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Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Bandpaßfilter, der
eine Vielzahl von zylindrischen Leiterstangen aufweist, die in
einer Reihe mit vorgegebenen Abständen in einem durchgehenden
Raum angeordnet sind, welcher von einem langgestreckten
Gehäuse gebildet wird, das aus einem elektrisch leitenden
Material besteht und an allen Seiten geschlossen ist, wobei jede
Leiterstange an ihrem ersten Ende an dem Gehäuse angebracht
und mit diesem kurzgeschlossen ist und wobei jede Leiterstange
an ihrem zweiten Ende von dem Gehäuse beabstandet ist, so daß
jede Leiterstange zusammen mit dem Gehäuse einen koaxialen
Resonator bildet.
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Bei einem typischen Hochfrequenz-Bandpaßfilter der oben
angegebenen Art sind die Leiterstangen in dem Metallgehäuse durch
Trennwände in einzelne Abteilungen voneinander getrennt, die
jeweils einen koaxialen Resonator bilden. Die Kopplung
zwischen benachbarten Resonatoren wird entweder am
kurzgeschlossenen Ende auf induktive Weise mittels separater
Spulenstrukturen oder am offenen Ende der Resonatoren mittels getrennter
Kondensatorstrukturen erreicht. Eine andere übliche
Vorgehensweise besteht darin, jeden koaxialen Resonator mit einer
Leiterstange zu realisieren, die in einem vollständig separaten
Metallgehäuse angeordnet ist. Die Kopplung zwischen den Reso
natoren wird auch hier mit separaten Spulenstrukturen
gebildet, wie beispielsweise einem Leitungsdraht, der von einem
Resonatorgehäuse zu einem anderen durch Kopplungsöffnungen
läuft.
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Herkömmliche Filteranordnungen dieser Art sind großvolumig und
kompliziert. Weiterhin erfordern sie sehr viel Handarbeit und
sind schwierig abzustimmen, so daß sich infolgedessen eine
ausreichend genaue Reproduzierbarkeit der angestrebten
Filtereigenschaften in der Serienfertigung ebenfalls nur schwer
erreichen läßt. Beispielsweise muß bei Verwendung der oben
beschriebenen Leitungsdraht-Spule die Kopplung zwischen den Re-
sonatoren durch Biegen des Leitungsdrahtes der Spule
eingestellt werden.
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Ein anderer bekannter Filtertyp ist der sogenannte Comb-Line-
Filter, bei dem alle Leiterstangen statt in getrennten
Metallgehäusen oder in voneinander durch Trennwände getrennten
Abteilungen in einem einzigen durchgehenden Raum angeordnet
sind, der von einem Gehäuse gebildet wird, so daß eine offene
Filterstruktur erreicht wird, bei der die Kopplung zwischen
den Resonatoren direkt durch Kopplung zwischen den
Leiterstangen der Resonatoren gebildet wird. Daher ist der Filter im
Vergleich zu den vorstehend beschriebenen Filtern kleiner in
seinen Abmessungen und einfacher aufgebaut. Bei dieser
Filterart werden die Kopplungen zwischen den Leiterstangen durch
Einstellschrauben in der Decke des Gehäuses und durch
Verändem der Abstände zwischen den Leiterstangen eingestellt.
Solche Einstellmöglichkeiten können jedoch kein unterschiedliches
Filter-Ansprechverhalten bei einem und demselben Filter für
verschiedene Anwendungsfälle liefern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Hochfrequenz-Bandpaßfilter bereitzustellen, der kleinere
Abmessungen aufweist, einfacher aufgebaut ist und im Vergleich
zu früher leichter abstimmbar ist.
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Dies wird mit einem Hochfrequenz-Bandpaßfilter der in der
Einleitung beschriebenen Art und der aus Fig. 1 der
US-Patentschrift US 34 96 493 bekannt ist, erreicht, der
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das zweite Ende von jeder
Leiterstange einen Bereich aufweist, der verglichen mit dem
übrigen Bereich der Leiterstange einen größeren Durchmesser
besitzt, und daß die Art der Kopplung zwischen jedem von zwei
benachbarten koaxialen Resonatoren so ausgebildet ist, daß sie
vorwiegend kapazitiv oder vorwiegend induktiv vorgegeben ist
durch das Einstellen des Verhältnisses zwischen einem Abstand
zwischen den ersten Enden der Leiterstangen der koaxialen
Resonatoren und einem Abstand zwischen den Bereichen mit größe
rem Durchmesser.
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Gemäß der Erfindung weist das nicht angeschlossene Ende der
Leiterstange, d.h. ihr offenes Ende, einen Knopf auf, der
einen Durchmesser hat, welcher größer ist als der des
Schaftbereiches der Leiterstange, was die kapazitive Kopplung
zwischen benachbarten Leiterstangen verstärkt. Da der kapazitive
Anteil in der Kopplung benachbarter Resonatoren vom Abstand
zwischen den Knöpfen und der induktive Anteil der Kopplung von
den Abständen zwischen den Schaftbereichen abhängt, kann
entweder die kapazitive oder die induktive Kopplung vorherrschend
gemacht werden, indem man das Verhältnis zwischen den zwei
Abständen variiert. Da die Art der Kopplungen (induktiv oder
kapazitiv) den Ort der Sperrbereiche beeinflußt, können
verschiedene Kombinationen von kapazitiven und induktiven
Kopplungen verschiedene Filterverhalten mit Sperrbereichen
hefern, die oberhalb und unterhalb des Durchlaßbereiches
zueinander symmetrisch oder asymmetrisch sind. Der Ausdruck
"asymmetrische Sperrbereiche" bedeutet, daß der eine
Sperrbereich steiler ist als der andere. In Fällen, in denen nur ein
Sperrbereich mit einer steilen Flanke benötigt wird, kann der
erfindungsgemäße Filter mit einem kleineren Volumen erreicht
werden als ein symmetrischer Filter, der einen entsprechenden
Q-Wert aufweist.
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Bei dem Filter gemäß der vorliegenden Erfindung kann das
Volumen-Effizienz-Verhältnis (das Verhältnis der elektrischen
Eigenschaften des Filters im Vergleich zu seinem Volumen) ferner
durch ein gesteuertes Überspringen eines Signals von dem einen
Resonator über einen anderen Resonator auf einen dritten
Resonator verbessert werden, wobei diese Eigenschaft durch
Verwendung des erfindungsgemäßen zylindrischen Knopfes erreicht
wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist die Leiterstange einen zylindrischen Schaftbereich,
dessen eines Ende derart am Gehäuse angebracht ist, daß die
Stelle der Anbringung in Längsrichtung des Filters
verschiebbar ist, um die Abstände zwischen den Leiterstangen
einzustellen,
und einen zylindrischen Knopfbereich auf, der einen
größeren Durchmesser aufweist und der so angeordnet ist, daß er
am zweiten Ende des Schaftbereiches konzentrisch oder
exzentrisch einstellbar angebracht ist. Das Filterverhalten kann
leicht wie gewünscht eingestellt werden, indem die Stelle der
Anbringung des Schaftbereiches und die Exzentrizität zwischen
dem Schaftbereich und dem Knopf eingestellt wird. Diese
Einstellungen können in einer speziellen Montage- oder
Einstelleinrichtung durchgeführt werden, was in Serienfertigung eine
sehr hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit gewährleistet.
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Die Erfindung wird nachstehend noch detaillierter unter
Bezugnahme auf die zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht des mechanischen
Aufbaus eines Bandpaßfilters gemäß der Erfindung;
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Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten Bandpaß
filter, dargestellt in einer Querschnittsansicht
entlang der Linie A-A in Fig. 1;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer
Leiterstange, die zur Verwendung im Filter gemäß der
vorliegenden Erfindung geeignet ist, und der Anbringung der
Stange am Gehäuse;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines
anderen Bandpaßfilters gemäß der Erfindung; und
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Fig. 5 und 6 Darstellungen von Filterkurven, die mit dem
Bandpaßfilter gemäß der vorliegenden Erfindung
erreicht werden können.
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Gemäß Fig. 1 und 2 weist der Hochfrequenz-Bandpaßfilter ein
rechteckiges, langgestrecktes Gehäuse auf, das an allen Seiten
geschlossen ist und das Stirnplatten 2A und 2B, eine
Deckplatte 2C, eine Bodenplatte 2D und Seitenplatten 2E und 2F
besitzt. Das Gehäuse kann aus einem dünnen Metallblech oder
einer dünnen Isolatorplatte gebildet werden, die mit elektrisch
leitfähigem Material beschichtet ist. Das Metallgehäuse kann
auch mit einem anderen Metall, wie beispielsweise Kupfer,
beschichtet werden, um die Filtereigenschaften zu verbessern.
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Die das Gehäuse bildenden Platten 2A bis 2F bilden dazwischen
einen durchgehenden Raum 9, der sich im wesentlichen über die
gesamte Länge des Gehäuses erstreckt. In dem Raum 9 sind sechs
zylindrische Leiterstangen untergebracht, die mit
vorbestimmten Abständen in einer Reihe angeordnet sind, wobei jede
Leiterstange an ihrem unteren Ende an der Bodenplatte 2D des
Gehäuses angebracht und mit dieser kurzgeschlossen ist und an
ihrem oberen Ende von der Deckplatte 2C des Gehäuses
beabstandet ist, so daß die Leiterstange zusammen mit dem Gehäuse
einen koaxialen Resonator bildet. In diesem Resonator ist die
Leiterstange der innere Leiter, und das Gehäuse ist der äußere
Leiter. Jede Leiterstange weist einen zylindrischen
Schaftbereich 3, vorzugsweise eine Stange oder ein Rohr aus Kupfer,
wobei das untere Ende des Schaftbereiches an der Bodenplatte
2D des Gehäuses angebracht ist, und einen zylindischen
Knopfbereich 4 auf, der vorzugsweise aus Kupfer besteht und am
oberen Ende des Schaftbereiches 3 angebracht ist, wobei der
Knopfbereich 4 einen Durchmesser aufweist, der größer ist als
der des Schaftbereiches 3.
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Der Aufbau der Leiterstange und ihre Anbringung an der
Bodenplatte 2D des Gehäuses ist detaillierter in Fig. 3
dargestellt, bei der das untere Ende des Schaftbereiches 3 an der
Bodenplatte mittels einer Befestigungsschraube 32 angebracht
ist, die von der Außenseite des Gehäuses durch ein Montageloch
31 in der Bodenplatte 2D in eine mit einem Innengewinde
versehene Ausnehmung in das untere Ende des Schaftbereiches
eingeschraubt ist. Das Montageloch 31 in der Bodenplatte 2D weist
zumindest in der Längserstreckung der Bodenplatte einen
größeren Durchmesser als die Befestigungsschraube 32 auf, so daß
die Stelle der Anbringung des Schaftbereiches 3 an der
Bodenplatte innerhalb der durch das Montageloch 31 vorgegebenen
Grenzen in Längsrichtung des Filters verschoben werden kann,
um so die Abstände zwischen den Leiterstangen einzustellen.
Eine Unterlegscheibe 33 mit einem größeren Durchmesser als dem
des Montageloches 31 ist zwischen dem Kopf der Schraube 32 und
dem Bodenblech 2D vorgesehen. Der zylindrische Knopf 4 weist
ein Montageloch 42 auf, das sich axial durch ihn hindurch
erstreckt. Eine Befestigungsschraube 43 legt den Knopf 4 am
Schaftbereich 3 fest, die durch ein Montageloch 42 in eine mit
einem Innengewinde versehene Ausnehmung im oberen Ende des
Schaftbereiches eingeschraubt wird. Der Durchmesser des
Montageloches 42 ist größer als der Durchmesser der
Befestigungsschraube 43. Dies gestattet es, den Knopfbereich 4 am
Befestigungsort relativ zum Schaftbereich 3 radial zu verschieben, um
so den Knopfbereich 4 relativ zum Schaftbereich 3 konzentrisch
oder mit einem gewünschten Grad an Exzentrizität zu
befestigen. Durch Einstellung der Exzentrizität zwischen dem
Schaftbereich 3 und dem Knopfbereich 4 kann der Abstand zwischen den
Knöpfen 4 benachbarter Leiterstangen eingestellt werden. In
der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist eine
Unterlegscheibe 44 mit größerem Durchmessser als dem des Montageloches
42 zwischen dem Kopf der Befestigungsschraube 43 und dem Knopf
4 vorgesehen. Weiterhin ist die obere Fläche des Knopfes 4 mit
einer Ausnehmung 41 für den Kopf der Schraube 43 und die
Unterlegscheibe 44 vorgesehen, wobei die Ausnehmung 41 für die
oben beschriebene radiale Einstellung Raum bereitstellt.
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Nochmals bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Abstimmschraube 5
aus Metall in der Deckplatte 2C des Gehäuses oberhalb des
Knopfes 4 vorgesehen, wobei sich die Abstimmschraube 5 in den
Innenraum 9 des Gehäuses 1 erstreckt. Der Abstand des unteren
Endes der Abstimmschraube 5 von der oberen Oberfläche des
Knopfes 4 bestimmt den Grad der Massekapazität C1 zwischen dem
Gehäuse 1 und dem Knopf 4, die durch eine in gebrochenen
Linien eingezeichnete Kapazität C1 veranschaulicht ist. Mittels
der Abstimmschraube 5 kann die Massekapazität und damit die
Resonanzfrequenz eines einzelnen Resonators eingestellt
werden. Die Deckplatte 2C des Gehäuses 1 weist weiter eine
Abstimmschraube 6 aus Metall auf, die sich in das Gehäuse 1
innerhalb des Bereiches zwischen zwei benachbarten Leiterstangen
erstreckt. Diese Abstimmschraube gestattet die Feineinstellung
der Kapazität zwischen den Knöpfen 4 zweier beliebiger
benachbarter Leiterstangen und somit der Kopplung zwischen
benachbarten
Resonatoren. In der in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsform ist der Eingang des Filters durch eine Drahtschleife
7 gebildet, die sich in das Gehäuse 1 durch einen in der
Bodenplatte 2D vorgesehenen Einlaß 10 erstreckt, wobei das Ende
der Drahtschleife innerhalb des Gehäuses an die Bodenplatte 2D
angeschlosssen ist. Die Drahtschleife 7 ist in einem Raum
zwischen der einen Stirnplatte 2A des Gehäuses und der ihr
nächsten Leiterstange angeordnet. In entsprechender Weise ist der
Ausgang des Filters durch eine Drahtschleife 8 gebildet, die
sich durch einen Einlaß 11 in einen Raum zwischen der
gegenüberliegenden Stirnplatte 2B und der ihr nächsten Leiterstange
erstreckt, wobei das eine Ende der Drahtschleife 8 an die
Bodenplatte 2D angeschlossen ist. Die Drahtschleifen 7 und 8
bilden Spulen, die induktiv mit den Schaftbereichen 3 der
nächsten Leiterstange gekoppelt sind. Wie sich aus dem obigen
ergibt, wird gemäß der Erfindung eine Filteranordnung vom
offenen Comb-Line-Typ bereitgestellt, bei der die Kopplungen
zwischen den Resonatoren direkt durch die induktive und/oder
kapazitive Kopplung zwischen den Leiterstangen 3, 4 der
Resonatoren gebildet wird, wie dies durch den in gebrochener Linie
dargestellten Kondensator CM1 und die Spule LM1
veranschaulicht wird. Die kapazitive Kopplung oder die induktive
Kopplung kann als vorherrschende Kopplung zwischen zwei
benachbarten koaxialen Resonatoren eingestellt werden, und zwar
dadurch, daß das Verhältnis von einer Distanz d1 zwischen den
Schaftbereichen 3 der Leiterstangen der koaxialen Resonatoren
zu einer Distanz d2 zwischen den Knöpfen 4 eingestellt wird.
Beispielsweise kann diese Einstellung in der in Fig. 3
gezeigten Leiterstangenanordnung dadurch erreicht werden, daß die
Stelle der Anbringung des Schaftbereiches an der Bodenplatte
2D eingestellt wird, um so die Distanz d1 zu variieren,
wohingegen die Distanz d2 durch Einstellung der Exzentrizität
zwischen dem Knopf 4 und dem Schaftbereich 3 variiert wird.
Allgemein gesprochen wird die kapazitive Kopplung CM1 zwischen
den Knöpfen 4 vorherrschend, wenn die Distanz d2 abnimmt.
Diese Kopplung läßt sich durch die Abstimmschraube 6 fein
einstellen.
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Bei dem Filter gemäß der Erfindung können sowohl Kopplungen,
in denen die kapazitive Kopplung vorherrschend ist, als auch
Kopplungen, in denen die induktive Kopplung vorherrschend ist,
auch in Kombination Verwendung finden, je nach der gewünschten
Gestalt des Filterverhaltens. Auf diese Weise können
verschiedene Filterverhalten erreicht werden, in denen der obere und
der untere Sperrbereich des Filters zueinander symmetrisch
oder asymmetrisch sind.
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Die Gestaltung des Filterverhaltens oder der Filterkurve gemäß
der Erfindung ist in den Fig. 4, 5 und 6 veranschaulicht. Fig.
4 zeigt schematisch die Anordnung des erfindungsgemäßen
Filters mit sechs Resonatoren, die in der Reihenfolge von
Filtereingang zum Filterausgang mit A, B, C, D, E und F bezeich
net sind. Die in Fig. 4 gezeigte Filteranordnung ist bis auf
eine Trennwand 2G, die zur Verstärkung der Struktur des
Gehäuses 1 vorgesehen ist, zu der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten
Anordnung ähnlich. Die Trennwand 2G erstreckt sich von der
Deckplatte 2C des Gehäuses 1 zwischen den Resonatoren C und D
über einen Teil der Höhe des Gehäuses 1 nach unten, so daß ein
Zwischenraum zwischen der Trennwand 2G und der Bodenplatte 2D
verbleibt. Durch diesen Zwischenraum kann induktive Kopplung
zwischen den Resonatoren C und D aufgebaut werden, und der
Zwischenraum verbindet die sich an den gegenüberliegenden
Seiten der Trennwand befindenden Räume zu einem durchgehenden
Raum. Obwohl die Trennwand 2G vorwiegend dazu gedacht ist, den
Aufbau des Gehäuses 1 zu versteifen, beeinflußt sie
unvermeidlich auch die Kopplung zwischen den Resonatoren C und D, und
zwar dadurch, daß sie kapazitive Kopplung unterdrückt, so daß
die induktive Kopplung vorherrschend ist. In diesem speziellen
Fall ist es selbstverständlich nicht möglich, die kapazitive
Kopplung zwischen den Resonatoren C und D durch Variation des
Abstandes zwischen den Knöpfen 4 einzustellen. Dies muß
natürlich bei der Konstruktion des Filters berücksichtigt werden;
die Trennwand beeinflußt jedoch den Aufbau und die
Eigenschaften des erfindungsgemäßen in keiner weiteren Weise. Anstelle
der Trennwand 2G kann auch eine Trennwand Verwendung finden,
die sich von der Bodenpiatte 2D über einen Teil der Höhe des
Gehäuses 1 nach oben erstreckt. Diese Trennwand würde die
kapazitive Kopplung zwischen den Resonatoren C und D
vorherrschend machen, was wiederum bei der Planung der elektrischen
Eigenschaften des Filters berücksichtigt werden sollte.
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Fig. 5 veranschaulicht ein Filterverhalten, das mittels des in
Fig. 4 gezeigten Filters erhalten werden kann, wenn die
kapazitive Kopplung zwischen den Resonatoren D und E und den
Resonatoren E und F vorherrschend ist und die induktive Kopplung
bei den anderen Kopplungen zwischen den Resonatoren
vorherrschend ist. In Fig. 5 sind die Sperrbereiche oberhalb und
unterhalb des Durchlaßbereiches zueinander asymmetrisch, so daß
der Sperrbereich oberhalb des Durchlaßbereiches eine steilere
Flanke aufweist als der Sperrbereich unterhalb des
Durchlaßbereiches.
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Fig. 6 zeigt ein Filterverhalten, das mittels des in Fig. 4
gezeigten Filters erhalten werden kann, wenn die kapazitive
Kopplung zwischen den Resonatoren B und C und zwischen den
Resonatoren E und F und die induktive Kopplung bei den anderen
Kopplungen zwischen den Resonatoren vorherrschend ist. Fig. 6
veranschaulicht ebenfalls ein asymmetrisches Filterverhalten,
bei dem der Sperrbereich unterhalb des Durchlaßbereiches eine
steilere Flanke aufweist als der Sperrbereich oberhalb des
Durchlaßbereiches. Das Verhältnis der Länge des
Schaftbereiches der Leiterstange zur Höhe des Knopfes 4 liegt
vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 6,5 bis 7,5. Das
Verhältnis des Durchmessers des Schaftbereiches 3 der Leiterstange
zum Durchmesser des Knopfes 4 liegt vorzugsweise innerhalb des
Bereiches von 0,5 bis 0,6. Die kapazitive Kopplung ist
vorherrschend, wenn das Verhältnis d1:d2 zwischen 2,8 und 3,
liegt, und die induktive Kopplung ist vorherrschend, wenn das
Verhältnis d1:d2 zwischen 2,2 und 2,4 liegt.