ITTO20000716A1 - Cavita' caricata dielettricamente per filtri ad alta frequenza. - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo:

" CAVITÀ CARICATA DIELETTRICAMENTE PER FILTRI AD ALTA FREQUENZA”

Riassunto

La cavità caricata dielettricamente per filtri ad alta frequenza è costituita da un contenitore metallico, che contiene un blocco dielettrico trattenuto in posizione da piastrine di supporto e che sostiene elementi di accoppiamento e sintonia.

Essa consente la realizzazione di filtri a banda larga, mantenendo un ingombro ridotto e basse perdite. La sua struttura ad elevata simmetria consente una notevole riduzione dell'eccitazione di modi spuri ed inoltre ne facilita il progetto utilizzando procedure automatizzate di calcolo, grazie alla disponibilità di modelli elettromagnetici accurati. (Fig. 1).

Testo della descrizione

La presente invenzione si riferisce· , ai dispositivi per sistemi di telecomunicazioni e in particolare riguarda una cavità caricata dielettricamente per filtri ad alta frequenza.

Nell'ambito dei sistemi di telecomunicazioni per uso civile, e in particolare nel campo della telefonia cellulare, si pone il problema di realizzare filtri a microonde che, posti lungo una linea di trasmissione, permettano di separare canali di banda o frequenza diversa, per esempio i canali di trasmissione da quelli di ricezione.

Normalmente questi filtri vengono realizzati utilizzando una pluralità di cavità poste in cascata e accoppiate fra di loro tramite iridi, viti o altri mezzi simili. Come è noto, tali cavità, che possono essere del tipo in guida d'onda di forma cilindrica o prismatica o del tipo coassiale, cori un conduttore metallico al loro interno, hanno dimensioni legate alla lunghezza d'onda del segnale da filtrare, per cui il filtro ottenuto può presentare dimensioni finali non trascurabili, specialmente alle frequenze più basse (1-4 GHz), e quindi l'ingombro risultante può essere eccessivo.

Questo inconveniente è particolarmente sentito quando il sistema di telecomunicazioni raggiunge uno sviluppo tale da richiedere un notevole numero di tali filtri, specialmente quando questi sono montati in prossimità di antenne, spesso installate sul tetto di abitazioni civili.

Un metodo per ridurre le dimensioni di questi filtri, diventato comune in anni recenti, è quello di introdurre in ciascuna cavità un blocco di materiale dielettrico.

L’alta permettività del materiale introdotto nel risonatore fa sì che il campo elettromagnetico sia prevalentemente concentrato al suo interno, per cui le dimensioni della cavità, calcolate per ottenere la risonanza ad una determinata lunghezza d'onda, risultano fortemente ridotte. In particolare, le dimensioni complessive di un filtro equivalente con risonatori caricati dielettricamente presenta una riduzione complessiva da un terzo a un sesto del volume originale. Le caratteristiche elettriche del filtro non sono eccessivamente penalizzate, grazie alla disponibilità di materiali ceramici con basse perdite ed alta stabilità al variare della temperatura.

Un altro metodo per realizzare filtri di dimensioni ridotte è quello di ridurre il numero delie cavità impiegate sfruttando due o più modi risonanti in ciascuna cavità secondo le tecnica del riuso, che consente di progettare risonatori "dual mode” o "triple mode". L'accoppiamento fra i modi è ottenuto perturbando la sezione della cavità nel piano diagonale rispetto ai piani di polarizzazione dei modi stessi. L'effetto risultante è equivalente a quello ottenibile con due cavità ordinarie, per cui un filtro con una voluta banda passante può essere realizzato con un numero dimezzato di cavità.

Inoltre, il riuso della stessa cavità fa anche sì che si possano ottenere funzioni 'di trasferimento più sofisticate delle funzioni di trasferimento con tutti gli zeri di trasmissione all'infinito o polinomiali, caratteristiche di una pluralità di cavità semplicemente connesse in cascata.

Uno dei problemi, che si incontrano nella realizzazione dei filtri che fanno uso di cavità dei tipi menzionati, è quello di ottenere accoppiamenti di entità sufficientemente elevata, in particolare quando la banda passante che si desidera realizzare è comparativamente ampia, per esempio superiore all'uno per cento della frequenza centrale.

Come è noto, gli accoppiamenti tra le cavità sono ottenuti mediante l'introduzione di elementi meccanici, quali sonde e viti, queste ultime consentendo anche la sintonia delle stesse. E' evidente che se la cavità contiene al suo interno del materiale dielettrico, si creano ulteriori difficoltà nel posizionamento di tali elementi. Infatti, il materiale dielettrico da un lato addensa il campo elettromagnetico al suo interno, limitando il campo periferico che interviene negli accoppiamenti, dall'altro limita meccanicamente la penetrazione delle viti e delle sonde.

Il problema è ulteriormente aggravato dal fatto che tutti questi elementi devono essere preferibilmente posti sul piano di simmetria trasversale del materiale dielettrico: infatti, in questo modo si opera su un campo elettromagnetico elevato, ottenendo accoppiamenti di maggiore entità, e si evita l'eccitazione dì modi risonanti spuri, che possono generare risposte anomale nella banda operativa.

Inoltre, quando il filtro è progettato per funzionare a frequenze particolarmente basse, per esempio tra 1 e 4 GHz, dove le lunghezze d’onda, e quindi anche le dimensioni delle cavità, sono maggiori, il volume interno della cavità deve essere occupato il più possibile dal materiale dielettrico, in modo da ottenere la massima riduzione dell'ingombro. Di conseguenza lo spazio per alloggiare viti e sonde è ulteriormente limitato.

Fra le cavità caricate dielettricamente oggi conosciute, vi è quella descritta nel brevetto n. 5008640, rilasciato negli Stati Uniti il 6 aprile 1991, dal titolo "Dielectricloaded cavity resonator”, a nome della stessa richiedente, il quale risolve il problema determinato dall'ingombro e presenta basse perdite in banda passante, ma non è indicata per realizzare filtri a larga banda, che richiedono accoppiamenti molto stretti fra i risonatori e quindi notevole penetrazione degli elementi di accoppiamento nel piano di simmetria trasversale del risonatore dielettrico.

Un'altra cavità nota è quella descritta nella domanda di brevetto PCT pubblicata col n. WO 99/19933 il 22 aprile 1999, a nome Filtronic PLC, dal titolo "Composite resonator". Nel risonatore descritto, l'elemento dielettrico è appoggiato sulla base della cavità metallica e porta sulla sommità un disco metallico. Questa configurazione consente di ridurre notevolmente la presenza di modi spuri nelle vicinanze della frequenza di funzionamento del filtro, ma aumenta le perdite del risonatore. Inoltre, per ottenere gli accoppiamenti voluti, si rendono necessari particolari accorgimenti meccanici, quali placche e dischetti, dalla messa a punto piuttosto critica.

Ovvia ai suddetti inconvenienti e risolve i problemi tecnici descritti la cavità caricata dielettricamente per filtri ad alta frequenza, oggetto della presente invenzione, la quale consente la realizzazione di filtri a banda larga, mantenendo un ingombro ridotto e basse perdite. La sua struttura ad elevata simmetria consente una notevole riduzione dell'eccitazione di modi spuri ed inoltre ne facilita il progetto utilizzando procedure automatizzate di calcolo, grazie alla disponibilità di modelli elettromagnetici accurati.

E' particolare oggetto della presente invenzione una cavità caricata dielettricamente per filtri ad alta frequenza, come descritta nella parte caratterizzante ''della rivendicazione 1.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione di alcune forme preferite di realizzazione della stessa, date a titolo di esempio non limitativo, e dai disegni annesso in cui:

- la Fig. 1 è una vista in sezione longitudinale della cavità;

- la Fig. 2 è una vista in sezione trasversale della stessa cavità di Fig. 1;

- la Fig. 3 è una vista in sezione trasversale di una seconda forma di cavità; - la Fig. 4 è una vista in sezione longitudinale di una terza forma di cavità; la Fig. 5 è una vista in sezione parziale di due cavità sovrapposte e accoppiate attraverso le basi;

- la Fig. 6 è una vista in sezione parziale di due cavità affiancate e accoppiate attraverso la superficie laterale;

- la Fig. 7 è una vista in sezione parziale di due cavità affiancate e accoppiate attraverso la superficie laterale in modo diverso.

La cavità rappresentata in Fig. 1 è costituita da un contenitore metallico in cui è praticata la vera e propria cavità di forma cilindrica e da un blocco di materiale dieletrico trattenuto in posizione da una coppia di piastrine di supporto, in modo da costituire "complessivamente una struttura meccanicamente stabile senza l'impiego di adesivi.

Il blocco in materiale dielettrico, rappresentato a forma di cilindro e indicato con RS, è realizzato in materiale ad alta permittività, in modo da caricare la cavità riducendone la frequenza operativa,· e comprende una scanalatura che giace su un piano p-p trasversale all’asse di rotazione r-r, e si estende per l’intera circonferenza. Più precisamente, il piano p-p coincide con un piano di simmetria elettrica della cavità, ma non necessariamente con un piano di simmetria geometrica, e contiene anche i diversi elementi di accoppiamento e sintonia fissati al contenitore metallico.

lì cilindro dielettrico è tratenuto in posizione coassiale con la cavità dalle due piastrine di supporto SU1 e SU2 a forma di rondelle, ciascuna fornita di un foro assiale, utile per ridurre le perdite, e di un bassofondo di centraggio atto ad accogliere una delle basi del cilindro scanalato RS.

Il contenitore metallico, rappresentato con forma cilindrica, è suddiviso trasversalmente all'asse di rotazione in due parti CE e CS, fissate reciprocamente mediante viti. La parte indicata con CE ospita il gruppo formato dalle piastrine di supporto SU1 e SU2 e dal cilindro scanalato RS.

Questo gruppo e' contenuto nella parte CE grazie ad un leggero ingrandimento del diametro interna della cavità ed è mantenuto a distanza opportuna dal fondo dal gradino dovuto alla differenza fra i diametri. La profondità del tratto di cavità con diametro maggiore è posta vantaggiosamente uguale all'altezza del gruppo delle piastrine di supporto e del cilindro scanalato. In tal modo è sufficiente realizzare la parte CS con un diametro leggermente inferiore a quello delle piastrine di supporto per tratenere saldamente in posizione tutto il gruppo.

Nella parte CE del contenitore metallico, in corrispondenza con il piano di simmetria elettrica p-p, sono posti gli elementi di accoppiamento e sintonia: in particolare, vi sono una sonda SO, collegata ad un connettore coassiale CO, che permette di accoppiare la cavità verso un generatore o un carico esterno, e una pluralità di viti metalliche VT1, VT2, VT3,.., che permettono di ottenere sia l'accoppiamento fra i modi risonanti all'interno della cavità, sia la sintonia degli stessi. La sonda SO e le viti VT1, VT2, VT3 possono penetrare nella scanalatura praticata nel cilindro RS per la profondità necessaria ad ottenere gii effetti di accoppiamento e sintonia voluti.

La Fig. 2 mette in evidenza la disposizione angolare della sonda e delle viti che permette di ottenere un funzionamento di tipo "dual-mode" convenzionale della cavità.

il primo modo risonante, eccitato dalla sonda SO, viene sintonizzato dalla vite VT1, posta a 180° rispetto alla sonda. La vite VT2, posta ortogonalmente rispetto a VT1 , sintonizza il secondo modo risonante, accoppiato al primo tramite la vite VT3 posta a 45° rispetto a VT1 e VT2.

La Fig. 3 mette in evidenza un’altra disposizione angolare della sonda e delle viti, che permette di ottenere un diverso funzionamento di tipo "dual-mode" della cavità. In questo caso, la sonda SO è situata in una posizione non simmetrica rispetto a una qualunque delle due viti di sintonia VT1 e VT2, poste a 90° fra di loro. La sonda SO genera l'accoppiamento verso il generatore o il carico esterno di entrambi i modi risonanti sintonizzati da VT1 e VT2. Un'ulteriore vite, non rappresentata in figura, potrebbe essere posta a 45° rispetto a VT1 e VT2 per accoppiare ulteriormente fra di loro i due modi risonanti.

La Fig. 4 rappresenta il caso limite in cui la scanalatura praticata nel cilindro RS ha la stessa profondità del raggio, per cui il cilindro originario si suddivide in due cilindri complanari di minore altezza RS1 e RS2. In questo caso, si rende necessaria l'interposizione di un'ulteriore piastrina di supporto SU3 che mantenga i due cilindri RS1 e RS2 alla distanza voluta.

Le piastrine di supporto SU1 , SU2 e SU3, rappresentate in questa figura e nelle precedenti, sono realizzate in materiale dielettrico plastico o ceramico a bassa permittività e basse perdite.

La presenza della scanalatura e, al limite, la separazione del cilindro dielettrico in due cilindri, consente agli elementi di accoppiamento e sintonia di penetrare profondamente nelle regioni della cavità, dove il campo elettro-magnetico è più intenso. Si possono così ottenere valori di accoppiamento più elevati e gamme di sintonia più estese, facilitando la realizzazione di filtri con bande percentuali relativamente elevate, per es. superiori all'1% della frequenza centrale.

La struttura della cavità descritta permette un facile accoppiamento fra cavità simili per realizzare filtri passa-banda di diversa complessità.

In Fig. 5 sono rappresentate due cavità CA1 e CA2 sovrapposte coassialmente e con una base in comune. L’accoppiamento avviene attraverso un'iride IR, generalmente di forma rettangolare, realizzata nella base stessa.

Nelle Fig. 6 e 7 sono rappresentate due cavità CA1 e CA2 affiancate e accoppiate o mediante un'apertura AP, praticata nelle pareti laterali adiacenti, o mediante una sonda SA, che si estende nelle due cavità attraverso le pareti laterali.

E’ evidente che quanto descritto e' stato dato a titolo di esempio non limitativo. Varianti e modifiche sono possibili senza per questo uscire dal campo di protezione delle rivendicazioni.

Per esempio, sia la cavità, sia il blocco di materiale dielettrico possono essere di forma prismatica invece che cilindrica e la scanalatura può non essere in posizione intermedia, come mostrato nelle figure, ma essere vicina ad una estremità del blocco di materiale dielettrico.

Claims (12)

1. Rivendicazioni 1. Cavità caricata dielettricamente per filtri ad alta frequenza, costituita da: un contenitore metallico, suddiviso trasversalmente in due parti (CE, CS), fissate reciprocamente mediante viti, un blocco dielettrico (RS), realizzato in materiale ad alta permittività, in grado di caricare la cavità riducendone la frequenza operativa, piastrine di supporto (SU1, SU2, SU3) per trattenere in posizione il blocco dielettrico (RS) all'interno del contenitore metallico, elementi di accoppiamento e sintonia (CO, SO, VT1 , VT2, VT3), caratterizzata dal fatto che detto blocco dielettrico (RS) comprende una scanalatura che giace su un piano trasversale (p-p) e si estende per l'intero perimetro del blocco.
2. 2. Cavità caricata dielettricamente come nella rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta scanalatura praticata nel blocco dielettrico (RS) ha profondità tale da suddividere il blocco originario in due blocchi complanari di minore altezza (RS1, RS2).
3. 3. Cavità caricata dielettricamente come nella rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che un'ulteriore piastrina di supporto (SU3) è interposta tra i due blocchi complanari (RS1, RS2).
4. 4. Cavità caricata dielettricamente come nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette piastrine di supporto (SU1, SU2, SU3) sono realizzate in materiale dielettrico plastico o ceramico a bassa permittività e basse perdite.
5. 5. Cavità caricata dielettricamente nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto piano (p-p), su cui giace la scanalatura del blocco dielettrico (RS), contiene detti elementi di accoppiamento e sintonia (CO, SO, VT1 , VT2, VT3), fissati al contenitore metallico.
6. 6. Cavità caricata dielettricamente come nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto blocco dielettrico (RS) ha forma cilindrica.
7. 7. Cavità caricata dielettricamente come nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto contenitore metallico, suddiviso trasversalmente in due parti (CE, CS), ha forma cilindrica.
8. 8. Cavità caricata dielettricamente come nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che una prima vite (VT1) è posta a 180° rispetto a una sonda (SO) per sintonizzare un primo modo risonante, una seconda vite (VT2) è posta ortogonalmente rispetto alla prima vite per sintonizzare un secondo modo risonante e una terza vite (VT3) è posta a 45° rispetto alla prima e alla seconda vite, per accoppiare il primo ai secondo modo risonante.
9. 9. Cavità caricata dielettricamente come nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta sonda (SO) è posta in posizione non simmetrica rispetto a una qualunque di dette prima e seconda vite di sintonia (VT1, VT2).
10. 10. Cavità caricata dielettricamente come nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che è fornita di un’iride (IR), realizzata in una base del contenitore metallico, per l’accoppiamento ad altre cavità.
11. 11. Cavità caricata dielettricamente come nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che è fornita di un'apertura (AP), realizzata nella parete laterale de! contenitore metallico, per l'accoppiamento ad altre cavità.
12. 12. Cavità caricata dielettricamente come nelle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che è fornita di una seconda sonda (SA), fissata alla parete laterale del contenitore metallico, per l'accoppiamento ad altre cavità