ITMI991445A1

ITMI991445A1 - HIGH FREQUENCY MULTI-CAVITY SIGNAL FILTERS WITH DIELECTRIC

Info

Publication number: ITMI991445A1
Application number: IT1999MI001445A
Authority: IT
Inventors: Vittorio Tansini; Mario Bandera
Original assignee: Forem Srl
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2000-12-30
Also published as: ITMI991445A0

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

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

dal Titolo: "Filtri di segnali al alta frequenza, multi-cavità con dielettrico" . Entitled: "High frequency, multi-cavity signal filters with dielectric".

La presente invenzione concerne filtri, semplici o del tipo duplexer, di segnali ad altissima frequenza, comprendenti un corpo metallico nel quale sono scavate più cavità risonanti aventi, ciascuna, preferibilmente, un cilindretto dielettrico centrale, ed un'iride di accoppiamento tra cavità adiacenti ricavata su una delle quattro pareti che definiscono detta cavità, segnatamente sulla parete comune alle due cavità accoppiande. The present invention relates to filters, simple or of the duplexer type, of very high frequency signals, comprising a metal body in which several resonant cavities are carved, each having, preferably, a central dielectric cylinder, and a coupling iris between adjacent cavities obtained on one of the four walls that define said cavity, in particular on the wall common to the two coupling cavities.

In genere le iridi di accoppiamento sono del tipo a finestra ricavata nella detta parete comune e delimitata da due facce verticali sostanzialmente lineari, l'area esposta da ciascuna faccia essendo definita dal prodotto dell 'altezza lineare (HL) della parete, per lo spessore della stessa parete. Generally the coupling irises are of the window type obtained in said common wall and delimited by two substantially linear vertical faces, the area exposed by each face being defined by the product of the linear height (HL) of the wall, by the thickness of the same wall.

Tanto per fissare le idee, in fig. 1 si sono rappresentati, in vista dall'alto, una porzione di corpo di filtro convenzionale CF, le cavità C1, C2. . .C4, in esso scavate, un 'iride 112 o 134 in una parete comune PC. Come schematicamente rappresentato in vista frontale in fig. 2 l'irida ha la forma regolare di una finestra FA definita da un 'altezza H (generalmente inferiore all'altezza totale Ho della parete P formatrice di cavità) , e una larghezza L. Ovviamente per regolare l’accoppiamento AC fra cavità contigue ad es. AC12, AC34 tra le cavità CI e C2 e .C3 e C4 contigue si può influire sulle dimensioni della finestra FA, in particolare sull'altezza H e larghezza L. Just to fix the ideas, in fig. 1 shows, in top view, a portion of the conventional filter body CF, the cavities C1, C2. . .C4, hollowed out therein, an iris 112 or 134 in a common PC wall. As schematically represented in front view in fig. 2 the iris has the regular shape of a window FA defined by a height H (generally lower than the total height Ho of the cavity-forming wall P), and a width L. Obviously to adjust the coupling AC between adjacent cavities ex. AC12, AC34 between the cavities CI and C2 and .C3 and C4 contiguous it can affect the size of the window FA, in particular the height H and width L.

Ma l'altezza H di FA è sostanzialmente condizionata dalle dimensioni delle pareti, che devono avere determinati valori di resistenza meccanica ecc. ecc. Si deve allora giocare sulla larghezza L da sola o in combinazione con l 'inserimento di elementi circuitali passivi (sostanzialmente capacitivi) disposti nel senso di detta larghezza. But the height H of FA is substantially conditioned by the dimensions of the walls, which must have certain mechanical resistance values, etc. etc. It is then necessary to play on the width L alone or in combination with the insertion of passive circuit elements (substantially capacitive) arranged in the direction of said width.

In detta figura 2 è indicato un elemento capacitivo essenzialmente filiforme ECF disposto più o meno centralmente, a ponte tra le spalle SI e S2 che delimitano l'area vuota cioè la luce AV della finestra FA le cui parti superiore 1 e inferiore 2 sono ovviamente piene. In said figure 2 an essentially filiform capacitive element ECF is indicated, arranged more or less centrally, as a bridge between the shoulders S1 and S2 which delimit the empty area, i.e. the opening AV of the window FA whose upper 1 and lower 2 parts are obviously full .

La soluzione consistente nell'adozione di un elemento passivo ECF si è dimostrata abbastanza complessa e inadeguta: in effetti un elemento capacitivo saldato a ponte è facilmente suscettibile di leggeri spostamenti, angolazioni, incurvamenti (disposizioni a catenaria) ecc. ecc. che modificano notevolmente il grado di accoppiamento prodotto da un ECF, a parità di dimensioni, in particolare di larghezza L, della finestra FA. The solution consisting in the adoption of a passive ECF element has proved to be quite complex and inadequate: in fact a capacitive element welded to bridge is easily susceptible to slight displacements, angles, bends (catenary arrangements) etc. etc. which considerably modify the degree of coupling produced by an ECF, with the same dimensions, in particular of width L, of the window FA.

In più gli elementi circuitali passivi tipo ECF modificano i loro valori capacitivi nel tempo (invecchiamento) e al variare delle condizioni termiche ambientali. L'esperienza ha dimostrato che una volta tarato inizialmente un filtro, le sue caratteristiche si modificano anche in funzione degli urti che può subire il filtro stesso, ed è difficile se non impossibile riportarlo ai valori della taratura iniziale. In tutti i casi occorerebbe ricorrere a operazioni delicate o complesse già di difficile realizzazione in laboratorio ed addirittura ineseguibili sul campo. In addition, ECF-type passive circuit elements change their capacitive values over time (aging) and with varying environmental thermal conditions. Experience has shown that once a filter has been initially calibrated, its characteristics also change as a function of the shocks that the filter itself can undergo, and it is difficult if not impossible to bring it back to the values of the initial calibration. In all cases it would be necessary to resort to delicate or complex operations already difficult to carry out in the laboratory and even inexecutable in the field.

Queste difficoltà degli ECF obbligano a vedere se ci sono possibilità derivabili da scelte critiche delle dimensioni e geometrie delle finestre. Così da uno studio accurato sono emerse esigenze contrastanti: da una parte, la larghezza L andrebbe fatta la più grande possibile in modo da lasciarvi passare l'utensile di formatura ad esempio le frese (almeno il loro gambo cilindrico) che scavano e regolano la configurazione e le dimensioni delle cavità; dall'altra parte si è però trovato che un aumento qualsiasi della larghezza non comporta un corrispondente aumento dell’accoppiamento. Si è tentati perciò di restringere le finestre ma a danno della lavorazione meccanica e della relativa precisione. These difficulties of the ECF oblige to see if there are possibilities deriving from critical choices of the dimensions and geometries of the windows. Thus, from a careful study, conflicting needs emerged: on the one hand, the width L should be made as large as possible in order to let the forming tool pass through it, for example the cutters (at least their cylindrical shank) that dig and adjust the configuration and the dimensions of the cavities; on the other hand, however, it has been found that any increase in width does not lead to a corresponding increase in coupling. It is therefore tempting to narrow the windows but to the detriment of mechanical processing and relative precision.

Scopo del presente trovato è ora quello di provvedere filtri o duplexer multi - cavità di segnali ad altissima frequenza, che non abbiano i suddetti inconvenienti e che presentino contemporaneamente condizioni ottimali di accoppiamento elettrico e di lavorabilità. Le caratteristiche più salienti dell'invenzione sono recitate nelle rivendicazioni in calce che si ritengono qui incorporate. The object of the present invention is now to provide filters or multi-cavity duplexers for very high frequency signals, which do not have the aforementioned drawbacks and which simultaneously present optimal conditions for electrical coupling and workability. The most salient features of the invention are recited in the appended claims which are considered incorporated herein.

I diversi aspetti e vantaggi del trovato appariranno più chiaramente dalla descrizione seguente delle forme di realizzazione rappresentate a titolo illustrativo e non limitativo nei disegni di accompagnamento nei quali : The various aspects and advantages of the invention will appear more clearly from the following description of the embodiments represented for illustrative and non-limiting purposes in the accompanying drawings in which:

la fig. 1 è una vista schematica dall' alto di una forma di realizzazione dell'arte nota; fig. 1 is a schematic top view of an embodiment of the known art;

la fig. 2 è una rappresentazione schematica in elevazione frontale di un'iride convenzionale; fig. 2 is a schematic representation in front elevation of a conventional iris;

la fig. 3 è una vista dall'alto di un filtro complesso scoperchiato a n cavità e n/2 iridi secondo l'invenzione; fig. 3 is a top view of an uncovered complex filter with n cavities and n / 2 irises according to the invention;

la fig. 4 è una vista in sezione con un piano avente per traccia la linea Q-Q sulla fig. 3, che fà vedere la configurazione più elementare di finestra a gradienti di apertura secondo il trovata; fig. 4 is a sectional view with a plane having the line Q-Q on fig. 3, which shows the most elementary configuration of a gradient window according to the invention;

la fig. 4A è una vista frontale su scala ingrandita di detta finestra a gradiente di apertura; e fig. 4A is a front view on an enlarged scale of said aperture gradient window; And

le figure 5, 6 e 7 rappresentano vari allargamenti, rispettivamente: delle sole porzioni terminali, superiore 3 ed inferiore 4 (fig. 5, curva A, L 34) ; - della sola porzione centrale 5 a parità di larghezza di dette porzioni terminali 3 e 4 (fig. 6, curva B, L5) ; e - dell 'intera apertura cioè contemporaneamente e solidalmente di tutte dette porzioni 3, 4 e 5 (fig. 7, curva C,L 345) ; figures 5, 6 and 7 show various enlargements, respectively: of the terminal portions only, upper 3 and lower 4 (fig. 5, curve A, L 34); - of only the central portion 5 with the same width of said end portions 3 and 4 (fig. 6, curve B, L5); and - of the entire opening, that is, simultaneously and integrally of all said portions 3, 4 and 5 (fig. 7, curve C, L 345);

la figura 8 è un diagramma che riporta le curve larghezza-frequenza corrispondenti alle realizzazioni delle figure 5 (curva A, L34) , 6 (curva B, L5) e 7 (curva C, L345) . figure 8 is a diagram showing the width-frequency curves corresponding to the embodiments of figures 5 (curve A, L34), 6 (curve B, L5) and 7 (curve C, L345).

In fig. 3 è rappresentato un filtro complesso consistente di due sezioni, ciascuna a sei cavità, quella SI con cavità A, B, C, D, E, F, e finestre la, 2a, 3a, 4a, e 5a e quella S2 con cavità G, H, L, M, N, P e finestre 1, 2, 3, 4 e 5. E' bene premettere che il filtro di fig. 3 può avere le configurazioni e le strutture più svariate, quali quelle descritte in una serie di brevetti della Richiedente, fra i quali ci si limita a citare i brevetti italiani N° 1246747, N° 1246748, N° 1246749 , N° 1252537, N° 1271812, N° 1285991, US N° 5,684,438, le domande di brevetto italiano N° 97A 001696, N° 98A 000182, N° 98A 001714, N° 98A 002750 eco. . In fig. 3 shows a complex filter consisting of two sections, each with six cavities, that SI with cavities A, B, C, D, E, F, and windows la, 2a, 3a, 4a, and 5a and that S2 with cavity G , H, L, M, N, P and windows 1, 2, 3, 4 and 5. It should be noted that the filter of fig. 3 can have the most varied configurations and structures, such as those described in a series of patents of the Applicant, among which we limit ourselves to mentioning the Italian patents N ° 1246747, N ° 1246748, N ° 1246749, N ° 1252537, N 1271812, N ° 1285991, US N ° 5,684,438, the Italian patent applications N ° 97A 001696, N ° 98A 000182, N ° 98A 001714, N ° 98A 002750 eco. .

Il corpo di filtro CF è sempre in materiale meccanicamente lavorabile in particolare asportabile con fresa. Per limitare la descrizione agli aspetti più tipici del presente trovato, si possono dare qui per scontate le diverse caratteristiche strutturali e funzionali del filtro a cavità risonanti in aria (con o senza dielettrico) ; conviene perciò concentrarsi sulle particolarità specifiche delle iridi secondo la presente invenzione. The CF filter body is always made of mechanically workable material, in particular removable with a cutter. In order to limit the description to the more typical aspects of the present invention, the various structural and functional characteristics of the air resonant cavity filter (with or without dielectric) can be taken for granted here; it is therefore convenient to focus on the specific features of the irises according to the present invention.

Nella sezione di fig. 4 si è rappresentato il caso più semplice e vantaggioso delle finestre FA1, FA3 e FA5 (sostanzialmente a forma di T) , una delle quali ad es. FA3 è rappresentata su scala ingrandita in fig. 4A. In the section of fig. 4 shows the simplest and most advantageous case of the windows FA1, FA3 and FA5 (substantially T-shaped), one of which for example FA3 is represented on an enlarged scale in fig. 4A.

E', bene ricordare che la configurazione schematica della fig. 4A è volutamente quella più semplice e che essa viene qui adottata perchè si presta meglio alla illustrazione del trovato. It should be remembered that the schematic configuration of fig. 4A is deliberately the simplest one and that it is adopted here because it lends itself better to the illustration of the invention.

Per scrupolo di chiarezza illustrativa, si può immaginare l'altezza totale della parete sfinestrata comune a due cavità accoppiande divise in: una zona di testa 1 ed una zona di fondo 2 che, come si può vedere anche dalla fig. 4A corrispondono e definiscono l'apertura totale di una finestra ricavata nella parete comune PC; queste zone non entrano in gioco nella regolazione dell'accoppiamento; For the sake of illustrative clarity, one can imagine the total height of the louvered wall common to two coupled cavities divided into: a head area 1 and a bottom area 2 which, as can also be seen from fig. 4A correspond to and define the total opening of a window formed in the common PC wall; these areas do not come into play in the regulation of the coupling;

una zana di testa 1 ed una di fondo 2' aventi larghezza L1, rispettivamente L'2 e altezza H, risp. H'2 che rappresentano porzioni della parete comune PC non coinvolte dall'accoppiamento, o coinvoltevi ma in misura trascurabile; queste porzioni 1 e 2' non entrano perciò in gioco nella regolazione dell'accoppiamento; a head 1 and a bottom 2 'having width L1, respectively L'2 and height H, resp. H'2 representing portions of the common PC wall not involved in the coupling, or involved in it but to a negligible extent; these portions 1 and 2 'therefore do not come into play in the adjustment of the coupling;

- una zona 3 avente larghezza L3 e altezza H3, inferiori rispetto a quelle delle porzioni 1, 2' ; - a zone 3 having a width L3 and a height H3, lower than those of the portions 1, 2 ';

una porzione centrale 5 tipicamente a minima larghezza L5 (massimo restringimento) e altezza H5; e a central portion 5 typically with minimum width L5 (maximum shrinkage) and height H5; And

una porzione 4 a larghezza L4 che può essere diversa da L, L '2, L3 e altezza H4 anch'essa diversa da H1, H'2, H3 e H5. a portion 4 with width L4 which can be different from L, L '2, L3 and height H4 also different from H1, H'2, H3 and H5.

Secondo un aspetto del trovato, trascurando per un attimo le variazioni di altezza Hi (sulle quali non si può agire per motivi costruttivi) , caratteristicamente almeno nelle zone di transizione da 3 a 5 e da 5 a 4 si hanno gradienti di larghezza ± GL5. Di preferenza anche ± GL5 può variare lungo H5, ad esempio nel senso che il restringimento aumenta dalle due estremità 5s e 5i della parete verso il centro 5c della zona 5. According to one aspect of the invention, neglecting for a moment the height variations Hi (on which one cannot act for constructive reasons), characteristically at least in the transition areas from 3 to 5 and from 5 to 4 there are gradients of width ± GL5. Preferably also ± GL5 can vary along H5, for example in the sense that the shrinkage increases from the two ends 5s and 5i of the wall towards the center 5c of the zone 5.

Con sorpresa si è ora trovato che i gradienti (variazioni) di larghezza hanno ripercussioni differenziate sull'accoppiamento nel senso che, contrariamente alle aspettative, gli allargamenti su certe porzioni di finestra consentono di avere variazioni di accoppiamento (e perciò delle frequenze) decisamente più pronunciate di quelle ottenibili con allargamenti su altre zone (in particolare quelle che, a prima vista, possono sembrare più favorevoli) . Surprisingly, it has now been found that the gradients (variations) of width have differentiated repercussions on the coupling in the sense that, contrary to expectations, the widenings on certain portions of the window allow for decidedly more pronounced coupling variations (and therefore of the frequencies). than those obtainable with enlargements on other areas (in particular those which, at first glance, may seem more favorable).

Tanto per riferirci a casi pratici particolarmente semplici, nella figura 7 si sono immaginate diverse (tre) variazioni di larghezza estese su tutta l'altezza H, cioè contemporaneamente sulle tre zone 3-5-4; allorché la larghezza è minima ad esempio di 8mm, l'accoppiamento sarà tale da avere una frequenza all'incirca di 8 MHz (curva C nel diagramma di fig. 8) . Allargando questa larghezza minima di 8mm, a 16 mm si trova una frequenza di circa 5,2 MHz mentre portando detta larghezza a 24mm la frequenza sale a circa 6,5 MHz. Just to refer to particularly simple practical cases, in figure 7 different (three) variations of width have been imagined extending over the entire height H, ie simultaneously over the three zones 3-5-4; when the width is minimum for example of 8mm, the coupling will be such as to have a frequency of approximately 8 MHz (curve C in the diagram of fig. 8). By enlarging this minimum width by 8mm, at 16mm there is a frequency of about 5.2 MHz while bringing this width to 24mm the frequency rises to about 6.5 MHz.

Pertanto nel caso della fig. 7 e della relativa curva 8C (nel diagramma di fig. 8 avente la larghezza in mm sulle ordinate e la frequenza in MHz sulle ascisse) ad una variazione di larghezza da 8 a 24 della larghezza di L3 = L4 = L5 corrisponde una banda di circa 2,5 MHz da circa 4 a ca. 6,5 MHz. Therefore in the case of fig. 7 and of the relative curve 8C (in the diagram of fig. 8 having the width in mm on the ordinates and the frequency in MHz on the abscissas) to a variation of width from 8 to 24 of the width of L3 = L4 = L5 corresponds a band of approximately 2.5 MHz approx. 4 to approx. 6.5 MHz.

La figura 6 e la relativa curva 88 fanno vedere che alla larghezza di 8mm della sola parte centrale 5 corrisponde una frequenza di circa 9,6 MHz, alla larghezza di 16mm corrisponde la frequenza di circa 7MHz, e alla larghezza di 24mm si ha la frequenza di ca. 6 MHz; pertanto variando di ben sedici millimetri (da 8 a 24) la larghezza L5 si ha una banda larga 3 MHz da circa 9,6 a circa 6. Figure 6 and the relative curve 88 show that the width of 8mm of the central part 5 only corresponds to a frequency of about 9.6 MHz, the width of 16mm corresponds to the frequency of about 7MHz, and the width of 24mm gives the frequency of ca. 6 MHz; therefore, by varying the width L5 by as much as sixteen millimeters (from 8 to 24), there is a 3 MHz wide band from about 9.6 to about 6.

Non senza sorpresa la fig. 5 e la relativa curva 8A fanno vedere che variando le larghezze L3 e L4 delle sole porzioni superiore 3 e inferiore 4, da 8 a 24mm (a parità di larghezza della porzione centrale 5 tenuta fissa a 8mm) si ha larghezza di banda di frequenza da circa 4 a circa 9,7 MHz, cioè si ha una banda di circa 5,7 MHz. Not without surprise fig. 5 and the relative curve 8A show that by varying the widths L3 and L4 of the upper 3 and lower 4 portions only, from 8 to 24mm (with the same width of the central portion 5 held fixed at 8mm), the frequency bandwidth is obtained from about 4 to about 9.7 MHz, i.e. there is a band of about 5.7 MHz.

In altre parole si è trovato, non senza sorpresa, che: 1) l'allargamento dell'apertura di tutta la finestra, estesa cioè sulle tre zone 3-5-4, contemporaneamente e in una stessa misura, (fig. 7, curva 7C) produce un aumento dell'accoppiamento inaspettatamente minimo e conseguentemente una larghezza minima della banda delle frequenze; 2) - l'allargamento della sola zona centrale 5 (a parità di larghezza e altezza delle zone 3 e 4) produce anch'esso un aumento inaspettatamente minimo dell'accoppiamento e quindi un allargamento della banda di frequenze anch'esso minimo; 3) - per contro l'allargamento delle zone superiore 3 ed inferiore 4 (fig.5, curva A) produce un aumento inaspettatamente notevole dell'accoppiamento ed un ampliamento altrettanto notevole della banda delle frequenze. In other words, it was found, not without surprise, that: 1) the widening of the opening of the whole window, that is extended over the three zones 3-5-4, simultaneously and to the same extent, (fig. 7, curve 7C) produces an unexpectedly minimal increase in coupling and consequently a minimum width of the frequency band; 2) - the enlargement of the central zone 5 only (with the same width and height of zones 3 and 4) also produces an unexpectedly minimal increase in coupling and therefore a widening of the frequency band which is also minimal; 3) - on the other hand, the widening of the upper 3 and lower 4 zones (fig. 5, curve A) produces an unexpectedly significant increase in coupling and an equally remarkable widening of the frequency band.

Mutatis mutandis, sembra possibile formulare l'invenzione anche nel senso che immaginando di dividere l'altezza della finestra in più tratti ad es. tre porzioni, sul primo terzo dalla sommità al centro e sul terzo terzo dal basso verso il centro l'accoppiamento aumenta all'aumentare della larghezza di queste due porzioni terminali superiore 3 e inferiore 4 mentre sul secondo terzo centrale 5 l'accoppiamento si inverte cioè diminuisce all'aumentare della "luce" (larghezza L5). Mutatis mutandis, it seems possible to formulate the invention also in the sense that by imagining dividing the height of the window into several sections, e.g. three portions, on the first third from the top to the center and on the third third from the bottom towards the center the coupling increases as the width of these two upper 3 and lower 4 terminal portions increases while on the second central third 5 the coupling is reversed, i.e. it decreases as the "light" increases (width L5).

Il trovato è stato volutamente descritto con riferimento alle forme di realizzazione (rappresentate nei disegni) particolarmente semplici e significative; è ovvio che queste forme non hanno carattere limitativo anzi sono suscettibili di tutte quelle varianti,modifiche, sostituzioni e simili che, per essere a portata di mano del tecnico medio del ramo, sono da considerare, già in partenza, come naturalmente ricadenti nell'ambito e nello spirito della presente invenzione. The invention has been deliberately described with reference to the particularly simple and significant embodiments (shown in the drawings); it is obvious that these forms do not have a limiting character, on the contrary they are susceptible of all those variations, modifications, replacements and the like which, in order to be within reach of the average person skilled in the art, are to be considered, from the outset, as naturally falling within the scope and in the spirit of the present invention.

Claims

CLAIMS 1) Filters, simple or complex, of very high frequency signals, comprising: - a body or block of mechanically workable metal; - a plurality of resonant cavities dug into said block; preferably dielectric elements centrally arranged in each cavity; - coupling irises (windows) between contiguous cavities obtained in the common walls, said windows having an empty area defined by a height H and a width L, characterized by the fact that said width L is variable according to said height H and it presents marked gradients especially in the areas not affected by the passage of the machining tools.

2) Filters according to claim 1, characterized by gradients corresponding to narrowing of the opening located substantially at the ends of the central portion of the window.

3) Filters according to claim 2, characterized in that each lateral window wall has a protuberance towards the inside, so as to give rise to an opening with narrowing.

4) Filters according to claim 3, characterized by the fact that each window has at least three zones, one upper and one lower than the central protuberance, the widening of said upper and lower zones increasing the coupling with the same width of the determined central portion from pretuberances.

5) Filters according to claim 4, characterized by the fact that the central zone with restricted opening due to the protuberances has a constant width over its entire height, preferably equal to the minimum width that allows the passage of the machining tools.

6) Filters according to at least one of the preceding claims characterized in that the coupling and therefore the width of the frequency band are maximized, maximizing both the widths of the upper and lower zones and minimizing the width of the central intermediate zone.

7) Filters substantially as described and represented.