DE1217001B

DE1217001B - Bandpass filter for very short electromagnetic waves

Info

Publication number: DE1217001B
Application number: DES30862A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Klaus Wittmann; Dipl-Ing Erich Arnhold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1952-10-27
Filing date: 1952-10-27
Publication date: 1966-05-18

Description

Bandpaßfilter für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung bezieht sich auf ein Bandpaßfilter, dessen schmales Durchlaßband im Bereich sehr hoher Frequenzen (UKW-Bereich) liegt.Band-pass filter for very short electromagnetic waves The invention refers to a bandpass filter whose passband is narrow in the very range high frequencies (VHF range).

Will man die im Ton- und Trägerfrequenzbereich erprobten Bandfilterschaltungen für schmale Bandbreite im UKW-Bereich anwenden, so ist man gezwungen, aus Gründen der Realisierbarkeit der Bauelemente die Filterschaltungen mit hohem Wellenwiderstand aufzubauen. Die Rechnuno, führt nämlich bei ZugrUndelegung eines niedrigen Wellenwiderstandes zu Werten der einzelnen Bauelemente, die sich nicht realisieren lassen. Filterschaltungen mit derartig niedrigem Wellemwiderstand sind aber gerade für b C UKW-Schaltungen erwünscht, da die üblicherweise angeschlossenen übertragungseinrichtungen (z. 3. Koaxialkabel) ebenfalls einen entsprechend niedrigen Wellenwiderstand haben. Man könnte, um die obenerwähnten erprobten Fillerschältung.en im UKW-Bereich verwenden zu können, zur Anpassung des Wellenwide.rstandes dieser Filtersdhaltungen an den Wellenwide,rstand der Übertragungseinrichtungen transformierende Schaltelemente verwenden, die rechnerisch aus drei gleichartigen Blindwiderständen in -t- bzw. T-Schaltung, von denen ein Quer- bzw. Län-sblindwiderstand ein neaatives Vorzeichen be-C ZD sitzt, bestehen.If one wishes to use the band filter circuits tested in the audio and carrier frequency range for narrow bandwidth in the VHF range, one is forced to build the filter circuits with a high characteristic impedance for reasons of the feasibility of the components. The calculation leads to values of the individual components which cannot be realized, given a low wave impedance. Filter circuits with such a low wave resistance are particularly desirable for b C VHF circuits, since the transmission devices usually connected (e.g. 3 coaxial cables) also have a correspondingly low wave resistance. In order to be able to use the above-mentioned tried and tested filler circuitry in the VHF range, transforming switching elements could be used to adapt the wave width of these filter positions to the wave width of the transmission devices, which are calculated from three similar reactances in -t or T -Circuit, of which a cross or Län-s reactive resistance is a negative sign be-C ZD, exist.

Bei diesen schmalen Bandfiltern, im Bereich sehr hoher Frequenzen, treten bei alleiniger Verwendung transformierender Schaltelementc jedoch noch Bauelemente auf, weldhe sich nicht realisieren lassen, d. h. also, daß auch beim Aufbau derartiger Filterschaltungen mit hohem Wellenwiderstand noch Bauelemente vorhanden sein würden, welche nicht herstellbar sind.In the case of these narrow band filters, in the range of very high frequencies, when transforming switching elements are used alone, there are still components that cannot be implemented, ie. H. so that even when such filter circuits are built with a high wave resistance, components would still be present which cannot be manufactured.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige, mit transfor-rnierenden Schaltelementen arbeitende Filterschaltungen im Bereich sehr hoher Frequenzen zu erstellen.The invention is based on the object of such, with transforming Switching elements working filter circuits in the range of very high frequencies create.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Bandpaßfilter, dessen schmales Durchlaßband im Bereich sehr hoher Frequenzen (UKW-Bereich) liegt, gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gelöst, daß a) zumindest eines der Filter-T-Glieder auf Grund der Konfigpration seines Querzweiges einen Dämpfungspol in der Nähe des Durchlaßbereiches ergibt b) der für den Dämpfungspol maßgebende, Querzweig einen Kondensator aufweist dem die Reihenschaltung aus einem Parallelresonanzkreis und einem weiteren Kondensator parallel liegt, c) der aus Gründen der Realisierbarkeit der Bauelemente relativ hohe Filterwellenwiderstand beidendig an die übertragungseinrichtungen relativ niedrigen Wellenwidexstandes durch kopplungsfreie Transforrnationsschaltungen in Form von -,z-Gliedern aus positiven und negativen Kapazitäten angepaßt ist.Based on a bandpass filter whose narrow passband is in the range of very high frequencies (VHF range), this object is achieved according to the invention by the combination of the following features that a) at least one of the filter T-elements due to the configuration of its Cross branch produces a damping pole near the pass band b) the cross branch decisive for the damping pole has a capacitor to which the series connection of a parallel resonant circuit and another capacitor is in parallel, c) the relatively high filter wave resistance at both ends to the transmission devices for reasons of the feasibility of the components relatively low Wellenwidexstandes is adapted by coupling-free transformer circuits in the form of -, z-members from positive and negative capacitances.

D-er Hauptanspruch soll ausschließlich die, Ge- samtkombination seiner an sich bekannten Merkmale schützen.D-er main claim to only those overall samtkombination protect its known characteristics.

Durch eine, Arbeit von Gladwin in der Zeitschrift »Wireless Engineer«, November 1943, S. 540 bis 547, ist die Anwendung von Impedanztransformationen in Bandpaßfilter bekannt. Bei den vor allem auf S. 547 der Arbeit gezeigten Schaltungen handelt es sich jedoch um solche mit mehreren Polstellen. Für den Erfindungsgegenstand ist es demgegenüber wesentlich, daß in einem Querzweig ein einziger, in ganz besonderer Weise erzeugter Dämpfungspol vorgesehen ist, hinsichtlich dessen sich der Arbeit von Gladwin keine Anregung entnehmen läßt.The use of impedance transformations in bandpass filters is known from a work by Gladwin in the magazine "Wireless Engineer", November 1943, pp. 540 to 547. The circuits shown mainly on p. 547 of the work are, however, those with several poles. In contrast, it is essential for the subject matter of the invention that a single damping pole, generated in a very special way, is provided in a shunt branch, with regard to which no suggestion can be derived from Gladwin's work.

In der USA.-Patentschrift 2 524 821 sind Breitbandverstärker beschrieben, bei denen die Röhrenreaktanzen in die der Kopplung aufeinanderfolgender Röhrenstufen dienenden Filterschaltungen mit einbezogen sind. Aus dieser Patentschrift ist somit lediglich die Anwendung von n- oder T-Schaltungen zur Kopplung von aufeinanderfolgenden Röhrenstufen eines Breitbandverstärkers bekannt, wobei zum Teil Leitungsabschnitte für die Realisierung einzelner Schaltelemente in den n- oder T-Schaltunggen benutzt werden. Für Schmalbandfilter sind diese Schaltungen im übrigen nicht geeignet.In the USA. Patent 2,524,821 broadband amplifier are described in which the Röhrenreaktanzen are in the successive stages of the coupling tube serving filter circuits involved. From this patent specification, therefore, only the use of n or T circuits for coupling successive tube stages of a broadband amplifier is known, some line sections being used for the implementation of individual switching elements in the n or T circuits. For narrow-band filter, these circuits are not suitable for the rest.

Durch das Buch »Eleetrie Circuits and Wave Filters« von A. T. S t a r r und dessen S. 296 bis 300 sind für das Gebiet niedriger Frequenzen Berechnungsverfahren von Bandpaßfiltern in -i- und T-Schaltung bekannt. Diese Literaturstelle behandelt aber weder Filter für das Gebiet der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen, noch gibt sie eine Anregung im Hinblick auf die dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegende Problemstellung.From the book "Eleetrie Circuits and Wave Filters" by A. T. S tarr and its pages 296 to 300 , calculation methods for bandpass filters in -i and T-circuit are known for the area of low frequencies. However, this reference does not deal with filters for the field of very short electromagnetic waves, nor does it provide any suggestion with regard to the problem on which the subject matter of the invention is based.

,-t- und T-Schaltungen mit konzentrierten Schaltelementen für das Gebiet der Langwellen und Mittelwellen sind weiterhin durch eine Arbeit in der Zeitschrift »Electronics«, März 1934, S. 84, 85 und 90, bekannt. Abgesehen davon, daß bei den dort beschriebenen Schaltungen Filter für gänzlich andere Wellengebiete behandelt sind, in denen die dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegenden Probleme gar nicht auftreten, fehlt bei diesen Filtern der besondere Dämpfungspol im Querzweig. , -t and T circuits with concentrated switching elements for the field of long waves and medium waves are also known from a work in the journal "Electronics", March 1934, pp. 84, 85 and 90 . Apart from the fact that in the circuits described there filters are treated for completely different wave regions in which the problems underlying the subject matter of the invention do not occur at all, these filters lack the special pole of attenuation in the shunt arm.

Durch das Buch von Johnson, »Transmission Circuits for Telephonic Communication«, 4.Nachdruck, D. van Nostrand Co., Inc., Ncw York, 1929, sind weiterhin für das Niederfrequenzgebiet T-Schaltungen bekannt, bei denen. im Querzweig ein Dämpfungspol erzwungen wird. Aus dieser, für das Gebiet der Niederfrequenztechnik bekannten Schaltung läßt sich jedoch keine Anregung dahingehend ableiten, daß die Auswahl einer ganz besonderen Querzweischaltuncr mit Dämpfungspol in Verbindung mit Transformationsgliedern gerade aus drei gleichartigen Blindwiderständen in n- oder T-Schaltung die einleitend dargelegten Probleme bei Schmalbandfiltern im Ul#',W-Bere-ich löst. Die, gleichen übe-rle,gungen gelten auch für die Ausführungen in dem Buch »Radio Engineers Handbook« von F. E. Terman, 1. Auflage, 1943, S. 230 und 231. Through the book by Johnson, "Transmission Circuits for Telephonic Communication", 4th reprint, D. van Nostrand Co., Inc., New York, 1929, T-circuits are also known for the low-frequency range in which. a damping pole is enforced in the shunt branch. From this circuit, which is known for the field of low-frequency technology, no suggestion can be derived that the selection of a very special transverse two-way circuit with a damping pole in connection with transformation elements consisting of three similar reactances in an N or T circuit would solve the problems with narrow-band filters described in the introduction Ul # ', W-Bere-i solves. The same considerations also apply to the statements in the book "Radio Engineers Handbook" by F. E. Terman, 1st edition, 1943, pp. 230 and 231.

Durch die USA.-Patentschrift 2 196 272 ist ein Filterhalbglied bekannt, bei dem im Querzweig die Parallelschaltung eines Reihenresonanzkreises und einer Kapazität vorgesehen sind. Um von dieser bekannten Anordnung zum Erfindungsgegenstand zu kommen, sind jedoch mindestens folgende zwei Schritte erforderlich, nämlich der Ersatz des Reihenresonanzkreises und der hierzu parallelliegenden Reaktanz durch die Scrienschaltung einer Reaktanz und eines Parallelresonanzkreises sowie die Anordnung von Transformationsgliedern, die gerade aus drei gleichartigen Blindwiderständen in oder ., bestehen. Weiterhin läßt sich dieser Pa-T-Schaltung tentschrift auch keine Anregung dahingehend entnehmen, daß gerade dieser Schaltungskniff es ermöglicht, Filterschaltungen zu realisieren, die mit der in dieser USA.-Patentschrift beschriebenen Schaltung wegen unzulässig hoher Wellenwiderstandsforderungen an sich gar nicht mehr realisierbar wären.A filter half-element is known from the USA patent specification 2 196 272 , in which the parallel connection of a series resonant circuit and a capacitance are provided in the shunt branch. To get from this known arrangement, the subject invention, however, at least the following two steps are required, namely the replacement of the series resonant circuit and parallel thereto past reactance by the Scrienschaltung a reactance and a parallel resonant circuit and the arrangement of transform elements, which just like three reactances in or ., exist. Furthermore, no suggestion can be derived from this Pa-T circuit tentschrift that precisely this circuit trick makes it possible to implement filter circuits that would no longer be realizable with the circuit described in this USA patent due to inadmissibly high characteristic impedance requirements.

Die USA.-Patentschrift 2 258 974 beschreibt ein Wellenäbertragungssystem, bei dem unter anderem als Querzweig die Reihenschaltuno", einer Reaktanz mit einem Parallelresonanzkreis vorgesehen ist. Für diese bekannte Schaltung fehlt indessen das weitere wesentliche Merkmal des Erfindungsgegenstandes, nämlich, daß außer dem Querglied das besonders ausgebildete Transformationsglied zugeordnet ist. Erst durch die gemeinsame Anwendung dieser beiden Merkmale, also des besonders ausgebildeten Querzweiges und des besonders ausgebildeten Transformationsgliedes, lassen sich die Probleme lösen, die einleitend dargelegt sind und hinsichtlich deren der USA.-Patentschrift 2 196 272 keine Anregungen entnommen werden können. Durch die deutsche Patentschrift 582 050 ist es schließlich bekannt, daß sich 7.- und T-Schaltungen mit negativen Impedanzwerten dadurch realisieren lassen, daß diesen Filterschaltungen weitere Filter-g glieder zugeordnet werden, die an den entsprechenden Stellen einen größeren Wert aufweisende positive Reaktanzen haben. Hinsichtlich der besonderen Problematik bei UKW-Schmalbandfiltern und den Schwierigkeiten hinsichtlich hoher Wellenwiderstände bei der Realisierung von Dämpfungspolen mittels Quergliedern läßt sich dieser Patentschrift nichts entnehmen.The USA. Patent 2,258,974 describes a Wellenäbertragungssystem that Reihenschaltuno ", a reactance is provided with a parallel resonance circuit is provided in which, inter alia, as a transverse branch. However, the further essential characteristic of missing of the subject invention for this known circuit, namely, that in addition to the cross member, the specially trained transformation member is associated. Only through the combined use of these two features, that is the particularly shaped cross branch and specially trained transformation member, the problems can be solved, which are set forth in the introduction and in respect of which the USA. Patent 2,196,272 removed no suggestions may be used. Due to the German patent specification 582 050 it is finally known that are 7.- and T-circuits can be implemented with negative impedance values in that these filter circuits further filtering g limbs associated with having a larger at the appropriate places who t have positive reactances. With regard to the particular problems with VHF narrow-band filters and the difficulties with regard to high wave resistances in the implementation of attenuation poles by means of cross members, nothing can be inferred from this patent specification.

Durch eine Arbeit von H a r r i s in der Zeitschrift »The Bell System Technical. Journal«, April 1932, insbesondere S. 2683 ist ein Bandpaßfilter nach Art einer Kettenschaltung bekannt, bei dem in den Längszweigen Serienresonanzkreise und in den Querzweigen die Parallelschaltung eines Reihenschwingkreises mit einer Paraffelkapazität vorgesehen ist. Dieses Filter ist jedoch ebenfalls nur für den Niederfrequenzbereich bestimmt, für den die beim Erfindungsgegenstand vorliegenden Probleme nicht gegeben sind.Through a work by H arris in The Bell System Technical. Journal ”, April 1932, in particular p. 2683 , a bandpass filter in the manner of a chain circuit is known in which series resonance circuits are provided in the series branches and a series resonance circuit with a paraffin capacitance is connected in parallel in the shunt branches. However, this filter is also only intended for the low frequency range, for which the problems present in the subject matter of the invention do not exist.

Zur Erläuterung der Erfindung ist als Ausführungsv> t2 bei,spiel eine Filterschaltung gewählt, die aus den in den F i g. 1 und 2 dargestellten Grundtypen von Filtergliedern zusammengesetzt ist; das Filterglied der F! g. 1 ist ein unverstellertes und das der F i g. 2 ein versteilertes Filter. Soll diese Filterschaltung, die aus der in der F i g. 3 gezeigten Zusammenschaltung dieser beiden Filterglieder besteht, im UKW-Bereich anwendbar sein, so müssen ihre einzelnen Glieder, um zu realisierbaren Bauelementrn zu gelangen, für höhere Wellenwiderstände als die der üblicherweise angeschlossenen Übertragungseinrichtungen aufgebaut werden.To explain the invention, a filter circuit is selected as embodiment v> t2, game, which is made up of the elements shown in FIGS. 1 and 2 illustrated basic types of filter members is assembled; the filter element of the F ! G. 1 is an undisguised one and that of FIG. 2 a steepened filter. Should this filter circuit, which is derived from the in FIG. There is an interconnection of these two filter elements shown in FIG. 3 , can be used in the VHF range, so their individual elements must be constructed for higher wave resistances than those of the transmission equipment usually connected in order to achieve realizable components.

Da aber die alleinige Erhöhung des Wellenwiderstandes bei versteilerten Filterschaltungen nicht ausreicht, muß das Filterglied der F i g. 2 noch einer Reaktanztransformation unterworfen werden, welche zweckmäßigerweise so durchgeführt wird, daß sich für alle Induktivitäten in allen Kreisen gleiche Werte ergeben. Das Ergebnis dieser Reaktanztransformation zeigt die Filterschaltung der F i g. 4. Die Anpassung der Filterglieder untereinander und die Anpassung der Filterschaltung an die übertragungseinrichtungen erfolgt mittels transformierender Schaltelemente, welche rechnerisA aus drei gleichartigen Blindwiderständen bestehen, von denen einer ein ne(yatives Vorzeichen besitzt. Durch diese drei Blindwiderstände wird ein übertra-er mit einem angeschlossenen Längs- oder Querblindwiderstand ersetzt, wobei der übertrager ein bestimmtes Übersetzunusverhältnis besitzt. Um nun die aus den drei Blindwiderständen bestehenden transformierenden Schaltelemente in die Filterschaltung einsetzen zu können, muß diese, zunächst in die in der F i g. 5 dargestellte umgeformt werden, in der, wie ersichtlieh, an drei Stellen ein übertrager mit vorgeschaltetem Blindwiderstand, und zwar hier mit einem vmeschalteten Längsblindwiderstand, eingesetzt ist. Ein an den genannten drei Stellen eingesetzter Übertrager mit vorggeschaltetem Längsblindwiderstand wird durch drei diesem Längsblindwiderstand gleichartige Blindwiderstände in -,7-Schaltung ersetzt. Von diesen drei Blindwiderständen besitzt derjenige ein negatives Vorzeichen, welcher auf der Seite mit höherem Wellenwiderstand liegt. Ersetzt man die drei übertraaer mit den voraeschalteten Längsblind-C C widerständen in der eben beschriebenen. Weise, so kommt man zu einer in der Fig. 6 dargestellten Filterschaltuna. In dieser sind die Blindwiderstände 1, 2 und 3 solche mit negativem Vorzeichen. Faßt man diese negativen Blindwiderstände mit den entsprechend positiven Blindwiderständen geeignet zusammen, nämlich 1 und 2 mit 4 und 3 mit 5 und 6, so ergibt sich die endgültige Filterschaltuno, gemäß F i g. 7, die beiderseitig an niederohmige Übertragungseinrichtungen, z. B. koaxiale Kabel, angeschlossen werden kann,However, since the mere increase in the characteristic impedance is not sufficient in the case of steeper filter circuits, the filter element of FIG . 2 can also be subjected to a reactance transformation, which is expediently carried out in such a way that the same values result for all inductances in all circles. The result of this reactance transformation is shown by the filter circuit in FIG. 4. The adaptation of the filter elements to one another and the adaptation of the filter circuit to the transmission devices is carried out by means of transforming switching elements, which computationally consist of three similar reactances, one of which has a ne (yative sign longitudinal or transverse reactance replaced, wherein the transmitter specific Übersetzunusverhältnis has. to be able to use the existing from the three reactances transforming switching elements in the filter circuit, it must be converted first to the g in the F i. 5 shown in which As can be seen, a transformer with an upstream reactance, namely here with a connected series reactance, is inserted at three points I-like reactances in -, 7 circuit replaced. Of these three reactances, the one on the side with the higher wave resistance has a negative sign. If you replace the three overheads with the upstream longitudinal blind C C resistors in the one just described. Example, one comes to an embodiment shown in FIG. 6 Filterschaltuna. In this the reactances 1, 2 and 3 are those with a negative sign. If these negative reactances are suitably combined with the corresponding positive reactances, namely 1 and 2 with 4 and 3 with 5 and 6, the final filter circuit results according to FIG. 7, which are mutually connected to low-resistance transmission equipment, e.g. B. coaxial cables, can be connected,

Claims

Claims: 1. Band-pass filter, the narrow passband of which is in the range of very high frequencies (VHF range), characterized by the combination of the following known features a) at least one of the filter T-elements results in an attenuation pole due to the configuration of its transverse branch vicinity of the passband, b) of the - authoritative attenuation Que.rzweig comprises a capacitor, which is the series connection of a parallel resonance circuit and another capacitor in parallel, c) for reasons of practicability of the devices high filter characteristic impedance at both ends relative to the transfer means low wave resistance through coupling-free transformation circuit, en in the form of n-elements. adjusted from positive and negative capacities.

2. Bandpass filter according to claim f, characterized in that capacitors of such size are provided for the T-member or the T-members, whose shunt arm consists of a capacitor and the series circuit which is parallel to it and consists of a parallel resonant circuit and another capacitor that all inductances of the filter agree in terms of magnitude. 3. Band-pass filter according to claim 2, characterized in that between T-elements of different configuration, coupling-free transformation circuits in the form of n-elements of positive and negative capacitances are inserted. German Patent No. 582 050; . USA. Patent Nos 2,196,272, 2,258,974; A. T. S Tarr, "Electrie Circuits and Wave Filter", 2nd Edition, 5th reprint, pp 296-300; "Electronies", Vol. 7, No. 3, pp. 84, 85, 90; Terman, "Radio Engineers Handbook", 1st edition, 4th reprint, 1943, pp. 230, 231; J ohnson, "transmission circuits for telephony Communication", 4th reprint, 1929, p 184; »Wireless Engineer«, Vol. XX, No. 242, pp. 540 to 547. -