DE1541937B2 - Filterresonanzkreis, insbesondere Bandpaß für H-Wellen - Google Patents
Filterresonanzkreis, insbesondere Bandpaß für H-WellenInfo
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Description
Stand der Technik
Filterresonanzkreise, insbesondere Bandpässe sind in großer Anzahl bekannt. Die französische Patentschrift
1 151 803 zeigt beispielsweise einen Bandpaß, der in einen Hohlleiter eingebaut ist. Dieser Hohlleiter
hat im Bereich des Bandpasses den gleichen Querschnitt wie vor und hinter dem Bandpaß, d. h.
zuführender Hohlleiter, Bandpaßhohlleiter Und weiterführender Hohlleiter haben alle den gleichen Querschnitt.
Dieser Querschnitt ist so groß gewählt, daß die Grenzfrequenz des Hohlleiters kleiner ist als die
zu übertragende Frequenz. Der Bandpaß selbst ist ein zweikreisiger Bandpaß, bei dem die Kopplung
zwischen den Kreisen durch einen abklingenden Schwingungstyp erfolgt. Die beiden Kreise werden
gebildet durch zwei Resonanzblenden bzw. Dipole, die sich im Hohlleiter befinden.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Filterresonanzkreis für //-Wellen anzugeben, bei dem die Abmessungen
des Hohlleiterstücks — und zwar insbesondere der Querschnitt — kleiner als bei den bekannten
Filterresonanzkreisen sind.
Lösung
ίο Die Erfindung wird mit den in den Ansprüchen
angegebenen Mitteln gelöst. Es wird dabei ein Hohlleiterstück verwendet, das wegen seiner kleinen Abmessungen
an sich nicht zur übertragung der vorgesehenen Frequenzen geeignet ist.
Vorteile
Der neue Filterresonanzkreis ist auf Grund seiner kleinen Abmessungen und des einfachen inneren
Aufbaus wesentlich billiger herzustellen als die bekannten Filterresonanzkreise.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird jetzt an Hand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Hohlleiter, in dem ein dreistufiger Bandpaß gemäß der Erfindung eingefügt ist,
F i g. 1 einen Hohlleiter, in dem ein dreistufiger Bandpaß gemäß der Erfindung eingefügt ist,
F i g. 2 das Ersatzschaltbild einer Stufe des Bandpasses nach Fig. 1,
F i g. 3 ein Halbglied des Ersatzschaltbildes nach F i g. 2,
F i g. 4 den Impedanzverlauf eines bekannten Bandpasses mit konzentrierten Bauelementen,
F i g. 5 den Impedanzverlauf des Bandpasses gemäß der Erfindung,
F i g. 6 und 7 andere Ausführungsbeispiele eines Bandpasses nach Fig. 1,
F i g. 8 das angenäherte Ersatzschaltbild des Bandpasses nach Fig. 7,
F i g. 9 und 10 Filterglieder nach Fig. 7, die als Serien- und Parallel-Blindleitungen an einen Hohlleiter
für //-Wellen angefügt sind,
Fig. 11 einen einstufigen Bandpaß nach der
Erfindung,
Fig. 12 das Ersatzschaltbild eines einstufigen Bandpasses nach Fig. 11.
F i g. 1 zeigt einen dreistufigen Bandpaß 3, der zwischen einen zuführenden Hohlleiter 1 und einen
weiterführenden Hohlleiter 2 eingefügt ist. Der Querschnitt der Hohlleiter 1 und 2 ist so gewählt, daß sich
die zu übertragende Frequenz in ihnen als magnetische Grundwelle (//-Welle) fortpflanzen kann. Die
Grenzfrequenz der Hohlleiter 1 und 2 für die magnetische Grundwelle ist also kleiner als die zu übertragende
Frequenz. Das Hohlleiterstück zwischen den Hohlleitern 1 und 2 hat eine Grenzfrequenz für
die magnetische Grundwelle, die größer ist als die zu übertragende Frequenz, d. h., die Wellen werden in
diesem Hohlleiterstück gedämpft. Ein Hohlleiter der unterhalb seiner Grenzfrequenz für die magnetische
Grundwelle betrieben wird, ist im folgenden mit Grenzfrequenzhohlleiter bezeichnet.
Ein Grenzfrequenzhohlleiter hat einen positiv imaginären Wellenwiderstand, d. h., er ist eine reine
Induktivität. In F i g. 1 sind Schrauben 4 in das Bandpaßhohlleiterstück eingesetzt. Diese Schrauben
wirken in dem Hohlleiter nahezu als.reine Kapazität. Im folgenden wird eine Stufe der Länge / des Bandpasses
nach F i g. 1 betrachtet. Eine derartige Stufe
3 4
läßt sich als T-Glied — wie Fig. 2 zeigt — dar- Da das Glied symmetrisch ist, kann es in Halbstellen.
Dabei ist Z0 der Wellenwiderstand und B1 glieder aufgeteilt werden (F i g. 3), und deren Eigender
Blindleitwert der Kapazität C1 schäften lassen sich nach der Vierpoltheorie aus den
Leerlauf- und Kurzschlußwerten bestimmen. Die
5 Vierpolgleichungen in Matrixschreibweise für ein
B1 =2:π f C1 (f — Frequenz). solches Halbglied lauten (y = Ausbreitungskonstante):
\ ι
cosh
1 · u rl
.-=- sinh -hr-Uzo
2
JZ0 sinh |
yl]
2 |
ι 1 |
0 | / \ E2 |
cosh |
yl
2) |
JB1
\ |
1 / |
h
\ I |
Nach Ausführung der Multiplikation der ersten beiden Matrizen auf der rechten Seite der Gleichung (1)
ergibt sich
h
\ ι
cosh ^- Z0B1 sinh
7Z0 sinh
yl
JB1 cosh
cosh
\ | E2 |
h | |
/ | |
Der Wellenwiderstand ist dann durch
Z1- - \J ZQcZsc
gegeben, wobei
yl
ZOc =
cosh -~- — Z0B1 si
sinh -^=—I- JB1 cosh
JZ0 2
Zx - JZ0 tanh
2 '
Φ . Dies ist nach (4 a) der Fall, wenn
35
(3)
yl
yl
cosh2 -4r - Z0B1 sinh -^- cosh -4f- = 0 oder 1 (6)
ist.
(3 a)
(3 b)
45 Wenn
cosh2 — Z0B1 sinh-ζρ cosh -^- = 0,
dann ist
Das übertragungsmaß cosh -~- ist gegeben durch
cosh2 y = cosh ^-(cosh ^- - Z0B1 sinh -Ä
Z0B1 = coth -^-.
(4)
55 Wenn andererseits
hieraus
cosh Φ = 2fcosh2^--Z0B1 sinh-^-cosh^-)- 1
(4a)
cosh2 -^ Z0B1 sinh -^- cosh -y- = 1 ,
dann ist
Z0B1 = tanh
J±
'
'
Die Bandgrenzen ergeben sich für cosh Φ = ± 1.
Mit Hilfe dieser Gleichungen lassen sich die Frequenzen für die Bandgrenzen an Hand der Kenngrößen
des Hohlleiters (y /) und der Abschlußkapa-(5) zität (C1) ermitteln. Die beiden Frequenzen, bei denen
die Gleichungen (7) und (8) erfüllt sind, lauten dann tanh 4-
k =
Z0InC1
coth
Z0 2 π C,
Die Mittenfrequenz /0 liegt in der geometrischen
Mitte
Deshalb ist
2 π Z0 C1
ferner beträgt die Güte
/o
/o
e =
/2 - /1 coth lL _ tanh -^
zahl von Schrauben 4 (eine pro Stufe) zur Kapazitätseinstellung. Da γ mit der Wellenlänge zunimmt, ist
die Dämpfung unterhalb der Resonanz höher als bei bekannten Bandpässen, und die Verluste pro Stufe
sind klein.
Wie bei allen Mikrowellenbandpässen können auch bei diesem Bandpaß unerwünschte Nebenresonanzen
auftreten; der bekannte Resonanzeffekt bei Vielfachen der Grundschwingung ist jedoch nicht vorhanden.
Im einfachsten Fall, wenn für den Bandpaß ein Grenzfrequenzhohlleiterstück
von konstantem Querschnitt verwendet wird, wird für Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz der Bandpaß durchlässig. Um diesen
Effekt zu vermeiden, wird die Bauweise nach F i g. 6 angewendet, in der die Schrauben zur Kapazitätseinstellung durch Stege 5 ersetzt sind. Diese Bauweise
ist dieselbe, wie die der herkömmlichen Tiefpässe, die aus Hohlleiterstücken mit alternierend hohen
und niedrigen Wellenwiderständen aufgebaut sind.
Es ist dann möglich, diesen Durchlaßbereich vollkommen zu unterdrücken oder — falls erforderlich —
ihn als zweiten einstellbaren Durchlaßbereich zu verwenden.
Netzwerke der oben beschriebenen Art weisen als Blindwiderstand nützliche Eigenschaften auf, wenn sie als reine Halbglieder verwendet werden. Dies wird durch das Netzwerk nach Fig. 3 dargestellt. Die Eingangsimpedanz ergibt sich durch einfache Umformung aus Gleichung (3 a)
Netzwerke der oben beschriebenen Art weisen als Blindwiderstand nützliche Eigenschaften auf, wenn sie als reine Halbglieder verwendet werden. Dies wird durch das Netzwerk nach Fig. 3 dargestellt. Die Eingangsimpedanz ergibt sich durch einfache Umformung aus Gleichung (3 a)
yi
Das Netzwerk nach F i g. 2 ist somit ein Bandpaß, dessen Wellenwiderstand durch die Gleichung (3)
gegeben ist.
In der Regel ist es wünschenswert, einen Bandpaß bei seiner Mittenfrequenz /0 anzupassen. Wenn der
Wert von B bei der Mittenfrequenz [2 .7 f0 C1 = -I^
in (3) eingesetzt wird, ergibt sich- der Wellenwiderstand
Ζ,ο bei der Frequenz /0 zu
JZ0 f cosh -^ Z0B1
(Z0B1
COSh
Z(0 = Z0 I/tanh -^- .
(10)
Eine Eigenschaft eines Bandpasses besteht darin, daß die Bandbreite eine Funktion von γ ist. Für den
idealen, verlustlosen Fall geht γΐ—* co, und man
kann tanh γ I durch coth γ I ersetzen. Dann geht die
Bandbreite (Z1 — /2) gegen Null. Im folgenden wird
der Wellenwiderstand Z1- als Funktion der Frequenz
betrachtet. Bei sehr niedrigen Frequenzen ist γ I sehr groß, und B1 strebt dem Wert Null zu. Es gilt daher
Z,- ~ JZ0.
Bei der unteren Grenzfrequenz J1 wird der Nenner
in der Gleichung (3) Null, so daß Z, unendlich wird. Bei der oberen Grenzfrequenz /2 wird der
Zähler Null, und deshalb ist auch Z1 Null. Dieses
Verhalten stellt F i g. 5 im Vergleich zur Durchlaßkurve eines herkömmlichen Bandpasses mit konzentrierten
Kreisen (F i g. 4) dar.
Die Anordnung nach F i g. 1 dürfte wohl die einfachste Art sein, einen Hohlleiterbandpaß zu realisieren.
Die Anordnung besteht aus einem Hohlleiter mit den erforderlichen Abmessungen und einer An-Dieses
Netzwerk hat die Null- und Unendlichkeitsstellen von Z,- — wie oben beschrieben — und ist
annähernd dem m-Filter nach Fig. 7 äquivalent. Das ungefähre Ersatzschaltbild zeigt Fig. 8.
In dieser Art von Bandpässen ist der Grenzfrequenzhohlleiter 10 durch einen kurzgeschlossenen
Hohlleiter 11 mit der Länge / abgeschlossen, so daß tan —?— negativ ist und somit die erforderliche Ab-
AS
Schlußkapazität für das Grenzfrequenzhohlleiterstück darstellt. Bei dieser Art des Abschlusses werden
Energieverluste am Ende des Hohlleiters 11 vermieden, wenn die Anordnung z. B. als Blindleitung verwendet
wird.
Für das Blindwiderstandsglied nach F i g. 7 werden nun mehrere Anwendungsmöglichkeiten angegeben.
Wenn dieses an einen Hohlleiter 12 (F ig. 19) für die H-Grundwelle angekoppelt ist, kann es als
Parallel- oder Serien-Blindleitung dienen. (13 bzw. 14 in den F i g. 9 bzw. 10.) Wenn es als Parallel-Blindleitung
dient, erscheint der Durchlaßbereich bei tieferen Frequenzen als der Sperrbereich. Bei einer
Serien-Blindleitung sind diese beiden Bereiche vertauscht. Es kann auch als Serienelement in den
äußeren Halbgliedern eines m-Filters für einen Grenzfrequenzhohlleiterbandpaß
verwendet werden. Außerdem kann es in Bandpässen als Zwischenglied dienen, welches bei einer bestimmten Frequenz eine hohe
Dämpfung bewirkt.
In Fig. 11 ist ein einstufiger Bandpaß dargestellt.
Der Bandpaß 15 ist ein Grenzfrequenzhohlleiterstück 16, das sich zwischen zwei Hohlleitern 18
und 19 befindet und mit einer Schraube 17 zur Kapazitätseinstellung versehen ist. Fig. 12 zeigt das
Ersatzschaltbild des Bandpasses nach Fig. 11.
Die induktiven Parallelblindwerte, die durch die Übergangsstellen an den Hohlleitern 18 und 19 entstehen,
bewirken, daß die beiden Resonanzen viel näher aneinander rücken als nach Beziehung (3 a) zu
erwarten ist. Die Blindleitwerte an den Übergangsstellen können, wenn sie genügend groß sind, die
Resonanzen vollkommen aufheben.
Bei Versuchen bei 4 GHz mit X-Band-Hohlleitern
unterschiedlicher Abmessungen ergab sich das gewünschte Bandpaßverhalten erst nachdem die induktiven
Blindleitwerte, die von den Übergangsstellen herrühren durch die Einstellung der kapazitiven
Schrauben kompensiert waren.
Versieht man ein Grenzfrequenzhohlleiterstück mit je einer Schraube zur Kapazitätseinstellung an jedem
Ende, so ergibt sich ein .-τ-Glied, und die Schrauben
dienen als Abschlußblindleitwert für das Hohlleiterstück und zum Ausgleich der induktiven Blindleitwerte,
die von den Übergangsstellen herrühren.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
409 540/94
Claims (7)
1. Filterresonanzkreis, insbesondere Bandpaß für H-Wellen, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Hohlleiterstück (3; 10; 16) vorgesehen ist, dessen Grenzfrequenz größer als die Frequenz
der ankommenden H-Wellen ist, in dem sich ein kapazitiver Blindwiderstand (4; 5; 11; 17) befindet,
der so gewählt ist, daß sich zusammen mit dem induktiven Blindwiderstand des unterhalb
der Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiterstücks ein Resonanzkreis ergibt, dessen Resonanzfrequenz
in der Mitte des gewünschten Durchlaßbereichs liegt.
2. Filterresonanzkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Blindwiderstand
durch eine Schraube gebildet wird, die in das Hohlleiterstück eingesetzt ist (Fig. 1;
12).
3. Filterresonanzkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Blindwiderstand
durch einen Steg gebildet wird (Fig. 6).
4. Filterresonanzkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Blindwiderstand
aus einem kurzgeschlossenen H-Hohlleiterstück besteht (Fig. 7; 9; 10).
5. Filterresonanzkreis nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der kapazitive Blindwiderstand am Ende des Hohlleiterstückes angebracht ist.
6. Filterresonanzkreis nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der kapazitive Blindwiderstand in der Mitte des Hohlleiterstücks angebracht ist (Fig. 1; 6;
7; 9; 10).
7. Filterresonanzkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß an beiden Enden des Hohlleiterstücks des Filterresonanzkreises Hohlleiter angebracht sind,
deren Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz der H-Wellen liegt.
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