DE2500512C2 - Filterschaltung mit Kapazitäten und beidseitig geerdeten Gyratoren - Google Patents

Description

mit ihren nicht geerdeten Ein- und Ausgangsanschlüssen entweder direkt oder über eine zusätzliche Kapazität derart mit den Grundkettengyratoren verbunden sind, daß der erste Oberbrückungsgyrator die mittleren drei Gyratoren der Grundkette überbrückt und die weiteren Oberbrückungsgyratoren jeweils die nächsthöhere ungerade Anzahl von Grundketteugyratoren überbrücken, gekennzeichnet durch die Anwendung einer oder mehrerer der folgenden Maßnahmen: jene Teilvierpole der Filterschaltung, deren Spannungsüberhöhungen an ihren Eingangs- bzw. Aus- gangsklemmen größer sind als die Spannungsüberhöhungen an den Eingangs- bzn'. Ausgangsklemmen anderer Teilvierpole, sind zwischen ein Paar von idealen Übertragern mit zueinander reziprokem Obersetzungsverhältnis «bzw. 1/tf gelegt, wobei der Wert des Obersetzungsverhältnisses ü derart gewählt ist, daß He Spannungsüberhöhungen an dem vom Obertragerpaar eingeschlossenen Teilvierpol kleiner sind als sie ohne dieses Obertragerpaar wären, mit Hilfe von Zweipol- und Vierpoläqjivalenzbeziehungen sind alle eliminierbaren Schaltungskonfigurationen des zur Filterschaltung mit Gyratoren äquivalenten LC-Prototypfilters, an dessen Elementen Spannungsüberhöhungen auftreten, die die entsprechenden Filtereingangswerte übersteigen, in dazu äquivalente LC-Schaltungskonfigurationen mit geringeren Spannungsüberhöhungen an den transformierten Elementen überführt, die Gyrationskonstanten sind so bestimmt, daß alle in der Gyrator-Filterschaltung zusätzlich zu den im äquivalenten LC-Prototypfilter auftretenden Spannungsmaxima nicht größer sind als die maximale Spannungsüberhöhung des äquivalenten LC-Prototypfilters.

2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertrager mit den Gyratoren benachbarter Teilvierpole zusammengefaßt sind.

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Die Erfindung betrifft eine Filterschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Filterschaltungen mit Gyratoren ergeben sich im Vergleich zu passiven LC-Filtern normalerweise zusätzliche Probleme aus der Eigenrauschleistung.

Um diesem Problem zu begegnen, bietet sich als Möglichkeit die Erhöhung der Aussteuerungsgrenze der einzelnen Gyratoren an.

Einer Erhöhung der Aussteuerungsgrenze sind aber naturgemäß relativ enge Grenzen gesetzt, die bedingt sind durch die Begrenzung der Versorgungsspannung, der Verlustleistung und damit zusammenhängend der Baugröße.

Weiter wird in der Veröffentlichung von J. O. Voorman und D. Blom: »Noise in Gyrator-Capacitor-Filters« in Philips Research RepL 26, April 1971, S. 114—133, eine Möglichkeit beschrieben, die Gyrationskonstanten so zu wählen, daß das Eigenrauschen der Gesamtschaltung ein Minimum wird und ruf diese Weise das Signal-Rauschverhältnis einer Gyrator-C-Abzweigschaltung mit ungeerdeten Gyratoren zu verbessern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Filter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 das Signal-Rauschverhältnis oder anders gesagt, den kauschabstand bei fest vorgegebener Aussteuerung wesentlich zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben.

Der Anspruch 2 gibt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung an.

Das Wesen der Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden.

Anhand der Fig. la und Ib soll zunächst die Maßnahme beschrieben werden, die Teilvierpole mit den größten Spannungsüberhöhungen zwischen je zwei Übertrager zu legen, die dann weiter mit Gyratoren der benachbarten Teilviproole zusammengefaßt sind.

Zunächst wird ein Übertragerpaar Tr \ und Tr 2 mit den Übersetzungsverhältnissen ü: I bzw. 1 : ü an den Eingang der Teilschaltung gelegt, wobei ü > 1 ist, wie in Fig. la gezeigt Dabei sei UE2 die in Betracht kommende größte Spannungsüberhöhung. Eine solche kann selbstverständlich auch innerhalb des Teilvierpols VP1 auftreten. Danach wird der Übertrager TR 2 über den Teilvierpol VPl hinweggeführt (Fig. Ib). Dabei ist natürlich der Obersetzungsverhältnis des Übertragers zu beachten, so daß aus dem Teilvierpol VP1 der neue Teil vierpol VP17"wird, der die gleichen Frequenzeigenschaften hat. In diesem neuen Teilvierpol VP1 Twerden alle Knotenspannungen und damit auch alle Spannungsdifferenzen um den Faktor 0 vermindert, wie in F i g. Ib gezeigt.

Bei der hier geschilderten Einführung von Übertragern in Schaltungen ist selbstverständlich darauf zu achten, daß die transformierten Elementewerte der neuen Teilvierpole technisch realisierbar sind und daß die transformierten Gyratorklemmenströme unter dem durch den Gyrator bestimmten Grenzwert bleiben.

Die Zusammenfassung von Übertragern mit Gyratoren ist bekannt. Sie wird z. B. beschrieben in Göckler: »Über Realisierungsmöglichkeiten beim Entwurf von Gyrotar-C-Filtern« AEÜ 28 (1974), 1, S. 16, Tabelle 1.4.

L»ie F i g. 2 bis 8 schildern den Entwurf eines Bandpasses vom Grad 10 unter Anwendung der weiteren im Patentanspruch dargestellten Maßnahmen.

F i g. 2 zeigt einen Tiefpaß vom Grad 5, der in bekannter Weise entworfen wurde, wie in R. Saal, E. Ulbrich: »On the design of filters by synthesis«, IRE CT-5,1958, S. 284—327, in Zusammenhang mit Göckler: »Über Realisierungsmöglichkeiten beim Entwurf von Gyrator-C-Filtern«, AEÜ 28 (1974), 1, S. 15-24, dargestellt.

An C2 tritt die Spannungsüberhöhung i/2 auf. Wenn χ größer als 1 ist, ist es vorteilhaft, den Übertrager Tr 1 nach links in Richtung des Eingangs zu verschieben. Dadurch wird dann die an C2 auftretende Spannungsüberhöhung U2' = i/2/*, das heißt kleinen

Ist aber χ gleich oder kleiner als 1, wird, wie in den

F i g. 3a bis 3c gezeigt, ein Obertragerpaar eingeführt Diese Figuren stellen nur die für diesen Fall zu beachtenden Einzelheiten dar. Die Bezeichnungen der in F i g. 2 vorkommenden Bauelemente sind dabei die gleichen.

Vor die in Fig.3a gezeigte Teilschaltung wird ein Obertragerpaar (Tra, Trb) ü: 1 bzw. 1 : ü gelegt, wobei ü größer a' 1 gewählt ist An CI liegt die Spannung-Überhöhung i/2. Ober F i g. 3b gelangt man zu F i g. 3c, wenn der Übertrager Trb an das Ende der Teilschaltung gebracht wird. Dadurch werden dann entsprechend dem Übersetzungsverhältnis L2 zu L 2' ist gleich i/2/üund, da ü größer als 1 ist, kleiner als t/2.

Nach Anwendung der Tiefpaß-Bandpaß-Transformation entsteht aus der Tiefpaßschaltung nach F i g. 2 die Bandpaßschaltung nach F i g. 4.

In der Schaltung nach Fig.4 sind zwei Serienkreis.e enthalten, nämlich La, Ca und Lb, Cb. Es ist im allgemeinen unmöglich, die Spannungsüberhöhungen, die an den hierfür erforderlichen Gyratoren auftreten, mit der bisher beschriebenen Maßnahme abzubauen. Deshsdb sollen die genannten Sercenkreise eliminiert werden. Einen Weg dorthin bietet z. B. die sogenannte Norton-Transformation, die beschrieben wird in Gleißner: »Zum Entwurf von Hochfrequenz-Bantipaßfiltern mit konzentrierten Elementen«, Dissertation Technische Universität München 1971.

Diese Norton-Transformation, angewendet auf das hier gewählte Beispiel eines Bandpasses, wie in F i g. 4 dargestellt ergibt eine Schaltung, wie sie die Fig.7 zeigt Die Transformation wird durchgeführt wie in den F i g. 5a und 5b angedeutet Dort wird der Serienkreis La, Ca aus Fig.4 transformiert und dadurch die Spannungsüberhöhung U entsprechend dem sich ergebenden Übersetzungsverhältnis ö:l, wobei ü > 1 j5 zu wird, herabgesetzt.

Mit Hilfe der F i g. 6a und 6b soll zunächst erläutert r3 =

werden, was in der vorliegenden Beschreibung und dem Patentanspruch unter abhängigen und unabhängigen Spannungsüberhöhungen verstanden wird.

In F i g. f ι ist eine L-C-Abzweigschaltung aufgezeichnet, wobei der Einfachheit halber nur die anliegenden Spannungen (Eingangsspannung UE, Ausgangsspannung UA und Spannung an der Induktivität L UL) und der Strom durch die Induktivität IL eingezeichnet sind.

In F i g. 6b ist die äquivalente Schaltung gezeigt, in der die Induktivität L durch einen Gyrator G ersetzt ist. Die Spannungen UE, UA und UL sind die gleichen wie in F i g. 6a. Die Spannung UL ist also von dem Aufbau des Gyrators unabhängig und deshalb wird hier die ~x> entsprechende Spannungsüberhöhung als »unabhängig« bezeichnet Dagegen hängt die Spannung UG am Ausgang des Gyrators G von der Gyrationskonstanten rg ab und die entsprechende Spannungsüberhöhung wird daher »abhängig« genannt

Aus der Schaltung nach Fig.7 wird die Schaltung nach Fig.8, wenn für die Spulen Gyratoren und Kondensatoren eingesetzt werden, wie es in Göckler: »Ober Realisierungsmöglichkeiten von Gyrator-C-Filtern«, AEÜ, Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik, 28 (1974), l.S. 15—24,beschrieben wird.

Diese Filterschaltung mit Kapazitäten und beidseitig geerdeten Gyratoren enthält drei Schaltungsteile, deren Gyrationskonstanten unabhängig voneinander wählbar sind. Diese Gyrationskonstanten sind r 1, r 2 und r3. Die an den Gyratoren mit der Gyrationskonstanten r3 anliegenden unabhängigen Spannungen sind Ui, i/3, US und i/6, wie in Fig.7 und 8 gezeigt Die zur Bestimmung der Gyrationskonstanten erforderlichen Ströme Ii, 13, 15, /6 werden der äquivalenten L-C-Schiltung nach F i g. 7 entnommen.

Um z. B. die Gyrationskonstan^ r3 so festzulegen, daß an den betreffenden Gyratoren die abhängigen Spannungsüberhöhungen gleich oder kleiner sind als die zugehörigen unabhängigen Spannungsüberhöhungen, wird aus den anliegenden Spannungen U1, i/3, i/5 und US ur.d den Strömen /1, /3, /5 und /6 der dem Betrag nach jeweils größte Wert bestimmt:

11/| = max {| t/l I, I i/3 U i/5 U t/61}
1/1 = max {1/11,1/31,1/51,1/61}
Daraus errechnet sich dann die Gyrationskonstante

Die vorstehend beschriebenen Mabnahiiien zur Auslegung der Schaltung führen jede für sich angewendet zu einer Verbesserung des Signal-Rauschabstandes der genannten Filterart Die gleichzeitige Anwendung mehrerer oder aller der Maßnahmen ergibt ein Optimum.

Bisher wurde der Abbau von Spannungsüberhöhungen behandelt Die in dem Patentanspruch beschriebenen Maßnahmen können natürlich auf duale Weise bei dualen Schaltungen zum Abbau von Stromüberhöhungen angewendet werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Filterschaltung mit Kapazitäten und beidseitig geerdeten Gyratoren, bei der die Schaltung eine Grundkette enthält, bestehend aus der Reihenschaltung von π Gyratoren mit daran angeschlossenen Quer- und/oder Längskapazitäten und bei der weitere, für geradzahlige Werte von π maximal "T^--I und für ungeradzahlige Werte von π maximal -^-!-Überbrückungsgyratoren vorgesehen sind, die