DE2218277B2

DE2218277B2 - Mikrowellenfilter, bestehend aus zwischen parallelen platten in fortpflanzungsrichtung der welle hintereinander angeordneten resonatoren

Info

Publication number: DE2218277B2
Application number: DE19722218277
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing 7150 Backnang Hagele
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1972-04-15
Filing date: 1972-04-15
Publication date: 1977-12-08
Also published as: DE2218277A1; DE2218277C3

Description

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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, wobei mindestens eine Umwegkopplung zwischen zwei nicht aufeinander folgenden Resonatoren angeordnet ist.

Solche Filter sind unter dem Namen Kammfilter oder Interdigitalfilter bekanntgeworden. Sie werden als Bandpaßfilter im Frequenzgebiet von einigen hundert MGz bis zu einigen GHz verwendet. Während bei dem t>o zuletzt genannten Filtertyp, dem interdigitalfilter, die Resonatoren eine Länge von annähernd einem Viertel der Betriebswellenlänge haben (d. h. eine »elektrische Länge« von etwa 90°), sind die Resonatoren des Kammfilters mehr oder weniger stark kapazitiv belastet t,5 und dementsprechend auf eine elektrische Länge von ca. 30° bis 60° verkürzt. Dies entspricht einer Reduzierung der Länge auf etwa '/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., die Wiederkehrfrequenz beim Kammfilter liegt um einiges höher als beim Interdigitalfilter.

Versucht man nun, Kammfilter mit 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 Filterdurchlaßkurve 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.

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. 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.

Aus der DT-OS 20 40 495 sind bereits Umwegkopplungen bekannt, die zwischen zwei nicht benachbarten Resonatoren angeordnet sind. Sie haben bei erforderlicher Phasenlage die Aufgabe, an den Flanken des betreffenden Filters Dämpfungspole zu bilden. Dadurch tragen sie zur Versteilerung der Filterflanken bei.

Bei Kammfiltern treten solche Umwegkopplungen zwischen Resonatoren auf, die nicht benachbart sind. Hier verursachen sie einen Störverlauf in der Filtercharakteristik vor allem bei breitbandigen Filtern.

Diese 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 die Umwegkopplung so bemessen ist, daß die durch unerwünschte, induktive Kopplung zwischen nicht benachbarten Resonatoren hervorgerufene Unsymmetrie der Filterdurchlaßkurve kompensiert wird.

Es ist vorteilhaft, wenn bei mindestens vier hintereinander angeordneten Resonatoren mindestens zwei kapazitive Zusatzkopplungen zwischen nicht aufeinanderfolgenden 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 eventuelle! Verschiebung und damit Koppelvariation oder ah Durchführung eines isolierten Leiters durch der Resonator quer zu seiner Längsachse oder auch al: Brücke zwischen zwei entsprechenden Resonatoren mi Hilfe eines bandförmig, isoliert an den Resonato befestigten Leiters ausgeführt sein.

Die Grundlagen der Erfindung und diese selbs werden im folgenden an Hand der Zeichnung in Forn von Ausfiihrungsbeispielen noch näher erläutert. Dabe zeigt die

F i g. 1 ein dreikreisiges Kammfilter, das eine störend Zusatzkopplung k 13 besitzt, die

F i g. 2 die berechnete Dämpfungskurve für das Filte

nach F i g. 1, wenn die Zusatzkopplung k 13 induktiv ist (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 /c 13 = 0. gestrichelt eingezeichnet), wobei die

F i g. 2a für die Zusatzkopplung k 13 einen relativ kleinen Wert (k n/k 12 = 0,04) und die

Fig.2b einen größeren Wert Jt 13/Jt 12 = 0,10 = 1 :10) angenommen haben, die

F i g. 3 ein Achtkreisfilter, das sechs unerwünschte Zusatzkopplungen k 13 bis ic 68 enthält, sowie zweimal die erfindungsgemäße kapazitive Kopplung (C 13 und C68) zur Kompensation der Unsymmetrie in der Filter-Durchlaßkurve, die

F i g. 4a die Durchlaßkurve und die

F i g. 4b die Reflexionskurve des unkumpensierten Achtkreisfilters, wie sie besispielsweise am Wobbelmeßplatz sichtbar werden, die

F i g. 5a die Durchlaß- und die

Fig.5b die Reflexionskurve des erfindungsgemäß kompensierten Achtkreisfilters, die

Fig.6 Beispiele für die praktische Verwirklichung der erfindungsgemäßen kapazitiven Zusatzkopplung, und zwar

F i g. 6a u. 6b mit runden Innenleitern und

F i g. 6c mit rechteckigem Innenleiter.

Im einzelnen ist hierzu noch ausführen. Die obenerwähnten, unerwünschten Zusatzkopplungen k 13, /c24, /c35, £46, Jt 57, Jt 68 könnnen 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 k 13 durchgeführt (F i g. 1). Berechnet man die »Übertragungsfunktion« bzw. die »charateristische Funktion« dieses Filters in Abhängigkeit von der normierten Frequenz Ω, so erscheint im Nenner dieser Funktion neben einer positiven Konstanten der Term —/tl3-ß. Dabei gilt für die normierte Frequenz Ω annähernd

kU/kU 0,02
Li ρ 35,4

0,04

0,0707 0,10 0,125

17,67 10,0

7,06 5,64

10 nach tieferen Frequenzen jedoch langsamer. In der F i g. 2a, die die unter der Annahme

Jt 13/Jt 12 = 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 Jt 13/Jt 12 = 0,10 dagegen, die in F i g. 2b dargestellt sind, zeigen schon erhebliche Dämpfungsunterschiede (am 20-dB-Punkt beispielsweise mehr als 4 dB), die in den meisten Anwendungsfällen wohl nicht mehr zulässig sind.

Für die Kopplung zweier Innenleiter innerhalb einer Kammfilterstruktur gilt näherungsweise

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 Q ρ bezeichnet werden soll, den Wert 0 annehmen, was bedeutet, daß >o die Betriebsdämpfung an dieser Stelle einen Pol besitzt. Dieser liegt, wenn k 13 positiv ist, d. h. bei induktiver Zusatzkopplung, bei positiven Werten von Ω, d. h. im oberen Sperrbereich. Beim »maximal flachen« Dreikreisfilter ergeben sich für die normierte Polfrequenz v, Ω ρ in Abhängigkeit vom Verhältnis Jt 13/ k 12 die in folgender Tabelle angegebenen Werte:

Diese Tabelle zeigt, daß bei größer werdendem Verhältnis k 13/Jt 12 der Dämpfungspol immer näher an den Durchlaßbereich heranrückt. Das bedeutet, daß in Richtung nach höheren Frequenzen die Dämpfung rascher anwäschst als beim Dreikreisfilter ohne störende Zusatzkopplung (k 13 = 0), in der Richtung RIe

- A2

Dabei ist a der Abstand der Innenleiter und D der Abstand der Grundplatten (siehe Fi g. 1). Wendet man diese Formel auf das Dreikreisfilter nach Fig. 1, das symmetrisch aufgebaut sein möge, an, so erhält man

Ic 12 = Kl

ul3

Ic 13 = Kl-e-°T= Kl

»12

• e

-Kl

2..12

Für das Verhältnis der Kopplungen ergibt sich daraus

Ic 13 Kl-e

- κι

lull

Ic 12 Kl-e__K2«u

(Beim Kammfilter mit runden Innenleitern hat die Konstante K 2 etwa den Wert 3,1.) Da der Abstand der Resonatoren a 12 um so 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 Ar 13/Jt 12 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 F i g. 2a und 2b dargestellten Beispielen ersichtlich ist, steigt mit wechselndem Verhältnis k 13/Jt 12 auch die Unsymmetrie der Filterkurve. Beim Dreikreisfilter kann man deutlich meßbare Dämpfungsunterschiede feststellen, wenn die relative Bandbreite den Wert von etwa 10% überschreitet.

In Kammfiltern, die mehr als drei Resonatoren besitzen, treten unerwünschte Zusatzkopplungen an mehreren Stellen auf (JIc 13, 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. Beim Achtkreisfilter beispielsweise, das in F i g. 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. eine Kopplung, die einen Resonator überspringt. In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel wird dies durch die Kondensatoren C13 und C68 bewirkt. 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 F i g. 5 zeigt die Durchlaßkurve (die übertragene Spannung) und die Reflexionskurve bei richtiger Dimensionierung der kapazitiven Zusatzkopplung, während in F i g. 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.

In den Fig. 6a bis 6c sind einige konstruktive Ausführungen der kapazitiven Zusatzkopplung dargestellt. Bei allen gezeichneten Ausführungsformen ist die in F i g. 3 als Kondensator gezeichnete Zusatzkopplung in Form von zwei in Serie geschalteten Teilkapzitäten verwirklicht. Diese sind durch einen draht- 11 oder bandförmigen 12 Leiter miteinander verbunden, der an dem überbrückten Resonator /+1 in gebührendem Abstand vorbeigeführt ist. Die Bauform nach F i g. 6a kann so ausgebildet werden, daß sie auf den

·-, Resonatoren /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,

ίο so kann die Koppelwindung beispielsweise mit etwas Klebstoff in ihrer Lage fixiert werden.

Auch für die in den F i g. 6b und 6c dargestellten, konstruktiven Lösungen gilt, daß der Grad der kapazitiven Zusatzkopplung außer durch die Teilkapa-

i) zitäten zwischen Draht bzw. Bändchen und Resonator auch durch den Ort der Montage bestimmt wird. Die Ausführungsform nach F i g. 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. Der isolierte Leiter 11, 13 wird durch ein Distanzstück aus Isolierstoff 14 in seiner Lage gehalten. Dagegen ist die Konstruktion nach

2> F i g. 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 Grenzer verändern. Eine Schraube 16 aus einem Isolierstoff, ζ. Β

so Teflon, preßt den Leiter 12 gegen den Resonator in vorbestimmten, der Dicke der Isolierscheibe it entsprechendem Abstand.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellenfilter, bestehend aus ι aestens drei zwischen parallelen Platten, in Fortpnanzungsrichtung der Welle hintereinander angeordneten Resonatoren, die durch Stifte gebildet werden und deren induktiv und kapazitiv wirkende Kopplung durch ihren Abstand bestimmt ist, wobei mindestens eine Umwegkopplung zwischen zwei nicht aufeinander folgenden Resonatoren angeordnet ist. d a durch gekennzeichnet, daß die Umwegkopplung (K 13) so bemessen ist, daß die durch unerwünschte, induktive Kopplung zwischen nicht benachbarten Resonatoren (i, i+2) hervorgerufene Unsymmetrie der Filterdurchlaßkurve (F i g. 4) kompensiert wird.

2. Mikrowellenfilter, bestehend aus mindestens vier hintereinander angeordneten Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei kapazitive Zusatzkopplungen (C13, C 68) zwischen nicht aufeinander folgende Resonatoren so angeordnet sind, daß der gesamte Filteraufbau symmetrisch ist.

3. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Kopplung durch einen um den jeweiligen Resonator (i, i+2) gewundenen und isolierten Leiter (11, 13) gebildet ist.

4. Mikrowellenfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windung verschiebbar angeordnet ist.

5. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Kopplung durch einen den jeweiligen Resonator (i, i+2) quer zu seiner Längsachse hindurchgeführten und isolierten Leiter (11,13) gebildet ist.

6. Mikrowellenfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Kopplung durch einen bandförmig und brückenförmig gebogenen, mit dem jeweiligen Resonator (ι, ;"+ 2) isoliert (15) verschraubten (16) Leiter (12) gebildet ist.

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