DE2657649A1

DE2657649A1 - Filter fuer sehr kurze elektromagnetische wellen

Info

Publication number: DE2657649A1
Application number: DE19762657649
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Pfitzenmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1978-06-22
Also published as: IT1088823B; NL7714023A; LU78715A1; BE862063A; GB1590860A; SE7714427L; IE45949L; DE2657649C2; US4167713A; FR2374753A1; FR2374753B1; CA1110334A; IE45949B1; DK526877A; SE423766B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen:

Berlin und München C\ ^ VPA 76 P 6 8 (H BRD

Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen

Die Erfindung betrifft ein Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der zu übertragenden Energie jeweils erste und letzte Resonatoren mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. 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 in nebeneinanderliegenden Zeilen angeordnet sind.

Filter der Mikrowellentechnik werden bekanntlich aus mehreren, miteinander gekoppelten Mikrov/ellenresonatoren 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 auf, wenn es erforderlich ist, in der Dämpfungscharakteristik des Filters Dämpfungspole und/oder im Durchlaßbereich des Filters eine Laufzeitebnung durch zusätzliche Kopplungen von Bfk 16 «V16.12.1976 809825/0418

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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 Excited 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 H₁₀,.- oder H^^,,-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 5O?6 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 Filterschaltungen, die sowohl nach Struktur als auch nach Elementewerten symmetrisch sind, die außerdem vielfach übergreifende, nach Anzahl und geometri-

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scher Lage innerhalb der FiIteranordnung 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. Voraussetzung für den Aufbau von Filtern mit zusätzlichen Kopplungen in Dual-Mode-Technik ist nämlich eine Resonatoranordnung, die eine vorzeichenrichtige Realisierung aller Kopplungen zuläßt.

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 eine weitere Lösung zur Realisierung von Filterschaltungen mit im Dual-Mode betriebenen Resonatoren und zusätzlichen Kopplungen anzugeben, durch die die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden und das Spektrum möglicher Realisierungen gleichzeitig erweitert wird.

Ausgehend von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der zu übertragenden Energie Jeweils erste und letzte Resonatoren mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen sind und bei dem zwischen wenigstens zwei in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Filterkreisen

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eine zusätzliche Kopplung vorgesenen ist und die einzelnen Resonatoren in nebeneinanderliegenden Zeilen angeordnet sind, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Resonatoren bezüglich der Schaltungsmitte mechanisch symmetrisch angeordnet sind, und daß das der Realisierung zugrunde liegende Ersatzschaltbild hinsichtlich der Elementewerte unsymmetrisch gewählt ist, derart, daß die Anzahl an zusätzlichen Kopplungen mit der theoretisch ermittelten minimalen Anzahl zusätzlicher Kopplungen übereinstimmt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine Filterrealisierung in Dual-Mode-Technik mit der minimalen, schon beim Filterentwurf vorgesehenen Anzahl von zusätzlichen Kopplungen möglich ist, wenn einer mechanisch symmetrischen Resonatoranordnung ein hinsichtlich des Elementewertes unsymmetrisches Ersatzschaltbild zugrunde gelegt ist.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die bei bekannten Filtern dieser Art gegebenen Einschränkungen hinsichtlich der Realisierbarkeit von komplizierten Schaltungsstrukturen wesentlich verringert sind.

Weitere Vorteile sind durch die verringerte Anzahl der zur Realisierung erforderlichen Zusatzkopplungen und der dadurch wesentlich erleichterten Fertigung und Abstimmung der erfindungsgemäßen Filter gegeben.

Eine vorteilhafte Ausführungsform nach der Erfindung ist durch die Ausführung als laufzeitgeebneter zwölfkreisiger Bandpaß mit zwei Dämpfungspolen bei endlichen Frequenzen jeweils unterhalb und oberhalb des Durchlaßbereiches gegeben, bei dem die Resonatoren in zwei nebeneinanderliegenden, jeweils drei Resonatoren enthaltenden Zeilen angeordnet sind und bei dem fünf zusätzliche Kopplungen vorgesehen sind.

Eine weitere vorteilhafte AusfUhrungsform der Erfindung mit vier

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zusätzlichen Kopplungen ist durch das nachstehend erläuterte Ausführungsbeispiel gegeben.

Es zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 das struktur- und elementesymmetrische Ersatzschalbild eines zwölfkreisigen Dual-Mode-Bandpasses

Fig. 2 eine bekannte Resonatoranordnung eines Filters gemäß Fig.

Fig. 3 ein struktursymmetrisches, jedoch elementeunsymmetrisches Ersatzschaltbild eines zwölfkreisigen Dual-Mode-Bandpasses

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines zwölfkreisigen Filters nach der Erfindung

Fig. 5 eine Meßkurve der Echodämpfung des Filters nach Fig. 4 Fig. 6 eine Meßkurve der Betriebsdämpfung des Filters nach Fig.

In Fig. 1 ist schematisch ein struktur- und elementesymmetrisches Ersatzschaltbild eines beispielsweise aus dem einleitend erwähnten Aufsatz "Nonminimum-Phase Optimum-Amplitude Bandpass Waveguide Filters" bekannten zwölfkreisigen Dual-Mode-Bandpasses angegeben.

Es handelt sich hier um eine Vierpolschaltung in deren Querzweigen die symbolisch als Kreise dargestellten Parallelschwingkreise S1 bis S12 liegen, und deren Kopplungen über die als einfache Strichverbindungen dargestellten, in den Längszweigen liegenden Koppelreaktanzen 1/2, 2/3 bis 11/12 erfolgt. Als zusätzliche Kopplungen sind die symmetrisch über die Schaltungsmitte übergreifenden Koppelreaktanzen 1/12, 2/11, 3/10, 4/9 und 5/8, sowie die ebenfalls zwar symmetrisch zur Schaltungsmitte gelegenen, jedoch die Schaltungsmitte nicht überspannenden Koppelreaktanzen 1/4, 3/6, 7/10 und 9/12 eingeführt. Es sind diese Koppelreaktanzen in der Fig. 1 ebenfalls als zwischen den jeweiligen Parallelschwingkrei-

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sen verlaufende einfache Strichverbindungen dargestellt und mit Bezugszeichen versehen, die sich aus den Symbolen für die jeweils berührten Parallelschwingkreise und einem dazwischenliegen den Schrägstrich zusammensetzen. Die durch die Schaltungsmitte verlaufende elektrische und für die bekannte Realisierung nach Fig. 2 auch mechanische Symmetrielinie ist in der Fig. 1 als strichpunktierte Linie S angegeben. Aus Symmetriegründen ergibt sich für dieses Schaltbild die Forderung für die Kopplungsbandbreiten:

Der zur Schaltung nach Fig. 1 zugehörige Filteraufbau, beispielsweise mittels H.,^-Resonatoren ist schematisch in der Fig. 2 angegeben. Es erfolgt dort die vorzeichenrichtige Kopplung der Filterkreise in bekannter Weise durch geeignete Positionierung der nicht eigens dargestellten Dual-Mode-Kopplungsschrauben innerhalb eines Resonators bzw. durch Koppelschlitze in den gemeinsamen Trennwänden zwischen benachbarten Resonatoren. Die mechanisch symmetrische, in zwei benachbarten Zeilen mit jeweils drei Resonatoren aufgebaute Resonatoranordnung ist in der Fig. 2 durch Pfeile E1 bis E12 ergänzt, die jeweils die Lage der E-Vektoren der entsprechenden Filterkreise S1 bis S12 angeben. Bei einer solchen Realisierung eines zwölfkceisigen Bandpasses sind jedoch neun in den gemeinsamen Zwischenwänden der Resonatoren gelegene Zusatzkopplungen erforderlich, was einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand bedingt.

Das auf der gleichen elektrischen übertragungsfunktion entsprechend dem Ersatzschaltbild nach Fig. 1, basierende zwölfkreisige Dual-Mode-Filter gemäß der Erfindung besteht prinzipiell aus einer mit der Darstellung nach Fig. 2 übereinstimmenden, mechanisch symmetrischen Resonatoranordnung; entsprechend der Erfindung ist jedoch ein in der Fig. 3 angegebenes elektrisch unsymmetri-

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sches Ersatzschaltbild für die^nechanisch symmetrische Realisierung zugrunde gelegt.

Das struktursymmetrische, jedoch bezüglich der Elementewerte unsymmetrische, zur Schaltung nach Fig. 1 äquivalente Ersatzschaltbild nach Fig. 3 enthält ebenfalls die symbolisch als Kreise dargestellten Parallelschwingkreise S1 bis S12, deren Kopplung wiederum über die in den Längszweigen liegenden Koppelreaktanzen t/2, 2/3 bis 11/12 erfolgt. Als zusätzliche Kopplungen sind die symmetrisch über die Schaltungsmitte übergreifenden Koppelreaktanzen 1/12, 4/9 und 5/8, sowie die symmetrisch zur Schaltungsmitte liegenden, jedoch nicht übergreifenden Koppelreaktanzen 1/4 und 9/12 eingeführt. Die Realisierung eines solchen elementeunsymmetrischen Ersatzschaltbildes mittels einer symmetrischen Resonatoranordnung erfordert vier Zusatzkopplungen weniger, als die bekannte Realisierung entsprechend den Fig. 1 und 2. Wegen der Unsymmetrie hinsichtlich der Elementewerte ergibt sich für den Bandpaß nach der Erfindung eine Abstimmung, bei der die Kopplungsbandbreiten ^f <j und .ZXf Q ^2 voneinander abweichen.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 4 ist eine aus sechs Hohlraumresonatoren 1 bis 6 bestehende Filteranordnung dargestellt, deren physikalisches Ersatzschaltbild wie nachstehend ausgeführt ist, dem Prinzip nach durch die Schaltung nach Fig. 3 gegeben ist. Die Resonatoren 1 bis 6 sind beim Ausführungsbeispiel wie in Fig. 2 auf zwei benachbarte Zeilen derart verteilt, daß die eine Zeile die Resonatoren 1 bis 3_t die andere Zeile die Resonatoren 4 bis 6 enthält, und daß die in beiden Zeilen nebeneinander- bzw. übereinanderliegenden Resonatoren jeweils eine gemeinsame Trennwand haben.

Es handelt sich beim Ausführungsbeispiel um einen zwölfkreisigen Dual-Mode-Bandpaß mit vier zusätzlichen Uberkopplungen zur Erzielung von Dämpfungspolen bei endlichen Frequenzen und einer Laufzeitebnung im Durchlaßbereich unter Verwendung von H₁₀-J-Resonatoren. Die Mittenfrequenz des Bandpasses liegt bei 4015MHz und die Signalbandbreite-Δf beträgt 36MHz. Das AusfUhrungsbeispiel

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entspricht bis auf die entfallende Zusatzkopplung 1/12 einem Ersatzschaltbild nach der Fig. 3 ( Af₁ /.^Δ^α -ίο)» bei dem sämtliehe zusätzlichen uberkopplungen induktiv und mit Ausnahme der kapazitiven Koppelreaktanzen 1/2 und 11/12 die weiteren in den Längszweigen liegenden Koppelreaktanzen 2/3 bis 10/11 ebenfalls induktiv ausgebildet sind.

Beim Ausführungsbeispiel sind die Koppelorgane zur Kopplung der im Dual-Mode betriebenen Resonatoren als Schlitzkopplungen ausgeführt und so angeordnet, daß die dem Resonator 1 des Filters über den Eingangsanschluß I zugeführte elektromagnetische Energie nacheinander die Resonatoren 1 bis 3 der ersten Zeile und 4 bis 6 der zweiten Zeile durchläuft und am Ausgang 0 des Resonators 6 ausgekoppelt wird.

Im Ausführungsbeispiel sind in bekannter Weise jeweils zwei benachbarte Parallelschwingkreise des Ersatzschaltbildes nach Fig. durch jeweils einen, im Dual-Mode mit zwei orthogonalen Moden betriebenen Resonator realisiert. Die den einzelnen Moden zugeordneten Ε-Vektoren sind dementsprechend innerhalb eines Resonators ebenfalls orthogonal und in der Figur entsprechend den zugehörigen Parallelschwingkreisen S1 bis S12 mit E1 bis 'E12 bezeichnet.

Jeder der Resonatoren ist zur Einstellung der Kopplung zwischen den in ihm betriebenen orthogonalen Moden mit einer zwischen den entsprechenden Ε-Vektoren im Winkel von 45° angeordneten Koppelschraube K1 2, K34, K56, K78, K910 und K1112 versehen. Durch diese Schrauben wird jeweils die Kopplung zwischen zwei benachbarten und in einem Resonator realisierten Parallelschwingkreisen der Ersatzschaltung realisiert.

Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Koppelorgane in den gemeinsamen Zwischenwänden der einzelnen Resonatoren als Schlitzkopplungen ausgebildet, die gegebenenfalls auch, wenigstens teilweise durch Lochkopplungen ersetzt sein können, und es erfolgt dabei die Kopplung von Resonator 1 auf den Resonator 2 durch die

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Koppelschlitze CS1/4 und CS2/3, wobei durch die Koppelschlitze CS1/4 die zusätzliche Kopplung 1/4 und durch die Koppelschlitze CS2/3 die im Längszweig liegende Koppelreaktanz 2/3 des Ersatzschaltbildes realisiert wird. Hierbei erfolgt die Kopplung stets zwischen Jeweils zwei Moden, deren zugehörige Ε-Vektoren in benachbarten Resonatoren und zueinander parallel ausgerichtet sind, über senkrecht zu diesen Ε-Vektoren in der gemeinsamen Trennwand dieser Resonatoren angeordnete Koppelschlitze. Diese Überlegungen bezüglich der Anordnung der Koppelschlitze gelten auch für die folgenden Resonatoren 2 bis 6, mit den zugehörigen E-Vektoren E3 bis E12. Dementsprechend befindet sich in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 2 und 3 der Koppelschlitze CS4/5, in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 3 und 4 die Koppelschlitze CS6/7 und CS5/8, in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 4 und 5 der Koppelschlitze CS8/9 und in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 5 und 6 die Koppelschlitze CS9/12 und CS1O/11. In der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 2 und 5 ist außerdem noch ein senkrecht zu den Ε-Vektoren E4 und E9 verlaufender Koppelschlitz CS4/9 angeordnet.

Die Realisierung des zwölfkreisigen Dual-Mode-Filters entsprechend der Erfindung erfordert vier Zusatzkopplungen weniger als bei einer bekannten Realisierung entsprechend den Fig. 1 und 2 und bietet damit elektrische und insbesondere fertigungstechnisch erhebliche Vorteile.

Fig. 5 zeigt eine Meßkurve des Echodämpfungsverlaufes eines Ausführungsbeispiels nach Fig. 4. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich ist, liegt die gemessene Echodämpfungskurve innerhalb eines Af=44,3MHz breiten Frequenzbereiches über einem Wert von 23dB, was einem Reflexionsfaktor von =*7% entspricht.

Der in der Fig. 6 dargestellten Meßkurve für die Betriebsdämpfung im Sperrbereich sind die zwei deutlich ausgeprägten Pole jeweils unterhalb und oberhalb des Durchlaßbereiches entnehmbar.

3 Patentansprüche

6 Figuren 809825/0418

Claims

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( 1. JFilter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend ^ aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der zu übertragenden Energie jeweils erste und letzte Resonatoren mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. 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 in nebeneinanderliegenden Zeilen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren bezüglich der Schaltungsmitte mechanisch symmetrisch angeordnet sind, und daß das der Realisierung zugrunde liegende Ersatzschaltbild hinsichtlich der Elementewerte unsymmetrisch gewählt ist, derart, daß die Anzahl an zusätzlichen Kopplungen mit der theoretisch ermittelten minimalen Anzahl zusätzlicher Kopplungen übereinstimmt.
2. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausführung als laufzeitgeebneter Bandpaß mit zwei Dämpfungspolen bei endlichen Frequenzen jeweils unterhalb und oberhalb des Durchlaßbereiches, bei dem die Resonatoren in zv/ei nebeneinanderliegenden, jeweils drei Resonatoren enthaltenden Zeilen angeordnet sind und bei dem fünf zusätzliche Kopplungen vorgesehen sind.

3· Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausführung als laufzeitgeebneter Bandpaß mit zwei Dämpfungspolen bei endlichen Frequenzen jeweils unterhalb und oberhalb des Durchlaßbereiches, bei dem die Resonatoren in zwei nebeneinanderliegenden, jeweils drei Resonatoren enthaltenden Zeilen angeordnet sind und bei dem vier zusätzliche Kopplungen vorgesehen sind.

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ORIGINAL INSPECTED