DE19736367A1

DE19736367A1 - Hohlleiterfilter

Info

Publication number: DE19736367A1
Application number: DE19736367A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Hauth; Dietmar Dr Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1999-02-25
Also published as: DE59802752D1; WO1999010947A1; EP1004149B1; EP1004149A1; CA2300937A1; CA2300937C; US6285267B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Hohlleiterfilter mit einem eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Stufentransformatorbereich sowie einem Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte.

Ein solches Hohlleiterfilter ist bekannt aus Microwave- Filters Impedance-Matching Networks and Coupling Structures, Matthaei, Young, Jones, Mc Graw Hill Book Company 1964, Seiten 398 bis 408, insbesondere Fig. 7.05-8 auf Seite 405. Der Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte besteht dort aus einer Waffeleisenfilterstruktur. Jeweils eingangs-und ausgangsseitig dieser Struktur sind Stufentransformatoren angeordnet mit Stufenbereichen, deren Länge jeweils λ_g/4 beträgt, wobei λ_g die Hohlleiterwellenlänge im Durchlaßbereich bezeichnet.

Aus ANT Nachrichtentechnische Berichte, Heft 5, November 1988, Seiten 114 bis 120 ist ein Hohlleiterfilter bekannt mit eingangs- und ausgangsseitigen Stufentransformatoren sowie einem dazwischenliegendem Bereich gekoppelter Resonatoren in Form eines "corrugated waveguide filters" (Matthaei, Young, Jones, S. 358, 2. Absatz) mit Tiefpaßverhalten.

Vorteile der Erfindung

Das Hohlleiterfilter mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 gestattet den Aufbau von Hohlleiterfiltern mit hohen Flankensteilheiten und geringer Baulänge.

Hohlleiterfilter mit hoher Flankensteilheit sind prinzipiell mit herkömmlichen "corrugated waveguide"-Filterstrukturen zu realisieren. Dies würde jedoch eine sehr hohe Zahl von Elementen, d. h. in Kette geschalteten kurzen Rechteckhohlleiterabschnitten mit abwechselnd kleiner und großer Höhe und damit eine große Baulänge und Masse erfordern. Die hohe Elementezahl würde darüberhinaus zu einer sehr hohen Dämpfung im Durchlaßbereich führen, die insbesondere beim Einsatz in Satelliten nicht vertretbar ist.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung hoher Flankensteilheiten besteht im Einsatz zusätzlicher relativ schmalbandiger Bandsperrfilter. Bei bekannten Ausführungsformen von Hohlleiterbandsperren werden entweder Hohlleiter abzweigende über eine angekoppelte _g'/2 (mit λ_g' gleich der Hohlleiterwellenlänge im Sperrbereich der Bandsperre) lange Hohlraumresonatoren oder voll angekoppelte λ_g'/4 lange und am Ende kurzgeschlossene Stichleitungen verwendet (Matthaei, Young, Jones, Seiten 725 bis 768). Der Abstand zwischen den Resonatoren bzw. Stichleitungen beträgt dabei ungerade Vielfache von λ_g'/4. Beim Einsatz von z. B. drei Filterkreisen würden damit zu der Gesamtlänge eines herkömmlichen Tiefpaßfilters noch mindestens λ_g'/2 hinzukommen.

Bei der Erfindung werden hingegen geometrisch dicht aufeinanderfolgende Sperrglieder verwendet, die darüber hinaus noch in den/die Stufentransformator/en integriert sind. Diese beiden Maßnahmen liefern unmittelbar oberhalb des Durchlaßbereiches einen Sperrbereich mit sehr hoher Sperrdämpfung und reduzieren gleichzeitig die Anzahl der erforderlichen Stufen. Damit lassen sich insbesondere Hohlleitertiefpaßfilter mit sehr kurzer Baulänge aufbauen.

Wenn die Stichleitungen einer Bandsperre voneinander unterschiedliche Längen aufweisen, kann die Breite und Tiefe des Sperrbereiches den jeweiligen Anforderungen in flexibler Weise angepaßt werden.

Da die bei Bandsperren bekannter Ausführung üblichen Zwischenlängen von λ_g'/4 zwischen den Sperrgliedern/am Ende kurzgeschlossenen Stichleitungen wegfallen und darüber hinaus weniger Anpaßstufen benötigt werden, weist das erfindungsgemäße Hohlleiterfilter eine sehr kurze Baulänge auf. Die ganze Struktur kann in kostengünstiger Frästechnik hergestellt werden und erfordert bei geeigneter Dimensionierung keine Abgleichelemente.

Das Filter nach der Erfindung eignet sich insbesondere für die Unterdrückung unerwünschter Nebensignale von Wanderfeldröhren in Nachrichtensatelliten, da es bei kurzer Baulänge sowohl unmittelbar oberhalb des Durchlaßbereichs als auch in sehr großem Frequenzabstand eine hohe Sperrdämpfung liefert.

Der Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte kann als "corrugated waveguide", als Steghohlleiterfilterbereich (ridged waveguide) oder als Waffeleisenfilterbereich ausgestaltet sein. Die Ausgestaltung als Waffeleisenfilterbereich hat den zusätzlichen Vorteil, daß im Bereich der zweiten und dritten Harmonischen auch noch Signalanteile gedämpft werden, die sich in Gestalt höherer Hohlleitermoden ausbreiten.

In Nachrichtensatelliten werden die Signale der einzelnen Sendekanäle mit Hilfe geeignet verschalteter schmalbandiger Kanalfilter auf eine gemeinsame Sammelschiene geleitet (Ausgangsmultiplexer) und von dort weiter zur Antenne geführt. Die als Sendeverstärker eingesetzten Wanderfeldröhren produzieren jedoch neben dem Nutzsignal noch unerwünschte Nebensignale (Rauschen bzw. Harmonische des Sendesignals), die nur in stark abgeschwächter Form zur Antenne gelangen dürfen. Da die Kanalfilter eine schlechte Weitabselektion aufweisen, müssen zusätzliche Tiefpaßfilter in den Sendezweig eingefügt werden. Besonders hohe Anforderungen an die Sperrdämpfung dieser Filter bestehen in den Empfangsbändern des Satelliten, z. B. die Bänder II und III bei 14 bzw. 18 Ghz (Fig. 3). Das Band II liegt bei der derzeitigen Satellitengeneration sehr dicht oberhalb des Sendebandes I, in dem das Tiefpaßfilter seinen Durchlaßbereich aufweist. Beim Übergang in den Sperrbereich ist daher eine extrem hohe Flankensteilheit gefordert. Gleichzeitig muß das Filter aber auch noch bei der zweiten und dritten Harmonischen (Bänder IV und V) bei 24 und 35 Ghz eine hohe Sperrdämpfung aufweisen. Alle diese Forderungen sind mit dem Filter nach der Erfindung einzuhalten.

Weitere wesentliche Eigenschaften eines solchen Eingangtiefpaßfilters sind die Abmessungen und die Masse. Das erfindungsgemäße Filter liefert einen optimalen Kompromiß zwischen den elektrischen und mechanischen (Masse, Volumen) Eigenschaften.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Hohlleiterfilter im Längsschnitt,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Hohlleiterfilter in einer Draufsicht und

Fig. 3 den Dämpfungs-und Anpassungsverlauf eines erfindungsgemäßen Hohlleiterfilters über der Frequenz.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Hohlleiterfilter in einem Längsschnitt. Es besteht aus einem eingangs- und einem ausgangsseitigen Stufentransformatorbereich 1 bzw. 3 sowie einem Zwischenbereich 2 bestehend aus einer Kette von kurzen Rechteckhohlleiterabschnitten mit abwechselnd kleiner und großer Höhe, wobei die kleinen Abschnitte als Parallelkapazitäten und die großen als Serieninduktivitäten wirken. Die Stufentransformatorbereiche 1 und 3 dienen zur Anpassung der anzuschließenden Hohlleiter, deren Abmessungen für das Nutzband ausgelegt sind. In den Stufentransformatorbereichen 1 und 3 ist erfindungsgemäß jeweils eine Bandsperre 4 bzw. 5 integriert, die vorzugsweise an einer Sprungstelle eines Stufentransformators - im Ausführungsbeispiel zwischen dem Hohlleiterabschnitt der Höhe b2 und dem Hohlleiterabschnitt b3, bzw. entsprechend zwischen den Hohlleiterabschnitt der Höhe b5 und b6 - angeordnet ist. Eine solche Bandsperre besteht vorzugsweise aus geometrisch dicht aufeinanderfolgenden Sperrgliedern 41, 42, 43 bzw. 51, 52, 53, hier in Form von am Ende kurzgeschlossenen Stichleitungen mit einer Länge von etwa λ_g'/4. Geometrisch dicht aufeinanderfolgend bedeutet hier, daß die sonst üblichen Zwischenlängen von mindestens λ_g'/4 wegfallen, d. h., der Abstand der Sperrglieder untereinander klein gegenüber λ_g'/4 ist. Diese Stichleitungen erscheinen in der Draufsicht gemäß Fig. 2 als über die gesamte Hohlleiterbreite verlaufende Stege. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Hohlleitertiefpaßfilter kann es sich z. B. um ein gewöhnliches "corrugated filter" oder vorzugsweise - wie Fig. 2 dargestellt - um ein Waffeleisenfilter handeln. Das Waffeleisenfilter hat den zusätzlichen Vorteil, daß es im Bereich der zweiten und dritten Harmonischen (Bänder IV, und V in Fig. 3) auch noch Signalanteile dämpft, die sich in Gestalt höherer Hohlleitermoden ausbreiten. Beide Filtertypen haben im allgemeinen eine niedrige Eingangsimpedanz, d. h. sie sind für den Anschlußquerschnitt a × b4 ausgelegt, wobei b4 deutlich kleiner ist als die weiteren Anschlußhöhen b1 bzw. b6. Zur Anpassung an die äußeren Querschnitte sind daher normalerweise - je nach gewünschter Durchlaßbandbreite und Querschnittsverhältnis - auf jeder Seite mehrere Transformationsstufen erforderlich. Die Integration einer Bandsperre mit n (hier n = 3) sehr dicht aufeinanderfolgenden Stichleitungen ergibt bei geeigneter Dimensionierung eine hohe Durchlaßbandbreite bei geringerer Stufenzahl und liefert gleichzeitig unmittelbar oberhalb des Durchlaßbereiches (Band II) die geforderte hohe Sperrdämpfung. Im dargestellten Beispiel benötigt man für das Höhenverhältnis b1/b4 nur zwei Stufen der Höhen b2 und b3 und für das Verhältnis b6/b4 nur eine Stufe der Höhe b5. Die Länge der Stufen beträgt ebenso wie bei normalen Stufentransformatoren ungefähr λ_g/4, wobei λ_g die Hohlleiterwellenlänge im Durchlaßbereich bezeichnet. Aus Fig. 3, die den Dämpfungs- und Anpassungsverlauf a über der Frequenz f zusammen mit den für die Übertragung vorgesehenen Frequenzbändern I bis V zeigt, ist die extrem hohe Flankensteilheit beim Übergang vom Durchlaß in den Sperrbereich ersichtlich.

Um gute Übertragungseigenschaften zu erzielen, sollten die eingangs- und ausgangsseitigen Sperrglieder jeweils paarweise symmetrisches Sperrverhalten aufweisen. Bei unterschiedlichen Hohlleiterhöhen, wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Längen der Stichleitungen allerdings unsymmetrisch.

Anstelle eines "corrugated waveguide-filters" oder eines Waffeleisenfilters kann auch eine Steghohlleiterfilterstruktur (ridged waveguide) vorgesehen sein. Die Maßnahmen der Erfindung sind nicht auf Anwendungen bei Rechteckhohlleitern beschränkt. So kann die Erfindung auch bei Filtern in koaxialer Leitungstechnik, beispielsweise bei dem aus ANT-Nachrichtentechnische Berichte, Heft 2, Dezember 1984, Seiten 36 bis 41, insbesondere Bild 10, bekannten Filtertyp angewendet werden.

Es kann auch der eingangsseitige oder ausgangsseitige Stufentransformatorbereich entfallen, insbesondere wenn der gewünschte Anschlußhohlleiter in der Höhe mit der Eingangs- oder Ausgangshöhe des Bereiches 2 übereinstimmt.

Das Vorsehen von Sperrgliedern kann natürlich zusätzlich auch an weiteren Sprungstellen des/der Stufentransformators/Stufentransformatoren 1 bzw. 3 erfolgen.

Außerdem können die Sperrglieder auch andersartig ausgebildet sein.

Claims

1. Hohlleiterfilter mit einem eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Stufentransformatorbereich (1, 3) sowie einem Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte (2), dadurch gekennzeichnet, daß in den/die Stufentransformatorbereiche (1, 3) mindestens eine Bandsperre (4, 5) in Form von mindestens zwei geometrisch dicht aufeinanderfolgenden Sperrgliedern (41, 42, 43; 51, 52, 53) integriert ist.

2. Hohlleiterfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandsperre (4, 5) aus geometrisch dicht aufeinanderfolgenden am Ende kurzgeschlossenen Stichleitungen besteht.

3. Hohlleiterfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichleitungen der Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) einer Bandsperre voneinander unterschiedliche Längen aufweisen.

4. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) untereinander klein gegenüber λ_g/4 ist, wobei λ_g die Hohlleiterwellenlänge im Durchlaßbereich bezeichnet.

5. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ende kurzgeschlossenen Stichleitungen etwa eine Länge von λ_g'/4 aufweisen, wobei λ_g' die Hohlleiterwellenlänge im Sperrbereich der Bandsperre bezeichnet.

6. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) jeweils eingangs- und ausgangsseitig des Bereiches sich in der Höhe abwechselnder von Hohlleiterabschnitte (2) angeordnet sind und einen Abstand jeweils etwa λ_g/4 von diesem Bereich aufweisen.

7. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte (2) als Steghohlleiterfilterbereich oder Waffeleisenfilterbereich ausgebildet ist.

8. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangs- und ausgangsseitigen Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) der Bandsperren jeweils paarweise symmetrisches Sperrverhalten aufweisen.

9. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) einer Bandsperre (4) an einer Sprungstelle des/der Stufentransformatorbereichs/Stufentransformatorbereiche (1, 3) angeordnet sind.

10. Verwendung des Hohlleiterfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Tiefpaßfilter in einem Sendezweig eines Hochfrequenzleistungsverstärkers, insbesondere eines Wanderfeldröhrenverstärkers für einen Satelliten mit relativ dicht nebeneinanderliegenden Sende- und Empfangsbändern.