DE2654283A1

DE2654283A1 - Filter fuer sehr kurze elektromagnetische wellen

Info

Publication number: DE2654283A1
Application number: DE19762654283
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Pfitzenmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1976-11-30
Publication date: 1978-06-01
Also published as: IE45925L; US4180787A; NL171398C; BE861353A; FR2372521B1; DE2654283C2; FR2372521A1; NL7713259A; GB1590077A; NL171398B; SE7713510L; LU78593A1; IE45925B1; IT1089107B; DK526977A; SE423765B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT ~ Unser Zeichen

Berlin und München <* VPA 76 P 6796 3RD

Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der der übertragenen Energie jeweils erste und letzte Resonatoren mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen sind und bei dem zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Filterkreisen eine zusätzliche Kopplung vorgesehen ist und die einzelnen Resonatoren zellenförmig nebeneinander angeordnet sind.

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 aus sogenannten Koaxialleitungsresonatoren oder aus Hohlleiterresonatoren bestehen.

Im Gegensatz zu 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 tritt insbesondere dann

809822/0463
Bfk 16 Obh / 26.11.1976 - 2 -

auf, wenn es erforderlich ist, in der Dämpfungscharakteristik des Filters Dämpfungspole und/oder im Durchlaßbereich des Filters eine Laufzeitebnung durch zusätzliche Kopplungen von Filterkreisen zu erzeugen und wird behoben durch die in der deutschen Offenlegungsschrift 1 942 867 angegebene Anordnung der Resonatoren in benachbarten Zeilen mit zusätzlichen Überkopplungen in der gemeinsamen Trennwand von je zwei, in unterschiedlichen Zeilen angeordneten Resonatoren.

Bekannt ist auch die Möglichkeit des Aufbaus von Mikrowellenfiltern mit Hohlraumresonatoren, die gleichzeitig in mehr als einem Modus betrieben werden. ("Microwave Filters Employing a Single Cavity Bcited in More than One Mode", "Journal of Applied Physics", Vol. 22, No. 8, August 1951, von Wei-Guan Lin; "A Four Cavity Elliptic Waveguide Filter", "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Vol.-MTT. 18, No. 12, December 1970 von Williams, A.E.). Vorzugsweise werden hierbei zwei gleiche, jedoch orthogonale Moden in H^₀₁- oder H^₁₁- Resonatoren verwendet und durch eine unter je 45° zur Richtung der Ε-Vektoren angebrachte Koppelschraube miteinander verkoppelt (Dual-Mode). Damit können zwei elektrische Schwingkreise eines Filters in einem einzigen Hohlraumresonator technisch sinnvoll realisiert werden. Wegen der bei Dual-Mode-Betrieb erzielbaren Einsparung an Gewicht und Volumen von bis zu 50% ergibt sich hierfür ein wichtiges Anwendungsgebiet, insbesondere in der Satellitentechnik, zumal an die dort verwendeten Filter hohe elektrische Anforderungen gestellt werden, was sich in einer verhältnismäßig großen Zahl elektrischer Schwingkreise äußert.

Da auch bei diesen Filtern Dämpfungspole und/oder eine Ebnung der Laufzeit im Durchlaßbereich erforderlich sind, liegt der Wunsch nahe, hierfür geeignete Filterschaltungen in Dual-Mode-Technik zu finden. In diesem Zusammenhang ist bereits ein Realisierungsvorschlag ("Nonminimum-Phase Optimum-Amplitude Bandpass Waveguide Filters", "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Vol. MTT-22, No. 4, April 1974 von Atia, A.E. und Williams, A.E.) bekannt, der jedoch beschränkt ist auf FiIterschaltungen, die sowohl nach Struktur als auch nach Elementewerten symmetrisch sind,

809822/0463 ₃

die außerdem vielfach übergreifende, nach Anzahl und geometrischer Lage innerhalb der Filteranordnung nicht vorwählbare zusätzliche Kopplungen aufweisen und deren Anzahl von elektrischen Schwingkreisen ein Vielfaches von 4 betragen muß, wodurch dieser häufig nicht in die Praxis umzusetzen ist.

Eine Möglichkeit, die Realisierbarkeit von insbesondere nach Elementewerten unsymmetrischen, im Dual-Mode betreibbaren Filterschaltungen zu verbessern ist durch die DT-OS 2 511 800 bekannt geworden und besteht darin, die Resonatoren in benachbarten Zeilen anzuordnen und in den Zeilen eine unterschiedliche Resonatoranzahl vorzusehen.

Die Kopplung von Filterkreisen in räumlich verschiedenen Resonatoren setzt voraus, daß die betreffenden beiden Filterkreise in gleicher Weise räumlich orientiert sind, so daß z.B. deren E-Vektoren parallel zueinander verlaufen. Da diese Bedingung die Anzahl theoretisch denkbarer Verkopplungen und damit das Spektrum möglicher Realisierungen einengt, bzw. Realisierungen nur unter Verzicht auf an sich wünschenswerte Zusatzkopplungen oder nur mit fertigungstechnischen Nachteilen erlaubt, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen Schwierigkeiten in einfacher Weise abzuhelfen und insbesondere realisierbare Filterschaltungen mit im Dual-Mode betriebenen Resonatoren und zusätzlichen Kopplungen anzugeben, die mit den bisher bekannten, obengenannten Anordnungen nicht oder nur mit erheblichen technischen Nachteilen möglich sind.

Ausgehend von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der übertragenen Energie jeweils erste und letzte Resonatoren mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen sind und bei dem zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Filterkreisen eine zusätzliche Kopplung vorgesehen ist und die einzelnen Resonatoren zellenförmig nebeneinander angeordnet sind, wird diese Auf-

809822/0463 " ^k ~

gäbe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch wenigstens einen Resonator zwei in der Zählweise nicht benachbarte und über eine zusätzliche Kopplung verkoppelte Filterkreise realisiert sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei den bisher bekannten Anordnungen die Ursache für die schaltungstechnischen Einschränkungen darin zu suchen ist, daß stets jeweils zwei in der Zählweise aufeinanderfolgende Filterkreise demselben Dual-Mode-Resonator zugeordnet sind.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die beim bekannten Stand der Technik gegebenen Einschränkungen bezüglich der Schaltungsstruktur vermieden sind, so daß sich dadurch die Anzahl der im Dual-Mode realisierbaren Filterschaltungen wesentlich vergrößert.

Ein fertigungstechnischer Vorteil gegenüber bekannten Filtern ist dadurch gegeben, daß Filterstrukturen, für deren Realisierung gemäß dem Stand der Technik zwei oder mehrere benachbarte Resonatorzeilen erforderlich sind_;nach der Erfindung in einer Zeile realisiert und die einzelnen Resonatoren somit in einfacher Weise mittels Flanschverbindungen zusammengefügt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Es zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 eine sechskreisige Filterschaltung mit zwei zusätzlichen Überkopplungen;

Fig. 2 eine Filteranordnung gemäß der Erfindung zur Realisierung der Schaltung nach Fig. 1;

809822/0463

— 5 —

Fig. 3 eine weitere sechskreisige Filterschaltung mit zwei zusätzlichen Überkopplungen;

Fig. 4 eine weitere Filteranordnung gemäß der Erfindung zur Realisierung der Schaltung nach Fig. 3;

Fig. 5 eine Meßkurve des Betriebsdämpfungsverlaufes einer gemäß der Erfindung aufgebauten Filteranordnung;

Fig. 6 zwei äquivalente Schaltungen einer achtkreisigen Filterschaltung mit drei zusätzlichen Überkopplungen;

Fig. 7 eine weitere Filteranordnung gemäß der Erfindung zur Realisierung der Schaltungen nach Fig. 6;

Fig. 8 eine vierzehnkreisige Filterschaltung mit vier zusätzlichen Überkopplungen;.

Fig. 9 eine erfindungsgemäße Filteranordnung zur Realisierung der Schaltung gemäß Fig. 8.

In Fig. 1 ist eine Ersatzschaltung eines sechskreisigen Cauer-Bandpasses mit konzentrierten Schaltelementen angegeben. Es handelt sich um eine Vierpolschaltung in deren Querzweigen die Parallelschwingkreise S1 bis S6 liegen und deren Kopplungen über die in den Längszweigen liegenden Koppelinduktivitäten 1/2, 2/3, 3A, 4/5 und 5/6 erfolgt. Als zusätzliche Kopplung ist zwischen den Parallelschwingkreisen S1 und So eine Koppelinduktivität 1/6 und zwischen den Parallelschwingkreisen S2 und S5 eine Koppelkapazität 2/5 eingeführt.

Die Realisierung eines derartigen Bandpasses mittels in einer Reihe nebeneinander angeordneter Dual-Mode Resonatoren ist bisher nicht möglich, da beispielsweise beim Versuch einer Realisierung mit H^₀₁-Resonatoren die E-Vektoren der Filterkreise S1 und S6 bzw. S2 und S5 orthogonal zueinander stehen und damit nicht über Koppelschlitze in einer Resonatorwandung gekoppelt werden können.

809822/0463 - 6 -

Aus diesem Grunde sind bisher auch nur "Pseudo-Cauer-Filter" der Ordnung n=6 bekannt, beispielsweise aus dem in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques im August 1975 veröffentlichten Aufsatz "Prototype characteristics of a class of dual-mode filters" von R.D. Wains e low, die jedoch nur einen Dämpfungspol unter- und oberhalb des Durchlaßbereiches aufweisen und damit nicht optimal sind. - .

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine aus drei Hohlraumresonator 1 bis 3- bestehende erfindungsgemäße Filteranordnung dargestellt, deren physikalisches Ersatzschaltbild durch die Schaltung nach Fig. 1 gegeben ist. Die Resonatoren sind dabei in einer Zeile derart angeordnet, daß jeweils nebeneinanderliegende Resonatoren eine gemeinsame Trennwand haben. Die Koppelorgane zur Kopplung der im Dual-Mode betriebenen Resonatoren sind in bekannter Weise, beispielsweise entsprechend der Anordnung nach Fig. 2 der DT-OS 2 511 800, als Schlitzkopplungen ausgeführt.

Die den einzelnen Moden zugeordneten Ε-Vektoren sind innerhalb eines. Resonators orthogonal und in der Fig._r 2 entsprechend den zugehörigen Parallelschwingkreis S1 bis S6 der Fig. 1 mit den Bezugszeichen E1 bis E6 versehen. Jeder der Resonatoren ist weiterhin zur Einstellung der Kopplung zwischen den in ihm betriebenen orthogonalen Moden mit einer im Winkel von 45° zwischen den, den Moden entsprechenden Ε-Vektoren angeordneten Koppelschraube K16, K25 und K34 versehen. Durch solche.Koppelschrauben wurde nach dem Stand der Technik nur "jeweils die Koppelinduktivität zwischen zwei benachbarten, d.h. in der Zählweise aufeinanderfolgenden Parallelschwingkreisen des Ersatzschaltbildes realisiert. Gemäß der Erfindung enthält das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 jedoch wenigstens einen Resonator, in speziellem Fall die beiden Resonatoren 1 und 2, denen die nicht in der Zählweise aufeinanderfolgenden Filterkreise S1 und S6 bzw. S2 und S5 zugeordnet sind und es sind durch die Koppelschrauben deshalb auch zusätzliche Koppelreaktanzen zwischen nicht benachbarten Filterkreisen realisiert.

Im einzelnen sind beim Ausführungsbeispiel dem Resonator 1 die FiI-

809822/0463 . " " ~ ⁷ "

terkreise S1 und S6 und: die entsprechenden Ε-Vektoren E1 und E6 zugeordnet, deren Kopplung über die induktiv wirkende Koppelschraube K16 erfolgt. Damit enthält der Resonator 1 gleichzeitig den Einkoppelanschluß I und den Auskoppelanschluß 0 des Filters. Dem an den Resonator 1 mit einer gemeinsamen Trennwand angrenzenden Resonator 2 sind die Filterkreise S2 und S5 und die entsprechenden orthogonalen Ε-Vektoren E2 und E5 zugeordnet, deren Kopplung über die gegenüber der Koppelschraube K16 um eine Resonatorkante versetzt angeordnete und damit eine kapazitive Verkopplung herbeiführende Koppelschraube K25 erfolgt.

Die Kopplung von Resonator 1 auf den Resonator 2 bzw. der ihnen zugehörigen Moden mit den entsprechenden, jeweils parallelen E-Vektoren E1 und E2 bzw. E6 und E5 erfolgt über in der gemeinsamen Trennwand dieser Resonatoren jeweils senkrecht zu den E-Vektoren E1 und E2 bzw. senkrecht zu E6 und E5 angeordnete, in der Figur nicht dargestellten Koppelschlitze.

Dem an den Resonator 2 angrenzenden Resonator 3 sind die Filterkreise S3 und S4, dargestellt durch die entsprechenden orthogonalen Ε-Vektoren E3 und E4, zugeordnet, deren induktive Kopplung über die Koppelschraube K34 erfolgt. Die Kopplung von Resonator auf den Resonator 3 erfolgt über weitere in der gemeinsamen Trennwand dieser Resonatoren senkrecht zu den jeweiligen Ε-Vektoren E5 und E4 bzw. E2 und E3 angeordnete, in der Figur nicht dargestellte Koppelschlitze.

Zur Verdeutlichung der Aufteilung der Schwingkreise auf die einzelnen Resonatoren beim Ausführungsbeispiel ist die Schaltung nach Fig. 1 mit gestrichelt dargestellten Zuordnungslinien versehen, die zwischen jeweils zwei in einem Resonator realisierten Schwingkreisen verlaufen und mit den,dem jeweiligen Resonator zugeordneten Bezugszeichen versehen sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein sechskreisiges Cauer-Filter ergibt sich aus einer weiteren, zur Realisierung in Dual-Mode-

809822/0463 " ⁸ "

Technik geeigneten Ersatzschaltung, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist. Es handelt sich auch hier um eine Vierpolschaltung mit Parallelschwingkreisen S1 bis S6 in den Querzweigen, die über Koppelinduktivitäten 1/2 bis 5/6 verkoppelt sind. Anstelle der zusätzlichen Kopplung 2/5 entsprechend der Fig. 1 ist jedoch eine kapazitive zusätzliche Kopplung 1/4 eingeführt, die zwischen den Schwingkreisen S1 und S4 verläuft.

Entsprechend den Zuordnungslinien der Fig. 3 ist auch die Aufteilung der einzelnen Schwingkreise auf die Resonatoren im Ausführungsbeispiel nach Figo 4 gewählt. Gemäß der Erfindung enthält das Filter nach Fig» 4 einen Resonator, hier den Resonator 2, dem die nicht in der Zählx\reise aufeinanderfolgenden Filterkreise S1 und S4, dargestellt durch die Ε-Vektoren E1 und E4, zugeordnet sind, während im Resonator 1 die Filterkreise S2 und S3 sowie im Resonator 3 die Filterkreise S5 und S6 enthalten sind.

In der Resonatoranordnung nach Fig. 4 verlaufen die elektrischen Vektoren E1 und E6 der Filterkreise S1 und S6 parallel zueinander und können damit durch einen Schlitz in der Trennwand der Resonatoren 2 und 3 magnetisch gekoppelt werden. Die kapazitive Zusatzkopplung der Filterkreise S1 und S4 wird dadurch erreicht, daß die Dual-Mode-Koppelschraube K14 des Resonators 2 um 90° gegenüber den gleichsinnig orientierten Koppelschrauben K23 und K65 der Resonatoren 1 und 3 versetzt ist.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besitzt die Anordnung nach Fig. 4 den Vorteil, daß der Einkoppelanschluß I und der Auskoppelanschluß 0 des Filters sich nicht im gleichen Resonator, sondern in den Resonatoren 2 und 3 befinden. Hierdurch wird das Auftreten unerwünschter Zusatzkopplungen weitgehend vermieden.

Fig. 5 zeigt eine Meßkurve des mit der Theorie gut übereinstimmenden Betriebsdämpfungsverlaufs eines Ausführungsbeispiels nach Fig. 4. Es handelt sich hier um einen aus dem Cauer-Tiefpaß C6/26dB/25dB/B durch Transformation hervorgegangenen, mit

809822/0463

Dual-Mode-Resonatoren betriebenen Bandpaß. (Theoretische Daten: Mittenfrequenz f_Q=4O15 MHz, Durchlaßbandbreite Z^fg=4O MHz, Echodämpfung a ^26dB, Sperrdämpfung a,^25dB). Aus der Meßkurve sind die beiden deutlich ausgeprägten Dämpfungspole je unterhalb und oberhalb des Durchlaßbereiches zu entnehmen. Für die Echodämpfung wurden Werte von a ^21dB im geforderten Durchlaßbereich gemessen.

Auch für den achtkreisigen Cauer-Bandpaß mit je drei Dämpfungspolen unter- und oberhalb des Durchlaßbereiches ist eine Realisierung mit Dual-Mode-Resonatoren bisher nicht bekannt geworden. Lediglich in dem Aufsatz "Narrow-Bandpass Waveguide Filters" von A.E. Atia und A.E. Williams aus "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Vol.-MTT. 20, No. 4, April 1972, wird über ein "Pseudo-Cauer-Filter" der Ordnung n=8 mit nur je zwei Dämpfungspolen unter- und oberhalb des Durchlaßbereiches berichtet.

In der Fig. 6 sind zwei äquivalente Schaltungen des Cauer-Bandpasses der Ordnung n=S mit konzentrierten Elementen dargestellt, von denen die mit einer induktiven zusätzlichen Kopplung K16 versehene zweite Schaltung gemäß der Erfindung in Dual-Mode-Technik realisierbar und im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 dargestellt ist.

Das aus den Resonatoren 1 bis 4 aufgebaute Filter nach Fig. 7 enthält die zwei Resonatoren 2 und 3, in denen die jeweils in der Zählweise nicht aufeinanderfolgenden Filterkreise S2 und S5 bzw. S1 und S6 untergebracht sind. Die entsprechend dem zugehörigen Ersatzschaltbild geforderte Vorzeichenfolge für die Zusatzkopplungen kann mit den aus der Fig. 7 ersichtlichen Stellungen der Dual-Mode-Koppelschrauben K34, K25, K16 und K78 erreicht werden.

Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist beispielsweise auch durch die Realisierung eines 14-kreisigen Linear-Filters gegeben, dessen Ersatzschaltung in Fig. 8 dargestellt ist und zwei jeweils zweifach überbrückte Schaltungsabschnitte zur Laufzeitebnung im Durchlaßbereich enthält. Die zusätzlichen Kopplungen sind durch-

- 10 809822/0463

wegs induktiv und verlaufen zwischen den Kreisen S1 und S6 (Ki6), S2 und S5 (K25)_s S9 und S14 (K914), sowie S10 und S13 (K1013).

Wie die in Fig. 9 dargestellte, aus den Resonatoren 1 bis 7 bestehende erfindungsgemäße Resonatoranordnung der Ersatzschaltung nach Fig. 8 zeigt, sind jeweils zwei nicht in der Zählweise aufeinanderfolgenden Filterkreise S1 und S6, S2 und S5, S9 und S14, sowie S10 und S1"3 in jeweils einem Resonator, den Resonatoren 3, 2, 5 sowie 6 zusammengefaßt. Ein fertigungstechnischer Vorteil gegenüber bekannten derartigen Anordnungen ist dadurch gegeben, daß die Resonatoren in einer einzigen Zeile angeordnet sind und somit in einfacher Weise mittels Flanschverbindungen zusammengefügt werden können. Ein elektrischer Vorteil wird besonders durch die Aufspaltung eines.vierfach überbrückten Sehaltungsabschnittes in zwei zweifach überbrückte Schaltungsabschnitte erreicht, da sich hierbei besser zu realisierende Abmessungen für die Koppelschlitze ergeben und die Filterabstimmung erleichtert wird.

4 Patentansprüche
9 Figuren

809822/04

r s e i f e

Claims

Patentansprüche

( 1.j Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend ^" aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der übertragenen Energie jeweils erste und letzte Resonatoren mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. die Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen sind und bei dem zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden . Filterkreisen eine zusätzliche Kopplung vorgesehen ist und die einzelnen Resonatoren zellenförmig nebeneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch wenigstens einen Resonator zwei in der Zählweise nicht benachbarte und über eine zusätzliche Kopplung verkoppelte Filterkreise realisiert sind. -.
2. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausführung als sechskreisiger Cauer-Bandpaß, bei dem die Resonatoren in einer Zeile angeordnet und durch zwei Resonatoren jeweils zwei in der Zählweise nicht benachbarte und über eine zusätzliche Kopplung verkoppelte Filterkreise realisiert sind.
3. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausführung als achtkreisiger Cauer-Bandpaß, bei dem die Resonatoren in einer Zeile angeordnet und durch drei Resonatoren jeweils zwei in der Zählweise nicht benachbarte und über eine zusätzliche Kopplung verkoppelte Filterkreise realisiert sind.
4. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausführung als vierzehnkreisiges Linear-Phasen-Filter, bei dem die Resonatoren in einer Zeile angeordnet und durch vier Resonatoren jeweils zwei in der Zählweise nicht benachbarte und über eine zusätzliche Kopplung verkoppelte Filterkreise realisiert sind.

80 982 2/048 3