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Bandsperre für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung
betrifft eine Bandsperre für sehr kurze elektromagnetische Wellen, deren Resonatoren
in der Art von koaxialen Radialresonatoren ausgebildet sind, die aus einem durchgehenden
Innenleiter und einem sich gegenüber einem koaxialen Anschlußleiter sprunghaft erweiternden
Außenleiter be# stehen, dessen Abmessung in Längsriclitung klein ist gegenüberderWellenlängederzusperrendenFrequenz.
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Bei Frequenzumsetzern, Verstärkern und Frequenzvervielfachern im NEkrowellenbereich
muß mit einem geeigneten Filter eine Energie relativ niedriger Frequenz aus- oder
eingekoppelt und die Energie einer relativ hohen Frequenz möglichst'vollständig
reflektiert werden. Zum Beispiel »soll in einem Aufwärts- oder Abwärtsumsetz-er
am Zwischenfrequenzanschluß die Zwischenfrequenzenergie eingespeist bzw. entnommen
werden, während die, 1\Qrowellenseite an dieser Stelle in bestimmter Weise rein
blind abgeschloss'en sein soll; dasselbe trifft in einem parametrischen Verstärker
auf die zu verstärkende Signalenergie einerseits und auf die Idler- und Pumpfrequenz
andererseitg,'beiin Vervielfacher auf die zu vervielfachende bzw. auf die vervielfachte
Frequenz zu.
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An das jeweils koppelnde Filter sind däbei folgende# Forderungen zu
stellen: Im gewünschten Trequenzbereich möglichst große Sperrdämpfung, kleine Eigenverluste
und eine mit der Frequenz sich m#inimal ändernde Leerlauf- oder Kurzschlußebene,
bei der relativ niedrigen Frequenz eine möglichst kleine Impedanzstörung z. B. beim
Umsetzer möglichst kleine Parallelkapazität.
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# Die bisher bekannten Filter erfüllen diese Bedingungen insbesondere
für hohe Dämpfungsanforderungen und einen verhältnismäßig breiten Durchlaßbereich
bei kleiner Parallelkapazität für die Zwischenfrequenz nicht optimal. Geeigneter
in diesem Zusammenhang erscheint eine Bandsperre, deren Resonatoren in der Art von
koaxialen Radialresonatoren ausgebildet sind. In diesem Zusammenhang ist bereits
ein Filter bekanntgeworden, bei dem die einzelnen Radialresonatoren, die aus einem
Ab-
schnitt einer Koaxialleitung bestehen, deren Außenleiter sich gegenüber
einem koaxialen Anschlußleiter sprunghaft erweitert, während der Innenleiter durchgeführt
ist. Die Längsabmessung des sprunghaft erweiterten Außenleiters ist dabei verhältnismäßig
klein gegenüber der Wellenlänge der zu sperrenden Frequenz. In dem so entstehenden
Hohlraum bildet sich bei der Sperrfrequenz -eine Hohlrohrresonanz aus, deren Feldbild,
ähnlich dem der EOIO-Resonanz des, kreisrunden Hohlrohrresonators ist. Bei der Resonanzfrequenz
dieses Resonators wird dann in eine den radial verlaufenden Begtenzungsflächen des
Radialresonators parallele F-b#üe"ein..Leerlauf transformiert und damit der Energiefluß
durch die Koaxialleitüng' `gesperrt. Außerhalb , der Resonanzfrequenz de-,
Radialresonators wiid'der Energiefluß an sich nicht behindert, wenn man von zusätzlichen
Blindwiderstäfiden absieht,' die'von den jeweiligen Abmessungen des Resonators abhängen.
Beim bekannten Filter sind die einzelnen- Resonatoren einerseits durch eine Leitung
der UInge 2/4 miteinander gekoppelt und andererseits auf die gleiche Rewnanzfiequenz
abgestimmt, wodurch' sich ein verhältni§-mäßig hoher Raumverbraüch'und eine verhältnismäßig
geringe Breite des zu'sperflenden Frequenzbereiches ergibt.
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Es ist Ferner bereits eine Bandsperre bekanntgeworden, bei der
die Resonatoren durch eine sprunghafte Erweiterung des Außenl#iters einer
Koaxialleitung gebildet sind. Die einzelnen Resonatoren sind bei dieser bekannten
Bandsper.re unmittelbar hintereinander angeordnet. Abgesehen davon, daß sich bei
dieser -bekannten Bandsperre keine in Richtung des Erfindungsgegenstandes gehend
' en ' Bemessungshinweise erkennen lassen, sind die einzelnen Resonatoren
auf die,gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt. Wie sich jedoch zeigt, hat eine derartige
Bandsperre wegen der zu starken Kopplung der einzelnen Resonatoren nicht mehr das
Verhalten einer mehrkreisigen, sondern im wesentlichen das Verhalten einer einkreisigen
Bandsperre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend genannten
Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen. Insbesondere soll
der Aufbau einer Bandsperre, gezeigt werden, die trotz eines geringen Rauinverbrauches
auch im Bereich sehr hoher Frequenzen eine verhältnismäßig große relative Sperrbreite
liefert.
Ausgehend von einer Bandsperre für sehr kurze elektromagnetische
Wellen, deren Resonatoren in der Art von koaxialen Radialresonatoren ausgebildet
sind, die aus einem durchgehenden Innenleiter und einem sich gegenüber einem koaxialen
Anschlußleiter sprunghaft erweiternden Außenleiter bestehen, dessen Abmessung in
Längsrichtung klein ist gegenüber der Wellenlänge der zu sperrenden Frequenz, wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender an sich bekannter
Merkmale gelöst: a) Die Resonatoren sind derart bemessen, daß sich bei der zu sperrenden
Frequenz eine Hohlrohrresonanz ausbildet, deren Feldbild ähnlich dem Feldbild der
Eolo-Resonanz des kreisrunden Hohlrohrresonators ist; b) wenigstens zwei
Resonatoren sind unmittelbar hintereinandergeschaltet; c) die Resonatoren sind auf
unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt.
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Die Abstimmung der Resonatoren läßt sich dadurch vereinfachen, daß
am Umfang der einzelnen Resonatoren in den jeweiligen Resonator eintauchende Stifte,
insbesondere Schrauben, vorgesehen sind, deren Eintauchtiefe veränderbar ist.
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Eine weitere Verkleinerung der geometrischen Abmessungen sowie eine
Verbreiterung des Sperrbereiches läßt sich noch dadurch erzielen, daß die einzelnen
Resonatoren mit einem dielektrischen Material gefüllt sind, dessen Dielektrizitätskonstante
unterschiedlich ist von der der Luft.
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Vorteilhaft lassen sich derartige Filter insbesondere in Frequenzumsetzern,
parametrischen Verstärkern od. dgl. für Mikrowellen einsetzen, insbesondere dann,
wenn der Radialresonator höherer Frequenz dem der Mischung bzw. Verstärkung dienenden
nichtlinearen Element zugewandt ist.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert.
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Die F i g. 1 zeigt-ein aus zwei Radialresonatoren
1
und 2 bestehendes Filter, die derart unmittelbar hintereinandergeschaltet
sind, daß die einander benachbarten seitlichen Begrenzungswände aneinander anliegen.
Die Radialresonatoren werden durch die sprunghafte Erweiterung des Außenleiters
einer Koaxialleitung 4 gebildet, die aus dem Außenleiter 5
bzw.
5' und dem durchgehenden Innenleiter 6 besteht. Die Kopplung der einzelnen
Resonatoren erfolgt über die Koppelöffnung7, durch die auch der durchgehende Innenleiter
6 geführt ist und deren Durchmesser im Ausführungsbeispiel dem Innendurchme-sser
des Außenleiters 5, 5" entspricht. Am Umfang der einzelnen Resonatoren
sind die Stifte8 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel als Schrauben ausgebildet
sind und deren Eintauchtiefe in radialer Richtung veränderbar ist. Mit Hilfe dieser
Stifte lassen sich dieResonatoren auf die gewünschte Resonanzfrequenz abstimmen.
Weiterhin kann die Abstimmung der Resonatoren auch durch eine unterschiedliche Wahl
des Durchmessers erfolgen. Zweckmäßig werden die einzelnen Resonatoren mit einem
dielektrischen Material gefüllt, dessen Dielektrizitätskonstante unterschiedlich
ist von der der Luft. An der Koaxialleitung 4 können in bekannter Weise entsprechende
koaxiale Anschlußleitungen angeschlossen werden.
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Die elektrische Wirkungsweise des in der Fig. 1
gezeichneten
Filters beruht darauf, daß sich bei der Resonanzfrequenz im Resonator eine Resonanz
ausbildet, deren elektromagnetisches Feldbild ähnlich dem der E,)1,-Resonanz im
zylindrischen Hohlraumresonator ist. Aus diesem Grund sind die Resonatoren, in Längsrichtung
betrachtet, d. h. in Richtung des Innenleiters 6, gegenüber der Wellenlänge
der zu sperrenden Frequenz verhältnismäßig kurz. Wie bereits erwähnt, lassen sich
zur Frequenzabstimmung der Durchmesser der Resonatoren und/oder die Eintauchtiefe
der radial verlaufenden Schrauben verändern. Werden die Resonatoren 1 und
2 auf unterschiedfiche Resonanzfrequenzen abgestimmt, dann ergibt sich eine Bandsperre,
deren Sperrbereich verhältnismäßig breit ist. Die Dämpfungskurve eines im Bereich
um 7,5 GHz realisierten Ausführungsbeispiels ist in der F i g. 2 gezeigt,
in der die Durchgangsdämpfung a in Abhängigkeit von der Frequenz bei wellenwiderstandsrichtigem
Abschluß der Ausgangseite des Filters aufgetragen ist. Die Kurven 10
und
11 zeigen den Dämpfungsverlauf der einzelnen, in der Frequenz gegeneinander
versetzten Radialresonatoren. Die Kurve 12 zeigt den Dämpfungsverlauf der gesamten,
aus zwei Resonanzkreisen mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz bestehenden Bandsperre.
Wie der Kurve 12 zu entnehmen ist, ergibt sich innerhalb des gestrichelt angedeuteten
Arbeitsfrequenzbereiches bei etwa 40 db Sperrdämpfung eine relative Sperrbreite
von etwa 4 %. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben,
läßt sich die Sperrbreite in einfacher Weise dadurch vergrößern, daß in die einzelnen
Resonatoren ein dielektrisches Material eingebracht wird, dessen relative Dielektrizitätskonstante
unterschiedlich ist von der der Luft. Falls die gewünschte Sperrbreite noch erhöht
werden soll, lassen sich weitere Resonatoren anschalten, deren Resonanzfrequenz
gegenüber der Resonanzfrequenz der übrigen Resonatoren versetzt ist. Durch diese
Maßnahme steigt gleichzeitig die Sperrdämpfung der Gesamtanordnungerheblich an.
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Bandsperren gemäß der Fig. 1 lassen sich auch vorteilhaft in
Frequenzumsetzern, parametrischen Verstärkern und Frequenzvervielfachern der Mikrowellentechnik
einsetzen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist schematisch in der F i
g. 3 gezeichnet. An einen Hohlleiter 14 ist beispielsweise über eine Koppelöffnung
13 die aus den Radialresonatoren 1 und 2 bestehende Bandsperre gemäß
der Fig. 1 angeschlossen. Über die koaxiale ZuführungsIeitung 4 wird die
Zwischenfrequenz f, zugeführt, in den Hohlleiter 14 werden die Signalfrequenz f,
und die überlägererfrequenz fij eingespeist bzw. entnommen. Die Mischung erfolgt
in bekannter Weise an der ein nichtlineares Schaltelement darstellenden Diode
15, die einerseits direkt mit dem Innenleiter der koaxialen Zuführungsleitung
4 und andererseits mit dem metallischen Außenleiter des Hohlleiters 14 verbunden
ist. Um die Signalfrequenz f, bzw. die überIagererfrequenz fe, möglichst wenig zu
beeinflussen, ist es für die praktische Verwendbarkeit wesentlich, daß die durch
die Bandsperre 1, 2 bewirkte Leerlaufebene möglichst frequenzunabhängig ist.
Diese Leerlaufebene ist durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet. Wie sich
zeigt, wandert die Leerlaufebene 16 dann nur geringfügig, wenn der Radialresonator
höherer Resonanzfrequenz, der der Mischung bzw. Verstärkung dienenden Diode zugewandt
ist. Im Ausführungsbeispiel
der F i g. 3 ist dies der Resonator
2. Durch die außerordentlich gedrängte Aufbauweise der Bandsperre1,2 wird gleichzeitig
erzielt, daß die für die Zwischenfrequenz wirksame, an sich störende Querkapazität
außerordentlich gering bleibt. So hat beispielsweise eine zweikreisige Bandsperre
für einen Aufwärtsumsetzer mit der Radiofrequenz im 7,5-GHz-Band und der Zwischenfrequenzf,
bei 701#Mz nur 0,0 pF für die Zwischenfrequenz f,
Durch Anordnungen
gemäß der F i g. 3 kann beispielsweise bei parametrischen Verstärkern der
Idlerkreis vom Pumpkreis getrennt werden, oder es können bei Frequenzumsetzern zusätzlich
die Wellen höherer Mischordnung gesperrt werden, wobei der gewünschte Blindwiderstand
an der Diode den jeweil!igen Abstand der Bandsperren von der Diode bestimmt.