DE2218277C3 - Mikrowellenfilter, bestehend aus zwischen parallelen Platten in Fortpflanzungsrichtung der Welle hintereinander angeordneten Resonatoren - Google Patents
Mikrowellenfilter, bestehend aus zwischen parallelen Platten in Fortpflanzungsrichtung der Welle hintereinander angeordneten ResonatorenInfo
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- H01P1/205—Comb or interdigital filters; Cascaded coaxial cavities
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Description
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 bo
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 μ und dementsprechend auf eine elektrische Länge von ca.
30" bis 60° verkürzt. Dies entspricht einer Reduzierung der Länge auf etwa Vj bis 2Ii 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, & 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 Dgmpfungsverlauf
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 DE-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 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.
Die Grundlagen der Erfindung und diese selbst werden im folgenden an Hand der Zeichnung in Form
von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Dabei zeigt die
F i g. 1 ein dreikreisiges Kammfilter, das eine störende Zusatzkopplung k 13 besitzt, die
F i g. 2 die berechnete Dämpfungskurve für das Filter
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 Ic 13 = 0. gestrichelt
eingezeichnet), wobei die
Fig.2a für die Zusatzkopplung Ar 13 einen relativ
kleinen Wert (k 13/* 12 = 0,04) und die
Fig.2b einen größeren Wert JSr 13/jt 12 =■ 0,10 =
1:10) angenommen haben, die ι ο
Fig.3 ein Achtkreisfilter, das sechs unerwünschte
Zusarzkopplungen k 13 bis £68 enthält, sowie zweimal
die erfindungsgemäße kapazitive Kopplung (C i3 und C 6S) zur Kompensation der Unsymmetrie in der
Filter-Durchlaßkurve, die F i g. 4a die Durchlaßkurve und die
Fig.4b die Reflexionskurve des unkompensierten
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 InnenJeitern und
F i g. 6c mit rechteckigem Innenleiter.
Im einzelnen ist hierzu noch ausführen: Die
obenerwähnten, unerwünschten Zusatzkooplungen
k 13, *24, k35, k46, kST, *68 könnnen im Prinzip bei
allen drei- oder mehrbasigen 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
-kl3Q. Dabei gilt für die normierte Frequenz Ω
annähernd
k\3lk\2 0,02 0,04 0,0707 0,10 0,125
Lip 35,4 17,67 10,0 7,06 5.64
Lip 35,4 17,67 10,0 7,06 5.64
nach tieferen Frequenzen jedoch langsamer. In der F i g. 2a, die die unter der Annahme
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 Ar 13/Jt 12 = 0,10
dagegen, die in Fig.2b dargestellt sind, zeigen schon
erhebliche Därapfungsunterschiede (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 näherungswaise
Dabei ist 3 der Abstand der Innenle:ter und D der
Abstand der Grundplatten (siehe Fig. 1). Wendet man diese Formel auf das Dreikreisfilter nach Fig. 1, das
symmetrisch aufgebaut sein möge, an, so erhält man
an
K1
■ Λ. 1 C Q — Λ-Xe Q
Für das Verhältnis der Kopplungen ergibt sich daraus
<cl3
■ = e
■-K2-
45
wobei fo die Bandmittenfrequenz Uiid B die absolute
Bandbreite des Filters bedeuten. Der Nenner der genannten Funktion kann also bei einem bestimmten
Wert der normierten Frequenz, der mit Ω ρ bezeichnet
werden soll, den Wert 0 annehmen, was bedeutet, daß 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 Ω ρ in Abhängigkeit vom Verhältnis k i3/k 12 die in
folgender Tabelle angegebenen Werte:
60
Diese Tabelle zeigt, daß bei größer werdendem Verhältnis k 13/k 12 der Dämpfungspol immer näher an
den Durchlaßbereich heranrückt. Das bedeutet, daß in »,5
Richtung nach höheren Frequenzen die Dämpfung rascher anwäschst als beim Dreikreisfilter ohne
störende Zusatzkopplung (k 1.3 = 0), in der Richtung (Beim Kammfilter mit runden Innenleitern hat die
Konstante Kl 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 Jt 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 \3lk 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 (k 13, Ar 24 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 J.er 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, / + 2 eingefügt, d. h. eine Kopplung, die
einen Resonator überspringt. In dem in F i g. 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 Fig.4 die bandförmigen 12 Leiter miteinander verbunden, der ar
dem überbrückten Resonator /+1 in gebührenderr Abstand vorbeigeführt ist. Die Bauform nach F i g. 6:
kann so ausgebildet werden, daß sie auf der
-, Resonatoren /und ;+2 verschiebbar ist. Je nachdem, öl
sie mehr in Richtung des kurzgeschlossenen Endes odei des freien Endes der Resonatoren plaziert wird, ergib
sich ein unterschiedlicher Grad der kapazitiver Zusatzkopplung. Ist die optimale Einstellung gefunden
ίο so kann die Koppelwindung beispielsweise mit etwa!
Klebstoff in ihrer Lage fixiert werden.
Auch für die in den F i g. 6b und 6c dargestellten konstruktiven Lösungen gilt daß der Grad dei
kapazitiven Zusatzkopplung außer durch die Teilkapa
ι ι zitäten zwischen Draht bzw. Bändchen und Resonatoi
auch durch den Ort der Montage bestimmt wird. Die Ausführungsform nach Fig. 6b. bei der ein mi
Isolierstoff 13 (z. B. Teflon) überzogener Draht in einei quer zur Längsachse angeordneten Bohrung de;
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
-W UCtICtIV-IlUVIl tXCSISIiatUI 3 !111IUUIWIgCIUIII I 13t, 13t 3UWUM
für runde als auch für rechteckige oder quadratische Resonatoren verwendbar. Der isolierte Leiter 11, 13
wird durch ein Distanzstück aus Isolierstoff 14 in seinci Lage gehalten. Dagegen ist die Konstruktion nacr
:> F i g. 6c, bei der ein bandförmiger Leiter 12 Verwendung
findet, vorwiegend für rechteckige Resonatoren ge dacht. 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
in Teflon, preßt den Leiter 12 gegen den Resonator irr
vorbestimmten, der Dicke der Isolierscheibe 15 entsprechendem Abstand.
Hier/u 3 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. 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 aufeinan- ι ο der folgenden Resonatoren angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umwegkopplung (K 13) so bemessen ist, daß die durch
unerwünschte, induktive Kopplung zwischen nicht benachbarten Resonatoren (4 /+2) hervorgerufene
Unsymmetrie der Filterdurchlaßkurve (F i g. 4) kompensiert wird.
Z Mikrowellenfilter, bestehend aus mindestens vier hintereinander angeordneten Resonatoren nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
zwd kapazitive Zusatzkopplungen (C 13, C68) 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 jo
gekennzeichnet, daß die Windung verschiebbar angeordnet ist
5. Mikrcwellenfilte/ nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die kapazitive Kopplung
durch einen den jeweilige ι Resonator (i, i+2) J5
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 briickenförmig
gebogenen, mit dem jeweiligen Resonator (i, i+2) isoliert (15) verschraubten (16) Leiter (12) gebildet
ist
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