NO158704B - Semikoaksialt hulromresonatorfilter. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et semikoaksialt hulromresonatorfilter som omfatter et antall semikoaksiale hulromresonatorer som hver omfatter en rørformet ytterleder av forutbestemt lengde, en innerleder som er anordnet i ytterlederen og som med dens ene ende er festet til ytterlederens innervegg, en anordning til regulering av elektrostatisk kapasistans i en spalte mellom innerlederens annen ende og ytterlederens inner-

vegg, samt minst én dekkplate som er utformet med en koplingsutsparing, for integrerende kaskadesammenkopling av resonatorene.

Slike filtre er kjent fra US-patentskrift 3.273.083 og DE-patentskrift 3.012.820.

Et båndpassfilter med semikoaksiale hulromresonatorer som

er innkoplet i flere trinn har fra tidligere funnet anvendelse i utstrakt grad, for å tjene som filter med tilfredsstillende selektivitets- og lavtapskarakteristika i tilknytning til VHF-

eller UHF-bånd. Et slikt konvensjonelt filter krever imidlertid meget kompliserte justeringer for oppnåelse av ønsket båndpassfilter-egenskap, på grunn av den kjensgjerning at resonansfrekvensen og den karakteristiske impedans hos de semikoaksiale hulromresonatorer i hvert trinn innvirker ugunstig på hverandre ved å forbindes i en kaskadekopling. Det er videre nødvendig å opprettholde en høy grad av dimensjonsnøyaktighet for de res-pektive deler av filteret, og dette medfører høye produksjons-priser .

Som kjent fra japansk patentsøknad nr. 53-72569 (japansk utlegningsskrift nr. 54-163656) er det tidligere foreslått et økonomisk rimelig og lettjusterbart båndpassfilter, omfattende en rektangulær sylinder som tilvirkes ved tverrkapping av en kommersielt tilgjengelig, rektangulær bølgeleder og som anvendes som en ytterleder (yttermantel) i hvert trinn, og hvor sylinder-ens to munningsender er avstengt med plane plater, og en innerleder er anordnet i ytterlederen. De således separat fremstilte, semikoaksiale hulromresonatorer i de enkelte trinn justéres innenfor en forutvalgt resonansfrekvens og koples integrerende med derav følgende reduksjon av materialutgifter og antall justerings-trinn.

Den foreliggende oppfinnelse er i hovedsak basert på den ovennevnte konstruksjonstype som vil bli omtalt mer detaljert i den etterfølgende beskrivelse av utførelsesformene ifølge oppfinnelsen.

Det er oppstått et behov for mindre og mobilt radiokom-munikasjonsutstyr, f.eks. i form- av mobiltelefoner og reiseradio-apparater, hvortil det kreves anvendelse av mindre komponenter, eksempelvis filtre av mindre størrelse. For å imøtekomme dette behov er det, som beskrevet i japansk patentsøknad nr. 52-15204 (japansk utlegningsskrift nr. 53-999849) foreslått et filter med et antall trinnvis innkoplete resonatorer av en konstruksjon hvor det, i innerkanalen i en ytterleder 1 i en semikoaksial hulromresonator, ifylles et dielektrisk materiale som derved omslutter en innerleder og opprettholder elektrisk kontakt med ytterlederen gjennom en elektrode, idet graden av sammenkopling mellom resonatorene reguleres ved hjelp av en koplings-justerskrue. Ved dette konvensjonelle filter kan mellomrommet mellom innerledere reduseres i sammenlikning med et luftfylt filter av samme bånd-bredde, og resonansfrekvensen kan stabiliseres ved kompensering av varmeutvidelsesinnvirkningen på ytterlederen og innerlederen, ved hensiktsmessig valg av temperaturkoeffisient for det dielektriske materiale.

Et filter av denne konstruksjon er imidlertid beheftet

med ulemper og mangler, slik det fremgår av det etterfølgende.

Hvis det som dielektrisk materiale anvendes keramisk materiale av titanoksyder med gode temperaturegenskaper, vil filteret av ovennevnte konstruksjon bli meget kostbart, enhetspris og medgått mengde tatt i betraktning, og dessuten tungt. ,

Selv om den japanske patentsøknad ikke beskriver fremgangsmåten for frekvensjustering av de enkelte resonatorer som danner filteret, kan en slik justering ikke ansees som lettvint. Justering av filtreringsegenskapene ved hjelp av en justerskrue

vil kreve betydelig dyktighet.

Den foreliggende oppfinnelse har som formål å eliminere

de ovennevnte ulemper og mangler ved det konvensjonelle båndpassfilter.

Hulromresonatorfilteret ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den kapasistansregulerende anordning omfatter a) et dielektrisk underlag som har en spesifikk dielektrisitetskonstant som er høyere enn 1 og som er anordnet i spalten, idet det dielektriske underlags sideflater er i kontakt med hver sin elektrode, hvorav den ene elektrode, som er i kontakt med ytterlederens innervegg, er utformet med en utsparing av forutbestemt areal, mens ytterlederens innervegg som er i kontakt med denne elektrode er utformet med et hull, og

b) en dielektrisk plate som er utstyrt med en halvsirkelformet elektrode eller en vifteformet elektrode med forutbestemt

vinkel, idet platen er dreibart lagret i hullet og blir holdt trykket an mot elektroden ved hjelp av et fjærorgan, slik at kontaktarealet mellom elektroden som er anordnet i den dielektriske plate og utsparingen i ytterlederen er varierbar.

I en konvensjonell, semikoaksial hulromresonator uten dielektrisk underlag, er luftspalten mellom den åpne ende av innerlederen og ytterlederen redusert til den minst mulige, for å

øke den elektrostatiske kapasitet mellom delene og resonatorens reduksjonsforhold, og derved redusere resonatorens størrelse.

I en slik, semikoaksial hulromresonator blir imidlertid den høyes-te spenningen overført til luftspalten på tidspunktet for den elektriske resonans, og en ytterliggående redusering av luftspalten er derfor utilrådelig av hensyn til resonatorens strømmot-standsegenskaper. Ved fremstilling av filteret er det dessuten vanskelig å opprette en ytterst liten luftspalte uten uregelmes-sigheter, og dette medfører økning av produksjonsomkostningene.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse fylles luftspalten

med et dielektrisk underlag som har større, spesifikk dielektrisitetskonstant enn luften, og den elektrostatiske kapasitet mellom den åpne ende av innerlederen og ytterlederen kan økes tilstrekkelig uten forringelse av motstandsegenskapene overfor strøm-gjennomgang, slik at resonatordimensjonene kan minskes med derav følgende vesentlig reduksjon av filterstørrelsen. Ved filteret ifølge oppfinnelsen kan det f.eks. oppnås en størrelsesreduksjon,

utgjørende 1/4 eller mer, hvis det som dielektrisk materiale,

i overensstemmelse med en forutfastlagt spesifikasjon, janvendes keramiske materialer av titanoksyder. Filtervolumet kan derfor reduseres til praktisk talt en fjerdedel. Da tykkelsen av det

i dielektriske substrat kan reguleres nøyaktig ved omhyggelig be-arbeiding, eksempelvis polering, kan dessuten den elektrostatiske kapasitet justeres med nøyaktighet, og det kan på øk'onomisk rimelig måte fremstilles en resonator med ønskete karakteristika og et minimum av egens, kapsvariasjon.

Den konvensjonelle, semikoaksiale resonator har tendens

til å variere resonansfrekvensen, grunnet temperaturforandringer som forårsaker dimensjonsendringer hos ytterledere og ihnerledere, og det må følgelig anvendes kostbart materiale med liten varme-utvidelseskoeffisient, eksempelvis invar eller liknende!, ved krav om høy-ytelse. j

På den annen side kan det ifølge den foreliggende, oppfinnelse som omfatter anvendelse av et dielektrisk underlag, ved å benytte et underlag bestående av keramisk materiale ay titanoksyder med dielektrisk konstant hvis forandringsgrad grunnet temperaturinnvirkning kan velges vilkårlig, oppnås at variasjonene

i

i resonansfrekvensen, grunnet termiske deformasjoner av,inner-og ytterledere, kompenseres og utjevnes ved variasjon i,det di-

i elektriske underlag. Av den grunn kan inner- og ytterlederne

i

være fremstilt av relativt billig materiale, f.eks. messing, aluminium og liknende.

Grunnet anvendelsen av det dielektriske underlag vil den foreliggende oppfinnelse frembringe en ytterligere effekt som øker filterets gjennomslagspenning. Hvis det f.eks. anvéndes aluminiumoksyd for fremstilling av det: dielektriske underlag,

vil underlagets gjennomslagspenning utgjøre 10-16 kV/mmJ dvs.

ca. 5 ganger mer enn luftens, hvis gjennomslagspenning er 3 kV/mm, og dette er meget fordelaktig av hensyn til motstanden mot strøm-gjennomgang, j

Særtrekkene og fortrinnene ved den foreliggende oppfinnelse er angitt i det nedenstående.

(1) Da et dielektrisk materiale med en spesifikk dielektrisitetskonstant som er større enn luftens, er anbrakt i en luftspalte mellom den åpne ende av innerlederen og ytterlederen, hvorved resonatorens størrelse kan reduseres i større grad, vil

i

I

filterets totalstørrelse og -vekt kunne reduseres betydelig. Hvis det i filteret, i overensstemmelse med forutfastlagte spesi-fikasjoner for dette, benyttes keramisk materiale av titanoksyder, kan filtervolumet reduseres til 1/4 av det konvensjonelle filters volum. (2) Ved hensiktsmessig valg av dielektrisk materiale kan den variasjon i resonansfrekvens som skyldes termisk deformasjon av resonatoren, kompenseres slik at resonatoren kan være fremstilt av relativt billig materiale med forholdsvis stor varmeut-videlseskoeffisient, hvorved prisen for resonatoren reduseres betraktelig. (3) Da det kan velges dielektrisk materiale med høy gjennomslagspenning, kan filteret med fordel anvendes for et signal av stor strømstyrke, med henblikk på høy strømgjennomgangsmpt-stand.

(4) Da tykkelsen av det dielektriske underlag lettvint

kan reguleres med nøyaktighet, vil underlagets elektrostatiske kapasitet kunne kontrolleres, slik at de ønskete filteregenskaper lettvint kan oppnås. (5) Da hver resonator som inngår som en enhet i filteret, justeres individuelt i frekvens og sammenkoples integrerende med de øvrige, kan frekvensjusteringen av filteret etter monteringen forenkles, hvorved antallet monteringstrinn og følgelig prisen reduseres.

Det henvises til de medfølgende tegninger, hvori:

Fig. 1 og 2 viser snitt av en konvensjonell utførelsesform, hvor det er anvendt et dielektrisk materiale i det semikoaksiale hulromresonatorfilter. Fig. 3 viser et uttrukket perspektivriss av den semikoaksiale hulromresonator som inngående enhet i filteret ifølge oppfinnelsen .

Fig. 4 viser et snitt av filtermontasjen.

Fig 5, 6a og 6b viser riss av en foretrukket versjon av den elektrostatiske kapasitetsregulator som er anordnet i den semikoaksiale hulromresonator ifølge oppfinnelsen. Fig. 7 viser et diagram som illustrerer forholdet mellom temperatur og grad av forandring i resonansfrekvens i den viste utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 8 og 9 viser et uttrukket perspektivriss og et mon-tasjeriss, delvis i snitt, som illustrerer et eksempel på mon-teringssekvens for den semikoaksiale hulromresonator ifølge opp-fmnelsen. j

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende bli nærmere beskrevet

i forbindelse med de medfølgende tegninger av forskjellige ut-førelsesformer.

Det er i fig. 3 og 4 vist et uttrukket perspektivriss og

et snitt av en semikoaksial hulromresonator som inngår som en enhet i båndpassfilteret ifølge oppfinnelsen.

Som vist i tegningene er det, ved å kappe en kommersielt tilgjengelig, rektangulær bølgeleder (med dimensjoner som er nøyaktig spesifisert i Japanese Industrial Standard) på1 tvers i en forutfastlagt lengde T, tilvirket en ytterleder 11 som tjener som resonatormantel. I en vanlig filterkonstruksjon er et antall resonatorer av samme lengde T innkoplet i flere trinn.

En åpning 12 er anordnet i den fremre sidevegg av; ytterlederen 11, en innerleder 14 er innført gjennom åpningen 12 og fastgjort innvendig i ytterlederen 11 ved hjelp av en skrue 13, og denne skrue 13 benyttes som jordkontakt. Et dielektriskjunderlag 15 er anordnet i en luftspalte mellom den bakre sidevegg ay ytterlederen 11 og den annen (åpne) ende av innerlederen 14,;og elektroder 16 og 17 er anbrakt pa begge sideflater av underlaget 15. Elektrodene 16 og 17 er, ved lodning eller ved anvendelse av et ledende klebemiddel 18 eller liknende, elektrisk forbundet både med den åpne ende av innerlederen 14 og med den bakre sidevegg av ytterlederen 11. Videre er skjermplater 21 og 22 med koplingsutsparinger 19 og 2 0 plassert i anlegg mot de to åpne ender av ytterlederen 11, og det er på denne måte opprettet ett trinn i den semikoaksiale hulromresonator.

Justeringen av resonansfrekvensen i den således fremstilte semikoaksiale hulromresonator gjennomføres ved anvendelse av en mekanisme som vist i fig. 5, 6a og 6b.

Nærmere beskrevet er det, i den bakre sidevegg av:ytterlederen 11 som er forbundet med elektroden 17 i det dielektriske underlag 15, anordnet en sirkelformet åpning 23 av tilstrekkelig tverrsnitt, og en kapasitetsreguleringsknapp 25 av isolerende materiale med en tilhørende, halvsirkelformet elektrode 24 er,

som vist i fig. 6a, dreibart opplagret i den sirkelformete åpning 23 ved hjelp av en egnet fjæranordning 26, slik at ytterflaten

av den halvsirkelformete elektrode 24 tvinges i kontakt med ytterflaten av elektroden 17 i det dielektriske underlag 15.

Som det fremgår av fig. 6b, er det på elektroden 17 anordnet et avskallet, halvsirkelformet parti, hvorved det dielektriske materiale 15 på ytterflaten av elektroden 17 blottlegges for å kunne plasseres rett overfor den halvsirkelformete elektrode 24 på kapasitetsjusteringsknappen 25.

Da flaten av elektroden 17 i det dielektriske underlag

15 kan forandres trinnløst ved dreining av kapasitetsregulerings-knappen 25 i den ovennevnte justermekanisme, kan resonatorens resonansfrekvens fininnstilles. Det henvises til fig. 7, hvor en heltrukket linje A angir forholdet mellom temperaturen og resonansfrekvensforandringsgrad-karakteristikken U»f/fg) for en konvensjonell, semikoaksial hulromresonator uten dielektrisk underlag, mens en brutt linje B viser forandringsgrad-karakteristikken i det tilfelle hvor et keramisk underlag av titanoksyder, med en temperaturforandringsgrad av -23x10 —6/°C for den dielektriske konstant, er innført i luftspalten. Karakteristikkurven i fig. 7 viser stor grad av forandring i forholdet mellom temperatur og resonansfrekvens, ca. 6x10 -4/0 til 50°C, for resonatoren, fordi aluminium (med en linearut-videlseskoeffisient av 23x10 /°C) er anvendt som materiale i ytterleder og innerleder. På den annen side viser karakteristikkurven B en redusert temperatur-resonansforandringsgrad av ca. 1x10 -4/0 til 50°C. Denne temperaturkarakteristikk er den samme som ved anvendelse av invar i en konvensjonell, semikoaksial hulromresonator. For fremstilling av elektrodene 16 og 17 på de to sider av det dielektriske underlag 15, som vist i fig. 3, har en frem-gangsmåte, omfattende avsetting av et tynt metallsjikt eller prenting av en tykk film på det dielektriske underlag 15, vist seg effektiv, og blir derfor utelukkende benyttet. Det må i dette tilfelle velges et egnet elektrodemateriale som ikke vil forårsake vanskeligheter, f.eks. avskalling av elektrodene 16 og 17, på grunn av spenningen som oppstår som følge av ubalansen mellom varmeutvidelseskoeffisientene for ytterog innerlederne 11 og 14 og det dielektriske underlag 15.

Foruten keramisk materiale av titanoksyder, eller aluminiumoksyd, kan det for det dielektriske underlag anvendes ethvert materiale med lite, dielektrisk tap, og hvis resonatorens kvali-

j tetsfaktor ønskes øket, kan materialer som Teflon, mica, glass etc. komme til anvendelse.

Fremgangsmåten til fremstilling av båndpassfiltre som opprettes ved kaskadekopling av et antall semikoaksiale hulromresonatorer, er beskrevet i det etterfølgende.

Det er i fig. 8 vist ytterledere 101 og 102 og dekkplater 121 og 122, med koplingsutsparinger 111 og 112 (fig. 9)', for avskjerming mellom strømlederne, og dekkplater 123 og 124, med åpninger 131 og 132 for innføring av,inngangs- og utgarigskontakt-plugger, for avskjerming av inngangs- og utgangssideåpningene i ytterlederne henholdsvis 101 og 103, og disse komponenter er anordnet på den viste måte.

Videre er det, på yttersiden av dekkplatene 123 og 124, anordnet spennplater 161 og 162, med uttaksåpninger 151 og 152 for plugger 141 og 142 i inngangs- og utgangstilslutninger. i en gruppe av øvre og nedre monteringsrammer 171 og 172.<1> Rammene 171 og 172 er utstyrt med flate, brettformete deksler med åpninger 191 og 192 for opptakelse av innstillingstapper 181 og 182

som er anordnet på spennplatene 161 og 162 ved kanten av inngangs-kontaktsiden.

Videre er det, i fire hjørner av en filtermonterings-spenn-plate 210 anordnet åpninger 211, 212, 213 og 214 for opptakelse av fire skrubolter 201, 202, 203 og 204 for sammenspenning i en enhet av filteraggregatene ved kanten av utgangstilslutnings-siden. Etter at samtlige av disse komponenter er montert blir boltene som strekker seg gjennom filtermonterings-spennplaten 210, forbundet med låsemutre 221, 222, 223 og 224, hvorved det fremkommer en filtermontasje som vist i snitt i fig. 9.

I det utførelseseksempel som er beskrevet i det ovenstående, er tre resonatorer sammenkoplet, men det kan innenfor oppfinnel-sens ramme anordnes sammenkoplete resonatorer i et hvilket som helst, ønsket antall, og lengden av monteringsrammene 171 og 172 kan endres i slike tilfeller. Ytterlederens form, sett i snitt, er ikke nødvendigvis begrenset til den rektangulære, idet lederen også kan være sirkelformet eller av annen formJ

Resonansfrekvensene i de enkelte resonatortrinn justeres før monteringen. Under monteringen blir dekkplatene med inngangs-og utgangskontaktene montert som jigger på ytterlederne henholdsvis 101, 102 og 103, og den førnevnte kapasitetsregulexfingsknapp

i

I

25 kan dreies individuelt for finjustering av resonansfrekvensen.

Frekvensjusteringen kan også foretas ved å fjerne kapasi-tetsreguleringsknappen 25 med elektroden 24 og fjæranordningen 26 fra åpningen 23 i ytterlederens bakre veggside, forbinde elektroden med totalflaten på underlaget 15 og gradvis minske den blottlagte del ved åpningen 23 for elektroden.

På grunn av de ovennevnte fortrinn ved den foreliggende oppfinnelse er denne spesielt egnet for båndpassfiltre som anvendes ved utstyr såsom mobiltelefoner og hvorav det. kreves stor stabilitet i forening med liten størrelse og tyngde, og vil gi stor, industriell vinning.

Claims (5)

1. I 1. Semikoaksialt hulromresonatorfilter som omfatter et antall semikoaksiale hulromresonatorer som hver omfatter en!rørformet ytterleder (11) av forutbestemt lengde, en innerleder (14) som er anordnet i ytterlederen (11) og som med dens ene ende er festet til ytterlederens innervegg, en anordning (25) til regulering av elektrostatisk kapasitans i en spalte mellom innerlederens (14) annen ende og ytterlederens (11) innervegg, samt minst én dekkplate (21, 22) som er utformet med en koplingsutsparing (19i, 20), for integrerende kaskadesammenkopling av resonatorene, ;

   karakterisert ved at den kapasita ns-regulerende anordning (25) omfatter a) et dielektrisk underlag (15) som har en spesifikk dielektrisitetskonstant som er høyere enn 1 og som er anordnet i spalten, idet det dielektriske underlags (15) sideflater er i kontakt med hver sin elektrode (16, 17), hvorav den ene elektrode (17), som er i kontakt med ytterlederens (11) innervegg, er utformet med en utsparing av forutbestemt areal, meris ytterlederens (11) innervegg som er i kontakt med denne elektrode ^(17) er utformet med et hull, og b) en dielektrisk plate (25) som er utstyrt meid en halvsirkelformet elektrode eller en vifteformet elektrode med forutbestemt vinkel, idet platen (25) er dreibart lagret i hullet og blir holdt trykket an mot elektroden (17) ved hjelp av et fjærorgan, slik at kontaktarealet mellom elektroden !som er anordnet i den dielektriske plate (25) og utsparingen i ytterlederen (11) er varierbar. i i
2. 2. Semikoaksialt hulromresonatorfilter i samsvar med krav 1,

   karakterisert ved at det dielektriske underlag (15) består av keramisk materiale av titanoksyder. j
3. 3. Semikoaksialt hulromresonatorfilter i samsvarii med krav 1,'

   karakterisert ved at det dielektriske underlag (15) består av aluminiumoksyd. j
4. 4. Semikoaksialt hulromresonatorfilter i samsvar med krav 1,

   karakterisert ved at det dielektriske underlag (15) består av en makromolekylær harpiks.
5. 5. Semikoaksialt hulromresonatorfilter i samsvar med krav 1,

   karakterisert ved at hver resonator er integrerende koplet til en annen av resonatorene ved hjelp av dekkplaten (21, 22), som er utformet med koplingsutsparingen (19, 20), etter at dens resonansfrekvens er blitt regulert med den kapasitansregulerende anordning (25).