FI98870C - Dielektrinen suodatin - Google Patents

Description

98870

Dielektrinen suodatin - Dielektriskt filter Tämä keksintö kohdistuu siirtojohtoresonaattoreilla toteutettuun radiotaajuussuo-5 dattimeen, joka käsittää dielektristä ainetta olevan rungon, jossa on ensimmäinen pinta ja toinen pinta rungon vastakkaisilla puolilla, päätypinnat ja vastakkaiset sivupinnat, rungon rajoittaessa ainakin kahta yhdensuuntaista reikää, joiden keskiak-selit ulottuvat yhdensuuntaisesti ja sivupinnan tason suunnassa ensimmäiseltä pinnalta toiselle pinnalle ja joiden sisäpinnat on päällystetty sähköä johtavalla aineella, 10 jolloin kutakin reikää kohden muodostuu siirtojohtoresonaattori.

Tunnettuja ovat sellaiset dielektriset, tavallisesti keraamiset siirtojohtoresonaattorit, jotka käsittävät kappaleen, jossa on vastakkaisilla puolilla olevat ylä-ja alapinta sekä näihin pintoihin rajoittuvat sivupinnat. Kappaleen yläpinnalta alapinnalle ulottuu 15 ainakin yksi johtavalla aineella pinnoitettu reikä. Ainakin pääosa kappaleen pinnasta on pinnoitettu johtavalla kerroksella, jolloin reikää kohden muodostuu siirtojohtoresonaattori. Kun pinnoitetun reiän pinnoite yhtyy alapinnan pinnoitteeseen, on reikä oikosuljettu tässä kohdassa. Koska yläpinta ainakin reiän ympäristössä on pinnoitta-maton, on reikä avoin tässä päässä. Rakenne muodostaa tällöin koaksiaalisen neljän-20 nesaallon siirtojohtoresonaattorin, jossa pinnoitettu reikä vastaa sisäjohdinta, kappaleen johtava pinnoite vastaa ulkojohdinta ja välissä on dielektristä materiaalia oleva eriste. Johdettaessa sähkömagneettinen aalto rakenteeseen syntyy tietyllä taajuudella, so. resonanssitaajuudella, reiän suunnassa seisova aalto. Sen kapasitiivisen kentän maksimi on reiän avoimen pään kohdalla, kun taas induktiivisen kentän maksimi 25 on reiän oikosuljetun pään kohdalla.

Radiotaajuussuodatin voidaan konstruoida erillisistä kappaleista, so. erillisresonaat-toreista, jolloin kyseessä on erillisresonaattorisuodatinrakenne, tai voidaan käyttää yhtä keraamikappaletta, jossa on useita reikiä, jolloin keraamikappale on siirtojohto-30 resonaattoreille yhteinen.

Ensimmäistä tunnettua perusmuotoa esittävät kuvat IA ja IB. Kuvan IA suodatin 1 koostuu kolmesta kappaleesta 2, 3 ja 4, jotka kaikki ovat keskenään samanmuotoisia erillisresonaattorikappaleita. Niiden korkeus reiän suunnassa voi tosin vaihdella ha-35 lutun resonanssitaajuuden mukaan. Viitenumerot 5, 6 ja 7 riittävät kappaleen lävitse kulkevaan reikään, jota kohden muodostuu resonaattori, kuten edellä on jo sanottu. Tummennettu yläpinta kuvaa pinnoittamatonta aluetta kappaleen muiden pintojen ollessa pinnoitettuja. Käyttämällä haluttu määrä erillispaloja voidaan konstruoida 98870 2 halutun asteluvun suodatin. Kuva IB esittää suodatinta päältä katsottuna. Kytkennät resonaattoreihin kytkeytymiseksi on kuvassa selvyyden vuoksi jätetty huomiotta. Kuten huomataan, sijaitsee kukin reikä symmetrisesti kappaleen sivupintojen suhteen, jolloin reikien suut sijaitsevat samalla suodattimen yläpinnan keskellä kulke-5 valla viivalla a.

Toista tunnettua perusmuotoa esittävät kuvat 2 A ja 2B. Kuva 2 A eroaa kuvasta IA siinä, että suodattimen runko muodostuu yhdestä ainoasta keraamikappaleesta, jossa on reiät 25, 26 ja 27. Yläpinta, jota esittää tummennettu alue, on olennaisilta osil-10 taan pinnoittamaton muiden pintojen ollessa pinnoitettuja. Kuten tässäkin huomataan, kuva 2B, sijaitsee kukin reikä eli sisäjohdin tasossa, joka on yhdensuuntainen kappaleen suurempipinta-alaisten sivupintojen 28 ja 29 suhteen ja joka sijaitsee mainittujen sivupintojen välissä. Tällöin reikien suut sijaitsevat samalla suodattimen yläpinnalla sivupintojen 28 ja 29 suunnassa kulkevalla viivalla b. Viiva b voi olla 15 yhtä kaukana yläpinnan reunoista, jolloin rakenne on symmetrinen, mutta tämä ei ole suinkaan välttämätöntä. Tämän perusmuodon mukaisessa suodattimessa tapahtuvat resonaattoreiden väliset kytkennät sähkömagneettisen kentän välityksellä, jolloin ulkopuolisia kytkentäelementtejä ei välttämättä tarvita, kuten tarvitaan erillis-resonaattorirakenteessa.

20

Toisen perusmuodon suodatinrakenteessa vaikuttaa kahden vierekkäisen resonaatto-ripiirin kytkentään pääasiallisena tekijänä resonaattorien reikien välinen etäisyys eli sisäjohdinten välinen etäisyys. Käytettäessä yhtä keraamikappaletta runkona on resonaattorin Q-arvo hieman suurempi kuin vastaavan kokoisen erillisresonaattorin, 25 koska resonaattorin sisäjohtimen lähellä on vain kaksi tai kolme häviöllistä sivuseinää. Tämä vuoksi tällä rakenteella voidaan toteututtaa sähköisiltä ominaisuuksiltaan hieman parempi suodatin kuin erillisresonaattoreilla ja lisäksi yhden kappaleen suodatin on koneellisesti valmistettavissa massatuotesuodattimissa edullinen tuottaa yksinkertaisuutensa vuoksi.

30

Jos kappaleen pinnoittamattomaan yläpintaan sijoitetaan erilaisia johtavia kuvioita, voidaan vaikuttaa sekä yksittäisen resonaattorin resonanssitäajuuteen että resonaattoreiden väliseen kytkentään. Sijoittamalla johdintäplä lohkon reunimmaisten resonaattoreiden avoimen pään viereen ja eristetysti lohkon sivun pinnoitteesta voidaan 35 resonaattoriin tuoda signaali kytkeytymällä kapasitiivisesti resonaattoriin ja viedä siitä ulos samoin kapasitiivisella kytkennällä. Koska resonaattorin avoimen yläpään pinnoitteen ja keraamilohkon sivun yläreunan pinnoitteen välillä on määrätty kapa-sitanssiarvo, voidaan tätä kapasitanssia muuttaa lisäämällä yläsivulle reiän lähelle 98870 3 pinnoitetta, joka on yhteydessä sivun pinnoitteeseen tai lisäämällä yläsivulle pinnoitetta, joka on yhteydessä reiän pinnoitteeseen. Näin vaikutetaan resonanssitaa-juuteen. Yläpinnalle voidaan johtavien kuvioiden avulla lisäksi järjestää myös reso-naattoreiden välille kondensaattoreita ja siirtojohtoja ja myös siten voidaan vaikuttaa 5 resonaattoreiden väliseen kytkentään.

Resonaattoreiden väliseen induktiiviseen kytkentään voidaan vaikuttaa keraamiloh-koa käsittelemällä, esim. poraamalla siihen reikiä tai poistamalla siitä muuten ainetta.

10

Dielektristen suodattimien käyttö pienikokoisissa kannettavissa radiolaitteissa, erityisesti solukkojärjestelmien radiopuhelimissa, johtaa pyrkimykseen konstruoida sekä mitoiltaan mutta ennen kaikkea tilavuudeltaan mahdollisimman pienikokoisia suodattimia. Tämä on vaikea tehtävä, sillä sähköiset ja mekaaniset stabiilisuussyyt 15 asettavat rajoituksia miniatyrisoinnille. Sähköiset ominaisuudethan riippuvat kappaleen fyysisistä mitoista kun taas stabiiliudelle asettaa rajoituksia keraamikappaleen valmistusprosessi.

Erillisresonaattorein toteutetun suodattimen pohjapinta-ala määräytyy käytettyjen 20 resonaattoreiden yhteenlasketuista pohjapinta-aloista. Esimerkiksi käytettäessä 3*3*9 mm ( 9 mm on resonaattorireiän pituus) resonaattoreita kolmipiirisessä kais-tanpäästösuodattimessa on sen vaatima pohjapinta-ala minimissään 9*9 mm. Suodatin on tällöin ajateltu "makaavaksi" eli resonaattorireiät ovat asennusalustan pinnan suunnassa.

25

Suodattimen tilavuutta voidaan pienentää yksinkertaisesti käyttämällä mahdollisimman pientä määrää resonaattoripiirejä. Esimerkiksi tietyissä sovelluksissa voidaan 4-piirisestä suodattimesta jättää joitakin piirejä kokonaan pois ja korvata poisjätettyjen piirien vaikutus tekemällä lopuista piireistä säädettäviä.Tällöin tietty esto/tai pääs-30 tokaista voidaan kattaa esim. kaksi- tai kolmipiirisellä suodattimella, jolla on tosin kapeampi kaista, mutta jota voidaan siirtää taajuustasossa. Haittana on, että säädettävät suodattimet vaativat ulkoisen ohjauksen sekä joukon ylimääräisiä komponentteja.

35 Suodattimen tilavuutta voitaisiin ajatella pienennettävän yksinkertaisesti sijoittamalla yhdellä kappaleella toteutetun suodattimen resonaattorit so. reiät lähemmäksi toisiaan. Tämä aiheuttaa kuitenkin sen, että niiden välinen kytkentä kasvaa liian suureksi, mikä ei aina ole toivottavaa.

98870 4 Tämä keksintö ehdottaa yksinkertaisen tavan suodattimen kokonaistilavuuden pienentämiseksi siten, että vierekkäisten piirien välinen kytkentä säilyy likimain samana. Keksinnölle on tunnusomaista se, että resonaattorien sisäjohtimien keskiakselit sijaitsevat vähintään kahdessa resonaattorikappaleen sivupinnan suuntaisessa tasos-5 sa, jotka ovat ensimmäinen taso ja toinen taso, ja mainitussa ensimmäisessä tasossa on vierekkäiset ensimmäinen ja toinen siirtojohtoresonaattori, joiden välillä on sähkömagneettinen kytkentä oleellisesti tietyn mainitussa toisessa tasossa olevan kolmannen siirtojohtoresonaattorin ohi.

10 Keraamisuodattimen resonaattoreiden sisäjohtimien keskiakselit ovat tekniikan tason mukaisissa suodattimissa samassa tasossa. Tämä taso on suodattimen suuremman sivupinnan suuntainen poikkileikkaustaso ja sijaitsee näiden suurempien vastakkaisten sivupintojen välissä. Edullisesti, mutta ei välttämättä, se on symmetria-taso. Keksinnön mukaisesti resonaattoreiden sisäjohtimen muodostavat reiät on si-15 joitettu epäsymmetrisesti niin, että ne sijaitsevat ainakin kahdessa poikkileikkaus-tasossa. Katsottaessa kappaleen pinnoittamatonta yläpintaa avautuvat reiät siten kahteen tai useampaan yhdensuuntaiseen linjaan.

Kahden vierekkäisen eri linjassa sijaitsevan sisäjohtimen välinen etäisyyys määrää 20 tunnetusti näiden piirien välisen kytkennän. Haluttaessa voidaan tämä kytkentä pitää mitoituksella samana kuin jos sisäjohtimet olisivat kaikki samassa linjassa. Tällöin etäisyys sisäjohtimesta yhden sisäjohtimen yli seuraavaan sisäjohtimeen on pienentynyt ja kytkentä yhden piirin yli voimistuu. Näin voidaan suodattimen taajuus-vasteen nollakohdat toteuttaa halutuille taajuuksille resonaattorien sisäjohtimien 25 paikan mitoituksella pitäen samalla vierekkäisten resonanssipiirien välisten kytkentöjen suuruudet likimain vakiona.

Keksintöä havainnollistetaan oheisten kaaviollisten kuvien avulla, joissa kuva IA esittää erillisresonaattoreista koottua suodatinta, 30 kuva IB on päällyskuvanto kuvan IA suodattimesta, kuva 2A esittää yhdestä kappaleesta tehtyä suodatinta, kuva 2B on päällyskuvanto kuvan 2A suodattimesta, kuvat 3 A ja 3B esittävät keksinnön ratkaisua tunnettuun ratkaisuun nähden, kuva 4 on eräs suoritusmuoto keksinnön suodattimesta, ja 35 kuva 5 on toinen suoritusmuoto keksinnön suodattimesta.

Kuva 3 A esittää tunnettua yhdellä kappaleella toteutettua suodatinta ylhäältä katsottuna. Tälle pinnoittamattomalle yläpinnalle avautuvat siirtojohtoresonaattorien sisä- li 98870 5 johtimien avoimet päät, ts. reiät 31, 32 ja 33 kulkevat kappaleen läpi. Yläpinnan ja siten suodattimen poikkileikkaus pinnan tasossa on suorakaide, jonka pituus on LI ja leveys Wl. Suodatin on tässä kolmipiirinen. Resonaattorien reiät, ts. siirtojohto-resonaattorien sisäjohtimien keskiakselit, ovat kaikki samassa sivupinnan 34 suun-5 täisessä tasossa, joka jakaa kappaleen kahteen - tavallisimmmin symmetriseen -osaan. Siten reiät avautuvat samalle viivalle c, joka kulkee yläpinnan poikki sen pidemmän sivun suuntaisena, kuten kuvassa on esitetty. Reikien väli on yhtä suuri, jolloin reikien 31 ja 32 väli ja reikien 32 ja 33 väli on sama ja sitä on merkitty kuvassa merkinnällä d. Tämä etäisyys yhdessä palan leveyden W1 kanssa määrää 10 pääasiassa resonaattoreiden välisen kytkennän voimakkuuden.

Kuva 3B esittää periaatteessa samaa kuvaa kuin kuva 3 A ja siinä käytetään soveltuvin osin samoja viitenumerolta. Mitoitus on sellainen, että suodattimen sähköiset ominaisuudet ovat likimain samat kuin kuvan 3 A suodattimella, jolloin keksinnön 15 edut tunnettuun suodatinratkaisuun verrattuna tulevat paremmin esille. Dielektrisen kappaleen leveys on edelleen Wl. Keksinnön mukaisesti on reikiä 31 ja 33 (kuva 3 A), siirretty kappaleen matkaa sivupintaa kohti kun taas reikää 32 on siirretty vastakkaista sivupintaa kohti. Näin ollen reiät 3 Γ ja 33' sijaitsevat samassa sivupinnan suuntaisessa tasossa h kun taas reikä 32' on siirretty reikien 31'ja 33' tasoon nähden 20 ja sijaitsee tasossa e. Tässä uudessa ryhmittelyssä pidetään vierekkäisten reikien väli edelleen samana kuin kuvan 3A tapauksessa, joten reikien 31'ja 32' välinen etäisyys on d ja reikien 32'ja 33' välinen etäisyys on d. Tällöin vierekkäisten resonaattoreiden välinen kytkentä on likimain sama kuin kuvan 3A tapauksessa. Luonnollisestikin reikien välinen etäisyys on vapaavalintainen suure.

25

Yhden resonaattorin sisäjohtimen siirros sivuun ja resonaattoreiden välimatkan pitäminen samana aiheuttaa sen, että äärimmäisten resonaattoreiden sisäjohtimien so. reikien 31'ja 33' välimatka pienenee. Tämä aiheuttaa sen, että suodattimen pituus L2 on pienempi kuin samat ominaisuudet omaavan suodattimen pituus LI, kuva 3A, 30 jolloin pätee L2 < LI. Koska resonanssitaajuudet ovat samat, kappaleiden, kuvat 3A ja 3B, korkeudet Hl ovat myös samat. Tästä seuraa se, että koska L2 < LI muiden mittojen pysyessä samana, on suodattimen tilavuus V = L*W*H pienentynyt.

Tilavuuden pienenemisen lisäksi keksinnön mukaisella konfiguraatiolla voidaan halli-35 ta yhden tai useamman resonaattorin yli tapahtuvaa sähkömagneettista kytkentää, joka aiheuttaa suodattimen taajuusvasteeseen yhden tai useamman nollakohdan. On huomattava, että kuvien 3 A ja 3B rakenteissa on vierekkäisten sisäjohtimien välinen etäisyys yhtä suuri molemmissa tapauksissa. Äärimmäisten resonaattoreiden välinen 98870 6 etäisyys on keksinnön rakenteessa pienempi kuin tekniikan tason rakenteessa, minkä seurauksena kytkentä yhden piirin yli eli kuvassa ääriresonaattoreiden välinen kytkentä on voimistunut. Täten suodatinrakenteesta syntyvät taajuusvasteen nollakohdat voidaan toteuttaa halutuille taajuuksille resonaattoreiden sisäjohtimien paikkojen 5 mitoituksella pitäen samalla vierekkäisten piirien välisten kytkentöjen suuruudet likimain vakiona.

Kuvan 3B mukaisen suodattimen resonaattoreiden hyvyysluvut ovat jonkin verran pienemmät kuin mitä saavutetaan kuvan 3A mukaisella tunnetulla rakenteella. Hy-10 vyysluvut ovat kuitenkin suuremmat kuin mitä saavutetaan vastaavilla erillisreso-naattoreilla. Siten Q-arvon pieneneminen ei ole merkittävää ja keksinnön mukaisella rakenteella voidaan realisoida, perinteisen yhden keraamikappaleen toteutuksen tavoin, sähköisiltä ominaisuuksiltaan hieman parempi suodatin kuin erillisresonaatto-reilla. Tilavuuden pieneminen monessa tapauksessa on kuitenkin niin tärkeä tulos, 15 että hyvyyslukujen lievä heikkeneminen voidaan sallia.

Kuvat 4 ja 5, joissa ylempi kuva esittää suodatinta perspektiivikuvana ja alempi kuva katsottuna päädystä, johon reiät aukeavat, esittävät muutamia vaihtoehtoisia sisäjohtimien sijoittelumahdollisuuksia nelipiirisessä suodattimessa. Reiät on tehty si-20 ten, että osa niistä sijaitsee tasossa f ja toinen osa tasossa g. Verrattuna tekniikan tason sähköisiltä ominaisuuksiltaan vastaavaan suodattuneen on suodattimen fyysinen leveys L pienentynyt.

Edellä kuvatut esimerkit käsittelevät lähinnä neljännesaallon siirtojohtoresonaatto-25 rein toteutettuja suodattimia. Patenttivaatimukset eivät kuitenkaan aseta rajoituksia resonaattoreille vaan ne voivat olla yhtä hyvin puolen aallon resonaattoreita, jotka on muodostettu oikosulkemalla resonaattorit molemmista päistään eli yhdistämällä reikien pinnoite rungon pinnoitteeseen tai jotka on muodostettu jättämällä resonaattoreiden molemmat päät avoimiksi, jolloin reikien pinnoite ei ole yhteydessä rungon 30 pinnoitteeseen.

li

Claims (5)

98870

1. Radiotaajuussuodatin, joka käsittää: dielektristä ainetta oleva rungon, jossa on ensimmäinen pinta ja toinen pinta rungon vastakkaisilla puolilla, päätypinnat ja vastakkaiset sivupinnat, rungon rajoittaessa 5 ainakin kahta yhdensuuntaista reikää (3132', 33'), joiden keskiakselit ulottuvat yhdensuuntaisesti ja sivupinnan (34) tason suunnassa ensimmäiseltä pinnalta toiselle pinnalle ja joiden sisäpinnat on päällystetty sähköä johtavalla aineella, jolloin kutakin reikää kohden muodostuu siirtojohtoresonaattori, tunnettu siitä, että reikien (3 Γ, 32', 33') keskiakselit sijaitsevat vähintään kahdessa tasossa, jotka ovat ensim-10 mäinen taso (h) ja toinen taso (e), ja mainitussa ensimmäisessä tasossa (h) on vierekkäiset ensimmäinen (3 Γ) ja toinen (33') siirtojohtoresonaattori, joiden välillä on sähkömagneettinen kytkentä oleellisesti tietyn mainitussa toisessa tasossa (e) olevan kolmannen siirtojohtoresonaattorin (32’) ohi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että kunkin reiän keskiakselin etäisyys (d) lähimmän viereisen reiän keskiakselista on yhtä suuri.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että mainittuja tasoja (e, h) on kaksi, joista toinen sijaitsee lähempänä toista sivupintaa (34) ja toi- 20 nen sijaitsee lähempänä vastakkaista sivupintaa, jolloin osa rei'istä sijaitsee lähellä toista sivupintaa ja osa rei'istä sijaitsee lähellä vastakkaista sivupintaa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että dielektristä ainetta oleva runko on valmistettu yhdestä kappaleesta. 25

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että dielektristä ainetta oleva runko on valmistettu useasta erillisestä kappaleesta, joista kukin muodostaa resonaattorin, ja mainitut kappaleet on kiinnitetty toisiinsa siten, että muodostuu ensimmäinen pinta ja toinen pinta rungon vastakkaisilla puolilla, päätypinnat ja vastakkaiset sivupinnat. 98870