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Durchstimmbarcs Filter, insbesondere für den Frequenzbereich verhältnismäßig
kurzer elektromagnetischer Wellen Dic Erfindung betrifft ein durchstimmbarcs Filter,
insbesondere für den Frequenzbereich verhältnismäßig kurzer clcktronagnctischer
Wollen, bei den mehrcrc fest abgestimmte Teilfilter, deren einzelne Durchlaßbereiche
hinsichtlich ihrer Frequenzlage gegeneinander versetzt sind, durch cine
ein-
und ausgangsseitige Parallelschaltung an jeweils einen ein- und ausgangsseitigen
gemeinsamen Verzweigungspunkt angeschaltet sind, und bei den die Durchstimmung über
elektronische Schalter in Form von Schaltdioden erfolgt, die in den Zuleitungen
zwischen den gemeinsamen Verzucigungspunkten und den Filtern liegen.
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Filterschaltungen sind bekanntlich frequenzselektive Schaltungsanordnungen,
die immer dort für den Aufbau komplexer elektrischer Schaltungen erforderlich sind,
wo es darum geht, bei einer mehrere Frequenzen bzw. ein verhältnismäßig breites
Frequenzband übertragenden Nachrichtenverbindung einen vorgegebenen Teilfrequenzbereich
auszusieben. Insbesondere im Frequenzbereich der Mikrowellen stellt sich aus an
sich bekannten Gründen häufig die Aufgabe, durchstimmbare Filter zu realisieren,
d.h. solche Filter, deren Durchlaßbereich hinsichtlich seiner Frequenzlage innerhalb
eines bestimmten Frequenzbereiehes einstellbar ist. Zur Lösung diescr Aufgabe ist
es bereits- bekannt, bei Mikrowellenfiltern, die beispielsweise aus mehreren gekoppelten
Koaxialleitungs-Resona toren oder aus menreren gekoppelten Hohlleitungs-Resonatorcn
bestehen, veränderbare Abstimmittel vorzusehen, mit deren Hilfc die Resonanzfrequenz
der einzelnen Resonatoren beeinflußt erden kann. 3ie Burchstimmung kann dabei z.B.
in der Weise vorgenommen werden, daß jeder einzelne Resonator nach einer geeichten
Skala für sich getrennt abgestimmt wird. Abgesehen davon, daß dicse Art der Durchstimmung
verhältnismäßig zeitraubend ist, erfordert sie darüberhinaus vom Bedienenden eine
verhältnismäßig große Aufmerksamkeit, da nämlich bereits kleine Einstellfehler die
Filtercharakteristik derart verändern können, daß die einwandfreie Funktion des
Filters nicht mehr gewährleistet ist. Zur Behebung dicser Schwierigleiten ist es
weiterhin bereits bekannt geworden, die Asstimmittel der einzelnen Resonatoren mechanisch
miteinander zu kuppeln und die einzelnen Rosonatoren im Gleichlauf durch
zustimmen
Wie sich zeigt, ist diese Art der Durchstimmung auch dann noch zu langwierig, wenn
es darauf ankommt, die sich während des Durchstimmvorganges zwingend ergebende Unterbrechung
der Nachrichtenübertragung auf eine möglichst kurze Zeit zu beschränken.
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Um die Durchstimmzeit möglichst zu verkürzen, wird man deshalb versuchen,
elektronisch zu betätigende Schalter zu vorwenden. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise
durch die deutsche Auslegeschrift 1 235 385 bereits ein Mehrbereich-Übertragungsempfänger
bekannt geworden; bei dem unter anderem einc Schaltung verwendet ist die, abgesehen
von der Vorwendung weiterer Schaltungsanordnungen, in etwa auf die Parallelschaltung
fest abgestimmter Teilfilter unterschiedlicher Bandmittenfrequenzen hinausläuft.
Als elektronische Schalter sind elektronisch gesteuerte Dioden vorgesehen, die in
den Zuleitungen zwischen den gemeinsamen parallelen Verzweigungspunkten und den
einzelnen Teilfiltern liegen. Die Dioden liegen dabei in den Längszweigen einer
Vierpolschaltung, weshalb die Schwierigkeit auftritt, daß bei höheren Frequenzen
der kapazitive Blindwiderstand der sperrenden Dioden nicht ehr hochohmig genug ist,
um eine ausreichende Sperrwirkung zu erzielen. Andererseits sind auch elektronische
Schalter bekannt, bei denen die Diode im Querzweig liegt. In diesem @all wird an
die Diode eine positive V spannung gelegt, so daß ihr elektrisches Ersatzschaltbild
der Diodenverlustwiderstand in Reihe mit der unvermeidlichen Eigeninduktivität ist.
Bei hohen Frequcnzen ist nun aber auch hier die Sperrwirkung durch den Blindwiderstand
der Eigeninduktivität begrenzt.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschildertell
Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen; insbesondere soll
der Aufbau eines elektronisch durchstirrnbascn Filters angegeben werden, das einerscits
einc
außerordentlich rasche Durchstimmung ermöglicht und bei den dic durch die Verwendung
von elektronischen Schaltern in Form von Schaltdioden auftretenden Eigeninduktivitäten
unnittclbar in das Verhalten des gesamten Filters einbezogen werden können.
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Ausgehend von einem durchstimmbaren Filter, insbesondere für den zrequenzbercich
verhältnismäßig kurzer elektromagnetischer Wellen, bei den mehrere fest abgestimmte
Teilfilter, deren einzelne Durchlaßbereiche hinsichtlich ihrcr Frequenzlage gegeneinander
versetzt sind, durch eine ein und ausgangsseitigc Parallelschaltung an jeweils einen
ein und ausgangsseitigen gemeinsamen Verzweigungspunkt angeschaltet sind, und bei
dem die Durchstimmung über elektronische Schalter in Form von Schaltdioden erfolgt,
die in den Zuleitungen zwischen den gemeinsamen Verzweigungspunkten und den Filtern
liegen, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in die Zuleitungen
zwischen die gemeinsamen Verzweigungspunktc zu den einzelnen Teilfiltern ein in
Form einer überbrückten T-Schaltung ausgebildeter Vierpol angeordnet ist, dessen
Längszweige aus gekoppelten Spulen bestehen und in dessen Querzweig die Schaltdiode
angeordnet ist.
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Dabei ist cs vorteilhaft, wenn die überbrückte T-Schaltung in der
Art eines Sparübertragers ausgebildet ist, Eine besonders günstige Bemessung läßt
sich dadurch erzielen, daß die Induktivität des Sparübertragers etwa viermal größer
ist als die Eigeninduktivität der im Querzweig angeordneten Diode einschließlich
deren Zuleitungsinduktivitlit und der Übertragerstreuinduktivität.
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Zur Regulierung der Anpassung an eine vorgegebene Übertragungsleitung
bzw an einen vorgegebenen Wellenwiderstand ist es günstig, wenn die Ankopplung an
den ersten und letzten
Kreis der jeweiligen Bandfilter über eine
transformatorische Kopplung erfolgt. Vorteilhaft wird man dabei den Transfermationsgrad
der transformatorisehen Kopplung einstellbar wählen Insbesonderc ist daran gedacht,
die einzelnen Teilfilter als für den Frequenzbereich der Mikro wellen geeignete
Filteer, insbesondere als Kammfilter, auszubilden.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung die Fig.1 ein Blockschaltbild eines elektronisch
durchstimmbaren Filters; Fig.2 das Schaltbild einschließlich der Zuleitungen eines
einzelnen Teilfilters; Fig.3 das elektrische Ersatzschaltbild des in Fig.2 verwendeten
elektronischen Schalters bei positiver Vorspannung der Diode; Fig.4 das elektrische
Ersatzschaltbild des elektronischen Schalters bei negativer Vorspannung der Diode.
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Das in Fig.1 im Blockschaltbild dargestellte Filter besteht aus den
einzelnen Teilfiltern 1 bis 8. Die einzelnen Teilfilter können bei untereinander
gleichartig aufgebaut sein.
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Auf jeden Fall ist jedoch dafür zu sorgen, daß die Durchlaßbereiche
der einzelnen Teilfilter hinsichtlich ihrcr Frequenzlage um einen bestimmten vorgegebenen
Frequenzbereich gegeneinander versetzt sind. Die einzelnen Tcilfiltcr sind also
auf feste Durchlaßfrequenzen abgestimmt und sind ein-und ausgangsseitig parallel
geschaltet. Der Filtereingang ist mit E, der Filterausgang mit A bezeichnet. So
wird oeispielsweise
bei einem in Frequenzhercich zwischen 1400
bis 1660 MHz rcalisierten Filter nach Fig.1 der gesamte Frequenzbereich in acht
Teilbereiche unterteilt, von denen jeweils ein einzelnes Teilfilter einen Übertragungsfrequenzbereich
von etwa 30 MHz Bandbreite hat. Die Durchstimmung des filters erfolgt nun in der
Weise, daß von n verwendeten Teilfiltern, wobei n eine ganzc Zahl bedeutet, jeweils
n-1 Teilfilter ein und ausgangsscitig kurzgeschlossen werden, wodurch nur j jeweils
ein Teilfilter zur Ubertragung cincs bestimmten Teilfrequenzbereiches herangezogen
wird. Wie der Erfindung zugrundc liegende Untersuchungen gezeigt haben, läßt sich
der ein und ausgangsseitige Kurzschluß beispielsweise in der Weise bewerkstelligen,
daß jeweils der crste und letzte Resonator der als Kammfilter realisierten Teilfilter
mit Hilfc von metallischen Stiften kurzgeschlossen wird. Dic Betätigung der Kurzschlußstiftc
läßt sich entweder motorisch oder auch unter Zuhilfenahme von Relaisschaltungen
durchaus bewerkstelligen, jedoch zeigt sich, daß dabei noch immer Schaltzeiten zur
Durchstimmung des Filtors auftreten, die in der Größenordnung von etwa cincr zehntel
Sekunde bis etwa einer halben Sekunde liegen, was für viele Anwendungsfälle nicht
ausreichend ist. Zur Erziclung wesentlich kürzerer Schaltzeiten, die in der Größcnordnung
von wenigen Millisekunden liegen, verwendet man deshalb Schaltdioden, die in den
in- und Ausgangsleitungen der einzelnen Teilfilter angeordnct sind. So liegt in
der Eingangsleitung zum Filter 1 cinc Diode D1 und in der Ausgangsleitung eine Diode
Di'. In gleicher Weise hat man sich, wie durch kleine Kreise angedeutet ist, in
sämtlichen Ein- und Ausgangsleitungen Dioden vorzustellen, so daß schließlich in
der Zuleitung des n-ten Teilfilters die Diode Dn und in der Ausgangsleitung desselben
Teilfilters die Schaltdiode Din liegt. Mit Hilfe einer Gleichspannung lassen sich
nun die Dioden D1 und Dl' so steuern, daß sic einen verhältnismäßig großen Widerstand
darstellen, während gleichzeitig alle übrigen Dioden ebenfalls unter Zuhilfenahme
einer
Gleich-Vorspannung so gesteuert werden, daß sic einen verhältnismäßig niedrigen
Widerstand darstellen. Damit sind die Ein- und Ausgänge der Teilfilter 2 bis 8 gegenüber
Masse kurzgeschlossen und es wird nur der vom Teilfilter 1 übertragene Frequenzbereich
an den Ausgang A der Filterschaltung weitergeleitet. In genau der gleichen Weise
lassen sich auch alle übrigen Teilfilter stcuern. Dic den Diodenwiderstand steuernde
Gleichspannung kann nach an sich bekannten Methoden, beispielsweise unter Zuhilfenahme
elektronischer Einrichtungen, sehr rasch an die einzelnen Dioden in der gewünschten
Weise herangeführt werden, wodurch sich auch die Durchstimmung des Filters bzw.
die Einstellung des jeweils durchzulassenden Frequenzbereiches in sehr kurzer Zeit
be wältigen läßt. Die jeweils durchlassenden Dioden stellen jedoch keinen reinen
Kurzschluß dar, vieln.ehr'entsteht aufgrund ihrer Eigeninduktivität die im wesentlichen
durch die Zuleitungsinduktivität zur Diode gebildet wird, ein induktiver Blindwiderstand,
der insbesondere bei höheren Frequenzen nicht mehr zu vernachlässigen ist. Wie sih
zeigt, läßt sich die Eigeninduktivität der Diode in verhältnismäßig einfacher Weise
dadurch in die gesamte Filterschaltung einbezichen, wenn in die Zulcitungen zwischen
die gemeinsamen Verzweigungspunkte E und A zu den einzelnen Teilfiltern ein in @orm
einer überbrückten T-Schaltung ausgebildeter Vierpol angeordnet wird, dessen Längszweige
aus gekoppelten Spulen bestehen und in dessen Qucrzweig die Schaltdiode angeordnet
ist In Fig.2 ist das elektrische Ersatzschaltbild eines einzelnen Teilfilters, beispielsweise
des Filters 1 von Fig.1 dargestellt.
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1n einem nach der Erfindung ausgeführten Ausführungsbeispiel sind
die einzelnen Teilfilter als vierkreisigc Kammfilter ausgeführt, deren Resonatoren
mit R1', R2', R3' und R4' bezeichnet und in elektrischen Ersatzschaltbild als aus
konzentrierten Schaltelementen bestehende Resonanzkreise dargestellt sind Die Ko@@lung
@er @in@@@nen Resonatoren erfolgt über die im
Ersatzschaltbild als
Induktivitäten 1' und L' dargestellten Koppelelemente. Bekannt-:lich werden untcr
Kammfiltern solche Filter verstanden, deren Resonatoren als kapazitiv belastete
Koaxialleitungsresonatoren ausgebildet sind, wobei die Kopplung- über eine Schlitzkopplung
erfolgt, die sich in der Regel über die gesamte Lange des Außenleiters erstreckt.
Zur Abstimmung der Kreise auf cine vorgegebene Rcsonanzfrequenz verwendet Tran beispielsweise
metallische Stifte, z.B. in Form von Schrauben, die den kapazitiven Endbelastungen
des Innenleiters gegenüberstehen und deren Abstand von der kapazitiven Endbelastung
einstellbar ist. Durch Änderung des Abstandes zwischen der kapazitiven Endbelastung
und dem ein tauchenden metallischen Stift ändert sich gleichzeitig auch die Endkapazität
des Resonanzkreises und damit seine Resonanzfrequenz. Dic Ankopplung an die Resonatoren
R1 und R4 er folgt über eine transformatorische Kopplung 11, was beim Kamrnfilter
in der Weise erfolgen kann, daß der Innenleiter angezapft wird. Wie später noch
erläutert wird, bildet man zweckmäßig diese transformatorische Kopplung 11 als veränderbare
Kopplung aus, wozu es lediglich erforderlich ist, die sogenannte Koppclhöhe, d.h.
also den Abstand zwischen der den Resonator-Innen- und Außenleiter verbindenden
Kurzschlußplatte und den Anzapfpunkt der Ankopplung vcränderbar auszubilden. Im
Ersatzschaltbild der Fig.2 sind wiederum der Eingang E und der Ausgang A des Gcsamtfilters
zu erkennen. Dic jeweiligen Zuleitungen von den Verzweigungspunkten zum jeweiligen
Teilfilter sind mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet.
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Zwischen die Zuleitungen 12 und den Filtereingang bzw. den Filterausgang
ist nun ein elektronischer Schalter in Formeines Vierpols 10 geschaltet, in dessen
Längszweig ein Sparübertrager S und in dessen Querzweig die Dioden Dl bzw. D1 angeordnet
sind. An den Dioden liegt die mit +V bezeichnete Gleichspannung, die, wie eingangs
bereits erwähnt wurde, jeweils durch elektronische Einrichtungen gesteuert werden
kann.
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Die Dioden sind hochfrequenzmäßig über Durchführungskondenstoren
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mit der durchgehenden Leitung, d.h. also mit der Masseleitung des Filters verbunden'
Anhand der Ersatzschaltbilder nach den Fig.3 und 4 soll nachstehend die Wirkung
des als elektronischer Schalter ausgebildeten Vicrpols 10 noch näher erläutert werden.
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Einc breitbandigc Sperrwirkung kann man mit cincr gekoppelte Induktivitäten
enthaltenden, überbrückten T-Schaltung, die sich auf einc Brückenschaltung zurückführen
läßt, dann erzielen, wenn die Brückenwiderstände der Bedingung R1-R2 genügen. Jc
genauer der Frequenzgang dicser Widerstände übereinstimmt, desto breitbandiger ist
die Schaltung. Da die Realisierung einer solchen Schaltung nach Art eines Sparübertragers
am einfachsten mit Hilfc einer angezapften Spule geschieht, ist der Widerstand 2R1
also eine induktivität.
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Wird nun eine mit positivcr Vorspannung betriebene Diode zwischen
die Spulenanzapfung und Masse gelegt, so R2 stellt 2 ebenfalls eine induktivität
dar, nämlich die Summe aus der Eigeninduktivität der Diode einschiießlich deren
Zuleitungsinduktivität und der Streuinduktivität des Sparübertragers, der bei einer
verhältnismäßig geringen Windungszahl ja mit Streuung behaftet ist. Die Eigeninduktivität
der Diode stört bei dieser Schaltung also durchaus nicht und kann sogar ausgenutzt
werden. Die Drückenbedingung R1 R2 für eine äquivalente 3rückensci:altung bedeutet
nun bei genauem Abgleich allerdings, daß die Übertragerinduktivität viermal größer
sein muß als die Induktivität in Querzweig, wobei auch die Eigenkapazität des Übertragers
berücksichtigt ist. Das Ersatzschaltbild des Vierpols 10 bei positiver Vorspannung
der Dioder ist in Fig.3 gezeichnet. L1 und Ca sind die Ubertragerinduktivität und
-eigenkapazität. L2 stellt die Summe von Diodeneigeninduktivität und Übertragerstreuinduktivität
dar, in der Mitte des interessierenden @requenzbereiches läßt sich
nun
immer ein Brückenabglcich erzielen, wenn der Widerstand des Längsparallelkreises
L1C1 vicrmal so groß gemacht wird wie der Widerstand von L2. Mit cincr Spule von
ca. zwei Windungen auf einem Kerndurchmesser von 6 mm bei einem Drahtdurchmesser
von 1 mm kann der Brückenabgleich schr leicht durch Verändern des Windungsabstandes
der Spulc erreicht werden. Der unterschiedliche Frequenzgang von Längsparallelkreis
und Querinduktivität wirkt sich dann in cinem Abfall der Sperrdämpfung aus. Sic
ist jedoch im gesamten Frequenzbereich zwischen 1400 und 1660 MHz größer 33 dB.
Der Eingangswiderstand ist hochohmig und hat eine geringe Fr@quenzabhängigkeit.
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Nun soll ein Schalter aber nicht nur günstige Sperreigenschaften sondern
auch geringe Durchlaßverluste aufweisen.
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Bei Umpolung der Diodenvorspannung, also stromloser Diode, stellt
die Diode eine kleine Kapazität C@ dar, wobei selbstverstandlich die Eigeninduktivität
der Diode glcich bleibt.
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Das Ersatzschaltbild des Vierpols 10 bei negativer Diodenvorspannung
zeigt Fig.4, das einen Allpaß zweiter Ordnung darstellt. In der Mitte des interessierenden
Frequenzbereiches dreht der Allpaß die Phase um 180°, so daß sein Wellenwiderstand
Iccinc Rollc spielt. Aber auch an den Grenzen des Frequenzbereiches stellt der Allpaß,
auch wenn sein Wellenwiderstand von Wellenwiderstand der Anschlußleitung abweicht,
lediglich eine Transformationsleitung dar, deren Wirkung durch eine geringfügige
Verstinnung in ersten bzw. letzten Kreis des jeweiligen Filters leicht berücksichtigt
werden kann.@ Betrachtet man nun mochmals die Fig.1 und 2, so gelten für ein in
Frequenzbereich zwischen 1400 und 1660 MHz realisicrtes Filter noch die folgenden
Überlegungen.
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Die acht Filterzweige 1 bis 8 sind gleichartig aufgebaut und lediglich
aufeinanderfolgende Filter un jeweils 30 MHz in
ihrer Mittenfrequenz
gegencinander versetzt. Die Koppelhöhe der Anzapfung des ersten bis vierten Kreises
ist veränderbar ausgeführt, um die Transformationswirkung ausgleichen zu können.
ei gesperrten Schaltern ist deren Eingangswiderstand eine hochohmige Induktivität,
die durch die konstruktiv bedingten Zuleitungen in hochohmig kapazitive Widerstände
gedreht werden. In den Verzweigungspunkten E und Ä sind dann jeweils sieben solcher
kapazitiver Widerstände parallel geschaltet, deren Wirkung in durchlassenden Filter
durch Anderung der Anzapfhöhe und der Resonanzfrequenz des ersten und vierten Kreises
berücksichtigt worden kann.
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6 Patentansprüche 4 Figuren