NO165860B - Resonant krets for aa trekke ut klokkefrekvenssvingning fra en datastroem. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en resonanskrets for frasortering fra en dataflyt (f.eks. pulskodemodulasjon - PCM) av en svingning ved styrepulsfrekvens (klokkefrekvens), - hvilket garanterer et godt prestasjonsnivå med hensyn på frekvensselektivitet og -stabilitet ved endringer i det omgivende miljø, særlig med hensyn på temperaturendringer. Resonanskretsen ifølge oppfinnelsen består av en kortsluttet linjeseksjon fastgjort på et kvartsbæresjikt; ved det anvendelige frasorteringssystem er det forkoblet en datainnmatskrets og etterfulgtr av en utmatingskrets, som forsterker det signal som frasorteres ved hjelp av resonanskretsen.

Det er velkjent at en overføringslinjeseksjon, som er kortsluttet, har resonansegenskaper, og derfor skaper den en båndpassfilterkrets med hensyn til den signalkomponent, som foreligger ved dens innmating ved frekvensen fo, hvortil svarer en bølgelengde " li* 4 x lengden av "1" av nevnte linjeseksjon. Med andre ord har svingningen filtrert av resonatoren med en linjelengde av "1" frekvensen:

fo = V /> = V /4 x 1, hvor V er forplantningshastig-

P P P

heten for en elektromagnetisk bølge sendt gjennom linjen,

som i hovedsak er avhengig av det materiale som benyttes som dielektrisk bæresjikt. Når en på den andre side ønsker at en linjeseksjon frasorterer en komponent med frekvensen fo, må dennes lengde "1" være følgende.: 1 = V /(4 x fo). Disse egenskaper kan utnyttes i praksis når det ikke medfører for høye "l"-verdier, d.v.s. når fo er meget høy; i praksis er bruken av resonanslinjer hittil begrenset til mikrobølge-området, d.v.s. til de meget høye frekvenser som svarer til svært korte bølgelengder.

Det finnes imidlertid dataoverføringssystemer av PCM-type, som arbeider i frekvensområder svarende til bølgelengder, som er betydelig under "mikrobølge"-lengde, og disse systemer benyttes mer og mer; frasorteringen av klokkesignalet må derfor vanligvis utføres ved hjelp av LC-resonanskretser som inneholder konsentrerte komponenter, om nødvendig med fordelte induktanser L (spoler i spiral-form). Disse konvensjonelle resonatorer medfører imidlertid atskillige ulemper, blant disse kan nevnes ulemper forårsaket av lav selektivitet som skyldes begrensete Q-faktorer ved komponentene og signalutstråling i luften, i det vesentlige når de arbeider ved høye frekvenser (men fremdeles betydelig under mikrobølgefrekvenser), såsom frekvensen benyttes i et linjesystem på 565 Mbit/s.

Et primært formål med oppfinnelsen er å skaffe en resonanskrets for frasortering av svingninger, som har klokke eller styrepulsfrekvenser meget lavere enn mikrobølger, omfattende en linjeseksjon som har en lengde redusert til akseptable verdier.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å skaffe en resonanskrets som har en linjeseksjon med akseptabel lengde for frasortering av høye frekvenser (men meget lavere enn mikrobølgefrekvenser), som ikke oppviser ulempene ved konvensjonelle resonatorer og spesielt har en høy Q-verdi og derfor høye selektivitetsegenskaper.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å skaffe en

resonanskrets av det angitte slag, d.v.s. med en linjeseksjon anbrakt på et dielektrisk bæresjikt for ved hjelp av redusert lengde av denne linjeseksjon å oppnå ikke bare en høy Q-verdi og derfor en høy selektivitet, men også en stor prestasjonsstabilitet ved variasjoner i det omgivende miljø, især i nærvær av temperaturendringer.

Disse og andre formål oppnås ved hjelp av en resonanskrets av det innledningsvis angitte slag, karakterisert som beskrevet i den karakteriserende delen av patentkrav 1.

I US 4.266.206, som viser teknikkens stand, tas riktignok inn-, hhv. utsignaler fra hver sin kantside, men dette er ikke å anse som det primære ved tilkoplingsmåten. Det gjelder snarere teknikken med å anvende innmatingslinjer (MI, MU), som gir bedre forhold for resonantorinnkjøring med forholdsvis lave tilkoplingstap, noe som i seg selv er et formål for foreliggende oppfinnelse. Slik utførelse er ikke vist i nevnte patentskrift, men derimot en tilkoplingsplate intregrert med en resonator, som er bred og skiller fra utførelsen i samsvar med oppfinnelsen. Da plata er bred, er impedansen mellom plata og det ledende jordplanet meget liten. Følgelig er hele plata lagt til jordpotensialet. Formålet med oppfinnelsen i samsvar med motholdet er eksakt

å bestemme resonantorens lengde ved en maskeringsoperasjon, og dette oppnås ved å utforme plata som integrert med resonatoren. Resonantorens lengde og dens tilkopling til jordpotensialet bestemmer dermed nøyaktig. Samme prinsipp vises i fig. 3, der to ledningsplater anvendes (se kol.3, linjene 11-30).

Det at resonatorenes lengde bestemmer resonansfrekvensen er riktignok kjent, og således må da bæresjiktet være større enn resonatorens lengde, og ved lavere resonansfrekvenser må resonatorens lineære utstrekning være lengere og dermed må også bæresjiktet være lengere. I samsvar med foreliggende oppfinnelse presenteres den løsningen på problemet å holde små dimensjoner på resonatoren, å opprettholde et kort bæresjikt og stor utstrekning på resonatoren ved optimalt å kombinere de i og for seg kjente faktorene med å bibeholde en høy Q-verdi, dvs. bæresjiktets dielektresitetskonstant og linjeseksjonen av resonatoren til verdier som eksperimentelt har vist seg å være forutbestemte resonansfrekvenser.

Ved en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen strekker båndet seg langs den lengste langsgående aksen på platens ytre flate, idet dets frie ende er nær og forløper parallelt med en av de ytre kantene på nevnte flate, mens den andre ende strekker seg fram til motstående tverrkant, hvorfra den fortsetter langs hele platens tykkelse for å koble til den metallisering som dekker platens andre hovedflate.

I følge et annet særtrekk ved oppfinnelsen innbefatter hovedbåndflaten to ledende seksjoner, som står vinkelrett på båndets akse, er forskjøvet langs denne akse den ene over den andre, idet hver av den strekker seg fra båndet til en atskilt langsgående kant på nevnte hovedflate, som bærer dem, og hvor innmatingssignalet påføres på en første langsgående kant mellom den frie ende av en av nevnte seksjoner og den underliggende metallisering, mens utmatingssiganlet avledes fra den andre, motstående, langsgående kant mellom den frie ende på den andre ledende seksjon og den underliggende metallisering.

Ved en eksepsjonelt fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen er linjen framstilt av parallelle seksjoner, som hver er forenet med den andre, idet avstanden mellom de nærmeste seksjoner er slik at det unngås kobling, og innmatings og utmatingskretser er utformet som strimler.

De ulike aspekter og fordeler med oppfinnelsen vil gå bedre fram av etterfølgende beskrivelse avoen foretrukne og ikke-begrensende utførelsesformer, som utelukkende i belysende øyemed er vist på de vedlagte tegninger, der

fig. 1 er et blokkdiagram over frasorteringssystemet;

fig. 2 er et skjematisk, perspektivisk delriss av en resonanskrets ifølge oppfinnelsen;

fig. 3 reresenterer også et skjematisk, perspektivisk delriss som viser en spesielt gunstig tillempning av den i fig. 2 viste krets.

Under henvisning til det i fig. 1 viste skjema omfatter frasorteringssystemet i hovedsak: en innmatingskrets (I) for innmatingsdata (FD), hvorfra det skal frasorteres et signal ved "bit"-frekvens, den egentlige resonanskrets (CR) og en utmatingskrets (U) for det frasorterte signal (SE), hvis amplitude fortrinnsvis er forsterket til ønsket nivå over verdien for nedstrøms-impedansen (ikke vist). Mens innmatingskretsen (I) og utmatingskretsen (U) kan være av konvensjonelt slag, er resonanskretsen (CR) ifølge oppfinnelsen (fig. 2) satt sammen av et dielektrisk bæresjikt (SQ), hvorpå en kortsluttet linje (LS) er gjort fast. Ifølge det første særtrekk ved oppfinnelsen innbefatter bæresjikter (SQ) (bestemt av de to hovedflater vinkelrette på det øvre 10 og det nedre 10' tegningsplan og av fire mindre sideflater 11-11' og 12-12' en elektrisk ledende båndformet linje (LS), som har en lengde "1" på den øvre hovedflate 10, som strekker seg fra dens frie ende EA til dens ende EC på kanten dannet av de fo flatene 10 og 11' idet enden EC er kortsluttet gjennom seksjonen ECC på veggen 11' med et nedre metallisert sjikt ME på den nedre hovedflate 10'. Innmatingssignalet (FD) tilføres mellom 1 og 2, hvor 1 er et annet, meget smalt metallisert sjikt (MI) anbrakt på den øvre flate; på samme måte tas utmatingssignalet (U) ut fra 3 og 4.

Dersom en går ut fra at Q-verdien for en resonator framstilt av en linje (CR ifølge fig. 2) øker ideelt ifølge en matematisk lov tilnærmet proporsjonalt med kvadratroten av frekvensen, går det fram at det er mulig ved en høy arbeidsfrekvens å få bedre selektivitetsegenskaper enn dem som knytter seg til tradisjonelle resonanskretser. Begrensningene i forhold til de teoretiske verdier er i hovedsak avhengig av den måte hvorpå resonatoren er koblet til innmatings og utmatingskretsen, slik det vanligvis er tilfelle i en hvilken som helst resonanskretstype.

Den minskede størrelse (bredde "w", lengde "1") av linjeseksjonen (LS) til akseptable verdier og systemets prestasjonsstabilitet oppnås gjennom et vellykket valg av bæresjiktsmateriale (SQ) som funksjon av stabiliteten ved dets dielektrisitetskonstant i forhold til temperaturen og dets mekaniske varmeutvidelseskoeffisienter.

Dersom det valgte bæresjikt (SQ) utmerker seg ved en lav dielektrisk tapsverdi, sikres også en optimal verdi for resonansens Q-faktor. Valget av bæresjiktsmateriale vil til slutt påvirke den slags teknikk som benyttes for anbringelse av metalliseringen (ME) på nevnte bæresjikt. Eksempelvis for den spesielle tillempning av klokkesignalfrasorteringen fra dataflyten PCM ved 565 Mbit/s har bruk som bæresjikt (SQ) av aluminiumoksyd (<Al>2<o>3,£ rr = 10,1, Tan S = 10~ )

eller av G10 ("epoksyglass", £r= 4,4, Tan£ = 80 x 10~<4>) blitt utelatt fra beregningen, ettersom de nevnte materialer, selv om de tillater akseptabel lengde av linjer (LS), ikke tilfredsstiller kravene med hensyn på stabilitet ved temperaturendringer og selektivitetsnivå. Det har uventet vist seg at det oppnås et optimalt resultat ved bruk av en akseptabel lengde "1" ved som bæresjiktsmateriale (SQ) å

velge en amorf kvarts, som utmerker seg ved følgende verdier:

- relativ dielektrisitetskonstant: £r = 3,826 (25°C)

+ 3,834 (100°C)

- dielektrisitetstap: XanS = 1 x 10~<4>

-6

- varmeutvidelseskoefflsient: Of= 0,55 x 10

Ifølge et fordelaktig særtrekk ved oppfinnelsen består metalliseringen (ME) av Ag og den anbringes på kvartsen ved hjelp av tykkfilmteknikk. Dimensjonene "w" og "h" på den båndformede linje (LS) fastsettes i hovedsak som en funksjon av den Q-verdi en søker å oppnå når frekvensen for signalet, som skal filtreres, en gang er gitt og foreneligheten for dimensjonene på kommersielt tilgjengelige kvartsplater er tatt med i berengningen.

I det spesielt interessante tilfelle, hvor det skal frasorteres en svingning med frekvens fo = 564,992 MHz, har det vist seg at det oppnås et vellykket resultat ved å velge w = 10 mm og h = 1,2 mm.

Indikativt, når f avtar (til 140 Mbit/s svarende til 140 MHz), skulle det, for å bibeholde samme Q-verdi, f.eks.

= 600, være nødvendig å øke "w" og "h"; ellers får en være fornøyd med en lavere Q-verdi.

Signalets forplantningshastighet langs linjen (LS), avhengig av de fysikalske egenskaper hos bæresjiktet (SQ) og linjens symmetri, går fram av beregningen:

Vp = 0,58 x c, hvor

c = forplantningshastigheten i vakuum.

Derfor er lengden:

1 = 78 mm.

Den beregnende teoretiske Q-verdi utgjør:

Q = 606.

Ved den utføresesform som har størst praktisk interesse (fig. 3), som tillater opprettholdelse av høyest mulig f ilterselektivitet rundt den ønskede frekvens når resonatoren er koblet til det i fig. 1 viste frasorteringssystem, har det vist seg særlig fordelaktig ikke å tilkoble den direkte med innmatings (I) og utmatingskrets (U), men koble den til dem gjennom en innmatingslinje MI (på flaten 10) sluttende med en kortslutning mot jord (ME på 10'), for å slutte innmatingskretsen elektrisk, og gjennom utmatingsstrimler MU, som også er anbrakt på SQ-linjebæresjiktet ved siden av resonatoren, og som fungerer som initiator for innmating av FD-signalet som kommer fra I og uttaOt av utmatingssignalet SE fra resonatoren CR. På denne måte garanteres de beste resonatorinnkjøringsforhold liknende tomgangskjøring (uten last). Tilkoblingstapene som oppstår fra denne framgangsmåte kompenseres etter behov av den følgende utmatingsforsterkeren

AU.

I det følgende angis resultater av interessante parametermålinger som er utført for systemer, som effektivt realiseres ifølge det i fig. 1 vist skjema.

Det benyttede resonanselement er vist i 6in egentlige form i fig. 3.

Målinger ved romtemperatur ( 20°C)

- Total systemforsterkning: G = -12 dB

- Filtrerinnskudsdempning: - 26 dB

- Resonansfrekvens: fo = 564,992 MHz

- Båndbredde ved -3 dB: B = (563,952 + 566,022) MHz

- Q-verdi: Q = 270

Målinger ved temperaturer fra - 10°C til + 60°C

- Forsterknignsvariasjoner: + 1,1 Db

- Total variasjon av resonansfrekvens: fo = 270 KHz svarende til 9,5 ppm/°C - Q-verdivariasjoner: Q (-10°C) = 287; Q (+60°C) = 258

Som alternativ kan det oppnås samme resonanskrets ved å benytte monokrystallinsk kvarts med dielektrisitetskonstant r=4,6 som bæresjiktsmateriale.

Dette medfører en noe lavere forplantningshastighet og følgelig en linjelengde av linjen framstilt av amorf kvarts. I dette tilfelle krever anbringelsen av metalliseringen MI

og framfor alt ME (i dette tilfelle framstilt av kobber) en tynnfilmsteknikk. I praksis faller denne resonators ytelser ved romtemperatur ammen med den for foregående tilfellet. Derimot er stabiliteten ved disse ytelser noe lavere ved temperaturendringer. Et resonanselement av samme slag som

ble beskrevet for bruk av 565 Mbit/s kan også benyttes i systemer som arbeider ved lavere frekvenser, f.eks. for frasortering av klokkesignaler fra dataflyter ved 140 Mbit/s.

Resonansen ved disse frekvenser skulle kunne kreve en større linjeseksjonslengde, men i et hvilket som helst tilfelle kan denne lengdeøkning begrenses innenfor akseptabel grense, ved å kompensere den undertrykte linjeseksjon med en konsentrert kapasitans (ikke vist) parallellkoblet med nevnte linje, og som har en passende C-verdi.

Dette systems ytelse med hensyn på Q-verdi og temperaturstabilitet stammer fra linjegeometrien og fra egenskapene for den benyttede kondensator, og ved bruk ved 140 Mbit/s har de vist seg mer tilfredsstillende.

For igjen å komme tilbake til fig. 3 går det klart fram at filterets ytterdimensjoner kan reduseres betraktelig ved å gi båndet en utførelse i form av en løkke eller krok, f.eks. i form av en G eller liknende, med linjeseksjoner i hovedsak innbyrdes parallelle og med minimal avstand "li" og "l'i" uten spesielle koblinger.

Claims (4)

1. Resonanskrets for frasortering fra en dataflyt (FD) (f.eks. pulskodemodulasjon - PCM) av en svingning ved styrepulsfrekvens lavere enn mikrobølgefrekvens med et godt prestasjonsnivå med hensyn på frekvensselektivitet og -stabilitet ved endringer i det omgivende miljø, særlig med hensyn på temperaturendringer, hvorved en parallellepiped-formet plate, som har en viss tykkelse (1,2 mm) omfatter et bæresjikt (SQ), hvor ei båndlinje (LS) er anbrakt på en av de ytre hovedflater (10). mens et metallisert sjikt (ME), fortrinnsvis Ag-metallisert, er anbrakt på den andre motstående hovedflata (10'), karakterisert ved at resonanskretsen bestående av en båndformet linjeseksjon (LS) er åpen i en ende (EA) og kortsluttet i den andre enden (EC) med sjikt (ME) og har en lengde innenfor et intervall, som er passelig for å gi resonansfrekvenser mellom forutbestemte verdier, for eksempel 565 Mbits/s til 140 Mbits/s på et forholdsvis kort bæresjikt av amorfkvarts (SQ), og at hovedbåndflaten innbefatter to ledende seksjoner, som står vinkelrett på båndets akse, er forskjøvet langs denne akse like overfor hverandre og strekker seg fra båndet til en atskilt langsgående kant på nevnte hovedflate, som bærer dem, idet innmatingssignalet påføres på en første langsgående kant mellom den frie ende av en av nevnte seksjoner og den underliggende metallisering, mens utmatingssignalet avledes fra den andre, motstående, langsgående kant mellom den frie ende på den andre ledende seksjon og den underliggende metallisering.

2. Resonanskrets ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at båndet (LS) strekker seg langs den lengste langsgående akse på platens relative ytre flate (10), idet dets frie ende (EA) befinner seg nær og forløper parallelt med en ytterkant (11) på nevnte flate, mens den andre (EC) strekker seg frem til motstående ytterkant (11'), hvorfra den fortsetter (EEC) over hele platens tykkelse (h) for å kobles til metalliseringen (ME) på platens andre hovedflate (10').

3. Resonanskrets ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at linjeseksjonene består av parallelle, innbyrdes forbundne seksjoner, idet avstanden mellom de nærmeste seksjoner er slik at det unngås kobling.

4. Resonanskrets ifølge krav 5, karakterisert ved at innmatings- og utmatingskrets er utformet som strimler.