DE2841754A1

DE2841754A1 - Mikrowellenfilter

Info

Publication number: DE2841754A1
Application number: DE19782841754
Authority: DE
Inventors: Chung-Li Ren
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-09-27
Filing date: 1978-09-26
Publication date: 1979-04-05
Also published as: US4124830A; GB2005480A; JPS5457935A; GB2005480B; FR2404316A1; FR2404316B1

Description

BLUMBACH · WESER . BERGEN . KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

WESTERN ELECTRIC COMPANY, INCORPORATED REN - 3

NEW YORK (N.Y.) 10038 U.S.A.

Mikrowellenfilter

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenfilter mit einem Hohlleiter, der wenigstens eine Öffnung in einer seiner Wände besitzt.

Bei bekannten Hohlleiterfiltern sind innerhalb des Hohlleiters angeordnete dielektrische Resonatoren benutzt worden. Ein solcher Aufbau bringt mehrere Probleme mit sich. Beispielsweise ist zur Korrektur der durch einen bielektrischen Resonator verursachten Störung eine zu starke Kompensation erforderlich, die zu einer schlechten Frequenzanpassung im Durchlassband des Hohlleiters führt. Da ausserdem eine Frequenzabstimmeinrichtung im allgemeinen bei einem praktisch ausgeführten Filter erforderlich ist, wird durch eine solche Einrichtung innerhalb eines Hohlleiters eine zusätzliche Störung im Durchlassband bewirkt. Wenn

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . P. Hirsch Dlpl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr.jur. » G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.

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mehrere dielektrische Resonatoren im Hohlleiter benachbart zueinander angeordnet werden, führen Kopplungen zwischen den Resonatoren zu einer Verschlechterung der maximalen Einfügungsdämpfung. Da eine ausreichende Isolation zwischen den Resonatoren nicht zu erreichen ist, wenn mehrere Resonatoren benachbart zueinander im Hohlleiter angeordnet sind, läßt sich die maximale Einf ügungs dämpfung nicht realisieren.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu beseitigen. Sie geht dazu aus von einem Mikrowellenfilter der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrischer Resonator mit vorbestimmter Resonanzfrequenz angepaßt in der öffnung befestigt ist, derart, daß ein wesentlicher Teil des Resonators sich ausserhalb und der Rest des Resonators sich innerhalb des Hohlleiters befinden.

Es ergibt sich der Vorteil, daß störende Moden in einem Hohlleiterfilter unter Verwendung eines dielektrischen Resonators wesentlich verringert werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Kopplung zwischen Resonatoren in einem Hohlleiterfilter mit mehreren Resonatoren verringert wird. Außerdem läßt sich ein Hohlleiterfilter mit mehreren Resonatoren verwirklichen, das eine hohe Spitzeneinfügungsdämpfung besitzt« Ein weiterer

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Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein symmetrischer Frequenzgang eines Hohlleiterfilters unter Verwendung dielektrischer Resonatoren erzielt wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein dielektrischer Resonator mit vorbestimmter Resonanzfrequenz innerhalb eines Gehäuses und durch eine Öffnung in der Hohlleiterwand ragend befestigt, so daß eine Kopplung zwischen den Magnetfeldern im Hohlleiter und dem Resonator besteht. Diese Kopplung bewirkt, daß der Resonator eine Resonanz-Schwingungsform anregt und ergibt eine Bandsperrwirkung im Hohlleiter bei der Resonanzfrequenz. Bei dem speziellen, hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei dielektrische keramische Resonatoren in Form einer zylindrischen Scheibe und mit der gleichen Resonanzfrequenz mit dem Hohlleiter gekoppelt. Durch Anordnung der Resonatoren in einem Abstand von 3/4 "Kgo, wobei Λ-go die Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz ist, erzielt man die maximale Einfügungsdämpfung im Hohlleiter bei der Resonanzfrequenz.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1,2 und 3 drei Ansichten eines Bandsperr-Hohlleiterfilters nach der Erfindung;

Fig. 4 die Einfügungsdämpfung eines speziellen Ausfüh-

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rungsbeispiels eines solchen Bandsperrfilters; Fig. 5 die Einfügungsdämpfung eines speziellen Ausführungsbeispiels eines Bandpassfilters unter Anwendung der gleichen Koppelprinzipien nach der Erfindung.

Drei Ansichten eines Hohlleiter-Bandsperrfilters mit dielektrischem Resonator nach dem Grundgedanken der Erfindung sind in den Fig. 1,2 und 3 dargestellt. Ein keramischer dielektrischer Resonator 101 in Form einer Kreisscheibe mit vorbestimmter Resonanzfrequenz fQ ist in der unteren Wand des Hohlleiters 105 durch eine öffnung 102 ragend so angeordnet, daß ein kleiner Teil des Resonantors sich in den Hohlraum des Hohlleiters erstreckt. Der restliche, größere Teil des Resonators 101 wird durch eine Befestigung 116 in einem Metallgehäuse 117 außerhalb des Hohlleiters gehalten. Ein ähnlicher keramischer dielektrischer Resonator 103 in Form einer Kreisscheibe mit einer Resonanzfrequenz fQ ist in der oberen Hohlleiterwand durch eine Öffnung 104 ragend angeordnet und wird durch eine Befestigung 106 im Gehäuse 107 gehalten. Zur Erläuterung sind in Fig. 1 jedoch der Resonator 103 und der Halter 106 aus dem Gehäsue 107 herausgenommen dargestellt, um die mechanische Verbindung zwischen den Bauteilen zu zeigen. Die Resonatoren 101 und -103 sind zwar in gegenüberliegenden Wänden des Hohlleiters befestigt, sie können jedoch beide entweder in der oberen oder in der unteren Wand angeordnet sein.

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Wenn eine elektromagnetische Welle vom Eingangs- zum Ausgangsanschluß des Filters läuft, tritt eine Kopplung zwischen dem transversalen Magnetfeld H der dominanten Schwingungsform der Welle und den Resonatoren 101 und 103 auf. Das Magnetfeld H_x an den Wänden des Hohlleiters koppelt also mit den Resonatoren und induziert in ihnen eine Resonanzschwingung mit der Frequenz fQ, wobei die Resonanzfrequenz fg jedes aus einer keramischen dielektrischen Scheibe bestehenden Resonators durch die Dielektrizitätskonstante des keramischen Materials, den Durchmesser der Scheibe und deren Dicke oder Länge bestimmt wird.

Die Resonanzvorgänge in federn Resonator führen zu einer meßbaren Bandsperrwirkung und Einfügungsdämpfung zwischen dem Eingangs- und Ausgangsanschluß bei der Frequenz fg. Die maximale Einfügungsdämpfung erhält man bei einem Abstand der Resonatoren von 3/4 go, wobei go die Wellenlänge bei £q ist. Damit ergibt sich ein maximaler Filtereffekt bei der Frequenz fQ.

IM eine Beeinträchtigung der Filtergüte zu vermeiden, die dann auftreten, wenn störende Resonanzmoden im Resonator innerhalb des Filterdurchlassbandes induziert, werden, wird die Länge der Resonatorscheiben so gewählt, daß sie kleiner ist als der Durchmesser der Scheiben, derart, daß die induzierte Hauptschwingungsform die zirkularelektrische Schwingungsform Hq^-j. Außerdem werden, um die Resonanz auf diese

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gewünschte zirkuläre Schwingungsform zu begrenzen und eine Erregung störender Schwingungsformen zu vermeiden, die ebenen Flächen der Resonatoren 101, 103 rechtwinklig zum H-FeId angeordnet, und die Mitte Jeder Scheibe wird auf der Mittellinie der Hohlleiterwand angeordnet, wo das longitudinale Magnetfeld H„ Null ist.

Die Gehäuse 107, 117 isolieren die Resonatoren 101, 103 weitgehend voneinander, so daß eine Kopplung zwischen den Resonatoren auf ein Minimum gebracht wird. Da die in den Wandflächen des Gehäuses induzierten Ströme zur Filterdämpfung beitragen, wird das Gehäuse so groß als möglich gemacht, solange keine sich ausbreitenden Hohlleiter-Schwingungsformen erzeugt werden. Eine zusätzliche Isolation zwischen dem Gehäuse und dem Hohlraum im Inneren des Hohlleiters erhält man dadurch, daß die Abmessungen der Öffnung möglichst klein gehalten werden.

Die Befestigungen 106, 116 werden aus einem dielektrischen Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante hergestellt. Um die Filterdämpfung möglichst klein zu halten, werden die Befestigungen so konstruiert, daß möglichst wenig Material Verwendung findet. Außerdem wird der Einsatz von Befestigungsmaterial nahe dem oder im elektromagnetischen Koppelfeld vermieden. Das bevorzugte Material für die Befestigungen ist ein Styrol-Phenyloxid-Gießmaterial, da die Möglichkeit des Giessens die Herstellungskosten verringert.

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Ein alternatives Material, beispielsweise Quarzglas, läßt sich zwar verwenden, hat aber den Nachteil höherer Kosten, weil eine maschinelle Bearbeitxang notig ist.

Die Koppelstruktur nach der Erfindung hat eine asymmetrische Frequenzkennlinie, die durch Anbringen eines abstimmbaren induktiven Nebenschlußelementes im Hohlleiter in der Nähe der Resonatoren 101, 103 korrigiert wird. Im einzelnen werden ein als induktiver Nebenschluß wirkender Metallstift 110 in der gleichen Phasenebene wie der Resonator 101 und ein als induktiver Nebenschluß wirkender Metallstift 112 in der gleichen Phasenebene wie der Resonator 103 angebracht. Die Stifte 110, 112 stellen feste Induktivitäten dar, die Funktionen des Stiftdurchmessers und seiner Lage mit Bezug auf die Seitenwände des Hohlleiters sind. Der Metallstift 110 ist so auf einer Einstellschraube 113 befestigt, daß seine Achse nicht mit der Achse der Schraube zusammenfällt. Die Abstimmung wird durch Drehen der Schraube 113 bewirkt, wodurch sich die Lage des Stiftes 110 im Hohlleiter ändert. Entsprechend wird die Lage des Stiftes 112 durch Drehen einer Einstellschraube 114 verändert, um eine symmetrische Bandsperrkurve des Resonators 103 zu erreichen.

Wie oben angegeben, ist die Resonanzfrequenz £q der dielektrischen Resonatoren 101,103 eine Funktion der Dielektrizitätskonstante des keramischen Materials und der physika-

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lischen Abmessungen der Scheibe. Diese Parameter können zwar mit engen Toleranzen zur Einhaltung der Konstruktionswerte hergestellt werden, so daß eine Frequenzabstimmung unnötig ist, aber ein solches Herstellungsverfahren wäre aus wirtschaftlichen Gründen unpraktisch. Demgemäß wird eine Abstimmschraube 115 im Metallgehäuse 107 vorgesehen, derart, daß die Achse der Schraube rechtwinklig zur ebenen Fläche des Resonators 103 steht. Die Resonanzfrequenz des Resonators 103 wird durch eine Lageeinstellung der Schraube 115 im Metallgehäuse 107 verändert. Außerdem wird durch Ausrichten der Schraubenachse parallel zur Achse der Resonatorscheibe 103 die Erregung von störenden Resonanzmoden im dielektrischen Resonator innerhalb des Betriebsbandes vermieden. Einen maximalen Abstimmbereich erhält man durch Verwendung einer Schraube mit einem möglichst großen Durchmesser. Auf entsprechende Weise ist eine Schraube 118 im Gehäuse 117 zur Abstimmung der Resonanzfrequenz des Resonators 101 vorgesehen.

Nachfolgend wird ein Kanstruktionsbeispiel für ein Bandsperrfilter angegeben. Ein Hohlleiter mit einer Breite von etwa 5,8 cm und einer Höhe von etwa 2,9 cm überträgt ein Signal im Frequenzbereich zwischen 3,7 und 4,2 GHz. Ein Sperrbereich bei 4,175 GHz wird durch Anbringen eines scheibenförmigen Keramikresonators aus Ba₂TiQO₂₀ in einem Gehäuse mit einer Innenbreite von etwa 2 cm, einer Innenlänge von etwa 2,8 cm und einer Innenhöhe von etwa 1,4 cm erzielt. Der Keramikresonator hat einen Durchmesser von etwa 1,46 cm und eine

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Länge von etwa 3,8 mm sowie eine relative Dielektrizitätskonstante von 39»8. Einen Frequenzabstimmbereich von 35 MHz erhält man durch Verwendung von Schrauben mit einem Durchmesser von etwa 9»5 mm als Abstimmschrauben 115, 118₀ Die Wellenlänge go bei der Resonanzfrequenz 4,175 GHz beträgt 9*11 cm. Die Resonatoren haben daher einen Abstand von 6,83 cm.

Fig. 4 zeigt die gemessene Einfügungsdämpfung dieses Filters.

Es sei darauf hingewiesen, daß ein Filter nach dem Grundgedanken der Erfindung auch unter Verwendung nur eines Resonators gebaut werden kann, der auf die oben beschriebene Weise mit dem Hohlleiter gekoppelt ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel ist dann die maximale Einfügungsdämpfung bei der Resonanzfrequenz etwa gleich der halben Einfügungs dämpfung mit zwei Resonatoren entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel. Zur Erzielung größerer Einfügungsdämpfungen bei der Resonanzfrequenz lassen sich mehr als zwei Resonatoren verwenden.

Der konstruktive Aufbau des Ausführungsbeispiels der Erfindung gemäß Fig. 1, 2 und 3 kann leicht als Bandpassfilter mit zwei Sperrbändern Verwendung finden. Insbesondere kann das Filter so ausgelegt werden, daß es ein Signalband mit der Mittenfrequenz f« durchläßt, während Signale mit einem Abstand +Af von f« gesperrt werden,. Im einzelnen werden die

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beiden Sperrbänder durch zwei mit dem Hohlleiter gekoppelte dielektrische Resonatoren erreicht, von denen einer eine Resonanzfrequenz f^-Δί und der andere eine Resonanzfrequenz von £q+&£ hat. Die Resonatoren besitzen einen Abstand von Jvgo/2, wobei j\.go die Wellenlänge fQ ist, derart, daß bei f_Q die nicht in Resonanz befindlichen Bauteile der beiden Resonatoren einen Bandpass-Hohlraum bilden.

Fig. 5 zeigt die gemessene Einfügungsdämpfung eines Bandpassfilters, das so ausgelegt ist, daß ein Signalband mit einer Mittenfrequenz von 4 GHz durchgelassen und Signale mit 3»93 GHz und 4,07 GHz gesperrt werden. Dieses Filter wird dadurch aufgebaut, daß ein erster Ba₂Ti^O₂Q-Resonator mit einem Durchmesser von 1,46 cm und einer Länge von 4,5 mm in einem Abstand von 1,46 cm von einem zweiten Ba₂Tig0₂₀-Resonator mit einem Durchmesser von 1,46 cm und einer Länge von 4 mm angeordnet wird.

Es lassen sich zahlreiche Abänderungen im Rahmen der Erfindung treffen. Beispielsweise wird zwar bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung eine dielektrische Resonanz dadurch erreicht, daß das transversale Magnetfeld H_x der dominanten Schwingungsform im Hohlleiter angekoppelt wird, aber eine Resonanz läßt sich auch erzielen, indem die Resonatoren so angeordnet werden, daß eine Kopplung zwischen dem Resonator und dem longitudinalen Magnetfeld H₂ der dominaten Schwingungsform im Hohlleiter

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vorhanden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein scheibenförmiger Resonator in der schmalen Hohlleiterwand so angeordnet, daß die ebenen Flächen der Scheibe rechtwinklig zur magnetischen Komponente H₂ verlaufen. Diese Anordnung ist im Hohlleiter asymmetrisch mit Bezug auf die Symmetrieebene, die die breite Seite der Hohlleiterwand doppelt schneidet, und als Hauptschwingungsform wird die Schwingungsform H₂Q erregt. Die Anordnung gemäß Fig. 1,2 und 3 mit einer ^-Kopplung ist symmetrisch, und als Hauptschwingungsform wird die Schwingungsform H,q erregt, die weiter unterhalb der Grenzfrequenz als die Schwingungsform H₂₀ liegt und demgemäß zu einer kleineren Kopplung zwischen den Resonatoren führt. Daher ist die ^-Kopplung die bevorzugte Koppelanordnung.

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Claims

BLUMBACH · WESER · Β» P.GEN > KRAMER>g ^-j ZWIRNER · HIRSCH · BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult WESTERN ELECTRIC COMPANY, INCORPORATED REN - 3 NEW YORK (N.Y.) 10038 U.S.A. Patentansprüche

1.] Mikrowellenfilter mit einem Hohlleiter _t der wenigstens eine öffnung in einer seiner Wände besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrischer Resonator (103) mit vorbestimmter Resonanzfrequenz angepaßt in der Öffnung (104) befestigt ist, derart, daß ein wesentlicher Teil des Resonators sich ausserhalb und der Rest des Resonators sich innerhalb des Hohlleiters (105) befindet.

2. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Filter einen zweiten dielektrischen Resonator (101) aufweist, der angepaßt in einer weiteren Öffnung (102) im Hohlleiter befestigt ist, derart, daß ein wesentlicher Teil des zweiten Resonators sich außerhalb des Hohlleiters befindet.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. « W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. . P.Bergen Dipl.-Ing. Dr.jur. ..G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.

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OfBGiNAL INSPECT«)

3· Mikrowellenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Resonatoren (101,103) einen Abstand von 3/4 Xgo besitzen, wobei l^go die Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz fQ der Resonatoren ist.

4. Mikrowellenfilter nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet _t daß das Filter ein erstes Gehäuse (102) aufweist, das den wesentlichen Teil des dielektrischen Resonators (103) umgibt.

5. Mikrowellenfilter nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein zweites Gehäuse (117) aufweist, das den wesentlichen Teil des zweiten dielektrischen Resonators (101) umgibt, wodurch die Resonatoren (101,103) voneinander isoliert sind.

6. Mikrowellenfilter nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gehäuse (107,117) eine Befestigungsanordnung (106,116) mit niedriger Dielektrizitätskonstante aufweist, um den dielektrischen Resonator (103, 101) innerhalb des Gehäuses zu halten.

7. Mikrowellenfilter nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gehäuse (107,117) eine Frequenzabstimmeinrichtung (115,118) aufweist, um die Resonanzfrequenz jedes dielektrischen Resonators (103,101) abzustimmen,

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8. Mikrowellenfilter nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste dielektrische Resonator eine erste Resonanzfrequenz (fQ-Af) und der zweite dielektrische Resonator eine zweite Resonanzfrequenz (fg+Af) besitzen, wodurch das Filter ein Bandpassfilter ist, das ein Signal mit einer Mittenfrequenz bei der Frequenz f_Q durchläßt und Signale bei einer Frequenz mit einem Abstand von + Af von ff» sperrt,

9. Mikrowellenfilter nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Resonator einen Abstand von 1/2/\go haben, wobeifV-go die Wellenlänge bei der Mittenfrequenz fQ des Bandpassfilters ist.

10. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein abstimmbares induktives Nebenschlußelement (110,112) innerhalb des Hohlleiters (105) aufweist, um die Asymmetrie der Bandsperrkurve des dielektrischen Resonators (101,103) zu kompensieren.

11. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Resonator (101, 103) eine zylindrische Keramikscheibe ist.

12. Mikrowellenfilter nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß jede Resonatorscheibe (101,103) entlang der Mittellinie der breiten Wände eines Rechteck-

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hohlleiters (105) angeordnet ist, derart, daß die ebenen Flächen der Scheibe parallel zur schmalen Wand des Hohlleiters verlaufen»

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