DE1541938A1 - Hohlleiterfilter - Google Patents

Description

Hohlleiterfilter

Die Priorität der Anmeldung Hr, 50 573/66 vom 11» November 1368 in Großbritannien wird in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hohlleiter-;; andraP-filter mit Hohlrauinresonatoren, die durch Hohlraumkopp el glied ei* gehoppelt sind.

Herkömmliche direkt- und /L /h gekoppelte ¹^uU "t-„i '¹^ . haben je weils Vor- und I lacht ei le* Dei:¹ Vorteil der Λ fit H „n. Filter beruht auf dem kleinen Koppeiblindleitwert und daraus folgend :Ier Möglichkeit, die Abmessungen vorausbestimmeη und Ja;.: ^r\i.lter.- Janet¹-halb praktischer Toleranzen )·-0Γίΐ teilen z\x- "--"^,'■ λ> ^rU^rpx-^:Tir:;lieI :r<icde dieser Filtertyp bevor-2Ug1:, v/eil die Yx::>l ι ·., ^:· ':- ·γ ,-■■■■ Lr^ni^t ν οι-ί; <.-.·-

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(LD

BAD

frequenzempfindlichen 71/4- Kopplungen und sind deshalb für größere Bandbreiten herstellbar· Außerdem sind diese Filter kürzer und beanspruchen nur 75 % der Länge eines X/4- Filters. Dies wird erreicht, in dem anstelle von zwei kleineren Blindleitwerten und der "K/h Kopplung ein großer Blindleitwert zwischen den Hohlleitern eingefügt wird» Direkt gekoppelte Filter sind deshalb wesentlich billiger, obwohl die Einhaltung genauerer Toleranzen und zusätzliche Einstellungen notwendig sind. Schwierigkeiten entstehen hinsichtlich der Einhaltung hoher Blindleitwerte, welche sich beispielsweise für eine symmetrische Blende nach dem cot^ ( dj_ /2a)

(dj_ *· 0 für hohe Blindleitwertej ändern." . Es fanden auch schon

Anordnungen mit mehreren induktiven Pfosten Anwendung» Es ergaben sich jedoch Fertigungsschwierigkeiten, und die dünnen Pfosten verursachten eine Erhöhung der Verluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Hohlleiterfilter zu schaffen, welches Störfrequenzen höherer Ordnung unterdrückt und die Signale im Durchlaßbereich nur wenig beeinflußt. Gemäß der Erfindung sind die Koppelglieder Hohlleiterstücke, die für die Durchlaßfrequenz nach dem Dämpfungstyp, d, h», unterhalb der Grenzfrequenz ι arbeiten»

Ausfühnmgsbeispiele des arcindungsgemäßen Filters -;?.rden nachstehend anhand der Figuren i bis 3:1. beschrieben*

FIg, la zeigt das Ersatzschaltbild von zwei FoItIl^U--vn, die 'lurch ei^e Ά/¹'. Kopplung raiteiiiHiic:?·^ f--kop^: .·^Ί ΐ sind.

0α38Αδ/(Η§2 BAD ORIGINAL

Fig. Ib zeigt das Ersatzschaltbild von zx?ai Hohlleitern, die direkt gekoppelt sind.

Fig. Ic veranschaulicht die Spannungsübertragung eines Hohlleiterabschnittes nach dem Dämpfungstyp. ■

Fig. Id zeigt das Ersatzschaltbild von zwei Hohlleitern, welche durch einen Hohlleiterabschnitt nach dem Dämpfungstyp gekoppelt sind»

Fig,- 2a ist das Halbglied des Filters nach Fig* la« Fig* 2b " ist das Halbglied des Filters naQh Fig» Ic₆

Fi.q* 3 zeigt- die typische Kurve für die .Abhängigkeit der Däirofung von der Länge bei der Kopplung ö-tvch ei"^'* ¹O¹IlI^;^-::er nach dem Dämpfimgstyp bei ^,000 KnZs₅

Fig., ■ H zeigt-den Hohlleiter nach den Dämpft* ngs typ durch dessen Kopplung sich die !Curve nach Fig-_e 3 ergibt₀

Fi'?,* 5a und Fir, 5b zeigen eine syjsmetrisehe Kopplung durch einen ' Hohlleiter nach dam Dämpfim^styp ν.ηά dsre-n Ersatzschaltbild, , ' .'.

Fis;» 6 zeigt den Blindwiderstand an einsBi Übergang eines Hohl- ' loiters, der in einem symmetrischen Holilleiterabseimitt nach dem D-?.nip-fn:-if*styp' nach figc 5 endete

0-&98Λ8/Ο1.6.2 ' '.

Fig. 7a und 7b zeigen eine unsymmetrische Kopplung durch einen Hohlleiter nach dem Dämpfungstyp und deren Ersatzschaltbild.

Fig. 8 zeigt den Blindwiderstand an einem Obergang eines Hohlleiters , der in einem unsymmetrischen Hohlleiterabschnitt nach dem Dämpfungstyp endet.

Fig, 9a, 9b und 9c zeigen die Ansichten eines Sechskreis--Hohlleiterbandpaßfilters, welches durch Hohlleiterabschnitte nach dem Dämpfungstyp gekoppelt sind.

»■
Fig. 10 zeigt die räumliche Darstellung eines KopplungsStückes

nach dem Dämpfungstyp, zum Teil im Schnitt,

Fig, 11 zeigt die Kurven eines Filters nach Fig. 9 für die Durchlaßdämpfung und das Stehwellenverhältnis in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 12 zeigt das gemessene Stehwellendiagramm eines Dreikreisfilters, welches durch Kopplungsstücke nach dem Dämpfungstyp gekoppelt ist.

Fig. 13 zeigt das in Ilalbplieder zerlegte Ersatzschaltbild eines symmetrischen Netzwerkes, welches mit dem 'Wellenwiderstand abgeschlossen ist.

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BAD ORIGINAL

Fig. 14 zeigt das gerechnete Stehwellendiagramm eines symmetrischen Kopplungshalbgliedes nach dem Dämpfungstyp, welches sich zwischen Hohlleitern nach Fig. 13 befindet,

Fig. 15a und 15b zeigen die Aufsicht und den Schnitt der Seitenansicht eines Kopplungsgliedes nach dem DSmpfungstyp mit einem Sperrfilter für die Harmonischen.

Fig. 16a und 16b zeigen die Aufsicht und den Schnitt der Seitenansicht eines Kopplungsgliedes nach dem Dämpfungstyp mit einem Sperrfilter mit konstantem Widerstand.

Fig. 17 zeigt die Durchlaßkurve des Filters nach Fig. 16,

Fig. 18 zeigt die räumliche Darstellung einer Brückenweiche mit Resonanzschlitz-Sperrfilterι zum Teil im Schnitt.

Fig. 19 zeigt*, die Dämpfungskurve des Filters nach Fig. 18.

Fig. 20 zeigt die räumliche Darstellung eines Kopplungsgliedes nach dem Dämpfungstyp in der Form eines Sperrfilters mit konstantem Widerstand, zum Teil im Schnitt,

Fig. 21 zeigt die Dämpfungskurve eines Filters nach Fig. 20. ■Fig. 22 zeigt das Ersatzschaltbild des Filters nach Fig. 20»

Fig. 23a und 23b zeigen Ansichten eines Kopplungsgliedes nach dem Dämpfungstyp mit einem Serienresonanz-Sperrfilter.

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BAD CHSGiNAL

Fig. 24· zeigt die Dämpfungskurve eines Filters nach Fig, 23.

Fig. 2 5 zeigt die räumliche Darstellung eines Kopplungsgliedes nach dem Dämpfungstyp in der Form eines Absorptionsfilters »

Fig. 26 zeigt die Stehwellenverteilung in dem Kupplungsstück nach Fig. 25.

Fig. 27a und 27b zeigen Ansichten eines Kopplungsgliedes nach dem Dämpfungstyp mit einem Tiefpaß-Sperrfilter, zum Teil im Schnitt.

Fig. 2 8 zeigt die Dämpfungskurve des Filters nach Fig. 27,

Fig. 29 zeigt die typische Durchlaßkurve eines Hohlleiter-Tiefpaßfilters,

Fig. 30 zeigt die Breitband-Sperrkurve eines Hohlleiter-Tiefpaßfilters.

Fig. 31a und 31b zeigen Ansichten hintereinandergeschalteter Tiefpaß-Kopplungsstücke nach dem Dämpfungstyp mit einem zwischengeschalteten Dämpfungsglied.

Hohlleiter zeigen unterhalb der Grenzfrequenz dasselbe Verhalten wie alle verlustlosen Filter in deren Sperrbereich, Der Wellenwiderstand } der im Durchlaßbereich reell ist, wird im Sperrbereich imaginär. Die Fortpflanzungskonstante, welche im Durchlaßbereich

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imaginär ist» wird im Sperrbereich reell* Das Ersatzschaltbild der Leitung hat dann die in Fig. Ic dargestellten Eigenschaften· Die Figuren la und Ib zeigen die Ersatzschaltbilder für die 71/4- und die Direktkopplung. Die Bedingungen für die scheinbare Übereinstimmung der beiden Schaltungen nach den Figuren la und Ib sind zum Beispiel in der Arbeit "An Improved Design Procedure for the Multi-Section Generalised Microwave Filter", Levy R., I.E.E, Monograph VoI₁-232R₁ April, 1957 angegeben, in der dargelegt ist, daß die Schaltung nach Fig. la durch eine Schaltung nach Fig. Ib ersetzt xtferden kann, wenn die Durchlaßdämpfung und der Phasengang gleich sind. In ähnlicher Weise kann das Netzwerk nach Fig. Ic durch eines nach Fig. Ib ersetzt werden. Der Blindwiderstand des Netzwerkes nach Fig. Ib ist dem einer bestimmten Länge des Netzwer3'es nach Fig.» Ic gleich und deshalb wird die Länge des Hohlleiters in der Reg«! ;„_w liier, wenn Kopplungen nach dem Dämpfungstyp verwendet werden. Die Durchlaßdämpfung der zwei Netzwerke kann dann durch geeignete Wahl der Kenngrößen des nach dem Dämpfungstyp aufgebauten Gliedes gleich gemacht werden.

Die Bedingungen für die Gleichheit zwischen den Netzwerken nach den Figuren Ib und Ic lassen sich aus der Telegrafengleichung ableiten. Sind die Netzwerke symmetrisch, dann können sie zur Ermittlung der Leerlauf- und Kurzschlußscheinlextwerte in Halbglieder (Fig. 2a und 2b) aufgeteilt werden. Wenn die Leerlauf- und Kurzschluß-Blindleit-

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werte sich für physikalisch herstellbare Werte ermitteln lassen, dann können diese beiden Netzwerke für eine gegebene Frequenz gleich gemacht werden. Die Kurzschluß-Leitwerte für die Netzwerke nach den Figuren 2a und 2b sind jeweils

Y , = -JYo cot θ (1)

sei

Y_sc2·= -JB₁ - jYoi coth ILL (2)

Die Leerlauf-Blindleitwerte desselben Netzwerkes sind:

Y_ocl = - jYo cot (0 + 0) (3)

—1 ^2
wobei 0 = cot —— ist

2Yo

^Yoc2 ⁼ "^jBl ' ^{jYoi tanh}

Werden die Kurzschlußleitwerte gleichgesetzt, dann ist

Yo cot θ = B₁ + Yoi coth -*-- · (5)

Werden die Leerlauf-Blindleitwerte gleichgesetzt, dann ist

Yo cot (Θ + 0) = B₁ + Yoi tanh -£~ (6)

Durch Erweiterung der linken Seite der Beziehung (6) und durch Einsetzung des Wertes der Beziehung (5) für cot θ ergibt sich die

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^BA* Origi_Nal

Lösung für cot 0

_B 2

ι ⁺ -i.+ ssii + V^i tanh Y^ + ^BiYoi _coth

!12?IZYq²

cot 0 = -I^ X°

f—¹ (coth IJ| - tanh XL)

Die extremen Werte für cot θ ergeben sich, wenn

γj ya

Im ersten Fall streben die Werte coth-i-Ξ und tanh J-=i dem Wert eins

² 2

zu. Demnach wird cot 0 *—^CO, wenn die Leitungslänge unendlich

wird, was dem erwarteten Ergebnis entspricht. Im zweiten Fall, wenn vereinfacht sich der Ausdruck zu

cot 0 = Jj Yo

^B2
oder ______ = B₁ was offensichtlich stimmt.

1 ^x

Der Ausdruck (5) erfaßt einfach die zweite Forderung für die Gleichheit, das heist, die Beziehung zwischen der Leitungs-länge in Fig. 2a und dem zusammengefaßten verteilten Blindleitwert einschließlich des Anschlußblindleitwertes und dem (induktiven) der Leitung eigenen Scheinleitwert.

DAD ORIGINAL

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- Io -

ISE-Reg. 37 59

Der Vergleich der freien Energiefortpflanzung durch eine verlustlose Leitung mit imaginärem Wellenwiderstand mit der konstant reellen Fortpflanzung, bei Annahme großer Werte, mag mit der gefühlsmäßigen Anschauung vieler in Widerspruch stehen. Diese Anschauung beruht auf dem Glauben, daß das Verhältnis der'Eingangsspannung E zur Ausgangsspannung E_ mit guter Genauigkeit durch den Ausdruck

-e

Yt-

wobeir die Fortpflanzungskonstante und Jc* die Länge ist,,

gegeben sei»

Dies trifft jedoch nur zu, wenn das Netzwerk mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen ist. Mit anderen Abschlüssen sind die Resultate sehr verschieden. Wenn der Abschluß zum Beispiel kapazitiv ist (Fig. Id), dann ist das Verhältnis Ε^/Ε₂ zu

^xl

gegeben

(8)

Für große Werte von Y^ sind coshY^und sinh J& annähernd gleich. Wenn zum Beispiel Zo₁^x^ ist, dann ist ι sehr klein und kann sogar Null werden. Die Schaltung verhält sich dann wie ein Serienresonanzkreis mit einem hohen Spannungsanstieg über der Induktivität und der Kapazität. Natürlich ist ein großer Bereich von Werten einschließlieh ^jI = I möglich. Eine allgemeine Bemessungsregel für das Ver-

^E2
halten besteht darin, die Einfügungsdämpfung eines Hohlleiters nach dem Dämpfungstyp durch einen geeigneten Abschluß herauszustimmen,

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Derartige Hohlleiterglieder nach dem Dämpfungstyp sind in der Anmeldung J 33 854 IX d/21g beschrieben. Das entspricht etwa "der Neutralisation eines Nebenschlußblindleitwertes durch Hinzufügung eines solchen mit gleichem Wert und entgegengesetzten Vorzeichen.

Die Bemessung direkt gekoppelter Filter ist in der Arbeit "Direct Coupled Filters", Cohn S.B., Proc. I.R.E., Februar, 1957, beschrieben. Der Kopplungsfaktor zwischen den beiden Hohlleitern ist ein gemeinsamer Nebenschlußblindleitwert. Bei der Bemessung von Filtern mit Kopplungsgliedern nach dem Dämpfungstyp ist es zweckmäßiger, mit der Durchlaßdämpfung des Koppelgliedes zu rechnen. Die Durchlaßdämpfung eines über einer angepaßten Leitung liegenden Blindleitwertes ist durch

(o + T-,2% 2

L = 10 log „g,-,,-■·--■.-- (-g\

dB 10 _{(1 + b}2.₃

Für große Werte von b ergibt sich mit guter Genauigkeit 10 log₁₀ 3 + ^b2

Die Einfügungsdämpfung eines Gliedes aus einem Hohlleiter nach dem Dämpfungstyp zwischen zwei angepaßten Hohlleitern ist eine Funktion der Hohlleiterlänge und der Stoßstellenblindleitwerte. Die Länge des Hohlleiters ist in der Regel der Hauptfaktor, Die Einfügungsdämpfung ergibt sich zu:

BAD ORIGINAL

00 9 8-4 8/0162 - 12 -

ISE-Reg. 3759

oder L - θ, 66 6

Qd

wobei

/Lc die Grenzwellenlänge und /Io die Freiraumwellenlänge ist. Der Stoßstellenblindleitwert ist in der Regel recht groß» aber die daher rührende Einfügungsdämpfung ist geringer als zu erwarten wäre. Der Grund hierfür ist, daß das Feld von der Stoßstelle sich in das Glied nach dem Dämpfungstyp ausbreitet, so daß der Anfangswert für das Abklingen kleiner als e ' ist. Figur 3 zeigt die Einfügungsdämpfung als Funktion der Länge eines typischen Gliedes nach Figur 4, in dem ein Hohlleiter 41 mit 1.000" χ 0.667" den Hohlleiter 42 mit 2.000" χ 0,667" koppelt. Ausgenommen, wenn das Glied nach dem Dämpfungstyp sehr kurz (im Grenzfall eine dünne Blende) ist, ist die Kurve eine gerade Linie. Demnach sind nur zwei sorgfältig ausgewählte Messungen notwendig, um eine Bemessungskurve zu ermitteln. Der Vergleich der gerechneten Werte (Ausdruck 10) mit der gemessenen Kurve zeigt, daß diese Werte etwa 2 dB auseinanderliegen und über den Bereich innerhalb 1 dB parallel verlaufen» Somit gibt der Ausdruck (10) einen sehr genauen Hinweis, welche Wirkung kleine Änderungen von λ- c auf die gemessene Kurve haben. Interessant ist dabei, daß die Differenz zwischen diesen beiden Kurven etwa die Hälfte der Einfügungsdämpfung einer Blende mit denselben Abmessungen wie die des auf die Grenzfrequenz abgestimmten Hohlleiters ausmacht. Dies ist eine nützliche Regel für die Korrektur, wenn die theoretische Kurve für die Verhältnisse a-/a (a'/a ist aus den Figuren 5 und 8 zu ersehen) verwendet werden soll.

009848/0182 - ■- -„

Die Bemessung eines Filters wird praktisch auf folgende Weise durchgeführt. Anhand der Formeln der Figur 2 der oben genannten Arbeit von Cohn erfolgt die Berechnung der Musterglieder» Dann werden die Blindleitwerte aus der Figur 5 derselben Arbeit bestimmt und die Durchlaßdämpfung anhand des Ausdruckes (9) dieser Anmeldung errechnet. Daraufhin wird ein Querschnitt der für die Durchlaßfrequenz weit unter der Grenzfrequenz liegt gewählt und der Eingangswiderstand des Gliedes anhand der Figuren 6 oder 8 ermittelt» Die halbe Länge des Hohlleiters ergibt sich dann aus der Beziehung

θ = 2- - 0 ■ (11)

worin 0 = tan "^ £- (Werte von — siehe Figur 6 und 8) ist.

Zo Zo

Wenn der Hohlleiter mechanisch symmetrisch zur elektrischen Mitte ist (das heist, wenn der Eingangswiderstand an jedem Ende derselbe ist) dann wird, wenn die zweite elektrische Länge nicht berechnet ist, die ganze Länge zweimal so groß sein, wie der im Ausdruck (11) gefundene Wert.

Ist die ganze Länge des Hohlleiters infolge der Endbelastung zu kurz, so ist ein zweiter Versuch mit einem kleineren Hohlleiterquerschnitt für das Kopplungsstück notwendig. Die Länge des Gliedes, welches die erforderliche Einfügungsdämpfung aufweist, läßt sich aus einer Kurve wie die nach Figur 3 ermitteln.

BAD ORiQlNAt

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ISE-Reg. 3759 - IH -

Ist die genaue Einhaltung der Filterbandbreite nicht, wichtig, dann kann eine annähernde Bemessungsregel anhand des Ausdruckes (10) und eine annähernde Korrektur der Unstetigkeiten angewendet werden. Die gewünschte Durchlaßkurve mit flachem oder welligem Durchlaßbereich ist auch dann erreichbar, wenn sie nicht mit der theoretischen Durchlaßkurve übereinstimmt* Dies folgt daraus, weil das richtige Verhältnis der Einfügungsdämpfungen herbeigeführt wird. Der gesamte Fehler in der Bandbreite kann überschläglich anhand des Richtwertes ermittelt werden, nachdem, eine Abweichung der Dämpfung aller Koppelglieder von 0.5 dß eine Abweichung der Bandbreite von 5 % ergibt.

Das Hauptanwendungsgebxet von Hohlleitern nach dem Dämpfungstyp ist die Kopplung von Hohlleitern. Die Blindleitwerte an den Enden der Filter sind in der Regel niedrig und können in herkömmlicher Weise dargestellt werden. Wenn jedoch die gleiche Konstruktionsweise für das ganze Filter beibehalten werden soll, ist es auch möglich, Glieder nach dem Dämpfungstyp an den Enden zu verwenden.

Die Figuren 9a, 9b und 9c zeigen ein Sechskreis maximal flach gekoppeltes Filter mit einer 3 dB-Bandbreite.von 37 Mhz, Die Bandgrenzen liegen bei 3983 Mhz und 4020 Mhz und die Konstruktion ist

ο«

als 2 χ -~ Hohlleiter ausgeführt. Zwischen den Resonanzhohlleitern 2 befinden sich Kopplungsstücke nach dem Dämpfungstyp 1, Jeder Hohlleiter 2 hat eine Grobeinstellschraube 3 und eine Feineinstellschraube 4 und jedes Kopplungsstück hat eine Abgleichschraube 5, Die induktiven Abschlüsse an den Enden des Filters sind herkömmlicher Art.

008848/0162 ■ βαο«<

ISE-Reg. 37 59 -Ig-

15A1938

Die rävunlxchen Abmessungen des Filters sind folgende:

A =16,716", B = 0,030", C = 1,728", D =1,146", Ε =1,683" F = 1,394", G = 1,683", H =1,448", I = 0,500", J = 0,845"

Der erste Schritt zur Bemessung des Filters bestand in der Berechnung von Mustergliedern anhand der Arbeit von Cohn. Für ein maximal flaches Filter ergaben sich folgende Werte:

U₁ = g₆ =0,518; g₂ = g₅ =1,414; g₃ = -g₄ = 1.93

Die Blindleitwerte, welche den i^ten und i+l^ten Hohlleiter miteinander verbinden, sind gegeben durch:

Sibil ΕΞΙ

wobei L = ' Tlgl -\l , . .

xst« (13)

Die Hohlleiterwellenlängen /Wg. und /L/g sind die Werte, die an den Bandgrenzen erscheinen·

Wird für Tl /g = 11,207 cm und für 71 /g₂ = 10,981 cm und für L = 0,0321 gewählt und für L und g die Werte von B^, . eingesetzt, so ergeben sich

^B„o = ²⁶»⁶i ^boo = ⁵¹»6; 13 = 60,2

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ISE-Reg. 3759 - ίί? -

Die Werte für die äußeren Blindleitwerte B und B lassen sich

Ul 60

durch Einsetzung von gQ = L in die Beziehung 12 ermitteln, woraus sich

^B01 ^{= 3}»^{77 = B}06

Die Einfügungsdämpfungen von B^₂ ι B,, und B₃₄ ergeben sich aus (9) zu

L₁₂ =22.49 dB = L₅₆

L₂₃ = 28,23 dB = L₄₅

L₃₄ = 29,57 dB

Für die Bemessung des Gliedes nach dem Dämpfungstyp wird zum Beispiel eine symmetrische Verbindung mit Querschnitten von 1" für die Kopplungsglxeder und 2" für die Filterglieder gewählt und die

Werte XZo/2a Ag der Figur 6 entnommen. Für a'/a = 0,5; % =11,1 cm

ist X (Zo normiert) mit X = 0.31 gegeben. Nach (11) ist die halbe elektrische Länge des Hohlleiters

θ = 72,8°
2

oder für gleiche Anschlüsse an jedem Ende des Hohlleiters ist die ganze Länge 145,6°. Das ergibt den Wert vo.n

1H5.6 χ 11.1 = 4,49 cm (oder 1,77")
^c · 360

Wird dieser Wert um 5 % vermindert, um eine Abstimmschraube setzen zu können so ist

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■' ^1>682"

Die induktiven Blenden an den Enden des Filters sind herkömmlicher Art und können anhand der hierfür üblichen Formeln berechnet werden. Die Eigenschaften des Filters sind aus der Fig» Il zu ersehen.

Auch die Feldverteilung bei vollem Energietransport ist von Interesse, Gemessene Werte hierfür zeigt Figur 12 für ein dreikreisiges Filter mit Kopplungsgliedern nach dem Dämpfungstyp. Für die Messung wurde das Filter als Schlitzleitung ausgebildet und die Messung mit einer sehr kleinen Sonde ausgeführt» Um Meßfehler durch die Strahlung der unsymmetrischen Endglieder zu vermeiden, war es notwendig, die Schlitze neben der Sonde jeweils abzudichten.

Figur IH gibt die gerechnete Feldverteilung einer Leitung mit dem Ersatzschaltbild nach Figur 13 an, deren Wellenwiderstand für volle Leistungsübertragung abgeschlossen ist. Da das Metzwerk

E₁ symmetrisch ist, läßt «s sich aufteilen, um das Verhältnis —=·

als Funktion von ^zu ermitteln (Ausdruck 8). Die Werte von und χ (x ist der Ersatzwiderstand, den der Hohlleiter an den Enden darstellt) sind für ein typisches Beispiel gewählt. Es ist zu ersehen, daß sich die stehende Welle über die Leitung erstreckt, die im verlustlosen Fall in der Mitte den Wert Null sowie sehr kleine Werte annimmt, wenn die belastete Güte hoch ist. Der allgemeine Charakter der Resultate ist derselbe wie der der Versuchsergebnisse nach Figur 12, Es dürfte von Interesse sein, daß die

009848/0182 " ^tB "

ISE-Reg. 3759 - 19 -

Größe des elektrischen Feldes sich in derselben Weise verhält wie eine Blende mit sehr hohem Blindleitwert, welche sich in der Mitte des Kupplungsstückes befindet. Die Endglieder verhalten sich aufgrund ihrer Unsymmetrie verschieden. Der halbe Resonanzanstieg der Spannung der durch die Formel (3) vorrausbestimmt ist, ist aus Figur 12 klar zu ersehen.

Der wesentliche Unterschied zwischen diesem Typ von Bandpaßfiltern und der herkömmlichen Ausführung liegt in der mechanischen Länge der Koppelglieder und der Feldverteilung innterhalb der Glieder. Die Einfügungsdämpfung eines Gliedes nach dem Dämpfungstyp hängt vom Querschnitt und der Länge ab und deshalb läßt sich die Länge innerhalb weiter Grenzen ändern. Deshalb kann das Filter etwas länger als ein herkömmliches direkt gekoppeltes sein, obgleich es in der Regel nicht langer sein braucht, als ein Λ/4-gekoppeltes Filter» Dies ist ein Machteil, wenn ein möglichst kurzes Filter verlangt wird. VJo jedoch eine geringe Zunahme der Länge zugelassen werden kann, hat das Filter eine Reihe von Vorteilen.

a) Da die Länge der Kopplungsstücke frei gewählt werden kann, läßt sich die Länge des Filters ohne Rücksicht auf dessen Mittenfrequenz beibehalten. Daraus folgt, daß die Vergrößerung der Filterglieder durch Verkürzung der Koppelglieder ausgeglichen werden kann. Deshalb wird für eine Filterkette nur eine Hohlleitergröße mit den zugehörigen Bohrungen benötigt. Das vereinfacht die Lagerhaltung und die Fertigung, Die Zwischenstücke, die in der Form von Gliedern nach dem Dämpfungstyp wesentlich stabiler als die herkömmlichen Blenden sind, bilden die einzigen Veränderlichen.

009848/0162 . #

ISE-Reg. 3759 - ίΐίί - ' '

b) Die mechanischen Toleranzen für große Vierte von B sind sehr eng. Wenn zum Beispiel die Koppelglieder in der Mitte des Filters nach Figur 9 durch symmetrische induktive Blenden ersetzt werden, dann betragen die Toleranzen für den Blendenquersehnitt nur ein Drittel von denen die bei einem gleichwertigen Kopplungsglied nach dem Dämpfungstyp zugelassen sind. Bei anderen Kopplungsgliedern, wie zum Beispiel induktive Pfosten, ⁰Ir... noch viel genauere Toleranzen einzuhalten. Deshalb erfordern Filter, die wie das obige Ausführungsbeispiel, eine geringere Bandbreite haben als etwa 1 %, wesentlich geringere Toleranzbedingungen, wenn Kopplungsglieder nach dem Dämpfungstyp vorgesehen sind,

c) Die betrachtete Konstruktionsweise läßt sich in der Form verwirklichen, indem die eingefügten Kopplungsglieder als gefräßte Teile ausgeführt werden. Eine andere Methode besteht darin, Metall auf eine geeignete Form aufzusprühen. Das Filter kann auch aus zwei aus dem vollen Material gefräßten Hälften bestehen. Diese Bauweise ermöglicht hohe Genauigkeiten und hat den Vorteil, daß Lötverbindungen vermieden werden.

d) Durch veränderbare Kopplungsglieder nach dem Dämpfungstyp lassen sich auch Filter mit regelbarer Bandbreite herstellen, die wie Figur 10 zeigt, einen verstellbaren Block 7 aufweisen, der gegenüber den Blöcken 9' und 10 durch die Schraube 8 in jede gewünschte Stellung gebracht werden kann.

BAD GR$$NÄL 009848/0162

ISE-Reg. 3759

e) Der gröfi/te Vorteil des erfindungsgemäßen Filters ist die Eigenschaft! Nebenresonanzen auszuschließen» die sonst bei allen Filtern im Mikrowellenbereich auftreten. Meist erfordert die Unterdrückung dieser Nebenresonanzen ein zusätzliches Filter, welches die Dämpfung im Durchlaßbereich erhöht und Reflexionen verursacht. Ein oder mehrere Kopplungsglieder können so ausgebildet sein, daß eine Frequenz, die unterdrückt werden soll, in dem Kopplungsglied fortschreitet anstatt gedämpft zu werden, Es ist somit möglich, in das betreffende Glied Störwellenunterdrücker einzufügen, die sich auf die fortschreitende Welle stark und auf die unterhalb der Grenzfrequenz liegende Welle garnicht auswirken.

Herkömmliche Hohlleiter-Bandpaßfilter weisen unerwünschte Durchlaßbereiche oberhalb des Durchlaßbandes auf. In direkt gekoppelten Filtern erscheinen Resonanzen, für die die elektrische Länge des Hohlleiters n* \./2 (wobei η eine ganze Zahl und /L die Wellenlänge des Hohlleiters ist) ist. Aufi>er diesen Nebenresonanzen, welche in einem harmonischen Verhältnis zueinander stehen, können weitere Resonanzen auftreten, die auf Feldtypen höherer Ordnung zurückzuführen sind. Deshalb erscheinen bei unvorherbestimmbaren Frequenzen Nebenresonanzen und es ist nicht möglich festzustellen, ob ein Filter zufriedenstellend arbeiten wird, bevor es gebaut ist. Wenn ein derartiges Filter noch über einen großen Bereich abgestimmt werden soll, ist die Gefahr für das Auftreten von Nebenresonanzen groß. Wenn in diesem Fall Harmonische großer Leistung unterdrückt werden müssen, sind aufwendige Filter notwendig, die unvermeidliche Verluste und Reflexionen verursachen.

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ISE-Reg. 3759

Das Verhalten von Filtern mit Kopplungsgliedern nach dem Dämpfungstyp ist bei Frequenzen oberhalb des Durchlaßbereiches wesentlich verschieden von den herkömmlichen Filtern, die mit Blenden ausgerüstet sind. Oberhalb einer kritischen Frequenz beginnt das Kopplungsglied fortzuleiten und der aus diesem gebildete Hohlraumresonanzkreis verschwindet scheinbar, Das Filter arbeitet praktisch wie eine Geradeaus anordnung mit einer Dämpfung von nahezu !lull und hat deshalb geringfügige innere Reflexionen. In dieser Form ist das Filter schlechter als die nach der herkömmlichen Bauweise, aber die Vermeidung starker innerer Reflexionen ist eine Vorbedingung, die vorrausbestimmbare Unterdrückung unerwünschter Frequenzen zu ermöglichen. Eine weitere Notwendigkeit besteht darin, daß sich die Kopplungshohlleiter für Frequenzen des Durchlaßbereiches und für unerwünschte Frequenzen unterschiedlich verhalten» Auf diese W^ise haben Einrichtungen, welche die unerwünschte Frequenzen be- ■ einflussen, nahezu keine Wirkung auf die erwünschten Frequenzen. Das Verhalten von Kopplungsgliedern nach dem Dämpfungstyp gemäß der Erfindung macht diese für eine solche Anwendung geeignet.

In der Regel gibt es zwei Fälle für die Notwendigkeit zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzen. Im ersten Fall arbeitet das Filter in einem geschlossenen Kreis, zum Beispiel im Ausgang eines Oszillators. Die unerwünschten Frequenzen, meist Harmonische, sind vorher bekannt. Ist die Anordnung ein Leistungsoszillator, so ist eine sehr wirksame Unterdrückung bestimmter Frequenzen notwendig» Im zweiten Fall ist das Filter an einen offenen Kreis,

-. 22.S/-D ORiGiNAt

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zum Beispiel an eine Breitbandantenne, angeschlossen. Es müssen dann über ein breites Band verteilte Frequenzen mit einer geringeren Abschwächung unterdrückt werden, wie im ersten Fall. Die Figuren 15a und 15b zeigen ein Kopplungsglied nach dem Dämpfungstyp 11 zwischen Resonanzhohlleitern 12, welches Schmalband-Sperrfilter aufweist. Für das Übertragungsband ist das Koppelglied nach dem Dämpfungstyp bemessen und für die zu unterdrückenden Frequenzen sind die Abmessungen derart gewählt, daß deren Fortpflanzung stattfindet. Es ist ein dreikreisiges Sperrfilter vorgesehen, dessen Stichleitungen 13 Halbleiterabstimmkolben I^ enthalten und welches durch Breitbandresonanzschlitze 15 an den Hohlleiter angeschlossen ist. Für ein relativ schmales Band beträgt die Abschwächung etwa 3 5 dB pro Kreis. Somit ist mit dem dargestellten Dreikreisfilter bei einer Frequenz eine Abschwächung bis zu 100 dB erreichbar. Wenn erwünscht ist, die störenden Harmonischen zu absorbieren, anstatt sie zur Quelle zurückzureflektieren, so kann das Filter als Absorber nach dem britischen Patent Nr. 1.018.92 3 ausgebildet werden, dessen Lastwiderstand 16 in den Figuren 16a und 16b die Energie aufnimmt. Diese beiden Figuren weisen im übrigen dieselben Bezugszeichen auf, wie die Figuren 15a und 15b. Das Filter hat zwar einen Kreis weniger, aber die Möglichkeit, die Energie absorbieren zu können, ist oft von großer Bedeutung. Die Durchlaßkurve des Filters nach den Figuren 16a und 16b zeigt die Figur Die Grunddämpfung dieses Filtergliedes von 0,4 dB, verglichen mit der eines Filtergliedes ohne Sperrfilter, war innerhalb der Meßgenauigkeit gleich. Der Grund dafür, daß keine zusätzlichen Ver-

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luste auftreten liegt darin, daß das Hohlleiterglied, welches die Last beinhaltet, bei der Durchlaßfrequenz unterhalb der Grenzfrequenz arbeitet und ohne Schwierigkeiten genügend lang gemacht werden kann, um meßbare Verluste zu vermeiden. In dieser Hinsicht hat dieses Sperrfilter etwas mit wanddurchlässigen Filtern gemeinsam, welche die Energie durch Auskopplung in eine Anzahl von Hoh¹-leitern vernichten. Jedoch vermeidet das Filter nach Figur 16 die Nachteile der wanddurchlässigen Filter, Bei diesen pflanzt sich die Übertragungsfrequenz nach dem Grundtyp und die Harmonischen nach mehreren Fortpflanzungstypen fort» Für alle vorkommenden

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Typen müssen Koppelglieder vorhanden sein, was jedoch zu meßbaren Verlusten bei der Durchlaßfrequenz führt, Für viele Anwendungsfälle ist ein Filter nach Figur 16 einem wanddurchlässigen Filter deshalb überlegen, weil die Hohlleiterabmessungen des Koppelgliedes · so gewählt werden können, daß sich die Harmonischen, die unterdrückt werden sollen, nach dem Grundtyp und die Übertragungsfrequenz nach dem Dämpfungstyp fortpflanzen. Deshalb ist das Filter viel einfacher, hat eine geringere Grunddämpfung und verbindet die Funktionen eines Bandpaßfilters mit einem Sperrfilter für die Harmonischen·

Da das Filter nach Figur 15 im wesentlichen ein Reflexionsfilter ist, ist für ein vollständiges Bandfilter nur ein Sperrfilter dieser Art zulässig. Wenn nämlich weitere Kopplungsglieder nach dem Dämpfungstyp in Sperrfilter umgewandelt werden, können gegen-

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seitige Auslöschungen und Nebenresonanzen auftreten. Somit ist das Maß der Unterdrückung, welches erreicht werden kann, durch die Zahl der Sperrfilter begrenzt, die in einem Koppelglied enthalten sein können.

Diese Einschränkung gilt jedoch nicht, wenn die Sperrfilter als Absorber ausgebildet sind. Gewöhnlich sind Verluste im Hauptkupplungsglied nicht zulässig, aber wenn das Sperrfilter als Absorber ausgebildet ist, tritt eine beträchtliche Abschwächung der Störfrequenzen ein. Für die Durchlaßfrequenz arbeitet das Koppelglied unterhalb der Grenzfrequenz und es treten deshalb keine Verluste auf.

Figur 18 zeigt eine andere Art von Sperrfiltern, bei der zwei Resonanzhohlräume 17 durch ein Kopplungsglied nach dem Dämpfungstyp 18 miteinander verbunden sind. Resonanzschlitze 19 koppeln das Glied 18 an einen runden Hohlleiter 20, der mit einer ange-

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passten Last zur Vernichtung der Energie abgeschlossen ist. Dieses nach Art einer Resonanzschlitz-Brückenweiche beschaffene Sperrfilter bewirkt eine Abschwächung von 20-40 dB über ein Frequenzband, welches breiter ist als das des Filters nach Figur 19.

Eine weitere Form eines Absorptionsfilters geringer Bandbreite zeigt Figur 20« In dieser Anordnung sind zwei Resonanzhohlleiter durch ein Kopplungsglied nach dem Dämpfungstyp 23 miteinander verbunden, in welchem ein Resonanzraum 24 die Energie der Störfrequenz

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durch eine Kopplungsöffnung 2 5 in einen Resonanzraum 26 leitet, wo sie durch eine angepasste Last 27 vernichtet wird. Ein Sperrkreis der für die Störfrequenz einen Kurzschluß darstellt, hält diese von den übrigen Kreisen des Filters ab. Im Bereich der Durchlaßfrequenz kann keiner der Resonanzhohlräume 24 und 26 erregt werden, weil der Hohlleiter 23 unterhalb seiner Grenzfrequenz arbeitet»

Die Dämpfungskurve und das Ersatzschaltbild des Filters nach Figur 20 sind durch die Figuren 21 und 22 dargestellt.

Ein Filter, welches diese Art von Störfrequenzunterdrückung enthält, durch die die Störenergie absorbiert und nicht nur reflektiert wird, ist nicht mehr symmetrisch, so daß dessen Eingang und Ausgang bezeichnet sein müssen.

Die Figuren 23a und 23b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schmalbandsperrfilters. Die Hohlleiter 28_tisind durch ein Kopplungsglied nach dem Dämpfungstyp miteinander verbunden, welches in der Mitte des Leiters eine Kurzschlußschraube 30 aufweist. Ein derartiges Reflexionsfilter kann aus bereits angegebenen Gründen nur einmal in einem Filtersatz vorgesehen werden.

Die Dämpfungskurve des Filters nach Figur 23 zeigt Figur 24.

Eine weitere Form eines Schmalband-Absorptionsfilters, welches den Unterschied, der zwischen dem fortschreitenden Feldtyp für die Störfrequenz und den Dämpfungstyp für die Durchlaßfrequenz besteht,

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ausnutzt, zeigt Figur 25. Zwei Hohlleiter 31, die durch ain Kopplungsglied nach dem Dämpfungstyp 32 gekoppelt sind, welches einen für die Störfrequenz in Resonanz befindlichen Hohlraumresonator 3 3 enthält, der eine Abstimmschraube 34 und einen Eisenschraubkern 3 5 aufweist. Ein Sperrkreis 36 bewirkt die Isolation von den übrigen Filterkreisen.

Wie aus Figur 26 zu ersehen ist, ist die Amplitude des elektrischen Feldes nach dem Dämpfungstyp in der Mitte des Koppelgliedes ein Minimum und die Amplitude des elektrischen Feldes des fortschreitenden Feldtyps der Harmonischen ein Maximum. Die relativen Amplituden stehen in etwa im Verhältnis der belasteten Güten des Hohlleiters 31. Somit absorbiert der Eisenkern 35 im Hohlleiter 33 die Energie der Harmonischen, ohne nennenswert auf die C'bertragungsfrequenz einzuwirken,

Breitbandsperrfilter beruhen auf konzentrierten Tiefpaßfiltern und nehmen die Form von gerippten Hohlleiterfiltern nach Figur 27 a und 27b an, nach denen zwei Hohlleiter 37 durch sin Kopplungsglied nach dem Dämpfungstyp 38 gekoppelt sind, welches ein geripptes Tiefpaßfilter 39 enthält. Eine spätere und aufwendigere Ausführung eines solchen Filters ist das 'Waffelaisen-Filter¹. Solche Hetzwerke ermöglichen die Unterdrückung von Störfrequenzen innerhalb eines sehr großen Frequenzbereiches (Figur 2 9) und werden in der V/eise verwendet, indem die untere Grenzfrequenz des Hohlleiters, der das Sperrglied enthält, auf einen viel höheren Wert eingestellt wird, als bei den anderen Koppelpliedern des Filters, Ist

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diese untere Grenzfrequenz richtig gewählt, so wird dieses '"•lied Energie in dem Band fortleiten, in dem die anderen Resonanzhohlleiter eine starke Reflexion verursachen (Figur 30). In Mehrkreisfiltern mit mehr als drei Resonatoren wird hierdurch kein großer Machteil entstehen, wenn die Reflexion eines Resonators verloren geht, Jedoch bei höheren Frequenzen, bei denen die anderen Kor^e¹-glieder frei übertragen, arbeitet das Sperrglied, wenn dessen obere Grenzfrequenz richtig gewählt ist, als Tiefpaßfilter und bewirkt eine beträchtliche Unterdrückung, /-uf diese VJeise können die sonst auftretenden Störfrequenzen über einen großen Bereich geschwächt werden« Es ist jedoch zweckmäßig, pro Filter nur ein Sperrglied zu verwenden, weil sonst die Gefahr besteht, daß infolge von Rückwirkungen zweier Glieder unerwünschte Durchlaßbereiche entstehen. Wo jedoch mehr als ein Sperrglied notwendig ist, um die erforderliche Sperrwirkung zu erreichen, können nach Figur 31a und 31b zwei Sperrglieder eingefügt werden, in denen Rückwirkungen zwischen den beiden Sperrgliedern 38a und 38b durch eine angepasste Last 40 vermieden werden, welche eine Stichleitung 4JT zwischen den Sperrgliedern abschließt und die reflektierte Energie jedes Filters absorbiert.

13 Patentansprüche 15 Blatt Zeichnungen mit 31 Figuren

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Hohlleiter-Bandpaßfilter mit Hohlraumresonatoren, die durch Hohlraumkoppelglieder gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Koppelglieder Hohlleiterstücke sind, die für die Durchlaßfrequenz nach dem Dämpfungstyp, das heist, unterhalb der Grenzfrequenz, arbeiten.

   2. Hohlleiter-Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Endglieder für die Durchlaßfrequenz unterhalb der Grenzfrequenz arbeiten.

   3. Hohlleiter-Bandpaßfilter nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r ch gekennzeichnet , daß die Grenzfrequenz der Kopplungsglieder und somit die Bandbreite des Filters veränderbar ist.

   4. Hohlleiter-Bandpaßfilter nach den Ansprüchen 1 bis 3, d a d u r c l·. gekennzeichnet , daß die Koppelglieder für St Hörfrequenzen durchlässig sind und daß ein oder mehrere Koppelgliodcr Mittel zur Unterdrückung von Störfrequenzen enthalten.

   5. Hohlleiter-BandpaP,f ilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Unterdrückung von Störfrequenzen ein Schmalband-Sperrfilter enthalten,

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   6. Hohlleiter-Bandpaßfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet ι daß die Mittel zur Unterdrückung von Störfrequenzen ein Breitband-Sperrfilter enthalten.

   7. Hohlleiter-Bandpaßfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ι daß das Schmalband-Sperrfilter ein Reflexionsfilter ist.

   8. Hohlleiter-Bandpaßfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ι daß das Schmalbandsperrfilter ein Absorptionsfilter ist.

   9. Hohlleiter-Bandpaßfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet ι daß nur eines der Kopplungsglieder mit einem Sperrfilter versehen ist, welches eine oder mehrere Stichleitungen mit einem Abstimmkolben aufweist, die mit dem Kopplungsglied über Breitband-Kopplungsschlitze verbunden sind.

   10. PIohlleiter-Bandpaßf ilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet ι daß nur eines der Kopplungsglieder mit einem Störfrequenz-Sperrkreis versehen ist, der aus einer in der Mitte durch den Hohlleiter gehenden Kurzschlußschraube besteht.

   11, Hohlleiter-Bandpaßfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eines der Kopplungs-

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   glieder mit einem Störfrequenz-Absorptionsfilter versehen ist» welches mindestens zwei'durch Breitband-Resonanzschlitze mit dem Hohlleiter verbundene Stichleitungen aufweist, von.denen eine eine angepaßte Last zur Absorption der reflektierten Energie der anderen Stichleitung enthält,

   12, Hohlleiter-Bandpaßfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eines der Kopplungsglieder eine Brückenweiche mit Resonanzschlitz-Sperrfiltern aufweist,

   13, Hohlraum-Bandpaßfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eines der Koppelglieder ein Störfrequenz-Absorptionsfilter aufweist, welches einen auf die Störfrequenz abgestimmten Hohlraumresonator, eine Kopplungsr öffnung zur Weiterleitung der Energie der Störfrequenz in einen Hohlraumresonator mit einer angepaßten Last zur Vernichtung der Störenergie und einen Sperrkreis zur Isolation von dem übrigen Filter enthält.

   I¹U Hohlraum-Bandpaßfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kopplungsglied mit einem Störfrequenz-Absorptionsfilter versehen ist, welches einen auf die Störfrequenz abgestimmten Hohlraumresonator in den eine Absorptionsschraube ragt und einen Sperrkreis zur Isolation von dem übrigen Filter enthält.

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   15. Hohlraum-Bandpaßfilter nach Anspruch 14·, dadurch g e -

   k e η η ζ e. i c h η e t , daß nur eines der Kopplungsglieder mit einem Breitband-Sperrfilter versehen ist, welches ein geripptes Tiefpaßfilter enthält, dessen untere Grenzfrequenz höher liegt, als die der· anderen Koppelglieder,

   16, Hohlraum-Bandpaßfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kopplungsglieder mit einem gerippten Tiefpaßfilter vorgesehen sind und daß zwischen diesen Koppelgliedern ein Koppelglied mit einer angepaßten Last zur Absorption der reflektierten Energie zwischen den Sperrfiltern eingefügt ist.