DE2341903C2

DE2341903C2 - Filter für elektromagnetische Wellen

Info

Publication number: DE2341903C2
Application number: DE2341903A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Unterehrendingen Affolter; Alfred Untersiggenthal Käch
Original assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Current assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Priority date: 1973-07-19
Filing date: 1973-08-18
Publication date: 1984-02-16
Also published as: NL7409592A; IT1017206B; DE2341903A1; SE7409191L; GB1478196A; FR2238287B1; NO149404B; CA1011412A; JPS5754961B2; NO149404C; JPS5029261A; NO742560L; FR2238287A1; US3973226A; CH552304A

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter für elektromagnetische Wellen mit In einem rohrförmigen Filtergehäuse untergebrachten, elektrisch abgeschirmten, dielektrischen Resonatorscheiben oder Resonatoren, zwischen denen metallische, mit Koppelöffnungen versehene Trennwände zur Verringerung des Kopplungsgrade* vorhanden sind.

Dielektrische Resonatoren, d. h. Stoffe, die bei kleinem Verlustwinkel eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, ζ. B. Titandioxyd (Rutil, TiO₂, «_f = 90, tg«S = 3.1CT⁴), können bekanntlich wesentlich zur Verkleinerung der Mikrowellenfilter beitragen. Nach theoretischer Untersuchungen der Anmeldern am Kugelmodell erhält man bei solchen Resonatoren optimale Q-Werle nur, wenn der Resonator metallisch abgeschirmt lsi, wobei zwischen Abschirmung und dem dielektrischen Körper allseitig ein gewisser Zwischenraum bestehen muß. Als Regel gilt, daß die Weite der Abschirmung mindestens etwa das Doppelte der größten Abmessung des Resonators betragen soll. Der Resonator muß deshalb gegenüber der Abschirmung mittels Isolierstoff abgestützt und mechanisch fixiert werden. Solange die Dielektrizitätskonstante des Stützenstoffes klein Ist im Vergleich zu der des Resonalorstoffes, hat die Halterung auf das elektrische Verhalten des Resonators praktisch keinen Einfluß.

Der Weite der Abschirmung sind aber auch nach oben bestimmte Grenzen gesetzt. Dm eine optische Weltabselektion des Filters zu erhalten, muß u. a. der direkte Felddurchgriff durch das Abschirmrohr (zwischen Ein- und Auskopplung) möglichst gering sein, d. h. dessen tiefstmögiiche Hohllelter-Grenzfrequenz, bei runden Rohuen die des ΤΕ,ι-Mode, soll angemessen über der höchsten Durchlaßfrequnez des Filters liegen. Die Einhaltung der genannten Forderungen: Durchmesser der Abschirmung etwa doppelt so groß wie die größte Weite des dielektrischen Resonators, die Hohlleiter-Grenzfrequenz der Abschirmung um einen bestimmten Faktor höher als die Filterdurchlaßfrequenz, führt zu elnei Vorschrift für den Mindestwert von r._r des Resonatorsiolfes. bei dem sich dielektrische Filter mit abgeschirmten Resonatoren noch sinnvoll realisieren lassen. Z. B. folgt für scheibenförmige Resonatoren in runden Abschirmrohren, wenn als tiefstzulässige Werte für beide Verhaltnisse (Durchmesser, Frequenzen) 1,8 gesetzt sind, daß die Dielektrizitätskonstante des Resonatorstoffes mindestens 40 betragen muß.

Im praktischen Fall benötigt man Filterkurven, die in einer größeren Umgebung des Durchlaßbereiches keine Dämpfungseinbrüche aufweisen. Solche Störresoanzen sind z. B. möglich infolge von Anisotropien im Resonalorstoff sowie durch die der jeweiligen Resonatorform ->5 zugeordneten Schwingungsmodi. Die Unterdrückung bzw. Vermeidung von solchen Nebenresonanzen ist in erster Linie eine Frage der Resonatorform und des angeregten Schwingungstyps. Bezüglich Schwingungstyp wird mit Vorteil der Grundmode des Resonators angeregt, da dieser zu den höheren Eigenresonanzen in der Regel den größten Abstand aufweist. Auch die Ankopplung ist einfacher als für eine höhere Resonanz. Bei den obengenannten geometrischen Verhältnissen zwischen Resonator und Abschirmung ist, wie die besagten Berechnungen der Anmelderin am Kugelmodell ergeben haben, der tiefste Mode stets ein TE- (oder H-) Typ, gekennzeichnet durch ein zirkuläres E-FeId und ein toroidförmiges H-FeId.

Bei von der Anmelderin ferner durchgeführten experi-•Ό mentellen Untersuchungen hat sich u. a. gezeigt, daß in einem gewissen Maß jede Keramik trotz der polykristallinen Struktur anisotrop ist. Demzufolge kann auch bei Resonatorformen mit in den drei orthogonalen Achsrichtungen identisch gleichen Abmessungen eine Resonanzaufspaltung in zwei oder drei Frequenzen auftreten. Solche Resonatorformen iz. B. Kugel. Würfel) sind deshalb für Filterzwecke ungeeignet. Man muß vielmehr den umgekehrten Weg beschreiten und eine Resonatorform wählen, bei der zumindest die für die Grundfrequenz >" maßgebliche Länge von den anderen zwei möglichst verschieden Ist, so daß die zugehörige Eigenfrequenz zu denen der anderen Längen genügend Abstand aufweist. Eine allfällige Anisotropie Im Resonatorstoff, die sich ebenso auswirkt, als ob beim isotropen Körper die jeweiligen Längen von Ihren Sollwerten leicht abweichen würden, hat dann nur noch auf die Resonanzfrequenz einen (geringen) Einfluß, kann jedoch keine Resonanzaufspaltung mehr bewirken. Eine Resonatorform, die nach experimentellen Erfahrungen (und Literalurangaben) diese ⁾⁰ Bedingung weltgehend erfüllt. Ist die dielektrische Scheibe. Der Herste Mode 1st die TEo_n- (oder H_nlr) Schwingung (zirkuläres E-FeId, toroidförmiges H-FeId). Für optimalen Abstand der nächsthöheren Resonanzen zur Grundresonanz (ca. ein Faktor 1,4) muß das Verhält-'⁵ nls Scheibendicke zu Scheibenradius etwa 0,8 betragen (vgl. |1] S. 219, s. Literaturverzeichnis am Schluß der Beschreibung).
Das Resonanzverhalten der dielektrischen Scheibe ist

zunächst theoretisch an freischwingenden Scheiben (also ohne Abschirmung) untersucht worden [2]. In der Folge wurden mit solchen Resonatoren, allseitig mit luftgefülltem Zwischenraum von einer Abschirmung umschlossen, auch verschiedene Mikrowellenfilter gebaut und ausgemessen [3], [4], [5]. Bei den hler Interesslerenden Anordnungen Ist der Durchmesser der Abschirmung, rein empirisch, durchweg bereits etwa doppell so groß wie der Scheibendurchmesser gemacht worden. Aus der erwähnten Rechnung am Kugelmodell geht in der Tat auch hervor, daß bei diesen geometrischen Verhältnissen das Resonanzverhalten eines freischwingenden dielektrischen Resonators ohne weiteres auf den Fall mit Abschirmung übertragen werden kann.

Weitere wesentliche Problempunkte eines dielektrisehen Filters sind die isolierte Abstützung der dielektrischen Scheiben gegenüber der Abschirmung, die Art der Abstimmung der einzelnen Resonatoren, die Anordnung der ein- und ausgangsseitigen Ankopplung an die Filterzuleitungen, die Realisierung der Zwischenkreiskopplungen sowie die Einordnung des Filters z. B. in die Schaltungen der Streifenleltungs-Technlk.

Bezüglich Resonatorabstützung und -abstimmung ist eine konkrete Ausführung in [4] am Beispiel eines fünfkreisigen Mikrowellenfilters beschrieben. Die scheibenlörmigen TiC^-Resonatoren sind Im Abschirmrohr in bestimmten Abständen parallel zur Querschnittebene angeordnet, wobei zur Halterung ein freitragendes, an beiden Enden gelagertes Isolierrohr dient. Zwecks Abstimmung enthalten die Scheiben jeweils ein radiales, bis ins Zentrum reichendes Sackloch, in welches von aufäen her durch die Abstimmung hindurch aus TiOr Maierial bestehende Keramikstifte eingeführt werden. Die mechanische Verbindung der Abstimmstifte mit dem Schirmgehäuse erfolgt über metallische Gewindehülsen, in welche die Stifte eingekittet sind. Der Abgleich der Zwischenkreiskopplungen wurde durch Vergrößern der Resonatorabstände, symmetrisch gegen die Filtermitte hin, vorgenommen. Nachteilig ist die geringe Resonatorhalterung. die Fixierung der Abstimmkerne über Metallhülsen erzeugt erfahrungsgemäße Nebenresonanzen, die zunehmenden Resonatorabstände gegen die Filtermitte hin führen zu unerwünscht großen Baulängen des Filters, die Umstellung des Filters auf eine andere Bandbreite erfordert eine Änderung der Baulänge.

Bei einer anderen Anordnung (Zweikreisfilter, vgl. [2], No 2 Fig. 4 bis 1. S. 34), bei welcher die Scheiben im Abschirmrohr in der Ebene Durchmesser-Längsachse liegen. ciiiMui die Abstimmung rmttcls Mciaüschrauben, radial durch das Schirmrohr hindurch jeweils gegen das Zentrum der Resonatorscheiben gerichtet. Schraube und dielektrischer Resonator bilden kurz vor der Berührung eine Serieresonanz, die den Abstimmvorgang äußerst kritisch macht. Zudem bewirkt die Abstimmschraube eine beachtliche Verminderung der Kreisgüte.

Auch beim Zweikreisfilter der Anordnung nach [5] liegen die Rutilscheiben in der Durchmesser-Längsachsen-Ebene des Abschirmrohres. Bezüglich Resonatorhalterung und -abstimmung werden hier nur für einkreisige Filter Angaben gemacht: Abstützung des Resonators in einer vollen Styroporscheibe, Abstimmung mittels Metallschraube, die in Richtung der Zylinderachse zum Scheibchen hin eingedreht wird. Die Ausfüllung des gesamten Abschirmrohr-Querschnittes mit Isolierstoff vermindert dort die tiefste Hohlleiter-Grenzfrequnez und damit die Weitabselektion des Filters, die Nachteile der Resonatorabstimmung sind dieselben wie bei [2],

Bei den Interessierenden Anordnungen erfolgt die Resonatorankopplung teils mit Koppelschleifen [2], [3], teils über am Ende offene Koppelbügel, längs der Peripherie der Resonatorscheibchen geführt [4]. Bei den Ausführungen nach [5] sind die Rutllscheibchen u. a. peripherleselllg Im Strombauch von am Ende offenen λ/4-Leitungen angeordnet.

Eine weitere Anordnung für ein ßandpaßfllter ist aus der Druckschrift DE-OS 19 12 174 bekannt. Darin werden feste, dielektrische Körper, die mit einem metallischen Überzug versehen sind, In einem, einen Resonanzhohlraum bildenden, metallischen Gehäuse hintereinander angeordnet und durch metallische Sonden verkoppelt. Dadurch wird gegenüber den üblichen Hohlraumresonatoren eine Verringerung von Gewicht und Volumen erreicht. Jedoch entstehen in dieser Anordnung vermeldbare Verluste In den Metallrändern, die zu einer Verschlechterung des Gütefaktors gegenüber rein dielektrischen Resonatoren führen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dielektrisches Filter vorzugsweise für Mikrowellen zu schaffen, das eine kompakte Bauform aufweist, sich auf einfache Art abstimmen bzw. in einem gewissen Bereich durchstimmen läßt, exakt abgleichbare Elemente für die Zwischenkreiskopplungen enthält, einfache Ankopplung der Zuleitungen aufweist und mit der Streifenleitungs- bzw. Hybridtechnik kompatibel ist. Die Filterkurve soll in einer größeren Umgebung des Durchlaßbereiches keine Störresonanzen bzw. Dämpfungseinbrüche aufweisen. Das Filter soll einfach in der Herstellung und bezüglich Eigenschaften gut reproduzierbar sein. Als Resonatorform wird vorzugsweise die Scheibenform (Dicke= Radius) zugrunde gelegt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die dielektrischen Resonatoren längs des Filtergehäuses mit Absland von Trennwänden und Filtergehäuse so angeordnet sind, daß ihre Achsen zur Längsachse des Filtergehäuses senkrecht stehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung, wie sie im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dargestellt ist, sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Dem nachstehend beschriebenen Filteraulbau liegen verschiedene Erkenntnisse zugrunde, die besonders aus theoretischen Untersuchungen am Kugelmodell hervorgegangen sind. Demzufolge hat eine metallische Abschirmung des dielektrischen Resonators auf dessen Resonanzfrequenz praktisch keinen Einfluß, wenn die Weite des Abschirmrohres mindestens etwa doppelt so groß gemacht wird wie die größte Abmessung des dielektrischen Körpers. Die Grundresonanz entspricht dabei stets dem TE-Gnmdmode (zirkuläres E-FeId, toroidförmiges H-FeId), ferner die Leerlaufgüte weltgehend dem ctgrü-Wert des Resonatorstoffes {6 = Verlustwinkel).

Der nähere Aufbau des Filters ist in den Flg. 1-7 am Beispiel eines Vierkreisfilters dargestellt. Hierin zeigen Fig. 1 und 2 je einen Längsschnitt und Fig. 3 den Querschnitt irr der Ebene/-/: Die Schnittzeichnungen Fig. 4 bis 7 stellen Weiterbildungen dar.

Die vier scheibenförmigen Resonatoren 1 sind jeweils im Zentrum der im Filtergehäuse 2 (vorzugsweise ein Vierkantprofil) quer zur Filterachse in gleichen Abständen angebrachten Sackbohrungen 3 angeordnet. Der Durchmesser dieser Hohlräume ist etwa doppelt so groß wie der Scheibendurchmesser, die Lochtiefe kann etwas kleiner sein, z. B. gleich dem l,5fachen Scheibendurchmesser. Die Abstützung der Resonatoren gegen das Filtergehäuse 2 erfolgt über die Isolierrohre 4 und 5. welche an je einem Ende an den Verbindungsstellen mit den Resonatorscheiben kleine Vertiefungen aufweisen, die

der Zentrierung der Scheibe dienen. Die Isolierträger berühren somit die dielektrische Scheibe nur In der näheren Umgebung von deren Kanten, so daß die Rückwirkung der Resonatorhalterung auf die Resonanzfrequenz und Kreisgüte möglichst klein Ist. Die aus Resonator 1 und den rohrförmigen lsollerträgern 4 und 5 bestehende Kombination wird schließlich mittels der Schraube 6 gegen die Stirnseite der Sackbohrungen 3 gedrückt. Sowohl diese Stirnseite wie die Schraube 6 enthalten für die Isolierträger zentrierende Vertiefungen, so daß die Lage der dielektrischen Resonatoren eindeutig fixiert Ist.

Infolge der einfachen Formgebung können die Isolierträger außer aus Hartplastik auch aus Sinterquarz oder Keramik hergestellt werden (Stoff mii relativ kleinem e_r). Zur Vermeidung einer Bruchgefahr bei Verwendung von Stützen aus keramischen Stoffen kann, wie In Flg. 4 dargestellt, zwischen dem Isolierträger 4 und der Schraube 6 eine Tellerfeder oder Membrane 7 eingebaut sein. Eine zusätzliche Zentrierung der Feder 7 mit der Schraube 6 sorgt dafür, daß die erstere mit der Lochwand nicht In Kontakt kommen kann. Allfällige Maßänderungeti, z. B. infolge Temperatureinfluß, werden durch diese Maßnahme automatisch aufgefangen und wirkungslos gemacht. Infolge des relativ großen Querschnittes der Isolierstützen ist zudem für die Resonatoren eine verhältnismäßig gute Wärmeableitung vorhanden, so daß mit dem Filter auch größere Hochfrequenzleistungen übertragen werden können. In Extremfällen kann jedoch als Stützenstoff auch eine speziell gut wärmeleitende Keramik, z. B. Berylliumoxyd (BeO, /:_r = 6,4 und tgä = 3. 10"⁴) verwendet werden.

Die Einrichtung zur Abstimmung der Scheibenresonatoren 1st auf der gegenüber der Schraube 6 befindlichen Stirnseite der Bohrungen 3 angebracht. Diese besteht aus dem Abstimmelement 8, welches vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt ist wie der Resonator, einem Isolierträger 9 und der Gegenmutter 10. Zwecks Erlangung eines größeren Abstimmbereiches ist im Resonator 1 ein Loch 11 angebracht, durch welches das Element 8 hindurchgeschoben werden kann. Der Durchmesser des Kernes 8 entspricht etwa der Dicke der Resonatorscheibe, seine Länge soll höchstens das l,5fache der Scheibendicke betragen. Bei größeren Längen können Serie- bzw. Sperresonanzen auftreten. Der Kern 8 ist in der Isolierschraube 9 mittels einer kleinen Vertiefung zentriert und dort festgekittet. Die Gegenmuttern 10 bestehen vorzugsweise aus Metall. Dadurch wird die Kamindämpfung der Durchführungslöcher für die Resonatorabstimmung beträchtlich erhöht und so ein Feldaustritt über die Isolierträger 9 praktisch vermieden. Bei festgezogenen Schrauben bilden Resonator, Resonaiorhaiierung und Abstimmorgan eine kompakte, meschanisch eindeutig fixierte Einheit.

Zur Erlangung einer gewünschten Filtercharakteristik sind zwischen den Resonatoren bestimmte, von den FIlterenden her gegen die Filtermitte hin symmetrisch abnehmende Kopplungsgrade erforderlich (bei Übertragungssymmetrie). Zwecks Realisierung dieser Zwischenkreiskopplungen sind erfindungsgemäß die Abstände der Bohrungen 3 so gewählt, daß zwischen diesen Im Filtergehäuse dünne Zwischenstege 12 erhalten bleiben. Durch Aufbohrung dieser Trennwände von den Stirnseiten des Filtergehäuses her wird der jeweils erforderliche Kopplungsgrad hergestellt. Der jeweilige Lochdurchmesser (Löcher 13 und 14) nimmt dabei symmetrisch gegen die Filtermitte hin nach bestimmten Gesetzmäßigkelten dermaßen ab, daß die gewünschte Filtercharakteristik entsteht. Maßgebend hierfür sind Kreiszahl und relative Bandbreite des Filters sowie die zugelassene Welligkeit der Durchlaßkurve. Der jeweils erforderliche Lochdurchmesser läßt sich relativ leicht nach bekannten Methoden anhand eines Zweikreisfiliers vorbestimmen.

Die Koppelblenden bilden hler einen Integrierenden Bestandteil des Filtergehäuses. Es sind weder Kontaktierungsprobleme vorhanden noch Verlötungen erforderlich. Die jeweiligen Kopplungsgrade sind ausschließlich durch Abstand und Durchmesser von sich kreuzenden Bohrungen bestimmt, welche Abmessungen sich sehr genau einhalten lassen. Diese Konstruktion wirkt sich speziell bei Filtern mit hoher Kreiszahl, z. B. sechs, wegen der erforderlichen relativ kleinen Kopplungsgrade in der Filtermitte besonders günstig aus. Natürlich sind auch andere Kopplungsformen denkbar, z. B. mittels Schlitzen In den Trennwänden oder metallischen Stempeln in einem als Vierkantrohr ausgebildeten Filtergehäuse. Wie jedoch Versuche gezeigt haben, bietet hier nur eine Anordnung mit eindeutig definierten Abmessungen Gewähr für eine exakt reproduzierbare Filterherstellung.

Die Resonanzerregung der dielektrischen Scheiben erfolgt im tlefstmögllchen Schwlngungstyp, d. h. im TE₀Ii- (oder Hon-) Mode, gekennzeichnet durch ein zirkuläres E-FeId und ein torroidförmiges H-FeId. Wegen der Kleinheit der Scheiben im Vergleich zur Betriebswellenlänge Λ im freien Raum ist eine elektrische Anregung praktisch nicht möglich.

Die Zwischenkreiskopplungen der Resonatoren sind deshalb überwiegend magnetischer Art. Ebenso kommt für die Ankopplung des ersten und letzten Filterkreises an die Filterzuleitungen nur die induktive Variante in Betracht. In den Fig. 1 und 2 sind die Filterzuleitungen als Koppelleiter 15 ausgebildet. Sie verlaufen rechtwinklig zur Längsachse des Filters, so daß u. a. eine einfache Montage des Filters z. B. auf Printplatten möglich ist. Anstelle der metallischen Verbindung der Leiterenden mit dem Filtergehäuse kann, wie in Flg. 5 dargestellt, auch ein kapazitiver Übergang 16 verwendet werden. Die Ankopplung ist ein Optimum, wenn sich auf den Filterzuleitungen im Koppelbereich mit den Resonatoren gerade ein Strommaximum befindet. Dieser Gesichtspunkt ist jedoch, wie Versuche gezeigt haben, nicht kritisch. Abweichungen um ± Λ/8 der elektrischen Länge von den Leiterenden her sind durchaus zulässig. Der dann etwas geringere Kopplungsgrad läßt sich durch Verkleinern des Leiterabstandes zu den Resonatoren leicht wieder ausgleichen.

Bei Filtern mit hoher Kreiszahl, z. B. sechs, und relativ großer Bandbreite, z. B. 1% der Bandmittefrequenz, ist allerdings eine relativ enge Ankopplung der Resonatoren an die Filterzuleitungen erforderlich. In den Fig. 6 und 7 sind solche Ankopplungsformen näher skizziert. In F i g. 6 ist der Koppeileiter 15 teilweise parallel zur Peripherie der Resonatorscheiben geführt, in Fig. 7 induktivitätsarm mit einer Metallscheibe 17 verbunden, die ihrerseits mit der Stirnschraube 18 an das Filtergehäuse 2 gepreßt wird.

Der Kopplungsgrad hängt außer vom Abstand der Koppelleiter zu den Resonatoren noch vom Verhältnis der Koppelschleifenimpedanz zum Wellenwiderstand der Filterzuleitungen ab. Er hat ein relatives Maximum, wenn die Schleifenimpedanz dem Wellenwiderstand der Filterzuleitungen entspricht. Zwischen diesen beiden Größen besteht somit ein Optimierungsproblem, wobei entweder die Schleifenimpedanz dem Wellenwiderstand oder dieser, z. B. durch Vorschalten eines λ/4-Transformators, der Schleifenimpedanz angepaßt werden kann.

Die induktive Ankopplung der Filterzuleitungen hat eine Resonanzverstimmung des ersten und letzten Filterkreises nach höheren Frequenzen hin zur Folge, deren Ausmaß vom jeweiligen Ankopplungsgrad und vom Verhältnis der Koppellelter-Induktivilät zum Wellenwiderstand der Filterzuleitungen abhängt. Je nach den erforderlichen Filtereigenschaften kann diese Verstimmung ein bis mehrere Prozente der mittleren Durchlaßfrequenz des Filters betragen und damit etwa der Größe des Abstimmbereichs des Filters entsprechen. In diesem Fall würde praktisch der gesamte Abstimmbereich zur Nachstimmung des ersten und letzten Filterkreises benötigt werden, so daß dann eine Durchstimmung des Filters nicht mehr möglich wäre. Um diesen Nachteil zu vermelden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Ankopplungsverstimmung des ersten und letzten Filterkreises unmittelbar an den betreffenden Resonatoren zu korrigieren, d. h. Durchmesser und/oder Dicke dieser dielektrischen Scheiben derart zu vergrößern, daß die zugehörigen Abstimmstempel etwa die gleiche Abstimmlage erhalten, wie sie die Abstimmstempel der übrigen Resonatoren aufweisen. Die Gangunterschiede der Abstimmstempel sind dann nur noch von den eigentlichen Material- und Maßtoleranzen der dielektrischen Resonatoren abhängig.

Infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen diskreten Bohrungen zur Unterbringung der Resonatoren und der ausgeprägten Koppelblenden kann der direkte Felddurchgriff sehr klein gehalten werden, so daß die Weltabselektion des Filters praktsich der theoretisch zu erwartenden Selektion entspricht. Die Hohlräume für die dielektrischen Scheiben haben naturgemäß zusammen mit den Isolierstützen auch gewisse Eigenresonanzen. Derjenige Mode, auf dem die Resonatoren angeregt werden, liegt hier weit oberhalb des in Betracht kommenden Frequenzbereiches. Daneben ist noch ein frequenzmäßig tieferer Mode möglich, gekennzeichnet durch ein E-FeId in Achsrichtung der Isolierrohre und ein zirkuläres H-FeId in der Querschnittebene der Bohrungen. Eine Anregung dieses Schwingungstyps ist jedoch nicht möglich, da dessen E- und Η-Komponenten zu denjenigen der Koppelzuleitungen senkrecht stehen, was speziell bei der Verwendung von keramischen Stützenstoffen (relativ hohes t_r) von Vorteil ist.

Typische Abmessungen eines ausgeführten dielektrischen Vierkreisfilters für 8 GHz Durchlaßfrequenz sind:

Resonatorart Scheibenform

Resonatorstoff Rutilkeramik

Scheibendurchmesser 4,5 mm

Schelbendicke 2,0 mm
Durchmesser des Abstimmloches 1,8 mm
Durchmesser der Abstimmkerne 1,7 mm

Länge der Abstimmkerne 3,0 mm

Durchmesser der Abschirmbohrung 9,0 mm
Länge der Abschirmbohrung 7,5 mm

Resonatorabstand 10,0 mm

Bei diesen Abmessungen beträgt der Durchstimmbereich des Filters etwa 3a, der Bandmittefrequenz. Größere Bereiche lassen sich leicht erreichen, z. B. durch Vergrößern des Durchmessers der Abstimmelemente, was aber eine Verminderung der Langzeitstabilität des Filters (Verstimmung einzelner Kreise) zur Folge haben kann. Die Wahl dieser Abmessungen ist deshalb vielfach ein Kompromiß zwischen gewünschtem Durchstimmbereich und der zulässigen Filterinstabilität bzw. dem zu leistenden Aufwand an Herstellungskosten.

Der geringe thermische Einfluß von Abschirmung und Resonatorabstimmung auf die Resonanzfrequenz kann gegebenenfalls zumindest teilweise zur Kompensation einer allfälligen thermischen Resonanzabwanderung der dielektrischen Scheiben benutzt werden. Beispielsweise kann das Filtergehäuse auch aus Invar oder Kovar bestehen, falls sich damit diesbezügliche Vorteile ergeben.

Eine volle mechanische Kompensation ist allerdings nur bei relativ kleinem Temperaturkoeffizienten des dielektrischen Stoffes sinnvoll. Bei großem Temperaturkoeffizienten müßte der sehr steilen Änderung der Resonanzfrequenz bei wachsender Temperatur ein ebenso steiler Einfluß einer Kompensation entegegenwirken. Dies würde eine Gegenelnanderschaltung zweier Größen von erheblichem Betrag bedeuten; in der Regel läßt sich hierbei ein Gleichgewicht nicht durchweg herstellen. Der Resonatorstoff darf deshalb, wenn an eine volle mechanlsehe Kompensation der Resonanzabwanderung gedacht wird, bezüglich e_r einen gewissen Wert des Temperaturkoeffizienten nicht übersteigen.

Die Erfindung ermöglicht eine beträchtliche Verkleinerung und Verbilligung der Mikrowellenfilter, z. B. in Richtstrahlgeräten. Die Formgebung der Filterkreise 1st einfach und für jede Kreiszahl exakt reproduzierbar. Als Resonatoren werden dielektrische Scheiben verwendet, wobei die TE-Grundresonanz angeregt wird. Eine Resonanzaufspaltung wird nicht beobachtet. Die nächsthöhere Resonanzfrequenz beträgt etwa das l,4fache der Grundfrequenz, dazwischen verläuft die Filterkurve stetig und glatt. Dämpfungseinbrüche sind nicht vorhanden, die Weitabselektion des Filters kommt der theoretisch zu erwartenden Weitabselektion sehr nahe. Das Filter läßt

to sich leicht in die Schaltungen der Streifenleitungs- und Hybridtechnik einbauen.

Literaturverzeichnis

1 Microwave Bandpaß Filters containing High-Q Dielectric Resonators, IEEE-Trans. MTT-16, No. 4 (April 1968), pp. 218 bis 227

2 Investigation of Microwave Dielectric Filters, US-Report No. 1 und 2 vom 1. 7. 1963 bis 30. 9. 1963 und 1. 10. 1963 bis 31. 12., 1963, registriert unter No. AD 426201 und AD 436653

3 Dito: US-Report No. 3 und^ vom 1. 1. 1964 bis 31. 3. 1964 und 1. 4. 1964 bis 31. 8. 1964, registriert unter No. AD 444150 und AD 453421

4 A miniature high-Q bandpaß-filter employing dielectric resonators, IEEE-Trans. MTT-16, No. 4 (April 1968), pp. 210 bis 218

5 Dielektrische Resonatoren und ihre Anwendung als Mikrowellenfilter, Z. angew. Phys., 24 (1968) 3, pp. 142 bis 147

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Filter für elektromagnetische Wellen mit in einem rohrförmigen Filtergehäuse untergebrachten, elektrisch abgeschirmten, dielektrischen Resonatorscheiben oder Resonatoren (1), zwischen denen metallische, mit Koppelöffnungen versehene Trennwände zur Verringerung des Kopplungsgrades vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Resonalorschelben bzw. Resonatoren längs des Filtergehäuses (2) mit Abstand von Trennwänden und Filtergehäuse so angeordnet sind, daß Ihre Achsen zur Längsachse des Filtergehäuses senkrecht stehen.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dielektrischen Resonatorscheiben (1) etwa dem halben Scheibendurchmesser entspricht.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Trennwände (12) Im Filtergehäuse (2) gebildeten Hohlräume (3), in denen die Resonalorenkreise (1) untergebracht sind, längs der Filtergehäuse-Achse in gleichen Abständen angeordnet sind.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Trennwände (12) Im Filtergehäuse (2) gebildeten Hohlräume (3), in denen die Resonatoren (1) untergebracht sind, als quer zur Filterghäuse-Achse verlaufende Sackbohrur\gen ausgebildet sind.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Sackbohrungen etwa dem doppelten Durchmesser der Resonatorscheiben (1), die Tiefe der Bohrungen etwa dem l,5fachen Scheibendurchmesser entspricht.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Resonatorscheiben (1) im Zentrum der Hohlräume (3) angeordnet sind.

7. Filter nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Resonatorschelben (1) gegen die Wandungen der diese umschließenden Hohlräume (3) mittels Isolierstoff abgestützt sind.

8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Resonatorscheiben (1) In die diese umschließenden Hohlräume (3) mittels einer Isoliermasse eingegossen sind.

9. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung der Resonatorscheiben (1) durch je zwei gleiche, beiderseits der Scheibe (1) angeordnete Isolierrohre (4, 5) erfolgt.

10. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierrohre (4, 5) an den Verbindungsstellen mit den Resonatorscheiben (1) zentrierende Vertiefungen aufweisen.

11. Filter nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Isolierrohre (4, 5) mit der dazwischenliegenden dielektrischen Scheibe (1) mittels einer Tellerschraube (6) auf der offenen Seite der Sachbohrung (3) gegen die Bodenfläche der Sackbohrung gepreßt werden.

12. Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den Übergangsstellen der Isolierrohre (4, 5) zur Tellerschraube (6) und zur Bodenfläche der Sackbohrungen (3) metallseitig zentrierende Vertiefungen angebracht sind.

13. Filter nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierrohre (4, 5) aus Hartplastik bestehen.

14. Filter nach einem der Ansprüche 9 bis 12,' dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierrohre (4, 5) aus Sinterquarz bestehen.

15. Filter nach einen der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierrohre (4, S) aus Keramik bestehen.

16. Filter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierrohre (4, 5) aus Berylliumoxyd bestehen.

17. Filter nach den Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Tellerschraube (6) und dem mit dieser Im Eingriff stehenden Isolierrohr (4) eine Tellerfeder (7) vorgesehen ist.

18. Filter nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Stirnseite der Sackbohrungen (3), gegen welche Ober die Isolierrohre (4, 5) die dielektrischen Resonatorscheiben (1) gepreßt werden, Elemente (8, 9) zum Zwecke einer Resonatorabstimmung vorgesehen sind.

19. Filter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmelemente je aus einem isolierenden Gewindekern (9) mit kleiner Dielektrizitätskonstante und r.inem kurzen Kern (8) aus einem hochpermittiven Stoff bestehen.

20. Filter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der hochpermittive Kern (8) aus demselben Stoff besteht wie die dielektrischen Resonatorscheiben (1).

21. Filter nach den Ansprüchen 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer erhöhten Beeinflussung der Resonanzfrequenz in den dielektrischen Resonatorscheiben (1) zentrale Löcher (11) angebracht sind. In welche die hochpermittiven Kerne (8) hineingeschoben werden können.

22. Filter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der zentralen Abstimmlöcher (11) etwa der Dicke der dielektrischen Resonatorscheibe (H entspricht.

23. Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der hochpermitUven Kerne (8) etwa der l,5fachen Dicke der dielektrischen Scheibe (1) entspricht.

24. Filter nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Blockierung der Isolierenden Gewipdekeme (9) Metallmuttern (K)) verwendet werden.

25. Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der dielektrischen Resonatoren (1) längs der Filtergehüuse-Achse Im Vergleich zum Durchmesser der Sackbohrungen (3) so gewühlt sind, daß das Filtergehäuse (2) zwischen benachbarten Bohrungen (3) dünne Trennwände (12) aufweist.

26. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (12) von den Stirnselten des Filtergehäuses her gegen die Filtermitte hin mit Löchern (13, 14) abnehmenden Durchmessers dermaßen unterschiedlich durchbohrt sind, daß eine vorgegebene Fllterkurve entsteht.

27. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch eine Induktive Ankopplung des ersten und letzten Resonators (1) an die Filtcrzuleitungen (15).

28. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die als Koppelleitcr (15)

ausgebildeten Filierzuleitungen längs der Achsen verlaufen, die senkrecht zur Längsachse des Filtergehäuses (2) and senkrecht zur Achsrichtung der Resonator-Hohlräume (3) stehen.

29. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleiter der Filterleitungen (15) an ihren Ende mit dem Filtergehäuse (2) galvanisch verbunden sind.

30. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleiter der FiI-terleitungen (15) stückweise parallel zur Peripherie der dielektrischen Resonatorscheiben (1) verlaufen.

31. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleiter der Filterzuleitungen (15) mit dem Filtergehäuse kapazitiv verbunden sind.

32. Filter nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch eine derartige Dimensionierung des kapazitiven Übergangs zum Filtergehäuse (2), daß im Kopplungsbereich mit den Resonatoren (1) zumindest angenähert ein Kurzschluß entsteht.

33. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß in den Filierzuleitungen den Koppelleitern (15) /,74-Transformatoren vorgeschaltet sind.

34. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser und/oder die Dicke der dielektrischen Scheiben (1) des ersten und des letzten Resonators gegenüber den Abmessungen der anderen Resonatoren um soviel größer sind/ist, daß die durch die induktive Ankopplung der Filterzuleitungen (15) bewirkte Resonanzverschiebung nach höheren Frequenzen hin zumindest angenähert aufgehoben wird.

35. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtergehäuse (2) als Vierkantrohr und die mechanischen Elemente (12) als metallische Stempel ausgebildet sind.