Resonatorsystem und Verfahren zur Erhöhung der belasteten Güte eines Schwingkreises Resonator system and method for increasing the loaded quality of a resonant circuit
[0I]In der Elektronik, die als elektrotechnischer Bereich bis zu Frequenzen von einigen MHz betrachtet werden kann, ist die Bezeichnung Resonator etwas unüblich, obwohl, es auch in diesem Frequenzbereich eine Reihe von Anwendungen gibt, deren elektrische Qualität von der Güte der eingesetzten Resonatoren (hier oft als Schwingkreise bezeichnet) abhängig ist. Eine sehr gute Grundlagenbeschreibung über den Stand von Resonatoren ist in dem Buch von W, Bächthold mit dem Titel „Mikrowellentechnik", verlegt von Vieweg, Braunschweig, 1999, angegeben.[0I] In electronics, which can be considered as an electro-technical field up to frequencies of a few MHz, the term resonator is somewhat unusual, although there are also a number of applications in this frequency range whose electrical quality depends on the quality of the resonators used (often referred to as resonant circuits) depends. A very good basic description of the state of resonators is given in the book by W, Bächthold entitled "Microwave Technology", published by Vieweg, Braunschweig, 1999.
[02] Alle Resonatoren zeigen im Bereich der Resonanzfrequenz das Verhalten eines Serienschwingkreises (Saugkreises) oder Parallelschwingkreises (Sperrkreises) mit einem Ersatzschaltbild bestehend aus Induk- tivität, Kapazität und einem Verlustwiderstand (Abbildung 1). Dabei werden L und C als ideal ange¬ nommen und alle Verlustanteile im Widerstand R zusammengefasst. Diese Kernelemente des Ersatz¬ schaltbildes beschreiben die wesentlichen Eigenschaften des Resonators und aus ihnen lassen sich alle wichtigen Kennwerte ableiten.[02] All resonators show the behavior of a series resonant circuit (absorption circuit) or parallel resonant circuit (blocking circuit) with an equivalent circuit consisting of inductivity, capacitance and a loss resistance (Figure 1). In this case, L and C are assumed to be ideal and all losses are combined in the resistor R. These core elements of the Ersatz¬ circuit diagram describe the essential properties of the resonator and from them all important characteristics can be derived.
[03] So beträgt die Resonanzfrequenz des Schwingkreises:[03] The resonance frequency of the resonant circuit is thus:
[04] Aufgrund der stets vorhandenen Verluste wird die Amplitude einer nur einmal angestoßenen freien Schwingung exponentiell abklingen. Bei einer erzwungenen, von außen angeregten Schwingung verbrei¬ tern diese Verluste die Resonanzkurve.[04] Due to the ever-present losses, the amplitude of a free oscillation triggered only once will decay exponentially. In the case of a forced, externally excited oscillation, these losses spread the resonance curve.
[05] Als ein Maß für die Verluste wird der Gütefaktor definiert: gespeicherte Energie[05] The quality factor is defined as a measure of the losses: stored energy
Qo = 2πQo = 2π
Engergieverluste pro PeriodeEnergy losses per period
[06] Von diesem Verhältnis ist die elektrische Qualität des Resonators direkt abhängig. In der Entwick¬ lung von Resonatoren ist man daher bemüht, möglichst hohe Gütefaktoren zu realisieren und die zur Verfügung stehenden Technologien daraufhin zu optimieren. Dieses wie auch geringere Herstellungskos¬ ten waren bisher auch immer die Ziele bei der Entwicklung von verbesserten Resonatoren.
[07] Ein Oszillator besteht aus einem verstärkenden Element (allg. Verstärker) und einem rückkoppeln¬ den Element, das eine frequenzselektive Mitkopplung ausweist. Letzteres wird bei frequenzstabilen Os¬ zillatoren mittels eines Resonators und einer ggf. notwendigen Ankoppelschaltung realisiert.[06] The electrical quality of the resonator is directly dependent on this ratio. In the development of resonators, efforts are therefore being made to realize the highest possible quality factors and to then optimize the available technologies. This as well as lower manufacturing costs have hitherto always been the goals in the development of improved resonators. [07] An oscillator consists of a amplifying element (general amplifier) and a feedback element, which identifies a frequency-selective positive feedback. The latter is realized with frequency-stable oscillators by means of a resonator and an optionally necessary coupling circuit.
[08] Da die Frequenz unmittelbar proportional zur Zeit ist, werden in der Elektronik Oszillatoren in Uh- ren und Steuerungen, wie die von CD- und DVD-Geräten sowie in Computern allgemein eingesetzt. Für derartige Einsatzfallen ist eine best mögliche Frequenzstabilität gefordert. Bei den in diesen Einsatzfällen benötigten Oszillatoren spricht man allgemein von Takt- Oszillatoren. Nur durch Verbesserung der Fre¬ quenzstabilität kann man die Schreib-/Lesegeschwindigkeit und ggf. die Speicherkapazität von optischen Datenträgern (CD, DVD) erhöhen. Eine schlechte Frequenzstabilität wird in der Elektronik und der digi- talen wie auch optischen Breitbandübertragungstechnik oftmals als Gittern bezeichnet. Verringert man das Gittern, so lassen sich größeren Datenmengen übertragen, ohne dass die so genannten Bitfehlerraten verschlechtert werden. Genauso ist ein verringertes Gittern notwendig, wenn man die Taktfrequenz und somit auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Computers erhöhen möchte.[08] Since frequency is directly proportional to time, electronics in electronics use oscillators in watches and controls, such as CD and DVD players, as well as computers. For such use cases a best possible frequency stability is required. The oscillators required in these applications are generally referred to as clock oscillators. Only by improving the frequency stability can the write / read speed and possibly the storage capacity of optical data carriers (CD, DVD) be increased. Poor frequency stability is often referred to as gating in electronics and broadband digital and broadband transmission technology. Reducing the lattice allows larger amounts of data to be transferred without degrading the so-called bit error rates. Similarly, a reduced grid is necessary if you want to increase the clock frequency and thus the processing speed of a computer.
[09] In der Funkübertragungstechnik sind mittlerweile sämtliche Systeme durch sogenannte PLL- Schal- tungen in der Frequenzlage und der „Reinheit" der Signale (dem Phasenrauschen) stabilisiert. Eine PLL verwendet einen Quarz-Oszillator und einen Hochfrequenzoszillator, der immer einen HF-Resonator enthält. Das Phasenrauschen beider Oszillatoren geht in die Gesamtqualität der Schaltung ein. In moder¬ nen HF-Übertragungssystemen schränkt nicht mehr das Eigenrauschen der Empfänger sondern das Pha¬ senrauschen der Oszillatoren die Übertragungsqualität ein.[09] In radio transmission technology, all systems are now stabilized by so-called PLL circuits in the frequency position and the "purity" of the signals (the phase noise) A PLL uses a quartz oscillator and a high-frequency oscillator, which always has an RF resonator The phase noise of both oscillators is incorporated in the overall quality of the circuit. In modern RF transmission systems, it is no longer the self-noise of the receiver but the phase noise of the oscillators which limits the transmission quality.
[10] Eine sehr wichtigste Komponente bei allen Systemen der Übertragungs-, Mess- und Regelungstech¬ nik ist die Filterschaltung, die im Wesentlichen folgende Aufgaben erfüllt:[10] A very important component in all systems of transmission, measurement and control technology is the filter circuit, which essentially fulfills the following tasks:
- Bandbegrenzung,- band limitation,
- Frequenzselektion,- frequency selection,
- Störunterdrückung, - Breitbandanpassung- interference suppression, - broadband adaptation
- und Widerstandstransformation.and resistance transformation.
[H]FUr die in der Hochfrequenztechnik vorliegenden zeit- und wertkontinuierlichen Signale werden primär analoge, passive Filter eingesetzt. D.h., diese Signalfilter werden nach wie vor in Schaltungstech¬ nik realisiert. Die elektrischen Eigenschaften von Filterschaltungen stehen generell in einer linearen Pro- portionalität mit den elektrischen Eigenschaften des gesamten Systems und beeinflussen somit in direkter Weise wichtige Systemmerkmale wie das Signal/Rausch- Verhältnis, Signaltreuheit oder die Bitfehlerrate (engl.: Bit Error Rate; kurz BER) bei digitalen Schaltungen. Seitdem es elektrischen Schaltungen gibt,
wird es angestrebt, die Kunst, Filterschaltungen mit guten Eigenschaften zu entwerfen und zu realisieren, zu verfeinern. Ein Indiz hierfür ist der Anteil an Veröffentlichungen über Filterschaltungen in Fachzeit¬ schriften für Elektrotechnik.[H] For the time- and value-continuous signals available in high-frequency technology, primarily analog, passive filters are used. That is, these signal filters are still realized in circuit technology. The electrical properties of filter circuits generally have a linear proportionality with the electrical properties of the entire system and thus directly influence important system features such as the signal / noise ratio, signal integrity or the bit error rate (BER for short) ) in digital circuits. Since there are electrical circuits, The aim is to refine the art of designing and implementing filter circuits with good properties. An indication of this is the proportion of publications on filter circuits in technical journals for electrical engineering.
[12] In den letzten Jahren wurde vermehrt versucht, durch teure Verbesserungen der Elementengüten, nämlich der Kapazitäten und Induktivitäten, die Eigenschaften von Filterschaltungen zu verbessern. Im Zuge solcher Forschungen sind für die Massenproduktion keramische Trägermaterialien mit vernachläs¬ sigbar kleinen dielektrischen Verlusten, wie in „Low Temperature Co-fϊred Ceramics" (kurz LTCC), oder Halbleiterherstellungstechnologien für mehrlagige Schaltungen entstanden. Oft werden auch in diesen modernen Herstellungstechnologien Bandpassfilter benötigt, da die meisten Kommunikationssysteme im Frequenzband begrenzt sind. Zur Realisierung der Bandpassfilter werden auch hier fast ausschließlich Topologien eingesetzt, die Resonatoren einsetzen. Werden die Güten der Resonatoren verbessert, so sinken die Transmissionsverluste der Filter. Eine Verringerung der Transmissionsverluste erlaubt im Sendepfad die HF-Sendeleistung zu reduzieren und verringert im Empfangspfad die Rauschzahl. Zusätz¬ lich weisen Filter mit verringerten Verlusten eine höhere Selektivität auf.[12] In recent years, attempts have been made to improve the properties of filter circuits by expensive improvements of the elemental qualities, namely the capacitances and inductances. In the course of such research, ceramic carrier materials with negligibly small dielectric losses, such as in "Low Temperature Co-fired Ceramics" (LTCC), or semiconductor manufacturing technologies for multilayer circuits have been developed for mass production, and bandpass filters are often required in these modern production technologies as well. For the realization of the band-pass filters, almost exclusively topologies are used which use resonators.When the qualities of the resonators are improved, the transmission losses of the filters are reduced.A reduction of the transmission losses allows the RF transmission power in the transmission path and reduces the noise figure in the receive path, In addition, filters with reduced losses have a higher selectivity.
[13] Deshalb fanden in den letzten Jahren und Jahrzehnten große Bemühungen in der Realisierung hoch integrierter und kostengünstigster Resonatoren bei bester elektrischer Qualität statt. Moderne Kommuni¬ kationssysteme wären ohne hochselektiven Filter basierend auf SAW- oder BAW-Resonatoren gar nicht vorstellbar. Mit jedem neuen Standard steigen die Anforderungen an die Bandpassfilter. Ein typisches Beispiel ist der Vergleich der Anforderungen der Empfangsfüter für ein GSM-System mit den Anforde- rangen an einen Duplexer für UMTS.Therefore, in recent years and decades, great efforts have been made in the realization of highly integrated and cost-effective resonators with the best electrical quality. Modern communication systems would not be conceivable without highly selective filters based on SAW or BAW resonators. With every new standard, the demands on the bandpass filters are increasing. A typical example is the comparison of the receivers requirements for a GSM system with the requirements for a duplexer for UMTS.
[14] Die bekannten Resonatortypen setzt man überwiegend in klassischen, unsymmetrischen TEM Zwei¬ leitersystemen ein. Hier ist nur der unsymmetrische Mode ausbreitungsfähig, der in engem Verhältnis zum so genannten Gleichtaktmode eines Dreileitersystems steht. Die beiden Leiter des Zweileitersystems sind in Signalleiter und Masse oder Hin- und Rückleiter aufgeteilt. Das Auftreten weiterer Schwin- gungsmoden ist in diesem Fall nicht möglich und der Resonator arbeitet damit in einem so genannten Mono-Mode-Betrieb. Als typisches Zweileitersystem in der modernen Hochfrequenzelektronik ist die Mikrostreifenleitung zu nennen.[14] The known resonator types are predominantly used in classical, asymmetrical TEM two-conductor systems. Here, only the unbalanced mode is capable of propagation, which is in close proportion to the so-called common mode of a three-conductor system. The two conductors of the two-wire system are divided into signal conductors and ground or forward and return conductors. The occurrence of further vibration modes is not possible in this case and the resonator thus operates in a so-called mono-mode operation. A typical two-wire system in modern high-frequency electronics is the microstrip line.
[15] Moderne Hochfrequenzsystem werden dagegen zunehmend in symmetrischer Leitungstechnik aus¬ gelegt. Neben einer Verbesserung der Störfestigkeit gegenüber externer Einstrahlungen lässt sich hier auch die erzielbare Ausgangsleistung vervielfachen. In einem rein symmetrischen Zweileitersystem ist alleine der Gegentaktmode ausbreitungsfähig, d.h. gegen Masse misst man auf beiden Leitern ein nur im Vorzeichen verschiedenes Signal.
[16] In der Praxis wird aus einem Zweileitersystem in der Regel ein Dreileitersystem, da fast immer eine Massefläche, entweder auf der Platine oder aufgrund einer Gehäusewand, berücksichtigt werden muss. Jetzt können sich, wie in Abbildung 2 dargestellt, zwei verschiedene TEM- Wellen ausbreiten. Gleich- und Gegentaktmode treten hier gemeinsam auf. In der Praxis der Hochfrequenzelektronik werden zwei rein massegekoppelte Mikrostreifenleitungen eingesetzt.In contrast, modern high-frequency systems are increasingly being laid out in symmetrical line technology. In addition to improving the immunity to external radiation, the achievable output power can be multiplied here. In a purely symmetrical two-wire system, only the push-pull mode is capable of propagation, that is to say, against ground, a signal which differs only in sign is measured on both conductors. In practice, a two-wire system usually becomes a three-wire system, since almost always a ground plane, either on the board or due to a housing wall, must be taken into account. Now, as shown in Figure 2, two different TEM waves can propagate. DC and push-pull modes occur together here. In the field of high-frequency electronics, two purely ground-coupled microstrip lines are used.
[17]Die Beschreibung von Mixed-Mode-Systemen (Abbildung 3), d.h. Systeme in denen mehr als ein Mode ausbreitungsfähig ist, wird wie bei unsymmetrischen Systemen über eine Verknüpfung der an den Toren ein- und auslaufenden Wellengrößen durchgeführt.[17] The description of mixed-mode systems (Figure 3), i. Systems in which more than one mode is capable of propagation is carried out, as in asymmetrical systems, by linking the wave quantities entering and leaving the gates.
[18] Bei Mono-Mode-Systemen werden diese Verhältnisse in der bekannten Streu- bzw. S-Matrix fest- gehalten. Als Äquivalent für den Mixed-Mode Fall (kurz MM-Fall) ergibt sich die M-Matrix. Übersicht¬ lich hat sie die folgende Form:[18] In mono-mode systems, these ratios are recorded in the known scatter or S matrix. The equivalent of the mixed-mode case (MM case for short) results in the M-matrix. It has the following form:
[19] Dabei haben die vier Quadranten jeweils eine Funktion vergleichbar zu Streuparametern eines un¬ symmetrischen Zweitors.[19] The four quadrants each have a function comparable to scattering parameters of an unbalanced two-port.
M= Mn M~ 2 M = M n M ~ 2
Reflexion und Transmission des MM-Zweitors für den GegentaktReflection and transmission of the MM two-port for the push-pull
M 21 M22ΛM 21 M 22Λ
Reflexion und Transmission des MM-Zweitors fürden GleichtaktReflection and transmission of the MM two-port for the common mode
Reflexion und Transmission einer von Gleichtakt in Gegentakt konvertier¬
ten WelleReflection and transmission of a common mode in Gegentakt konvertier¬ th wave
M= Mn- Mt2- Reflexion und Transmission einer von Gegentakt in Gleichtakt konvertier-M = M n - Mt 2 - Reflection and transmission of a push-pull converted into common mode
Mi; M2V. ten Welle
[20] Durch aufwendige Verbesserangen der Herstellungstechnologie wird versucht, Schaltungen mit besseren elektrischen Eigenschaften zu realisieren. Um eine Erhöhung des Gütefaktors eines Resonators zu erreichen, wurde bisher eine Verbesserung oder der Wechsel der zugrunde liegenden Technologie angestrebt. Im letzteren Trend stehen zum Beispiel die BAW -Filter, die im Vergleich zu den SAW - Filtern eine gesteigerte Performance in Form der Güteverbesserung und einer höheren Leistungsverträg¬ lichkeit zeigen.mi; M 2 V. th wave [20] Through complex improvements of the manufacturing technology is trying to realize circuits with better electrical properties. In order to achieve an increase in the quality factor of a resonator, an improvement or the change of the underlying technology has been sought so far. The latter trend is exemplified by the BAW filters, which show an improved performance in terms of quality improvement and higher performance compared to the SAW filters.
[2I]In Fragen der konzeptionellen Systemauslegung und Schaltungstechnik sind deutliche Innovationen ausgeblieben. Eine Verbesserung der zugrunde liegenden Topologie und Arbeitsweise von Resonatoren wird bisher gar nicht verfolgt.[2I] There have been no clear innovations in questions of conceptual system design and circuit technology. An improvement of the underlying topology and operation of resonators is not followed so far.
[22] Zwar gibt es bei der Optimierung der Schaltungstechnik von Oszillatoren stete Bemühungen zur Verbesserung. Doch all die bekannten Ansätze verwenden nur klassische Resonatoren. Mittlerweile ist in der HF-Kommunikationstechnik der Push-Push-Oszillator (auch differentieller Oszillator, Abbildung 11) insbesondere für integrierte Lösungen in CMOS als Standard zu betrachten. Obwohl es sich hierbei in der üblichen Realisierung auf einem Halbleiter eindeutig um ein Mixed-Mode-System handelt, gibt es keine Analyse dieser Schaltung in Parametern, welche die Basis für den in diesem Patent vorgestellten Innova¬ tionsschritt bildet.[22] Although there are constant improvements in optimizing the circuit design of oscillators. But all the known approaches use only classical resonators. Meanwhile, in RF communication technology, the push-push oscillator (also differential oscillator, Figure 11), in particular for integrated solutions in CMOS, should be regarded as the standard. Although this is clearly a mixed-mode system in the usual realization on a semiconductor, there is no analysis of this circuit in parameters, which forms the basis for the innovation step presented in this patent.
[23] Für quasi transversal elektromagnetische (TEM) Leiter, wie zum Beispiel der Mikrostreifenleiter, der Koplanarleiter, der Triplateleiter oder der Koaxialleiter, die Basis der modernen Massenkommunikation darstellen, existieren einige bekannten Filterschaltungen mit dielektrischen Resonatoren, LC- Schwingkreisen und SAW- oder BAW-Resonatoren. Abbildung 13 zeigt ein einfachstes Filter mit ge¬ koppelten Resonatoren. Es gibt kein bekanntes Filter für diese TEM-Leiter, das die Ausbreitung von mehreren Moden innerhalb der Resonatoren unterstützt. Konzeptionelle Ansätze zur Ausbeutung der zwei ausbreitungsfahigen Moden auf solchen Dreileitersystemen sind in Fachveröffentlichungen nicht vorgestellt worden.[23] For quasi-transversal electromagnetic (TEM) conductors, such as the microstrip, coplanar, triplate, or coaxial, which form the basis of modern mass communication, there are some known filter circuits with dielectric resonators, LC resonant circuits, and SAW or BAW resonators. Figure 13 shows a simplest filter with coupled resonators. There is no known filter for this TEM ladder that supports the propagation of multiple modes within the resonators. Conceptual approaches for the exploitation of the two propagatable modes on such three-conductor systems have not been presented in specialist publications.
[24] Es demnach Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Resonatorsystem und ein Verfahren zur Erhöhung der belasteten Güte eines Schwingkreises bereitzustellen, welche aufgrund einer veränderten Topologie und Arbeitsweise gegenüber dem Stand der Technik Verbesserangen in ihrer Charakteristik zeigen.It is therefore an object of the present invention to provide a resonator system and a method for increasing the loaded quality of a resonant circuit, which show improvements in their characteristics due to a changed topology and operation over the prior art.
[25] Als Lösung wird ein Resonatorsystem umfassend ein Koppelnetzwerk, mindestens einen Modeblo- cker, mindestens einen Resonator sowie mindestens einen Modekonverter, die über ein Mehrleitersystem mit mindestens zwei Signalleitern und einer Masse miteinander verbunden sind, vorgeschlagen wobei derAs a solution, a resonator system comprising a coupling network, at least one fashion blocker, at least one resonator and at least one mode converter, which are connected to one another via a multi-conductor system having at least two signal conductors and a ground, is proposed, wherein the
Resonator eine Resonanzfrequenz aufweist und in dem Resonatorsystem wenigstens zwei Moden einer
die Resonanzfrequenz aufweisende Schwingkreiswelle ausbreitungsfähig sind, wobei der Modeblocker zwischen Resonator und Koppelnetzwerk oder in dem Koppelnetzwerk angeordnet ist und eine der bei¬ den Moden das Resonatorsystem nicht verlassen lässt und wobei der Modekonverter eine erste in den Modekonverter einlaufende Mode der beiden Moden in die andere Mode der beiden Moden überführt.Resonator has a resonant frequency and in the resonator at least two modes of the resonant frequency resonant circuit wave are capable of propagation, wherein the mode blocker is arranged between the resonator and the coupling network or in the coupling network and one of the two modi not leave the resonator system and wherein the mode converter a first in the mode converter incoming mode of the two modes in the other mode the two modes transferred.
[26] Des weiteren wird als Lösung ein Verfahren zur Erhöhung der belasteten Güte eines Schwingkreises vorgeschlagen, bei welchem über ein Koppelnetzwerk eine erste Mode einer in einem Resonatorsystem des Schwingkreises ausbreitungsfähigen Schwingkreiswelle angeregt wird, durch einen Resonator des Resonatorsystems geleitet und in eine weitere Mode dieser Schwingkreiswelle konvertiert wird, welche Mode dann ebenfalls durch den Resonator geleitet wird, ohne das Resonatorsystem komplett zu verlas- sen, und dann in die erste Mode rückkonvertiert wird.Furthermore, as a solution, a method is proposed for increasing the loaded quality of a resonant circuit, in which a first mode of a resonant circuit wave propagatable in a resonator system of the resonant circuit is excited via a coupling network, passed through a resonator of the resonator system and into another mode thereof Resonant circuit wave is converted, which mode is then also passed through the resonator, without leaving the resonator system completely, and then converted back into the first mode.
[27] Vorzugsweise durchläuft die weitere Mode vor ihrer Rückkonvertierung den Resonator zweimal, wodurch eine bessere Ausbeute und somit eine verbesserte Güte des Resonators gewährleistet werden kann.Preferably, the further mode passes through the resonator twice before its back conversion, whereby a better yield and thus improved quality of the resonator can be ensured.
[28] Auch ist es dementsprechend vorteilhaft, wenn wenigstens eine Mode bei der Konvertierung reflek- tiert wird.[28] Also, it is accordingly advantageous if at least one mode is reflected during the conversion.
[29] Die vorstehend aufgeführten Lösungen sind nicht zu verwechseln mit den Veröffentlichungen von HEUERMANN, Holger, et al. „A Synthesis Technique for Mono- and Mixed-Mode Symmetrical Filters" in 34th European Microwave Conference, 2004, 11. - 15. Oct, S. 309 - 312 und ,31ocking Structures for Mixed-Mode Systems" in 34th European Microwave Conference, 2004, 11. - 15. Oct., S. 297 - 300, die beide neuartige Darstellungen von Filtern und Modeblockern beinhalten, die zwar für den Einsatz in Dual-Mode-Systemen optimiert sind, das heißt, dass diese neuen Komponenten einen Mode filtern oder komplett transmittieren lassen und den anderen Mode möglichst stark unterdrücken. Erfindungsgemäß werden hingegen erstmalig zwei Moden konstruktiv in eine und dergleichen Schaltungseinheit eingesetzt. Weiterhin unterscheidet sich natürlich auch eine Resonatorschaltung von einem Bandpassfüter oder einen Modeblocker. Modeblocker können werden zwar in einem erfindungsgemäßen Resonatorsystem als Sub¬ Komponente eingesetzt werden, prägen diesen jedoch nicht. In Bezug auf die in den vorstehenden Veröf¬ fentlichungen genannten Filter werden, wie es in der Hochfrequenztechnik sehr häufig der Fall ist, Reso¬ natoren miteinander gekoppelt. Jedoch handelte es sich hier um klassische Mono-Mode-LC- Schwingkreise.[29] The solutions listed above are not to be confused with the publications of HEUERMANN, Holger, et al. "A Synthesis Technique for Mono- and Mixed-Mode Symmetrical Filters" in 34th European Microwave Conference, 2004, Oct. 11-15, pp. 309-312 and "31ocking Structures for Mixed-Mode Systems" in the 34th European Microwave Conference, 2004, Oct. 11-15, pp. 297-300, both of which present novel representations of filters and fashion blockers that are optimized for use in dual-mode systems, that is, these new components filter one mode or completely transmit and suppress the other mode as much as possible. According to the invention, however, for the first time two modes are constructively used in one and the same circuit unit. Furthermore, of course, a resonator circuit differs from a bandpass filter or a fashion blocker. Although fashion blockers can be used as sub-component in a resonator system according to the invention, they do not characterize it. With regard to the filters mentioned in the above publications, resonators are coupled to one another, as is very often the case in high-frequency technology. However, these were classic mono-mode LC resonant circuits.
[30] Moderne Gatter der Digitalschaltungen können fehlerfrei bei Schaltfrequenzen von weit über 6GHz eingesetzt werden. Um eine zuverlässige Durchführung der logischen Funktionen bei hohen Taktraten zu
gewährleisten, ist es bereits Stand der Technik, dass die Gatter von einem so genannten Clock-Signal getriggert werden. Die Grenzfrequenzen bis zu der dieses Schaltungen betrieben werden können, hängt wesentlich von der Verfügbarkeit eines „reinen" Clock-Signales ab. Dieses Clock-Signal wird im Takt¬ generator erzeugt. Mit vorliegender Erfindung lassen sich mit nur sehr geringen Schaltungsmodifϊkatio- nen der bekannten Taktgeneratoren unter Beibehaltung der bisher eingesetzten Schwingquarze als zentra¬ le Resonatorelemente um Größenordnungen „reine" Taktsignale erzeugen. Rechnet man das „Gittern" in Phasenrauschen um, so kann man aus bisher durchgeführten nichtlinearen Oszillator-Simulationen und Messungen aussagen, dass das Phasenrauschen um 6 dB vermindert wird. Derartig verbesserte Taktgene¬ ratoren bilden die Grundlage für eine weitere Performance- Steigerung der Computer sowohl innerhalb des Mikroprozessors wie auch für die Datenübertragungsraten über den internen Bussen zu der weiteren Peripherie. Auch diese lässt sich mit diesem Konzept verbessern:Modern gates of the digital circuits can be used without error at switching frequencies of well over 6GHz. To reliably perform the logic functions at high clock rates It is already state of the art that the gates are triggered by a so-called clock signal. The cut-off frequencies up to which these circuits can be operated depend essentially on the availability of a "pure" clock signal, which clock signal is generated in the clock generator Clock generators while maintaining the quartz crystals used so far zentra¬ le resonator elements by orders of magnitude "pure" clock signals generate. If one converts the "lattice" into phase noise, it can be said from previously performed nonlinear oscillator simulations and measurements that the phase noise is reduced by 6 dB .These improved clock generators form the basis for a further increase in the performance of the computers within the microprocessor, as well as the data transfer rates over the internal buses to the other peripherals, which can also be improved with this concept:
Die Zugriffszeiten von Festplatten und CD/DVD-Geräten lassen sich verringern.The access times of hard disks and CD / DVD devices can be reduced.
Die Speicherkapazität von Festplatten und CD/DVD-Geräten lassen vergrößern.Increase the storage capacity of hard drives and CD / DVD devices.
Grafikkarten lassen sich höher takten. - Der Stromverbrauch aller CMOS-Schaltungen und somit des gesamten Computers lässt sich bei hohen Taktraten merklich reduzieren.Graphics cards can be clocked higher. - The power consumption of all CMOS circuits and thus the entire computer can be noticeably reduced at high clock rates.
[31] Einen wesentlichen Teil der Breitbandkommunikation für große Datenmengen wird durch die Glas¬ fasertechnik abgedeckt. Bei dieser Technik die mittlerweile Datenraten weit im zweistelligen GBit- Bereich über eine Faser überträgt, ist die Beschränkung in der Fertigung der elektronischen Ein- und Auskoppelschaltungen. Auch diese Datenraten lassen sich merklich erhöhen, wenn präzisere Taktgenera¬ toren verfügbar sind, as durch vorliegende Erfindung ermöglicht wird.[31] A substantial part of broadband communication for large amounts of data is covered by glass fiber technology. With this technology, which now transmits data rates in the double-digit Gbit range over one fiber, the limitation is the production of the electronic coupling and decoupling circuits. These data rates can also be appreciably increased if more precise clock generators are available, which is made possible by the present invention.
[32] In allen Funkübertragungssystemen der Hochfrequenztechnik, die auf eine effektive Ausnutzung begrenzter Frequenzbänder angewiesen sind, ist es höchst interessant, verbesserte Resonatorsysteme zur Filterung und Signalerzeugung einzusetzen.In all radiofrequency radio transmission systems that rely on effective utilization of limited frequency bands, it is highly interesting to use improved resonator systems for filtering and signal generation.
[33] Eine weitere Steigerung von Parametern wie Phasenrauschen und Flankensteilheit der Sendekompo- nenten bedeuten für sämtliche bekannten Übertragungsstandards eine höhere Selektivität und bietet somit die Option über weitere Strecken zu übertragen oder die Sendeleistungen zu reduzieren. Die bisherigen Ergebnisse erlauben die Schätzung, dass bei gleichbleibender Übertragungsqualität die Sendeleistung auf weniger als ein Viertel der bisherigen Leistung gesenkt werden kann. Somit ließen sich einerseits die Betriebszeit von mobilen Geräten um rund den Faktor 4 verlängern und andererseits wird die Hochfre¬ quenz-Strahlungsbelastung der Umwelt um den gleichen Faktor 4 gesenkt.
[34] Das vorgestellte Konzept ermöglicht diese deutliche Verbesserung der Systemleistung bei minima¬ lem Aufwand. Durch eine sehr geringe Änderung der bestehenden Topologie lässt sich ein in weitem beliebiger Resonator mehrfach in verschiedenen Schwingungsmoden ausnutzten. Dabei wird das System jeweils einmal im Gegentakt und Gleichtakt durchlaufen. Die Güte der so optimierten Resonatoren ver- bessert sich um den Faktor 2. Für den Einsatz in Oszillatoren und VCOs bedeutet dies eine Verbesserung des Phasenrauschens um 6 dB im Vergleich zu herkömmlichen differentiellen Systemen. Neuartige MuI- timode-Filter für TEM Leiter basierend auf vorliegender Erfindung würden den Aufbau von einer neuen Generation von Filtern ermöglichen, die nach den jetzigen Erkenntnissen der Patentanmelder bei einer sehr geringen Mehraufwand - steilere Flanken aufweisen,[33] A further increase in parameters such as phase noise and edge steepness of the transmission components mean a higher selectivity for all known transmission standards and thus offers the option of transmitting over longer distances or reducing the transmission powers. The results so far permit the estimation that the transmission power can be reduced to less than a quarter of the previous power while the transmission quality remains the same. Thus, on the one hand, the operating time of mobile devices could be extended by a factor of about 4 and, on the other hand, the high-frequency radiation load on the environment could be reduced by the same factor 4. [34] The presented concept enables this clear improvement of the system performance with minimum effort. Due to a very small change in the existing topology, a widely arbitrary resonator can be exploited several times in different vibration modes. The system will run once in push-pull and common mode. The quality of the optimized resonators is improved by a factor of 2. For use in oscillators and VCOs, this means an improvement in phase noise by 6 dB compared to conventional differential systems. Novel multi-mode filters for TEM conductors based on the present invention would allow the construction of a new generation of filters which, according to the current knowledge of the patent applicants, have steeper edges at a very low overhead,
- die Transmissionsdämpfung um ca. 30 % reduzieren,- reduce the transmission loss by about 30%,
- oder zusätzliche Nullstellen in Transmissionspfad erzeugen.- or generate additional zeros in transmission path.
[35] Der Gedanke, ein Resonatorsystem über den Grundmode hinaus zu nutzten, kann von einem Dual- Mode-System ausgehend beliebig erweitert werden. Allgemein könnte bei Verfügbarkeit von geeigneten Modekonvertern und Koppelgliedern ein n-Mode-System realisiert werden. Bereits mit einem Vierdraht¬ leitersystem ließe sich die Anzahl der Moden schon auf 4 verdoppeln, was wahrscheinlich dazu fuhren wird, dass sich das Phasenrauschen nochmals um 6 dB verbessern lässt.[35] The idea of using a resonator system beyond the fundamental mode can be extended arbitrarily by a dual-mode system. In general, with the availability of suitable mode converters and coupling elements, an n-mode system could be realized. Even with a four-wire system, the number of modes could be doubled to 4, which will probably lead to a further 6 dB improvement in phase noise.
[36] Insbesondere kann ein Dreileitersystem im Inneren vorgesehen sein, bestehend aus zwei Signallei¬ tern und einer Masse, in dem nur TEM- Wellen, die als Gleich- und Gegentaktmode bezeichnet werden, ausbreitungsfähig sind, und mit einem oder mehr Resonatorelementen, deren physikalische Realisie¬ rungsform und Herstellungstechnologie beliebig sind, die es ermöglicht, dass zwischen zwei elektrischen Klemmen eine Serien- oder eine Parallelresonanz bei der Resonanzfrequenz fö auftritt, Hierbei können a. entweder ein Resonatorelement oder mehrere baugleiche Resonatorelemente zwischen den Signalleitern und/oder von einem Signalleiter gegen Masse geschaltet sein, die entweder eine Serien- oder eine Parallelresonanz aufweisen, oder n*2 (n=l; 2, 3,...) baugleiche Resonatore- lemente, die entweder eine Serien- oder eine Parallelresonanz aufweisen, in Serie oder gekreuzt zu den Signalleitern geschaltet sein, b. ein oder zwei Modekonverter in Serie zu dem Resonatorelement oder den Resonatorelementen geschaltet sein oder ein Modekonverter bereits unter a. realisiert wurde, der aus einem Gleich- taktmode einen Gegentaktmode und umgekehrt als reflektiertes Signal konvertiert und ggf. ein kleinen Teil des Signals transmittieren lässt, und
c. ein Koppelnetzwerk bzw. die Ankoppelschaltung ein Mode ganz oder zum kleinen Teil von dem Resonatorsystem zu einem oder mehreren symmetrischen oder unsymmetrischen Toren transmittieren lassen und den anderen Mode sperren.[36] In particular, a three-conductor system can be provided internally, consisting of two signal conductors and a ground, in which only TEM waves, which are referred to as DC and push-pull mode, are capable of propagation, and with one or more resonator elements, the physical Realization form and manufacturing technology are arbitrary, which makes it possible that between two electrical terminals, a series or a parallel resonance occurs at the resonant frequency fö, Here can a. either a resonator element or a plurality of identical resonator elements between the signal conductors and / or be connected by a signal conductor to ground, having either a series or a parallel resonance, or n * 2 (n = l, 2, 3, ...) identical resonators elements having either series or parallel resonance, connected in series or crossed to the signal conductors, b. one or two mode converters are connected in series with the resonator element or the resonator elements, or a mode converter is already connected under a. has been implemented, which converts a push-pull mode from a DC mode and vice versa as a reflected signal and, if necessary, transmits a small part of the signal, and c. a coupling network or the coupling circuit can transmit a mode entirely or in part by the resonator system to one or more symmetrical or asymmetrical gates and lock the other mode.
[37] Auch Systeme, die sich ähnlich einem Resonator verhalten, können von einem Multi-Mode- Betrieb profitieren. So ist die Nutzung des Konzeptes auch für eine Antenne denkbar, die sich bei Sendefrequenz ebenfalls in Resonanz befindet. Da die Antennenstruktur nunmehr zweimalig durchlaufen wird (wie im Weiteren noch gezeigt wird), kann sie zweimalig abstrahlen und ist von daher zumindest besser ange- passt. Folglich transmittiert die Antenne mehr Energie in den Freiraum. Selbstreden wird die Strahlungs¬ charakteristik der Antenne durch den MM-Betrieb beeinflusst. Hierdurch ergäben sich neue Freiheitsgra- de für die Entwicklung von schwenkbaren Antennen wie auch von umpolarisierbaren Antennen.[37] Even systems that behave like a resonator can benefit from multi-mode operation. Thus, the use of the concept is also conceivable for an antenna, which is also in resonance at transmission frequency. Since the antenna structure is now passed through twice (as will be shown below), it can radiate twice and is therefore at least better adapted. Consequently, the antenna transmits more energy into the free space. Of course, the radiation characteristic of the antenna is influenced by the MM operation. This would result in new degrees of freedom for the development of pivotable antennas as well as umpolarisierbaren antennas.
[38] Bei der Realisierung von digitalen Filtern greift man gerne auf klassische Filtersynthese für die Her¬ stellung von passiven Filtern zurück. Der Grund liegt darin, dass diese Entwürfe immer stabil sind. Die neuen vorliegend vorgestellten Verfahren zur verbesserten Realisierung von Resonatoren, liefern verbes¬ serte Selektionseigenschafiten ohne Anhebung der Anzahl der Resonatoren. Folglich lassen diese sich auch für verbesserte digitale Filter einsetzen.[38] In the realization of digital filters one likes to resort to classical filter synthesis for the production of passive filters. The reason is that these designs are always stable. The new methods presented here for the improved realization of resonators provide improved selection properties without increasing the number of resonators. Consequently, these can also be used for improved digital filters.
[39] Es wurde ein neues Konzept zur Realisierung eines Resonatorsystems entwickelt, in dem die beiden Schwingungsmoden Gleich- und Gegentakt gemeinsam für eine Steigerung der Performance ausgenutzt werden.[39] A new concept for the realization of a resonator system was developed, in which the two modes of vibration DC and push-pull are used together to increase the performance.
[40] Insbesondere kann das Resonatorsystem als Reflexionsresonator ausgebildet sein und einen fre- quenzselektiver Modekonverter mit einem oder mehreren Resonatorelementen umfassen, wobei a. entweder der Modekonverter aus einem oder mehreren parallel geschalteten Parallelresonato¬ ren, der/die an einer Signalleitung und gegen Masse geschaltet sind, und einem Leerlauf der anderen Signalleitung besteht und somit nur das einfallende Signal bei der Resonanzfrequenz als konvertiertes Signal reflektiert wird b. oder der Modekonverter aus einem oder mehreren in Serie geschalteten Serienresonatoren, der/die an einer Signalleitung und gegen Masse geschaltet sind, und einem Kurzschluss der an¬ deren Signalleitung besteht und somit nur das einfallende Signal bei der Resonanzfrequenz als konvertiertes Signal reflektiert wird c. oder der Modekonverter aus einem oder mehreren parallel geschalteten Parallelresonatoren, der/die an einer Signalleitung und gegen Masse geschaltet sind, und aus einem oder mehreren in Serie geschalteten Serienresonatoren, der/die an der anderen Signalleitung und gegen Masse
geschaltet sind, besteht und somit nur das einfallende Signal bei der Resonanzfrequenz als kon¬ vertiertes Signal reflektiert wird.[40] In particular, the resonator system can be designed as a reflection resonator and can comprise a frequency-selective mode converter with one or more resonator elements, where a. Either the mode converter of one or more parallel parallel resonators which are connected to a signal line and to ground, and an open circuit of the other signal line and thus only the incident signal at the resonant frequency is reflected as a converted signal b. or the mode converter of one or more series-connected series resonators, which are connected to a signal line and to ground, and a short circuit of the an¬ their signal line and thus only the incident signal at the resonant frequency is reflected as a converted signal c. or the mode converter comprising one or more parallel resonators connected in parallel and connected to one signal line and ground, and one or more series resonators connected to the other signal line and to ground are switched, and thus only the incident signal is reflected at the resonant frequency as kon¬ vertiertes signal.
[41] Vorzugsweise weist das Resonatorsystem eine Resonanzfrequenz fθ auf und ist als Reflexions- und/oder Transmissionsresonator ausgebildet, wobei a. der Modekonverter entweder aus einer kleinen gegen Masse geschalteten Induktivität und einer kleinen Serienkapazität, oder aus einer großen Serieninduktivität und einer großen gegen Masse geschalteten Kapazität, die jeweils in einer Serienleitung eingebracht sind, besteht und b. der Modekonverter aus einem Serien- und einem Parallelresonatoren besteht, deren Resonanz¬ frequenz derart von fθ abweicht, das sich bei fθ die reaktiven Elemente unter a. ergeben.[41] Preferably, the resonator system has a resonant frequency fθ and is designed as a reflection and / or transmission resonator, wherein a. the mode converter consists either of a small grounded inductance and a small series capacitance, or of a large series inductance and a large grounded capacitance, each introduced in a series line, and b. the mode converter consists of a series resonator and a parallel resonator whose resonant frequency deviates from fθ in such a way that at fθ the reactive elements under a. result.
[42] In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Resonatorsystem als reiner Reflexionsresonator realisiert sein, wobei der Modekonverter aus einem Kurzschluss an einem Leitungsende und einem Leer¬ lauf am anderen Leitungsende besteht.[42] In a preferred embodiment, the resonator system can be realized as a pure reflection resonator, the mode converter consisting of a short circuit at one end of the line and an idling at the other end of the line.
[43] Auch kann das Resonatorsystem als Resonanzkomponente ausgebildet sein, die in ein Zweidraht¬ bzw. Zweileitersystem eingebracht wird, wobei a. das Koppelnetzwerk für einen Einsatz als Reflexionsresonator aus zwei gleiche Koppelelemente zur einseitigen Ein- bzw. Auskopplung vom Signalleiter des Zweidrahtsystems über den Gleich¬ taktmode auf das Dreileitersystem besteht und der Gegentaktmode reflektiert wird, bzw. b. das Koppelnetzwerk für einen Einsatz als Transmissionsresonator aus jeweils zwei gleiche[43] Also, the resonator system may be formed as a resonance component, which is introduced into a two-wire or two-wire system, wherein a. the coupling network for use as a reflection resonator consists of two identical coupling elements for unilateral coupling or decoupling from the signal conductor of the two-wire system via the Gleich¬ clock mode on the three-wire system and the push-pull mode is reflected, or b. the coupling network for use as a transmission resonator of two identical
Koppelelemente zur zweiseitigen Ein- und Auskopplung vom Signalleiter des Zweidrahtsystems über den Gleichtaktmode auf das Dreileitersystem besteht und der Gegentaktmode reflektiert wird.Coupling elements for two-sided coupling and decoupling from the signal conductor of the two-wire system via the common mode to the three-wire system and the push-pull mode is reflected.
[44] Vorzugsweise umfasst das Koppelnetzwerk verlustarme Koppelelemente, insbesondere wenigstens einen kleinen Kondensator und/oder wenigstens eine große Induktivität.[44] The coupling network preferably comprises low-loss coupling elements, in particular at least one small capacitor and / or at least one large inductance.
[45] Die Grundkonzeption des Dual-Mode-Resonatorsystems für den Einsatz als Reflexionsschaltung ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 5 zeigt das neue Resonatorsystem für den Transmissionseinsatz. Im Folgenden werden zunächst die Systemelemente im Einzelnen beschrieben. Danach wird die Anwen¬ dung für Oszillatoren und Filter beschrieben.[45] The basic concept of the dual-mode resonator system for use as a reflection circuit is shown in Figure 4. Figure 5 shows the new resonator system for the transmission insert. In the following, the system elements will first be described in detail. Thereafter, the appli cation for oscillators and filters will be described.
[46] Das allgemeine System gliedert sich in die drei Blöcke Koppelnetzwerk, Resonator und Modekon¬ verter.
[47] Das Koppelnetzwerk 41 bzw. 51 ist die Verbindung zwischen einem Zwei- oder Dreileitersystem mit dem Dreileitersystem des Dual-Mode-Resonator. Im einfachsten Fall kann man zwei Dreileitersystem durch die direkte Verbindung „hart" ankoppeln. In diesem Fall wird zwar kein Bauteil zur Realisierung des Koppemetzwerkes benötigt, aber die darauf folgende Schaltung muss die Mode-Blocker- Funktion aufweisen. Über das Koppemetzwerk wird Energie in das innere Resonatorsystem (bestehend aus Reso¬ nator 42, 52 und Modekonverter 43, 53) ein- bzw. ausgekoppelt. Der Grad der Ankopplung ist über Art und Auslegung des Netzwerkes bestimmbar. In der Regel ist eine schwache Ankopplung, beispielsweise über einen kapazitiven Spannungsteiler, vorteilhaft, bei welcher der eigentliche Resonator nicht zu stark belastet wird. In der Praxis nutzt man das Koppelnetzwerk dazu, eine Impedanztransformation durchzu- führen. Basiert der Resonator auf ein Parallelschwingkreis, so transformiert man die Impedanz hoch. Handelt es sich hingegen beim Resonator um einen Serienschwingkreis, dann transformiert man die Im¬ pedanz auf einen niederohmigen Wert. Diese Maßnahme erlaubt eine größere Selektivität.[46] The general system is divided into the three blocks coupling network, resonator and mode converter. [47] The coupling network 41 or 51 is the connection between a two- or three-wire system with the three-conductor system of the dual-mode resonator. In the simplest case you can couple two three-wire systems through the direct connection "hard", in which case no component is needed to implement the coupling network, but the subsequent circuit must have the mode blocking function The degree of coupling can be determined via the type and design of the network .As a rule, a weak coupling, for example via a capacitive voltage divider, can be determined by means of an internal resonator system (consisting of resonator 42, 52 and mode converter 43, 53). In practice, the coupling network is used to perform an impedance transformation If the resonator is based on a parallel resonant circuit, then the impedance is transformed high Series resonant circuit, then the impedance is transformed to a low-ohmic value. This measure allows greater selectivity.
[48] Für die Erzielung der Systemperformance ist eine Mode-Selektion durch das Koppelnetzwerk erfor¬ derlich. So ist es möglicht, dass nur ein Mode in das Resonatorsystem eingekoppelt werden kann und auch nur dieser Mode es wieder verlässt. Intern kann dann über eine zweifache Modekonversion das Resonatorsystem wiederholt durchlaufen werden.[48] For the achievement of the system performance, a mode selection by the coupling network is required. So it is possible that only one mode can be coupled into the resonator system and only this mode leaves it again. Internally, the resonator system can then be repeated through a two-fold mode conversion.
[49] Es kann eine Mode-Blocker Struktur gewählt werden, die zum Beispiel einen Gegentakt in ge¬ wünschtem Maße koppelt, den Gleichtakt aber reflektiert. Diese Eigenschaften würden z.B. von einem Transformator erfüllt. Alternativ können auch gegen Masse geschaltete Resonanzkreise eingesetzt wer- den, welche die Funktionalität der Impedanztransformation und des Mode-Blockers erfüllen. Ein Beispiel ist in der Abbildung 9 ersichtlich, auf das in der folgenden Sektion eingegangen wird.[49] A mode-blocker structure can be chosen which, for example, couples a push-pull in the desired degree but reflects the common mode. These properties would e.g. met by a transformer. Alternatively, it is also possible to use resonant circuits connected to ground, which fulfill the functionality of the impedance transformation and of the mode blocker. An example is shown in Figure 9, which is discussed in the following section.
[50] Für den umgekehrten Fall, dass eine Transmission des Gleichtaktes in das Resonatorsystem ge¬ wünscht ist, der Gegentakt jedoch geblockt werden soll, kann das Koppelnetzwerk auch nur einen ge¬ meinsamen Anschluss für beide Pfade haben. Für ein Gegentaktsignal stellt dieser Kurzschluss eine BIo- cking-Struktur dar. Es wird vollständig reflektiert.[50] For the opposite case, that a transmission of the common mode into the resonator system is desired, but the push-pull should be blocked, the coupling network can also have only one common connection for both paths. For a push-pull signal, this short circuit represents a biking structure. It is completely reflected.
[51]Diese Gleichtaktankopplung ist vorteilhaft für unsymmetrische Schaltungen, in denen ein „klassi¬ scher" Resonator ersetzt werden soll. Wurde der „klassische" Resonator für den Transmissionsfall über jeweils ein SMD - Bauteil (Spule oder Kondensator) ein- und ausgekoppelt, so benötigt man beim Dual- Mode-Resonator nunmehr jeweils zwei gleiche SMD-Bauelemente. Wurde der „klassische" Resonator für hingegen den Reflexionsfall über ein SMD-Bauteil (Spule oder Kondensator) ein- und ausgekoppelt, so benötigt man beim Dual-Mode-Resonator nunmehr zwei gleiche SMD-Bauelemente. Beispiele für diesen Fall sind in den Abbildungen 11 und 14 dargestellt, auf die im Weiteren noch eingegangen wird.
[52] Der eingesetzte Resonator 42 bzw. 52 ist unabhängig von der Technologie und es lassen sich grund¬ sätzlich alle bekannten Realisierungsfoπnen einsetzten, die bisher auch in elektrischen Schaltungen ein¬ gesetzt und über Mono-Mode TEM- oder Quasi-TEM-Leitungen betrieben wurden. Der Aufbau muss aber gewährleisten, dass die frequenzselektive Wirkungsweise für beide erwünschten Moden gegeben ist.[51] This common-mode coupling is advantageous for unbalanced circuits in which a "classic" resonator is to be replaced If the "classical" resonator was coupled in and out via an SMD component (coil or capacitor), then In the case of the dual-mode resonator, two identical SMD components are now required in each case. In contrast, if the "classic" resonator has been coupled in and out via an SMD component (coil or capacitor), then two identical SMD components are required in the case of the dual-mode resonator, examples of which are shown in FIGS and FIG. 14, which will be discussed further below. [52] The resonator 42 or 52 used is independent of the technology and it is fundamentally possible to use all known implementation methods which were previously also used in electrical circuits and operated via mono-mode TEM or quasi-TEM lines were. However, the design must ensure that the frequency-selective mode of action is given for both desired modes.
[53] In den Ersatzbildern wird im Folgenden einheitlich ein LC-Resonator benutzt, kann aber nach obiger Bedingung verallgemeinert werden.In the substitute pictures, an LC resonator is used in the following uniformly, but can be generalized according to the above condition.
[54] An dem Modekonverter 43 bzw. 53 findet eine Reflexion der Gleich- und Gegentaktwelle und Kon¬ vertierung der Moden statt. Eine einfallende Gleichtaktwelle wird in eine Gegentaktwelle überführt, und umgekehrt. Dabei wirkt die Konversion bei den im Folgenden vorgestellten Konvertern auf den reflek¬ tierten Anteil der Welle, indem unterschiedliche Reflexionsfaktoren für die beiden Pfade realisiert wer¬ den. Modekonverterkonzepte mit kleiner Transmission können für Auskopplungen sehr sinnvoll sein.[54] At the mode converter 43 or 53, a reflection of the DC and push-pull wave and Kon¬ conversion of the modes takes place. An incident common mode wave is converted into a push-pull wave, and vice versa. In the case of the converters presented below, the conversion acts on the reflected portion of the wave, by implementing different reflection factors for the two paths. Mode converter concepts with low transmission can be very useful for decoupling.
[55] Die Erfindung geht hierbei von der Grunderkenntnis aus, dass durch eine Modekonversion bei einem ein Mehrleitersystem umfassenden Schwingkreissystems ein Resonator dieses Systems mehrfach genutzt und auf diese Weise die belastete Güte des Schwingkreises erheblich erhöht werden kann. Diese Anord¬ nung entspricht demnach dem nicht realisierbaren Versuch, zwei oder mehr Resonatoren unmittelbar zu koppeln, um die belastete Güte zu verbessern, was in der Realität zu keinen befriedigenden Ergebnissen führen kann, da hierzu völlig identische Resonatoren benötigt würden. Durch die Bereitstellung und Aus¬ nutzung mehrere Moden kann so ein und derselbe Resonator mehrfach genutzt werden.[55] The invention is based on the basic knowledge that a resonator of this system can be used several times by a mode conversion in a resonant circuit system comprising a multi-conductor system, and in this way the loaded quality of the resonant circuit can be considerably increased. Accordingly, this arrangement corresponds to the unrealizable attempt to couple two or more resonators directly in order to improve the loaded quality, which in reality can not lead to satisfactory results since completely identical resonators would be required for this purpose. By providing and using several modes, one and the same resonator can be used multiple times.
[56] Beispielhaft werden die nachfolgenden Realisierungsformen dargelegt.[56] By way of example, the following implementation forms are presented.
[57]Full-Reflection-Mode-Converter (FRC) (Abbildung 6): Hier wird die gesamte einfallende Welle reflektiert und dabei in den komplementären Mode überfuhrt. Der Zusammenhang zwischen Gleich- und Gegentaktmode ist in einem Phasenunterschied von 180° für einen Pfad gegeben. Die Einlaufende Welle wird am Leerlauf des oberen Pfades mit einem Faktor von I = r reflektiert und am Kurzschluss des unte- ren Pfades mit 1 - = r reflektiert, womit die Phasenbedingung für Modekonversion erfüllt ist.[57] Full-Reflection-Mode-Converter (FRC) (Figure 6): Reflects the entire incident wave, converting it into complementary mode. The relationship between DC and push-pull mode is given in a phase difference of 180 ° for a path. The incoming wave is reflected at the upper path idle by a factor of I = r and reflected at short circuit of the lower path by 1 - = r, thus satisfying the phase requirement for mode conversion.
[58]Partial-Reflection-Mode-Converter (PRC) (Abbildung 7): Die einfallende Welle wird teilweise re¬ flektiert und dabei konvertiert, teilweise ohne Konversion transmittiert. Das gewünschte Verhältnis zwi¬ schen Reflexion und Transmission ist wählbar. In der Praxis sind starke Reflexions- und geringe Trans¬ missionswerte sinnvoll, da diese das innere Resonatorsystem am wenigsten belasten. Basierend auf dem Prinzip des FRCs wird hier ein nur fast idealer Leerlaufund ein fast idealer Kurzschluss verwendet. Für den Leerlauf könnte dies eine sehr kleine Serienkapazität oder eine sehr große Serieninduktivität darstel-
len. Der fast ideale Kurzschluss könnte eine geringe Shuntindiktivität oder eine große Shuntkapazität sein. Nach der Leitungstheorie teilt sich die Welle bei diesem Impedanzsprung auf der Leitung in einen Reflexionsteil und einen Transmissionsteil auf. Die Reflexionsfaktoren liegen nahe bei 1 = r bzw. 1 - = r , sind aber aufgrund der Nichtidealität der Abschlüsse davon leicht verschieden. Durch diesen von eins abweichenden Anteil, der dem Transmissionsfaktor der Komponente darstellt, wird die einfallende Welle in entsprechendem Maße in ihrem ursprünglichen Mode durchgelassen.[58] Partial reflection mode converter (PRC) (Figure 7): The incident wave is partially reflected and converted, partially transmitted without conversion. The desired ratio between reflection and transmission can be selected. In practice, high reflection and low transmittance values make sense, since they are the least stressful for the internal resonator system. Based on the principle of the FRC, only a nearly ideal idling and a nearly ideal short circuit are used here. For idle, this could represent a very small series capacity or a very large series inductance. len. The almost ideal short circuit could be a low shunt inductance or a large shunt capacity. According to the theory of conduction, the wave divides into a reflection part and a transmission part in the case of this impedance jump on the line. The reflection factors are close to 1 = r and 1 = r, respectively, but are slightly different due to the non-ideality of the terminations thereof. By means of this component deviating from one, which represents the transmission factor of the component, the incident wave is transmitted to a corresponding extent in its original mode.
[59] Resonance-Refiection-Mode-Converter (RRC) (Abbildung 8): Auch dieser Modekonverter baut auf dem Prinzip des FRCs auf. Abweichend wird hier der ideale Leerlauf durch einen Parallelresonanzkreis und der ideale Kurzschluss durch einen Serienresonanzkreis ersetzt. Somit sind ideale Konversionsbedin- gungen nur exakt bei Resonanzfrequenz gegeben, insgesamt entsteht ein breitbandigeres Konversionser¬ gebnis. Nachteilig an der in der abgebildeten RRC- Version ist, dass beide Resonatoren die gleiche Reso¬ nanzfrequenz aufweisen müssen und noch weitere Resonanzen auftreten können. Wichtige Sonderformen dieses RRC sind die reduzierten Aufbauten mit nur einem Resonator und einem Kurzschluss bzw. Leer¬ lauf. Setzt man für 82 einen Kurzschluss ein, so kann man den verbleibenden Modekonverter auch als Einzelresonator und FRC betrachten. Folglich kann ein Dual-Mode-Resonatorsystem auch alleinig aus einem Koppelnetzwerk und einem RRC bestehen.[59] Resonance Reflection Mode Converter (RRC) (Figure 8): This mode converter also builds on the principle of FRC. Deviating from the ideal idling is replaced by a parallel resonant circuit and the ideal short circuit through a series resonant circuit. Thus, ideal conversion conditions are only given exactly at resonant frequency, resulting in a broadband conversion result overall. A disadvantage of the in the illustrated RRC version is that both resonators must have the same resonant frequency and still further resonances can occur. Important special forms of this RRC are the reduced structures with only one resonator and a short circuit or Leer¬ run. If one uses a short circuit for 82, one can consider the remaining mode converter as a single resonator and FRC. Consequently, a dual-mode resonator system can also consist solely of a switching network and an RRC.
[6O]Im Folgenden sollen einige Beispiele für Dual-Mode-Resonatorsysteme vorgestellt werden. Jedoch lassen sich aufgrund der möglichen Gleich- oder Gegentaktankopplung, - den möglichen Einsatz von Serien- und Parallelschwingkreise als Resonatoren, den möglichen Modekonvertern und einer sehr großen Anzahl an Realisierungsformen für ein Koppelnetzwerk bei weiten nicht alle Möglichkeiten detailliert auflisten.[6O] In the following, some examples of dual-mode resonator systems are presented. However, due to the possible DC or push-pull coupling, the possible use of series and parallel resonant circuits as resonators, the possible mode converters and a very large number of implementation forms for a coupling network can not be listed in detail.
[61] Ein Beispiel für Resonatorsysteme für den Reflexionseinsatz mit Gegentakteinspeisung ist in der Abbildung 9 ersichtlich. In der linken Bildhälfte (a) wird ein „klassischer" symmetrischer Reflexions- Resonator über die beiden Koppelkondensatoren 92 angekoppelt. Auch in diesem Fall sorgen diese klei¬ nen Kondensatoren für eine Impedanztransformation bzw. schwache Ankopplung und letztlich für ein verbesserte Selektivität. Im rechten Teil der Abbildung 9 wird der gleiche innere Resonator (hier 96) wie im linken Teil eingesetzt. Auch die Ankoppelkondensatoren 97 unterscheiden sich nunmehr im Wert nicht von denen in 92. Neu ist einerseits der Modekonverter (FRC) bestehend aus einem Kurzschluss 94 und einem Leerlauf 95. Wie zuvor erwähnt, kann dieser in Einheit mit dem Resonator auch als RRC aufgefasst werden. Weiterhin ist zur Realisierung des Resonatorsystems eine Modeblockerstruktur not-
wendig. In diesem Beispiel wurde der Gleichtakt-Modeblocker durch das Netzwerk 98 verwirklicht. Bei der Resonanzfrequenz bilden die beiden zugehörigen Spulen mit dem gegen Masse geschalteten Konden¬ sator für das Gleichtaktsignal einen Kurzschluss. Für das Gegentaktsignal sind hingegen nur die Spulen wirksam. Diese bilden mit den Kondensatoren 97 ggf. eine Impedanztransformation.[61] An example of resonator systems for reflection use with push-pull supply is shown in Figure 9. In the left half of the figure (a), a "classical" symmetric reflection resonator is coupled via the two coupling capacitors 92. In this case, too, these small capacitors provide for an impedance transformation or weak coupling and ultimately for an improved selectivity The same internal resonator (here 96) is used as in the left-hand part of Figure 9. The coupling capacitors 97 also do not differ in value from those in 92. On the one hand, the mode converter (FRC) consisting of a short circuit 94 and an open circuit 95 is new As mentioned above, this unit can also be considered as RRC in combination with the resonator. manoeuvrable. In this example, the common mode fashion blocker was implemented by the network 98. At the resonance frequency, the two associated coils form a short circuit with the capacitor connected to ground for the common-mode signal. For the push-pull signal, however, only the coils are effective. These form with the capacitors 97, if necessary, an impedance transformation.
[62] Ein sehr einfaches Beispiel für Resonatorsysteme für den Reflexionseinsatz mit Gleichtakteinspei¬ sung ist in der Abbildung 10 illustriert. In der linken Bildhälfte (a) wird wiederum ein „klassischer" un¬ symmetrischer Reflexions-Resonator mit dem inneren Resonatorelement 101 über den Koppelkondensa¬ tor 102 angekoppelt. Auch in diesem Fall sorgt dieser kleine Kondensator für eine Impedanztransforma- tion bzw. schwache Ankopplung und letztlich für ein verbesserte Selektivität. Im rechten Teil der Abbil- düng 10 wird der gleiche innere Resonator (hier 103) wie im linken Teil eingesetzt. Auch die Ankoppel¬ kondensatoren 104 müssen sich nicht von dem 102 im Wert unterscheiden. Neu ist einerseits der Mode¬ konverter (FRC) bestehend aus einem Kurzschluss und einem Leerlauf. Wie zuvor erwähnt, kann in die¬ sem Fall der notwendige Modeblocker einfach aus der Zusammenschaltung der beiden Kondensatoren 104 erfolgen. So wird im Vergleich zur vorherigen Schaltung lediglich ein zusätzliches Koppelelement benötigt.[62] A very simple example of resonator systems for reflection use with common mode sensing is illustrated in FIG. In the left half of the figure (a), again, a "classical" non-symmetrical reflection resonator is coupled to the inner resonator element 101 via the coupling capacitor 102. In this case too, this small capacitor ensures impedance transformation or weak coupling and The same inner resonator (here 103) as in the left part is used in the right-hand part of the figure 10. Also, the coupling capacitors 104 do not have to differ in value from the value of 102. On the one hand, the fashion is new As mentioned above, in this case the necessary mode blocker can simply be made up of the interconnection of the two capacitors 104. Thus, in comparison to the previous circuit, only one additional coupling element is required.
[63] Ähnlich einfach wie zuvor lässt sich aus einem bekannten Resonator für den Transmissionseinsatz gemäß Abbildung 14 ein Dual-Mode-Resonatorsystem erstellen. Die Umsetzung erfolgt in kompletter Analogie zu dem zuvor eingeführten.[63] A dual-mode resonator system can be constructed in a similar way as before from a known resonator for the transmission insert according to FIG. The reaction is carried out in complete analogy to the previously introduced.
[64] Eine besonders beliebte Realisierungsform eines einstellbaren Oszillators in integrierter Schaltungs- technik (Halbleitertechnik) ist die des in Abbildung 11 dargestellten differentiellen VCOs.[64] A particularly popular implementation of an adjustable oscillator in integrated circuit technology (semiconductor technology) is that of the differential VCO shown in Figure 11.
[65] Der übliche Syntheseansatz für die Entwicklung eines differentiellen VCOs ist das Prinzip des „nega¬ tiven Eingangswiderstands". Der durch die Induktivitäten 111 und 112 sowie der veränderbaren Kapazi¬ tät 113 gegebene Resonator wird in dieser Anordnung entdämpft. Im Ersatzbild wird aufgrund der cha¬ rakteristischen Kennlinie der Transistoren 114 im Arbeitsbereich dem verlustbehafteten Schwingkreis ein negativer Widerstand parallelgeschaltet, der die Verluste kompensiert.[65] The usual synthetic approach for the development of a differential VCO is the principle of "negative input resistance." The resonator given by the inductors 111 and 112 and the variable capacitance 113 is attenuated in this arrangement Characteristic characteristic of the transistors 114 in the working area the lossy resonant circuit connected in parallel with a negative resistance, which compensates for the losses.
[66] Durch die differentielle Anordnung ist es möglich, dass der maximale Spannungshub im Resonator die Versorgungsspannung übersteigt. Je höher dieser Maximalpegel ausfällt, desto besser ist die zu erwar¬ tende Rauschperformance des Oszillators. Diese Eigenschaft wirkt sich also direkt in einer Verbesserung des Phasenrauschens aus. Hier liegen auch die Gründe für die Popularität dieses Konzeptes. Aus der Sicht eines Hochfrequenztechnikers ist Impedanztransformation, die in der vereinfachten Abbildung 11 nicht dargestellt ist, der Grund für die Spannungserhöhung und die damit verbundene bessere Selektivität.
[67] Mit einer Multi-Mode Betrachtungsweise und dem Einsatz des Dual-Mode-Resonatorsystems lässt sich ein weiteres Systemverständnis anwenden. In Abbildung 12 ist ein Blockschaltbild des Dual-Mode- Oszillators dargestellt.[66] Due to the differential arrangement, it is possible that the maximum voltage swing in the resonator exceeds the supply voltage. The higher this maximum level fails, the better the expected noise performance of the oscillator. This property thus directly affects an improvement of the phase noise. Here are the reasons for the popularity of this concept. From the point of view of a high-frequency engineer, impedance transformation, which is not shown in the simplified Figure 11, is the reason for the voltage increase and the better selectivity associated therewith. [67] With a multi-mode approach and the use of the dual-mode resonator system, a further understanding of the system can be applied. Figure 12 shows a block diagram of the dual-mode oscillator.
[68] Der Push-Push- Verstärker in differentieller Kreuzstruktur kann als ein Gegentakt- Reflexionsverstärker interpretiert werden. Die Transistoren befinden sich beide in einer Emitter- Schaltung. Ein auf einem Pfad in die Basis einlaufendes Signal wird mit einer Phasenverschiebung von 180° verstärkt und über die gekreuzten Kollektoren auf den jeweils anderen Pfad zurückgegeben. Es findet also eine Reflexion des Gegentaktes mit einem Reflexionsfaktor von MJ2 = — CC statt, wobei α der eingestellten Verstärkung der Transistoren entspricht.[68] The push-push amplifier in differential cross-structure can be interpreted as a push-pull reflection amplifier. The transistors are both in an emitter circuit. A signal entering the base on a path is amplified with a phase shift of 180 ° and returned to the other path via the crossed collectors. So there is a reflection of the push-pull with a reflection factor of MJ 2 = - CC, where α corresponds to the set gain of the transistors.
[69] Ein Ablauf der Schwingbedingung gliedert sich in folgende Schritte: Die verstärkte Gegentaktwelle wird durch das Koppelnetzwerk mit dem integrierten Gleichtaktblocker ohne Beeinflussung in das Reso- natorsystem gekoppelt und durchläuft den Resonator. Nach der anschließenden Reflexion und Modekon¬ version in den Gleichtakt wird das innere Resonatorelement ein zweites Mal transmittert. Im Anschluss sorgt die Mode-Blockerstruktur mit einem Gleichtakt-Reflexionsfaktor von M^x = — 1 für einen weite- ren Durchlauf des Resonatorsystems. Die Welle durchläuft den Resonator erneut, wird an dem Reflexi- ons-Modekonverter zurück in den Gegentakt konvertiert erneut durch das Resonatorelement gefiltert und verlässt erst jetzt das Dual-Mode-Resonatorsystem und wird wieder als Gegentaktsignal verstärkt..[69] A sequence of the oscillation condition is divided into the following steps: The amplified push-pull wave is coupled through the coupling network with the integrated common mode blocker without influencing the resonator system and passes through the resonator. After the subsequent reflection and mode conversion into the common mode, the inner resonator element is transmitted a second time. Subsequently, the mode blocker structure with a common-mode reflection factor of M ^ x = -1 ensures a further passage of the resonator system. The wave traverses the resonator again, is converted back into the push-pull mode at the reflection mode converter, filtered again by the resonator element and only now leaves the dual-mode resonator system and is again amplified as a push-pull signal.
[70] Mit der Verwendung des Dual-Mode-Resonatorsystems lässt sich das Phasenrauschen um weitere 6 dB vermindern. Dieses wurde durch Simulationen und Messungen verifiziert. Das Signal dieses VCO's kann schlussendlich als Gegentaktsignal an 121 oder hinter einem optionalen Balun als unsymmetrisches Signal an 122 ausgekoppelt werden.[70] By using the dual-mode resonator system, the phase noise can be reduced by a further 6 dB. This was verified by simulations and measurements. The signal of this VCO can finally be coupled as a push-pull signal to 121 or behind an optional balun as an unbalanced signal at 122.
[71] Nur wenn man den primitivsten differentiellen VCO gemäß Abbildung 11 realisiert, weist diese Mono-Mode-Lösung weniger Bauelemente als der Dual-Mode- VCO auf. Oft verwendet man bereits jetzt für die Mono-Mode-Lösung eine Impedanztransformation, wie sie auch in der Abbildung 12 dargestellt ist. Die Impedanztransformation verringert wie bereits erwähnt das Phasenrauschen merklich. In diesem Fall wird auch eine DC-Einspeisung für die Spannungsversorgung des Transistors benötigt, die von der Topologie genauso aussieht wie der Modeblocker in der Abbildung 12. Schlussendlich unterscheiden sich die Schaltungen lediglich um den für den Modekonverter notwendigen Kurzschluss. D.h., dass der Bau¬ elementeaufwand gleich ist.
[72] Ein sehr einfacher Oszillator lässt sich dadurch realisieren, in dem man einen Transistorverstärker über ein frequenzselektives Netzwerk wie in der linken Hälfte der Abbildung 14 dargestellt ist, zurück¬ koppelt. Im Hochfrequenzfall weisen sowohl die Transistorschaltung wie auch das Rückkoppelnetzwerk rund 180° Phasendrehung bei der Resonanzfrequenz auf. So hat man neben der Amplitudenfilterang zusätzlich eine frequenzselektive Phasenbedingung, die beide das Phasenrauschen reduzieren. Dieses Konzept lässt sich mit dem Dual-Mode-Resonator dadurch verwenden, indem einfach die im rechten Teil b) der Abbildung 14 dargestellte Dual-Mode-Resonatorschaltung statt der aus dem Teil a) einsetzt. Diese Schaltung weist sowohl einen steileren Phasengang als auch eine um Faktor 2 schmaleres Fenster für die 3dB-Eckfrequenzen auf, was beides zu einer deutlichen Verringerung des Phasenrauschen führt.[71] Only if one realizes the most primitive differential VCO according to Figure 11, this mono-mode solution has fewer components than the dual-mode VCO. Often one already uses for the mono-mode solution an impedance transformation, as shown in Figure 12. As already mentioned, the impedance transformation noticeably reduces the phase noise. In this case, a DC supply for the power supply of the transistor is needed, which looks the same from the topology as the fashion blocker in Figure 12. Finally, the circuits differ only by the necessary for the mode converter short circuit. That is, the Bau¬ element cost is the same. [72] A very simple oscillator can be realized by coupling back a transistor amplifier via a frequency-selective network as shown in the left half of Figure 14. In the high frequency case, both the transistor circuit and the feedback network around 180 ° phase rotation at the resonant frequency. Thus, in addition to the amplitude filter input, a frequency-selective phase condition is additionally provided which both reduce the phase noise. This concept can be used with the dual-mode resonator by simply using the dual-mode resonator circuit shown in the right-hand part b) of FIG. 14 instead of the part a). This circuit has both a steeper phase response and a factor 2 narrower window for the 3dB corner frequencies, both of which result in a significant reduction in phase noise.
[73] Ein sehr verbreitetes Konzept zur Realisierung von kompakten und gleichzeitig effektiven Filter¬ schaltungen mit Bandpass-Eigenschaften ist durch das Koppeln von Resonanzschwingkreisen. Es genügt bereits die Verkopplung von zwei Resonatoren durch ein Ld.R. hochohmige reaktives Bauelement (Spule oder Kondensator). Es etwas erweitertes gekoppeltes Resonatorfilter ist in der Abbildung 13 dargestellt. Durch den Einsatz von den Koppelelementen 132 am Eingang und 134 am Ausgang lässt sich die Steil- heit der Flanken vom Durchlassbereich weiter verbessern. Das Funktionsprinzip dieser Filterschaltung ist unabhängig von Art der eingesetzten Resonatoren und Kopplungen. Es können sowohl beliebige Resona¬ toren als auch Koppelelemente eingesetzt werden.[73] A very common concept for the realization of compact and at the same time effective filter circuits with bandpass properties is the coupling of resonant circuits. Already the coupling of two resonators by one Ld.R. high-resistance reactive component (coil or capacitor). There is some extended coupled resonator filter shown in Figure 13. Through the use of the coupling elements 132 at the input and 134 at the output, the steepness of the flanks can be further improved by the passband. The functional principle of this filter circuit is independent of the type of resonators and couplings used. Any desired resonators as well as coupling elements can be used.
[74] Abbildung 13 stellt beispielhaft den einfachen Fall von zwei LC-Resonatoren, die kapazitiv gekop¬ pelt sind, dar. Weiterhin sind der Eingang und der Ausgang auch kapazitiv gekoppelt. Solche Filterschal- rangen haben prinzipiell an zwei eng beieinander liegenden Frequenzpunkten Anpassung. Die Bandbreite wird durch die Kopplung zwischen den Resonatoren eingestellt. Die Flankensteilheit wird durch die Wer¬ te der Resonatorelemente und die Eingangs- und Ausgangskopplungen geprägt.[74] Figure 13 exemplifies the simple case of two LC resonators that are capacitively coupled. Furthermore, the input and the output are also capacitively coupled. Such filter scarfs have in principle adaptation to two closely spaced frequency points. The bandwidth is set by the coupling between the resonators. The edge steepness is characterized by the value of the resonator elements and the input and output couplings.
[75] In Analogie zu der Transmissions- VCO-Schaltung lassen sich auch hier die Resonatoren durch die neuen Dual-Mode-Resonatoren gemäss Abbildung 14 ersetzen. Ein Dual-Mode-Filter nach dem gleichen Prinzip, wie es in der Abbildung 13 illustriert ist, ist in der Abbildung 15 abgebildet. Das System besteht aus[75] In analogy to the transmission VCO circuit, the resonators can also be replaced by the new dual-mode resonators according to Figure 14 here. A dual mode filter according to the same principle as illustrated in Figure 13 is shown in Figure 15. The system consists of
- vier Koppelnetzwerken,- four switching networks,
- und zwei FRCs.- and two FRCs.
Die vier Koppelnetzwerke stehen jeweils vor und nach Resonator jedem FRC und stellen sowohl die Kopplung zwischen den Resonatoren als auch die Ein- und Auskopplungen dar. Eine weitere Funktion der Koppelnetzwerke ist das Blocken des Gegentaktsignals.
[76] Die Funktionsweise der Dual-Mode Filterschaltung lässt sich signaltheoretisch über eine Multi-Mode Darstellung gemäß das Blockschaltbild 5 erläutern: Das System besteht aus zwei identisch aufgebauten Abschnitten, jeweils mit einem FRC zwischen einem Eingang- und einem Ausgangskoppelnetzwerk.The four coupling networks are each before and after each resonator FRC and represent both the coupling between the resonators as well as the coupling and decoupling. Another function of the coupling networks is the blocking of the push-pull signal. The mode of operation of the dual-mode filter circuit can be explained in terms of signal theory via a multi-mode representation according to block diagram 5: The system consists of two identically structured sections, each with an FRC between an input and output coupling network.
[77] Das einlaufende unsymmetrische bzw. Gleichtakt-Signal wird über das Eingangskoppelnetzwerk zu dem ersten FRC geleitet. An dieser Stelle wird das Gleichtakt-Signal in ein Gegentakt-Signal verwandelt.[77] The incoming single-ended signal is routed to the first FRC via the input coupling network. At this point, the common mode signal is transformed into a push-pull signal.
Das Gegentaktsignal wird an den Koppekietzwerken mit Af1J = — 1 reflektiert und kehrt zu dem FRC zurück. Es entsteht nun mehr ein Gleichtaktsignal, das über das Ausgangskoppelnetzwerk des ersten Abschnitts zu dem Eingangskoppelnetzwerk des zweiten Abschnitts der Schaltung gelangen kann. Auf gleicher Weise wie beim ersten Abschnitt wird der zweite FRC vom Signal zweifach durchlaufen, bevor das eingespeiste Gleichtakt-Signal wieder als ein Gleichtakt-Signal am Ausgang des letzten Koppelnetz¬ werks zur Verfügung steht.The push-pull signal is reflected at the Koppekietzwerken with Af 1J = - 1 and returns to the FRC. The result is now more a common mode signal that can pass through the output coupling network of the first section to the input coupling network of the second portion of the circuit. In the same way as in the first section, the second FRC is traversed twice by the signal before the supplied common-mode signal is again available as a common-mode signal at the output of the last switching network.
[78] Durch diesen Dual-Mode-Betrieb werden die Resonatoren jeweils zweifach eingesetzt. Ihre Filterei¬ genschaften werden hierdurch merklich erhöht. Diese Verbesserung in der System-Performance kann dazu eingesetzt werden, um die Flanken steiler zu gestalten oder bei gleich bleibender Flankensteilheit, die Transmissionsdärnpfung um ca. 30 % zu reduzieren.[78] Through this dual-mode operation, the resonators are used twice each. Their filter properties are thereby markedly increased. This improvement in system performance can be used to steer the flanks more steeply, or to reduce the transmission attenuation by about 30% while maintaining the same slope.
[79] Steilere Flanken erhöhen die Bandbreitenausbeute und verbessern die Signal-Selektivität. Niedrigere Transmissionsdämpfung von Filtern führt in Frontend-Schaltungen zu verbesserten Signal-Rauch- Verhältnissen. Hierdurch kann das empfangene Signal deutlicher erkannt und verarbeitet werden, was bei analogen Systemen zu einer Erhöhung der Reichweite oder alternativ zu einer Reduzierung der Leis- tungssaufnahme führen kann. Bei digitalen Systemen führt diese verbesserte Filterleistung zu einer Mi¬ nimierung der BER.
[79] Steeper edges increase the bandwidth yield and improve signal selectivity. Lower transmission attenuation of filters in front-end circuits leads to improved signal-to-smoke ratios. As a result, the received signal can be more clearly recognized and processed, which in the case of analog systems can lead to an increase in the range or alternatively to a reduction in the power consumption. In digital systems, this improved filter performance leads to a minimization of the BER.