FI89429C - Duplex-filter - Google Patents

Description

1 89429

Duplex-suodatin

Keksinnön kohteena on menetelmä oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen duplex-suodatin.

5 Radiotietoliikennelaitteissa käytetään pääasiassa kahta eri liikennemuotoa eli simplexliikennettä tai dup-lexliikennettä. Simplexliikenteessä liikenne tapahtuu vuorosuuntaisesti toistensa kanssa liikennöivien asemien välillä joko yhtä taajuutta (yhden taajuuden simplexliiken-10 ne) tai kahta taajuutta (kahden taajuuden simplexliikenne) käyttäen. Tunnusomaista simplexliikenteelle on se, että aseman lähettäessä se ei voi samanaikaisesti kuunnella vasta-asemaa tai -asemia. Duplexliikenteessä sitä vastoin lähetys ja vastaanotto tapahtuvat samanaikaisesti eri taa-15 juuksia käyttäen. Tämä tehdään mahdolliseksi valitsemalla käytetyt taajuudet poikkeamaan toisistaan riittävän paljon, jotta on mahdollista konstruoida suodatin erottamaan eri taajuiset signaalit toisistaan. Varsinkin kiinteässä asennuksessa (ns. tukiasemat) käytetään erotuksen paranta-20 miseksi vielä eri antenneja lähetykseen ja vastaanottoon. Ajoneuvoissa ja käsipuhelimissa joudutaan erotus aina hoitamaan ns. duplex-suodattimella yhtä antennia käyttäen.

Kuten tunnettua, on duplex-suodatin jakosuodatin, joka muodostuu kahdesta osasta, nimittäin lähetin- ja vas-25 taanotinsuodattimista, jotka on sovitettu yhteen anten-niportissa tai toisistaan erilleen, jos lähetykseen ja . vastaanottoon käytetään eri antenneja. Vastaanottosuodat- timen sovituksen tulee olla mahdollisimman hyvä ja päästö-vaimennuksen mahdollisimman pieni vastaanottotaajuuksilla, 30 tyypillisten päästövaimennusarvojen ollessa luokkaa 3...5 dB. Lähettimen taajuuksilla vastaanottosuodattimen vaimennuksen tulee olla suuri, ohjearvon ollessa >65 dB:iä vastaanottimen suurtaajuusvahvistimen ja sekoittajan aiheuttamien harhatoistojen välttämiseksi. Vastaanottosuodatin - 35 toteutetaan yleensä kaistanpäästösuodattimena. Lähetin- 2 89429 suodatin saa vaimentaa antenniin menevää tehoa mahdollisimman vähän. Suuri vaimennus merkitsee paitsi suodattimen lämpenemistä, myös suurempaa lähetintehon tarvetta ja siten myös suurempaa virrankulutusta ja suurempaa paristoa 5 tai lyhyempää toiminta-aikaa. Lähettimessä syntyy hyöty-signaalin ohella myös kohinaa vastaanottotaajuuksilla. Jos tämä kohina pääsee antenniporttiin ja sitä kautta vastaanottimeen, "maskeeraa" se vastaanotettavan signaalin, eli vastaanottimen herkkyys huononee, kun lähetin käynniste-10 tään. Tämän vuoksi tulee lähetinsuodattimen vaimennuksen vastaanottotaajuuksilla olla 40...70 dB:iä lähettimen laadun ja tehon mukaan. Suuri vaimennusero toteutettuna pienikokoisilla resonaattoreilla aiheuttaa päästökaistalla vaimennusvaihtelun, joka voi olla jopa 1,5 dB. Se on kor-15 jättävä säätämällä lähettimen lähtötehoa käytetyn taajuu den mukaan, mikä tekee lähettimen monimutkaisemmaksi ja lisää kustannuksia.

Käytännössä käy duplex-suodattimen toteutus sitä vaikeammaksi, mitä suurempi on sen toteutettavuusluku S, 20 jolle pätee kaava:

f o B

(1) S = missä D Q0 25 f0 on toimintataajuus, B on äärikanavien välinen taajuusero eli kaistaleveys (eli viritysalue), D on lähetys- ja vastaanottotaajuuksien ero eli ns. 30 dupleksiväli, ja Q0 on resonaattorien Q-arvo.

Toimintataajuus, kaistaleveys eli viritysalue ja dupleksiväli ovat järjestelmävakioita, joiden valintaan vaikuttavat esim.: 35 - käytettävissä olevat taajuudet, 3 89429 - liikennemäärä, joka varsinkin yleisiä verkkoja suunniteltaessa perustuu arvioon (useassa yleiseen käyttöön tarkoitetussa verkossa on kanavia jouduttu lisäämään eli kaistaleveys B on suurempi kuin aluk- 5 si suunniteltiin), ja - perustamishetkellä vallitseva käsitys teknisistä toteutusmahdollisuuksista.

Järjestelmän käyttöiän aikana tapahtuvia käyttöta-pamuutoksia ja käyttäjien asettamia vaatimuksia on yleensä 10 mahdoton ennustaa etukäteen. Laitevalmistajat pyrkivät kilpailemaan käyttäjien suosiosta kehittämällä tuotteitaan käyttäjäystävällisemmiksi. Yleisissä verkoissa kehityspaine kohdistuukin erityisesti seuraaviin seikkoihin: - pienempi koko, 15 - kannettavissa laitteissa keveys ja pitempi käyt töaika yhdellä akun varauksella, ja - halvempi hinta.

Edellä esitettyyn duplex-suodattimen toteutetta-vuuslukuun S vaikuttavat olennaisesti resonaattorin häviöt 20 eli resonaattorin Q-arvo, joka riippuu kaikilla resonaat-torityypeillä resonaattorin tilavuudesta. Tämä merkitsee siis sitä, että toteutettavuus huononee käytettävän tilan pienentyessä.

Suodattimien ominaisuuksiin vaikuttaa resonaatto-25 rien Q-arvon lisäksi myös niiden topologia ja napaluku (resonaattorien lukumäärä). Kaistanpäästösuodattimien päästövaimennus on tyypillisesti suurempi kuin ali- tai ylipäästösuodattimien päästövaimennus. Duplex-suodattimien lähetinhaarassa käytetäänkin yleisesti viimemainittujen 30 erikoissovellutusta, ns. loukku- eli notchsuodatinta, jol la saadaan aikaan pieni päästövaimennus, suuri estovaimen-nus kapealla taajuuskaistalla ja suuri reunajyrkkyys, mutta vain joko päästökaistan ylä- tai alapuolella. Muilla taajuuksilla vaimennus jää vaatimattomaksi ja joudutaan 35 käyttämään erikoisratkaisuja.

4 89429

Tarkasteltaessa edellä kaavassa (1) esitettyä to-teutettavuuslukua S havaitaan, että järjestelmävakiot näyttävät jättävän suodattimen suunnittelijalle/valmista-jalle vain vähän liikkumatilaa: Q-arvon. Laitevalmistaja 5 haluaa kuitenkin duplex-suodattimen edellä esitettyjen kehityspaineiden mukaisesti entistä pienempään tilaan, mikä merkitsee entistä alhaisempaa Q-arvoa eli (suodattimen suunnittelijan/valmistajan kannalta) käytännössä vähemmän marginaaleja ja siten suurempia valmistuskustan-10 nuksia. Edellä esitetyn mukaisesti laitevalmistaja haluaa kuitenkin laitteelleen entistä halvemman hinnan.

Tarkasteltaessa toteutettavuuslukua S lähemmin todetaan kuitenkin, että vain toimintataajuus f0 ja duplek-siväli D ovat ehdottomia vakioita. Viritysaluetta eli 15 kaistaleveyttä B voidaan nimittäin pienentää jakamalla toimintakaista useampaan osa-alueeseen Β^,.Β,, siten, että osa-alueet yhdessä peittävät käytettävän taajuuskaistan B (8=6^82+83+. · ·+Βη)· Näin saadaan toteutettavuusluku suuremmaksi kullakin osa-alueella. Toteutettavuusluvusta S riip-20 puu myös se, kuinka monta resonaattoria tarvitaan tietyt esto- ja päästövaimennusominaisuudet omaavan suodattimen toteuttamiseen eli kuinka "jyrkkä" suodatin on. Suodatti-raessa olevien resonaattorien määrä on kokonaisluku, joten raja-alueilla suodatin voidaan toteuttaa n- tai n+l-napai-25 sena. Päästövaimennus kasvaa kuitenkin napaluvun (resonaattorien lukumäärän) kasvaessa eksponentiaalisesti, mikä merkitsee sitä, että samaan päästövaimennukseen vaaditaan suurempaa napalukua käytettäessä suurempi Q-arvo eli kooltaan suuremmat resonaattorit. Pienimmällä mahdollisella 30 napaluvulla eli pienimmällä mahdollisella resonaattorimää-rällä suodattimesta tulee kooltaan pienempi sekä yksinkertaisempi ja halvempi.

Edellä kuvattuun osa-aluejakoon perustuvaa viritys-periaatetta on käytetty suodattimen suoritusarvojen paran-35 tamiseksi varsinkin sotilaslaitteissa, joissa mekaaninen 5 39429 ja usein automaattinen viritys suoritetaan servo- tai as-kelmoottorilla, jotka on varustettu elektronisella ohjauksella. Lisäksi markkinoilla on autopuhelinverkon, kuten NMT-450, laitteisiin tarkoitettu duplex-suodatin, jossa 5 sekä lähetin- että vastaanotinsuodatin ovat askelmoottorin avulla viritettäviä ja jossa viritysalue on jaettu kahdeksaan osa-alueeseen. Askelmoottorissa on näin ollen kahdeksan porrasta, ja virityselimenä käytetään koko suodattimen läpi kulkevaa lovettua akselia, jossa lovet toimivat sää-10 tökondensaattoreina. Akseli on maadoitettu usealla jousella, ja sekä akseli että jouset on jouduttu kultaamaan kontaktiongelmien välttämiseksi.

Kuten edellä esitetystäkin ilmenee, ovat viritys-alueen jakoon perustuvat tunnetut laitteet hyvin monimut-15 kaisia ja siten myös vaikeita ja kalliita valmistaa. Niinpä niitä onkin käytetty lähinnä vain sovelluksissa, joissa laitteen hinta ei ole määräävä tekijä (esim. sotilaslaitteet). Edellä kuvattu siviilikäyttöön tarkoitettu tunnettu suodatin on paitsi ko. käyttötarkoitukseen kallis, myös 20 altis käyttöhäiriöille.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin käyttää hyväksi osa-aluejakoon perustuvaa viritysperiaatetta siten, että laitteisto voidaan pitää mahdollisimman yksinkertaisena ja valmistuskustannuksiltaan edullisena, toisin 25 sanoen, että saavutetaan optimiratkaisu viritysperiaat- teesta saavutettavan hyödyn ja valmistuskustannusten välillä. Tämä saavutetaan keksinnön mukaisella suodattimel-la, jolle on tunnusomaista se, mitä kuvataan oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

30 Keksinnön mukaisena perusajatuksena on jakaa viri tysalue vain kahteen, tai enintään kolmeen osa-alueeseen, jolloin ko. periaatteeseen siirtymisestä saavutetaan suurin suhteellinen hyöty ja jolloin laiterakenne, nimenomaan viritysmekanismi, voidaan vielä pitää yksinkertaisena.

6 89429

Keksinnön mukaisella ratkaisulla saadaan erityisesti duplex-suodattimelle aikaan taloudellisesti kannattava ja toimintavarma ratkaisu myös yleisiin solukkoverkkoihin, joissa kehityspaineet ovat edellä esitetyn mukaisia.

5 Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti osa- alueisiin perustuvaa viritysperiaatetta käytetään duplex-suodattimessa vain lähetinsuodattimessa, jossa siitä saavutetaan suurin hyöty. Näin saadaan duplex-suodatin entistä yksinkertaisemmaksi, koska viritysmekanismia ei tarvita 10 vastaanotinsuodattimessa.

Toisen edullisen suoritusmuodon mukaisesti käsittävät virityselimet sähkömagneetin. Käyttämällä sähkömagneettia saadaan itse viritysmekanismi hyvin yksinkertaiseksi .

15 Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viitaten oheisen kuvion 1 mukaiseen esimerkkiin, joka esittää pers-pektiivikuvantona keksinnön mukaisen duplex-suodattimen magneettisesti viritettävää lähetinsuodatinta.

Kuviossa 1 esitetty duplex-suodattimen magneetti-20 sesti viritettävä lähetinsuodatin käsittää kaksi rinnakkaista siirtojohtoresonaattoria 10 ja 20, joista kumpikin muodostuu sinänsä tunnettuun tapaan suoran metallilangan muodostamasta siirtojohdosta 11 vast. 21, jota metallinen tai metallilla päällystetty kotelo 30 ympäröi (kantta ei 25 esitetty). Resonaattorien välissä on kotelon väliseinä 31.

Kotelon ulkosivulle on kiinnitetty sähkömagneetti 1, joka on ohjattavissa kahden tai kolmen asennon välillä, toisin sanoen kahden ääriasennon ja mahdollisesti niiden välissä olevan keskiasennon välillä. Sähkömagneettiin on 30 kytketty siirtoelin, joka liikkuu sähkömagneetin ohjaamana. Siirtoelin muodostuu tässä tapauksessa tangosta 2, joka on toisesta päästään kytketty sähkömagneettiin ja joka kulkee lähetinsuodattimen (molempien resonaattorien) läpi. Sähkömagneetti 1 liikuttaa tankoa 2 nuolen A mukai-35 sesti edestakaisin kahden tai kolmen viritysasennon välil- 7 b 9 429 lä. Viritystä varten on kumpaankin resonaattoriin sovitettu tangon 2 pituussuunnassa oleellisesti U:n muotoinen, lattatyyppinen jousi 12 ja vastaavasti 22, jotka on toisesta päästään kiinnitetty koteloon 30 ja toisesta pääs-5 tään tankoon 2. Tangon 2 liikkuessa sähkömagneetin ohjaamana liikkuu kumpikin jousi vastaavasti lähemmäs tai kauemmas vastaavasta siirtojohdosta, jolloin siirtojohtimen avoimen pään ja jousen välinen virityskapasitanssi muuttuu. Tämä muutos saa puolestaan resonaattorin resonanssi-10 taajuuden muuttumaan halutulla tavalla virittäen suodattimen joko osa-alueelle Bx tai B2.

Sähkömagneetti 1 ohjataan eri asentoihin (ääriasennot ja mahdollisesti keskiasento) yksinkertaisimmillaan siten, että magneetin ohjausjännitettä kytketään ON- ja 15 OFF-tilojen välillä laitteen kanavaohjauksen ohjaamana. Koska kanavaohjauksen käyttö virityksen ohjaamisessa on sinänsä tunnettua, eikä se kuulu varsinaisen keksinnöllisen ajatuksen piiriin, ei sitä ole esitetty tarkemmin.

Resonaattorit 10 ja 20 on kytketty sinänsä tunnet-20 tuun tapaan lähetinsuodatinta ympäröivään rakenteeseen, minkä vuoksi liitäntöjä ei ole erikseen esitetty.

Käytännön suoritusarvoesimerkkinä mainittakoon, että tietokonesimulointiin perustuen on valmistettu prototyypit NMT-450 duplex-suodattimen lähetinhaarasta sekä 25 tavanomaista ratkaisua käyttäen (n=l eli koko viritysalue ilman osa-aluejakoa) että edellä kuvattua rakennetta käyttäen jakamalla viritysalue kahteen osa-alueeseen (n=2 eli sähkömagneetilla kaksi asentoa). Vertailu näyttää seuraa-valta: 30 n=l n=2 resonaattoreita: 3 2 päästövaimennus: 1,8 dB 1,1 dB lähetintaaj.

vaimennusvaihtelu: 1 dB 0,2 dB

estovaimennus: 58 dB 63 dB vast.otin.taaj.

8 39429

Vertailussa resonaattorien erilainen lukumäärä aiheutuu osajakoperiaatteeseen siirtymisestä; vaaditut jyrkkyys-ominaisuudet voidaan saavuttaa jättämällä yksi resonaattori pois. Resonaattorit ovat samankokoiset, joten keksinnön 5 mukainen suodatin mahtuu 2/3;aan jakamattoman vaatimasta tilasta. Sähkömagneetin 1 vaatima tila on oleellisesti pienempi kuin kolmannen resonaattorin vaatima tila. Vertailusta ilmenevä 0,7 dB:n päästövaimennusero tarkoittaa esim. NMT-450 verkossa, jossa antenniin menevän tehon on 10 oltava 15 W, sitä, että lämmöksi muuttuva teho saadaan keksinnön mukaista laitetta käytettäessä 8,45 W pienemmäksi (40 %:n hyötysuhteella). Laitteiden koon pienentyessä voi jäähdytyksen järjestäminen tulla ratkaisevaksi tekijäksi, joten lämmöksi muuttuvan tehon pienenemisellä on 15 erittäin oleellinen merkitys.

Vastaavanlaisella tietokonesimuloinnilla voidaan todeta, että siirryttäessä käyttämään kolmea osa-aluetta pienenee päästövaimennus edelleen, ei kuitenkaan niin paljon kuin siirryttäessä yhdestä kahteen osa-alueeseen.

20 Ei ole estettä soveltaa jakoperiaatetta myös vas- taanotinsuodattimeen. Koska vastaanotinsuodattimen pääasiallinen tehtävä on kuitenkin estää asiaankuulumattomien signaalien pääsy vastaanottimeen, ei piirien lukumäärää voida pienentää, eikä jaosta saavuteta sellaista hyötyä 25 kuin lähetinsuodattimessa. Tämän takia onkin edullista käyttää keksinnön mukaista periaatetta vain lähetinsuodattimessa. Koska vastaanotinsuodatin voidaan toteuttaa joko samoin kuin edellä kuvattu lähetinsuodatin, tai sinänsä tunnetulla tavalla, ei vastaanotinsuodatinta ole erikseen 30 esitetty.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisen piirustuksen mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esit-35 tämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Vaikka siis 9 89429 oheinen esimerkki liittyy duplex-suodattimeen, voidaan keksinnön mukaista ratkaisua käyttää kaikkiin suurtaajuus-suodattimiin. Myöskin sähkömagneetin, tangon ja jousien muodostama viritysmekanismi voi olla hyvinkin monen tyyp-5 pinen. Ensinnäkin virityskappaleina toimivien metallisten tai metallilla päällystettyjen jousien tilalla voi olla esim. jostakin ilmaa suuremman dielektrisyysvakion omaavasta materiaalista valmistettu dielektrinen pala, jota liikutellaan resonaattoreissa. Tällainen dielektrinen pala 10 vaikuttaa resonaattorin efektiiviseen dielektrisyysvakioon ja muuttaa näin taajuutta samoin kuin metallijousikin. Toiseksi voi sähkömagneetin tilalla olla esim. mikä tahansa tarkoitukseen sopiva sähkömekaaninen muunnin, kuten pietsosähköinen tai magnetostriktiivinen muunnin. Periaat-15 teessä voitaisiin sähkömagneetin tilalle ajatella myös muunninta, johon ei ole kytketty mekaanista siirtoelintä, vaan joka sähkö- tai magneettikentän avulla muuttaa resonaattorin sisällä paikallaan pysyvän dielektrisen palan dielektrisyysvakiota ja muuttaa tällä tavoin resonanssi-20 taajuutta samoin kuin liikkuva, mutta kiinteän dielektrisyysvakion omaava dielektrinen pala. Kun siis oheisissa vaatimuksissa puhutaan muuntimesta, on sen siis ymmärrettävä sisältävän paitsi kuvion mukaisessa esimerkissä esitetyn sähkömagneetin, myös edellä esitetyt muut vaihtoeh-25 dot. Lähetinsuodattimessa voi periaatteessa olla myös useampia muuntimia, mutta yksinkertaisin ratkaisu saavutetaan kuitenkin siten, että yksi muunnin virittää kunkin resonaattorin samanaikaisesti. Periaatteessa viritys voitaisiin suorittaa myös esim. PIN- tai kapasitanssidiodeil-30 la, mutta näiden ratkaisujen ongelmana on kuitenkin ko. komponenttien epälineaarisuus suurilla tehotasoilla. Suo-dattimessa olevien resonaattorien tyyppiä voidaan myös vaihtaa keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (7)

10 8 9 42 9

1. Duplex-suodatin, joka käsittää erilliset lähetin- ja vastaanotinsuodattimet lähetin- ja vastaanotinsig- 5 naalien erottamiseksi toisistaan, ja elimet (1, 2, 12, 22) suodattimen virittämiseksi useille osa-alueille (B1. . .Bn), jotka yhdessä peittävät koko viritysalueen (B), tunnettu siitä, että ainakin lähetyssuodattimen viritys-elimet käsittävät resonaattoreita (10; 20) ohjaavan muun- 10 timen (1), joka on ohjattavissa korkeintaan kolmen ulostu-loasennon välillä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen duplex-suodatin, tunnettu siitä, että muunnin muodostuu sähkömagneetista (1).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen duplex-suo datin, tunnettu siitä, että muuntimeen on kytketty ainakin yksi siirtoelin (2), joka siirtää mekaanisesti kussakin resonaattorissa (10; 20) olevaa virityskappaletta (12; 22).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen duplex-suodatin, tunnettu siitä, että virityskappale on jousi (12, 22), joka toimii kondensaattorin toisena levynä muuttaen jousen ja resonaattorin (10; 20) siirtojohdon (11; 21) välistä virityskapasitanssia.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen duplex-suodatin, tunnettu siitä, että virityskappale on dielektrinen pala.

6. Patenttivaatimuksen 3, 4 tai 5 mukainen duplex-suodatin, tunnettu siitä, että siirtoelin muodostuu 30 tangosta (2), johon kunkin resonaattorin (10; 20) viritys-kappale (12; 22) on kiinnitetty, jolloin tanko siirtää kunkin resonaattorin (10; 20) virityskappaletta (12; 22) samanaikaisesti.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen duplex-suodatin, 35 tunnettu siitä, että muunnin on sähkö- ja/tai mag- il 89429 neettikentän aikaansaava muunnin, ja että kunkin resonaattorin sisällä on paikallaan pysyvä dielektrinen pala, jonka dielektrisyysvakiota mainittu sähkö- ja/tai magneettikenttä muuttaa. 12 8 9 42 9