DE2431278A1 - Verzweigungsfilter - Google Patents

Description

Verzweigungsfilxer

Die Erfindung betrifft Verzweigungsfilter, die insbesondere zur Ausrüstung von Meterwellen- und Dezimeterwellen-Multiplexieranordnungen bestimmt sind.

Verzweigungsfilter dieser Art weisen die Eigenschaft auf, daß sie die ihnen zugeführten Signale je nach deren Frequenz entweder übertragen oder reflektieren. Unabhängig davon, ob sie als Koaxialleitungs-Bauelemente oder als Hohlleiter-Bauelemente ausgeführt sind, sind sie im allgemeinen durch mehrere Resonatoren mit großem Gütefaktor gebildet, die entlang dem gleichen Übertragungsweg im Abstand d/4 in Kaskade angeordnet sind (wobei d eine Wellenlänge ist, die im Innern des durch das Filter zu übertragenden Frequenzbandes liegt).

Die Realisierung von Resonatoren mit großem Gütefaktor erfordert die Anwendung von komplizierten technologischen Lösungen, die hinsichtlich der Wahl der Materialien, der

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Bearbeitungen und der Oberflächenbehandlungen sowie hinsichtlich der Ausführungsform der beweglichen Abstimmglieder sehr aufwendig sind.

Andrerseits ist bei Anlagen großer Leistung die von den Verlusten in den Resonatoren hervorgerufene Erwärmung die Ursache von mechanischen Deformationen, die Frequenzabweichungen zur Folge haben; dies erfordert die Verwendung von Hilfseinrichtungen zur Erzielung der Stabilität der Abstimmung der Resonatoren.

Mit der Erfindung werden die zuvor erwähnten Nachteile dadurch beseitigt, daß eine neuartige Kopplungsweise der Resonatoren angewendet wird, welche die Verwendung von Resonatoren mit geringerem Gütefaktor bei einem niedrigeren Leistungspegel ermöglicht.

Nach der Erfindung ist ein Verzweigungsfilter mit zwei Resonatoren, die auf die gleiche Frequenz F abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hybridschaltung vorgesehen ist, daß zwei Leitungselemente mit jeweils einem von zwei zueinander konjugierten Anschlüssen der Hybridschaltung verbunden sind, daß die der Hybridschaltung entgegengesetzten Enden der beiden Leitungselemente, bei dem einen Leitungselement offen und bei dem anderen Leitungselement kurzgeschlossen sind, und daß die Resonatoren parallel an die beiden Leitungselemente an Punkten angekoppelt sind, die in gleichen Abständen von dem offenen bzw. dem kurzgeschlossenen Ende liegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung,des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 ein symbolisches Schema zur Erläuterung des Prinzips eines Verzweigungsfilters nach der Erfindung und

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Fig.2 eine räumliche Darstellung eines Verzweigungsfilters nach der Erfindung.

Fig.1 zeigt ein Verzweigungsfilter und eine an dieses Filter angeschlossene Lastimpedanz Z_Q. Das Verzweigungsfilter enthält:

- eine Hybridschaltung 5 mit einem Paar zueinander konjugierter Anschlüsse 1,2 und einem weiteren Paar zueinander konjugierter Anschlüsse 3, 4, die einen Wellenwiderstand Z_ aufweist;

- ein 'Leitungselement 8, von dem ein Ende an den Anschluß angeschlossen ist, während das andere Ende kurzgeschlossen ist, wobei ein auf eine Frequenz F abgestimmter Resonator parallel zu dem Leitungselemont 8 an einem Punkt A angekoppelt ist (die Frequenz F ist im Innern des von dem Filter zu übertragenden Frequenzbandes gewählt; sie kann beispielsweise gleich dem geometrischen Mittel der äußersten Frequenzen dieses Frequenzbandes gewählt werden);

- ein Leitungselement 9 von gleicher Länge wie das Leitungselement 8, von dem das eine Ende an den Anschluß 2 angeschlos-. sen ist, während das andere Ende offen ist, wobei ein auf die Frequenz F abgestimmter Resonator 7 an einem Punkt B parallel an das Leitungselement 9 angekoppelt ist.

Die Lastimpedanz Z ist an den Anschluß 4 angeschlossen.

Die Leitungselemente 8 und 9 hanen den Wellenwiderstand Z_ und die Länge d/8 zwischen ihrem Verbindungspunkt mit den? Resonator und dem der Hybridschaltung 5 abgewandten Ende (wobei d die der Frequenz F_Q entsprechende Wellenlänge ist).

Wenn die Resonatoren die Lastimpedanz Z , die Abstimmfrequenz F

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und den Gütefaktor Q haben (unter Berücksichtigung von Z_Q und der Kopplung mit dem Leitungselement) hat jeder Resonator für eine Frequenz f den folgenden Scheinleitwert

y ⁼
mit

ir

Die von der Parallelschaltung aus dem Resonator 6 und dem Leitungselement 8 am Anschluß 1 verursachte Impedanz beträgt:

7 - λ 7 ^{X Q}

^Jo 1+ a χ Q cotg θ

mit

a = =-°- _unci θ =
ο

Die von der Parallelschaltung aus dein Resonator 7 und dem Leitungselement 9 am Anschluß 2 verursachte Impedanz beträgt: ■

7 Λ 7 .

^Λ2 ~ ^α ^¹O 1 - a χ Q tg θ

Unter diesen Bedingungen und für a = 1 läßt sich zeigen, daß dann, wenn F in der Nähe der Abstimmfrequenz F liegt oder gleich dieser Frequenz ist, das Verhältnis P-z/Pa zwischen der dem Anschluß 3 zugeführten Leistung P-, und der effektiv zum Anschluß 4 übertragenen Leistung P. (also das Verhältnis, das die Einfügungsdämpfung des Filters definiert) die folgende Form annimmt:

p = 1 + 4 (x Q)⁴

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Die Einfügungsverluste eines Filters klassischer Art, das durch zwei in gleichen Übertragungsweg in Kaskade angeschlossene Resonatoren gebildet ist, hat die Form

worin Q¹ der den Resonatoren gemeinsame Gütefaktor ist. Es ist daher festzustellen, daß zur Erzielung der gleichen Filterkurve, d.h. der gleichen Eiriführungsverluste als Funktion der Frequenz in dem Filter von Fig.1 Resonatoren verwendet werden können, deren Gütefaktor Q gleich der Hälfte des Gütefaktors Q' der Resonatoren des entsprechenden Filters klassischer Art ist.

Es ist auch zu bemerken, daß gegenüber einem Filter klassischer Art jeder der Resonatoren nur die Hälfte der zu übertragenden Leistung empfängt.

Schließlich ergibt sich durch das Vorhandensein der Leitungselemente ein zusätzlicher Einstellparameter, der durch die Länge dieser Leitungselemente gebildet ist; es ist dadurch möglich, die F,ilterkurve ohne Veränderung der Einstellung der Resonatoren einzustellen, indem man d einen Wert gibt, der von dem Wert der der Frequenz F_Q entsprechenden Wellenlänge verschieden ist.

Fig.2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Verzweigungsfilters , das dem Prinzip von Fig.1 entspricht. Bei dieser Ausführungsfortn sind die LeitungsabschnitiB vom Koaxialleitungstyp, und der Koppler ist vom Flachleitungstyp.

Die ( den Anschlüssen 1 und 2 von Fig.1 entsprechenden) Anschlüsse 1 und 2 eines 3 dB-Richtkopplers 50 sind jeweils über einen Koaxialleitungsa'oschnitt 81 bzw. 91 mit einem Resonator 60 bzw, 70 gekoppelt. Diese Resonatoren sind wiederum mit einem Koaxialleitungsabschnitt 80 bzw. 90

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gekoppelt.Der Leitungsabschnitt 80 ist an den dem Resonator 60 abgewandten Ende durch eine Metallplatte 82 verschlossen, die einen Kurzschluß zwischen seinem Außenleiter und seinem Innenleiter bildet. Der Koaxialleitungsabschnitt 90 ist an dem dem Resonator 70 abgewandten Ende durch einen Metallzylinder 92 von gleichem Durchmesser wie sein Außenleiter verlängert; dieser Metallzylinder 92 hat .den Zweck jede vom Leitungsabschnitt 90 verursachte Störstrahlung zu verhindern..

Damit der Aufbau der Resonatoren und ihre Verbindung mit den Leitungsabschnitten deutlich erkennbar ist, sind der eine Resonator 60 sowie die entsprechenden Koaxialleitungsabschnitte 80 und 81 so dargestellt, als ob sie durchsichtig wären; da vorausgesetzt wird, daß die beiden Resonatoren gleich sind, gilt die Beschreibung des Resonators 60 auch für den Resonator 70.

Der Resonator 60 besteht aus einem hohlen Metallzylinder 61, dessen Bqdon durch eine Metallplatte 62 verschlossen ist. Im Innern dieses Metallzylinders befinden sich ein Abstimmkolben 21 und eine Kopplungsvorrichtung 25, 26 zur Kopplung des Resonators 60 mit den Leitungsäbschnitten 80 und 81.

Diese Leitungsabschnitte sind bei dem beschriebenen Beispiel Abschnitte einer Koaxialleitung mit 50 0hm Wellenwiderstandr Die Kopplungsvorrichtung 25, 26 ist so ausgeführt, daß sie diesen Wellenwiderstand von 50 0hm für den Teil des Leitungselements aufrecht erhält, der im Innern des Resonators liegt. Die Kopplungsvorrichtung enthält eine Metallplatte 25, die von zwei Isolierstützen getragen wird, die am Metallboden des Zylinders 60 befestigt sind. Die Metallplatte ist kreisrund, ihre Ebene steht senkrecht zur Achse des Zylinders 60 ir. ihrem Mittelpunkt und ihr Durchmesser ist kleiner als

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der Innendurchmesser des Zylinders. Die Innenleiter der Leitungsabschnitte 80, 81 liegen in Verlängerung voneinander? sie sind berührungsfrei durch den Zylinder 61 hindurchgeführt und an zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten an der Metallplatte 25 befestigt. Die Außenleiter der Leitungsabschnitte sind mit den Rändern der Löcher verbunden > die die Durchführung der entsprechenden Innenleiter durch den Zylinder 61 ermöglichen.

Die Länge des Leitungselements von Fig.1, die d/8 betragen soll, entspricht bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.2 annähernd der Strecke zwischen dem Mittelpunkt der Platte und dem kurzgeschlossenen Ende des Leitungsabschnitts 80.

Die Kopplungsvorrichtung enthält außerdem unter der Platte eine Metallscheibe 26, die mittels einer Metallstütze am Boden 62 des Zylinders 60 befestigt ist. Diese Metallscheibe hat den Zweck, die Kapazitive Kopplung zwischen der Platte und der Innenfläche des Gehäuses des Resonators 60 zu erhöhen.

Der Kolben 21 hat eine Scheibe 22, in deren Mitte ein Loch angebracht ist, und die mit ihrem Umfang an der Innenwand des Zylinders 61 anliegt. Der Kolben 21 hat außerdem ein Teleskopglied, das durch zwei Hohlzylinder gebildet ist, deren Achsen mit der Achse des Zylinders 61 zusammenfallen. Der eine Zylinder 23 ist durch das Mittelloch der Scheibe hindurchgeführt und fest mit dieser Scheibe verbunden; der andere Zylinder 24 ist so angeordnet, daß er im Innern des Zylinders 23 gleitbar" ist, und sein zur Platte 25 hin gewandtes Ende ist durch eine Kalbkugelförmige Metallkuppel verschlossen, deren konkave Seite zum Innern des Zylinders gerichtet ist. Durch mehr oder weniger tiefes Eindringen der Scheibe 22 in den Zylinder 61 wird die Abstimmfrequenz des

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Resonators 60 eingestellt, und durGh mehr oder weniger tiefes Eindringen des Zylinders 24 in den Zylinder 23 wird die Kopplung zwischen dem Resonator 60 und dem von den Leitungsabschnitten 80, 81 und der Verbindung zwischen diesen Leitungsabschnitten gebildeten Leitungselement eingestellt. Natürlich wirken sich diese beiden Einstellungen aufeinander aus, und sie müssen deshalb gemeinsam vorgenommen werden.

Die mechanische Vorrichtung für die Einstellung der erwähnten Eindringtiefen enthält drei Gewindestangen 31, 32, 33, deren Eindringtiefe imZylinder> 61 durch Einschrauben in eine Platte 34 erhalten wird, die senkrecht zur Achse des Zylinders 61 steht und fest mit diesem Zylinder verbunden ist. Die Scheibe 22 hängt derart an den Enden der Gewindestangen 31, 32, daß diese Gewindestangen in der Platte 34 frei verschraubt werden können; die Kuppel des Zylinders 24 hängt in gleicher Weise an einem Ende der Gewindestange 33. Um ein Verstimmen des Resonators infolge der Ausdehnungen der Gewindestangen 31, 32, 33 unter der Wirkung der Erwärmung im Betrieb zu verhindern, bestehen diese Gewindestangen aus einer Stahl-Nickel-Legierung mit sehr geringem Wärmeausdehnungskoeffizient.

Mit Filtern der zuvor beschriebenen Art war es beispielsweise möglich, Multiples;ieranordnungen zu realisieren, die eine Leistung von 10 kW pro Kanal zuließen und in einem Frequenzband arbeiteten, das die Frequenz 100 MHz enthielt, wobei df>r Frequenzabstand zwischen zwei Kanälen auf 1,6 MHz verringert werden konnte und die durch die Einfügung der Filter verursachten Verluste 0,3 dB betrugen. Die bei Multiplexieranordnungen verwendeten Filter haben etwa eine Höhe von 1 m und einen Durchmesser von 20 cm.

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Als Leitungselemente können bei dem beschriebenen Filter natürlich auch Hohlleiter oder Flachleiter verwendet werden; ebenso können die Resonatoren von jeder an sich bekannten Art sein.

Andrerseits können die strecken zwischen den Punkten A bzw. B und den der Hybridschaltung 5(Fig.1) abgewandten Enden der Leitungselemente 8 bzw. 9, die gleich d/8 gewählt wurden, auch von der Form (2k + 1) d/8 gewählt werden, wobei k eine positive ganze Zahl ist.

Die Hybridschaltung 5 kann durch jede Hybridschaltung von an sich bekannter Art gebildet sein. Zur Berücksichtigung der Änderungen in den Längen der vier Wege (zwischen den Anschlüssen im Innern dieser Schaltungen) gegenüber den Längen der vier Wege eines 3 dB-Richtkopplers müssen die Figuren 1 und 2 dann dahingehend geändert werden, daß eine Differenz zwischen den Längen der Leitungsölemente eingeführt wird,die zwischen der Hybridschaltung und den Resonatoren liegen; bei der Mehrzahl dieser Hybridschaltungen muß diese Differenz den Wert d/4 haben.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Jverzweigungsfilter mit zwei Resonatoren, die auf die

gleiche Frequenz F_Q abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hybridschaltung vorgesehen ist, daß zwei Leitungselemente mit Jeweils einem von zwei zueinander konjugierten Anschlüssen der Hybridschaltung verbunden sind, daß die der Hybridschaltung entgegengesetzten Enden der beiden Leitungselemente bei dem einen Leitungselement offen und bei dem anderen Leitungselement kurzgeschlossen sind, und daß die Resonatoren parallel an die beiden Leitungselemente an Punkten angekoppelt sind, die in gleichen Abständen von dem offenen bzw. dem kurzgeschlossenen Ende liegen.

2. Verzweigungsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Ankopplungspunkt jedes Resonators und dem Ende des zugehörigen Leitungsabschnitts im wesentlichen gleich (2k+1) d/8 ist, wobei k eine positive ganze Zahl oder Null ist, während d die der Frequenz F entsprechende Wellenlänge ist.

3. Verzweigungsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybridschaltung ein 3 dB-Koppler ist, und daß die beiden Leitungselemente die gleiche Länge haben.

4. Verzweigungsfilter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß jedes Leitungselement zwei Koaxialleitungsabschnitte aufweist, die miteinander durch eine Vorrichtung verbunden sind, die für das betreffende Leitungselement die Aufrechterhaltung des Wellenwiderstandes der Koaxialleitung bei der Durchführung durch den Resonator gewährleistet.

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