DE1929683C3 - Durchstimmbares Filter für den Mikrowellenbereich - Google Patents

Description

Aufbau eines elektronisch durchstimmbaren Filters anzugeben, das einerseits eine außerordentlich rasche Durchstimmiing ermöglicht und bei dem die durch die Verwendung von elektronischen Schaltern in Form von Schaltdioden auftretenden Eigeninduktivitäten unmittelbar in das Verhalten des gesamten Filters einbezogen werden können.

Ausgehend von einem durchstimmbaren Filter für den Mikrowellenbereich, bei dem mehrere, insbesondere als Kammfilter ausgebildete, fest abgestimmte Teilfilter, deren einzelne Durchlaßbereiche hinsichtlich ihrer Frequenzlage gegeneinander versetzt sind, durch eine ein- und ausgangsseitige Parallelschaltung an jeweils einen ein- und ausgangsseitigen gemeinsamen Verzweigungspunkt angeschaltet sind, und bei dem die Durchstimraung über elektronische Schalter in Form ,on Schaltdioden erfolgt, die in den Zuleitungen zwischen den gemeinsamen Verzweigungspunkten und den Filtern liegen, «vird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in die Zuleitungen zwischen die gemeinsamen Verzweigungspunkte zu den einzelnen Teiifiltern ein in Form einer T-Schaltung ausgebildeter Vierpol angeordnet ist, dessen Längszweige aus gekoppelten Spulen bestehen und in dessen Querzweig die Schaltdiode angeordnet ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die 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 Zuleitungsinduktivität und der Überlragerstreuinduktivität.

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 Transfonnationsgrad der transformatorischen Kopplung einstellbar wählen.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt 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,

F i g. 4 das elektrische Ersatzschaltbild des elektronichen Schalters bei negativer Vorspannung der Diode.

Das in Fig. 1 im Blockschaltb'ld dargestellte Filter besteht aus den einzelnen Telfiltern 1 bis 8. Die einzelnen Teilfilter können dabei untereinander gleichartig aufgebaut sein. Auf jeden Fall ist jedoch dafür zu sorgen, daß die Durchlaßbereiche der einzelnen Teilfilter hinsichtlich ihrer Frequenzlage um einen bestimmten vorgegebenen Frequenzbereich gegeneinander versetzt sind. Die einzelnen Teilfilter 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 beispielsweise bei einem im Frequenzbereich zwischen 1400 bis 1660 MHz realisierten Filter nach F i g. 1 der gesamte Frequenzbereich in acht Teilbereiche unterteilt, von denen jeweils ein einzelnes Teilfilter einen Übertragungsfrequenzbereich von etwa 30 MHz Bandbreite hat. Die Durch-Stimmung des Filters erfolgt nun in der Weise, daß von η verwendeten Teilfiltern, wobei η eine ganze Zahl bedeutei, jeweils n-\ Teilfilter ein- und ausgangsseitig kurzgeschlossen werden, wodurch nur jeweils ein Teilfilter zur Übertragung eines bestimm-

ten Teilfrequenzbereiches herangezogen wird. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, läßt sich der ein- und ausgangsseitige Kurzschluß beispielsweise >n der Weise bewerkstelligen, daß jeweils der erste und letzte Resonator der

ts als Kammfilter realisierten Teilfilter mit Hilfe von metallischen Stiften kurzgeschlossen wird. Die Betätigung der Kurzschlußstifte läßt sich entweder motorisch oder auch unter Zuhilfenahme von Relaisschaltungen durchaus bewerkstelligen, jedoch zeigt sich,

zo daß dabei noch immer Schaltzeiten zur Durchstimmung des Filters auftreten, die in der Größenordnung von etwa einer zehntel Sekunde bis etwa einer halben Sekunde liegen, was für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend ist. Zur Erzielung wesentlich kürzerer Schaltzeiten, die in der Größenordnung von wenigen Millisekunden liegen, verwendet man deshalb Schaltdioden, die in den Ein- und Ausgangsleitungen der einzelnen Teilfilter angeordnet sind. So liegt in der F.ingangsleitung zum Filter I eine 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 «-ten Teilfilters die Diode Dn und in der

Ausgangsleitung desselben Teilfilters die Schaltdiode D'n liegt Mit Hilfe einer Gleichspannung lassen sich nun die Dioden D1 und D Γ so steuern, daß sie einen verhältnismäßig großen Widerstand darstellen, während gleichzeitig alle übrigen Dioden ebenfalls unter Zuhilfenahme einer Gleich-Vorspannung so gesteuert werden, daß sie einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand darstellen. Damit sind die Ein- und Ausgänge der Teilfilter 2 bis 8 gegenüber Masse kurzgeschlossen und es wird nur der

♦5 vom Teilfilter 1 übertragene Frequenzbereich an den Ausgang A der Filterschaltung weitergeleitet. In genau der gleichen Weise lassen sich auch alle übrigen Teilfilter steuern. Die den Diodenwiderstand steuernde Gleichspannung kann nach an sich bekannten Me-

thoden, beispielsweise unter Zuhilfenahme elektronischer Einrichtungen, sehr ra„ch an die einzelnen Dioden in der gewünschten Weise herangeführt werden, wodurch sich auch die Durchstimmung des Filters bzw. Die Einstellung des jeweils durchzu-

lassenden Frequenzbereiches in sehr kurzer Zeit bewältigen läßt. Die jeweils durchlassenden Dioden stellen jedoch keinen reinen Kurzschluß dar, vielmehr entsteht auf Grund ihrer Eigeninduktivität, die im wesentlichen durch die Zuleitumgsinduktivität zur

Diode gebildet wird, ein induktiver Blindwiderstand, der insbesondere bei höheren Frequenzen nicht mehr zu vernachlässigen ist. Wie sich zeigt, läßt sich die Eigeninduktivität der Diode in verhältnismäßig einfacher Weise dadurch in die gesamte Filterschaltung einbeziehen, wenn in die Zuleitungen zwischen die gemeinsamen Verzweigungspunkte E und A zu den einzelnen Teilfiltern ein in Form einer überbrückten T-Schaltung ausgebildeter Vierpol angeordnet wird,

dessen Längszweige aus gekoppelten Spulen bestehen Da die Realisierung einer solchen Schaltung nach und in dessen Querzweig die Schaltdiode angeordnet Art eines Sparübertragers am einfachsten mit Hilfe ist. einer angezapften Spule geschieht, ist der Widerin Fig. 2 ist das elektrische Ersatzschaltbild eines stand 2A₁ also eine Induktivität. Wird nun eine mil einzelnen Teilfilters, beispielsweise des Filters 1 von 5 positiver Vorspannung betriebene Diode zwischen F i g. 1 dargestellt. In einem nach der Erfindung aus- ,. _c . _f ... . . . „_A K.

geführten Ausführungsbeispiel sind die einleinen ^die Spulenanzapfung und Masse gelegt, so stellt -f

Teilfilter als vierkreisige Kammfilter ausgeführt, ebenfalls eine Induktivität dar, nämlich die Summe deren Resonatoren mit R V, R 2', R 3' und R 4' be- aus der Eigeninduktivität der Diode einschließlich zeichnet und im elektrischen Ersatzschaltbild als aus io deren Zuleitungsinduklivtät und der Streuinduktivitäl konzentrierten Schaltelementen bestehende Reso- des Sparübertragers, der bei einer verhältnismäßig nanzkreise dargestellt sind. Die Kopplung der einzei- geringen Windungszahl ja mit Streuung behaftet ist. nen Resonatoren erfolgt über die im Ersatzschaltbild Die Eigeninduktivität der Diode stört bei dieser als Induktivitäten L und L' dargestellten Koppel- Schaltung also durchaus nicht und kann sogar auselemente. Bekanntlich werden unter Kammfiltern 15 genutzt werden. Die Brückenbedingung R₁-Rg für solche Filter verstanden, deren Resonatoren als kapa- eine äquivalente Brückenschaltung bedeutet nun bei zitiv belastete Koaxialleitungsresonatoren ausgebildet genauem Abgleich allerdings, daß die Übertragersind, wobei die Kopplung über eine Schlitzkopplung induktivität viermal größer sein muß als die Indukerfolgt, die sich in der Regel über die gesamte Länge tivität im Querzweig, wobei auch die Eigenkapaztäl des Außenleiters erstreckt. Zur Abstimmung der 20 des Übertragers berücksichtigt ist. Das Ersatzschalt-Kreise auf eine vorgegebene Resonanzfrequenz ver- bild des Vierpols 10 bei positiver Vorspannung der wendet man beispielsweise metallische Stifte, z. B. in Diode ist in F i g. 3 gezeichnet. L₁ und C₁ sind die Form von Schrauben, die den kapazitiven End- Übertragerinduktivität und -eigenkapazität L_s stellt belastungen des Innenleiters gegenüberstehen und die Summe von Diodeneigeninduktivität und Überderen Abstand von der kapazitiven Endbelastung 25 tragerstreuinduktivität dar. In der Mitte des intereinstellbar ist. Durch Änderung des Abstandes zwi- essierenden Frequenzbereiches läßt sich nun immer sehen der kapazitiven Endbelastung und dem ein- ein Brückenabgleich erzielen, wenn der Widerstand tauchenden metallischen Stift ändert sich gleichzeitig des Längsparallelkrcises L₁C₁ viermal so groß geauch die Endkapazität des Resonanzkreises und da- macht wird wie der Widerstand von L₂. Mit einer mit seine Resonanzfrequenz. Die Ankopplung an die 30 Spule von etwa zwei Windungen auf einem Kern-Resonatoren R1 und R 4 erfolgt über eine transfor- durchmesser von 6 mm bei einem Drahtdurchmesser matorische Kopplung 11, was beim Kammfilter in von 1 mm kann der Brückenabgleich sehr leicht der Weise erfolgen kann, daß der Innenleiter ange- durch Verändern des Windungsabstandes der Spule zapft wird. Wie später noch erläutert wird, bildet erreicht werden. Der unterschiedliche Frequenzgang man zweckmäßig diese transformatorische Kopplung 35 von Längsparallelkreis und Querinduktivität wirkt 11 als veränderbare Kopplung aus, wozu es lediglich sich dann in einem Abfall der Sperrdämpfung aus. erforderlich ist, die sogenannte Koppelhöhe, d. h. Sie ist jedoch im gesamten Frequenzbereich zwischen also, den Abstand zwischen der den Resonator- 1400 und 1660MHz größer 33 dB. Der Eingangsinnen- und Außenleiter verbindenden Kurzschluß- widerstand ist hochohmig und hat eine geringe Frcplatte und den Anzapfpunkt der Ankopplung ver- 40 quenzabhängipkeit.

änderbar auszubilden. Im Ersatzschaltbild der F i g. 2 Nun soll cm Schalter aber nicht nur günstige

sind wiederum der Eingang E und der Ausgang A Spcrreigemchaften, sondern auch geringe Durchlaß-

des Gesamtfilters zu erkennen. Die jeweiligen Zu- Verluste aufweisen. Bei Umpolung der Diodenvor-

leitungen von den Verzweigungspunkten zum je- spannung, also stromloser Diode, stellt die Diode

weiligen Teilfilter sind mit der Bezugsziffer 12 be- 45 eine kleine Kapazität C,, dar, wobei selbstverständ-

zeichnet. Zwischen die Zuleitungen 12 und den FiI- lieh die Eigeninduktivität der Diode gleich bleibt,

tereingang bzw. den Filterausgang ist nun ein elek- Das Ersatzschallbld des Vierpols 10 bei negativer

ironischer Schalter in Form eines Vierpols 10 ge- Diodenvorspannung zeigt F i g. 4, das einen AlIpaG

schaltet, in dessen Längszweig ein Sparübertrager S zweiter Ordnung darstellt. In der Mitte des intcr-

und in dessen Querzweig die Dioden Dl bzw. DV 50 essierenden Frequenzbereiches dreht der Allpaß die

angeordnet sind. An den Dioden liegt die mit ± V Phase um 180 \ so daß sein Wellenwiderstand keine

bezeichnete Gleichspannung, die, wie eingangs be- RoJIe spielt. Aber auch an den Grenzen des Fre-

rehs erwähnt wurde, jeweils durch elektronische Ein- quenzbereiches stellt der AHpaß, auch wenn sein

richtungen gesteuert werden kann. Die Dioden sind Wellenwiderstand vom Wellenwiderstand der An-

hochfrequenzmäßig über Durchführungskondensato- 55 Schlußleitung abweicht, lediglich eine Transforma-

ren 13 mit der durchgehenden Leitung, d. h. also mit tionsleitung dar, deren Wirkung durch eine gering-

der Masseleitung des Filters verbunden. fügige Verstimmung im ersten bzw. letzten Kreis des

An Hand der Ersatzschaltbilder nach den F i g. 3 jeweiligen Filters leicht berücksichtigt werden kann,

und 4 soll nachstehend die Wirkung des als elektro- Betrachtet man nun nochmals die F i g. 1 und 2,

nischer Schalter ausgebildeten Vierpols 10 noch 60 so gelten für ein im Frequenzbereich zwischen 140C

näher erläutert werden. und 1660 MHz realisiertes Filter noch die folgenden

Eine breitbandige Sperrwirkung kann man mit Überlegungen.

einer gekoppelte Induktivitäten enthaltenden, über- Die acht Filterzweige 1 bis 8 sind gleichartig aufbrückten T-Schaltung, die sich auf eine Brücken- gebaut und lediglich aufeinanderfolgende Filter um schaltung zurückführen läßt, dann erzielen, wenn die 65 jeweils 30 MHz in ihrer Mittenfrequenz gegenem-Brückenwiderstände der Bedingung R₁-R₁ genügen. ander versetzt. Die Koppelhöhe der Anzapfung des Je genauer der Frequenzgang dieser Widerstände ersten bis vierten Kreises ist veränderbar ausgeführt, übereinstimmt, desto breitbandiger ist die Schaltung. um die Transformationswirkung ausgleichen zu kön-

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nen. Bei gesperrten Schaltern ist deren Eingangswiderstand eine hoohohmige Induktivität, die durch die konstruktiv bedingten Zuleitungen in hochohmige kapazitive Widerstände gedreht werden. In den Verzweigungspunkten E und A sind dann jeweils sieben

solcher kapazitiver Widerstände parallel geschaltet deren Wirkung im durchlassenden Filter durch Ände rung der Anzapfhöhe und der Resonanzfrequenz dei ersten und vierten Kreises berücksichtigt werder kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

1. einen vorgegebenen Teilfrequenzbereich auszusieben.

   Patentansprüche: Insbesondere im Frequenzbereich der Mikrowellen ^ stellt sich aus an sich bekannten Gründen häufig die •' I. Durchstimmbares Filter für den Mikro- Aufgabe, durchstimmbare Filter zu realisieren, d. h. Wellenbereich, bei dem mehrere, insbesondere als 3 solche Filter, deren Durchlaßbereich hinsichtlich Kammfilter ausgebildete, fest abgestimmte Teil- seiner Frequenzlage innerhalb eines bestimmten Frefilter, deren einzelne Du/chlaßbereiche hinsieht- quenzbereiches einstellbar ist Zur Lösung dieser lieh ihrer Frequenzlage gegeneinander versetzt Aufgabe ist es bereits bekannt, bei Mikrowellenfilsind, durch eine ein- und ausgangsseitige Parallel- tern, die beispielsweise aus mehreren gekoppelten schaltung an jeweils einen ein- und ausgangs- io Koaxialleitungs-Resonatoren oder aus mehreren geseitigen gemeinsamen Verzweigungspunkt ange- koppelten Hohlleitungs-Resonatoren bestehen, verschaltet sind, und bei dem die Durchstimmung änderbare Abstimmittel vorzusehen, mit deren Hilfe über elektronische Schalter in Form von Schalt- die Resonanzfrequenz der einzelnen Resonatoren bedioden erfolgt, die in den Zuleitungen zwischen einflußt werden kann. Die Durchstimmung kann daden gemeinsamen Verzweigungspunkten und den 15 bei z. B. in der Weise vorgenommen werden, daß Filtern liegen, dadurch gekennzeichnet, jeder einzelne Resonator nach einer geeichten Skala daß in die Zuleitungen zwischen die gemeinsamen für sich getrennt abgestimmt wird. Abgesehen davon, Verzweigungspunkte (E, Λ) zu den einzelnen Teil- daß diese Art der Durchstimmung verhältnismäßig filtern (1 bis 8) ein in Form einer T-Schaltung zeitraubend ist, erfordert sie darüber hinaus vom Beausgebiideter Vierpol (10) angeordnet ist, dessen 20 dienenden eine verhältnismäßig große Aufmerksam-Längszweige aus gekoppelten Spulen bestehen keit, da nämlich bereits kleine Einstellfehler die FiI- und in dessen Querzweig die Schaltdiode ange- tercharakteristik derart verändern können, daß die ordnet ist. einwandfreie Funktion des Filters nicht mehr ge-
2. 2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn- währleistet ist. Zur Behebung dieser Schwierigkeiten zeichnet, daß die T-Schaltung in der Art eines 25 ist es weiterhin bereits bekanntgeworden, die Ab-Sparübertragers (5) ausgebildet ist. Stimmittel der einzelnen Resonatoren mechanisch
3. 3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekenn- miteinander zu kuppeln und die einzelnen Rcsonazeichnet, daß die Induktivität des Sparübertragers toren im Gleichlauf durchzustimmen. Wie sich zeigt, etwa viermal größer ist als die Eigeninduktivität ist diese Art der Durchstimmung auch dann noch /u der im Querzweig angeordneten Diode (D) ein- 30 langwierig, wenn es darauf ankommt, die sich wähschließlich deren Zuleitungsinduktivität und der rend des Durchstimmvorganges zwingend ergebende Übertragerstreuinduktivität. Unterbrechung der Nachrichtenübertragung auf eine
4. 4. Filter nach einem der vorhergehenden An- möglichst kurze Zeit zu beschränken.

   sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die An- Um die Durchstimmzeit möglichst zu verkürzen,

   kopplung an den ersten und letzten Kreis der je- 35 wird man deshalb versuchen, elektronisch zu betäti-

   weiligen Bandfilter (1 bis 8) über eine transfor- gende Schalter zu verwenden. In diesem Zusammcn-

   matorische Kopplung (11) erfolgt. hang ist beispielsweise durch die deutsche Auslege-
5. 5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekenn- schrift 1 235 385 bereits ein Mehrbereich-Überzeichnet, daß der Transformationsgrad der ti ans- tragungsempfängcr bekanntgeworden, bei dem u. a. formatorischen Kopplung (11) einstellbar ist. 40 eine Schaltung verwendet ist, die, abgesehen von der

   Verwendung weiterer Schaltungsanordnungen, in etwa auf die Parallelschaltung fest abgestimmter Teilfilter unterschiedlicher Bandmittenfrequenzen hinausläuft. Als elektronische Schalter sind elektronisch ge-

   45 steuerte 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 50 bei höheren Frequenzen der kapazitive Blindwider-

   Die Erfindung betrifft ein durchstimmbares Filter stand der sperrenden Dioden nicht mehr hochohmig für den Mikrowellenbereich, bei dem mehrere, ins- genug ist, um eine ausreichende Sperrwirkung zu erbesondere als Kammfilter ausgebildete, fest abge- zielen. Andererseits sind auch elektronische Schaltei stimmte Teilfilter, deren einzelne Durchlaßbcrciche bekannt, bei denen die Diode im Querzweig liegt. In hinsichtlich ihrer Frequenzlage gegeneinander versetzt 55 diesem Fall wird an die Diode eine positive Vorspansind, durch eine ein- und ausgangsscitigc Parallel- nung gelegt, so daß ihr elektrisches Ersatzschaltbild schaltung an jeweils einen ein- und ausgangssciligcn der Diodcnverlustwiderstand in Reihe mit der ungemeinsamen Verzweigungspunkt angeschaltet sind, vcrmcidlichcn Eigeninduktivität ist. Bei hohen Freund bei dem die Durchstimmung über elektronische quen/.en ist nun aber auch hier die Sperrwirkunj Schalter in Form von Schaltdioden erfolgt, die in den 60 durch den Blindwiderstand der Eigeninduktivität beZuleitungen zwischen den gemeinsamen Vcrzwei- grenzt.

   gungspunkten und den Filtern liegen. Auch ist durch die USA.-Patentsohrift 2 664 54t

   Filterschaltungen sind bekanntlich frequenz- ein Signalvertcilungssystcm bekanntgeworden, bc selektive Schaltungsanordnungen, die immer dort für dem zum Ziwecke der Einbeziehung von störender den Aufbau komplexer elektrischer Schaltungen er- 65 Streu reaktanzen ohne merkbaren Einfluß auf das Geforderlich sind, wo es darum geht, bei einer mehrere samtverhaltcn der Schaltung überbrückte T-Schaltun-Frequenzen bzw. ein verhältnismäßig breites Frc- gen mit gekoppelten Spulen verwendet sind, quenzbanc! übertragenden Nachrichtenverbindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der