DE102008056911A1

DE102008056911A1 - Diplexfilter und Verfahren zum Filtern von Signalen

Info

Publication number: DE102008056911A1
Application number: DE102008056911A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Oppelt
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: US8217657B2; US20100117653A1; DE102008056911B4

Abstract

Das Diplexfilter hat zwei impedanztransformierende Filter mit getrennten Durchlass-Frequenzbereichen und mit getrennten Sperr-Frequenzbereichen und einen Verbindungsknoten, an welchem zwei Längselemente der beiden Filter angeschlossen sind, die jeweils als ein Parallelschwingkreis ausgebildet sind, wobei der jeweilige Parallelschwingkreis eine vorbestimmte Reaktanz in einer Bandmitte des jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiches und eine Parallelresonanz in einer Bandmitte des jeweiligen Sperr-Frequenzbereiches aufweist.
Durch die Erfindung ist auf einfache und kostengünstige Weise ein Diplexfilter ohne ferrithaltige Spezialbauteile, wie induktiv gekoppelte Spulen oder angezapfte Spulen, realisierbar.
Dadurch kann das erfindungsgemäße Diplexfilter beispielsweise in einem Kernspintomographen eingesetzt werden.
Schematische Schaltbilder von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Diplexfilters und zugehörige Transmissions- und Reflexionsfrequenzgänge sind angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Diplexfilter zum Filtern von Signalen und Verfahren zum Filtern von Signalen mittels eines Diplexfilters.
Ein impedanztransformierendes Diplexfilter muss notwendigerweise Bandpass-Charakter aufweisen. Zwar ist es theoretisch möglich, übliche Tiefpassfilter oder Hochpassfilter, die für gleiche Impedanzen am Ein- und Ausgang dimensioniert sind, derart umzurechnen, dass diese für unterschiedliche Impedanzen den exakt gleichen Transmissionsfrequenzgang aufweisen. An ihren Toren haben diese üblichen Tiefpassfilter oder Hochpassfilter allerdings eine deutliche Fehlanpassung, da die Abschlussimpedanz bzw. die Quellimpedanz nicht transformiert wird. Dies ist beispielsweise im Kapitel 11 in A. B. Williams, F. J. Taylor „Electronic Filter Design Hand Book", 3. Auflage, McGray Hill, 1995, beschrieben.
Weiter müssen herkömmlicherweise die beiden Diplexfilterpfade des Diplexfilters an ihrer Vereinigungsstelle oder ihrem Verbindungsknoten im Sperrbereich hochohmig sein, also einen Reflexionsfaktor nahe +1 aufweisen. Angenommen ein Zweig Y-A sei der tieffrequentere Zweig und ein Zweig Y-B sei der hochfrequentere Zweig des Diplexfilters, so muss im Zweig Y-A zunächst eine Serieninduktivität und im Zweig Y-B zunächst eine Serienkapazität angeordnet werden. Weiter dürfen keine Querelemente, so genannte Shunts, am Verbindungsknoten nach Masse vorhanden sein, da diese im jeweiligen anderen Frequenzbereich einen Kurzschluss darstellen würden.
Diplexfilter mit Bandpass-Charakter können daher beispielsweise als Serienelemente Reihenschwingkreise aufweisen, welche bei den Frequenzen des Zweiges Y-A niederohmig sind und bei den Frequenzen des Zweiges Y-B dagegen hochohmig sind. Dazu zeigt 1 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer herkömmlichen impedanztransformierenden Bandpass-Diplexfilterhälfte. Dabei zeigt die 1 den Zweig Y-A mit dem Reihenschwingkreis C2, L3 als Serienelement, der Kapazität C1 als Querelement und einem dazwischen gekoppelten Übertrager Ü mit den Spulen L1 und L2 sowie der festen Kopplung mittels eines Ferrites.
Weiterhin kann zur Impedanztransformation beispielsweise auch eine angezapfte Spule, zwei induktiv gekoppelte Spulen oder ein kapazitiver Spannungsteiler im Querzweig an den Toren A und B eingesetzt werden.
Zur letztgenannten Variante zeigt 2 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer herkömmlichen impedanztransformierenden Bandpass-Diplexfilterhälfte zweiter Ordnung mit dem kapazitiven Spannungsteiler C1, C2. Die Variante gemäß 2 funktioniert allerdings nur über eine relativ stark begrenzte Bandbreite.
Obige herkömmliche impedanztransformierenden Diplexfilter gemäß der 1 und 2 sind beispielsweise aus G. Fritsche, „Entwurf passiver Analog-Vierpole", Netzwerke II, Seite 206–214, Akademieverlag, 1979, bekannt.
Allerdings hat das Ausführungsbeispiel nach 1 den Nachteil, dass Spezialbauteile, wie der Übertrager, benötigt werden. Darüber hinaus sind bei einer Anwendung in einem Magnetfeld, wie bei einem Kernspintomographen, keine Ferrite möglich, was die Realisierung induktiv gekoppelter Spulen, wie in 1, stark behindert und höhere Verluste verursacht.
Des Weiteren sind aus der Veröffentlichung „Transformierende Hoch- und Tiefpässe vierter Ordnung – exakter Algorithmus mit Beispielen", Ulrich Fleischmann, Elektronikschau 6/1981, Seiten 26–35, impedanztransformierende Hochpässe und Tiefpässe vierter Ordnung bekannt. Wie oben bereits ausgeführt, können Filter auf Grund ihrer inhärenten Eigenschaften über eine endliche Bandbreite transformieren, so dass die Begriffe „Hochpass” und „Tiefpass” nur in gewisser Näherung zu verstehen sind. Der Tiefpass hat also auch eine untere Grenzfrequenz, ab welcher die Transmission |S₂₁| dann wieder abfällt. In analoger Weise hat der Hochpass eine obere Grenzfrequenz oberhalb derer die Transmission |S₂₁| abfällt und zwar bis auf einen Minimalwert:
Selbstverständlich ist es möglich, den oben erläuterten Hochpass und den oben erläuterten Tiefpass prinzipiell zu einem ”Diplexer” oder zu einem ”Diplexfilter” zusammen zu schalten, da diese am niederohmigen Tor ein Serienelement aufweisen. Allerdings hat die Anmelderin mittels Versuchen festgestellt, dass die Sperrwirkungen im jeweils unerwünschten Frequenzbereiche, dem Sperrfrequenzbereich, viel zu gering ausfällt, so dass nur eine mangelhafte Trennung der Frequenzbereiche, Durchlassfrequenzbereich und Sperrfrequenzbereich, möglich ist. Weiter hat die Anmelderin mittels ihrer Versuche festgestellt, dass bei einer Zusammenschaltung beider Filter diese zu stark Wechselwirken, so dass der resultierende Frequenzgang keinen Diplexer mehr darstellen kann.
Diese Problematik wird anhand unten stehenden Beispiels und anhand der 3 bis 7 näher erläutert.
Dazu zeigt 3 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines herkömmlichen Tiefpassfilters vierter Ordnung und 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines herkömmlichen Hochpassfilters vierter Ordnung.
In diesem Beispiel sei der Durchlassbereich D1 des Hochpassfilters oder Hochpasszweiges nach 4 11 bis 12,5 MHz und der Durchlassbereich D2 des Tiefpasszweiges oder Tiefpasses nach 3 sei 7,5 bis 9 MHz. Die jeweilige Abschlussimpedanz Z1 sei 50 Ω am gemeinsamen Tor Y bei einer Zusammen schaltung der Filter der 3 und 4. In diesem Fall soll an den Toren A bzw. B im jeweiligen Durchlassfrequenzbereich die Impedanz 4·50 Ω = 200 Ω erscheinen.
Für ϛ = 200/50 ergeben sich nach der Lehre der oben erwähnten Veröffentlichung „Transformierende Hoch- und Tiefpässe vierter Ordnung – exakter Algorithmus mit Beispielen” folgende Werte für den ersten Durchlassfrequenzbereich D1 von 11 bis 12,5 MHz der 4:
L1 = 2,35 μH, C1 = 90,8 pF, L2 = 908 nH sowie C2 = 235 pF
und folgende Werte für den zweiten Durchlassbereich D2 7,5 bis 9 MHz nach 3:
C1 = 112 pF, L1 = 2,88 μH, C2 = 288 pF, L2 = 1,12 μH
Zur Bereitstellung eines Diplexfilters müssten die Schaltbilder der 3 und 4 an der Verbindungsstelle oder dem Knoten Y zusammengeschaltet werden. Dazu zeigt 7 schematisch die beiden Transmissions-Frequenzgänge einer Zusammenschaltung des Tiefpassfilters nach 3 und des Hochpassfilters nach 4.
Dabei zeigt in 7 das Bezugszeichen T1 die Transmission des Hochpassfilterzweiges oder im Weiteren auch ersten Filters bei einer Zusammenschaltung des Hochpassfilters nach 4 mit dem Tiefpassfilter nach 3.
Analog zeigt in 7 das Bezugszeichen T2 die Transmission des Tiefpassfilterzweiges oder im Weiteren auch zweiten Filters bei einer Zusammenschaltung des Tiefpassfilters nach 3 mit dem Hochpassfilter nach 4.
Weiter bezeichnet das Bezugszeichen D1 den Durchlassfrequenzbereich des Hochpassfilterzweiges oder ersten Filters. Der Durchlass-Frequenzbereich D1 des ersten Filters liegt beispielsweise zwischen 11 und 12,5 MHz.
Ferner bezeichnet das Bezugszeichen S1 den Sperrfrequenzbereich des Hochpassfilterzweiges. Der Sperrfrequenzbereich S1 liegt beispielsweise bei 7,5 bis 9 MHz.
Entsprechend bezeichnet das Bezugszeichen D2 den Durchlassfrequenzbereich des Tiefpassfilterzweiges oder zweiten Filters. Der Sperrfrequenzbereich S1 liegt beispielsweise zwischen 7,5 und 9 MHz.
Des Weiteren bezeichnet das Bezugszeichen D2 den Durchlassfrequenzbereich des Tiefpassfilterzweiges oder zweiten Filters. Der Durchlassfrequenzbereich D2 liegt beispielsweise bei 7,5 bis 9 MHz.
Analog bezeichnet das Bezugszeichen S2 den Sperrfrequenzbereich des Tiefpassfilterzweiges oder zweiten Filters. Der Sperrfrequenzbereich S2 liegt beispielsweise bei 11 bis 12,5 MHz.
Aus obigen Werten und der 7 ist ersichtlich, dass sich zur Ausbildung eines Diplexfilters herkömmlicherweise jeweils D1 und S2 sowie D2 und S1 entsprechen.
Allerdings zeigt 7 auch, dass insbesondere in dem Bereich D2, S1 (7,5 bis 9 MHz) und D1, S2 (11 bis 12,5 MHz), die zusammengeschalteten Filter, das Tiefpassfilter nach 3 und das Hochpassfilter nach 4, derart Wechselwirken, dass sie gerade nicht die gewünschte Aneinanderreihung der Frequenzgänge der 5 und 6 erreichen und damit kein Diplexfilter ausbilden können.
Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Diplexfilter zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese gestellte Aufgabe durch ein Diplexfilter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren zum Filtern von Signalen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.
Demgemäß wird ein Diplexfilter zum Filtern von Signalen vorgeschlagen, welches aufweist:
zwei impedanztransformierende Filter mit getrennten Durchlass-Frequenzbereichen und mit getrennten Sperr-Frequenzbereichen, wobei das jeweilige Filter eine erste Anzahl von Querelementen und eine zweite Anzahl von Längselementen hat, und
einen Verbindungsknoten, an den zwei Längselemente der beiden Filter zusammen geschaltet sind, die jeweils als ein Parallelschwingkreis ausgebildet sind,
wobei der jeweilige Parallelschwingkreis eine vorbestimmte Reaktanz in einer Bandmitte des jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiches und eine Parallelresonanz in einer Bandmitte des jeweiligen Sperr-Frequenzbereiches aufweist.
Weiter wird ein Verfahren zum Filtern von Signalen mittels eines Diplexfilters vorgeschlagen, welches folgende Schritte aufweist:

a) Bereitstellen von zwei impedanztransformierenden Filtern mit getrennten Durchlass-Frequenzbereichen und mit getrennten Sperr-Frequenzbereichen, wobei das jeweilige Filter eine erste Anzahl von Querelementen und eine zweite Anzahl von Längselementen hat;
b) Verbinden zweier Längselemente der beiden Filter mittels eines Verbindungsknotens; und
c) Ausbilden der beiden mittels des Verbindungsknotens zusammen geschalteten Längselemente jeweils als ein Parallelschwingkreis zur Ausbildung des Diplexfilters, wobei der jeweilige Parallelschwingkreis eine vorbestimmte Reaktanz in einer Bandmitte des jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiches und eine Parallelresonanz in einer Bandmitte des jeweiligen Sperr-Frequenzbereiches aufweist.

Ein erstes impedanztransformierendes Filter ist beispielsweise als ein Hochpassfilter und ein zweites impedanztransformierendes Filter ist beispielsweise als ein Tiefpassfilter ausgebildet.
Das erfindungsgemäß gebildete Diplexfilter ist ein Drei-Tor mit einem Tor Y zwischen den Verbindungsknoten und Masse, einem Tor A zwischen einem Anschlussknoten des Tiefpassfilters zum Anschluss einer externen Impedanz und Masse und einem Tor B zwischen einem Anschlussknoten des Hochpassfilters zum Anschluss einer anderen externen Impedanz und Masse.
Vorteilhafterweise ist durch die vorliegende Erfindung auf einfache und kostengünstige Weise ein Diplexfilter ohne Spezialbauteile, wie induktiv gekoppelte Spulen oder angezapfte Spulen, mit breiten Durchlass- bzw. Sperrbereichen realisierbar. Bei dem erfindungsgemäßen Diplexfilter werden zwei Signale mit unterschiedlichen, aber endlich breiten Frequenzbereichen von den beiden Toren A und B auf ein Tor, dem Tor Y, zu einem Frequenzmultiplexsignal zusammengefasst. Umgekehrt kann das Diplexfilter auch ein von dem gemeinsamen Tor Y kommendes Frequenzmultiplexsignal spektral an die beiden unterschiedlichen Tore A und B mittels der Hochpass- und Tiefpasstrennung aufteilen.
Durch die Verwendung der beiden impedanztransformierenden Filter in dem erfindungsgemäßen Diplexfilter kann eine am Tor Y angeschlossene reelle Impedanz Z₀ in einem jeweiligen Frequenzbereich um einen Faktor ϛ skaliert an den jeweiligen Toren A und B als ϛZ₀ abgebildet werden. Somit kann beispielsweise eine Impedanz am Kollektor einer Transistorverstärkerstufe, welche normalerweise deutlich höher als 50 Ω ist, an eine standardisierte 50 Ω Koaxialleitung am gemeinsamen Ausgang Y ohne zusätzliches Anpassnetzwerk transformiert werden.
Da dieses entfällt sind die Durchgangsverluste in den Pfaden A-Y und B-Y sehr gering.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Diplexfilter ohne Spezialbauteile, wie ferrithaltige induktive gekoppelte Spulen oder angezapfte Spulen realisierbar ist, ist das erfindungsgemäße Diplexfilter auch im Feld eines MR-Magneten einsetzbar.
Die Werte für die Kapazität C und die Induktivität L des Parallelschwingkreises des Hochpassfilters oder Hochpassfilterpfades sind erfindungsgemäß wie folgt zu berechnen:
Der Parameter C_s berechnet sich als die Kapazität eines impedanztransformierenden Hochpassfilters vierter Ordnung nach der Lehre von Ulrich Fleischmann „Transformierende Hoch- und Tiefpässe vierter Ordnung – exakter Algorithmus mit Beispielen" Elektronikschau 6/1981, Seiten 26–35.
Der Parameter f_mTP bezeichnet dabei die geometrische Mittenfrequenz des Durchlassfrequenzbereiches des zweiten Filters oder Tiefpassfilters des Diplexfilters. In analoger Weise bezeichnet der Parameter die geometrische Mittefrequenz des Durchlassfrequenzbereiches des ersten Filters oder Hochpassfilters des Diplexfilters.
Weiter sind die Werte für die Kapazität C und die Induktivität L des Parallelschwingkreises des zweiten Filters oder Hochpassfilters wie folgt zu berechnen:
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die vorbestimmte Reaktanz des jeweiligen Parallelschwingkreises zur Ausbildung des jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiches geeignet.
Vorteilhafterweise ist durch die Verwendung der vorbestimmten Reaktanz für den jeweiligen Parallelschwingkreis die Ausbildung des jeweiligen gewünschten Durchlassfrequenzbereiches möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die jeweilige Parallelresonanz des jeweiligen Parallelschwingkreises zur Ausbildung des jeweiligen Sperr-Frequenzbereichs geeignet.
Vorteilhafterweise ist durch die jeweilige Parallelresonanz des jeweiligen Parallelschwingkreises die Ausbildung des jeweiligen Sperr-Frequenzbereiches möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das jeweilige impedanztransformierende Filter als ein bidirektionales, impedanztransformierendes Filter ausgebildet.
Durch die Ausbildung des impedanztransformierenden Filters als bidirektionales Filter ist es möglich, zwei unterschiedliche Signale von den Toren A und B an dem Tor Y als ein Frequenzmultiplexsignal zusammenzufassen und auf der anderen Seite ein an dem Tor Y ankommendes Frequenzmultiplexsignal an die beiden unterschiedlichen Tore A und B aufzuteilen.
Ebenso kann ein Signal von A nach Y und ein anderes von Y nach B, also in entgegen gesetzter Richtung, übertragen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das jeweilige Filter als ein Filter n-ter Ordnung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung hat das jeweilige Filter n-ter Ordnung, mit n ≥ 4, n / 2 Längselemente und n / 2 Querelemente, wenn n gerade ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung hat das jeweilige Filter n-ter Ordnung, mit n ≥ 4, (n + 1)/2 Längselemente und (n – 1)/2 Querelemente, wenn n ungerade ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das jeweilige Längselement und das jeweilige Querelement aus zumindest einer Impedanz ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das jeweilige Filter als ein Filter vierter Ordnung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung hat das erste impedanztransformierende Filter einen ersten höheren Durchlass-Frequenzbereich und einen ersten niedrigeren Sperr-Frequenzbereich. Weiter hat das zweite impedanztransformierende Filter vorzugsweise einen zweiten niedrigeren Durchlass-Frequenzbereich und einen zweiten höheren Sperr-Frequenzbereich.
Vorteilhafter Weise entsprechen sich der erste niedrige Durchlassfrequenzbereich des ersten impedanztransformierenden Filters und der zweite Sperr-Frequenzbereich des zweiten impedanztransformierenden Filters. In analoger Weise entsprechen sich vorteilhafterweise der erste Sperr-Frequenzbereich des ersten impedanztransformierenden Filters und der zweite Durchlassfrequenzbereich des zweiten impedanztransformierenden Filters.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das jeweilige Filter als ein Zweitor ausgebildet, welches aus einem ersten Tor zwischen dem Verbindungsknoten und Masse und aus einem zweiten Tor zwischen dem Verbindungsknoten und einem Anschlussknoten zum Anschluss einer externen Impedanz gebildet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Längselemente des jeweiligen Filters zwischen dem jeweiligen Anschlussknoten und dem Verbindungsknoten und die Querelemente zwischen dem Verbindungsknoten und Masse angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Querelemente des ersten Filters zumindest eine Spule auf und/oder die Längselemente des ersten Filters zumindest einen Kondensator auf und/oder die Querelemente des zweiten Filters zumindest einen Kondensator auf und/oder die Längselemente des zweiten Filters zumindest eine Spule auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind alle Längselemente der beiden Filter jeweils als ein Parallelschwingkreis aus zumindest einer Spule und zumindest einem Kondensator ausgebildet sind.
Durch die Ausbildung aller Längselemente der beiden Filter als Parallelschwingkreis ist die Filterwirkung zwischen den zu trennenden Frequenzbereichen optimiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind alle Längselemente des zweiten Filters jeweils als ein Parallelschwingkreis ausgebildet, das an dem Verbindungsknoten gekoppelte Längselemente des ersten Filters ist als ein Parallelschwingkreis ausgebildet und das mit dem Koppelknoten des ersten Filters gekoppelte Querelement ist als ein Serienschwingkreis ausgebildet.
Durch den Verzicht auf einen Parallelschwingkreis in dieser bevorzugten Weiterbildung im Gegensatz zu obig ausgeführter Weiterbildung wird auch auf eine aufwendige und kostenintensive Spule verzichtet. Die Filterwirkung ist vergleichbar mit der der oben erwähnten bevorzugten Weiterbildung, bei welcher alle Längselemente der beiden Filter als Parallelschwingkreise ausgebildet sind.
Weiter wird ein Kernspintomograph mit einem wie oben erläuterten erfindungsgemäßen Diplexfilter vorgeschlagen.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Diplexfilter beispielsweise in einem Kernspintomograph eingesetzt, insbesondere weil das erfindungsgemäße Diplexfilter keine induktiv gekoppelte Spule oder angezapfte Spulen aufweist und somit im Feld eines MR-Magneten eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer herkömmlichen impedanztransformierenden Bandpass-Diplexerhälfte;
2 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer herkömmlichen impedanztransformierenden Bandpass-Diplexerhälfte;
3 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines herkömmlichen Tiefpassfilters vierter Ordnung;
4 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines herkömmlichen Hochpassfilters vierter Ordnung;
5 ein schematischer Transmissions-Frequenzgang für das Tiefpassfilter vierter Ordnung nach 3;
6 ein schematischer Transmissions-Frequenzgang für das Hochpassfilter vierter Ordnung nach 4;
7 ein schematischer Transmissions-Frequenzgang einer Zusammenschaltung des Tiefpassfilters nach 3 und des Hochpassfilters nach 4;
8 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Diplexfilters gemäß der Erfindung;
9 ein Transmissions-Frequenzgang des Diplexfilters nach 8;
10 ein Transmissions-Frequenzgang eines mittels Simulation modifizierten Diplexfilters nach 8;
11 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Diplexfilters gemäß der Erfindung;
12 ein Transmissions-Frequenzgang des Diplexfilters nach 11; und
13 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Filtern von Signalen mittels eines Diplexfilters.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Mittel und Einrichtungen – sofern nichts anderes angegeben – mit denselben Bezugszeichen versehen.
8 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Diplexfilters 10 gemäß der Erfindung.
Das impedanztransformierende Diplexfilter 10 hat zwei impedanztransformierende Filter 20, 30 mit getrennten Durchlassfrequenzbereichen D1, D2 und mit getrennten Sperrfrequenzbereichen S1, S2. Das jeweilige Filter 20, 30 hat eine erste Anzahl von Querelementen 21, 22; 31, 32 und eine zweite Anzahl von Längselementen 23, 24; 33, 34. Beispielsweise ist das erste impedanztransformierende Filter 20 ein Hochpassfilter und das zweite impedanztransformierende Filter 30 ist ein Tiefpassfilter. Weiter ist die erste Anzahl vorzugsweise gleich der zweiten Anzahl.
Das jeweilige impedanztransformierende Filter 20, 30 ist vorzugsweise als ein bidirektionales, impedanztransformierendes Filter 20, 30 ausgebildet. Dabei kann das jeweilige Filter 20, 30 vorzugsweise als ein Filter n-ter Ordnung, mit n ≥ 4, ausgebildet sein. Dabei ist n beispielsweise vier. Vorzugsweise hat das jeweilige Filter 20, 30 n-ter Ordnung n halbe Längselemente 23, 24; 33, 34 und n halbe Querelemente 21, 22; 31, 32 wenn n gerade ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 8 hat das Hochpassfilter 20 zwei Querelemente 21, 22 und zwei Längselemente 23, 24. Analoges gilt für das Tiefpassfilter 30 nach 8.
Das Hochpassfilter 20 ist zwischen einem Verbindungsknoten 40 und einem Anschlussknoten 61 zum Anschluss einer weiteren Impedanz Z2 geschaltet. Die Impedanz Z2 hat beispielsweise 200 Ω und ist zwischen dem Anschlussknoten 61 und Masse 50 verbunden. Demgegenüber sind zwischen den Verbindungsknoten 40 und Masse 50 eine Impedanz Z1 mit beispielsweise 50 Ω und eine Spannungsquelle 70 angeschlossen.
Wie oben bereits ausgeführt, ist das Hochpassfilter 20 durch zwei Querelemente 21, 22 und zwei Längselemente 23, 24 gebildet. Ein erstes Querelement 21 ist zwischen dem Anschlussknoten 61 und Masse 50 angeschlossen. Ein erstes Längselement 23 aus der Kapazität C1 und der Induktivität L3 ist auf der einen Seite an das erste Querelement 21 und auf der anderen Seite an das zweite Querelement 22 angeschlossen. Das zweite Querelement 22 hat eine Spule L2, die an Masse 50 angeschlossen ist.
Ein zweites Längselement 24 aus der Kapazität C2 und der Induktivität L4 ist an das zweite Querelement 22 angeschlossen und mit dem Verbindungsknoten 40 verbunden.
Das Tiefpassfilter 30 hat als Querelemente 31, 32 eine Kapazität C3 und eine Kapazität C4. Die Längselemente 33, 34 des Tiefpassfilters 33 sind als ein jeweiliger Parallelschwingkreis mit einer jeweiligen Induktivität L5 bzw. L6 und einer jeweiligen Kapazität C5 bzw. C6 ausgebildet.
Das Tiefpassfilter 30 ist zwischen dem Verbindungsknoten 40 und einem Anschlussknoten 62 zum Anschluss einer weiteren externen Impedanz Z3 geschaltet. Die weitere externe Impedanz Z3 hat beispielsweise 200 Ω und ist mit dem Anschlussknoten 62 und Masse 50 verbunden.
9 zeigt den Transmissions- und Reflexions-Frequenzgang des Diplexfilters 10 nach 8.
Dabei zeigt in 9 das Bezugszeichen T1 die Transmission des Hochpassfilterzweiges 20 oder im Weiteren auch ersten Filters.
Analog zeigt in 9 das Bezugszeichen T2 die Transmission des Tiefpassfilterzweiges 30 oder im Weiteren auch zweiten Filters.
Weiter bezeichnet das Bezugszeichen D1 den Durchlassfrequenzbereich des Hochpassfilterzweiges 20 oder ersten Filters. Der Durchlass-Frequenzbereich D1 des ersten Filters 20 liegt beispielsweise zwischen 11 und 12,5 MHz.
Ferner bezeichnet das Bezugszeichen S1 den Sperrfrequenzbereich des Hochpassfilterzweiges 20. Der Sperrfrequenzbereich S1 liegt beispielsweise bei 7,5 bis 9 MHz.
Entsprechend bezeichnet das Bezugszeichen D2 den Durchlassfrequenzbereich des Tiefpassfilterzweiges 30 oder zweiten Filters. Der Sperrfrequenzbereich S1 liegt beispielsweise zwischen 7,5 und 9 MHz.
Des Weiteren bezeichnet das Bezugszeichen D2 den Durchlassfrequenzbereich des Tiefpassfilterzweiges 30 oder zweiten Filters. Der Durchlassfrequenzbereich D2 liegt beispielsweise bei 7,5 bis 9 MHz.
Analog bezeichnet das Bezugszeichen S2 den Sperrfrequenzbereich des Tiefpassfilterzweiges 30 oder zweiten Filters. Der Sperrfrequenzbereich S2 liegt beispielsweise bei 11 bis 12,5 MHz.
Aus obigen Werten und der 9 ist ersichtlich, dass sich zur Ausbildung eines Diplexfilters 10 D1 und S2 sowie D2 und S1 entsprechen.
Weiter zeigt 9 eine Reflexionsdämpfung RD des Diplexfilters 10. Hier ist bemerkenswert, dass die Reflexionsdämpfung RD gerade in den Durchlassbereichen D1 und D2 minimal ist und somit einen minimalen Energieverlust verursacht.
10 zeigt den Transmissions-Frequenzgang eines mittels einer Simulation modifizierten Diplexfilters 10 nach 8. Dabei werden die Sperrkreise S1, S2 mittels Simulation leicht korrigiert, um das Sperrverhalten an den jeweiligen Bandgrenzen gleichartig zu machen. Die Sperrdämpfung beträgt dann mindestens 35 dB.
11 zeigt ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Diplexfilters gemäß der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 11 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach 8 ausschließlich dahingehend, dass das Längselement 23 nicht mehr als Parallelschwingkreis ausgebildet ist, sondern nur mit einer einzigen Kapazität C1 gebildet ist, und dass dafür das Querelement 21 nicht mehr mittels einer einzigen Spule L1 gebildet ist, sondern aus einem Serienschwingkreis mit einer Spule L1 und mit einer Kapazität C0 gebildet ist.
Bei einer nach der Lehre von Fleischmann gegebenen Querinduktivität L_q folgt für den Serienschwingkreis aus den Elementen L1 und C0:
Der Parameter f_mTP bezeichnet dabei die geometrische Mittenfrequenz des Durchlassfrequenzbereiches des zweiten Filters oder Tiefpassfilters des Diplexfilters. In analoger Weise bezeichnet der Parameter f_mHP die geometrische Mittefrequenz des Durchlassfrequenzbereiches des ersten Filters oder Hochpassfilters des Diplexfilters.
Dazu zeigt 12 einen entsprechenden Transmissions-Frequenzgang des Diplexfilters 10 nach 11. Hierbei ist zu erkennen, dass die Sperrdämpfung nach 12 vergleichbar mit der Sperrdämpfung nach den 9 und 10 ist.
In 13 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Filtern von Signalen mittels eines Diplexfilters 10 dargestellt.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Blockschaltbildes in 13 mit Bezug auf das Schaltbild in 8 erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß 13 weist die Verfahrensschritte X1–X3 auf:
Verfahrensschritt X1:
Zwei impedanztransformierende Filter 20, 30 mit getrennten Durchlassfrequenzbereichen D1, D2 und mit getrennten Sperrfrequenzbereichen S1, S2 werden bereitgestellt, wobei das jeweilige Filter 20, 30 eine erste Anzahl von Querelementen 21, 22; 31, 32 und eine zweite Anzahl von Längselementen 23, 24; 33, 34 hat.
Verfahrensschritt X2:
Zwei Längselemente 24, 34 der beiden Filter 20, 30 werden mittels eines Verbindungsknoten 40 verbunden. Die beiden Längselemente 24, 34 des jeweiligen Filters 20, 34 sind dabei mit der jeweiligen Ausgangsleitung des jeweiligen Filters 20, 30 gekoppelt bzw. verbunden.
Verfahrensschritt X3:
Die beiden mittels des Verbindungsknoten 40 gekoppelten Längselemente 24, 34 werden jeweils als ein Parallelschwingkreis C3, L5; L7, C7 ausgebildet, wobei der jeweilige Parallelschwingkreis C2, L4; C6, L6 eine vorbestimmte Reaktanz in einer Bandmitte des jeweiligen Durchlassfrequenzbereiches D1, D2 und eine Parallelresonanz in einer Bandmitte des jeweiligen Sperrfrequenzbereiches S1, S2 aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Kapitel 11 in A. B. Williams, F. J. Taylor „Electronic Filter Design Hand Book”, 3. Auflage, McGray Hill, 1995 [0002]
- G. Fritsche, „Entwurf passiver Analog-Vierpole”, Netzwerke II, Seite 206–214, Akademieverlag, 1979 [0007]
- „Transformierende Hoch- und Tiefpässe vierter Ordnung – exakter Algorithmus mit Beispielen”, Ulrich Fleischmann, Elektronikschau 6/1981, Seiten 26–35 [0009]
- Ulrich Fleischmann „Transformierende Hoch- und Tiefpässe vierter Ordnung – exakter Algorithmus mit Beispielen” Elektronikschau 6/1981, Seiten 26–35 [0036]

Claims

Impedanztransformierendes Diplexfilter (10) zum Filtern von Signalen, mit: zwei impedanztransformierenden Filtern (20, 30) mit getrennten Durchlass-Frequenzbereichen (D1, D2) und mit getrennten Sperr-Frequenzbereichen (S1, S2), wobei das jeweilige Filter (20, 30) eine erste Anzahl von Querelementen (21, 22, 31, 32) und eine zweite Anzahl von Längselementen (23, 24; 33, 34) hat, und einem Verbindungsknoten (40), welcher zwei Längselemente (24, 34) der beiden Filter (20, 30) koppelt, die jeweils als ein Parallelschwingkreis ausgebildet sind, wobei der jeweilige Parallelschwingkreis (24, 34) eine vorbestimmte Reaktanz in einer Bandmitte des jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiches und eine Parallelresonanz in einer Bandmitte des jeweiligen Sperr-Frequenzbereiches S1, S2 aufweist.
Diplexfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Reaktanz des jeweiligen Parallelschwingkreises (24, 34) zur Ausbildung des jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiches (D1) geeignet ist.
Diplexfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Parallelresonanz des jeweiligen Parallelschwingkreises zur Ausbildung des jeweiligen Sperr-Frequenzbereichs geeignet ist.
Diplexfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige impedanztransformierende Filter (20, 30) als ein bidirektionales, impedanztransformierendes Filter (20, 30) ausgebildet ist.
Diplexfilter nach Anspruch 1 oder einen der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Filter (20, 30) als ein Filter n-ter Ordnung ausgebildet ist mit n ≥ 4.
Diplexfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Filter (20, 30) n-ter Ordnung bei geradem n genau n / 2 Längselemente (23, 24; 33, 34) und n / 2 Querelemente (21, 22; 31, 32) aufweist und/oder bei ungeradem n genau (n + 1)/2 Längselemente und (n – 1)/2 Querelemente aufweist.
Diplexfilter nach Anspruch 1 oder einen der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Längselement (23, 24; 33, 34) und das jeweilige Querelement (21, 22; 31, 32) aus zumindest einer Impedanz ausgebildet sind.
Diplexfilter nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Filter (20, 30) als ein Filter vierter Ordnung ausgebildet ist.
Diplexfilter nach Anspruch 1 oder einen der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste impedanztransformierende Filter (20) einen ersten höheren Durchlass-Frequenzbereich und einen ersten niedrigeren Sperr-Frequenzbereich und das zweite impedanztransformierende Filter (30) einen zweiten niedrigeren Durchlass-Frequenzbereich und einen zweiten höheren Sperr-Frequenzbereich hat.
Diplexfilter nach Anspruch 1 oder einen der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Filter (20, 30) als ein Zweitor ausgebildet ist, welches aus einem ersten Tor zwischen dem Verbindungsknoten (40) und Masse (50) und aus einem zweiten Tor zwischen dem Verbindungsknoten (40) und einem Anschlussknoten (61, 62) zum Anschluss einer externen Impedanz gebildet ist.
Diplexfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Längselemente des jeweiligen Filters zwischen dem jeweiligen Anschlussknoten und dem Verbindungsknoten in Reihe und die Querelemente zwischen dem Verbindungsknoten und Masse angeordnet sind.
Diplexfilter nach den Ansprüchen 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Querelemente (21, 22) des ersten Filters (20) zumindest eine Spule (L1, L2) aufweisen und/oder die Längselemente (23, 24) des ersten Filters (20) zumindest einen Kondensator aufweisen und/oder die Querelemente (31, 32) des zweiten Filters (30) zumindest einen Kondensator aufweisen und/oder die Längselemente des zweiten Filters zumindest eine Spule aufweisen.
Diplexfilter nach Anspruch 10, 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass alle Längselemente (23, 24; 33, 34) der beiden Filter (20, 30) jeweils als ein Parallelschwingkreis aus zumindest einer Spule und zumindest einem Kondensator ausgebildet sind.
Diplexfilter nach Anspruch 10, 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass alle Längselemente (33, 34) des zweiten Filters (30) jeweils als ein Parallelschwingkreis ausgebildet sind und das an dem Verbindungsknoten (40) gekoppelte Längselemente (24) des ersten Filters (20) als ein Parallelschwingkreis ausgebildet ist und das mit dem Koppelknoten (61) des ersten Fil ters (20) gekoppelte Querelement (21) als ein Serienschwingkreis ausgebildet ist.
Kernspintomograph mit einem Diplexfilter nach Anspruch 1 oder einen der Ansprüche 2 bis 14.
Verfahren zum Filtern von Signalen mittels eines Diplexfilters (10), mit den Schritten: a) Bereitstellen von zwei impedanztransformierenden Filtern (20, 30) mit getrennten Durchlass-Frequenzbereichen (D1, D2) und mit getrennten Sperr-Frequenzbereichen (S1, S2), wobei das jeweilige Filter (20, 30) eine erste Anzahl von Querelementen (21, 22; 31, 32) und eine zweite Anzahl von Längselementen (23, 24; 33, 34) hat; b) Verbinden zweier Längselemente (24, 34) der beiden Filter (20, 30) mittels eines Verbindungsknotens (40); und c) Ausbilden der beiden mittels des Verbindungsknotens (40) gekoppelten Längselemente (24, 34) jeweils als ein Parallelschwingkreis zur Ausbildung des Diplexfilters, wobei der jeweilige Parallelschwingkreis eine vorbestimmte Reaktanz in einer Bandmitte des jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiches (D1, D2) und eine Parallelresonanz in einer Bandmitte des jeweiligen Sperr-Frequenzbereiches (S1, S2) aufweist.