut siirtojohtoresonaattorit ovat dielektrisiä resonaattoreita.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi sovituskytkentä (7; LI - L9; L20; L28) on radio- 20 taajuisen energian siirtämiseksi mainittujen porttien (IN; OUT) ja mainittujen siirto-johtoresonaattorien (Rl; R2; R3) välillä ja mainittu ainakin yksi liuskajohdin on : · ’; galvaanisessa yhteydessä sovituskytkentään. • ·

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että ku-,,25 kin mainituista liuskajohtimista (L16 - L19; L29 - L32) käsittää ensimmäisen pään V » ja toisen pään, joista ensimmäinen pää on galvaanisessa yhteydessä mainittuun siir-.,; tolinjaan (7). 1 Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että 30 mainittujen liuskajohtimien (LI3 - LI5; L25 - L27) ja mainitun siirtolinjan (7) välillä on sähkömagneettinen kytkentä. t · » · *·. 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että ku- ·* kin mainituista liuskajohtimista (L13 - L15) käsittää ensimmäisen pään ja toisen : 35 pään, joista ensimmäinen pää on kapasitiivisessa yhteydessä mainittuun siirtolin- ' ‘ jaan, jolloin mainittu sähkömagneettinen kytkentä on olennaisesti kapasitiivinen. 112980

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainitut liuskajohtimet (L38 - L41) muodostavat oleellisesti suorien liuska-elementtien sarjan, jonka ensimmäisellä elementillä (L38) on sähkömagneettinen kytkentä mainittuun siirtolinjaan ja kullakin seuraavalla elementillä (L39 - L41) on 5 sähkömagneettinen kytkentä edelliseen elementtiin.

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että mainitut liuskajohtimet (L42 - L45) muodostavat olennaisesti U:n muotoisten lius-kaelementtien sarjan, jonka jokaisella elementillä on sähkömagneettinen kytkentä 10 mainittuun siirtolinjaan ja viereisiin mainitun sarjan elementteihin.