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Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen
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Die Erfindung betrifft ein Filter für sehr kurze elektromagnetische
Wellen mit mehreren, miteinander gekoppelten Resonatoren, von denen wenigstens der
erste und letzte Resonator mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme
der elektromagnetischen Energie versehen ist, bei dem die einzelnen Resonatoren
derart angeordnet sind, daß in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende
Resonatoren eine gemeinsame Trennwand haben und bei dem weiterhin eine zusätzliche
Kopplung in der gemeinsamen Trennwand zwischen wenigstens zwei in der elektrischen
Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Resonatoren vorgesehen ist.
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Filter der Mikrowellentechnik werden bekanntlich aus mehreren, miteinander
gekoppelten Mikrowellenresonatoren aufgebaut, deren Kopplung entweder kapazitiv
oder induktiv erfolgen kann. Die Resonatoren selbst können dabei beispielsweise
als sogenannte Koaxialleitungsresonatoren oder aus Hohlleiterresonatoren bestehen.
Entgegen den mit konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern läßt sich aufgrund
der geometrisch fest vorgegebenen Konfiguration der Resonatoren nicht jede in konzentrierter
Technik realisierbare Schaltung ohne weiteres auf das Frequenzgebiet der Mikrowellen
übertragen. Diese Schwierigkeit wird insbesondere dann als störend empfunden, wenn
es darauf ankommt, in der Dämpfungscharakteristik des Filters sogenannte Dämpfungspole,
d.h. also Unendlichkeitsstellen der Dämpfung, zu erzeugen. Um diese Schwierigkeit
wenigstens
teilweise zu beheben, ist es durch die USA-Patentschrift
2 749 523 bereits bekannt geworden, bei einem Mikrowellenfilter einander in der
elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren zusätzlich
miteinander zu verkoppeln. Abgesehen davon, daß nach dieser bekannten Anordnung
nur Resonatoren bestimmter unterschiedlicher Gruppen miteinander gekoppelt werden
können, tritt dort noch die Schwierigkeit auf, daß die zusätzliche Kopplung von
nicht miteinander benachbarten Resonatoren über Leitungselemente erfolgt, bei denen
zum einen auf die spezielle Bemessung der Länge geachtet werden muß und bei denen
zum anderen ein zusätzlicher Raumverbrauch deshalb auftritt, weil diese Leitungen
außerhalb der Filterresonatoren angeordnet sind.
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Durch die deutschen Offenlegungsschriften 1 942 867 und 1 942 909
ist es in diesem Zusammenhang weiterhin bereits bekannt geworden, die Resonatoren
eines mehrkreisigen Mikrowellenfilters in übereinanderliegenden Zeilen konstruktiv
derart anzuordnen, daß zur Einführung der der Polerzeugung dienenden zusätzlichen
Kopplungen auf die Verwendung von außerhalb des Filters geführten Leitungsabschnitten
verzichtet werden kann. Dabei werden die einzelnen Resonatoren so angeordnet, daß
die elektromagnetische Energie über die die Filterbandbreite bestimmenden Kopplungen
entweder die in den Zeilen angeordneten Resonatoren nacheinander oder in unterschiedlichen
Zeilen liegenden Resonatoren mäanderförmig durchläuft. Wie sich dabei zeigt, wären
die Anforderungen für die Steilheit der Dämpfungsflanken in bezug auf die vorgegebene
Bandbreite mitunter bereits mit einer geringeren Anzahl von Resonatoren zu erfüllen;
Jedoch würde das bloße Weglassen eines oder mehrerer Resonatoren gleichzeitig den
Verzicht auf wenigstens eine Pol stelle im Dämpfungsverhalten oder den Verzicht
auf ein Polquadrupel bei komplexen Frequenzen, d.h. also den Verzicht auf die Laufzeitbeeinflussung
im Durchlaßbereich des Filters bedeuten.
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Aus dem in "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques",
Vol. MTT-17, No.4 (1969) auf den Seiten 189 bis 204, veröffentlichten Aufsatz "The
Design and Synthesis of a Class of Microwave
Bandpass Linear Phase
Filters" von John David Rhodes ist ein aus mehreren Resonatoren bestehendes Interdigitalfilter
bekannt, bei dem speziell bei hohen Anforderungen an die Schmalbandigkeit zur Vermeidung
von unerwünschten diagonalen Überkopplungen und zur besseren Entkopplung von Eingang
und Ausgang zwischen die einzelnen Resonatoren mit Lochblenden versehene Zwischenwandungen
angebracht sind. Wegen der Ausbildung als Interdigitalfilter liegen Jedoch zwingend
alle Resonatoren in der gleichen Ebene, so daß sich insbesondere bei einer größeren
Anzahl von Resonatoren eine unerwünschte flächige Ausdehnung ergibt.
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Durch die Literaturstelle "IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques", Juni 1966, Seiten 295 bis 296 (R.M.Kurzrok), ist ferner eine Anordnung
mit vier im TEM-Mode betriebenen #/4-Koaxialleitungsresonatoren bekannt, deren Abstimmung
über einen beweglichen Innenleiterabschnitt erfolgt, wodurch sich jedoch ein verhältnismäßig
raumverbrauchender Aufbau für die Resonatoren ergibt. Hinweise auf eine mögliche
Erweiterungsfähigkeit lassen sich dieser Literaturstelle nicht entnehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrowellenfilter mit
Dämpfungspolen, insbesondere unterhalb oder oberhalb des Durchlaßbereiches anzugeben,
bei dem auch bei hohen Anforderungen hinsichtlich der zu erzielenden Filtercharakteristikund
bei einer größeren Anzahl von Resonatoren eine kompakte Bauweise sowie eine möglichst
einheitliche konstruktive Ausgestaltung bei einem insgesamt geringen Raumverbrauch
gewährleistet ist.
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Ausgehend von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen
mit mehreren, miteinander gekoppelten Resonatoren, von denen wenigstens der erste
und letzte Resonator mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der
elektromagnetischen Energie versehen ist, bei dem die einzelnen Resonatoren derart
angeordnet sind, daß in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren
eine gemeinsame Trennwand haben und bei dem weiterhin eine zusätzliche Kopplung
in der gemeinsamen Trennwand zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise
nicht
unmittelbar aufeinanderfolgenden Resonatoren vorgesehen ist,
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens ein Teil der
Resonatoren in dreiecksförmigen Dreierblöcken derart angeordnet ist, daß der in
der elektrischen Wirkungsweise letzte Resonator eines Dreierblocks identisch ist
mit dem ersten Resonator des darauffolgenden Dreierblocks, und daß die Resonatoren
als einseitig kurzgeschlossene, mittels Schrauben kapazitiv abstimmbare Koaxialleitungsresonatoren
ausgebildet und mit einer gemeinsamen Kurzschlußebene versehen sind.
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Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung besonders, daß
die durch eine zusätzliche Kopplung überbrückten Kreise geometrisch nicht unmittelbar
nebeneinander, sondern immer voneinander entfernt gegenüberliegend angeordnet sind,
so daß unerwünschte Kopplungen zwischen diesen übergekoppelten Resonatoren weitgehend
vermieden sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die nicht unmittelbar benachbarte
Anordnung der Eingangs- und Ausgangsresonatoren, durch die besonders innerhalb des
Filters zwischen Eingang und Ausgang auftretende parasitäre Uberkopplungen und dadurch
verursachte Dämpfungseinbrüche im Sperrbereich verhindert werden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch
naher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig.1 ein Schnittbild eines Filters nach
der Erfindung; Fig.2 einen Schnitt längs der Schnittlinie A-A' von Fig.1; Fig.3
das elektrische Ersatzschaltbild des Filters gemäß den Fig.1 und 2; Fig.4 schematisch
die Zusammenfassung und konstruktive Anordnung der einzelnen Resonatoren;
Fig.5
bis Fig.8 Schnittbilder von weiteren Ausführungsbeispielen mit den zugehörigen elektrischen
Ersatzschaltbildern.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig.1 und 2 ist ein aus sieben Koaxialleitungsresonatoren
1 bis 7 bestehendes Filter dargestellt, deren Innenleiter mit den Bezugsziffern
1' bis 7' versehen sind.
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Der erste Resonator 1 sowie der letzte Resonator 7 sind im Ausführungsbeispiel
mit koaxialen Anschlußleitungen 80 bzw. 80' versehen, deren Innenleiter unmittelbar
weitergeführt und mit den Innenleitern 1' bzw. 7' der Resonatoren 1 bzw. 7 galvanisch
verbunden sind. Anstelle dieser Ankopplung an den jeweils ersten bzw.
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letzten Resonator sind auch andere bekannte Kopplungsarten möglich.
Wie aus der Fig.2 zu ersehen, sind zur Abstimmung auf eine geeignete Resonanzfrequenz
den Innenleitern der einzelnen Resonatoren kapazitiv wirkende Abstimmschrauben 18
zugeordnet. Zur Erzeugung von Dämpfungspolen in der Ubertragungscharakteristik des
Filters bzw. zur Beeinflussung der Laufzeit werden zusätzliche Kopplungen eingeführt,
die einander in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgende
Resonatoren miteinander verkoppeln. Zur Erzeugung von einseitigen Dämpfungspolen
ist es bekannt, die zusätzlichen Uberkopplungen zwischen den Resonatoren 1 und 3,
3 und 5, 5 und 7 usw. vorzusehen, wenn die einzelnen Resonatoren in der Reihenfolge
ihrer elektrischen Wirkungsweise, d.h. des elektrischen Energieweges, aufsteigende
Bezugsziffern tragen. Zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Lehre ist der Aufbau des
Filters nach den Fig.1 und 2 so gewählt, daß alle zu koppelnden Resonatoren eine
gemeinsame Trennwand haben. Dabei sind die Resonatoren so in dreiecksförmigen Dreierblöcken
zusammengefaßt, daß der in der elektrischen Wirkungsweise letzte Resonator eines
Dreierblocks identisch ist mit dem ersten Resonator des darauffolgenden Dreierblocks.
Somit enthält der erste Dreierblock die Resonatoren 1 bis 3, der zweite Dreierblock
die Resonatoren 3 bis 5 und der dritte Dreierblock die Resonatoren 5 bis 7. Dabei
liegen die Mitten der Resonatoren 4, 8 und denkt man sich das Filter in gleicher
Weise fortgesetzt, 12, 16 usw. auf einer Verbindungsgeraden, ebenfalls der Resonatoren
1, 5, 9 usw., der Resonatoren
3, 7, 11, 15 usw., sowie der Resonatoren
2, 6, 10, 14 usw., wobei alle vier Verbindungsgeraden zueinander parallel liegen.
Durch diese Resonatoranordnung wird erreicht, daß neben der Kopplung von unmittelbar
in der elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgenden Resonatoren auch die Resonatoren
r und r+2 (für r=1,3,5...) eine gemeinsame Trennwand haben und dadurch zusätzlich
gekoppelt werden können. Weiterhin wird erreicht, daß die Kreise 2,4,6... nicht
unmittelbar nebeneinander, sondern immer einander gegenüberliegen.
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Die zusätzlichen Uberkopplungen sind im Ausführungsbeispiel als kapazitiv
wirkende Stiftkopplungen c1,3, c3,5 bzw. C5,7 zwischen den Resonatoren 1 und 3,
3 und 5 bzw. 5 und 7 ausgebildet. Bei dieser kapazitiven Kopplung wird dabei in
an sich bekannter Weise jeweils ein beidseitig mit Tellern versehener Kopplungsstift
13, 35 bzw. 57 in die den zusätzlich zu koppelnden Resonatoren gemeinsame Trennwand
über eine isolierende Stütze 17 befestigt, wobei die Größe der Kapazität im wesentlichen
abhängt vom Abstand zwischen Teller und Innenleiter. Die zusätzlichen Überkopplungen
können jedoch auch als induktiv wirkende Loch- bzw. Schlitzkopplungen ausgebildet
sein, bei denen die Induktivität im wesentlichen von der Größe der Koppelöffnung
abhängt.
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In der Schnittzeichnung nach Fig.2 sind noch die Innenleiter 2', 3',
6' und 7' der Resonatoren 2, 3, 6 und 7 zu erkennen, sowie auch die als Abstimmelemente
wirkenden Schrauben 18, die den Innenleitern an deren Stirnseite gegenüberliegend
angeordnet sind und durch deren Eintauchtiefe die Endkapazität der Resonatoren noch
verändert und damit die Resonanzfrequenz der einzelnen Kreise eingestellt werden
kann. Die gemeinsame Kurzschluß ebene der einseitig kurzgeschlossenen Koaxialresonatoren
ist in der Fig.2 mit dem Bezugszeichen 19 versehen.
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In der Fig.3 ist das elektrische Ersatzschaltbild des in den Fig.1
und 2 dargestellten Filters gezeigt. Es sind dort die in Form von konzentrierten
Schaltelementen dargestellten Resonatoren 1 bis 7 zu erkennen. Da die Kopplung von
in der elektrischen Wirkungsweise
benachbarten Resonatoren beim
Ausführungsbeispiel jeweils über eine induktiv wirkende Loch- bzw. Schlitzkopplung
erfolgt, äußert sich dies im Ersatzschaltbild als zwischen den Kreisen im Längszweig
liegende Koppelinduktivität. Die zusätzlichen Kopplungen zwischen den Resonatoren
1 und 3, 3 und 5 bzw. 5 und 7 stellen sich wegen der Verwendung kapazitiver Stifte
als Koppelkondensatoren c1,3, c3,5 bzw. c5,7 dar.
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Der grundsätzliche konstruktive Aufbau läßt sich der Fig.4 entnehmen.
Es sind nämlich die einzelnen Resonatoren jeweils zu Dreierblöcken I, II und III
zusammengefaßt. Der letzte Resonator eines Dreierblocks bildet dabei gleichzeitig
den ersten Resonator des darauffolgenden Dreierblocks, so daß also der Resonator
3 den letzten Resonator des ausgezogen gezeichneten Dreierblocks I und gleichzeitig
den ersten Resonator des strichpunktiert gezeichneten Dreierblocks II bildet. Entsprechendes
gilt für den Resonator 5 hinsichtlich des Dreierblocks II und des wieder ausgezogen
gezeichneten Dreierblocks III. In der Fig.4 sind die zusätzlichen Überkopplungen
jeweils durch ein Kreuz kenntlich gemacht und es kann das dort dargestellte Anordnungsprinzip
selbstverständlich auf eine an sich beliebige Anzahl von Filterresonatoren erweitert
werden.
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Fig.5 läßt eine weitere Möglichkeit zum Aufbau eines Filters erkennen.
Es sind dabei lediglich die drei Resonatoren 1 bis 3 in der bereits geschilderten
Weise angeordnet. Es handelt sich hierbei im einzelnen um einen dreikreisigen Bandpaß
der Mittenfrequenz f = 1651 MHz mit einem Dämpfungspol unterhalb des Durchlaßbereiches.
Die Resonatoren bestehen aus kreisrunden Kammern mit dem Innendurchmesser D=40 mm
und der Höhe h=30 mm. Der Innenleiterdurchmesser d=11 mm ist so gewählt, daß sich
ein für eine optimale Güte erforderlicher Wellenwiderstand des kurzgeschlossenen
Topfkreises von ungefähr 77 # errechnet. Mit den den dreien Enden der Innenleiter
gegenüberliegenden kapazitiven Abstimmschrauben kann die Resonanzfrequenz der Kreise
eingestellt werden. Die Kopplung zwischen den Kreisen 1 und 2 sowie 2 und 3 ist
induktiv und wird durch Schlitze in den gemeinsamen Trennwänden realisiert. Der
Dämpfungspol
unterhalb des Durchlaßbereiches ergibt sich durch eine zusätzliche kapazitive Kopplung
13 der Kreise 1 und 3.
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Fig.6 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des in der Fig.5 dargestellten
Filters, in dem die zusätzliche Kopplung 13 als Koppelkondensator c1,3 dargestellt
ist.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Fig.7 einen dreikreisigen
Bandpaß bei der Mittenfrequenz fo=1551 MHz, der einen Dämpfungspol oberhalb des
Durchlaßbereiches aufweist. Die Abmessungen der Resonatoren entsprechen den des
Ausführungsbeispiels nach Fig.5.
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Die Kopplungen zwischen den in ihrer elektrischen Wirkungsweise unmittelbar
aufeinanderfolgenden Resonatoren 1 und 2 sowie 2 und 3 sind induktiv und durch Schlitze
in den gemeinsamen Trennwänden realisiert. Der Dämpfungspol oberhalb des Durchlaßbereiches
ergibt sich ebenfalls durch eine induktive Kopplung, die als Schlitz in der gemeinsamen
Trennwand zwischen Resonator 1 und 3 verwirklicht ist.
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Fig.8 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig.7.
Die als induktiv wirkende Schlitzkopplung ausgeführte zusätzliche Kopplung zwischen
den Resonatoren 1 und 3 ist hier als Koppelspule 11,3 dargestellt.
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1 Patentanspruch 8 Figuren