DE1541937A1 - Hohlleiterfilter - Google Patents

Description

Patentanwalt
7 Stuttgart 1
Rote bühls traße 70

ISE-Re g.
G.P.Craven

INTERNATIONAL STANDARD ELEKCTRIC CORPORATION, NEW YORK

Hohlleiterfilter

Die Priorität der Anmeldung Nr.25 966/66 vom 10.Juni I966 in Großbritannien wird in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein H-Wellen-Hohlleiter-Bandpaßfilter. Hohlleiter-Bandpaßfilter wurden bisher als Wellenleiter dargestellt, in denen eine fortschreitende Welle -in der Regel vom Grundtyp- auftritt.

Diese Filter sind mit Stellschrauben zur Prequenzabstimmung und mit Trennwänden ausgerüstet, die mit einem Koppelschlitz versehen sind. Dieser Aufbau erfordert Pertigungsverfahren, die kostspielig sind und sehr sorgfältig ausgeführt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Hohlleiter-Bandpaßfilter zu schaffen, die in ihrem Aufbau wesentlich einfacher sind als die bisher bekannter Art.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein unter seiner Grenzfrequenz betriebener Hohlleiter vorgesehen ist, indem nur gedämpfte Η-Wellen auftreten können, und daß der Hohlleiter mit einer kapazitiven Reaktanz abgeschlossen ist, die bei der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches dem positiv imaginären Wellenwiderstand des vorgesehenen Hohlleiters entspricht.

Derartige Filter sind einfach in der Herstellung und bieten Verwendungsmöglichkeiten, die herkömmliche Hohlleiterfilter nicht gestatten.

I.Juni 1967 ^{BAD 0RiQ1NAL}

ple-krä. - 2 -

009819/0653

Ausführungsbeispiele von Hohlleiterfiltern gemäß der Erfindung werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 12 beschrieben.

Pig.l zeigt einen Wellenleiter, in dem ein dreistufiges Bandpaßfilter gemäß der Erfindung eingefügt ist.

Fig.2 zeigt das Ersatzschaltbild des Filters nach Fig.l.

Fig.5 veranschaulicht ein Halbglied nach Fig.2.

Fig.4 zeigt den Impedanzverlauf eines herkömmlichen Bandpaßfilters mit konzentrierten Bauelementen.

Fig.5 zeigt den Impedanzverlauf des Bandpaßfilters gemäß der Erfindung.

Fig. 6 und 7 veranschaulichen andere Ausführungsbeispiele eines Bandfilters nach Fig.l.

Fig.8 veranschaulicht in etwa das Ersatzschaltbild des Bandfilters nach Fig.7.

Die Fig.9 und 10 zeigen Filterglieder nach Flg.7, die als Serien- und Shunt-Stichleitungen an einen Wellenleiter nach dem Grundtyp angefügt sind.

Fig.11 stellt das Ersatzschaltbild eines eingliedrigen Bandpaßfilters nach Fig.12 dar.

In der Anordnung nach Fig.l werden Η-Wellen nach dem Grundtyp, die von einer geeigneten, nicht dargestellten Mikrowellenquelle, wie z.B. einen Generator oder eine Empfangsantenne, durch einen Wellenleiter 1 zugeführt und von einem Wellenleiter 2 weitergeleitet. Zwischen diesen beiden Wellenleitern befindet sich ein dreigliedriges Bandpaßfilter 3, welches vollkommen als Hohlleiter nach dem Dämpfungstyp aufgebaut ist, d.h. alle FeIdtypen, die in diesem Filter auftreten, werden bei der Betriebsfrequenz des Systems gedämpft.

Ein Hohlleiter nach dem Dämpfungstyp hat, (wenn dieser unendlich lang ist), an seinem Eingang einen positiv imwaginären Wellenwiderstand und erscheint somit als reine Induktivität. Nachfolgend sei ein Glied des Filters nach Fig.l mit der endlichen Länge Z, das mit einer Kapazität Cl abgeschlossen ist, betrachtet. Solch ein Glied läßt sich als herkömmliches T-Glied gemäß Fig.2 darstellen. Da das Netzwerk symmetrisch ist, kann es in Halbglieder

009819/0653 ^bad origi_Nal

ISE-Re iso'

aufgeteilt v/erden (Flg.j)) und seine Eigenschaften lassen sieh aus den Leerlauf- und Kurzschlufwerten bestimmen. Die A-Matrizen für eoleh ein Netzwerk sind

I-

cosh

JZ₀ sinh £~

sinh

cosh

Ε

co sh

O

Die kombinierte Matrix ist dann

sinh

sinh

-rrr~ sinh
J^_n

cosh ^- cosh ^

Der V/ellenwiderstand ist dann durch

^Zi ⁼ /^Zoc ^Zsc gegeben.

wobei Z = cosh

- Z₀Bl^Slnh

sinh

^tanh

+ JB₁ cosh

se "~o " 2

Das Übertragungsmaß cosh —£ ist gegeben durch

, 2 ■ ei "

cosh fr = cosh

(cosh

-^Zo^Bl^Sinh "2

₂ - Z₀B₁ sinh

oder cosh 0=2 (cosh

Die Bandgrenzen treten auf wenn

cosh 0 - +_ 1
Dies j st nach (4a) der Fall, wenn

.cosh*

Wenn eo:m^r'

f. ο .

Dann int Z₀B_{1 f;oth} ££

009819/0653

- Z B₁ sinh

O J

sinh

—r- cos

cosh

Da)

cosh £—-) - l(4a)

^₁ «mi -g— cosh ~£~ - 0 oder 1 ist (6)

Wenn andererseits

cosh² Kf- - Z₀B₁ sinn £~ cosh ^f- = 1

dann ist ZB, = tanh ^{-^~ (8)

In den Ausdrücken (7) und (8) ist der Blindleitwert durch die übliche Beziehung

B₁ = 27rf C₁ gegeben.

Mit Hilfe dieser Ausdrücke lassen sich die Frequenzen für die Bandgrenzen anhand der Kenngrößen des Hohlleiters (/I) und der Abschlußkapazität (C-, ) ermitteln. Die beiden Frequenzen, bei denen die Beziehungen (7) und (8) erfüllt sind, sind dann

f. = tanh

Z₀ 2-n

f₂ = coth

2ΤΓ

Die Mittenfrequenz f liegt in der geometrischen Mitte

^fo =

Deshalb ist

f_o - (9)

2τγ Ζ C-,

ferner beträgt

^fo ^x

Q =

coth 3ψ- - tanh

Das Netzwerk nach Fig.2 ist somit ein Bandpaßfilter, dessen Wellenwiderstand durch die Beziehung (3) gegeben ist.

- 5 -009819/0853 ^RAD

ISE-Reg.3654 - 5 -

In der Regel ist es wünschenswert, ein Filter bei seiner Mittenfrequenz f anzupassen. Wenn der V/ert von B bei der Mittenfrequenz (2?rf C₁ = 7}—) in (3) eingesetzt wird, ergibt sich der WeI-

^{0 x z}o
lenwiderstand Z. bei der Frequenz f zu

= Zj/tanh «^= (10)

^Zxo

Eine unverkennbare Eigenschaft eines Filters besteht darin, daß die Bandbreite eine Funktion von Y ist und (für den idalen, verlustlosen Fall) wenn Ϋ Jt -^¹OO wird, dann "ist

tanh

Yi ~> coth Yl

und die Bandbreite (f, - fp) vermindert sich bis zum Wert Mull. Bezüglich des Verhaltens des Wellenwiderstandes als Funktion der Frequenz ist festzustellen, daß bei sehr niedrigen Frequenzen Y& sehr groß ist und B, dem Wert Null zustrebt.

Somit ist Z. durch

Zi **£ jZ_Q gegeben.

An der unteren Bandgrenze, f,, wird der Nenner in der Formel (3) Null, sodaß Z. unendlich wird. An der oberen Bandgrenze, fp, wird der Zähler Null und deshalb ist auch Z. Null. Dieses Verhalten stellt Fig.5 im Vergleich zur Charakteristik eines herkömmlichen Bandfilters mit konzentrierten Kreisen (Fig.4) dar.

Die Anordnung der Fig.l dürfte wohl die einfachste Art, ein Hohlleiterfilter darzustellen, sein, da dieses nur aus einer Anzahl von Schrauben 4 (eine pro Glied) zur Kapazitätsregelung und einem Hohlleiter mit den erforderlichen Abmessungen besteht. Da /'mit der Wellenlänge zunimmt, ist die Abschwächung unterhalb der Resonanz höher als bei anderen Filtern und die Verluste pro Glied sina nicht erheblich. Wie bei allen Mikrowellenfiltern können auch bei diesem Filter unerwünschte Neberiresonanzen auftreten, aber der bekannte Mehrfach-Cavity-Resonanzeffekt tritt offensichtlich nicht auf. Im einiachsten Pail, wenn gleiche Fortleitung verwendet wird, muß für diese spezielle Weiterleitung oberhalb der Grenzfrequenz die freie übertragung in Betracht gezogen werden.

009819/0663 'bad original*

ISE-Reg.3654 - 6 -

Um diesen Effekt zu beherrschen wird die Bauweise nach Pig.6 angewendet, in der die Schrauben zur Kapazitätsregelung durch Stege ersetzt sind. Diese Bauweise ist dieselbe, wie die der herkömmlichen, welligen Tiefpaßfilter. Es ist dann möglich, diesen Durchlaßbereich vollkommen zu unterdrücken, oder, faxls erforderlich, diesen als zweiten einstellbaren Durchlaßbereich zu verwenden.

Netzwerke der oben beschriebenen Art weisen als Reaktanz-Netzwerke nützliche Eigenschaften auf, wenn sie als reine Halbglieder verwendet werden. Dies wird durch das Netzwerk nach Fig.3 dargestellt, dessen Ausgangsklemmen offen sind. Die Eingangsimpedanz ist durch die Beziehung (3a) gegeben, welche leicht umgewandelt

Z = -jz_o(cosh Xf- - Z₀B₁ sinh

(Z₀B₁ cosh ί£- - sinh 7LL·) ist.

Dieses Netzwerk hat die Null und Unendlichkeitsstellen von Z., wie oben beschrieben und ist annähernd dasselbe wie das versteilerte Glied nach Fig.7. Das ungefähre Ersatzschaltbild zeigt Fig.8.

In dieser Art von Filtern ist der Hohlleiter nach dem Dämpfungstyp' 10 durch ein kurzgeschlossenes Glied, dargestellt durch einen Wellenleiter 11 mit der Länge ^abgeschlossen, sodaß tan ^Jp nega tiv ist und somit die erforderliche Abschlußkapazität für das Hohlleiterstück nach dem Dämpfungstyp darstellt. Diese Art des Abschlusses vermeidet den Energieverlust am Ende des Hohlleiters, wenn diese Konstruktionsweise z.B. als Stichleitung verwendet wird.

Pur das Reaktanzglied nach Pig.7 sind mehrere Anwendungsmöglichkeiten gegeben. Wenn dieses an einen herkömmlichen Wellenleiter (Fig.9) nach dem Grundtyp angekoppelt ist, kann es in der üblichen Weise als Shunt- oder Serien-Stichleitung dienen. (13 oder 14 in den Fig.9 und 10). Wenn es als Shunt-Stichleitung dient, erscheint der Durchlaßbereich bei tieferen Frequenzen als der Sperrbereich. Bei einer Serien-Stichleitung liegen diese beiden

009819/0653

ISE-Reg.3654 - 7 -

Bereiche umgekehrt. Es kann z.B. auch als Serienelement in einem versteuerten Abschlußglied für ein Hohlleiterfilter nach dem Dämpfungstyp verwendet werden. Außerdem kann es in dieser Art von Filtern als Zwischenglied dienen, welches bei einer bestimmten Frequenz eine hohe Abschwächung bewirkt.

Ein genaueres Ersatzschaltbild eines -eingliedrigen Filters, ähnlich dem nach Flg.l, wird durch Fig.11 dargestellt. Das Filter I5 ist in Fig.12 schematisch als ein Hohlleiterstück 16 nach dem Dämpfungstyp gezeigt, welches sich zwischen zwei Wellenleitern l8 und 19 befindet und mit einer Schraube 17 zur Kapazitätsregelung versehen ist.

Die Einfügung der induktiven Blindleitwerte, die durch die Übergangsstellen an den Wellenleitern l8 und I9 entstehen, bewirkt, daß die beiden Resonanzen vieinäher aneinander rücken als durch die Beziehung (^a) vorgegeben ist. Die Blindleitwerte an den Übergangsstellen können, wenn sie genügend groß sind, die Resonanz vollkommen aufheben.

Versuche bei 4000 MHz mit X-Band-Wellenleitern unterschiedlicher Abmessungen schlugen bei der Darstellung des Filtereffektes fehl, bis die Blindleitwerte an den Übergangssteilen durch die Schrauben zur Kapazitätsabstimmung herausgestimmt wurden.

Bei Konstruktionen von Filtern mit je einer Schraube zur Kapazitätsregelung an jedem Ende des Wellenleiters nach dem Dämpfungstyp, die ein 7r-Glied darstellen, dienen die Schrauben zur Kapazität sre ge lung gleichzeitig als Abschlußkapazitäten und zum Ausgleich der Blindleitwerte an den Verbindungsstellen.

9 Patentansprüche

3 Bl. Zeichng. (12 Fig.)

BAD 009819/0653

Claims (9)

ISE-RegO654 Patentansprüche 1541937

1. H-Wellen-Hohlleiter-Bandpaßfilter, dadurch gekennzeichnet, daß ein unter seiner Grenzfrequenz betriebener Hohlleiter vorgesehen ist, injdem nur gedämpfte H-Wellen auftreten können, und daß der Hohlleiter mit einer kapazitiven Reaktanz abgeschlossen ist, die bei der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches dem positiv imaginären Wellenwiderstand des vorgesehenen Hohlleiters entspricht.

2. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Reaktanz durch eine Schraube gebildet vrird, die in das Hohlleiterstück eingesetzt ist.

3· Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Reaktanz durch einen Steg gebildet wird.

4. Bandpaßfilter nach den Ansprüchen 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Reaktanz in der Mitte des Hohlleiterstückes angebracht ist.

5. Bandpaßfilter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Reaktanz am Ende des Hohlleiterstückes angebracht ist.

6. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Reaktanz aus einem kurzgeschlossenen H-Wellenleiterstück besteht.

7. Hohlleiter-Übertragungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Bandpaßfilter oder Filterglieder nach den Ansprüchen 2,3*4 oder 5 in einem Wellenleiter eingefügt sind.

8. Hohlleiter-Übertragungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Wellenleiter mehrere Bandpaßfilterglieder nach den Ansprüchen 2,3*4 oder 5 eingefügt sind und datj ein Band-

- 9 009819/0653

paßfilterglied nach Anspruch 6 einem der Glieder nach den
Ansprüchen 2,^,k oder 5 entweder als Serienelement eines versteuerten Gliedes, oder als Teil eines Zwischengliedes angefügt ist.

9. Hohlleiter-Übertragungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Filter nach Anspruch 6 als Shunt- oder Serien-Stichleitung an den Wellenleiter angeschlossen ist.

l.Juni 1967
ple-krä.

BAD

009819/0853