DE19652799C2 - Mikrowellenfilter - Google Patents

Description

Bei Bittransportsystemen, wie z. B. Anschlußnetze für ATM (Asynchronous Transfer Mode) - Übertragungssysteme AN/A (für: Access Network / ATM) werden u. a. sogenannte Crossover- Frequenzweichen mit hohen Anforderungen an die Selektivität und mit geringen Verlusten bis zu Frequenzen von 1 GHz benö­ tigt.

Der Anmeldungsgegenstand betrifft eine Anordnung zur Filterung eines elektrischen Signals gemäß dem Anspruch 1.

Aus der EP 0373028 ist ein Streifenleitungsfilter bekannt, bei dem die auf einer ersten Oberfläche des Substrats aufge­ brachten Bandleiter einer Metallisierung, die auf der zweiten Oberfläche des Substrats vollflächig aufgebracht ist und die mit dem Bezugspotential verbunden ist, gegenüberliegen. In einer besonderen Ausführungsform ist das bekannte Streifen­ leitungsfilter zur Verringerung der beanspruchten Fläche ge­ faltet, wobei die das Bezugspotential führenden Metallisie­ rungen aneinanderliegen und die Bandleiter jedenfalls einer das Bezugspotential führenden Metallisierung gegenüberliegen.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, ein Streifenleitungsfilter anzugeben, das eine geringe Baugröße, eine aufwandarme Herstellbarkeit und eine hohe Güte in sich vereint.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Anordnung zur Filterung eines elektrischen Signals gelöst.

Die vorgeschlagene Resonatoranordnung mit gefalteten Resona­ toren ohne dazwischenliegender Bezugspotentialebene weist ge­ genüber der bekannten Anordnung eine kürzere Länge der Band­ leiter, eine höhere Güte und weiter eine kleinere Verkopplung zwischen den einzelnen Resonatoren auf. Dies wird auf gerin­ gere Feldverdrängungsverluste und darauf, daß die gefalteten Resonatoren nicht auf der ganzen Länge über einen gemeinsamen Massebelag verkoppelt sind, zurückgeführt. Im übrigen läßt sich das vorgeschlagene Streifenleitungsfilter in einem auto­ matisierten Prozeß fertigen und weist damit den Vorteil eines geringen Aufwandes für die Herstellung auf.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung schließen die Enden zu­ gehöriger Bandleiterabschnitte mit der Kante des Substrats ab und die Bandleiterabschnitte sind durch eine um die Schmal­ seite des Substrats herumgeführte Metallisierung zu einem Bandleiter verbunden. Diese Maßnahme erübrigt das Einbringen von Durchbrüchen in das Substrat.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung sind die Enden zugehöri­ ger Bandleiterabschnitte durch mindestens eine elektrisch leitende Durchkontaktierung zu einem Bandleiter verbunden. Diese Maßnahme bringt eine von der Kante des Substrats unab­ hängige Anordenbarkeit eines Bandleiterresonators mit sich.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung sind die Enden der Band­ leiter über ein durch eine Induktivität oder eine Kapazität gegebenes Verkopplungselement verbunden. Auf diese Weise kön­ nen Filter verschiedener Art (z. B. Tiefpässe oder Bandpässe) nach weitgehendem Belieben bezüglich der Bandbreite und Fre­ quenzlage realisiert werden.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung ist die Verbindung des ersten Endes mindestens eines der Bandleiter mit dem ersten Ende eines weiteren der Bandleiter oder mit dem Eingang oder dem Ausgang über eine auf das Substrat aufmetallisierte Lei­ terbahn gegeben ist. Diese Maßnahme bringt eine Herstellbar­ keit eines Bandleiters und einer Leiterbahn in einem Arbeits­ gang mit sich.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung weisen die Verkopplung­ selemente mindestens eine Leiterbahn auf. Diese Maßnahme bringt durch Realisierung eines Verkopplungselementes in ei­ ner als gedruckte Schaltung bekannten Ausführung eine zusam­ men mit anderen auf das Substrat aufzumetallisierender Flä­ chen in einem Arbeitsgang mit sich und erspart die Anordnung eines diskreten Bauelements.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung trägt eine auf das Substrat aufgebrachte Leiterbahn ein diskretes Verkopplungse­ lement. Auf diese Weise ist ein Hybridfilter gebildet, bei dem ein Bandleiter und ein Verkopplungselement auf einem Substrat angeordnet sind. Weiter können durch Bestückung mit unterschiedlichen Verkopplungselementen Filter verschiedener Art (z. B. Tiefpässe oder Bandpässe) nach weitgehendem Belie­ ben bezüglich der Bandbreite und Frequenzlage mit der glei­ chen Substratplatte realisiert werden.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung ist ein Anschluß der An­ ordnung auf dem Substrat aufgebracht. Diese Maßnahme bringt eine einfache Anschließbarkeit der Anordnung mit sich.

Das Aufbringen der Metallisierungen in Dickschichttechnik oder in Dünnschichttechnik auf das Substrat bringt eine Her­ stellbarkeit in einer gängigen Technologie mit sich.

Der Anmeldungsgegenstand wird im Folgenden als Ausführungs­ beispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang an­ hand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1a und Fig. 1b perspektivische Darstellungen eines anmel­ dungsgemäßen Streifenleitungsfilters,

Fig. 2a und Fig. 2b zueinander äquivalente elektrische Ersatz­ schaltungen für das Filter nach Fig. 1, gültig für die λ/4 Frequenz,

Fig. 3 den Dämpfungsverlauf eines Filters nach Fig. 1,

Fig. 4 ein dielektrisches Bandpaßfilter mit Bandleitungsreso­ natoren unterschiedlicher Länge,

Fig. 5 eine elektrische Ersatzschaltung für das Filter nach Fig. 4, gültig für die λ/4 Frequenz,

Fig. 6 den Dämpfungsverlauf eines Filters nach Fig. 5 und

Fig. 7 einen Streifenleitungsfilter mit Durchkontaktierungen.

Die Beschreibung eines in einer Figur bezeichneten und/oder dargestellten Elements gilt gleichermaßen für gleich bezeich­ nete und/oder gleich dargestellte Elemente anderer Figuren.

Das in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellte Bandleitungsfilter ist mit einem dielektrischen Substrat S, das durch eine Keramik gegeben sein kann, gebildet. Das Substrat S ist insbesondere durch eine dünne, rechteckige Substratplatte der Dicke h ge­ geben, bei der die einander gegenüberliegenden großflächigen Oberflächen eine erste Hauptoberfläche HO1 und eine zweite Hauptoberfläche HO2 bilden.

Auf die erste Hauptoberfläche HO1 ist eine Mehrzahl paralle­ ler Bandleiterabschnitte in einer Breite W und einem Abstand a angeordnet. Die Länge l eines Bandleiterabschnitts gleicht einem Viertel der Wellenlänge λ der zu behandelnden Frequenz eines elektrischen Signals. Auf der zweiten Hauptoberfläche HO2 sind zu den Bandleiterabschnitten der ersten Hauptober­ fläche in der Draufsicht auf die Hauptoberfläche deckungs­ gleiche Bandleiterabschnitte angeordnet. Ein Bandleiterab­ schnitt der ersten Hauptoberfläche HO1 und der zugehörige deckungsgleiche Bandleiterabschnitt der zweiten Hauptoberflä­ che HO2 sind durch geeignete Mittel zu einem Bandleiter elek­ trisch verbunden. Ein mit dem Bandleiterabschnitt der ersten Hauptoberfläche HO1 verbundener Bandleiterabschnitt der zwei­ ten Hauptoberfläche HO2 bildet einen durch einen Bandleiter R1 bis R4 gegebenen λ/4-Resonator. Die Verbindung der Band­ leiterabschnitte bildet gewissermaßen den Kurzschluß des λ/4- Resonators. Schließen die Enden der Bandleiterabschnitte mit der Kante des Substrats S ab, erfolgt die Verbindung vorteil­ hafterweise mittels einer um die Schmalseite SF des Substrats S herumgeführten Metallisierung M. Eine andere Verbindung zu­ gehöriger Bandleiterabschnitte ist durch eine oder mehrere Durchkontaktierungen (DK in Fig. 7) an den Enden der Bandlei­ terabschnitte gegeben. Die Enden der Bandleiter R1 bis R4 auf der zweiten Hauptoberfläche HO2 sind mit dem Bezugspotential, das in Fachkreisen auch als Masse bezeichnet wird, verbunden. Die Verbindung mit dem Bezugspotential ist durch eine Metal­ lisierung M bewirkt, die rechtwinklig zu der Längsachse der Bandleiter verläuft und die auf die zweite Hauptoberfläche HO2 aufgebracht ist. Die Metallisierung M für das Bezugspo­ tential ist in einer bevorzugten Ausführungsform um die Schmalseite SF und gegebenenfalls ein Stück weit auf die er­ ste Hauptoberfläche HO1 herumgeführt.

Die Enden der Bandleiter R1 bis R4 auf der ersten Hauptober­ fläche HO1 sind mit Verkopplungselementen C2 bis C8 bzw. C1, L2, C2, L3, C4, C5, C6 untereinander verbunden. Die Verkopp­ lungselemente C2 bis C8 bzw. C1, L2, C2, L3, C4, C5, C6 sind durch Kopplungsimpedanzen, wie z. B. Kondensatoren C2 bis C8 und/oder Koppelspulen L2, L3 gegeben. Auf das Substrat S mö­ gen Leiterbahnen LB aufgebracht sein, die eine Aufnahme für als diskrete Bauelemente gegebene Verkopplungselemente C2 bis C8 bzw. C1, L2, C2, L3, C4, C5, C6, wie z. B. einen Chipkon­ densator C1..C9 und/oder eine diskrete Koppelspule L1..L3 bilden und die eine elektrische Verbindung zwischen den Enden der Bandleiterabschnitte und den Verkopplungselementen C2 bis C8 bzw. C1, L2, C2, L3, C4, C5, C6 schaffen. Die Leiterbahnen LB können so ausgestaltet sein, daß sie die Verkopplungsele­ mente C2 bis C8 bzw. C1, L2, C2, L3, C4, C5, C6 als sogenann­ te gedruckte Schaltung ausbilden. Die Enden der äußeren Band­ leiter auf der ersten Hauptoberfläche HO1 sind gegebenenfalls über Verkopplungselemente C1, C2, C8, C9, L1, C5, C6 mit ei­ nem Eingangsanschluß E bzw. mit einem Ausgangsanschluß A ver­ bunden. Der Eingangsanschluß E und/oder der Ausgangsanschluß A können auf der ersten Hauptoberfläche HO1 aufgebracht und über Leiterbahnen LB mit den Enden der äußeren Bandleiter R1, R4 verbunden sein.

Die auf das Substrat S aufgebrachten Bandleiterabschnitte, die Metallisierung M des Bezugspotentials, die Leiterbahnen LB und gegebenenfalls die als gedruckte Schaltung gegebenen Verkopplungselemente C1 bis C8; L1 bis L3 mögen durch in Dickschichttechnik oder in Dünnschichttechnik auf das Substrat aufgebrachte Metallisierungen M gegeben sein.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung bildet ein Streifenlei­ tungsfilter. Die zu einem Bandleiter R1 bis R4 verbundenen Bandleiterabschnitte bilden einen gefalteten Bandleiterreso­ nator. Bei Anordnung von diskreten Verkopplungselementen C1 bis C8; L1 bis L3 auf dem Substrat des Streifenleitungsfil­ ters ist speziell ein Hybridfilter gebildet.

Die Fig. 2a und 2b zeigen zueinander äquivalente, elektrische Ersatzschaltungen von Fig. 1 gültig für die λ/4-Frequenz. In der Ersatzschaltung ist ein Bandleiterresonator F1 bis F4 als Parallelschaltung einer Kapazität und einer Induktivität wie­ dergegeben.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Dämpfung in dB über der Frequenz für den Bandpaß aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt einen Streifenleitungsfilter mit unterschiedlich langen Resonatoren R1..R4. Die Bandleiterabschnitte sind so angeordnet, daß ihre Enden - unabhängig von ihrer Länge - mit einer Kante des Substrats S abschließen. Die gewissermaßen einen Kurzschluß bewirkende Verbindung zugehöriger Bandlei­ terabschnitte ist durch eine um die Schmalseite SF des Substrats S herumgeführte Metallisierung M bewirkt. Die das Bezugspotential führende Metallisierung M ist auf der zweiten Hauptoberfläche HO2 des Substrats S flächig bis an die Band­ leiterabschnitte herangeführt.

In Fig. 5 ist die für die λ/4-Frequenz gültige elektrische Er­ satzschaltung von Fig. 4 dargestellt. In der Ersatzschaltung ist ein Bandleiterresonator F1 bis F4 als Parallelschaltung einer Kapazität und einer Induktivität wiedergegeben.

Fig. 6 zeigt den Verlauf der Dämpfung in dB über der Frequenz für den Bandpaß aus Fig. 4.

Fig. 7 zeigt einen Streifenleitungsfilter, bei dem die Verbin­ dung zugehöriger Bandleiterabschnitte mittels elektrisch lei­ tender Durchkontaktierungen DK bewirkt ist. Mehrere Durchkon­ taktierungen DK können zwei zugehörige Bandleiterabschnitte zu einem Bandleiter R1 bis R4 verbinden. Bei dieser Ausfüh­ rungsform ist die Anordnung der Bandleiterabschnitte vorteil­ hafterweise unabhängig von der Lage der Kante des Substrats S wählbar.

Für die Dimensionierung dieser Filter können bekannte Synthe­ se- und Optimierungsverfahren mit diskreten und Leitungsele­ menten als Näherung angewendet werden. Als Zielschaltungen sollten jedoch die nach Fig. 2b und Fig. 5 angestrebt werden, weil die Elemente der Parallelkreise mit den Resonanzfrequen­ zen F1 bis F4 in die mechanischen Parameter des Resonators 1 = λ/4 = c/4F√ε und Z = (120π/√ε) . h/(h+w) umgerechnet werden können (Z = Wellenwiderstand des Bandleiters, l = Länge und w = Breite des Bandleiterabschnitts, h = Dicke des Substrates S, ε = Dielektrizitätskonstante, c = Lichtgeschwindigkeit).

Da die Verkopplung zwischen den Resonatoren bei einem Resona­ torabstand a < w relativ klein ist, ergeben diese Rechnungen mit diskreten Elementen brauchbare Näherungen. Eine Optimie­ rung mit planaren Elementen bringt eine noch genauere Über­ einstimmung mit der Praxis.

Claims (10)

1. Anordnung zur Filterung eines elektrischen Signals, insbe­ sondere Streifenleitungsfilter, bei dem

• 1. ein dielektrisches Substrat (S) gegeben ist, das eine erste Hauptoberfläche (HO1) und eine der ersten Hauptoberfläche (HO1) gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (HO2) auf­ weist
• 2. eine Mehrzahl von Bandleitern (R1 bis R4) parallel angeord­ net sind
• 3. ein Bandleiter (R1 bis R4) gegebener Länge in einen auf der ersten Hauptoberfläche (HO1) aufgebrachten ersten Abschnitt und in einen auf der zweiten Hauptoberfläche (HO2) aufge­ brachten zweiten Abschnitt geteilt ist
• 4. der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Bandlei­ ters (R1 bis R4) sich überdecken
• 5. der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Bandlei­ ters (R1 bis R4) durch geeignete Mittel zu dem Bandleiter (R1 bis R4) gegebener Länge verbunden sind
• 6. erste Enden der Bandleiter (R1 bis R4) durch Verkopplungse­ lemente (C1..C9; L1..L3) verbunden sind
• 7. die ersten Enden der äußeren Bandleiter (R1, R4) mit dem Eingang (E) bzw. mit dem Ausgang (A) der Anordnung verbun­ den sind
• 8. zweite Enden der Bandleiter (R1 bis R4) durch eine auf der zweiten Hauptoberfläche (HO2) aufgebrachte Metallisierung (M) verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. Enden zugehöriger Bandleiterabschnitte mit der Kante des Substrats (S) abschließen und
• 2. das Mittel zur Verbindung der Bandleiterabschnitte zu einem Bandleiter durch eine um die Schmalseite (SF) des Substrats herumgeführte Metallisierung (M) gegeben ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Verbindung der Enden zugehöriger Bandleiterab­ schnitte zu einem Bandleiter (R1 bis R4) durch mindestens ei­ ne elektrisch leitende Durchkontaktierung (DK) gegeben ist.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Bandleiter (R1 bis R4), die von der das Bezugs­ potential führenden Metallisierung (M) abgewandt sind, über mindestens ein Verkopplungselement (C2 bis C8 bzw. C1, L2, C2, L3, C4, C5, C6) verbunden sind.

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des ersten Endes mindestens eines der Bandlei­ ter (R1 bis R4) mit dem ersten Ende eines weiteren der Band­ leiter (R1 bis R4) oder mit dem Eingang (E) oder dem Ausgang (A) über eine auf das Substrat (S) aufmetallisierte Leiter­ bahn (LB) gegeben ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Verkopplungselemente (C1 bis C9; L1 bis L3) mindestens eine Leiterbahn (LB) aufweisen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiterbahn (LB) ein diskretes Verkopplungselement (C2 bis C8 bzw. C1, L2, C2, L3, C4, C5, C6) trägt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß (A, E) der Anordnung auf dem Substrat (S) aufge­ bracht ist.

9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch in Dickschichttechnik auf das Substrat (S) aufgebrachte Me­ tallisierungen (M).

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gekennzeichnet durch in Dünnschichttechnik auf das Substrat (S) aufgebrachte Me­ tallisierungen (M).