ITMI981397A1

ITMI981397A1 - COAXIAL LOW-PASS FILTER IN AIR

Info

Publication number: ITMI981397A1
Application number: IT98MI001397A
Authority: IT
Inventors: Renato Zocca; Marco Santoniccolo
Original assignee: Forem Srl
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 1999-12-18
Also published as: IT1301748B1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

a corredo di una domanda di brevetto di invenzione industriale accompanying an industrial invention patent application

dal Titolo: Filtro passa-basso coassiale in aria, Entitled: Coaxial low-pass filter in air,

La presente invenzione concerne un filtro passa-basso coassiale in aria, consistente sostanzialmente di induttanze e capacità ricavate in un corpo di filtro scatolare sul quale si applica un coperchio portante le viti di chiusura. The present invention relates to a coaxial low-pass filter in air, substantially consisting of inductances and capacitances obtained in a box-shaped filter body on which a cover carrying the closing screws is applied.

Come noto un filtro passa-basso permette il passaggio di tutte le frequenze da 0 Hz ad una determinata frequenza di taglio Fc (creando così la banda passante),e ne attenua progressivamente le frequenze al di sopra di essa (creando così la banda oscura). As known, a low-pass filter allows the passage of all frequencies from 0 Hz to a certain cut-off frequency Fc (thus creating the pass band), and progressively attenuates the frequencies above it (thus creating the dark band) .

Tanto per fissare subito e meglio le idee il circuito equivalente di un filtro passa-banda è riconducibile ad una rete a T e può essere schematizzata nei suoi elementi base come in Fig.1. Just to fix the ideas immediately and better, the equivalent circuit of a band-pass filter can be traced back to a T-network and can be schematized in its basic elements as in Fig.1.

Li e Ci sono induttanze e rispettivamente capacità. Zi rappresenta l'impedenza degli elementi induttivi che sono caratterizzati da relazioni del tipo: Li and Ci are inductances and capacitances respectively. Zi represents the impedance of the inductive elements which are characterized by relations such as:

mentre Zc rappresenta l'impedenza degli elementi capacitivi del circuito che sono caratterizzati da relazioni del tipo while Zc represents the impedance of the capacitive elements of the circuit which are characterized by relations of the type

Semplificando, si può notare che per frequenze basse l'impedenza induttiva Zi tende a valori piccoli (Zi = 0 per valore di f = 0), cioè tende a chiudere la linea centrale (a cortocircuitarla), permettendo la continuità del segnale in transito. Simplifying, it can be noted that for low frequencies the inductive impedance Zi tends to small values (Zi = 0 for the value of f = 0), i.e. it tends to close the central line (short-circuit it), allowing the continuity of the signal in transit.

Contemporaneamente Zc per valori bassi di frequenza,tende ad assumere un valore infinito realizzando un circuito aperto verso massa e impedendo cosi che il segnale sia messo a massa. At the same time Zc for low frequency values tends to assume an infinite value creating an open circuit towards ground and thus preventing the signal from being grounded.

In una situazione di questo genere il segnale posto all'ingresso della linea del filtro "vede",per una certa banda di frequenze, una continuità elettrica con l'uscita del filtro stesso (che deve essere caricata su carico adattato), e permette al segnale di transitare. In a situation of this kind, the signal placed at the input of the filter line "sees", for a certain frequency band, an electrical continuity with the output of the filter itself (which must be loaded on an adapted load), and allows the signal to transit.

Viceversa all'aumentare della frequenza del segnale che transita sulla linea, Zi tende ad incrementare il proprio valore (tende all'infinito) creando sempre più un circuito aperto sulla linea,mentre contemporaneamente Zc diminuisce il proprio valore tendendo a 0 (cortocircuitando la linea verso massa). Conversely, as the frequency of the signal passing through the line increases, Zi tends to increase its value (tends to infinity) creating more and more an open circuit on the line, while at the same time Zc decreases its value tending to 0 (short-circuiting the line towards mass).

Fino ad una certa frequenza, quindi,i segnali in transito passeranno con minime attenuazioni,oltre ad certa frequenza (Fc) i segnali risulteranno sempre più attenuati tra ingresso e uscita per l'effetto combinato di apertura del circuito sulla linea centrale (Zi tende a infinito), e di cortocircuitazione verso massa del circuito capacitivo (Zc rende a 0). Up to a certain frequency, therefore, the signals in transit will pass with minimal attenuations, in addition to a certain frequency (Fc) the signals will be increasingly attenuated between input and output due to the combined effect of opening the circuit on the central line (Zi tends to infinity), and short-circuiting the capacitive circuit to ground (Zc makes it to 0).

Nel progetto di un filtro passa-basso i valori di Li e di Ci concorrono a definire la larghezza della banda passante mentre il numero (la quantità) degli stessi elementi (L1/L2/L3...e C1/C2/C3...) determinano il valore di attenuazione nella banda oscura. In the design of a low-pass filter, the values of Li and Ci contribute to define the width of the passband while the number (quantity) of the same elements (L1 / L2 / L3 ... and C1 / C2 / C3 .. .) determine the attenuation value in the dark band.

Nella costruzione meccanica attuale la sequenza di induttanze e capacità viene realizzata variando opportunamente le dimensioni della linea centrale, che a seconda dei dati di progetto deve realizzare gli opportuni valori dei tratti induttivi e dei tratti capacitivi affinchè il filtro passa-basso possa generare una banda passante (con una relativa banda adattata) e, per frequenze superiori ad essa,una banda attenuante. In the current mechanical construction the sequence of inductances and capacitances is realized by suitably varying the dimensions of the central line, which according to the project data must realize the appropriate values of the inductive and capacitive sections so that the low-pass filter can generate a pass band (with a corresponding adapted band) and, for frequencies above it, an attenuating band.

Lo stato dell'arte attuale per la costruzione dei filtri passa-basso coassiali in aria, realizza il conduttore centrale ricavato a partire generalmente da un tondino pieno e tipicamente ridotto con lavoro di ripresa meccanica, per ottenere le sezioni induttive e le sezioni capacitive ed ha tipicamente la forma rappresentata in Fig.2 in cui il conduttore centrale in aria CCA comprende tratti a gradienti di diametro, ad esempio, nel caso più elementare i tre tratti induttivi LI, L2, LI Fig.2 a piccolo diametro de alternati da due tratti capacitivi a diametro molto grosso de. The current state of the art for the construction of coaxial low-pass filters in air, realizes the central conductor generally obtained starting from a solid and typically reduced rod with mechanical recovery work, to obtain the inductive sections and the capacitive sections and has typically the form shown in Fig.2 in which the central air conductor CCA includes sections with gradient diameters, for example, in the most basic case, the three inductive sections L1, L2, LI Fig.2 with small diameter d and alternated by two sections very large diameter capacitors de.

Ovviamente ogni tratto avrà una sua lunghezza 11 = 13,12> 1,rispettivamente le generalmente minore di 11. Una linea di questo tipo se inserita in un corpo CF costituente la massa del filtro,realizza un comportamento elettrico di tipo passa-basso, dove le sezioni LI e L2 ricostruiscono i tratti induttivi e i tratti Ci quelli capacitivi (Fig.3). Obviously, each section will have its own length 11 = 13.12> 1, respectively generally less than 11. A line of this type, if inserted in a body CF constituting the mass of the filter, achieves a low-pass electrical behavior, where sections L1 and L2 reconstruct the inductive sections and the sections Ci the capacitive ones (Fig. 3).

Per evitare corto circuiti su tutte le frequenze (a larga banda) i tratti capacitivi devono essere isolati da massa. Tale isolamento si realizza interponendo dell'isolante IS tra tali sezioni e la massa meccanica del filtro,ovvero tra i diametri esterni del conduttore e le pareti interne dei fori di CF. A seconda della costante dielettrica έr dell'isolante IS cambia il valore capacitivo di questi tratti,perciò la definizione e la composizione dell'isolante è un elemento di progetto. To avoid short circuits on all frequencies (wide band), the capacitive sections must be isolated from ground. This insulation is achieved by interposing insulation IS between these sections and the mechanical mass of the filter, or between the external diameters of the conductor and the internal walls of the CF holes. Depending on the dielectric constant έr of the insulator IS, the capacitive value of these sections changes, therefore the definition and composition of the insulator is a design element.

La costruzione meccanica finale,per questioni tecnologiche lavorative, assume tipicamente la forma rappresentata nelle figure 4a (vista dall'alto) e 4b (vista in sezione X-X),nelle quali il corpo di filtro CF ha un fondo FO dal quale sporgono, oltre alle due pareti trasversali terminali PTT, le tre espansioni El, E2, E1 con fori 4, 5,4 aventi sostanzialmente gli stessi diametri ma lunghezze differenziate nel senso che 15 di 5 è maggiore di 14 dei fori 4. In Fig.4c è rappresentato in vista frontale il conduttore centrale in aria LCA con cilindretti Cl, C2,C3 a diametro costante ma a gradiente di lunghezza di generatrice (15 14). In genere la linea in aria LCA di Fig.4c è inserita in una guaina di Telfon indicata con GUT. The final mechanical construction, for technological and working reasons, typically takes the form shown in figures 4a (top view) and 4b (cross-sectional view X-X), in which the filter body CF has a bottom FO from which they protrude, in addition to the two terminal transverse walls PTT, the three expansions El, E2, E1 with holes 4, 5,4 having substantially the same diameters but different lengths in the sense that 15 of 5 is greater than 14 of the holes 4. In Fig. 4c it is represented in front view of the central air conductor LCA with cylinders Cl, C2, C3 with constant diameter but with gradient length of generatrix (15 14). In general, the air line LCA of Fig. 4c is inserted in a Telfon sheath indicated with GUT.

Anche se è la più diffusa, la costruzione con questa tecnologia di linee centrali per filtri passa-basso comporta notevoli svantaggi tra i quali ci si limita a citare i seguenti: Although it is the most widespread, the construction with this technology of central lines for low-pass filters involves considerable disadvantages among which we limit ourselves to mentioning the following:

1) Difficoltà di lavorazione meccanica della linea. 1) Difficulty of mechanical processing of the line.

La figura finale è ricavata partendo da un tondo pieno di materiale metallico e richiede tempo e precisione per raggiungere le tolleranze meccaniche richieste, che sono sempre nell'ordine dei centesimi di millimetro. The final figure is obtained starting from a round full of metal material and requires time and precision to reach the required mechanical tolerances, which are always in the order of hundredths of a millimeter.

La difficoltà di costruzione è dovuta anche al fatto che la linea alterna tratti di diametri molto piccoli (esp. 0.7 mm), con diametri proporzionalmente molto maggiori (esp.7 mm). The construction difficulty is also due to the fact that the line alternates sections of very small diameters (esp. 0.7 mm), with proportionally much larger diameters (esp. 7 mm).

2) Difficoltà per il preciso posizionamento del conduttore centrale all'interno del corpo di massa del filtro. 2) Difficulty for the precise positioning of the central conductor inside the mass body of the filter.

Il conduttore centrale così sagomato deve essere posizionato con precisione all'interno del corpo filtro,in quanto si rende necessaria la perfetta integrazione delle celle capacitive dentro i fori ad esse destinate. The central conductor thus shaped must be positioned precisely inside the filter body, as it is necessary to perfectly integrate the capacitive cells into the holes intended for them.

Una non perfetta integrazione varierebbe il valore della capacità dei singoli elementi, compromettendo la corretta risposta del filtro. An imperfect integration would vary the capacity value of the individual elements, compromising the correct response of the filter.

3) Costo 3) Cost

Una linea lavorata con le precisioni richieste comporta un incremento del costo del passa-basso in maniera sensibile. A line machined with the required precision involves a significant increase in the cost of the low-pass.

4) Ingombri meccanici del filtro finito. 4) Mechanical dimensions of the finished filter.

Generalmente il corpo adibito ad alloggiare una linea centrale con sbalzi di diametri deve essere forato con fori di diametri maggiori, il che comporta la necessità di avere più spazio per le lavorazioni meccaniche e quindi il filtro finale avrà dimensioni in proporzione. Scopo del presente trovato è quello di provvedere un filtro passa-basso coassiale in aria che elimini gli inconvenienti della tecnica nota e presenti un "maximum maximorum" di caratteristiche in termini di prestazioni elettriche, facilità manufatturiera e di regolazione, ingombro ridotto e articolabile, costo contenuto ecc. Generally the body used to house a central line with overhangs of diameters must be drilled with holes of larger diameters, which entails the need to have more space for mechanical processing and therefore the final filter will have proportional dimensions. The purpose of the present invention is to provide a coaxial low-pass filter in air which eliminates the drawbacks of the known art and has a "maximum maximorum" of characteristics in terms of electrical performance, ease of manufacture and adjustment, reduced and articulated size, cost content etc.

Questo ed altri scopi sono raggiunti col filtro passa-basso coassiale in aria secondo l'invenzione che si caratterizza sostanzialmente per il fatto di presentare una linea in aria senza gradienti di diametro,preferibilmente di filo cormerciale verniciato,e fori delle espansioni dal fondo del corpo di filtro anch'essi senza gradienti di diametro, ma con gradienti dell'estensione della generatrice del relativo cilindretto cavo, il diametro interno di detti fori essendo sostanzialmente uguale al diametro esterno della verniciatura della linea in aria. This and other purposes are achieved with the coaxial low-pass filter in air according to the invention which is substantially characterized by the fact that it presents an air line with no gradient in diameter, preferably of painted rubber wire, and holes in the expansions from the bottom of the body. filter also without gradients of diameter, but with gradients of the extension of the generatrix of the relative hollow cylinder, the internal diameter of said holes being substantially equal to the external diameter of the painting of the line in the air.

I diversi aspetti e vantaggi del trovato appariranno più chiaramente dalla descrizione della forma di realizzazione (preferita e non limitaitva) rappresentata nelle figure dei disegni di accompagnamento che sono rispettivamente: The various aspects and advantages of the invention will appear more clearly from the description of the embodiment (preferred and not limited) represented in the figures of the accompanying drawings which are respectively:

fig. 1,il circuito equivalente base; fig. 1, the basic equivalent circuit;

fig. 2,vista frontale di una realizzazione pratica della linea centrale; fig. 3 è la linea della fig.2 inserita nel corpo di filtro con l'isolante; fig. 2, front view of a practical embodiment of the center line; fig. 3 is the line of Fig. 2 inserted in the filter body with the insulation;

fig. 4c è la vista di una linea centrale secondo l'arte nota; fig. 4c is the view of a central line according to the known art;

le figure 4a e 4b rappresentano la linea di fig.4c inserita nel corpo del filtro. Figures 4a and 4b show the line of Figure 4c inserted in the filter body.

fig. 5a,vista dall'alto analoga e da confrontare con la fig. 4a della tecnica nota; fig. 5a, similar top view and to be compared with fig. 4a of the known art;

fig. 5b, vista schematica in sezione con un piano avente per traccia la linea Χ' - X' in fig.5a, analoga e da confrontare con la fig. 4b dell'arte anteriore fig. 5b, schematic sectional view with a plane having the line Χ '- X' in fig. 5a, similar and to be compared with fig. 4b of the prior art

fig. 5c, vista schematica della linea coassiale in aria LCA'secondo il trovato, analoga e da confrontare con la linea convenzionale di fig.4c. le figure 6a e 6b sono viste dall'alto di forme di realizzazione cosidette ripiegate. fig. 5c, schematic view of the coaxial line in air LCA according to the invention, similar and to be compared with the conventional line of fig. 4c. Figures 6a and 6b are top views of so-called folded embodiments.

Come si vede in particolare dalla fig.5c,la linea coassiale in aria secondo il trovato consiste di un tratto di conduttore (preferibilmente commerciale) FIL.COM rivestito di vernice VE. Secondo un aspetto dell'invenzione, questa linea è a diametro esterno dVE (ma anche interno D.FIL.COM) costante conseguentemente i fori 4', 5', e 4' (fig. 5) avranno anch'essi diametro costante sostanzialmente uguale cioè di pochissimo inferiore a quello d.VE della verniciatura sul conduttore FIL.COM (anch'esso a diametro costante). As can be seen in particular from fig. 5c, the coaxial line in air according to the invention consists of a section of FIL.COM conductor (preferably commercial) coated with VE paint. According to an aspect of the invention, this line has a constant external diameter dVE (but also internal D.FIL.COM) consequently the holes 4 ', 5' and 4 '(fig. 5) will also have a constant diameter substantially equal that is, very slightly lower than that d.VE of the painting on the FIL.COM conductor (also with a constant diameter).

Secondo un altro aspetto del trovato,i detti fori cilindrici 4', 5',4' avranno ora gradienti nella lunghezza della loro generatrice, nel senso che, ad es.la lunghezza della generatrice di 4' 1g4 sarà diversa (generalmente inferiore) a quella lg5 del foro 5. According to another aspect of the invention, said cylindrical holes 4 ', 5', 4 'will now have gradients in the length of their generatrix, in the sense that, for example, the length of the generatrix of 4' 1g4 will be different (generally less) than that lg5 of hole 5.

Per effetto della maggiore vicinanza del conduttore in aria secondo il trovato LCA'alla circonferenza interna dei fori 4', 5',4' (traferro quasi trascurabile), si avranno non pochi benefici. Due to the greater proximity of the conductor in the air according to the LCA 'invention to the internal circumference of the holes 4', 5 ', 4' (almost negligible air gap), there will be not a few benefits.

Uno dei vantaggi che si realizzano utilizzando la soluzione del trovato consiste, come si è detto, nell'utilizzare un semplice conduttore a sezione costante ricoperto di un sottile strato di vernice isolante. One of the advantages achieved by using the solution of the invention consists, as stated, in using a simple conductor with a constant section covered with a thin layer of insulating paint.

Questa soluzione permette di realizzare i tratti capacitivi delle sezioni del filtro passa-basso relativamente più corti rispetto alle soluzioni tradizionalmente utilizzate. Ricordando che i valori capacitivi una volta definiti da progetto devono essere ricostruiti, nella pratica, a prescindere dalle soluzioni meccaniche utilizzate, con la tecnica descritta nel trovato si realizza che: This solution makes it possible to make the capacitive portions of the sections of the low-pass filter relatively shorter than the solutions traditionally used. Recalling that the capacitive values once defined by the design must be reconstructed, in practice, regardless of the mechanical solutions used, with the technique described in the invention it is realized that:

I valori della capacità nelle varie sezioni capacitive vengono realizzate creando le stesse in un relativamente corto tratto di linea, ciò è dovuto al minimo spessore del materiale isolante che permette di tenere molto vicino tra loro le due superfici affacciate e preposte a realizzare il corretto valore capacitivo (la circonferenza esterna del filo e la circonferenza interna del foro nel corpo di massa). The capacitance values in the various capacitive sections are created by creating the same in a relatively short section of line, this is due to the minimum thickness of the insulating material which allows the two facing surfaces to be kept very close to each other and designed to achieve the correct capacitive value. (the outer circumference of the wire and the inner circumference of the hole in the mass body).

Nelle soluzioni tradizionali, utilizzando isolanti di spessore relativamente molto più grande, il valore della stessa capacità si è costretti a realizzarlo aumentando l'area delle parti affacciate (la circonferenza esterna del conduttore centrale e la circonferenza interna del foro nel corpo di massa). In traditional solutions, using insulators of relatively much greater thickness, the value of the same capacity is forced to achieve it by increasing the area of the facing parts (the outer circumference of the central conductor and the inner circumference of the hole in the mass body).

Questa necessità si traduce nell'aumentare il diametro del conduttore interno nei tratti capacitivi,realizzando la tipica linea centrale a diametri variabili descritta in precedenza per lo stato dell'arte attuale. This need translates into increasing the diameter of the internal conductor in the capacitive portions, creating the typical central line with variable diameters described above for the current state of the art.

Un elemento determinante per la corretta messa a punto del filtro passa-basso descritta nel trovato è l'esatta determinazione del valore del dielettrico dello strato isolante utilizzato (εr). Infatti dato che le superfici affiancate sono molto vicine il "peso" della costante dielettrica dell'isolante diviene determinante ai fini di una corretta riproducibilità della capacità richiesta. A decisive element for the correct setting of the low-pass filter described in the invention is the exact determination of the dielectric value of the insulating layer used (εr). In fact, since the side-by-side surfaces are very close, the "weight" of the dielectric constant of the insulation becomes decisive for the purposes of a correct reproducibility of the required capacity.

Altresì, una volta scelto il tipo di vernice isolante e definito il suo esatto εr, gli attuali processi tecnologici di costruzione dei fili smaltati ne garantiscono una buona ripetitività costruttiva,permettendo di ottenere produzioni di filtri passa-basso con caratteristiche omogeneee tra loro. Also, once the type of insulating paint has been chosen and its exact εr defined, the current technological processes of construction of the enamelled wires guarantee a good constructive repetition, allowing to obtain production of low-pass filters with homogeneous characteristics.

Secondo un altro aspetto del trovato, il conduttore verniciato LCA può essere ripiegato ad es. a 90° (fig.6b) o meglio a 180° (fig.6a) dopo aver attraversato m prime sezioni allineate per attraversarne altre m' seconde sezioni affiancate alle prime, in modo che il corpo del filtro riduca il suo sviluppo in lunghezza e l'aumenti ad es. in larghezza, a seconda degli spazi disponibili nelle apparecchiature alle quali il filtro và associato. According to another aspect of the invention, the painted conductor LCA can be folded e.g. at 90 ° (fig.6b) or better at 180 ° (fig.6a) after passing through m first aligned sections to cross other m 'second sections side by side with the first, so that the filter body reduces its development in length and increases eg. in width, depending on the spaces available in the equipment to which the filter is associated.

Un ulteriore vantaggio delle soluzioni impiegate consiste nel poter ora utilizzare utensili di foratura molto più corti: in fig.5a l'utensile è lungo quanto è lungo tutto il corpo del filtro (connettori esclusi) e và da 10 a 10',mentre nelle figure 6a e Gb esse vanno da 11 a 11'e da 12 a 12'o 13 - 13'. A further advantage of the solutions used is that it is now possible to use much shorter drilling tools: in fig. 5a the tool is as long as the entire body of the filter (connectors excluded) and goes from 10 to 10 ', while in the figures 6a and Gb they range from 11 to 11 'and from 12 to 12' or 13 - 13 '.

Claims

CLAIMS 1) Coaxial low-pass filter in air, with inductances and capacitances, comprising an open box-like filter body, defined by four terminal walls and a bottom from which expansions protrude with substantially central holes for the passage of a conductor, characterized by: - a central line consisting of a painted conductor wire with a constant diameter; cylindrical holes in the expansions from the bottom also having a constant diameter but at gradients of the length of the generatrix of said holes cylindrical 2) Filter according to claim 1, characterized in that the diameter of the cylindrical holes crossed by the coaxial line is very slightly greater than the diameter of the painted layer on the thread-like conductor. 3) Filter according to the preceding claims, characterized by a line which after passing through m aligned sections is folded preferably at 180 ° and passes through m sections, so that the overall body of the film assumes an L or U-shaped structure, reducing its development in length . 4) Filter substantially according to what has been described and represented.