FI90158C - Oevertonsfrekvensfilter avsett foer ett keramiskt filter - Google Patents

Description

Keraamiseen suodattimeen tarkoitettu harmonisten taajuuksi en suodatin - Övertonsfrekvensfilter avsett för ett kera- miskt filter 1 9::158 5 Tämä keksintö koskee keraamisuodatinta, joka käsittää di-elektristä materiaalia olevan lohkon, jossa on ainakin yksi lohkon yläpinnalta alapinnalle ulottuva sähköä johtavalla aineella pinnoitettu reikä. Lohkon pinnat on ainakin pääosin 10 pinnoitettu sähköä johtavaksi ja siinä on kytkentävälineet ja kytkentäkuviot suurtaajuussignaalin tuomiseksi suodattimeen ja resonaattoreihin kytkeytymiseksi sekä suodatetun signaalin johtamiseksi ulos suodattimesta.

15 Tämäntyyppinen keraamisuodatin on suodatintekniikassa hyvin tunnettu ja käytetty eräiden hyvien ominaisuuksiensa vuoksi. Keraamimateriaalin suuren dielektrisyysvakion vuoksi on suodattimen koko pieni verrattuna esim. samalla taajuusalueella toimivaan helix-suodattimeen. Sen tehonkesto on suuri 20 ja mekaaninen sekä lämpötilastabiilius ovat hyvät. Resonaat-torilohkon reiän pinnoite yhtyy toisessa päässä lohkon ulkosivun pinnoitteeseen, mutta reiän toisen pään ja sivun pinnoitteen välissä on johtamaton alue. Sähköisessä mielessä pinnoitettu reikä on resonaattorin sisäjohdin ja ulkojohti-25 men muodostaa lohkon pinnoite tai erillinen metallinen pinta. Tämäntyyppinen resonaattori, jonka sisäjohtimen toinen pää on avoin ja toinen on oikosuljettu, vastaa siten λ/4-resonaattoria, jonka perusvärähtelytaajuus määräytyy siten reiän pituudesta ja sen avoimen pään kuormituskapasi-30 tanssista. Tällainen resonaattori ei kuitenkaan värähtele vain perusresonanssitaajuudellaan, vaan λ/4-resonaattori värähtelee myös perustaajuuden parittomilla monikerroilla so. parittomilla harmonisilla. Värähtelyn eri moodeja erottamaan käytetään moodi-indeksiä M. Tämä indeksi kuvaa, 35 kuinka monta kertaa X/4-pituinen jännite(tai virta)-jakautuma sisältyy resonaattorin pituusakselille. Niinpä tämän mukaisesti X/4-resonaattorille M=l, sen ensimmäiselle harmoniselle M=3, toiselle harmoniselle M=5 jne. Resonaatto- 2 °ΓΊΕ3 rin ominaisimpendanssi sekä impedanssin syvyys eri moodi-indekseillä vaihtelee lineaarisesti indeksin M mukaan siten, että reaktiivinen impedanssi kasvaa moodi-indeksin kasvaessa .

5

Tietyissä suodatinsovelluksissa voidaan näitä moodi-indeksejä käyttää hyväksi, mutta usein halutaan, että tietty resonaattori värähtelee vain perustaajuudellaan eikä sen yläpuolisilla harmonisilla taajuuksilla, jolloin näiden 10 taajuuksien kohdalla suodattimen läpäisevät ei-toivotut taajuudet. Luonnollinen tapa on vaimentaa näitä suodattimen läpäisseitä ei-toivottuja taajuuksia kapeakaistaisella imusuodattimella. Tällainen erillinen imusuodatin voidaan konstruoida varsinaisen suodattimen eteen poistettavaksi 15 haluttavan harmonisen taajuudelle tai heti varsinaisen suodattimen jatkoksi ja koteloida se samaan koteloon suodattimen kanssa. Imusuodattimen konstruoimiseen voidaan käyttää eri tekniikkaa kuin varsinaiseen suodattimeen, tunnettua on esimerkiksi koteloida samaan koteloon helix-resonaatto-20 reistä koottu suodatin ja pinta-aaltotekniikalla toteutettu imusuodatin, ns. SAW-suodatin (Surface Acoustic Wave).

Tällaisten erillisten harmonisten taajuuksien suodattimien käyttö tuo mukanaan tiettyjä hankaluuksia. Suodatin on 25 valmistettava erillisessä prosessissa varsinaisesta suodattimesta ja liitettävä siihen lopullisessa koontivaiheessa. Tämä tuo lukuisia lisätyövaiheita ja mahdollisia virhelähteitä suodattimen valmistukseen. Samaan koteloon koteloitu erillinen harmonisten suodatin kasvattaa suodattimen kokoa, 30 ja mikäli käytetään täysin erillistä suodatinta, kasvaa tilantarve piirilevyllä, johon suodattimet kiinnitetään. Erillisen suodattimen lisähaittana on myös vaikeus järjestää sen kyllin tehokas RF-suojaus.

35 Tämä keksintö perustuu siihen perusoivallukseen, että keraamisen resonaattorin resonaattorireikää voidaan hyödyntää harmonisten taajuuksien suodattimen konstruoinnissa. Tähän reikään sijoitetaan pienikokoinen harmonisten suodatin, joka I! 3 Of 1 C 3 käsittää sarjainduktansseista ja poikittaiskapasitansseista muodostuvan tikapuuverkon. Harmonisten suodatin voidaan sijoittaa keraamisen resonaattorin ensimmäiseen piiriin, jolloin keraamisen suodattimen tulosignaali tuodaan ensin 5 harmonisten suodattimeen alakautta, so. ensimmäisen piirin resonaattorireiän oikosuljetusta päästä. Kytkentä suodattimeen eli sen ensimmäisen piirin resonaattoriin tapahtuu puolestaan tämän resonaattorin kuormituskapasitanssin puoleisesta päästä. Tällä tavalla signaalista on jo suodatettu 10 ennen keraamiseen suodattimeen viemistä pois taajuudet, jotka ovat toimintataajuuden yläpuolella. Harmonisten suodatin voidaan sijoittaa myös keraamisen suodattimen viimeiseen piiriin, jolloin signaali kytkeytyy resonaattorista harmonisten suodattimeen sen yläpäästä ja koko suodatinpiirin 15 lähtösignaali saadaan harmonisten suodattimen alapäästä.

Kahden harmonisten suodattimen käyttö parantaa oleellisesti suodatusta.

Keksinnön edullista suoritusmuotoa selostetaan oheisten 20 kuvien avulla, joissa kuva 1 esittää osaa keraamisesta suodattimesta, jonka ensimmäisen ja viimeisen piirin resonaattorin reikään on sijoitettu harmonisten suodatin, kuva 2 esittää poikkileikkausta suodattimesta pitkin linjaa 25 A-A, ja kuva 3 esittää harmonisten suodattimen toista variaatiota.

Viitataan aluksi kuviin 1 ja 2. Viitenumerolla 1 on esitetty osa useita resonaattoreita käsittävästä keraamisesta suodat-30 timesta, jossa kuvissa on ensimmäinen ja viimeinen resonaattori näkyvissä. Suodatinlohko 1 käsittää tunnetusti keraamista ainetta olevan lohkon, josta kuvassa on näkyvissä yläpinta 4, päätypinta 5 ja sivupinta 6. Kaikki pinnat lukuunottamatta yläpintaa 4 tai ainakin pinnan alueita 35 reikien 2 ja 3 vieressä on pinnoitettu hyvin sähköä johtavalla kerroksella P. Reikien 2 ja 3 pinnat on samoin pinnoitettu ja pinnoitus yhtyy lohkon alapinnan pinnoitukseen. Kytkentöjä resonaattoreihin kytkeytymiseksi ei ole esitetty, 4 °:·1Ε3 viitataan vain yleisesti alan kirjallisuuteen. Ensimmäisen piirin resonaattorireiän 2 sisään on sijoitettu keksinnön mukaisesti harmonisten taajuuksien suodatin 7 ja viimeisen piirin resonaattorireiän sisään on myös sijoitettu samanlai-5 nen suodatin 7'. Vain suodattimien päät ovat näkyvissä kuvassa 1. Poikkileikkauskuvassa 2 näkyy havainnollisesti harmonisten suodattimen rakenne.

Keraamisuodattimen ensimmäisen piirin kytketty harmonisten 10 suodatin muodostuu johtavasta sauvasta 7, johon on kiinnitetty tietyin välimatkoin kiekkomaisia eristelevyjä 9, 10, 11 ja 12. Sauva 7 kulkee levyjen lävitse ja tukeutuu sivusuunnassa niihin. Eristelevyt ovat suuren dielektrisyys-vakion omaavaa ainetta, edullisesti samaa keraamista materi-15 aalia kuin itse resonaattorilohko. Toimittaessa suurilla taajuuksilla muodostavat peräkkäiset avoimet sauvan 7 osat induktanssin, joiden välissä on eristelevyjen aikaansaamat poikittaiskapasitanssit. Poikittaiskapasitanssien muodostavien kondensaattoreiden toisena levynä on eristelevyjen 20 sisällä kulkeva sauvan osuus ja toisena levynä on reiän 2 pinnoitettu pinta P, jota vasten kiekkomainen eristelevy tukeutuu. Suodattimen käyttöoloissa tämä pinta P on maadoitettu. Eristelevyt ja niihin kosketuksessa olevat reiän 2 pinnat ja sauvan 7 pinta muodostavat sylinterikapasitanssin, 25 jonka arvo riippuu tunnetusti eristelevyn 9-12 paksuudesta, eristelevyn dielektrisyyskertoimesta sekä sauvan 7 ja reiän 2 säteistä. Näitä arvoja muuttamalla voidaan löytää haluttu poikittaiskapasitanssin arvo. Eristelevyjen välisen sauvan 7 osien induktanssiin vaikuttaa pääasiassa kunkin sauvan 30 osan pituus kussakin välissä, joten induktanssiin voidaan vaikuttaa tekemällä sauvasta suora, kuten kuvassa 2, tai sitten eristelevyjen väliset sauvan osat voidaan tehdä aaltomaisiksi kuten kuvassa 3 on esitetty, spiraalimaisiksi tai johonkin muuhun muotoon. Kuva 3 on yksinkertaistettu 35 ja esittää kuvan 2 mukaisen ensimmäisen piirin poikkileikkauksen osaa, jossa kaksi ylintä eristelevyä 9 ja 10 ovat näkyvissä. Viitenumerot ovat samat kuin kuvassa 2. Tulosig-naali koko suodatinrakenteeseen tuodaan sauvan 7 alapäästä li 5 0 1 F 3 ja signaali, josta harmoniset taajuudet ovat vaimentuneet, kytkeytyy keraamiresonaattorin ensimmäiseen piiriin sauvan 7 yläpäästä.

5 Harmonisten taajuuksien vaimennusta voidaan parantaa lisää sijoittamalla vastaavalla tavalla suodatin myös viimeisen piirin reikään 3. Suodatin muodostuu samoin sauvasta 7' ja kiekkomaisista eristelevyistä 9', 10', 11' ja 12'. Levyjen keskinäinen välimatka ja mitat valitaan haluttujen vaimen-10 nusominaisuuksien mukaan. Signaali kytkeytyy keraamisesta resonaattorista lähtöpuolen harmonisten suodattimeen sen yläpäästä ja sauvan alapäästä saadaan lähtösignaali OUT. Muutoin tämän suodattimen selostukseen pätee sama kuin edellä.

15

Kuvattujen poikittaiskapasitanssien sarjainduktanssi on hyvin pieni ja se voidaan jättää vastinkytkennän kannalta huomioon ottamatta. Niinpä keraamisen suodattimen reikään sijoitettu harmonisten suodatin on tikapuuverkko, jossa 20 poikittaiskapasitanssit ja pitkittäisinduktanssit vuorotte-levat eli suodatin on alipäästösuodatin. Kuvaan 2 viitaten tuodaan keraamiselle suodattimelle vietävä suurtaajuussig-naali ensin harmonisten suodattimelle sen alapäästä, tulosuuntaa on merkitty merkinnällä IN. Signaali etenee kuvat-25 tua tikapuuverkkoa ylöspäin ja sauvan 7 yläpäähän tulee signaali, josta haluttua taajuutta suuremmat taajuudet on suodatettu pois. Tämä signaali kytkeytyy tästä päästä varsinaiseen keraamiseen suodattimeen ja sen ensimmäiseen piiriin. Keraamisen suodattimen läpäisykäyrässä ei nyt näy 30 harmonisten taajuuksien aiheuttamia piikkejä. Jos keraa- misuodattimen viimeiseen piiriin sijoitetaan myös harmonisten suodatin, saadaan koko kytkennän lähtösignaali sen alapäästä. Tässä tapauksessa ovat harmonisten suodattimien keskijohtimien päät myös keraamisuodattimen tulo- ja lähtö-35 liitännät.

Kuvatulla suodattimena voidaan tehokkaasti estää harmonisten taajuuksien pääsy keraamiselle suodattimelle. Se voidaan 6 ' 1Γ3 tehdä erittäin pienikokoiseksi ja sijoitettuna resonaattorin reiän sisään se ei kasvata lainkaan suodattimen ulkomittoja. Sillä on pienet häviöt ja sen kaista on laaja. Sijoituspaikka tekee sen myös erittäin hyvin RF-suojatuksi. Keksinnön 5 suodatin voidaan toteuttaa useilla tunnetuilla tekniikoilla, esim. samaan tapaan kuin metallikalvovastuksia tai putki-induktansseja valmistettaessa. Suodatinta voidaan käyttää minkä tahansa tyyppisen keraamisen suodattimen kanssa .

10

II

Claims (8)

1. Keraaminen suodatin, joka käsittää dielektristä ainetta olevan lohkon, jossa on ylä- ja alapinta, lohkon ollessa pää- 5 osin peitetty johtavaa ainetta olevalla kerroksella (P), ainakin kaksi yläpinnalta alapinnalle ulottuvaa johtavalla aineella pinnoitettua reikää (2, 3), jolloin kutakin reikää kohti muodostuu siirtojohtoresonaattoripiiri, tunnettu siitä, että ainakin yhden resonaattoripiirin reikään (2; 3) on sijoitettu 10 keraamisen suodattimen toimintataajuutta suurempia taajuuksia suodattava harmonisten suodatin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen keraaminen suodatin, tunnettu siitä, että harmonisten suodatin muodostuu metallisesta 15 sauvasta (7), jonka yläpää on lohkon yläpinnan (4) tasolla ja alapää on ainakin sen alapinnan tasolla, ja joukosta sauvaan kiinnitettyjä kiekkomaisia eristelevyjä (9, 10, 11, 12). jotka ulkokehältään tukeutuvat reiän (2) pinnoitteeseen <P), jolloin eristelevyjen (9, 10, 11, 12) väliset sauvan (7) osat muodos-20 tavat suodattimen pitkittäisinduktanssit ja eristelevyt niinä vasten olevine johtavine pintoineen muodostavat poikittais-kapasitanssit.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen keraaminen suodatin, tun-25 nettu siitä, että harmonisten suodatin on sijoitettu ensimmäisen resonaattoripiirin reikään (2) ja suodatettava signaali tuodaan sauvaan (7) sen alapäästä ja suodatettu signaali kytkeytyy ensimmäiseen resonaattoripiiriin sauvan yläpäästä.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen keraaminen suodatin, tun nettu siitä, että harmonisten suodatin on sijoitettu viimeisen resonaattoripiirin reikään (3) ja suodatettava signaali kytkeytyy resonaattoripiiristä sauvaan (7') sen yläpäästä ja suodatettu signaali, joka on samalla keraamisen suodattimen läh-35 tösignaali, saadaan sauvan (7') alapäästä. 8 0 '1 F 3

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen keraaminen suodatin, tunnettu siitä, että eristelevyt ovat keraamista ainetta.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen keraaminen suodatin, tun-5 nettu siitä, että eristelevyn paksuus valitaan halutun poikit- taiskapasitanssin arvon mukaan.

7. Patenttivaatimuksen 2 tai 6 mukainen keraaminen suodatin, tunnettu siitä, että eristelevyjen etäisyys toisistaan vali- 10 taan halutun pitkittäisinduktanssin mukaan.

7 ° ' * f 3

8. Patenttivaatimuksen 2 tai 7 mukainen keraaminen suodatin, tunnettu siitä, että eristelevyjen välinen sauvan osuus ei ole suora. 15