DE2219670A1

DE2219670A1 - Elektrische Filteranordnung

Info

Publication number: DE2219670A1
Application number: DE19722219670
Authority: DE
Inventors: C Cabanat; R Lechevin
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-04-23
Filing date: 1972-04-21
Publication date: 1972-11-09
Also published as: AU4132072A; AU463096B2; SE375665B; ZA722639B; CA945230A; FR2134893A5; NL7205459A; GB1370511A; IT952729B

Description

Elektrische Filteranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Filteranordnungen

Die üblicherweise verwendeten Filteranordnungen weisen in dem gedämpften Band sehr kleine oder sehr große Eingangsblindwiderstände auf. Dies hat zur Folge, daß die unerwünschten Signale reflektiert werden und den Betrieb der vorangehenden Stufen stören können. Dieser Effekt ist besonders in den Ausgangsstufen von Fernmeldesendern spürbar, bei denen breitbandige Trans istor-leistungsverstärker verwendet werden, auf welche Filter folgen, mit denen die in diesen Verstärkern erzeugten harmonischen Frequenzen von nicht vernachlässigbarer Leistung, gedämpft werden können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Filteranordnung, bei der die von den Filtern reflektierten unerwünschten Signale nicht zu den vorangehenden Stufen zurückgeschickt, sondern absorbiert werden. Dies hat zur Folge, daß sich die Anordnung in dem gedämpften Band wie ein absorbierendes Dämpfungsglied verhält, dessen Dämpfungswert durch die Übertragungsfunktion der Filteranordnung gegeben ist.

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Nach der Erfindung 1st eine Filteranordnung mit einem Filter, dessen Übertragungsfunktion der durchzuführenden Filterung entspricht gekennzeichnet durch ein zweites Filter, einen ersten Differentialübertrager, von dem zwei konjugierte Anschlüsse jeweils mit dem Eingang eines der Filter verbunden sind, dessen dritter Anschluß den Eingang der Filteranordnung bildet und dessen vierter Anschluß mit einem Absorptionswiderstand abgeschlossen ist, dessen V/ert die Bezugs impedanz des vierten Anschlusses bildet und die Bezugsimpedanzen der drei ersten Anschlüsse festlegt und durch einen zweiten Differentialübertrager, von dem zwei konjugierte Anschlüsse jeweils mit dem Ausgang eines der beiden Filter verbunden sind, dessen dritter Anschluß den Ausgang der Filteranordnung bildet, und dessen vierter Anschluß mit einem Absorptionswiderstand abgeschlossen ist, dessen Wert die Bezugsimpedanz des vierten Anschlüssen bildet und die Bezugsimpedanzen der drei anderen Anschlüsse des zweiten Differentialübertragers festlegt, wobei das Produkt der Bezugsimpedanzen der mit den Eingängen der beiden Filter verbundenen Anschlüsse des ersten Differentialübertragers gleich dem Produkt der Bezugsimpedanzen der mit den Ausgängen der beiden Filter verbundenen Anschlüsse des zweiten Differential Übertragers ist, das zweite Filter die gleiche Übertragungsfunktion wie das erste Filter hat und die Spannungsreflexionsfaktoren am Eingang der beiden Filter den gleichen Betrag haben und gegenphasig sind, wenn die Filter einerseits mit Impedanzen belastet sind, die gleich den Bezugs impedanzen der mit ihren Ausgängen verbundenen Anschlüsse des zweiten Differentialübertragers sind, und andrerseits von Generatoren gespeist werden, deren Ausgangsimpedanzeη gleich den Bezugsimpedanzen der mit ihren Eingängen verbundenen Anschlüsse des ersten Differential-Übertragers sind.

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ORlQINAL INSfSCTED

Ein A us führ ü ng s beispie 1 der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, deren einzige Figur das Schaltbild einer Tief— paßf ilteranordnung nach der Erfindung zeigt.

Vor der Beschreibung des Ausführungsbeispiels soll an die Eigenschaften der sogenannten Differentialübertrager erinnert werden. Ein Differentialübertrager ist eine Kopplungsanordnung mit vier Anschlüssen, die zwei Paare von konjugierten Anschlüssen bilden, so daß eine einem bestimmten Anschluß ("Summenanschluß")des einen oder des anderen Anschi üßpaares zugeführte Leistung in gleichen Anteilen und gleichphasig auf die beiden Anschlüsse des anderen Paares aufgeteilt wird, während sie bei Zuführung zu dem anderen Anschluß ('Differenzanschluß¹¹) eines Paares ebenfalls in gleichen Anteilen, aber gegenphasig auf die beiden Anschlüsse des anderen Paares aufgeteilt wird; wenn umgekehrt zwei gleiche Leistungen den beiden Anschlüssen eines Paares zugeführt werden, erscheinen sie am Summenanschluß oder am Differenzanschluß des anderen Paares , je nachdem, ob sie gleichphasig oder gegenphasig sind.

Den vier Anschlüssen des Differntialübertragers sind vier Bezugsimpedanzen zugeordnet, die bis auf einen gemeinsamen Faktor festgelegt sind; nenn also eine von diesen Bezugsimpedanzen willkürlich gewählt wird, wenigstens in einem bestimmten ¥ertebereich,eind die übrigen Vollkommen bestimmt.

Andrerseits wird gesagt, daß zwei Filter für Lastimpedaηzeη Z¹ bzw. Z" und für Genera tor impedanzen Z¹ bzw. Z" , mit

Z' · Z" = Z¹ · Z" = R² g g ο

wobei R_Q einen reellen Y/ert hat, zueinander komplementär sind, wenn für alle interessierenden Frequenzen (durchgelassene Frequenzen und gedämpfte Frequenzen) gilt:

1. die beiden Filter haben die gleiche Übertragungsfunktion;

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2. die ε pan nungare flex ionsfakt ore η g₁ und g₂ an den Eingängen der Filter haben den gleichen Betrag und sind gegenphaaig.

Dies wird dadurch erreicht, daß als komplementäre Filter zwei Filter verwendet werden, die sich voneinander durch Dualität mit einem Produkt der Impedanzen der entsprechenden

ρ
Elemente ableiten, das gleich R ist, so daß also gilt:

a) Jedes Längszweigelement der Impedanz Z_ des Filters F₁

ist in ein Querzweigelement der Impedanz Z transformiert,

2 "

so daß gilt Z · Z_n = R und umgekehrt; s ρ ο

b) eine Gruppe von η parallelgeschalteten Elementen, die in einem Filter im Längs zweig liegen, ist in eine Gruppe von η in Serie geschalteten Elementen transformiert, die im anderen Filter im Querzweig liegen und umgekehrt, wobei die Impedanz jedes Elements einer Gruppe mit derlmpedanz des entsprechenden Elements der anderen Gruppe durch die obige Beziehung verknüpft ist.

Die Figur zeigt das Schaltbild einer Tiefpaßfilteranordnung.

Die Zeichnung zeigt einen ersten Differentialübertrager T₁, der bei diesem Beispiel durch zwei gleiche Übertrager 31 und 32 mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1 gebildet ist. Diese Übertrager sind hier schematisch in Form von Niederfrequenzübertragern dargestellt, doch sind sie normalerweise bei dem hier angenommenen Zahlenbeispiel Koaxialübertrager d.h. Übertrager, deren Primärwicklungen und Sekundärwicklungen durch die beiden Leiter eines auf einen Magnetkreis gewickelten Koaxialkabels gebildet sind. Die Primärwicklungen der beiden Übertrager haben eine gemeinsame erste Klemme 13, während die zweite Klemme der Primärwicklung dea Übertragers

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am Schaltungspunkt 15 rait der ersten Klemme der Sekundärwicklung des Übertragers 32 verbunden ist und die zweite Klemme der Primärwicklung des Übertragers 32 am Schaltungspunkt 14 mit der ersten Klemme der Sekundärwicklung des Übertragers 31 verbunden ist. Die zweiten Klemmen der Sekundärwicklungen der Übertrager 31 und 32 sind mit 11 bzw. 12 bezeichnet.

Der erste Anschluß des DifferentialÜbertragers T.ist durch die Klemme 11 und Masse gebildet, sein zweiter Anschluß durch die Klemme 12 und Masse, sein dritter Anschluß, der den Eingang der Filteranordnung bildet, durch die Klemme 13 und Masse, und sein vierter Anschluß durch die Klemmen 14 und 15» zwischen denen ein Absorptionswiderstand 34 angeschlossen ist, dessen Wert Z^ die dem vierten Anschluß zugeordnete Bezugsimpedanz bildet. Der dritte Anschluß und der vierte Anschluß bilden den Suramenanschluß bzw. den Differenzanschluß eines Paares von konjugierten Anschlüssen des Differentialübertragers.

Die Pilteranordnung enthält einen zweiten Differential übertrager T₂, der dem ersten gleich ist, wobei die einander entsprechenden Teile mit den gleichen jedoch um 1 O vergrößerten Bezugs zahlen bezeichnet sind.

Zwischen den Klemmen 24 und 25 des DifferntialÜbertragers T₂ ist ein Absorptionswidersta nd 44 eingefügt.

Der dritte Anschluß des Differentialübertragers T₂, die Klemme 32 und Masse gebildet ist, stellt den Ausgang der Pilterarordnung dar.

Zwischen die ersten Anschlüsse der Differentialübertrager T₁ und T₂ ist ein "symmetrisches Filter IP₁ eingefügt, und zwischen

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ihre zweiten Anschlüsse ein Filter Fp, wobei diese beiden Filter zueinander komplementäre Tiefpaßfilter für Lastimpedanzen Z¹ ^ und Z¹ ρ sind, die später genauer angegeben werden.

Das Filter F^ enthält zwischen den Klemmen 11 und 21 die folgenden hintereinander geschalteten Teile: Einen aus einer Induktivität 101 und einem Kondensator 102 gebildeten Parallelkreis, eine Induktivität 104 und einen aus einer Induktivität 106 und einem Kondensator 107 gebildeten Parallel kreis. Das Filter enthält ferner zwei Kondensatoren 103 und 105, die jeweils in einem Querzweig zwischen den beiden Klemmen der Induktivität 104 und Masse angeschlossen sind.

Das Filter Fp ist zwischen den Klemmen 12 und 22 aus Elementen gebildet, die zu den Elementen des Filters F^ komplementär sind, wobei eine Induktivität durch einen Kondensator und umgekehrt ersetzt ist, ein Parallelkreis durch eine Serienschaltung im Querzweig und ein Querzweigelement durch ein längszweigelement ersetzt sind.

Die Elemente des Filters Fp sind mit Bezugszahlen bezeichnet, die um 100 größer als die Bezugszahlen sind, welche die zu ihnen komplementären Elemente des Filters F^ bezeichnen.

Den vier Anschlüssen des Differentialübertragers T₁ sind vier bestimmte reelle Bezugsimpedanzen Z.., Zp, Z^, Z. zugeordnet, welche entsprechend dem Aufbau des Übertragers die folgenden Verhältnisse haben;

^Z3 ^Z4 S ^Z4

als3 Z₁ J= Zg = 2Z₅ =■ 2Z,, wobei alle diese Werte durch die Wahl eines davon vollständig bestimmt sind.

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Die Berücksichtigung dieser Bezugs impedanzen für die Quellen- und Lastimpedanzen gewährleistet die maximale Leistungsübertragung im Durchlaßbereich.

In gleicher Weise bestehen für den Differentialübertrager T₂, der dem Differentialübertrager T₁ gleich ist, vier Bezugsimpedanzen Z¹J, Z'₂, Z',, Z\_t für die gilt:

Z^₁ = Z'₂ = 2Z«₃ = 2Ζ·₄

wobei wieder alle diese Werte durch die Wahl eines davon vollständig bestimmt sind.

Es ist angenommen, daß der Eingang 4er Eilteranordn^ung über ein Koaxialkabel 33 mit dem Wellenwiderstand Z, gespeist wird, dessen Innenleiter mit der Klemme 13 verbunden ist während sein Außenleiter an Masse liegt. Ferner ist angenommen, daß an den Ausgang der Filteranordnung ein gleiches Koaxialkabel 43 angeechlossen ist, dessen Innenleiter mit der Klemme 23 verbunden ist, und dessen Außenleiter an Masse liegt.

Für Koaxialkabel mit einem Wellenwiderstand von 5ΟΩ erhält man Z, = Z¹, = 5ΟΏ , woraus sich die Wahl von 50 Ω für die Werte der Widerstände 34 und 44 ergibt.

Diea ergibt dann :

Z₁ = Z₂ = Z^₁ = Z»₂ = 100 Ω .

Die symmetrischen komplementären Filter F₁ und F₂ aind jeweils für eine Lastimpedanz und eine Quellen impedanz von 100 Ω berechnet ,die gleich den Bezugaimpedanzen der mit ihnen verbundenen Anschlüsse der Differenzialübertrager sind,.

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Es wird zunächst angenommen, daß die Last der Filteranordnung vollkommen an das Kabel 43 angepaßt ist.

Unter diesen Bedingungen ergibt die über das Kabel 33 zugeCührte Leistung P ankommende Leistungen P¹« ^an äen Eingängen der beiden Filter. Wenn t der gemeinsame Übertragungsfaktor der beiden Filter ist, werden die Leistungen tP/2 über die Filter zu den beiden ersten Eingängen des Differential-Übertragers T₂ übertragen unä von diesem zum Kabel 43 gerichtet, während die an den Filtereingängen reflektierten Leistungen (1-t)P/2 , da sie gegenphasig sind, im Widerstand 34 vernichtet werden. Es wird daher keineLeistung zur Quelle reflektiert. Das Kabel 43 empfängt die Leistung tP.

Es wird nun der Fall betrachtet, daß infolge einer Fehlanpassung an &r Verbraucher last, beispielsweise einer Antenne, dia Eingangs impedanz z'~ des Kabels 43 nicht mehr gleich der Bezugsirapedanz Z¹, des dritten Anschlusses des zweiten Differentialübertragers ist.

In diesem Fall kann man wie in der Theorie der Übertragungsleitungen annehmen, daß sich der Zustand des Systems aus der Überlagerung einer ankommenden Welle und einer an der Impedanz zK reflektierten Welle ergibt. Mit g¹ soll der Leistungsreflexionsfaktor der Impedanz z'^ bezeichnet werden.

Es sei P die von der ankommenden Welle zum dritten Anschluß des Differentialübertragers T₁ überführte Leistung. Diese Welle folgt dem gleichen Weg wie die einzige Welle im zuvor betrachteten Fall. Demzufolge wird ein Signal der Leistung tP an die Impedanz z¹, angelegt, während das Komplement (1-t)P vom Widerstand 34 absorbiert wird.

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Die Impedanz ζ¹, reflektiert eine Welle der Leistung g'tP , die den umgekehrten Weg wie die ankommende Welle geht.

Da die Filter F^ und Fp passiv und umkehrbar sind, besitzen sie in der Rückwärtsrichtung die gleichen Eigenschaften wie in der Vorwärts richtung und ihre Übertragungsfunktionen sind die gleichen. Man kann dann für die reflektierte Welle die gleichen Überlegungen anstellen, wie zuvor für die

direkte Welle, so daß eine Welle der Leistung g't P zu der Quelle zurückgeschickt wird, während der Widerstand 44 die Leistung g't(1-t)P empfängt.

Die zuvor beschriebene Anordnung verhält sich also wie ein symmetrisches Dämpfungsglied mit dem Wellenwiderstand 5ΟΩ , dessen Dämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz veränderlich

Pur eine Grenzfrequenz von 32 MHz werden die Filter F^ und Pg mit den folgenden Verten der Schaltungselemente ausgeführt:

101,106 : 0,3 >iH 201,206 : 30

104 : 1 JiH 204 :100 pF

102,107 : 53 pP 202,207 :O,53 ^H 103,105 :80 pF 203,205 :0₉8 hH

An den beschriebenen Anordnungen können natürlich Änderungen vorgenommen werden, die dem Fachmann geläufig

Beispielsweise ist bei der vorstehenden Beschreibung angenommen worden, daß die Quelle mit dem "Summeηanschiuß" eines Paares von konjugierten Anschlüssen des DifferentialÜbertragers T- verbunden ist, während die Last an den "'Suraraeoanschluß" eines Paares von konjugierten Anschlüssen des Differentialübertragers Tg angeschlossen ist«. Es ist leicht

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nachzuprüfen, daß man die Quelle auch an den "Differenzanschluß¹¹ eines Faarea von konjugierten Anschlüssen des ersten Differentialübertragers anschlieasen kann, vorausgesetzt, daß auch die Last an den "Differenzanschluß " eines Paares von konjugierten Anschlüssen des Differentialübertragers Τ« angeschlossen wird.

Es 1st offensichtlich einfacher, jedoch nicht unbedingt notwendig,zwei gleiche Differentialübertrager zu verwenden; ebenso ist es einfacher, aber nicht unerläßlich, Differentialübertrager zu verwenden, für welche die Bezugsimpedanzen der mit den beiden Filtern verbundenen Anschlüsse gleich sind.

Bei dem beschriebenen Beispiel ermöglichen die beiden jeweils symmetrischen, zueinander komplementären Filter die Verwendung von zwei gleichen Differentialübertragern. Es ist auch möglich, zwei gleiche Differentialübertrager mit zwei zueinander komplementären Filtern mit den Eingängen E^ bzw. Eg und den Ausgängen S.. bzw. Sp in der Weise zu verwenden, daß der Eingang Eg und der Ausgang S₂ am zweiten Filter vertauscht werden, wobei das zweite Filter dann dem ersten Filter gleich wäre, anstatt dazu komplementär zu sein, was bedeutet, daß die beiden Filter, unabhängig von ihrer Schaltung, den gleichen Aufbau haben.

Ganz allgemein sind die für die beiden Filter zu erfüllenden Bedingungen die, daß die beiden Filter für

Z'g = Z₁, Z"_g = Z₂, Z« = Z'_1f Z" = Ζ·₂

zueinander komplementär sind, was für die Differential übertrager die folgende Bedingung ergibt:

Z₁^z₂ = z^ · z»₂ .

Patentansprüche 2098A6/08U

ORIGINAL iN^fiJTS

Claims

Pa t e η t a η s ρ r Ü e fa e

Pliteranordnung rait einem Filter, dessen übertragungsfunktion der durchzuführenden Filterung entspricht, gekennzeichnet durch ein zweites Filter, einen ersten Differentialübertrager, von dem zwei konjugierte Anschlüsse jeweils mit dem Eingang eines der Filter verbunden sind, dessen dritter Anschluß den Eingang der Filteranordnung bildet, und dessen vierter Anschluß mit einem Absorptionswiderstand abgeschlossen ist, dessen Wert die Bezugsimpedanz des vierten Anschlusses bildet und die Bezugsimpedanzen der drei ersten Anschlüsse festlegt, und durch einen zweiten Differentialübertrager, von dem zwei konjugierte Anschlüsse jeweils mit dem Ausgang eines der beiden Filter verbunden sind, dessen dritter Anschluß den Ausgang der Filteranordnung bildet, und dessen vierter Anschluß mit einem Absorptionswiderstand abgeschlossen ist, dessen Wert die Bezugsimpedanz des vierten Anschlusses bildet und die Bezugsimpedanzen der drei anderen Anschlüsse des zweiten DifferentialÜbertragers festlegt, wobei das Produkt der Bezugsimpedanzen der mit den Eingängen der beiden Filter verbundenen Anschlüsse des ersten Differentialübertragers gleich dem Produkt der Bezugsimpedanzea der mit den Ausgängen der beiden Filter verbundenen Anschlüsse des zweiten Differentialübertragers ist, das zweite Filter die gleiche Übertragungsfunktion wie das erste Filter hat und die Spannungsreflexionsfaktoren am Eingang der beiden Filter den gleichen Betrag haben und gegenphasig sind, wenn die Filter einerseits mit Impedanzen belastet sind, die gleich den Bezugs impedanzen der mit ihren Ausgängen verbundenen Anschlüsse des zweiten Differentialübertragers sind, und andrerseits von Generatoren gespeist werden, deren Ausgangsimpedanzen gleich den Bezugsimpedanzen der mit ihren Eingängen verbundenen Anschlüsse des ersten Differentialübertragers sind.

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2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Differentialübertrager gleich sind, und daß die Bezugs impedanzen der mit den Filtern verbundenen Anschlüsse gleich sind.
3. leiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Differentialübertrager gleich sind, und daß die beiden Filter gleich sind, wenn sie unabhängig von ihrer Schaltung in der Filteranordnung betrachtet werden.

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