FI113577B - Alipäästösuodatin - Google Patents

Description

113577

Alipäästösuodatin

Keksinnön kohteena on suurtaajuinen alipäästösuodatin erityisesti matkaviestinverkkojen radioyhteyslaitteita varten.

5 Nykyisissä ja tulevissa matkaviestinverkoissa alipäästösuodattimilta vaaditaan, että ne ovat aidosti alipäästäviä, ts. että niiden esto vaimennus pysyy suhteellisen suurena ainakin taajuuteen 10 GHz asti. Suodattimelta vaaditaan usein myös hyvää läpi-lyöntikestävyyttä ja tehonkestoa. Esimerkiksi WCDMA (wideband code division multiple access) -laitteissa lähetyssignaalin sähkökentän voimakkuudella on hetkel-10 lisiä huippuja, jotka voivat aiheuttaa läpilyöntejä eristeessä. Alipäästösuodattimen tehonkestolle voi olla suuria vaatimuksia varsinkin tapauksissa, joissa useita lähe-tyssignaaleja summataan yhteen. Pienet häviöt on vähintään toivottava ominaisuus useimmissa suodattimissa. Häviöiden pienuus merkitsee pientä vaimennusta päästö-kaistalla ja sovituksen helpottumista. Lisäksi sarjavalmisteisten suodattimien koh-15 dalla on oleellisen tärkeää, miten pieniksi vaatimukset täyttävän suodattimen tuotantokustannukset pystytään saamaan.

Ennestään tunnetaan keloista ja kondensaattoreista rakennettuja suurtaajuisia alipäästösuodattimia. Nämä ovat käyttökelpoisia muutaman gigahertsin taajuuksille asti. Vielä suuremmilla taajuuksilla mainituilla komponenteilla toteutettujen suodat-20 timien ominaisuudet heikkenevät voimakkaasti johtuen komponenttien parasiittisista ilmiöistä. Kelojen ja kondensaattoreiden omaresonanssit saattavat aiheuttaa merkit-i '·· täviä vaihteluja estovaimennukseen suurilla taajuuksilla. Tätä haittaa voidaan pie- nentää toteuttamalla alipäästösuodatin kahden alipäästösuodattimen sarjakytkentänä ' ‘i siten, että ensimmäinen suodatin vaimentaa tietyllä taajuuskaistalla ja toinen suoda- 25 tin vaimentaa edelliseen verrattuna ylemmällä taajuuskaistalla. Tällöin haittana on tuotannon vaikeutuminen, koska rakenteessa tarvitaan komponentteja, joiden kapasitanssi tai induktanssi on arvoltaan hyvin pieni ja lisäksi toleranssiltaan pieni.

v : Komponenttien omaresonansseista johtuvia haittoja voidaan vähentää käyttämällä « * t :: : kondensaattorien ja kelojen sijasta hajautetun kapasitanssin ja induktanssin piirieli- * . 30 miä. Tällaiset elimet toteutetaan usein piirilevyn pinnalle syövyttämällä. Kuvassa la ,··. on esimerkki piirilevylle muodostetusta, tekniikan tason mukaisesta alipäästösuo- ’·’ dattimesta. Suodatin koostuu piirilevylle 10 sarjaan muodostetuista johdealueista, I » * * kuten 11, 12, 13 ja 14 sekä maatasosta, joka voi olla metallointi piirilevyn vastak- • · kaisella pinnalla tai piirilevyn ympärillä oleva suojakotelo. Suodattimen syöttöjohto 2 113577 kytketään johdealueiden tulopään IN ja maan välille, ja signaali otetaan ulos johde-alueiden lähtöpään OUT ja maan välistä. Joka toinen johdealue, kuten 11 ja 13, on suhteellisen leveä. Niissä on olennaista niiden kapasitanssi maatason suhteen. Joka toinen johdealue, kuten 12 ja 14, taas on suhteellisen kapea. Niissä on olennaista 5 niiden induktanssi. Suodattimen vastinkytkentä on tällöin kuvan Ib mukainen. Siinä on tulopäästä lähtien sarjassa induktanssit L1-L8. Induktanssien väleistä on kytketty maahan kapasitanssit C1-C7. Induktanssien ja kapasitanssien arvot riippuvat tietenkin johdealueiden mitoituksesta, jolla siis määrätään suodattimen vaste. Käytännössä suodatin on kaksiosainen siten, että esimerkiksi induktansseja L1-L4 ja kapasi-10 tansseja C1-C4 vastaavat osat yhdessä syöttävän portin impedanssin kanssa vaimentavat riittävän paljon halutusta rajataajuudesta erääseen toiseen taajuuteen. Induktansseja L5-L8 ja kapasitansseja C5-C7 vastaavat osat yhdessä lähdön syöttämän piirin impedanssin kanssa taas vaimentavat riittävän paljon mainitusta toisesta taajuudesta erääseen vielä suurempaan kolmanteen taajuuteen asti. Jos kuvan 1 suodat-15 timen rajataajuus on gigahertzin suuruusluokkaa, rakenne on piirretty suurennettuna. Piirilevyn johdealueen yksittäisten osien signaalin etenemissuuntainen pituus on hyvin pieni signaalin aallonpituuteen verrattuna. Signaalin taajuuteen verrattuna kertaluokkaa suuremmilla taajuuksilla piirielimiä on syytä tarkastella jo siirtojohtoi-na. Edellä mainittu suotimen kaksiosaisuus johtuukin siitä, että suotimen ensimmäi-20 sessä osassa syntyy korkeilla taajuuksilla estovaimennusta pienentäviä siirtojohtore-sonansseja.

Piirilevylle toteutetut alipäästösuodattimet ovat rakenteeltaan hyvin soveltuvia sarja-tuotantoon. Haittana niillä on, että suuritehoisissa sovelluksissa piirielimien virran- • · • ' · · kestävyys voi käydä riittämättömäksi. Lisäksi haittana on, että vaativissa sovelluk- L‘:* 25 sissa piirilevyn aiheuttamat häviöt siirrettävälle signaalille voivat olla liian suuret.

·;·*: Edelleen haittana on, että syötettäessä useita suuritaajuisia signaaleja piirilevylle toteutettuun alipäästösuodattimeen, johdealueella kuparin päällä käytettävä nikkeli . ’: ·. saattaa aiheuttaa haitallisia keskeismodulaatiotuloksia.

♦ * ·

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja.

* »· ; 30 Keksinnön mukaiselle suodatinrakenteelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itse- t * » : näisessä patenttivaatimuksissa. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitet- . ty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

• »· • * ·

Keksinnön perusajatus on seuraava: Alipäästösuodattimessa käytetään hajautetun kapasitanssin ja induktanssin rakenneosia. Nämä on toteutettu homogeenisella ja .·.11 35 suhteellisen paksulla johdekappaleella, jossa on sarjassa vuoron perään induktiivisia • · ja kapasitiivisia osia. Johdekappale on esimerkiksi hopeoitu, ja se sijaitsee pääasias- 113577 3 sa ilmaeristettynä suljetussa metallikotelossa, joka toimii signaalin maajohtimena ja suojavaippana häiriökenttiä vastaan. Kotelossa voi olla johtavat väliseinät peräkkäisten kapasitiivisten osien välisen kytkennän estämiseksi. Suodattimen ytimen muodostava johdekappale on tuettu dielektrisellä materiaalilla koteloon. Kotelon 5 päissä on läpiviennit suodattimen tulo- ja menojohdon kytkemiseksi.

Keksinnön etuna on, että sen mukaisen suodattimen tehonkesto on hyvä suhteellisen suurten johdinpoikkipintojen vuoksi. Lisäksi keksinnön etuna on, että suodattimen häviöt ovat suhteellisen pienet rakenneosien ilmaeristeisyyden ja suhteellisen suuren poikkipinnan vuoksi. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukainen rakenne ai-10 heuttaa suhteellisen vähän keskeismodulaatiota ferromagneettisten päällystemateriaalien puuttumisen ja johderajapintojen pienen määrän vuoksi. Edelleen keksinnön etuna on, että suodatin on ominaisuuksiltaan stabiili. Edelleen keksinnön etuna on, että myös vaimennusvaatimukset täyttävän suodattimen valmistuskustannukset ovat suhteellisen pienet yksinkertaisen rakenteen vuoksi.

15 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva la esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta alipäästösuodattimesta, kuva Ib esittää kuvan la mukaisen suodattimen vastinkytkentää, kuva 2 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta alipäästösuodattimesta, ’ ’ 20 kuva 3 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta alipäästösuodattimesta, « · * • kuva4 esittää kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisesta alipäästösuodattimes- ta, • < · kuva 5 esittää neljättä esimerkkiä keksinnön mukaisesta alipäästösuodattimesta 25 ja * ♦ · :: kuva 6 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen alipäästösuodattimen vasteesta.

t # ♦

Kuvia la ja Ib selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

• * · «t»

Kuvassa 2 on esimerkki keksinnön mukaisesta alipäästösuodattimesta. Suodattimen rt· 200 kotelo 210 on piirretty osittain aukileikatuksi. Kotelon sisällä on levymäinen • i * * 30 johdekappale 220, josta on näkyvissä suodattimen tulopäästä IN lähtien järjestyk- ' * sessä osat 221, 222, 223, 224, 225, 226 ja 227. Osilla 221, 223, 225 ja 227 on suh- 113577 4 teellisen suuri pinta-ala. Niiden olennainen ominaisuus on kapasitanssi, jonka ne muodostavat kotelon 210 sivuseinien suhteen. Kapasitanssi on signaalin etenemistä ajatellen hajautettu. Kappaleen 220 jäykkyyden vuoksi mainitut kapasitiiviset elimet eivät juuri tarvitse tukea, joten niiden ympärillä on eristeenä vain ilmaa. Tämä 5 merkitsee suhteellisen pieniä häviöitä. Kapasitiivisten elimien 221 ja 223 välissä on suhteellisen kapea levyjohdin 222. Se lähtee läheltä elimen 221 jälkireunaa ensin suotimen pituussuuntaan nähden kohtisuorasti alaspäin, jatkuu sitten pituussuunnassa ja edelleen pituussuuntaan nähden kohtisuorasti ylöspäin lähelle elimen 223 etu-reunaa, muodostaen näin kulmikasta U-kirjainta muistuttavan lenkin. Termit 10 ’’jälkireuna” ja ’’etureuna” viittaavat tässä signaalin etenemissuuntaan suodattimes-sa. Johdinlenkkiä 222 vastaava johdin 224 on elimien 223 ja 225 välillä ja johdin 226 elimien 225 ja 227 välillä. Johtimien 222, 224 ja 226 olennainen ominaisuus on induktanssi. Induktiiviset elimet kytkeytyvät käytännössä sarjaan kapasitiivisten elimien alaosien kautta. Näin muodostuu alipäästävä rakenne, jossa on pitkittäis-15 suunnassa induktanssia ja poikittaissuunnassa, eli induktanssien väleistä signaali-maahan, kapasitanssia. Kunkin kapasitanssin ja induktanssin suuruus voidaan erikseen määrätä kappaleen 220 mitoituksen avulla. Näin saadaan suodattimelle haluttu siirtofunktio ja taajuusvaste.

Kuvan 2 esimerkkirakenteessa voi suodatinkotelon pituuden perusteella olla kaikki-20 aan kahdeksan kapasitiivista elementtiä. Jos viimeiseksi elementiksi järjestetään induktiivinen elementti, on myös näitä kahdeksan. Jos suodatin mitoitettaisiin yksittäiseksi suodattimeksi, tämän kertaluku olisi 16. Tällöin kuitenkin saattaisi esiintyä : rajataajuuteen verrattuna suurilla taajuuksilla siirtojohtoresonansseja, minkä vuoksi i ’.. kertalukua vastaavaa teoreettista estovaimennusta ei käytännössä saavutettaisi. Tä- • *: · 25 män vuoksi suodatin kannattaa mitoittaa kaksiosaiseksi, niin että siinä on peräkkäin • I ► · ·;>·· kaksi 8. kertaluvun alipäästösuodatinta. Ensimmäisen osan rajataajuus järjestetään .·koko suodattimen halutun rajataajuuden suuruiseksi. Toisen osan rajataajuus järjes-tetään sellaiseksi, että toinen osa vaimentaa tehokkaasti taajuuksilla, joilla ensimmäisen osan resonanssit huonontavat estovaimennusta. Järjestely olisi vastaava kuin 30 kuvassa 3.

« i t tl# : Kuvan 2 esimerkissä induktiiviset elementit ja siten koko johdekappale 220 tukeu- , tuu suodatinkotelon pohjalevyn 211 päällä olevaan eristelevyyn 230. Tarvittavissa • » * kohdin voi olla vähäisiä lisätukia. Kuvassa näkyvät koaksiaaliset tulojohto 205 ja *·;* lähtöjohto 207. Tulojohdon vaippa on kytketty galvaanisesti suodatinkotelon 210 v : 35 päätyyn ja sisäjohdin niin ikään galvaanisesti kapasitiiviseen elimeen 221 johtimella \i 206. Suodatinkoteloon kuuluu johtavia väliseiniä. Elimien 221 ja 223 välissä on sei- 113577 5 nä 212, elimien 223 ja 225 välissä on seinä 213 ja elimien 225 ja 227 välissä on seinä 214. Väliseinillä estetään kapasitiivisten elimien välinen sähkömagneettinen kytkentä. Suodatinkotelon etuseinässä näkyy kaksi taivuteltavaa läppää 216 ja 217. Ne ovat suodattimen virittämiseksi.

5 Kuvassa 3 on toinen esimerkki keksinnön mukaisen suodattimen ydinosasta eli hajautettuja kapasitansseja ja induktansseja käsittävästä johdekappaleesta. Johdekap-paleessa 320 on kahdeksan suhteellisen leveää levyä, kuten 321 ja 322, jotka toimivat kapasitiivisina eliminä täydellisessä rakenteessa. Lisäksi johdekappaleessa 320 on seitsemän kapasitiivisia elimiä yhdistävää suhteellisen kapeaa levyä, kuten 322 ja 10 324, jotka toimivat induktiivisina eliminä. Ero kuvan 2 johdekappaleeseen 220 on, että kapasitiiviset elimet ovat nyt paksumpia kuin induktiiviset. Paksunnoksen vuoksi kapasitiivisen elimen etäisyys maatasosta on pienempi ja kapasitanssi suurempi kuin samankokoisen tasapaksun rakenteen tapauksessa. Kappaleen valmistus mutkistuu, mutta etuna on, että suodatin saadaan pienempään tilaan.

15 Alipäästösuodattimen, johon kuvan 3 johdekappale kuuluu, on tarkoitus olla kaksiosainen edellä kuvatulla tavalla. Tämän vuoksi on rakenteen keskellä oleva induktiivinen elin 328 muita leveämpi, lyhyempi ja suuremmalla poikkipinnalla kapasi-tiivisiin elimiin liittyvä. Induktanssi on tällöin hyvin pieni. Elin 328 muodostaa siten hyvin pieni-impedanssisen tien suodattimen ensimmäisestä osasta toiseen.

20 Kuvassa 4 on kolmas esimerkki keksinnön mukaisen suodattimen ydinosasta. Kuvassa näkyy johdekappaleen 420 kaksi kapasitiivista elintä 421 ja 423, sekä näihin * > t ' ’ liittyviä induktiivisia osia. Kuva on siis vain periaatteellinen. Rakenteelle on omi- • * ’· ” naista kapasitiivisia elimiä edustaviin levyihin esimerkiksi taivuttamalla tehdyt ulokkeet. Elimen 421 yläpäässä on tällainen taive Bl. Vastaavasti elimen 423 ku-25 vasta katsottuna vasemmassa reunassa on taive B2 ja oikeassa reunassa taive B3.

: ’*. Valitsemalla taipeen sijainti, pituus ja korkeus voidaan kapasitanssi järjestää tarkoin :': ‘: oikeaksi. Taipeilla on myös rakennetta lujittava vaikutus.

.,. Kuvassa 5 on neljäs esimerkki keksinnön mukaisen suodattimen ydinosasta. Siinä » * * ’'/ on keskellä kuvassa vaakasuuntainen, suodattimen pituussuuntainen suora johdin *.* * 30 522. Sillä on luonnollisesti tietty induktanssi jakautuneena tasaisesti johtimen mital- ; le. Tulopään IN lähellä johtimesta 522 haarautuu vastakkaisiin suuntiin kaksi poikit- • »* .· * ·. täistä ja vaakasuuntaista, suhteellisen lyhyttä johdinta. Nämä jatkuvat pystysuuntai- * »» ,;, sinä leveämpinä johtimina 521 a ja 521 b, jotka ovat toiselta sivultaan pituussuuntai- I ♦ » siä. Täydellisessä rakenteessa johdelevy 521a on lähellä suodattimen kotelon esi-*·* 35 merkiksi etuseinää, ja johdelevy 521b on lähellä kotelon takaseinää. Mainitut johde- 6 113577 levyt muodostavat näin merkittävän kapasitanssin signaalimaan suhteen. Koska joh-delevyt 521a ja 521b ovat piiriteknisesti rinnakkain, suodattimen vastinpiiriin tulee niiden kapasitanssien summa. Mentäessä johdinta 522 eteenpäin, tulee toinen edellä kuvatun kaltainen haarautumiskohta ja johdelevypari 523a, 523b, ja sitten peräjäl-5 keen vielä kuusi johtimeen 522 liittyvää johdelevyparia. Tässäkin esimerkissä siis sisältyy rakenteeseen kahdeksan kapasitiivista elintä, joiden väleissä on induktanssia. Kapasitiiviset elimet vain ovat nyt kaksiosaisia. Kun kaikki kuvan 5 mukaisen rakenteen osat ovat samanpaksuisia, rakenteen valmistus on yksinkertaista. Sen etuna on, että suodatin on toteutettavissa suhteellisen pienikokoisena.

10 Kuvassa 6 on esimerkki erään keksinnön mukaisesti rakennetun alipäästösuodatti-men amplitudivasteesta. Pystyakselilla on parametri S21, joka kuvaa signaalin vaimenemista suodattimessa. Vaaka-akselilla on muuttujana taajuus. Päästökaistan on tarkoitus ulottua noin taajuuteen 2 GHz; oletetun järjestelmän kantoaaltotaajuus on alueella 1,92-1,98 GHz. Kuvaajasta 61 nähdään, että vaimennus kaksinkertaisella 15 kantoaaltotaajuudella on noin 25 dB, ja taajuudesta 4,4 GHz ylöspäin ainakin taajuuteen 13 GHz vaimennus pysyy suurempana kuin 50 dB. Kolminkertaisella kantoaaltotaajuudella vaimennus on erityisen suuri.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisia ratkaisuja. Keksintö ei rajoitu juuri niihin. Johdekappale, jolla suodattimen induktanssit ja kapasitanssit muodostetaan, 20 voi vaihdella suuresti muodoltaan. Peräkkäisten elinten ei myöskään tarvitse sijaita samalla suoralla; rakenne voi tehdä U-mutkan niin, että suodattimen tulo ja lähtö ... ovat kotelon samassa päädyssä. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa lukuisilla j ·' tavoi 1 la itsenäisen patenttivaatimuksen asettamissa raj oissa.

• * · • : * * · i I * « * • · < > * • · I ‘ · • i * • ·- · L ) t * · » 1 t % « · I » » > » * » » * l *

f I

» * » · • » . » » i I » » t » · > $ t * I I I * » ·

Claims (9)

113577

1. Alipäästösuodatin, joka käsittää sähköisesti johtavan kotelon ja siinä peräkkäisiä hajautetun reaktanssin elimiä, joista joka toinen on kapasitiivinen ja joka toinen induktiivinen, tunnettu siitä, että mainittu kotelo (210) on suodattimen signaa- 5 litien maajohdin, ja hajautetun reaktanssin elimet muodostavat homogeenisen joh-dekappaleen (220; 320; 420; 520), joka on kytketty galvaanisesti ainakin alipääs-tösuodattimen tulojohdon sisäjohtimeen ja on galvaanisesti erotettu mainitusta maa-johtimesta jolloin eristysaine on olennaisesti ilma.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu johde-10 kappale (220) on olennaisesti tasomainen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainitun johde-kappaleen (320) kapasitiiviset elimet ovat olennaisesti paksumpia ja lähempänä mainitun johdekappaleen määrittämän tason suuntaista suodattimen kotelon seinää kuin induktiiviset elimet.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainitun johde- kappaleen ainakin yksi kapasitiivinen elin käsittää kaksi sähköisesti rinnakkaista osaa, joista ensimmäinen osa (521a) muodostaa kapasitanssin olennaisesti mainitun kotelon ensimmäisen seinän kanssa, ja toinen osa (521b) muodostaa kapasitanssin olennaisesti mainitun kotelon ensimmäiseen seinään nähden vastakkaisen seinän 20 kanssa.

• · • · ·*’ 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainitun johde- * · . kappaleen ainakin yksi kapasitiivinen elin (423) käsittää olennaisesti suorakulmai sen levyn, jolla on ainakin yhdellä sivullaan levyn tasosta olennaisesti poikkeava uloke (B2, B3).

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu kotelo (210) käsittää ainakin yhden johtavan väliseinän (212, 213, 214) peräkkäisten kapa-•. ·. sitiivisten elimien välillä.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu johde-* * *: kappale tukeutuu pituussuuntaisesta reunastaan mainitun kotelon yhdellä sisäsivulla 30 olevaan dielektriseen levyyn (230).

'.··. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu johde- ; ‘ *, · kappale tukeutuu suodattimen tulo- ja lähtöjohtimiin. 113577

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen alipäästösuodin, tunnettu siitä, että se käsittää sarjaan kytkettyinä ensimmäisen osan ja toisen osan, joista ensimmäisen osan rajataajuus on sama kuin koko alipäästösuotimen rajataajuus ja toisen osan rajataajuus on olennaisesti suurempi kuin ensimmäisen osan rajataajuus. 5