DE1264639B

DE1264639B - Band stop for very short electromagnetic waves

Info

Publication number: DE1264639B
Application number: DE1966S0106302
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Konrad Abel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-09-30
Filing date: 1966-09-30
Publication date: 1968-03-28

Description

Bandsperre für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung betrifft eine Bandsperre für sehr kurze elektromagnetische Wellen, deren Resonatoren in der Art von koaxialen Radialresonatoren ausgebildet sind, die aus einem durchgehenden Innenleiter und einem sich gegenüber einem koaxialen Anschlußleiter sprunghaft erweiternden Außenleiter be# stehen, dessen Abmessung in Längsriclitung klein ist gegenüberderWellenlängederzusperrendenFrequenz.Bandstop filter for very short electromagnetic waves The invention concerns a bandstop filter for very short electromagnetic waves, their resonators are designed in the manner of coaxial radial resonators, which consist of a continuous Inner conductor and one that widens by leaps and bounds compared to a coaxial connection conductor Outer conductors exist, the dimensions of which in the longitudinal direction are small compared to the wavelength of the frequency to be blocked.

Bei Frequenzumsetzern, Verstärkern und Frequenzvervielfachern im NEkrowellenbereich muß mit einem geeigneten Filter eine Energie relativ niedriger Frequenz aus- oder eingekoppelt und die Energie einer relativ hohen Frequenz möglichst'vollständig reflektiert werden. Zum Beispiel »soll in einem Aufwärts- oder Abwärtsumsetz-er am Zwischenfrequenzanschluß die Zwischenfrequenzenergie eingespeist bzw. entnommen werden, während die, 1\Qrowellenseite an dieser Stelle in bestimmter Weise rein blind abgeschloss'en sein soll; dasselbe trifft in einem parametrischen Verstärker auf die zu verstärkende Signalenergie einerseits und auf die Idler- und Pumpfrequenz andererseitg,'beiin Vervielfacher auf die zu vervielfachende bzw. auf die vervielfachte Frequenz zu.With frequency converters, amplifiers and frequency multipliers in the N microwave range must use a suitable filter or a relatively low frequency energy coupled in and the energy of a relatively high frequency as complete as possible be reflected. For example, “should be in an up-converter or down-converter the intermediate frequency energy is fed in or removed at the intermediate frequency connection while the wave side is pure in a certain way at this point should be closed blindly; the same is true in a parametric amplifier on the signal energy to be amplified on the one hand and on the idler and pump frequency on the other hand, in a multiplier on the one to be multiplied or on the multiplied one Frequency too.

An das jeweils koppelnde Filter sind däbei folgende# Forderungen zu stellen: Im gewünschten Trequenzbereich möglichst große Sperrdämpfung, kleine Eigenverluste und eine mit der Frequenz sich m#inimal ändernde Leerlauf- oder Kurzschlußebene, bei der relativ niedrigen Frequenz eine möglichst kleine Impedanzstörung z. B. beim Umsetzer möglichst kleine Parallelkapazität.The following # requirements apply to the respective coupling filter Set: In the desired frequency range, the greatest possible stop-band attenuation, small internal losses and a no-load or short-circuit level that changes minimally with the frequency, at the relatively low frequency the smallest possible impedance disturbance z. B. at Converter as small as possible parallel capacity.

# Die bisher bekannten Filter erfüllen diese Bedingungen insbesondere für hohe Dämpfungsanforderungen und einen verhältnismäßig breiten Durchlaßbereich bei kleiner Parallelkapazität für die Zwischenfrequenz nicht optimal. Geeigneter in diesem Zusammenhang erscheint eine Bandsperre, deren Resonatoren in der Art von koaxialen Radialresonatoren ausgebildet sind. In diesem Zusammenhang ist bereits ein Filter bekanntgeworden, bei dem die einzelnen Radialresonatoren, die aus einem Ab- schnitt einer Koaxialleitung bestehen, deren Außenleiter sich gegenüber einem koaxialen Anschlußleiter sprunghaft erweitert, während der Innenleiter durchgeführt ist. Die Längsabmessung des sprunghaft erweiterten Außenleiters ist dabei verhältnismäßig klein gegenüber der Wellenlänge der zu sperrenden Frequenz. In dem so entstehenden Hohlraum bildet sich bei der Sperrfrequenz -eine Hohlrohrresonanz aus, deren Feldbild, ähnlich dem der EOIO-Resonanz des, kreisrunden Hohlrohrresonators ist. Bei der Resonanzfrequenz dieses Resonators wird dann in eine den radial verlaufenden Begtenzungsflächen des Radialresonators parallele F-b#üe"ein..Leerlauf transformiert und damit der Energiefluß durch die Koaxialleitüng' `gesperrt. Außerhalb , der Resonanzfrequenz de-, Radialresonators wiid'der Energiefluß an sich nicht behindert, wenn man von zusätzlichen Blindwiderstäfiden absieht,' die'von den jeweiligen Abmessungen des Resonators abhängen. Beim bekannten Filter sind die einzelnen- Resonatoren einerseits durch eine Leitung der UInge 2/4 miteinander gekoppelt und andererseits auf die gleiche Rewnanzfiequenz abgestimmt, wodurch' sich ein verhältni§-mäßig hoher Raumverbraüch'und eine verhältnismäßig geringe Breite des zu'sperflenden Frequenzbereiches ergibt.# The filters known up to now do not optimally meet these conditions, especially for high damping requirements and a relatively wide pass band with a small parallel capacitance for the intermediate frequency. A bandstop filter whose resonators are designed in the manner of coaxial radial resonators appears more suitable in this context. In this context, a filter has already been disclosed, in which the individual radial resonators cut from a waste consist of a coaxial line whose outer conductor abruptly expanded over a coaxial connection conductor while the inner conductor is performed. The longitudinal dimension of the suddenly expanded outer conductor is relatively small compared to the wavelength of the frequency to be blocked. In the cavity that is created in this way, a hollow tube resonance develops at the blocking frequency, the field pattern of which is similar to that of the EOIO resonance of the circular hollow tube resonator. At the resonance frequency of this resonator is then transformed into a the radially extending Begtenzungsflächen of Radialresonators parallel Fb # üe "ein..Leerlauf and thus the energy flow` blocked by the Koaxialleitüng '. Outside, the resonant frequency where Radialresonators wiid'der energy flux per se not hindered, if one disregards additional reactance 'which' depends on the respective dimensions of the resonator. In the known filter, the individual resonators are coupled to one another by a line of the UInge 2/4 on the one hand and are matched to the same profitability frequency on the other hand, whereby ' This results in a relatively high space consumption and a relatively small width of the frequency range to be blocked.

Es ist Ferner bereits eine Bandsperre bekanntgeworden, bei der die Resonatoren durch eine sprunghafte Erweiterung des Außenl#iters einer Koaxialleitung gebildet sind. Die einzelnen Resonatoren sind bei dieser bekannten Bandsper.re unmittelbar hintereinander angeordnet. Abgesehen davon, daß sich bei dieser -bekannten Bandsperre keine in Richtung des Erfindungsgegenstandes gehend ' en ' Bemessungshinweise erkennen lassen, sind die einzelnen Resonatoren auf die,gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt. Wie sich jedoch zeigt, hat eine derartige Bandsperre wegen der zu starken Kopplung der einzelnen Resonatoren nicht mehr das Verhalten einer mehrkreisigen, sondern im wesentlichen das Verhalten einer einkreisigen Bandsperre.Furthermore, a bandstop filter has already become known in which the resonators are formed by a sudden expansion of the outer conductor of a coaxial line. In this known band filter, the individual resonators are arranged directly one behind the other. Apart from the fact that in this known bandstop filter no ' en ' dimensioning instructions going in the direction of the subject matter of the invention can be recognized, the individual resonators are tuned to the same resonance frequency. As is shown, however, because of the excessive coupling of the individual resonators, such a bandstop filter no longer has the behavior of a multi-circuit, but essentially the behavior of a single-circuit bandstop filter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend genannten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen. Insbesondere soll der Aufbau einer Bandsperre, gezeigt werden, die trotz eines geringen Rauinverbrauches auch im Bereich sehr hoher Frequenzen eine verhältnismäßig große relative Sperrbreite liefert. Ausgehend von einer Bandsperre für sehr kurze elektromagnetische Wellen, deren Resonatoren in der Art von koaxialen Radialresonatoren ausgebildet sind, die aus einem durchgehenden Innenleiter und einem sich gegenüber einem koaxialen Anschlußleiter sprunghaft erweiternden Außenleiter bestehen, dessen Abmessung in Längsrichtung klein ist gegenüber der Wellenlänge der zu sperrenden Frequenz, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale gelöst: a) Die Resonatoren sind derart bemessen, daß sich bei der zu sperrenden Frequenz eine Hohlrohrresonanz ausbildet, deren Feldbild ähnlich dem Feldbild der Eolo-Resonanz des kreisrunden Hohlrohrresonators ist; b) wenigstens zwei Resonatoren sind unmittelbar hintereinandergeschaltet; c) die Resonatoren sind auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt.The invention is based on the object of overcoming the above-mentioned difficulties in a relatively simple manner. In particular, the structure of a bandstop filter is to be shown which, despite a low level of noise consumption, also provides a relatively large relative blocking width in the range of very high frequencies. Starting from a bandstop filter for very short electromagnetic waves, the resonators of which are designed in the manner of coaxial radial resonators, which consist of a continuous inner conductor and an outer conductor which widens abruptly compared to a coaxial connecting conductor, the dimension of which in the longitudinal direction is small compared to the wavelength of the one to be blocked Frequency, this object is achieved according to the invention by the combination of the following known features: a) The resonators are dimensioned in such a way that a hollow tube resonance develops at the frequency to be blocked, the field pattern of which is similar to the field pattern of the Eolo resonance of the circular hollow tube resonator ; b) at least two resonators are connected directly one behind the other; c) the resonators are tuned to different resonance frequencies.

Die Abstimmung der Resonatoren läßt sich dadurch vereinfachen, daß am Umfang der einzelnen Resonatoren in den jeweiligen Resonator eintauchende Stifte, insbesondere Schrauben, vorgesehen sind, deren Eintauchtiefe veränderbar ist.The tuning of the resonators can be simplified in that pins dipping into the respective resonator on the circumference of the individual resonators, in particular screws are provided, the immersion depth of which can be changed.

Eine weitere Verkleinerung der geometrischen Abmessungen sowie eine Verbreiterung des Sperrbereiches läßt sich noch dadurch erzielen, daß die einzelnen Resonatoren mit einem dielektrischen Material gefüllt sind, dessen Dielektrizitätskonstante unterschiedlich ist von der der Luft.A further reduction in the geometric dimensions as well as a Widening of the restricted area can be achieved by the fact that the individual Resonators are filled with a dielectric material whose dielectric constant is different from that of the air.

Vorteilhaft lassen sich derartige Filter insbesondere in Frequenzumsetzern, parametrischen Verstärkern od. dgl. für Mikrowellen einsetzen, insbesondere dann, wenn der Radialresonator höherer Frequenz dem der Mischung bzw. Verstärkung dienenden nichtlinearen Element zugewandt ist.Such filters can be advantageously used in particular in frequency converters, use parametric amplifiers or the like for microwaves, in particular if the radial resonator of higher frequency is used for mixing or amplification facing nonlinear element.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments explained in more detail.

Die F i g. 1 zeigt-ein aus zwei Radialresonatoren 1 und 2 bestehendes Filter, die derart unmittelbar hintereinandergeschaltet sind, daß die einander benachbarten seitlichen Begrenzungswände aneinander anliegen. Die Radialresonatoren werden durch die sprunghafte Erweiterung des Außenleiters einer Koaxialleitung 4 gebildet, die aus dem Außenleiter 5 bzw. 5' und dem durchgehenden Innenleiter 6 besteht. Die Kopplung der einzelnen Resonatoren erfolgt über die Koppelöffnung7, durch die auch der durchgehende Innenleiter 6 geführt ist und deren Durchmesser im Ausführungsbeispiel dem Innendurchme-sser des Außenleiters 5, 5" entspricht. Am Umfang der einzelnen Resonatoren sind die Stifte8 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel als Schrauben ausgebildet sind und deren Eintauchtiefe in radialer Richtung veränderbar ist. Mit Hilfe dieser Stifte lassen sich dieResonatoren auf die gewünschte Resonanzfrequenz abstimmen. Weiterhin kann die Abstimmung der Resonatoren auch durch eine unterschiedliche Wahl des Durchmessers erfolgen. Zweckmäßig werden die einzelnen Resonatoren mit einem dielektrischen Material gefüllt, dessen Dielektrizitätskonstante unterschiedlich ist von der der Luft. An der Koaxialleitung 4 können in bekannter Weise entsprechende koaxiale Anschlußleitungen angeschlossen werden.The F i g. 1 shows a filter consisting of two radial resonators 1 and 2 which are connected directly one behind the other in such a way that the adjacent lateral boundary walls bear against one another. The radial resonators are formed by the sudden expansion of the outer conductor of a coaxial line 4, which consists of the outer conductor 5 or 5 ′ and the continuous inner conductor 6 . The coupling of the individual resonators takes place via the coupling opening 7, through which the continuous inner conductor 6 is also passed and whose diameter in the exemplary embodiment corresponds to the inner diameter of the outer conductor 5, 5 ″ Screws are formed and their immersion depth can be changed in the radial direction. With the help of these pins, the resonators can be tuned to the desired resonance frequency. Furthermore, the resonators can also be tuned by a different choice of diameter. The individual resonators are expediently filled with a dielectric material , the dielectric constant of which is different from that of air. Corresponding coaxial connection lines can be connected to the coaxial line 4 in a known manner.

Die elektrische Wirkungsweise des in der Fig. 1 gezeichneten Filters beruht darauf, daß sich bei der Resonanzfrequenz im Resonator eine Resonanz ausbildet, deren elektromagnetisches Feldbild ähnlich dem der E,)1,-Resonanz im zylindrischen Hohlraumresonator ist. Aus diesem Grund sind die Resonatoren, in Längsrichtung betrachtet, d. h. in Richtung des Innenleiters 6, gegenüber der Wellenlänge der zu sperrenden Frequenz verhältnismäßig kurz. Wie bereits erwähnt, lassen sich zur Frequenzabstimmung der Durchmesser der Resonatoren und/oder die Eintauchtiefe der radial verlaufenden Schrauben verändern. Werden die Resonatoren 1 und 2 auf unterschiedfiche Resonanzfrequenzen abgestimmt, dann ergibt sich eine Bandsperre, deren Sperrbereich verhältnismäßig breit ist. Die Dämpfungskurve eines im Bereich um 7,5 GHz realisierten Ausführungsbeispiels ist in der F i g. 2 gezeigt, in der die Durchgangsdämpfung a in Abhängigkeit von der Frequenz bei wellenwiderstandsrichtigem Abschluß der Ausgangseite des Filters aufgetragen ist. Die Kurven 10 und 11 zeigen den Dämpfungsverlauf der einzelnen, in der Frequenz gegeneinander versetzten Radialresonatoren. Die Kurve 12 zeigt den Dämpfungsverlauf der gesamten, aus zwei Resonanzkreisen mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz bestehenden Bandsperre. Wie der Kurve 12 zu entnehmen ist, ergibt sich innerhalb des gestrichelt angedeuteten Arbeitsfrequenzbereiches bei etwa 40 db Sperrdämpfung eine relative Sperrbreite von etwa 4 %. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, läßt sich die Sperrbreite in einfacher Weise dadurch vergrößern, daß in die einzelnen Resonatoren ein dielektrisches Material eingebracht wird, dessen relative Dielektrizitätskonstante unterschiedlich ist von der der Luft. Falls die gewünschte Sperrbreite noch erhöht werden soll, lassen sich weitere Resonatoren anschalten, deren Resonanzfrequenz gegenüber der Resonanzfrequenz der übrigen Resonatoren versetzt ist. Durch diese Maßnahme steigt gleichzeitig die Sperrdämpfung der Gesamtanordnungerheblich an.The electrical mode of operation of the filter shown in FIG. 1 is based on the fact that a resonance develops at the resonance frequency in the resonator, the electromagnetic field pattern of which is similar to that of the E,) 1, resonance in the cylindrical cavity resonator. For this reason, the resonators, viewed in the longitudinal direction, i. H. in the direction of the inner conductor 6, relatively short compared to the wavelength of the frequency to be blocked. As already mentioned, the diameter of the resonators and / or the immersion depth of the radially extending screws can be changed for frequency tuning. If the resonators 1 and 2 are tuned to different resonance frequencies, a bandstop filter results whose stop range is relatively wide. The attenuation curve of an exemplary embodiment implemented in the range around 7.5 GHz is shown in FIG. 2, in which the transmission loss a is plotted as a function of the frequency when the output side of the filter is terminated with the correct characteristic impedance. Curves 10 and 11 show the attenuation curve of the individual radial resonators with a frequency offset from one another. Curve 12 shows the attenuation curve of the entire bandstop filter, which consists of two resonance circles with different resonance frequencies. As can be seen from curve 12, a relative blocking width of about 4% results within the working frequency range indicated by dashed lines at about 40 db blocking attenuation. As investigations on which the invention is based have shown, the blocking width can be increased in a simple manner by introducing a dielectric material into the individual resonators, the relative dielectric constant of which is different from that of air. If the desired blocking width is to be increased, further resonators can be switched on, the resonance frequency of which is offset from the resonance frequency of the other resonators. As a result of this measure, the blocking attenuation of the overall arrangement increases significantly at the same time.

Bandsperren gemäß der Fig. 1 lassen sich auch vorteilhaft in Frequenzumsetzern, parametrischen Verstärkern und Frequenzvervielfachern der Mikrowellentechnik einsetzen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist schematisch in der F i g. 3 gezeichnet. An einen Hohlleiter 14 ist beispielsweise über eine Koppelöffnung 13 die aus den Radialresonatoren 1 und 2 bestehende Bandsperre gemäß der Fig. 1 angeschlossen. Über die koaxiale ZuführungsIeitung 4 wird die Zwischenfrequenz f, zugeführt, in den Hohlleiter 14 werden die Signalfrequenz f, und die überlägererfrequenz fij eingespeist bzw. entnommen. Die Mischung erfolgt in bekannter Weise an der ein nichtlineares Schaltelement darstellenden Diode 15, die einerseits direkt mit dem Innenleiter der koaxialen Zuführungsleitung 4 und andererseits mit dem metallischen Außenleiter des Hohlleiters 14 verbunden ist. Um die Signalfrequenz f, bzw. die überIagererfrequenz fe, möglichst wenig zu beeinflussen, ist es für die praktische Verwendbarkeit wesentlich, daß die durch die Bandsperre 1, 2 bewirkte Leerlaufebene möglichst frequenzunabhängig ist. Diese Leerlaufebene ist durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet. Wie sich zeigt, wandert die Leerlaufebene 16 dann nur geringfügig, wenn der Radialresonator höherer Resonanzfrequenz, der der Mischung bzw. Verstärkung dienenden Diode zugewandt ist. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 ist dies der Resonator 2. Durch die außerordentlich gedrängte Aufbauweise der Bandsperre1,2 wird gleichzeitig erzielt, daß die für die Zwischenfrequenz wirksame, an sich störende Querkapazität außerordentlich gering bleibt. So hat beispielsweise eine zweikreisige Bandsperre für einen Aufwärtsumsetzer mit der Radiofrequenz im 7,5-GHz-Band und der Zwischenfrequenzf, bei 701#Mz nur 0,0 pF für die Zwischenfrequenz f, Durch Anordnungen gemäß der F i g. 3 kann beispielsweise bei parametrischen Verstärkern der Idlerkreis vom Pumpkreis getrennt werden, oder es können bei Frequenzumsetzern zusätzlich die Wellen höherer Mischordnung gesperrt werden, wobei der gewünschte Blindwiderstand an der Diode den jeweil!igen Abstand der Bandsperren von der Diode bestimmt.Bandstop filters according to FIG. 1 can also be used advantageously in frequency converters, parametric amplifiers and frequency multipliers in microwave technology. A corresponding embodiment is shown schematically in FIG. 3 drawn. The bandstop filter according to FIG. 1 , which consists of the radial resonators 1 and 2, is connected to a waveguide 14, for example via a coupling opening 13. The intermediate frequency f 1 is fed in via the coaxial feed line 4, the signal frequency f 1 and the superimposed frequency f ij are fed into or removed from the waveguide 14. Mixing takes place in a known manner at the diode 15, which represents a non-linear switching element and which is connected directly to the inner conductor of the coaxial feed line 4 on the one hand and to the metallic outer conductor of the waveguide 14 on the other hand. In order to influence the signal frequency f or the overriding frequency fe as little as possible, it is essential for practical use that the idle level caused by the bandstop filter 1, 2 is as independent of frequency as possible. This idle level is indicated by the dashed line 16 . As can be seen, the idle plane 16 moves only slightly when the radial resonator of higher resonance frequency facing the diode used for mixing or amplification. In the embodiment of FIG. 3 this is the resonator 2. Due to the extremely compact design of the bandstop filter 1,2 it is achieved at the same time that the interfering transverse capacitance effective for the intermediate frequency remains extremely low. For example, a two-circuit bandstop filter for an up-converter with the radio frequency in the 7.5 GHz band and the intermediate frequency f, at 701 # Mz only has 0.0 pF for the intermediate frequency f. 3 , the idler circuit can be separated from the pump circuit in parametric amplifiers, for example, or the higher mixed order waves can also be blocked in frequency converters, whereby the desired reactance at the diode determines the respective distance between the bandstop filters and the diode.

Claims

Claims: 1. Bandstop filter for very short electromagnetic waves, the resonators of which are designed in the manner of coaxial radial resonators, which consist of a continuous inner conductor and an outer conductor which widens abruptly compared to a coaxial connecting conductor, the dimension of which in the longitudinal direction is small compared to the wavelength of the Frequency to be blocked, characterized by the combination of the following known features: a) The resonators (1, 2) are dimensioned such that a hollow tube resonance develops at the frequency to be blocked, the field pattern of which is similar to the field pattern of the E.1 resonance of the circular hollow tube resonator; b) at least two resonators (1, 2) are connected directly one behind the other; c) the resonators (1, 2) are tuned to different resonance frequencies.

2. Band stop filter according to claim 1, characterized in that on the circumference of the individual resonators in the respective resonator (1, 2) immersing pins (8), in particular screws, are provided, the immersion depth of which can be changed. 3. Band stop filter according to one of the preceding claims, characterized in that the individual resonators (1, 2) are filled with a dielectric material whose dielectric constant is different from that of the air. 4. Bandstop filter according to one of the preceding claims, characterized by its use in frequency converters, parametric amplifiers, frequency multipliers and the like in such a way that the radial resonator of higher resonance frequency (2) faces the nonlinear element (15) serving for mixing or amplification . References considered: U.S. Patents Nos. 2,030,178, 2,406,402; "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Vol. MTT-11, No. 1, pp. 50-55 (January 1963).