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Filteranordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter für kurze und sehr kurze elektromagnetische
Wellen, dessen Konstanz und Phasenwinkelfreiheit des Eingangswiderstandes im Durchlaßbereich
und außerhalb des Durchlaßbereiches eine Zweipolschaltung herbeiführt, die von der
Filtereingangs-Speiseleitung an einer Stelle abzweigt, an welcher der außerhalb
des Durchlaßbereiches zu korrigierende Filtereingangs-Scheinwiderstand als hoher
Widerstand in Erscheinung tritt, dem der Eingangswiderstand der Zweipolschaltung
parallel liegt, der außerhalb des Filter-Durchlaßbereiches die Größe des Eingangswiderstandes
annimmt, den das Filter im Durchlaßbereich hat, während im Filter-Durchlaßbereich
der Eingangswiderstand der einen Absorptionswiderstand enthaltenden Zweipolschaltung
einen hohen Betrag erreicht, der ohne Einfluß auf den in diesem Bereich an der Abzweigstelle
meßbaren Nennwert des Filter-Eingangswiderstandes ist.
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Eine derartige Filteranordnung ist beispielsweise durch die USA.-Patentschrift
2 640 916 bekannt. Diese bekannte Filterschaltung ergibt jedoch die geforderte Anpassung
nur bei zwei diskreten Frequenzen bzw. schmalen Frequenzbändern, von welchen die
eine Frequenz bzw. das eine Frequenzband dem Filter-Durchlaßbereich und die andere
Frequenz bzw. das andere schmale Frequenzband dem einen der beiden Filter-Sperrbereiche
angehört.
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Bei Filtern, vornehmlich zur Verwendung in Antennenweichen zum Betrieb
eines Senders und eines Empfängers an einer gemeinsamen Antenne, ist jedoch häufig
die Forderung gegeben, die Eingangsimpedanz des Filters in weiten Grenzen reell
und frequenzunabhängig zu machen. Da ein Filter, beispielsweise ein Bandpaßfilter,
nur im Durchlaßbereich einen überwiegend reellen Eingangsseheinwiderstand hat, im
Sperrbereich bzw. in den Sperrbereichen jedoch einen reinen Blindwiderstand als
Eingangsscheinwiderstand besitzt, ist es sehr schwierig, diese Forderung zu erfüllen.
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Es gehören zwar Mikrowellen-Bandpaßfilter dem Stande der Technik an,
die über einen kleineren oder größeren Frequenzbereich durchstimmbar sind und die
einen Eingangswiderstand aufweisen, der im Filter-Durchlaßbereich und in den Sperrbereichen
zu beiden Seiten des Durchlaßbandes durch eine Zweipolschaltung konstant und reell
ist. Im Unterschied zur Anordnung nach der USA.-Patentschrift 2 640 916 und zur
Siebschaltung nach der Erfindung ist jedoch bei diesen Mikrowellenfiltern für die
gleichfalls einen Absorptionswiderstand enthaltende Zweipolschaltung, welche die
Konstanz und Phasenwinkelfreiheit des Eingangswiderstandes der Gesamtanordnung herbeiführt,
im wesentlichen der gleiche Aufwand an Bauteilen erforderlich wie für den die geforderte
Selektivität ergebenden Reaktanzvierpol.
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Ferner sind aus dem Gebiet der Niederfrequenztechnik Schaltungen bekannt,
mit deren Hilfe über einen größeren Frequenzbereich ein konstanter, reeller Eingangswiderstand
erzielt wird. Diese Schaltungen lassen sich jedoch insbesondere im Bereich der sehr
kurzen Wellen nicht mehr ohne weiteres realisieren, da es in diesem Wellenbereich
im Gegensatz zum Niederfrequenzgebiet im wesentlichen nur Schaltelemente mit verteilten
Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen gibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, der
es ermöglicht, im Bereich der kurzen und sehr kurzen elektromagnetischen Wellen
eine Filteranordnung zu verwirklichen, die einen über ein weites Frequenzgebiet
im wesentlichen reellen und konstanten Eingangsscheinwiderstand besitzt.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Filteranordnung für kurze
und sehr kurze elektromagnetische Wellen, deren Konstanz und Phasenwinkelfreiheit
des Eingangswiderstandes im Durchlaßbereich und außerhalb des Durchlaßbereiches
eine Zweipolschaltung herbeiführt, die von der Filtereingangs-Speiseleitung an einer
Stelle abzweigt, an welcher der außerhalb des Durchlaßbereiches zu korrigierende
Filtereingangs-Scheinwiderstand als hoher Widerstand in Erscheinung tritt, dem der
Eingangswiderstand der Zweipolschaltung parallel liegt, der im Sperrbereich die
Größe des Eingangswiderstandes annimmt, den das Filter im Durchlaßbereich hat, während
im Filter-Durchlaßbereich der Eingangswiderstand
der einen Absorptionswiderstand
enthaltenden Zweipolschaltung einen hohen Betrag erreicht, der ohne Einfluß auf
den in diesem Bereich an der Abzweigstelle meßbaren Nennwert des Filter-Eingangswiderstandes
ist, gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die für die Zweipolschaltung vorgesehene
Stichleitung, deren Länge der Hälfte der Betriebswellenlänge des Filters entspricht
und deren Wellenwiderstand mit dem Wellenwiderstand der Filtereingangs-Speiseleitung
zumindest angenähert übereinstimmt, durch einen als Absorptionswiderstand dienenden
Wirkwiderstand von der Größe des Wellenwiderstandes in zwei i./4-Stücke unterteilt
ist, und daß das dem Abzweigpunkt ferne Stichleitungsende eine Impedanz abschließt,
die im Filter-Durchlaßbereich einen gegenüber dem Stichleitungs-Wellenwiderstand
hohen und außerhalb des Filter-Durchlaßbereiches einen gegenüber dem Stichleitungs-Wellenwiderstand
niedrigen Scheinwiderstand aufweist. Im Gegensatz zu der bekannten Schaltung wird
beim Erfindungsgegenstand die zu fordernde Anpassung zwischen dem Generator und
der anschließenden Speiseleitung nicht nur in zwei diskreten schmalen Frequenzbändern
sichergestellt, sondern vom unteren Sperrbereich des Filters über den Durchlaßbereich
hinweg bis weit hinein in den oberen Sperrbereich.
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Nachstehend wird die Siebschaltung nach der Erfindung an Hand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In der Fig. 1 ist ein beispielsweise dreikreisiges Bandpaßfilter 1
in die Leitung 2 eingeschaltet, die einen Hochfrequenzsender, beispielsweise für
Dezimeter- oder Zentimeterwellen, mit einem Verbraucher 3, gegebenenfalls einer
Antenne, verbindet. Ein Bandpaßfilter hat bekanntlich die Eigenschaft, im Durchlaßbereich
bei reflexionsfreiem ausgangsseitigem Abschluß einen Eingangsseheinwiderstand mit
praktisch fast ausschließlich reeller Komponente aufzuweisen, der sich jedoch im
Sperrbereich in einen reinen, frequenzabhängigen Blindwiderstand wandelt. Im Sperrbereich
des Filters 1 ist daher die Speiseleitung 2 an der Filtereingangsseite stark fehlangepaßt,
woraus sich vielfach unerwünschte Rückwirkungen auf die Sendeseite ergeben.
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Zur Beseitigung der Wirkungen dieser Fehlanpassung ist vor dem Filter
1 die Speiseleitung 2 mittels eines Zweipols 4 überbrückt, von welchem bekanntlich
folgende Eigenschaften zu fordern sind. Im Durchlaßbereich des Filters soll der
Zweipol 4 einen gegenüber dem Wellenwiderstand der Speiseleitung hohen Scheinwiderstand
besitzen. Im Sperrbereich des Filters 1 soll der Zweipol 4 einen Scheinwiderstand
aufweisen, der wenigstens angenähert dem Wellenwiderstand der Speiseleitung 2 entspricht.
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An der Stelle A in die Speiseleitung eintretende Wellen finden daher,
sofern ihre Frequenz im Durchlaßbereich des Filters 1 liegt, dessen reellen, die
Speiseleitung 2 im wesentlichen reflexionsfrei abschließenden Eingangsscheinwiderstand
vor. Hingegen ist für elektromagnetische Wellen, deren Frequenz den Sperrbereichen
zu beiden Seiten des Durchlaßbereiches des Filters 1 angehört, der dem Wellenwiderstand
der Speiseleitung 2 gleiche Scheinwiderstand des Zweipols 4 maßgebend.
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Im Bereich der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen, in dem konzentrierte
Schaltelemente praktisch nicht mehr realisierbar sind, eignet sich für den Zweipol
o die in den Fig. 2 und 3 ersatzschaltbildmäßig gezeigte Schaltungskonfiguration.
Bei dieser wird der Zweipol durch einen Leitungsabschnitt gebildet, der wenigstens
angenähert den gleichen Wellenwiderstand wie die Speiseleitung 2 aufweist. Die Länge
dieses Leitungsabschnittes entspricht der halben mittleren Betriebswellenlänge.
In einer Entfernung von der Anschlußstelle B, die einem Viertel der Betriebswellenlänge
gleich ist, wird der ;:/2-Leitungsabschnitt des Zweipols 4 mittels eines Absorptionswiderstandes
5 vom Wert des Wellenwiderstandes dieses Leitungsabschnittes überbrückt. An dem
der Anschlußseite B abgewandten Ende, also in einer Entfernung vom Absorptionswiderstand
5, die einem Viertel der Betriebswellenlänge entspricht, ist der Leitungsabschnitt
mittels eines Parallelresonanzkreises abgeschlossen, der auf die Bandmittenfrequenz
des Durchlaßbereiches des Filters 1 abgestimmt ist.
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Hinsichtlich des Einflusses des Zweipols 4 auf elektromagnetische
Wellen, die der Bandpaß 1 dämpfungsfrei zu übertragen hat, ist festzustellen, daß
im Frequenzbereich des Durchlaßbandes des Filters 1 der Parallelresonanzkreis 6
eine sehr hohe Impedanz besitzt, die durch die ;,/4-Leitung, die sich zwischen dem
Parallelresonanzkreis 6 und dem Absorptionswiderstand 5 erstreckt, am Anbringungsort
des Absorptionswiderstandes 5 als unendlich hoher Leitwert wirksam ist. Die auf
diese Weise am Anbringungsort des Absorptionswiderstandes 5 entstehende Kurzschlußstelle
der 2/2-Leitung tritt durch die transformierende Wirkung ihres %/4-Abschnittes,
der den Absorptionswiderstand 5 mit der Anschlußstelle B verbindet, an der letzteren
als sehr hohe Impedanz in Erscheinung. Diese hohe Impedanz stört dann an der Speiseleitung
2 praktisch nicht, denn deren Wellenwiderstand ist ja wesentlich niedriger und liegt
beispielsweise in der Größenordnung von 60 Ohm.
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Bei Frequenzen, die den Sperrbereichen zu beiden Seiten des Durchlaßbereiches
des Bandpasses 1 angehören, ist hingegen die Impedanz des Parallelresonanzkreises
6 wesentlich geringer als der Wellenwiderstand des angrenzenden;,/4-Leitungsabschnittes,
wodurch die Impedanz des Parallelresonanzkreises 6 an der Stelle des Absorptionswiderstandes
5 in den an das Filter-Durchlaßband angrenzenden Frequenzbereichen als Impedanz
hohen Betrages erscheint. Am Anbringungsort des Absorptionswiderstandes 5 ist somit
bei diesen Frequenzen praktisch lediglich dessen Widerstandswert meßbar. Von diesem
Widerstandswert ist im vorhergehenden bereits vorausgesetzt worden, daß er mit dem
Wellenwiderstand der d/2-Leitung des Zweipols 4 übereinstimmt. Der Absorptionswiderstand
5 schließt somit in diesem Falle den sich zwischen ihm und der Anschlußstelle B
befindlichen nJ4-Leitungsabschnitt reflexionsfrei ab. Folglich hat der gesamte Zweipol
4 an der Anschlußstelle B eine Eingangsimpedanz vom Betrag des Wellenwiderstandes
der i/2-Leitung, das sind beispielsweise etwa 60 Ohm. Das macht sich bei der Anordnung
nach der Fig. 1 dann so bemerkbar, daß der Leitungsabschnitt 2 an der Stelle B praktisch
reflexionsfrei abgeschlossen erscheint.
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Zur Erzielung einer besonderen, vorgegebenen Frequenzabhängigkeit
des Scheinwiderstandsverlaufes der den A/2-Leitungsabschnitt an dem der Anschlußseite
B abgewandten Ende abschließenden Impedanz, die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2
durch einen Parallelresonanzkreis verwirklicht ist, empfiehlt
es
sich in manchen Fällen, zwischen diese Impedanz und dem anschließenden 2./4-Leitungsabschnitt
eine entsprechend bemessene Transformationsvorrichtung 7 einzufügen. Außerdem ist
es in manchen Fällen von Vorteil, parallel zum Absorptionswiderstand 5 eine Impedanz
veränderbaren Impedanzwertes, beispielsweise eine einstellbare Kapazität, zu schalten,
um gewisse Korrekturen an den Anpassungsverhältnissen nachträglich vornehmen zu
können.
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Ebenso wie bei bekannten Filteranordnungen mit reellem und konstantem
Eingangswiderstand im Durchlaßbereich und außerhalb des Durchlaßbereiches ist bei
der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung
die mit l bezeichnete elektrische Länge des zwischen dem Eingang des Filters 1 und
der Anschaltungsstelle B des Zweipols 4 gelegenen Abschnittes der Speiseleitung
2 derart groß gewählt, daß der Eingangsscheinwiderstand des Filters 1 im Sperrbereich
an der Anschaltungsstelle B so hoch wie nur möglich in Erscheinung tritt. Es wird
hierdurch in Abhängigkeit von der Frequenz zwischen dem Filter 1 und dem Zweipol
o eine wirksamere Verteilung der in den Leitungsabschnitt 2 eingespeisten Wellen
erreicht.
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Die Verluste im Zweipol o werden zweckmäßig durch einen entsprechenden
Abgleich des Filters hinsichtlich seines Gesamtscheinwiderstandes berücksichtigt.
Die einzelnen Transformationsleitungen werden bei einem größeren Durchstimmbereich
von Filter und Kompensationszweipol zweckmäßig in ihrer elektrischen Länge veränderbar
ausgebildet, z. B. durch Einfügung einer Leitungsverlängerung nach Art einer Posaune.