DE2039714A1

DE2039714A1 - Koaxialfilter

Info

Publication number: DE2039714A1
Application number: DE19702039714
Authority: DE
Inventors: Gerlack Richard Zoltan
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1969-08-13
Filing date: 1970-08-10
Publication date: 1971-02-25
Also published as: FR2060097B1; US3600711A; FR2060097A1; GB1299163A

Description

energie von Harmonischen zur Quelle reflektiert wird, während Schwingungsenergie der Grundwelle durch die Koaxialleitung zu einer last hindurchlaufen kann. Eine bei Harmonischen in Resonanz kommende Einrichtung ist zwischen den Reflektoren für die Harmonischen und der Quelle angeordnet, um die Energie der Harmonischen aufzunehmen und in einer Last zu absorbieren, die außerhalb des Außenleiters angeordnet ist.

Stand der Technik

Es sind bereits Koaxialleitungsfilter mit Reflexion von Haraonischen vorgeschlagen worden. In einem solchen Filter wurden bei der zweiten Harmonischen in Resonanz kommende, reflektierende Antennen vom Innenleiter einer Koaxialleitung getragen, um Schwingungsenergie der zweiten Harmonischen zur Quelle hin zu reflektieren, während Schwingungsenergie der Grundwelle durch den Koaxialfilter zur Last hindurchlaufen konnte. Eine bei der reflektierten zweiten Harmonischen in Resonanz kommende Antenne war auf dem Mittelleiter angeordnet und mit einer Last gekoppelt, die im Mittelleiter angeordnet war, um die reflektierte Schwingungsenergie der zweiten Harmonischen zu absorbieren. Die Schwierigkeit bei diesem älteren Filter bestand darin, daß die zulässige Leistung begrenzt war, weil die Schwingungeenergie der zweiten Harmoniechen in Mittelleiter absorbiert wurde und die Kühlung des Mitteileitere außerordentlich schwierig wurde.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Koaxialfilter mit Harmoniaohe reflektierenden und absorbierenden Einrich tungen verfügbar zu machen.

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Erfindungsgemäß wird in einem Koaxialfilter-mit Reflexionseinrichtungen für Harmonische eine resonante Auffangeinrichtung zwischen den Reflektoren für die Harmonischen und die Quelle angeordnet, und diese Auffangeiririchtung ist auf dem Außenleiter angeordnet, um reflektierte Schwingungsenergie von Harmonischen aus der Koaxialleitung zu einer Äußerhalt) desselben angeordneten Last zu koppeln, so daß die Leistungsbelastba rkeit des Koaxialfilters verbessert wird.

G-emäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die in Resonanz kommende Auffangeinrichtung Antennen auf, die innerhalb des Außenleiters angeordnet sind und von denen die erste Auffangantenne zur Resonanz bei der zweiten Harmonischen abgestimmt ist und die zweite Auffangantenne zur Resonanz bei der dritten Harmonischen abgestimmt ist.

Gemäß einer speziellen Ausbildung sind dabei beide Auffangantennen axial und umfangsmäßig gegeneinander und mit Bezug auf die Längsachse der Koaxialleitung versetzt.

Gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung weist die in Resonanz kommende Auffangeinrichtung eine resonante Auffangantenne auf, die an einem Ende am Außenleiter befestigt- ist und sich zu einem freien Ende in Umfangsrichtung zwischen dem Außen- und Innenleiter der Koaxialleitung krümmt, ao daß der axiale Raum der Koaxialleitung, der von der Antenne eingenommen ist, auf ein Minimum reduziert ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen»

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• Pig. 1 schematisch, teilweise in Form eines Blockachaltbildes und teilweise geschnitten, ein Koaxialfilter

mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig.1;

Pig» 3 einen Schnitt längs der Linie 3 - 3 in Fig.1 zur Veranachaulichung einer anderen Ausführungsform einer Auffangantenne nach der Erfindung;

Fig. 4 ein Fig.1 entsprechendes Schema einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 den Zusammenhang zwischen der Einfügungsdämpfung dB und der Frequenz, d.h. die Kennlinie des Filters nach Fig. 1;

Fig. 6 den Zusammenhang zwischen der Einfügungsdämpfung dB in der Frequenz, d.h. der Kennlinie, des Filters nach Fig.4;

Fig. 7 Einzelheiten der Ausführungsform nach Fig.1 mit (P einer anderen Ausführungsform der Reflexionsantenne;

Fig. 8 ein Schnitt längs der Linie 8-8 der Fig.1 zur Veranschaulichung einer weiteren Antennenausführung} und

Fig. 9 eine Detailansicht des in Fig.1 mit der Linie 9 -9

umschriebenen Teils mit einer weiteren Aueführungaform der Reflexionsantenne.

In Fig.1 und 2 ist ein Koaxialfilter 1 dargestellt, das mit einem Ende an eine HF-Quelle 2, beispielsweise ein UHF-Klystron angeschlossen ist, die Energie bei einer Grund-Auagangs-

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frequenz f_Q, beispielsweise 500 MHz, liefert, die von Harmonischen der G-rundwelle begleitet wird, die absorbiert oder wenigstens daran gehindert werden sollen, eine Last 3 zu erreichen, die an den Ausgang des Filters angeschlossen ist. In einem typischen Ausführungsbeispiel wird die Grundschwingungsenergie , die eine Spitzenleistung von 2 MW hat, und deren mittlere Leistung 50 kW beträgt, gepulst und enthält 100 Watt Harmonische und 30 bis 50 Watt dritte Harmonische.

Der Filter 1 für Harmonische weist einen Abschnitt Koaxialleitung 4 mit einem Außenleiter 5 von beispielsweise 78 mm ( 3 i/8") Außendurchmesser und einen Innenleiter 6 von beispielsweise 33 - 38 mm (1,3 - 1,5") Außendurchmesser auf. Die Koaxialleitung 4 kann irgendeine passende Länge haben, beispielsweise 61 cm (24")· Eine Anzahl reflektierender Antennen 7, die auf die zweite Harmonische abgestimmt sind, sind am Außenleiter 5 befestigt und im axialen Abstand längs der Koaxialleitung 4 angeordnet. Aufeinanderfolgende der reflektierenden Antennen 7 sitzen abwechselnd auf einer Seite der Leitung und der diametral gegenüberliegenden Seite in axialer Richtung. Der axiale Abstand zwischen aufeinander folgenden Seflxionsantennen 7, die bei der zweiten Harmonischen in der Resonanz kommen, beträgt etwa 1/4 der Wellenlänge der zweiten H_armonischen, so daß die Schwingungsenergie der zweiten Harmonischen, die von den Antennen reflektiert wird, sich in der reflektierten Richtung zur Hochfrequenzquelle 2 hin addiert. Bei einer bevjbrzugten Ausführungsform bestehen die reflektierenden Antennen 7 aus Viertelwellenlängen-Abechnitten von Leitern, die an einem Ende am Außenleiter 5 befestigt sind und sich in axialer Richtung zwieohen dem Innen- und Außenleiter erstrecken und in einem freien Ende auelaufen·

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BAD ORIGINAL

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Ein zweiter Satz sch'wingungsreflektierender Antennen 8, ähnlich den Antennen 7 für die zweite Harmonische, sind auf Resonanz bei der dritten Harmonischen abgestimmt. Aufeinanderfolgende Antennen 8 für die dritte Harmonische sitzen abwechselnd auf beiden Seiten des Außenleiters 5 in einer Umfangaposition, die 90° gegen den ersten Satz Antennen 7 für die zweite Harmonische versetzt ist. Im Falle der reflektierenden Antennen 7 für die zweite Harmonische sind die reflektierenden Antennen 8 für die dritte Harmonische in axialem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Antennen von einer Viertel Wellenlänge bei der Frequenz der dritten Harmonischen angeordnet, so daß die von aufeinanderfolgenden Antennen 8 reflektierte Schwingungsenergie sich in der Reflexionsrichtung zur HF-Quelle 2 hin addiert.

Eine reaonante Auffangantenne 9 für die zweite Harmonische ist in der Längsebene der Reflexionsantennen 7 für die zweite Harmonische angeordnet und hat von den reflektierenden Antennen 7 zwischen den Antennen 7 und der Quelle 2 einen solchen Abstand, daß die reflektierte Energie bei der Frequenz der zweiten Harmonischen abgefangen wird. Ein Leiter ist an der Auffangantenne 9 befestigt, um die Schwingungsenergie von dieser zu einer Last 12 abzuführen, beispielsweise eine übliche Koaxiallast von 50 Ohm, mit der die reflektierte Schwingungsenergie der zweiten Harmonischen, die von der Antenne 9 aufgefangen worden ist, absorbiert wird.

Eine ähnliche Auffangantenne 13 für die dritte Harmoniaoh· iet in axialem Abstand von den reflektierenden Antennen 8 zwischen den reflektierenden Antennen 8 und der Hoohfrequenzquelle 2 angeordnet, um die reflektierte Schwingungaenergie der dritten Harmonischen auf- oder abzufangen. Eine Ableitung 14 ist an die Antenne 13 angeschlossen, um Sohningungsener-

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BAD ORIGINAL

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gie der dritten Harmonischen, die von der Antenne 13 auf- oder abgefangen ist, an eine Koaxiallast 15 zu koppeln, um die reflektie rte Schwingungsenergie der dritten Harmonischen zu absorbieren. Die lasten bei 12 und 14 können übliche koaxiale Abschlüsse sein oder können aus Wasserlasten für höhere leistungen bestehen. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel des Filters nach l?ig.1 absorbiert die last 12 für die zweite Harmonische 1Ü0 Watt leistung der zweiten Harmonischen, und die last 15 für die dritte Harmonische absorbiert 30 - 50 Watt leistung der dritten Harmonischen, wenn die GrundIeistung bei 500 MHz im Mittel 50 kW beträgt.

In Fig.3 ist eine andere Ausführungsform einer Abfangantenne 16 für die zweite Harmonische dargestellt, die aus einem Viertel Wellenlängenabschnitt eines leiters besteht, der eine Viertel Wellenlänge-Antenne bildet, die an einem Ende am Außenleiter 5 befestigt ist und sich in Umfangsrichtung zwischen dem Innen- und Außenleiter 6 bzw. 5 zu einem freien Abschlußende krümmt. Der Vorteil der Auffangantenne 16 liegt darin, daß wesentlich weniger Ignge der Koaxialleitung 4 benötigt wird als für die axial gerichteten Auffangantennen 9 und 13·

In Pig.4 ist eine andere Ausführungsform eines Koaxialfilters 18 mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Der Aufbau nach ]?igc4 ist grundsätzlich ähnlich dem nach Figd, nur daß die Reflexionsanordnung für die Harmonischen aus einer Reihe von leitenden Scheiben 21 von verschiedenen Axialdurchmessern und Axialabständen besteht, die von einem Abschnitt des Innenleiters 6 kleinerer Dicke getragen werden, um eine Reflexionsstruktur für Harmonische zu schaffen, die die zweite bis sechste Harmonische reflektiert. Ein solcher Koaxial-Reflexionsfilteraufbau ist beschrieben in "Microwave Filters, Impedance

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Matching Networks and Coupling Structures" von G.L.Mattahei, L.Young und E.M.T.Jones, MoGraw Hill Company, Inc. of New York, NY 1964»

Wie bei der Ausführungsform nach Fig.1 haben Auffangantennen 9 und 13 für die zweite bzw. dritte Harmonische im geeigneten Abstand von der Reflexionsanordnung 19 für die Harmonischen Raum, um die vom Reflektor 19 reflektierte Schwingungsenergie der zweiten und dritten Harmonischen zu absorbieren. Gewünschtenfalls können weitere Auffangantennen für Harmonisehe zur Absorption der Schwingungsenergie von höheren Harmonischen im Abstand von einander an verschiedenen Umfangsstellen um den Mittelleiter 6 herum angeordnet werden, um Schwingungsenergie zusätzlicher Harmonischer abzufangen und zu absorbieren.

In Fig.5 ist der Zusammenhang zwischen der Einfügungsdämpfung in dB und der Frequenz für das Filter 1 nach Figd dargestellt. Aue Fig.5 ist zu erkennen, daß die bei 22 angedeutete Grund Schwingungsenergie im wesentlichen ohne Dämpfung zur Last hindurchläuft, während die zweite und dritte Harmonische bei 2f bzw. 3f stark gedämpft werden»

In Fig.6 ist der Zusammenhang zwischen Einfügungsdämpfung in dB und der Frequenz für die Filterausführung nach Fig<>4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform läuft die Grundschwingungsenergie 22 ungedämpft durch das Filter, während die zweite bis sechste Harmonische im wesentlichen vollständig reflektiert werden und die zweite und dritte Harmonische im wesentlichen von den äußeren Lasten 12 bzw. 15 vollständig absorbiert werden.

In Fig.7 ist eine andere Reflexionsantenne als die in Fig.1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Reflexiona-

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antenne etwa eine halbe Wellenlänge bei der speziellen Harmonischen lang, und ist über einen zentral angeordneten Stumpf 23 mit dem Außenleiter 5 verbundene

In Pig.8 ist eine weitere Ausführungsform einer Egflexionsantenne dargestellt, die durch einen Abschnitt Koaxialleitung 24 gebildet wird, die bei der Frequenz der betreffenden Harmonischen etwa eine halbe Wellenlänge lang ist und mit einem kurzen Stück Koaxialleitung 25 mit dem Außenleiter 5 verbunden ist.

In ]?ig.9 ist eine weitere Ausführungsform eines Schwingungsreflektors 26 dargestellt, der aus einem gefalteten Abschnitt 27 einer Viertelwellenlängen-Koaxialleitung besteht, die um den Außenleiter 5 herum angeordnet ist und über ein ringförmiges Koppelloch 28 mit der Schwingungsenergie in der Koaxialleitung gekoppelt ist.

Die Resonatoren nach Fig. 7-9 können auch dazu verwendet werden, die Abfangresonatoren zu ersetzen, und in diesem Falle wurden die jeweiligen Resonatoren mit einem geeigneten Dämpfungsmaterial oder einer Last gekoppelt sein, die außerhalb des Aussenleiters 5 freiliegt. Im Fall der Ausführungsform nach Fig.9 kann das Dämpfungsmaterial innerhalb der Viertelwellenlängensektion der gefalteten Koaxialleitung 27 angeordnet sein.

Patentansprüoheι

Claims

Patentansprüche

M J Koaxialfilter aus einer Koaxialleitung mit einem Innenleiter und einem Außenleiter, die Schwingungsenergie des Grund modus von einer Quelle zu einer Last durchläßt, einer Schwingungareflexionsanordnung in der Koaxialleitung, mit der Harmonische des Grundmodus zur Quelle hin reflektiert werden, und mit der Koaxialleitung zwischen der Quelle und den Reflexionseinrichtungen für die Harmonische gekoppelten Einrichtungen zur Aufnahme und Absorption von reflektierter Schwingungsenergie von Harmonischen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfang- und Absorptionseinriohtungen für Harmonische in Resonanz kommende Auffangeinrichtungen aufweisen, die auf dem Außenleiter der Koaxialleitung angeordnet sind und die bei wenigstens einer betreffenden der Harmonischen in Resonanz kommen, daß Belastungen außerhalb des Außenleiters angeordnet sind und Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen Schwingungsenergie von Harmonischen von den in der Resonanz kommenden Auffangeinrichtungen zu den Belastungen gekoppelt werden, um reflektierte Energie von Harmonischen zu absorbieren.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanz-Abfangeinrichtung Antennen aufweist, die innerhalb des Außenleiters angeordnet sind, mit einer ersten Abfangantenne, die auf Resonanz bei der zweiten Harmonischen und einer zweiten Auffangantenne, die auf Resonanz bei der dritten Harmonischen abgestimmt ist.
3. Filter nach Anspruch 2, daduroh gekennzeichnet, daß die beiden Abfangantennen axial und in Umfangerichtung mit

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Bezug auf die Längsachse der Koaxialleitung gegeneinander versetzt sind.
4. Filter nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionseinrichtung für Harmonische eine Vielzahl von resonanten Reflexionsantennen aufweist, die vom Außenleiter in die Koaxialleitung hineinragen«, axial im Abstand voneinander längs der Koaxialleitung verteilt sind und eine Vielzahl von axial ausgefluchteten Reflexionsantennen aufweist, die bei der zweiten Harmonischen in Resonanz kommen und eine Anzahl ausgefluchteter Reflexionsantennen, die bei der dritten Harmonischen in Resonanz kommen, wobei die Reflexionsantennen für die zweite Harmonische relativ zu den Reflexionsantennen für die dritte Harmonische in Umfangsrichtung versetzt sind.
5. Filter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Resonanz kommende Abfangeinrichtung eine Antenne aufweist, die an einem Ende am Außenleiter befestigt ist und sich zu einem freien Ende in Umfangsrichtung zwischen dem Innen- und Außenleiter erstreckt.
6. Filter nach einem der Ansprüche 1 -5» dadurch gekennzeichnet, daß die Abfangeinrichtung aus einer leitenden Antenne besteht, die an einem Ende am Außenleiter der Koaxialleitung befestigt ist und sich zu einem freien Ende in axialer Richtung der Koaxialleitung im Raum zwischen dem Innen- und Außenleiter der Koaxialleitung erstreckt.

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