DE2045560C3

DE2045560C3 - Mikrowellenfilter aus quaderförmigen Hohlraumresonatoren

Info

Publication number: DE2045560C3
Application number: DE2045560A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 7531 Dietlingen Hoenicke
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1970-09-15
Filing date: 1970-09-15
Publication date: 1978-03-09
Also published as: AU3307371A; AU466409B2; DE2045560A1; US3737816A; ES395068A1; CH532845A; BE772602A; DE2045560B2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenfilter aus quaderförmigen, in mehreren Reihen angeordneten Hohlraumresonatoren, die über induktiv wirkende Koppelöffnungen derart gekoppelt sind, daß sich ein geradliniger, U-förmiger oder mäanderförmiger Energiefluß ergibt, und die jeweils einen von einem metallischen Führungsrohr umgebenen Abstimmstempel zur kapazitiven Abstimmung enthalten, der vom Zentrum der Deckplatte dazu senkrecht verstellbar tief in den Hohlraumresonator ragt.

Ein derartiges Mikrowellenfilter ist bekannt aus IEEE Transactions on MTT, Juni 1966, Seiten 295 bis 296.

Aus der DiI-AS 1089433 ist ein Koaxialleitungsrcsonator bekannt, dessen Initunleiter ein Führungsrohr ist, in dem ein bewegbarer Metallstift gleitend geführt ist. Dieses Führungsrohr ist zwar durch eine Metallkappe an seinem unteren Ende verbreitert, jedoch ist nicht ersichtlieh, daß diese Metallkappe neben ihrer mechanischen noch eine elektrische Aufgabe erfüllt.

Eine Verbreiterung des Innenleiters eines Hohlraumresonators zur Erhöhung der Kapazität ist andererseits bekannt durch die Abb. 3.2a und die zugehörige Beschreibung auf Seite 460 aus dem »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, herausgegeben von F. Meinke und F. W. Gundlach, Berlin 1968, 3. Auflage. Der dort gezeigte verbreiterte Innenleiter ist

ίο jedoch kein Führungsrohr eines Abstimmstempels. Zur Frage der Bemessung und Anordnungen der Koppelöffnungen ist es aus der Zeitschrift »Hochfrequenztechnik und Akustik«, Heft 2, 1967, Seiten 59 bis 64 bekannt, daß bei richtiger Dimensionierung der Kopplung (Lage und Abmessung des Koppelorgans) die geforderten Frequenzverläufe der Koppelfaktoren in einem kleineren Dyrchstimmbereich (10...20% relative Bandbreite) angenähert werden können.

an Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, das eingangs angegebene bekannte Mikrowellenfilter derart zu verbessern, daß sich bei weitgehend frei wählbaren Abmessungen der einzelnen Resonatoren eine möglichst konstante Bandbreite über dem vorgegebenen Durchstimmbereich ergibt.

Lösung

Die Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Vorteil

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch eine geeignete Wahl der Durchmesser des Abstimmstempels und des Führungsrohres in einem vorgegebenen großen Bereich eine praktisch lineare Abstimmcharakteristik entsteht.

Beschreibung

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen der quaderförmigen Hohlraumresonatoren für das erfindungsgemäße Mikrowellenfilter, Fig. 2 die Abstimmcharakteristiken zweier Resonatoren mit den Grenzfrequenzen 2,1 und 4,2 GHz bei verschiedenen Verhältnissen der Durchmesser des Führungsrohres und des Abstimmstempels,

Fig. 3 die Abweichungen von einer linearen Abhängigkeit der eingestellten Frequenz von der Eintauchtiefe des Abstimmstempels,

Fig. 4a eine Koppelöffnung bekannter Rauart und das zugehörige Ersatzschaltbild,

Fig. 4b eine Koppelöffnung eines der Hohlraumresonatoren für das erfindungsgemäße Mikrowellenfilter und das zugehörige Ersatzschaltbild,

Fig. 5 die Abhängigkeit der Bandbreite von der Frequenz bei einem vierkreisigen Filter mit den verschiedenen Koppelöffnungen (Fig. 4a oder Fig. 4b), Fig. 6 ein mit Resonatoren nach Fig. 1 aufgebautes Mikrowellenfilter in U-Form,

Fig. 7 ein mit Resonatoren nach Fig. 1 aufgebautes Mikrowellenfilter mit konstanter Gruppenlaufzeit zur Impedanztransformation,

Fig. 8 ein mit Resonatorennach Fig. 1 aufgebautes Mikrowellenfilter in Mäanderform.

Fig. 1 zeigt einen durch ein metallisches Führungsrohr 3 und einen Abstimmstempel 6 kapazititv belasteten quaderförmigen Hohlraumresonator 4, dessen

Resonatorwellenlänge größer als die Grenzwellenlänge X₁. = 2 α sein kann, wobei α die Breite des Hohlraumresonators ist. Die Abmessungen zusammengesetzter Resonatoren können weitgehend unabhängig von der Resonanzfrequenz und von den Lastgüten der einzelnen Resonatoren nach anderen Gesichtspunkten, wie z. B. erforderliche Resonatorgüte, Platzeinsparung usw. festgelegt werden. Zur Realisierung der Resonanzbedingung genügt die richtige Dimensionierung des Führungsrohres 3.

Soll der Resonator 4 auf tiefere Frequenzen abgestimmt werden, so ist die zwischen dem Führungsrohr 3 und der diesem gegenüberliegenden Bodenplatte 10 bestehende Kapazität zu vergrößern. Damit aber der Abstand zwischen dem unteren Ende 7 des Führungsrohres 3 und der Bodenplatte 10 nicht so gering wird, daß für eine Abstimmung des Resonators 4 mitteis eines kapazitiv angekoppelten Abstimmstempels 5 zu wenig Spielraum bleibt, wird die (iroße Kapazität des Führungsrohres 3 gegen die Bodenplatte 10 durch einen verbreiterten Rand 7 am unteren Ende realisiert. Durch den kleineren Radius Dl des Führungsrohres 3 in seinem übrigen Teil 8 bleibt ein genügend hoher Wellenwiderstand gewährleistet.

Um den Anforderungen an die Durchstimmbarkeit des Resonators 4 i-nd damit auch eines aus solchen Resonatoren aufgebauten Mikrowellenfilters in einem gewünschten Frequenzbereich zu genügen, nuß man das Verhältnis zwischen dem inneren Durchmesser D3 des Führungsrohres 3 und dem Durchmesser D4 des Abstimmstempels S entsprechend wählen. Wie aus den mit A bezeichneten Kurven der Fig. 2 hervorgeht, kann man mit dem Durchmesserverhältnis DiIDA sowohl die Steilheit als auch den Verlauf (Linearität) der Frequenzänderung beim Abstimmen beeinflussen. Der Abstimmstempel 5 soll dabei aus einem verlustarmen dielektrischen Material, z. B. Quarzglas, bestehen. Wenn dieser Stempel an seinem in den Raum zwischen 7 und gegenüberstehender Bodenplatte 10 eintauchenden Ende mit einem kappenförmigen, metallischen Überzug, z. B. aus Silber, versehen wird, ergibt sich, wie ebenfalls die mit B bezeichneten Kurven der Fig. 2 zeigen, eine wesentlich - etwa um den Faktor 3 - höhere Steilheit der Frequenzänderung. Hierbei ist in Fig. 2 mit f die höchste bei völlig eingefahrenem Stempel erzieibare Resonanzfrequenz des Resonators bezeichnet.

Bei einem Durchmesserverhältnis D3/D4 von 2 und 11 mm langen versilberten Kappen am Abstimmstempel 5 konnte dabei praktisch eine lineare Abstimmcharakteristik erzielt werden (Fig. 2, mittlere Kurve B).

Fig. 3 zeigt nun die Abweichungen von einer völlig linearen Abhängigkeit der eingestellten Frequenz von der Eintauchtiefe t des Abstimmstempels. Al ist die Abweichung vom linearen Verlauf für den Fall eines Abstimmstempels 5 mit versilberter Kappe mit D3/ DA = 2, dessen Abstimmcharakteristik in Fig. 2, mittlere Kurve B, dargestellt ist.

Nun soll auf den Einfluß der Koppelöffnungen 9 in den Seitenwänden 2 des Resonators 4 auf die Eigenschaften des Resonators 4 bzw. eines aus solchen Resonatoren aufgebauten Mikrowellenfilters eingegangen werden. Hei induktiv wirkenden Koppelöffnungen 9, deren Höhe gleich der Resonatirhöhe ist (Bild 4a) verringert sich die Bandbreite eines aus solchen Resonatoren aufgebauten Mikrowellenfilters mit abnehmender Frequenz (Fig. 5, Kurve a). Um diese Frequenzabhängigkeit zu kompensieren, werden Koppelöffnungen nach Fig. 4B gewählt, deren Höhe (Λ) in etwa dem Hub des Abstimmstempels 6 entspricht. Außerdem ist die Breite d der Koppelöffnungen 9 und ihr Abstand vom Führungsrohr 3 so zu wählen, daß im Durchstimmbereich der Koppelleitwert mit abnehmender Frequenz in erster Näherung linear abnimmt. Nähert sich der Abstimmstempel S bei der Abstimmung auf tiefere Frequenzen der Bodenplatte 10, so bilden sich im Bereich der Koppelöffnungen 9 in verstärktem Maße magnetische Feldlinien aus, die eine festere Kopplung der einzelnen Resonatoren bewirken. Dadurch wird eine über dem Durchstimmbereich nahezu konstante Bandbreite erreicht, wie es die Kurve b in Fig. 5 zeigt.

Es sollen nun zwei Ausführungsbeispiele für die Resonatoren des erfindungsgemäßen Mikrowellenfilters aufgezeigt werden.

Für einen quaderförmigen Hohlraumresonator mit den inneren Abmessungen a= 58 mm, b = 29 mm und c = 50 mm wurde für eine Resonanzfrequenz von 2,3 GHz ein Durchmesser Dl des Randes 7 des Führungsrohres 3 von 20 mm gewählt. Die Länge / des Führungsrohres 3 betrug 17 mm. Durch die Eindrehung 8 des Führungsrohres 3 auf einen Durchmesser D2, der gegenüber Dl um ca. 15% kleiner war, war es möglich, die Länge / des Führungsrohres 3 um etwa 1,5 mm, also um &% zu verkürzen.
Die Volumeneinsparung eines aus solchen Resonatoren zusammengesetzten Filters gegenüber einem, in dem der H₁₀-Wellentyp ohne kapazitive Belastung existent ist, beträgt etwa den Faktor 4,5. Hierbei konnte noch eine Resonatorleeigüte von 5000 realisiert werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel habe der quaderförmige Hohlraumresonator die inneren Abmessungen a = 46 mm, b= 29 mm und c= 34 mm. Für eine Resonanzfrequenz von 4,2 GHz sei der Durchmesser des Randes 7 zu Dl = 15 mm gewählt.

Die Länge / des Führungsrohres sei 8 mm, und der kleinere Durchmesser D2 der Eindrehung 7 sei 13 mm. Obwohl es sich hier um einen Resonator handelt, der unterhalb der Grenzwellenlänge λ_Γ = 92 mm betrieben wi^rd, bei dem also der H_ln-Wellentyp existent ist, konnte auch hier die Länge / des Führungsrohres 3 und die Resonatorlänge c durch das Durchmesserverhältnis D1/D2 verringert werden. Grundsätzlich müßte die Länge c des Resonators 4 ohne Führungsrohr 3 und Abstimmstempel 5 für die oben aufgeführte Frequenz von 4,2 GHz infolge des Dispersionsfaktors etwa Ag/2, also ca. 57 mm betragen. Es wird also ca. 57 mm betragen. Es wird also auch bei Resonatoren, deren Resonanzfrequsnz oberhalb der Grenzfrequenz liegt, eine wesentliche Verkürzung der Resonatorläng c erzielt.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Filters sind nun in den Fig. 6 und 8 gezeigt.

Es handelt sich dabei jeweils um ein Mikrowellenfilter mit Bandpaßverhalten, das aus der Kettenschaltung von 6 Resonatoren A... l· besteht. Während bei dem Filter nach F i g. 6 die Resonatoren so angeordnet sind, daß sich ein U-förmiger Energiefluß ergibt, entsteht beider in Fig. 8 gezeigten Anordnung ein mäanderiormiger Eneigiefluß. Wie durch die in Fig. 6 und Fig. 8 gestrichelt gezeichneten Auskoppelöffnungen der Filter angedeutet ist, kann die Auskopplung ebenfalls an der der Einkoppelöffnung gegenüberliegenden oder benachbarten Seite des letzten Resonators F

erfolgen. Es braucht wohl nicht besonders darauf hingewiesen zu werden, daß die hier dargestellten Anordnungen für größere Resonatorzahlen erweiterbar sind. Zum Beispiel drei Reihen mit jeweiliger Umlenkung des Energieflusses am Ende einer Reihe usw. Da die Resonanzfrequenz in erster Linie jeweils von dem Führungsrohr und dem Abstimmstempel bestimmt werden, kann man die Abmessungen weitgehend frei wählen, insbesondere können alle Resonatoren die gleichen Abmessungen haben.

Die so realisierten Mikrowellenfilter, z. B. ein Filter nach Fig. 6 für den Bereich 3,8...4,2 GHz, entsprechen in ihrem elektrischen Verhalten genau einem gestreckten Mikrowellenfilter. Ausgehend von solchen Mikrowellenfiltern können auch, wie z. B. in Fig. 7 gezeigt, durch zusätzliche Koppclöffnungen k6, kl zwischen den Resonatoren B und E sowie A und F Mikrowellenfilter mit konstanter Gruppenlaufzeit und optimal geebnetem Dämpfungsverlauf im Durchlaßbereich realisiert werden, wie sie in anderer Ausführung von J. D. Rhodes unter dem Titel: The design and synthesis of a class of microwave bandpass linear phase filters« in IEEE Transactions on Micro-

wave Theory and Techniques Vol. 17 (1969) No. 4, S. 189...204, beschrieben wurden. Da die Sperrdämpfung solcher Filter aber sehr schlecht ist, eignen sie sich besonders für eine breitbandige Impedanztransformation, da hier die Sperrdämpfung keine Rolle spielt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellenfilter aus quaderförmigen, in mehreren Reihen angeordneten Hohlraumresonatoren, die über induktiv wirkende Koppelöffnungen derart gekoppelt sind, daß sich ein geradliniger, U-förmiger oder mäanderförmiger Energiefluß ergibt, und die jeweils einen von einem metallischen Führungsrohr umgebenen Abstimmstempel zur kapazitiven Abstimmung enthalten, der vom Zentrum der Deckplatte dazu senkrecht verstellbar tief in den Hohlraumresonator ragt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- das Führungsrohr (3) des Abstimmstempels (5) ist, wie an sich bekannt, an seinem unteren Ende (7) gegenüber dem übrigen Teil verbreitert,

- die Koppelöffnungen (9) sind rechteckförmige Schlitze, deren Höhe (h) jeweils von der Bodenplatte (10) bis etwa zum unteren Ende (7) des Führungsrohres (3) reicht,

- die Breite (d) der Koppelöffnungen (9) und ihr Abstand vom Führungsrohr (3) sind derart bemessen, daß der Koppelleitwert im Durchstimmbereich mit abnehmender Frequenz in erster Näherung linear abnimmt.

2. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstimmstempel (5) aus verlustarmem Isoliermaterial besteht.

3. Mikrowellenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Abstimmstempels (5), der aus dem Führungsrohr (3) herausragen kann, mit einem leitenden Überzug versehen ist.

4. Mikrowellenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer konstanten Gruppenlaufzeit und eines optimal geebneten Dämpfungsverlaufs zusätzliche Koppelöffnungen (K6, KT, Fig. 7) vorgesehen sind.