DE957867C - Filter bzw. Weichenteilfilter mit einer koaxialen Hochfrequenzleitung - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 7. FEBRUAR 1957

T 9031 VIII c /21g

Bei Anordnungen der Hochfrequenz-Nachrichtentechnik besteht häufig die elektrische Filter erfordernde Aufgabe, Schwingungsenergie einer bestimmten Arbeitsfrequenz oder eines Bereiches verschiedener Arbeitsfrequenzen optimal und im wesentlichen ohne Reflexionen an Stoßstellen des Verbindungsweges zu übertragen und gleichzeitig die Übertragung einer benachbarten Schwingungsfrequenz stark zu dämpfen. Zur Lösung des ersten

Teiles der Aufgabe wird durch elektrische Filter bekanntlich Widerstandsanpassung an den Übergangsstellen hergestellt, beispielsweise zwischen dem Abschlußkreis eines Funkgerätes und einer weiterführenden Leitung, während für den zweiten Teil der Aufgabe bei Hochfrequenzfiltern vielfach von in den Übertragungsweg eingeschalteten, auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmten Resonanzgliedern Gebrauch gemacht wird, welche den Scheinwiderstand des Verbindungsweges für diese Frequenz so weit von dem der Anpassung und optimalen Leistungsentnahme zugrunde gelegten Kennwiderstand in Richtung auf den Fall des Kurzschlusses bzw. Leerlaufes (je nach der Art der Einschaltung) verlagern, daß im Vergleich zum Übertragungsmaß der Nutzschwingung hohe Sperrdämpfungen erzielt werden. Häufig werden Hochfrequenzfilter verwendet, bei welchen der zur Übertragung dienenden Hochfrequenzleitung an einer

geeigneten Stelle ein auf die Sperrfrequenz abgestimmter Serienresonanzkreis parallel geschaltet wird. Dieser Kreis besitzt für seine Resonanzfrequenz einen gegenüber dem Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitung kleinen reellen Widerstand; er bildet jedoch für die durchzulassende, der Sperrfrequenz benachbarte Frequenz je nach der Lage dieser Frequenz über oder unter der Sperrfrequenz einen Scheinwiderstand mit einer induktiven oder

ίο kapazitiven Blindkomponente, welche üblicherweise für die Durchgangsfrequenz durch einen gleich großen Blindwiderstand entgegengesetzten Vorzeichens kompensiert wird. Dies geschieht, indem man aus dem Blindwiderstand des auf die Sperrfrequenz abgestimmten Serienresonanzkreises und einem zusätzlichen Blindwiderstand einen auf die Durchlaß frequenz abgestimmten, der Hochfrequenzleitung ebenfalls parallel geschalteten Parallelresonanzkreis bildet.

In Abb. ι ist eine nach diesem Prinzip aufgebaute elektrische Weiche mit einer koaxialen Hochfrequenzleitung dargestellt, welche sich an einem Verzweigungspunkt 3 in die Zweige 1, 2 und 4 teilt. Der Aufgabe gemäß soll von dem Zweig 1 zum Zweig 4 die Schwingung der Frequenz Z₁ durchgelassen, die Schwingung der Frequenz /₂ jedoch stark gedämpft werden; umgekehrt soll von 2 nach 4 die Frequenz f₂ durchgelassen, die Frequenz f₁ aber gesperrt werden. Solche Frequenzweic'hen dienen vorzugsweise zur Verbindung zweier auf verschiedenen Trägerfrequenzen arbeitender Funkgeräte mit einem gemeinsamen Übertragungsmittel (Antenne).

Die für das unterschiedliche Verhalten bei der Sperr- und Durchlaßfrequenz verwendeten Resonanzglieder sind in der Weiche nach Abb. 1 in Gestalt koaxialer Leitungsstücke ausgeführt, welche an ihrem freien Ende entweder — wie in der Zeichnung dargestellt —, kurzgeschlossen oder offen, d. h. leerlaufend sind. Sie bilden dann sogenannte Blindleitungsstücke, welche sich bei geeigneter Wahl der Länge wie Serienresonanzkreise oder Parallelresonanzkreise verhalten. Dementsprechend ist das dem linken Weichenteilfilter angehörende Blindleitungsstück 5 von der wirksamen Länge XJ2 am Ende durch einen einstellbaren Schieber kurzgeschlossen und bildet am Punkt 9 in Parallelschaltung zum Leitungszweig 1 einen auf /₂ (entsprechend X₂) abgestimmten Serienreso-

nanzkreis. Der je nach der relativen Lage der Sperrfrequenz zur Durchlaßfrequenz kapazitive oder induktive Widerstandsanteil dieses Serienresonanzkreises bei der Durchlaß frequenz wird durch das ebenfalls im Punkt 9 der Leitung 1 parallel geschaltete Blindleitungsstück 6 kompensiert. Die Blindleitungsstücke 5 und 6 ergeben zusammen ein an beiden Enden kurzgeschlossenes Leitungsstück der Länge X₁ entsprechend der Durchlaßfrequenz Z₁. Am Punkt 9 wirken die einander parallel geschalteten Blindleitungsstücke 5 und 6 wie ein auf f_t abgestimmter Parallelresonanzkreis und damit wie ein im Vergleich zum Wellenwiderstand der Leitung hoher reeller Widerstand. Die elektrischen Vorgänge im rechten Weichenteilfilter sind die gleichen, bis auf den Unterschied, daß dort die Frequenz f₂ durchgelassen und die Frequenz f₁ gesperrt werden soll; dementsprechend ist das Blindleitungsstück 7- als Sperrglied mit einer Länge XJ2 ausgeführt, während die Länge der Stücke 7 und 8 zusammen gleich X₂ ist.

Bei der Verwendung derartiger Weichen wurde eine Abweichung von dem gewünschten Verhalten beobachtet, deren Beseitigung das Problem der Erfindung bildet und die im folgenden zunächst beschrieben werden soll. Frequenzweichen sollen die erforderliche Sperrdämpfung in jedem Zweige nicht nur bei der einen zugrunde gelegten Frequenz, sondern innerhalb eines für das Nachrichtenspektrum des Trägers ausreichend breiten Bandes aufweisen. Entsprechend soll auch der Anpassungsfehler innerhalb der gleichen Bandbreite unter einer bestimmten Grenze bleiben, oder, anders ausgedrückt, es soll das Transformationsverhältnis der Weiche innerhalb dieser Bandbreite praktisch zwischen entsprechenden > Grenzen . liegen. Während hinsichtlich der Breite des Sperrbereiches im allgemeinen keine besonderen Bemessungsschwierigkeiten bestehen, hat es sich gezeigt, daß die Aufrechterhaltung einer geforderten Güte der Anpassung, ausgedrückt durch die Maßzahl m entsprechend dem Verhältnis der Maximalspannung zur Minimalspannung auf der Leitung, innerhalb eines Frequenzbandes vorgegebener Breite nicht unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet war.

Messungen haben ergeben, daß die beiden Weichenteilfilter je nach Lage des Durchlaßbereiches zur linken oder zur rechten Seite ihres jeweiligen Sperrbereiches trotz Nachstimmung jedes der beiden Weichenteilfilter bei Vertauschung der Frequenzlage von Durchlaß- und Sperrbereich unterschiedliche Durchlaßbreiten, bezogen auf den gleichen Höchstwert m, aufweisen. Dies bedeutet, daß bei der im Betrieb häufig von jedem Weichenteilfilter geforderten Vertauschbarkeit der Frequenzlage von Durchlaß- und Sperrbereich eine gewisse Änderung des Transformationsverhältnisses eintrat, welche eine in jeder Beziehung optimale Bemessung der Weiche unmöglich machte, da man zur Erfüllung geforderter Bedingungen bei der Bemessung die jeweils ungünstigeren Werte zugründe legen mußte.

Eingehende Untersuchungen haben ergeben, daß die Ursache für das beschriebene »unsymmetrische« Verhalten der Weiche bei den beiden möglichen relativen Lagen der Sperr- und Durchlaßbereiche in den besonderen Bedingungen des Stromlaufes in der unmittelbaren Umgebung des Anschlußpunktes 9 zu suchen ist. Wie in Abb. 1 durch die Pfeile s und p angedeutet ist, fließt über diesen Punkt der Serienresonanzstrom des Sperrgliedes 5 und der Parallelresonanzstrom der vereinigten Glieder 5 und 6. Wenn man sich die Leitungen der Verzweigung, wie in der 'Zeichnung, in eine Ebene ausgebreitet vorstellt, so erkennt man, daß der Strom p einen geraden Weg zu durchfließen hat, also praktisch wie in einer homogenen Leitung ver-

läuft. Der Strom s muß jedoch um eine ao°-Ecke herumfließen; an dieser Stelle weichen daher die Eigenschaften des Leitungsgebildes wesentlich von den zugrunde gelegten Bedingungen der idealen

Verzweigung ab. Der Strom s hat die Möglichkeit, sich einen kürzeren Weg zu wählen, als er sich bei der Annahme gleichmäßiger Verteilung und bei Strombahnen längs der Mantellinien der Zylinderflächen von Innen- und Außenleiter ergeben würde.

ίο Diese Erscheinung betrifft sowohl den Außenleiter j als auch den wegen der Stärke der Resonanzströme verhältnismäßig dicken Innenleiter. Eine exakte theoretische Behandlung des Problems stößt auf erhebliche Schwierigkeiten. Man kann sich aber auch ohne Rechnung vorstellen, daß durch die Wegabweichung des Stromes s das Resonanzglied 5 trotz sonst gleichartigen Aufbaues etwas andere elektrische Eigenschaften erhält als das kompensierende Glied 6, dessen Resonanzstrom p einen geraden Weg durchläuft. Diese unterschiedlichen Verhältnisse wurden als Ursache der beobachteten Unsymmetrie des Weichenverhaltens erkannt.

Als Abhilfe sollen bei Filtern mit einer koaxialen Hochfrequenzleitung mit wenigstens einem Sperrglied und einem Kompensationsglied der beschriebenen Art, welche als koaxiale Blindleitungsstücke ausgebildet sind, erfindungsgemäß entweder die Achsen der beiden Blindleitungsstücke miteinander und die Achse des in Serienresonanz auf die Sperrfrequenz abgestimmten Bliiidleitungsstückes mit der Achse der durchgehenden Hochfrequenzleitung am Zusammenführungspunkt untereinander praktisch gleiche, von Null verschiedene Winkel bilden, oder es soll die bei wesentlicher Verschiedenheit der genannten Winkel bzw. der wirksamen Längen der gegebenenfalls durch Leitungsformstücke gebildeten Verbindungswege in Erscheinung tretende Wegverschiedenheit für den die zu sperrende Frequenz aufweisenden Resonanzstrom und für den durch das Kompensationsleitungsstück hervorgerufenen Resonanzstrom ausgeglichen sein durch Einschaltung eines zusätzlichen, wegverlängernden' Innenleiterstückes in den Weg des einen Resonanzstromes bzw. durch Einfügung eines zusätzlichen Innenleiterstückes, das als Parallelverbindung die Strombahn des anderen Resonanzstromes gegenüber dem über die Innenleiter der beiden Blindleitungsstücke führenden Weg abkürzt.

Meßergebnisse haben bestätigt, daß sowohl durch eine im Sinne der Erfindung räumlich gleichartige Führung der Resonanzströme s und p als auch durch Ausgleichsmaßnahmen der angegebenen Art an' den Zusammenführungen der Innenleiter das Verhalten der beiden Weichenteilfilter von der relativen Frequenzlage ihrer Durchlaß- und Sperrbereiche unabhängig wird, so daß bei der Bemessung nicht mehr auf den ungünstigeren Wert Rücksicht genommen zu werden braucht. Bei kleineren Anlagen kann man _x diesen Erfolg in einfacher Weise dadurch erzielen, daß die Achsen der beiden Blindleitungsstücke und der durchgehenden Hochfrequenzleitung beispielsweise senkrecht zueinander, also auf den drei Achsen eines rechtwinkligen Koordinatensystems, angeordnet werden. Bei größeren Anlagen dürfte eine solche Anordnung der Teile wegen des erhöhten Raumbedarfs gegenüber der üblichen parallelen Lage der Leitungsachsen nicht durchführbar sein. Für diese Fälle ist dann der Ausgleich durch die besondere Ausbildung der Innenleiterzusammenführung nach der Erfindung zu bevorzugen. ·

In Abb. 2 ist eine räumliche Anordnung der Leitungsteile des linken Weichenteilfilters der Abb. ι dargestellt. Die Abb. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele für die Zusammenführung der Innenleiter nach der Erfindung. Bei den durch die Abb. 3 und 4 skizzierten Ausführungsformen sind die beiden Blindleitungsstücke 5 und 6 parallel nebeneinander angeordnet und werden von einem kastenförmigen Verbindungsstück getragen, durch wel- 8σ ches die koaxiale Hochfrequenzleitung 1 einschließlich ihres Außenleiters — ebenfalls parallel zu den Achsen der beiden Blindleitungsstücke —hindurchgeführt ist. Die Außenwand des Verbindungsstückes 10 ist mit den Außenleitern der Hochfrequenzleitung 1 und der Blindleitungsstücke 5 sowie 6 leitend verbunden, während die Verbindungen 11, 12 der Innenleiter der Blindleitungsstücke 5 und 6 miteinander und mit dem Innenleiter der Hochfrequenzleitung 1 durch den Innenraum des Verbindungsstückes 10 geführt sind. Der Außenleiter der Leitung 1 weist wenigstens eine fensterartige öffnung auf, durch welche die Verbindungsleiter 11 und 12 hindurchtreten. Zwei der in Abb. 2 dargestellten Anordnungen bilden nach Herstellen der Verbindung am Verzweigungspunkt 3 (vgl. auch Abb. 1) eine vollständige Weiche. Die Erfindung ist jedoch auch ohne eine solche Vereinigung, bereits an einer Anordnung nach Abb. 2 vollständig verwirklicht. Bei der zeichne- 100. rischen Darstellung wurde angenommen, daß die den Einblick hindernde Vorderwand des Verbindungsstückes 10 entfernt worden sei.

Die Abb. 3 und 4 zeigen in Aufsicht auf die Schnittebene A-B der Abb. 2 dargestellte Formen für die Zusammenführungsteile der Innenleiter. Die auf der Deckfläche des Verbindungsstückes 10 in Erscheinung tretenden Durchdringungspunkte der drei Leitungsachsen bilden ein gleichschenkliges Dreieck mit der Verbindungsgeraden zwischen 110 den Durchdringungspunkten der Blindleitungsstücke als Grundlinie. In der Ausführungsform nach Abb. 3 bilden die Verbindungsstücke 11 und 12 von den Innenleitern der Blindleitungsstücke zu dem Innenleiter der Hochfrequenzleitung miteinander einen Winkel von weniger als i8o°. Zwischen geeigneten Punkten der Verbindungsstücke ti, 12 ist eine direkte Leiterverbindung 13 vorgesehen, welche durch Umgehung des Verbindungspunktes 9 des Innenleiters der Hochfrequenzlei- tung ι mit den Innenleitern der Blindleitungsstücke 5, 6 den Stromweg zwischen den Innenleitern der Blindleitungsstücke 5, 6 verkürzt. Die Verbindung 13 setzt je nach den Erfordernissen des Abgleiche entweder etwas näher ztr beiden Seiten des Punktes ο oder näher bei den Innenleitern der

Blindleitungsstucke 5, 6, im Grenzfalle unmittelbar an diesen, an. Auch ist die Ausfüllung des eine dreieckige Grundfläche aufweisenden Zwischenraumes zwischen den Leitern ii, 12, 13 möglich, so daß ein plattenförmiger, dreieckig begrenzter Leiter entsteht. ■

In Abb. 4 ist eine andere Möglichkeit der Ausbildung der Zusammenführungsleiter dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die vom Innenleiter jeder der beiden Blindleitungsstucke 5,6 . zum InnenLeiter der Hoch frequenz leitung 1 führenden Strombahnen gegenüber dem Stromweg zwischen den Innenleitern der Blindleitungsstucke 5., 6 im Vergleich zu jeweils geradlinigen Verbindungen zwischen dem Innenleiter der Hochfrequenzleitung ι und den Innenleitern der Blindleitungsstucke 5, 6 dadurch verlängert, daß die Innenleiter der beiden Blindleitungsstucke 5, 6 über einen vorzugsweise in flachem Bogen verlaufenden, den

ao Innenleiter der Hochfrequenzleitung 1 nicht berührenden Leitern', 12' miteinander verbunden sind, von dessen Mitte aus eine Verbindung 14 zu dem Innenleiter der Hochfrequenzleitung 1 führt. Die bevorzugte Anwendung der Erfindung betrifft Frequenzwei.chen für den Anschluß wenigstens zweier, auf einander benachbarten Frequenzen arbeitender Funkgeräte, vorzugsweise zweier Sender oder eines Empfängers und eines Senders, an eine gemeinsame Antenne. Dabei sind beiderseits des Verzweigungspunktes 3 mit. den beiden Zweigen 1 und 2 der Hochfrequenzleitung die Paare von Blindleitungsstücken 5, 6 bzw. 7, 8 verbunden und die Längen der Zusammenführungen der Innenleiter gemäß dem oben Dargelegten derartig bemessen, daß beim Wechsel der relativen Frequenzlage des Durchlaß- und Sperrbereiches bei beiden Weichenteilfiltern praktisch gleichbleibende Breiten der Durchlaßfrequenzbänder — bezogen auf den gleichen Wert des Anpassungsfehlers — erzielt werden. Für die beiden Weichenteilfilter werden vorzugsweise gleich breite Durchlaßbereiche vorgesehen.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Filter mit einer koaxialen Hochfrequenzleitung, mit wenigstens einem der Leitung parallel geschalteten, auf eine Sperrfrequenz abgestimmten Resonanzglied von Serienresonanzeigenschaften in Gestalt eines koaxialen Blindleitungsstückes passend gewählter Länge und mit einem der Leitung an dem gleichen Punkt parallel geschalteten, ebenfalls in Form eines koaxialen Blindleitungsstückes ausgebildeten zusätzlichen Blindwiderstand von derartiger Bemessung, daß für eine der Sperrfrequenz benachbarte Durchlaßfrequenz der durch das genannte Resonanzglied gebildete Blindwiderstand durch den zusätzlichen Blindwiderstand kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Achsen der beiden Blindleitungsstucke (5, 6) miteinander und die Achse des in Serien resonanz auf die Sperrfrequenz abgestimmten Blindleitungsstückes (5) mit der Achse der durchgehenden Hochfrequenzleitung (1) am Zusammenführungspunkt (9) untereinander praktisch gleiche, von Null verschiedene Winkel bilden, oder die bei wesentlicher Verschiedenheit der genannten Winkel bzw. der wirksamen Längen der gegebenenfalls durch Leitungsformstücke gebildeten Verbindungswege in Erscheinung tretende Wegverschiedenheit für den die zu sperrende Frequenz aufweisenden Resonanzstrom und für den durch das Kompensationsleitungsstück (6) hervorgerufenen Resonanzstrom ausgeglichen ist durch Einschaltung eines zusätzlichen wegverlängernden Innenleiterstückes (14) in den Weg des einen Resonanzstromes bzw. durch Einfügung eines zusätzlichen Innenleiterstückes (13), das als Parallelverbindung die Strombahn des anderen Resohanzstromes gegenüber dem über die Innenleiter der beiden Blindleitungsstucke führenden Weg abkürzt. ·
2. 2. Filter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parallel nebeneinander angeordneten Blindleitungsstucke (5, 6) von einem vorzugsweise kastenförmigen Verbindungsstück (10) getragen werden, durch welches die koaxiale Hochfrequenzleitung (1) einschließlich ihres Außenleiters hindurchgeführt ist und dessen Außenwand mit den Außenleitern der Hochfrequenzleitung (1) und der Blindleitungsstucke (5, 6) leitend verbunden ist, während die Verbindungen der Innenleiter der Blindleitungsstucke (5, 6) miteinander bzw. mit dem Innenleiter der Hoch-' frequenzteilung (1) durch den Innenraum des Verbindungsstückes (10) geführt sind,
3. 3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzleitung (1) parallel zu den Achsen der beiden Blindleitungsstucke (5, 6) durch das Verbindungsstück (10) hindurchgeführt ist.
4. 4. Filter nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Deckfläche des Verbindungsstückes (10) in Erscheinung tretenden Durchdringungspunkte der drei Leitungsachsen ein gleichschenkliges 'Dreieck mit der Verbindungsgeraden zwischen den Durchdringungspunkten der Blindleitungsstucke (5,6)

   als Grundlinie bilden.
5. 5. Filter nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter der Hochfrequenzleitung (1) im Innern des Verbindungs-Stückes (to) wenigstens eine fensterartige öffnung aufweist, durch welche die Innenleiterverbitidung(en) zu den Blindleitungsstücken (S, 6) geführt ist (sind).
6. 6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Innenleitern der Blindleitungsstucke (5, 6) zu dem Innenleiter der Hochfrequenzleitung (ι) führenden Verbindungsstücke (11, 12) miteinander einen Winkel von weniger als i8o° bilden, und eine Leiterverbindung (13), die an geeigneten Punk-
7. ten der Verbindungsstücke (ιι, Ι2) oder unmittelbar an den Innenleitern der beiden Blindleitungsstücke (5, 6) ansetzt, den Stromweg zwischen den Innenleitern der Blindleitungsstücke (5, 6) durch Umgehung des Verbindungspunktes (9) des Innenleiters der Hochfrequenzleitung (1) mit den Innenleitern der Blindleitungsstücke (5,6) verkürzt (Abb. 3). 7. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Innenleiter jeder der beiden Blindleitungsstücke (5, 6) ■ zum Innenleiter der Hochfrequenzleitung (1) führenden Strombahnen gegenüber dem Stromweg zwischen den Innenleitern der zwei Blindleitungsstücke (5, 6) im Vergleich zu jeweils geradlinigen Verbindungen zwischen dem Innenleiter der Hochfrequenzleitung (1) und den Innenleitern der Blindleitungsstücke (5, 6) in der Weise verlängert sind, daß die Innenleiter der beiden Blindleitungsstücke (5, 6) über einen vorzugsweise in flachem Bogen verlaufenden, den Innenleiter der Hochfrequenzleitung (1) nicht berührenden Leiter (11', 12') miteinander . erbunden sind, von dessen Mitte aus eine Verbindung (14) zu dem Innenleiter der Hochfrequenzleitung (1) führt (Abb. 4).
8. 8. Anwendung von Filtern nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Weichenteilfilter von Frequenzweichen, die für den Anschluß wenigstens zweier, auf einander benachbarten Frequenzen arbeitender Funkgeräte, vorzugsweise zweier Sender oder eines Empfängers und eines Senders, an eine gemeinsame Antenne λ vorgesehen sind.

   Hierzu 1 Blairt Zeichnungen