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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Höchstfrequenz-Kerbfilter in Mikrostreifen-
Technologie.
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Die abstimmbaren Höchstfrequenz-Kerbfilter werden insbesondere in Höchstfrequenz-
Empfängern mit sehr breitem Momentanband verwendet, die im allgemeinen zahlreiche
Signale gleichzeitig verarbeiten müssen, typischerweise die Radarsignalempfänger.
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Wegen des sehr breiten Momentanbandes werden die Signale sehr häufig durch das
Vorhandensein von starken parasitären Signalen gestört, die die Empfangsketten sättigen.
Die Funktion eines Kerbfilters besteht daher in der Dämpfung der Störsignale, um die
Signale mit kleineren Amplituden analysieren und identifizieren zu können.
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Da diese Störsignale im allgemeinen weder eine im voraus bekannte Frequenz noch eine
stabile Frequenz besitzen, ist es notwendig, ein Kerbfilter vorzusehen, das abstimmbar ist.
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Bis jetzt wird hierzu ein YIG-Filter (Yttrium-Iron-Garnet: Yttrium-Eisen-Granat)
verwendet worden, das geeignet vorgespannt wird, um es auf die zu beseitigende Frequenz
abzustimmen.
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Diese Technik besitzt trotz ihrer nützlichen Eigenschaften (hoher Sperranteil, geringe
Breite des Dämpfungsbandes) den Nachteil einer starken Erhöhung der Abmessungen und
des Gewichts der Schaltung, einer verhältnismäßig langen Übergangszeit
("Zielerfassungszeit") in der Größenordnung von 10 bis 20 ms und der Notwendigkeit
einer komplizierten Steuerschaltung.
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Um die obenerwähnten Nachteile wenigstens teilweise zu beseitigen, sind außerdem
abstimmbare Höchstfrequenz-Kerbfilter vorgeschlagen worden, die auf der sogenannten
Struktur mit gekoppelten Leitungen basieren, d.h. eine Übertragungsleitung in Form eines
Mikrostreifens enthalten, der wenigstens mit einer Filterungszelle verbunden ist, die ein
Mikrostreifensegment aufweist, das parallel zur Übertragungsleitung und in einem Abstand
von dieser angeordnet ist.
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Eine solche Filterstruktur ist genauer in dem Artikel von M. Mehdizadeh u.a., "High
speed varactor tuned notch filter", 1985, IEEE - MTT-S, International Microwave
Symposium Digest, 4.-6. Juni 1985, St. Louis, Missouri, Seiten 531-534, beschrieben. In
diesem Artikel wird ein Filter mit gekoppelten Leitungen beschrieben, in dem jedes
Leitungssegment an zwei Enden mit Massepotential verbunden ist, wobei an einem Ende
eine Varaktordiode in Reihe dazwischengeschaltet ist, um einen Resonator zu bilden.
Indem die Kapazität der Varaktordiode geregelt wird, wird eine Resonanz erhalten, wenn
diese Kapazität an die Induktivität des Leitungssegmentes angepaßt ist. Der erhaltene
Abstimmbereich ist jedoch begrenzt, ferner ist seine Mittenfrequenz nicht einfach
einstellbar.
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Die Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu beseitigen.
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Genauer gestattet die Erfindung, wie im folgenden deutlicher werden wird, die folgenden
Vorteile zu vereinigen:
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- geringe Einfügungsverluste außerhalb des Sperrbandes,
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- Funktion in breitem Band, das mit den Eigenschaften von derzeitigen
Empfangsketten verträglich ist (mit einer typischen Bandbreite von 2 bis 18 GHz),
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- großer Frequenzabstimmbereich,
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- hohe Sperrwirkung bei der Abstimmfrequenz,
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- Abstimmsystem ohne Stromverbrauch,
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- sehr geringe Zielerfassungszeit,
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- stark verkleinerte Abmessungen, die eine einfache mikroelektronische Integration
gestatten.
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Für die vorliegende Erfindung ist charakteristisch, daß die Verbindung mit dem
Massepotential für jede Zelle über einen abstimmbaren LC-Resonanzkreis ausgeführt wird
und daß das andere Ende des Leitungssegmentes ein offener Kreis ist.
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Sehr vorteilhaft umfaßt das kapazititive Element des abstimmbaren LC-Resonanzkreises
eine Varaktordiode, deren Anode auf einem einstellbaren Gleichstrompotential gehalten
wird, derart, daß die Steuerung dieses Gleichstrompotentials die Veränderung der
mittleren Sperrfrequenz des Kerbfilters gestattet.
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Genauer hat die Erfindung ein Höchstfrequenz-Kerbfilter zum Gegenstand, wie es in den
Ansprüchen definiert ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der
folgenden genauen Beschreibung deutlich, die mit Bezug auf die beigefügten Figuren
gegeben wird, von denen:
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- die Fig. 1 die Grundstruktur eines Kerbfilters mit gekoppelten Leitungen des
Standes der Technik zeigt, dessen Abstimmfrequenz, die konstruktionsbedingt fest ist,
nicht einstellbar ist,
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- die Fig. 2 ein Dämpfungs-Frequenz-Diagramm ist, das dem Filter von Fig. 1
entspricht,
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- die Fig. 3 für ein abstimmbares Filter gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Entsprechung von Fig. 1 ist,
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- die Fig. 4 für das abstimmbare Filter gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Entsprechung von Fig. 2 ist, wobei die Dämpfungskurven für die beiden äußersten
Abstimmfrequenzen dieses Fllters dargestellt sind,
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- die Fig. 5 perspektivisch eine Ausführungsform des Filters der vorliegenden
Erfindung darstellt und die Weise zeigt, in der sie mit den Techniken der Mikroelektronik
integriert werden kann,
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- die Fig. 6 die Ansprechkurve in Abhängigkeit von der Frequenz ist, die für ein
praktisches Beispiel des Filters gemessen ist, das gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung verwirklicht ist,
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- die Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht des mittleren Frequenzbandes von Fig. 6 ist,
die die Ansprechkurven zeigt, die für verschiedene Abstimmwerte erhalten werden, die
innerhalb des Regelungsbereichs des Filters liegen.
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In Fig. 1 ist die an sich bekannte Struktur eines Kerbfilters vom Typ mit sogenannten
"gekoppelten Leitungen" gezeigt, das in Mikrostreifenleiter-Technologie verwirklicht ist:
Ein solches Filter umfaßt eine Übertragungsleitung 1 in Form eines Mikrostreifens, der
einen Generator 2 für Höchstfrequenzsignale mit einer Lastimpedanz 3 verbindet, wobei er
wenigstens mit einer Filterungszelle (im gezeigten Beispiel: fünf) versehen ist, die aus
einem Mikrostreifensegment 4 gebildet ist, das parallel zur Übertragungsleitung
angeordnet ist und eine elektrische Länge besitzt, die im wesentlichen einem Viertel der
Wellenlänge der mittleren Sperrfrequenz entspricht, die dem Filter verliehen werden soll.
Jedes der Segmente 4 ist mit einem seiner Enden als offener Kreis ausgebildet, während
das andere Ende direkt mit Massepotential verbunden ist.
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Die von einem solchen Filter geschaffene Dämpfung ist in Fig. 2 gezeigt, wobei die
mittlere Frequenz F0 durch die Länge eines jeden Segmentes 4 bestimmt ist und die Breite
des Sperrbandes von der Anzahl der Zellen und von der Impedanz der mit jeder von ihnen
gekoppelten Leitung abhängt.
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Gemäß der Erfindung ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist, die direkte Verbindung mit Masse
eines der Enden eines jeden Segmentes durch einen LC-Resonanzkreis ersetzt, der von
einer mit einer einstellbaren Kapazität 6 in Reihe geschalteten Induktivität 5 gebildet ist, so
daß dieser Kreis für die gekoppelte Leitung eine Last bildet.
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Sehr vorteilhaft wird die einstellbare Kapazität 6 von einer Varaktordiode gebildet, deren
Kathode mit Masse verbunden ist und deren Anode einerseits mit einem der Anschlüsse
der Induktivität 5 und andererseits mit einer Quelle einer negativen Gleichspannung -V
verbunden ist (die jeweiligen Potentiale -V1, -V2, ... , die an die Varaktordioden der
verschiedenen Zellen angelegt werden, sind tatsächlich nicht völlig identisch, da die
theoretische Rechnung zeigt, daß selbst bei Vorhandensein von Bauteilen mit der Streuung
Null eine vorherige Kalibrierung der Potentiale -V1, -V2, ... auf unterschiedliche Werte
(jedoch nur von einigen Prozent) notwendig ist, um sämtliche Zellen auf die gleiche
Mittenfrequenz abzustimmen). Da die Kapazität der Varaktordiode von der an ihre
Anschlüsse angelegten Gleichspannung abhängt, verändert sich die Abstimmfrequenz des
LC-Resonanzkreises mit der Steuerspannung der Varaktordiode. Die Funktion des Filters
wird somit abgewandelt, wobei seine Frequenzabstimmung wesentlich von der an die
Varaktordiode angelegten Gleichspannung abhängt (selbstverständlich werden für ein Filter
mit mehreren Zellen gleichzeitig und auf dieselbe Weise sämtliche Potentiale -V1, -V2,
geändert, um die richtige Abstimmung des Filters beizubehalten).
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Die von einem solchen Filter geschaffene Dämpfung ist in Fig. 4 gezeigt, aus der
ersichtlich ist, daß die Dämpfungskurve ähnlich wie diejenige von Fig. 2 ist, daß sich
jedoch ihre Mittenfrequenz zwischen einem Wert F0min und einem Wert F0max in
Abhängigkeit von dem an die Kathode der Varaktordiode angelegten Potential verschieben
kann, wobei die minimale Frequenz durch die maximale Kapazität der Varaktordiode
erhalten wird, die ihrerseits der geringsten Steuerspannung entspricht.
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Wenn man sich daran erinnert, daß sich die Abstimmfrequenz eines LC-Kreises, dessen
kapazitives Element eine Varaktordiode ist, im wesentlichen logarithmisch mit der
angelegten Spannung andert, wird verständlich, daß die Schaltungen zur Steuerung der
Abstimmfrequenz des Filters besonders einfach werden, insbesondere im Vergleich zu
Abstimmschaltungen, die derzeit für die abstimmbaren YIG-Filter verwendet werden.
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Außerdem ist, obwohl ein Filter mit fünf Zellen gezeigt ist, bei denen sämtliche LC-Kreise
ähnlich sind, diese Anzahl von fünf Zellen in keiner Weise beschränkend und hängt
wesentlich von der Selektivität, die für das Filter gewünscht ist (wenn die Anzahl der
Zellen erhöht wird, wird die Breite des Sperrbandes verkleinert), vom Ort, der auf dem
Substrat vorgesehen ist, um die Zellen zu integrieren, usw. ab.
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In Fig. 5 ist ein Beispiel der Implantierung von Bauelementen dargestellt, das die Weise
zeigt, in der das Filter der vorliegenden Erfindung mit den bekannten mikroelektronischen
Integrationstechniken ohne Schwierigkeit verwirklicht werden kann.
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Das Filter ist beispielsweise auf einem dielektrischen Substrat 7 aus Aluminium (relative
Dielektrizitätkonstante von 9,8) mit geringer Dicke verwirklicht, dessen untere Fläche 8
metallisiert ist, um gleichzeitig die Masseebene und den mechanischen Träger der
Schaltung zu bilden.
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Die Übertragungsleitung 1 ist eine herkömmliche Übertragungsleitung mit einer Impedanz
in der Nähe von 50 Ω, die einen Mikrostreifen enthält, der sich zwischen einem
Eingangspunkt 9 und einem Ausgangspunkt 10 erstreckt.
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Beiderseits dieser Leitung 1 sind fünf Mikrostreifensegmente 4 verteilt, die eine
gekoppelte Leitung bilden; dieses abstimmbare Filter ist daher mit fünf Zellen verwirklicht
worden, diese Anzahl hängt jedoch, wie eben angegeben, in großem Maß von den
endgültigen elektrischen Eigenschaften ab, die erhalten werden sollen. Gegenüber diesen
Segmenten 4 sind Einschnürungen 11, 11 und 12, 12 vorgesehen, die auf bekannte Weise
die Einstellung der Impedanzen (geradzahlig und ungeradzahlig) einer jeden der
gekoppelten Leitungen gestatten.
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Eines der Enden eines jeden Segmentes 4 ist ein offener Kreis, während das andere Ende
über einen Verbindungsdraht 5 mit der Kathode einer Varaktordiode 6 verbunden ist,
wobei dieser Verbindungsdraht die Induktivität 5 des Schaltbildes von Fig. 3 bildet.
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Die Varaktordiode 6 ist vorzugsweise ein Bauelement, das in Form eines auf der
Oberfläche abgelagerten Mikropflasters verwirklicht ist; die Verbindung der Kathode der
Varaktordiode mit Masse ist mittels einer Durchgangsmetallisierung 16 verwirklicht, die
den Bereich der Schaltung, auf den das Mikropflaster gelötet ist, mit der darunterliegenden
Masseebene 8 verbindet.
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An die Anode der Varaktordiode wird über ein Tiefpaßfilter die Gleichspannung -V
angelegt, wobei das Tiefpaßfilter einen Entkopplungskondensator mit hoher Kapazität 13
sowie einen Verbindungsdräht 14 mit großer Lange aufweist, der eine Impedanz mit
großem Wert bildet und über einen Einschnitt 15 verläuft, der die eigentlichen
Höchstfrequenzschaltungen vom dielekttischen Aluminiumsubstrat abgrenzt; somit wird
die Spannungssteuerschaltung der Varaktodioden im Bereich der Höchstfrequenzen völlig
unempfindlich gemacht.
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Zusätzlich kann dafür gesorgt werden, daß das Filter umschaltbar ist, indem der
Reihenresonanzkreis durch einen parallelen Resonanzkreis ersetzt wird und indem die
Polarität der an die Varaktordioden angelegten Spannung variiert wird.
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In diesem Fall können vorteilhaft mehrere Kerbfilter desselben Typs in Kaskade geschaltet
werden, wovon jedes auf einen unterschiedlichen Frequenzbereich abstimmbar ist. Durch
eine selektive Umschaltung des einen oder anderen der Filter kann somit ein viel größerer
Frequenzbereich als derjenige eines einzigen Filters abgedeckt werden, der sich
typischerweise über mehrere Oktaven erstreckt.
Ausführungsbeispiel
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Es ist ein Filter mit fünf Zellen mit der Implantierung von Fig. 5 verwirklicht worden, das
dazu bestimmt ist, unter den folgenden Betriebsbedingungen zu arbeiten:
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- charakteristische Impedanz: 50
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- Durchlaßband (mit Ausnahme der Sperrfrequenz): 2 bis 18 GHz
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- möglicher Abstimmbereich: 7 bis 10 GHz,
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- Breite des Dämpfungsbandes bei -25 dB: 300 MHz.
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Ein diesen Bedingungen gerecht werdendes Filter wird dadurch erhalten, daß die
folgenden Merkmale übernommen werden:
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- fünf Zellen,
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ZOE-Impedanzen im geradzahligen Modus und ZOO-Impedanzen im
ungeradzahligen Modus der gekoppelten Leitungen (in Ohm) einer jeden Zelle:
Nr. der Zelle
ZOE-Impedanz (geradzahliger Modus)
ZOO-Impedanz (ungeradzahliger Modus)
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- Kapazität der Varaktordiode bei -4V: C = 0,45 pF
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- maximales Änderungsverhältnis der Kapazität C0/C25 = 3,7,
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- Induktivität des Verbindungsdrahtes, der die Varaktordiode mit der gekoppelten
Leitung verbindet: L = 0,73 nH.
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Die Leistungseigenschaften des auf diese Weise verwirklichten Filters sind in den Fig. 6
und 7 angegeben, die beide das Ansprechverhalten des Filters zeigen (Fig. 6 für die
gesamte Breite W des Betriebsbandes; Fig. 7 im Veränderungsbereich des Filters).
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Es ist festzustellen, daß sich die Frequenz des Filters auf im wesentlichen logarithmische
Weise in Abhängigkeit von der an die Varaktordiode angelegten Spannung zwischen
ungefähr 6,5 und 9,8 GHz ändern kann, wobei die Breite des gedämpften Bandes w
bei -25 dB 240 MHz beträgt und die maximale Sperrung in der Größenordnung von -40 dB
liegt, wobei diese Werte unabhängig von der Abstimmfrequenz im wesentlichen konstant
sind.