Bandsperrfilters.

In funktechnischen Anlagen, insbesondere im Mobilfunk- bereich, wird häufig für Sende-und Empfangssignale eine gemeinsame Antenne benutzt. Dabei verwenden die Sende-und Empfangssignale jeweils unterschiedliche Frequenzbereiche, und die Antenne muss zum Senden und Empfangen in beiden Frequenzbereichen geeignet sein. Zur Trennung der Sende- und Empfangssignale ist deshalb eine geeignete Frequenz- Filterung erforderlich, mit der einerseits die Sendesigna- le vom Sender zur Antenne und andererseits die Empfangs- signale von der Antenne zum Empfänger weitergeleitet wer- den. Zur Aufteilung der Sende-und Empfangssignale werden heutzutage unter anderem Hochfrequenzfilter in koaxialer Bauweise eingesetzt.

Beispielsweise kann ein Paar von Hochfrequenzfiltern ein- gesetzt werden, die beide ein bestimmtes Frequenzband durchlassen (Bandpassfilter). Alternativ kann ein Paar von Hochfrequenzfiltern verwendet werden, die beide ein be- stimmtes Frequenzband sperren (Bandsperrfilter). Ferner kann ein Paar von Hochfrequenzfiltern verwendet werden, von denen ein Filter Frequenzen unterhalb einer Frequenz zwischen Sende-und Empfangsband durchlässt und Frequenzen oberhalb dieser Frequenz sperrt (Tiefpassfilter), und der andere Filter Frequenzen unterhalb einer Frequenz zwischen Sende-und Empfangsband sperrt und darüber liegende Fre- quenzen durchlässt (Hochpassfilter). Auch weitere Kombina- tionen aus den soeben genannten Filtertypen sind denkbar.

Hochfrequenzfilter werden häufig aus koaxialen Resonatoren aufgebaut, da sie aus Fräs-bzw. Gussteilen bestehen, wodurch sie einfach herstellbar sind. Darüber hinaus ge- währleisten diese Resonatoren eine hohe elektrische Güte sowie eine relativ große Temperaturstabilität.

Ein Beispiel eines gattungsbildenden koaxialen Hochfre- quenzfilters ist in der Druckschrift EP 1 169 747 B1 be- schrieben. Dieser Filter umfasst einen Resonator mit einem zylindrischen Innenleiter und einem zylindrischen Außen- leiter, wobei zwischen einem freien Ende des Innenleiters und einem auf dem Außenleiter befestigten Deckel eine Kapazität gebildet ist, die Einfluss auf die Resonanz- frequenz hat. Ferner umfasst der Resonator ein Abstimm- element aus dielektrischem Material, mit dem die Resonanz- frequenz des'Filters einstellbar ist. Das Abstimmelement ist im Innenleiter des Resonators beweglich, wodurch die Kapazität zwischen freiem Ende des Innenleiters und dem Deckel des Resonators verändert wird und hierdurch die

Resonanzfrequenz variiert.

Aus der Druckschrift"Theory and Design of Microwave Fil- ters", Ian Hunter, IEE Electromagnetic Waves Series 48, Abschnitt 5.8 sind koaxiale Resonatorfilter mit einer Vielzahl von miteinander gekoppelten Einzelresonatoren bekannt.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hochfrequenz- filtern erweist es sich als nachteilhaft, dass Filter mit niedrigen Resonanzfrequenzen zu einem großen Bauvolumen führen, was wiederum die Material-und Bearbeitungskosten erhöht. Das große Bauvolumen resultiert daher, dass eine niedrige Resonanzfrequenz durch einen langen Innenleiter erreicht wird. Zwar kann die Resonanzfrequenz auch durch Verminderung des Abstandes des Filterdeckels zum freien Ende des Innenleiters vermindert werden, jedoch hat dies den unerwünschten Effekt, dass die Durchschlagfestigkeit des Resonators vermindert wird. Bei zu geringen Abständen zwischen dem freien Ende des Innenleiters und dem Deckel kommt es aufgrund der dort anliegenden Spannung schnell zu Durchschlägen über die Luftschicht zwischen Deckel und freiem Ende des Innenleiters, was die Signalübertragung beeinflusst und das Filter zerstören kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Hochfrequenzfilter in koaxialer Bauweise zu schaffen, welcher eine hohe Durchschlagfestigkeit bei gleichzeitig geringem Bauvolumen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängi- gen Ansprüchen definiert.

Das erfindungsgemäße Hochfrequenzfilter umfasst einen als Innenleiterohr ausgestalten elektrisch leitenden Innenlei- ter, einen elektrisch leitenden Außenleiter sowie einen elektrisch leitenden Boden, der den Innenleiter und den Außenleiter elektrisch miteinander verbindet. Ferner ist ein Deckel vorgesehen, der das Hochfrequenzfilter gegen- über dem Boden abdeckt. Der Deckel weist eine Innen-und Außenseite auf, wobei die Innenseite auf ein freies Ende des Innenleiterrohrs zuweist. In dem Hochfrequenzfilter ist zwischen Außenseite des Deckels und dem freien Ende des Innenleiterrohrs eine dielektrische Schicht mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten größer als 2 angeord- net. Die radiale Ausdehnung der dielektrischen Schicht deckt dabei im Wesentlichen den Querschnitt des Innenlei- terrohrs an seinem freien Ende ab. Durch eine derartige dielektrische Schicht wird aufgrund der hohen Dielektrizi- tätskonstanten eine Erhöhung der Kapazität und damit eine Verminderung der Resonanzfrequenz erreicht, ohne das Bau- volumen zu vergrößern. Da die dielektrische Schicht im Wesentlichen den gesamten Querschnitt des Innenleiterrohrs abdeckt, ist darüber hinaus die Durchschlagsfestigkeit zwischen Innenleiterrohr und Deckel verbessert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als dielektrische Schicht hochdielektrisches Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten von größer bzw. gleich 5, vorzugsweise größer bzw. gleich 8, besonders bevorzugt größer bzw. gleich 9 verwendet. Es können auch Materialien mit weitaus höherer Dielektrizitätskonstante verwendet werden, beispielsweise Materialien mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten größer bzw. gleich 40.

Zum Beispiel kann die Konstante zwischen 40 und 80 oder zwischen 60 und 80 liegen. Als Materialien mit hohen Di-

elektrizitätskonstanten werden für die dielektrische Schicht z. B. Keramikmaterialien verwendet, insbesondere Aluminiumoxid-Keramik.

Vorzugsweise ist die Fläche der radialen Ausdehnung der dielektrischen Schicht wenigstens das 2-fache der Fläche des Querschnitts des Innenleiterohrs an seinem freien Ende. Hierdurch wird eine große Abdeckung des Innenleiter- rohrs mit dielektrischem Material erreicht, so dass eine sehr hohe Durchschlagfestigkeit gewährleistet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Querschnitt des Innenleiterrohrs an seinem freien Ende im Wesentlichen kreisförmig. Ebenso kann die radiale Ausdehnung der di- elektrischen Schicht im Wesentlichen kreisförmig sein.

Sind sowohl der Querschnitt des Innenleiterrohrs an seinem freien Ende als auch die radiale Ausdehnung der dielektri- schen. Schicht kreisförmig, ist in einer bevorzugten Va- riante der Erfindung der Durchmesser der radialen Aus- dehnung mindestens genauso groß wie der Durchmesser des Querschnitts. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der radialen Ausdehnung zumindest. das 1,5-fache des Durch- messers des Querschnitts. Darüber hinaus kann auch der Außenleiter einen im Wesentlichen kreisförmigen Quer- schnitt aufweisen, dessen Durchmesser vorzugsweise minde- stens das 2-fache des Durchmessers der radialen Ausdehnung der dielektrischen Schicht beträgt.

In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist die dielektrische Schicht an dem Deckel des Hochfrequenz- filters angeordnet, insbesondere an dem Deckel befestigt.

Beispielsweise kann die dielektrische Schicht in einer Aufnahme in der Innenseite des Deckels eingesetzt sein.

Die dielektrische Schicht kann in der Aufnahme durch Form- schluss, insbesondere durch einen über den Rand der di- elektrischen Schicht vorstehenden Rand an der Innenseite des Deckels gehalten sein. Alternativ bzw. zusätzlich zum Formschluss kann die dielektrische Schicht an der Innen- seite des Deckels durch Adhäsionsmittel, insbesondere Klebstoff, gehalten sein. In einer weiteren Variante der Erfindung schließt die dielektrische Schicht mit der In- nenseite des Deckels ab.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Hoch-frequenz- filter mehrere Resonatoren auf, wobei eine einzige durch- gehende, wenigstens teilweise streifenförmig ausgebildete dielektrische Schicht für alle Resonatoren vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße Hochfrequenzfilter ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass durch die Ausgestaltung und Kopplung der Resonatoren eine Duplexweiche gebiLdet wird.

Jedoch ist auch eine Ausgestaltung als Bandpassf : Llter oder Bandsperrfilter denkbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben.

Es zeigen : Figur 1 : die Seitenansicht auf eine Ausführungsform eines im erfindungsgemäßen Hocinfrequenz- filter verwendeten Resonators ; Figur 2 : eine Draufsicht auf den Resonator der Fi- gur li

Figur 3 : eine Draufsicht auf eine Abwandlung des Resonators der Figur 2 ; Figur 4 : eine Draufsicht auf die Innenseite des Resonatordeckels gemäß einer Ausführungs- form der Erfindung ; Figur 5 : eine Draufsicht auf einen Bandpassfilter, in dem mehrere Resonatoren gemäß Figur 3 verwendet werden ; und Figur 6 : eine Schnittansicht entlang der Linie I-I des Bandpassfilters der Figur 5.

Figur 1 zeigt die Seitenansicht eines Resonators zur Ver- wendung in einem erfindungsgemäßen Hochfrequenzfilter. Es handelt sich um einen Resonator in koaxialer Bauweise, der sich entlang der Achse A erstreckt. Der Resonator umfasst ein elektrisch leitendes zylindrisches Innenleiterrohr 1, dessen unteres Ende 1b in einem Boden 3 eingesetzt ist.

Der Boden 3 ist ebenfalls zylindrisch ausgestaltet und an seinem Außenrand mit einem zylindrischen Außenleiterrohr 2 verbunden. Über den Boden 3 wird eine elektrisch leiten- de Verbindung zwischen Außenleiterrohr 2 und Innenleiter- rohr 1 hergestellt. Auf dem Außenleiterohr befindet sich ein Deckel 5 mit der Innenseite 5a und der Außenseite 5b.

In einer Aufnahme an der Innenseite 5a ist ein schwarz dargestelltes Dielektrikum 6 eingesetzt. Das Dielektrikum liegt gegenüber einem freien Ende la des Innenleiterrohrs 1. Der Abstand 4 zwischen dem Deckel 5 und dem freien Ende la des Innenleiterrohrs 1 beträgt üblicherweise 3 bis 4 mm und kann auf bis zu 0,5 mm verringert werden. In Figur 1 schließt die dielektrische Schicht mit der Innenseite des

Deckels ab. Es ist auch möglich, dass die dielektrische Schicht aus der Innenseite des Deckels herausragt oder die Innenseite des Deckels über die dielektrische Schicht hervorsteht.

In dem Resonator der Figur 1 entsteht bei Resonanz am freien Ende la eine Spannungsüberhöhung, wobei der Betrag der Spannung proportional zur Signalleistung ist, mit der der Resonator beaufschlagt wird. Die Oberseite des freien Endes des Innenleiterrohrs 1 und die Innenseite 5a des Deckels bilden einen Plattenkondensator, dessen Kapazität CDachdirekt proportional zur relativen Dielektrizitätskon- stanten er des Materials zwischen dem Kondensator ist. In dem Resonator der Figur 1 wird hierbei hochdielektrisches Material 6 mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten verwendet, die deutlich über Luft liegt. Vorzugsweise weist die relative Dielektrizitätskonstante Werte über 40 auf. Dies bedeutet, dass die Kapazität Coach-in Gegensatz zu herkömmlichen Resonatoren-sehr hoch ist. Die Kapazi- tät CDach stellt dabei eine Parallelkapazität zum eigentli- chen Resonator dar und hängt mit der Resonanzfrequenz des Resonators wie folgt zusammen : 1 2 (C+CD) Hierbei stellt f die Resonanzfrequenz des Resonators, L die Induktivität des Resonators, C die Kapazität des Reso- nators und Coach die beschriebene Parallelkapazität an der Oberseite des Resonators dar.

Aus obiger Formel ergibt sich, dass die Resonanzfrequenz umso niedriger ist, je höher Coach ist. Durch das Dielektri-

kum 6 des Resonators der Figur 1 kann somit ein Resonator mit niedriger Resonanzfrequenz geschaffen werden. Gemäß dem Stand der Technik wurden Resonatoren mit niedrigen Resonanzfrequenzen nicht durch die Verwendung eines Di- elektrikums, sondern durch die Verringerung des Abstandes zwischen dem Deckel und dem freien Ende des Innenleiter- rohrs erreicht. Der Verkleinerung dieses Abstandes sind jedoch Grenzen gesetzt, da hierdurch die Durchschlagfes- tigkeit des Resonators stark verringert wird. Um dieses Problem zu vermeiden, werden in Resonatoren nach dem Stand der Technik alternativ breitere Innenleiterrohre verwen- det, wodurch ebenfalls die Resonanzfrequenz verringert wird. Dies führt jedoch zu einem größeren Resonatorvolumen und somit zu höheren Material-und Bearbeitungskosten. Im Gegensatz dazu kann mit dem Resonator der Figur 1 eine niedrige Resonanzfrequenz, eine hohe Durchschlagfestigkeit sowie ein geringes Bauvolumen erreicht werden.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Resonator der Figur 1. Es ist hierbei insbesondere ersichtlich, dass das In- nenleiterrohr 1 sowie das Außenleiterohr 2 zylindrisch ausgestaltet sind. Darüber hinaus ergibt sich die radiale Ausdehnung der dielektrischen Schicht 6, deren kreisförmi- ger Rand in Figur 2 mit 6'bezeichnet ist. Damit eine hohe Durchschlagfestigkeit selbst bei geringen Abständen zwischen freiem Ende la des Innenleiterrohrs und dem De- ckel 5 gegeben ist, ist der Durchmesser d1 der dielektri- . sehen Schicht größer als der Durchmesser dudes Querschnit- tes des Innenleiterrohrs. Vorzugsweise beträgt der Durch- messer dl das 1, 5-fache des Durchmessers d. Der Durch- messer d3 des Außenleiterrohrs ist wesentlich größer als die Durchmesser d und d. In einer bevorzugten Variante ist der Durchmesser du doppelt so groß wie der Durchmesser

di.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Abwandlung des Resonators der Figur 2. In dem Resonator der Figur 3 ist der Außenleiter 2 nicht zylindrisch, sondern im Wesentli- chen quadratisch mit abgerundeten Ecken. Die Form des Innenleiters 1 sowie der dielektrischen Schicht 6 ist weiterhin zylindrisch bzw. kreisförmig. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Innenleiterrohr bzw. die dielektrische Schicht andere Formen aufweisen, insbesondere können sie ebenfalls quadratisch ausgestaltet sein. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die radiale Ausdehnung der dielek- trischen Schicht wenigstens eine Größe aufweist, welche der Querschnittsfläche des Innenleiterrohrs entspricht.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine mögliche Ausge- staltung der Innenseite 5a des Deckels 5 aus Figur 1.

Zwecks besserer Darstellung ist die Innenseite des Deckels schraffiert gezeigt. Es ist ersichtlich, dass ein innerer Rand 5'des Deckels über die dielektrische Schicht 6 vor- steht. Hierdurch wird mittels Formschluss ein Halten der dielektrischen Schicht in der Aufnahme des Deckels 5 ge- währleistet. Es sind jedoch auch eine Vielzahl von anderen Haltemechanismen zum Halten der dielektrischen Schicht 6 in dem Deckel 5 möglich. Beispielsweise kann die dielek- trische Schicht 6 in der Aufnahme eingeklebt sein.

Figur 5 zeigt die Draufsicht auf einen Bandpassfilter, in dem vier der Resonatoren der Figur 3 verwendet werden, wobei der Deckel der Resonatoren nicht dargestellt ist.

Die Außenleiter der einzelnen Resonatoren sind über Blen- den 7 miteinander verbunden, so dass ein gesamtes umlau- fendes Gehäuse 2'gebildet wird. Durch die Blenden wird

eine Verkopplung der Resonatoren erreicht, um die ge- wünschte Antwort des Bandpassfilters zu erzeugen. Das Maß der Verkopplung wird durch den Abstand zwischen den Reso- natoren sowie durch die Größe der Blendenöffnung bestimmt.

Die Mittenfrequenz des Bandpassfilters ist dabei propor- tional zur Länge des Innenleiterrohrs 1.

Figur 6 zeigt eine Schnittansicht des Bandpassfilters gemäß Figur 5 entlang der Linie I-I, wobei der Deckel des Bandpassfilters auf der Oberseite angebracht ist. Es ist ersichtlich, dass ein durchgehender Deckel 5"auf der Oberseite des Gehäuses 2'aufliegt. In Analogie zu Figur 1 ist wiederum gegenüber dem freien Ende la des jeweiligen Innenleiters 1 eine dielektrische Schicht 6 vorgesehen, durch welche die Durchschlagfestigkeit sowie die Baugröße des Bandpassfilters vermindert wird. Alternativ kann eine einzige durchgehende dielektrische Schicht in der Form eines Streifens vorgesehen sein, wobei der Streifen sich in Längsrichtung des Gehäuses 2'erstreckt und eine Breite derart aufweist, dass jedes Innenleiterrohr durch den Streifen abgedeckt wird.