DE503747C - Einfacher oder kettenartig zusammengesetzter Wellenfilter mit Reihenschluss- und Nebenschlusszweigen - Google Patents
Einfacher oder kettenartig zusammengesetzter Wellenfilter mit Reihenschluss- und NebenschlusszweigenInfo
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Description
DEUTSCHES REICH
AUSGEGEBEN AM
31. JULI 1930
31. JULI 1930
REICHSPATENTAMT
PATENTSCHRIFT
KLASSE 21 g GRUPPE
International Standard Electric Corporation in New York
und Nebenschlußzweigen
Patentiert im Deutschen Reiche vom 31. Januar 1926 ab
ist in Anspruch genommen.
Die Erfindung betrifft elektrische Wellenfilter, die aus Gliedern aufgebaut sind, welche
Nebenschluß- und Reihenschlußimpedanzen enthalten. Sie bezieht sich insbesondere auf
die Anwendung gekoppelter Induktivitäten, durch die eine Wirkung erzielt werden kann,
welche der Wirkung einer negativen Induktivität in den Zweigen des Wellenfilters entspricht.
Mit dem Ausdruck »negative Induktivität« soll angedeutet werden, daß ein Blindwiderstand
erscheint, der einen negativen Phasenwinkel von etwa — 900 hat wie eine
Kapazität, dessen Betrag jedoch proportional der Frequenz ist, wie bei einer Induktivität.
Der Blindwiderstand ist also durch das negative Produkt einer konstanten Größe und der
Frequenz gegeben. Insbesondere handelt es sich um sogenannte Bandfilter, vorzugsweise
solche, welche nur ein Durchlässigkeitsband mit zwei endlichen, von Null verschiedenen
Grenzfrequenzen haben.
Bei den bekannten Wellenfiltern benutzte man im allgemeinen nur Elemente, die nicht
miteinander gekoppelt waren. Es sind aber auch induktiv gekoppelte Wellenfilter bekannt
geworden, bei denen an zwei Stellen in zwei verschiedenen Kettengliedern außer der magnetischen
noch eine kapazitive Kopplung vorhanden ist. Nach der Erfindung ist es nun möglich, gleiche Vorteile wie bei solchen
Filtern auf einfachere Art zu erreichen. Die Vorteile solcher Siebe liegen darin, daß bei
mehreren Frequenzen sehr hohe (bei Abwesenheit von dämpfenden Widerständen unendlich
hohe) Dämpfungen erreicht werden können. Nach der Erfindung enthält ein einfaches
oder kettenartig zusammengesetztes Wellenfilter mit Reihen- und Nebenschlußzweigen
in ,ähnlich liegenden Zweigen, die durch einen entgegengesetzt liegenden Zweig, der mindestens
eine Kapazität und eine Induktivität enthält, getrennt sind, miteinander gekoppelte
Induktivitäten. Die weiteren mit der Erfindung verknüpften Vorteile gehen aus der
weiteren Beschreibung hervor.
Durch Anwendung von Ringspulen und von abgeschirmten Kondensatoren war es möglich,
die Kopplung der Elemente fast vollständig zu vermeiden. Es hat sich aber gezeigt,
daß unter gewissen Umständen Ringspulen verhältnismäßig viel Kupfer verbrauchen und daß man wesentlich sparsamer mit
einfachen Solenoiden arbeiten kann. Solche Spulen haben indessen starke äußere Felder,
und man kann schwerlich die Gegeninduktivitäten vermeiden, es' sei denn, daß man
die Spulen sehr weit voneinander entfernt und ihre Achsen in zueinander senkrechte Richtungen
bringt.
Bei den Filtern nach der Erfindung ist es möglich, einige der Induktionsspulen zu Paaren
zusammenzustellen, deren gegenseitige Induktivität nutzbringend zur Festlegung der
Übertragungscharakteristiken verwendet wird, so daß die Schwierigkeit, die Induktivität so
aufzubauen, daß sie sich nicht stören, wesentt5 lieh vermindert wird. Weiter wird durch die
Anwendung dieser Spulen die Möglichkeit geschaffen, an Kupfer zu sparen. Ein besonderes
Kennzeichen des Erfindungsgegeiistandes
ist, daß die gegenseitige Induktivität zwisehen Spulen in zwei Zweigen des Wellenfiltergliedes
in der Wirkung einer negativen Induktivität gleichwertig ist, die in einen dritten
Zweig eingeschaltet ist. Die Wellenfilter erhalten dadurch wertvolle Eigenschaften, dia
mit positiven Induktivitäten allein nicht erreicht werden können.
Ausführungsformen der Erfindung sind beispielsweise auf der Zeichnung dargestellt.
Abb. 1,2 und 3 zeigen Ausführungsformen,
bei welchen gewisse grundlegende Beziehungen veranschaulicht sind.
Abb. 4 und 4a zeigen schematische Formen von FiltergHedern allgemeiner Art.
Abb. 5 und 5a zeigen andere allgemeine Formen.
Abb. 6 veranschaulicht gewisse Prinzipien, die sich im allgemeinen auf Siebketten oder
Filter beziehen.
Abb. 7 bis 12 inkl. stellen schematisch verschiedene
Ausführungsformen von Impedanznetzwerken dar.
Abb. 13 bis 18 inkl. zeigen die Impedanzkurven
der Netzwerke nach Abb. 7 bis 12. Abb. 19 bis 27 inkl. zeigen schematisch besondere
Beispiele von Wellenfiltern, die den Abb. 4 und 5 entsprechen.
Abb. 28, 29 und 30 veranschaulichen verschiedene Kurven des Filters gemäß Abb. 23.
Abb.· 31 und 32 zeigen die Ausführungsform eines zusammengesetzten Filters, der aus verschiedenen
Abschnitten nach den. Abb. 19 bis 27 besteht.
Die Theorie von Wellenfiltern ist äußerst eingehend in Verbindung mit schematischen
Anordnungen entwickelt worden, wobei diese Netzwerke aus aufeinanderfolgenden Reihien-
und Nebenschlußimpedanzen bestehen. Um daher die charakteristischen Eigenschaften der
Filter gemäß der Erfindung zu erläutern, ist es vor allem zweckmäßig, die gegenseitig gekoppelten
Systeme auf Kettenleiter zuriickzu-
führen, denen sie äquivalent sind. Die Eigenschaften
der äquivalenten Ausführungsformen kann man durch die Anwendung der bekannten
Prinzipien und Formehl bestimmen.
Abb. ι zeigt einen Vierpol, der aus zwei Selbstinduktionen L1 und L2 besteht, die miteinander
verbunden sind und eine gegenseitige Induktion M12 besitzen. Das Netzwerk ist geeignet,
Wellen zwischen den Klemmen A, C und B, D zu übertragen. Dieser Vierpol ist
einfach ein Transformator, dessen beide Windungen an der gemeinsamen Klemme C, D
miteinander verbunden sind, der so gewickelt ist, daß die gegenseitige Induktion die Gesamtinduktion
an den Klemmen .A und B vermehrt.
Nach den bekannten, sich auf Transformatoren beziehenden Prinzipien kann gezeigt
werden, daß das Netzwerk nach Abb. 1 dem Γ-Netzwerk gemäß Abb. 2 oder dem π-Netzwerk
gemäß Abb. 3 äquivalent ist. In Abb. 2 ist der Transformator durch zwei Reiheninduktivitäten
Lx -j- Mi2 und L2 -j- M12 sowie
eine negative Nebenschlußinduktivität —M12
ersetzt, bei der Ausführungsform gemäß Abb. 3' durch, zwei positive Nebenschlußinduktivitäten
und eine einzige negative Reiheninduktivität — L11 des Wertes
r _
-Ln —.
Mf2
M1.
Dabei ist zu bemerken, daß in jedem der äquivalenten Netzwerke gemäß Abb. 2 und 3
ein Zweig mit negativer Induktivität vorhanden ist, dessen Vorzeichen sich infolge der
Hintereinanderschaltung der Wicklungen gemäß Abb. 1 ergibt. Die gegenseitige Induktivität
der zwei sich unterstützenden Wicklungen wird gewöhnlich als positive Gegeninduktion
bezeichnet, was auch hier im folgenden geschehen soll.
Die allgemeinste'! Typen von Filtern nach der Erfindung sind in schematischer Form in
den Abb. 4 und 5 und entsprechend im äquivalenten Schema in den Abb. 4a und 5a dargestellt.
Diese Filterabschnitte haben symmetrischen Aufbau.
In Abb. 4 sind die gekoppelten Induktivitäten mit einem --Netzwerk verbunden, welches
eine Reihenimpedanz Z« und zwei gleiche Nebenschlußimpedanzen Zj enthält. Die beiden
Induktivitäten sind gleich und haben die Größe £ und eine gegenseitige Induktion M.
Die Impedanzen Za und Zj können aus irgendwelchen
Kombinationen von verlustfreien BHndwiderständen bestehen, für die nur. gewisse
beschränkende Bedingungen, welche an anderer Stelle der Beschreibung erläutert werden,
bestehen müssen, sobald der Filter nur ein einziges Frequenzband durchlassen soll.
Der Filter endet mit einem Nebenschluß. Wenn er mit anderen, ähnlichen Abschnitten
zu einer Folge verbunden wird, bildet er einen Kettenleiter, dessen Reihenzweige die gleiche
Impedanz besitzen wie der Reihenzweig des einzelnen, in den Abbildungen dargestellten
Abschnittes und dessen Nebenschlußzweige die halbe Nebenschliißimpedanz des einzelnen
Filters aufweisen. Wegen der gegenseitigen
ίο Induktion zwischen den Spulen L könnein symmetrische
Abschnitte dieser wiederkehrenden Anordnung nur durch Teilung in der Mitte der Nebenschlußimpedanz erhalten werden.
In Abb. 5 sind die gekoppelten Induktivitäten mit zwei gleichen Reihenimpedanzen Zg und einer Nebenschlußimpedanz Zh zu einem Γ-Netzwerk vereinigt. Das entsprechende äquivalente Netzwerk zeigt Abb. 5a. Die in diesen Abbildungen veranschaulichte Type endigt mit halber Reihenimpedanz und kann für sich nicht mit einem Nebenschlußende ausgeführt werden.
In Abb. 5 sind die gekoppelten Induktivitäten mit zwei gleichen Reihenimpedanzen Zg und einer Nebenschlußimpedanz Zh zu einem Γ-Netzwerk vereinigt. Das entsprechende äquivalente Netzwerk zeigt Abb. 5a. Die in diesen Abbildungen veranschaulichte Type endigt mit halber Reihenimpedanz und kann für sich nicht mit einem Nebenschlußende ausgeführt werden.
Die Beschränkungen, welche die Impedanzen Za und Zb der Abb. 4 und Zs und ZÄ der
Abb. 5 unterworfen sind, um nur ein einziges Durchlässigkeitsband zu bewirken, ergeben
sich am einfachsten aus dem Vergleich der Frequenzkurven der Reiben- und der der
Nebenschlußimpedanzen. Dabei ist anzunehmen, daß beide Impedanzen nur Blindwiderstände
enthalten, also insbesondere praktisch frei von Ohmschem Widerstand sind. In einem
idealen Wellenfilter würde somit Ohmscher Widerstand überhaupt nicht vorhanden sein,
während in der Praxis die WeUenfilter den idealen Kurven nahezu folgen, und zwar um
so mehr, je geringer der Ohmsche Widerstand der Elemente ist.
In einem einfachen, kettenartig zusammengesetzten Filter sind die Grenzen des Durchlässigkeitsbandes
durch die Beziehung bestimmt :
O:
• — ι
(2)
in welcher Z1 und Z2 die Reihen- und die
Nebenschlußimpedanzen des sich wiederholenden einfachen Filters sind oder die ganze
Reihen- bzw. die ganze Nebenschlußimpedanz der einfachen Filter.
Es ist klar, daß die Grenzen durch jene Frequenzen gebildet werden, für welche Z1
Null ist, vorausgesetzt, daß Z2 nicht Null ist, oder in anderen Worten, durch die Resonanzfrequenzen
der Reihenzweige, vorausgesetzt, daß die Nebenschlußzweige nicht gleichzeitig auch resonant sind. Grenzfrequenzen ergeben
sich auch, wenn Z2 unendlich ist, sobald also die Nebenschlußzweige stromresonant (gegenresonant)
sind, vorausgesetzt, daß die Reihenzweige bei den gleichen Frequenzen nicht auch stromresonant sind. Weiter ergeben sich
Grenzen, sobald
Z1 = — 4 Z2
(3)
oder wenn die Impedanz der Reihenzweige viermal so groß als die der Nebenschlußzweige
ist und entgegengesetztes Vorzeichen hat.
Typische Impedanzfrequenzkurven sind in Abb. 6 für Impedanzen veranschaulicht, in
welchen die Induktivitäten und Kapazitäten alle positiv sind. Die eine Kurve entspricht
den Reihen- und die andere den Nebenschlußimpedanzen eines Wellenfilters mit einem einzigen
Durchlässigkeitsbereich, und zwar die ausgezogene Kurve 1 der Reihenimpedanz und
die gestrichelte Kurve 2 der vierfachen Nebenschlußimpedanz. Das charakteristische Merkmal
der beiden Kurven ist die dauernd positive Steigung und die abwechselnde Aufeinanderfolge
von Spannungs- und Stromresonanzen.
Verschiedene Kombinationen von Blindwiderständen können entworfen werden, welche
die in der Abbildung dargestellten Impedanzkurven besitzen; die einfachsten Kombinationen
jedoch sind in dem besonderen dargestellten Falle für beide Impedanzen die gleichen,
nämlich zwei einfache Sperrkreise und eine Induktivität damit in Reihe. Die Stromresonanzfrequenzen
der beiden stromresonanten Kombinationen (Sperrkreise) der Reihenimpedanz
Z1 liegen bei ft und /4, und die entsprechenden
Frequenzen der Nebenschlußimpedanz sind /2 und /^.
Wenn man bewirkt, daß die Stromresonanzoder Sperrfrequenz/2 der Nebenschlußimpedanz
mit der Spannungsresonanzfrequenz der Reihenimpedanz zusammenfällt, werden zwei sonst unabhängige Bandgrenzen zusammengebracht;
durch Zusammenfallen der verbleibenden Resonanzfrequenzen /0 und /5 der
Reihenimpedanz mit den Resonanzfrequenzen des Nebenschlußzweiges und weiter der Sperrfrequenz
/4 der Nebenschlußimpedanz mit einer Sperrfrequenz der Reihenimpedanz wird die
Bildung von anderen Durchlässigkeitsbändern verhindert.
Das einzige Durchlässigkeitsband erstreckt sich dann zu beiden Seiten von /2 bis zu den
Grenzen fcl und /c2, an welchen die Ordinaten
der beiden Kurven gleich sind, aber entgegengesetztes Vorzeichen besitaen.
Die Bedingungen zur Erreichung eines einzigen Durchlässigkeitsbandes sind die folgenden:
Wenn beide Impedanzen die gleichen Resonanz- und Gegen- oder Stromresonanzfrequenzen
besitzen, wobei die Frequenzen Null und Unendlich eingeschlossen sind, so treten über-
haupt keine Durchlässigkeitsbänder auf. Wenn
die Reihenzweige eine unabhängige Resonanzfrequenz besitzen, so ergibt sich, ein einziger
Durchlässigkeitsbereich. Wenn die Neben
schlußzweige eine unabhängige Gegenresonanz- oder Sperrfrequenz besitzen, so wird
ein einziges Durchlässigkeitsband gebildet.. Wenn die unabhängige k Resonanzfrequenz!
des Reihenzweiges mit der unabhängigen ίο Sperrfrequenz des Nebenschlußzweiges zusammenfällt,
so ergibt sich ein einziges Band durch das Ineinandergehen der beiden
Bänder, die durch jede unabhängige Frequenz getrennt gebildet werden.
Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß Ausführungsformen von Wellenfiltern in
großer Anzahl und von großer Vielfältigkeit für einen einzigen Durchlässigkeitsber.eich
und für mehrere Durchlässigkeitsbereiche mit praktisch unbegrenzter Verschiedenheit erhalten
werden können.
Für die meisten Zwecke ist es jedoch notwendig oder wünschenswert, nur solche Ausführungsformen
in Erwägung zu ziehen, bei welchen nicht mehr als acht Elemente in dein
Reihen- und Nebenschlußzweigen zusammen vorhanden sind.
Bei den WeUenfilterabschnitten gemäß der Erfindung ist das neue Merkmal vorhanden,
daß ein Zweig, entweder der Reihen- oder der Nebenschluß, so wirkt, als ob er eine negative
Induktivität enthält und daher die Impedanzcharakteristik nicht die Eigenschaft einer
dauernd positiven Steigung zeigt. Das Vorhandensein der negativen Induktivität ist nur die Folge der induktiven Kopplung
von zwei Spulenwicklungen; aber da die Theorie von Wellenfiltern zunächst für den
Typ der Kettenleiter aus Reihen- und Nebenschlußimpedanzen
entwickelt worden ist, sollen für die theoretischen Betrachtungen die Ersatzbilder 4a und 5a benutzt werden, wähirend
der physikalische Aufbau aus den Abb. 4 und s ersehen werden kann.
Einige einfache Kombinationen, welche die Reihenimpedanzen des Filterabschnitts gemäß
Abb. 4a bilden können, sind in den Abb. 7, 8 und 9 dargestellt, während Kombinationen für
die Nebenschlußzweige gemäß der Abb. 5a in den Abb. 10, 11 und 12 veranschaulicht sind.
Die der negativen Induktivität in Abb. 4a entsprechenden Elemente, deren Wert in Ausdrücken
der Konstanten der gekoppelten Wicklungen nach Gleichung 1 gegeben ist,
sind mit — Ln in den Abb. y, 8 und 9 bezeichnet.
Die der negativen Induktivität der Abb. 5a entsprechenden negativen Elemente
sind in den Abb. 10, ix und 12 mit —M bezeichnet.
Die Impedanzfrequenzkurven dieser Kombinationen sind in den Abb. 13 bis 18 veranschaulicht.
Abb. 13 stellt die Impedanz der in Abb. 7 dargestellten Kombination dar;
Abb. 14 entspricht den Abb. 8 und 11; Abb. 15
entspricht auch der Abb. 8 unter Voraussetzung einer besonderen Beziehung zwischen
den Elementen; Abb. 16 zeigt die Impedanz der Kombination gemäß Abb. 9, und die
Abb. 17 und 18 entsprechen den Abb. 10
und 12.
Die Kombination nach Abb. 7 unterscheidet sich von der gewöhnlichen, stromresonanten
Kombination, dem Sperrkreis, dadurch, daß ihre Impedanz ein negatives Maximum erreicht,
anstatt unendlich zu werden, sobald die Reaktanzen der zwei Elemente numerisch gleich sind. Unter den gleichen Umständen
wird die Impedanz der einfachen Reihenkombination gemäß Abb. 10 (dem Betrage
nach) ein Minimum (Abb. 17) an Stelle von Null, welch letzteres eintritt, wenn die Induktivität
positiv ist.
Die Kombination nach Abb. 8 kann stromresonant werden bei einer Frequenz oberhalb
der Resonanzfrequenz des einfachen Schwingungskreises, der parallel zu der negativen
Induktivität liegt, unter der Bedingung, daß bei der Stromresonanz der positive Blindwiderstand
des Schwingungskreises numerisch dem Blindwiderstand der negativen Induktivität gleich ist. Wenn jedoch die Induktivität
in diesem Zweige kleiner ist als die negative Induktivität, so kann sich keine Stromresonanz
bei irgendeiner endlichen Frequenz ergeben. Abb. 15 entspricht diesem besonderen Falle.
Verschiedene Abschnitte von Bandfiltern, in welchen die Impedanzkombinationen der
Abb. 7 bis 12 verwendet sind, zeigen die Abb. 19 bis 27. Die Abschnitte gemäß Abb. 19
bis 24 enden in der Mitte des Nebenschlusses entsprechend der Abb. 4, während die Abb. 25
bis 27 in der Mitte der Reihenimpedanz entsprechend der Abb. 5 abschließen. In den
Ausführungsformen mit halbem Nebenschlußleitwert sind die negativen Induktivitäten der
Reihenglieder mit —Ln und in den mit der
Mitte des Reihenwiderstandes schließenden die negative Induktivität der Nebenschlußzweige
mit —M bezeichnet. In beiden Arten sind die Reiheninduktivitäten und Kapazitäten no
mit dem Index 1 und die Nebenischlußkoeffizienten mit dem Index 2 bezeichnet,
während ähnliche, in demselben Zweige vorkommende Größen durch, obere Indices unterschieden
sind. Die Faktoren 2 und 1J2 beziehen
sich auf die Endkoeffizienten, um die Verhältnisse an den Enden bei der Gliederbildung
auszudrücken.
Man kann explizite Formeln für die Induktivitäten und Kapazitätskoeffizienten in Ausdrücken
der kritischen Frequenzen und der Impedanz des Filters entwickeln, aber diese
Formeln erweisen sich in vielen Fällen der
Form nach als zu kompliziert und bei der Verwendung als zu beschwerlich, weshalb eine
besondere Art der Bestimmung angegeben wird, welche nicht nur bei Wellenfiltern gemäß
der Erfindung, sondern für alle Arten verwendbar ist.
Diese besondere Methode macht von der Kenntnis der Frequenzkurven der Reihen- und
ίο Nebenschlußimpedanzen Gebrauch, um die wichtigen Größen der Übertragungscharakteristik
des Filters zu bestimmen und veriwendet überdies die durch die Gleichung 2
ausgedrückte Beziehung, um den Durchlässigkeitsbereich festzulegen. Im allgemeinen ist
der Vorgang der gleiche wie bei der Entwicklung der expliziten Formeln für die Induktivitäten
und Kapazitäten, aber die mathematische Ausrechnung der Lösungen ist verao schieden.
Die Methode wird in Verbindung mit dem Entwurf eines Filters der in Abb. 23 dargestellten
Art veranschaulicht werden.
Die Impedanzfrequenzkurven der Reihen- und Nebenschlußimpedanzen sind in Abb. 28
dargestellt, wobei die voll ausgezogene Kurve die Impedanz des Reihenzweiges und die
gestrichelte Kurve die vierfache Impedanz des ganzen Nebenschlußzweiges darstellt. Die
Blindkomponenten allein sind dargestellt, da angenommen ist, daß die Elemente vernachlässigbaren
Widerstand besitzen. Die Ordinaten sind der Impedanz und die Abszissen der Frequenz proportional, doch abgesehen
davon, sind die Kurven nur richtig bezüglich der Form, geben aber kein besonderes numerisches
Beispiel.
Die im vorausgehenden näher erläuterten Bedingungen zur Erreichung eines einzigen
Durchlässigkeitsbandes erfordern, daß die Resonanzfrequenz des Reihenzweiges und die
Gegenresonanzfrequenz des NebenschlußiZweiges zusammenfallen. In den Abbildungen ist
diese gemeinsame Frequenz mit /,„ bezeichnet.
Das Band erstreckt sich zu beiden Seiten von fm bis zu den Grenzfrequenzen/C1 und /c2, bei
welchen die Ordinaten beider Kurven gleiche Länge und entgegengesetzte Vorzeichen habein.
Die Frequenz /0O1, bei welchen der Reihenzweig
gegenresonant ist, und die Frequenz /Oc2,
bei welchen der Nebenschlußzweig resonant ist, sind Frequenzen, bei welchen die Dämpfung
im Filter unendlich groß ist, und sie sind daher für die Bestimmung des Filters von wesentlicher Bedeutung.
Die beiden Impedanzen haben entgegengesetztes Vorzeichen bei Frequenzen oberhalb
foü2. Es könnte daher möglich erscheinen,
daß sich ein weiteres Durchlässigkeitsband in irgendwelchen höheren Bereichen ergibt, aber
dies ist unmöglich in Hinsicht auf bestimmte Beschränkungen bezüglich der relativen Werte
der effektiven Reihen- und Nehenschlußimpedanzen.
Die Form der Dämpfungskurve, welche mit diesem besonderen Filterglied erhalten wird,
ist in Abb. 30 dargestellt, in der der natürliche Logarithmus des Verhältnisses des Ein-
und Ausgangsstromes eines entsprechend abgeschlossenen einzelnen Abschnitts als Funktion
der Frequenz dargestellt ist. Mit geeignetem Abschluß ist gemeint, daß die Endimpedanzen
keine Reflexionsverluste bei allen Frequenzen bewirken, eine Bedingung, welchie
sich in der Praxis nur unvollständig verwirkliehen läßt.
Ein einzigartiges Merkmal der Dämpfungskurve ist das Vorhandensein von zwei Spitzen
auf der einen Seite des Bandes, bei welchen die Dämpfung unendlich wird. Diese ergibt
sich als die Folge der negativen Induktivität in dem einen Zweig des Abschnittes, wodurch
die beiden Resonanzfrequenzen Null und /,„ und ebenso die beiden Gegenresonanzfrequenzen
/Oo1 und Unendlich einander folgen.
Wenn für ein Wellenfilter ein bestimmter Aufbau gewählt ist, so lassen sich noch eine
Reihe von Bedingungen vorschreiben, z. B. die Grenzfrequenzen des Durchlässigkeitsbandes,
die Frequenzen, bei denen die Dämpfung unendlich wird und der Wellenwiderstand für
eine bestimmte Frequenz. Aus diesen Bedingungen läßt sich dann die Bemessung der einzelnen
Kondensatoren und Induktivitäten durch rechnerische oder graphische Verfahren
bestimmen.
Die Wellenwiderstände sind innerhalb des ganzen Durchlässigkeitsbereiches Ohmsche
Widerstände und mit der Frequenz veränderlich. Ein Beispiel dieser Veränderlichkeit des
Wellenwiderstandes mit der Frequenz ist in Abb. 29 für den in Abb. 23 dargestellten Abschnitt
dargestellt.
Zwischen den Bandgrenzen ist die Impedanz ein Ohmscher Widerstand und proportional
den Ordinaten der Kurve Ri1, außerhalb der
Bandgrenzen ist die Impedanz imaginär und proportional den Ordinaten der gestrichelten
Kurven Xj1.
Bei einem zwischen zwei festen Impedanzen wirkenden Filter können die Filterimpedanz ■
und die Endimpedanzen nicht für alle Frequenzen übereinstimmen, und das beste erreichbare
Ergebnis besteht in einer angenäherten Übereinstimmung innerhalb eines weiten Frequenzbereiches.
Wird z. B. die Impedanz bei der Frequenz /,„ als der Endimpedanz gleich angenommen,
so gibt dies befriedigende Ergebnisse, da die Impedanz in der Nähe dieser Frequenz sich weniger rasch ändert.
Die einfachen Filter gemäß Abb. 19 bis 27
können miteinander oder anderen Typen füi zusammengesetzte Filter kombiniert werden,
deren Gesamtdämpfung die Summe der Dämpfungen der einzelnen Abschnitte ist. Ein Beispiel
eines solchen zusammengesetzten Filters mit Abschnitten nach den Abb. 21, 23 und 26
ist in Abb. 31 dargestellt, während die Einzelheiten dieser Zusammensetzung aus Abb. 32
ersichtlich sind. Das Schema gemäß Abb. 31 entspricht dem der Abb. 4 und 5 und gibt
in der mehr gebräuchlichen Form die wirklichen Elemente des Filters. Das in der Abb. 32 angewandte Schema entspricht der
Abb. 4a und 5a und stellt ein Ersatzbild dar, wie es in der vorausgehenden Beschreibung
benutzt wurde. Der Filter enthält drei ganze Glieder S1, S3 und S5 und zwei Halbglieder
Y2 S2 und Vs Si- Die ganzen Abschnitte S1,
S3 und S5 entsprechen den Abb. 23, 26 und
21, so daß S1 und S5 in der Mitte des Nebenschlusses
und S3 in der Mitte des Reihenwiderstandes
aufhören. Die Halbglieder bieten ein geeignetes Mittel zur Verbindung zwischen den beiden Arten. Die verschiedenen
Induktivitäten und Kapazitäten sind in. der gleichen Weise wie die entsprechenden Größen
der Abb. 10 bis 27 bezeichnet, besitzen aber zusätzliche Indices zur Angabe der Nummer
des Abschnittes.
Bei einem zusammengesetzten Filter ist es von großer Bedeutung, daß !keine Reflexionsverluste an den Verbindungsstellen der verschiedenen
Abschnitte eintreten. Zu diesem Zwecke soll an jeder Verbindungsstelle der
Wellenwiderstand zweier miteinander verbundener Abschnitte der gleiche sein. Dies gilt
in Wirklichkeit nur bei einem unendlichen Filter, da bei einem endlichen Filter die Endimpedanzen
einen Unterschied zwischen dien wirklichen Impedanzen zu beiden Seiten der Verbindungsstelle und den Wellenwiderstand
den der verbundenen Abschnitte bewirkt. Die Gesamtwirkung der Endimpedanzen kann getrennt
aus deren Werten mit Beziehung auf die Wellenwiderstände der Endglieder bestimmt
und so in ^Hinsicht auf die dazwischenliegenden Verbindungsstelleini vernachlässigt
werden.
Das folgende, allgemein gültige Theorem ist von großer Bedeutung für den Entwurf
von zusammengesetzten Filtern: Wenn die beiden miteinander zu verbindenden Zweige dieselbe
Zusammenstellung von Elementen besitzen, so ist es immer möglich, die zu verbindenden
Abschnitte derart zu bemessen, daß ihre Wellenwiderstände bei allen Frequenzen
die gleichen sind, vorausgesetzt, daß die Grenzfrequenzen der Frequenzbänder der
verbundenen Abschnitte die gleichen sind. Ein allgemeiner Beweis für dieses Theorem
ist zwar nicht erbracht worden, aber seine Richtigkeit ist mathematisch an einer großen
Zahl wichtiger Fälle gezeigt worden, und bisher ist bei der Berechnung einer großen Anzahl
verschiedener Filterausführungen kein Fall festgestellt worden, für den es nicht gilt.
Die Nebenschlußzweige der einfachen Filter S1 und Y2 S2 bei der Ausführungsform
gemäß Abb. 32 besitzen gleichen Aufbau der Elemente, was auch bei den Reihenzweigen
der einfachen Filter Y2 S2 und S31 usw. bei
dem ganzen zusammengesetzten Filter der Fall ist.
Die verschiedenen einfachen Filter müssen daher so bestimmt werden, daß sie die gleichen
Grenzen des Durchlässigkeitsbereiches besitzen. Dies folgt nicht allein aus der allgemeinen
Betrachtung, sondern auch aus dei Tatsache, daß die Wellenwiderstände Ohmsche
Widerstände innerhalb des Durchlässigkeitsbandes und außerhalb desselben Blindwiderstände
sind und demzufolge bei allen Frequenzen nur übereinstimmen können, wenn die Bandgrenzen überall die gleichen sind.
Dort, wo die Verbindung zwischen einfachen Filtern erfolgt, die in der Mitte des Nebenschlusses
enden, müssen die Nebenschlußzweige bei den gleichen Frequenzen resonant sein, weil der Wellenwiderstand solcher Glieder
Null ist, sobald die Nebenschlußimpedanz go resonant ist. Aus einem analogen Grunde
müssen die miteinander verbundenen Reihenzweige bei den gleichen Frequenzen gegenresonant
sein.
In den Filtern gemäß der Erfindung wird die Gleichheit der Nebenschluß- und Reihenzweige
eines Abschnitts mit den entsprechenden Zweigen der anderen Abschnitte offensichtlich,
sobald der Aufbau so dargestellt wird, wie dies in Verbindung mit der Ausführungsform
gemäß Abb. 32 geschehen ist.
Der Vorgang beim Entwurf eines zusammengesetzten Filters ist beispielsweise der
folgende:
Die Art und die Anzahl der zu verwendenden einfachen Filter wird nach allgemeinen
Gesichtspunkten für die zu erreichende Gesamtdämpfung und das Erfordernis gewählt,
daß die miteinander zu verbindenden Zweige den gleichen Aufbau ihrer Elemente be- no
sitzen.
Die Konstanten für jeden Teilfilter werden rechnerisch oder graphisch bestimmt, nachdem
die geeigneten Grenzen des Frequenzbandes und der Frequenzen für unendliche Dämpfungen gewählt sind, wobei keine besondere
Rücksicht auf den Wellenwiderstand genommen wird.
Der Wellenwiderstand eines der Endglieder, z. B, S1, wird dann durch Veränderung
der Induktivität und der Kapazitäten in inversen Verhältnissen so lange berichtigt, bis
eine möglichste Übereinstimmung mit der Endimpedanz erreicht ist.
Um die anderen Filterglieder mit dem Endglied S1 gleich, zu machen, müssen ihre WeI-lenwiderstände
bei einer einzigem Frequenz bestimmt werden, und da die zu verbindenden
Glieder denselben Aufbau und die gleichen Sperrfrequenzen besitzen, so folgt aus
dem vorstehenden Theorem, daß die Wellen-
to Widerstandskurven an jeder Verbindungsstelle
eine ähnliche Form besitzen und daher aur bei einer einzigen Frequenz zur Gleichheit
gebracht werden müssen.
Die Impedanzen der Teilfilter werden aufeinanderfolgend, von dem bereits berichtigten
Endglied beginnend, richtiggestellt, wobei als einzige Frequenz, für welche die Berechnungen
gemacht werden, vorzugsweise eine nahe der Mitte des Übertragungsbereiches gewählt
wird.
Claims (6)
1. Einfacher oder kettenartig zusammengesetzter Wellenfilter mit Reihenschluß-
und Nebenschlußzweigen, dadurch gekennzeichnet, daß er in ähnlich liegenden Zweigen, die durch einen entgegengesetzt
liegenden Zweig, der mindestens eine Kapazität und eine Induktivität enthält, getrennt sind, miteinander gekoppelte Induktivitäten
enthält.
2. Wellenfilter nach Anspruch i, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kopplungssinn der beiden Induktivitäten derart ist,
daß die Gesamtinduktivität durch einen Strom, der beide Induktivitäten hintereinander
durchfließt, erhöht wird.
3. Wellenfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung
innerhalb eines Sperrbereiches für zwei verschiedene Frequenzen praktisch unendlich hoch ist.
4. Wellenfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3 aus einer Reihen- und zwei Nebenschlußimpedanzen
in Dreieckschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar gekoppelter Induktivitäten in Hintereinanderschaltung
parallel zu der Reihenschlußimpedanz liegt und der gemeinsame Punkt dieser Induktivitäten
mit dem gemeinsamen Punkt der Nebenschlußimpedanzen verbunden ist (Abb. 4).
5. Wellenfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3 aus zwei Reihenimpedanzen und einer
Nebenschlußimpedanz, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar gekoppelter Induktivitäten
in Hintereinanderschaltung zwischen den beiden Reihenimpedanzen Hegt und der gemeinsame Punkt der Induktivitäten
an die Nebenschlußimpedanz angeschlossen ist (Abb. 5).
6. Zusammengesetzter Wellenfilter mit mindestens einem Wellenfilter nach einem
der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine reflexionsfreie Verbindung der
Einzelfilter.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US5959A US1624665A (en) | 1925-01-31 | 1925-01-31 | Wave filter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE503747C true DE503747C (de) | 1930-07-31 |
Family
ID=21718564
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEST40565D Expired DE503747C (de) | 1925-01-31 | 1926-01-31 | Einfacher oder kettenartig zusammengesetzter Wellenfilter mit Reihenschluss- und Nebenschlusszweigen |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US1624665A (de) |
DE (1) | DE503747C (de) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2660712A (en) * | 1949-07-27 | 1953-11-24 | Rca Corp | Band pass filter |
US2783448A (en) * | 1950-09-29 | 1957-02-26 | Phillips Petroleum Co | Filter for seismic amplifier |
US3114889A (en) * | 1954-09-14 | 1963-12-17 | Rca Corp | Desired frequency coupling circuit having undesired frequency cancellation trap located at voltage null point for desired frequency |
US3122716A (en) * | 1961-08-24 | 1964-02-25 | Seg Electronics Co Inc | Electrical filter consisting of frequency discriminating section concatenated with all-pass complementary phase correcting section |
JP2936849B2 (ja) * | 1991-12-10 | 1999-08-23 | 株式会社日立製作所 | 広帯域ビデオ出力回路 |
-
1925
- 1925-01-31 US US5959A patent/US1624665A/en not_active Expired - Lifetime
-
1926
- 1926-01-31 DE DEST40565D patent/DE503747C/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US1624665A (en) | 1927-04-12 |
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