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Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von einigen Dezimetern und weniger, insbesondere für den Frequenzbereich der Zentimeterwellen.
Filterfür elektrische Wellen werden in der Regel bis in den Bereich der Meterwellen in sogenannter konzentrierter Schaltungstechnik ausgebildet, also mit konzentrierten Kapazitäten und Spulen. Es wurden auch verschiedentlich noch im Bereich bis zu Frequenzen von etwa 500 MHz, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 60 cm, Filterschaltungen in dieser Technik vereinzelt realisiert, doch schien damit eine physikalische Grenze für Filter dieser Bauweise erreicht. Mit üblichen Kondensatoren und Spulen wird es nämlich mit höher werdender Frequenz immer schwieriger, die extrem geringen Kapazi- twats-fund Induktivitätswerte zu realisieren unter gleichzeitiger Erfüllung der Forderung nach ausreichend hoher Güte der einzelnen Resonanzkreise.
Es gehen nämlich schon bei Meterwellen die konzentrierten Schaltelemente nach der bisherigen Meinung mit zunehmender Frequenz mehr und mehr in Elemente mit Leitungscharakter über, verbunden mit entsprechenden Abstrahlungseigenschaften. Für Frequenzen oberhalb von mehreren 100 MHz, beispielsweise im Fernsehbereich, Band IV und V, werden daher nur
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dung mit kleinen Metallbolzen zur Bildung von Kapazitäten. Diese Filter erfüllen zwar die hinsichtlich der Kreisgütenzu stellenden Forderungen relativ gut, haben jedoch den schwerwiegenden Nachteil relativ hohen mechanischen Aufwandes, verbunden mit der in der Regel störenden elektrischen Eigenschaft sich periodisch wiederholender Durchlass-und Sperrbereiche. Letzteres ist in den Leitungseigenschaften der angewendeten Reaktanzelemente begründet.
Nach der Lehre der Erfindung lassen sich vor allem die erwähnten technischen Schwierigkeiten und, wenn es darauf ankommt, auch die elektrischen Schwierigkeiten sich periodisch wiederholender Durch- lass-und Sperrbereiche bei einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von wenigen Dezimetern und kleiner vermeiden, wenn auch in diesem Wellenlängengebiet die kon-
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sehen sind und bei dem die Induktivitäten als konzentrierte Induktivitäten in Form kleiner Spulen oder kurzer Leiterstücke ausgebildet sind.
Es sindbereits durch die deutsche Patentschrift Nr. 909755 Filter für Frequenzen bis etwa 2000 MHz bekanntgeworden, die in Form von Abzweigschaltungen realisiert sind und bei denen die Schaltelemente in Form von konzentrierten Induktivitäten und Kapazitäten ausgebildet sind. Der Grundgedanke die-
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ser bekannten Konstruktion beruht darauf, die einzelnen Filterglieder für sich je in ein zylindrisches Rohr derart einzubauen, dass die Eingangs- und Ausgangsklemmen des Einzelgliedes an die Stirnseiten des Rohres an gegenüberliegenden Stellen zu liegen kommen, so dass das Gesamtfilter durch eine Aneinanderreihung der jeweiligen Einzelglieder entsteht.
Bei dieser bekannten Anordnung ist man jedoch in der konstruktiven Ausgestaltung verhältnismässig beschränkt und sie hat auch eine relativ grosse Baulänge dann zur Folge, wenn auf Grund der an das Filter gestellten elektrischen Anforderungen mehrere Einzelglieder in Kette geschaltet werden müssen. Nachteilig an dieser Anordnung ist ferner, dass die Abstimmung der einzelnen Schaltelemente von aussen her durch die metallische Gehäusewand erfolgen muss, wodurch sich der Abgleich des gesamten Filters erschwert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten in verhältnismässig einfacher Weise zu begegnen.
Ausgehend von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von einigen Dezimetern und weniger, insbesondere für den Frequenzbereich der Zentimeterwellen, bei dem die Filtergrundschaltung die Form eines T- oder 1T-Grundgliedes mit Querkapazitäten in sämtlichen Querzweigen hat, vorzugsweise derart, dass das Filtergrundglied einen Kapazitätsstern enthält, und bei dem die Induktivitäten als konzentrierte Induktivitäten in Form kleiner Spulen oder kurzer Leiterstücke ausgebildet sind, wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Kapazitäten durch parallelachsig aneinandergereihte Tauchkondensatoren ausgebildet sind, von denen die in Längszweigen liegenden einen geteilten Stator und einen gegen Masse möglichst geringe Querkapazität aufweisenden Rotor haben.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im Ersatzschaltbild ein kapazitiv gekoppeltes Bandfilter mit zwei Parallelresonanzkreisen. Es ist angenommen, dass die Forderung sowohl nach getrennter Abstimmbarkeit der Parallelresonanzkreise als auch einstellbarer kapazitiver Kopplung besteht. Nach der Lehre der Erfindung wird dies, wie in Fig. 1 gezeigt, in der Weise realisiert, dass auf einer metallischen Grundplatte --1-- mit- tels zweier metallischer Träger-2, 3-- ein Leitersystem starr befestigt ist, das in Form zweier etwa T- förmiger stabiler Metallstreifen, die beispielsweise aus entsprechend starkem Metallblech gestanzt sein können, besteht.
Von diesem Metallstreifen bilden die Teile-4, 5-die Induktivität des im Ersatzschaltbild links dargestellten Parallelresonanzkreises und die entsprechenden Leiterabschnitte, die von dem Bolzen --2-- getragen werden, die Induktivität des im Ersatzschaltbild rechts dargestellten Parallelresonanzkreises. Die Leiterteile --6, 7-- sind die gegen Masse-l-hochliegenden Anschlüsse des Bandfilters. Die beiden Querkapazitäten werden durch zwei Tauchkondensatoren gebildet, deren Stato-
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9-ze --10 und 11--. In die Bohrungen der Statoren-8, 9-tauchen in leitender Verbindung mit der Grundplatte-l-Schraubbolzen-12 und 13-ein, die die Rotoren dieser Querkondensatoren bilden.
DieSchraubbolzen-12, 13- bestehen vorzugsweise aus Metall und sind gegenüber den Statoren--8, 9-luftisoliert. Es ist jedoch auch daran gedacht, eine dünne dielektrische Zwischenschicht, beispielsweise aus Polystyrol oder Polytetrafluoräthylen vorzusehen, um eine exakte Führung der Schraubbolzen innerhalb der Bohrungen der beiden Statoren sicherzustellen.
Der im Längszweig des Ersatzschaltbildes liegende Kopplungskondensator mit den Statoren-10, 11-, ist in seinem Kapazitätswert durch einen in der Eintauchtiefe veränderbaren kleinen Metallstempel --14-- einstellbar. Dieser Kapazitätsstem- pel--14-- ist an einem Schraubbolzen --15-- aus Isoliermaterial gehalten und durch mehr oder weniger weites Einschrauben dieses Schraubbolzens -15-- in seiner Eintauchtiefe zwischen die Halbscha- len --10, 11-- veränderbar.
Das in Fig. 1 gezeigte Filter ist beispielsweise für eine Frequenz von 1 bis 2 GHz bestimmt, wobei zu beachten ist, dass die Leiterabschnitte-4, 5- des Eingangskreises und die entsprechenden Leiterabschnitte des Ausgangskreises, die Induktivitäten bilden, so kurz gehalten werden können, dass sie erst bei wesentlich höheren Frequenzen Leitungscharakter annehmen, also in dem hier zur Diskussion stehenden Frequenzgebiet praktisch noch wie konzentrierte Induktivitäten wirken.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Filtertyp hat das Ersatzschaltbild die Form eines 1T -Gliedes mit zwei Querkapazitäten und einer Längskapazität. Die konzentrierte Schalttechnik ist indes auch anwendbar, wenn im Ersatzschaltbild die Kapazitäten nicht die Form eines tu, sondern eines T bilden. Dieser Fall ist in Fig. 2 gezeigt. Es ist hiebei die Grundplatte-l-nur mehr teilweise dargestellt. Weiterhin sind der Übersichtlichkeit halber die die entsprechenden Induktivitäten bildenden Leiterteile, die die verschiedenen Statoren tragen, fortgelassen. Wie man aus Fig. 2 erkennt, ist der mittlere Teil als Quer-
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fest verankert werden. Diese Bauform für die Induktivitäten ist ebenfalls bis in den Bereich von 10GHz brauchbar.
Es wurden auchbereits Filter mit solchen konzentrierten richtiggehenden Spulen bei Frequen- zen von 6 und 8 GHz erfolgreich erprobt. Die Kreisgüten der einzelnen Resonanzkreise eines solchen Fil- ters sind dabei überraschenderweise relativ hoch. Es wurden Werte erreicht, die über 100 liegen.
An Stelle der massiven Statoren bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen können auch richtig- gehende schalen- oder rohrförmige Statoren Verwendung finden, wie als Beispiel Fig. 4 zeigt. Es sind dort zwei aus einem dünnwandigen Rohr bestehende Statoren --25, 26-- mit zwei halbschalenförmigen Statoren-2' ?, 28-durch Lötung verbunden. Die Halterung und übrige Ausbildung dieses Kapazitäts- Tr-Gliedes kann dabei, wie an Hand der vorstehenden Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, gesche- hen.
Für die Herstellung der unterteilten Statoren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die einzel- nen Statoren zunächst nicht unterteilt, beispielsweise in Form eines massiven Nockens oder von anein- andergereihten Rohren hergestellt und mit den entsprechenden Bohrungen versehen werden. Dieses Sta- torpaket wird dann auf der entsprechenden Haltevorrichtung, beispielsweise der Trägerplatte-23-, fest verankert und durch Einsägen der entsprechenden Statorabschnitte werden die entsprechenden Unter- teilungensozusagen nachträglich vorgenommen. Man kann auf diese Weise die exakte Innenform für die
Tauchstempel am besten sicherstellen. Die Öffnungen in den einzelnen Statoren müssen auch nicht zwingend kreiszylindrisch sein, sondern können einen hievon abweichenden Querschnitt haben.
Das glei- che gilt auch für die Rotoren bzw. Eintauchstempel, nur ist in diesem Fall ein gesonderter Antriebsstem- pelfür den jeweiligen Rotor erforderlich, da dieser nicht mehr ohne weiteres um seine Längsachse dreh- bar gehalten werden kann. Es ist in diesem Zusammenhang allerdings auch daran gedacht, die Konden- satoren zwar in Form zweier Teile auszubilden, von denen der eine in einer Bohrung des andern eintaucht, jedoch allein durch Drehen eine Kapazitätsveränderung im gewünschten Masse eintritt. Beispiels- weise ist dies erreichbar, indem im Stator eine exzentrische Fläche vorgesehen wird, gegen die ein exzentrisch gelagerter Rotor schwenkbar ist.
Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die Statoren mit ihrem einen Ende auf der Träger- platte --23 verankert sind, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 die Trägerplatte --23-- aus dielektrischem Material in einem mittleren Bereich an den Statoren angreifend vorgesehen. Diese Bauweise hat sich oft als erforderlich erwiesen, wenn die Bauhöhe des gesamten Filterteiles gewissen Beschränkungen unterworfen ist. Es ist in diesem Zusammenhang auch daran gedacht, die einzelnen Statoren in einer allseitig abschliessenden Kunststoffschicht einzubetten, in der lediglich die Räume für die eintauchenden Rotorbolzen freigelassen sind.
Eine weitere vorteilhafte Bauform für die Statorhalterung in einem erfindungsgemässen Filter ist in Fig. 6 gezeigt. Dort hat die Trägerplatte-23-- drei rohrförmige Ansätze--29, 30, 31-- die auf der Trägerplatte--23-- beispielsweise durch Klebung befestigt sind oder als Spritzgussteil aus Kunststoff unmittelbar aus der Trägerplatte -- 23-- hervorragen. Es könnte im übrigen, wenn die Rohre-29, 30 und 31-- lediglich eingesetzt, vor allem eingeklebt sind, die Trägerplatte --23-- auch aus Metall bestehen. Auf die Rohre --29, 30, 31-- sind entsprechend Fig. 4 Stator-Rohrteile aufgeschoben und verankert, insbesondere im Presssitz aufgepresst und gegebenenfalls durch kleine Sicken zusätzlich verankert.
An Stelle von Rohren können auch Statorteile entsprechend den Fig. 1 und 2 aufgebracht werden. Auch diese Ausgestaltung des Kondensatorteiles eines erfindungsgemässen Filters ist für Filterausführungen nach den Fig. 1-4 mit Vorteil anwendbar.
In Fig. 7 sind noch Ersatzschaltbilder von Filtergrundtypen angegeben, bei denen sich die Lehre nach der Erfindung für Filter in konzentrierter Bauweise bis in den Bereich der Zentimeterwellen gut realisieren lässt. In Fig. 7a ist ein Tiefpassglied gezeigt, während die Fig. 7b und c Bandpasstypen mit Serienresonanzkreisen in den Längszweigen wiedergeben. Die Fig. 7b. und 7c unterscheiden sich lediglich dadurch, dass bei Fig. 7c auch der Querzweig ein Resonanzkreis, u. zw. ein Parallelresonanzkreis ist. Während in der linken Spalte der Fig. 7 Filtergrundglieder in T-Schaltung angegeben sind, ist in der rechten Spalte der Fig. 7 eine Aufstellung über Ersatzschaltbilder gegeben, die der Grundform eines in-gliedes entspricht.
Die den Fig. 7a und 7c in 1T -Schaltung entsprechenden Grundglieder sind dabei jeweils nebeneinander dargestellt. Wie man sieht, lassen sich die in den Fig. 7d, e, f, g und h gezeigten Ersatzschaltbilder nicht ohne weiteres in eine Form entsprechend der T-Glieder realisieren. Für diese Schaltung ist daher die 1I"-Schaltung in jedem Fall die vorteilhaftere, weil sie das Auffangen von StreuQuerkapazitäten in Filterkapazitäten ermöglicht. Beim 1T -Ersatzschaltbild nach Fig. 7i wird die mögliche Streu-Querkapazität, die zwischen der Längsinduktivität und dem im Längszweig liegenden Parallelresonanzkreis auftritt, über den rechts gelegenen Querzweig, der eine Querkapazität hat, mit auf-
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gefangen.
In dem entsprechenden T-Ersatzschaltbild ist es allerdings möglich, eine derartige Streukapazität überhaupt zu vermeiden.
Soweit in den Ersatzschaltbildern T-Glieder vorhanden sind, die mit Längszweigen enden, treten natürlich, von den Anschlussklemmen aus betrachtet, bei der physikalischen Realisierung noch gewisse Querkapazitäten auf, doch können diese in den jeweils anschliessenden Filtergliedern oder Hochfrequenzanschlüssen aufgefangen werden. Es müssen auch nicht zwingend jeweils vollständige T- oder 11'- Glieder vorgesehen werden, sondern es ist ebenso wie in der üblichen Filtertechnik möglich, das Filter mit Halbgliedern abzuschliessen oder nur aus Halbgliedern bestehen zu lassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von einigen Dezimetern und weniger, insbesondere für den Frequenzbereich der Zentimeterwellen, bei dem die Filtergrundschaltung die Form eines T-oder tr-Grundgliedes mit Querkapazitäten in sämtlichen Querzweigen hat, vorzugsweise derart, dass das Filtergrundglied einen Kapazitätsstern enthält, und bei dem die Induktivitäten als konzentrierte Induktivitäten in Form kleiner Spulen oder kurzer Leiterstücke ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten durch parallelachsig aneinandergereihte Tauchkondensatoren (8, 12 ; 10, 11, 14 ;
9, 13) ausgebildet sind, von denen die in Längszweigen liegenden einen geteil- ten Stator (10, 11) und einen gegen Masse (1) möglichst geringeQ uerkapazität aufweisenden Rotor (14) haben.