DE1085620B

DE1085620B - Durchstimmbares Mikrowellen-Bandpassfilter

Info

Publication number: DE1085620B
Application number: DEP8115A
Authority: DE
Inventors: Alfred Kaech
Original assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Current assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Priority date: 1952-06-20
Filing date: 1952-07-31
Publication date: 1960-07-21
Also published as: FR1083622A; US2851666A; CH303063A; GB750418A

Description

Die Realisierung¹ von Bandpaßfiltern mit flachem Dämpfungsverlauf im Durchlaßbereich und steilem Dämpfungsanstieg zu den Sperrbereichen beruht bekanntlich auf der passenden Bemessung von in Kaskade gekoppelten Resonanzkreisen. Die Form der Frequenzkurve des Bandpaßfilters hängt dabei vorwiegend von der Zahl der Resonanzkreise, von den Resonanzfrequenzen dieser Kreise und von den gegenseitigen Kopplungsgraden ab. Es läßt sich auch bei Bandpaßfiltern mit vielen Resonanzkreisen eine gewünschte Frequenzkurve noch relativ leicht einstellen, sofern es sich um einen festliegenden Durchlaßbereich handelt. Wird jedoch eine Verschiebbarkeit des Durchlaßbereiches verlangt, so müssen die Resonanzfrequenzen sämtlicher Resonanzkreise in starrem Gleichlauf innerhalb eines größeren Frequenzbereiches verschoben werden. Es besteht dann die Gefahr unzulässiger Veränderungen der für die Frequenzkurve des Bandpaßfilters maßgebenden Größen. Dadurch stößt die praktische Realisierung auf erhebliche Schwierigkeiten mechanischer und elektrischer Art, vor allem wenn innerhalb des jeweiligen Durchlaßbereiches keine großen Reflexionen auftreten dürfen.

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Bandpaßfilter, dessen Durchlaßbereich über ein gewisses Frequenzband verschiebbar ist. Solche Filter finden beispielsweise in Mikrowellen-Breitbandübertragungsanlagen Verwendung, bei welchen die Wellenlängen nach Bedarf jederzeit rasch geändert werden können. Das Filter besitzt mindestens drei jeweils auf dieselbe Frequenz (Bandmittenfrequenz) abgestimmte Resonanzsysteme, die durch Übertragungsleitungsstücke miteinander verbunden sind, deren Längen gleich einem Viertel der Mittenfrequenz des Durchstimmbereiches entsprechenden Wellenlänge λ₀ sind. Die einzelnen Resonanzsysteme sind also nicht als Vierpole untereinander gekoppelt verwendet, sondern sie sind in Abständen von je λ_ο/4 als Zweipole in Paralleloder Serienschaltung zur Übertragungsleitung angeordnet. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Filters bei Parallelschaltung und bei Serienschaltung der Resonanzsysteme ist in Fig. 1 bzw. 2 dargestellt. Es ist bekannt, daß zur Erzielung eines möglichst flachen Verlaufes der Frequenzkurve im Durchlaßbereich die Kreisgüten

Q = RfOO₀-L = R-CO₀-C

der miteinander gekoppelten Resonanzsysteme nach einem bestimmten Gesetz abgestuft werden müssen. Zur Realisierung dieser Bedingung bestehen zwei Wege: Einerseits kann, bei gleichem Belastungswiderstand R für alle Resonanzsysteme, das Verhältnins L: C bei den einzelnen Resonanzsystemen verschieden gehalten werden, andererseits kann das L-C-Ver-Durchstiminbares Mikrowellen-Bandpaßfilter

Anmelder:

»PATELHOLD«
Patentverwertungs- & Elektro-Holding

A.-G.,
Glarus (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 20. Juni 1952 .

Alfred Kach, Nusshaumen (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

hältnis für alle Resonanzsysteme dasselbe sein, wobei R jeweils entsprechend der erforderlichen Kreisgüte zu wählen ist. Das erstgenannte Prinzip ist nur zweckmäßig für Filter, deren Durchlaßbereich nicht verschiebbar, ist.

Das erfindungsgemäße Filter ist nach dem zweitgenannten Prinzip gebaut. Der Erfindungsgedanke sieht vor, als Belastungswiderstand für jedes Resonanzsystem die geeignet transformierten Belastungswiderstände der angrenzenden Resonanzsysteme zu verwenden. Das Filter ist demnach dadurch gekennzeichnet, daß die bei der jeweiligen Abstimmfrequenz bestehenden Kreisgüten der einzelnen Resonanzsysteme dadurch auf die unter Berücksichtigung der für das Filter zugelassenen Welligkeit der Dämpfungskurve im Durchlaßbereich notwendigen Werte gebracht werden, daß die Wellenwiderstände der Ubertragungsleitungsstücke von der Filtermitte aus nach den beiden Filterenden hin symmetrisch gestuft sind.

Für die Wirkungsweise ist wesentlich, daß sich im Durchlaßbereich des Filters die einzelnen Resonanzsysteme wenigstens angenähert auf Resonanz befinden, daß sie jedoch außerhalb der Resonanzlage eine extreme Veränderung ihrer Impedanz aufweisen, die induktiv oder kapazitiv sein kann. Im Resonanzfall wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 der Reso-

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nanzwiderstand der Einzelsysteme sehr groß, bei einer Anordnung nach Fig. 2 sehr klein. Stets wird daher der Durchfluß von Hochfrequenzenergie durch die Übertragungsleitung freigegeben. Beim Abwandern der Frequenz aus der Resonanzlage wird der Energiefluß über die Speiseleitung nicht sofort gestort. Es wird vielmehr durch die Transformatorische Wirkung der einzelnen Stücke der Übertragungsleitung die auftretende Fehlanpassung selbsttätig korrigiert, solange j-x> Z₀ in einer Anordnung nach Fig. 1 oder ; · χ <L Z₀ in einer Anordnung nach Fig. 2 bleibt. Dabei stellt χ die jeweilige Reaktanz eines Einzelsystems und S₀ den Wellenwiderstand der Übertragungsleitung dar. Es ergibt sich dadurch die Bandpaßeigenschaft der gesamten Anordnung, indem bei allen Frequenzen, für welche / · χ Ί> Z₀ (Fig. 1) bzw. j-x<Cz₀ (Fig. 2) die Resonanzsysteme auf die Durchlaß dämpfung des Filters praktisch keinen Einfluß haben. Die Bandbreite des Filters hängt daher im wesentlichen nur von dem Ausmaß ab, in welchem sich bei einer Frequenzänderung die Impedanzen j · χ von dem bei Resonanz gültigen Wert bis zum Wert ^₀ des Wellenwiderstandes der Übertragungsleitung verschieben. Die Flankensteilheit des Filters ist im wesentlichen durch die Anzahl der verwendeten Resonanzsysteme bestimmt. Für Frequenzen, welche außerhalb des Durchlaßbereiches liegen, für welche also j-x<s₀ (Fig. 1) bzw. j-x>z₀ (Fig. 2) ist, entsteht wiederum infolge der Transformationswirkung der einzelnen Stücke der Übertragungsleitung eine sehr große Fehlanpassung und damit eine außerordentliche Sperrwirkung.

Die Einstellung des Filters auf die gewünschte Frequenz erfordert lediglich die Abstimmung aller Resonanzsysteme auf die jeweilige Bandmittenfrequenz. Da also alle Einzelsysteme stets auf dieselbe Resonanzfrequenz abgestimmt sind und auch stets dasselbe L-C-Verhältnis aufweisen, kann hierzu eine einfache mechanische Einrichtung verwendet werden.

Für die Güte des Filters ist die Qualität der einzelnen Resonanzsysteme entscheidend. Zur Erzielung verhältnismäßig schmaler Resonanzkurven dieser Einzelsysteme können sowohl Leitungs- oder Hohlraumresonatoren wie auch konzentrierte Elemente verwendet werden. Die Resonanzsysteme werden mit Vorteil so ausgebildet, daß die bei Betrieb des Filters benutzte Resonanzstelle der Grundwelle entspricht. Die erste Oberwelle tritt daher erst bei der doppelten oder dreifachen Frequenz auf. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Sperrwirkung in einem sehr großen Frequenzgebiet außerhalb des Durchlaßbereiches.

Bei gegebener Anzahl von Einzelkreisen und gegebener Bandbreite weist das erfindungsgemäße Filter eine größere Flankensteilheit der Frequenzkurve auf, als sie sich bei Filtern mit durch Induktivitäten oder Kapazitäten gekoppelten Kreisen erzielen läßt. Das erfindungsgemäße Filter hat daher im Vergleich zu bekannten Bandfiltern wesentlich günstigere Eigenschaften in elektrischer und mechanischer Hinsicht.

Bei Verwendung einer größeren Anzahl von Resonanzsystemen weist die Frequenzkurve solcher Filter im Durchlaßbereich eine Welligkeit auf, welche praktisch oft schon beim vierkreisigen Filter eine unzulässige Größe annimmt. Diese ungünstige Eigenschaft wird erfindungsgemäß behoben, indem die Wellenwiderstände der Stücke der Übertragungsleitung in passender Weise gewählt werden. Sie sind nicht dem Wellenwiderstand S₀ der Übertragungsleitung am Filtereingang und Filterausgang anzugleichen, sondern gemäß Fig. 3 so auszubilden, daß die Wellenwiderstände von der Filtermitte aus nach den beiden Filterenden hin in symmetrischer Weise verschieden gewählt werden. Bei Parallelschaltung gemäß Fig. 1 muß dabei S₀ < Z₁ < s₂ ... und bei Serienschaltung gemäß Fig. 2 z_o>s₁>2₂... sein. Das Filter wirkt dabei im Sinne zweier entgegengesetzt transformierender Impedanztransformatoren mit λ/4 Stücken. Mit der in Fig. 3 gezeigten Anordnung zur Ausebnung der Durchlaßkurve ist die Impedanztransformation des Bandfilters gleich 1:1.

Es kann durch geeignete Wahl der Wellenwiderstände der Stücke auch eine Impedanztransformation durch das Filter erzielt werden. Es arbeitet dann als breitbandiger λ/4-Transformator, d. h., es läßt sich neben der Filterwirkung wenigstens in einem gewissen Bereich zugleich eine Transformation des Wellenwiderstandes erzielen.

Zu diesem Zweck muß die für die Impedanztransformation an sich bekannte gleichsinnige Stufung der Wellenwiderstände der Übertragungsleitung von einem Filterende zum anderen mit der erfindungsgemäß anzuwendenden symmetrischen Stufung kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Filteranordnung eignet sich sowohl zur Verwendung in Koaxialleitungen wie auch in Paralleldrahtleitungen.

Die Fig. 4 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel ein Filter, bei welchem als Resonanzsysteme vier Parallelresonanzkreise als Querzweige in eine Koaxialleitung eingefügt sind. Es bedeuten 1 den Außenleiter und 2 den Innenleiter der koaxialen Übertragungsleitung, Diese beiden Leiter sind in Abständen von λ_ο/4 durch Querverbindungen 3 miteinander verbunden. An diesen Verbindungsstellen sind Rohre 4 angebracht, welche den Innenleiter 1 rechtwinklig durchstoßen und welche am Ende einen durch den Schlitz 5 gebildeten Schleifkontakt aufweisen. Die Querverbindung 3 und das Rohr 4 werden in jedem Resonanzsystem von einem Abstimmbolzen 6 durchsetzt, welcher in seiner Längsrichtung durch schraubenförmige Drehung in einem beispielsweise in der Querverbindung 3 angeordneten Gewinde bewegbar ist. Der Bolzen 6 bildet über das mit ihm in leitendem Kontakt stehende Rohr 4 bis zum Innenleiter 2 eine offene koaxiale Stichleitung, deren Länge jeweils etwas geringer ist als ein Viertel der Wellenlänge, die der eingestellten Bandmittenfrequenz des Filters entspricht. Diese Leitung ist somit bei der jeweiligen Bandmittenfrequenz des Filters in der Weise annähernd auf ihren Serienresonanzpunkt abgestimmt, daß sie eine kapazitive Impedanz aufweist, welche die parallel dazu liegende Induktivität der Querverbindung 3 bei der Filter-Bandmittenfrequenz kompensiert. Die Querverbindung 3 und der Abstimmbolzen 6 im Rohr 4 bilden somit das eigentliche Resonanzsystem jedes Einzelkreises. Die Rohre 4 dienen dazu, den Schleifkontakt 5 angenähert in einen Spannungsbauch des Systems zu legen, so daß praktisch kein Strom über den Schleifkontakt zu übertragen ist.

Jedes Resonanzsystem ist mit einem rohrförmigen Gehäuse 7 umgeben, in welchem das Rohr 4 mit dem Abstimmbolzen 6 den koaxialen Innenleiter darstellt. Zusätzliche Abstimmelemente, beispielsweise in Form von mehr oder weniger tief in das Gehäuse 7 einschraubbaren Bolzen 8, ermöglichen eine Feineinstellung der Eigenfrequenzen der einzelnen Resonanzsysteme zum Zwecke der Einhaltung des elektrischen Gleichlaufes über einen größeren Frequenzbereich. Die Verschiebung der Abstimmbolzen 6 geschieht

durch Zahnräder 9, welche über breite Zahnräder 10 miteinander verbunden sind. Eines dieser Zahnräder wird über die Welleil betätigt, und damit erfolgt die gleichzeitige und gleichsinnige Verstellung aller Abstimmbolzen 6. Die Wellenwiderstände S₁ und s_% der λ/4 Stücke sind gegenüber dem Wellenwiderstand Z₀ an den Filterenden unter Berücksichtigung der Transformationsbedingung Z₁ ² = Z₀ · z_? so abgestuft, daß das Filter im Durchlaßbereich eine nicht mehr störende Welligkeit aufweist.

Die Fig. 5 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel ein Filter, bei welchem als Resonanzsysteme vier Serienresonanzkreise als Längszweige zwischen die einzelnen Abschnitte einer Koaxialleitung eingefügt sind. Wiederum stellt 1 den Außenleiter und 2 den Innenleiter der Koaxialleitung dar. Jeder der Resonatoren 13 stellt eine gefaltete, geschlossene Hohlrohrleitung von λ/2 Länge dar, welche an der Stelle 14 mit der koaxialen Übertragungsleitung verbunden ist. Für die Betriebsfrequenz wirkt die Stelle 14 also als Kurzschluß. Die Stellen 14 folgen längs der koaxialen Übertragungsleitung im Abstand von λ(/4 aufeinander. Jedes der Resonanzsysteme 13 enthält einen Abstimmbolzen 15. Diese Abstimmbolzen sind beispielsweise über ein Zahnradgetriebe, wie es schon in Fig. 4 gezeigt wurde, miteinander verbunden, so daß die Betätigung eines einzigen Griffes die gleichsinnige und gleichzeitige Veränderung der Resonanzfrequenzen der Einzelsysteme bewirkt. Die Wellenwiderstände der λ/4 Stücke sind bei dieser Filterbauart mit Serienresonanzsystem in entgegengesetzter Weise abgestuft als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4; die Stücke mit größtem Wellenwiderstand befinden sich hier an den Filterenden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Durchstimtnbares Mikrowellen-Bandpaßfilter mit mindestens drei jeweils auf dieselbe Frequenz (Bandmittenfrequenz) abgestimmten Resonanzsystemen, die durch Übertragungsleitungsstücke miteinander verbunden sind, deren Längen gleich einem Viertel der der Mittenfrequenz des Durchstimmbereiches entsprechenden Wellenlänge sind, dadurch gelqennfcefchnet, daß die bei der jeweiligen Abstimmfrequenz bestehenden Kreisgüten der einzelnen Resonanzsysteme dadurch auf die unter Berücksichtigung der für das Filter zugelassenen Welligkeit der Dämpfungskurve im Durchlaßband notwendigen Werte gebracht werden, daß die Wellenwiderstände der Übertragungsleitungsstücke von der Filtermitte aus nach den beiden Filterenden hin symmetrisch gestuft sind.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine mechanische Einrichtung zur gleichzeitigen Abstimmung aller Resonanzsysteme auf die jeweilige Bandmittenfrequenz aufweist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonanzsysteme Parallelresonanzkreise verwendet sind und daß diese als Ouerzweige in die Übertragungsleitung eingefügt sind.

4. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonanzsysteme Serienresonanzkreise verwendet sind und daß diese als Längszweige zwischen die einzelnen Übertragungsleitungsstücke eingefügt sind.

5. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände der Übertragungsleitungsstücke von der Filtermitte aus nach den Filterenden hin abnehmen.

6. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände der Übertragungsleitungsstücke von der Filtermitte aus nach den Filterenden hin zunehmen.

7. Abwandlung eines Filters nach Anspruch 5 oder 6, welches zur Einfügung zwischen ungleiche Abschlußwiderstände geeignet ist, wobei die Impedanztransformation durch an sich bekannte gleichsinnige Stufung der Wellenwiderstände der Übertragungsleitungsstücke von einem Filterende zum anderen bewirkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen widerstände der Übertragungsleitungsstücke im Hinblick sowohl auf die geforderte Impedanztransformation wie auch auf die zugelassene Welligkeit der Dämpfungskurve im Durchlaßbereich bemessen sind.

8. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Resonanzsysteme gleich gebaut sind.

9. Filter nach Anspruch 2, 3, 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzsysteme aus konzentrierten Schaltelementen gebaut sind.

10. Filter nach Anspruch 3, S, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Resonanzsystem aus der Parallelschaltung einer als Induktivität wirkenden Querverbindung zwischen den beiden Leitern der Übertragungsleitung zu einer offenen λ/4 Stichleitung besteht, die annähernd auf ihre Serienresonanzfrequenz abgestimmt ist und als Kapazität wirkt.

11. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichleitung koaxial ausgebildet und rechtwinklig zur ebenfalls koaxialen Übertragungsleitung angeordnet ist und daß die Stichleitung zum Zwecke der Abstimmung des Resonanzsystems einen in ihrer Längsrichtung verschiebbaren Abstimmbolzen aufweist, wobei die gleichzeitige und gleichsinnige Verschiebung der Abstimmbolzen aller Resonanzsysteme durch ein Zahnradgetriebe bewirkt wird.

12. Filter nach Anspruch 4, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Resonanzsystem aus einer geschlossenen Hohlrohrleitung von der Länge λ/2 besteht.

13. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlrohrleitungen gefaltet sind.

14. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung des elektrischen Gleichlaufes der Abstimmittel der einzelnen Resonanzsysteme innerhalb des Durchlaßbereiches mindestens eines der Resonanzsysteme zusätzliche, fest einstellbare Abstimmelemente enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 541 375, 2 572 672;
Hans Heinrich Meinke, »Kurven, Formeln und Daten aus der Dezimeterwellentechnik«, München, 1949, Blatt D VI/13 und Blatt D XI/14;

George L. Ragan, »Microwave Transmission Circuits« (Bd. 9 der Massachusetts Institute of Technology Radiation Laboratory Series), New York, Toronto, London, 1948, S. 677 bis 706.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen