[go: up one dir, main page]

DE20207425U1 - Diplexer with unbalanced Butterworth filters - Google Patents

Diplexer with unbalanced Butterworth filters

Info

Publication number
DE20207425U1
DE20207425U1 DE20207425U DE20207425U DE20207425U1 DE 20207425 U1 DE20207425 U1 DE 20207425U1 DE 20207425 U DE20207425 U DE 20207425U DE 20207425 U DE20207425 U DE 20207425U DE 20207425 U1 DE20207425 U1 DE 20207425U1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
filter
diplexer
impedance
pass
filters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE20207425U
Other languages
German (de)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to DE20207425U priority Critical patent/DE20207425U1/en
Publication of DE20207425U1 publication Critical patent/DE20207425U1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/46Networks for connecting several sources or loads, working on different frequencies or frequency bands, to a common load or source

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Description

200205628200205628

BeschreibungDescription

Diplexer mit unsymmetrischen Butterworth-FilternDiplexer with asymmetrical Butterworth filters

Die Erfindung betrifft einen Diplexer, der mindestens einen mit einer Quellimpedanz beschalteten Eingang, einen ersten mit einer ersten Lastimpedanz beschalteten Ausgang und einen zweiten mit einer zweiten Lastimpedanz beschalteten Ausgang, ein zwischen dem Eingang und dem ersten Ausgang angeordnetes erstes Filter mit einem ersten Durchlass-Frequenzbereich und ein zwischen dem Eingang und dem zweiten Ausgang angeordnetes zweites Filter mit einem zweiten vom ersten verschiedenen Durchlass-Frequenzbereich umfasst. Ein solcher Diplexer ist aus der US 5,180,999 bekannt.The invention relates to a diplexer which comprises at least one input connected to a source impedance, a first output connected to a first load impedance and a second output connected to a second load impedance, a first filter arranged between the input and the first output with a first pass frequency range and a second filter arranged between the input and the second output with a second pass frequency range different from the first. Such a diplexer is known from US 5,180,999 .

Ein Diplexer kommt insbesondere als Frequenzweiche in der Hochfrequenztechnik zum Einsatz. Wie beispielsweise in der US 5,180,999 beschrieben wird ein Eingangssignal des Diplexers in zwei oder auch mehrere Teilsignale mit jeweils voneinander verschiedenem Durchlass-Frequenzbereich aufgeteilt und jeweils verschiedenen Ausgängen des Diplexers zugeführt. Dementsprechend hat ein Diplexer zwei oder mehrere Zweige, in denen jeweils ein frequenzselektives Filter angeordnet ist. Insbesondere sind diese Frequenzfilter rein passiv, beispielsweise als Kettenleiter-Netzwerke aus einer abwechselnden Zusammenschaltung passiver Längs- und Querreaktanzen, ausgebildet.A diplexer is used in particular as a crossover in high frequency technology. As described in US 5,180,999, for example, an input signal of the diplexer is split into two or more partial signals, each with a different passband frequency range, and each is fed to different outputs of the diplexer. Accordingly, a diplexer has two or more branches, each of which contains a frequency-selective filter. In particular, these frequency filters are purely passive, for example as ladder networks made up of an alternating interconnection of passive longitudinal and transverse reactances.

Vorzugsweise sollte ein Diplexer eine scharfe Trennung zwischen den verschiedenen Durchlass-Frequenzbereichen leisten. Außerdem ist eine möglichst gute Anpassung an die Quellimpedanz der dem Diplexer vorgeschalteten Schaltungsanordnung wünschenswert, um eine Reflexion des Eingangssignals möglichst auszuschließen.Preferably, a diplexer should provide a sharp separation between the different pass-through frequency ranges. In addition, it is desirable to match the source impedance of the circuit arrangement upstream of the diplexer as closely as possible in order to exclude reflection of the input signal as far as possible.

Um unter anderem diese Anforderungen zu erfüllen, hat die aus der US 3,806,813 bekannte zur frequenzselektiven und bidirek-In order to meet these requirements, among others, the frequency-selective and bi-directional transmission system known from US 3,806,813 has

200205628200205628

tionalen Verstärkung bestimmte Verstärkereinrichtung zwei spezielle Diplexer. Die in den beiden Diplexer-Zweigen eingesetzten frequenzselektiven Schaltungen sind jeweils als pseudo-komplementäre elliptische Filter ausgebildet. Mit dieser Art von Diplexer kann eine Eingangsimpedanz erreicht werden, die über den interessierenden Frequenzbereich eine zwar sehr gute, aber dennoch noch nicht exakte Homogenität und damit auch keine vollkommene Impedanzanpassung aufweist.The amplifier device for the functional amplification has two special diplexers. The frequency-selective circuits used in the two diplexer branches are each designed as pseudo-complementary elliptical filters. With this type of diplexer, an input impedance can be achieved that has very good, but still not exact, homogeneity over the frequency range of interest and thus also not perfect impedance matching.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Diplexer der eingangs bezeichneten Art anzugeben, der eine exakte Quellimpedanz-Anpassung für alle Frequenzen und auch eine scharfe Trennung zwischen den Durchlass-Frequenzbereichen gewährleistet. The object of the invention is therefore to provide a diplexer of the type described at the outset, which ensures an exact source impedance adaptation for all frequencies and also a sharp separation between the pass-through frequency ranges.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Diplexer entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben.To solve the problem, a diplexer according to the features of patent claim 1 is specified.

Der erfindungsgemäße Diplexer ist gekennzeichnet dadurch, dass die Quellimpedanz und die beiden Lastimpedanzen den gleichen Impedanzwert aufweisen und dass das erste Filter als unsymmetrisches Butterworth-Filter mit einer Ordnung von mindestens 3 und das zweite Filter als zum ersten Filter komplementäres unsymmetrisches Butterworth-Filter mit einer Ordnung von mindestens 3 ausgebildet ist.The diplexer according to the invention is characterized in that the source impedance and the two load impedances have the same impedance value and that the first filter is designed as an asymmetrical Butterworth filter with an order of at least 3 and the second filter is designed as an asymmetrical Butterworth filter with an order of at least 3 that is complementary to the first filter.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass ein Diplexer, der sowohl am Eingang als auch an seinen beiden Ausgängen mit einer elektrischen Impedanz jeweils gleichen Werts belastet ist, d.h. also symmetrisch beschaltet ist, gerade dann eine für alle Frequenzen einheitliche Eingangsimpedanz aufweist, wenn die beiden Filter des Diplexers jeweils als unsymmetrische Butterworth-Filter ausgebildet sind.The invention is based on the finding that a diplexer which is loaded with an electrical impedance of the same value both at the input and at its two outputs, i.e. is connected symmetrically, has a uniform input impedance for all frequencies, especially if the two filters of the diplexer are each designed as asymmetrical Butterworth filters.

Ein Butterworth-Filter ist aus der Filtertheorie grundsätzlich bekannt. Es wird beispielsweise in „Electronic Filter Design Handbook"*, von A. B. Williams und F. J. Taylor,A Butterworth filter is basically known from filter theory. It is described, for example, in "Electronic Filter Design Handbook"*, by A. B. Williams and F. J. Taylor,

200205628 ,, 200205628 ,,

McGraw-Hill Inc., 3rd Edition, pp. 2.34-2.35, table 11-2 beschrieben. Auch der Einsatz eines solchen Butterworth-Filters in einem Diplexer ist grundsätzlich nicht ungewöhnlich. Die erfindungswesentliche Tatsache besteht jedoch darin, dass bei der vorstehend beschriebenen symmetrischen Beschaltung Butterworth-Filter, die für eine unsymmetrische Beschaltung ausgelegt sind, zu einer für alle Frequenzen einheitlichen Eingangsimpedanz des Diplexers führen.McGraw-Hill Inc., 3 rd Edition, pp. 2.34-2.35, table 11-2. The use of such a Butterworth filter in a diplexer is also not unusual in principle. The essential fact of the invention, however, is that with the symmetrical circuit described above, Butterworth filters designed for asymmetrical circuitry lead to a uniform input impedance of the diplexer for all frequencies.

Unter einem unsymmetrischen Butterworth-Filter ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die in den üblichen Standardwerken der Filtertheorie tabellierten Filterkoeffizienten des Butterworth-Filters für eine unsymmetrische Beschaltung, d.h. eine Kurzschlussbeschaltung am Eingang und eine davon verschiedene Beschaltung mit einer Impedanz größer als 0 &OHgr;, beispielsweise dem Leitungswellenwiderstand oder einem unendlichen Widerstand (=Leerlauf), an den beiden Ausgängen, gewählt wird.In this context, an asymmetrical Butterworth filter is understood to mean that the filter coefficients of the Butterworth filter tabulated in the usual standard works on filter theory are selected for an asymmetrical circuit, i.e. a short-circuit circuit at the input and a different circuit with an impedance greater than 0 Ω, for example the line characteristic impedance or an infinite resistance (= open circuit), at the two outputs.

Die Wahl der Filterkoeffizienten steht damit gerade im Widerspruch zu der tatsächlichen physikalischen Beschaltung des Diplexers. Dennoch führt gerade diese Koeffizienten-Auswahl zu dem genannten günstigen Verhalten in Bezug auf die Eingangsimpedanz des Diplexers. Aufgrund der einheitlichen Eingangsimpedanz des Diplexers lässt sich mit dieser günstigen Konstellation auch eine Anpassung der Diplexer-Eingangsimpedanz für alle Frequenzen an die Quellimpedanz der vorgeschalteten Schaltungsanordnung erzielen. Neben den Butterworth-Filtern sind in der Filtertheorie auch sog. Bessel-Filter oder Tschebyscheff-Filter gebräuchlich. Mit keinem dieser anderen Filtertypen lässt sich aber ein vergleichbar günstiges Verhalten hinsichtlich der Impedanzanpassung herbeiführen.The choice of filter coefficients is therefore in direct contradiction to the actual physical circuitry of the diplexer. Nevertheless, it is precisely this choice of coefficients that leads to the aforementioned favorable behavior in relation to the input impedance of the diplexer. Due to the uniform input impedance of the diplexer, this favorable configuration also allows the diplexer input impedance to be adapted for all frequencies to the source impedance of the upstream circuit arrangement. In addition to Butterworth filters, so-called Bessel filters or Chebyshev filters are also commonly used in filter theory. However, none of these other filter types can achieve a comparably favorable behavior in terms of impedance adaptation.

Die jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiche der beiden Diplexer-Filter sind komplementär zueinander gewählt. Dies bedeutet, dass sie im Wesentlichen nicht überlappende Teile des gesamt Frequenzbereichs überdecken. In einem ÜbergangsbereichThe respective passband frequency ranges of the two diplexer filters are chosen to be complementary to each other. This means that they essentially cover non-overlapping parts of the total frequency range. In a transition region

200205628 200205628

zwischen den beiden Durchlass-Frequenzbereichen kommt es zu einer geringfügigen Überlappung der beiden Filter-Frequenzgänge. Die Trennung zwischen den beiden Durchlass-Frequenzbereichen ist dabei umso schärfer, je höher die Filterordnung des Butterworth-Filters gewählt wird. Ab einer Filterordnung von 3 wird eine sehr gute Trennung zwischen den beiden Durchlass-Frequenzbereichen erreicht. Zusammen mit der vorstehend beschriebenen günstigen Wahl der Filter-Koeffizienten entsprechend der unsymmetrischen Lastbedingung erreicht man also sowohl eine Impedanzanpassung für alle Frequenzen als auch eine scharfe Trennung zwischen den Durchlass-Frequenzbereichen der beiden im Diplexer eingesetzten Filter.There is a slight overlap between the two filter frequency responses between the two pass-through frequency ranges. The higher the filter order of the Butterworth filter is selected, the sharper the separation between the two pass-through frequency ranges is. From a filter order of 3, a very good separation between the two pass-through frequency ranges is achieved. Together with the favorable choice of filter coefficients described above in accordance with the asymmetrical load condition, this achieves both impedance matching for all frequencies and a sharp separation between the pass-through frequency ranges of the two filters used in the diplexer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Diplexers gemäß der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Advantageous embodiments of the diplexer according to the invention emerge from the dependent claims.

Vorzugsweise ist der Durchlass-Frequenzbereich des ersten Filters für tiefe und der des zweiten Filters für hohe Frequenzen ausgelegt. Das erste Filter ist also ein Tiefpass-Filter, das zweite Filter ein Hochpass-Filter.Preferably, the passband frequency range of the first filter is designed for low frequencies and that of the second filter for high frequencies. The first filter is therefore a low-pass filter and the second filter is a high-pass filter.

Ebenso ist eine Variante möglich, bei der das erste Filter eine Bandpass-Charakteristik und das zweite Filter eine dazu komplementäre Bandsperre-Charakteristik aufweist.A variant is also possible in which the first filter has a bandpass characteristic and the second filter has a complementary bandstop characteristic.

Ein Diplexer mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften lässt sich insbesondere auch in der Magnetresonanz (MR) Technik einsetzen. Er wird dort beispielsweise als Mischerabschluss verwendet. Ein Mischer wird in der MR-Technik beispielsweise im Empfangszweig benötigt, um ein empfangenes MR-Signal (z.B. der Frequenz 64MHz) in eine tiefere und damit leichter zu verarbeitende Zwischenfrequenzlage z.B. bei IMHz umzusetzen. Damit ein üblicherweise eingesetzter Ringmischer sehr gut funktioniert, sollte er für alle Frequenzen mit einer einheitlichen Impedanz, beispielsweise einer Leitungsimpedanz von 50&OHgr;, abgeschlossen sein. Diese Voraussetzung erfüllt der Diplexer gerade.A diplexer with the properties described above can also be used in magnetic resonance (MR) technology. It is used there, for example, as a mixer termination. A mixer is required in MR technology, for example, in the receiving branch in order to convert a received MR signal (e.g. of frequency 64MHz) to a lower and therefore easier to process intermediate frequency position, e.g. at 1MHz. In order for a ring mixer that is usually used to work very well, it should be terminated with a uniform impedance for all frequencies, for example a line impedance of 50Ω. The diplexer precisely fulfills this requirement.

200205628200205628

iS5 SSiS5 SS

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele des Diplexers werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen die:Preferred, but in no way restrictive, embodiments of the diplexer will now be explained in more detail with reference to the drawing. For clarity, the drawing is not to scale and certain features are shown schematically. In detail, the following show:

Figur 1 eine Schaltungsanordnung mit einem Diplexer mit zwei unsymmetrischen, zueinander komplementären Butterworth-Filtern 3. Ordnung, Figur 2 die Frequenzgänge der beiden AusgangsspannungenFigure 1 shows a circuit arrangement with a diplexer with two asymmetrical, complementary 3rd order Butterworth filters, Figure 2 shows the frequency response of the two output voltages

und des Eingangsreflexionsfaktors der Schaltungsanordnung von Figur 1,and the input reflection factor of the circuit arrangement of Figure 1,

Figur 3 eine Schaltungsanordnung mit einem Diplexer mit zwei unsymmetrischen, zueinander komplementärenFigure 3 shows a circuit arrangement with a diplexer with two asymmetrical, complementary

Butterworth-Filtern 4. Ordnung und4th order Butterworth filters and

Figur 4 die Frequenzgänge der beiden AusgangsspannungenFigure 4 the frequency response of the two output voltages

und des Eingangsreflexionsfaktors der Schaltungsanordnung von Figur 3.
20
and the input reflection factor of the circuit arrangement of Figure 3.
20

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts in Figures 1 to 4 are provided with the same reference numerals.

In Figur 1 ist eine Schaltungsanordnung 100 mit einem Diplexer 110 dargestellt. Der Diplexer 110 umfasst einen ersten Zweig mit einem ersten Filter 20 und einen zweiten Zweig mit einem zweiten Filter 30. Weiterhin weist der Diplexer 110 einen Eingang E sowie am Ende des ersten Zweiges einen ersten Ausgang Al und am Ende des zweiten Zweigs einen zweiten Aus-0 gang A2 auf.Figure 1 shows a circuit arrangement 100 with a diplexer 110. The diplexer 110 comprises a first branch with a first filter 20 and a second branch with a second filter 30. The diplexer 110 also has an input E and a first output A1 at the end of the first branch and a second output A2 at the end of the second branch.

Am Eingang E ist der Diplexer 110 mit einer Signalquelle 10 beschaltet, die als Ersatzschaltbild für ein weitgehend beliebiges vorgeschaltetes Netzwerk interpretiert werden kann. Die Signalquelle 10 setzt sich aus einer idealen Spannungsquelle 11 mit einem verschwindenden Innenwiderstand sowie aus einer Quellimpedanz ZQ zusammen. Die Signalquelle 10 ruft amAt input E, the diplexer 110 is connected to a signal source 10, which can be interpreted as an equivalent circuit for a largely arbitrary upstream network. The signal source 10 consists of an ideal voltage source 11 with a vanishing internal resistance and a source impedance ZQ. The signal source 10 calls at

200205628 ,, .*200205628 ,, .*

Eingang E des Diplexers 110 eine Eingangsspannung UE hervor. Im Beispiel sei dies eine Einheitsspannung.Input E of the diplexer 110 produces an input voltage UE. In the example, this is a unit voltage.

Die beiden Ausgänge Al und A2 des Diplexers 110 sind mit einer ersten und einer zweiten Lastimpedanz ZLl bzw. ZL2 beschaltet. An ihnen fällt eine erste bzw. eine zweite Ausgangsspannung ULI bzw. UL2 ab.The two outputs A1 and A2 of the diplexer 110 are connected to a first and a second load impedance ZL1 and ZL2, respectively. A first and a second output voltage ULI and UL2 are dropped across them.

Die Quellimpedanz ZQ und die beiden Lastimpedanzen ZLl und ZL2 haben jeweils den gleichen Impedanzwert. Insbesondere ist dieser einheitliche Impedanzwert gleich dem Wellenwiderstand der Schaltungsanordnung 100. Typische Werte eines solchen üblicherweise verwendeten Wellenwiderstands liegen bei 50 &OHgr; oder auch bei 75&OHgr;. Im Beispiel von Figur 1 ist in Analogie zu der in den Tabellenwerken und Lehrbüchern verwendeten Notation ein Wert von 1&OHgr; gewählt. Die Umrechnung auf einen anderen Impedanzwert z.B. 50 &OHgr; ist jedoch leicht möglich.The source impedance ZQ and the two load impedances ZL1 and ZL2 each have the same impedance value. In particular, this uniform impedance value is equal to the characteristic impedance of the circuit arrangement 100. Typical values of such a characteristic impedance that is usually used are 50 Ω or 75 Ω. In the example in Figure 1, a value of 1 Ω is chosen in analogy to the notation used in the tables and textbooks. However, conversion to another impedance value, e.g. 50 Ω, is easily possible.

Das erste und das zweite Filter 20 bzw. 30 ist jeweils als Butterworth-Filter dritter Ordnung ausgebildet· Das erste Filter 20 ist ein Tiefpass in Form eines rein passiven Kettenleiter-Netzwerks mit Längsinduktivitäten L21 und L23 sowie der dazwischen angeordneten Querkapazität C22. Das zweite Filter 30 ist dagegen ein Hochpass-Filter ebenfalls in Form eines rein passiven Kettenleiter-Netzwerks jedoch mit Längskapazitäten C31 und C33 und mit einer dazwischen angeordneten Querinduktivität L32. Die beiden Filter 20 und 30 sind zueinander komplementär. Dies bedeutet, dass sich ihre jeweiligen Durchlass-Frequenzbereiche abgesehen von einem Übergangsbereich nicht überlappen und beide zusammen den kompletten interessierenden. Frequenzbereich abdecken.The first and second filters 20 and 30 are each designed as third-order Butterworth filters. The first filter 20 is a low-pass filter in the form of a purely passive ladder network with longitudinal inductances L21 and L23 and the transverse capacitance C22 arranged between them. The second filter 30, on the other hand, is a high-pass filter, also in the form of a purely passive ladder network, but with longitudinal capacitances C31 and C33 and with a transverse inductance L32 arranged between them. The two filters 20 and 30 are complementary to one another. This means that their respective pass frequency ranges do not overlap, apart from a transition region, and both together cover the entire frequency range of interest.

Die Dimensionierung der zum Aufbau der beiden Filter 20 und 30 eingesetzten reaktiven Komponenten (= Längs-/Quer-Induktivitäten/Kapazitäten) erfolgt gemäß der in jedem Standardwerk zur Filtertheorie, wie beispielsweise auch in „Electronic Filter Design Handbook", von A. B. Williams undThe dimensioning of the reactive components (= longitudinal/transverse inductances/capacitances) used to construct the two filters 20 and 30 is carried out according to the principles given in every standard work on filter theory, such as in "Electronic Filter Design Handbook", by A. B. Williams and

200205628200205628

F. J. Taylor, McGraw-Hill Inc., 3rd Edition, pp. pp. 2.34-2.35, table 11-2, gelisteten Filter-Koeffizienten. Wie in der Filtertheorie allgemein üblich wird dabei sowohl mit einer normierten Frequenz f als auch mit normierten Impedanzwerten gearbeitet. Im vorliegenden Beispiel von. Figur 1 wird die Frequenznormierung bezogen auf lrad=l/(27i:) Hz vorgenommen. Die Impedanznormierung erfolgt im Bezug auf den einheitlichen Impedanzwert der Quellimpedanz ZQ und der beiden Lastwiderstände ZLl und ZL2 (= 1&OHgr;) .FJ Taylor, McGraw-Hill Inc., 3 rd Edition, pp. pp. 2.34-2.35, table 11-2, listed filter coefficients. As is common practice in filter theory, both a standardized frequency f and standardized impedance values are used. In the example shown in Figure 1, the frequency standardization is carried out with reference to lrad=l/(27i:) Hz. The impedance standardization is carried out with reference to the uniform impedance value of the source impedance ZQ and the two load resistances ZLl and ZL2 (= 1Ω).

Obwohl die Schaltungsanordnung 100 eine symmetrische Beschaltung des Diplexers 110 vorsieht, gehören die dem Standardwerk der Filtertheorie entnommenen Filter-Koeffizienten zu einem Butterworth-Filter, das für eine unsymmetrische Beschaltung, d.h. eine Kurzschluss-Beschaltung am Eingang E und eine Beschaltung mit der Normimpedanz an den beiden Ausgängen Al und A2, ausgelegt ist. Für die normierten Quer-/Längs-Induktivitaten/Kapazitäten sind die Koeffizienten gemäß der folgenden Tabelle 1 vorgesehen:Although the circuit arrangement 100 provides for a symmetrical connection of the diplexer 110, the filter coefficients taken from the standard work on filter theory belong to a Butterworth filter that is designed for an asymmetrical connection, i.e. a short-circuit connection at the input E and a connection with the standard impedance at the two outputs Al and A2. The coefficients for the standardized transverse/longitudinal inductances/capacitances are provided in accordance with the following Table 1:

KoeffizientenCoefficients
des Filters 20of the filter 20
Koeffizienten-Coefficient-
WerteValues
KoeffizientenCoefficients
des Filters 30of the filter 30
Koeffizienten-Coefficient-
WerteValues
L21L21 3/23/2 C31C31 2/32/3 C22C22 4/34/3 L32L32 3/43/4 L23L23 HH C33C33 22

Zwischen dem als Tiefpass ausgebildeten ersten Filter 20 und dem als Hochpass ausgebildeten zweiten Filter 30 besteht folgender Koeffizientenzusammenhang:The following coefficient relationship exists between the first filter 20, which is designed as a low-pass filter, and the second filter 30, which is designed as a high-pass filter:

C3v = L3v =C3v = L3v =

LIvLIV mitwith &ngr; -&ngr; - 1,1, 3,3, V =V = 1,1, 3, .3, . 11 mitwith 2,2, 4,4, ClvClv 2,2, 4,4, V =V =

... (n-1) für gerades &eegr; und... (n-1) for even &eegr; and

. &eegr; für ungerades &eegr; .. &eegr; für gerades &eegr; und. &eegr; for odd &eegr; .. &eegr; for even &eegr; and

... (n-1) für ungerades n.... (n-1) for odd n.

200205628200205628

Dieser Zusammenhang ergibt sich aus der Tatsache, dass es sich bei den beiden Filtern 20 und 30 um zueinander komplementäre Butterworth-Filter handelt. Die spezielle Wahl von unsymmetrischen Butterworth-Filtern bei einer'gleichzeitig vorliegenden tatsächlichen symmetrischen Beschaltung des Diplexers 110 führt zu einem nicht erwarteten besonders vorteilhaften Verhalten der Eingangsimpedanz ZE des Diplexers 110. In diesem Fall liegt nämlich eine für alle Frequenzen f geltende Impedanzanpassung der Eingangsimpedanz ZE an die Quellimpedanz ZQ vor.This relationship results from the fact that the two filters 20 and 30 are Butterworth filters that complement each other. The special choice of asymmetrical Butterworth filters with a simultaneous, actually symmetrical wiring of the diplexer 110 leads to an unexpectedly particularly advantageous behavior of the input impedance ZE of the diplexer 110. In this case, there is an impedance matching of the input impedance ZE to the source impedance ZQ that applies to all frequencies f.

Dieses besonders günstige Verhalten wird an Hand der beiden in Figur 2 dargestellten Diagramme deutlich. Im oberen der beiden Diagramme sind die Betragsverläufe der beiden Ausgangsspannungen ULI und UL2 bezogen auf die am Eingang E des Diplexers 110 anstehende Eingangsspannung UE, die im vorliegenden Fall als Einheitsspannung angenommen worden ist, halblogarithmisch dargestellt. Das charakteristische Tiefpass- und Hochpass-Verhalten des ersten Filters 20 (durchgezogene Linie) bzw. des zweiten Filters 30 (gestrichelte Linie) wird deutlich. Bei den verwendeten Tiefpass- und Hochpass-Filtern ergibt sich ein Kreuzungspunkt der beiden Frequenzgänge bei 3 dB und einer Frequenz f = 1 rad = 1/(2&pgr;) Hz «0,159 Hz.This particularly favorable behavior is clear from the two diagrams shown in Figure 2. In the upper of the two diagrams, the magnitude curves of the two output voltages ULI and UL2 are shown semi-logarithmically in relation to the input voltage UE present at the input E of the diplexer 110, which in this case has been assumed to be a unit voltage. The characteristic low-pass and high-pass behavior of the first filter 20 (solid line) and the second filter 30 (dashed line) is clear. With the low-pass and high-pass filters used, the two frequency responses cross at 3 dB and a frequency f = 1 rad = 1/(2π) Hz «0.159 Hz.

Entscheidend für die Konstanz der Eingangsimpedanz ZE des Diplexers 110 und damit für die Impedanzanpassung ist das in dem unteren Diagramm von Figur 2 gezeigte Verhalten. Aufgetragen ist der Eingangsreflexionsfaktor 20 Ig (ZE - ZQ/ZE + ZQ) . Der Wert des Eingangsreflexionsfaktors variiert zwischen -300 und -500 dB. Dies ist ein äußerst niedriger Wert, der im übrigen auch nur durch das Auflösungsvermögen des für die Simulation eingesetzten Computers bedingt ist. De facto liegt ein verschwindender Eingangsreflexionsfaktor für alle Frequenzen vor. Die vorstehend bereits genannte Impedanzanpassung für alle Frequenzen f ist also tatsächlich gegeben.The behavior shown in the lower diagram of Figure 2 is decisive for the constancy of the input impedance ZE of the diplexer 110 and thus for the impedance matching. The input reflection factor 20 Ig (ZE - ZQ/ZE + ZQ) is plotted. The value of the input reflection factor varies between -300 and -500 dB. This is an extremely low value, which is also only due to the resolution of the computer used for the simulation. In fact, there is a vanishing input reflection factor for all frequencies. The impedance matching for all frequencies f mentioned above is therefore actually given.

200205628200205628

• ··

• ··

Wird bei gleichzeitig weiterhin gegebener Impedanzanpassung für alle Frequenzen eine schärfere Trennung zwischen dem Durchlass-Frequenzbereich des ersten Filters 20 und dem des zweiten Filters 30 gewünscht, so können entsprechende Butterworth-Filter höherer Ordnung gewählt werden. Bei Butterworth-Filtern vierter Ordnung würde das erste Filter 20 um eine in Figur 1 nicht dargestellte Querkapazität C24 und das zweite Filter 30 um eine ebenfalls in Figur 1 nicht dargestellte Querinduktivität L34 ergänzt werden. Die Koeffizienten des so gebildeten Butterworth-Tiefpasses und -Hochpasses sind in der folgenden Tabelle 2 zusammengestellt:If a sharper separation between the passband frequency range of the first filter 20 and that of the second filter 30 is desired while still maintaining impedance matching for all frequencies, corresponding higher-order Butterworth filters can be selected. For fourth-order Butterworth filters, the first filter 20 would be supplemented by a transverse capacitance C24 (not shown in Figure 1) and the second filter 30 by a transverse inductance L34 (also not shown in Figure 1). The coefficients of the Butterworth low-pass and high-pass filters formed in this way are summarized in the following Table 2:

KoeffizientenCoefficients
des Filters 20of the filter 20
Koeffi zienten-Coeffi cient-
WerteValues
KoeffizientenCoefficients
des Filters 30of the filter 30
Koeffizienten-Coefficient-
WerteValues
L21L21 2V22V2 C31C31 11 C22C22 /2+ V2/2+ V2 L32L32 L21L21 L23L23 (1 + V2V2 + V2(1 + V2V2 + V2 C33C33 11 C24C24 2V22V2 L34L34 C22C22 22 11 V2 + V2V2 + V2 123123 V2+V2V2+V2 11 2·(&idiagr;+ &lgr;/2)2·(δ+λ/2) C24C24

Es gibt auch andere Anwendungen, als die in Figur 1 gezeigte Schaltungsanordnung 100, die eine Tief-/Hochpass-Aufteilung des Frequenzbereichs vornimmt. Bei einer alternativen Diplexer-Anwendung ist stattdessen eine Bandpass/Bandsperren-Aufteilung vorgesehen.There are also other applications than the circuit arrangement 100 shown in Figure 1, which performs a low-pass/high-pass division of the frequency range. In an alternative diplexer application, a band-pass/band-stop division is provided instead.

Eine Schaltungsanordnung 200 mit einer solchen Frequenzaufteilung ist in Figur 3 dargestellt. Im Rahmen der Filtertheorie ist es allgemein bekannt, eine Tiefpass/Hochpass-Konfiguration in eine Bandpass/Bandsperren-Konfiguration umzurechnen. Die Längs/Quer-Induktivitäten/Kapazitäten gehen dabei in Längs/Quer-Serien/Parallel-Resonanzkreise über. Die hierfür erforderlichen Tiefpass-zu-Bandpass- und Hochpass-zu-Band-A circuit arrangement 200 with such a frequency division is shown in Figure 3. Within the framework of filter theory, it is generally known to convert a low-pass/high-pass configuration into a band-pass/band-stop configuration. The longitudinal/transverse inductances/capacitances are then converted into longitudinal/transverse series/parallel resonant circuits. The low-pass to band-pass and high-pass to band-pass

200205628200205628

• ft * > · ·• ft * > · ·

&iacgr;&ogr;&iacgr;&ogr;

sperren-Transformationen sind in der Filtertheorie wohl bekannt (siehe „Electronic Filter Design Handbook*, von A. B. Williams und F. J. Taylor, McGraw-Hill Inc., 3rd Edition, pp. 4.1-4.3, 5.5.4-5.5.7, 6.1-6.3).
5
Lock transformations are well known in filter theory (see “Electronic Filter Design Handbook*, by AB Williams and FJ Taylor, McGraw-Hill Inc., 3 rd Edition, pp. 4.1-4.3, 5.5.4-5.5.7, 6.1-6.3).
5

Nach diesen Transformationen ergibt sich die in Figur 3 gezeigte Schaltungsanordnung 200 mit dem Diplexer 210, der ein als Bandpass ausgebildetes erstes Filter 40 und ein als Bandsperre ausgebildetes zweites Filter 50 aufweist. Das erste Filter 40 beinhaltet zwei Längs-Serienresonanzkreise, die durch die Längsinduktivität L41 und die Längskapazität C42 bzw. durch die Längsinduktivität L45 und die Längskapazität C46 gebildet sind, sowie zwei Quer-Parallelresonanzkreise, die aus der Parallelinduktivität L43 und der Parallelkapazitat C44 bzw. aus der Parallelinduktivität L47 und der Parallelkapazität C48 gebildet sind. Das dazu komplementäre zweite Filter 50 beinhaltet dagegen zwei Längs-Parallelresonanzkreise, die aus der Längskapazität C51 und der Längsinduktivität L52 bzw. aus der Längskapazität C55 und der Längsinduktivität L56 gebildet sind, sowie zwei Quer-Serienresonanzkreise, die aus der Querkapazität C53 und der Querinduktivität L54 bzw. aus der Querkapazität C57 und der Querinduktivität L58 gebildet sind.After these transformations, the circuit arrangement 200 shown in Figure 3 results with the diplexer 210, which has a first filter 40 designed as a bandpass filter and a second filter 50 designed as a bandstop filter. The first filter 40 contains two longitudinal series resonant circuits, which are formed by the longitudinal inductance L41 and the longitudinal capacitance C42 or by the longitudinal inductance L45 and the longitudinal capacitance C46, as well as two transverse parallel resonant circuits, which are formed from the parallel inductance L43 and the parallel capacitance C44 or from the parallel inductance L47 and the parallel capacitance C48. The complementary second filter 50, on the other hand, contains two longitudinal parallel resonance circuits, which are formed from the longitudinal capacitance C51 and the longitudinal inductance L52 or from the longitudinal capacitance C55 and the longitudinal inductance L56, as well as two transverse series resonance circuits, which are formed from the transverse capacitance C53 and the transverse inductance L54 or from the transverse capacitance C57 and the transverse inductance L58.

Aus den Koeffizienten der Tabelle 2 und unter Berücksichtigung eines Skalierungsfaktors von 0,5 für die relative Bandbreite ergeben sich für die Komponenten der in Figur 3 gezeigten beiden Filter 40 und 50 die in der nachstehend genannten Tabelle 3 aufgelisteten Koeffizienten:From the coefficients in Table 2 and taking into account a scaling factor of 0.5 for the relative bandwidth, the coefficients listed in Table 3 below result for the components of the two filters 40 and 50 shown in Figure 3:

200205628200205628

KoeffizientenCoefficients
des Filters 40of the filter 40
Koeffizienten-Coefficient-
WerteValues
KoeffizientenCoefficients
des Filters 50of the filter 50
Koeffizienten-Coefficient-
WerteValues
L41L41 471471 C51C51 &lgr;/2772&lgr;/2772 C42C42 72+7172+71 L52L52 TITI L43L43 &lgr;/2+~72/2+~72 C53C53 TITI C44C44 4&lgr;/24&lgr;/2 L54L54 &lgr;/2 +TIλ/2 +TI L45L45 TITI C55C55 (1+Ti)· T2+T2(1+Ti)· T2+T2 C46C46 (&idiagr; + &Tgr;&Igr;)·72 + 72(idiagr; + TI)·72 + 72 L56L56 4T24T2 L47L47 (&igr; + 7&Igr;)·&lgr;/2&Tgr;72(&igr; + 7&Igr;)·λ/2&Tgr;72 C57C57 4&lgr;/24&lgr;/2 C48C48 TITI L58L58 (l +&lgr;/2")· &lgr;/2+ &lgr;/2 (l + λ/2") · λ/2 + λ/2 44 &Lgr;^&Tgr;&Idigr;&Lgr;^&Tgr;&Idigr; T2+T2T2+T2 11 V2+72V2+72 72+7172+71 44 72+7172+71 1+711+71 4·(&igr;+7&Igr;)4·(&igr;+7&Igr;) &lgr;/2 + 7&Igr;/2 + 7λ 4·(&igr;+7&Igr;)4·(&igr;+7&Igr;) 72+7172+71 72+7172+71 1+711+71

Auch die im Diplexer 210 von Figur 3 eingesetzten Filter 40 und 50 sind unsymmetrische Butterworth-Filter, so dass sich die günstige Impedanzanpassung der Eingangsimpedanz ZE des Diplexers 210 an die Quellimpedanz ZQ wieder einstellt. Dies geht aus den beiden Diagrammen von Figur 4 hervor. Im oberen Diagramm von Figur 4. ist wiederum, der Betrags-Frequenzgang der beiden Ausgangsspannungen ULI und UL2 halblogari'thmisch dargestellt. Das Bandpass-Verhalten des ersten Filters 40 (durchgezogene Linie) und das Bandsperren-Verhalten des zweiten Filters 50 (gestrichelte Linie) kommen klar zum Ausdruck. Die -3 dB-Bandbreite des als Bandpass ausgebildeten ersten Filters beträgt 1/(4&pgr;) Hz, d.h. 50 % der bei f = 1/(2&pgr;) Hz liegenden Mittenfrequenz des ersten Filters 40. Die Kreuzungspunkte der Frequenzgänge der beiden Filter 40 und 50 liegen bei f = 3/{87c) Hz «0,119 Hz und bei f = 5/(8&pgr;) Hz «0,199 Hz. DasThe filters 40 and 50 used in the diplexer 210 of Figure 3 are also asymmetrical Butterworth filters, so that the favorable impedance matching of the input impedance ZE of the diplexer 210 to the source impedance ZQ is restored. This is evident from the two diagrams in Figure 4. In the upper diagram in Figure 4, the magnitude frequency response of the two output voltages ULI and UL2 is again shown semi-logarithmically. The bandpass behavior of the first filter 40 (solid line) and the bandstop behavior of the second filter 50 (dashed line) are clearly expressed. The -3 dB bandwidth of the first filter, which is designed as a bandpass, is 1/(4π) Hz, i.e. 50% of the center frequency of the first filter 40, which is at f = 1/(2π) Hz. The crossing points of the frequency responses of the two filters 40 and 50 are at f = 3/{87c) Hz «0.119 Hz and at f = 5/(8π) Hz «0.199 Hz.

200205628 # m 200205628 # m

zweite Diagramm zeigt genau wie bei der Schaltungsanordnung 100 von Figur 1 und 2 einen Eingangsreflexionsfaktor, dessen Frequenzganzg auflösungsbedingt zwischen -300 dB und -500 dB schwankt. Auch der Diplexer 210 der Schaltungsanordnung 200 hat also einen verschwindenden Eingangsreflexionsfaktor und damit eine für alle Frequenzen f geltende Impedanzanpassung an die Quellimpedanz ZQ.The second diagram shows, just as in the circuit arrangement 100 of Figures 1 and 2, an input reflection factor whose frequency response fluctuates between -300 dB and -500 dB depending on the resolution. The diplexer 210 of the circuit arrangement 200 also has a vanishing input reflection factor and thus an impedance matching to the source impedance ZQ that applies to all frequencies f.

Neben den in den Figuren 1 und 3 gezeigten Diplexern 110 bzw. 210 sind weitere Diplexer mit der vorteilhaften für alle Frequenzen geltenden Impedanzanpassungen möglich. Hierfür sind jeweils für die in den beiden Diplexer-Zweigen vorhandenen Filter unsymmetrische und zueinander komplementäre Butterworth-Filter vorzusehen. Die Butterworth-Filter können dabei durchaus auch eine beliebige höhere Ordnung als die in den Figuren 1 und 3 gezeigten Filter aufweisen. Die Koeffizienten dieser Filter können dabei den bekannten Filtertabellen entnommen werden. Je höher die Ordnung der eingesetzten Filter gewählt wird, desto schärfer ist die Trennung zwischen den Durchlass-Frequenzbereichen, wobei gleichzeitig die günstige Impedanzanpassung für alle Frequenzen f gegeben ist.In addition to the diplexers 110 and 210 shown in Figures 1 and 3, other diplexers with advantageous impedance matching applicable to all frequencies are possible. For this purpose, asymmetrical and mutually complementary Butterworth filters are to be provided for the filters in the two diplexer branches. The Butterworth filters can also have any higher order than the filters shown in Figures 1 and 3. The coefficients of these filters can be taken from the known filter tables. The higher the order of the filters used, the sharper the separation between the pass-through frequency ranges, while at the same time providing favorable impedance matching for all frequencies f.

Claims (3)

1. Diplexer umfassend mindestens a) einen mit einer Quellimpedanz (ZQ) beschalteten Eingang (E), einen ersten mit einer ersten Lastimpedanz (ZL1) beschalteten Ausgang (A1) und einen zweiten mit einer zweiten Lastimpedanz (ZL2) beschalteten Ausgang (A1), b) ein zwischen dem Eingang (E) und dem ersten Ausgang (A1) angeordnetes erstes Filter (20, 40) mit einem ersten Durchlass-Frequenzbereich und c) ein zwischen dem Eingang (E) und dem zweiten Ausgang (A2) angeordnetes zweites Filter (30, 50) mit einem zweiten vom ersten verschiedenen Durchlass-Frequenzbereich dadurch gekennzeichnet, dass a) die Quellimpedanz (ZQ) und die beiden Lastimpedanzen (ZL1, ZL2) den gleichen Impedanzwert aufweisen und b) das erste Filter (20, 40) als unsymmetrisches Butterworth- Filter mit einer Ordnung von mindestens 3 und das zweite Filter (30, 50) als zum ersten Filter (20, 40) komplementäres unsymmetrisches Butterworth-Filter mit einer Ordnung von mindestens 3 ausgebildet ist. 1. Diplexer comprising at least a) an input (E) connected to a source impedance (ZQ), a first output (A1) connected to a first load impedance (ZL1) and a second output (A1) connected to a second load impedance (ZL2), b) a first filter ( 20 , 40 ) arranged between the input (E) and the first output (A1) with a first pass frequency range and c) a second filter ( 30 , 50 ) arranged between the input (E) and the second output (A2) with a second pass frequency range different from the first characterized in that a) the source impedance (ZQ) and the two load impedances (ZL1, ZL2) have the same impedance value and b) the first filter ( 20 , 40 ) is designed as an asymmetrical Butterworth filter with an order of at least 3 and the second filter ( 30 , 50 ) is designed as an asymmetrical Butterworth filter with an order of at least 3 that is complementary to the first filter ( 20 , 40 ). 2. Diplexer nach Anspruch 1, bei dem das erste Filter (20) ein Tiefpass und das zweite Filter (30) ein Hochpass ist. 2. Diplexer according to claim 1, wherein the first filter ( 20 ) is a low-pass filter and the second filter ( 30 ) is a high-pass filter. 3. Diplexer nach Anspruch 1, bei dem das erste Filter (40) ein Bandpass und das zweite Filter (50) eine Bandsperre ist. 3. Diplexer according to claim 1, wherein the first filter ( 40 ) is a bandpass filter and the second filter ( 50 ) is a bandstop filter.
DE20207425U 2002-05-10 2002-05-10 Diplexer with unbalanced Butterworth filters Expired - Lifetime DE20207425U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE20207425U DE20207425U1 (en) 2002-05-10 2002-05-10 Diplexer with unbalanced Butterworth filters

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE20207425U DE20207425U1 (en) 2002-05-10 2002-05-10 Diplexer with unbalanced Butterworth filters

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE20207425U1 true DE20207425U1 (en) 2002-07-25

Family

ID=7971047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE20207425U Expired - Lifetime DE20207425U1 (en) 2002-05-10 2002-05-10 Diplexer with unbalanced Butterworth filters

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE20207425U1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3806813A (en) 1972-06-26 1974-04-23 Gte Sylvania Inc Filter system for amplifier station for amplifying signals in separate frequency bands
DE3928083C2 (en) 1989-08-25 1992-10-29 Rohde & Schwarz Gmbh & Co Kg, 8000 Muenchen, De
US5180999A (en) 1990-09-28 1993-01-19 Rockwell International Corporation Filter system with controlled amplitude in stopband or passband

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3806813A (en) 1972-06-26 1974-04-23 Gte Sylvania Inc Filter system for amplifier station for amplifying signals in separate frequency bands
DE3928083C2 (en) 1989-08-25 1992-10-29 Rohde & Schwarz Gmbh & Co Kg, 8000 Muenchen, De
US5180999A (en) 1990-09-28 1993-01-19 Rockwell International Corporation Filter system with controlled amplitude in stopband or passband

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WINTER,Frederick J.: Equal Phase, Variable Crossover, Ladder Realizable, Diplexers Using the Butterworth Polynomial. In: ISCAS'94, Vol.5, S.25-28; $Fig.1.0, Abschnitt: "Design Theorems" ab S.26-28$
ZHU,Yi-Sheng, CHEN,Wai-Kai: A Real-Frequency Approach to the Design of a Butterworth Diplexer. In: Circuit and Systems, 1993, Proceedings, Vol.2, S.784-787; $Fig.2, Abschnitt: "Butterworth Diplexer" auf S.787$

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10036127B4 (en) Device for supply voltage decoupling for RF amplifier circuits
DE3781479T2 (en) TRAP FILTER.
DE3213436C2 (en)
DE2000065A1 (en) Circuits Using Phase Shift Couplers
DE102014112676A1 (en) Filter with improved linearity
DE2725719A1 (en) MICROWAVE SIGNAL AMPLIFIER
DE1085620B (en) Tunable microwave band pass filter
DE2158032A1 (en) Active RC wave transmission network using a single amplifier to achieve an all-pass transmission function
DE3614042C2 (en)
DE3329195C2 (en) Active chain filter element with switchable bandwidth and active parallel resonant circuit for this
EP2867990B1 (en) Quasi-broadband amplifier according to the doherty principle
DE60226053T2 (en) COMPACT 180-Degree PHASE SHIFTER
DE1441627B2 (en) ARRANGEMENT FOR THE TRANSMISSION OF ELECTRIC WAVES WITH FREQUENCY DEPENDENT DAMPING
DE2446688A1 (en) FILTER NETWORK
DE1265315B (en) Chain ladder delay arrangement
DE102010055648A1 (en) filter device
DE20207425U1 (en) Diplexer with unbalanced Butterworth filters
DE4000131C1 (en)
DE667275C (en) Wave filter, in particular of asymmetrical shape, with a constant and real wave resistance in the passband and stopband
DE102019101888B4 (en) Configurable micro-acoustic RF filter
DE2145703C3 (en) Band-stop filter for electrical oscillations using crystals and capacitive resistance translations in the form of a fourth-order all-pass element designed as a bridged T-element
DE102007018165A1 (en) Switchable RF power divider
DE2222783A1 (en) Transformers built up with gyrators in integrated circuit technology
DE2832168C2 (en) Electric frequency filter
DE1815172C3 (en) Integrable, reel-free, higher grade bandpass filter

Legal Events

Date Code Title Description
R207 Utility model specification

Effective date: 20020829

R163 Identified publications notified

Effective date: 20030114

R156 Lapse of ip right after 3 years

Effective date: 20051201