FI98013B - Suurtaajuuskaistanpäästösuodatin - Google Patents

Description

98013

Suurtaajuuskaistanpäästösuodatin

Keksinnön soveltamisala

Keksintö koskee menetelmää siirtonollan ja siitä 5 aiheutuvan vaimennuksen taajuuden säätämiseksi suurtaa-juuskaistanpäästösuodattimessa radiovastaanotinta varten käsittäen useita sarjaan kytkettyjä ensimmäisiä kondensaattoreita; ainakin kaksi kondensaattorimikroliuskareso-nanssipiiriä, jolloin yksittäinen kondensaattorimikrolius-10 karesonanssipiiri muodostuu kahden peräkkäisen ensimmäisen kondensaattorin yhteisen navan ja maan väliin rinnan kytketystä mikroliuskasta ja toisesta kondensaattorista, jolloin kaksi peräkkäistä kondensaattorimikroliuskaresonans-sipiiriä on kytketty toisiinsa kapasitiivisesti niiden 15 välissä olevan yhden ensimmäisen kondensaattorin avulla; ja kaksi peräkkäistä kondensaattorimikroliuskaresonanssi-piiriä on lisäksi kytketty toisiinsa induktiivisesti kahden peräkkäisen kondensaattorimikroliuskaresonanssipiirin kytkettyjen mikroliuskojen avulla siten, että aikaansaa-20 daan mainittuun suurtaajuussuodattimeen siirtonollan aihe-. uttama vaimennus halutulle taajuudelle.

Keksinnön mukainen ratkaisu on tarkoitettu erityi- | sesti mikroliuska -tyyppisen kaistanpäästösuodattimen to- «··» * * teuttamiseen.

25 Keksinnön taustaa .*·" Erästä stepped impedance-tyyppistä liuskajohtokais- \V: tanpäästösuodatinta on kuvattu tarkemmin esim. artikkelis sa Ravat, Miller, Pontius: Bandpass Filter for Mobile Communications, Microwave Journal, vol. 27, no. 10, October 30 1984, johon viitataan tarkemman kuvauksen suhteen.

Eräitä muita liuskajohtokaistanpäästösuodattimia on III kuvattu US-patenttijulkaisussa 4 992 759, jossa on esitet- *. . ty poikittainen rinnakkaisresonanssirakenne. Julkaisussa ·»» esitetyssä ratkaisussa yritetään optimoida toteutettavan :**: 35 suodattimen esto- ja päästökaistaa. Julkaisussa on lisäksi ··· »·« • ♦ • · 2 98013 esitetty erilaisia liuska jolr:oihin perustuvia suodatinrat-kaisuja.

Aikaisemmin kaistanpäästösuodattimissa käytettyjen SAW (Surface Accoustic Wawe)- ja Helix- tyyppisten suodat-5 timien ongelmana on ollut niiden hyvin korkea hinta. Tämän lisäksi mainittujen aikaisempien suodattimien estokaista-vaimennus on lisäksi ollut epätyydyttävä.

Edelleen tekniikan tason mukaisissa liuskajohto-kaistanpäästösuodattimissa on ongelmana se, että aikaisem-10 mat suodattimet ovat vaatineet hyvin suuren tilavuuden. Koska suodatinta käytetään matkaviestimissä ja erityisesti käsiradiopuhelimissa on suodattimen koko kriittinen ominaisuus, sillä tavoitteena on toteuttaa yhä pienempiä, mutta silti monipuolisempia, käsiradiopuhelimia.

15 Liuskajohtojen avulla toteutettujen suodattimien ongelmana on aikaansaada riittävän suuri suodatus eli pei-litaajuusvaimennus halutulle taajuudelle.

Keksinnön selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on toteuttaa liuska- 20 johtoja käyttävä kaistanpäästösuodatin, joka aikaansaa riittävän suuren peilitaajuusvaimennuksen halutulle taa- . juudelle. Tarkoituksena on aikaansaada halutulle taajuu- j delle kaistanpäästösuodattimen siirtofunktioon siirtonol- • · · · la. Keksinnön tarkoituksena on lisäksi toteuttaa ratkaisu, 25 jonka avulla pystyttäisiin säätämään siirtonollan paikkaa ΙΓ taajuusalueella ja suodattimen keskitaajuutta.

• ·’ Tämä uudentyyppinen suurtaajuuskaistanpäästösuoda- tin saavutetaan keksinnönmukaisella suodattimena, joka on tunnettu siitä, että mainitun siirtonollan ja siitä aiheu-30 tuvan vaimennuksen taajuutta säädetään muuttamalla mainit- .·. tujen kahden peräkkäisen kondensaattorimikroliuskareso- V. nanssipiirin mikroliuskojen etäisyyttä toisiinsa.

m . . Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että mikro- • · .. liuskaresonanssipiirien avulla toteutetussa kaistanpääs- 35 tösuodattimessa sijoitetaan kahden vierekkäisen mikro- • · • · • · • * 3 98013 liuskaresonanssipiirin mikroliuskat niin lähelle toisiaan, että niiden välille syntyy huomattava keskinäisinduktans-si. Tämä keskinäisinduktanssi aiheuttaa suodattimen siirtofunktioon siirtonollan (transmission zero), joka aiheut-5 taa vaimennuksen halutulle taajuudelle.

Tällaisen suurtaajuu^kaistanpäästösuodattimen etuna on se, että sen avulla siirtonollan ja sen aiheuttaman peilitaajuusvaimennuksen paikka voidaan valita hallitusti simuloimalla ja optimoimalla toistensa vieressä olevien 10 mikroliuskaelementtien etäisyys toisistaan. Käytännössä peilitaajuusvaimennuksen paikka on vastaanottimen peili-taajuudella, joka on tyypillisesti 90 MHz vastaanottotaa-juuden ala- tai yläpuolella.

Keksinnön etuna on lisäksi se, että mikroliuskaele-15 menttien väli tulee pieneksi. Tällöin on samalla poistettu kahden vierekkäisen mikroliuskaelementin keskinäisestä kytkeytymisestä johtuvat ongelmat ja koko kytkennän vaatima pinta-ala on saatu pienenemään koska elementtien välille ei tarvita enää erillisiä maa-alueita (nolla potentiaa-20 leja) estämään mikroliuskaelementtien keskinäistä induk- tiivistä kytkeytymistä, vaan tuo kytkeytyminen on itse » · . asiassa keksinnön tavoitteena. Tällöin aikaisempien rat- :* kaisujen haitta on käännetty eduksi, josta johtuen on ··§· suurtaajuuskaistanpäästösuodattimen lisäominaisuudeksi V 25 saatu peilitaajuusvaimennus, joka mahdollistaa suuremman li* peilitaajuusvaimennuksen kuin olisi mahdollista ai- : * kaansaada samalla komponenttimäärällä perinteisessä kyt kennässä.

Keksinnön etuna on lisäksi se, että keksinnön avul-30 la on saatu mikroliuskakytkennän vaatima pinta-ala pie-nenemään. Tuo ominaisuus on ensiarvoisen tärkeää käsipuhe-II limien mittojen jatkuvasti pienentyessä ja kun matkavies- timiltä eli radiopuhelimelta vaaditaan yhä monipuolisempia •e· toiminteita.

*'· 35 Keksinnön mukaisessa kytkennässä on lisäksi etuna • · ·· ··· • · • · 4 98013 oleellisesti suurempi peilitaajuusvaimennus kuin esim. SAW- ja Helix-suodattimissa. Lisääntyneestä peilitaajuus-vaimennuksesta on myös se etu, että nyt jonkin muun komponentin vaimennusvaatimuksia (kuten esimerkiksi duplex-5 suodatin) voidaan mahdollisesti lieventää ja samalla alentaa ko. komponentin hintaa.

Keksinnön mukaisessa kytkennässä päästökaistan paikka voidaan helposti säätää simuloimalla ja optimoimalla keskenään samanmittaisten mikroliuskojen pituudet ja 10 kytkennän kondensaattorien arvot.

Keksinnön toisen suoritusmuodon etuina voidaan edellisten lisäksi pitää mahdollisuutta toteuttaa upottamalla liuskat piirilevyn välikerroksiin, jolloin keksinnön mukaisen kytkennän vaatima pinta-ala ja tilavuus on todel-15 la pieni verrattuna SAW- ja Helix-suodattimiin.

Ensimmäisessä suoritusmuodossa esitetty kytkentä ei käytä piirilevyn välikerroksiin upottamalla toteutettuja mikroliuskoja.

Aikaisemmin kiinteät kaistanpäästösuotimet on to- 20 teutettu SAW- ja Helix-suotimilla. Keksinnön mukaisella . kytkennällä on huomattava etu tuotantokustannusten suhteen . ja suodattimen vaatiman tilavuuden suhteen. Keksinnön mu- ·· · kainen kytkentä voidaan toteuttaa yhdellä piirilevyllä to- »··· ' teutetun radio-osan piirilevyn välikerrokseen, jolloin • · V 25 keksinnön mukainen kytkentä tarvitsee pinta-alana lasket- .*·* tuna vain noin puolet SAW- ja Helix-suodattimien vaatimas- :** ta pinta-alasta, mikäli piirilevyn välikerrokseen tulevien stripline-elementtien vaatimaa pinta-alaa ei huomioida.

Kuvioluettelo 30 Keksintöä selitetään lähemmin seuraavassa viitaten .· oheisiin piirustuksiin, joissa • lii kuvio 1 esittää lohkokaavion tyypillisestä ra- *. . diovastaanottimen suurtaajuusosasta, »·· ... kuvio 2 esittää kytkentäkuvan keksinnön mukaisesta :**: 35 suurtaajuussuodattimesta, • e »•e »·· » 9 e · e 5 98013 kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen suurtaajuus-suodattimen taajuusvasteen.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvio 1 esittää lohkokaavion tyypillisestä ra-5 diovastaanottimen suurtaajuusosasta. Vastaanottimessa on antenni ANT 101, joka ottaa vastaan radiotaajuista signaalia Frx välittää sen vastaanottimen suurtaajuusosalle 104 sekä lähettää lähettimeltä 103 saamansa radiotaajuisen lä-hetyssignaalin Ftx. Antenniin 101 on kytketty antennikyt-10 kin 102, jonka avulla ohjataan antennista tulevat signaalit vastaanottimen suurtaajuusosalle 104 sekä vastaavasti välitetään lähettimen 103 lähetteet antennille.

Vastaanottimen suurtaajuusosaan kuuluu vahvistin 105, joka vahvistaa vastaanotetun signaalin. Vahvistettu 15 signaali johdetaan kaistanpäästösuodattimeen 106, joka suodattaa signaalista halutut taajuudet pois ja päästää etenemään halutut taajuudet. Keksintö kohdistuu tämän kaistanpäästösuodattimen toteutukseen. Keksintöä on tarkemmin kuvattu kuviossa 2 ja sen selityksessä. Kaistan-20 päästösuodattimelta signaali johdetaan sekoittimelle 107. Sekoittimessa 107 signaaliin lisätään tai siitä vähenne- ···· tään paikallisoskillaattorin tuottama signaali. Suoritet- » · tava sekoitus voi tapahtua esimerkiksi siten, että sisään- • tulevasta kaistanpäästösuodatetusta signaalista Frx vähen-·· · :25 netään paikallisoskillaattorin tuottama taajuus Fo tai >e*· siten, että paikallisoskillaattorin tuottamasta signaalis- :V ta Fo vähennetään vastaavasti sisääntuleva, kaistanpääs- tösuodatettu signaali. Suoritettavia laskutoimituksia voidaan kuvata yhtälöillä Fif = Frx - Fo ja Fif = Fo - Frx. 30 Tällöin ulostuleva signaali Fif voi olla esimerkiksi ensimmäinen välitaajuus, joka voi olla esimerkiksi 45 MHz.

• · lii Kuvio 2 esittää kytkentäkaavion keksinnön mukaises- ’·* . ta suurtaajuussuodattimesta. Tässä esitetty kytkentä on »·· esimerkinomainen ja tässä muodossaan erityisesti tarkoi-35 tettu toimimaan tietyllä taajuusalueella, tässä esimerkik- ··· » ··· ► · · • · · > 6 98013 si taajuusalueella 336-344 MHz. On luonnollista, että keksinnön esittämää periaatetta hyödyntäen voidaan toteuttaa suodatin joka toimii myös muulla taajuusalueella tai huomattavasti laajemmalla taajuusalueella.

5 Kuviossa 2 on esitetty keksinnön mukainen suurtaa- juussuodatin, jossa kaistanpäästösuodattimeen tuleva signaali johdetaan suodattimen sisääntuloon 200. Siihen on kytketty useiden ensimmäisten kondensaattoreiden C21, C22, C23, C24, C25 sarjaankytkentä. Kondensaattorien C21 ja C22 10 sekä C22 ja C23 väleihin on kuvion mukaisesti kytketty kondensaattorimikroliuskaresonanssipiirit 211, 212, 213, 214. Kondensaattorimikroliuskaresonanssipiirissä 211 ja vastaavasti 212 on kahden peräkkäisen kondensaattorin C21, C22 sekä C22, C23 välisen yhteisen navan 201, 202 ja maan 15 väliin kytketty rinnan kondensaattori C26, C27 ja mikro-liuska ML21 ja ML22.

On huomattava, että kuviossa 2 on esitetty edellä esitettyjen kahden kondensaattorimikroliuskaresonanssipii-rin muodostaman kytkennän lisäksi toiset kaksi kondensaat-20 torimikroliuskaresonanssipiiriä, joissa olevat kaksi mik-roliuskaa ML23 ja ML24 sekä kondensaattorin C23, C24, C25 ·«·· .* . ja C28 sekä C29 on kytketty samalla tavalla, kuin edellä • · ίβ· selitetyssä kytkennässä mikroliuskat ML21, ML22 sekä kon- * densaattorit C21, C22, C23 ja C26 sekä C27.

• · · : .* 25 Mikroliuskat ML21 ja ML22 sekä vastaavasti mikro- liuskat ML23 ja ML24 on keksinnön mukaisesti kytketty toi- :V siinsa induktiivisesti pareittain siten, että mikroliuska ML21 on kytketty ML22:een ja mikroliuska ML23 on kytketty ML24:een. Kytkennät ovat tapahtuneet kytkettyjen mikro-30 liuskojen avulla siten, että mainittujen mikroliuskaparien # .· mikroliuskat on sijoitettu niin lähelle parin vastaavaa ♦ m toista mikroliuskaa, että niiden välille on mahdollistunut » · ·.. induktiivinen kytkentä. Tällöin on tähän keksinnön mukai- ··· «... seen suurtaajuussuodattimeen aikaansaatu siirtonollan ai- ·:·* 35 heuttama vaimennus halutulle taajuudelle. Siirtonolla syn- ♦ · *·♦ 1 ·· · • e 7 98013 tyy siis halutulle taajuudelle suodattimen siirtofunktioon. Kuviossa 3 on esitetty erään mikroliuskasuodattimen vaimennus taajuuden funktiona.

Keksinnön parhaana toteuttamistapana voidaan pitää 5 tapaa, jossa mikroliuskat toteutetaan piirilevyn välikerrokseen tai kerroksiin siten, että mikroliuskat eivät ole piirilevyn pinnassa. Tällöin etuna on se, että mikrolius-kojen toteutus ei vaadi ollenkaan pinta-alaa piirilevyn pinnalta eikä paljoa tilavuutta piirilevyn sisältä. Samal-10 la suodatin on myös suojattu sähköisesti ulkoisilta vaikutuksilta koska liuskat on asetettu kahden ehjän maakerroksen väliseen kerrokseen. Suodatin ei siten tarvitse mahdollisesti minkäänlaista mekaanista suojausta mikä osaltaan alentaa radiopuhelimen kustannuksia.

15 Vaihtoehtoisesti voidaan mikroliuskat ML21, ML22 toteuttaa mikro-stripline- tekniikalla siten, että mikro-liuskojen toisella puolella on maataso.

Keksintö koskee myös menetelmää siirtonollan ja siitä aiheutuvan vaimennuksen taajuuden säätämiseksi edel-. 20 lä selostetun tyyppisessä suurtaajuuskaistanpäästösuodat- timessa, jossa menetelmässä siirtonollan ja siitä aiheutu-» van vaimennuksen taajuutta säädetään muuttamalla edellä mainitun tyyppisessä suurtaajuussuodattimessa olevien kah- ·· · • V den peräkkäisen kondensaattorimikroliuskaresonanssipiirin ^ 1:2 3 25 211, 212 mikroliuskojen ML21, ML22 etäisyyttä toisiinsa.

Edelleen keksintö koskee menetelmää keskitaajuuden säätämiseksi edellä selostetun tyyppisessä suurtaajuus-kaistanpäästösuodattimessa, jossa menetelmässä mainitun suurtaajuuskaistanpäästösuodattimen keskitaajuutta sääde- . 30 tään muuttamalla keskenään samanmittaisten mikroliuskojen • · · I1; ML21, ML22 pituutta.

• · · *** . Keksintö koskee edelleen menetelmää keskitaajuuden :4 säätämiseksi edellä selostetun tyyppisessä suurtaajuus- *:♦·: kaistanpäästösuodattimessa, jossa menetelmässä mainitun 35 suurtaajuuskaistanpäästösuodattimen keskitaajuutta sääde- • · • · ··· · · • 1 · 2 • · 3 » · 4 8 98013 tään vaihtamalla suurtaajuussuodattimen kondensaattoreita C21, C22, C23, C24, C25, C26, C27, C28, C29.

Kuvio 3 esittää mikroliuskasuodattimen vaimennusta taajuuden funktiona. Kuvio 3 esittää taajuusvasteen tilan-5 teessä, jossa suodatin sisältää kaksi mikroliuskaparia. Kuvion pystyakseli kuvaa suodattimen vaimennusta desibelin yksiköillä ilmaistuna. Vaaka-akseli kuvaa taajuutta megahertsin yksiköillä ilmaistuna.Suodattimen päästökaistalla (passband), joka on tässä esimerkissä 330-350MHz, on vai-10 mennus pienimmillään eli n. 2 dB. Sitä vastoin suodattimen estokaistoilla (stopband) vaimennus on n. 110 dB, mikä on luettavissa kuviosta taajuudella 250 - 260 MHz. Kuviossa 3 esitetty käyrä kuvaa teoreettisen suodattimen vastetta. Käytännön suodattimen vaste on olennaisesti saman muotoi-15 nen, kuin tässä esitetty käyrä.

Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan voi keksinnön mukainen suurtaajuuskaistan-päästösuodatin vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

. 20 Vaikka keksintöä onkin edellä selitetty lähinnä kaistan- päästösuodattimien yhteydessä, voidaan keksintöä käyttää : muunkinlaisissa suodattimissa. 1 · φ · m • · ♦

Claims (3)

1. Menetelmä siirtonollan ja siitä aiheutuvan vaimennuksen taajuuden säätämiseksi suurtaajuuskaistanpääs-5 tösuodattimessa (kuvio 2) radiovastaanotinta varten käsittäen useita sarjaan kytkettyjä ensimmäisiä kondensaattoreita (C21, C22, C23), ainakin kaksi kondensaattorimikroliuskaresonanssi-10 piiriä (211, 212), jolloin yksittäinen kondensaattorimik-roliuskaresonanssipiiri (211) muodostuu kahden peräkkäisen ensimmäisen kondensaattorin (C21, C22) yhteisen navan ((201) ja maan väliin rinnan kytketystä mikroliuskasta (ML21) ja toisesta kondensaattorista (C26), jolloin kaksi 15 peräkkäistä kondensaattorimikroliuskaresonanssipiiriä (211, 212) on kytketty toisiinsa kapasitiivisesti niiden välissä olevan yhden ensimmäisen kondensaattorin (C22) avulla, ja kaksi peräkkäistä kondensaattorimikroliuskareso-20 nanssipiiriä (211, 212) on lisäksi kytketty toisiinsa in- *:*·: duktiivisesti kahden peräkkäisen kondensaattorimikro- : liuskaresonanssipiirin (211, 212) kytkettyjen mikroliusko- ....: jen (ML21, ML22) avulla siten, että aikaansaadaan mainit- tuun suurtaajuussuodattimeen siirtonollan aiheuttama vai- • · * j 25 mennus halutulle taajuudelle, menetelmän ollessa tunnettu siitä, että mainitun siirtonollan ja sii- • · * *·* * tä aiheutuvan vaimennuksen taajuutta säädetään muuttamalla mainittujen kahden peräkkäisen kondensaattorimikroliuska-resonanssipiirin (211, 212) mikroliuskojen (ML21, ML22) 30 etäisyyttä toisiinsa.

: 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä keski- ·· · :*:* taajuuden säätämiseksi suurtaajuuskaistanpäästösuodatti- messa (kuvio 2), tunnettu siitä, että mainitun m *·1. suurtaajuuskaistanpäästösuodattimen keskitaajuutta sääde- \ * 35 tään muuttamalla keskenään samanmittaisten mikroliuskojen ··· • · ··· · « · · 98013 (ML21, ML22) pituutta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä keski-taajuuden säätämiseksi suurtaajuuskaistanpäästösuodatti-messa (kuvio 2), tunnettu siitä, että mainitun 5 suurtaajuuskaistanpäästösuodattimen keskitaajuutta säädetään vaihtamalla suurtaajuussuodattimen kondensaattoreita (C21, C22, C23, C24, C25, C26, C27, C28, C29). • ·· · -• · • · m · · • · ··· • • 0 0 0 0 0 · 0 0 • ··· 0 0000 0 0 0 0 9 0 0 0 • 0 0 0 0 00 · ·· · 0 0 0 0 0 0 0 000 0 0 00· 0 00 0 0 ♦ 0 · 000 0 0 000 00 0 0 0 · • • · 98013