DE2627783C3 - Filtersystem zum Abtrennen eines gewünschten Frequenzbandes aus von einem Magnetronoszillator aufgenommenen Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filtersystem zum Abtrennen eines gewünschten Frequenzbandes aus von einem Magnetronoszillator aufgenommenen Signalen.

Magnetronoszillatoren großer Leistung erzeugen ein breites Frequenzspektrum, das sich über den gewünschten, verwendeten Frequenzbereich hinaus erstreckt. Diese unerwünschten Frequenzanteile, die bisher in Widerstandsbelastungen absorbiert wurden, erfuhren eine Reflexion in den Magnetronoszillatorgenerator zurück und hatten hier schädliche Wirkungen, beispielsweise durch Überhitzung der Kathode, oder sie wurden, etwa bei Radargeräten, in die Atmosphäre abgestrahlt und verursachten dort ^tiörunecp hei anderen Hinrichtungen. Bisher nekannte Vorrichtungen zur Absorption der unerwiir'.rritc.-n hrrnnen'anle'ie waren sehr teuer.

wenn es sich um Oszillatoren hoher Leistung handelte, und bereiteten Schwierigkeiten bei der erstmaligen und/oder einer neuerlichen Abstimmung, wenn sich das Frequenzband des Hochfrequenzoszillators leicht verschob, beispielsweise wenn ein durchgebranntes Magnetron in einer vorhandenen Anlage ausgetauscht werden mußte.

Aus der deutschen Auslegeschrift 15 41 906 ist eine Einrichtung zur Aufteilung eines bestimmten Frequenzbandes zu beiden Seiten einer bestimmten Grenzfrequenz bekannt. Diese Einrichtung enthäl·. zwei hintereinandergeschaltete Richtkoppler und in den beiden Verbindungen zwischen den zusammengeschalteten Anschlüssen der Richtkoppler vorgesehene Tiefpaßfilter. Eine der Verbindungen enthält zusätzlich zu dem Tiefpaßfilter einen ^"-Phasenschieber. Diese bekannte Einrichtung ist als Filtersystem zum Abtrennen eines bestimmten, insbesondere schmalen Frequenzbandes nicht geeignet, da die Ausgangsschwingungen des Magnetronoszillators unerwünschte Schwingungsanteile sowohl oberhalb als auch unterhalb des gewünschten Frequenzbandes enthalten, die bekannte Frequenzweiche jedoch nur eine Aufteilung eines Frequenzspektrums vorzunehmen vermag. Auch führen die in den Verbindungen zwischen den Richtkopplern vorgesehenen Tiefpässe zu unerwünschten Reflexionen von Energie in den Magnetronoszillator zurück.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 27 561 sind Koppeinetzwerke bekannt, mittels welchen eine bestimmte, gegebenenfalls frequenzabhängige Energieaufteilung vorgenommen werden kann. Eine Schaltungseinheit dieser Koppeinetzwerke enthält zwei hintereinandcrgeschaltelc Richtungskoppler, wobei im Gegensatz zu der zuvor betrachteten, bekannten Einrichtung die Verbindungen zwischen den Richtungskopplern keine Filter, sondern lediglich einen ^"-Phasenschieber in einer der Verbindungen enthalten. Das bekannte Koppelnet/.wcrk ist nicht zum Ausblenden eines schmalen Frequenzbandes aus einem breiten Spektrum geeignet, da aufgrund der Schaltung der Richtkoppler die Energieaufteilung in demselben Frequenzbereich vorgenommen wird. Schließlich sind aus der Veröffentlichung »Introduction Io Radar Systems« von Merrill I. Skolnik, 1962, Seilen 395 bis 402, Anordnungen mit zwei hintercinandergeschaltcten Richtkopplern bekannt, welche in einem Vcrbindungszweig zwischen den Richtkopplern einen eine Phasenverschiebung entsprechend einer halben Wellenlänge einführenden Phasenschieber enthalten und eine Sende-Empfangsweiche für Radarsysteme bilden. Diese bekannten Sende- und F.mpfangsweichen oder Duplexer sind für den Betrieb in einem bestimmten Frequenzbereich ausgelegt und nicht als Filtermittel zum Ausblenden eines schmalen Frequenzbandes bestimmt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Filtersystem zum Abtrennen des gewünschten Frequenzbandes aus von einem Magnetronoszillator aufgenommenen Signalen so auszubilden, daß unter Vermeidung von Resonanzerscheinungen und Reflexionen der zu filternden Mikrowcllenenergie ein einfacher Aufbau mit geringem Isolationsaufwand erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination der im anliegenden Hauptanspruch aufgeführten Merkmale a bis e gelöst.

Da bei dem hier angerebenen Filtersystem Resonan-/crscheinunecn und Krflexioncn vermieden sind, entstehen in <i?n Verhmoiinssleitiingen keine sichenden Wellen unfl Xnanniitu"-'M;ixima welche eine Isolation

erschweren.

Gegenüber einem Filtern von Oszillatorsignalen niedriger Leistung und einem nachfolgenden Verstärken hat das hier angegebene Filtersystem den Vorteil des einfacheren und billigeren Aufbaus und einer einfachen Abstimmung und Nachstimmung, insbesondere dann, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Phasenschieber abstimmbar ist.

Bei einer praktischen Ausführungsform kann der Phasenschieber darüber hinaus durch Verbindungsleitungen unterschiedlicher wirksamer Länge zwischen den Anschlüssen der Richtkoppler gebildet sein.

Da es bei dem vorliegend angegebenen Filtersystem auf einen Unterschied der wirksamen Leitungslänge der Verbindungen zwischen den Anschlüssen der Richtungskoppler entsprechend einer halben Wellenlänge bzw. einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge bei der Mittenfrequenz des auszublendenden Frequenzbandes ankommt, ist die Fil'erkennlinie des Filiersystems periodisch, so daß· neben dem gewünschten Übertragungsmaximum bei der Mittenfrequenz des auszublendenden Frequenzbandes in regelmäßigen Abständen weitere Übertragungsmaxima existieren. Es wurde jedoch erkannt, daß diese weiteren Übertragungsmaxima die Filierwirkung bei der Verwendung des Filtersystems zum Abtrennen eines gewünschten Frequenzbandes aus dem Spektrum eines Magnetronoszillators nicht stören, da dieses Spektrum von einem verhältnismäßig breiten mittleren Bereich zu höheren bzw. niedrigeren Frequenzen verhältnismäßig rasch abfällt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:

F i g. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Radaranlage mit einem Filtersystem der hier vorgeschlagenen Art,

F i g. 2 ein Diagramm, welches das Frcquenzspekirum eines impulsbetriebenen Magnetrons wiedergibt,

Fig. 3 eine ähnliche Darstellung wie I- i g. 2, in welcher bestimmte Grenzen der Feldstärke eingezeichnet sind und

Fig.4 ein Diagramm eines Frequenzspekirums, welches nach Filterung des Frequenzspektrums gemäß Fig. 2 in einer Radaranlage erhalten wird, so daß das Frequenzspektrum innerhalb der in Fig. 3 eingezeichneten Grenzen liegt.

Fig. 1 zeigt eine Radaranlage, in welcher ein Filiersystem der hier vorgeschlagenen Art zur Anwendung kommt. Der Ausgang einer Signalschwingungsquelle, beispielsweise eines Magnetrons 10, ist über eine Sende-Empfangsweiche 12 und ein Bandpaßfilter 14 an eine Antenne 26 angeschlossen. Das Filter 14 enthält einen ersten, vier Anschlüsse aufweisenden Hybridkoppler 16 an sich bekannter Bauart, welcher die Signalschwingungen des Magnetrons 10 in zwei gleiche Hälften aufspaltet. Eine Hälfte der Leistung gelangt unmittelbar zu dem Kanal 18, während die andere Hälfte der Leistung über einen Abzweig zu einem Kanal 20 gelangt, wobei eine Phasenverschiebung eingeführt wird, so daß die Schwingungen in. Kanal 20 denjenigen im Kanal 18 um nil radiant voreilen. Der vierte Anschluß des Richtungskopplers 16 ist mit der charakteristischen Impedanz Zo in der aus Fig. I ersichtlichen Weise abgeschlossen.

Der Kanal 18 ist mit dem ersten EinganganschluU eines zweiten Hybridkupplers 22 verbunden, wahrend der Kanal 20 Verbindung /u einem /weiten Eingangsschluß des Hybridkopplers 22 über eine Verzögerungseinheit 24 hat, die so ausgewählt ist, daß der Kanal 20, bezogen auf die Mittenfrequenz des Magnetrons 10, um eine ungerade Zahl halber Wellenlängen länger als der Kanal 18 ist. Die Verzögerungseinheit 24 kann eine Schaltung mit punktförmig verteilter Verzögerungskonstante sein oder dadurch verwirklicht werden, daß die physikalische Länge der den Kanal 20 bildenden Übertragungsleitung größer als die physikalische Länge

ίο des Kanals 18 gemacht wird, so daß sich der gewünschte Unterschied von jeweils halben Wellenlängen ergibt. Es ergibt sich somit, daß bei der gewünschten Mittenfrequenz die Leistung der von dem Magnetron 10 erzeugten Schwingungen zu einem der Ausgänge des Hybridkopplers 22 gelangt, und dieser Ausgang ist über an sich bekannte Einrichtungen, welche Drehkupplungen und dergleichen enthalten, mit einer Richtantenne 26 verbunden, während Frequenzanteile in der Ausgangsleistung des Magnetrons 10, für welche der Kanal

ao 20 um eine gerade Zahl halber Wellenlängen länger als der Kanal 18 ist, zu demjenigen Ausgang des Kopplcrs 22 gelangen, welcher, wie aus F i g. 1 ersichtlich, mit dem Widerstand Zoabgeschlossen ist.

Ein die Impulswiederholungsfrequenz vorgebende;· Impulsgenerator 30 an sich bekannter Bauart liefert Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz von beispielsweise 1000 Hz an einen Modulator 32. der die Kathode des Magnetrons 10 mit Hochspannungsinipulsen negativer Polarität und einer Dauer von beispielsweise einer Mikrosekunde beaufschlagt, so daß die Antenne 26 auf einen Richtstrahl Impulse von Mikrowellenenergie abgibt.

Echosignale der abgestrahlten Mikrowellenimpiiise. welche von Zielobjekten, beispielsweise einem Flugzeug 28, reflektiert werden, können von der Antenne 26 aufgenommen werden und werden über die Fillermiitel 14 zu der Sende-Empfangsweiche 12 zurückübertragen, von wo aus sie an einen Empfänger 34 in üblicher Weise weitergegeben werden. Der Ausgang des Empfängers 34 wird in der jeweils gewünschten Weise weiterverarbeitet, etwa durch Darstellung der Signale auf dem Leuchtschirm einer Kathodenstrahlröhre 36. Die Darstellung kann in Gestalt einer Planpositionsanzcige erfolgen, wobei ein Ablenkimpulsgenerator 38 vorgcsehen ist, der von dem zuvor erwähnten, die Impulswiederholungsfrequenz vorgebenden Impulsgenerator 30 gespeist wird und welcher seinerseits eine Ablenkspule 42 speist, welche die Ablenkung des Kathodenstrahl der Kathodenstrahlröhre 36 bewirkt. Die Ablenkspule 42 rotiert synchron mit der Bewegung der Antenne 26, wie in F i g. 1 schematisch angedeutet ist. Eine Rücklaufdunkelsteuerung der Kathodenstrahlröhre 36 wird mittels einer Schallung 40 erreicht, die von dem Impulsgenerator 30 mit Impulsen versorgt wird.

Die Größe des von der Verzögerungseinheit 24 der Filtermittel 14 eingeführten Verzögerungswcries hängt von der Seitenbandfrequenz des Magnetrons 10 ab, bei welcher eine maximale Unterdrückung der von der Antenne 26 abgestrahlten elektromagnetischen Energie gewünscht wird. Soll beispielsweise die Antenne 26 einen Impuls von einer Mikrosekunde Dauer bei einer Mittenfrequenz von 3000 MHz aussenden, wobei eine maximale Unterdrückung derjenigen Frequenzen erfolgen soii, welche von der Mittenfrequenz einen Abstund von 10 MHz im Frequenzband besitzen, so wird zunächst das Magnetron 10 durch den Modulator 32 impulsweise so gesteuert, daß Mikrowellenimpulse von etwa einer Mikrosekunde Dauer abgegeben werden.

Ein derartiger, von einem Magnetron herkömmlicher Bauart erzeugter Impuls besitzt Seitenbänder, die sich über eine Bandbreite von 20MHz hinaus erstrecken oder von der Mittenfrequenz einen größeren Frequenzabstand als ±10 MHz haben, wobei Amplituden auftreten, die größer als die zulässigen Amplitudenwerte der Strahlung sind. Um diese Seitenbänder abzudämpfen, wird die Verzögerungseinheit 24 in dem Kanal 20 so eingestellt, daß der Kanal 20 bei einer Freauenz von 3000 MHz eine wirksame elektrische Länge besitzt, welche um einen ungeradzahligen Betrag halber Wellenlängen langer als die elektrische Länge des Kanals 18 ist. Bei einer Frequenz von 3010 MHz besitzt der Kanal 20 eine elektrische Länge, welche um einen geradzahligen Betrag halber Wellenlängen größer als die elektrische Länge des Kanals 18 ist, so daß sämtliche Energie, welche mit einer Frequenz von 3010 MHz oder 2990MHz auftritt, über den Hybridkoppler 22 an die Widerstandsbelastung Zo ausgekoppelt wird. Zwar würde Energie mit einer Frequenz, welche einen Unterschied von 20MHz von der Mittenfrequenz aufweist, wieder vollständig zu dem Kanal 18 und damit zu der Antenne 26 ausgekoppelt, doch sind diese Seitenbänder bei Magnetronoszillatoren für mittlere Leistungen handelsüblicher Radaranlagen in ihren Amplituden so niedrig, daß keine unzulässigen Störungen anderer Einrichtungen auftreten.

Um eine Verschiebung von .τ/2 in der Verzögerungseinheit 24 bei einer Frequenzänderung von 3000MHz auf 3019 MHz oder ein Teil in 300 zu erhalten, soll die Verzögerungsstrecke eine Länge von 150,5 A bei einer Frequenz von 3000 MHz aufweisen.

F i g. 2 läßt ein typisches Frequenzspektrum 106 eines Magnetron-Schwingungsimpulses erkennen, welcher eine Mittenfrequenz von 2,7GHz aufweist, während Fig.3 zusätzlich die Grenzlinien 108 der zulässigen Grenzen für die Leistung bei bestimmten Frequenzen eines Radarsystems enthält, wobei zu erkennen ist. daß das Frequenzspektruni 106 des Magneironimpulses teilweise über diese zulässigen Grenzen hinausgeht. Fig.4 zeigt das Spektrum der Ausgangssignale einer Magnetronsender- und Empfängereinheil nach Durchgang der Signale durch die Filtermittel. Das Frequenzspektrum ist durch die Kurve 110 verdeutlicht, welche

ao innerhalb der Grenzlinien 108 gelegen ist und auch unter den zusätzlichen Grenzen 112 bleibt, welche zweckmäßig einzuhalten sind, um eine störende gegenseitige Beeinflussung mehrerer Radarsysteme oder Nachrichtenverbindungskanäle zu vermeiden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   I. Filiersystem zum Abtrennen eines gewünschten Frequenzbandes aus von einem Magnetronoszillator aufgenommenen Signalen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) zwischen dem Ausgang des Magnetronoszillators und dem Ausgang des Filtersystems liegen ein erster (16) und ein zweiter damit verbündener Richtkoppler(22);

   b) ein erster Anschluß des ersten Rirhtkopplers (16) ist derart mit dem Magnetronoszillator (10) verbunden, daß eine Hälfte der Leistung unmittelbar zu einem zweiten Anschluß dieses R/chikopplers (16) gelangt, während die andere Hälfte der Leistung mit einer 90"-Phasenverschiefaung zu einem dritten Anschluß des Richtkopplers (16) übertragen wird und der vierte Anschluß mit einem Widerstand (Zo) abgeschlossen ist;

   c) von den unmittelbaren Verbindungen zwischen dem zweiten oder dritten Anschluß des ersten Richtkopplers und dem ersten oder dritten Anschluß des zweiten Richtkopplers enthält as eine einen Phasenschieber (24);

   d) der Phasenschieber besitzt bei der Mittenfrequenz des abzutrennenden gewünschten Frequenzbandes eine Phasenverschiebung von 180°;

   e) der zweite Anschluß des zweiten Richtkopplers bildet den Ausgang des Filtersystems, und der vierte Anschluß des zweiten Richikopplers ist mit einem Widerstand (Zo) abgeschlossen.
2. 2. Filtersystem nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber abstimmbar ist (70, 72,74:80,82,86).
3. 3. Filtersystem nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber durch Vcrbindungsleilungen unterschiedlicher Länge zwisehen den Anschlüssen der Richtkopplcr gebildet ist.
4. 4. Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den Anschlüssen der Richtkoppler (16, 20) bezogen auf die Mittenfrequenz des Magnetronos-/illators (10) um eine ungerade Zahl halber Wellenlängen unterschiedliche wirksame Länge besitzen, derart, daß die Filterkennlinie über das Spektrum hin einen periodischen Verlauf besitzt.

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