-
Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung betrifft
ein Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer Anpassungsstelle und
einer Polstelle im übertragungsverhalten, bestehend aus wenigstens einem nach Art
eines koaxialen Radialresonators aufgebauten Resonanzkreis, bei dem im Zuge einer
durchgehenden koaxialen Leitung der Querschnitt des Außenleiters über einen im Verhältnis
zur Wellenlänge der zu sperrenden Frequenz kurzen Abschnitt sprunghaft erweitert
ist.
-
Bei übertragungsanordnungen der Mikrowellentechnik tritt mitunter
die Forderung auf, solche Filter zu realisieren, bei denen der Abstand zwischen
der durchzulassenden Frequenz und den zu sperrenden Frequenzen verhältnismäßig groß
ist, wobei gleichzeitig bei relativ hoher Sperrdämpfung die Durchlaßdämpfung möglichst
klein sein soll. Wenn dabei gleichzeitig die Forderung auftritt, eine oder mehrere
störende Frequenzen mit hoher Sperrdämpfung auszusperren, ist es zweckmäßig, ein
Filter zu verwenden, das bei den störenden Frequenzen Dämpfungspole hat.
-
In der Zeitschrift »IEEE Transactions on Microwave Theorie and Techniques«,
Januar 1963, ist ein solches polerzeugendes Schaltelement beschrieben, das mit Hilfe
eines sogenannten »koaxialen Radialresonators« aufgebaut ist. Ein derartiger Radialresonator
besteht aus einem Abschnitt einer Koaxial-Leitung, bei der der Außenleiterdurchmesser
auf einer Länge, die klein ist gegenüber der Wellenlänge bei der Polfrequenz, sprunghaft
vergrößert ist. In dem so entstehenden Hohlraum bildet sich bei der Polfrequenz
f.. eine Hohlrohrresonanz aus, deren Feldbild ähnlich dem der E.1.-Resonanz des
kreisrunden Hohlrohrresonators ist. Bei der Resonanzfrequenz f. wird dann in die
Ebene des koaxialen Außenleiters ein Leerlauf transformiert und damit der Energiefluß
durch die Koaxialleitung gesperrt. Außerhalb der Resonanzfrequenz stellt der Außenleitersprung
für die koaxiale Welle eine induktive Störung dar. Einem solchen Radialresonator
läßt sich daher als elektrisches Ersatzschaltbild ein elektrischer Vierpol zuordnen,
in dessen einem Längszweig eine Induktivität, ein Parallelresonanzkreis und eine
weitere Induktivität in Serie geschaltet sind, während der andere Längszweig glatt
durchgeschaltet ist. Oberhalb der Sperrfrequenz f., die der Resonanzfrequenz des.
Parallelresonanzkreises entspricht, tritt also eine Anpassungsstelle bei der Frequenz
f. auf. Bei dieser bekannten Filteranordnung ist der Innenleiter der koaxialen Leitung
glatt durchgeführt, während der Resonator mit einer aus dielektrischem Material
bestehenden Scheibe gefüllt ist. Auf diese Weise wird jedoch der Abstand zwischen
der Polfrequenz und der Anpassungsstelle durch die Dielektrizitätskonstante des
Füllstoffes fest vorgegeben.
-
Ferner gehört eine Frequenzweiche dem Stand der Technik an, bei welcher
im Zuge einer durchgehenden koaxialen Leitteig der Querschnitt des Außenleiters
über einen im Verhältnis zur Wellenlänge der am Ausgang dieser koaxialen Leitung
zu sperrenden Frequenzen kurzen Abschnitt sprunghaft erweitert ist. Die sprunghafte
Erweiterung ist Bestandteil eines rechteckigen Querschnitt aufweisenden Hohlleiters,
dessen Schmalseite die Längsabmessung der sprunghaften Erweiterung des Außenleiters
der koaxialen Leitung bestimmt und dessen Breitseite hinsichtlich ihrer Abmessung
so gewählt ist, daß der Hohlleiter auf Grund seiner Grenzfrequenz die vorgeschriebenen
selektiven Eigenschaften der Anordnung herbeiführt. Bei dieser bekannten Anordnung
ist des weiteren der durchgehende Innenleiter der koaxialen Leitung mit einer sprunghaften
Querschnittsveränderung versehen, die, in Längsrichtung der koaxialen Leitung betrachtet,
symmetrisch zur Querschnittserweiterung des Außenleiters liegt und die ferner in
Längsrichtung mit einer Abmessung sich erstreckt, die kleiner ist als die Längsabmessung
der Querschnittserweiterung des Außenleiters. Dieser bekannten Weichenanordnung
liegt jedoch insofern ein anderes physikalisches Konzept als dem Erfindungsgegenstand
zugrunde, als die sprunghaften Querschnittserweiterungen des Innenleiters als Koppelelemente
für die angeschlossenen Rechteckhohlleiter wirken. Diese Koppelelemente müssen in
der Weise dimensioniert sein, daß eine Anpassung zwischen der durchgehenden koaxialen
Leitung und der an sie angeschlossenen Rechteckhohlleiter erzielt wird. Um die Anpassung
im Zuge der durchgehenden koaxialen Leitung zu erhalten, muß
der
Abstand der einzelnen Rechteckhohlleiter richtig gewählt werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der vorstehend genannten
Schwierigkeit in verhältnismäßig einfacher Weise -zu begegnen. Vor allem soll erreicht
werden, den Abstand zwischen Dämpfungspol und Anpassungsstelle in weiten Grenzen
frei wählbar zu machen und die Anpassungsstelle je nach Bedarf unter- oder .oberhalb
der Polfrequenz zu legen.
-
Von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer
Anpassungsstelle und einer Polstelle im Übertragungsverhalten, bestehend aus wenigstens
einem eines koaxialen Radialresonators aufgebauten Resonanzkreis, bei dem im Zuge
einer durchgehenden koaxialen Leitung der Querschnitt des Äußenleiters über einen
im Verhältnis zur Wellenlänge der zu sperrenden Frequenz kurzen Abschnitt sprunghaft
erweitert ist, ausgehend, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
zur Veränderung des Abstandes zwischen der Anpassungsstelle und der Polstelle der.
durchgehende Innenleiter eine vorzugsweise sprunghafte Querschnittsveränderung aufweist,
die, in Längsrichtung der koaxialen Leitung betrachtet, zumindest näherungsweise
symmetrisch zur Querschnittserweiterung des Außenleiters liegt und deren Abmessung
in Längsrichtung kleiner- ist als die Längsabmessung der Querschnittserweiterung
des Außenleiters.
-
Es ist hierbei vorteilhaft, wenn die am Innenleiter vorgesehene Querschnittsveränderung
die Form einer kreisrunden metallischen Scheibe hat, deren Durchmesser größer ist
als der Durchmesser des Innenleiters der durchgehenden koaxialen Leitung oder wenn
die am Innenleiter ein- er Querschnittsveränderung die Form einer Einschnürung hat,
deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Innenleitets der durchgehenden
koaxialen Leitung. Dabei können bei Ausbildung der Querschnittsveränderung als Scheibe
die am Außendurchmesser der Scheibe auftretenden Kanten gebrochen oder verrundet
sein.
-
Als--vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der koaxiale Radialresonator
zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material aufgefüllt ist, dessen Dielekrizitätskonstante
unterschiedlich ist von der der Luft.
-
Zur Frequenzabstimmung bzw. zur Symmetrierung ist es günstig, wenn
am Umfang des koaxialen Radialresonators in denResonator eintauchendeStifte, vorzugsweise
Schrauben; vorgesehen sind, deren Eintauchtiefe in radialer Richtung veränderbar
-ist, bzw. wenn im Bereich der _ Querschnittserweiterung des Außenleiters in die
Koaxialleitung eintauchende Stifte, vorzügsweiseSchrauben, vorgesehen sind, deren
Eintauchtiefe in radialer Richtung veränderbar ist. .
-
Ein mehrgliedriges Filter läßt sich in einfacher Weise dadurch realisieren,
daß mehrere Radialresonatoren über koaxiale Leitungsabschnitte in Kette geschaltet
sind.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Bei dem in der Fi g. 1 dargestellten Filter wird der Außenleiter des
Radialresonators 3 von einem kurzen Abschnitt eines zylindrischen Rohres 5 und den
beiden seitlichen, scheibenförmigen Begrenzungswänden 6 und 6' durch eine sprunghafte
Erweiterung der Außenleiterabschnitte 1 und 2 einer Koaxialleitung 4 gebildet. Zur
besseren Übersicht sind nähere konstruktive Einzelheiten in der Figur nicht dargestellt.
Beispielsweise können die Begrenzungswände 6 bzw. 6' unmittelbar an die Außenleiterabschnitte
1 bzw. 2 angedreht und mit kreisförmigen Führungsnuten versehen sein, in die das
Rohrstück 5 einlegbar ist. Durch in axialer Richtung laufende Schrauben können dann
die Teile 6, 5 und 6' miteinander zu einer mechanisch starren Einheit verbunden
werden. Der Innenleiter 7 wird durch die aus einem Isoliermaterial bestehenden Stützscheiben
8 zentrisch im Außenleiter geführt. Der Innenleiter 7 ist so ausgebildet, daß er
sich in Form einer kreisförmigen metallischen Scheibe 9 sprunghaft erweitert. Bei
hohen elektrischen Leistungen ist es aus Gründen der erforderlichen Spannungssicherheit
zweckmäßig, die Kanten der Scheibe 9 am Außendurchmesser zu brechen bzw. zu verrunden.
Die Scheibe 9 liegt, in Längsrichtung der koaxialen Leitung betrachtet, zumindest
näherungsweise symmetrisch zur Querschnittserweiterung des Außenleiters, d. h. also,
symmetrisch zu der durch die strichpunktierte Linie 10 angedeuteten Mittelebene.
Die Dicke s der Scheibe 9 ist kleiner als die Länge e des Radialresonators 3 gewählt.
Am Umfang des -Rohrstückes. 5 sind der Frequenzabstimmung dienende Schrauben 11
vorgesehen, die beispielsweise bei Verwendung metallischer Schrauben mit zunehmender
Eintauchtiefe die Resonanzfrequenz des Resonators erhöhen. Im Übergangsgebiet zwischen
der Koaxialleitung 4 und dem Radialresonator 3, in dem die elektrischen und magnetischen
Feldlinien gegenüber der ungestörten Koaxialwelle eine Verzerrung erfahren, sind
die Schrauben 12 angebracht, die im wesentlichen der Symmetrierung dienen und mit
denen in axialer Richtung auftretende Verschiebungen der Scheibe 9, die beispielsweise
durch fertigungstechnische Streuungen zustande kommen, ausgleichbar sind. An Stelle
der metallischen Schrauben 11 und 12 lassen sich auch Stifte aus einem metallischen
oder einem dielektrischen Material verwenden. Zur Verkürzung der Länge e und zur
Verkleinerung des Außendurchmessers kann der Resonator 3 ganz oder teilweise mit
einem dielektrischen Material aufgefüllt werden, dessen Dielektrizitätskonstante
größer ist als die der Luft.
-
Die elektrische Wirkungsweise des in der F i g. 1 dargestellten Filters
läßt sich an Hand der in der F i g. 2 gezeichneten elektrischen Ersatzschaltbilder
erklären. Der Außenleitersprung der Koaxialleitung 4 wird durch die im Längszweig
des Vierpoles liegenden Induktivitäten 15 nachgebildet. Weiterhin liegt im Längszweig
der Parallelresonanzkreis 3', der durch den koaxialen Radialresonator 3 realisiert
ist. Zwischen den Induktivitäten 15 und dem Parallelresonanzkreis 3' liegen im Querzweig
der Schaltung die Kapazitäten 16, die durch die Scheibe 9 realisiert sind und deren
Kapazitätswert mit größer werdendem Durchmesser und größer werdender Dicke s der
Scheibe 9 größer wird. Die Lage des Dämpfungspoles wird von der Resonanzfrequenz
des Parallelresonanzkreises 3' bestimmt. Bei der praktischen Realisierung ist dabei
darauf zu achten, daß die Länge e des koaxialen Radialresonators 3 kurz ist im Verhältnis
zur Wellenlänge bei der Polfrequenz (etwa A/I0, wenn A, die Wellenlänge der Koaxialwelle
bei der Polfrequenz bedeutet), so daß sich im Radialresonator 3 eine Resonanz ausbildet,
deren Feldbild ähnlich dem der Eoiö Resonanz im kreisrunden Hohlraumresonator
ist.
Da sich mit größer werdendem Durchmesser der Scheibe 9 der Kapazitätswert der ersatzschaltbildmäßigen
Kondensatoren 16 vergrößert und der Induktivitätswert der Längsspulen 15 verkleinert,
wird die Lage der Anpassungsstelle zunächst zu höheren Frequenzen verschoben, wobei
die Anpassungsstelle f. oberhalb der Polfrequenz f. liegt. Bei weiterer Vergrößerung
der Scheibe 9 wandert wegen der dann verhältnismäßig stark spürbar werdenden Vergrößerung
der Kapazitätswerte der Kondensatoren 16 die Anpassungsstelle zu tieferen Frequenzen,
und es läßt sich schließlich erreichen, daß die Anpassungsstelle f o unterhalb
der Polfrequenz f. liegt. Es bilden dann nämlich die Spulen 15 und ein Teil der
Kondensatoren 16 ein angepaßtes Tiefpaßhalbglied, das sich lediglich als Vergrößerung
der elektrischen Länge der Koaxialleitung 4 äußert und für das Ersatzschaltbild
außer Betracht bleiben kann. Das so gewonnene Ersatzschaltbild ist in der F i g.
2 ebenfalls mit dargestellt und besteht aus einem versteilerten Tiefpaßglied, in
dessen Längszweig der Parallelresonanzkreis 3' und in dessen Querzweigen die Kondensatoren
16' liegen. Die Kapazitätswerte der Kondensatoren 16' ergeben sich durch Abzug der
zur Bildung der Tiefpaßhalbglieder erforderlichen Kapazitätswerte von den Werten
der Kondensatoren 16. Auf Grund dieser überlegungen sind die in der F i g. 2 dargestellten
Ersatzschaltbilder in einem verhältnismäßig großen Frequenzbereich einander ähnlich.
-
In der F i g. 3 ist der grundsätzliche Verlauf der Betriebsdämpfung
ab eines gemäß der F i g. 1 aufgebauten Filters in Abhängigkeit von der Frequenz
f dargestellt, und zwar für den Fall, daß die Anpassungsfrequenz to kleiner als
die Polfrequenz f_ ist. Bei verhältnismäßig kleinem Durchmesser der Scheibe 9 läßt
sich in der bereits beschriebenen Weise die Anpassungsfrequenz to auch auf Frequenzen
legen, die größer als die Polfrequenz f. sind. Auf diese Weise kann lediglich durch
Wahl des Durchmessers und der Dicke s der Scheibe 9 die Lage der Anpassungsstelle
gegenüber der Lage der Polstelle in weiten Grenzen verändert werden.
-
Ähnliche elektrische Verhältnisse lassen sich auch dann erreichen,
wenn, wie in F i g. 4 gezeigt, der Innenleiter 7 der koaxialen Leitung an Stelle
einer kreisförmigen Scheibe mit einer Einschnürung 20 versehen ist. Aus fertigungstechnischen
Gründen ist es zweckmäßig, den Innenleiter 7 sprunghaft auf die Einschnürung 20
übergehen zu lassen. Beim Aufbau des Filters ist dann lediglich darauf zu achten,
daß die Einschnürung 20 zumindest näherungsweise symmetrisch zu der durch
die strichpunktierte Linie 10 angedeuteten Mittelebene des koaxialen Radialresonators
liegt.
-
Bei empfindlichen Empfängern, wie z. B. parametrischen Verstärkern
oder Masern für Streustrahl-oder Satellitenverbindungen, die durch Ober- bzw. Nebenwellen
von z. B. in der näheren Umgebung arbeitenden Fernsehsendern oder von den Sendern
des eigenen Systems gestört werden, lassen sich diese Störungen durch Vorschalten
eines erfindungsgemäßen Filters vermeiden, wenn z. B. die Polfrequenz auf die Frequenz
des störenden Senders gelegt wird. Hinzu kommt, daß die Bandsperre bei relativ hoher
Sperrdämpfung nur eine sehr kleine Durchlaßdämpfung hat. Durch den koaxialen Aufbau
ist sie auch einer in Hohlleiterbauweise realisierten Bandsperre überlegen, da nämlich
Hohlleiter trotz ihrer an sich geringen Verluste nur in einem begrenzten Frequenzbereich
hinsichtlich der in ihnen existenzfähigen Wellentypen eindeutig sind. Würde weiterhin
diese Aufgabe beispielsweise mit einem unverteilerten Tiefpaß gelöst, dann müßte
dieser wegen der hohen Sperrdämpfungsforderung eine verhältnismäßig große Anzahl
einzelner Glieder haben, was zwangläufig eine verhältnismäßig große Durchlaßdämpfung
zur Folge hätte.
-
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens lassen sich auch mehrere
Radialresonatoren in Kette schalten. Eine entsprechende Ausführungsform zeigt schematisch
die F i g. 5. Dort sind als Beispiel zwei Radialresonatoren 30 und 31 über einen
Abschnitt einer koaxialen Leitung 32 miteinander verbunden, wodurch ein zweikreisiges
Filter entsteht. Wie in. der Figur angedeutet, kann der Wellenwiderstand der Verbindungsleitung
32 dabei vom Wellenwiderstand der zu- bzw. abführenden Koaxialleitung 4 beispielsweise
durch einen abweichenden Innenleiterdurchmesser abweichend gewählt sein. Ferner
muß die Länge l der Verbindungsleitung 32 so gewählt werden, daß der Eingangsrefiexionsfaktor
zwischen den beiden entstehenden Anpassungsstellen die vorgegebene Forderung nicht
übersteigt. Wenn die Resonatoren 30 und 31 auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen
abgestimmt sind, ergeben sich im Dämpfungsschema der F i g. 3 zwei Dämpfungspole.
Sind die Resonatoren 30 und 31 auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt, erhält
man eine Vergrößerung der in der F i g. 3 mit b bezeichneten und gestrichelt angedeuteten
Polbreite. In jedem Fall hat die Kettenschaltung mehrerer einzelner Resonatoren
eine Verbreiterung des Durchlaß- und Sperrbereiches zur Folge.