SE516287C2 - Avstämningsbart filter och karaktäriserings- och avstämningsmetoder för nämnda filter - Google Patents

Description

25 30 516 287 2 genom t.ex. en elektrisk stegmotor. Sålunda motsvaras en effektiv volym hos kaviteten med en specifik resonansfrekvens och varje gång den önskade frekvensen ändras flyttar motorn avstämningsmedlet till en specifik position.

Det är önskvärt att denna ändring av frekvens kan ske snabbt och så noggrant som möjligt så att inga onödiga fördröjningar upplevs vid frekvensândringen. Avseende det kan filtret vara karaktäriserat innan användning, sålunda möjliggörs åtminstone en grov avstämning av filtret. En finavstämning utförs ofta därefter, t.ex. genom att mäta reflekterad effekt hos filtret.

En metod för att karaktärisera ett frekvenssvar hos ett resonerande kavitetsfilter beskrivs in US Patent S,739,73l (Hicks m.fl.). Enligt Hicks m.fl. innefattar en föredragen metod följande steg: (a) inmatning av en första frekvenssignal till nämnda resonerande kavitetsfilter; (b) ändring av dimensionerna hos nämnda kavitetsfilter till dess nämnda resonerande kavitet resonerar vid nämnda första frekvens; (c) lagring av information som relaterar till nämnda dimensioner hos nämnda kavitetsfilter vilka orsakar nämnda kavitetsfilter att resonera vid nämnda första frekvens; och (d) àterupprepning av stegen (a), (b) och (c) för varje frekvens vid vilken det är önskvärt att veta frekvenssvaret hos nämnda resonerande kavitetsfilter, därigenom skapas en uppslagstabell.

Huvudpunkten med metoden enligt Hicks m.fl. är använd- ningen av en uppslagstabell. Sålunda är uppfinningsidén hos Hicks m.fl. att använda informationen som lagrats i uppslagstabellen för att flytta justeringsmedlen, i 10 15 20 25 30 nun-a u u o 516 287 3 detta exempel en avstämningsplatta, till en position närmare till den optimala positionen för frekvensen i fråga.

Emellertid finns flera nackdelar knutna till de kända metoderna enligt Hicks m.fl. En av dessa är att avstämningsplattan flyttas till en förväntad position.

Därefter används i själva verket avstämningsprocessen.

En annan nackdel är att filtret endast kan avstämmas mot en tidigare uppmätt RF-frekvens. Om den uppmätta RF-frekvensen på ingången är emellan frekvensdata- punkter som är registrerade under kavitetskaraktäriser- ingsproceduren, utförs datainterpolation för att finna den förväntade avstämningsplattans position i förhåll- ande till den närmaste linjära stegpositionen hos aktuatorn. En annan nackdel är att steg (b), under karaktäriseringen av filtret, tar tid eftersom det interna styrsystemet hos kombinern måste flytta avstäm- ningsplattan över en stor del av sitt positionsomráde och avgöra om resonans har uppnåtts. Ännu en nackdel är att varje ensamt filter måste karaktäriseras, vilket saktar ned tillverkningsprocessen. Det är även svårt att ta hänsyn till komplexa yttre fenomen, såsom temperatur, och ändra uppslagstabellen. Det behövs då en modell eller ekvation som återberäknar tabell- resultaten.

SYFTEN MED UPPFINNINGEN Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en metod för att karaktärisera ett avstämningsbart filter, vilket tar mindre tid, är mer exakt och kräver mindre minneskapacitet än kända metoder. 10 15 20 25 516 281 4 Ett annat syfte år att tillhandahålla en metod för att bygga upp en matematisk modell av ett avstâmningsbart filter.

Ett annat syfte är att tillhandahålla en kombiner som är karaktåriserad genom en metod enligt uppfinningen.

Ett annat syfte är att tillhandahålla ett avstâmnings- bart filter anpassat för användning av en metod enligt uppfinningen och en kombiner innefattande ett sådant filter. Ãnnu ett annat syfte är att tillhandahålla en metod för att använda denna karaktärisering vid avstämning av ett filter till en önskad frekvens.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen baseras på förverkligandet att en mate- matisk funktionsmodell kan användas för att represen- tera uppförandet v ett filter.

Enligt föreliggande uppfinning tillhandahålls en metod för att bestämma en resonant frekvenskaraktåristik hos ett avstâmningsbart filter såsom definieras i krav 1.

Det tillhandahålls även en metod för att bygga upp en matematisk modell av ett avstâmningsbart filter såsom definieras i krav 12.

Det tillhandahålls även ett avstâmningsbart filter såsom definieras i krav 16 och en kombiner innefattande ett sådant filter såsom definieras i krav 21. 10 15 20 25 516 287 Enligt föreliggande uppfinning tillhandahålls även en metod för att avstämma ett avstämningsbart filter såsom definieras i krav 22.

Med filtret och metoderna enligt föreliggande uppfin- ning erhålls flera fördelar. Ett filter erhålls som snabbt karaktäriseras och avstäms. Även minnesbehovet är mindre än för filter enligt känd teknik.

Med metoderna enligt uppfinningen är det möjligt att massproducera filter utan att behöva göra kompletta karaktäriseringar av varje filter, därigenom till- handahàlls billigare och ännu mer exakta slutprodukter.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGAR Uppfinningen kommer nu att beskrivas, såsom exempel, med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka: Fig. 1 är ett blockdiagram av ett system för karaktärisering av ett resonerande kavitetsfilter; Fig. 2 är ett kurvdiagram som karaktäriserar ett resonerande kavitetsfilter.

Fig. 3 är ett blockdiagram av ett system för avstämning av ett resonerande kavitetsfilter; och Fig. 4 är ett alternativt kurvdiagram som karaktäriserar ett resonerande kavitetsfilter.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN I det följande kommer föredragna utföringsformer att beskrivas. I fig. 1 visas ett system för karaktärisering av en resonerande kavitetsfilter.

Komponenterna innefattar en kombiner, generellt 10 15 20 25 30 516 287 betecknad med 10, omgärdas av en streckad linje.

Filtret hos kombinern innefattar en kavitet 11, hos vilken storleken justeras med hjälp av ett avstämnings- medel 12, t.ex. en avstämningsplatta. Positionen hos avstämningsmedlet justeras med hjälp av en stegmotor 13. Den resonerande kaviteten 11 är ansluten till en ingàngsport 18 och en utgàngsport 19 för inmatning och utmatning av externa signaler till/fràn den resonerande kaviteten. Portarna 18 och 19 är fysikt skilda anslutningar. En styrlogik 15 som styr funktionen hos kombinern är också ansluten till stegmotorn 13 och ett minne 16. Detta minne tillhandahålls för att lagra relevanta filterdata, vilket kommer att beskrivas nedan. Till slut är styrlogiken 15 ansluten direkt till en ingàngs-/utgàngsport 17in, 17ut för anslutning till externa anordningar.

När filtret skall karaktäriseras ansluts en dator 20 till port 17 som kommunicerar med styrlogiken 15 och en nätverksanalysator 30 för att analysera kavitetsfiltret ansluts till ingàngs-/utgángsportarna 18, 19. Datorn 20 och nätverksanalysatorn 30 är också sammankopplade med hjälp av t.ex. en seriell kommunikationslänk.

En metod för karaktärisering av filtret 10 kommer nu att beskrivas. Först flyttas avstämningsmedlet 12 till en känd position med hjälp av stegmotorn 13 under kontroll av styrlogiken 15. Nätverksanalysatorn 30 analyserar därefter filtret för att bestämma den nuvarande resonansfrekvensen därav. Information avseende resonansfrekvensen för den nuvarande positionen hos avstämningsmedlet överförs till datorn 20 i vilken denna information sparas i ett minne 22 för tillfällig information. I detta minne lagras även lO 15 20 25 30 516 2 s 7 ' 7 information avseende nuvarande position hos avstämningsmedlet. Sålunda innefattar denna information ett frekvens/positionspar som kännetecknar filtret 10 för den speciella frekvensen och positionen.

Avstämningsmedlet flyttas därefter till en annan position och ovanstående procedur upprepas, vilket ger ett annat frekvens/positionspar lagrade i minnet 22 i datorn 20.

Efter det att ett förutbestämt antal frekvens/posi- tionspar har lagrats, beräknar datorn en matematisk funktionsmodell anpassad till den lagrade informa- tionen, dvs. frekvensen som en funktion av position.

Med matematisk funktionsmodell menas en approximativ funktion, dvs. den beskriver inte exakt verkligheten.

Alternativt byggs en matematisk modell upp som inne- fattar modeller av de olika komponenterna som är associerade med filtret. Denna modell kan därefter användas för att skapa en matematisk funktionsmodell.

Ett exempel av en approximativ funktion visas i figur 2, vilket är ett kurvdiagram av frekvensen som en funktion av avstämningsmedlets position. I exemplet i figur 2 har sex par för positionerna p1-p6 bestämts och en kurva har anpassats till dessa punkter. Denna kurvanpassning kan åstadkommas pà ett antal vis, t.ex. genom användning av minstakvadratenmetoden.

Den matematiska funktionen som är bestämd av datorn 20 kommuniceras till styrlogiken 15 hos kombinern 10, vari funktionen invers, dvs. positionen som funktion av frekvens, lagras i minnet 16 på ett lämpligt sätt vilket är känt för en fackman inom omrâdet. 10 15 20 25 30 5 16 2 g 7 . . s"= a-ï.

Denna metod medför flera fördelar över känd teknik.

Ibland dessa finns möjligheten att beräkna unika utgångsvärden för samtliga ingàngsvärden. I uppslags- tabellen enligt känd teknik finns det nästan alltid ett fel i interpolationen mellan tvà uppmätta punkter.

Upplösningen är mycket bättre när anpassningen till kurvan är god. En annan fördel är att funktionen kräver lite minnesutrymme i både minnet 22 för temporär infor- mation och i minnet 16 hos filtret 10 för lagring av den beräknade matematiska funktionen. En annan fördel är att uppmätningsprocessen är mycket snabbare och mer exakt än i kända metoder pà grund av att resonansfrek- vensen kan mätas med hjälp av extern utrustning, dvs. nätverksanalysatorn 30.

Temperaturkompensation tillhandahålls med hjälp av en separat matematisk funktion. Denna funktion kan vara den samma för samtliga filter av samma typ eller sà kan den vara unik för varje filter, dvs. denna funktion bestäms under den ovan beskrivna karaktäriserings- processen. Andra parametrar säsom fas, Q-värde och S- parametrar kan också införlivas i den matematiska funktionen som beskriver filtret.

Genom att mäta många filter och analysera resultatet kan en funktion väljas där endast ett fätal faktorer ändras. Fördelen med detta är att endast ett fåtal punkter mäste mätas för att erhålla en adekvat funktion. Detta sparar också tid.

En metod för att avstämma ett resonerande kavitetsfil- ter kommer nu att beskrivas med hänvisning till figur 3, i vilken en avstämningsuppställning visas. Istället för en nätverksanalysator sàsom visas i figur 1, lO 15 20 25 30 516 287 9 ansluts en sändare 40 till kombinerns 10 inmatningsport 18, sålunda är den ansluten till den resonerande kaviteten ll hos filtret. Signaler från sändaren 40 matas in till porten 18 och dirigeras till den resoner- ande kaviteten ll. Frekvensen hos inmatningssignalen bestäms därefter med hjälp av en frekvensanalysator som tillhandahålls i styrlogiken 15. Den bestämda frek- vensen används som en variabel i den matematiska funk- tionen som är lagrad i minnet 16 och positionen hos avstämningsmedlet 12 beräknas av styrlogiken 15. Styr- logiken skickar därefter ett kommando till stegmotorn 13 för att få den att flytta avstämningsmedlet till den beräknade positionen. Den filtrerade signalen matas därefter ut genom utmatningsporten 19 till en extern belastning, t.ex. en antenn.

Den ovan beskrivna proceduren ger en snabb och ändå exakt metod för att avstämma filtret till frekvensen hos den inkommande signalen. Emellertid, i vissa fall, är det nödvändigt med en konventionell finavstämning för att erhàlla en mer exakt avstämning av filtret.

I samband med finavstämningen erhålls en uppskattning av avvikelsen fràn den matematiska funktionsmodellen.

En stor avvikelse indikerar en trasig komponent eller åtminstone en förskjutning på grund av åldrande. I en föredragen utföringsform kompenseras en liten avvikelse genom justering av en eller flera funktionsparametrar.

I samband med detta utfärdas ett larm som säger att filter borde bytas ut, t.ex. under nästa serviceperiod.

Emellertid om avvikelsen är stor, utfärdas ett larm som säger att filtret omedelbart borde bytas ut. 10 15 20 25 30 516 287 10 I den föredragna utföringsformen beskrivs ett enpoligt filter. Emellertid är metoden användbar pà filter med mer än en pol, t.ex. filter med två poler och noll- ställen, beroende pà filterkraven. Det är uppenbart att för vissa filtertyper finns det mer än en position som uppfyller den matematiska funktionen, se figur 4. I det fallet modifieras funktionen, t.ex. med logiska beslut, så att för varje frekvens finns det endast en giltig position. Alternativt utförs ett sekventiellt test vid avstämning för att bestämma den korrekta positionen.

I den föredragna utföringsformen monteras filtret 11 i en kombiner 10 i en radiobasstation i ett radiokommunikationssystem. Minnet 16 kan således vara placerat var som helst i kombinern, t.ex. i ett central minne för flera filter hos en specifik kombiner.

I den beskrivna utföringsformen bestäms den matematiska funktionen baserad på uppmätta värden. Denna funktion kan justeras av en anpassningsprocess baserad pà värden uppmätta under drift av filtret.

I det beskrivna procedurexemplet för avstämning av filtret bestäms frekvensen hos inmatningssignalen ned hjälp av styrlogiken 15, t.ex. med hjälp av ett frek- vensräknararrangemang, spektrumanalysator, DFT, FFT etc. Emellertid är det även möjligt för den inform- ationen att vara inkluderad i digital form via ett datorgränssnitt 17. Styrlogiken anpassas därefter för att extrahera den informationen från inmatningssignalen innan avstämningsprocessen.

Ett bandpassfilter har beskrivits. Fackmannen inom området inser att uppfinningen också kan tillämpas på 10 15 20 25 30 516 287 :Is ll andra typer av avstämningsbara filter, såsom lågpass- filter, högpassfilter och ”notch”-filter. Dessa filter kan vara i formen av de ovan nämnda resonerande kavitetsfiltren, men kan även vara i form av till exempel koaxial eller dielektriska resonatorer.

I en alternativ utföringsform implementeras idén enligt uppfinningen som en för-lagrad matematisk modell av ett filter och andra komponenter som är associerade därtill, såsom stegmotorer som används för att driva avstämningsmedlen, stigningen på skruvarna som ansluter motorn och medlen som används för att t.ex. förändra de fysiska dimensionerna pä filterkaviteten etc.

I denna utföringsform bestäms en matematisk funktions- modell enligt metoderna som beskrivits ovan. Sålunda, för varje relevant del av systemet, såsom kombiner, finns en matematisk modell tillhandahållen. På detta sätt finns inget behov att kontrollera egenskaperna hos de individuella komponenterna vid tillverkning.

Emellertid finns det alltid några variationer vid sammansättning, delvis beroende på mekaniska eller elektriska toleranser. Därför mäts det slutgiltiga systemet, som ett valfritt steg, för ett eller ett fåtal värden, såsom för nägra förutbestämda frekvenser.

På detta sätt kan den matematiska modellen enkelt justeras att ta hänsyn till mekaniska och elektriska variationer. I en del system kan variationerna kompenseras för genom en konstant som adderas till den matematiska funktionen. I dessa fall är en enda justeringsmätning tillräcklig för att bestämma den nödvändiga kompensationen. Emellertid, i de fall då den 10 15 516 287 šïï* 12 nödvändiga justeringen är mer komplex är två eller flera justeringsmätningar nödvändiga.

En fördel med modellen är att genom att göra ytter- ligare mätningar pà filtret, är det enkelt att avgöra om filtret är trasigt. Dvs. om de testade punkterna avviker för mycket fràn modellen, är det något fel med filtret.

När det slutgiltiga matematiska funktionsmodellen har bestämts av systemet, används den vid drift av systemet. I fallet med en kombiner med ett filter som justeras med hjälp av en stegmotor, används den mate- matiska modellen, bland annat, för att bestämma antalet steg som motoraxeln mäste vridas för att flytta avstäm- ningsmedlet till en önskad position. I detta exempel är det tydligt hur den matematiska beskrivningen av stegmotorn och stigningen âr inblandade vid användning av modellen i fràga.

Claims (24)

10 15 20 25 516 2 87 zgïï 13 PATENTKRAV

1. En metod för att bestämma en resonansfrekvens- karaktäristik hos ett avstämningsbart filter(ll), där nämnda filter har justeringsmedel (12, 13), kännetecknat av de följande stegen: (a) justering av avstämningsmedlen (12) till en första förutbestämd position; (b) fastställande av resonansfrekvenskaraktäristiken hos filtret (10) genom mätningar; (c) temporär lagring av den resulterande resonans- frekvenskaraktäristiken och positionerna; (d) upprepning av stegen (a) - (c) för en andra, och ytterligare förutbestämda positioner hos avstämningsmedlen; (e) bestämning av en matematisk funktionsmodell som representerar avstämningsmedlens position som en funktion av resonansfrekvenskaraktäristiken; och (f) lagring av nämnda matematiska funktion i ett minne.

2. Metoden enligt krav 1, varvid nämnda mate- matiska funktionsmodell representerar resonansfrek- VeIlSeI' .

3. Metoden enligt krav 1 eller 2, varvid nämnda matematiska funktionsmodell är ett polynom.

4. Metoden enligt krav 3, varvid polynomet har en ordning inte högre än fyra. 10 15 20 25 516 287 14

5. Metoden enligt krav 4, varvid polynomet har en ordning inte högre än tre.

6. Metoden enligt något av föregående krav, varvid det justerbara filtret (ll) innefattar en av de följande typerna: kavitet, koaxial och dielektrisk IeSOnatOI' .

7. Metoden enligt något av föregående krav, varvid filtret är en del av en kombiner.

8. Metoden enligt något av föregående krav, varvid mätningen av resonansfrekvensen hos filtret i steg (b) utförs med hjälp av en nätverksanalysator (30).

9. Metoden enligt något av föregående krav, varvid - steg (b) innefattar det ytterligare steget mätning av åtminstone en av följande ytterligare parametrar: fas, Q-värde, temperatur, och S-parametrar, och - den matematiska funktionen som bestäms i steg (e) är också en funktion av nämnda ytterligare parametrar.

10. Metoden enligt något av föregående krav, varvid steget (e) för bestämning av en matematisk funktion involverar en minstakvadratenprocess.

11. ll. Metoden enligt något av föregående krav, varvid funktionen testas för multipla positionsvärden för en frekvens och utifall multipla positionsvärden är funna, anses endast ett positionsvärde vara ett giltigt positionsvärde. 10 15 20 25 516 2 8 7 Éïï* 15

12. En metod för att bygga upp en matematisk modell av ett avstämningsbart filter, kännetecknat av stegen: (a) karaktärisering av ett filter enligt krav 1; (b) bestämning av en matematisk funktionsmodell för åtminstone några komponenter som är associerade med filtret; och (c) sammanställning av en matematisk funktionsmodell för filtret och associerade komponenter.

13. Metoden enligt krav 12, med det ytterligare steget (d) kompensering av modellen för mekaniska och elektriska variationer genom att utföra kompensations- mätningar.

14. Metoden enligt krav 13, varvid det ytterligare steget (d) utförs under användning av filtret.

15. Metoden enligt krav 13 eller 14, varvid kompensationsmätningen används för att bestämma ett felaktigt filter genom att utföra en kompensations- mätning och, i det fallet kompensationen överstiger ett förutbestämt värde, avgöra om ett filter är trasigt.

16. Ett justerbart filter, innefattande: - en filterresonator (1l); - ett styrmedel (15) anslutet till nämnda filter- resonator (11) och kompenseringsmedel för att bestämma en frekvens hos en inmatningssignal inmatad till nämnda filterresonator (11); 10 15 20 25 516 287 16 - avstämningsmedel (12, 13) för avstämning av filtret, där nämnda avstämningsmedel är anslutna till nämnda filterresonator (11) och nämnda styrmedel (15); k ä1nx1e teac kzza t a'v - ett elektroniskt minne (16) anslutet till nämnda styrmedel (15) och anpassat för att lagra en position hos nämnda avstämningsmedel (12) som en matematisk funktion av frekvensen hos nämnda inmatningssignal.

17. Filtret enligt krav 16, varvid nämnda filter- resonator (11) är en resonerande kavitet.

18. Filtret enligt krav 16 eller 17, varvid antalet filterpoler är en.

19. Filtret enligt krav 16 eller 17, varvid antalet filterpoler är åtminstone två.

20. Filtret enligt något av kraven 16-19, varvid filtret tillhör någon av följande kategorier: bandpass- , làgpass-, och högpassfilter.

21. En kombiner för användning i ett radio- kommunikationssystem, l<ä.n:1e tcac kzia t a'v ett filter enligt nàgot av kraven 16-20.

22. En metod för justering av ett avstämningsbart filter vilket har ett avstämningsmedel, kännetecknat av följande steg: 10 15 516 281 ~~ 17 (a) inmatning av en signal till nämnda filter vid en ingång därav; (b) bestämning av en frekvens eller frekvenskarak- täristik hos nämnda signal; (c) användning av en matematisk funktion som representerar en position hos avstämningsmedlet som en funktion av nämnda frekvens eller frekvens- karaktäristik för att finna en position för avstämningsmedlet som motsvarar nämnda bestämda frekvens eller frekvenskaraktäristik; och (d) flyttning av nämnda avstämningsmedel till nämnda position för avstämningsmedlet.

23. Metoden enligt krav 22, varvid där är ett ytterligare steg (e) för att finavstämma filtret.

24. Metoden enligt något av kraven 22 eller 23, varvid nämnda matematiska funktion använder som en parameter åtminstone en av följande filterparametrar: Q-värde, och S-parametrar. temperatur, fas,