DE2541569C2

DE2541569C2 - Frequenzabhängiges Dämpfungsglied

Info

Publication number: DE2541569C2
Application number: DE19752541569
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr.-Ing. 7911 Jedelhausen Rembold
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1987-01-22
Also published as: DE2541569A1

Description

Die Erfindung betrifft ein frequenzabhängiges Dämpfungsglied der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Neben anderen Anwendungen sind derartige Dämpfungsglieder besonders vorteilhaft verwendbar in Zuleitungen zu Einzelstrahlern einer Richtstrahl-Gruppenantenne, um - wie z. B. bei einem aus der DE-OS 21 10 231 bekannten Antennensystem - die Halbwertsbreite des Richtdiagramms über einen möglichst breiten Frequenzbereich konstant zu halten.
Frequenzabhängige Dämpfungsglieder sind vor allem bekannt als Bandfilter, insbesondere im Mikrowellenbereich. So ist z. B. in der US-PS 33 45 589 ein schmalbandiges Mikrowellenfilter beschrieben, bei dem eine durchgehende Übertragungsleitung von mehreren querverlaufenden Stichleitungen im Abstand einer Viertelwellenlänge gekreuzt wird. Die Verbindungspunkte der Stichleitungen mit der durchgehenden Übertragungsleitung sind aus der Mitte der jeweils eine Viertelwellenlänge langen Stichleitungen versetzt. Über das Verhältnis der Längen der zu den beiden Seiten der Übertragungsleitung liegenden Teilstichleitungen ist die frequenzabhängige Suszeptanz der Anordnung einstellbar.
In der DE-OS 24 08 634 ist ein ähnliches Mikrowellenfilter beschrieben, das gegenüber dem erstgenannten den Vorteil kürzerer Baulänge durch Verringerung der Abstände der Kreuzungspunkte aufweist.
Für die Verwendung im Verzweigungsnetzwerk sind diese bekannten Dämpfungsglieder aber nicht geeignet, da sie zu schmalbandig sind und zu einem zu hohen Stehwellenverhältnis führen.
Aus der US-PS 35 73 674 ist ein weiteres Mikrowellenfilter bekannt, welches aus mehreren hintereinandergeschalteten Dämpfungsgliedern aufgebaut ist. Die verschiedenen Dämpfungsglieder sind jeweils über resonante Richtungskoppler reflexionsfrei an die Übertragungsleitung gekoppelt, wobei die Resonanzfrequenzen der mehreren Teilfilter gestaffelt sind. Durch die Mehrzahl einzelner Teilfilter ergibt sich für dieses Mikrowellen-Dämpfungsglied eine große Bauform und ein beträchtlicher Aufwand beim Entwurf und bei der Herstellung.
Andere bekannte frequenzabhängige Dämpfungsglieder zum Einsatz in Verteilernetzwerken von Gruppenantennen bestehen im wesentlichen aus überbrückten T-Gliedern mit jeweils mehreren konzentrierten Bauelementen (Widerständen, Spulen, Kondensatoren) die einen relativ großen Platzbedarf haben und auf tiefe Frequenzen beschränkt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein frequenzabhängiges Dämpfungsglied der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art anzugeben, das bei geringem Aufwand und Platzbedarf eine über einen breiten Frequenzbereich einstellbare frequenzabhängige Dämpfung zeigt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße frequenzabhängige Dämpfungsglied, im folgenden kurz als Absorptionsfilter bezeichnet, bedient sich vorteilhafterweise der Coplanar- und Streifenleitungstechnik und weist zwischen seinem Ein- und Ausgangsstor mindestens zwei Stichleitungen auf, deren Abschluß- und Wellenwiderstände sowie deren elektrische Längen nach Maßgabe des gewünschten Übertragungsverhaltens des Dämpfungsgliedes gewählt sind; zur Energieumsetzung enthält das erfindungsgemäße Absorptionsfilter mindestens einen ohmschen Widerstand.
Das erfindungsgemäße Absorptionsfilter läßt sich durch entsprechende Dimensionierung leicht eingangs- und/oder ausgangsseitig elektrisch anpassen, ist sehr flexibel in der Approximation weitgehend beliebig vorgegebener Übertragungsfaktoren, läßt sich sehr einfach und gut reproduzierbar auch in Massenproduktion auf beispielsweise einem Substrat aus Aluminium-Oxid- Keramik realisieren und mit linearem Phasenverhalten verwirklichen.
Grundsätzlich ist die Realisierbarkeit des Erfindungsgedankens nicht auf die Anwendung der Coplanar- und Streifenleitungstechnik beschränkt; die Stichleitungen des erfindungsgemäßen Dämpfungsgliedes können grundsätzlich auch mit Hilfe der anderen bekannten Leitertypen wie z. B. Koaxialleitungen, Paralleldrahtleitungen, insbesondere Lecherleitungen, oder Hohlleiter aufgebaut werden. In der Koplanar- bzw. Streifenleitungstechnik, wie sie bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen Anwendung findet, ergeben sich bei der Realisierung des Erfindungsgedankens jedoch besondere praktische Vorteile, insbesondere eine sehr einfache Aufbau- und damit Herstellungsmöglichkeit.
Alle Abbildungen zeigen in Draufsicht Absorptionsfilter nach der Erfindung, bei denen nur die Leiterbahnen und ohmschen Widerstände dargestellt sind, die sich auf einem nicht gezeigten Substrat aus vorzugsweise Aluminium-Oxid-Keramik befinden; die gestrichelt umgrenzten Flächen markieren hierbei diejenigen Gebiete, in denen das Substrat rückseitig keine Metallisierung (flächenhafte Gegenelektrode der unsymmetrischen Streifenleitungen) aufweist.
Fig. 1a zeigt inder vorerwähnten Darstellungsweise ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Eingangstor des Absorptionsfilters mit 1 a und dessen Ausgangstor mit 2 a bezeichnet sind. Die eine der zwei Stichleitungen des Absorptionsfilters nach Fig. 1a ist eine coplanare Serien-Stichleitung, bestehend aus den zwei Einzelleitern 3 a und 4 a, die an ihrem in Fig. 1a oberen Ende galvanisch mittels einer Verbindung 5 a kurzgeschlossen und an ihrem in Fig. 1a unteren Ende mittels eines ohmschen Widerstandes 6 a überbrückt sind. Der Wellenwiderstand dieser Coplanarleitung sei mit Z _Li bezeichnet, wobei "i" auf ihre induktive Eingangsimpedanz bei tiefen Frequenzen hinweist.
Der Systemwellenwiderstand des gezeigten Absorptionsfilters sei Z _L und liegt in der Praxis beispielsweise bei 50 Ohm. Mit R sei der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes bezeichnet; Zur Vermeidung von Reflektionen wird R = Z _L gewählt.
Die in Fig. 1a horizontal verlaufenden Leiterbahnen zwischen der Coplanarleitung und dem Eingangstor 1 a einerseits sowie dem Ausgangstor 2 a andererseits haben den Systemwiderstand Z _L und sind in ihrer Länge bei elektrischer Anpassung des Absorptionsfilters am Eingang und Ausgang unkritisch.
Die andere der zwei Stichleitungen des Absorptionsfilters nach Fig. 1a ist eine leerlaufende Streifenleitung 7 a mit einem Wellenwiderstand Z _Lc, wobei "c" auf ihre kapazitive Eingangsimpedanz bei tiefen Frequenzen hinweist.
Die elektrischen Längen der zwei Stichleitungen des Absorptionsfilters nach Fig. 1a sind übereinstimmend gleich β l.
Die Wirkungsweise des Absorptionsfilters kann wie folgt verstanden werden:
Bei tiefen Frequenzen (β l&udf53;sa30&udf54;F&udf53;sa21&udf54;¤1) stellt die am Ende kurzgeschlossene Coplanarleitung eine Durchschaltung dar, so daß die Tore 1 a und 2 a direkt miteinander verbunden sind. Die andere Stichleitung 7 a hat wegen des Leerlaufs an ihrem Ende keinen Einfluß auf das Übertragungsverhalten, so daß der Übertragungsfaktor bei β l&udf53;sa30&udf54;F&udf53;sa21&udf54;¤1 gleich 1 ist.
Beim Betriebsfall wiederum β l = π/2, d. h. l = λ/4, wird der Kurzschluß der Coplanarleitung als Leerlauf an ihren Anfang transformiert, und Tor 2 a wird wegen der Leerlaufs der anderen Stichleitung kurzgeschlossen. Die bei Tor 1 a eingespeiste Leistung vollständig im ohmschen Widerstand 6 a in Wärme umgesetzt wird, während der Übertragungsfaktor S&sub2;&sub1; gleich Null ist.
Im Übergangsbereich 0 < β l < π/2, ist S&sub2;&sub1; abhängig von den elektrischen Längen und den Wellenwiderständen der Stichleitungen gemäß
°=c:30&udf54;°KS°kÊÉ¤=¤@W:1:1+°Kjk°k¤´¤°Ktan°k¤&udf57;°Kb&udf56;°Kl°k&udf54;.&udf53;zl10&udf54;
Hierbei ist
k=&udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;°KZ°k°T°KLi°k°t/°KZ°k°T°KLc°k°t&udf53;lu&udf54;; (TiefpaÅverhalten).&udf53;zl10&udf54;
Will man das Eingangstor 1 a frequenzunabhängig anpassen, muß gewährleistet sein
Z _Li · Z _Lc = Z _L².
Die elektrischen Leitungslängen β l und der Parameter k sind im jeweiligen Anwendungsfall nach Maßgabe der gewünschten Frequenzabhängigkeit des Absorptionsfilters zu wählen. Die hieraus resultierenden Z _Li, Z _Lc und β l werden im Rahmen fachmännischen Könnens durch entsprechende Leiterbahnbreiten und -längen realisiert.
Vielfach ist in Verbindung mit der Erfindung der Fall k = 1 besonders zweckmäßig, da hierbei die Phase von S&sub2;&sub1; in linearer Abhängigkeit von der Frequenz verläuft gemäß
S&sub2;&sub1; = e^{-j b l} cos β l.
Fig. 1c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das wiederum zwei Stichleitungen aufweist. Das Absorptionsfilter nach Fig. 1c ist das duale Filter zu demjenigen nach Fig. 1a. In Fig. 1c sind die Ein- und Ausgangstore mit 1 c bzw. 2 c bezeichnet. Die miteinander vergleichbaren Konstruktionselemente unterscheiden sich in Fig. 1a und 1c in ihren Bezeichnungen nur durch die Buchstaben a bzw. c. Wie man der Fig. 1c unmittelbar entnehmen kann, besteht die eine dieser zwei Stichleitungen aus einer mittels einer Verbindung 5 c kurzgeschlossenen coplanaren Serien-Stichleitung mit den Einzelleitern 3 c und 4 c, die das Eingangstor 1 c mit dem Ausgangstor 2 c verbindet, während die andere dieser zwei Stichleitungen eine leerlaufende Streifenleitung 7 c ist, die über den ohmschen Widerstand 6 c an das Eingangstor 2 c angeschlossen ist. Die Wirkungsweise und Dimensionierungsrichtlinien des Absorptionsfilter nach Fig. 1c bedürfen im Hinblick auf die eingehende diesbezügliche Erläuterung der Fig. 1a keiner näheren Beschreibung.
Die Erfindung ist beispielsweise auch gemäß Fig. 1a mit zwei Stichleitungen realisierbar, wobei die eine dieser zwei Stichleitungen eine mit dem ohmschen Widerstand 6 a überbrückte, wiederum kurzgeschlossene coplanare Serien-Stichleitung mit den Einzelleitern 3 e und 4 e ist, die das Eingangstor 1 e mit dem Ausgangstor 2 e verbindet, während die andere dieser zwei Stichleitungen eine leerlaufende zusätzliche coplanare Parallel- Stichleitung mit den Einzelleitern 8 e und 9 e ist, die mit ihrem einen Ende an das Ausgangstor 2 e und mit ihrem anderen Ende an Masse 10 e angeschlossen ist.
Eine wirtschaftlichere Weiterbildung des Absorptionsfilters nach Fig. 1e zeigt Fig. 1b. Hier sind die beiden Einzelleiter 4 e und 9 e (Fig. 1e) zu einem gemeinsamen Mittelleiter 11 b zusammengefaßt, und somit wirkt derselbe in Doppelausnutzung sowohl als Teil der einen als auch als Teil der anderen der zwei Stichleitungen.
Fig. 1d zeigt das duale Absorptionsfilter zu demjenigen nach Fig. 1b. Das zum Absorptionsfilter nach Fig. 1e gezeigte duale Filter ist nicht in einer getrennten Zeichnung dargestellt und besonders beschrieben, da den Absorptionsfiltern nach Fig. 1b und 1d eine größere Bedeutung zukommt als dem Absorptionsfilter nach Fig. 1e und seinem dualen, nicht gezeigten Filter.
Das Absorptionsfilter nach Fig. 1d besitzt wiederum zwei Stichleitungen, und zwar eine kurzgeschlossene coplanare Serien- Stichleitung, die das Eingangstor 1 d mit dem Ausgangstor 2 d verbindet, und eine leerlaufende zusätzliche coplanare Parallel- Stichleitung, zu der der Einzelleiter 8 d und der den beiden Stichleitungen gemeinsame Mittelleiter 11 d gehören und die mit ihrem einen Ende an der Eingangstor 1 d und mit ihrem anderen Ende über den ohmschen Widerstand 6 d an Masse 10 d angeschlossen ist.
In allen Absorptionsfiltern nach Fig. 1a bis 1e ist das Eingangstor frequenzunabhängig angepaßt, wenn das zugehörige Ausgangstor mit dem Systemwellenwiderstand Z _L abgeschlossen ist. Wünscht man eine allseitige Anpassung, so ist es zweckmäßig, beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung gemäß Fig. 2a oder 2b zu benutzen.
Das Absorptionsfilter 2 a besitzt zwei in Serie miteinander, das Eingangstor 1&min; mit dem Ausgangstor 2&min; verbindende kurzgeschlossene coplanare Stichleitungen 11 und 12, an deren gegenseitigen Verbindungsstellen zwei leerlaufende Parallel-Stichleitungen in Streifenleitungstechnik angeschlossen sind, und zwar eine Streifenleitung 13 galvanisch und eine weitere Streifenleitung 14 über einen Widerstand 15, dessen Wert gleich dem doppelten Systemwellenwiderstand gewählt ist. Die beiden Streifenleitungen 13 und 14 sind möglichst weitgehend voneinandner zu entkoppeln und daher auseinanderstrebend gezeigt. Die beiden coplanaren Stichleitungen 11 und 12 sind mittels ohmscher Widerstände 16 bzw. 17 überbrückt; deren Widerstandswert ist jeweils gleich dem Systemwellenwiderstand gewählt.
Der Übertragungsfaktor S&sub2;&sub1; des Absorptionsfilters nach Fig. 2a ist der gleiche wie bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung mit einseitiger Anpassung, jedoch ist beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 2a anstelle des Parameters
k=&udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;°KZ°k°T°KLi°k°t/°KZ°k°T°KLc°k°t&udf53;lu&udf54;&udf53;zl10&udf54;der doppelte Wert, nämlich 2 k einzusetzen. Wie bei einseitiger Anpassung ist auch bei allseitiger Anpassung
Z _Li · Z _Lc = Z _L².
zu wählen.
Fig. 2b zeigt eine besonders einfache Ausführungsform der Erfindung mit allseitiger Anpassung und nur zwei Stichleitungen sowie mit zwei ohmschen Widerständen, wobei die eine dieser zwei Stichleitungen wieder eine kurgeschlossene, das Eingangs- mit dem Ausgangstor verbindende Serien-Stichleitung ist, während die zweite dieser zwei Stichleitungen über je einen Widerstand an das Eingangs- bzw. Ausgangstor angeschlossen und eine leerlaufende Streifenleitung ist. In diesem Fall ist trotz allseitiger Anpassung in die obige Gleichung für S&sub2;&sub1; nicht der verdoppelte Wert von k, sondern der Wert nach obiger Gleichung für k einzusetzen.

Claims

1. Frequenzabhängiges Dämpfungsglied mit Stichleitungen entlang einer Übertragungsleitung zwischen Eingangs- und Ausgangstor zur Erzielung eines gewünschten Übertragungsverhaltens über einen vorgegebenen Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, daß eine Serien-Stichleitung und eine leerlaufende Parallel-Stichleitung vorgesehen sind, die beide die gleiche elektrische Länge aufweisen, und daß eine der beiden Stichleitungen mittels eines ohmschen Widerstands bedämpft ist.

2. Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der zwei Stichleitungen eine mit dem ohmschen Widerstand (6 a) überbrückte, kurzgeschlossene (5 a) coplanare Serien-Stichleitung (3 a, 4 a) ist und das Eingangs- (1 a) mit dem Ausgangstor (2 a) verbindet und daß die andere der zwei Stichleitungen eine leerlaufende Streifenleitung (7 a) ist, die parallel zum Ausgangstor (2 a) geschaltet ist (Fig. 1a).

3. Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der zwei Stichleitungen eine kurzgeschlossene (5 c) coplanare Serien-Stichleitung (3 c, 4 c) ist und das Eingangs- (1 c) mit dem Ausgangstor (2 c) verbindet und daß die andere der zwei Stichleitungen eine leerlaufende Streifenleitung (7 c) ist, die über den ohmschen Widerstand (6 c) an das Eingangstor (1 c) angeschlossen ist (Fig. 1c).

4. Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der zwei Stichleitungen eine mit dem ohmschen Widerstand (6 e) überbrückte, kurgeschlossene coplanare Serien-Stichleitung ist und das Eingangs (1 e) mit dem Ausgangstor (2 e) verbindet und daß die andere dieser zwei Stichleitungen eine leerlaufende zusätzliche coplanare Parallel-Stichleitung (8 e, 9 e) ist, die mit ihrem einen Ende an das Ausgangstor (2 e) und mit ihrem anderen Ende an Masse (10 e) angeschlossen ist (Fig. 1e).

5. Dämpfungsglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden coplanaren Stichleitungen einen gemeinsamen Mittelleiter (11 b) besitzen (Fig. 1b).

6. Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der zwei Stichleitungen eine kurzgeschlossene coplanare Serien-Stichleitung ist und das Eingangs- mit dem Ausgangstor verbindet und daß die andere der zwei Stichleitungen eine weitere leerlaufende coplanare Parallel-Stichleitung ist, die mit ihrem einen Ende an das Eingangstor und mit ihrem anderen Ende über den ohmschen Widerstand an Masse angeschlossen ist.

7. Dämpfungsglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden coplanaren Stichleitungen einen gemeinsamen Mittelleiter (11 d) besitzen (Fig. 1d).

8. Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der zwei Stichleitungen eine kurzgeschlossene coplanare Serien-Stichleitung ist und das Eingangs- mit dem Ausgangstor verbindet und daß die andere dieser zwei Stichleitungen eine leerlaufende Streifenleitung ist, die über je einen Widerstand mit einer dem Systemwellenwiderstand gleichen Größe an das Eingangs- und das Ausgangstor angeschlossen ist (Fig. 2b).

9. Dämpfungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände Z _Li der Serien-Stichleitung und Z _Lc der Parallel-Stichleitung mit dem Systemwellenwiderstand Z _L über die Beziehung Z _Li · Z _Lc = Z _L² zusammenhängen.

10. Dämpfungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand gleich dem Systemwellenwiderstand ist.

11. Dämpfungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände der Serien-Stichleitung und der Parallel-Stichleitung gleich groß sind.

12. Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stichleitungen vorgesehen sind, derart, daß zwei der vier Stichleitungen miteinander in Serie geschaltete kurzgeschlossene und mit je einem ohmschen Widerstand (16, 17) überbrückte coplanare Serien-Stichleitungen (11, 12) sind, die das Eingangs- (1&min;) mit dem Ausgangstor (2&min;) verbinden, daß die anderen zwei der vier Stichleitungen leerlaufende Streifenleitungen mit möglichst geringer gegenseitiger Kopplung sind, von denen die eine (13) galvanisch an der Verbindungsstelle der zwei miteinander in Serie geschalteten coplanaren Stichleitungen angeschlossen ist, während die andere (14) der zwei Streifenleitungen über einen ohmschen Widerstand (15), der doppelt so groß wie die beiden Überbrückungswiderstände und gleich dem doppelten Systemwellenwiderstand gewählt ist, an der gleichen Stelle wie die andere Stichleitung oder nahe deren Anschlußstelle angeschlossen ist (Fig. 2a).