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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Hochfrequenz-Mikrostreifenfilter.
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Im
Hochfrequenzbereich ist die Verwendung von Mikrostreifen bei der
Konstruktion von Filtern bekannt. Mikrostreifen sind streifenartige
flache Leiter, die auf einem isolierenden Substrat angebracht sind. Durch
geeignete Auswahl der entsprechenden Parameter (Abmessungen, Dielektrizitätskonstante
des Substratmaterials und dergleichen) ist es möglich, dass Mikrostreifen eine
gewünschte
Impedanzantwort bei den fraglichen Frequenzen aufweisen. Zum Konstruieren
von Filterstrukturen ist es bekannt, Resonatoren bestehend aus Mikrostreifen
und Kondensatoren zu bauen. Mikrostreifen, die parallel zueinander
und mit einem Abstand voneinander verlaufen, sind elektromagnetisch
gekoppelt. Durch geeignete Auswahl der Werte und Abmessungen der
Komponenten sowie ihrer Anordnung in Beziehung zueinander kann eine
gewünschte
Filtercharakteristik festgelegt werden.
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Solche
Filter werden z. B. in HF-Sendern oder Empfängern verwendet. In diesem
Fall sind z. B. Bandpassfilter notwendig, um eine Frequenzabgrenzung
zu erlauben. Dies kann mittels Filtern erreicht werden, die eine
einstellbare Mittelfrequenz aufweisen. Einstellbare Filter können auch
mit Hilfe von variablen Kondensatoren z. B. in Form von Kapazitätsdioden
(Varactoren) konstruiert werden.
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US-A 6.072.999 offenbart
einen Empfänger, der
ein variables Filter enthält.
Das Filter ist mit Mikrostreifen aufgebaut. Resonatoren werden jeweils
in einer Anordnung aus Mikrostreifen und Kondensator gebildet, wobei
die Kondensatoranordnung aus einer Reihenschaltung eines festen
Kondensators und einer Kapazitätsdiode
besteht. Ein erster Resonator ist mit einem Eingang verbunden, während einer
zweiter Resonator mit einem Ausgang verbunden ist. Die Mikrostreifen
der ersten und zweiten Resonatoren verlaufen in einem Abstand voneinander
parallel und sind elektromagnetisch gekoppelt. Das Filter weist eine
Bandpasscharakteristik auf, wobei die Mittenfrequenz innerhalb eines
Bereiches von etwa 1 bis 3 GHz variabel ist. Neben der Basisfilterstruktur,
die zwei Resonatoren um fasst, sind ferner weitere Beispiele gegeben,
die zusätzliche,
elektromagnetisch gekoppelte Mikrostreifen zwischen den Resonatoren umfassen.
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US-A 2000/0093400 offenbart
in ähnlicher Weise
variable HF-Filter, die Mikrostreifen umfassen. Die Filter weisen
eine Anzahl von Resonatoren auf, die jeweils aus einem Mikrostreifen
und einem Kondensator bestehen, wobei die Mikrostreifen nebeneinander
und mit einem Abstand voneinander parallel verlaufen und elektromagnetisch
gekoppelt sind. Ein Eingang und ein Ausgang sind mit den Resonatoren durch
direkte Verbindung zu äußeren Mikrostreifen oder
mittels elektromagnetischer Kopplung gekoppelt.
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EP-A-0 472 319 offenbart
ein Filter zweiter Ordnung, bei dem jeder Resonator eine einzelne
Mikrostreifenleitung aufweist.
US-A-4-992-759 offenbart ein Filter mit Hairpin-Resonatoren,
dessen individuelle Resonatoren elektromagnetisch gekoppelt sind.
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Wenn
elektrische Schaltungen entwickelt werden, ist es immer ein Ziel,
die Kosten zu reduzieren. Ein einfacher Entwurf der Schaltung mit
möglichst
wenigen Komponenten ist daher wünschenswert.
Ein weiteres Ziel ist, die Größe der elektrischen und
elektronischen Komponenten möglichst
klein zu halten. Da im Fall von Mikrostreifen die Abmessungen für die elektrischen
Antwort kritisch sind, sind in diesem Fall den Filtern strenge Grenzen
auferlegt. Die Länge
der Mikrostreifen kann nicht reduziert werden, ohne die elektrische
Antwort zu verändern.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Hochfrequenzfilter mit
Mikrostreifen vorzuschlagen, das wenigstens in einer Abmessung eine
geringe Größe aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Filter gemäß Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche beziehen sich
auf vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Das
Filter gemäß der Erfindung
weist wenigstens zwei Resonatoren auf, von denen ein Resonator mit
dem Eingang gekoppelt ist und ein Resonator mit dem Ausgang gekoppelt
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Filter nur diese zwei Resonatoren. Jedoch ist es auch
möglich,
dass das Filter weitere Resonatoren aufweist.
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Wenigstens
die beiden Resonatoren, vorzugsweise alle Resonatoren, umfassen
als frequenzbestimmende Elemente jeweils zwei gerade Mikrostreifenabschnitte
und eine Kondensatoranordnung. Wenn die frequenzbestimmenden Elemente
betrachtet werden, werden nur diejenigen betrachtet, die die Filtercharakteristik
im gewünschten
Frequenzbereich des Filters beeinflussen. Wie im Folgenden genauer diskutiert
wird, können
Resonatoren z. B. veränderliche
Kondensatoren aufweisen, die mit einer veränderlichen Spannung verbunden
sein können,
um das Filter zu variieren. Eine solche Verbindung und die hierfür verwendeten
Komponenten beeinflussen jedoch nicht signifikant die dynamische
Antwort im Betriebsfrequenzbereich des Filters, und werden daher nicht
als frequenzbestimmende Elemente der Resonatoren betrachtet.
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Das
Hauptkonzept der Erfindung besteht darin, die Gesamtlänge eines
Resonators zu reduzieren, indem er Mikrostreifen des Resonators
in zwei Mikrostreifenabschnitte unterteilt wird. Diese Mikrostreifenabschnitte
verlaufen parallel nebeneinander. Die ersten und zweiten Mikrostreifenabschnitte
weisen vorzugsweise die selbe Länge
auf. In diesem Fall wird von jedem Mikrostreifenabschnitt kein wirklicher Resonator
gebildet, sondern stattdessen bilden ein erster und ein zweiter
Mikrostreifenabschnitt zusammen mit der Kondensatoranordnung einen
Resonator. Insbesondere weist das resultierende Filter vorzugsweise
eine Filterordnung auf, die der Hälfte der Anzahl von Mikrostreifenabschnitten
entspricht. Dies unterscheidet das Filter von bekannten Filterstrukturen,
in denen jeder Mikrostreifen immer einen Teil eines echten Resonators
bildet, wobei das Ergebnis somit Filter einer höheren Ordnung sind. Die ersten Enden
der Mikrostreifenabschnitte sind über die Kondensatoranordnung
miteinander verbunden, während
die zweiten gegenüberliegenden
Enden mit Masse verbunden sind. In Längsrichtung ist der so gebildete
Resonator erheblich kleiner als die Resonatoren bekannter Filterstrukturen.
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Um
eine gewünschte
Filtercharakteristik zu erzeugen, sind die Resonatoren des Filters
elektromagnetisch miteinander gekoppelt. Zu diesem Zweck verläuft jeweils
ein Mikrostreifenabschnitt parallel neben einem Mikrostreifenabschnitt
eines weiteren Resonators. Die Filtercharakteristik kann über den
Kopplungsgrad in geeigneter Weise eingestellt werden. Die Resonatoren
sind vorzugsweise ausschließlich
elektromagnetisch gekoppelt, d. h., dass – bis zur gemeinsamen Masseverbindung – die frequenzbestimmenden
Elemente nicht direkt verbunden sind.
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Die
Kondensatoranordnung kann eine oder mehrere Komponenten umfassen.
Die Kapazität
der Kondensatoranordnung kann fest oder veränderlich sein. In einer bevorzugten
Ausführungsform
umfasst die Kondensatoranordnung eine Reihenschaltung eines festen
Kondensators und eines veränderlichen Kondensators,
z. B. einer Kapazitätsdiode.
Eine Kapazitätsdiode
innerhalb der Kondensatoranordnung ist vorzugsweise über einen
Hochimpedanzwiderstand mit einer veränderlichen Spannung verbunden, wobei
die Kapazität über die
veränderliche
Spannung eingestellt werden kann. Die Kondensatoranordnung weist
vorzugsweise einen weiteren Kondensator neben der Kapazitätsdiode
auf, wobei beide mit jeweils einem Mikrostreifenabschnitt verbunden
sind. Es ist dann möglich,
die Kapazität
der Kapazitätsdiode über eine
Gleichstromvorspannung einzustellen.
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Die
Kopplung des Eingangs mit einem ersten Resonator kann durch direkte
Verbindung des Eingangs mit einem Mikrostreifenabschnitt des ersten Resonators
bewerkstelligt werden. Vorzugsweise wird dann eine T-förmige Struktur
vom Mikrostreifenabschnitt und einem Kopplungsmikrostreifen, der den
Mikrostreifenabschnitt schneidet, gebildet. Es ist nicht notwendig,
dass der Schnittpunkt in der Mitte liegt; stattdessen kann die Position
geeignet gewählt werden,
um die Impedanz der Kopplung anzupassen. Als Alternative zur direkten
Verbindung des Eingangs mit dem ersten Resonator kann auch eine elektromagnetische
Kopplung gewählt
werden, bei der eine Struktur bestehend aus einem ersten Kopplungsmikrostreifen
und einem zweiten Kopplungsmikrostreifen, die rechtwinklig hierzu
verlaufen, gebildet wird. Die ersten und zweiten Kopplungsmikrostreifen
sind vorzugsweise in einer L-Form angeordnet. Der zweite Kopplungsmikrostreifen
verläuft
parallel neben einem Mikrostreifenabschnitt des ersten Resonators
und ist mit dem Letzteren elektromagnetisch gekoppelt.
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Die
obenerwähnten
Kopplungsmöglichkeiten in
Bezug auf den Eingang gelten auch in Bezug auf den Ausgang. In Abhängigkeit
von der Anwendung können
unterschiedliche (symmetrische – asymmetrische)
Eingänge/Ausgänge mit
dem Filter verbunden sein. Das Filter selbst ist vorzugsweise symmetrisch
gestaltet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Filter auf einem isolierenden Substrat konstruiert, wobei
die Mikrostreifenabschnitte auf der Vorderseite verlaufen und eine
leitende Schicht, die mit Masse verbunden ist, auf der Rückseite
vorhanden ist. Die zweiten Enden der Mikrostreifenabschnitte der
Resonatoren weisen vorzugsweise jeweils eine Durchgangsverbindung
zur Rückseite
des Substrats auf.
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Die
Erfindung wird mit Bezug auf Beispiele von Ausführungsformen genauer beschrieben,
die in den Zeichnungen gezeigt sind, wobei jedoch die Erfindung
nicht hierauf beschränkt
ist.
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1 zeigt
ein teilweise geometrisches Diagramm einer ersten Filterschaltung.
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2 zeigt
ein teilweise geometrisches Diagramm der frequenzbestimmenden Elemente
der Filterschaltung der 1.
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3 zeigt
ein teilweise geometrisches Diagramm einer zweiten Filterschaltung.
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4 zeigt
ein teilweise geometrisches Diagramm der frequenzbestimmenden Elemente
der Filterschaltung der 3.
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5 zeigt
ein Diagramm der Vorderseite eines Filters.
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6 zeigt
ein Diagramm der Filterkennlinie bei verschiedenen Mittenfrequenzen.
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Im
Allgemeinen bezieht sich die Erfindung auf Filter im Hochfrequenzbereich,
d. h. auf Frequenzen über
500 MHz.
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Die
in den Beispielen der Ausführungsform gezeigten
Filter sind für
den Frequenzbereich von 1,8 bis 2,3 GHz vorgesehen. In einem HF-Sender
für digitale
Videodaten (DVB-RCS) wird ein QPSK-moduliertes Signal erzeugt, in
welchem das unerwünschte Seitenband
um wenigstens 60 dBc gedämpft
wird. Das ver wendete Filter muss in einem Bereich von 500 MHz variabel
sein.
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1 zeigt
ein Diagramm einer ersten Filterschaltung 10, die für diesen
Zweck vorgeschlagen wird. Das Diagramm ist teilweise geometrisch,
wobei die Form und die relative Anordnung der verwendeten Mikrostreifen
im Prinzip gezeigt ist.
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Das
Filter 10 weist einen Eingang 12 und einen Ausgang 14 auf.
Ein erster Resonator 16 ist mit dem Eingang 12 verbunden.
Ein zweiter Resonator 18 ist mit Ausgang 14 verbunden.
Die Resonatoren 16, 18 sind so gestaltet, dass
sie zueinander symmetrisch sind und miteinander elektromagnetisch
gekoppelt sind. Das Filter 10 weist einen Anschluss 20 für eine veränderliche
Spannung VT auf. Jeder der Resonatoren weist eine Kondensatoranordnung 22 bestehend
aus einer Kapazitätsdiode 24 und
einem festen Kondensator 26 auf. Die Kapazitätsdiode 24 und
der Kondensator 26 sind in Reihe verbunden. Die Katode
der Kapazitätsdiode 24 ist
mit der veränderlichen
Spannung VT über
einen Hochimpedanzwiderstand R und einen weiteren Abschlusswiderstand
RT verbunden. Der Widerstand R beträgt wenigstens
5 kΩ, vorzugsweise
10–100
kΩ.
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Ferner
weist jeder Resonator 16, 18 einen ersten Mikrostreifenabschnitt 28 und
einen zweiten Mikrostreifenabschnitt 30 auf. Die Kondensatoranordnung 22 ist
zwischen den ersten Enden der Mikrostreifenabschnitte 28, 30 angeschlossen.
Die zweiten Enden sind mit Masse verbunden. Die ersten und zweiten
Mikrostreifenabschnitte 28, 30 sind nebeneinander
angeordnet, was eine elektromagnetische Kopplung bewirkt. Diese
Kopplung ist jedoch für
die Funktion nicht kritisch. Es wird sogar bevorzugt, die Abschnitte 28, 30 mit
einem gewissen Abstand anzuordnen, so dass die Kopplung möglichst
gering ist.
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Die
zwei Elemente der Kondensatoranordnung 22, der feste Kondensator 26 und
die Kapazitätsdiode 24,
sind jeweils mit einem Ende eines Mikrostreifenabschnitts 28, 30 verbunden.
Der Hochimpedanzwiderstand R ist mit der entsprechenden gegenüberliegenden
Verbindung der Elemente 24, 26 verbunden. Die
Anode der Kapazitätsdiode 24 ist über den
ersten Mikrostreifenabschnitt 28 mit Masse verbunden. Dies
ermöglicht,
mit einer geeigneten veränderlichen
Spannung VT eine angemessene Gleichspannung in nicht-leitender Richtung
der Kapazitätsdiode 24 anzulegen,
so dass die Kapazität
innerhalb eines Bereiches geeignet eingestellt werden kann. Der
feste Kondensator 26 dient bezüglich der angelegten Gleichspannung
VT als Unterbrechung. Der feste Kondensator ist notwendig, um die
Gleichspannung an der Kapazitätsdiode 24 zu
erzeugen, da der zweite Mikrostreifenabschnitt 30 an seinem
zweiten Ende mit Masse verbunden ist.
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Der
erste Resonator 16 und der zweite Resonator 18 weisen
einen identischen Aufbau auf und sind in identischer Weise mit der
veränderlichen Spannung
VT verbunden. Die Antwort der zwei Resonatoren 16, 18 ist
daher bis hin zu resultierenden Toleranzen identisch.
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2 zeigt
ein Diagramm des Filters 10 der 1, in welchem
die frequenzbestimmenden Elemente gezeigt sind. Die Kondensatoranordnung 22 ist
als veränderlicher
Kondensator gezeigt. Die zweiten Mikrostreifenabschnitte 30 der
Resonatoren 16, 18 verlaufen jeweils parallel
nebeneinander und mit einem Abstand, so dass die Resonatoren 16, 18 elektromagnetisch
gekoppelt sind. Es wird daher insgesamt zwischen dem Eingang 12 und
dem Ausgang 14 eine Bandpassfiltercharakteristik erzeugt,
wobei die Mittenfrequenz mittels der veränderlichen Kondensatoren 24 eingestellt
werden kann.
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In
diesem Fall wirken die Mikrostreifenabschnitte 28, 30 jeweils
nicht als unabhängige
Resonatoren, sondern stattdessen bilden jeweils ein erster und ein
zweiter Mikrostreifenabschnitt 28, 30 zusammen
mit der Kondensatoranordnung 22 einen Resonator. Folglich
entspricht die Filtercharakteristik der zweiten Ordnung. Die Ordnung
des Filters entspricht daher der Hälfte der Anzahl der Mikrostreifenabschnitte.
In jedem Resonator 16, 18 wirkt die Summe der
zwei Mikrostreifenabschnitte wie ein induktives Element. Die Resonatoren 16, 18 wirken
daher in derselben Weise wie ein Resonator mit einem einzelnen Mikrostreifen,
dessen Länge
im Wesentlichen der Summe der Längen
des ersten Mikrostreifenabschnitts 28 und des zweiten Mikrostreifenabschnitts 30 entspricht.
Die Größe der Filterschaltung
in Längsrichtung
L, wie in 2 gezeigt, ist daher deutlich
kleiner als dann, wenn Resonatoren verwendet werden, die jeweils
nur einen Mikrostreifen aufweisen, der nicht in Abschnitte unterteilt
ist.
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Im
Filter 10 sind die Resonatoren 16, 18 mit den
Eingängen
und Ausgängen 12, 14 mittels
direkter Verbindung verbunden. Ein Kopplungsmikrostreifen 32 wiederum,
der rechtwinklig zu den Mikrostreifenabschnitten 28, 30 verläuft, ist
in symmetrischer Weise mit dem Eingang und dem Ausgang 12, 14 verbunden.
Der Kopplungsmikrostreifen 32 schneidet jeweils den ersten
Mikrostreifen 28 der Resonatoren 16, 18.
Im gezeigten Beispiel findet die Kopplung in der Mitte statt. Dies
führt zu
einer T-förmigen Struktur,
die aus dem Mikrostreifenabschnitten 28 und dem Kopplungsmikrostreifen 32 besteht.
Um die Impedanz des Eingangs und/oder des Ausgangs 12, 14 geeignet
anzupassen, kann der Schnittpunkt auch zu dem einen oder dem anderen
Ende des Mikrostreifenabschnitts 28 verschoben werden.
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3 zeigt
eine zweite Filterschaltung 40. Die Filterschaltung entspricht
hinsichtlich ihrer Struktur weitgehend der Filterschaltung 10 der 1. Identische
Elemente tragen dieselben Bezugszeichen. Im Folgenden werden nur
die Unterschiede in Bezug auf die Schaltung 10 der 1 diskutiert.
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Im
Gegensatz zur Schaltung 10 sind in der Schaltung 40 die
Eingänge
und Ausgänge 12, 14 elektromagnetisch
gekoppelt. Die Kopplung umfasst in diesem Fall einen ersten Kopplungsmikrostreifen 42,
der mit dem Eingang und dem Ausgang 12, 14 verbunden
ist und rechtwinklig zu den Mikrostreifenabschnitten 28, 30 verläuft. Der
erste Kopplungsmikrostreifen 42 bildet eine L-förmige Struktur
mit einem zweiten Kopplungsmikrostreifen 44, der in einem
geringen Abstand parallel zum ersten Mikrostreifenabschnitt 28 der
Resonatoren 16, 18 verläuft. Das Ende des zweiten Kopplungsmikrostreifens 44 ist
mit Masse verbunden.
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Der
zweite Kopplungsmikrostreifen steht in enger elektromagnetischer
Kopplung mit dem ersten Mikrostreifenabschnitt 28, so dass
das Signal vom Eingang 12 in den ersten Resonator 16 eingekoppelt und
aus dem zweiten Resonator 18 zum Ausgang 14 ausgekoppelt
wird.
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4 zeigt
wiederum die frequenzbestimmenden Elemente der Filterschaltung 40.
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5 zeigt
ein Filter 50, das gemäß der Schaltung 40 aufgebaut
ist. Die dunklen Bereiche sind Kupferstrukturen auf einem isolierenden
Substrat. Auf der Rücksei te
des isolierenden Substrats befindet sich eine leitende Schicht,
die mit Masse verbunden ist. Das Filter 50 weist einen
Eingang 12 und einen Ausgang 14, sowie ferner
einen Anschluss für die
veränderliche
Spannung VT auf. Die Hochimpedanzwiderstände R, ähnlich den festen Kondensatoren 26 und
den Kapazitätsdioden 28,
sind diskrete Komponenten, die auf die Oberfläche des Substrats gelötet sind.
Die Verwendung diskreter Komponenten ist bei Kapazitäten von
einigen pF, die bevorzugt verwendet werden, vorteilhaft. Als Alternative
können die
Komponenten, insbesondere Kondensatoren mit geringer Kapazität, auch
als gedruckte Komponenten auf das Substrat aufgebracht werden. Die
Kopplungsmikrostreifen 42, 44 und die ersten und
zweiten Mikrostreifenabschnitte 30, 28 der Resonatoren 16, 18 werden
mittels der in 3 gezeigten Anordnung gebildet.
Die Verbindung zu Masse wird mittels Durchgangsverbindungen 52 zur
Rückseite
des Substrats gebildet.
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Das
Filter 50 weist eine Breite von 12 mm und eine Länge von
nur 10 mm auf. Die effektive Länge
der Mikrostreifen jedes Substrats entspricht jedoch der Summe aus
dem individuellen Mikrostreifenabschnitten 28, 30,
und beträgt
daher mehr als die 10 mm Länge
des Filters 50 in dieser Richtung.
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6 zeigt
die Filterkennlinie des Filters 6 bei verschiedenen Mittenfrequenzen.
Die Dämpfung in
dBc ist über
der Frequenz in MHz gezeigt. Es ist die Kennlinie für drei verschiedene
Werte der veränderlichen
Spannung VT gezeigt, d. h. für
drei unterschiedliche Kapazitäten.
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In
den obenerwähnten
Beispielen der Ausführungsform
von Filterschaltungen sind jeweils zwei Resonatoren vorgesehen,
die eine Filterantwort zweiter Ordnung erzeugen. Es ist möglich, zwischen den
ersten und zweiten Resonatoren weitere Resonatoren vorzusehen, deren
Mikrostreifenabschnitte parallel zu den Mikrostreifenabschnitten 28, 30 der ersten
und zweiten Resonatoren 16, 18 verlaufen und mit
den letzteren elektromagnetisch gekoppelt sind.
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Weitere
mögliche
Modifikationen des Filters beziehen sich auf die Kopplung des Eingangs 12 und des
Ausgangs 14. In diesem Fall können verschiedene Typen von
Kopplung gewählt
werden, die Fachleuten bekannt sind. Insbesondere kann eine asymmetrische
Kopplung gewählt
werden.