DE2019105A1

DE2019105A1 - Optische Schaltungen

Info

Publication number: DE2019105A1
Application number: DE19702019105
Authority: DE
Inventors: Marcatili Enrique Alfredo Jose
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-04-25
Filing date: 1970-04-21
Publication date: 1971-05-13
Also published as: JPS4737460B1; FR2070656A1; GB1298387A; US3558213A; FR2070656B1; SE365907B; DE2019105B2; DE2019105C3; SE361784B; BE749314A

Description

Western Electric Company, Incorporated Marcatili 32 New York, N.Y. 1OOO7t V.St.A.

Optische Schaltungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reihe optischer Schaltungen, bei denen dünne Bandwellenleiter für optische Wellenenergie vorgesehen sind.

In der eigenen gleichlaufenden Anmeldung P 19 24 994.6 vom 16. Hai 1969 ist ein dielektrischer Wellenleiter zum Führen von elektromagnetischer Wellenenergie im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Frequenzspektrums, allgemein als "optische" Wellen bezeichnet, beschrieben. Solche Wellenleiter sind von besonderem Interesse dahingehend,' daß sie sehr klein sind und sehr billig unter Verwendung der gegenwärtig verfügbaren Festkörperherstellungsmethoden hergestellt werden können. Jedoch müssen für diesen Wellenleitertyp, damit er in einem Hachricntenubertragungssystem brauchbar ist, Schaltungselemente entworfen werden, die sowohl in der Lage sind, Schaltungsfunktionen, wie Modulation, Leistungsaufteilung, Kanalabzweigung, Bandabweisung und -passierung und dgl., durchführen zu können, als auch gleichzeitig mit der Wellenleiterstruktur verträglich sind.

Entsprechend der Erfindung sind verschiedene Filtertypen vorgesehen, die aus einer Kombination einiger weniger grundsätzlicher optischer Schaltungskomponenten, die Blindwiderstandsabschlüsse, Richtungskoppler, Resonanzkreise und Leistungsteiler umfassen, aufgebaut sind. Beispielsweise kann ein

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Richtungskoppler erhalten v/erden durch entweder zwei dielektrische Bandwellenleiter bestimmter Lange und bestimmten Abstandes oder durch zwei einander schneidende Bandleiter. Bei der ersten Ausführungsform ändert sich das Leistungsunterteilungsverhältnis als eine Punktion der Länge des Kopplungsintervalles und des Abstandes zwischen den Bandleitern. Bei der zweiten Ausführungsform ändert sich das Leistungsunterteilungsverhältnis als eine Funktion des Schnittwinkels.

Jeder Koppler kann in einen Blindwiderstandsabschluß durch Verbinden eines der beiden Paare der konjugierten Zweige des Kopplers umgewandelt werden. Alternativ erzeugt eine Längsunterteilung eines einzelnen Bandleiters in zwei Zweige, welche dann an ihren jeweiligen Enden zur Bildung einer geschlossenen Schleife verbunden werden, gleichfalls einen Blindwiderstandsabschluß. Abschlüsse dieser Art werden anstelle von ,Spiegeln benutzt und haben den Vorteil, daß sie viel einfacher sind, folglich viel billiger hergestellt werden können.

Verschiedene Filteranordnungen werden nachstehend beschrieben, bei denen Kombinationen von Resonanzschleifen, Richtungskopplern und Blindwiderstandsabschlüssen verwendet werden.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und in der *? Zeichnung beschrieben; es zeigen:

no Fig. 1 und 2 je eine Ausführungsforal.eines Richtungskopplers,

*·«· Fig. 3 und 4 Anordnungen für Blindwiderstandsabschlüsse von ** dielektrischen Wellenleitern,

Fig..i?A und-533 Hohlraumresonatoranordnungen,

Fig. 6 zu Vergleichszwecken ein bekanntes Hikrowelleii-Band«

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abweisungsfliter,

Fig. 7A, 7B, 8Ä, 8B, 8C, 9, 10, 11,. 12 und 13 verschiedene Ausihrungsformen von Bandabweisungsfiltern entsprechend der Erfindung,

Fig. 14 zu Vergleichszwecken ein bekanntes Mikrowellen-Bandpassfilter ,

Fig. 15A, 15B und 15C Bandpassfilter entsprechend der Erfindung,

Fig. 16 zu Vergleichszwecken ein bekanntes Mikrowellen-Kanalabzweigfilter,

Fig. 17 ein Kanalabz\tfeigfilter entsprechend der Erfindung,

Fig. 18 eine alternative Ausführungsform eines Kanalabzweigfilters unter Verwendung nur eines Resonatorhohlraumc pro Kanal,

Fig. 19 eine mechanische Anordnung zur Abstimmung eines Resonatorhohlrauias und

Fig. 20 eine alternative Abstimmanordnung.

Richtungskoppler

Vor einer Erläuterung der verschiedenen Schaltungen seien die grundsätzlichen Schaltungselemente, die zur Erzeugung dieser Schaltungen verwendet werden, beschrieben. Von diesen ist das erste Clement, das in Fig. 1 dargestellt ist, ein Richtungskoppler, der zwei transparente (dämpfungsarme) dielektrische Bandleitungen 11 und 12 aufweist, welche in einem zweiten transparenten dielektrischen Material 12 eines niedrigeren Brechungsindexes eingebettet sind. Die Bandleitungen sind entweder vollständig in der Unterlage 12 eingebettet, in welchem Falle das zweite dielektrische Material mit sämtlichen Ober-

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BADOAfQ)HAt.

flächen der Bandleitungen 10 und 11 in Kontakt steht; oder alternativ hierzu sind die Bandleitungen nur teilweise in der Unterlage eingebettet, in welchem Falle das zweite dielektrische Material nur mit einem Teil der Oberfläche der Bandleitungen in Kontakt steht. Bei der dargestellten Ausführungsform nach Fig. 1 sind die Bandleitungen teilweise eingebettet, wobei die Oberseite jeder Bandleitung zum Umgebungsmedium, typischerweise Luft, hin freiliegt. Ein drittes dielektrisches Material kann in Kontakt mit oder in der Nähe der freiliegenden B and. ei tung s ob er fläche angeordnet werden, um die elektrische Länge der Bandleitung zu modifizieren, wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird.

Die Bandleitungen, die normalerweise großen Abstand voneinander haben, verlaufen längs eines Kopplungsintervalls L relativ dicht nebeneinander» Die zwischen den Bandleitungen gekoppelte Leitung ist eine Funktion deren Brechungsindexes, des Kopplungs intervalls L, der Breite a und des Abstandes c der Bandleitungen sowie des Brechyiungs indexes der Unterlage. Ein vollständiger Leistungsübergang wird erhalten, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist.

IL -/ΒΔ U ₊ S e """ν¹ -* it <¹-ί> ⁺ Μ

2L "V A LT ⁺ Aj, ^b V L" ^Η _A

mi+· Δ —

nix L/ a. —

2^3/2η/ΊΓ
A gleich der wellenlänge im freien Raum der geführten ¥ellen_T energie,

η(ΐ-Δ)(ΐ- ^) gleich dem Brechungsindex des Bereiches,der Unterlage zwischen den Bandleitungen und

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- 5 ~Δ ) gleich dem Brechungsindex des Restes der Unterlage.

den speziellen FaIlA = 0,01, If = O, η = 1,5 und a = c = A ist das Kopplungsintervall L für vollständigen Leistungsübergang = 700 A . Für einen 3-Dezibel-Koppler ist L/2 = 350
oder ungeradzahlige vielfache hiervon.

Die Länge des Kopplungsintervalles, die zum Koppeln eines gegebenen Leistngsbetrages zwischen Bandleitungen erforderlich
ist, kann bequemerweise geändert werden durch Steuern des
Brechungsindexes des Unterlagebereiches zwischen den Bandleitungen. Wenn beispielsweise 0 =0,17 ist, so wird die Kopplungslänge auf die Hälfte des oben für 5=0 gerechneten Wertes reduziert.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Richtungskopplers entsprechend der Erfindung, der zwei sich überkreuzende
Bandleitungen 20 und 21 aufweist, die in einer dielektrischen Unterlage 22 eingebettet sind. Wenn der Winkel θ zwischen den Bandleitungen 90 beträgt, so wird nichts von längs einer der beiden Bandleitungen fortschreitenden Leistung auf die andere übertragen. Mit abnehmendem Schnittwinkel nimmt die zwischen
den Bandleltungen gekoppelte Leistung zu und erreicht einen
Maximalwert von einhalb, wenn sich θ Null löiert. Unter Vernachlässigung von Verlusten ändert sich die gekoppelte Leistung
annähernd mit dem Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen
den Bandleitungen. Daher wird ein längs der Bandleitung 20
fortschreitendes Signal der Amplitude E, wie dieses durch den

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Pfeil 23 dargestellt ist, sich im Schnittpunkt der Bandleitungen 20 und 21 aufteilen. Unter Vernachlässigung von Verlusten

wird eine Signalkomponente proportional zu 0,707 E Cos θ auf. die Bandleitung 21 gekoppelt, wie dieses durch den Pfeil 24 dargestellt ist. Der Rest des Signals, dargestellt durch den Pfeil 25, fährt fort, längs der Bandleitung 20 weiterzulaufen.

In der folgenden Beschreibung sollen die Schaltungskomponenten und Übertragungsleitungen bei allen Ausführungsformen dahingehend verstanden werden, daß sie, wie in Fig. 1, eine transparente Bandleitung aufweisen, die teilweise oder vollständig in eine transparente dielektrische Unterlage niedrigeren Brechungsindexes eingebettet ist. Um jedoch die Erläuterung zu vereinfachen, wird nur auf den Bandleitungsteil der Übertragungsleitung Bezug genommen und es versteht sich in allen Fällen, daß der Bandleitungsteil in einer geeigneten Unterlage eingebettet ist.

Blindwiderstandsabschlüsse

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsfοrm eines Blindwiderstandsabschlusses zur Verwendung mit einem dielektrischen Wellenleiter. Entsprechend der Erfindung wird der Abschluß durch Längsunterteilung der Bandleitung 30 in zvä Zweige 32 und 33 erzeugt, die zur Bildung einer geschlossenen Schleife an ihren jeweiligen Enden verbunden sind.

Beim Betrieb teilt sich die einfallende Wellenenergie, die durch den Pfeil 35 dargestellt ist, in zwei Komponenten 36 und 37 auf die Zweige 32 bzw. 33 auf. Die Komponenten durchqueren

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identische Wege längs der Schleife und rekombinieren in der Bandleitung 30 zu einem einzigen Strahl 38, der in der entgegengesetzten Richtung läuft. Die Wirkung ist daher die, daß die gesamte einfallende Wellenenergie von der Schleife zurückgewiesen oder reflektiert wird. Vorteilhaft erfolgt die Verzweigung über ein längeres Intervall, wo"bei sich die Querdimension der Bandleitung 30 im Verzweigungsbereich allmählich erhöht.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführung eines Blindwiderstandsabschlusses unter Verwendung eines 3-Dezibel-Kopplers, der in Fig. 1 dargestellten Art. Bei dieser Ausführungsform ist eine üandleitung 40 an den Zweig 1 eines 3-Dezibel-Kopplers 45 angekoppelt, der durch ein Paar nebeneinander verlaufender dielektrischer Bandleitungen 41 und 44 gebildet ist. Der Zweig 2, der zum Zweig 1 konjugiert ist, ist vorteilhaft ohmisch abgeschlossen, und zwar mit Hilfe eines Dämpfungsmaterials 42. Das zweite Paar konjugierter Zweige 3 und 4 des Kopplers 45 sind mit Hilfe einer zweiten Bandleitung 43 untereinander gekoppelt.

Beim Betrieb wird ein Eingangssignal E/0 , das durch den Pfeil 46 dargestellt ist, an den Koppler 45 gekoppelt, in welchem es in zwei gleiche Komponenten 0,70/ E/0 und 0,707 E/90 aufgeteilt wird. Diese beiden Komponenten sind durch die Pfeile 47 bzw. 48 dargestellt. Die Komponente 47 läuft zum Zv/eig 4 des Kopplers 45 mit Hilfe der Bandleitung 43, wo sie weiter aufgeteilt wird, um eine Komponente 0,5 E/90 + θ im Zweig 1 und eine Komponente 0,5 B/O+Q im Zweig 2 zu erzeugen, wobei θ die in der Bandlel-

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tung 43 erzeugte Phasenverschiebung ist. In ähnlicher Weise · wird die Komponente 48 zum Zweig 3 des Kopplers 45 mit Hilfe der Bandleitung 43 geführt, wo sie sich gleichfalls aufteilt, um eine Komponente 0,5 Β/9Ο+Θ im Zweig 1 und eine Komponente O»5 E/180+9 ini Zweig 2 zu erzeugen. Da die beiden Komponenten im Zweig 1 die gleiche Phase haben, addieren sie sich, um ein Ausgangssignal 49 gleich Ξ/9Ο+Θ zu erzeugen. Die beiden Komponenten im Zweig 2 sind andererseits -um 180° außer Phase. Sie löschen sich daher aus, um im Idealfall kein Signal im Zweig 2 zu erzeugen. Der ohmische Abschluß 42 absorbiert jegliches resultierende Signal, das im Zweig 2 infolge irgendeines Ungleichgewichtes im System erzeugt werden könnte.

Re sonanzhohlraum

Die letk·:=⁵"- "U betrachtenden Schaltungselemente sind die Resonanzhohlraumanordnungen der Fig. 5A und 5B, die Ausführungsform nach Fig. 5A weist eine geschlossene kreisförmige Schleife aus einer in einer Unterlage 51 eingebetteten Bandleitung 50 auf. Die Schleife kann im allgemeinen jegliche Form haben, wie in den verschiedenen nachstehend noch zu beschreibenden Schaltungen im einzelnen erläutert wird.

Die zweite Resonatorausführung (Fig. 5Bj)_ ist eine Abwandlung des Schleifenresonators dahingehend, daß der Schleifeninnenradius r gleich 0 ist. Dieser sogenannte "Pillenschachtel"-Resonator beruht auf der Erkenntnis, daß, wenn die Breite der Bandleitung 50 groß ist im Vergleich zur Signalwellenlänge, praktisch das ganze elektromagnetische Feld dicht entlag der Außenkante der Schleife sich fortzupflanzen sucht. Daher

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spielt der Ort der Innenkante der Schleife nicht langer eine wesentliche Rolle bei dem Wellenleitungsprozeß und kann demgemäß auf Mull reduziert werden. Dieses verwandelt den Schleifenresonator nach Fig. 5A in den Pillenschachtel-Resonator nach Fig. 5B, der durch eine in eine Unterlage 53 eingebettete Scheibe 52 aus dielektrischem Material gebildet ist.

Ein Vorteil des Pillenschachtel-Resonators ist der, daß er viel einfacher und deshalb leichter und billiger herzustellen ist. Außerdem hat er einen kleineren Radius als ein Schleifen-Hohlraum mit dem gleichen Strahlungsverlust.

Bandsperrfilter

Grundsätzlich sind die im nachstehenden beschriebenen Filterausführungen das Äquivalent des in Fig. 6 dargestellten bekannten Mikrowellen-Bandsperrfilters. Im allgemeinen weist das letztere einen Rechteckhohlleiterabschnitt 60 auf sowie einen Resonanzhohlraum 61 für stehende Wellen, der auf die Mitte des abzuweisenden oder zu sperrenden Frequenzbandes abgestimmt ist. Die Kopplung zwischen dem Hohlleiter 60 und dem Resonatorhohlraum 61 erfolgt mit Hilfe eines Paares im Längsabstand hintereinanderliegender Kopplungsöffnungen 62 und 63. Typischerweise ändert sich die Bandbreite des gesperrten Bandes als Funktion sowohl der Größe als auch des Abstandes der Öffnungen.

Mit gewissen Modifikationen, die durch die viel kürzeren Wellenlängen bei den optischen Frequenzen diktiert sind, ist jeder der nächstehend beschriebenen Filter dem Mikrowellenfilter

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dahingehend ähnlich, daß jeweils eine Übertragungsleitung vorgesehen ist, die mit Hilfe eines Paares voneinander im Abstand liegender Kopplungszonen an einen Resonanzhohlraum angekoppelt ist, der auf die Mitte des zu sperrenden oder abzuweisenden Frequenzbandes abgestimmt ist. Während ein Mikrowellen-Hohlraum mit einer Länge in der Größenordnung einer Wellenlänge hergestellt werden kann, ist dieses jedoch nicht bei optischen Frequenzen möglich. In ähnlicher Weise nehmen relativ kurze Kopplungsintervalle Wanderwelleneigenschaften bei optischen Frequenzen an und werden zu Richtungsgliedern, wodurch veranlaßt wird, daß die gekoppelte Wellenenergie in nur einer Richtung innerhalb des Hohlraums läuft. Wegen dieser Unterschiede kann ein Filter bei optischen Frequenzen nicht einfach dadurch hergestellt werden, daß man die Abmessungen eines Mikrowellenfilters maßstäblich entsprechend verkleinert.

Fig. 7A zeigt nun ein ersten Ausführungsbeispiel eines Bandsperrfilters—entsprechend der Erfindung. Das Filter weist eine Übertragungsleitung auf, die durch eine dielektrische Bandleitung 70 gebildet ist, welche ihrerseits an einen achterförmigen Resonanzhohlraum 76 längs zweier im Längsabstand voneinander liegender Kopplungsintervalle 72 und 73 angekoppelt ist.

Der Resonator 76 kann auf zwei Wegen erzeugt werden. Bei einer ersten Ausführung sind die beiden Teile 77 und 73 des. Äcliters im Uberkreuzungsbereich physikalisch, voneinander mit HSLfe einer Schicht aus transparentem dielektrischen Material getrennt.

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Bei einer zweiten Ausführungsform, wie diese in Fig. 7A dargestellt ist, schneiden sich die beiden Teile 77 und 78. In diesem letzteren Fall erfolgt die Überkreuzung der beiden Teile unter rechten Winkeln, um eine Quer-Kopplung zu vermeiden.

Wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert worden ist, erzeugt eine· Kopplung zwischen Bandleitungen bei optischen Frequenzen, selbst über sehr kleine physikalische Intervalle, eine Richtungskopplung. Daher erzeugt die zwischen der Übertragungsbandleitung 70 und der Resonatorbandleitung 75 gekoppelte Wellenenergie an jedem der beiden Kopplungsintervalle eine Wanderwelle, die von jedem der Kopplungsintervalle in nur einer Richtung weiterläuft. Um eine stehende Welle im Resonator 76 zu erzeugen, ist die Filteranordnung so ausgebildet, daß die beiden gekoppelten Wellen in entgegengesetzten Richtungen längs der Bandleitung 75 fortschreiten, um so eine stehende Welle zu erzeugen. In der Anordnung nach Fig. 7A wird dieses bewerkstelligt durch die Achterform des Resonators. ~ -

Beim Betrieb läuft ein Signal mit Frequenzkomponenten, die sich über ein Frequenzband f^ und f„ erstrecken, längs der Bandleitung 70. Ein kleiner Teil dieser Wellenenergie wird in den Resonator 76 an jedem der Kopplungsintervalle 72 und 73 eingekoppelt. Wie durch die Pfeile längs der Resonatorbandleitung 75 angezeigt ist, ist die eingekoppelte Energie gerichtet und läuft aus den Kopplungsbereichen in den angegebenen Richtungen heraus. Wegen der Achterform des Resonators 76 laufen jedoch die beiden fortschreitenden Wellen längs der

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Bandleitung 75 in entgegengesetzten Richtungen, um eine stehende Welle zu bilden, die sich bei der Resonanzfrequenz f.-des Resonators aufbaut.

Bei. einem Mikrowellen-Bandsperrfilter, der in Fig. 6 dargestellten Art ändert sich die Bandbreite des abgewiesenen Bandes als Funktion sowohl des Abstandes zwischen den Kopplungsöffnungen als auch des Kopplungskoeffizienten der öffnungen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7A ist jedoch die Bandbreite unabhängig vom Abstand zwischen den Kopplungsintervallen 72 und 73 und hängt nur vom Kopplungskoeffizienten ab.

Bezeichnet man die Filterbandbreite mit 2Äf, so werden die abgewiesenen Frequenzen £.. + A^ längs der Bandleitung 70 zurückrefleictiertc Der Rest der Signal frequenz en fährt fort, längs der Bandleitung 70 zu laufen.

Um die Form des abgewiesenen Bandes zu steuern, können mehrere Resonatoren hintereinander geschaltet werden, wie dieses schematisch in Fig. 7B angedeutet ist. Bei dieser AusfUhrungsform sind drei Resorafcoren 76'«, 76' · und 76^lfl an die Übertragungsleitung 70' angekoppelt. Die Resonatoren können entweder auf die gleiche Frequenz oder gegeneinander versetzt auf verschiedene Frequenzen abgeglichen sein.

Da der Resonator 76 gegenüber der Wellenlänge der Signalenergie groß ists ist er ein vielfrequenter Resonator, und folg-

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lieh ist er bei einer Vielzahl .von Frequenzen resonant, für . . welche die Resonatorlänge gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge ist. Vorzugsweise wird der Resonator 76 kurz genug gemacht, so daß die nächstbenachbarte Resonanz außerhalb des Bandes f^...f₂ fällt. Wenn, jedoch die Krümmung der Schleife in dem Bestreben reduziert wird, die Gesamtgröße des Resonators zu verringern, neigen die Strahlungsverluste dazu, größer zu werden.

Diese einander widersprechenden Beschränkungen sind teilweise durch die Anordnung nach Fig. 8A gelöst. Bei dieser Anordnung ist ein kreisförmiger Schleifenresonator 80 vorgesehen, der etwa die halbe Größe des Achterresonators der Fig. 7A besitzt. Um zwei Kopplungsintervalle zum Einkoppeln von Wellenenergie in den Resonator 80 unter entgegengesetzten Richtungen zu haben, verläuft die Übertragungsbandleitung 81 in einer Schleifenform 84. Das eine Kopplungsintervall 82 zwischen dem Resonator 80 und der Bandleitung 81 befindet sich längs dieser außerhalb der Schleife 84. Der zweite Kopplungsbereich 83 zwischen dem Resonator 80 und der Bandleitung 81 verläuft längs der Schleife. Um jede Kreuzkopplung zu vermeiden, kann man die Überkreuzungsstelle der beiden Enden der Schleife 84 entweder so ausbilden, daß diese sich unter einem rechten Winkel schneiden, (dargestellter Fall) oder daß die beiden Enden physikalisch mit Hilfe einer Schicht aus dämpfungsarmem Material voneinander getrennt sind.

Die Filterausführungsform nach Fig. 8B ist im wesentlichen die

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gleiche wie die nach Fig. 8A jedoch mit der Ausnahme, daß der Schleifenresonator 80 durch einen Pillenschachtel-Resonator 86 ersetzt· ist. In beiden Fällen ist der Resonator auf eine Frequenz innerhalb des abzuweisenden Frequenzbandes abgestimmt. Beim Schleifenresonator ist die Schleifenlänge ein ganzzahliges Vielfaches der geführten Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz. Beim Pillenschachtel-Resonator ist der Außenumfang_s 2 7Γ r, der Scheibe 86 gleich einem ganzahl^n Vielfachen der geführten Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz gemächt, wobei r den Scheibenradius bezeichnet. In der Praxis kann bei optischen Frequenzen, wo die Wellenlängen sehr klein sind, jede bequeme Resona tor größe benutzt werden, und das Abstimmen erfolgt auf die noch zu erläuternde v/eise.

Sin zweiter Resonator kann an das System angeschlossen werden, wie dieses schematisch in Fig. 8C dargestellt ist. Hier sind zwei Resonatoren 87 und 88 entweder von der Schleifen- oder von der Pillenschachtel-Variante an die übertragungsleitung 81· und die Schleife 84« angekoppelt. Wie bei der vorigen Ausführungsform nach Fig. 7B können die Resonatoren entweder auf die selbe oder auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sein«,

Die Fig. 9 bis 13 zeigen verschiedene weitere alternative Ausführung sformen eines. Bandsperrfilters, gemäß der Erfindung. Bei der ersten dieser Ausführungsformen (Figo 9} schneidet der Resonator 90 die Übertragungsleitung 91 unter rechten Wickeln an zwei im Längsabstand aufeinanderliegender! Stellen 92 und 93. Zwischen diesen beiden Stellen ist die Übertragungslei-

tung an beide Seiten des durchschnittenen Resonators längs zweier Kopplungsiiitervalle 94 und 95 richtungsgekoppelt. Wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 7 und 8 fließen die beiden in den Resonator 90 an den beiden Kopplungsintervallen eingekoppelten Signale in .entgegengesetzten Richtungen.

Um störende Kopplung zwischen dem Resonator 90 und der Übertragungsleitung 91 zu vermeiden, können diese alternativ voneinander an den Überkreuzungsstellen 92 und 93 mit Hilfe einer zwischengeschalteten ,verlustarmen dielektrischen Schicht physikalisch und elektrisch gegeneinander isoliert werden. Bei dieser letzteren Ausführungsform kann der Winkel zwischen

dem Resonator und der Übertragungsleitung an den beiden Überkreuzungsstellen auch von 90 abweichen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 hat der Resonator 100 die Form einer Acht mit rechtwinkliger Überkreuzung, wobei jede der Schleifen der Achterform S3inmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten einer durchschneidenden Übertragungsleitung w 101 angeordnet ist. Um jegliche Kreuzkupplung zwischen den Bandleitungsteilen 102 und 103 des Resonators 100 im Überkreuzung sb er eich 104 zu vermeiden, schneiden sich die Bandleitungsteile 102 und 103 unter rechten Winkeln. Um gleiche Kopplung zwischen der Übertragungsleitung und jedem der Bandleitungsteile zu erhalten, durchsetzt die Übertragungsleitung 101 den Resonator im Überkreuzungsbereich 104 so, daß der Winkel zwischen den Bandleitungsteilen 102 und 103 halbiert wird. ^ .

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Der Nachteil der Anordnung nach Fig. 10 liegt in dem Umstand, daß der Kopplungswinkel zwischen der "übertragungsleitung und dem Hohlraum 100 bei 45° fixiert ist. Diese Kopplung kann jedoch durch Hinzufügen eines dielektrischen Abstandsgliedes zwischen den Hohlraum und der Übertragungslinie an der Überkreuzungsstelle reduziert werden.

Alternative Ausführungsformen, die die Auswahl des Schnittwinkels zwischen dem Resonator und der Übertragungsleitung frei lassen, sind in Fig. 11 und 13 dargestellt. Bei der Anordnung nach Fig. 11 kann der Resonator 110, der durch ein beiden Endes mit einem Blindwiderstandsabschluß versehenes Übertragungsleiterstück 111 gebildet ist₉ die Übertragungsleitung 112 unter jedem gewünschten Winkel schneiden. Die bei dieser Anordnung spea.ic"l gewählten Resonatorabschlüsse 113 und 114 entsprechen denen ί.ΐ: - > 3« Alternativ könnten auch die Abschlußanordnungen nach Fig. 4 verwendet warden.

Fig. 12 zeigt eine Abwandlung des Filters nach Fig. 11, wobei der Resonator,der durch ein beiden Endes mit einem Blindwiderstandsabschluß versehenes Übertragungsieitungsstück 12^ gebildet ist, an den Signalwellenweg 121 über ein Kopplungsintervall 127 richtungsgekoppelt ist» Bei dieser Ausführungsform sind die Blindwiderstandsabschlüsse 122 und 123 von der in Fig. 4 dargestellten Art.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 13 hat der Resonator 133 die Form eines Ovals, das die Übertragungsleitung 124 an zwei

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im Längsabstand voneinander gelegenen Stellen schneidet. Um gleiche Kopplung an den beiden Schnittstellen sicherzustellen, sind die Schnittwinkel zwischen der Übertragungsleitung und den ResonatorSegmenten 132 und 131 gleich. Je kleiner der Winkel, desto größer ist die Kopplung und desto größer ist die Bandbreite des Filters.

Obgleich nicht dargestellt, versteht es sich für jedes der vorstehend beschriebenen Filter, daß auch eine Mehrzahl Resonatoren längs des Wellenweges hintereinanderliegend angeordnet werden können, um die Filterform zu steuern, und daß die Resonatoren auch entweder die gleiche Frequenz oder auf jeweils gegeneinander versetzte Frequenzen abgestimmt sein können, je nachdem, wie dieses der Einzelfall erfordert.

Bandpassfilter

In Fig. 14 ist zu Vergleichszwecken ein typisches Mikrowellenbandpassfilter mit einem Rechteckhohlleiterabschnitt 14O dargestellt, in welchem ein Hohlraumresonator 141 untergebracht ist. Letzterer ist mit Hilfe eines Paares im Längsabstand voneinander liegender Reaktanzen gebildet, die aus metallischen Trennwänden 142 und 143 mit Kopplungslöchern 144 und 145 bestehen.

Beim Betrieb fällt ein längs des Hohlleiters 140 fortschreitendes Signal mit Komponenten zwischen den Frequenzen f^ und f₂ in den Hohlraum 141 ein. Letzterer ist auf eine Frequenz

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l » ί -· j •''■•tti-.ifi f~'r '·· --J

f. innerhalb des Bandes abgestimmt und läßt nur Signalkomponenten innerhalb des Bandes f. + Δι durch, wobei die Hohlr£.umresonatorbandbreite 2Af eine Funktion des Koeffizienten, der Kopplungsöffnungen 144 und 145 ist. Die restlichen Signalkomponenten f,...(f.-üf), (f.-Äf)...fp werden vom Filter reflektiert.

Fig. 15A zeigt ein Bandpassfilter für optische Frequenzen. Wenn man die Elemente des letzteren mit dem Filter nach Fig. 14 vergleicht, so entspricht die Bandleitung unter 50 dem Hohlleiter 140, der Resonator 151 dem Hohlraumresonator 141, ferner entsprechen die Schleifen 152 und 153 den Trennwänden 142 und 143, und die Kopplungsintervalle 154 und 155 zwischen dem Resonator 151 und den Schleifen 152 bzw, 153 den Kopplungsöffnungen 144 und 145.

Der Bandpass des in Fig. 15Ä dargestellten Filters bestimmt sich durch die Frequenz f^, bei welcher der Resonator 151 resonant ist, und aus der Kopplung (Belastung), die durch die Kopplungsintervalle 154 und 155 defüert ist. Der Betrieb dieses Filters ist der gleiche wie beim Filter nach Fig. 14.

Fig. 15B zeigt ein Bandpassfilter, bei dem der Schleifenresonator 151 der Fig. 1.5A ersetzt ist durch einen Pillenschachtel-Resonator 158. Ansonsten entsprechen die beiden Filter einander.

Ersichtlich können die Schleifenabschlüsse 152 und 153 auch durch den Abschluss nach Art der Fig. 4 ersetzt sein. Außerdem kann die Form des Passbandes gesteuert -werden durch Verwenden mehrerer Resonatoren, wie dieses schematisch in Fig. 15C angedeutet ist. Hier liegen drei Resonatoren 151', 151'', 151' " hintereinandergeschaltet zwischen den Leitungsabschlußschleifen 152· und 153'. Die Resonatoren können auf die gleiche Frequenz oder gegeneinander versetzt auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sein,

Kanalabzweigfilter

Die dritte zu betrachtende Filteranordnung ist das Kanalabzwejgfilter, bei welchem ein Kanal einer Mehrzahl Kanäle von den übrigen abgetrennt wird.· Fig. 16 zeigt ein typisches bekanntes Kanalabzweigfilter zur Verwendung bei Hikrowellenfrequenzen; es weist einen Rechteckhohlleiterabschnitt 160 sowie ein Paar im Längsabstand voneinander angeordneter Hohlräume 161 und 162 auf. Die letzteren sind auf die Frequenz f. des abzuzweigenden Kanals abgestimmt und sind in Längsrichtung um (2n+1) ^i voneinander entfernt, wobei η eine ganze Zahl ist und ^ die Hohlleiterwellenlänge bei der Frequenz f..

Geeignete Mittel, z.B. die Öffnungen 163 und 164 sind zur Kopplung zwischen den Hohlraumresonatoren 161 und 162 und der Übertragungsleitung 160 vorgesehen. Der abzuzweigende Kanal wird vom einen der Hohlraumresonatoren 161 zu einem Ausgangshohlleiter 165 mit Hilfe einer zweiten Kopplungsöffnung 166 im Hohlraum 161 ^ausgekoppelt. Die übrigen Kanäle ^...f.^,

.cf_n fahren fort, sich längs des Hohlleiters I60 auszu-

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breiten;

Ein erfindungsgemäßes optisches Kanalabzweigfilter weist eine optische 'Übertragungsleitung, ein Paar im Längsabstand voneinander angeordneter Resonatoren der in den Fig. 7 - 13 dargestellten Art sowie eine zweite Übertiqgungsleitung auf, die an einen der Resonatoren angekoppelt ist. Kine spezielle Ausführungsform eines solchen Filters ist in Fig. 17 dargestellt, bei welcher zwei im Längsabstand voneinander liegende Resonatoren 170 und 171 der in Fig. 11 dargestellten Art an eine Übertragungsleitung 172 angekoppelt sind. Der abgezweigte Kanal wird vom Resonator 170 über eine mit einer Schleife angeschlossene Leitung 173 ausgekoppelt. Die Kopplung zwischen dem Resonator und der Leitung 173 erfolgt durch den hierzwischen liegenden Bereich Mk,

Wie vorstehend angegeben, kann jeder der anderen im vorstehenden beschriebenen Resonatoren oder Kombinationen hiervon statt der speziell dargestellten Resonatoren verwendet werden. In ähnlicher Weise kann der Abschlui] mit offener Schleife nach Fig. 3 statt der Anordnung mit geschlossener Schleife nach Fig. 1 verwendet werden.

Die Verwendung zweier Resonatoren in ,jedem der Kanalabzweigfilter der Fig. 16 und 17 ist dann notwendig, wenn die ganze bei der Frequenz f. vorhandene Energie aus der Schaltung abzuziehen ist. Würde beispielsweise der zweite Resonator 162 in Fig. Ib nicht vorgesehen sein, so würde die Energie, die in den Hohlleiter IbO vom Resonator 1b1 über die Öffnung 163 ein-

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gekojpelt wird, vom Resonator 161 aus sowohl in Vorwärts- als auch in RUckwärtsrichtung weiterlaufen. Die in Vorwärtsrichtung weiterlaufende eingekoppelte Komponente würde teilweise durch einen Teil der einfallenden Welle gelöscht werden. Es würde jedoch kein Hohlleitersignal, das in der Rückwärtsrichtung läuft, vorhanden sein, um die rückwärtslaufende Signalkomponente auszulöschen. Ein solches Signal zu erzeugen, ist die Funktion des zweiten Resonators 162. In ähnlicher Weise ist "bei der Ausführungsform nach Fig. 17 der Resonator 171 vorgesehen, um die rückwärtslaufende Signalkomponente, die auf die Leitung 172 vom Resonator 170 gekoppelt worden ist, auszulöschen.

Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß ein zweiter Resonator nur deshalb erforderlich ist, weil der erste Resonator die Wellenenergie in den Hauptübertragungsweg in der Rückwärtsrichtung einkoppelte. Wenn daher diese in zwei Richtung wirksame Kopplung eliminiert werden könnte, könnte der zweite Resonator entfallen.

Es sei von der Beschreibung des Richtungskoppler der Fig. 1 wiederholt, daß bei optischen Frequenzen eine Kopplung über sehr kleine physikalische Intervalle dazu neigt, gerichtet zu sein. Dieses Merkmal macht es in der Tat notwendig, zwei Kopplungszonen in den vorstehend beschriebenen Bandsperrfiltern vorzusehen. Dieses Merkmal kann ebenfalls mit guter Wirkung als ein Mittel zum Einsparen des zweiten Resonators bei

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einem Kanalabzweigfilter verwendet werden, wie dieses bei der Ausführungsfοrm nach Fig. 18 erläutert wird.

Bei der Aus führung sforia nach Fig. 18 sind eine Mehrzahl im Längsabstand voneinander liegender Hohlräume 180, 181, 182 und 183 an eine Übertragungsleitung 184 richtungsgekoppelt. Jeder Resonator ist auf eine verschiedene Frequenz der Kanal-Frequenzen f....f angekoppelt. Der abgezweigte Kanal wird aus den entsprechenden Resonatoren ausgekoppelt und in getrennte Ausgangskreise 185» 186, 187 und 188 gerichtet eingekoppelt.

Beim Betrieb wird ein kleiner Teil des einfallenden Signals in den ersten Resonator 180 eingekoppelt. Der Rest des Signals sucht längs der Leitung 184 weiterzulaufen. Wegen der Richtungsnatur der Kopplung läuft die gekoppelte Energie in Resonator 180 in nur einer Richtung.herum. Zu ürläuterun^e- und Identifizierungsswecken ist das ankommende Signal mit dem Pfeil 1' versehen;, der gekoppelte Signalteil mit- dem Pfeil 2¹ und der ungekoppelte Signalteil mit dem Pfeil k* . Das Signal bei der Frequenz f „,, bei welcher der Resonator 180 resonant ist, baut sich auf und koppelt auf die übertragungsleitung 1o4 zurück, wie dieses durch den Pfeil 3' dargestellt ist. Da jedoch die Kopplung eine Richtungskopplung ist, läuft das auf die Hauptübertragungsieitung zurückgekoppelte Signal nur in der Vorwärtsrichtung, wo es den ung doppelten Teil des Signals f., auslöscht. So können mit or Verwendung der Rich-fcurigseigenschaften kleiner Kopplungslängen bei opti.schon fre- ^en Kanalabzweigfilter mit nur einem Resonator realisiert

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werden.

Jeder der abgezweigten Kanäle wird aus den entsprechenden Resonatoren gerichtet ausgekoppelt und in die Ausgangskreise 185 bis 188 eingekoppelt. .Jedes der so erhaltenen optischen signale kann dann durch geeignete Mittel festgestellt werden, ■ beispielsweise durch Fotodioden 189 bis 192. Alternativ kann ein Film, der senkrecht zur Papierebene läuft, gleichzeitig mit dem Ausgangssignal aller Schaltungen belichtet werden, der Film zeichnet daher eine kontinuierliche Spektralanalyse des Signals auf.

Wie oben erläutert kann jeder der Resonatoren 180, 181, 182 und 183 durch eine Hehrzahl Resonatoren ersetzt v/er den, die zwischen der übertragungsleitung 134 und jeder der jeweils zugeordneten Ausgangsschaltung hintereinander liegend als ein Kanalpassband-Formungsmittel vorgesehen sind. Aui3erdem können die Resonatoren entweder von der Schleifen- oder von der Pillenschachtel-Variante sein.

Abstimmung

Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurde angenommen, daß die Resonatoren bei der genauen interessierenden Frequenz resonant sind. Vom praktischen Standpunkt aus gesehen, könnte dieses ohne einen außergewöhnlichen Genauigkeitsgrad bei der Herstellung nicht leicht erreicht werden. Es ist deshalb vorteilhaft, irgendwelche AbStimmittel für die Resonatoren vorzusehen. Außer daß dadurch die Herstellungstoloransen

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nicht so eng zu sein brauchen und dadurch die Kosten reduziert werden können, ist es hierdurch auch möglich, die Frequenzkurve· des Filters zu än^dern und, wie gezeigt, wird, eine Reihe variabler Schaltungselemente, wie variable Dämpf ungsgl ie der, Modulatoren, variable Leistungsunterteiler und Schalter, zu ermöglichen.

Iiine erste, mechanische Abstimmethode ist in Fig. 19 dargestellt,-die zur Erläuterung das Bandsperrfilter der Fig. 7Δ mit einer Übertragungsleitung 193 und einem achterförmigen Resonator 194 aus einem Material des Brechungsindexes η zeigt. Eine Abstimmung wird dadurch bewerkstelligt, daß ein transparentes (dämpfungsarmes) dielektrisches Glied 195 mit einem Brechungsindex n^ kleiner als η in dichte Nähe zu dem Resonator gebracht wird.

Je dichter das Abstirnmglied am Resonator liegt (d.h. je kleiner der Abstand d hierzwischen ist) oder je gröiSer das vom Abstimmglied bedeckte Gebiet des Resonators ist, desto niedriger ist die Frequenz. Daher kann eine Abstimmung entweder ditch eine vertikale Bewegung des Abstimmgliedes, das den Abstand d ändert, oder durch eine horizontale Verschiebung bewerkstelligt werden, die den vom Abstimmglied bedeckten Teil des Resonators ändert.

LJine alternative Anordnung betrifft eine elektrische Anden .ng der Brechungsindices der Bandleitung und/oder der Unterlage

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des abzustimmenden Schaltungsteils. Eine solche Anordnung ist in Fig. 20 dargestellt, die den Querschnitt eines dielektrischen Wellenleiters mit einer Unterlage 200 und einer Bandleitung 201 zeigt. Der Wellenleiter kann irgendein Teil eines jeden der hiflf beschriebenen Schaltungsgliedes sein.

Wenn entweder die Bandleitung 201 oder die Unterlage 200 oder beide aus einem elektrooptischen Material hergestellt sind, dann kann die elektrische Länge des Wellenleiters geändert werden durch Anlegen eines variablen elektrischen Feldes an das elektrooptische Material. Zweckmäßig erfolgt dieses mit Hilfe eines Elektrodenpaars 202 und 203, die auf gegenüberliegenden Seiten des dielektrischen Wellenleiters angeordnet und mit einer Quelle variabler Gleichspannung 204 verbunden sind.

Grundsätzlich haben beide der vorstehend beschriebenen Abstimmanordnungen die Wirkung, daß die elektrische Länge des Wellenleiters geändert wird, d.h. die Phasenverschiebung durch den Wellenleiter. Dieses Phänomen kann auch für andere Zwecke als zum Abstimmen eines Resonators benutzt werden.

Während zahlreiche Schaltungen hauptsächlich zur Verwendung bei optischen Frequenzen vorgesehen sind, ist nichtsdestoweniger einzusehen, daß die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen auch bei anderen als optischen Frequenzen und mit anderen Wellenleiter-Formen,wie leitend begrenzte Wellenleiter und Bandübertragungsleitungen, realisiert werden können.

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Claims

- 26 Patentansprüche ;

1. Filter zur Abweisung elektromagnetischer Wellenenergie in einem bestimmten Frequenzband, mit einem Übertragungsleitungsstück, das aus einer ,verlustarmen dielektrischen Unterlage und einem in dieser eingebetteten verlustarmen dielektrischen Bandleitung eines höheren Bechungsindexes als der der Unterlage aufgebaut ist, und zumindest einem Resonator, der auf eine Frequenz innerhalb des abzuweisenden Frequenzbandes abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (86) aus einer verlustarmen dielektrischen Unterlage und einem in dieser eingebetteten verlustarmen dielektrischen Scheibe eines höheren Brechungsindexes als der der Unterlage aufgebaut ist, und daß die Ubei^tragungsleitung (81) mit dem Resonator (8ö) an zwei Stellen (82 und 83) in Kopplungsbeziehung steht, um in den Resonator ein Paar sich entgegengesetzt ausbreitender Laufwellen einzukoppeln.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der übertragungsleitung eine Schleife gelegen ist und daß der Hohlraum an dio übertragungsleitung längs eines ersten Loreichs außerhalb der Schleife und längs eines zweiten Bereichs innerhalb der Schleife richtungsgekoppelt ist.

~j. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Resonatoren an die übertragungsleitung angekoppelt sind.

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ORIGINAL INSPECTED