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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Bandpassfilter mit quasi-elliptischem
Antwortverhalten vom Typ Hohlleiter. Ein derartiger Filter kommt
insbesondere in Hochfrequenz-Übertragungssystemen zum
Einsatz.
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Die
Entwicklung von bidirektionalen Breitbandübertragungsvorrichtungen für den Massenmarkt
verlangt, dass eine Filtervorrichtung verwendet wird, welche beträchtlich
einschränkende
Bedingungen in Bezug auf Selektivität, Bandbreite, Sperrigkeit und
Kosten aufweist. Diese einschränkenden
Bedingungen sind auf der Ebene der auf der zur Trennung von Übertragung
und Empfang auf der Antennenseite durchgeführten Filterung beachtlich,
wenn Signale, die in zwei sehr nahe beieinander befindlichen Frequenzbereichen
liegen, voneinander getrennt werden müssen.
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Unter
den für
Millimeterfrequenzbereiche verwendbaren Filterungstechnologien zeigen
die Hohlleitertechniken einen Qualitätsfaktor, der ausreichend hoch
ist, um die Anforderungen zu erfüllen. Heute
handelt es sich bei den am meisten verwendeten Hohlleiterfiltern
um E-Ebenen-Filter mit dielektrischem Einsatz und H-Ebenen-Filter
mit induktiven Irisblenden.
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Über 40 GHz
und bei Filtern mit hoher Selektivität werden vorzugsweise H-Ebenen-Filter
mit induktiven Irisblenden verwendet. 1 zeigt
einen Bandpassfilter dritter Ordnung mit vier induktiven Irisblenden
mit Tschebyscheff-Empfindlichkeit.
Damit ein derartiger Filter eine hohe Selektivität besitzt, muss er eine hohe
N-te Ordnung haben, was zu einer Erhöhung der Anzahl der Irisblenden
führt, welche gleich
N + 1 ist. Jedoch bewirkt die Erhöhung der Anzahl von Irisblenden
auch eine Vergrößerung des
Filters.
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Um
die Selektivität
eines Irisblendenfilters zu erhöhen,
werden, wie beispielsweise aus dem Artikel von W. Menzel et al., „Planar
integrated waveguide diplexer for low cost millimeter-wave applications", EUMC, S. 676–680, September
1997, bekannt, in der Nähe
des Durchlassbandes Übertragungsnullstellen eingeführt. Die
Einführung
von Übertragungsnullstellen
erzeugt ein quasi-elliptisches Antwortverhalten, welches die Selektivität des Filters
verbessert. Andererseits wird die Einführung von Übertragungsnullstellen erreicht,
indem Leiterabschnitte (oder Resonanzhohlräume) hinzugefügt werden,
die senkrecht zur Hauptachse des Filters angeordnet sind und daher
die Kompaktheit des Filters reduzieren. Ferner sind die Anzahl und
die Positionierung der Übertragungsnullstellen
im Frequenzbereich wegen des zur Durchführung angewendeten Verfahrens
begrenzt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen H-Ebenen-Filter mit induktiven
Irisblenden vorzuschlagen, welcher ein quasi-elliptisches Antwortverhalten
aufweist und dennoch die gleiche Kompaktheit besitzt wie ein Filter
mit einem Tschebyscheff-Antwortverhalten. Eine zweite Aufgabe ist
die Fähigkeit, eine
große
Anzahl von Übertragungsnullstellen
zu verwenden. Daher wird ein Hohlleiterfilter mit induktiver Irisblende
vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Gleiteinsatz in einer Irisblende
eingesetzt ist.
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Aus
dem Artikel von H. Schmiedel et al., „Low cost waveguide filters
with printed circuit inserts",
1996, IEEE MTTS INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST, SAN FRANCISCO, 17.–21. Juni
1996, ist ein Herstellverfahren be kannt. Die Einsätze werden
auf eine Leiterplatte aufgedruckt, welche in dem Rechteck-Hohlleiter
positioniert ist. Die Einsätze
werden in einer parallel zu dem elektrischen Feld verlaufenden Ebene
angeordnet. Die Anordnung der Einsätze ist durch die Leiterplatte begrenzt.
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Hohlleiterfilter, welcher mindestens
einen durch mindestens zwei induktive Irisblenden begrenzten Hohlraum
aufweist. Der Filter weist ferner mindestens einen in einer der
induktiven Irisblenden angeordneten Gleiteinsatz auf.
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Unter
dem Begriff Gleiteinsatz ist ein Metalleinsatz zu verstehen, der
mit dem Hohlleiter nicht elektrisch verbunden ist, so dass sein
Potential ein in Abhängigkeit
von dem in dem Hohlleiter zirkulierenden elektromagnetischen Feld
gleitendes Potential ist.
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Nach
den verschiedenen bevorzugten Ausgestaltungen ist der Gleiteinsatz
näher am
Rand der Irisblende und nicht in der Mitte der Irisblende angeordnet.
Der Filter umfasst mindestens einen Block dielektrischen Schaumstoff
innerhalb des Hohlleiters. Der Gleiteinsatz wird auf den Schaumstoffblock
aufgedruckt. Der Schaumstoff besitzt eine relative Dielektrizitätskonstante
nahe 1.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Hohlleiterfilters, mit welchem ein Hohlleiter aus zwei Teilen
gefertigt wird, wobei der Hohlleiter mindestens einen durch zwei
Irisblenden begrenzten Hohlraum aufweist. Bevor die beiden Teile
des Hohlleiters zusammengesetzt werden, wird mindestens ein Block
dielektrischer Schaumstoff in den Hohlleiter eingesetzt. Der Block trägt mindestens
eine Metallisierung, welche mindestens einen Gleiteinsatz bildet.
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Vorzugsweise
wird der Einsatz durch ein Druckverfahren auf dem Schaumstoff hergestellt.
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Die
Erfindung wird leichter verständlich
und weitere Eigenschaften und Vorteile werden offensichtlich, wenn
die folgende Beschreibung gelesen wird, welche Verweise auf die
im Anhang aufgeführten
Zeichnungen enthält.
Es zeigen:
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1 zeigt
einen mit Irisblenden versehenen Hohlleiterfilter nach dem Stand
der Technik.
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2 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung
eines Gleiteinsatzes in einer Irisblende.
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3 zeigt
eine beispielhafte Ausgestaltung eines mit einem Gleiteinsatz versehenen
Hohlleiterfilters.
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4 zeigt
eine beispielhafte Frequenzantwort des Filters aus 3.
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5 und 6 zeigen
zwei beispielhafte Ausgestaltungen von Hohlleiterfiltern mit zwei
erfindungsgemäßen Einsätzen.
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7 und 8 zeigen
zwei beispielhafte Frequenzantworten der Filter aus 5 und 6.
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9 zeigt
eine Möglichkeit
der Herstellung eines erfindungsgemäßen Filters.
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2a zeigt
einen Metalleinsatz 1, welcher in einer durch zwei Einstellplättchen 2 und 3 begrenzte
Irisblende angeordnet ist. Der Metalleinsatz 1 wird auf
gleitende Weise angeordnet. Das heißt, dass er den Rand des Hohlleiters
nicht berührt
und somit in der Lage ist, mit einer Frequenz zu schwingen, welche
von seiner Länge
und der Ankopplung an das elektrische Feld abhängig ist. Die Ankopplung an
das elektrische Feld hängt
unter anderem von der Stellung des Einsatzes in Bezug auf die Mitte
des Hohlleiters und der Neigung des Einsatzes in Bezug auf die Achse
des Leiters ab. Derzeit existiert für die Bestimmung der Resonanzfrequenz
eines in einer Irisblende eingesetzten Einsatzes kein Rechenmodell.
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Das
für die
Dimensionierung des Einsatzes verwendete Verfahren besteht darin,
von einer Einsatzlänge
gleich λr/2 auszugehen, wobei λr die
Wellenlänge
entsprechend der gewünschten
Resonanzfrequenz ist. Anschließend
wird mit Hilfe einer elektromagnetischen Simulationsvorrichtung
die Resonanzfrequenz ausgewertet und danach die Größe des Einsatzes
verändert,
wie es aufgrund seiner Neigung und seiner Stellung in der Irisblende
in Abhängigkeit
des Ergebnisses der erfolgten Simulation möglich ist. Die Länge des
Einsatzes wird nach einigen Simulationsvorgängen erreicht und kann mit
Hilfe eines Prototypen noch weiter feineingestellt werden. Sollte
die Länge
des Einsatzes zu groß sein,
ist es grundsätzlich
möglich,
den Einsatz zu verbiegen, um einen C-förmigen (2b), einen
S-förmigen Einsatz
(2c) oder einen L-förmigen Einsatz (2d)
zu erhalten.
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Das
Vorhandensein eines Einsatzes in einem Hohlleiter bewirkt die Entstehung
einer Übertragungsnullstelle
für seine
Resonanzfrequenz. Der Einsatz wandelt einen einfachen Lei ter in
einen Bandsperrfilter mit hoher Selektivität um. Ein Nachteil ist, dass
der Einsatz unter wechselseitigem Einfluss mit dem Hohlleiter steht
und zusätzliche
Störungen erzeugt.
Bei Anordnung in einem Filter wird die Charakteristik des Filters
durch die Gegenwart des Einsatzes verändert.
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3 zeigt
einen Filter in perspektivischer Ansicht, welcher mit drei gegenseitig
gekoppelten Hohlräumen 4 und
mit zwei Zugangswegen 6 mittels vier Irisblenden 7 versehen
ist. Der in 3 gezeigte Filter umfasst einen
in einer Irisblende angeordneten Gleiteinsatz 1. Bei dem
in 3 gezeigten Filter handelt es sich um den in 1 gezeigten
Filtertyp, so dass das gleiche Durchlassband vorliegt. Der Gleiteinsatz
wird derart festgelegt, dass sich seine Resonanzfrequenz außerhalb
des Durchlassbandes befindet, damit die Unterdrückung des Filters an der Bandgrenze
gestärkt
wird. Hierbei wird die Übertragungsnullstelle
an einer Stelle angeordnet, an der die Flankensteilheit stark erhöht werden
muss.
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Um
das Feld im Filter und somit die Charakteristik des einsatzlosen
Filters nicht zu sehr zu stören,
wird der Einsatz vorzugsweise in der Nähe eines Einstellplättchens 2 angeordnet.
Es ist zwar möglich, den
Einsatz in der Mitte des Leiters, also dort, wo der Koeffizient
der Kopplung mit dem Feld am größten ist,
anzuordnen, aber der Filter muss dementsprechend erneut dimensioniert
werden, damit das gleiche Durchlassband aufrechterhalten wird, denn wenn
die Kopplung zu stark ist, wird die Charakteristik des Filters und
insbesondere sein Durchlassband sehr stark verändert.
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4 zeigt
ein mögliches
beispielhaftes Antwortverhalten des in 3 gezeigten
Filters im Vergleich zu dem in 1 gezeigten
Filter. Die Kurve 10 entspricht dem in 1 gezeigten
Filter, dessen Frequenzantwortverhalten dem Tschebysheff-Typ entspricht.
Die Kurve 11 entspricht dem Antwortverhalten des in 3 gezeigten
Filters, bei dem ein Einsatz mit der Frequenz 12 mitschwingt.
Die Kurve 11 entspricht einem quasi-elliptischen Antwortverhalten, welches
einen höheren
Grad an Unterdrückung
an der oberen Grenze des Durchlassbandes aufweist als ein dem Tschebysheff-Typ
entsprechendes Antwortverhalten. Das Durchlassband des Filters bleibt gleich.
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Selbstverständlich kann
es sein, dass die Hinzufügung
eines Einsatzes nicht ausreicht. Vorzugsweise werden mehrere Einsätze hinzugefügt. 5 zeigt
einen Filter mit zwei Einsätzen 50 und 51, welche
in zwei unterschiedlichen Irisblenden angeordnet sind. 6 zeigt
einen Filter mit zwei Einsätzen 52 und 53,
welche in derselben Irisblende angeordnet sind. Es ist absolut möglich, einen,
zwei oder mehr Einsätze
in jeder Irisblende anzuordnen; bei einem mit vier Irisblenden versehenen
Filter können
bis zu achte Einsätze
angeordnet werden, wodurch es möglich
wird, acht Übertragungsnullstellen
hinzuzufügen
und somit die auf der Ebene der Ränder der Antwort des Filter
erzeugte Wirkung nennenswert zu verstärken.
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Bei
Verwendung mehrerer Einsätze
sollte die Größe jedes
Einsatzes einzeln festgelegt werden. Danach wird eine Simulierung
des Filters durchgeführt,
die alle Einsätze
einschließt,
so dass die Größe der Einsätze feineingestellt
und die Einstellplättchen der
Irisblenden gegebenenfalls erneut dimensioniert werden können.
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7 zeigt
eine Antwortkurve 14 eines 5 oder 6 entsprechenden
Filters beziehungsweise eines Filters, für den die Resonanzfrequenzen
der Einsätze
auf derselben Seite des Durchlassbandes angeordnet sind. In Bezug
auf Kurve 11 ist für
Fachleute anzumerken, dass die von den beiden Einsätzen an
Kurve 14 erzeugte Wirkung einer verstärkten Wirkung entspricht.
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8 zeigt
eine Antwortkurve 15 eines 5 und 6 entsprechenden
Filters, für
den die Resonanzfrequenzen der Einsätze auf beiden Seiten des Durchlassbandes
angeordnet sind. Es ist offensichtlich, dass, sollen die Unterdrückungsränder auf jeder
Seite des Bandes erhöht
werden, eine höhere Anzahl
an Einsätzen
gewählt
werden kann.
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Für Fachleute
ist anzumerken, dass die Sperrigkeit eines erfindungsgemäßen Filters
in Bezug auf einen Filter ohne Übertragungsnullstelle gleich
bleibt. Außerdem
kann die Anzahl der Übertragungsnullstellen
gleich M·(N
+ 1) sein, wobei M für die
Anzahl der Einsätze
pro Irisblende und N für
die Ordnung des Irisblendenfilters steht, ohne dass die Sperrigkeit
des Filters verändert
wird.
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In
Bezug auf die Herstellung eines derartigen Filters sind zahlreiche
Verfahren möglich.
Das im Folgenden anhand von 9 beschriebene
Verfahren ermöglicht,
dass ein derartiger Filter zu niedrigeren Kosten hergestellt werden
kann.
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Ein
leitfähiger
Block 90 wird so geformt oder maschinell hergestellt, dass
er einem mit Irisblenden bildenden Einstellplättchen 91 bestückten Hohlleiter entspricht.
Eine leitfähige
Abdeckung 92 dient zum Schließen des Blocks 90,
so dass ein Hohlleiterfilter gebildet wird. Ein erster, zweiter
und dritter Block aus Schaumstoff 93 bis 95 werden
in dem Hohlleiter angeordnet, bevor die Abdeckung 92 geschlossen
wird. Die Schaumstoffblöcke 93 bis 95 bestehen
beispielsweise aus Polymethacrylat-Schaumstoff, welcher unter dem
Markennamen ROHACELL HF im Handel ist und beispielsweise durch Thermokompression
geformt wird. Im Allgemeinen sollte der verwendete Schaumstoff eine
relative Dielektrizitätskonstante εr nahe
1 sowie niedrige Verluste haben, beispielsweise in der Größenordnung
von 10–4,
so dass eine Metallisierung möglich
ist. Der erste und der dritte Block aus den Schaumstoffblöcken 93 bis 95 dienen
auch als Substrat für
die Metalleinsätze 96 und 97.
Die Einsätze 96 und 97 werden
mit Hilfe eines für
den gewählten
Schaumstoff geeigneten Verfahrens hergestellt. Bei der Metallisierung
handelt es sich beispielsweise um einen durch eine Maske erfolgenden
Auftrag einer leitfähigen
Farbe, wobei die einzupflanzenden Muster zuvor auf die Maske eingeschrieben
wurden. Bei der Farbe handelt es sich beispielsweise um Silberfarbe,
die einen ausreichenden mechanischen Griff aufweist, um auf dem
Schaumstoff zu verbleiben.
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Vorzugsweise
wird der gesamte Hohlleiter mit Schaumstoff ausgefüllt, um
ein homogenes Verbreitungsmedium zu erhalten. Es ist jedoch möglich, nicht
den gesamten Leiter mit Schaumstoff auszufüllen, wenn sich der Schaumstoff ähnlich wie
Luft verhält.
Beispielsweise kann ein einzelner Schaumstoffblock verwendet werden,
der die Einsätze
trägt und der
auf einer Seite oder in der Mitte des Leiters steckt.
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Es
ist offensichtlich, dass zahlreiche Varianten der Erfindung möglich sind.
Die Anzahl der Hohlräume
des Filters kann in Abhängigkeit
von den Anforderungen der jeweiligen Fachleute veränderlich gewählt werden.
Zahlreiche Arten von Schaumstoff können Verwendung finden. Die
Auswahl an leitfähigen
Farben ist relativ groß.
Die Einsätze
können
außer
mit dem Lackierverfahren auch mit einem Druckverfahren hergestellt
werden, beispielsweise durch Photolithographie einer einstückig mit
dem Schaumstoff hergestellten Metallschicht.