DE2726797A1 - Mikrowellenbandfilter - Google Patents

Description

GLAWE, DELFS₁ MOLL & PARTNER PATENTANWÄLTE

OR-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN
DIPL-ING. KLAUS DELFS. HAMBURG
DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN DIPL.-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG

MOO MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 LIEBHERRSTR. 20 TEL. (OM) 22 65 48 TELEX 52 25 OS

MÜNCHEN A 67

2000 HAMBURG 13 POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE SB TEL. (040)41020 08 TELEX 21 29 21

Murata Manufacturing Co., Ltd.
Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu, Japan

Mikrowellenbandfilter

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenbandfilter und
insbesondere ein Mikrowellenbandfilter, das eine von einer störenden Nebenmode begleitete Grundmode durchläßt.

Es ist bereits bekannt, ein Mikrowellenbandfilter mit einem oder mehreren Resonatoren aus dielektrischem Material zu verwenden, um den Gütefaktor Q einer durchzulassenden Grundmode zu verbessern. Bei den herkömmlichen Filtern mit dielektrischem Resonator ergibt sich jedoch hinsichtlich

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der Empfindlichkeit der Filterwirkung, die im nachfolgenden als Empfindlichkeitskennlinie bezeichnet wird, kein symmetrischer Verlauf, d. h. die Kurvenform der Empfindlichkeitskennlinie oberhalb der Resonanzfrequenz f_Q ist von der Kurvenform der Empfindlichkeitskennlinie unterhalb der Resonanzfrequenz £q verschieden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Dabei ist auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Dämpfung aufgetragen. In den meisten Fällen zeigt die Empfindlichkeitskennlinie in einem Bereich A, der unterhalb der Resonanzfrequenz fg liegt, einen vergleichsweise schnellen Anstieg einer Grundinode, während andererseits die Empfindlichkeitskennlinie in einem Bereich B, der oberhalb der Resonanzfrequenz f_Q liegt, ein langsames Abfallen der Grundmode zeigt.

Es wurde herausgefunden, daß dieser Unterschied in der Filterwirkung zwischen den Bereichen A und B durch die Veränderung des Koppelkoeffizienten zwischen benachbarten Resonatoren oder aber durch das Überlappen der Grundmode durch eine unerwünschte oder störende Nebenmode bewirkt wird, die in der Nähe der Resonanzfrequenz f_Q im Bereich B auftritt.

Um diesen Unterschied zu eliminieren, wurde vorgeschlagen, die Resonatoren aus verschiedenen Materialien oder mit verschiedener Größe herzustellen, um die Koppelkoeffizienten anzupassen. Dieses Verfahren ist jedoch vergleichsweise schwie-

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rig, da es sehr viel Geschick und Zeit bedarf, um ein v/ohl ausgeglichenes Filter ohne irgendeine Veränderung des Koppelkoeffizienten zwischen benachbarten Resonatoren zu erhalten.

Es wurde weiterhin vorgeschlagen, einen dielektrischen Hilfsresonator in der Nähe des dielektrischen Resonators vorzusehen, um gewissermaßen eine Antiresonanz im Bereich B zu erzeugen und damit die Kurvenform der Empfindlichkeit im Bereich B zu verbessern. Dieses Verfahren ist jedoch nicht nur schwierig durchzuführen, sondern es sind auch hohe Her-Stellungskosten dafür erforderlich.

Demgegenüber besteht eine wesentliche Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes llikrowellenbandfilter zu schaffen, das eine hohe Empfindlichkeit der Filterwirkung im Bereich B nach Fig. 1 aufweist.

Eine weitere wichtige Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Mikrowellenbandfilter der oben beschriebenen Art zu schaffen, bei dem eine Verbesserung der Filterwirkung bei einer einfachen Konstruktion und niedrigen Kosten erreicht werden kann.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch das Positionieren eines leitfähigen Materials an einer Stelle, an der die Intensität des elektrischen Feldes hoch ist, eine

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Verschiebung der Resonanzfrequenz f* einer bestimmten Mode, die dieses elektrische Feld erzeugt, von £_Λ nach f.. -Af

wird '

bev/irkt/ Der Betrag der Veränderung der Frequenz Δ f wird bestimmt durch den Grad des Eindringens des leitfähigen Materials in das elektrische Feld, d.h. je weiter das Ilaterial eindringt, um so größer wird die Veränderung der Frequenz Af.

Es wurde herausgefunden, daß das elektrische Feld der Grundmode kaum um die Seitenfläche des dielektrischen Resonators herum verteilt ist, daß jedoch andererseits das elektrisehe Feld der störenden Nebenmode um die Seitenfläche des dielektrischen Resonators herum intensiv verteilt ist bzw. auftritt.

Unter Berücksichtigung dieser Merkmale weist ein erfindungsgemäßes I'likrowellenbandfilter ein Gehäuse, mindestens einen im Gehäuse vorgesehenen dielektrischen Resonator und mindestens ein leitfähiges Material auf, das in der Nähe der Seitenfläche des Resonators vorgesehen ist, wo die Intensität des elektrischen Feldes hoch ist. Das leitfähige Material ist vorzugsweise eine Einstellschraube, die zur Einstellung durch das Gehäuse hindurch eingedreht wird. Damit ist es vergleichsweise einfach, die Stellung der Einstellschraube durch deren Drehung einzustellen.

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Durch die Tatsache, daß die Einstellschraube ganz in der Nähe des dielektrischen rtesonators vorgesehen wird, kann eine Resonanzfrequenz einer störenden Nebenmode von f.. nach f^ -Af verschoben werden. Dabei ist diese Frequenz ±\ - Af etwas kleiner als die Frequenz f_Q der Grundmode. Damit überlappt sich die Kurvenform der störenden Nebenmode mit der der Grundmode, insbesondere im Bereich A. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die störende Nebenmode nach L - Δί verschoben, wobei diese Frequenz etwas unterhalb der Resonanzfrequenz fy liegt. Damit bewirkt die verschobene störende Nebenmode, daß die Empfindlichkeitskennlinie der Grundmode im Bereich B schneller abfällt. Damit wird die Kurvenform im Bereich B steiler und nimmt eine im wesentlichen symmetrische Kurvenform zu der im Bereich A an.

Damit bewirkt die Verwendung der Einstellschraube beim erfindungsgemäßen Mikrowellenbandfilter eine Verbesserung der Empfindlichkeitskennlinie, die dadurch eine schmale symmetrische Kurvenform bekommt, sowie eine Verbesserung des Gütefaktors Q des Filters.

Demnach sieht die Erfindung ein Mikrowellenbandfilter vor, das ein Gehäuse, mindestens einen im Gehäuse eingebauten dielektrischen Resonator und mindestens eine metallische Einstellschraube aufweist, die in einer Wand des Gehäuses gelagert und in der Nähe des dielektrischen Resonators ange-

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ordnet ist, wobei das vordere Ende der Schraube ganz in der Nähe des Resonators angeordnet ist, um damit die Empfindlichkeitskennlinie des Filters zu verbessern, insbesondere in dem Bereich, der oberhalb der Resonanzfrequenz liegt.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Empfindlichkeitskennlinie der herkömmlichen Bandfilter mit dielektrischem Resonator;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, teilweise weggebrochen, eines erfindungsgemäßen Bandfilters, der die Anordnung der Einstellschrauben bezüglich der darin verwendeten dielektrischen Resonatoren darstellt;

Fig. 3a eine Schnittseitenansicht entlang der Linie IHa - IHa nach Fig. 2;

Fig. 3b eine Schnittvorderansicht entlang der Linie IHb - HIb nach Fig. 3a;

Fig. 4a - 4e Kurvenschaubilder, die die Art und Weise darstellen, in der die Kurvenform der störenden Nebenmode die der Grundmode überlappt und wie die Kurvenform der Grundmode sich bei der Verschiebung der störenden Nebenmode verändert ;

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Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil des nikrowellenbandfilters nach Fig. 2, das insbesondere den horizontalen Bereich zeigt, innerhalb dem die Einstellschraube vorgesehen werden kann, und

Fig. 6 eine Schnittseitenansicht des riikrowellenbandfilters nach Fig. 2, das insbesondere den vertikalen Bereich zeigt, in dem die Einstellschraube vorgesehen werden kann.

In allen Zeichnungen sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgeuiäi3es nikrowellenbandfilter mit einem Gehäuse 10, das eine im wesentlichen kastenförmige Gestalt aufweist und aus irgendeinem metallischen Material, wie etwa Messing besteht. Das Gehäuse 10 weist eine Deckplatte 10a und eine Bodenplatte 10b, ein Paar von einander gegenüberliegenden Seitenwänden 10c und 1Od und ein Paar Stirnwände 1Oe und 1Of auf. In Fig. 2 sind die '.vände 10a bis 1Of einstückig miteinander ausgebildet, und zwar durch Bearbeitung eines starren Metallblockes. Die wände können jedoch auch als Metallplatten ausgebildet sein, wobei benachbarte Wände jeweils starr miteinander verbunden sina, z.B. durch mehrere Schrauben.

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Λ*

Innerhalb des Gehäuses 10 sind ein oder mehrere Resonatoren, in der dargestellten Ausführungsform drei, nämlich 11a, 11b und 11c, über entsprechende Trägerabstaiidshalter 12a, 12b und 12c an der Bodenplatte 10b befestigt und im Abstand zueinander sowie in einer Reihe angeordnet. Die Trägerabstandshalter 12a - 12c sind aus einem elektrisch isolierenden iiaterial mit relativ niedriger Dielektrizitätskonstante .

Eine der sich gegenüberliegenden Seitenwände 10c weist an entsprechenden Abschnitten in der Nähe der beiden Enden Kupplungsteile 15a und 15b auf, die als Verbindungsstücke zu Koaxialkabeln für Eingangs- und Ausgangsmikrowellenübertragungsleitungen (nicht gezeigt) dienen. Diese Kupplungsteile 15a und 15b weisen axiale Anschlüsse auf, die vom Metallgehäuse 10 elektrisch isoliert sind und die jeweils mit Stangen oder Sonden 16a und 16b verbunden sind, die entweder aus elektrisch leitfähigem Material oder aus dielektrischem Material bestehen. Die Stangen 16a und 16b erstrecken sich bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform parallel zu den Stirnwänden 1Oe und 1Of und jeweils zwischen der Stirnwand 1Oe und dem Resonator 11a sowie zwischen der Stirnwand 1Of und dem Resonator 11c. Das eine Ende der Stangen 16a und 16b, das von dem entsprechenden Kupplungsteil 15a oder 15b entfernt liegt, wird in der Seitenwand 1Od durch Befestigungsstücke 17a oder 17b aus elektrisch isolierendem Material, wie etwa

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AX

Polytetrafluoräthylen, gelagert. Die Größe des Gehäuses 10, insbesondere die der Innenseiten, ist so gewählt, daß sich eine vorbestimmte Grenzfrequenz ergibt.

Anhand der Fig. 3 und 4 werden nun einige Details des erfindungsgemäßen Mikrowellenbandfilters beschrieben. Im nachfolgenden wird im wesentlichen der erste Resonator 11a beschrieben, der in Fig. 2 ganz links angeordnet ist. Die anderen Resonatoren 11b und 11c sind jedoch in gleicher Weise gebildet und weisen die gleiche Struktur wie der Resonator 11a auf. Der dielektrische Resonator 11a besteht aus einem zylindrischen Block aus irgendeinem bekannten dielektrischen Material. Die Größe des zylindrischen Blocks wird durch die Resonanzfrequenz bestimmt und derart gewählt, daß der Durchmesser D einige Zentimeter groß ist, z.B. im einen Falle 1»45 cm, und daß die Dicke T etwa halb so groß ist wie der Durchmesser D. Dieser Resonator ist mit dem zylindrischen Trägerabstandshalter 12a und dieser wiederum mit der Bodenplatte 10b fest verbunden. Die Höhe des Abstandshalters 12a wird so gewählt, daß die Mitte des damit verbundenen Resonators 11a mit der Mitte der Gehäusehöhe A zusammenfällt. Die Innenabmessungen des Gehäuses 10 sind so gewählt, daß die Höhe A im Bereich von 2T bis 3T liegt, während die Breite E, in deren Richtung sich die Sonden 16a und 16b erstrecken, im Bereich zwischen 2D und 30 liegt. Die Abmessung des Gehäuses 10 in Längsrichtung wird bestimmt durch die Anzahl der im Ge-

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häuse unterzubringenden Resonatoren.

Die in Fig. 3 dargestellten drei Resonatoren 11a, 11b und 11c weisen zueinander einen Abstand Il auf, der normalerweise im Bereich von D/2 bis D liegt, während der Abstand zwischen dem Resonator 11a und der Stange 16a und der Abstand zwischen dem Resonator 11c und der Stange 16b jeweils M/2 beträgt. Jede der Stangen 16a und 16b weist gegenüber der entsprechenden Stirnwand 1Oe und 1Of einen Abstand im Bereich von B bis 3B auf, wobei B der Durchmesser der Stange ist. Es ist hier anzumerken, daß die Achsen der Stangen 16a und 16b mit der Mittellinie der Resonatoren zusammenfallen.

Das in Fig. 2 dargestellte Gehäuse weist weiterhin Schrauben 13a, 13b und 13c aus Metall auf, die jeweils durch an der Frontseitenwand 10c vorgesehene Schraubenlöcher 14a, 14b und 14c eingedreht werden. Die Löcher 14a, 14b und 14c sind etwa in mittlerer Höhe der Seitenwand 10c angeordnet und voneinander durch einen vorbestimmten Abstand getrennt, ao daß das vordere Ende einer jeden Schraube dicht bei der Seitenfläche des Resonators angeordnet ist. Vorzugsweise ist das vordere Ende einer jeden Schraube mit der Mittellinie des entsprechenden Resonators ausgerichtet. Durch Drehen der Schrauben kann ein Spielraum G zwischen dem vorderen Ende der Schrauben und der Seitenfläche des entsprechenden Resonators eingestellt werden. Normalerweise wird der Spielraum oder Abstand G nicht

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Al

unter 0,3 mm eingestellt.

Die Schrauben 13a, 13b und 13c können auch aus dielektrischem Material sein. In anderen Worten, sie können aus irgendeinem Material bestehen, solange die Schrauben das im Gehäuse ausgebildete elektrische Feld oder magnetische Feld beeinflussen können.

Die Funktion der Schrauben 13a, 13b und 13c wird nun anhand der Kurvenschaubilder der Fig. 4a bis 4e beschrieben.

Dabei ist auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Dämpfung aufgetragen. Wenn das Mikrowellenbandfilter die dielektrischen Resonatoren 11a, 11b und 11c aufweist, ist die Grundresonanzmode H_01<f , während die Resonanzfrequenz bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit f_Q(GHz) bestimmt wird, z.B. 7 GHz. Es ist hier anzumerken, daß die Grundmode sowie die Resonanzfrequenz verändert werden können, und zwar durch eine Veränderung der Größe des Gehäuses 10 und jeder der Resonatoren. Wenn das Mikrowellenbandfilter keine Einstellschrauben besitzt, fällt die Xurvenform der Grundmode EL·., i· im Frequenzbereich zwischen 7 und 8 GHz allmählich ab. Gleichzeitig wird eine störende Nebenmode E-I₁ r bei der Frequenz f-. (GHz) gebildet, die z.B. im Frequenzbereich von 9 GH:, liegt. Wenn die Schrauben 13a, 13b und 13c in die entsprechenden Löcher eingeschraubt werden, beeinflussen die Schrauben

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aus leitfähigem Material das durch die störende Nebenmode gebildete elektrische Feld, so daß die störende Nebenmode Ε_ΛΛ,? allmählich zu einem kleineren Frequenzbereich hin verschoben wird, wo die Grundmode H_Q1 <♦ auftritt. Dies hängt ab von dem Grad des Eindringens der Schrauben in das Gehäuse 10. Wenn jede der Schrauben etwa auf die halbe Distanz zwischen der Seitenwand 10c und der Seitenfläche des Resonators eingedreht wurde, überlappt die Kurvenform der störenden Nebenmode Ε_Λ* ^A die Kurvenform der Grundmode H»„ « und

ι ι ^ υιό

verformt die Kurvenform der Grundmode Hq₁ * . Damit ergibt sich für die Grundmode Hq..,.- eine in Fig. 4c dargestellte Form. Daraus ist ersichtlich, daß die Kurve der Grundmode H₀₁X schneller abfällt als die Kurve der Grundmode in den Fig. 4a und 4b.

Wenn die Schrauben weiter in die entsprechenden Löcher eingedreht werden, wird die störende Nebenmode E₁₁ c weiter in einen kleineren Frequenzbereich verschoben, z.B. in einen Bereich unterhalb 7 GHz, wodurch die Kurve der Grundmode Η,-,., f einen noch schnelleren Abfall im Bereich oberhalb 7 GHz zeigt.

Wenn die Schrauben so weit eingedreht werden, daß sie eine Distanz G von etwa 0,3 mm zur Seitenwand der Resonatoren aufweisen, so wird die störende Nebenmode E₁₁/ in einen Bereich in der Nähe von 6 GHz verschoben, worauf die Kurve der

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Grundmode Hq,. « im wesentlichen linear im Bereich oberhalb von 7 GHz abfällt.

Daraus ist ersichtlich, daß dann, wenn die Schrauben ganz in der Nähe der Seitenflächen der Resonatoren angeordnet sind, also an einer Stelle, an der die störende Nebenmode ein elektrisches Feld mit hoher Intensität bildet, die

fällt Kurve der Grundmode im höheren Bereich schneller ab/· £s ist damit möglich, ein Mikrowellenbandfilter zu schaffen, das genau arbeitet, eine einfache Konstruktion aufweist und vergleichsweise niedrige Herstellungskosten verursacht.

Selbst wenn die Resonanzfrequenz der Grundmode etwas über eine vorbestimmte Frequenz hinaus durch die Einführung der Schrauben 13a, 13b und 13c verschoben werden sollte, so kann •ine derartige Verschiebung in der Resonanzfrequenz einfach durch bekannte Korrekturvorrichtungen korrigiert werden, wie etwa durch über den Resonatoren angeordnet· Korrekturschrauben (nicht gezeigt).

Di· Schrauben kennen auch durch Stangen oder Stube aus leitfähig·« oder dielektrischem Material, wie etwa Metall oder Kunitharx, ersetzt ν·Γύ·η. In Al···· Fall· ν·1β·η die Stangen oder StMb* v«rsuf*w«i>« Einstellmittel auf, »it denen 4·Γ Orad Ihr·» linArlagwia in die entsprechenden, ia Gehäuse r«rf···*·»·& Öffnung«* eingeetellt werden kann.

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Die Schrauben können auch bezüglich des Resonators in ihrer Stellung verschoben werden und dennoch kann man die gleiche Wirkung erhalten. Der Grad der Verschiebung wird nun anhand der Fig. 5 und 6 beschrieben.

Jede der Schrauben kann, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, in Längsrichtung des Gehäuses 10 innerhalb einem Bereich von D, der gleich dem Durchmesser des Resonators ist, verschoben werden, während andererseits jede Schraube, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, in der Höhe innerhalb eines Bereiches von 2T verschoben werden kann.

Die vorderen Enden der Einstellschrauben können nicht nur ganz in der Nähe der dielektrischen Resonatoren angeordnet werden, sondern sie können auch mit den dielektrischen Resonatoren in Berührung kommen.

Selbstverständlich ist auch die Zahl der Einstellschrauben nicht alt eins begrenzt, sondern es können auch mehr als eine Einstellschraube für jeden dielektrischen Resonator vorgesehen werden.

Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsfornten sind für den Fach—im ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung. So kann die Erfindung nicht nur bei dem oben beschriebenen Mikrowellenbandfilter,

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sondern auch bei anderen Arten von Mikrowellenbandfiltern sowie bei Mikrostreifenfiltern und Hohlleiterfiltern, bei denen dielektrische Resonatoren verwendet werden» angewandt werden. Bei Verwendung der dielektrischen Resonatoren in anderen Arten von Mikrowellenbandfiltern, wie etwa Hohlleitern, kann der Ein- und Ausgang für den Durchlaß der Mikrowelle durch einfache Öffnungen an den beiden Enden des Durchlasses ausgebildet sein, anstelle der oben beschriebenen, als Stangen ausgebildeten Eingangs- und Ausgangsan-Schlüsse. Selbst bei der in Fig. 2 dargestellten AusfUhrungsform können die Einstellschrauben noch verändert werden und andere Formen annehmen, wie etwa eine Platten- oder eine Zylinderform. Auch können die Einstellschrauben entweder vom Gehäuse 10 isoliert oder mit dem Gehäuse 10 elektrisch verbunden sein.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Mikrowellenbandfilter, das eine von einer störenden Nebenmode begleitete Grundmode durchläßt, dadurch gekennzeichnet , daß es aufweistj

ein elektrisch abgeschirmtes Gehäuse (10) zur Bildung eines ilikrowellendurchlasses,

einen Ein- und Ausgang (15a, b) an den beiden gegenüberliegenden Enden des Durchlasses,

mindestens einen im Gehäuse (10) und zwischen dem Ein- und Ausgang (15a, b) angeordneten dielektrischen Resonator (11a, b, c), der bezüglich des Gehäuses (10) elektrisch isoliert und im Abstand zur Innenseite des Gehäuses (10) angeordnet ist,

mindestens einen Körper, der in der Nähe und an der Seite des dielektrischen Resonators (11a, b, c) vorgesehen ist, an der die Intensität des elektrischen Feldes der störenden Nebenmode hoch ist, durch den die störende Nebenmode von einem hohen in einen niedrigen Frequenzbereich verschoben, die Grundmode durch die Nebenmode überlappt und die Empfindlichkeitskennlinie der Grundmode verbessert wird.

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2. Mikrowellenbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ein- und Ausgang Ein- und Ausgangsanschlüsse (15a, b) aufweist, die sich von der Außenseite des Gehäuses (10) in dessen Inneres erstrecken und die innere Abschnitte aufweisen, die innerhalb des Gehäuseinneren vorgesehen und voneinander getrennt sind.

3. iiikrov/ellenbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper eine Einstellschraube (13a, b, c) ist, die durch das Gehäuse eindrehbar ist und deren eines Ende innerhalb aes Gehäuses in der Nähe des Resonators (11a, b, c) angeordnet ist.

4. i'Iikrowellenbandfilter nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Einstellschraube aus leitfähigem Material ist.

5. Ilikrowellenbandfilter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Einstellschraube aus dielektrischem Material ist.

6. Mikrowellenbandfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das eine Ende der Einstellschraube sich in einer Richtung erstreckt, die mit der Mittellinie des dielektrischen Resonators zusammenfällt.

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7. l-iikrowellenbandf ilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das eine Ende der Einstellschraube einen vorbestimmten Abstand von dem dielektrischen Resonator aufweist und ein Spielraum zwischen dielektrischem Resonator und dem einen Ende der Schraube besteht.

Θ. Mikrowellenbandfilter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß der Spielraum nicht kleiner als 0,3 min ist.

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