FI93503C

FI93503C - Radiotaajuussuodatin

Info

Publication number: FI93503C
Application number: FI930944A
Authority: FI
Inventors: Aimo Turunen; Heli Jantunen
Original assignee: Lk Products Oy
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1995-04-10
Also published as: CA2116375A1; EP0614242A1; FI930944A0; JPH06318841A; FI930944A; AU5633894A; AU671886B2; FI93503B; US5467065A

Description

93503

Radiotaajuussuodatin - Radiofrekvensfilter

Esillä oleva keksintö koskee radiotaajuussuodatinta, joka 5 käsittää pinta-aaltosuodattimen sekä siihen kytketyn ensimmäisen, ainakin kahdesta toisiinsa kytketystä resonaattorista muodostuvan suodattimen, joka kestää suurempia tehoja kuin pinta-aaltosuodatin ja jonka tulo on radiotaajuussuo-dattimen tulo.

10

Yleisesti ottaen radiopuhelimessa täytyy olla dupleksisuodatin yhden antennin käyttämiseksi yhteisesti lähetykseen ja vastaanottoon. Tunnetusti radiopuhelimessa käytetään reso-naattoreihin perustuvia dupleksisuodattimia estämään lähe-15 tettävän signaalin pääsy vastaanottimelle ja vastaanotetun signaalin pääsy lähettimelle. Dupleksisuodatin muodostuu tavallisesti kahdesta erillisestä kaistanpäästösuodattimes-ta, joista toinen on liitetty vastaanotinhaaraan ja sen keski taajuus ja kaistanleveys vastaa vastaanottokaistaa ja toi-20 nen suodatin on liitetty lähetinhaaraan ja sen keskitaajuus ja kaistanleveys vastaavat lähetyskaistaa. Suodattimien toiset päät on kytketty usein impedanssin sovittavan siirtojohdon kautta yhteiseen antennilinjaan.

25 Dupleksisuodatinrakenteita on saatavilla useita erilaisia erilaisia lähetin-vastaanottimen piiriratkaisuja varten ja tavallisesti dupleksisuodattimia muodostetaan helix-suodat-timista, dielektrisistä suodattimista tai vastaavista. Radiopuhelimien koon ja hinnan alentuessa on paitsi tarve saa-30 da pienempiä ja halvempia piirielementtejä, kuten puolijohteita, myös tarve toteuttaa pienempiä ja halvempia dupleksisuodattimia. Helix- ja dielektriset suodattimet vievät huomattavan osan tilasta radiopuhelimessa siitä huolimatta, että niitä pyritään jatkuvasti tiivistämään.

Radiopuhelintekniikassa on jo jonkin aikaa käytetty pintaasi toresonaattoreihin perustuvia suodattimia. Niitä kutsutaan myös SAW-suodattimiksi (surface acoustic wave filter).

35 2 93503

Niiden etuna ovat paitsi pieni koko myös valmistuksen tarkka toistettavuus. Pinta-aaltoilmiötä käyttävän komponentin perusosana on interdigitaalinen muuttaja, joka koostuu inter-digitaalisista kampamaisesti järjestetyistä elektrodeista 5 pietsosähköisen substraatin pinnalla. Elektrodien välinen sähköjännite synnyttää substraatissa akustisia aaltoja, jotka etenevät sen pinnalla suunnassa, joka on kohtisuorassa interdigitaalisiin kampaelektrodeihin nähden. Nämä pinta-aallot voidaan vastaanottaa interdigitaalisella muuttajalla, 10 joka konvertoi substraatin pinnalla etenevät akustiset pinta-aallot takaisin sähköjännitesignaaliksi. Sähkömagneettiseen aaltoon verrattuna on akustisen pinta-aallon etenemisnopeus pietsosähköisen substraatin pinnalla noin 1/100 000 kertaa hitaampi. Pinta-aaltotekniikkaa käyttäen voidaan val-15 mistaa monia piirejä, kuten suodattimia, viivelinjoja, re- sonaattoreita, oskillaattoreita ym. Esimerkkinä mainittakoon patentissa US-4 694 266 kuvattu imusuodatin.

SAW-suodattimien käyttöön dupleksisuodattimissa liittyy kui-20 tenkin ongelmia. Vastaanottotaajuinen signaali tulee vas- taanottimelle dupleksisuodattimen vastaanottohaaran kautta, jonka täytyy sietää suuria tehoja, koska esim. solukkopoh-jaisissa radiopuhelinjärjestelmissä tukiasemien maksimiläh-töteho on luokkaa 2 - 300 W. Vastaavasti tavanomaisen ra-25 diopuhelimen maksimilähtöteho on luokkaa 2 - 20 W ja normaali lähtöteho on useista sadoista mW:sta useaan W:iin. Tällaisilla tehotasoilla SAW-suodatin ylikuumenee ja palaa huonon jännitekestoisuutensa vuoksi, joka johtuu sen edellyttämästä pienestä elektrodirakenteesta. Kaupallisesti saatavis-30 sa olevat SAW-suodattimet ovat luonteeltaan kaistanpäästö-suodattimia, joissa vaimennus on pieni keskitaajuuden ympäristössä, mutta se kasvaa nopeasti päästökaistan ulkopuolella. SAW-suodattimen estovaimennus, joka on luokkaa 20 dB, ei ole riittävä dupleksisuodatinta varten. Keraamisilla suodat-35 timilla, esimerkiksi, estokaistan vaimennus on luokkaa 30 dB. Päästökaistan vaimennus SAW-suodattimena (n. 3 - 4 dB) on riittävän hyvä, vaikka se on huonompi kuin esim. keraamisilla suodattimilla (n. 2 dB).

3 93503

Dupleksisuodattimissa käytetyistä pinta-aaltoresonaattoreita käsittävistä suodattamista voidaan esimerkkinä mainita patentti US-4 509 165, jossa kuvatussa suodattimessa on käytetty kombinaatiotekniikkaa, jolloin antennista katsottuna 5 dupleksisuodattimen vastaanottohaaran 2 antenniin 1 liitettävä alkupää 3 on toteutettu dielektrisillä 3 tai helix-suodattamilla 3 ja vastaanottimen puoleinen osa 4 on toteutettu pinta-aaltosuodattimilla SAW, kuten kuvassa 1 on esitetty. Kytkemällä antennipäähän dielektrinen tai helix-suodatin 2 10 ottamaan vastaan antennilta 1 tuleva teho on pyritty välttämään liian suuren jännitteen aiheuttama SAW-suodattimen rikkoutuminen. Mainitussa patentissa on esitetty tapa kytkeä SAW-suodatin kaistanpäästösuodattimen kanssa sarjaan. Normaalisti kaupallisen SAW-suodattimen resistiivisyys on 200 Ω 15 ja koska järjestelmissä, joissa suodattimia käytetään, on impedanssi tavallisesti 50 Ω, on SAW-suodatin sovitettava 50 Q:iin. Patentissa US-4 509 165 esitetyllä kytkentätavalla saadaan sovituspiirien tarve minimoitua, mutta tällöin suorituskyky eli päästö- ja estokaistan vaimennus ei ole paras 20 mahdollinen. Paremman suorituskyvyn saavuttamiseksi olisi mainittu suodattimen alkupää (dielektrinen tai helix-suodatin) ja SAW-suodatin kuitenkin sovitettava erikseen, mikä aiheuttaa suodattimeen lisäkomponenttien tarpeen ja kasvattaa siten suodattimen kokoa. Ratkaisun ongelmana on lisäksi 25 se, että sarjaankytketyn SAW-suodattimen ja dielektrisen/he-lix-suodattimen päästökaistan vaimennukset summautuvat, jolloin päästökaistan vaimennus kasvaa.

Suurtaajuustekniikassa on tunnettua käyttää erityyppisiä 30 resonaattoreitä käyttötarkoituksen ja haluttujen ominaisuuk sien mukaan. Siten dielektrisillä, helix-, liuskajohto- ja ilmaeristeisillä sauvaresonaattoreilla on oma tarkoituksenmukainen käyttöalueensa. Niinpä esimerkiksi dielektrinen resonaattori ja sellaisista rakennettu suodatin on suurtaa-35 juustekniikassa tunnettu ja käyttökelpoinen useissa sovel luksissa pienen kokonsa, stabiiliutensa ja tehonkestonsa vuoksi. Resonaattorit muodostavat siirtojohtoresonaattorin, joka vastaa induktanssin ja kapasitanssin rinnankytkentää, 93503 4 ja kytkemällä useita resonaattoreita peräkkäin ja järjestämällä niiden välinen kytkentä sopivaksi saadaan aikaan suodatin, jolla on halutut ominaisuudet. Esimerkiksi dielektri-nen suodatin voidaan konstruoida erillisistä keraamisista 5 lohkoista tai voidaan käyttää yhtä lohkoa, jossa on useita resonaattoreita, jolloin kytkentä niiden välillä tapahtuu sähkömagneettisesta keraamimateriaalin sisällä. Dielektrinen esto-suodatin tehdään tavallisesti erillisistä lohkoista, jolloin voidaan täysin estää dielektrisen materiaalin kautta 10 tapahtuva resonaattoreiden välinen kytkentä. Tässä kuvatun dielektrisen suodattimen sijaan voidaan edellä kuvattu dup-leksisuodattimen alkupäässä käytettävä suodatin yhtä hyvin toteuttaa helix-, liuskajohto- tai koaksiaaliresonaattoreis-ta muodostettuna suodattimena. Nämä ovat kaikki alan ämmät-15 timiehelle ennestään hyvin tunnettuja suodatinrakenteita eikä niitä siten selosteta tässä tarkemmin.

Kuvassa 2 on esitetty kahdesta resonaattorista muodostetun estosuodattimen kytkentäkaavio. Kumpaankin resonaattoriin 20 RES1 ja RES2 voidaan kytkeä kapasitanssi Cl, C2 tai siirto-johto (kapasitanssin Cl, C2 sijaan, ei esitetty) galvaani-sesti sopivaan pisteeseen A, B. Tällä kytkentäkohdalla A, B voidaan määrätä resonaattorin impedanssitaso, ja valitsemalla tämä kohta A, B sopivasti voidaan resonaattori sovittaa 25 muuhun piiriin. Tätä sovitustapaa, jossa kytkentäkohta resonaattoriin muodostaa väliulosoton resonaattorista, nimitetään tapitukseksi ja kytkentäkohtaa A, B tapituskohdaksi. Käytettäessä helix-resonaattoreita ne sovitetaan vastaavasti tapittamalla, jolloin esim. liitäntäjohdin juotetaan tiet-30 tyyn kohtaan helix-resonaattorin kelaa, tavallisesti kelan ensimmäiselle kierrokselle. Resonaattoreista RES1, RES2 muodostetaan suodatin kytkemällä resonaattorit toisiinsa. Yh-teenkytkentä voidaan suorittaa joko kapasitiivisesti tai induktiivisesti sen mukaan, minkälainen suodatin halutaan.

35 Kytkemällä resonaattorit toisiinsa induktiivisesti L, kuten kuvassa 2 on esitetty, saadaan muodostettua estosuodatin, joka tässä tapauksessa on ylipäästösuodatin. Korvaamalla kapasitanssit Cl, C2 siirtojohdoilla saadaan alipäästösuo- li 5 93503 datin, ja kytkemällä lisäksi resonaattorit RES1, RES2 toisiinsa kapasitiivisesti niiden yläpäästä saadaan kaistan-päästösuodatin. Suodattimen tulo IN ja lähtö OUT saadaan kuvan 2 esittämässä esimerkissä resonaattoreihin kytkettyjen 5 kapasitanssien Cl, C2 (tai siirtojohtojen) toisesta päästä.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on toteuttaa radiotaa-juussuodatin, joka on resonaattoreista muodostuvan dielektri-sen tai helix-suodattimen tai muun vastaavan ja SAW-suodatti-10 men yhdistelmä, jolla vältetään yksittäisen SAW-suodattimen heikkoudet tehonkeston ja estovaimennuksen suhteen ja voidaan kuitenkin hyödyntää SAW-suodattimen pientä kokoa pienikokoisen suodattimen toteuttamiseksi, joka ominaisuuksiltaan vastaa dielektristä tai helix-suodatinta tai muuta vastaavaa suoda-15 tinta. Edellä olevan toteuttamiseksi on keksinnölle tunnusomaista se, että pinta-aaltosuodatin on kytketty mainitun ensimmäisen suodattimen kahden resonaattorin väliin siten, että se kytkee samalla mainitut resonaattorit toisiinsa, ja suodattimen lähtö on radiotaajuussuodattimen lähtö.

20

Esillä olevassa keksinnössä paremmin tehoa kestävän suodattimen kahden resonaattorin yhteenkytkentä tehdään niiden väliin kytketyllä SAW-suodattimena. Tällöin SAW-suodatin saadaan resonaattoreiden avulla samalla sovitettua ympäris-25 töönsä, kuten radiovastaanottimen vahvistimeen, esim. 50 Q:iin. Resonaattoreiden ja SAW-suodattimen muodostama suodatin on kuitenkin sovitettava, mutta komponentteja säästyy kun SAW-suodatinta ei tarvitse erikseen sovittaa. Tällöin suodattimen valmistuskustannukset alenevat ja SAW-suodatti-30 men pienen koon ansiosta koko suodatinrakenne saadaan pienikokoiseksi .

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin kuviin, joissa 35 kuva 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista SAW-suodattimen käyttöä dupleksisuodattimessa, kuva 2 esittää resonaattoreista muodostuvan ylipäästösuodat-timen kytkentäkaaviota, 6 93503 τ kuva 3 esittää erästä keksinnön mukaista radiotaajuussuoda-tinsovellusta, ja kuva 4 esittää toista keksinnön mukaista radiotaajuussuoda-tinsovellusta.

5

Kuvia l ja 2 selostettiin jo edellä tekniikan tason kuvauksessa. Seuraavassa keksintöä selitetään lähinnä viittaamalla kuviin 3 ja 4.

10 Kuvassa 3 on esitetty keksinnön mukaisen periaatteen sovellus estosuodattimessa, joka toimii ylipäästösuodattimena. Suodatin on muuten identtinen kuvassa 2 esitetyn suodattimen kanssa, mutta kytkentätielle on kytketty SAW-suodatinf jolloin resonaattoreiden yhteenkytkentä tapahtuu SAW-suodatti-15 mella induktanssin L sijaan. Suodatin toimii resonaattoreiden RES1, RES2 resonanssitaajuudella estosuodattimena ja päästää suuremmat taajuudet läpi. Tällöin tätä suodatinrat-kaisua voidaan käyttää esim. dupleksisuodattimen vastaanot-tohaarassa radiopuhelinjärjestelmässä, jossa vastaanottotaa-20 juuskaista on lähetystaajuuskaistan yläpuolella. Tällöin resonaattorit RES1, RES2 näkyvät suurina impedansseina pisteissä E ja F lähetystaajuuksilla, ja vastaanottotaajuuksil-la signaali kulkee tulosta IN SAW-suodattimen läpi lähtöön OUT.

25

Mikäli suodatin muodostuu useammasta kuin kahdesta resonaattorista, voidaan jokaisen resonaattorin RESO, RES1, RES2 välinen kytkentä korvata SAW-suodattimena tai se voidaan sijoittaa vain määrättyjen resonaattoreiden väliin. Eräs mah-30 dollinen ratkaisu on sijoittaa johonkin väliin yhteenkytke-vän induktanssin L sijaan vahvistin, kuten on esitetty kuvassa 4. Vahvistimen sijoitus kahden resonaattorin väliin ja sen tuomat edut on esitetty ja selostettu saman hakijan samaan aikaan jätetyssä suomalaisessa patenttihakemuksessa: 35 "Vahvistava suodatin". Tällaisesta kuvan 4 esittämästä suodatin- ja vahvistinkokonaisuudesta saadaan hyvä radiovastaanottimen etupää.

7 93503

Keksinnön avulla voidaan toteuttaa pienikokoinen radiotaa-juussuodatin, joka on sovellettavissa erilaisiin tarkoituksiin. Keksintö ei rajoitu tässä esitettyihin esimerkkeihin, vaan on muunneltavissa oheisten patenttivaatimusten rajois-5 sa.

Claims

1. Radiotaajuussuodatin, joka käsittää pinta-aaltosuodat-timen (SAW) sekä siihen kytketyn ensimmäisen, ainakin kahdesta toisiinsa kytketystä resonaattorista (RES1, RES2) muo- 5 dostuvan suodattimen, joka kestää suurempia tehoja kuin pin-ta-aaltosuodatin (SAW) ja jonka tulo (IN) on radiotaajuus-suodattimen tulo (IN), tunnettu siitä, että pinta-aaltosuo-datin (SAW) on kytketty mainitun ensimmäisen suodattimen kahden resonaattorin (RESl, RES2) väliin siten, että se kyt-10 kee samalla mainitut resonaattorit (RESl, RES2) toisiinsa, ja suodattimen lähtö (OUT) on radiotaajuussuodattimen lähtö (OUT).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, 15 tunnettu siitä, että kustakin ensimmäisen suodattimen resonaattorista (RESl, RES2) on kytketty ulosotto kuhunkin resonaattoriin (RESl, RES2) galvaanisesti kytketyn kapasitanssin (Cl, C2) kautta ja pinta-aaltosuodatin (SAW) on kytketty resonaattoreihin (RESl, RES2) kytkettyjen kapasitans- 20 sien (Cl, C2) välille kapasitanssien (Cl, C2) toisesta, kuhunkin resonaattoriin (RESl, RES2) kytketyn elektrodin (A, B) vastakkaisesta elektrodista (E, F).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, 25 tunnettu siitä, että kustakin ensimmäisen suodattimen resonaattorista (RESl, RES2) on kytketty ulosotto kuhunkin resonaattoriin (RESl, RES2) galvaanisesti kytketyn siirto-johdon kautta ja pinta-aaltosuodatin (SAW) on kytketty resonaattoreihin (RESl, RES2) kytkettyjen siirtojohtojen vä- 30 lille siirtojohtojen toisesta, kuhunkin resonaattoriin {RESl, RES2) kytketyn pään (A, B) vastakkaisesta päästä (E, F).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että ensimmäisen suodattimen kahden re- 35 sonaattorin (RESO, RESl) väliin on kytketty vahvistin.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että vahvistin on kytketty ensimmäisen suo- 935G3 dattimen resonaattoriketjussa (RESO, RES1, RES2) suodattimen tulosta (IN) päin katsottuna ennen pinta-aaltosuodatinta (SAW) .

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen radiotaa- juussuodatin, tunnettu siitä, että resonaattorit (RES1, RES2) ovat neljännesaallon pituisia.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen radiotaa-10 juussuodatin, tunnettu siitä, että se on osa dupleksisuoda- tinta.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen radiotaajuussuodatin, tunnettu siitä, että se on dupleksisuodattimen vastaanotto- 15 haaran suodatin.