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Mikrowellenfilter, bestehend aus zwischen parallelen Platten, in Fortpflanzungsrichtung
der Welle hintereinander angeordneten Resonatoren Die vorliegende Erfindung befasst
sich mit einem Mikrowellenfilter, bestehend aus mindestens drei zwischen parallelen
Platten, in Fortpflanzungsrichtung der Welle hintereinander angeordneten Resonatoren,
die durch Stifte gebildet werden und deren induktiv und kapazitiv wirkende Kopplung
durch ihren Abstand bestimmt ist.
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Solche Filter sind unter dem Namen Kammfilter oder Interdigitalfilter
bekannt geworden. Sie werden als Bandpassfilter im Frequenzgebiet von einigen hundert
MGz bis zu einigen G verwendet. Während bei dem zuletzt genannten Filtertyp, dem
Interdigitalfilter, die Resonatoren eine Länge von annähernd einem Viertel der Betriebswellenlänge
haben (d.h. eine "elektrische
Länge" von etwa 900), sind die Resonatoren
des Kammfilters mehr oder weniger stark kapazitiv belastet und dementsprechend auf
eine elektrische Länge von ca. 300 bis 600 verkürzt. Dies entspricht einer Reduzierung
der Länge auf etwa 1/3 bis 2/3 des Wertes beim Interdigitalfilter, was insbesondere
für Frequenzen unter ca. 1 GHz doch erheblich ins Gewicht fällt. Deshalb wird im
allgemeinen auch dem Kammfilter der Vorzug gegeben. Durch die Verkürzung der Resonatoren
ergibt sich für das Kammfilter noch ein zweiter bemerkenswerter Vorteil: Der obere
Sperrbereich wird verbreitert, d.h.
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die Wiederkehrfrequenz beim Kammfilter liegt um einiges höher als
beim Interdigitalfilter.
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Versucht man nun, Kammfiltermit grosser relativer Bandbreite zu realisieren,
so stösst man auf wachsende Schwierigkeiten: Wird der Betrag der Betriebsbandbreite
von ca. 10; erreicht oder überschritten, so stellt man fest, dass die Flankensteilheit
der Filterdurchasskurve in Richtung zu den tieferen Frequenzen geringer ist als
erwartet, in Richtung zu den höheren Frequenzen jedoch grösser. Diese mit der relativen
Bandbreite zunehmende Unsymmetrie der Filterselektion wirkt sich störend aus, da
meist symmetrischer Dämpfungsverlauf gefordert wird.
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Für diese Erscheinung muss zunächst eine Erklärung gefunden werden.
Sie besteht darin, dass die Theorien, nach denen bislang Kammfilter berechnet wurden,
von Voraussetzungen ausgehen,
die bei relativ breiten Filtern nicht
mehr erfüllt sind.
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Sie nehmen nämlich an, dass nur zwischen unmittelbar benachbarten
Resonatoren eine messbare Kopplung besteht, dass dagegen die Kopplung zum jeweils
übernächsten Resonator schon vernachlässigbar klein ist. Im folgenden wird gezeigt,
dass dies mit wachsender relativer Bandbreite immer weniger der Fall ist.
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Die genannten Schwierigkeiten, die dem Bau von Kammfiltern grosser
relativer Bandbreite entgegenstehen, zu beseitigen, hat sich die vorliegende Erfindung
zur Aufgabe gemacht. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens
eine kapazitive Zusatzkopplung zwischen zwei nicht aufeinander folgenden Resonatoren
besteht, die so bemessen ist, dass die durch unerwünschte, induktive Kopplung zwischen
nicht benachbarten Resonatoren hervorgerufene Unsymmetrie der Filterdurchlasskurve
kompensiert wird.
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Es ist vorteilhaft, wenn bei mindestens vier hintereinander angeordneten
Resonatoren mindestens zwei kapazitive Zusatzkopplungen zwischen nicht aufeinander
folgenden Resonatoren so angeordnet sind, dass der gesamte Filteraufbau symmetrisch
ist. Im einzelnen können die kapazitiven Kopplungen als Windung eines isolierten
Drahtes um den Resonator mit eventueller Verschiebung und damit Koppelvariation
oder als Durchführung eines isolierten Leiters durch den Resonator quer zu seiner
Längsachse oder auch als Brücke zwischen zwei entsprechenden
Resonatoren
mit Hilfe eines bandförmig, isoliert an den Resonator befestigten Leiters ausgeführt
sein.
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Die Grundlagen der Erfindung und diese selbst werden im folgenden
an Hand der Zeichnung in Form von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Dabei
zeigen: Die Fig. 1 ein dreikreisiges Kammfilter, das eine störende Zusatzkopplung
k13 besitzt, die Fig. 2 die berechnete Dämpfungskurve für das Filter nach Fig. t,
wenn die Zusatzkopplung k13 induktiv ist.
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(Um den Dämpfungsunterschied besonders augenfällig zu machen, werden
die obere und die untere Filterflanke in ein und demselben Diagramm dargestellt
und zum Vergleich auch die Kurve k13 w O.gestrichelt eingezeichnet), wobei die Fig.2a
für die Zusatzkopplung k13 einen relativ kleinen Wert (k13/k12 = 0,04) und die Fig.2b
einen grösseren Wert (k13/k12 = 0,10 = 1:10) angenommen haben, die Fig. 3 ein Achtkreisfilter,
das sechs unerwünschte Zusatzkopplungen k13 bis k68 enthält, sowie zweimal die erfindungsgemässe
kapazitive Kopplung (C13 und C68) zur Kompensation der Unsymmetrie in der Filter-Durchlasskurve,
die Fig.4a die Durchlasskurve und die Fig.4b die Reflexionskurve des unkompensierten
Achtkreisfilters,
wie sie beispielsweise am Wobbelmessplatz sichtbar
werden.
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die Fig.5a die Durchlass- und die Fig.5b die Reflexionskurve des erfingungsgemäss
kompensierten Achtkreisfilters, die Fig. 6 Beispiele für die praktische Verwirklichung
der erfindungsgemässen kapazitiven Zusatzkopplung, und zwar Fig.6å u.6b mit runden
Innenleitern und Fig. 6c mit rechteckigem Innenleiter.
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Im einzelnen ist hierzu noch auszuführen: Die oben erwähnten, unerwünschten
Zusatzkopplungen k13, k24, k35, k46, k57, k68 können im Prinzip bei allen drei-
oder mehrkreisigen Kammfiltern auftreten. Da die Analyse des Dreikreisfilters den
geringsten Rechenaufwand erfordert und alle wesentlichen Erkenntnisse liefert, wurden
die quantitativen Berechnungen am Modell des Dreikreisfilters mit einer Zusatzkopplung
k13 durchgeführt (Fig. 1). Berechnet man die "0bertragungsfunktion" bzw. die "charakteristische
Funktion" dieses Filters in Abhängigkeit von der normierten Frequenz # so erscheint
im Nenner dieser Funktion neben einer positiven Konstanten der Term -ki3-Q. Dabei
gilt für die normierte Frequenz Q annähernd 22 2 (f-fo) B wobei fo die Bandmittenfrequenz
und B die absolute Bandbreite
des Filters bedeuten. Der Nenner
der genannten Funktion kann also bei einem bestimmten Wert der normierten Frequenz,
der mit pp bezeichnet werden soll, den Wert 0 annehmen, was bedeutet, dass die Betriebsdämpfung
an dieser Stelle einen Pol besitzt. Dieser liegt, wenn k13 positiv ist, d.h. bei
induktiver Zusatzkopplung, bei positiven Werten von D, d-h.
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im oberen Sperrbereich. Beim "maximal flachen" Dreikreisfilter ergeben
sich für die normierte Polfrequenz #p in Abhängigkeit vom Verhältnis k13/k12 die
in folgender Tabelle angegebenen Werte
| k13/k12 0,02 0,04 0,0707 0,10 0,125 |
| QP 35,4 17,67 10,0 7,06 5,64 |
Diese Tabelle zeigt, dass bei grösser werdendem Verhältnis k13/k12 der Dämpfungspol
immer näher an den Durchlassbereich heranrückt. Das bedeutet, dass in Richtung nach
höheren Frequenzen die Dämpfung rascher anwächst als beim Dreikreisfilter ohne störende
Zusatzkopplung (kl3 = 0), in der Richtung nach tieferen Frequenzen jedoch langsamer.
In der Fig. 2a, die die unter der Annahme kl3/kl2 = 0,04 = 1 : 25 berechneten Dämpfungskurven
für die obere und die untere Filterflanke des Dreikreisfilters zeigt, weisen diese
Kurven nur geringe Dämpfungsunterschiede auf, die im allgemeinen noch tolerierbar
sein dürften (der Dämpfungsunterschied am 20 dB-Punkt beispielsweise beträgt knapp
2 dB). Die Kurven für k13/k12=O,1O dagegen, die in Fig. 2b dargestellt sind, zeigen
schon erhebliche Dämpfungsunterschiede (am 20 dB-Punkt beisptelsweise
mehr
als 4 dB), die in den meisten Anwendungsfällen wohl nicht mehr zulässig sind.
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Für die Kopplung zweier Innenleiter innerhalb einer Kammfilterstruktur
gilt näherungsweise
Dabei ist a der Abstand der Innenleiter und D der Abstand der Grundplatten (Siehe
Fig. 1). Wendet man diese Formel auf das Dreikreisfilter nach Fig. l, das symmetrisch
aufgebaut sein möge, an, so erhält man:
Für das Verhältnis der Kopplungen ergibt sich daraus:
(Beim Kammfilter mit runden Innenleitern hat die Konstante K2 etwa den Wert 3,1).
Da der Abstand der Resonatoren a12 umso kleiner ist, je grösser die relative Bandbreite
des Filters gemacht wird, ergibt sich aus der eben abgeleiteten Formel, dass bei
relativ breiten Filtern das Verhältnis k13/kl2 schon so grosse Werte annimmt, dass
die Vernachlässigung der Kopplung zum übernächsten Resonator nicht mehr statthaft
ist. Wie aus den oben berechneten und in den Fig. 2a und 2b dargestellten
Beispielen
ersichtlich ist, steigt mit wechselndem Verhältnis k13/k12 auch die Unsymmetrie
der Filterkurve. Beim Dreikreisfilter kann man deutlich messbare Dämpfungsunterschiede
feststellen, wenn die relative Bandbreite den Wert von etwa 10% überschreitet.
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In Kammfiltern, die mehr als drei Resonatoren besitzen, tretten unerwünschte
Zusatzkopplungen an mehreren Stellen auf (kl3, k24 usf.). Sie sind alle induktiv
und tragen deshalb zu einer Versteilerung der oberen Filterflanke bei. Die Störeinflüsse
kumulieren sich also, so dass mit zunehmender Resonatorzahl, was gleichbedeutend
ist mit grösserer Flankensteilheit, auch die Unsymmetrie der Durchlasskurve anwächst.
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Beim Achtkreisfilter beispielsweise, das in Fig. 3 dargestellt ist,
hat man mit sechs derartigen unerwünschten Zusatzkopplungen zu rechnen. Diese Figur
zeigt auch gleich die erfindungsgemässe Abhilfemassnahme: An mindestens einer Stelle
wird eine kapazitive Zusatzkopplung -ki, i+2 eingefügt, d.h.
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eine Kopplung, die einen Resonator überspringt. In dem in Fig. 3 dargestellten
Beispiel wird dies durch die Xondensatoren C13 und C68bewirkt. Diese sind sinnvollerweise
an den beiden Stellen innerhalb der Kammfilterstruktur angebracht, an welchen die
Resonatorabstände am geringsten und infolgedessen die induktiven unerwünschten Zusatzkopplungen
am grössten sind. Auch experimentell liess sich bestätigen, dass die vorgesehenen
zwei kapazitiven Zusatzkopplungen genügen, um die Filterkurve zu symmetrieren. Die
Kondensatoren sind so
bemessen, dass zwischen den durch sie verbundenen
Resonatoren die kapazitive Kopplung überwiegt. In der bei der Berechnung des Dreikreisfilters
verwendeten Terminologie heisst das, dass das Vorzeichen der resultierenden Kopplungen
zwischen den betreffenden Resonatoren negativ wird und das wiederum hat zur Folge,
dass im unteren Sperrbereich zwei einseitige Dämpfungspole entstehen und im oberen
Sperrbereich zwei Dämpfungspole abgebaut werden. Die Fig. 5 zeigt die Durchlasskurve
(die übertragene Spannung) und die Reflexionskurve bei richtiger Dimensionierung
der kapazitiven Zusatzkopplung, während in Fig. 4 die entsprechenden Kurven für
das nicht kompensierte Achtkreisfilter mit grosser relativer Bandbreite dargestellt
sind. Bemerkenswert ist, dass durch die unerwünschte Zusatzkopplung sogar schon
im Durchlassbereich eine deutliche Unsymmetrie in Erscheinung tritt, wie dies in
der Reflexionskurve in Fig. 4b angedeutet ist.
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In den Figuren 6a bis 6c sind einige konstruktive Ausführungen der
kapazitiven Zusatzkopplung dargestellt. Bei allen gezeichneten Ausführungsformen
ist die in Fig. 3 als Kondensator gezeichnete Zusatzkopplung in Form von zwei in
Serie geschalteten Teilkapazitäten verwirklicht. Diese sind durch einen draht- 11
oder bandförmigen 12 Leiter miteinander verbunden, der an dem überbrückten Resonator
i+l in-gebührendem Abstand vorbeigeführt ist. Die Bauform nach Fig. 6a kann so ausgebildet
werden, dass sie auf den Resonatoren i und i+2 verschiebbar ist. Je nachdem, ob
sie mehr in Richtung des kurzgeschlossenen
Endes oder des freien
Endes der Resonatoren plaziert wird, ergibt sich ein unterschiedlicher Grad der
kapazitiven Zusatzkopplung. Ist die optimale Einstellung gefunden, so kann die Koppelwindung
beispielsweise mit etwas Klebstoff in ihrer Lage fixiert werden, Auch für die in
den Figuren 6b und 6c dargestellten, konstruktiven Lösungen gilt, dass der Grad
der kapazitiven Zusatzkopplung ausser durch die Teilkapazitäten zwischen Draht bzw.
Bändchen und Resonator auch durch den Ort der Montage bestimmt wird. Die Ausführungsform
nach Fig. 6b, bei der ein mit Isolierstoff 13 (z.B. Teflon) überzogener Draht in
einer quer zur Längsachse angeordneten Bohrung des betreffenden Resonators hindurchgeführt
ist, ist sowohl für runde als auch für rechteckige oder quadratische Resonatoren
verwendbar.
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Der isolierte Leiter 11, 13 wird durch ein Distanzstück aus Isolierstoff
14 in seiner Lage gehalten. Dagegen ist die Konstruktion nach Fig. 6c, bei der ein
bandförmiger Leiter 12 Verwendung findet, vorwiegend für rechteckige Resonatoren
gedacht. Der Grad der Kopplung lässt sich hier auch durch die Dicke der Isolierscheibe
15 in gewissen Grenzen verändern. Eine Schraube 16 aus einem Isolierstoff, z.B.
Teflon, presst den Leiter 12 gegen den Resonator im vorbestimmten, der Dicke der
Isolierscheibe 15 entsprechendem Abstand.