DE2653856B1 - Filter fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit mehreren, miteinander gekoppelten Koaxialleitungsresonatoren, 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 mit induktiv wirkenden Koppelöffnungen haben, bei dem als zusätzliche Kopplung ein kapazitiv wirkender Koppelstift in der gemeinsamen Trennwand zwischen dem ersten und letzten Resonator vorgesehen ist und bei dem weiterhin zwischen den Mittelachsen der koaxialen Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse und der Achse des Koppelstiftes jeweils ein rechter Winkel vorgesehen ist.

Filter der Mikrowellentechnik werden bekanntlich aus mehreren, miteinander gekoppelten Mikrowellenresonatoren aufgebaut, deren Kopplung entweder kapazitiv oder induktiv erfolgen kann. 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. Solche Schwierigkeiten treten beispielsweise dann auf, wenn es darauf ankommt, in der Dämpfungscharakteristik des Filters sog. Dämpfungspole, d.h. Unendlichkeitsstellen der Dämpfung zu erzeugen. Eine mögliche Lösung dieser Schwierigkeiten ist beispielsweise durch die US-PS 27 49 523 bekanntgeworden, und besteht

ίο darin, einander in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren zusätzlich miteinander zu verkoppeln. Diese Verkopplung kann über Leitungselemente erfolgen, bei denen jedoch zum einen auf die spezielle Bemessung der Länge geachtet werden muß und bei denen außerdem ein zusätzlicher Raumverbrauch deshalb auftritt, weil diese Leitungen außerhalb der Filterresonatoren angeordnet sind.

Durch die deutschen Offenlegungsschriften 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. Ein solches Filter, bei dem in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren eine gemeinsame Trennwand mit induktiv wirkenden Koppelöffnungen aufweisen und bei dem als zusätzliche Kopplung ein kapazitiv wirkender Koppelstift in der gemeinsamen Trennwand zwischen dem ersten und letzten Resonator vorgesehen ist, ist beispielsweise durch den in »IEEE Transactions on Microwaves Theory and Techniques«, Juni 1966 auf den Seiten 295 bis 296 veröffentlichten Aufsatz »General Four-Resonator Filters at Microwave Frequencies« von R.M.Kurzrok bekanntgeworden.

Die Erzeugung von Dämpfungspolen in der Charakteristik von Mikrowellenfiltern ist insbesondere bei hohen Nahselektionsanforderungen deshalb von Bedeutung, weil dadurch bei gegebener Durchlaßbandbreite der erforderliche Grad des Filters gegenüber dem eines unversteuerten Filters geringer ist.

In vielen Fällen ist auch gefordert, daß die Dämpfungscharakteristik der Filter symmetrisch zur Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches ausgebildet ist. Es ist dann eine Symmetrie der Lage der Dämpfungspole in bezug auf die Durchlaßmitte erforderlich.

Im Falle eines in koaxialer Technik, entsprechend dem von Kurzrok angegebenen Aufbaus eines Bandpasses, wie er dem Prinzip nach in der F i g. 1 dargestellt ist, ergibt eine Messung, daß die Unsymmetrie eines Polpaares um so größer wird, je größer der Polabstand von der Durchlaßmitte ist. Entsprechend dieser Unsymmetrie weisen auch die Dämpfungsminima jenseits der Pole unterschiedliche Dämpfungswerte auf. In der F i g. 1 ist ein aus vier Koaxialleitungsresonatoren 1 bis 4 bestehendes Mikrowellenfilter in zwei Schnittbilddarstellungen dargestellt. Die Innenleiter der Resonatoren 1 bis 4 sind mit den Bezugsziffern 1' bis 4' versehen. Der erste Resonator 1 sowie der letzte Resonator 4 sind mit koaxialen Anschlußleitungen 5 bzw. 6 versehen, wobei die Ein- bzw. Auskopplung beispielsweise als induktive Schleife ausgeführt ist. Die in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgenden Resonatoren sind über die induktiv wirkenden Koppelöffnungen 12,23,24 miteinander verkoppelt. Zur

Erzeugung von Dämpfungspolen in der Übertragungscharakteristik bzw. zur Beeinflussung der Laufzeit sind der erste und der letzte Resonator in bekannter Weise über einen kapazitiv wirkenden Koppelstift 14 miteinander verkoppelt. Dieser Koppelstift 14 sitzt in einer Kunststoff-Halterung 11, welche in einem schmalen Schlitz in der gemeinsamen Trennwand der beiden Kreise geführt ist.

Aus der in der Fig.2 dargestellten Meßkurve der Dämpfungscharakteristik des Filters nach der F i g. 1 ist für eine Durchlaßmittenfrequenz von 4GHz zu entnehmen, daß die Abstände der Dämpfungspole von der Durchlaßmittenfrequenz um einen Betrag von ca. 4,4 MHz voneinander abweichen. Außerdem ergibt sich ein Unterschied der Dämpfungsminima jenseits der zusätzlichen Dämpfungspole von 3,5 dB.

Weitere Messungen zeigen, daß die Unsymmetrie der Pole mit steigendem Polabstand von der Durchlaßmitte immer größer wird. Die F i g. 3 zeigt für eine Länge des Koppelstiftes von 4= 19 mm das charakteristische Verhalten der drei Größen Poldistanz Afoo (ausgezogen in Kurve 1 dargestellt), Pol-Unsymmetrie (gestrichelt in Kurve 2 dargestellt) und Ungleichheit der Dämpfungsminima (strichpunktiert in Kurve 3 dargestellt) in Abhängigkeit von der Höhe t des Überkoppelstiftes 14 über dem Topfboden der Koaxialresonatoren für den Fall der Anordnung nach F i g. 1. Die Kurven dieser drei Größen zeigen deutlich parabelförmigen Verlauf mit jeweils einem Minimum. Es ist demnach durch eine Veränderung der Lage des Überkoppelstiftes für eine Anordnung nach F i g. 1 nicht möglich, insbesondere für größere Polabstände eine ausreichende Symmetrie der Dämpfungspole bzw. eine Beseitigung der Dämpfungsminimaunterschiede zu erreichen. Weitere Messungen zeigen, daß auch eine Veränderung der Länge 4 des Koppelstiftes nicht zu dem gewünschten Ergebnis führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend erwähnten Schwierigkeiten nach Möglichkeit abzuhelfen und für Mikrowellenfilter einen Aufbau anzugeben, bei dem die Polpaare für jede Poldistanz symmetrisch zur Durchlaßmittenfrequenz liegen und außerdem die Dämpfungs-Minima weitgehend gleiche Dämpfungswerte aufweisen.

Ausgehend von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit mehreren, miteinander gekoppelten Koaxialleitungsresonatoren, von de" „-r 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 mit induktiv wirkenden Koppelöffnungen haben, bei dem als zusätzliche Kopplung ein kapazitiv wirkender Koppelstift in der gemeinsamen Trennwand zwischen dem ersten und letzten Resonator vorgesehen ist und bei dem weiterhin zwischen den Mittelachsen der koaxialen Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse und der Achse der Koppelstiftes jeweils ein rechter Winkel vorgesehen ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Innenleiter des ersten und letzten Resonators exzentrisch angeordnet sind, derart, daß ihr gegenseitiger Abstand gegenüber einer zentrischen Anordnung vergrößert ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Anordnung, bei der die beiden Kopplungen räumlich um 90° gegeneinander versetzt sind und zusätzlich die Innenleiter der zu verkoppelnden Kreise exzentrisch sitzen, die Wechselwirkung zwischen der zusätzlichen Überkopplung und den Ein- bzw. Zwischenkopplungen vergrößert und durch entsprechende Wahl der Größe der Exzentrizität der Unsymmetrie der Pole beeinflußt werden kann.

Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung besonders, daß durch den vergrößerten Abstand der Innenleiter des ersten bzw. letzten Resonators die Länge des Koppelstiftes in einem relativ großem

ίο Bereich variiert werden kann.

Vorteilhaft insbesondere zur Realisierung unterschiedlicher Anforderungen an die Filtercharakteristik ist es, wenn die Länge und die Höhe des Koppelstiftes über dem Boden der Koaxialleiterresonatoren veränderbarist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.
Es zeigt in der Zeichnung
F i g. 1 zwei einleitend bereits erläuterte Schnittbilddarstellungen eines bekannten Filters,

F i g. 2 eine zum Filter nach F i g. 1 zugehörige, bereits erläuterte Dämpfungscharakteristik,

Fig.3 bereits erläuterte weitere charakteristische Meßkurven eines Filters nach F i g. 1,

Fig.4 zwei Schnittbilddarstellungen eines Filters gemäß der Erfindung,

Fig.5 eine zum Filter nach Fig.4 zugehörige Meßkurve der Dämpfungscharakteristik,
Fig.6 bis 8 weitere Meßkurven des Filters nach Fig.4.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist ein aus vier Koaxialleitungsresonatoren 1 bis 4 bestehendes Mikrowellenfilter in zwei Schnittbilddarstellungen angegeben. Die Innenleiter der beim Ausführungsbeispiel als koaxiale Topfkreise kreisförmigen Querschnitts aufgebauten, kapazitiv belasteten Resonatoren 1 bis 4 tragen die Bezugsziffern Γ bis 4'. Der erste Resonator 1 sowie der letzte Resonator 4 sind im Ausführungsbeispiel mit koaxialen Anschlußleitungen 5 bzw. 6 versehen und die Ein- bzw. Auskopplung jeweils als induktive Schleifen ausgeführt. Die in ihrer elektrischen Wirkungsweise aufeinanderfolgenden Resonatoren 1 bis 4 sind über induktiv wirkende Koppelöffnungen 12,23,34 miteinander verkoppelt. Zur Erzeugung von Dämpfungspolen in der Übertragungscharakteristik sind der erste und letzte Resonator 1 bzw. 4 über einen in einer Kunststoffhalterung 11 sitzenden kapazitiv wirkenden Koppelstift 14 miteinander verkoppelt. Dabei ist der zwischen den Achsen der koaxialen Eingangs- bzw. Ausgangsan-Schlüsse 5 bzw. 6 und der Achse des Koppelstiftes 14 auftretende Winkel rechtwinkelig gewählt.

Gemäß der Erfindung ist beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 4, bei dem es sich um einen Tschebyscheff-Bandpaß mit ca. 2,5% Reflexionsfaktor und einer Bandbreite von ^4=40ΜΗζ handelt, die Unsymmetrie der Dämpfungspole vermieden und der Unterschied der Werte der Dämpfungsminima weitgehend dadurch ausgeglichen, daß die Innenleiter Γ und 4' des ersten und des letzten Resonators 1 und 4 exzentrisch angeordnet sind, derart, daß ihr gegenseitiger Abstand gegenüber der bekannten zentrischen Anordnung nach F i g. 1 vergrößert ist.

Durch die räumlich um 90° gegeneinander versetzte Anordnung der beiden Kopplungen und durch die

ö5 gleichzeitige exzentrische Lage der Innenleiter der zu koppelnden Kreise wird eine Wechselwirkung zwischen der zusätzlichen Überkopplung und den Ein- bzw. Zwischenkopplungen erreicht, die es durch entspre-

chende Wahl der Größe der Exzentrizität ermöglicht, symmetrisch zur Durchlaßmitte liegende Pole und nahezu gleich große Dämpfungsminima jenseits der Pole zu erzeugen.

Die Kunststoff-Halterung 11 des Koppelstiftes 14 sitzt in einem schmalen Schlitz in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 1 und 4 und kann in der Höhe über dem Topfboden verstellt werden. Das Gehäuse und die kapazitiv wirkenden Abstimmschrauben sind aus Messing und die beim Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgedrehten Innenleiter sind aus Invar gefertigt. Dadurch ist der Bandpaß weitgehend temperatur-kompensiert und weist einen Filter-Temperaturkoeffizienten von maximal 3,2 ■ 10—6/GradCauf.

Aus der in Fig.5 dargestellten Meßkurve der Filtercharakteristik eines erfindungsgemäßen Filters nach Fig.4 ist zu erkennen, daß die für den gewünschten Polabstand von der Durchlaßmitte (/"«.— /& = 70 MHz) zur Symmetrierung der Pollagen erforderliche optimale Exzentrizität schon geringfügig überschritten ist. Dies zeigt sich in dem gegenüber der Meßkurve von Fig.2 veränderten Vorzeichen der Pol-Unsymmetrie sowie in der Umkehr der Dämpfungsminima.

Die Fig.6 bis 8 zeigen das charakteristische Verhalten der drei Größen Poldistanz, Pol-Unsymmetrie und Ungleichheit der Dämpfungsminima in Abhängigkeit von der Höhe des Überkoppelstiftes 14 über dem Topfboden für unterschiedliche Längen k des Überkoppelstiftes. Es ist in diesen Figuren jeweils die Poldistanz Al«, als Kurve 1 ausgezogen dargestellt, die Pol-Unsymmetrie als Kurve 2 gestrichelt dargestellt und die Ungleichheit der Dämpfungsminima als Kurve 3 strichpunktiert dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Höhe f des Überkoppelstiftes 14 über dem Topfboden der Koaxialresonatoren. In der Fig.6 beträgt die Länge des Überkoppelstiftes 26 mm; in Fig.7 beträgt sie 28mm und in Fig.8 beträgt sie 30 mm. Gegenüber dem parabelförmigen Verlauf der entsprechenden Kurven nach Fig.3 hat sich das Verhalten von Pol-Unsymmetrie Kurve 2 und Ungleichheit der Dämpfungsminima Kurve 3 grundlegend geändert: der parabelförmige Verlauf hat umgekehrte Vorzeichen und aus dem Minimum wird ein Maximum.

Um den Nachweis zu erbringen, daß tatsächlich die Wechselwirkung zwischen Einkopplung und Überkopplung die symmetrische Lage der Pole zur Durchlaßmitte bedingt, wurde eine Anordnung untersucht, bei der die Einkopplung und die Überkopplung diametral gegenüberliegen und die Lage der Innenleiter ebenfalls exzentrisch ist. Bei einer weiteren Anordnung wurden zusätzlich noch jeweils an der Stelle Blindschleifen angebracht, wo im Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 die Einkoppelschleife vorgesehen ist. Die Meßergebnisse für beide Anordnungen zeigen wieder eine sehr große Pol-Unsymmetrie und den typischen parabelförmigen Verlauf mit einem Minimum, wie er bei zentrisch angeordneten Innenleitern, beispielsweise nach F i g. 1 und F i g. 3 auftritt

Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 4 läßt sich für den gewünschten Polabstand stets eine optimale Exzentrizität finden, bei der sich durch entsprechende Wahl der Länge des Überkoppelstiftes und seiner Höhe über dem Topfboden die Unsymmetrie vernachlässigbar klein machen läßt und gleichzeitig die Dämpfungs-Minima nahezu gleiche Werte erhalten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit mehreren, miteinander gekoppelten Koaxialleitungsresonatoren, 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 mit induktiv wirkenden Koppelöffnungen haben, bei dem als zusätzliche Kopplung ein kapazitiv wirkender Koppelstift in der gemeinsamen Trennwand zwischen dem ersten und letzten Resonator vorgesehen ist und bei dem weiterhin zwischen den Mittelachsen der koaxialen Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse und der Achse des Koppelstiftes jeweils ein rechter Winkel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (Γ, 4') des ersten und letzten Resonators (1, 4) exzentrisch angeordnet sind, derart, daß ihr gegenseitiger Abstand gegenüber einer zentrischen Anordnung vergrößert ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und die Höhe des Koppelstiftes (14) über dem Boden der Koaxialleitungsresonatoren (1 bis 4) veränderbar sind.

3. Filter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren als einseitig kurzgeschlossene Koaxialleitungsresonatoren ausgeführt sind und daß die Innenleiter auf einer Seite elektrisch leitend mit einer Wand des Filtergehäuses verbunden sind und auf der gegenüberliegenden Wand durch entsprechende Ausbildung des Filtergehäuses als Zylinder-Kondensatoren ausgebildet sind.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren in Form einer Kammleitungsstruktur ausgebildet sind.