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Mikrowellenbanddurchlassfilter mit Transformator von Viertelwellenlänge
Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenbanddurchlassfilter mit Transformator von Viertelwellenlänge.
Mikrowellenbanddurchlassfilter dieser Art sind in einem rechteckigen Hohlleiter untergebracht, wobei zwecks Einstellung vorteilhafterer elektrischer Eigenschaften des Filters im Sinne der Erfindung ausser den
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leicht durchgeführt werden.
Mikrowellenbanddurchlassfilter sind bestimmt, in einem Hohlleiter Signale in einem bestimmten Frequenzband im Durchlassband weniger und andere Signale ausserhalb dieses Bandes (im Sperrband) stärker zu dämpfen. Abgesehen von den Dämpfungsforderungen sollen die Filter auch die Signale im Durchlassband in der Richtung auf den Signalgenerator zu in sehr geringem Mass reflektieren (ihr Stehwellenverhältnis soll nur gering vom idealen Wert l, 00 abweichen), wobei die Gruppenlaufzeit der durchgehenden Signale in Abhängigkeit von der Frequenz nur geringe Schwankungen aufweisen soll. Die letzteren Forderungen sind bei den Filtern der Mikrowellenradioverbindungen sehr streng.
Zu diesem Zweck ist bereits vorgeschlagen worden, im Inneren des Hohlleiters aus Stabreihen bestehende Reaktanzelemente vorzusehen, deren Stäbe voneinander annähernd in Halbwellenlänge angebracht sind, zu den schmäleren Seiten des rechteckigen Hohlleiters parallel liegen und die breiteren Seitenwände miteinander metallisch verbinden, wobei in der Mitte des Hohlleiterabschnittes zwischen den Stabreihen ein Zapfen von veränderlicher Länge angebracht ist, der aus der einen breiteren Seitenwand des Hohlleiters in senkrechter Richtung hereinragt. Im Hohlleiterabschnitt zwischen den Stabreihen entsteht ein Hohlraumresonator, dessen Resonanzfrequenz durch die Zahl der Stäbe in den Stabreihen, durch den Stabdurchmesser und durch den gegenseitigen Abstand der Stabreihe bestimmt ist.
Durch Verstellung der Tauchtiefe des zwischen den Stabreihen vorgesehenen Zapfens veränderlicher Länge kann die Reso- nanzfrequenz des Hohlraumresonators in geringem Mass geändert werden. Mittels dieses Abstimmorganes kann die genaue Einstellung des Filters durchgeführt werden. Das geschilderte Reaktanzelement bildet in der Ersatzschaltung des Hohlleiters einen parallelen Nebenschlussschwingungskreis, dessen Resonanzfrequenz mit der Resonanzfrequenz des im Hohlleiter entstehenden Hohlraumresonators übereinstimmt, während seine belastete Güte (vgl. Zeitschrift"Frequenz", 1959,. Nr. 4, S. 101) von der Zahl und dem Durchmesser der Stäbe in den Stabreihen abhängt.
Der gegenseitige Abstand der Reaktanzelemente ist derart zu wählen, dass die durch die einzelnen Reaktanzelemente reflektierten Wellen einander im Durchlassband gegenseitig auslöschen und im Sperrband verstärken. Von den möglichen Ausführungen sind naturgemäss jene vorteilhafter, bei welchen die Forderungen bei geringstem Bedarf an Bestandteilen erfüllt und die einfach hergestellt werden können., Wie berechnet und durch Messungen bestätigt, beträgt bei den geschilderten Reaktanzelementen der entsprechende Abstand zwischen den die einzelnen Reaktanzelemente darstellenden parallelen Schwingungskreisen ein Viertel der Hohlleiterwellenlänge.
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sind symmetrisch. Dies bedeutet, dass die Reaktanzelemente rechts bzw. links zur Mittellinie des Filters den gleichen Gütefaktor aufweisen.
Beim Entwurf eines Filters mit vier Reaktanzelementen können z. B. zwei belastete Güten gewählt werden. Bei einzelnen Typen der bekannten Mikrowellenfilter sind die be- lasteten Güten derart gewählt, dass das einfallende Signal bei der Mittelfrequenz des Durchlassbandes durch das Filter überhaupt nicht zum Generator reflektiert wird. Bei Änderung der Frequenz der einfallen- den Signale gegen den Rand des Bandes werden die einfallenden Signale von dem Filter immer mehr re- flektiert (das Stehwellenverhältnis des Filters nimmt gegen die Ränder des Durchlassbandes gleichmässig zu).. Typen dieser Art werden als Potenzfilter ("Maximally flat"oder"Butterworth") bezeichnet.
Die Übertragungstechnik kennt auch Filter, die in ihrem Durchlassband die einfallenden Signale bei mehreren
Frequenzen ohne Reflexion durchlassen, so dass die Kurve des Stehwellenverhältnisses im Durchlassband eine Welle mit mehreren gleichen Höchstwerten bildet. Filter dieser Art werden als Filter mit Tschebi- schew-Kennlinie bezeichnet (bezüglich Potenzfilter und Tschebischew-Filter vgl. Telefunken-Zeitung
1961, S, 180), wobei sie den Vorteil haben, dass sie dieselben Vorschriften bezüglich der Sperrbanddämp- fung und des grössten Durchlassbandstehwellenverhältnisses bei einem breiteren Durchlassband erfüllen als die Potenzfilter.
Bei Mikrowellenradioverbindungen ist die Anwendung eines Filters der Tschebischew-
Type vorteilhafter, als eines Potenzfilters dergleichen Sperrbanddämpfung und des grössten Durchlassband- stehwellenverhältnisses, weil wegen des breiteren Durchlassbandes die Schwankungen der Gruppenlaufzeit im zur Verbindung erforderlichen Frequenzband im Verhältnis zu jenen des Potenzfilters geringer sind.
Das Tschebischew-Filter kann z. B. bei einem symmetrischen Filter (wo zwei belastete Güten bei Entwurf gewählt werden müssen) mit z. B. vier Reaktanzelementen nicht verwirklicht werden, weil hiezu die An- zahl der beim Entwurf zur Verfügung stehenden freien Parameter unzureichend ist.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, dass ein Teil der bekannten Banddurchlassfilter aus parallelen Ne- benschlussschwingungskreisen besteht, die mit Hohlleiterabschnitten von Viertelwellenlänge verbunden sind, wobei die Resonanzfrequenz der Schwingungskreise mit der mittleren Frequenz des Durchlassbandes übereinstimmt. Auf Grund von theoretischen Berechnungen kann gezeigt werden, dass die Vorschriften für Filter über Dämpfung bzw. Durchlassband nicht lediglich durch eine geeignete Wahl der belasteten Güte der das Filter bildenden parallelen Nebenschlussschwingungskreise erfüllt werden können, weil die Übertragungseigenschaften des Filters auch durch den das Filter abschliessenden Generator und die Belastungsadmittanzen beeinflusst werden.
Bei Mikrowellenradioverbindungen werden die Filter durch die Wellenadmittanz des Hohlleiters abgeschlossen, wobei der Abschluss nicht frei geändert werden kann.
Die Erfindung bezweckt die Beseitigung dieser Schwierigkeiten. Zu diesem Zweck wird die Anzahl der beim Entwurf zur Verfügung stehenden freien Parameter dadurch erhöht, dass am Anfang und am Ende des Filters im Sinne der Erfindung je ein Transformator von Viertelwellenlänge vorgesehen ist, dessen Wellenwiderstand beim Entwurf des Filters bestimmt wird. Mittels Transformatoren vonViertelwellenlän- ge können die Generator-und Belastungsadmittanzen, die das Filter abschliessen, geändert werden. Auf diese Weise können beim erfindungsgemässen Filter nicht nur die belasteten Güten der das Filter bildenden parallelen Nebenschlussschwingungskreise, sondern sogar die das Filter abschliessenden Admittanzen frei gewählt werden.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Filters gegenüber den bekannten Filtern können an folgendem Beispiel gezeigt werden. Es soll ein Banddurchlassfilter mittels eines Hohlraumes angefertigt werden, der aus vier Hohlleitern besteht. Die das Filter betreffenden elektrischen Vorschriften seien derart bestimmt, dass das grösste zulässige Stehwellenverhältnis des mit dem Wellenwiderstand des Hohlleiters abgeschlossenen Filters im Durchlassband 1. 10 beträgt. Die Dämpfung soll bei 50 MHz von der mittleren Frequenz (z. B. von 3601 MHz) des Durchlassbandes bereits 25 dB oder mehr sein.
Bei Entwurf des Filters soll unter Befriedigung der Forderung bezüglich der Durchlassbanddämpfung ein breiteres Durchlassband angestrebt
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bandes gleich gewählt werden, so ist das Stehwellenverhältnis des Filters in der Mitte des Bandes 1, 00, wobei es gegen die Ränder dieses Bandes allmählich zunimmt. Das Durchlassband kann breiter gemacht werden, wenn die belasteten Güten der beiden mittleren Schwingungskreise um den Betrag von sin 37rosin r/S grösser ist als die belasteten Güten der beiden äusseren Schwingungskreise. In diesem Fall. wird das Stehwellenverhältnis in der Mitte des Durchlassbandes ebenfalls l, 00 sein und es nimmt gegen die Ränder des Bandes allmählich zu.
Bei irgendeiner andern Wahl der belasteten Güten der Schwingungskreise kann bei gleicher Sperrbanddämpfung ein breiteres Durchlassband nicht erhalten werden. Dies ist der Fall des sogenannten Filters mit grösster Flachheit (Potenzfilter). Wird das Filter gemäss der Erfindung angefertigt und ausser den Hohlräumen an seinen beiden Enden auch je ein Transformator von Vier-
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telwellenlänge vorgesehen, dann wird ein Filter erhalten, bei welchem das Stehwellenverhältnis in der
Mitte des Bandes sowie an seinen beiden Rändern 1, 10 beträgt, während es an zwei andern Stellen des
Durchlassbandes 1, 00 beträgt. Das Durchlassband ist dabei breiter als bei höchster Flachheit. Ein Filter dieser Art ist als Tschebischew-Filter bekannt. Bei einem Filter dieser Art ist z.
B. das Verhältnis des
Wellenwiderstandes der Transformatoren zum Wellenwiderstand des Hohlleiters der vierten Wurzeldes maximalen Stehwellenverhältnisses des Filters im Durchlassband gleich. Viertelwellentransformatoren, deren Wellenwiderstand grösser ist als der Wellenwiderstand des Hohlleiters und die für ein TschebischewFilter mit vier Reaktanzelementen erforderlich sind, können in der Weise hergestellt werden, dass die Breite des Hohlleiters bei unveränderter Höhe in einem Abschnitt von Viertelwellenlänge mittels einer
Metallplatte vermindert wird. Das Mass der Verminderung ist durch den Wellenwiderstand des Viertel- wellentransformators bestimmt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 - 3 eine Seitenansicht, eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Filters mit vier Reaktanzelementen darstellten.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist ein Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt durch schmälere Seitenwände 1 und 2 und breitere Seitenwände 3 und 4 begrenzt. In diesem Hohlleiterabschnitt sind vier Hohlraumresonatoren zum Bilden der Reaktanzelemente des Filters untergebracht. Die einzelnen Hohlraumresonatoren sind durch je zwei Stabreihen gebildet, die je zwei Stäbe enthalten. Die Stäbe zum Bilden der Hohlraumresonatoren stehen zu den Seitenwänden 3 und 4 des Hohlleiters senkrecht, während sie zu den Seitenwänden 1 und 2 parallel liegen und die Seitenwände 3 und 4 miteinander leitend verbinden. Die Stäbe 5 bilden die Hohlraumresonatoren für das erste und vierte Reaktanzelement, während die Stäbe 6 die Hohlraumresonatoren für das zweite und dritte Reaktanzelement darstellen.
Die Stäbe 5 haben einen kleineren Durchmesser als die Stäbe 6, da beim Entwurf des Filters die belastete Güte des ersten und vierten Hohlraumes geringer war als beim zweiten und dritten Hohlraum. Zum Feinabstimmen der Resonanzfrequenzen der Hohlräume dienen Abstimmzapfen 7, die zwischen den die Hohlräume bildenden Stabreihen angebracht sind und zu der Seitenwand 3 senkrecht liegen, wobei die Länge des in den Hohlleiter hineinragenden Zapfenabschnittes veränderlich ist.
Am Anfang und am Ende des Filters sind erfindungsgemäss Viertelwellentransformatoren 8 angeordnet, mittels welcher die Breite des Hohlleiters bei unveränderter Höhe entlang eines Viertelwellen-Abschnittes verringert wird. Durch die Viertelwellentransformatoren werden die durch die erste und letzte Stabreihe des Filters gebildeten Admittanzen in geringem Masse verändert, was eine Verstimmung des Filters zur Folge hat. Um diese zu beheben, werden in den Ebenen der ersten und letzten Stabreihe Abstimmzapfen 9 vorgesehen, deren Ausbildung jener der Abstimmzapfen 7 gleich ist und mittels welcher die durch die Transformatoren verursachte Verstimmung beseitigt werden kann. Die Abstimmzapfen 9 sind auch geeignet, durch Herstellungsungenauigkeiten bedingte Fehler zum Teil zu beheben.
Mittels des erfindungsgemässen Filters können natürlich nicht nur Filter der Tschebischew-Type mit vier Reaktanzelementen, sondern auch andere Filter gebaut werden, wobei auch berücksichtigt wird, dass ausser den belasteten Güten der die Reaktanzelemente darstellenden Hohlraumresonatoren auch die Wellenwiderstände der Transformatoren beim Entwurf wählbare freie Parameter sind.
PATENTANSPRÜCHE :
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in einem rechteckigen Hohlleiter. das aus aus Stabreihen aufgebautenHohliaumresonatoren besteht. wobei die Stabreihen Stäbe enthalten, die zur schmäleren Seitenwand des Hohlleiters parallel liegen und die breiteren Seitenwände miteinander metallisch verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb der Hohlräume am Anfang und am Ende des Filters zwei gleiche Viertelwel- lentransformatoren (8) vorgesehen sind.