Abstimmbares elektrisebes Sieb. Die Erfindung betrifft .ein abstimmbares elektrisches Sieb mit mindestens einem Wel lenleiter, .dessen elektrische Länge durch Ab stimmittel einstellbar ist. Unter Wellenleiter wird hierbei jede Anordnung verstanden, welche eine seitlich begrenzte Fortpflanzungs bahn elektromagnetischer Wellen darstellt, also z. B. eine Freileitung, eine konzentrische Leitung oder ein einfacher Rohrleiter.
Die üblichen elektrischen Siebe, wie sie z. B. im Hochfrequenzteil und im Zwischen frequenzteil .der Uberlagerungsempfänger ver wendet werden, übertragen alle Schwingun gen mit innerhalb eines gewissen Frequenz bandes gelegener Frequenz und unterdrücken diejenigen Schwingungen, deren Frequenz ausserhalb dieses Frequenzbandes liegt. Der Durehlassbereich derartiger Siebe kann je nach Wunsch eng oder weit gewählt werden. Die gewünschte Durchlasscharakteristik von.
Sieben mit fester Abstimmung, wie sie bei spielsweise im Zwischenfrequenzteil von Über la.gerungsempfängern zur Verwendung kom men, kann einfach durch geeignete Bemes sung und Einstellung der Bestandteile des Siebes erreicht werden, bei einstellbaren Sieben ist es jedoch ziemlich schwierig, zu er reichen, .dass ,der gewünschte Durchlassbereich innerhalb des ganzen Frequenzbereiches des Siebes erhalten bleibt.
Diese Schwierigkeiten werden noch grösser, wenn es sieh um aus ab gestimmten Wellenleitern bestehende hoch frequente Siebe für Schwingungen mit 3 MHz übersteigenden Frequenzen handelt, da deren Abstimmelemente von verteilten Kapazitäten und Induktivitäten gebildet sind, welche im Gegensatz ziz den aus Kondensatoren und Spulen bestehenden Abstimmelementen der für Schwingungen niedrigerer Frequenz be stimmten Siebkreise nicht so ausgebildet wer den können, dass ihre Werte sich bei jeder Änderung der Abstimmung nach willkürlich vorgeschriebenen Gesetzen ändern.
Der Zweck der Erfindung besteht darin, ein Sieb der eingangs erwähnten Art so aus zubilden, dass es bei Abstimmung auf eine beliebige Frequenz seines Frequenzbereiches annähernd konstanten Durchlassbereich hat.
Das erfindungsgemässe Sieb zeichnet sich aus durch zumindest einen an den Wellen leiter gekoppelten Widerstand, dessen An schlusspunkt so gewählt ist, dass der Wellen leiter bei Abstimmung auf die Mittelfrequenz des Abatimmbereiches den grössten Durch- la.ssbereich hat.
An Hand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele wird gezeigt, dass auf diese Weise der gewünschte Zweck erreicht werden kann.
Inder Zeichnung stellt Fig. 1 schematisch eine ein Ausführungsbeispiel,des erfindungs- gemässen Siebes enthaltende Übertragungs anordnung für elektromagnetische Wellen dar. Fig. 1a ist das Ersatzschaltbild eines Teils des Siebes gemäss Fig. 1. Fig. 1b ist das Ersatzschaltbild des ganzen Siebes gemäss Fig. 1, und ,die Fig. 2 bis 5 stellen weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Siebes dar.
Das aus der Antenne 10 und dem schei benförmigen Gegengewicht 11 bestehende An tennensystem der Anordnung gemäss Fig. 1 ist mittels der konzentrischen Leitung 12 mit dem Sieb 13 verbinden, an welches über eine konzentrische Leitung 14 ein Empfänger oder Sender 15 angeschlossen ist.
Das Sieb 13 enthält zwei abstimmbare Wellenleiter 16, 17, welche als konzentrische Leitungen mit den Innenleitern 19 und 21 -Lind den Aussenleitern 18 und 20 ausgebildet sind. Jeder dieser Wellenleiter ist an seinem obern Ende 22 offen und hat hier seine Stelle grössten Widerstandes.
Die elektrische Länge jedes der beiden Wellenleiter ist einem Vier tel der der niedrigsten Frequenz des Fre quenzbereiches des Siebes entsprechenden Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon gleich und kann zwecks Ab stimmung des Siebes durch Abstimmittel ge ändert werden, welche eine Stelle kleinsten Widerstandes der Wellenleiter bestimmen. Das Abstimmittel des Wellenleiters 16 be steht aus einem leitenden Kolben 23, der so wohl mit dem Innenleiter 19 als auch mit.
dem Aussenleiter 18 in Berührung steht, so dass er den Wellenleiter kurzschliesst und sein elektromagnetisches Feld abschliesst. Der Wellenleiter 17 enthält einen ebensolchen Kolben 24.
Die Kolben 23 und 24 sind in der Längsrichtung der Wellenleiter beweglich und sind daher dazu geeignet, die elektrische Länge der Wellenleiter auf ein Viertel der einer innerhalb des Abstimmbereiches des Siebes gelegenen, beliebigen Frequenz ent sprechenden Wellenlänge oder auf ein unge- radzahliges Vielfaches davon zu beschränken. Die beiden Kolben sind mittels eines aus lei tendem oder isolierendem Stoff bestehenden Bügels 25 miteinander verbunden, damit die Abstimmung der Wellenleiter gleichzeitig er folgt.
In den Wellenleiter 16 ragt ein mit dein Innenleiter der Leitung 12 verbundenes Kopplungsglied 26 hinein, welches mit dem Innenleiter 19 kapazitiv gekoppelt ist, wie dies der gestrichelt gezeichnete Kondensator andeutet. In den Wellenleiter 17 ragt ein ebensolches, mit. dem Innenleiter der Leitung 14 gekoppeltes Kopplungsglied 27 hinein. Diese Kopplungsglieder koppeln die Wider stände der Leitungen 12 bzw. 14 an die Wel lenleiter 16 bzw. 17 an und sind in einem solchen Abstand a von der durch das offene Ende 22 der Wellenleiter bestimmten Stelle des grössten Widerstandes ,der Wellenleiter angeordnet, dass jeder Wellenleiter bei Ab stimmung auf die Mittelfrequenz seines Ab stimmbereiches den grössten Durchlassbereieh hat.
Wie näher erläutert werden wird, bleibt die Grösse des Durchlassbereiches jedes Wel lenleiters bei der Abstimmung auf alle andern Frequenzen des Abstimmbereiches nahezu un veränderlich. Bei einem Sieb aus nur einem Wellenleiter wäre somit. der gewünschte Zweck erreicht. Da das vorliegende Sieb aber zwei Wellenbereiche aufweist, muss zu diesem Zweck ausserdem noch eine geeignete Kopp lung gewählt werden.
Die beiden Wellenleiter 16 und 17 sind mittels einer konzentrischen Leitung 30 und mit dem Innenleiter dieser Leitung verbun dene, in die Wellenleiter hineinragende und mit den Innenleitern ,der Wellenleiter kapa- zitiv gekoppelte Kopplungsglieder 28, 29 auch miteinander gekoppelt. Diese Leitung 30 soll dabei so kurz wie möglich sein.
Der Abstand b der Kopplungsglieder 28, 29 von der durch das offene Ende 22 der Wellenleiter be stimmten Stelle des grössten Widerstandes der Wellenleiter ist so bemessen, dass der Durchlassbereich .des Siebes dann am grössten wird, wenn das Sieb auf die Mittelfrequenz seines Abstimmbereiches abgestimmt ist.
In diesem Fall \bleibt die Grösse des Durehlass- bereiches des Siebes bei der Abstimmung auf alle andern Frequenzen des Abstimmberei- ches annähernd konstant. Änderungen des D.urchlassbereiches von etwa. 15 bis 20 % werden dabei noch als vernachlässigbar be trachtet, da. die Änderungen bei andern Sieben viel grösser sind.
Zwecks Abschirmung der Wellenleiter sind ihre Aussenleiter um eine Strecke d über den Innenleiter hinaus verlängert und mit. einer leitenden Platte 31 abgeschlossen.
Die Wirkungsweise des Siebes gemäss Fig. 1 wird an Hand der Fig. 1a erläutert, welche ein Ersatzschaltbild des Wellenleiters 1.6 darstellt. Hierbei ist angenommen, dass das Antennensystem 10, 11 an die konzentrische Leitung 12 angepasst ist, so dass an den Wel lenleiter nur ein Widerstand R.l angeschlos sen ist, dessen Grösse dem Wellenwiderstand der Leitung 12 gleicht. Die kapazitive Kopp lung zwischen dem Kopplungselement 26 und dem Innenleiter 19 des Wellenleiters stellt. der Kondensator C" dar.
Zwecks Vereinfa- ehung-der Beschreibung sei angenommen, dass das Kopplungselement die eine Belegung eines Kondensators C., darstellt, dessen andere Belegung mit dem Punkt x des Wellenleiters 16 verbunden ist, wie ,dies die Fig. 1 zeigt.
Ferner sei angenommen, dass der kapazitive Widerstand des Kondensators C." wesentlich 'rösser ist. als der Wert des Widerstandes R" bzw. des Wellenwiderstandes der Leitung 12.
Die zum Widerstand R parallel gesehaltete Resonanzkapazität des Wellenleiters ist durch den Kondensator Ci dargestellt, dessen Grösse sich aus folgender, an sich bekannter Glei- chung ergibt
EMI0003.0031
in welcher (o die Kreisfrequenz \? z f des Wellenleiters 16 bei Resonanz, K der Wellenwiderstand des Wellenleiters und a der Abstand in Zentimetern zwischen dem Punkt.
x und dem offenen Ende 22 des Wellenleiters ist, während c die Lichtgeschwindigkeit. in Zentimetern je Sekunde bedeutet.
Ferner gilt .die Beziehung:
EMI0003.0042
in der Q den Qualitätsfaktor bedeutet. Die zrim dämpfenden Resonanzwiderstand R parallel-geschalltete,'Resonanzinduktivität. des Wellenleiters ist durch die Spule Li darge stellt, deren Induktivität die zur IIerbeifüb- rung der Resonanz des Kreises Ci, Li erfor derliche Grösse hat.
Die Bandbreite dieses Resonanzkreises, das heisst der Durehlassbe- reich des Wellenleiters 16, richtet sich nach dem. Dämpfungswiderstand R. Bei Anpassung des Parallelkreises an die äussere Impedanz R," Ca (wobei der Kreis nicht mehr genau in Resonanz ist) besteht Logende Beziehung
EMI0003.0062
Der Qualitätsfaktor Q eines Resonanz kreises ist gleich zmal dem Verhältnis der im Kreis gespeicherten zu der im Kreis pro Halbperiode verzehrten Energie.
Es gilt: Q # CUC1R (3) Die Bandbreite eines Resonanzkreises wird gewöhnlich als Abstand jener zu beiden Seiten der Resonanzfrequenz gelegenen Kreisfrequenzen ausgedrückt, bei welchen die Empfindliehkeit des Kreises um drei Dezibel geringer ist als bei Resonanz.
Für diese Bandbreite Aa) ergibt sich das Verhält nis Q zu:
EMI0003.0071
Aus den Gleichungen (3) und (1) ist es augenscheinlich, dass die Bandbreite folgen den Wert hat
EMI0003.0072
Wenn man in die Gleichung (5) den durch die -Gleichung (2) gegebenen Wert von R einsetzt, erhält man
EMI0003.0073
Durch Einsetzung des durch- die Gleichung (1) gegebenen Wertes von C1 in die Glei- chung (6) ergibt sich
EMI0004.0004
Wenn man diese Gleichung nach der Kreis frequenz differenziert und das Differential Null gleichsetzt, erhält man folgende die grösste Bandbreite bestimmende Gleichung:
EMI0004.0007
Die Gleichung (8) ist dann befriedigt, wenn:
EMI0004.0009
Demnach ergibt sich die grösste Bandbreite, wenn der Abstand a zwischen dein Punkt x und dem offenen Ende 22 des Wellenleiters folgenden Wert hat:
EMI0004.0013
wo 2 -die der Resonanzfrequenz des Wellen leiters entsprechende Wellenlänge ist.
Der Wellenleiter ist dabei auf die Mittel frequenz f", des Abstimmbandes des Wellen leiters abgestimmt. Bei dem sich aus dieser Abstimmung ergebenden Wert a bleibt die Bandbreite des Wellenleiters im ganzen Ab- stimmbereieh des Wellenleiters annähernd konstant.
Es kann nämlich leicht nachgerech net werden, dass wenn die Abstimmfrequenz f um 20 % von f", abweicht, die Breite des Durchlassbereiches sich um weniger als 20 0/0 ändert, was im Vergleich zu andern Sieben sehr günstig ist.
Während der die grösste Bandbreite be stimmende Wert von a gemäss Gleichung (10) von der Resonanzfrequenz des Wellenleiters abhängt, ergibt sich der tatsächliche Wert der grössten Bandbreite bei .dieser Frequenz aus der Gleichung (7) und ist daher von der Kopplungskapazität Ca, dem Wellenwider- stand Ra, der Leitung 12 und dem Wellen widerstand K des Wellenleiters 16 abhängig.
Die gewünschte grösste Bandbreite kann also durch entsprechende Wahl der Grösse des Kopplungsgliedes 26 oder des Abstandes des Kopplungsgliedes vom Innenleiter 19 oder durch entsprechende Wahl beider Faktoren erreicht werden.
Natürlich wird der Abstand a im Wellen leiter 17 und die grösste Bandbreite dieses Wellenleiters in derselben Weise im Verhält nis zur Wellenlänge und zur Wirkkompo nente der Impedanz desjenigen Kreises der Vorrichtung 15 gewählt, an welchen der Wel lenleiter 17 angeschlossen ist..
In dem in Fig. 1b gezeigten Ersatzschalt <B>bild</B> der miteinander gekoppelten Wellenleiter 16 und 17 stellen Li und Ci die Induktivität und die Kapazität des dem Wellenleiter 16 gleichwertigen Parallelresona.nzkreises dar, während L2 und C2 die Induktivität und Ka pazität. des dem Wellenleiter 17 gleichwerti gen Parallelresonanzkreises darstellen.
Co er gibt sich aus,der Serieschalttnmg der in Fig. 1 gestrichelt angedeuteten Kopplungskapazitä ten zwischen den Kopplungsgliedern 28, 29 und dem Punkt y der Innenleiter 19 und 21 der beiden Wellenleiter. Es wird angenom tuen, dass die Wellenleiter einander gleich sind und gleichzeitig auf dieselbe Frequenz abgestimmt werden.
Dabei ist also Ci = C2 und Li = L2. Ferner wird angenommen, dass die Kopplungskapazität C" nur einen Bruch teil jeder der Kapazitäten Ci und C2 beträgt..
Der Kopphtngskoeffizient k zwischen den beiden Wellenleitern ergibt sich angenähert aus der Gleichung:
EMI0004.0084
in welcher C = Ci <I>=</I> C2 ist und den durch die Gleichung (1) angegebenen Wert hat, wo bei aber jetzt an Stelle des Abstandes a der Abstand b zwischen dem Punkt <B>y</B> und dem offenen Ende 22 der Wellenleiter zu setzen ist.
Die Bandbreite von solche gekoppelte Kreise enthaltenden Sieben wird gewöhnlich durch die Bandbreite zwischen den beiden T-Iöekern der Durchlasscharakteristik des Siebes ausgedrückt.
Wenn diese Bandbreite -lau genannt wird, ergibt sich der Kopp lungskoeffizient zu:
EMI0005.0004
Aus den C1leichungen (11) und (12) und der abgeänderten Gleichung (1) geht hervor, dass die Bandbreite der gekoppelten Wellen leiter 16 und 17 folgenden Wert hat:
EMI0005.0009
Wenn man die Gleichung (13) nach der Kreisfrequenz differenziert und das Diffe rential Null gleichsetzt, ergibt sieh die grösste Tja.ndbreite zu-
EMI0005.0011
Die Clleiehung (14) ist befriedigt, wenn
EMI0005.0013
Demnach ergibt sieh die grösste Bandbreite, wenn der Abstand h zwischen dem Punkt y und dein offenen Ende 22 der Wellenleiter folgenden Wert hat:
EMI0005.0018
Wenn der Wert der Wellenlänge 7. in dieser Gleiehung der Mittelfrequenz des Fre quenzbandes des Siebes entspricht, bleibt bei dein sieh aus der Gleichung ergebenden Wert von b die Bandbreite .des Siebes im ,amen Frequenzbereich des Siebes annä- Bernd konstant.
Die grösste Bandbreite des Siebes ergibt sieh aus der Gleichung (13) und kann durch entsprechende Wahl der Grösse cler Kopplungsglieder 28 und 29 oder des Ab standes dieser Kopplungsglieder von den r Innenleitern 19 und 21 oder durch entspre- chende Wahl beider Faktoren beeinflusst werden.
Fig. 2 zeigt. eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Siebes, wobei aber nur einer von zwei Wellenleitern dargestellt ist, die wie im Falle von Fig. 1 zusammen wirken.
Die elektrische Länge des hier darge stellten Wellenleiters 16' ist zwecks Abstim mung des Wellenleiters mittels eines im hohl ausgebildeten Innenleiter 19' axial verschieb baren leitenden Abstimmungsorgans 33 ver änderlich, dessen Durchmesser nahezu so gross ist. wie derjenige !des hohlen Innen leiters 19' .und in elektrischer Hinsicht. eine Fortsetzung desselben darstellt.
Der zum Sieb gehörige andere, nicht dargestellte Wellenleiter ist ebenso ausgebildet, und der die Abstimmorgane der beiden Wellen leiter miteinander verbindende Bügel 25' be steht hier aus Isolierstoff. Bei dieser Ausfüh- rungsfor in ist der )ATellenleiter sowohl an seinem regelbaren Ende 34 als auch an seinem festen Ende 22 offen. Ein derartiger Wellenleiter wirkt bekanntlich als Wider standstransformator, indem er den grossen Widerstand an seinem offenen Ende 34 in einen kleinen Widerstand an der von seinem offenen Ende um eine Viertelwellenlänge ent fernten Stelle Z transformiert.
Es ist augen- seheinlich, dass der Bereich Z sich bei Ver schiebung des Abstimmorgans 33 ebenfalls in der Achsrichttuig .des Wellenleiters ver schiebt, so dass also der hier gegebene kleine Widerstand in derselben Weise wirkt wie der kurzschliessende Kolben 23 der Anordr nung .gemäss Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Siebes, welche sich von dem Sieb gemäss Fig. 1 darin unterscheidet, dass .die beiden Wellenleiter 16" und 17" induktiv miteinander gekoppelt sind. Die In nenleiter 19" und 21" sind dabei bis zu den das obere Ende der Aussenleiter 18" und 20" abschliessenden leitenden Scheiben 31 verlän gert und die Abstimmung der Wellenleiter erfolgt. durch Einstellung .der elektrischen Länge desselben mittels der Abstimmkolben 23 und 24 auf eine Halbwelle oder ein Viel- fachen davon.
Die konzentrischen Leitungen 12 und 14- enden in je einer im Innern der Wellenleiter 16" und 17" in .einem Abstand e vom kurzgeschlossenen festen Ende der Wel lenleiter angeordneten Kopplungsschleife 36 bzw. 37 und die Leitung 30 endet ebenfalls in je einer im Innern der Wellenleiter in einem Abstand f vom Ende 22" der Wellen leiter angeordneten Kopphingssehleife 38 bzw. 39.
Die Anordnung gemäss Fig. 3 ist in elek trischer Hinsicht das Umgekehrte der An ordnung gemäss Fig. 1 und infolgedessen ist die Wirkiw:gsweise beider Anordnungen die selbe. Dies folgt aus der Tatsache, dass das Verhalten eines elektrischen Netzwerkes ent weder durch die sich unter der Einwirlning von zugeführten Spannungen ergebenden Strömen oder durch die sich unter der Ein wirkung von zugeführten Strömen ergeben den Spannlungen ausgedrückt wird.
Demge mäss stehen zwei elektrische Netzwerke im umgekehrten Verhältnis zueinander, wenn die Ströme und Magnetfelder des einen Netzwer kes durch gleichwertige Spannungen und elektrische Felder an entsprechenden Punk ten des andern Netzwerkes ersetzt werden können, die Induktivitäten und Kapazitäten des einen Netzwerkes an den entsprechenden Punkten des andern Netzwerkes miteinander vertauscht sind,
die Widerstände des einen Netzwerkes im andern Netzwerk durch ent- sprechende Leitfähigkeiten ersetzt sind und die Reihen- und Parallelschaltungen sowie die offenen Kreise und die kurzgeschlossenen Kreise in den beiden Netzwerken miteinander vertauscht sind.
Aus den Fig. 1 und 3 ist nun ersichtlich, dass die gegenseitigen kapazitiven Kopphin- gen .der elektrischen Felder in der Anord nung gemäss Fig. 1 in der Anordnung gemäss Fig. 3 durch gegenseitige induktive Kopp lungen der entsprechenden magnetischen Felder ersetzt sind. Die an ihrem Ende 22 offenen und einen hohen Widerstand auf weisenden Wellenleiter 16
und 17 sind durch an ihrem entsprechenden Ende 22" kurzge- schlossene und einen geringen Widerstand aufweisende Wellenleiter 16" und 17" ersetzt, so dass sich an diesem Ende der Wellenleiter statt der bei der Anordnung gemäss Fig. 1 auftretenden höchsten Spannungen bei der Anordnung .gemäss Fig,. 3 ,die grössten Ströme ergeben.
Die Wellenleiter 16 und 17 sind durch die Kolben 23 und 24 kurzgeschlossen und haben daher im Abstand von einer Vier- telwellenlänge von ihrem offenen Ende 22 ihre Stelle kleinsten Widerstandes. Die Wel lenleiter 16" und 17" sind zwar ebenfalls durch die Kolben 23 und 24 kurzgesehlossen, haben aber in einem Abstand von einer Vier telwellenlänge von ihrem kurzgeschlossenen obern Ende 22" eine Stelle grössten Wider standes, wie bei Besprechung von Fig. 2 er läutert wurde.
Infolge der hierdurch erwie senen Tatsache, dass die Anordnung gemäss Fig. 3 eine völlige Umkehrung der Anord nung gemäss Fig. 1 darstellt, sind die Ab stände a und e bzw. b und<I>f</I> der beiden An ordnungen einander gleich, so da.ss die Ab stände e und f in der oben für die Abstände cc und b angegebenen Weise bestimmt werden können.
Die in Fig. 4 schematisch dargestellte An ordnung ist im wesentlichen gleieh einer. Hälfte von derjenigen gemäss Fi.g. 3, mit dem Unterschied, dass ihre Einstellung nicht durch Kolben, sondern durch axiale Verschiebung eines Leiters 46 erfolgt, dessen unterer Teil 46' als Innenleiter in bezug auf den hohlen Zwischenleiter 47 wirkt.. Der Zwischenleiter 47 hat die doppelte Aufgabe, gleichzeitig als Innenleiter für den Aussenleiter 42 und als Aussenleiter für den Innenleiter 46' zu dienen.
Der hier verwendete Wellenleiter 41 besteht somit aus zwei Teilen 48, 47 und 47, 46'. Der Aussenleiter 42 ist an seinen Enden durch die Scheiben 43 und 44 abgeschlossen. Die Scheibe 44 hat eine zentrische Öffnung 45, welche von federnden Kontaktfingern begrenzt ist., die mit dem axial beweglichen Leiter 46 in Be rührung stehen, welcher in den mit der Scheibe 43 verbundenen Zwischenleiter 47 hineinragt. Zur Ankopplung des Wellen leiters dienen zwei in ihn hineinragende Schleifen 48 und 49. Der Wellenleiter ist also eigentlich an seinem einen Ende kurzge schlossen und an seinem andern Ende offen und hat eine elektrische Länge, welche einer ungeraden Anzahl n von Viertelwellenlängen gleich ist, wie in der Zeichnung angedeutet.
Der in Fig. 5 dargestellte Wellenleiter 51 besteht aus einem Aussenleiter 52 und einem Innenleiter 53, dessen elektrische Länge zwecks Abstimmung der Anordnung durch ein in ihm axial verschiebbares, leitendes Ein stellorgan 54 geändert werden kann, welches einen nahezu gleich grossen Durchmesser be sitzt wie der hohle Innenleiter 53 und in elek trischer Hinsicht eine Fortsetzung desselben darstellt. Der mit diesem Einstellorgan ver bundene Einstellbügel 25' ist aus Isolierstoff hergestellt. Zur Ankopplung des Wellenlei ters dienen Schleifen 56 und 57.
Die elektri- sche Länge .des Wellenleiters ist, ebenso wie im vorigen Fall, einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen gleich, wie in der Zeich nung angedeutet. Der Abstand e der Kopp- lungssehleifen vom kurzgeschlossenen Ende des Wellenleiters wird nach den in Verbin dung mit Fig. 3 dargestellten Grundsätzen
Tunable electric sieve. The invention relates to a tunable electrical screen with at least one wave conductor, the electrical length of which can be adjusted by tuning means. Waveguide is understood here to mean any arrangement that represents a laterally limited propagation path of electromagnetic waves, so z. B. an overhead line, a concentric line or a simple pipe.
The usual electric sieves, as they are e.g. B. in the high-frequency part and in the intermediate frequency part .the superimposition receiver are used ver, transmit all Schwingun gene with a frequency located within a certain frequency band and suppress those vibrations whose frequency is outside this frequency band. The flow area of such sieves can be selected to be narrow or wide, as desired. The desired transmission characteristic of.
Sieves with fixed tuning, such as those used in the intermediate frequency section of overlay receivers, for example, can be achieved simply by suitable dimensioning and setting of the components of the sieve, but with adjustable sieves it is quite difficult to reach. that the desired passband is maintained within the entire frequency range of the screen.
These difficulties are even greater when it comes to high-frequency sieves consisting of tuned waveguides for vibrations with frequencies exceeding 3 MHz, since their tuning elements are formed by distributed capacitances and inductances, which in contrast to the tuning elements made up of capacitors and coils For oscillations of lower frequency, certain filter circles cannot be designed in such a way that their values change with every change in the tuning according to arbitrarily prescribed laws.
The purpose of the invention is to design a screen of the type mentioned at the outset in such a way that it has an approximately constant passband when tuned to any frequency in its frequency range.
The sieve according to the invention is characterized by at least one resistor coupled to the waveguide, the connection point of which is selected so that the waveguide has the largest passage area when tuned to the center frequency of the Abatimmbereiches.
The exemplary embodiments described below show that the desired purpose can be achieved in this way.
In the drawing, FIG. 1 schematically shows a transmission arrangement for electromagnetic waves containing an exemplary embodiment of the sieve according to the invention. FIG. 1a is the equivalent circuit diagram of a part of the sieve according to FIG. 1. FIG. 1b is the equivalent circuit diagram of the entire sieve according to FIG 1, and, FIGS. 2 to 5 represent further embodiments of the screen according to the invention.
The antenna system consisting of the antenna 10 and the disc-shaped counterweight 11 is connected to the arrangement of FIG. 1 by means of the concentric line 12 with the sieve 13, to which a receiver or transmitter 15 is connected via a concentric line 14.
The screen 13 contains two tunable waveguides 16, 17, which are designed as concentric lines with the inner conductors 19 and 21 -Lind the outer conductors 18 and 20. Each of these waveguides is open at its upper end 22 and has its place of greatest resistance here.
The electrical length of each of the two waveguides is a quarter of the wavelength corresponding to the lowest frequency of the frequency range of the sieve or an odd multiple thereof and can be changed for the purpose of tuning the sieve by tuning means which determine a point of lowest resistance of the waveguide. The tuning means of the waveguide 16 be available from a conductive piston 23, the so well with the inner conductor 19 as well as with.
the outer conductor 18 is in contact, so that it shorts the waveguide and closes its electromagnetic field. The waveguide 17 contains a piston 24 of the same type.
The pistons 23 and 24 are movable in the longitudinal direction of the waveguides and are therefore suitable for limiting the electrical length of the waveguides to a quarter of the wavelength corresponding to any frequency within the tuning range of the sieve or to an odd multiple thereof . The two pistons are connected to one another by means of a bracket 25 made of lei tend or insulating material so that the waveguide is tuned at the same time.
A coupling member 26 connected to the inner conductor of the line 12 protrudes into the waveguide 16 and is capacitively coupled to the inner conductor 19, as indicated by the capacitor shown in dashed lines. A similar one protrudes into the waveguide 17. the inner conductor of the line 14 coupled coupling member 27. These coupling members couple the opposing states of the lines 12 and 14 to the Wel lenleiter 16 and 17 and are arranged at such a distance a from the point of greatest resistance determined by the open end 22 of the waveguide, the waveguide, that each waveguide when tuned to the center frequency of its tuning range has the largest pass band.
As will be explained in more detail, the size of the pass band of each waveguide remains almost unchangeable when it is tuned to all other frequencies of the tuning range. In the case of a sieve made of only one waveguide, this achieved the desired purpose. Since the present sieve has two wave ranges, a suitable coupling must also be selected for this purpose.
The two waveguides 16 and 17 are connected to one another by means of a concentric line 30 and with the inner conductor of this line, coupling members 28, 29 which protrude into the waveguide and are capacitively coupled to the inner conductors, the waveguide. This line 30 should be as short as possible.
The distance b of the coupling members 28, 29 from the point of the greatest resistance of the waveguide determined by the open end 22 of the waveguide is dimensioned such that the passage area of the sieve is greatest when the sieve is tuned to the center frequency of its tuning range .
In this case, the size of the passage area of the sieve remains approximately constant when it is tuned to all other frequencies of the tuning range. Changes in the transmission range of approx. 15 to 20% are still considered to be negligible because. the changes in other seven are much greater.
For the purpose of shielding the waveguides, their outer conductors are extended by a distance d beyond the inner conductor and with. a conductive plate 31 completed.
The mode of operation of the screen according to FIG. 1 is explained with reference to FIG. 1a, which shows an equivalent circuit diagram of the waveguide 1.6. It is assumed here that the antenna system 10, 11 is adapted to the concentric line 12, so that only one resistor R.l is connected to the wave conductor, the magnitude of which is equal to the wave resistance of the line 12. The capacitive Kopp ment between the coupling element 26 and the inner conductor 19 of the waveguide is. the capacitor C "represents.
For the purpose of simplifying the description, it is assumed that the coupling element represents one assignment of a capacitor C., the other assignment of which is connected to point x of waveguide 16, as shown in FIG. 1.
It is further assumed that the capacitive resistance of the capacitor C. "is significantly greater than the value of the resistance R" or the characteristic impedance of the line 12.
The resonance capacitance of the waveguide, which is kept parallel to the resistor R, is represented by the capacitor Ci, the size of which results from the following, known equation
EMI0003.0031
in which (o the angular frequency \? z f of the waveguide 16 at resonance, K the wave resistance of the waveguide and a the distance in centimeters between the point.
x and the open end 22 of the waveguide, while c is the speed of light. means in centimeters per second.
The relationship also applies:
EMI0003.0042
in which Q means the quality factor. The zrim damping resonance resistance R parallel-schalltete, 'resonance inductance. of the waveguide is represented by the coil Li, the inductance of which has the size required to transfer the resonance of the circle Ci, Li.
The bandwidth of this resonance circuit, that is to say the Durehlassbe- area of the waveguide 16, depends on the. Damping resistance R. When the parallel circuit is adapted to the external impedance R, "Ca (where the circuit is no longer exactly in resonance) there is a Logende relationship
EMI0003.0062
The quality factor Q of a resonance circle is equal to z times the ratio of the energy stored in the circle to the energy consumed in the circle per half period.
The following applies: Q # CUC1R (3) The bandwidth of a resonance circuit is usually expressed as the distance between the circular frequencies on both sides of the resonance frequency at which the sensitivity of the circle is three decibels lower than with resonance.
For this bandwidth Aa) the ratio Q results to:
EMI0003.0071
From equations (3) and (1) it is evident that the bandwidth follow has the value
EMI0003.0072
Substituting the value of R given by equation (2) into equation (5), one obtains
EMI0003.0073
Substituting the value of C1 given by equation (1) into equation (6) results
EMI0004.0004
If you differentiate this equation according to the circular frequency and equate the differential to zero, you get the following equation which determines the largest bandwidth:
EMI0004.0007
Equation (8) is satisfied if:
EMI0004.0009
Accordingly, the largest bandwidth results when the distance a between point x and the open end 22 of the waveguide has the following value:
EMI0004.0013
where 2 is the wavelength corresponding to the resonance frequency of the waveguide.
The waveguide is tuned to the center frequency f ″, the tuning band of the waveguide. With the value a resulting from this tuning, the bandwidth of the waveguide remains almost constant in the entire tuning range of the waveguide.
It can be easily verified that if the tuning frequency f deviates by 20% from f ″, the width of the pass band changes by less than 20 0/0, which is very favorable compared to other sieves.
While the value of a determining the greatest bandwidth according to equation (10) depends on the resonance frequency of the waveguide, the actual value of the greatest bandwidth at this frequency results from equation (7) and is therefore dependent on the coupling capacitance Ca, the wave resistance - Was Ra, the line 12 and the wave resistance K of the waveguide 16 dependent.
The desired largest bandwidth can therefore be achieved by appropriate choice of the size of the coupling member 26 or the distance of the coupling member from the inner conductor 19 or by a corresponding choice of both factors.
Of course, the distance a in the waveguide 17 and the largest bandwidth of this waveguide is selected in the same way in relation to the wavelength and to the active component of the impedance of that circuit of the device 15 to which the waveguide 17 is connected ..
In the equivalent circuit shown in FIG. 1b of the waveguides 16 and 17 coupled to one another, Li and Ci represent the inductance and capacitance of the parallel resonance circuit equivalent to the waveguide 16, while L2 and C2 represent the inductance and Ka capacity. of the waveguide 17 equivalents represent parallel resonance circuit.
Co he outputs the series connection of the coupling capacities indicated by dashed lines in FIG. 1 between the coupling members 28, 29 and point y of the inner conductors 19 and 21 of the two waveguides. It is assumed that the waveguides are equal to each other and are tuned to the same frequency at the same time.
So here is Ci = C2 and Li = L2. It is also assumed that the coupling capacitance C "is only a fraction of each of the capacitances Ci and C2.
The coupling coefficient k between the two waveguides results approximately from the equation:
EMI0004.0084
in which C = Ci <I> = </I> C2 and has the value given by equation (1), but where now instead of the distance a the distance b between the point <B> y </B> and the open end 22 of the waveguide is to be set.
The bandwidth of screens containing such coupled circuits is usually expressed in terms of the bandwidth between the two key cores of the transmission characteristic of the screen.
If this bandwidth is called low, the coupling coefficient is:
EMI0005.0004
From the equations (11) and (12) and the modified equation (1) it can be seen that the bandwidth of the coupled waveguides 16 and 17 has the following value:
EMI0005.0009
If you differentiate equation (13) according to the angular frequency and equate the differential to zero, the result is the greatest possible end width.
EMI0005.0011
The loan (14) is satisfied if
EMI0005.0013
This results in the greatest bandwidth when the distance h between point y and the open end 22 of the waveguide has the following value:
EMI0005.0018
If the value of the wavelength 7 in this equation corresponds to the center frequency of the frequency band of the sieve, the bandwidth of the sieve in the amen frequency range of the sieve remains approximately constant with the value of b resulting from the equation.
The largest bandwidth of the screen results from equation (13) and can be influenced by a corresponding choice of the size of the coupling members 28 and 29 or the distance between these coupling members from the r inner conductors 19 and 21 or by a corresponding choice of both factors.
Fig. 2 shows. Another embodiment of the screen according to the invention, but only one of two waveguides is shown, which act together as in the case of FIG.
The electrical length of the waveguide 16 'presented here is variable for the purpose of tuning the waveguide by means of an axially displaceable conductive tuning member 33 in the hollow inner conductor 19', the diameter of which is almost as large. like that of the hollow inner conductor 19 'and in electrical terms. represents a continuation of the same.
The other waveguide belonging to the screen, not shown, is also designed, and the bracket 25 'connecting the tuning elements of the two waves with one another is here made of insulating material. In this embodiment, the cell conductor is open both at its adjustable end 34 and at its fixed end 22. Such a waveguide is known to act as a resistance transformer by transforming the large resistance at its open end 34 into a small resistance at the point Z remote from its open end by a quarter wavelength.
It is obvious that when tuning member 33 is displaced, area Z also shifts in the axial direction of the waveguide, so that the small resistance given here acts in the same way as the short-circuiting piston 23 of the arrangement according to FIG . 1.
FIG. 3 shows an embodiment of the sieve according to the invention which differs from the sieve according to FIG. 1 in that the two waveguides 16 ″ and 17 ″ are inductively coupled to one another. The inner conductors 19 ″ and 21 ″ are extended up to the conductive disks 31 terminating the upper end of the outer conductors 18 ″ and 20 ″, and the waveguides are coordinated. by adjusting the electrical length of the same by means of the tuning pistons 23 and 24 to a half-wave or a multiple thereof.
The concentric lines 12 and 14 each end in a coupling loop 36 or 37 arranged inside the waveguides 16 "and 17" at a distance e from the short-circuited fixed end of the waveguides, and the line 30 also ends in one inside the Waveguide at a distance f from the end 22 "of the waveguide arranged Kopphingssehleife 38 or 39.
The arrangement according to FIG. 3 is, in electrical terms, the reverse of the arrangement according to FIG. 1 and, as a result, the operation of both arrangements is the same. This follows from the fact that the behavior of an electrical network is expressed either by the currents resulting from the injection of supplied voltages or by the voltages resulting from the action of supplied currents.
Accordingly, two electrical networks are inversely related to each other if the currents and magnetic fields of one network can be replaced by equivalent voltages and electrical fields at corresponding points in the other network, the inductances and capacitances of one network at the corresponding points of the other Are interchanged in the network,
the resistances of one network in the other network are replaced by corresponding conductivities and the series and parallel connections as well as the open and short-circuited circuits in the two networks are interchanged.
From FIGS. 1 and 3 it can now be seen that the mutual capacitive coupling pins of the electric fields in the arrangement according to FIG. 1 in the arrangement according to FIG. 3 are replaced by mutual inductive coupling of the corresponding magnetic fields. The waveguides 16 which are open at their end 22 and have a high resistance
and 17 are replaced by waveguides 16 "and 17" short-circuited at their corresponding end 22 "and having a low resistance, so that at this end the waveguide instead of the highest voltages occurring in the arrangement according to FIG. according to Fig. 3, the largest currents result.
The waveguides 16 and 17 are short-circuited by the pistons 23 and 24 and therefore have their place of lowest resistance at a distance of a quarter wavelength from their open end 22. The Wel lenleiter 16 "and 17" are also short-circuited by the pistons 23 and 24, but have at a distance of a four-wavelength from their short-circuited upper end 22 "a point of greatest resistance, as in the discussion of Fig. 2 he explained has been.
As a result of the fact that the arrangement according to FIG. 3 represents a complete reversal of the arrangement according to FIG. 1, the distances a and e or b and <I> f </I> of the two arrangements are one another equal, so that the distances e and f can be determined in the manner given above for the distances cc and b.
The arrangement shown schematically in Fig. 4 is essentially the same one. Half of that according to fig. 3, with the difference that it is not adjusted by pistons, but by axial displacement of a conductor 46, the lower part 46 'of which acts as an inner conductor with respect to the hollow intermediate conductor 47. The intermediate conductor 47 has the double function of simultaneously acting as an inner conductor to serve for the outer conductor 42 and as an outer conductor for the inner conductor 46 '.
The waveguide 41 used here thus consists of two parts 48, 47 and 47, 46 '. The outer conductor 42 is closed at its ends by the disks 43 and 44. The disc 44 has a central opening 45 which is delimited by resilient contact fingers. Which are in contact with the axially movable conductor 46, which protrudes into the intermediate conductor 47 connected to the disc 43. Two loops 48 and 49 projecting into it are used to couple the waveguide. The waveguide is actually short-circuited at one end and open at its other end and has an electrical length which is equal to an odd number n of quarter wavelengths, as in FIG indicated in the drawing.
The waveguide 51 shown in Fig. 5 consists of an outer conductor 52 and an inner conductor 53, the electrical length of which can be changed for the purpose of coordinating the arrangement by an axially displaceable in it, conductive A actuator 54, which sits an almost equal diameter be like the hollow inner conductor 53 and represents a continuation of the same in electrical terms. The ver related adjustment bracket 25 'is made of insulating material. Loops 56 and 57 are used to couple the waveguide.
As in the previous case, the electrical length of the waveguide is equal to an odd number of quarter wavelengths, as indicated in the drawing. The distance e of the coupling loops from the short-circuited end of the waveguide is determined according to the principles illustrated in connection with FIG