NL8400815A

NL8400815A - Resonantieketen voor de afscheiding van de klokfrequentie-oscillatie uit een datastroom.

Info

Publication number: NL8400815A
Application number: NL8400815A
Authority: NL
Original assignee: Telettra Lab Telefon
Priority date: 1983-03-18
Filing date: 1984-03-14
Publication date: 1984-10-16
Also published as: IT1160736B; GB8406929D0; MX155888A; NO165860B; US4625185A; GB2139427B; SE8401290D0; IT8320135A0; FR2542929B1; FR2542929A1; AU2552884A; JPS59181705A; NO840944L; ES8501573A1; AU576489B2; ES530723A0; SE460004B; SE8401290L; GB2139427A; BR8401235A

Description

, t 843038/AA/mk ‘ 4

Korte aanduiding: Resonantieketen voor de afscheiding van de klok- frequentie-oscillatie uit een datastroom.

De uitvinding heeft betrekking op een resonantie-5 keten voor het uit een datastroom (bijvoorbeeld P.C.M.) afscheiden van de oscillatie bij klokfrequentie, dat een goede werking garandeert met betrekking tot de frequentieselectie en -stabiliteit bij veranderingen in de omgevingscondities, in het bijzonder bij temperatuurveranderingen. De resonantieketen volgens de uitvinding be-10 staat uit een op een kwartssubstraat bevestigde kortgesloten lijnsectie; in het relevante afscheidingssysteem wordt het vooraf gegaan door een datastroom-invoerketen en gevolgd door een uitgangs-keten dat het door de resonator afgescheiden signaal versterkt.

Het is bekend dat een kortgesloten transmissie-15 lijnsectie resonantiekarakteristieken heeft en daarom een banddoor-laatketen realiseert ten opzichte van de signaalcomponent dat aan haar ingang met de frequentie fo aanwezig is, corresponderend met een golflengte M A H die gelijk is aan viermaal de lengte *'1" van de lijnsectie. Anders gezegd, heeft de door de resonator met een 20 lijnlengte "l” gefilterde oscillatie de frequentie fo= Vp/^ =

Vp/4-1, waarin Vp de voortplantingssnelheid van de door de lijn verzonden elektromagnetische golf is die in hoofdzaak afhankelijk is van het als dielektrisch substraat gebruikte materiaal. Wanneer het daarentegen gewenst is dat een lijnsectie een component afscheidt 25 met een frequentie fo, moet haar lengte "l" gelijk zijn aan 1" Vp/4.fo. In de praktijk kunnen deze eigenschappen gebruikt worden wanneer zij niet leiden tot te hoge waarden voor "l", dat wil zeggen wanneer fo zeer hoog is; in feite is het gebruik van resonantie-lijnen tot op heden beperkt tot het microgolfgebied, dat wil zeggen 30 binnen de zeer hoge frequenties overeenkomend met zeer korte golflengten. Er bestaan echter datatransmissiesystemen van het PCM type die werkzaam zijn in frequentiegebieden overeenstemmend met golflengten die belangrijk onder de microgolflengten liggen, terwijl deze systemen steeds meer gebruikt worden; de kloksignaalafscheiding 8400815 . -2-

f V

moet daarom meestal uitgevoerd worden met behulp van LC resonantie-ketens met geconcentreerde componenten en, indien nodig, met verdeelde zelfinducties L (spoelen in spiraalvorm). Deze conventionele resonators hebben een aantal nadelen waaronder de bezwaren als ge-5 volg van de lage selectiviteit tengevolge van beperkte Q-faktors van de componenten, en door de signaaluitstralingen in de lucht, voornamelijk wanneer zij met hoge frequenties (maar nog steeds 4 flink onder de microgolffrequenties) werken, zoals de frequentie die van toepassing is in een lijnsysteem met 565 Mbijt^|.

10 Het hoofddoel van de uitvinding is/verschaffen van een resonantieketen voor het afscheiden van oscillaties met klokfrequenties die veel lager zijn dan die van microgolven, omvattende een lijnsectie met een tot aanvaardbare waarden teruggebrachte lengte.

15 Een ander oo^erk van de uitvinding is het ver schaffen van een resonantieketen met een lijnsectie met aanvaardbare lengte voor het afscheiden van hoge frequenties (maar lager dan ’ de microgolffrequenties) dat de bezwaren van bekende resonators niet heeft en, in het bijzonder, een hoge Q-faktor heeft en daarom 20 hoge selectiviteitseigenschappen.

De uitvinding heeft tevens als <foel een resonantieketen van het hierboven genoemde type, dat wil zeggen met een op een dielektrisch substraat aangebrachte lijnsectie om met behulp van teruggebrachte lengten van deze lijnsectie niet slechts een 25 hoge Q-faktor en daarom hoge selectiviteit te verkrijgen maar ook een grote werkingsstabiliteit bij veranderlijke omgevingscondities, in het bijzonder temperatuursveranderingen.

De resonantieketen volgens de uitvinding heeft daartoe als kenmerk dat het bestaat uit een strookvormige lijnsectie, 30 dat aan een uiteinde open is en aan het andere uiteinde met een kortsluiting gesloten is, een binnen aanvaardbare grenzen gereduceerde lengte heeft en op een kwartssubstraat aangebracht is.

heeft

Bij voorkeur / het substraat de vorm van een parallelepipedem met een dikte "h", waarbij de strookvormige lijn 8400815 • t -3- op een van de uitwendige hulpviakken aangebracht is, terwijl op het andere hoofdvlak een metalen laag is aangebracht.

In een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding strekt de strook zich uit langs de grootste langsas van de 5 externe plaatkant en bevindt haar vrije uiteinde zich dichtbij en parallel aan een van de externe randen van de genoemde kant, waarbij het andere uiteinde zich uitstrekt tot de tegenover liggende kruisrand van waar het voortgaat langs de gehele plaatdikte ter verbinding met de metalen bedekking op bet andere hoofdvlak.

10 Een andere eigenschap van de uitvinding is dat het hoofdvlak van de strook twee geleidende secties heeft die loodrecht op de strookas staan, langs deze as ten opzichte van elkaar verschoven zijn en elk vanaf de strook naar een andere langsrand van het hoofdvlak, die hen ondersteunt, verlopen, waarbij het in-15 gangssignaal aangelegd wordt op een eerste langsrand tussen het vrije uiteinde van een van de secties en de onderliggende metalisa-tie en waarbij het uitgangssignaal afgenomen wordt van de tweede tegenover liggende langsrand tussen het vrije uiteinde van de tweede geleidende sectie en de onderliggende metallisatie.

20 Een bijzonder gunstige uitvoeringsvorm van de uit vinding heeft als kenmerk dat de lijnsectie bestaat uit met elkaar verbonden parallele secties, waarbij de afstand tussen de dichtstbijzijnde secties zodanig is dat koppelingen vermeden worden en de ingangs- en uitgangsketens gevormd worden door banden.

25 De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening. In de tekening toont;

Fig. 1 een blokdiagram van het afscheidingssysteem;

Fig. 2 schematisch gedeeltelijk en in perspectief een resonantieketen volgens de uitvinding; en 30 Fig. 3 ook een gedeeltelijk schematisch en per spectivisch aanzicht van een bijzonder gunstige toepassing van de in Fig. 2 getoonde keten.

Volgens het in Fig. 1 getoonde schema omvat het afsdi eidingssysteem globaal een ingangsketen (I) voor de ingangs- 8400815 -4- data (FD) waaruit het signaal met de bitfrequentie afgescheiden moet worden; de feitelijke resonantieketen (CR) en een uitgangs- keten (U) van het afgescheiden signaal (SE), waarvan de amplitude bij voorkeur versterkt is tot het gewenste niveau over de waarde 5 van de stroomafwaartse impedantie (niet getoond). Terwijl de in- gangs- (I) en uitgangs- (U) ketens van een bekend type kunnen zijn, bestaat de resonantieketen (CR) volgens de uitvinding (Fig. 2) uit een dielektrisch substraat (SQ) waarop een kortgesloten lijn (LS) bevestigd is. Volgens de eerste eigenschap van de uitvindl ng heeft 10 het substraat (SQ), dat bepaald wordt door de twee hoofdvlakken die loodrecht staan op de bovenste (10) en onderste (10') vlakken van de tekening en door de vier kleinere zijvlakkert'(10-11' en 12-12’) een elektrisch geleidende strookvormige lijn of streeplijn (LS) met een lengte "1" op het bovenste hoofdvlak 10 verlopend vanaf haar 15 vrije uiteinde EA naar haar uiteinde EC op de rand die gevormd wordt door de twee vlakken 10 en 11'; het uiteinde EC is kortgesloten door

de sectie ECC op de wand 11' met een onderste metallisatielaag ME

* op het onderste hoofdvlak 10'. Het ingangssignaal (FD) wordt tussen 1 en 2 aangelegd, waarbij 1 .een tweede zeer nauwe metallisatielaag 20 MI op het bovenvlak is; op gelijke wijze wordt het uitgangssignaal (U) vanaf 3 en 4 afgenomen.

Wanneer bedacht wordt dat de Q-faktor van een resonator bestaande uit een lijn (CR volgens Fig. 2) ideaal toenemend met een wiskundige wet die bij benadering evenredig is met 25 de vierkantswortel van de frequentie, blijkt, dat het mogelijk is om met een hogere bedrijfsfrequentie betere selectie-eigenschappen te verkrijgen ten opzichte van die voor traditionele resonantieketens; de beperkingen voor de theoretische waarden hangen voornamelijk af van de wijze waarop de resonator met de ingangs- en uitgangsketens 30 verbonden is, zoals het doorgaans in elk type resonantieketen uitgevoerd wordt. De gereduceerde afmetingen (breedte "W", lengte "1") van de lijnsectie (LS) tot aanvaardbare waarden en de stabiliteit van de systeemeigenschappen worden bereikt door een geschikte keuze van het materiaal van het substraat (SQ) als funktie van de stabili- 8400815 «f 5 -5- teit van haar dielektrische constante in relatie met de temperatuur van haar mechanische thermische uitzettingscoëfficienten.

Wanneer het geselecteerde substraat (SQ) gekenmerkt wordt door een lage dielektrische verlieswaarde wordt ook een 5 optimale waarde van de resonantie Q-faktor verzekerd. Tenslotte zal van de selectie van het substraatmateriaal de te gebruiken techniek voor de neerslag van de metallisatie (ME) op het substraat afhangen. Bij de specifieke toepassing bijvoorbeeld van de afscheiding van het kloksignaal uit de PCM datastroom met 565 Mbit/s is -4 10 het gebruik van aluminiumoxyde (A1203,£ = 10,1, Tg $ = 10 of van r, G10 ("epoxyglas", £ = 4,4, Tg§= 80x10 , voor het substraat (SQ) afgewezen omdat zelfs wanneer de genoemde materialen aanvaardbare toelaten lijnlengten (LS)/zij niet voldoen aan de specificaties met betrekking tot de stabiliteit bij temperatuursveranderingen en het selec-15 tiviteitsniveau. Het is de uitvinders verrassenderwijs gebleken dat een optimaal resultaat verkregen wordt bij gebruik van een aanvaardbare lengte W1M door als materiaal voor het substraat (SQ) amorf kwarts te kiezen, dat gekarakteriseerd wordt door de volgende waarden: 20 - relatieve dielektrische constante: £.^=3,826(25°C)*3,834 (100°C) - dielektrisch verlies: Tg S = 1x10"^ - thermische uitzettingscoëfficient: a = 0,55 x 10"^.

Volgens een gunstige eigenschap van de uitvinding bestaat de metallisatie (ME) uit zilver en is door middel van de 25 dikke-filmtechnologie op het kwarts aangebracht. De afmetingen "w” en "h” van de strooklijn (LS) worden in hoofdzaak als funktie van de gewenste Q-faktor verkregen zodra de frequenties van het te filteren signaal gegeven zijn, waarbij rekening gehouden wordt met de comptabiliteit van de afmetingen van de in de handel verkrijgbare 30 kwartsplaten.

In de bijzonder belangwekkende uitvoeringsvorm waarbij een oscillatie met frequentie fo = 564,992 MHz afgeleid moet worden, is gebleken dat een gunstig resultaat verkregen wordt door de keuze van w=10 mm en h=l,2 mm.

8400315 3 « -6-

Wanneer f afneemt (tot 140 Mbit/jS overeenkomend met 140 MHz) zal het voor het handhaven van dezelfde Q, bijvoorbeeld gelijk aan 600, nodig zijn om "w" en "h" te vergroten of zal men anders tevreden moeten zijn met een lagere Q.

5 De signaalvoortplantingssnelheid langs de lijn (LS) tengevolge van de fysische eigenschappen van het substraat (SQ) en de lijngeometrie volgt uit berekening van Vp=0,58c, waarin c de voortplantingssnelheid in vacuum is. De lengte bedraagt daarom 1 s 78 mm. De berekende theoretische Q-faktor bedraagt dan Q=606.

10 Vöor de uitvoeringsvorm die praktisch het meeste nut heeft (Fig. 3), waarmee de hoogst mogelijke filterselectiviteit rond de vereiste frequentie behouden kan worden wanneer de resonator in het in Fig. 1 getoonde afleidsysteem gekoppeld wordt, is gebleken dat het gunstig is om het niet direkt met de ingangsketen (I) en de 15 uitgangsketen (U) te verbinden, maar om het met deze ketens te verbinding via een ingangslijn MI (op lichaam 10) dat met een kortsluiting naar aarde eindigt (ME op 10') om elektrisch de ingangs- ► keten af te sluiten en via uitgangsbanden MU, die ook neergeslagen zijn op het substraat van de SQ-lijn dwars op de resonator en die 20 dienen als antennes voor de invoer van FD-signaal afkomstig van I en het afnemen van het uitgangssignaal SE vanaf de resonator CR.

Hierdoor wordt de beste resonator gegarandeerd werkend onder condities die gelijk zijn aan werking ervan zonder belasting; het koppelverlies dat hierdoor ontstaat wordt, wanneer 25 vereist, gecompenseerd door de volgende uitgangsversterker AU.

Hieronder volgen van belang zijnde parameterwaarden voor het systeem dat effectief gereduceerd is ter funktionering volgens het schema van Fig. 1.

Het gebruikte resonantie-element is in haar werke-30 lijke uitvoeringsvorm in Fig. 3 getoond.

Meetwaarden bij kamertemperatuur (20°C)

- Totale systeemversterking: G = - 12 dB

- Filterinvoegverlies: -26 dB

- Resonantiefrequentie: fo = 564,992 MHz fi"08 1 5 -7- 9 ^ - Bandbreedte bij -3dB : B = (563,952 * 566,022) MHz - Q-faktor : Q = 270

O O

Meetwaarden bij een temperatuur van -10 C tot +60 C

- Versterkingsvariaties : - 1,1 dB

5 - Totale variatie van resonantiefrequenties: fo=370 KHz gelijk aan

9,5 ppm/°C

- Q-faktorvariaties: Q(-10°C) = 287 Q(+60°C) = 258

Als alternatief kan dezelfde resonantieketen uit- 10 gevoerd worden met als substraatmateriaal monokristallijne kwarts met een dielektrische constante cl = 4,6.

r

Dit geeft een iets lagere voortplantingssnelheid en daarom een lijnlengte die in niet belangrijke mate teruggebracht is ten opzichte van de lengte van de uit amorf kwarts bestaande lijn. 15 In dit geval vereist de neerslag van metallisatie MI en vooral ME (in dit geval bestaande uit koper) toepassing van een dunne-film-technologie. In de praktijk vallen de eigenschappen van deze resonator bij kamertemperatuur samen met die van het voorgaande geval. De stabilisteit van deze eigenschappen is echter iets lager 20 bij temperatuurveranderingen.

Een resonantie-element van hetzelfde type als toegelicht voor toepassing bij 565 Mbit/s kan ook gebruikt worden in systemen die met lagere frequenties werken, bijvoorbeeld voor het afleiden van temporisaties ignalen (kloksignalen) uit de datastroom 25 met 140 Mbit/s.

De resonantie bij deze frequentie zou een grotere lengte van de lijnsectie vereisen; in elk geval kan deze toename in lengte binnen aanvaardbare afmetingen beperkt worden door de onderdrukte lijnsectie te compenseren met een geconcentreerde capaciteit 30 (niet getoond) die parallel aan dezelfde lijn verbonden is en een geschikte waarde voor C heeft.

De eigenschappen van dit systeem, met betrekking tot de Q-faktor en de temperatuurstabiliteit, resulteren uit de lijngeometrie en uit de eigenschappen van de gebruikte condensator 8 4 0 0 3 ? 5 w % -8- en bij gebruik bij 140 Mbit/s zijn zij neer bevredigend gebleken.

In Fig. 3 is duidelijk te zien, dat 'de grootste afmetingen van het filter sterk gereduceerd kunnen worden door de strook de vorm van een lus of haak, bijvoorbeeld een G-vorm of 5 dergelijke te geven met in hoofdzaak onderling parallele lijnsecties en met minimum afstanden "1." en "I1." zonder noemens- 1 1 waardige koppelingen.

10 \

II

8400815

Claims

1. Resonantie-keten voor een systeem voor het uit een datastroom afleiden van de oscillatie bij een temporisatie- 5 frequentie (klokfrequentie) die lager is dan de frequentie van microgolven, met een goede werking met betrekking tot frequentie-selectiviteit en stabiliteit voor omgevingsveranderingen, in het bijzonder van de temperatuur, met het kenmerk, dat het bestaat uit een strooklijnsectie, die aan een uiteinde geopend is 10 en bij het andere uiteinde in de vorm van een kortsluiting gesloten is,een binnen aanvaardbare grenzen teruggebrachte lengte heeft en aangebracht is op een kwartssubstraat.

2. Keten volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het substraat een plaat is met een parallelepipedem 15 vorm met een dikte ”hM, waarbij de strooklijn aangebracht is op een uitwendig hoofdvlak (10) terwijl op het andere hoofdvlak een metallisatielaag is aangebracht.

3. Keten volgens conclusie 1 of 2, m e t het kenmerk, dat de strook zich uitstrekt over de hoofdlangsas van de betreffende uitwendige plaatkant en haar vrije uiteinde heeft in de buurt van en parallel aan een van de kruisranden van een dergelijke kant, waarbij het andere uiteinde naar de tegenoverliggende kruisrand gaat van waar het voortgaat langs de gehele plaatdikte ter verbinding ervan met de metallisatie op het andere hoofdvlak.

4. Keten volgens conclusie 1, 2 of 3, m e t het kenmerk, dat het hoofdvlak van de strook twee geleidende secties heeft, die loodrecht op de strookas staan, ten opzichte van elkaar langs de genoemde as verschoven zijn en zich uitstrekken vanaf de strook naar een verschillende langsrand van het hoofdvlak die 30 hen ondersteunt, waarbij het ingangssignaal aangelegd wordt aan een eerste langsrand tussen het vrije uiteinde van een van deze secties en de onderliggende metallisatie, het uitgangssignaal afgenomen wordt van de tweede tegenover liggende langsrand tussen het vrije uiteinde van de tweede geleidende sectie en de onderliggende metalli- 8400815 __ ____i -10- V V satie.

5. Keten volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de lijn bestaat uit parallele secties, die elk naar elkaar gebogen zijn waarbij de afstand tussen 5 de dichtstbijzijnde secties zodanig is dat koppelingen vermeden worden.

6. Keten volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de ingangs- en uitgangsketens bestaan uit banden.

7. Keten als toegelicht aan de hand van Fig. 3. 8400815