DE1957760A1 - Filterschaltungen - Google Patents

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated Seide, H., 54

New York, N. Y., 10007, VStA FILTERSCHALTUNGEN

Die Erfindung betrifft Filterschaltungen unter Verwendung von Mehrf achm'o den- Netz wer kabs chnitten.

Üblicherweise sieht man Schaltungselemente als Zweipol-Bauteile an, beispielweise Spulen, Kondensatoren und Widerstände. Diese Grundbauteile sind nicht nur die üblichen Bauteile, sondern lassen sich außerdem sehr billig und genügend klein herstellen, wodurch eine Verwendung in großer Anzahl ermöglicht wird. In der letzten Zeit ist jedoch der Quadratur-Hybridkoppler (90 -Hybridkoppler) so weit entwickelt worden, daß er ebenfalls sehr billig und klein hergestellt werden kann. Damit steht für den Entwurf von Schaltungen ein weiteres Grundbauteil mit einer Vielzahl von interessanten und brauchbaren Eigenschaften zur Verfügung.

Beim Entwurf eines Filters unter Verwendung von Zweipol-Bauteilen müssen die Bauteile so angeordnet werden, daß sie die zur Erzielung der gewünschten Filterkennlinie erforderlichen Kombinationen von Reihen- und Parallelstromkreisen bilden.

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Vierpol-Bauteile sind dagegen bimodal und demgemäß durch zwei verschiedene Normal-Moden und zwei verschiedene Moden-Ansprechwerte gekennzeichnet. Folglich läßt sich das gleiche Bauteil zur Erzielung wesentlich verschiedener Funktionen in einer Filterschaltung verwenden.

Eines der bekannteren Vierpol-Bauteile ist der Quadratur-Hybridkoppler. Ein solcher Koppler weist eine Impedanzanpassung über einen verhältnismäßig großen Frequenzbereich auf. Er ist daher besonde rs brauchbar in Systemen, bei denen eine Impedanzanpassung bei niedrigen Verlusten in einem großen Frequenzbereich gefordert werden. Dies gilt in typischer Weise für Systeme unter Verwendung von Tunnel-Dioden, da diese in bekannter Weise einen negativen Widerstand über einen Frequenzbereich zeigen, der sich nach unten bis zu Gleichstrom erstreckt. Aufgrund dieser möglichen Instabilität müssen daher in Verbindung mit sochen aktiven Elementen Filterschaltungen verwendet werden, die sowohl außerhalb als auch innerhalb des interessierenden Frequenzbandes impedanzangepaßt sind.

Zu den Aufgaben der Erfindung gehört es daher, Filter unter Verwendung von bimodalen Netzwerkabschnitten, beispielsweise Quadratur-Hybridkopplern zusammenzusetzen,

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Ein Filter nach der Erfindung weist eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Vierpol-Bauteilen auf, die alle durch das gleiche Paar normaler Ausbreitungs-Moden (Schwingungsformen) gekennzeichnet sind. Benachbarte Paare der Vierpol-Bauteile werden mit Hilfe eines Moden-Wandlers gekoppelt, der die Energie insgesamt von einer in die andere der Moden umwandelt.

Bei einem der im folgenden noch genauer zu beschreibenden Ausführungsbeispiele wird ein Ubertragungsleitungsfilter unter Verwendung von Abschnitten eines Doppelleiter-Koaxialkabels zusammengesetzt, die durch einen Phasenschieber gekoppelt sind, welcher eine relative Phasenverschiebung von 180 zwischen den sich entlang der beiden Innenleiter ausbreitenden Signalkomponenten bewirkt.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Koppelfilter durch in Reihe geschaltete Quadratur-Hybridkoppler zusammengesetzt.

Erfindungsgemäß wird die Möglichkeit geschaffen, daß die verschiedenen Mo den-Ans ρ rechwerte eines Vierpol-Netzwerkes gleichzeitig verfügbar sind, obwohl sie in weitern Umfang voneinander unabhängig sind. Es kann dann das gleiche Vierpol-Netzwerk überall in der Filters ehaltung verwendet werden, um - 009822/1480

endweder ein Reihen- oder Parallel-Netzwerkbauteil darzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in Form eines Blockschaltbildes ein Filter nach der Erfindung;

Fig. 2 ein erstes spezielles Ausführungsbeispiel der

Erfindung unter Verwendung eines Doppelleiter-Koaxialkabels als bimodales Netzwerk;

Fig. 3 die Impedanz jedes der Nfetzwerkabschnitte, die das Filter nach Fig. 2 bilden;

Fig. 4 ein zweites spezielles Ausführungsbeispiel eines Filters nach er Erfindung mit einer Reihenschaltung von Quadratur-Hybridkopplern;

Fig. 5 das Ersatzschaltbild eines Quadratur-Hybridkopplers mit konzentrierten Elementen;

Fig. 6 das Frequenzansprechen des Kopplers mit konzentrierten Elementen nach Fig. 5;

Fig. I₃ 18 und 19 einen Quadratur-Koppler, der symmetrisch mit Bezug auf ein gewähltes Anschlüßpaar angeregt ist, und die Ersatzschaltungen für symmetrische Anreging des Kopplers mit

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Beäug auf das gewählte Anschlußpaar;

Fig. 9 das symmetrische Ersatzschaltbilfd jedes Netzwerkabschnittes nach Fig. 4;

Fig. 10, 20, 11 und 21 einen Quadratur-Koppler, der antisymmetrisch mit Bezug auf ein gewähltes Anschlußpaar angeregt ist, und die Ersatzschaltungen für antisymmetrische Anregung des Kopplers mit Bezug auf die gewählten Anschlüsse;

Fig. 12 das antisymmetrische Ersatzschaltbild jedes Netzwerkabschnittes nach Fig. 4;

Fig. 13 das Ersatzschaltbild des Filters nach Fig. 4 bei symmetrischer Anregung;

Fig. 14 das Ersatzschaltbild des Filte rs nach Fig. 4 bei antisymmetrischer Anregung;

Fig. 15 eine an einen Anschluß des Filters nach Fig. angeschaltete Signalquelle;

Fig. 16 und 17 Das Äquivalent des symmetrischen und antisymmetri'schen Mode bei der Anregungsart nach Fig. 15.

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Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Filter 10 mit einer Vielzahl con in Reihe geschalteten bimodalen Netzwerkabschnitten 11, 12, 13 und 14, die mit Hilfe von Mode-Wandlern 15, 16 und 17 gekoppelt sind. Eine Signalquelle 18 ist an die Anschlüsse 1 und 2 des Filters 10 über den Anschluß 1 eines Vierpol-Eingangskoppelnetzwerkes 19 angelegt. Der Anschluß 2 des Eingangsnetzwerkes 19 ist mit einem Widerstand abgeschlossen.

Ausgangsseitig sind die Anschlüsse 3 und 4 des Filters 10 über ein Vierpol-Ausgangskoppelnetzwerk 20 an eine Belastung 21 angeschlossen, die am Anschluß 1 des Köppeinetzwerkes 20 liegt. Der Anschluß 2 des Netzwerkes 20 ist mit einem Widerstand abgeschlossen.

In Fig. 1 sind zwar nur vier Netzwerke und drei Moden-Wandler gezeigt, aber im allgemeinen hängt die Anzahl der in einem speziellen Fall verwendeten Netzwerke von der jeweiligen Anwendung ab und kann von minimal zwei über einen einzigen Moden-Wandler gekoppelten bimodalen Netzwerken bis zu einer unbestimmbaren Maximalzahl von bimodalen Netzwerken reichen.

Alle bimodalen Netzwerke 11 bis 14 sind durch das gleiche Paar normaler Ausbreitungsmoden gekennzeichnet, wobei der Ausdruck "Normal Mode" sich auf eine bestimmte Anregungsart bezieht,

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die für das ganze Netzwerk gleich bleibt. Dabei kann es sich entweder um ähnliche Netzwerke handeln, bei denen der Netzwerkaufbau gleich, aber die Netzwerkparameter verschieden sind, oder um identische Netzwerke. In beiden Fällen spricht jeder Netzwerkabschnitt verschieden auf die beiden verschiedenen Anregungsarten an. So läuft ein aus einer Signalquelle 18 kommendes Signal, das an den Eingang des Filters 10 gekoppelt ist, über das Netzwerk 11 mit einer Moden-Konfiguration und führt zu einem entsprechenden Ansprechen des Netzwerks. Das Signal durchläuft dann den Modenwandler 15, der die Moden-Konfiguration in eine zweite Anregungsart ändert. Dadurch ergibt sich ein entsprechend anderes Ansprechen des Netzwerkes 12. Die Umwandlung bzw. Rückumwandlung zwischen den Moden zur Erzeugung eines unterschiedlichen Ansprechens benachbarter Netzwerkabschnitte setzt sich fort, bis der letzte Netzwerkabschnitt 24 erreicht ist. Das sich ergebende Ausgangs signal dieses Filters, das an das Ausgangsnetzwerk 20 abgegeben wird, ist eine Funktion der in Reihe geschalteten Ansprechwerte jedes Netzwerkabschnittes und läßt sich durch die richtige Auswahl der Schaltengsparameter und Moden steuern.

Ein Ausführungsbeispieft eines solchen Filters ist in Fig. 2 gezeigt. Jedes Netzwerk 11, 12, 13 und 14 ist ein Abschnitt einer Doppelader-Koaxialübertragungsleitung mit einem Paar von

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Innenleitern 30 und 31, die symmetrisch mit Bezug auf die Achse z-z der Übertragungsleitung angeordnet und vdm einem Außenleiter 32 umgeben sind. Die Moden-Wandler 15, 16 und enthalten phaseninvertierende Übertrager 24, 25 und 26, die zwischen einen der Innenleiter 30 und den Außenleiter 32 so geschaltet sind, daß benachbarte Abschnitte des Leiters 30 gekoppelt werden.

Das Filter wird von einer Signalquelle 18 angeregt, die an den Anschluß 1 des Eingangskoppelnetzwerkes 19 angeschaltet ist. Der Anschluß 2 des Netzwerkes 19 ist mit einem Widerstand abgeschlossen, und die Anschlüsse 3 und 4 liegen an den Leitern 31 bzw. 30. Das Eingangskoppelnetzwerk 19 weist einen Gabelübertrager auf, derart, daß bei Anschaltung der Signalquelle 18 an den Anschluß 1 gemäß Fig. 2 die Leiter 30 und 31 in Phase oder symmetrisch angeregt werden. Wenn andererseits die Signalquelle 18 an den Anschluß 2 gelegt wäre, würden die Leiter 30 und 31 180 außer Phase oder antisymmetrisch angeregt. Auf der Ausgangsseite des Filters weist das Ausgangskoppelnetzwerk 20 einen zweiten Gabelübertrager auf, dessen Aus gangs anschlüsse 1 und 2 mit Belastungen 21 und 22 verbunden sind. Wenn die Anschlüsse 3 und 4 in Phase angeregt werden, wird das gesamte Signal der Belastung 21 zugeführt. Wenn die Anschlüsse 3 und 4 außer Phase angeregt werden, wird gesamte Signalenergie dem

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Anschluß 2 und der Last 22 zugeführt.

Wenn die Signalquelle 18 gemäß Fig. 2 an den Anschluß 1 des Netzwerkes 19 angeschaltet ist, werden die Leiter 30 und 31 in Phase beaufschlagt. Dann liegen beide Innenleiter auf dem gleichen Potential, und der das bimodale Netzwerk 11 bildende Abschnitt der Übertragungsleitung stellt bezüglich des Signals eine Länge einer koaxialen Übertragungsleitung mit dem Wellenwiderstand Z₁ dar. Wenn jedoch das Signal auf dem Leiter das Ende des Abschnittes 11 erreicht, erfährt es im Übertrager 24 eine relative Phasenverschiebung von 180^p mit Bezug auf das Signal des Leiters 31. Aufgrund dieser Phasenverschiebung haben die Signale der beiden Innenleiter jetzt zwar gleiche Amplitude, aber eine Phasenverschiebung um 180 , so daß der antisymmetrische Mode vorliegt. Dann erscheint der Abschnitt \2 den Signalen als Zweidrahtabschnitt einer Übertragungsleitung mit dem Wellenwiderstand Z₀, wobei Z_n kleiner als Z₁ ist.

A Δ 1

Im nächsten Moden-Wandler 16 erfahren die Signale eine zweite relative Phasenverschiebung von 180 , wodurch der symmetrische Anregungsmode für die Leiter 30 und 31 wiederhergestellt wird. Folglich erscheint; der Abschnitt 13 als Abschnitt einer koaxialen Übertragungsleitung mit dem Wellenwiderstand Z .

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. /jo

Entsprechend stellt der antisymmetrisch angeregte Abschnitt 14 einen Abschnitt einer Leitung mit dem kleineren Wellenwiderstand Z dar.

Fig. 3 zeigt symbolisch das Filter nach Fig. 2 mit abwechselnden Abschnitten einer Übertragungsleitung des Wellenwiderstandes Z₁ gefolgt von Abschnitten der Übertragungsleitung mit dem kleineren Wellenwiderstand Z . Man erkennt, daß durch Ausnutzung des unterschiedlichen Moden-Ansprechwerte einer Doppelleiter-Koaxialleitung wesentlich verschiedene elektrische Eigenschaften ohne Veränderung des physikalischen Aufbaus der Leitung realisiert werden. Allgemeiner gesagt, hat die Einführung periodischer Moden-Übergänge entlang einer bimodalen Anordnung den Effekt, daß die Netzwerkeigenschaften der beiden Moden sich addieren.

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Koppelfilters 40 mit einer Reihenschaltung von Quadratur-Hybrid kopplern 41 bis 46. Dabei wird der Ausdruck "Quadratur-Hybridkoppler" in seinem üblichen Sinn benutzt, um ein Energieteilernetzwerk mit 4 Anschlüssen zu beschreiben, bei dem die Anschlüsse paarweise vorliegen, wobei die jedes Paar bildenden Anschlüsse konjugiert zueinander sind und mit den Anschlüssen des anderen Paares . koppeln. Außerdem liegen die aufgeteilten Signalkomponenten

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um 90 außer Phase, worauf die Bezeichnung "Quadratur"-Koppler beruht.

Es soll jetzt gezeigt werden, daß sich die Grundgedanken der Erfindung auf Quadratur-Hybrid-Koppler anwende η lassen,
um eine Vielzahl von Koppelfilteranordnungen aufzubauen. Zur Erläuterung soll dabei besonders auf Koppler mit konzentrierten Elementen eingegangen werden, da diese sich am einfachsten beschreiben lassen.

Ein Koppler mit konzentrierten Elementen weist zwei voneinander isolierte Leiter auf, deren elektrische Länge ein kleiner Bruchteil der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist. In typischer Weise werden Längen in der Größenordnung von einem Achtel der Wellenlänge und weniger verwendet. Die Leiter können entweder gegenseitig verdrillt sein, um eine konstante gegenseitige Orientierung beizubehalten oder können auf entgegengesetzten Seiten eines dielektrischen Materials angeordnet sein.

Wegen der kleinen elektrischen Länge können gemäß Fig. 5 in der Ersatzschaltung eines solchen Kopplers konzentrierte Impedanzelemente verwendet werden. In Fig. 5 sind die beiden Adern durch zwei festgekoppelte Spulen 50 und 51 dargestellt.

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Die Kapazität zwischen den beiden Leitern wird durch die beiden Kondensatoren 52 und 53 wiedergegeben. Die vier Koppleranschlüsse sind mit den Ziffern 1, 2, 3 und 4 bezeichnet, wobei die Anschlüsse 1 und 4 das eine Paar konjugierten Anschlüsse und die Anschlüsse 2 und 3 das andere Paar bilden.

Wenn die Selbstinduktivität jedes Leiter L und die gesamte Kapazität zwischen den Leitern C ist, so errechnet sich der Wellenwiderstand Z_ des Kopplers zu

Z₀ = ^L[C (l)

und das Energieteilerverhältnis ist gleich eins bei einer Winkelfrequenz

oo J-

O 4 LC

(2)

Die Signalaufteilung als Funktion der Frequent wird durch die Kurven 60 und 61 in Fig. 6 angegeben, die die Amplitude der übertragenen Signalfeomponenten t und der reflektierten Quadratur-Signalkomponente k angeben, wobei

\~ l 2 c^ ι 2

H + IkJ = 1. (3)

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1.95776p

Grundsätzlich hat die übertragene Komponente ein Maximum bei der Frequenz Null und nimmt mit steigenden Frequenzen ab. Die reflektierte Komponente hat dagegen ein Minimum bei der Frequenz Null und nimmt mit steigenden Frequenzen zu. Bei der Übergangsfrequenz co sind die beiden Komponenten gleich.

Wie die Ersatzschaltung nach Fig. 5 zeigt, ist ein Quadratur-Hybrid« koppler bisymraetrisch oder doppelsyminetrisch mit Bezug auf zwei zueinander rechtwinklige Achsen z-z und y-y, von denen jede den Koppler in zwei identische Zweipole aufteilt. Diese werden als "zweigeteilte Prototypen" bezeichnet und lassen sich bequem zur Untersuchung des Kopplers verwenden, da jeder von ihnen alle Eigenschaften des ursprünglichen Vierpols aufweist. Der Koppler läßt sich auch als "bimodal" kennzeichnen, womit gemeint ist, daß in jeder Gruppe von Anschlüssen I der Kehrwert von V ist und daß jede Gruppe von Anschlüssen der Kehrwert der anderen Gruppe ist. Dies soll nachfolgend durch getrennte Anregung des Kopplers in der symraetrischen und der antisymme- ■ trischen Schwingungsform gezeigt werden.

Entsprechend Fig. 4 sind die das Filter 40 bildenden Koppler in Paaren 41-42, 43-44 und 45-46 angeordnet, wobei jedes Paar einem der bimodalen Netzwerkabschnitte 11, 12 und 13 in

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Fig. 1 entspricht. BezujjLich jedes Paares ist der zweite Koppler um 90 gegen den ersten Koppler verdreht, so daß ein Paar von Anschlüssen 3 und 4, die symmetrisch zu einer der Symmetrieachsen liegen, mit einem Paar von Anschlüssen ;1 und 3 gekoppelt ist, die symmetrisch mit Bezug auf die andere Symmetrieachse liegen.

Benachbarte Netzwerkabschnitte sind über Phasenschieber 47 und 48 mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 gekoppelt, die in einem der Verbindungswege liegen. Diese Phasenschieber entsprechenjden Modewandlern 15 und 16 in Fig. 1.

Der Anschluß 1 des Hybridkopplers 41 ist der Filter-Eingang sanschluß , mit dem eine Signal^nelle 49 verbunden ist. Ausgangssignale werden dem Anschluß 2tUes ersten Hybridkopplers 41 undem Anschluß 2 des letzten Hybridkoppler 46 entnommen. Der Anschluß 4 des Kopplers 46 ist durch einen Widerstand abgeschlossen.

Es sind zwar nur drei bimodale Netzwerkabschnitte gezeigt, aber es sei, fade bereits gesagt, daraufhingewiesen, daß Mach Bedarf weitere Abschnitte hinzugefügt werden können.

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Die Betriebsweise und die Eigenschaften des Filters 40 sollen jetztu ntersucht werden, in dem zuerst die modalen Eigenschaften eines Quadratur- Hybridkopple rs mit Bezug auf seine beiden Symmetrieachsen geprüft werden, d.h., der Koppler soll zuerst symmetrisch und dann antisymmetrisch angeregt sein.

Die modalen Eigenschaften des Kopplers werden festgestellt, in dem der Koppler mit seinen normalen Moden angeregt und die daraufhin vom Koppler abgegebenen Ansprechwerte beobachtet werden. Diese Ansprechweder, die zwar alle internen Wechselwirkungen berücksichtigen, werden nur hinsichtlich ihrer von außen feststellbaren Wirkungen dargestellt. So nehmen beispielsweise die Darstellungen der modalen Ansprechwerte keine Rücksicht auf gegenseitige induktive Einflüsse, da diese interne Wechselwirkung für jeden bestimmten Mode eindeutig definiert und in dem außen beobachtbaren Ansprechwert enthalten ist.

Der erste, zu prüfende modale Ansprechwert ist der symmetrische Mode mit Bezug auf die Anschlüsse 1 und 2 (und wegen der Symmetrie des Kopplers mit Bezug auf die Anschlüsse 3 und 4). Er wird bestimmt, in dem die Anschlüsse 1 und 2 entsprechend Fig. 7 durch zwei in Phase liegende Signalquellen 70 und 71

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mit gleicher Amplitude angeregt werden. Die Anschlüsse 3 und 4 sind unter Anpassung abgeschlossen. Da die Leiter 50 und 51 immer auf gleichem Potential liegen, wenn die Anschlüsse 1 und

■■j

2 symmetrisch angeregt werden, fließt kein kapazitiver Strom, und jedes der Signale sieht eine symmetrische Impedanz L , die

induktiv ist und, da die gegeninduktivität zwischen den beiden Leitern nache bei eins liegt, annähernd gleich 2L ist. Demgemäß enthält die Ersatzschaltung des Kbpplers für symmetrischen Betrieb mit Bezug auf die Anschlüsse 1 und 2 (sowie die Anschlüsse 3 und 4) gemäß Fig. 18 zwei Serienspulen mit dem Wert L = 2L. Es sei erneut daraufhingewiesen, daß bei dieser

Darstellung keine gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen L

vorhanden ist.

Das Ersatzschaltbild für den symmetrischen Mode mit Bezug auf die Anschlüsse 1 und 3 sowie wegen der Symmetrie des Kopplers zwischen den Anschlüssen 2 und 4 wird bestimmt, in dem die Anschlüsse 1 und 3 gemäß Fig. 8 durch zwei in Phase liegende Signalquellen 72 und 73 gleicher Amplitude angeregt werden. Da entgegengesetzte Enden der Spulen 50 und 51 immer auf gleichem Potential liegen, wenn die Anschlüsse 1 und 3 symmetrisch angeregt werden, fließt kein induktiver Strom. Der einzige Stromfluß geht über die Kondensatoren 52 und 53. Dem-

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gemäß enthält das Ersatzschaltbild des Kopplers für den symmetrischen Betrieb mit Bezug auf die Anschlüsse 1 und 3 (sowie die Anschlüsse 2 und 4) gemäß Fig. 19 zwei Serienkondensatoren mit dem Wert C = C/2.

s '

Die Ersatzschaltung bei symmetrischem Betrieb für jeden der bimodalen Netzwerkabschnitte 11, 12 und 13 des Filters 40 erhält man durch eine Reihenschaltung der Ersatzschaltungen nach Fig. 18 und 19 gemäß Fig. 9. Man sieht, daß das Ergebnis . ein einfacher LC-Reihenresonanzkreis ist, dessen Resonanzfrequenz Co _n gegeben ist durch

CO₀ - -p (4)

Jl c

S S

Setzt man 2L für L und C/2 für C ein, so erhält man

s ' s

nämlich die Übergangsfrequenz für jeden der Koppler. Folglich entsprechen im Bereich des symmetrischen Betriebs zwei :

identische, auf die gezeigte Art zusammengeschaltete Koppler einem LC-Reihenresonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz gleich

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der Übergangsfrequenz des Kopplers ist. Typischerweise sind die beiden Koppler nicht identisch. In diesem allgemeineren Fall kommt die induktive Komponente von einem Koppler und die kapazitive Komponente vom anderen Koppler. Dann können die Übergangsfrequenzen und die Resonanzfrequenz der Ersatzschaltung alle verschieden sein.

Es soll jetzt die Ersatzschaltung für den antisymmetrischen Mode mit Bezug auf die Anschlüsse 1 und 2 abgeleitet werden, in dem diese Anschlüsse gemäß Fig. 10 an entgegengesetzte Anschlüsse einer gemeinsamen Signalquelle 80 angeschaltet werden. Die Anschlüsse 3 und 4 sind durch einen Widerstand abgeschlossen. Bei einem solchen Betrieb sind die Leiter 50 und 51 180 außer Phase verregt. Folglich fließen die Ströme in den beiden Leitern in entgegengesetzter Richtung, so daß sich keine Komponente eines induktiven Stromes ergibt. BEs fließt lediglich ein kapazitiver Strom, und zwar aufgrund der durch die Kondensatoren 52 und 53 dargestellten Kapazität zwischen den Leitern. Demgemäß weist die in Fig. 20 gezeigte antisymmetrische Ersatzschaltung bezüglich der Anschlüsse 1 und 2 (sowie 3 und 4) eine Querkapazität C auf, die gleich der Leiterkapazität C des Kopplers ist und zwischen den Anschlüssen 1 und 2 (sowie 3 und 4) liegt.

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Die antisymmetrische Ersatzschaltung bezüglich der Anschlüsse 1 und 3 (sowie 2 und 4) wird durch Anschalten einer Signalquelle 81 zwischen die Anschlüsse 1 und 3 gemäß Fig. 11 abgeleitet. Wegen der festen Kopplung zwischen den Spulen 50 und 51 (M«l) liegen die beiden Spulen im wesentlichen auf dem gleichen Potential, und es fließt kein kapazitiver Strom. Die Ersatzschaltung des Kopplers für den antisymmetrischen Mode mit Bezug auf die Anschlüsse 1 und 3 (sowie 2 und 4) ist demgemäß entsprechend Fig. 21 eine Querinduktivität L gleich der Selbstinduktivität L einer einzelnen Spille,

Fig. 12, die eine Reihenschaltung der Ersatzschaltun gen nach Fig. 20 und 21 enthält, zeigt die antisymmetrische Ersatzschaltung jedes der bimodalen Netzwerkabschnitte 11, 12 und 13 des Filters 40. Das C = C und L· = L sind, ist die Schaltung

as as . * ^&

ein einfacher LC-Parallelresonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz CkJn gleich der Übergangsfrequenz der jeden Abschnitt bildenden beiden Koppler ist.

Da die Ersatzschaltungen für den symmetrischen Mode (Fig. 18 und 19) die dualen Netzwerke der Ersatz schaltungen für den antisymmetrischen Mode (Fig. 20 und 21) sind, zeigt sich, daß der Quadraturkoppler mit konzentrierten Elementen bidual ist. Dies

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ist eine allgemeine Eigenschaft aller Quadratur-Hybridkoppler* Die praktischen Schaltungen für die Koppler mit verteilten Elementen, d.h., Übertragungsleitungskoppler, sind jedoch komplizierter.

Es zeigt sich, daß die bloße Reihenschaltung von Netzwerkabschnitten nicht zu dem gewünschten Filteraufbau führt, da eine * solche Reihenschaltung eine Reihenschaltung von LC-Reihenresonanzkreisen bei Anregung im symmetrischen Mode und eine Reihenschaltung von LC-Parallelresonanzkreisen bei Anregung im antisymmetrischen Mode bilden würde. Man benötigt daher eine Einrichtung zur Umwandlung zwischen den Moden, so daß unabhängig davon, welcher Anregungsmode an den ersten Abschnitt angelegt ist, dieser im zweiten und nachfolgenden, gerade nummerierten Netzwerkabschnitten in den anderen Mode umgewandelt und in den ursprünglichen Anregungsmode in allen nachfolgenden, ungerade nummerierten Netzwerkabschnitten zurückgewandelt wird. Diese Moden-Umwandlung bewirken die Phasenschieber 47 und 48 mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 , die zwischen benachbarten Netzwerkabschnitten 11-12 bzw. 12-13 angeordnet sind. So wandelt beispielsweise der Phasenschieber 47 den symmetrischen, an die Eingangs anschlüsse 1 und

2 des Hybridkopple rs 41 angelegten Anregungsmode in den anti-

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symmetrischen Anregungsmode an den Anschlüssen 1 und 2 des Hybridkopplers 43 um. Das erste bimodale Netzwerk 11 erscheint also aufgrund der an ihn angelegten symmetrischen Anregungsmode als LC-Reihenresonanzkreis, während das zweite bimodale Netzwerk 12 aufgrund des angelegten antisymmetrischen Anregungsmode als LC-Paraklelresonanzkreis erscheint; Entsprechend wird das dritte Netzwerk symmetrisch angeregt und bildet einen LC-Reihenresonanzkreis.

Die Ersatzschaltung des symmetrisch angeregten Filters 40 ist in Fig. 13 gezeigt. Es enthält den Reihenresonanzkreis des Netzwerks 11, den Parallelresonanzkreis des Netzwerks 12 und den Reihenresonanzkreis des Netzwerks 13.

Wenn dagegen die Anschlüsse 1 und 2 des Hybridkopplers 41 antisymmetrisch angeregt werden, so sprechen das erste und dritte Netzwerk 11 und 13 im antisymmetrischen Mode als LC-Paralleler satzschaltung an, und das Netzwerk 12 im symmetrischen Mode als LC-Reihenersatzschaltung. Die Filterersatzschaltung für den antisymmetrischen Anregungsmode ist in Fig. 14 gezeigt. Es zeigt sich, daß diese Schaltung das duale Netzwerk der Schaltung nach Fig. 13 ist. ^l

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In. der Praxis wird das Filter 40 jedoch in typischerweise nicht ausschließlich entweder im symmetrischen oder im antisymmetrischen Mode angeregt, sondern in beiden Moden gleichzeitig. Dies läßt sich anhand von Fig. 15 erkennen, bei der eine Signalquelle 49 an den Anschluß 1 des ersten Hybridkopplers 41 angeschlossen ist. Mit Bezug auf Erde ist daher das an den Anschluß angelegte Signal +E , während das an den Anschluß 2 angelegte Signal Null ist. Diese Erregungsart läßt sich so ansehen, daß zwei Komponenten vorhanden sind. Die erste Komponente ist ein symmetrischer Mode mit +E/2 an beiden Anschlüssen und die zweite Komponente ein antisymmetrischer Mode mit +E/2 am Anschluß 1 und -E/2 am Anschluß 2. Die Summe dieser beiden Komponenten am Anschluß 1 ist +E und die Summe am Anschluß ist Null. Man kann daher das Ansprechen des Filters auf jede der beiden Moden getrennt analysieren und dann die beiden Ansprechwerte summieren.

Dies wird jetzt anhand der Fig. 16 und 17 durchgeführt, die die gesamte Signalverteilung an. den vier Anschlüssen des Filters aufgrund der symmetrischen und antisymmetrischen Anregungsmoden darstellen.

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Entsprechend Fig. 16 erzeugt ein symmetrisches Signal der Amplitude E/2, das an die Anschlüsse 1 und 2 des ersten Hybridkopplers 41 angelegt ist, eine durchgelassene Signalkomponente — t an jedem der Anschlüsse 2 und 4 des Kopplers 46 und eine

TJl

reflektierte Signalkomponente — k an jedem der Anschlüsse

Ct S

und 2 des Kopplers 41, wobei t der Übertragungskoeffizient für

S^

den symmetrischen Mode des Filters und k der Reflexionskoeffizient für den symmetrischen Mode des Filters sind.

Fig. 16 zeigt das Ansprechen auf das antisymmetrische Signal

E E

mit + -r— am Anschluß 1 des Kopplers 41 und - -^- am Anschluß des Anschluß 41. Das Signal E/2 erzeugt ein durchgelassenes

Signal —5- t am Anschluß 2 des Kopplers 46 und eine reflek- £t as

tierte Signalkomponente—τ- k am Anschluß 1 des Kopplers

Δ> as

F Auf ähnliche Weise erzeugt das Signal - —τ- eine durchgelassene

Ct

E
Signalkomponente —~ fe am Anschluß 4 des Kopplers 46 und

^ el S

eine reflektierte Signalkomponente —— k am Anschluß des

Cd as

Kopplers 41, wobei t der antisymmetrische Moden-Koeffizient für den Durchlaß des Filters k der antisymmetrische Moden-Koeffizient für die Annektion des Filters sind.

Da die Ersatzschaltungen für den symmetrischen und antisymmetrischen Mode dual zueinander sind, haben sie flie gleichen

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ν*

Durchlaßkoeffizienten, während ihre Reflexionskoeffizienten negativ zueinander sind. D. tu ,

t = t (6)

s as

s as

Durch eine Überlagerung läßt sich das Gesamtsignal an jedem der Anschlüsse erhalten, in dem man die Normal-Moden-Ansprechwerte an jedem der Anschlüsse summiert, wenn das Filter am Anschluß 1 des Kopplers 41 auf die in Fig. 15 gezeigte Weise erregt wird.

Am Anschluß 1 des Kopplers 41 ist das reflektierte Signal

E _Λ = 4-k + ^k * 0 . (8)

rl 2 s 2 as - '

Das Filter reflektiert also nicht.

Das reflektierte Signal E „ am Anschluß 2 des Kopplers 41 beträgt

E _o = ^-k - 4-k = Ek . (9)

r2 2 s 2 as s ^K '

Das durchgelassene Signal E am Anschluß 2 des Kopplers 46

t2

^Et2 ." f*. ⁺ f 'as .- ^Ets ·

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195776O

Das durchgelassene Signal E am Anschluß 4 des Kopplers 46 ■beträgt

E , E ,

Das an den Anschluß 1 des Kbpplers 41 angelegte Signal teilt sich also proportional zu k und t zwischen dem Anschluß 2 des Kbpplers 41 und dem Anschluß 2 des Kbpplers 46 auf. Da

sowohl t als auch k sich mit der Frequenz ändern, wird ein ss ^

an das Filter angelegtes Breitbandsignal so aufgeteilt, daß ein Aus gangs signal in seiner Bandbreite durch die Frequenzabhängigkeit von t und das andere Aus gangs signal in seiner Bandbreite s

durch die Frequenzabhängigkeit von k begrenzt ist, wobei

(12)

Die Erfindung zeigt also, daß zwar ein bimodales Netzwerk sich durch zwei voneinander unabhängige Moden-Ansprechwerte kennzeichnen läßt, beide aber trotz ihrer Unabhängigkeit gleichzeitig verfügbar gemacht werden können. Außerdem zeigt sich; daß die Moden-Ansprechwerte zur Auslegung einer Vielzahl von Filteranordnungen benutzt werden können. Bei höheren Frequenzen kann ein Filter, das dem in Fig. 2 gezeigten ähnlich ist, unter Verwendung einer leitend begrenzten Übertragungs-

O O 9 8 2 2 / U 8 O

leitung anstelle eines Doppelader-Koaxialkabels aufgebaut werden, da in bekannter Weise die verschiedenen Übertragungs-Moden unterschiedliche Feldverteilungen haben, so daß ein sehr unterschiedlicher Moden-Ansprechwert durch Diskontinuitäten an einer bestimmten Stelle innerhalb des Wellenleiters erzeugt wird. Auf ähnliche Weise kann das unterschiedliche Ansprechen von gyro magnetischen Materialien auf zirkularpolarisierte Wellen mit entgegengesetztem Drehsinn entsprechend den oben erläuterten Grundgedanken der Erfindung durch eine besondere Anordnung von in Längsrichtung im Abstand angeordneten Halbwellenplatten ausgenutzt werden.

0Q9822/U8Ö

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE

   ( IJ Filter mit einer Vielzahl von bimodalen bisymmetrischen Netzwerken und wenigstens einem die Netzwerke verbindenden Wandler,

   dadurch gekennzeichnet, daß alle bimodalen Netzwerke (11,12, 13,14) die gleichen beiden Normal-Moden besitzen und daß der Wandler ein Moden-Wandler (15,16,17) ist, der die Modenkonfiguration jeder einfallenden Wellenenergie von dem einen der Normal-Moden in den anderen umwandelt,> so daß die· modalen Ersatzschaltungen der bimodalen, bisymmetrischen Netzwerke zueinander reziprok dual sind.
2. 2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes bimodale bisymmetrische Netzwerk einen Abschnitt eines Doppelleiter-Koaxialkabels mit zwei von einem Außenleiter umgebenen Innenleitern aufweist und daß der Moden-Wandler eine relafive Phasenverschiebung von 180 zwischen den sich entlang der beiden Innenleiter ausbreitenden Signalkomponenten einführt.
3. 3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalquelle einen äußeren Anschluß des Filters gleichzeitig in beiden Moden erregt.

   009822/1480 o; :
4. 4. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der bimodalen bisymmetrischen Netzwerke ein Vierpolnetzwerk ist.
5. 5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der bimodalen bisymmetrischen Netzwerke ein Paar miteinander gekoppelter Vierpolnetzwerke aufweist·, von denen jedes zwei Symmetrieachsen besitzt, und daß zwei Anschlüsse des ersten Vierpolnetzwerkes, die symmetrisch mit Bezug auf eine der Symmetrieachsen des ersten Vierpolnetzwerkes liegen, mit zwei Anschlüssen des zweiten Vierpolnetzwerkes verbunden sind, die symmetrisch mit Bezug auf die andere Symmetrieachse des zweiten Vierpolnetzwerkes angeordnet sind.
6. 6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Vierpolnetzwerke ein Quadratur-Hybridkoppler ist.
7. 7. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hälfte des bimodalen bisymmetrischen Netzwerkes reziprok zu der anderen Hälfte des Netzwerkes ist.

   009822/ U8Q

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