DE19926571A1 - Mikrowellenfilter - Google Patents

Abstract

Bei einem Mikrowellenfilter (1) mit einem Resonatorhohlraum, einer Koaxialleitung (5) mit Innen- und Außenleiter zur Zu- oder Abführung eines Mikrowellensignals, einem Koppelstift (11), der in Verlängerung des Innenleiters der Koaxialleitung (5) angeordnet ist und an seinem freien, in den Resonatorhohlraum eingreifenden Ende wenigstens ein Kopplungsplättchen (13) trägt, ist das Kopplungsplättchen exzentrisch angeordnet, so daß, vom Resonatorhohlraum aus in Richtung des Koppelstifts gesehen, einen Teil des Außenleiters verdeckt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenfilter mit einem Resonatorhohlraum, einer Koaxialleitung mit Innen- und Außenleiter zur Zu- oder Abführung eines Mikrowellensignals, und einem Koppelstift, der in Verlängerung des Innenleiters der Koaxialleitung angeordnet ist und an seinem freien, in den Resona­ torhohlraum eingreifenden Ende wenigstens ein Kopp­ lungsplättchen trägt. Ein solches Bauelement ist aus Meinke/Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenz­ technik", Seite L50, Springer Verlag, 5. Auflage bekannt.

Ein über einen Koaxialleiter dem Resonatorhohlraum zugeführtes Mikrowellensignal erzeugt ein elektro­ magnetisches Wechselfeld in einem Raumbereich zwi­ schen dem Koppelstift und dem Ende des Außenlei­ ters. Das Wechselfeld koppelt an Schwingungsmoden des Resonatorhohlraums und regt diese an. Wie stark diese Anregung ist, hängt von den Abmessungen der an der Spitze des Koppelstifts angeordneten Scheibe ab. Wenn die Scheibe klein ist oder fehlt, er­ streckt sich nur ein kleiner Anteil des Feldes in das Innere des Resonatorhohlraums, und die Kopplung ist gering. Wenn die Scheibe deutlich größer ist, als dem Durchmesser des Außenleiters entspricht, so beschränkt sich das elektrische Wechselfeld prak­ tisch auf einen Raumbereich zwischen dem Plättchen und dem Außenleiter und der Durchgriff des Feldes in den Resonatorhohlraum ist ebenfalls gering. Die effektivste Kopplung wird bei herkömmlichen Mikro­ wellenfiltern mit Kopplungsscheiben erzielt, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Hohl­ leiters ist.

Bei Resonatoren, die dielektrische Körper in ihrem Resonatorhohlraum enthalten, hat die Verwendung ei­ nes Koppelstifts mit daran angebrachten Kopplungs­ plättchen ferner den Nachteil, daß der Abstand zwi­ schen den Plättchen und dem dielektrischen Körper zur Erzielung einer festen Kopplung, wie sie für Filteranwendungen verlangt wird, relativ klein sein muß. Aufgrund des kleinen Abstandes zwischen dem dielektrischen Körper und dem Plättchen wird be­ reits bei relativ kleinen Leistungen des Mikrowel­ lensignals die Durchschlagsfeldstärke erreicht.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Mikrowel­ lenfilter geschaffen, das bei gegenüber einem her­ kömmlichen Filter unveränderten Abmessungen eine stärkere Leistungskopplung zwischen Koaxialleitung und Resonatorhohlraum erlaubt. Zu diesem Zweck wird zum einen vorgeschlagen, das Kopplungsplättchen ex­ zentrisch am Koppelstift zu montieren. An denjeni­ gen Teilbereichen des Kopplungsplättchens, die ei­ nen geringen Abstand vom Koppelstift haben, ist der Durchgriff des Feldes in den Resonatorhohlraum re­ lativ stark und begünstigt die Ausbildung starker Oberflächenladungen auf der gesamten Oberfläche des Plättchens und in seinen weit vom Koppelstift ent­ fernten Bereichen.

Alternativ oder in Ergänzung zur exzentrischen Anbringung wird ferner vorgeschlagen, das Kopplungsplättchen so zu bemessen, daß es, vom Resonatorhohlraum aus in Richtung des Koppelstifts gesehen, einen Teil des Außenleiters verdeckt. Der unverdeckt bleibende Teil des Außenleiters gestat­ tet einen Durchgriff des elektromagnetischen Feldes auf die vom Außenleiter abgewandte Seite des Kopplungsplättchens; dort, wo das Kopplungsplätt­ chen den Außenleiter verdeckt, kann es eine große Oberfläche aufweisen, die die Querschnittsfläche des Außenleiters übersteigen kann und mit deren Hilfe erheblich größere Mikrowellenleistungen als bisher zwischen Koaxialleiter und Resonatorhohlraum übertragbar sind. Diese Gestaltung des Kopplungs­ plättchens erlaubt es ferner, einen großen Abstand zwischen einem im Resonatorhohlraum eventuell vor­ handenen dielektrischen Körper und dem Kopplungs­ plättchen vorzusehen und so die Durchschlagsfestig­ keit des Filters zu erhöhen.

Ein solches Kopplungsplättchen kann zum Beispiel kreisförmig oder elliptisch geformt sein. Es sind auch Bauformen des Kopplungsplättchens möglich, die auf eine Kombination mehrerer exzentrisch ange­ brachter Einzelplättchen zurückgeführt werden kön­ nen, beziehungsweise bei denen jeweils mehrere Teile des Außenleiters verdeckt beziehungsweise unverdeckt bleiben, so etwa Balken-, Kreuz- oder Sternformen.

Um den Felddurchgriff zur dem Resonatorhohlraum zu­ gewandten Oberfläche des Kopplungsplättchens zu verbessern, kann das Kopplungsplättchen ferner ein oder mehrere Fenster aufweisen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figu­ ren.

Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Koppeleinrichtung eines erfin­ dungsgemäßen Mikrowellenfilters;

Fig. 2 die Wirkungsweise der Koppelein­ richtung;

Fig. 3 einige Abwandlungen der Koppelein­ richtung, vom Resonatorhohlraum aus in Richtung des Koppelstifts gese­ hen;

Fig. 4 mögliche Querschnitte der Koppel­ einrichtung;

Fig. 5 ein Mikrowellenfilter mit der Kop­ peleinrichtung in einem Quer­ schnitt; und

Fig. 6 eine Draufsicht auf das Filter aus Fig. 5 entlang der Linie VI-VI.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Teilansicht ei­ nes Mikrowellenfilters mit einer Koppeleinrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Durch eine in der Figur nur ausschnittsweise dargestellte Außenwand des Filters verläuft eine Koaxialleitung 5 mit ei­ nem Außenleiter 7 und einem Innenleiter 9. Der Au­ ßenleiter 7 endet an der Innenseite der Wand 3, der Innenleiter 9 erstreckt sich in Gestalt eines Kop­ pelstifts 11 in den Resonatorhohlraum 2 im Inneren des Filtergehäuses und trägt an seinem freien Ende ein Kopplungsplättchen 13. Das Kopplungsplättchen 13 hat einen Durchmesser, der wenigstens dem Ein­ einhalbfachen des Durchmesser des Außenleiters 7 entspricht und ist stark exzentrisch am Koppelstift 11 montiert. In Richtung des Koppelstifts 11 vom Resonatorhohlraum aus gesehen überdeckt das Kopp­ lungsplättchen 13 einen durch Schraffur hervorgeho­ benen Bereich 15 an der Endfläche der Koaxiallei­ tung 5. Der Außenleiter ist somit auf einem Teil 17 seines Umfangs durch das Kopplungsplättchen 13 ver­ deckt; der restliche Teil 19 seines Umfangs liegt frei. Über den freiliegenden Teil 19 kann das zwi­ schen Koppelstift 11 und Außenleiter anstehende elektromagnetische Wechselfeld in der Figur nach oben über das Kopplungsplättchen 13 hinaus in das Innere des Hohlraums des Filters durchgreifen.

Fig. 2 veranschaulicht das Wirkprinzip der Koppel­ einrichtung nach der vorliegenden Erfindung (Fig. 2B) im Vergleich mit einer herkömmlichen Koppelein­ richtung (Fig. 2A) am Beispiel eines Filters, der in seinem Resonatorhohlraum einen dielektrischen Körper 21 enthält. Ein solcher Körper besteht aus einem festen Material mit hoher relativer Dielek­ trizitätskonstante ε_r, zum Beispiel aus einkri­ stallinem Lanthanaluminat.

Im Falle der Fig. 2A greift das Kopplungsplättchen 13' in seinem Randbereich über den Umfang des Au­ ßenleiters 7 hinaus. Das über die Koaxialleitung eingespeiste elektrische Feld konzentriert sich großenteils in einem Raumbereich 23 zwischen dem Ende des Außenleiters 7 und dem Kopplungsplättchen 13'. An der dem Resonatorhohlraum 2 zugewandten Oberseite des Kopplungsplättchens 13' sind die Os­ zillationen der Elektronendichte relativ gering. Um eine feste Kopplung zwischen dem aus dem Plättchen 13' und dem Innenleiter 9 gebildeten Antennenaufbau und dem dielektrischen Körper 21 zu erreichen, muß deshalb eine geringe Breite x des Spaltes zwischen dem Plättchen 13' und dem dielektrischen Körper 23 gewählt werden. Die Durchschlagsfeldstärke des Fil­ ters, die zu der Spaltbreite proportional ist, wird bereits bei kleinen eingespeisten Leistungen er­ reicht. Außerdem ergeben sich relativ große Ober­ flächenströme am Kopplungsplättchen, die zu Erwär­ mung und Leistungsverlusten führen.

Bei dem Antennenaufbau nach Fig. 2B ist die Ab­ schirmung der Oberseite des Kopplungsplättchens ge­ gen den Außenleiter schwächer, da der Außenleiter nicht auf seinem gesamten Umfang verdeckt ist, gleichzeitig hat das Plättchen aber eine große dem Resonatorhohlraum zugewandte Oberfläche, deren Elektronendichte mit dem Mikrowellensignal oszil­ liert und einen starken elektrischen Fluß in den Resonatorhohlraum einzukoppeln vermag. Infolgedes­ sen kann eine feste Kopplung mit einem wesentlich größeren Spalt X realisiert werden. Die Feldstärke im Bereich der Kopplungsscheibe 13 kann geringer gehalten werden. Damit ergeben sich wesentlich kleinere Koppelverluste.

Fig. 3 zeigt einige Varianten der Koppeleinrich­ tung. Die optimale Form der Kopplungsscheibe hängt von der Gestalt des Resonators, an dem sie einge­ setzt wird, und der in dem Resonator anzuregenden Schwingungsform ab. Fig. 3a zeigt die bereits in Fig. 1 abgebildete Koppeleinrichtung mit kreisför­ miger Kopplungsscheibe. Bei der Variante aus Fig. 3b ist die Kopplungsscheibe ebenfalls kreisförmig, weist aber an ihrer vom (gestrichelt dargestellten) Koppelstift 11 abgewandten Seite ein elliptisches Fenster 25 auf. In Fig. 3c hat das Kopplungsplätt­ chen 13 in etwa die Gestalt eines Dreiecks mit ab­ gerundeten Flanken. Bei der Variante aus Fig. 3d sind zwei Kopplungsplättchen 13 der in Fig. 3c dargestellten Art vorgesehen, die sich an ihren mit dem Koppelstift 11 verbundenen Spitzen berühren und so eine balkenförmige Anordnung bilden. Diese An­ ordnung definiert jeweils zwei verdeckte und zwei unverdeckte Teile 17 beziehungsweise 19 des Außen­ leiters 7. Fig. 3e zeigt eine Abwandlung, bei der das Kopplungsplättchen kreuzförmig ist beziehungs­ weise als Kombination von vier dreieckigen oder trapezförmigen Plättchen aufgefaßt werden kann.

Wie in Fig. 4 gezeigt, sind diverse Konfiguratio­ nen des Querschnitts des Kopplungsplättchens 13 in Anpassung an die Gestalt des Resonatorhohlraums oder gegebenenfalls eines dem Plättchen 13 zuge­ wandten dielektrischen Körpers dargestellt. In An­ passung an die Form des Resonatorhohlraums bezie­ hungsweise eines gegebenenfalls darin enthaltenen dielektrischen Körpers kann das Kopplungsplättchen 13 an seiner vom Koppelstift 11 abgewandten Ober­ fläche konvex oder konkav sein, wobei die genaue Form der Oberfläche in Anpassung an vorgegebene Einbauverhältnisse optimiert werden kann, um zum Beispiel eine möglichst gleichmäßige Verteilung der elektrischen Feldstärke auf der dem Resonator­ hohlraum zugewandten Oberfläche des Plättchens 13 und damit eine gute Durchschlagsfestigkeit zu er­ zielen.

Fig. 5 zeigt in axialem Schnitt ein Dual-Mode- Zweipolfilter 1 mit einem in einem Resonatorhohl­ raum 2 durch einen Fuß 27 von einer Wand 29 beab­ standet montierten dielektrischen Körper 21 aus Lanthanaluminat. Zwei Koppeleinrichtungen 30 um­ fassen jeweils eine Koaxialleitung 5, einen Koppel­ stift 11 und ein Kopplungsplättchen 13, wie mit Be­ zug auf Fig. 1 beschrieben. Wie in dem Schnitt von Fig. 6 zu sehen, sind die Koppeleinrichtungen un­ ter einem Winkel von 90° bezogen auf die Symme­ trieachse 29 des dielektrischen Körpers 21 angeord­ net und koppeln an jeweils orthogonal polarisierte Feldmoden. Die Koppelstifte 11 münden in den Reso­ natorhohlraum in einer Entfernung von der Symme­ trieachse 29, die dem Radius des dielektrischen Körpers 21 entspricht. Dessen Umfang ist zur Orien­ tierung als gestrichelter Kreis in Fig. 6 einge­ zeichnet. Die Kopplungsplättchen 13 der zwei Kop­ peleinrichtungen 30 sind jeweils an den zugehörigen Koppelstiften 11 in Richtung auf die Symmetrieachse 29 des dielektrischen Körpers 1 hin versetzt befe­ stigt. Ein Modenkoppler 31 in Form eines in den Resonatorhohlraum eingreifenden Stifts bewirkt ei­ nen Übergang von Energie zwischen den zwei orthogo­ nalen Feldmoden und ermöglicht somit den Übergang von Hochfrequenzenergie zwischen den zwei Kopp­ lungseinrichtungen.

Durch Verwendung der Kopplungseinrichtungen mit ex­ zentrischem Kopplungsplättchen konnte die Lei­ stungstragfähigkeit eines dielektrischen Filters der in Fig. 5 und 6 beschriebenen Art von 30 Watt auf über 200 Watt verbessert werden.

Claims (7)

1. Mikrowellenfilter (1) mit einem Resonatorhohl­ raum (2), einer Koaxialleitung (5) mit Innen- und Außenleiter (9, 7) zur Zu- oder Abführung eines Mikrowellensignals, einem Koppelstift (11), der in Verlängerung des Innenleiters der Koaxialleitung (5) angeordnet ist und an seinem freien, in den Re­ sonatorhohlraum (2) eingreifenden Ende wenigstens ein Kopplungsplättchen (13) trägt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kopplungsplättchen (13) exzen­ trisch an der Spitze des Koppelstifts (11) montiert ist.

2. Mikrowellenfilter (1) mit einem Resonatorhohl­ raum (2), einer Koaxialleitung (5) mit Innen- und Außenleiter (9, 7) zur Zu- oder Abführung eines Mikrowellensignals, einem Koppelstift (11), der in Verlängerung des Innenleiters der Koaxialleitung (5) angeordnet ist und an seinem freien, in den Re­ sonatorhohlraum (2) eingreifenden Ende wenigstens ein Kopplungsplättchen (13) trägt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kopplungsplättchen (13), vom Re­ sonatorhohlraum aus in Richtung des Kopplungsstifts (11) gesehen, einen Teil (17) des Umfangs des Au­ ßenleiters (7) verdeckt.

3. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kopplungsplättchen (13) kreisförmig oder elliptisch ist.

4. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kopplungsplättchen (13) aus einer Mehrzahl von zu einer Balken-, Kreuz- oder Sternform verschmolzenen Einzelplätt­ chen aufgebaut ist.

5. Mikrowellenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopp­ lungsplättchen (13) ein oder mehrere Fenster (25) aufweist.

6. Mikrowellenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielek­ trischer Körper (21) im Resonatorhohlraun dem Kopp­ lungsplättchen (13) zugewandt angeordnet ist.

7. Mikrowellenfilter nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kopplungsplättchen (13) in Richtung auf eine Achse (29) des dielektrischen Körpers (21) zu exzentrisch versetzt montiert ist.