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Filterabzweigschaltung Die Erfindung befaßt sich mit einer Filterabzweigschaltung,
in der alle Spulen durch kapazitiv abgeschlossene Gyratoren ersetzt sind.
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Bei Filterschaltungen mit Gyratoren ergeben sich im Vergleich zu passiven
L-C-Filtern normalerweise zusätzliche Probleme aus der Eigenrauschleistung.
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Um diesem Problem zu begegnen, bietet sich als Möglichkeit die Erhöhung
der Aussteuerungsgrenze der einzelnen Gyratoren an.
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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.
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Weiter wird in der Veröffentlichung von J.O. Voorman und D. Blom:
Noise in Gyrator-Capacitor-Filters" in Philips Research Rept. 26, April 1971, 5.
i14 - 133, eine Möglichkeit beschrieben, die Gyrationskonstanten so zu wählen, daß
das Eigenrauschen der Gesamt schaltung ein Minimum wird und auf diese Weise das
Signal-Rauschverhältnis einer Gyrator-C-Abzweigschaltung mit ungeerdeten Gyratoren
zu verbessern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Filter der eingangs
genannten Art das Signal-Rauschverhältnis oder anders gesagt, den Rauschabstand
bei fest vorgegebener Aussteuerung wesentlich zu verbessern.
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Eine erste erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet
durch die Anwendung einer oder beider der folgenden Maßnahmen: daß die Gyrationskonstanten
so bestimmt sind, daß an jedem Gyrator die abhängigen Spannungsüberhöhungen gleich
oder kleiner sind als die zugehörigen unabhängigen Spannungsüberhöhungen, daß die
Zahl der beim Entwurf des Filters entstandenen L-C-Serienkreise mit Hilfe von Äquivalenzbeziehungen
so klein wie möglich gemacht ist.
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Eine weitere Lösung-der Aufgabe nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zur Realisierung eines Hochpasses die Elemente, die jeweils einen Dämpfungspol
realisieren, so in Kette geschaltet sind, daß die Frequenzen der zugehörigen Pole
vom Eingang des Filters streng monoton abnehmen oder daß zur Realisierung eines
Tiefpasses die Elemente, die jeweils einen Dämpfungspol realisieren, so in Kette
geschaltet sind, daß die Frequenzen der zugehörigen Pole vom Eingang zum Ausgang
des Filters streng monoton zunehmen oder daß zur Realisierung eines Bandpasses die
Elemente, die jeweils ein Dämpfungspolpaar oder einen Dämpfungspol realisieren,
so in Kette geschaltet sind, daß der Abstand zwischen den Polfrequenzen und der
Mittenfrequenz des Bandpasses vom Eingang zum Ausgang des Filters streng monoton
zunimmt oder daß zur Realisierung einer Bandsperre die Elemente, die jeweils ein
Dämpfungspolpaar oder einen Dämpfungspol realisieren, so in Kette geschaltet sind,
daß der Abstand zwischen den Polfrequenzen und der Mittenfrequenz der Bandsperre
vom Eingang zum Ausgang des Filters streng monoton abnimmt.
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Das Wesen der Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden.
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Die Fig. 1 bis 5 schildern den Entwurf eines Bandpasses vom Grad 12,
entwickelt aus einer spulenarmen sogenannten
Zick-Zack-Schaltung
unter Anwendung der in den Patentansprüchen dargestellten Maßnahmen.
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Fig. ia zeigt einen Bandpaß vom Grad 12, 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 bis 327 dargestellt.
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Dieser Bandpaß hat nach Fig. lb seine drei Dämpfungspolpaare bei Qa
und Qb bzw. bei Qc und Qd bzw. bei Q = 0 und Q 2 O'. Das erste, der Mittenfrequenz
QO benachbarte Polpaar ist verwirklicht durch den Teilvierpol TVPI, das in der Frequenzlage
nach oben und unten folgende Polpaar durch den Teilvierpol TVP2 und das dritte obengenannte
Polpaar durch den Teilvierpol TVP3.
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Der Abstand der Frequenzen der zugehörigen Polpaare von der Mittenfrequenz
des Bandpasses nimmt also vom Eingang zum Ausgang des Filters monoton zu. Bei dieser
Schaltung verursacht der erste Vierpol TVPI am Eingang bei den Frequenzen, die größer
bzw. kleiner sind als die Durchlaßgrenzfrequenzen, verglichen mit allen anderen
Vierpolen den größten Dämpfungsbeitrag, weshalb die an den nachfolgenden Vierpolen
TVPt und TVP2 verbleibende Spannungsüberhöhung minimal wird. Dasselbe gilt für den
folgenden Vierpol TVP2, so daß die auftretenden Spannungsüberhöhungen zum Ausgang
des Filters hin abnehmen.
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In der Schaltung nach Fig 1a sind Serienkreise enthalten, nämlich
L2, C4, L4, C8 und L6 , C10. Um die Spannungsüberhöhungen, die an den hierfür erforderlichen
Gyratoren auftreten, abbauen zu können, sollen die genannten Serienkreise eliminiert
werden. Einen Weg dorthin bietet zum- Beispiel die sogenannte Norton-Transformation,
die beschrieben wird in Gleißner: "Zum Entwurf von Hochfrequenz-Bandpaßfiltern mit
konzentrierten Elementen." Dissertation Technische Universität München 1971.
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In Fig. 2a ist der Ausgang der Schaltung nach Fig. la nochmals dargestellt.
Die Bezeichnungen der Bauelemente sind die entsprechenden.
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Zunächst wird die Kapazität C9 in zwei Teilkapazitäten CI-und C" aufgespalten,
von denen die Kapazität -C' wie auch die Bauelemente C8, L4 und L5 und L6 bei der
Norton-Transformation, die durch den Schritt von Fig. 2a zu Fig. 2b vollzogen wird,
außer Betracht bleiben.
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Die Schaltung aus den Bauelementen C8, L4 (Serienschwingkreis) und
C' ist in Fig. 3a noch einmal dargestellt. Der hier enthaltene Serienkreis wird
eliminiert mit Hilfe der folgenden Beziehungen, woraus sich dann die Schaltung nach
Fig. 3b ergibt. Die genannten Beziehungen sind:
C' a = 1 + C8 C13
= a C8 C14 = a Ct L8 Li 2 a Diese Beziehungen lassen sich entsprechend auch anwenden
auf den Schaltungsteil, der in Fig. ia die Elemente L2, C4 und C5 enthält, wobei
sich die Elemente L9, C15 und C16 ergeben.
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Aus Vorstehendem ergibt sich eine Schaltungsanordnung nach Fig. 4,
die den umgewandelten Bandpaß vom Grad 12 zeigt, in dem die Elemente, die jeweils
ein Dämpfungspolpaar realisieren, so in Kette geschaltet sind, daß der Abstand zwischen
den Polfrequenzen und der Mittenfrequenz des Bandpasses vom Eingang zum Ausgang
des Filters streng monoton zunimmt. Weiter sind alle Serienkreise eliminiert. Die
Bezeichnungen der Bauelemente sind aus den vorhergehenden Figuren übernommen.
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Ersetzt man alle Spulen der Schaltung nach Fig. 4 durch Gyratoren,
wie in Göckler: Über Realisierungsmöglichkeiten beim Entwurf von Gyrator-C-Filtern,
AEÜ, 28 (1974), 1, S. 15 - 24 beschrieben, so ergibt sich die Schaltung nach Fig.
5.
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Mit Hilfe der Fig. 6a und 6b soll zunächst erläutert werden, was in
der vorliegenden Beschreibung und den Patentansprüchen unter abhängigen und unabhängigen
Spannungsüberhöhungen verstanden wird.
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In Fig. 6a 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.
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In Fig. 6b ist die äquivalente Schaltung gezeigt, in der die Induktivität
durch einen Gyrator G ersetzt ist. Die Spannungen UE, UA und WL sind die gleichen
wie in Fig. 6a.
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Die Spannung UL ist also von dem Aufbau des Gyrators unabhängig und
deshalb wird hier die 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.
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Diese Kettenschaltung aus Teilvierpolen, die aus Längs- und Querkapazitäten
und Gyrator-C-Schaltungen bestehen, enthält sechs Schaltungsteile, deren Gyratinnskonstanten
unabhängig voneinander wählbar sind. Diese Gyrationskonstanten sind rl, r2, r3,
r4, r5 und r6. Die an dem Gyrator mit der Gyrationskonstanten r1 anliegende unabhängige
Spannung ist Ui, wie in
Fig. 5 gezeigt. Der zur Bestimmung der Gyrationskonstanten
erforderliche Strom I1 = -I2 wird der äquivalenten L-C-Schaltung nach Fig. 4 entnommen.
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Um zum Beispiel die Gyrationskonstante rl so festzulegen, daß an den
betreffenden Gyratoren die abhängigen Spannungsüberhöhungen gleich oder kleiner
sind als die zugehörigen unabhängigen Spannungsüberhöhungen, wird aus der anliegenden
Spannung Ul und dem Strom I1 der dem Betrag nach jeweils größte Wert bestimmt: lUl
= max flUlil III = max II1II Daraus errechnet sich dann die Gyrationskonstante zu:
In der Schaltung nach Fig. 5 ergibt sich ein Ausgangswiderstand RA, der im allgemeinen
vom Eingangswiderstand RE verschieden ist.
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Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Auslegung der Schaltung
führen jede für sich angewendet zu einer Verbesserung des Signal-Rauschabstandes
der genannten Filter. Die gleichzeitige Anwendung mehrerer der Maßnahmen ergibt
ein Optimum.
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Diese Maßnahmen können natürlich auch auf Teile der in den
Ansprüchen
genannten Filter beschränkt sein Bisher wurde der Abbau von Spannungsüberhöhungen~behandelt.
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Die in den Patentansprüchen beschriebenen Maßnahmen können natürlich
auf duale Weise bei dualen Schaltungen zum Abbau von Stromüberhöhungen angewendet
werden.