DE69627801T2

DE69627801T2 - Kerbfilter mit passiven Elementen

Info

Publication number: DE69627801T2
Application number: DE1996627801
Authority: DE
Inventors: Henri Havot; Yvon Dutertre; Gilles Launay; Alain Leveque
Original assignee: Telediffusion de France ets Public de Diffusion; France Telecom SA
Current assignee: Telediffusion de France ets Public de Diffusion; Orange SA
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2016-12-03
Also published as: DE69627801D1; EP0780973B1; FR2742945A1; FR2742945B1; EP0780973A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kerbfilter mit passiven Komponenten.
Er findet in der Elektronik Anwendung, um Kerbfilter zu realisieren, welche in einem Frequenzbereich von einigen Megahertz bis einigen Gigahertz funktionieren.
Die Erfindung kann beispielsweise zum Filtern von von einer Antenne empfangenen oder gesendeten Signalen verwendet werden.
Stand der Technik
Die bekannten Kerbfilter umfassen eine oder mehrere Filterzellen des resonant parallelen Typs. Diese Zellen sind aus einem kapazitiven Element und einem induktiven Element zusammengesetzt, welche parallel geschaltet sind und eine resonante Schaltung bilden. Im folgenden Text werden die kapazitiven Elemente und die induktiven Elemente zur Vereinfachung mit "Kapazität" bzw. "Induktivität" bezeichnet.
Die 1 der beigefügten Zeichnung zeigt ein Bespiel für einen bekannten Kerbfilter, welcher nur eine einzige Zelle umfasst.
Die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 bezeichnete Zelle umfasst eine Kapazität wie einen Kondensator 12 und eine Induktivität, wie beispielsweise eine Spule 13, welche in parallelen Zweigen zwischen einem Eingangsanschluss 14 und einem Ausgangsanschluss 16 der Zelle angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass der Filter, welcher diese einzelne Zelle umfasst, einen Teil einer Übertragungsstrecke zum Übertragen eines Signals von einer Quelle 18 zu einer Last 20 bildet.
Die Quelle ist schematisch mit einem Generator 22 und ihrem Innenwiderstand 24 dargestellt. Die Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang, Ve und Vs, sind an dem Anschluss 14 bzw. 16 bezogen auf Masse gemessen.
Die Übertragungsfunktion dieses Filters, welche als Ausdruck des Verhältnisses
als Funktion der Signalfrequenz verstanden werden kann, weist einen Pol für eine Frequenz
auf, welche die Resonanzfrequenz der Zelle ist. In gleicher Weise kann die Impedanz Z_A der Zelle als Funktion der Kreisfrequenz ω durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
In den Ausdrücken für die Frequenz f₀ und die Impedanz Z_A bezeichnet L den Wert der Induktivität und C bezeichnet den Wert der Kapazität. Der Ausdruck j ist so definiert, dass j² = –1 gilt.
2 zeigt die theoretische Antwort des Filters aus, 1. Auf der Ordinatenachse ist die Dämpfung A, d. h. das Verhältnis Vs/Ve in Dezibel aufgetragen (die Werte in Dezibel dieses Verhältnisses, welches kleiner ist als l, sind negativ). Die Abszissenachse entspricht der Frequenz F des Signals. Die Maßstäbe der Abszissenachse und der Ordinatenachse sind willkürlich.
Es scheint, dass für die Resonanzfrequenz die Dämpfung A im Prinzip unendlich groß ist.
In Wirklichkeit sind die zum Zusammensetzen einer Filterzelle benutzten Komponenten nicht perfekt. Insbesondere ist die Spule 13 keine reine Induktivität, sondern weist einen Widerstand auf, welcher weit davon entfernt ist, vernachlässigbar zu sein. Daraus ergibt sich eine Abschwächung, die zur Folge hat, dass die Dämpfungskurve wesentlich modifiziert wird. Diese nimmt dann das in 3 dargestellte Aussehen an. Es gibt immer noch eine Frequenz, bei der die Dämpfung (als Absolutwert gesehen) maximal ist, aber diese Dämpfung hat einen endlichen Wert (beispielsweise 20 oder 30 dB). Dieser kann sich in der Praxis als unzureichend erweisen, wenn es darum geht, eine effiziente Sperre zu erhalten oder einen bedeutenden Einschnitt in einem schmalen Frequenzband zu erreichen.
Wenn der Wert der Impedanz des Filters nahe null ist, ist das Verhältnis
nahe bei 1. Die Qualität des Filters ist umso besser, desto schneller der Übergang zwischen den Gebieten, wo der Wert der Impedanz nahe null ist, zu dem Gebiet der maximalen Dämpfung ist.
Um die Leistung der Filter zu verbessern, können diese aus mehreren Zellen wie der Zelle 10 der 1 zusammengesetzt sein. Diese Zellen sind dann beispielsweise in einem Aufbau mit einer Π Struktur verknüpft.
Die aus mehreren Zellen gebildeten Filter umfassen währenddessen eine bedeutendere Anzahl von Komponenten und kosten daher mehr.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kerbfilter mit einer einzigen zentralen Sperrfrequenz vorzuschlagen, welcher eine viel schmälere Bandsperre als die bekannten Filter aufweist, d. h. einen Filter mit einer besseren Selektivität. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kerbfilter mit einer besseren maximalen Dämpfung vorzuschlagen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es zudem, einen Filter mit erheblich verringerten Fabrikationskosten vorzuschlagen, welcher nur eine geringe Anzahl von Komponenten umfasst.
Noch eine ändere Aufgabe ist es, einen Filter vorzuschlagen, welcher keine aktiven Komponenten umfasst und zumindest teilweise in Form einer Mikroleitungsbandschaltung realisiert werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Um diese Aufgaben zu lösen, hat die Erfindung genauer gesagt einen Kerbfilter mit einer einzigen zentralen Sperrfrequenz zum Gegenstand, welcher in einem Frequenzbereich von einigen Megahertz bis zu einigen Gigahertz funktioniert und ausschließlich aus einer oder mehreren Filterzellen gebildet ist, wobei jede Zelle ausschließlich zusammengesetzt ist aus:

– einem ersten Schaltungszweig, welcher eine erste Induktivität umfasst und einen Eingangsanschluss der Zelle mit einem Ausgangsanschluss der Zelle verbindet und
– einem zweiten Schaltungszweig, welcher in Serie eine zweite Induktivität und eine Kapazität umfasst, wobei dieser zweite Schaltungszweig zu der ersten Induktivität parallel geschaltet ist, wobei die erste Induktivität einen Wert 2 kleiner als der Wert L der zweiten Induktivität aufweist und die Werte P und L so sind, dass
gilt.

Ein derartiger Filter kann mit einer stark verringerten Zahl von elektronischen Komponenten realisiert werden, seine Fabrikationskosten sind daher gering.
Gemäß einem bestimmten Ausführungsbeispiel des Filters kann der erste Zweig Leitungen in Form eines Mikroleitungsbandes umfassen, welche auf einem Substrat angeordnet sind und den Eingangsanschluss der Zelle mit einem ersten Ende der ersten Induktivität bzw. ein zweites Ende der ersten Induktivität mit dem Ausgangsanschluss der Zelle verbinden. Die Mikroleitungsbänder können gemäß bekannten Techniken der Herstellung von gedruckten Schaltungen realisiert werden. Dank der präzisen Kontrolle der Abmessungen der gemäß diesen Techniken gebildeten Muster ist es möglich, die Parameter der Impedanz des Filters präzise einzustellen.
Die erste Induktivität kann auch durch einen Abschnitt des Mikroleitungsbandes gebildet sein. Die Länge, ungleich null, dieses Abschnitts ist proportional zum Wert der gewählten Induktivität.
Gemäß einem bestimmten Ausführungsbeispiel des Filters kann dieser ein Mikroleitungsband umfassen, welches die Gesamtheit des ersten Schaltungszweiges bildet, d. h. sowohl die Leitungen aus Mikroleitungsband und die erste Induktivität.
Der Filter der Erfindung kann eine Filterzelle oder gegebenenfalls eine Mehrzahl von Zellen umfassen.
Im letzteren Fall können diese als Kette verbunden sein. Jede Zelle ist mit ihrem Eingangsanschluss entweder mit dem Eingang des Filters oder mit dem Ausgangsanschluss der in der Kette vorhergehenden Zelle verbunden. In gleicher Weise ist der Ausgangsanschluss jeder Zelle entweder mit dem Ausgang des Filters oder mit dem Eingangsanschluss der in der Kette folgenden Zelle verbunden.
Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, welche nur als Veranschaulichung und nicht als Beschränkung dargelegt wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
– Die bereits beschriebene 1 stellt einen Kerbfilter bekannter Art dar,
– die bereits beschriebene 2 stellt die theoretische Frequenzantwort eines Filters entsprechend der 1 dar,
– die bereits beschriebene 3 stellt die tatsächliche Frequenzantwort eines Filters entsprechend der 1 dar,
– die 4 stellt schematisch einen Filter mit einer Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung dar,
– die 5 stellt in vergleichender Weise die Frequenzantwort des Filters der Erfindung und eines bekannten Filters dar,
– die 6 zeigt eine praktische Realisierung des Filters von 3.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
Wie bei 1 ist zu beachten, dass der in 4 dargestellte Filter einen Teil einer Übertragungsstrecke eines Signals von einer Quelle 118 zu einer Last 120 bildet.
Die Quelle 118 umfasst einen Generator 122 mit einem entsprechenden Innenwiderstand 124.
Der Filter aus 4 umfasst einen einzige Zelle 110.
Erfindungsgemäß umfasst die Zelle einen ersten Schaltungszweig 130, welcher einen Eingangsanschluss 114 der Zelle mit einem Ausgangsanschluss 116 verbindet. Der Zweig 130 umfasst eine erste Induktivität 132, beispielsweise in Form eines aufgespulten leitenden Fadens. Sie weist einen mit l bezeichneten Induktivitätswert auf.
Die Zelle umfasst einen zweiten Zweig 140, welcher parallel zu der ersten Induktivität 132 geschaltet ist.
Der zweite Zweig 140 ist aus einer zweiten Induktivität 142 und einer dazu in Serie geschalteten Kapazität 144 zusammengesetzt.
Die zweite Induktivität weist einen Wert L auf, welcher etwa zwischen 10 l und 100 l liegt, die Kapazität weist einen Wert C auf.
Die Werte L und C werden insbesondere abhängig von der gewünschten zentralen Sperrfrequenz eingestellt.
Die Impedanz der Zelle Z_I in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz ω kann durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt werden:
Die Resonanzfrequenz, welche der Frequenz mit der größten Dämpfung entspricht, ist gleich
. Da der Wert l klein gegenüber L ist, ist die Frequenz der größten Dämpfung nahe der Frequenz der größten Dämpfung der Zelle aus 1.
Im Gegensatz zu dem bekannten Filter aus 1 erlaubt es der Filter der Erfindung, schmale Sperrbanden mit großen Werten der Induktivität L und geringen Werten der Kapazität C zu erhalten.
Bei dem dem Stand der Technik entsprechenden Filter der 1 besteht eine Möglichkeit, eine selektivere Sperre zu erhalten, darin, den Wert der Induktivität L zu verringern. Dies impliziert für eine gegebene Sperrfrequenz f₀ entsprechend die Vergrößerung des Wertes der Kapazität C. Der Wert C ist aber durch Probleme der bei der praktischen Durchführung begrenzt.
Mit Hilfe eines Beispiels kann man zeigen, dass sich diese Probleme im Fall des Filters der Erfindung nicht stellen. Bei diesem Beispiel wird die Impedanz des Filters gemäß dem Stand der Technik (Z_A) mit L = 10^-2 und C = 10² berechnet, d. h. mit einem geringen Wert der Induktivität. Außerdem wird die Impedanz (Z_I) des Filters der Erfindung mit L = 1 und C = 1, d. h. mit einem hundertmal größeren Wert der Induktivität berechnet.
Man erhält
(Stand der Technik) Z_I = j ω • 10^-2 (Erfindung).
Bei der Resonanz, d. h. wenn ω = ω₀ = 1, erhält man Z_I = Z_A(1 – ω²). Für einen Wert von ω nahe bei ω₀ wie ω = ω₀ + Δω erhält man:
Nun ist aber 2Δω viel kleiner als l. Für Werte nahe der Resonanz ist also verifiziert, dass Z_I << Z_A.
Demnach weist der Filter der Erfindung auch für hundertmal größere Werte von L ein besseres Sperrverhalten als der Filter nach dem Stand der Technik auf.
5 erlaubt es zudem, die Eigenschaften eines Filters entsprechend der Erfindung, dargestellt in 4, und eines Filters nach dem Stand der Technik, wie in 1 dargestellt, zu vergleichen.
Auf der Ordinatenachse ist die Dämpfung in Dezibel gemäß einem willkürlichen Maßstab dargestellt. Auf der Abszissenachse sind die Frequenzen in, einem Bereich von 550 MHz bis 952 MHz gemäß einem willkürlichen Maßstab dargestellt.
Die Kurve 200 ist die Antwort eines herkömmlichen Filters entsprechend der 1, welcher mit Werten von Induktivität und Kapazität wie beispielsweise L = 15,8 nH und C = 2,65 pF realisiert wurde.
Die Kurve 202 ist die Antwort eines Filters der Erfindung entsprechend der 4, welche mit den gleichen Werten von L und C realisiert wurde und bei dem der Wert 2 der ersten Induktivität sehr klein gegenüber L gewählt wurde.
Man stellt in der Figur fest, dass die Steigungen der Kurve 202 "steiler" sind als diejenigen der Kurve 200 und dass die Sperrbande des Filters der Erfindung entsprechend schmaler ist als diejenige des Filters gemäß dem Stand der Technik.
6 stellt eine praktische Realisierung eines Filters entsprechend der Erfindung dar.
Der Filter von 6 ist auf einer isolierenden Platte 310 realisiert. Ein in eine Schicht aus leitendem Material, welches anfänglich die gesamte Oberfläche der Platte 310 bedeckt, graviertes Mikroleitungsband 312 bildet den ersten Zweig des Filters. Ein Abschnitt 332 des Bandes 312 stellt die erste Induktivität dar. Die Länge dieses Abschnitts ist proportional zu dem Wert l der ersten Induktivität. Für l = 1 nH kann der Abschnitt 332 beispielsweise eine Länge von 4,19 mm aufweisen.
Abschnitte 333 und 335 des Mikroleitungsbandes 312 verbinden die Enden 334, 336 des Abschnitts 332 mit dem Eingang 314 bzw. mit dem Ausgang 316 des Filters.
Ein Fortsatz 342 des Mikroleitungsbandes 312 ist mit einem seiner Enden mit dem Ende 334 des Abschnitts 332, welcher die erste Induktvität bildet, verbunden.
Der Fortsatz 342 bildet die zweite Induktivität, seine Länge, größer als die Länge des Mikroleitungsbandabschnitts 332, ist proportional zu dem Wert L der zweiten Induktivität.
Beispielsweise ist die Länge 19,2 mm für einen Wert L von 15,8 nH.
Ein freies Ende 343 des Fortsatzes 342 ist mit dem Ende 336 des Leitungsbandabschnitts 332 über einen Kondensator 344 verbunden. Der Kondensator 344 kann ein SMD-Bauelement sein. Der Wert C der, Kapazität beträgt beispielsweise 2,65 pF.
Es wird sofort offensichtlich, dass die Realisierung eines erfindungsgemäßen Filters besonders einfach ist. Sie beginnt mit der Bildung einer Leiterschicht, um das Mikroleitungsband zu realisieren, und dem Anordnen des Kondensators.
Zu der 6 kann bemerkt werden, dass der dem erstem Zweig der Filterzelle entsprechende Teil des Bandes 312, d. h. der durch die Abschnitte 332, 333 und 335 gebildete Teil, nicht eine konstante Breite aufweist. Indem die Breite des Bandes 312 oder die Breite von Abschnitten dieses Bandes eingestellt werden, ist es möglich, die Impedanz des Eingangs und des Ausgangs des Filters anzupassen.

Claims

Kerbfilter mit einer einzigen zentralen Sperrfrequenz, welcher in einem Frequenzbereich von einigen Megahertz bis zu einigen Gigahertz funktioniert und ausschließlich aus einer oder mehreren Filterzellen (110) gebildet ist, wobei jede Zelle ausschließlich zusammengesetzt ist aus: – einem ersten Schaltungszweig (130), welcher eine erste Induktivität (132, 332) umfasst und einen Eingangsanschluss (114, 314) der Zelle mit einem Ausgangsanschluss (116, 316) der Zelle verbindet, und – einem zweiten Schaltungszweig, welcher in Serie eine zweite Induktivität (142, 342) und eine Kapazität (144, 344) umfasst, wobei dieser zweite Schaltungszweig zu der ersten Induktivität parallel geschaltet ist, wobei die erste Induktivität einen Wert l kleiner als der Wert L der zweiten Induktivität aufweist und die Werte l und L so sind, dass
gilt.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zweig Leitungen in Form eines Mikroleitungsbandes (333, 335) umfasst, welche auf einem Substrat angeordnet sind und den Eingangsanschluss (314) der Zelle mit einem ersten Ende (334) der ersten Induktivität bzw., ein zweites Ende (336) der ersten Induktivität mit dem Ausgangsanschluss (316) der Zelle verbinden.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Induktivität durch einen Abschnitt (332) des Mikroleitungsbandes gebildet ist.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass er ein Mikroleitungsband (332, 333, 335) umfasst, welches den ersten Schaltungszweig und die darin enthaltene erste Induktivität bildet.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzechnet, dass die Leitungen aus Mikroleitungsband eine Breite aufweisen, die an eine Eingangsimpedanz bzw. an eine Ausgangsimpedanz der Zelle angepasst ist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mehrzahl von in einer Kette verbundenen Filterzellen umfasst.