DE2122337A1

DE2122337A1 - Hohlraum-Resonatorfilter

Info

Publication number: DE2122337A1
Application number: DE19712122337
Authority: DE
Inventors: Bruno L.; Champeau Andre R.; Orsay Blachier (Frankreich)
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1970-05-08
Filing date: 1971-05-06
Publication date: 1971-11-25
Also published as: DE2122337C2; BE766286A; FR2100640B1; GB1301972A; JPS5116094B1; NL174509C; NL174509B; SE364143B; FR2100640A1; US3697898A; NL7106401A

Description

COMiIUNICATIONS SATELLITE Hanau, 3. Hai 1971

CORPORATION, Uashington, D.C. Zo/Me - 10 608

U. CA.

Hohlraum-Resonatorfilter

Die Erfindung betrifft ein Hohlraum-Resonatorfilter mit einer Anzahl von Hohlräumen zur Nachahmung der elektrischen Charakteristiken komplexer, aus Elementgliedern aufgebauter Mikrowellenfilter. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Bandpaß-riikrowellen-Filter mit einer Anzahl gekoppelter Resonanzhohlräume, von denen jeder derart abgestimmt ist, daß mehr als eine unabhängige ',7ellenfolge bei Frequenzen innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite auftreten. Eine Anzahl von Blenden koppelt dabei wahlweise die sich ausbreitenden Πchwingungsfolgen in jedem Resonannhohlraum.

"andpaß-Filter, dio einfach, leichtgewichtig und wirksam im Mikro'./ellenbereich den Frequenzispektrums arbeiten, befinden oich noch im frühen Entwicklungsstadium. Er, ist bekannt, daß .'lcrLümnliche konzentrierte Ferien-Schaltungen oder parallele Roijonanzelenente im !likrowellenbcreich wegen ihrer erheblichen i-tralilungsjverluate infolge der bei diesen Frequenzen vorliegen-

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den hohen Stromdichten nicht verwendbar 3ind.

Die Schwierigkeit, geeignete Induktivitäten und Kapazitäten in den für die Bandbreite bei einer mittleren Mikrowellenfrequenz erforderlichen Dimensionen su fertigen, trägt zu den Nachteilen konventioneller Schaltungen noch erheblich bei.

Es ist bekannt, die Ausbreitung oder Fortpflanzung einer Welle bei Frequenzen oberhalb einer kritischen Frequenz mit Hilfe eines Mikrowellenübertragungsmediums durchzuführen. Dieses Medium ist im allgemeinen ein llohlelement mit kreisförmigem, rechtwinkligem oder quadratischem Querschnitt, welches die sich fortpflanzende Welle von einem Punkt zum anderen mit möglichst geringer Verzerrung und Dämpfung v/ei tor leitet. Die über einen solchen Wellenleiter übertragene Welle ist einfach oder linear polarisiert. Die Welle kann jedoch in Abhängigkeit von der Querschnittsform des Wellenleiters auch mehr als eine Polarisationsrichtung aufweisen. Bei einer Begrenzung der Welle auf eine vorgegebene Länge des Wellenleiters treten entsprechendden natürlichen Resonanzfrequenzen Schwingungen in mehreren Fornen auf«Ein im Wellenleiter derart vorgesehener Hohlraum verhält sich v/ie eine herkömmliche Resonanzschaltung und kann eine der aus einzelnen elektrischen Elementen zusammengesetzten Resonanzschaltung gleichwertige Filterfunktbn übernehmen.

Ein einziges Hohlraumfilter liefert unter Umständen für die gewünschte Froquenzauswahl eine nicht ausreichende Dämpfung außerhalb des BandberelGhs, so daß eine Anzahl von Hohlräumen vorzusehen ist, um diese Auswahl zu erzielen. Die Anzahl der Hohlräume kann direkt in Serie als Reaonanzelemente geschaltet werden, wobei jeweils eine Strecke der übertragungsleitung von · einem Viertel der Wellenlänge vorgesehen ist und die Abmessungen der Leitung derart gewählt sind, daß sie ein Resonanzsignal mit der mittleren Frequenz wirksam überträgt.

Es sind bereits nach diesem Prinzipien aufgebaute Wellenleiter-

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filter vorgeschlagen worden, welche jedoch nur den maximal abgeflachten Typ von Filterkurven oder Tschebyscheff-Filterkurven liefern, die bereits mit konventionellen Schaltungen bei niedrigen Frequenzen leicht verwirklichbar sind. Elliptische Filterkurven, die eine extrem steile Flanken-Charakteristik aufweisen, sind in der Mikrowellentechnik ebenfalls bereits bekannt. Jedoch 3ind die Mikrowollengeräte mit dieser Art von Sperrfiltern äußerst kompliziert, aufwendig und schwer. Die dabei erforderlichen Abmessungen sind mit den Anforderungen der Raumfahrt oder anderen große- oder gewichtsbegrenzenden Bedingungen unvereinbar.

In einem Hohlraum-Resonator können mehrere Schwingungszustände bei den natürlichen Resonanzfrequenzen auftreten. Die in einem Hohlraum-Resonator mitschwingenden Wellenformen können eine zueinander rechtwinklige Ausrichtung aufweisen, das heißt, senkrecht und waagrecht polarisiert sein. Zv/ei zueinander orthogonale Schwingungsformen v/eisen einen Unterschied in der Polarisation von 90° zueinander auf, so <
ferenzen zwischen ihnen auftreten.

sation von 90° zueinander auf, so daß keine gegenseitige Inter-

Die Theorie der Hohlraum-Resonatorfilter für eine Schwingungsform gilt in gleicher Weise für den Fall zweier Schwingungsrichtungen, bei dem zwei zueinander orthogonale Schwingungsformen unabhängig voneinander in einem einzigen Hohlraum in Resonanz schwingen. Es ist bekannt, daß ein einzelne« Hohlraum-Resonator das Verhalten eines Filters mit zwei Hohlräumen aufweisen kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine der orthogonalen Schwingungsfornen mit der zweiten Schwingungsform gekoppelt wird, vorausgesetzt, daß jede unabhängige Schwingungsform auf die Resonanzfrequenz des gewünschten Signals genau abgestimmt ist. Daraus folgt, daß bei einer Einstellung der Resonanzfrequenzen eines Hohlraums nit zwei Schwingungsformen und der Kopplung zwischen diesen in der Art, daß sie den korrespondierenden ir'jßen eines aus Einzelteilen aufge-

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bauten Filters entsprechen, das Verhalten des Hohlraums über ein begrenztes Frequenzband dem des Filters angenähert werden kann.

Obgleich die Anwendung von zwei Schwingungsformen in einem einzigen Resonanzhohlraum bekannt ist, trifft dies nicht auf die Zusammensetzung von Filterkurven zu, die mit Hilfe einer Anzahl von Hohlräumen mit zwei Schwingungsformen erhalten werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ilohlraum-Resonatorfilter zu schaffen, mit dem eine wahlweise Kopplung identischer Schwingungsformen zwischen einer Anzahl von Hohlräumen, in denen zueinander rechtwinklige Schwingungsformen auftreten, möglich ist. Des weiteren soll mit der vorliegenden Erfindung ein leichteres und kompakteres Gerät in Vergleich zu bekannten Geräten für die Erzielung der voranstellend beschriebenen Filterkurven geschaffen worden.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird dadurch erreicht, daß in jedem der Hohlräume bei der Resonanzfrequenz eine erste und zweite unabhängige, orthogonale Gchwingungsfolge auftritt, wobei in jedem Hohlraum Kopplungsglieder zur Innenkopplung der ersten Schwingungsfolge mit der zweiten Schwingungsfolge und weitere Kopplungsglieder vorgesehen sind, die ausgewählte Hohlräume zur Kopplung identischer Schwingungsfolgen in denselben miteinander verbinden.

Die Kopplungsglieder umfassen vorteilhafterweise Polarisations-Auswahlvorrichtungen für eine wahlweise Kopplung zwischen identischen Schwingungsfolgen in den Hohlräumen. Die wahlweisen Kopplungsglieder können aus Polarisations-Auswahlblenden, Ubertragungsleitungen oder Mikrowellen-Brückenelementen bestehen. Die ersten Kopplungsglieder sind vorzugsweise für eine Innenkopplung mit einer ersten Phase oder mit einer zweiten, zur ersten Phase um 130 verschobenen Phasenlage vorgesehen.

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Der Einsatz von Phasenumkehrungsvorrichtungen in aneinandergekoppelten Hohlräumen schafft die Möglichkeit von Differenzenbildungen zwischen Identischen Schwingungsformen in den gekoppelten Hohlräumen, wodurch steile Filterkanten für den Durchlaßbcroich einer, Filters erzielbar sind.

Die Erfindung wird anschließend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

L:; zeigen:

Fig. la den Aufbau eines Filters mit zwei Hohlraum-Resonatoren gemäß der vorliegenden Erfindung,

rig. Ib die verschiedenen elektrischen Feldpolarisationen über die Länge des in Fig. la dargestellten Filters ,

Fig. 2a ein charakteristisches, punktförmig verteiltes Elementen- Λ -'Jotzwcrk, das bei niedrigen Frequenzen die elliptische Filterkurve hewirkt,

Fig. 2b eine der Tehaltung aus Fig. 2a gleichwertige Schaltung, die das Schaltbild des Mikrowellenresonators nach Fig. 1 darstellt und

Fig. 3 eine Darstellung der typischen elliptischen FiI-terkurve.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, -./eiche die grundsätzlichen Unterschiede der Erfindung gegenüber dem :;tand der Technik erkennen läßt. Ein I'ohlleiterteil 1 mit kreisförmigem Querschnitt, welcher mit einer¹ rechtwinkligen hohlleiter an Verbindungspunkten 2 und goi oppelt r>oin kann, i;;t ein beiden Enden von reflektierenden

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Platten 4 und 5 begrenzt. Den Ilohlleiterteil 1 unterteilt eine dritte reflektierende Platte 6, welche zwei Hohlräume 7 und 3 gegeneinander abgrenzt. Da im allgmeinen die Frequenz umgekehrt proportional der Uellenlänge Λ und die Resonanzfrequenz eines Hohlraums proportional zu seiner Länge ist, erfordert die Auswahl der gewünschten Mittenfrequenzen, daß jeder der physikalischen Hohlräume des Filters die Länge von -x aufweist. Jeder physikalische Hohlraum ist geeignet, in zwei voneinander unabhängigen orthogonalen Schvingungsformen bei der Mittenfrequenz der nutzbaren Bandbreite dee Hohlleiters mitzuschwingen. Die Prinzipien für diese Art von kreisförmigen in der H^^^-Schv/ingungsform arbeitenden Hohlleiterfilter gelten auch für Hohlleiter mit quadratischen, rechtwinkligen oder elliptischen Querschnitten, welche zwei oder mehr voneinander unabhängige Schwingungsformen bei einer Resonanzfrequenz aufweisen. Jedoch wird das kreisförmige Hohlleiterfilter wegen seiner besseren Selektivität, des niedrigeren Einfügungsverlustes und des geringeren Gewichts bevorzugt.

Die Polarisation der in Resonanz befindlichen orthogonalen Schwingungs formen v/ird durch die in Fig. Ib gezeigten horizontalen und vertikalen Vektoren definiert, die unabhängig voneinander sind und sich in dem Hohlraum ohne Interferenz ausbreiten. Bei vollkommener Symmetrie und geeigneten Abmessungen des Hohlraums setzen sich beide Schwingungsformen mit der gleichen Frequenz fort. Jedoch ist in der Praxis dieser Zustand nicht erreichbar, und es werden daher vorteilhafterweiee zwei Ab3timmschrauben vorgesehen, die symmetrisch in dem Hohlraum entlang Radien, die mit den horizontalen und vertikalen Vektoren der zueinander orthogonalen Schwingungsformen zusammenfallen, eingesetzt sind, um eine voneinander unabhängige Abstimmung der beiden Schwingungsformen auf die gleiche gewünschte Frequenz zu ermöglichen. Derartige Abstimmungsschrauben 9 und 10 sind in den Wänden des ersten zylindrischen Hohlraums 7 angeordnet, um eine Abstimmungskapazität für don Hohlraum über einen Teil de3 Frequenzbandes der betreffendem

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vertikalen und horizontalen Schwingungsformen zu bilden. Auf die gleiche Weise sind in den Wänden des Hohlraums 8 Abstimmungsschrauben 11 und 12 als Abstimmungskapazität vorgesehen. Alle fundamentalen Schwingungsformen, die sich im Filter ausbilden, können dadurch auf die gleiche gewünschte Frequenz abgestimmt werden. Diese Abstimmschrauben sind normalerweise in der Mitte des Hohlraums in einem Abstand von annähernd (-^p) von den reflektierenden Platten angeordnet, dort wo die elektrischen Felder einerseits ein Maximum aufweinen und die Betätigung der Schrauben am wirkungsvollsten ist und andererseits die Ströme ein Minimum besitzen und vernachlässigbare zusätzliche Verluste durch die Schrauben eingeführt werden.

Weitere Kopplungsschrauben 13 und 14 sind gleichfalls in der Uandmitte eines jeden diesbezüglichen Hohlraums 7 oder 8, wo die elektrischen Felder ein Maximum haben, angeordnet. Jede Schraube 13 und 14 stellt innerhalb des Hohlraums eine Vorrichtung dar, welche das elektrische Feld von einer der voneinander unabhängigen orthogonalen Schwingungsformen zu der anderen koppelt. Die Schrauben 13, 14 sind längs des Umfangs im Winkel von 45° zu den fundamentalen orthogonalen Schwingungsvektoren ausgerichtet, um eine maximale Kopplung von einem Schwingungszustand zu dem anderen und den gleichen Einfluß auf die Frequenz der beiden Schwingungszuntände sicherzustellen.

Durch Veränderung des Radialwinkels der Kopplungsschrauben im Hohlraum verändert sich der von einer Schwingungsform zur anderen übertragene Leistungsbetrag in Abhängigkeit von einer Sinusfunktion des Radialwinkels. Bei einem Verändern des Radialwinkels der Schraube 13 im Uhrzeigersinn um die Mittelachse des Hohlleiters sinkt beispielsweise die Kopplung auf Null, wenn die Schraubenrichtung mit der vertikalen Schwingungsform zusammenfällt. Eine Verschiebung der Schraube 13 um 90° aus der dargestellten Stellung ergibt ebenfalls eine

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Maximalkopplung, wobei jedoch die Phase um 180° verschoben ist. Die Kopplungen stimmen der Größe nach überein, weisen aber entgegengesetzte Vorzeichen auf.

Die Kopplungsschraube 14 im Hohlraum 3 ist in einem Winkel von 45° zwischen den beiden zueinander orthogonalen Schwingungsrichtungen angeordnet und gegenüber der radialen Richtung der Schraube 13 um 90° versetzt. Die von der Schraube 14 bewirkte Kopplung ist deshalb gleich derjenigen der Schraube 13, weist jedoch entgegengesetztes Vorzeichen auf. Dieser Unterschied der Vorzeichen in den beiden Hohlräumen ist notwendig, um die elliptische Filterkurve zu erhalten.

Aus praktischen Gründen ist es nicht empfehlenswert, die Kopplungsschrauben in einer anderen al3 der Radialrichtung, die in einem Winkel von 45° zu den zueinander rechtwinkligen Schwingungsvektoren verläuft anzuordnen, da ansonsten die Schrauben jede der orthogonalen Schwlngungsformen unterschiedlich beeinflussen, wodurch die Abstimmung der beiden Schwingungsformen durch die Abstimmungsschrauben erschwert wird. Da der Kopplungsgrad von der einen zur anderen Schwingungsform auch von der Länge des kapazitiven Kopplungsgliedes im Hohlraum abhängt, erfolgt die Einstellung der Kopplung vorzugsweise durch Variieren der Länge der Kopplungsschraube, die in den Hohlraum hineinragt. Für die kapazitive Kopplung können ebenso gleichwertige strukturelle Störstellen bzw. Diskontinuitäten innerhalb des Hohlraums vorgesehen 3ein, wie beispielsweise ein dielektrischer Stab oder eine Beulung in der Ilohlraumwand.

In den reflektierenden Platten 4 und 5 1st ein Eingangsschlitz oder eine Blende 19 bzw. ein Ausgangsschlitz oder eine Blende 16 vorgesehen, welche die übertragene polarisierte Welle eines rechtwinkligen Wellenleiters an da3 Hohlleiterfilter koppeln. Da die sich ausbreitenden Wallen in einem rechtwinkligen Wellenleiter normalerweise nur in einer Richtung polarisiert sind,

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ist am Eingang des Filters eine Selektiv-Kopplung nicht erforderlich. In Fig. Ib sind die Schwingungsvektoren der Eingangsv/elle V. und der Ausgangswelle V dargestellt, bei denen vorausgesetzt v/ird, daß sie eine Vertikalpolarisation in dem rechtwinkligen Wellenleiter aufweisen. Die Fortpflanzung innerhalb der Hohlräume 7 und 8 geschieht jedoch in Form von kreuzpolarisierten Schwingungen, wobei die Reflexion der gekoppelten, horizontalen Schv/ingungen an den Platten 4 und 5 ohne übertragung auf den rechtwinkligen Wellenleiter erforderlich ist, um die Resonanz der beiden zueinander orthogonalen ßchwingungsforraen zu unterstützen.

Die geometrische Form und die Ausrichtung der Kopplungsschlitze 19 und 16 sind derart gewählt, daß die Kopplung aller ein- und ausgehender Wellen mit der entsprechenden Polarisation verstärkt, die Kopplung anderer Polarisationsrichtungen jedoch vermindert wird und daß die entgegengerichtete Komponente der mitschwingenden kreuzpolarisierten Uellen in den Hohlräumen 7 und 8 verbleibt. Geometrisch gesehen sind die Blenden in diesem besonderen Fall rechtwinklige Schlitze, die in bezug auf ihre Länge sehr schmal sind, um eine gute Polarisationsauswahl zu erreichen. Die Schlitze sind in dem Hohlleiter derart ausgerichtet, daß die vertikal polarisierten Eingangs- und Ausgangswellen hindurchgehen, während die horizontale Komponente des in Resonanz schwingenden kreuzpolarisierten Schwingungstyps innerhalb der Hohlräume reflektiert wird. Demgemäß sind die Schlitze in Längsrichtung im rechten Winkel zur senkrecht polarisierten und parallel zur horizontal polarisierten Schwingungsfolge ausgerichtet.

Der Eingangsaufbau ist keineswegs auf einen rechtwinkligen Wellenleiter begrenzt, der einfach polarisierte Wellen überträgt. Es kann jegliche andere Form einer übertragungsleitung verwendet werden, längs welcher sich Signale in einem oder mehreren Schwingungszuständen ausbreiten, vorausgesetzt, daß eine adäquate Polarisations-Selektivkopplung am Eingang vor-

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gesehen ist. Zusätzlich können v/eitere geometrische Formen und Ausrichtungen des Kopplungsaufhaus am Eingang und Ausgang des Filters gewählt werden, um '.fellen mit einer gewünschten Polarisation in die Hohlraum-Resonatoren ein- und austreten zu lassen und um die unerwünschten Komponenten der orthogonal zueinander polarisierten Wellen in den Hohlräumen zu reflektieren .

Eine dritte Blende 17 in der Platte 6, die quer zur Längsausdehnung in dem zylindrischen Hohlleiterteil 1 eingesetzt ist, stellt zwischen den beiden Hohlräumen 7 und 8 eine induktive Kopplung her» Diese Blende weist vorzugsweise eine geometrische Form und eine Ausrichtung auf, die wahlweise jede der in den Hohlräumen 7 und 8 mitschwingenden zueinander orthogonalen Schwingungsformen koppelt. Wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben werden wird, i3t zur Erreichung der elliptischen Funktion eine maximale Kopplung der sich in dem Hohlraum-Resonator 7 ausbreitenden horizontalen Schwingung mit der sich in dem Hohlraum-Resonator 8 fortpflanzenden horizontalen Schwingung erforderlich, wobei zwischen den vertikal polarisierten Schwingungen in den Hohlräumen 7 und 8 ein geringerer Grad von Kopplung besteht.

Fig. la zeigt die Blende 17 mit einer geeigneten geometrischen Ausbildung. Der Kopplungsschlitz besteht aus zwei sich kreuzenden, nämlich einem horizontalen und einem vertikalen Schlitz, di© symmetrisch derart ausgerichtet sind, daß sie mit den zueinander orthogonalen Vektoren zusammenfallen, welche die beiden Ausbreitungsformen in den betreffenden Hohlraum-Resonatoren definieren. Die Abmessungen des Schlitzes 17 sind derart gewählt, daß der gewünschte Kopplungsgrad der horizontalen und vertikalen Schwingung erzielbar ist. Es können andere Kopplungsanordnungen, wie beispielsweise Viertelwellenleiter oder zusätzliche geometrische Formen für die Blende 17 vorgesehen werden, um den gewünschten Kopplungsgrad z\*ischen den horizontalen und den vertikalen Schwingungsfolgen

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In jedem Hohlraum zu erhalten. Es ist beispielsweise, da in jeder Kammer identische Schwingungsfolgen miteinander gekoppelt sind, keine vollkommene Polarisationsauswahl erforderlich, so daß rechtwinklige oder elliptische Formen gewählt werden können, welche eine Variation des Kopplungsgrads zwischen den beiden Schwingungsarten ermöglichen. Die Blendenausbildung nach Fig. la hat sich jedoch insbesondere für die Durchführung der gewünschten" unabhängigen Regelung des Kopplungsgrads der beiden zueinander rechtwinkligen Schwingungsarten bewährt.

Zum besseren Verständnis der Wirkungswelse der vorliegenden Erfindung wird nochmals mit Bezug auf Fig. Ib auf die Bedeutung der Vektoren im elektrischen Feld innerhalb des zylindrischen Hohlleiterfilters näher eingegangen. Zunächst sei eine vertikale Eingangspolarisation angenommen, dann überträgt der horizontale Kopplungsschlitz 19 die vertikale Schwingungsform V^ an den Hohlraum-Resonator 7. Der Vektor V, schwingt dann in dem Hohlraum 7 als Schwingungsvektor Rl mit, und die Energie der vertikal polarisierten VJelle Rl wird auf die nicht interferierende horizontal polarisierte Schwingungsform R2 durch die Kopplungsschraube 13 .übertragen. Die vertikalen und horizontalen Signale Rl und R2 breiten sich gleichzeitig und unabhängig voneinander in der dargestellten gekreuzten Schwingungsform im Hohlraum 7 aus. Die senkrechten Abmessungen der Blende 17 sind derart gewählt, daß die horizontale Schwingungsform R2 des in dem Hohlraum 7 bestehenden elektrischen Feldes als horizontale Resonanzschwingung R3 in dem Hohlraum 8 induktiv gekoppelt wird. Die Kopplungsschraube 14 koppelt die Schwingungsform R3 mit der vertikalen Resonanzschwingungsform R4, was dazu führt, daß sich die gekreuzten Schwingungsformen R3 und R4 innerhalb des Hohlraums 8 gleichzeitig und unabhängig voneinander ausbreiten. Wie voranstehend schon erwähnt wurde, ist die Kopplungsschraube 14 zu der Kopplungsschraube 13 in einem Winkel von 90° ausgerichtet und erteilt daher der vertikalen Resonanzschwingung R4 eine Phasenverschiebung um 180° in bezug

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auf die vertikale Schwingungsform Rl. Fig. Ib zeigt, daß jeder der Hohlräume 7 und 8 horizontale Schwingungskomponenten aufweist, die in Phase und Größe identisch sind, während die senkrechten Schwingungskomponenten in der Phasenlage um 13O° zueinander verschoben sind. Die horizontale Abmessung der Blende 17 bewirkt eine Kopplung zwischen der vertikalen Schwingung Rl im Hohlraum 7 und der vertikalen Schwingung R4 im Hohlraum 8. Die Kopplung dieser beiden um 180° in der Phase verschobenen Schwingungsfolgen liefert die gewünschte elliptische Funktion. Die Kopplung der Gchwingungsformen R4 und Rl ist kleiner als diejenige der Schwingungsformen R2 und R3 und vermindert die Frequenzempfindlichkeit des Filters nur an den Kanten des Durchlaßboreichs, wodurch sich die charakteristischen steilen Flanken und Einkerbungen der elliptischen Filterkurve in Fig. 3 ergeben.

Der in Fig. la gezeigte Resonatoraufbau kann durch eine äquivalente konzentrierte Elementarschaltung dargestellt v/erden. Techniken zum übertragen der Funktionen eines Mikrowellanelementes auf ein Schaltungselement sind in dem Artikel "Mikrowellen-Übertragungs-Schaltungen", Vol. 9, MIT Radiation Laboratory Series, S. 661 - 706 untersucht worden.

Fig. 2a zeigt eine Schaltung eines klassischen Π -Teils, der bei niedrigen Frequenzen die in Fig. 3 dargestellte elliptische Filterkurve liefert. In Flg. 2b ist ein Llementenfiltcr dargestellt, welches vom H -Teil aus Fig. 2a abgeleitet ist und bei herkömmlichen Schaltunga-Synthese-Techniken gleichwertig dem leichtgewichtigen Mikrowellengerät der vorliegenden Erfindung ist und eine identische elliptische Empfindlichkeit liefert.

Die in Fig. 2b dargestellte gleichwertige Schaltung besteht aus vier parallelen Oszillatorschwingkreisen, die durch zwei induktive und zwei kapazitive Kopplungsglieder miteinander verbunden sind. Der erste Teil des Hohlraums 7 weist die Schwingungsformen Rl und R2 auf und entspricht den ersten Resonanz-Parallelkreisen 110 bzw. 111 in Fig. 2b. Desgleichen

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sind die Schwingungen der Resonanzkreise 112 und 113 äquivalent zu den Resonanzschwingungen R3 und R4 im zweiten Hohlraum. Die kapazitiven Abstimmschrauben 9 und 10 entsprechen Kondensatoren 114 und 115. Die Kopplung zwischen der vertikalen Schwingungsform Rl und der horizontalen Schwingungsform R2 des ersten Hohlraumes entspricht einem kapazitiven Kopplungselement 116. Die Abstimmschrauben 11 und 12 entsprechen Kondensatoren 117 und 118, während die kapazitive Kopplungsschraube 14 einem kapazitiven Kopplungaglled 119 entspricht. Die Eingangs- und Ausgangsblenden 19 und 16 sind induktive Vorrichtungen, welche eine verlustlose Kopplung des Wellenleiters an das Filter bewirken, folglich entsprechen beide Blenden verlustlosen Transformatoren 120 und 121, welche die Gesamtenergie des Eingangssignals zu den Hohlräumen und von diesen zum Ausgangskreis übertragen. Bezüglich des Oszillatorschwingkreises 113, dessen Resonanz der Resonanz-Schwingung R4 entspricht, wird der Eingang von der r.opplungskapazität 119 phasenmäßig durch eine Uberkreuzungsschaltung 122 umgekehrt, welche der Versetzung der Kopplungsschraube 13 um 90° entspricht. Der Ausgang dieses Oszillatorschwingkreises ist durch eine Induktivität 123 an den Eingang.o-Oszillatorschwingkreis rückgekoppelt, wobei die Induktivität 123 der induktiven Kopplung der Schwingungsfolge R4 an die Schwingungsfolge Rl durch den horizontalen Teil der riende 17 entspricht. Die Rückkopplung dieses negativen Resonanz signals an den ersten Resonanzkreis' liefert die steile Flanke und die Einkerbungen in der elliptischen Filterkurve.

Durch eine Kaskadenschaltung von zwei Hohlraum-Resonatoren, Lei denen beide Schwingungsfolgen in Resonanz stehen, wird eine äquivalente Schaltung für ein vierfaches Ilohlraumfilter mit einer einzigen Resonanzschwingung und eine zusätzliche wesentliche Gewichtsreduzierung erhalten. Selbstverständlich gelten die Prinzipien für das Beispiel mit zwei Hohlräumen auch für IJ Hohlräume, von denen jeder mit zwei iJchwingungsfolgen arbeitet, v/obei die H Hohlräume mit zv/ei Schwingungs-

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folgen 211 Hohlräumen mit einfacher Schv/ingungsfolge entsprechen. Filter mit einer geraden Anzahl von Hohlräumen, beispielsweise zwei oder vier gemäß der vorliegenden Erfindung sind 3Chon erprobt worden. Eine Rechnersimulation hat gezeigt, daß die Erfindung ebenso gut bei Filtern mit einer ungeraden Anzahl von Hohlräumen angewandt werden kann. Darüber hinaus kann die Zv/ischonverbindung von identischen Schwingungsfolgen im Falle von N Hohlräumen offensichtlich durch die Blenden der in Kaskade geschalteten Hohlräume bewerkstelligt v/erden oder durch direkte Verbindung der Hohlräume durch Tolarisationsauswahl-HohlleiterbrückenelemGnte. Die Hohlräume können aneinandergereiht oder zusammengefaltet angeordnet 3ein, um einen kompakten Filteraufbau zu erzielen.

Obgleich mit der bevorzugten Ausführungsform ein Gerät beschrieben worden ist, das eine elliptische Filterkurve liefert, können die Prinzipien der Erfindung auch von einem Fachmann dazu benutzt werden, die normal abgeflachten, die Tschebyscheff- oder andere quasl-elliptische Filterkurven zu erhalten.

Ansprüche :

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Claims

- 13 Ansprüche :

' 1. ^] Hohlraum-Resonatorfliter mit einer Anzahl von Hohlräumen zur Nachalimung der elektrischen Charakteristiken komplexer, au3 Elementgliedern aufgebauter Mikrowellenfilter , dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Hohlräume bei der Resonanzfrequenz eine erste und zweite unabhängige, orthogonale Schwingungsfolge auftritt, wobei in jedem Hohlraum Kopplungsglieder zur Innenkopplung der ersten Schwingungsfolge mit der zweiten Schwingungsfolge und weitere Kopplungsglieder vorgesehen sind, die ausgewählte Hohlräume zur Kopplung identischer Schwingungsfolgen in denselben miteinander verbinden.

2. Hohlraum-Resonatorfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kopplungsglieder Polarisations-Auswahlvorrichtungen für eine wahlweise Kopplung zv/ischen identischen Schwingungs folgen in den Hohlräumen umfassen.

3. IIohlraum-Resonatorf ilter nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Kopplungsglieder für eine Innenkopplung mit einer ersten Phase oder mit einer zweiten, zur ersten Phase um 180° verschobenen Phasenlage vorgesehen sind.

4. IIohlraum-Resonatorf ilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die zweiten Kopplungsglieder eine reflektierende Platte aufweisen, die jeweils zwei Hohlräume direkt miteinander verbindet, wobei die Platte eine Blende zur wahlweisen Kopplung identischer Schwingungsfolgen in den beiden Hohlräumen umfaßt.

5. Hohlraum-Resonatorfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß Abstimmglieder in jedem

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Hohlraum für eine unabhängige Abstimmung jeder Schwingungsfolge auf die Hohlraum-Resonanzfrequenz vorgesehen sind.

6. Hohlraum-Resonatorfilter nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , daß die zweiten Kopplungsglieder aus einer reflektierenden Platte mit einer Kopplungsblende bestehen, wobei die Abmessungen dieser Blende so gewählt sind, daß eine wahlweise* Kopplung zwischen identischen Schwingungsfolgen möglich ist.

7. Hohlraum-Resonatorfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlräume aus zylindrischen Hohlraumabschnitten bestehen, in denen die Abstimmglieder in Form zweier verstellbarer Schrauben, zusammenfallend mit den Richtungen der unabhängigen zueinander orthogonalen Resonanzschwingungsfolgen angeordnet sind.

8. Hohlraum-Resonatorfilter nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlräume einen Eingangs- und einen Aungangshohlraum aufv/eisen, wobei der Eingangshohlraum an einen Eingangswellenleiter durch die erste reflektierende Platte gekoppelt ist, die eine Polarisationsauswahl-Kopplungsblende aufweist und der Ausgangshohlraum an einen Ausgangswellenleiter durch die zweite reflektierende Platte gekoppelt ist, welche gleichfalls eine Polarisationsauswahl-Blende aufweist.

9. Hohlraum-Resonatorfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß physikalische Hohlräume vorgesehen sind, in denen sich zueinander orthogonale in Resonanz befindliche Schwingungsfolgen ausbreiten, so daß das Filter einem Filter mit 2N physikalischen Hohlräumen entspricht, in denen eine einzige resonanta Schwingungsfolge auftritt.

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Ιό. IIoh Ir aura-Resonator f liter mit elliptischer Filterkurve und zwei Hohlräumen , dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Hohlräumen (7, 8) je eine resonante erste und zweite Schwingungsfolge auftreten, welche voneinander unabhängig und zueinander orthogonal sind, wobei in jedem Hohlraum (7 bzw. B) Abstimmglieder zur unabhängigen Abstimmung jeder einzelnen Resonanzschwingungsfolge auf ihre Resonanzfrequenz vorgesehen sind, des v/eiteren Kopplungsglieder in jedem Hohlraum zur kapazitiven Kopplung der ersten Rosonanzschwingungsfolge mit der zweiten Resonanzschwingungsfolge und zum Verschieben der Phase der zweiten Schwingungsfolge im zweiten Hohlraum um 180° in bezug auf die erste Schwingungsfolge des ersten Hohlraums und induktive Kopplungsglieder zum wahlweisen Koppeln der ersten Resonanzschwingungsfolgen und der zweiten Resonanzschwingungsfolgen in den Hohlräumen.

11. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die induktiven Kopplungsglieder zwischen dom ersten und dem zweiten Hohlraum angeordnet sind.

12. Filter naen Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Abstimmglieder aus zwei Schrauben (9, 10 bzw. 11, 12) bestehen, die in der Wand eines jeden Hohlraums (7 bzw. S) befestigt sind und die mit den Vektorenrichtungen der zueinander rechtwinkligen Schwingungsfolgen zusammenfallen.

13. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Kopplungsglieder aus einer reflektierenden Platte (6) mit einer Kopplungsblende (17) bestehen, wobei der Grad der Kopplung zwischen identischen Schwingungsfolgen in jedem Hohlraum wahlweise durtfh Änderung der Abmessungen der Dlende (17) einstellbar ist.

14. Filter nach Anspruch 13, dadurch gekenn-

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net, daß der erste Filterhohlraum (7) mit einem Eingangswellenleiter (2) durch eine reflektierende Platte (4) mit Polarisationsauswahl-Kopplungsblende (19) verbunden ist und daß der zweite Filterhohlraum (8) durch eine reflektierende Platte (5) mit Polarisationsau3wahl-Kopplungsblende (16) mit einem Ausgangswellenleiter (3) verbunden ist.

15. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anzahl von ersten und zweiten Hohlraum-Resonatoren in Kaskade geschaltet sind,wobei die induktiven Kopplungsglieder sowohl eine Anordnung zur direkten Kopplung benachbarter Hohlräume als auch eine weitere Anordnung zum Koppeln ausgewählter Hohlräume aufweisen.

16. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 10-15 , dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven Kopplungsgliedor in jedem Hohlraum aus Kopplungsschrauben (13, 14), dielektrischen Stäben oder Störgliedern bestehen, die in einem Uinkel von 90° zueinander ausgerichtet sind.

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