DE2928733A1

DE2928733A1 - Mikrowellenfilter

Info

Publication number: DE2928733A1
Application number: DE19792928733
Authority: DE
Inventors: Albert Edward Williams
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1978-07-19
Filing date: 1979-07-17
Publication date: 1980-02-07
Also published as: JPS5530295A; CA1128617A; GB2030786A; GB2030786B; SE7905841L; FR2431774A1; FR2431774B1; IT7968492A0; US4246555A

Description

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Wellenleiterfilter oder Hohlleiterfilter und insbesondere Bandpaßfilter, die mit elliptischen Funktionen ungerader Ordnung arbeiten und mehrfach gekoppelte hochwertige Hohlräume verwenden. 05

Die Zusammensetzung und der Aufbau von mehrfach gekoppelten, hochwertigen Wellenleiterfiltern ist bereits in der technischen Literatur behandelt worden, beispielsweise in den folgenden Veröffentlichungen: 10

J.D. Rhodes,"The Generalized Direct-Coupled

Cavity Linear Phase Filter", IEEE Transactions MTT, Band MTT-18, Nr. 6, Juni 1970, Seite 308 bis 313; 15

A.E. Atiä et al, "Narrow-Bandpass Waveguide Filters", IEEE Transactions MTT, Band MTT-18, Nr. 4, April 1972, Seite 258 bis 264; und
20

A.E. Atia et al, "Narrow-Band Multiple-Coupled Cavity Synthesis", IEEE Transactions CAS, Band CAS-21, Nr. 5, September 1974, Seite 649 bis 655.
...'■". _ .

Die in den oben genannten Veröffentlichungen beschriebenen Anordnungen können Übertragungsfunktionen t (s) der folgenden Form erzeugen

N(s)
t(s) = —— (D

wobei s = j(o> - 1/«), D(s) ein Hurwitz Polynom, dessen Ordnung gleich der Anzahl der Hohlräume ist, und N(s) ein gerades Polynom ist, dessen Ordnung 0 gegeben ist

90 9886/07 10

durch

οΓν(8)1 = ofb(s)] - 2.

Das bedeutet, ein Bandpaßfilter mit einem Ansprechverhalten oder einer Durchlaßkurve gemäß einer elliptischen Funktion gerader Ordnung kann erzeugt werden, nicht aber eine Durchlaßkurve ungerader Ordnung. Beispielsweise ist für eine übertragungsfunktion fünfter Ordnung die maximale Ordnung vonfN(s)"] = 2, während eine wirkliche Durchlaßkurve gemäß einer elliptischen Funktion fünfter Ordnung eine gerade Funktion vierter Ordnung Tn(s)J realisieren muß.

Ein Bandpaß-Mikrowellenfilter dritter Ordnung ist von R.M. Kurzrok beschrieben worden, und zwar in "General Three-Resonator Filters in Waveguide", IEEE Transactions MTT, Band MTT-14, 1966, Seite 46 und 47. Diese Art von Filter kann eine der Konfigurationen aufweisen, die in Fig. 1a oder 1b dargestellt sind. Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, besitzt die Anordnung nach Fig. 1a sämtlich magnetische (positive) Kopplungen mit Serienkopplungen zwischen den nebeneinanderliegenden Hohlräumen 1 und 2 bzw. 2 und 3 sowie mit einer Kopplung zwischen nicht nebeneinanderliegenden Hohlräumen 1 und 3. Die Anordnung nach Fig. 1b besitzt die gleiche Ordnung von Kopplungen zwischen nebeneinanderliegenden und nicht nebeneinanderliegenden Hohlräumen, mit der Ausnahme, daß eine negativ ist. Das Verhältnis von Spannungsbauch und Strom ist gegeben durch

V. \ /R + j λ JM₁₉ 'JM₁^ in ι / ±z ±j

JM

12

JM₁₃ JM

909886/0710

13 ^J"23

2328733

■* 5 —

wobei der Zähler N(X) £λ = <J - (1/ω) der Spannungs übertragungsfunktion sich ausdrücken läßt als

Ν(λ) cc (AM₁₃-M₁₂M₂₃) (3).

Die Geometrie der Anordnung nach Fig. 1a mit sämtlich positiven Kopplungen ergibt dann eine wirkliche Null oberhalb des Durchlaßhandes, während die Anordnung der Geometrie nach Fig. 1b mit einer negativen Kopplung die Null unterhalb des Durchlaßbandes liefert. Beide Durchlaßkurven sind asymmetrisch. Obwohl dies bei einigen Anwendungszwecken nützlich sein kann, stellte die Um-Wandlung dieser Durchlaßkurven in symmetrische Filterdurchlaßkurven gemäß elliptischer Funktionen ungerader Ordnung ein erstrebenswertes Ziel dar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Wellenleiterfilter oder Hohlleiterfilter anzugeben, die symmetrische Durchlaßkurven gemäß elliptischer Funktionen ungerader Ordnung besitzen. Die Lösung ergibt sich aus der Bedeutung der Gleichung (3). Zwei symmetrische Null-Werte des Durchlaßbandes werden erzeugt, wenn M₁₃ positiv ist, wenn Xpositiv ist, und wenn M₃ negativ ist, wenn λ negativ ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man M₁₃ zu einer Resonanzirisblende macht, deren Resonanz bei der selben Frequenz auftritt wie die der hochwertigen Hohlräume und deren Serienreaktanz (X) sich folgendermaßen schreiben läßt:

X =/k ω - - J =-kA

(4)

909886/0710

wobei k das Verhältnis der Serienresonanz-Flankenparameter der Resonanzirisblenden und des Resonanzhohlraumes ist. Das Filter dritter Ordnung kann dann auf eines n-ter Ordnung ausgedehnt werden, und zwar mit folgendem allgemeinen Ergebnis. Die Serienkopplungen 1-2, 2-3, 3-4, ..., (n - 1) - η müssen vorhanden und einfache konstante Kopplungen (M..) sein. Darüber hinaus müssen die nicht nebeneinanderliegenden Hohlräume 1-3, 2-4, ..., (n - 3) (n-1), (n-2)-n durch Resonanzirisblenden gekoppelt sein. Die einfachen Kopplungen können einfache Kopplungslöcher in der gemeinsamen Wand zwischen nebeneinanderliegenden Hohlräumen sein, während die Resonanzkopplungen als nicht kurzschließende Schrauben in einem Fenster zwischen Hohlräumen ausgebildet sein können.

15

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

20

Fig. 1a und 1b geometrische Anordnungen und Ubertragungskurven von gekoppelten Bandpaß-Mikrowellenfiltern dritter Ordnung;

Fig. 2a und 2b ein erfindungsgemäßes Mikrowellenfilter

gemäß einer elliptischen Funktion dritter Ordnung sowie seine äquivalente Schaltung;

Fig. 3a und 3b ein erfindungsgemäßes Mikrowellenfilter gemäß einer elliptischen Funktion n-ter Ordnung mit η als ungerader ganzer Zahl sowie seine äquivalente Schaltung; und in

Fig. 4 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der experimentellen und theoretischen Durchlaßkurven

909886/0710

-7 - ■"■..;■ 2328733

des Mikrowellenfilters gemäß elliptischer Funktion dritter Ordnung nach Fig. 2a.

Fig. 2a zeigt ein Mikrowellenfilter mit einer Durchlaßkurve gemäß einer elliptischen Funktion dritter Ordnung und weist Hohlräume 1, 2 und 3 auf, die so angeordnet sind, daß eine Stirnwand des Hohlraumes 2 jeweils zu einer Hälfte gemeinsam mit den Stirnwänden der Hohlräume 1 und 3 angeordnet ist, die ihrerseits eine gemeinsame

TO Seitenwand besitzen. Die Kopplung zwischen den nebeneinanderliegenden Hohlräumen 1 und 2 und zwischen den nebeneinanderliegenden Hohlräumen 2 und 3 erfolgt durch einfache Kopplungslöcher 4 bzw. 5. Jedes dieser Kopplungslöscher ist zentral hinsichtlich des gemeinsamen Stlrn- wandteiles der entsprechenden nebeneinanderliegenden Hohlräume angeordnet. Teilwandbereiche 6 und 7 der gemeinsamen Seitenwand der Hohlräume 1 und 3 bilden ein Fenster zwischen diesen Hohlräumen. Zentral in diesem Fenster ist eine Resonanzkopplungsschraube 8 angeordnet.

Diese Schraube steht von der Bodenwand des Filters in der in der Zeichnung dargestellten Weise in Richtung der Deckwand vor, berührt diese Deekwand jedoch nicht. Die Resonanzkopplungsschraube erscheint elektrisch als eine Serieninduktivität und -kapazität, wobei die Induktivität durch den Schraubenkörper und die Kapazität durch den Spalt zwischen dem Ende der Schraube und der Deekwand bestimmt sind.

Die Teilwandbereiche 6 und 7 bilden ein Fenster, das die Hohlräume 1 und 3 teilt. Die Größe dieser Fensteröffnung zusammen mit dem Durchmesser der Resonanzkopplungsschraube bestimmen den Wert des Parameters k in Gleichung (4). Wie nachstehend näher beschrieben, ist dieser Parameter wichtig für das Einstellen der Durchlaßkurve

— ft «·:

909886/07 10

der Filterübertragungsfunktion. Der Eingang und der Ausgang des Filters werden von koaxialen Fühlern 9 bzw. gebildet, die zentral in den breiten Deckenwänden der Hohlräume 1 und 3 angeordnet sind. Die in Fig. 2a angegebenen Kantenabmessungen für die Hohlräume sind solche für ein 20 MHz-Bandpaß-Mikrowellenfilter mit Zentrum bei 3890 MHz, das tatsächlich gebaut und getestet wurde.

Fig. 2b zeigt die äquivalente Schaltung. Der Einfachheit halber sind die Kopplungen M-- und M-- gleich ausgebildet und werden durch einfache Kreisloch-Magnetkopplungen und 5 (M) realisiert. Die Resonanzkopplung (M₁₃ = kX ) wird durch die Resonanzkopplungsschraube 8 realisiert, die ungefähr λ/4 lang ist. Die Spannungsbauch-Strom-Gleichung, die diese Schaltung beschreibt, läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

+ j(l + k)A jM JkA I 0 I = J JM JA JM

JkA JM R +j(l + k)A/ 1 i₃

oder V = Z_mI (5b).

Die übertragungsfunktion)t(λ)I ² = ⁴| ^v _Out^^Vin|^{2 ist} dann gegeben durch

|t(A)|² = 4R²|(Z_m)-y² (6).

Die Parameter R, M und k können nun dadurch bestimmt werden, daß man die Gleichung (6) mit der nachstehenden

— 9 —

909886/0710

übertragungsfunktion eines Filters gemäß einer elliptischen Punktion dritter Ordnung vergleicht:

l^{t(M|2 =}

wobei ε eine Konstante ist, die die Welligkeit des Durchlaßbandes bestimmt, ζ die Null der charakteristischen Funktion und ρ der Pol der charakteristischen Funktion ist. Die Parameter sind durch folgende Gleichungen miteinander

verknüpft: '

_{15 Z}2 ₌ (

(1 + 2K)

-2Γ1²) (9)

Diese Relationen wurden verwendet, um das 20 MHz-Bandpaßfilter dritter Ordnung mit Zentrum bei 3890 MHz zu bauen.

Die Prinzipien des Mikrowellenfilters gemäß elliptischer Funktion dritter Ordnung lassen sich in der in den Fig. 3a und 3b dargestellten Art und Weise generalisieren. Fig. 3a zeigt schematisch die Geometrie der Hohlräume eines Mikro-

2Q wellenfilters mit einer Durchlaßkurve gemäß einer elliptischen Funktion n-ter Ordnung, wobei η eine ungerade ganze Zahl ist. Die einfachen Kopplungen zwischen nebeneinanderliegenden Hohlräumen 1-2, 2-3, 3-4, ... (n - 1) η werden durch "c" repräsentiert, während die Resonanzkupplungen zwischen nicht nebeneinanderliegenden Hohl-

- 10 -

909886/0710 "..:'."-

räumen 1-3, 3-5, ...,, (η - 2) - η durch "R" repräsentiert sind. Die gleiche Konvention wird bei der schematischen Darstellung der äquivalenten Schaltung in Fig. 3b verwendet. Bei der Gegenüberstellung mit der Anordnung nach Fig. 2a stellt man fest, daß die einfachen Kopplungen und die Resonanzkopplungen der Anordnung nach Fig. 3a in den Seitenwänden bzw. Stirnwänden angeordnet sind, anstatt umgekehrt. Mit anderen Worten, diese Kopplungen können entweder in den Stirnwänden oder Seitenwänden angeordnet werden, wobei die Wahl einer Angelegenheit der Ausgestaltung ist, die von den Grenzen der gesamten physikalischen Dimensionierung abhängen, die für den Filter zur Verfügung stehen.

Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung zur Erläuterung der experimentellen und theoretischen Durchlaßkurven des in Fig. 2a dargestellten Filters, wobei ein Vergleich dieser Kurven eine ausgezeichnete Korrelation bestätigt.

Mehrfach gekoppelte, hochwertige Hohlräume werden zur Erzeugung von Mikrowellen-Bandpaßfiltern mit Durchlaßkurven gemäß elliptischen Funktionen ungerader Ordnung verwendet, wobei eine minimale Anzahl von Hohlräumen zur Anwendung gelangt, die durch einfache und Resonanzkopplungen aneinander angeschlossen werden. Dabei wird gemäß der Erfindung eine spezielle Ausführungsform eines 20 MHz- Bandpaß-Mikrowellenfilters mit Zentrum bei 3890 MHz und drei Polen angegeben. Die Kopplungen zwischen den Hohlräumen können dabei entweder in den Stirnwänden oder aber in den Seitenwänden angeordnet sein. Die einfachen Kopplungen können einfache Kopplungslöcher und die Resonanzkopplungen nicht kurzschließende Schrauben in einem Fenster zwischen den jeweiligen Hohlräumen sein.

909886/0710

-M-

Lee rs ei te

Claims

MEISSNER ά BO LTE BREMEN PATENTANWÄLTE -DIPL.-1 NO. HANS MEISSNER DIPL.-ING. ERICH BOLTE D 2800 BREMEN 1, Sievogtstraße 21 Bundesrepublik Deutschland TeIeL* 0^HkJ Telegramme: PATMEIS BREMEN Telex: 246157 (meibo d) Datum L. . " - . J - Unser Zeichen Ihr Zeichen Mikrowellenfilter Pate η tan sprüche

1./ Schmales Bandpaß-Mikrowellenfilter, mit einer Durchlaßkurve gemäß einer elliptischen Funktion ungerader Ordnung, g e k e η η ζ e i c h η e t durch η Hohlräume (1, 2, 3), wobei η eine ungerade ganze Zahl größer 1 ist, die so angeordnet sind, daß sie gemeinsame Seitenwand- und Stirnwandteile mit nebeneinanderliegenden und nicht nebeneinanderliegenden Hohlräumen aufweisen, und durch einfache Kopplungen (4, 5) zwischen nebeneinanderliegenden Hohlräumen (1-2, 2-3) und durch Resonanzkopplungen (8) zwischen nicht nebeneinanderliegenden Hohlräumen (1-3).

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die einfachen Kopplungen einfache

98 86/0710 - 2 -

glnaesa.idte Modelle werden nach 2 Monaten, falls nicht iurudcgafordert, yernicfitet. Mündlicha Abraden, Insbesondere durch Fernsprecher, bedürfen schriftlicher 8ss~ic1tigung. — Die in Rechnung gestellten Kostin sind mit R.jcliniingsdatum ohne Abzug fällig. — Bei verspäteter Zahlung werden Bankzinsen berechnet.

Gedchtsstand und Erfüllungsort Bremen. ' '

Bremer 3-nk, Bremen, Nr 2 510 025 0\& Sparkasse in Bremen, Nr. 104 5855 Postscheckkonto: Hamburg 339 52-202

Kopplungslöcher (4, 5) sind, die zentral in den gemeinsamen Seitenwand- oder Stirnwandteilen nebeneinanderliegender Hohlräume (1-2, 2-3) angeordnet sind.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Resonanzkopplungen nicht kurzschließende Schrauben (8) sind, die zentral innerhalb eines Fensters (6, 7) in den jeweiligen gemeinsamen Seitenwand- und Stirnwandteilen nicht nebeneinanderliegender Hohlräume (1-3) angeordnet sind, und daß die Breite des Fensters (6, 7) und der Durchmesser der Schraube (8) jeweils die Serienreaktanz der Resonanzkopplungen und damit die Filterdurchlaßkurve bestimmen.

909886/0710