ITSO20010002A1 - MINIMUM ORDER FILTER WITH CAVITY COUPLED FOR UHF TELEVISION CHANNELS. - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale avente per titolo: Description of the industrial invention entitled:
“FILTRO DI ORDINE MINIMO A CAVITA’ ACCOPPIATE PER CANALI "MINIMUM ORDER FILTER WITH CAVITY COUPLED BY CHANNELS
TELEVISIVI UHF” UHF TELEVISION "
RIASSUNTO SUMMARY
Filtro passa banda di trasmissione per canali televisivi UHF, caratterizzato da quattro risonatori cilindrici in cavità quadrata, ad accoppiamenti generalizzati e schema a quadrupletta in cascata con inversione di segno tra i risonatori intermedi, le sezioni terminali del filtro essendo accoppiate ai connettori di ingresso ed uscita tramite sonde regolabili con la rotazione meccanica dei connettori stessi. Transmission band pass filter for UHF television channels, characterized by four cylindrical resonators in square cavities, with generalized couplings and quadruple cascade scheme with sign inversion between the intermediate resonators, the end sections of the filter being coupled to the input and output connectors through adjustable probes with the mechanical rotation of the connectors themselves.
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione descrive un filtro passivo per radio frequenza a cavità accoppiate espressamente concepito per le trasmissioni televisive in banda UHF. The present invention describes a passive radio frequency filter with coupled cavities expressly conceived for television transmissions in the UHF band.
Com’è noto, sono richiesti filtri ad alta frequenza a basse perdite da impiegarsi nei sistemi trasmittenti di canali televisivi allo scopo di sopprimere tutti i segnali indesiderati dalla trasmissione. As is known, low-loss high-frequency filters are required to be used in the transmission systems of television channels in order to suppress all unwanted signals from the transmission.
I recenti trasmettitori televisivi, con amplificatori allo stato solido in classe di funzionamento AB, richiedono un accurato filtraggio del segnale trasmesso ad alta frequenza. In particolare, è noto che nel caso di amplificazione comune delle portanti audio e video (Pa e Pv), si generano per battimento dei forti prodotti d'intermodulazione, e principalmente i prodotti del terzo ordine che analiticamente valgono 2<*>f(Pv)-f(Pa) e 2<*>f(Pa)-f(Pv), particolarmente difficili da eliminare poiché sono molto vicini alla banda utile del segnale trasmesso. La natura dei disturbi richiede un filtro di uscita avente particolari gradi di selettività concentrati alle frequenze delle intermodulazioni. Non a caso, in passato sono stati largamente impiegati filtri aventi vari risonatori elimina-banda, tarati opportunamente sulle frequenze dei disturbi. Più recentemente, la tecnologia dei trasmettitori si è orientata verso gli amplificatori allo stato solido in classe AB, ed i requisiti del filtro di uscita sono diventati più stringenti. Recent television transmitters, with solid state amplifiers in the AB operating class, require careful filtering of the transmitted high frequency signal. In particular, it is known that in the case of common amplification of the audio and video carriers (Pa and Pv), strong intermodulation products are generated by beating, and mainly the third order products which analytically are worth 2 <*> f (Pv ) -f (Pa) and 2 <*> f (Pa) -f (Pv), which are particularly difficult to eliminate since they are very close to the useful band of the transmitted signal. The nature of the disturbances requires an output filter having particular degrees of selectivity concentrated at the frequencies of the intermodulations. It is no coincidence that in the past filters having various band-eliminating resonators, suitably calibrated on the frequencies of the disturbances, have been widely used. More recently, transmitter technology has shifted towards solid-state class AB amplifiers, and output filter requirements have become more stringent.
I filtri attualmente utilizzati sono passa-banda aventi almeno sei cavità risonanti, e richiedono risonatori ad alto fattore di merito per limitare le perdite d'inserzione. The filters currently used are band-pass having at least six resonant cavities, and require high quality factor resonators to limit insertion losses.
In alternativa sono adottati schemi a quattro risonatori passa-banda con due risonatori aggiuntivi elimina-banda. Queste ultime realizzazioni sono generalmente ingombranti e critiche in termini di taratura e risposta in frequenza, poiché non sono basate su progetti elettrici canonici. Alternatively, four band-pass resonator schemes with two additional band-pass resonators are adopted. The latter realizations are generally cumbersome and critical in terms of calibration and frequency response, since they are not based on canonical electrical designs.
Recentemente, la teoria dei circuiti ha dimostrato la possibilità di migliorare le risposte analitiche classiche (Chebyshev) mediante schemi generalizzati che permettono l'aggiunta di poli di attenuazione a frequenze prefissate della risposta (R. Levy, “Filters with Single Transmission Zeros at Reai or Imaginary Frequencies,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, voi. MTT-24, pp. 172-181, Apr. 1976). Tali conoscenze sono oggi largamente impiegate per la realizzazione di filtri molto selettivi, come per esempio quelli impiegati nelle stazioni adibite alla telefonia mobile. Un esempio di questa tecnica di progetto si trova in: (G. Macchiarella, “An Originai Approach to thè Design of Bandpass Cavità Filters with Multiple Couplings," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, voi. MTT-45, pp. 179-187, Apr. 1976). Recently, circuit theory has shown the possibility of improving classical analytical responses (Chebyshev) by means of generalized schemes that allow the addition of attenuation poles at predetermined response frequencies (R. Levy, “Filters with Single Transmission Zeros at Reai or Imaginary Frequencies, ”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-24, pp. 172-181, Apr. 1976). Such knowledge is nowadays widely used for the realization of very selective filters, such as for example those used in stations used for mobile telephony. An example of this design technique can be found in: (G. Macchiarella, “An Originai Approach to the Design of Bandpass Cavità Filters with Multiple Couplings,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-45, pp. 179- 187, Apr. 1976).
II brevetto n. EP 1 045 470 A2 descrive un filtro generalizzato secondo schema classico e noto, dove l’oggetto specifico dell’invenzione è il particolare accoppiamento capacitivo regolabile tra i risonatori 2 e 5. Patent n. EP 1 045 470 A2 describes a generalized filter according to a classical and known scheme, where the specific object of the invention is the particular adjustable capacitive coupling between resonators 2 and 5.
In ogni caso, si rileva dallo stato della tecnica che per filtrare convenientemente un canale televisivo sono attualmente richiesti sei risonatori accoppiati in modo più o meno complesso. In any case, it can be seen from the state of the art that six resonators coupled in a more or less complex way are currently required to conveniently filter a television channel.
La presente invenzione realizza un filtro con soli quattro risonatori avente tutte le caratteristiche richieste per un perfetto filtraggio del canale televisivo, con grandi vantaggi in termini di riduzione delle perdite a parità di fattore di merito, maggiore stabilità meccanica e termica, riduzione di ingombri peso e costo del dispositivo. The present invention realizes a filter with only four resonators having all the characteristics required for a perfect filtering of the television channel, with great advantages in terms of reduction of losses with the same factor of merit, greater mechanical and thermal stability, reduction of overall weight and cost of the device.
Per fare ciò occorre realizzare un filtro ad accoppiamenti generalizzati il quale abbia una risposta in frequenza perfettamente simmetrica e che consenta il piazzamento esatto dei poli di attenuazione alle frequenze desiderate. In questo modo è possibile sfruttare la risposta caratteristica di un tale filtro non solo in termini di aumento della pendenza della transizione, ma soprattutto sfruttando l’altissima reiezione dei due poli di attenuazione in coincidenza delle frequenze dei principali disturbi corrispondenti alla già citata intermodulazione del terzo ordine. To do this, it is necessary to create a generalized coupled filter which has a perfectly symmetrical frequency response and which allows the exact placement of the attenuation poles at the desired frequencies. In this way it is possible to exploit the characteristic response of such a filter not only in terms of increasing the slope of the transition, but above all by exploiting the very high rejection of the two attenuation poles in coincidence of the frequencies of the main disturbances corresponding to the aforementioned intermodulation of the third. order.
Il filtro dell’invenzione richiede una grande precisione e simmetria nella risposta in frequenza, e non può essere realizzato con le attuali tecniche. The filter of the invention requires great precision and symmetry in the frequency response, and cannot be achieved with current techniques.
La soluzione del problema è stata trovata in una configurazione innovativa degli accoppiamenti multipli, la quale elimina virtualmente gli accoppiamenti parassiti che causano distorsione nella risposta in frequenza. The solution to the problem was found in an innovative multiple coupling configuration, which virtually eliminates the parasitic couplings that cause distortion in the frequency response.
Il funzionamento del filtro secondo questa nuova tecnica risulterà evidente dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva, illustrata negli allegati disegni in cui: The operation of the filter according to this new technique will be evident from the following detailed description of a preferred but not exclusive embodiment, illustrated in the attached drawings in which:
La figura 1 è una vista trasparente in pianta Figure 1 is a transparent plan view
La figura 2 è una vista trasparente di fianco Figure 2 is a transparent side view
La figura 3 è una vista trasparente lato posteriore Figure 3 is a transparent rear side view
La figura 4 è il rilievo di una tipica risposta in frequenza. Figure 4 is the survey of a typical frequency response.
Naturalmente, la sintesi di un tale dispositivo è basata sulle teorie più recenti dei filtri a microonde cui non è fatto riferimento. Inoltre, il dimensionamento dei componenti è stato effettuato con largo impiego dei migliori programmi di simulazione lineare ed elettromagnetica disponibili. Of course, the synthesis of such a device is based on the most recent theories of microwave filters which are not referred to. Furthermore, the sizing of the components was carried out with extensive use of the best linear and electromagnetic simulation programs available.
Facendo specifico riferimento alle suddette figure, il filtro comprende quattro risonatori in ottone cilindrici (1) in altrettante cavità quadrate (2), costituiti ognuno da una parte fissa (3) ed una parte mobile (4). La parte mobile (4) è comandata dall’astina d’acciaio (5) mediante una speciale meccanica di regolazione comprendente un morsetto di controllo (6) montato sui distanziali in acciaio (7). With specific reference to the above figures, the filter comprises four cylindrical brass resonators (1) in four square cavities (2), each consisting of a fixed part (3) and a mobile part (4). The moving part (4) is controlled by the steel rod (5) by means of a special adjustment mechanism including a control clamp (6) mounted on the steel spacers (7).
I risonatori sono accoppiati in cascata mediante circuiti magnetici regolabili (8) posti tra le varie cavità. La sezione elettrica fondamentale del filtro è realizzata in un’esclusiva forma caratterizzata da un’inversione di segno nel mutuo accoppiamento dei due risonatori centrali. The resonators are connected in cascade by means of adjustable magnetic circuits (8) placed between the various cavities. The fundamental electrical section of the filter is made in an exclusive shape characterized by an inversion of sign in the mutual coupling of the two central resonators.
L’accoppiamento di segno invertito presente tra il secondo e il terzo risonatore, è infatti realizzato con una tecnica innovativa tramite un ponte capacitivo (9) montato su isolatori in TEFLON (10). Tale accoppiatore è stato accuratamente dimensionato con l’ausilio della simulazione elettromagnetica tridimensionale, allo scopo di fornire coefficienti di accoppiamento pressoché costanti al variare della frequenza. La regolazione fine è resa possibile da un accoppiamento magnetico concomitante (11), il quale agisce notoriamente con segno opposto e quindi sottrae effetto all’accoppiamento elettrico principale, fino ad avere l’effetto netto desiderato. The inverted sign coupling present between the second and third resonator is in fact made with an innovative technique through a capacitive bridge (9) mounted on TEFLON insulators (10). This coupler has been carefully sized with the aid of three-dimensional electromagnetic simulation, in order to provide almost constant coupling coefficients as the frequency varies. The fine adjustment is made possible by a concomitant magnetic coupling (11), which notoriously acts with opposite sign and therefore subtracts the effect of the main electrical coupling, until having the desired net effect.
L’accoppiamento generalizzato tra il primo ed il quarto risonatore della quadrupletta è realizzato quindi in maniera duale rispetto agli schemi canonici, mediante il circuito magnetico regolabile (12). The generalized coupling between the first and fourth resonator of the quadruplet is therefore achieved in a dual manner with respect to the canonical schemes, by means of the adjustable magnetic circuit (12).
I risonatori estremi sono accoppiati elettricamente ai connettori (13) con una tecnica molto efficiente appositamente studiata, che utilizza sonde regolabili (14) mediante la rotazione ed il bloccaggio dei connettori stessi. The extreme resonators are electrically coupled to the connectors (13) with a specially designed very efficient technique, which uses adjustable probes (14) by rotating and locking the connectors themselves.
Tutte le geometrie dei componenti adibiti alle regolazioni sono state ottimizzate mediante accurati calcoli e simulazioni elettromagnetiche per rendere le regolazioni stesse più agevoli possibile, con variazioni minime entro la banda del progetto. All the geometries of the components used for the adjustments have been optimized through careful calculations and electromagnetic simulations to make the adjustments as easy as possible, with minimal variations within the project band.
La stabilità termica del filtro è garantita dall'impiego di materiali speciali quale l’acciaio INVAR, nonché da accurati calcoli e simulazioni per le migliori geometrie delle strutture risonanti. The thermal stability of the filter is guaranteed by the use of special materials such as INVAR steel, as well as by accurate calculations and simulations for the best geometries of the resonant structures.
Tutto il dispositivo è alloggiato in un robusto contenitore elettricamente stagno realizzato in lamiera d’ottone. The whole device is housed in a sturdy electrically sealed container made of brass sheet.
Naturalmente tutti i componenti interni al filtro sono argentati per migliorare le caratteristiche ad alta frequenza. Of course, all the internal components of the filter are silvered to improve the high frequency characteristics.
II filtro dell'invenzione è particolarmente innovativo per la semplicità della regolazione e per la qualità della risposta, grazie all’esclusiva configurazione degli accoppiamenti. Il progetto elettrico secondo l’invenzione consente infatti un'esatta taratura con i poli di attenuazione della risposta generalizzata collocati alle frequenze dei principali disturbi, corrispondenti nel caso delle trasmissioni analogiche alle intermodulazioni del terzo ordine, ed una selettività globale che garantisce il contenimento delle emissioni indesiderate secondo tutte le norme vigenti in materia. Le suddette caratteristiche di risposta sono evidenti dal grafico di fig. 4, di una tipica taratura di canale. The filter of the invention is particularly innovative for the simplicity of the adjustment and for the quality of the response, thanks to the exclusive configuration of the couplings. The electrical design according to the invention in fact allows an exact calibration with the attenuation poles of the generalized response located at the frequencies of the main disturbances, corresponding in the case of analogue transmissions to third-order intermodulations, and a global selectivity that guarantees the containment of emissions. unwanted products according to all applicable regulations. The aforementioned response characteristics are evident from the graph of fig. 4, of a typical channel calibration.
Benché il filtro sia stato specificatamente descritto con riferimento ad una forma di realizzazione preferita, risulterà chiaro che esso è suscettibile di numerose varianti e modifiche, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo. Although the filter has been specifically described with reference to a preferred embodiment, it will be clear that it is susceptible to numerous variations and modifications, all falling within the scope of the inventive concept.
In una seconda forma di realizzazione preferita, il filtro sarà realizzato con sei cavità risonanti, aggiungendo una cavità davanti ad ogni accoppiamento di ingresso, in cascata alla struttura fondamentale della descrizione. In a second preferred embodiment, the filter will be made with six resonant cavities, adding a cavity in front of each input coupling, in cascade to the fundamental structure of the description.
In una terza forma di realizzazione preferita, il filtro sarà realizzato con otto cavità risonanti, aggiungendo due cavità davanti ad ogni accoppiamento di ingresso, in cascata alla struttura fondamentale della descrizione. In a third preferred embodiment, the filter will be made with eight resonant cavities, adding two cavities in front of each input coupling, in cascade to the fundamental structure of the description.
Queste ulteriori realizzazioni conservano i fondamentali vantaggi della prima realizzazione, quali la perfetta simmetria della risposta e la facilità della taratura, ed aggiungono una maggiore selettività generale che le rende particolarmente adatte per le future trasmissioni televisive DVB in via di sperimentazione e sviluppo, le quali impiegano codifiche digitali e richiedono filtri di trasmissione estremamente selettivi (Rif. ETSI EN 300744 V1.4.1 ). These further embodiments retain the fundamental advantages of the first embodiment, such as the perfect symmetry of the response and the ease of calibration, and add a greater general selectivity that makes them particularly suitable for future DVB television broadcasts under experimentation and development, which use digital encodings and require extremely selective transmission filters (Ref. ETSI EN 300744 V1.4.1).
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