DE2242535C3 - Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit mehreren miteinander gekoppelten, in wenigstens zwei übereinanderliegenden Zeilen angeordneten Resonatoren, von denen jeweils der erste und letzte Resonator mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen ist, und bei dem zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Resonatoren eine zusätzliche Kopplung vorgesehen ist und die einzelnen Resonatoren derart angeordnet sind, daß in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren eine gemeinsame Trennwand haben und fts weiterhin zwischen den Resonatoren unterschiedlicher Zeilen liegende, der unmittelbaren Kopplung dienende \C nnrkplöffniinifpn I: !pin sinn im Vprhältni*; 711 dpn

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Abmessungen der Trennwand.

Filter der Mikrowellentechnik werden bekanntlich aus mehreren, miteinander gekoppelten Mikrowellenresonatoren aufgebaut, deren Kopplung entweder kapazitiv oder induktiv erfolgen kann. Die Resonatoren selbst können dabei beispielsweise als sogenannte Koaxialleitungsresonatoren oder aus Hohlleiterresonatoren bestehen. Entgegen den mit konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern läßt sich aufgrund der geometrisch fest vorgegebenen Konfiguration der Resonatoren nicht jede in konzentrierter Technik realisierbare Schallung ohne weiteres auf das Frequenzgebiet der Mikrowellen übertragen. Diese Schwierigkeit wird insbesondere dann als störend empfunden, wenn es darauf ankommt, in der Dämpfungscharakteristik des Filters sogenannte Dämpfungspole, d. h. also Unendlichkeitssteüen der Dämfpung, zu erzeugen. Um diese Schwierigkeit wenigstens teilweise zu beheben, ist es durch die US-PS 27 49 523 bereits bekanntgeworden, bei einem Mikrowellenfilter einander in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren zusätzlich miteinander zu verkoppeln. Abgesehen davon, daß nach dieser bekannten Anordnung nur Resonatoren bestimmter unterschiedlicher Gruppen miteinander gekoppelt werden können, tritt dort noch die Schwierigkeit auf, daß die zusätzliche Kopplung von nicht miteinander benachbarten Resonatoren über Leitungselemente erfolgt, bei denen zum einen auf die spezielle Bemessung der Länge geachtet werden muß und bei denen zum anderen ein zusätzlicher Raumverbrauch deshalb auftritt, weil diese Leitungen außerhalb der Filterresonatoren angeordnet sind.

Durch die deutschen Offenlegungsschriften 19 42 867 und 19 42 909 ist es in diesem Zusammenhang weiterhin bereits bekannt geworden, die Resonatoren eines mehrkreisigen Mikrowellenfilters in übereinanderliegenden Zeilen konstruktiv derart anzuordnen, daß zur Einführung der der Polerzeugung dienenden zusätzlichen Kopplungen auf die Verwendung von außerhalb des Filters geführten Leitungsabschnitten verzichtet werden kann. Dabei werden die einzelnen Resonatoren so angeordnet, daß die elektromagnetische Energie über die die Filterbandbreite bestimmenden Kopplungen entweder die in den Zeilen angeordneten Resonatoren nacheinander oder in unterschiedlichen Zeilen liegenden Resonatoren mäanderförmig durchläuft. Wie sich dabei zeigt, wären die Anforderungen für die Steilheit der Dämpfungsflanken in Bezug auf die vorgegebene Bandbreite mitunter bereits mit einer geringeren Anzahl von Resonatoren zu erfüllen; jedoch würde das bloße Weglassen eines oder mehrerer Resonatoren gleichzeitig den Verzicht auf wenigstens eine Polstelle im Dämpfungsverhalten oder den Verzicht auf ein Polquadrupel bei komplexen Frequenzen, d. h. also den Verzicht auf die Laufzeitbeeinflussung im Durchlaßbereich des Filters bedeuten. Um derartige Filter diesbezüglich in noch besserer Weise den jeweiligen Forderungen anpassen zu können, ist in einem älteren Vorschlag (älteres deutsches Patent 21 61 792) darauf hingewiesen, bei einem polerzeugenden Mikrowellenfilter, dessen Resonatoren in übereinanderliegenden Zeilen angeordnet sind, wenigstens einen Teil der Resonatoren in wenigstens drei übereinanderliegenden Zeilen in Form von Viererblökken derart anzuordnen, daß der in der elektrischen Wirkungsweise letzte Resonator eines Viererblocks mit dem ersten Resonator des Harniiffnlppnden Vip.rpr-

blocks zusammenfaßt. Wie sich nun zeigt, kann bei derartigen Filtern, deren Berechnung sich beispielsweise nach der Arbeit »Dimensionierung reflexionsfaktor- und laufzeitgeebneter versteileter Filter mit Überbrükkungen« (»Frequenz«, 24, 1970, Heft ^U, S. 307 bis 312) vornehmen läßt, der Fall eintreten, daß beispielsweise bei einem Filter mit Dämpfungspolen bei komplexen Frequenzen die Laufzeit eine gegenüber der theoretischen Frequenzabhängigkeit abweichende Frequenzabhängigkeii ^eigt, was insbesondere dann als störend empfunden wird, wenn die praktischen Anforderungen sowohl hinsichtlich der Dämpfung als auch hinsichtlich der Laufzeit sehr groß sind und extrem genau eingehalten werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen ι ^ Schwierigkeiten nach Möglichkeit abzuhelfen und den Aufbau polerzeugender Mikrowellenfilter anzugeben, die bezüglich Dämpfung und Laufzeit den theoretischen Werten möglichst nahe kommen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Filter der einleitend geschilderten Art, gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die zwischen den Resonatoren unterschiedlicher Zeilen (A, B. C) liegenden, der zusätzlichen Kopplung dienenden Koppelöffnungen (18, 19, 18', 19') kleiner sind als etwa 10% der Abmessungen (a, b)dcr Trennwand.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird ti ·.· Erfindung nachstehend noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das elektrische Ersatzschaltbild eines vielkreisigen Filters mit komplexen Polstellen,

Fig. 2 schematisch einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Filters.

Im elektrischen Ersatzschaltbild nach F i g. 1 und im Aufbauschema nach Fig. 2 sind wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei lediglich zu beachten ist, daß in bekannter Weise Mikrowellenresonatoren entsprechend der in diesem Frequenzbereich üblichen Art verwendet sind. Im Beispiel nach Fig. 2 sind Koaxialleitungsresonatoren verwendet, die mit den Bezugsziffern 1 bis 14 kenntlich gemacht sind und die jeweils aus einem Außenleiter quadratischen Querschnitts und einem Innenleiter kreisförmigen Querschnitts bestehen. Eis ist dabei insbesondere an solche Resonatoren gedacht, deren elektrische Länge spürbar kürzer als λ/4 ist, wenn λ die zur Mittenfrequenz des Filters gehörende Betriebswelleniänge bedeutet. Die Abstimmung auf die Resonanzfrequenz kann dann in an sich bekannter Weise durch zusätzliche kapazitive Elemente vorgenommen werden und es ergibt sich hierdurch für das Gesamtfilter ein raum- und gewichtssparender Aufbau. In den F i g. 1 und 2 sind noch der mit 15 bezeichnete Eingang und der mit 16 bezeichnete Ausgang des Filters zu erkennen. Die die Bandbreite bestimmende Kopplung erfolgt durch Koppelöffnungen 17 und 17a, was sich im Ersatzschaltbild als in den Längszweigen liegende Spulen äußert. Zur Erzeugung von Polstellen in der Übertragungscharakteristik sind nun in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren zusätzlich gekoppelt. Ein besonders raumsparender (>o Aufbau ergibt sich hierbei, wenn die einzelnen Filterresonatoren in mehreren, übereinanderliegenden Zeilen angeordnet sind, im Ausführungsbeispiel also die Resonatoren 1 bis 4 in der Zeile A, die Resonatoren 5 bis 10 in der Zeile B und schließlich die Resonatoren J1 bis 14 in der Zeile C. Durch die Zusatzkopplungen werden, wie bereits erwähnt, nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren miteinander verkonnelt. wodurch sich eine Überbrückung der ihnen benachbarten Resonatoren ergibt. So verbindet die zusätzliche Kopplung 18 die Resonatoren 3 und 6 und eine weitere zusätzliche Kopplung 19 die Resonatoren 2 und 7. Analog gilt dies auch für die Resonatoren 8 bis 14 bezüglich der zusätzlichen Kopplungen 18' und 19'.

Wie einleitend bereits erwähnt, kann nun der Fall eintreten, daß beispielsweise beim gewählten Aufbau trotz Einhaltung der Dämpfungsforderungen die Laufzeitabhängigkeit vom theoretischen Sollverhalten zu stark abweicht. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, ist dies darauf zurückzuführen, daß bei Verwendung induktiv wirkender Loch- oder Schlitzkopplungen mit verhältnismäßig großen Koppelöffnungen weitere parasitäre Kopplungen auftreten. Ein Teil dieser parasitären Kopplungen ist in Fig. 1 durch die gestrichelt eingezeichneten Induktivitäten 21 und 2Γ kenntlich gemacht und es werden dadurch die Resonatoren 3 und 5 bzw. 9 und 11 sowie auch die Resonatoren 4 und 6 bzw. IO und 12 in unerwünschter Weise miteinander verkoppelt. Weitere unerwünschte Kopplungen sind unter anderem zwischen den Resonatoren 2 und 6, 3 und 7, 9 und 13 und 8 und 12 feststellbar.

Diese Störkopplungen lassen sich in ihrer 'v.rkung nahezu vollständig unterdrücken, wenn die zwischen den Resonatoren unterschiedlicher Zeilen liegenden Koppelöffnungen klein sind im Verhältnis zu den Abmessungen der Trennwände, und zwar unabhängig davon, ob es sich, wie bei den Resonatoren 4 und 5. um eine die Bandbreite bestimmende Kopplung 17a oder um eine der Überbrückungskopplungen 18 und 19 zwischen den Resonatoren Λ und 6 bzw. 2 und 7 handelt. Analog gilt dies auch für die Trennwand, die die in den Zeilen B und C liegenden Resonatoren voneinander trennt. In Fig. 2 ist die Flache einer der Trennwände schematisch gestrichelt dargestellt und die Längsabmessung mit a und die Querabmessung mit b bezeichnet. Man sollte dabei darauf achten, daß die Fläche der Koppelöffnungen kleiner al:> etwa 10% der Fläche a ■ b der jeweiligen Trennwände ist. Zur besseren Übersicht sind die in Frage kommenden Trennwände in F i g. 2 stark ausgezogen.

Wenn man nun diese verhältnismäßig kleinen Koppelöffnungen vorsieht, dann lassen sich im Ausführungsbeispiel die zwischen den Resonatoren 4 und 5 bzw. 10 und 11 liegende Kopplung 17a sowie auch die Zusatzkopplungen 18 und 19, analog dazu auch 18' und 19', anstelle einer induktiven als eine kapazitive Kopplung ausbilden, so daß man sich im elektrischen Ersatzschaltbild nach Fig. I die entsprechenden Koppelinduktivitäten ersetzt denken muß durch die ebenfalls miteingezeichneten Koppelkapazitäten. Ein zusätzlicher Vorteil bei dieser gemischten Kopplung besteht darin, daß die sich bereits theoretisch ergebende, geringe Schräglage der Laufzeit kleiner als bei rein induktiver Kopplung ist. Weiterhin wird somit ein Filterabschnitt gebildet, der symmetrisch überbrückt ist und bei dem die Überbrückungskopplungen sowie die innerste Zwischenkopplung gleichsinnig in der Kopplungsart sind, während die übrigen Kopplungen in der Kopplungsart gegensinnig üind. Induktive Kopplungen lassen sich für die zwischen den Zeilen A und B bzw. B und Cliegenden Trennwände in der Weise erreichen — fails dies nach den jeweiligen Anforderungen hinsichtlich dos Laufzeit- und Dämpfungsverhaliens notwendig ist — indem trotz kleiner Ausbildung der Koppelöffnun· Ben induktiv wirkende KoDDelschleifen durch die

verhältnismäßig kleinen Öffnungen greifen. Dadurch können bei symmetrischer Überbrückung die Kopplungen 18 und 19, 17a, sowie 18' und 19' induktiv ausgebildet werden, während man die Kopplungen 17 kapazitiv ausbildet.

In der genannten Weise können auch bei einem an sich beliebigen Filteraufbau sämtliche Kopplungen induktiv oder sämtliche Kopplungen kapazitiv ausgebildet sein, wodurch sich ausschließlich Polstellen bei komplexen Frequenzen ergeben und damit das Laufzeitvcrhalten des Filters beeinflußt wird. Bei Verwendung mehrerer unterschiedlicher Kopplungsarten, nämlich gleichzeitiger Anwendung kapazitiv und induktiv wirkender Kopplungen, läßt sich das Dämpfungsverhalten und gegebenenfalls Dämpfungs- und Laufzeitverhaltcn in der gewünschten Weise beeinflussen. Vorzugsweise wird man kapazitive Kopplungen als Stiftkopplungen realisieren, da dadurch die öffnung in der gemeinsamen Trennwand klein gehalten werden kann und gleich/eilig die erforderliche Koppelkapazität erreicht wird.

Beim beschriebenen Filter läßt sich bei einem möglichst raumsparenden Aufbau und einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Resonatoren eine verhältnismäßig große Anzahl von Zusatzkopplungcn realisieren, wodurch, wie bereits erwähnt, Polstellen bei reellen und/oder komplexen Frequenzen erzeugt werden können, wobei gleichzeitig gewährleistet ist, daß die in der Praxis erzielte Filtercharakteristik möglichst genau mit der theoretischen Charakteristik übereinstimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   !. Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit mehreren miteinander gekoppelten, in wenigstens zwei übereinanderliegenden Zeilen angeordneten Resonatoren, von denen jeweils der erste und letzte Resonator mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen ist, und bei dem zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Resonatoren eine zusätzliche Kopplung vorgesehen ist und die einzelnen Resonatoren derart angeordnet sind, daß in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren eine gemeinsame Trennwand haben und weiterhin zwischen den Resonatoren unterschiedlicher Zeilen liegende, der unmittelbaren Kopplung dienende Koppelöffnungen klein sind im Verhältnis zu den Abmessungen der Trennwand, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Resonatoren unterschiedlicher Zeilen (A, B, C) liegenden, der zusätzlichen Kopplung dienenden Koppelöffnungen (18, 19, 18', 19') kleiner sind als etwa 10% der Abmessungen (a, b)dzT Trennwand.
2. 2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Kopplungen (17, 17a, 18,19, 18', 19') als induktive Kopplungen ausgebildet sind.
3. 3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Kopplungen (17, 17a, 18, 19, 18', 19') als kapazitive Kopplungen ausgebildet sind.
4. 4. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Kopplungen als induktive Kopplungen und die restlichen als kapazitive Kopplungen ausgebildet sind.
5. 5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einzelne Filterabschnitte symmetrisch überbrückt sind, daß die Überbrückungskopplungen (18, 19, 18', 19') und die innerste Zwischenkopplung (17ajdes Filterabschnittes in der Kopplungsart gleichsinnig (kapazitiv bzw. induktiv) sind, während für die übrigen Kopplungen (17) die hierzu gegensinnige Kopplungsart (induktiv bzw. kapazitiv) verwendet ist.
6. 6. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüehe, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ralisierung kapazitiver Kopplungen Koppelstifte vorgesehen sind.