DE2640210B2 - Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit mehreren, miteinander gekoppelten Resonatoren, von denen wenigstens der erste und letzte Resonator mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen ist, bei dem die einzelnen Resonatoren derart angeordnet sind, daß in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren eine gemeinsame Trennwand haben und bei dem weiterhin eine zusätzliche Kopplung in der gemeinsamen Trennwand zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Resonatoren vorgesehen ist.

Filter der Mikrowellentechnik werden bekanntlich aus mehreren, miteinander gekoppelten Mikrowellenresonatoren aufgebaut, deren Kopplung entweder kapazitiv oder induktiv erfolgen kann. Die Resonatoren selbst können dabei beispielsweise als sogenannte Koaxialleitungsresonatoren oder aus Hohlleiterresonatoren bestehen. Entgegen den mit konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern läßt sich aufgrund der geometrisch fest vorgegebenen Konfiguration der Resonatoren nicht jede in konzentrierter Technik realisierbare Schaltung ohne weiteres auf das Frequenzgebiet der Mikrowellen übertragen. Diese Schwierigkeit wird insbesondere dann als störend empfunden, wenn es darauf ankommt, in der Dämpfungscharakteristik des Filters sogenannte Dämpfungspole, d. h. also Unendlichkeitsstellen der Dämpfung, zu erzeugen. Um diese Schwierigkeit wenigstens teilweise zu beheben, ist es durch die USA-Patentschrift 27 49 523 bereits bekanntgeworden, bei einem Mikrowellenfilter einander in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren zusätzlich miteinander zu verkoppeln. Abgesehen davon, daß nach dieser bekannten Anordnung nur Resonatoren bestimmter unterschiedlicher Gruppen miteinander gekoppelt werden können, tritt dort noch die Schwierigkeit auf, daß die zusätzliche Kopplung von nicht miteinander benachbarten Resonatoren über Leitungselemente erfolgt, bei denen zum einen auf die spezielle Bemessung der Länge geachtet werden muß und bei denen zum anderen ein zusätzlicher Raumverbrauch deshalb auftritt, weil diese Leitungen außerhalb der Filterresonatoren angeordnet sind.

Durch die deutschen Offenlegungschriften 19 42 867 und 19 42 909 ist es in diesem Zusammenhang weiterhin bereits bekanntgeworden, die Resonatoren eines mehrkreisigen Mikrowellenfilters in übereinanderliegenden Zeilen konstruktiv derart anzuordnen, daß zur Einführung der der Polerzeugung dienenden zusätzlichen Kopplungen auf die Verwendung von außerhalb des Filters geführten Leitungsabschnitten verzichtet werden kann. Dabei werden die einzelnen Resonatoren so angeordnet, daß die elektromagnetische Energie über die die Filterbandbreite bestimmenden Kopplungen entweder die in den Zeilen angeordneten Resonatoren nacheinander oder in unterschiedlichen Zeilen liegenden Resonatoren mäanderförmig durchläuft. Wie sich dabei zeigt, wären die Anforderungen für

2-⁵ die Steilheit der Dämpfungsflanken in bezug auf die vorgegebene Bandbreite mitunter bereits mit einer geringeren Anzahl von Resonatoren zu erfüllen; jedoch würde das bloße Weglassen eines oder mehrerer Resonatoren gleichzeitig den Verzicht auf wenigstens eine Polstelle im Dämpfungsverhalten oder den Verzicht auf ein Polquadrupel bei komplexen Frequenzen, d. h. also den Verzicht auf die Laufzeitbeeinflussung im Durchlaßbereich des Filters bedeuten.
Aus dem in »IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Vol. MTT-17, No. 4 (1969) auf den Seiten 189 bis 204 veröffentlichten Aufsatz »The Design and Synthesis of a Class of Microwave Bandpass Linear Phase Filters« von John David R h ο d e s ist ein aus mehreren Resonatoren bestehendes Interdigitalfilter bekannt, bei dem speziell bei hohen Anforderungen an die Schmalbandigkeit zur Vermeidung von unerwünschten diagonalen Überkopplungen und zur besseren Entkopplung von Eingang und Ausgang zwischen die einzelnen Resonatoren mit Lochblenden versehene

^4ί Zwischenwandungen angebracht sind. Wegen der Ausbildung als Interdigitalfilter liegen jedoch zwingend alle Resonatoren in der gleichen Ebene, so daß sich insbesondere bei einer größeren Anzahl von Resonatoren eine unerwünschte flächige Ausdehnung ergibt.

Durch die Literaturstelle »IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Juni 1966, Seiten 295 bis 296 (R. M. Kurzrok) ist ferner eine Anordnung mit vier im TEM-Mode betriebenen λ/4-Koaxialleitungsresonatoren bekannt, deren Abstimmung über einen beweglichen Innenleiterabschnitt erfolgt, wodurch sich jedoch ein verhältnismäßig raumverbrauchender Aufbau für die Resonatoren ergibt. Hinweise auf eine mögliche Erweiterungsfähigkeit lassen sich dieser Literaturstelle nicht entnehmen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 2161 792 ist weiterhin ein Mikrowellenfilter bekannt, bei dem durch zusätzliche Überkopplungen Polstellen in der Übertragungscharakteristik realisiert sind und die Resonatoren innerhalb einer mehrzelligen Struktur in Form von

^b) Viererblöcken angeordnet sind. Es ergibt sich bei dieser Anordnung jedoch hinsichtlich der zusätzlichen Überkopplungen nur die Möglichkeit der Überbrückung von jeweils wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungs-

weise aufeinanderfolgenden Kreisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrowellenfilter mit Dämpfungspolen, insbesondere unterhalb oder oberhalb des Durchlaßbereiches anzugeben, bei dem auch bei hohen Anforderungen hinsichtlich der zu erzielenden Filtercharakterktik und bei einer größeren Anzahl von Resonatoren eine kompakte Bauweise sowie eine möglichst einheitliche konstruktive Ausgestaltung bei einem insgesamt geringen Raumverbrauch gewährleistet ist.

Ausgehend von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit mehreren, miteinander gekoppelten Resonatoren, von denen wenigstens der erste und letzte Resonator mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen ist, bei dem die einzelnen Resonatoren derart angeordnet sind, daß in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren eine gemeinsame Trennwand haben und bei dem weiterhin eine zusätzliche Kopplung in der gemeinsamen Trennwand zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Resonatoren vorgesehen ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens ein Teil der Resonatoren in dreieckförmigen Dreierblöcken derart angeordnet ist, daß der in der elektrischen Wirkungsweise letzte Resonator eines Dreierblocks identisch ist mit dem ersten Resonator des darauffolgenden Dreierblocks.

Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung besonders, daß die durch eine zusätzliche Kopplung überbrückten Kreise geometrisch nicht unmittelbar nebeneinander, sondern immer voneinander entfernt gegenüberliegend angeordnet sind, so daß unerwünschte Kopplungen zwischen diesen übergekoppelten Resonatoren weitgehend vermieden sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die nicht unmittelbar benachbarte Anordnung der Eingangs- und Ausgangsresonatoren, durch die besonders innerhalb des Filters zwischen Eingang und Ausgang auftretende parasitäre Überkopplungen und dadurch verursachte Dämpfungseinbrüche im Sperrbereich verhindert werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 ein Schnittbild eines Filters nach der Erfindung;

Fig.2 einen Schnitt längs der Schnittlinie A-A' von Fig.l;

Fig.3 das elektrische Ersatzschaltbild des Filters gemäß den F i g. 1 und 2;

Fig.4 schematisch die Zusammenfassung und konstruktive Anordnung der einzelnen Resonatoren;

F i g. 5 bis 8 Schnittbilder von weiteren Ausführungsbeispielen mit den zugehörigen elektrischen Ersatzschaltbildern.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 ist ein aus sieben Koaxialleitungsresonatoren 1 bis 7 bestehendes Filter dargestellt, deren Innenleiter mit den Bezugsziffern 1' bis T versehen sind. Der erste Resonator 1 sowie der letzte Resonator 7 sind im Ausführungsbeispiel mit koaxialen Anschlußleitungen 80 bzw. 80' versehen, deren Innenleiter unmittelbar weitergeführt und mit den Innenleitern Γ bzw. T der Resonatoren 1 bzw. 7 galvanisch verbunden sind. Anstelle dieser Ankopplung an den jeweils ersten bzw. letzten Resonator sind auch andere bekannte Kopplungsarten möglich. Wie aus der F i g. 2 zu ersehen, sind zur Abstimmung auf eine

geeignete Resonanzfrequenz den Innenleitern der einzelnen Resonatoren kapazitiv wirkende Abstimmschrauben 18 zugeordnet Zur Erzeugung von Dämpfungspolen in der Übertragungscharakteristik des Filters bzw. zur Beeinflussung der Laufzeit werden zusätzliche Kopplungen eingeführt, die einander in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren miteinander verkoppeln. Zur Erzeugung von einseitigen Dämpfungspolen ist es bekannt, die zusätzlichen Überkopplungen zwischen den Resonatoren 1 und 3, 3 und 5, 5 und 7 usw. vorzusehen, wenn die einzelnen Resonatoren in der Reihenfolge ihrer elektrischen Wirkungsweise, d. h. des elektrischen Energieweges, aufsteigende Bezugsziffern tragen. Zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Lehre ist der Aufbau des Filters nach den F i g. 1 und 2 so gewählt, daß alle zu koppelnden Resonatoren eine gemeinsame Trennwand haben. Dabei sind die Resonatoren so in dreiecksförmigen Dreierblöcken zusammengefaßt, daß der in der elektrischen Wirkungsweise letzte Resonator eines Dreierblocks identisch ist mit dem ersten Resonator des darauffolgenden Dreierblocks. Somit enthält der erste Dreierblock die Resonatoren 1 und 3, der zweite Dreierblock die Resonatoren 3 bis 5 und der dritte Dreierblock die Resonatoren 5 bis 7. Dabei liegen die Mitten der Resonatoren 4,8, und denkt man sich das Filter in gleicher Weise fortgesetzt, 12,16 usw. auf einer Verbindungsgeraden, ebenfalls der Resonatoren 1, 5, 9 usw., der Resonatoren 3, 7, 11, 15 usw. sowie der Resonatoren 2, 6, 10, 14 usw., wobei alle vier Verbindungsgeraden zueinander parallel liegen. Durch diese Resonatoranordnung wird erreicht, daß neben der Kopplung von unmittelbar in der elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgenden Resonatoren auch die Resonatoren r und r + 2 (für r = 1, 3, 5 ...) eine gemeinsame Trennwand haben und dadurch zusätzlich gekoppelt werden können. Weiterhin wird erreicht, daß die Kreise 2, 4, 6... nicht unmittelbar nebeneinander, sondern immer einander gegenüberliegen.

Die zusätzlichen Überkopplungen sind im Ausführungsbeispiel als kapazitiv wirkende Stiftkopplungen Ci.3, Cj.5 bzw. C5.7 zwischen den Resonatoren 1 und 3, 3 und 5 bzw. 5 und 7 ausgebildet. Bei dieser kapazitiven Kopplung wird dabei in an sich bekannter Weise jeweils ein beidseitig mit Tellern versehener Kopplungsstift 13, 35 bzw. 57 in die den zusätzlich zu den koppelnden Resonatoren gemeinsame Trennwand über eine isolierende Stütze 17 befestigt, wobei die Größe der Kapazität im wesentlichen abhängt vom Abstand zwischen Teller und Innenleiter. Die zusätzlichen Überkopplungen können jedoch auch als induktiv wirkende Loch- bzw. Schlitzkopplungen ausgebildet sein, bei denen die Induktivität im wesemlichen von der Größe der Koppelöffnung abhängt.

In der Schnittzeichnung nach Fig.2 sind noch die Innenleiter 2', 3', 6' und T der Resonatoren 2,3,6 und 7 zu erkennen sowie auch die als Abstimmelemente wirkenden Schrauben 18, die den Innenleitern an deren Stirnseite gegenüberliegend angeordnet sind und durch deren Eintauchtiefe die Endkapazität der Resonatoren noch verändert und damit die Resonanzfrequenz der einzelnen Kreise eingestellt werden kann. Die gemeinsame Kurzschlußebene der einseitig kurzgeschlossenen Koaxialresonatoren ist in der F i g. 2 mit dem Bezugszeichen 19 versehen.

In der F i g. 3 ist das elektrische Ersatzschaltbild des in den F i g. 1 und 2 dargestellten Filters gezeigt. Es sind dort die in Form von konzentrierten Schaltelementen

dargestellten Resonatoren 1 bis 7 zu erkennen. Da die Kopplung von in der elektrischen Wirkungsweise benachbarten Resonatoren beim Ausführungsbeispiel jeweils über eine induktiv wirkende Loch- bzw. Schlitzkopplung erfolgt, äußert sich dies im Ersatzschaltbild als zwischen den Kreisen im Längszweig liegende Koppelinduktivität. Die zusätzlichen Kopplungen zwischen den Resonatoren 1 und 3, 3 und 5 bzw. 5 und 7 stellen sich wegen der Verwendung kapazitiver Slifte als Koppelkondensatoren ei.3, C3,5 bzw. c$.7 dar.

Der grundsätzliche konstruktive Aufbau läßt sich der F i g. 4 entnehmen. Es sind nämlich die einzelnen Resonatoren jeweils zu Dreierblöcken 1, II und IH zusammengefaßt. Der letzte Resonator eines Dieierblocks bildet dabei gleichzeitig den ersten Resonator des darauffolgenden Dreierblocks, so daß also der Resonator 3 den letzten Resonator des ausgezogen gezeichneten Dreierblocks I und gleichzeitig den ersten Resonator des strichpunktiert gezeichneten Dreierbiocks II bildet. Entsprechendes gilt für den Resonator 5 hinsichtlich des Dreierblocks II und des wieder ausgezogen gezeichneten Dreierblocks III. In der F i g. 4 sind die zusätzlichen Überkopplungen jeweils durch ein Kreuz kenntlich gemacht, und es kann das dort dargestellte Anordnungsprinzip selbstverständlich auf eine an sich beliebige Anzahl von Filterresonatoren erweitert werden.

Fig. 5 läßt eine weitere Möglichkeit zum Aufbau eines Filters erkennen. Es sind dabei lediglich die drei Resonatoren 1 bis 3 in der bereits geschilderten Weise angeordnet. Es handelt sich hierbei im einzelnen um einen dreikreisigen Bandpaß der Mittenfrequenz /0 = 1651 MHz mit einem Dämpfungspol unterhalb des Durchlaßbereiches. Die Resonatoren bestehen aus kreisrunden Kammern mit dem Innendurchmesser Ji D = 40 mm und der Höhe h = 30 mm. Der Innenleiterdurchmesser d = 11 mm ist so gewählt, daß sich ein für eine optimale Güte erforderlicher Wellenwiderstand des kurzgeschlossenen Topfkreises von ungefähr 77 Q errechnet. Mit den den dreien Enden der Innenleitei gegenüberliegenden kapazitiven Abstimmschrauber kann die Resonanzfrequenz der Kreise eingestelll werden. Die Kopplung zwischen den Kreisen 1 und 2 sowie 2 und 3 ist induktiv und wird durch Schlitze in der gemeinsamen Trennwänden realisiert. Der Dämpfungspol unterhalb des Durchlaßbereiches ergibt sich durch eine zusätzliche kapazitive Kopplung 13 der Kreise 1 und 3.

F i g. 6 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des in der F i g. 5 dargestellten Filters, in dem die zusätzliche Kopplung 13 als Koppelkondensator cj. 3 dargestellt ist.

Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die F i g. 7 einen dreikreisigen Bandpaß bei der Mittenfrequenz /ö = 1551 MHz, der einen Dämpfungspol oberhalb des Durchlaßbereiches aufweist. Die Abmessungen der Resonatoren entsprechen den des Ausführungsbeispiels nach F i g. 5. Die Kopplungen zwischen den in ihrei elektrischen Wirkungsweise unmittelbar aufeinanderfolgenden Resonatoren 1 und 2 sowie 2 und 3 sine induktiv und durch Schlitze in den gemeinsamer Trennwänden realisiert. Der Dämpfungspol oberhalb des Durchlaßbereiches ergibt sich ebenfalls durch eine induktive Kopplung, die als Schlitz in der gemeinsamer Trennwand zwischen Resonator 1 und 3 verwirklicht ist.

F i g. 8 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild dei Anordnung nach Fig. 7. Die als induktiv wirkende Schlitzkopplung ausgeführte zusätzliche Kopplung zwischen den Resonatoren 1 und 3 ist hier ah Koppclspule/1,3 dargestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit mehreren, miteinander gekoppelten Resonatoren, von denen wenigstens der erste und letzte Resonator mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen ist, bei dem die einzelnen Resonatoren derart angeordnet sind, daß in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren eine gemeinsame Trennwand haben und bei dem weiterhin eine zusätzliche Kopplung in der gemeinsamen Trennwand zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Resonatoren vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Resonatoren (1 bis 7) in dreiecksförmigen Dreisrblöcken (I bis III) derart angeordnet ist, daß der in der elektrischen Wirkungsweise letzte Resonator (3; 5) eines Dreierblocks (I; III) identisch ist mit dem ersten Resonator (3; 5) des darauffolgenden Dreierblocks (I I; III).

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (1 bis 7) als einseitig kurzgeschlossene, mittels Schrauben (18) kapazitiv abstimmbare Koaxialleitungsresonatoren ausgebildet und mit einer gemeinsamen Kurzschlußebene (19) versehen sind.