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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen zusammengesetzten Mikrowellen-Multimoden-Resonator mit einem Resonanzhohlraum
und ein dielektrisches Resonatorelement, das im Innern des Hohlraums
angeordnet ist. Ein Resonator dieser Art eignet sich insbesondere
für einen
Einsatz in Mikrowellenfiltern, da er durch ein relativ schmales
Band erregt werden kann, das nur Frequenzen um die Resonanzfrequenz
des Resonators umfasst. Um diesen Resonator in einem Filter verwenden
zu können, muss
auch eine Vorrichtung zum Koppeln von Mikrowellenenergie (HF-Energie)
vorgesehen werden, um erstens HF-Energie in den Eintritt des Filters
zu injizieren und zweitens HF-Energie aus dem Austritt des Filters
zu extrahieren. Dieser Filter umfasst im Allgemeinen auch eine Abstimmvorrichtung,
die ein Einstellen der Frequenz jeder Hauptresonanzmode des Resonators
ermöglicht.
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In herkömmlicher Ausführung umfasst
ein Multimoden-Filter auch eine Vorrichtung zum Koppeln von Energie
zwischen den Moden, wobei diese Vorrichtung vorteilhafterweise verstellbar
ist, um eine Übertragung
von Energie zwischen den Moden einzustellen.
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Ein Filter und ein Resonator bekannter,
herkömmlicher
Art sind beispielsweise in dem Patent US-4 489 293 an S. FIEDZIUSZKO
beschrieben, das in der vorliegenden Anmeldung wegen der darin enthaltenen
Beschreibung des Standes der Technik speziell erwähnt wird.
In diesem Patent ist ein Filter aus einer Vielzahl zusammengesetzter
Zweimoden-Resonatoren gebildet, die in Reihe angeordnet und durch
Kopplervorrichtungen, zum Beispiel Koppelblenden oder Schlitze,
zusammengekoppelt sind.
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Der zusammengesetzte Resonator dieses bekannten
Geräts
ist in 1 gezeigt. Er
umfasst zylindrische Rundkörper 27 aus
dielektrischem Material, die in einem zylindrischen Hohlraum 3, 5 angeordnet
sind, wobei die Symmetrieachsen des Hohlraums und der Rundkörper zusammenfallen.
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Der Hohlraum selbst weist Abmessungen auf,
die klein genug für
die vorgesehene Betriebsfrequenz des zusammengesetzten Resonators
sind, die kleiner als die Grenzfrequenz des Hohlraums bei Fehlen
eines dielektrischen Elements sein soll.
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Der herkömmliche Zweimoden-Filter 1 umfasst
zwei orthogonale Moden und für
jede dieser Moden auch eine Vorrichtung zum Abstimmen der Frequenz,
wobei dies im vorliegenden Beispiel die Abstimmschrauben 29, 31 sind,
die aus den Wänden des
Hohlraums in dessen Innenraum hineinragen und die auf der Wand um
die Symmetrieachse des Hohlraum herum um jeweils 90° voneinander
beabstandet sind.
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Bei diesem bekannten Gerät ist auch
eine Koppelschraube 33 vorgesehen, die eine Übertragung
von HF-Energie zwischen den beiden einzustellenden orthogonalen
Moden ermöglicht,
wobei die Schraube 33 in einem Winkel von 45° zu den beiden
anderen Schrauben, den Abstimmschrauben 29, 31,
angeordnet ist.
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Trotz des technischen und industriellen
Erfolgs des im vorstehenden Dokument offenbarten Filters bestehen
dennoch einige praktische Probleme bei dessen Realisierung und Betrieb.
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Erstens ist es recht schwierig, den
dielektrischen Zylinder im Innern zu positionieren, da dieser von
separaten Halteelementen getragen werden muss. Der Aufbau muss eine
gute Reproduzierbarkeit und eine gute Maßhaltigkeit aufweisen, aber ohne
dass dadurch die HF-Felder
beeinflusst werden, die bei Betrieb des Resonators in diesem anzutreffen
sind.
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Zweitens ist die thermische Leitfähigkeit
zwischen dem dielektrischen Resonator und den Wänden im Allgemeinen schlecht,
da Materialien, die geeignete HF-Eigenschaften für die Herstellung der verschiedenen
Halteelemente aufweisen, üblicherweise
keine guten Wärmeleiter
sind.
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Drittens bleibt der herkömmliche
Filter relativ schwer und sperrig, insbesondere für bordinterne
Anwendungen wie beispielsweise Kommunikationssysteme in Satelliten,
Flugzeugen oder auf mobilen Plattformen zu Lande oder auf See.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung eines zusammengesetzten Multimoden-Resonators,
insbesondere für
Mikrowellenfilter, der leichter und kompakter als herkömmliche
zusammengesetzte Resonatoren ist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines Mikrowellenfilters, der einen
solchen zusammengesetzten Resonator umfasst.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines zusammengesetzten Resonators
mit Merkmalen, die eine einfachere industrielle Realisierung begünstigen,
während
das optimierte Betriebsverhalten erhalten bleibt. Zu diesem Zweck
ist der erfindungsgemäße Resonator
einfacher zusammenzubauen und abzustimmen.
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Diese Ziele und weitere, im Folgenden
genannte Vorteile werden durch einen zusammengesetzten Multimoden-Resonator,
insbesondere für
Mikrowellenfilter, erreicht, der einen Resonanzhohlraum und ein
in diesem Hohlraum angeordnetes dielektrisches Resonatorelement
umfasst, wobei
der Hohlraum zumindest teilweise durch leitende Wände geschlossen
ist, und der Resonator ferner folgende Merkmale umfasst:
eine
erste Abstimmvorrichtung zum Einstellen des Resonators auf eine
erste Resonanzfrequenz auf einer ersten Achse;
eine zweite
Abstimmvorrichtung zum Einstellen des Resonators auf eine zweite
Resonanzfrequenz entlang einer rechtwinklig zur ersten Achse angeordneten
zweiten Achse;
einen Modekoppler, um ein Koppeln von Resonanzenergie
zwischen der ersten und der zweiten Achse zu ermöglichen, damit die Resonanzenergie
auf einer der beiden Achsen mit der Resonanzenergie auf der jeweils
anderen Achse gekoppelt werden und diese dadurch erregen kann; und
das
Resonatorelement im Wesentlichen plan ist und eine Dicke und einen
Umriss aufweist; wobei der Resonator dadurch gekennzeichnet ist,
dass
der Umriss des Resonatorelements im Wesentlichen die Form
eines Polygons mit n Seiten und n Spitzen aufweist, und diese Spitzen
durch die leitenden Wände
des Hohlraums über
elektrische bzw. HF-Kontakte zwischen diesen Spitzen und den Wänden miteinander
kurzgeschlossen sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Polygon ein Parallelogramm mit vier Seiten und vier Spitzen.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist
das Polygon ein Dreieck mit drei Seiten und drei Spitzen.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen
ist der Hohlraum in Form eines Hohlzylinders ausgeführt, dessen
Querschnitt rechtwinklig, kreisförmig oder
viereckig ist, während
das Resonatorelement viereckig, rautenförmig oder dreieckig ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
umfasst das Resonatorelement eine oder mehrere Öffnungen oder Aussparungen
im Innern des Umrisses, um Störmoden
nahe der gewünschten
Betriebsmoden wegzulenken oder gar zu eliminieren. Bei einer anderen
vorteilhaften Ausführungsform
kann dasselbe Ziel durch einen oder mehrere Abschnitte größerer Dicke
auf der Innenseite des Umrisses erreicht werden.
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Gemäß eines weiteren vorteilhaften
Merkmals umfasst das Resonatorelement eine Vielzahl von Abschnitten
größerer Dicke
an den Spitzen des Umrisses, um die Wärmeleitfähigkeit zu den Wänden des
Hohlraums zu erhöhen.
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Gemäß eines weiteren vorteilhaften
Merkmals umfasst der Umriss eine oder mehrere Einkerbungen, die
ebenfalls zum Weglenken oder Eliminieren von Störmoden oder auch zum Bewirken
einer Kopplung zwischen orthogonalen Moden geeignet sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Mikrowellenfilter wenigstens einen zusammengesetzten
erfindungsgemäßen Resonator
mit einer Erregungsvorrichtung, einer Vorrichtung zum Extrahieren
von Energie und Kopplervorrichtungen zwischen den Resonatoren, wenn mehr
als ein Resonator vorgesehen ist. Als Kopplervorrichtungen können beispielsweise
Schlitze oder Koppelblenden vorgesehen sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden in der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen
in Zusammenhang mit den beigefügten,
nachfolgend aufgeführten
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des herkömmlichen,
vorstehend beschriebenen dielektrischen Resonatorfilters;
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2 eine
schematische Draufsicht eines Mikrowellen-Multimodenfilters mit
einer Vielzahl erfindungsgemäßer zusammengesetzter
Resonatoren;
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3 eine
schematische Schnittansicht bei III-III durch den Filter von 2;
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4 eine
schematische Ansicht, welche die orthogonalen TE-Moden des dielektrischen
Resonators von 3 zeigt;
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5 ein
Diagramm, das – übereinander
liegend – eine
Transmissionskurve T und eine Reflexionsverlustkurve R zeigt, die
beide in dB als Funktion der Frequenz in MHz gezeichnet sind;
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6 eine
schematische Seitenansicht einer Variante des erfindungsgemäßen dielektrischen Resonators,
die durch eine Kombination zweier dielektrischer Resonatoren der
in 3 und in 4 gezeigten Art in einem
Winkel von 90° zueinander
erreicht wurde, um einen dreidimensionalen Resonator zu bilden;
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7 eine
Ansicht des dielektrischen Resonators von 6 von oben;
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8 eine
Ansicht des dielektrischen Resonators von 7 von einem Ende aus;
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9 eine
schematische, perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen dielektrischen
Resonators, wie in 6, 7 und 8 gezeigt;
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10 eine
schematische Schnittansicht eines weiteren zusammengesetzten Resonators
gemäß der Erfindung,
bei dem der dielektrische Resonator nicht in mechanischem Kontakt
mit den Wänden
des Resonanzhohlraums steht, mit diesen Wänden aber dennoch hochfrequent
kurzgeschlossen bleibt;
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11 eine
schematische Ansicht des zusammengesetzten Resonators von 10 in einem Schnitt bei
XI-XI;
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12 eine
schematische Schnittansicht einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen zusammengesetzten
Resonators, bei dem der dielektrische Resonator HF-Kontakt mit den
Wänden
hat, bei dem die mechanische Halterung des Resonators jedoch durch
Einkerbungen bereitgestellt wird, die in die Wände eingearbeitet sind;
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13 eine
schematische Schnittansicht des zusammengesetzten Resonators von 12 bei XIII-XIII;
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14 eine
schematische Draufsicht einer Variante des dielektrischen Resonators,
welcher einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Resonators
bildet und ein Koppeln zwischen zwei orthogonalen Moden mit einer
Begrenzung der Eindringtiefe der Koppelschraube ermöglicht;
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15 eine
schematische Seitenansicht des Resonators von 14;
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16 eine
schematische Draufsicht einer weiteren Variante des dielektrischen
Resonators gemäß der Erfindung,
der so geformt ist, dass größere Kontaktbereiche
zwischen dem Resonator und den ihn umgebenden Wänden entstehen;
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17 eine
schematische Seitenansicht des Resonators von 16;
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18 eine
schematische Draufsicht einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen dielektrischen
Resonators mit einem in dessen Mitte angeordneten Leerraum zum Eliminieren
unerwünschter Störmoden;
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19 eine
schematische Seitenansicht des Resonators von 18;
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20 eine
schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen zusammengesetzten
Resonators, der einen dielektrischen Resonator von im Wesentlichen
viereckigem Querschnitt im Innern eines Resonanzhohlraums kreisförmigen Querschnitts
umfasst; und
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21 eine
schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines zusammengesetzten
Resonators, der einen dielektrischen Resonator von parallelogrammförmigem Querschnitt
im Innern eines Resonanzhohlraums rechtwinkligen Querschnitts umfasst;
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22 eine
schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators,
der einen dielektrischen Resonator von im Wesentlichen dreieckigem
Querschnitt im Innern eines Resonanzhohlraums kreisförmigen Querschnitts
umfasst;
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23 ein
Diagramm, das – übereinander liegend – eine Transmissionskurve
T und eine Reflexionsverlustkurve R für den zusammengesetzten Resonator
von 22 zeigt, die beide
in dB als Funktion der Frequenz in MHz gezeichnet sind.
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In allen Figuren, die als nicht einschränkende Beispiele
verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung und einige der wichtigsten Varianten derselben zeigen,
beziehen sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche Elemente. Die
Figuren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht immer maßstabsgerecht.
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1,
die im Vorstehenden bereits beschrieben wurde, zeigt einen herkömmlichen
Mikrowellenfilter mit einem zusammengesetzten Resonator. Der Filter
umfasst einen Eintrittshohlraum 3, einen Austrittshohlraum 5 und
wahlweise einen oder mehrere Zwischenhohlräume 7, die schematisch
durch gestrichelte Linien und durch eine Unterbrechung entlang der
Achse des Filters zwischen den Hohlräumen 3 und 5 angedeutet
sind.
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Die Hohlräume 3, 5 und 7 sind
innerhalb einer Länge
des zylindrischen Wellenleiters 9 mittels einer Vielzahl
von Querwänden 11a, 11b, 11c, 11d, die
diese Hohlräume,
zumindest zum Teil, an jedem der beiden Enden eines jeden Hohlraums
verschließen,
elektrisch abgegrenzt. Der Wellenleiter und die Querwände bestehen
aus Materialien, die vom Fachmann üblicherweise für die Herstellung
dieser Geräte verwendet
werden.
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Der Filter bekannter Art umfasst
auch eine Sondenanordnung 13, die zum Koppeln von Mikrowellenenergie
verwendet wird, die aus einer externen Quelle zum Eintrittshohlraum 3 gelangt.
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Wie in 2 gezeigt
ist, umfasst die Sonde 13 einen Koaxialverbinder 15,
einen Isolierblock 17 und eine kapazitive Sonde 19,
die in den Eintrittshohlraum 3 eindringt, um eine Resonanzmode
derselben zu erregen. In diesem bekannten Filter ist die erregte
Mode die Hybridmode HE111. Mikrowellenenergie wird dann vom Eintrittshohlraum 3 zum
optionalen Hohlraum bzw. zu den optionalen Hohlräumen 7 über eine
erste Kopplervorrichtung 21, die in diesem Fall eine erste
kreuzförmige
Koppelblende 21 ist, und danach von dem/den optionalen
Zwischenhohlraum bzw. -hohlräumen 7 über eine
zweite Kopplervorrichtung 23, die eine zweite kreuzförmige Koppelblende 23 ist,
zum Austrittshohlraum 5 gekoppelt. Zum Schluss wird die
Energie vom Austrittshohlraum 5 über eine Austritts-Koppelblende 25,
die in diesem Fall ein einzelner Schlitz ist, an einen externen,
nicht gezeigten Wellenleiter gekoppelt.
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In jedem der Hohlräume 3, 5 und 7 ist
ein dielektrisches Resonatorelement 27 angeordnet, das aus
einem Material besteht, das eine große dielektrische Konstante
E, einen großen
Q-Faktor und einen kleinen Resonanzfrequenz-Variationskoeffizienten als
Funktion der Temperatur aufweist. Das Resonatorelement 27 dieses
bekannten Filters ist ein Zylinder von kreisförmigem Querschnitt, wie in
der Figur gezeigt ist, und ist koaxial auf der Achse des kreisförmigen Wellenleiters 9 angeordnet,
um eine Vielzahl zusammengesetzter Resonatoren mit aufeinanderfolgenden
Hohlräumen 3, 5 und 7 zu
bilden. Diese zusammengesetzten Resonatoren sind somit um die Achse
des Wellenleiters 9 kreisförmig symmetrisch.
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Wenngleich dies in 1 nicht gezeigt ist, werden die Resonatorelemente 3, 5 und 7 durch
isolierende Befestigungsvorrichtungen in Form von Rundkörpern oder
Ständern
aus Isoliermaterial, das geringe dielektrische Verluste aufweist,
wie beispielsweise Polystyrol oder PTFE, positioniert und festgehalten.
Diese Befestigungsvorrichtungen weisen sowohl während des Zusammenbaus als
auch während des
Betriebs der bekannten Filter eine Reihe von Nachteilen auf.
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Diese Vorrichtungen erhöhen die
Zahl der Teile und/oder der Schritte innerhalb des Herstellungsverfahrens
des bekannten Filters.
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Die Genauigkeit, mit der das Resonatorelement
positioniert wird, hängt
von der Maßgenauigkeit dieser
Vorrichtungen und von der Genauigkeit ab, mit der diese montiert
werden. Die Mikrowellenverluste sind bei diesen Materialien, selbst
wenn sie gering sind, niemals null.
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Zusätzlich zu ihrer Eigenschaft
einer elektrischen Isolation sind diese Materialien im Allgemeinen
schlechte Wärmeleiter.
Wenn das Resonatorelement sich während
des Betriebs aufheizt, z. B. aufgrund von Mikrowellenverlusten im
Dielektrikum, ist die auf diese Weise erzeugte Wärme relativ schwierig zu entfernen.
HF-Verluste haben die Tendenz, bei steigender Temperatur größer zu werden,
so dass die Gefahr besteht, dass dieses Phänomen sich während des
Betriebs noch verschlimmert. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist eine Abmilderung dieser Nachteile.
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Bei dem bekannten Filter ist ebenso
wie bei dem erfindungsgemäßen Filter
eine Abstimmvorrichtung vorgesehen, um die Moden in jedem zusammengesetzten
Resonator abzustimmen. Bei dem Filter von 1 ist dies eine erste Abstimmschraube 29,
die das Abstimmen einer ersten Mode des ersten Hohlraums 3 ermöglicht.
Diese Schraube ist auf einer ersten Achse ausgerichtet, die sich
senkrecht zur Achse des Hohlraums 3 befindet, und durch
die Seitenwand des Wellenleiters 9 in den Hohlraum eindringt.
Eine zweite Abstimmschraube 31 ist zum Abstimmen der Resonanzfrequenz
einer zweiten Mode des zusammengesetzten Resonators vorgesehen, wobei
diese zweite Schraube durch eine Seitenwand des Wellenleiters 9 in
den Hohlraum 3 eindringt und sich entlang einer senkrecht
zu der ersten Achse und der Achse des Hohlraums 3 befindlichen
zweiten Achse erstreckt.
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Eine dritte Abstimmschraube 33 bildet
eine Kopplervorrichtung zwischen den beiden Moden, die durch die
erste Abstimmschraube 29 und die zweite Abstimmschraube 31 abgestimmt
werden. Die dritte Schraube 33 erstreckt sich in einem
Winkel von jeweils 45° zu
der ersten und der zweiten Achse entlang einer dritten Achse. Die
Koppelschraube 33 dient zum Verändern der Kopplung von Energie
zwischen den beiden orthogonalen Erregungsmoden des zusammengesetzten
Resonators.
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Jeder der Hohlräume 3, 5 und 7 in
der Vielzahl von Hohlräumen
des bekannten Filters weist auf gleiche Weise die beiden Vorrichtungen
zum Abstimmen der zwei orthogonalen Moden und eine Vorrichtung zum
Herstellen einer Kopplung zwischen diesen beiden Moden auf.
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Wie in 1 gezeigt
ist, weist der Hohlraum 5 zusammen mit einer eigenen Koppelschraube 33' auch zwei eigene
Abstimmschrauben 29' und 31' auf, wobei
das Grundzeichen die Elemente des zusammengesetzten Resonators 5 bezeichnet.
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Ferner ist jeder Hohlraum mit einer
Kopplervorrichtung versehen, die ein Injizieren von Mikrowellenenergie
in und ein Extrahieren von Mikrowellenenergie aus dem Hohlraum ermöglicht.
Mit Ausnahme des Sondenaufbaus 13 im Eintrittshohlraum 3 sind die
Kopplervorrichtungen in 1 als
verschiedene Formen von Schlitzen oder Koppelblenden gezeigt, wobei
diese Kopplervorrichtungen jedoch ebenso gut aus kapazitiven Sonden,
induktiven Koppelblenden oder einer Kombination aus beiden bestehen
können.
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Eine ausführlichere Beschreibung des
herkömmlichen
Filters kann der Leser in dem Dokument US-A-4 489 293 finden.
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2 ist
eine schematische Schnittansicht durch einen Mikrowellenfilter,
der eine Vielzahl zusammengesetzter Resonatoren gemäß der Erfindung
umfasst. Um einen Vergleich mit dem herkömmlichen Gerät zu erleichtern,
werden die gleichen Referenzzeichen verwendet. Hiervon ausgenommen
ist das Resonatorelement im Innern des Resonanzhohlraums.
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Ebenso wie der bekannte Mikrowellenfilter von 1 umfasst der erfindungsgemäße Filter
eine Vielzahl zusammengesetzter Resonatoren, die durch Kopplervorrichtungen
miteinander gekoppelt sind, wobei jeder zusammengesetzte Resonator
einen Resonanzhohlraum und ein Resonatorelement 72 im Innern
des Hohlraums umfasst. Der Filter umfasst wenigstens einen Eintrittshohlraum 3 und
einen Austrittshohlraum 5, wahlweise zusammen mit einem oder
mehreren Zwischenhohlräumen 7,
wie der Filter von 1.
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Wie beim Filter von 1 befinden sich alle Hohlräume in Ausrichtung
auf der Filterachse und sind auf dieser Achse an ihren Enden zumindest
teilweise durch Wände
(11a, 11b, 11c, 11d) quer zu
der Achse geschlossen, die innerhalb einer Länge des Wellenleiters 9,
der eine zylindrische Form um die Achse aufweist, angeordnet sind
und einen Querschnitt aufweisen, der rechtwinklig oder kreisförmig ist.
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Der Eintrittshohlraum 3 und
der Austrittshohlraum 5 sind mit Kopplervorrichtungen (15, 17, 19; 15', 17', 19') versehen,
die jeweils zum Koppeln von Mikrowellenenergie in den Eintrttshohlraum 3 bzw.
zum Extrahieren derselben aus dem Austrittshohlraum 5 dienen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird der zusammengesetzte Resonator in einer TE-Mode
statt einer HE-Mode erregt, die für herkömmliche Filter bevorzugt wird.
Die Verwendung der TE-Mode ermöglicht
das Erhalten einer niedrigeren Resonanzfrequenz für gegebene
Abmessungen. Dies ist ein Vorteil für die Kompaktheit des Geräts bei einer
gegebenen Betriebsfrequenz.
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Jeder der Hohlräume 3, 5 und 7 umfasst
ein dielektrisches Resonatorelement 72, das aus einem Material
besteht, das eine große
dielektrische Konstante E, einen großen Q-Faktor und kleine Wärmeausdehnungskoeffizienten
und kleine Variationskoeffizienten der Resonanzfrequenz als Funktion
der Temperatur aufweist.
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Bei dem zusammengesetzten Resonator
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Resonatorelement 72 im Wesentlichen plan,
wie in 2 gezeigt ist,
weist eine Dicke und einen Umriss in Form eines Polygons mit n Seiten
und n Spitzen auf, die durch die Seitenwände des Hohlraums (3, 5, 7,
...) über
einen elektrischen bzw. HF-Kontakt zwischen den Spitzen und den
Wänden
miteinander kurzgeschlossen sind. Die Spitzen sind daher abgestumpft
oder abgerundet, um eng an der Form dieser Seitenwände anzuliegen,
die plan oder kreisförmig
sind, wie dies jeweils der Fall sein mag. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist
das Polygon ein Parallelogramm mit vier Seiten und vier Spitzen.
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3 ist
ein Schnitt bei III-III durch den Filter von 2. Es ist zu erkennen, dass das Resonatorelement 72 einen
viereckigen Querschnitt in einem Wellenleiter 9 aufweist,
der ebenfalls von viereckigem Querschnitt ist. Die Spitzen des Resonatorelements
sind abgestumpft, um eng an den planen Wänden des Wellenleiters 9 anzuliegen.
Bei dem in 3 gezeigten
Beispiel befindet sich das Resonatorelement 72 in mechanischem
und elektrischem Kontakt mit den Wänden des Wellenleiters 9.
Weitere Varianten der Erfindung sind nachstehend beschrieben.
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Der in 3 gezeigte
mechanische Kontakt ermöglicht
eine genaue Positionierung des Resonatorelements 72 und
Reproduzierbarkeit im Innern des Resonatorhohlraums, der durch den
Wellenleiter 9 geschlossen ist, ohne dass Halterungselemente
erforderlich werden, die bei dem herkömmlichen Filter notwendig sind.
Ferner ist die Wärmeübertragung zwischen
dem Element 72 und den Wänden im Vergleich zu der herkömmlichen
Technik erheblich verbessert.
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Ebenso ist der Zusammenbau des erfindungsgemäßen, in 3 gezeigten Filters im Vergleich
zu dem herkömmlichen
Filter von 1 wesentlich
einfacher, da die Positionierung völlig ohne Hilfe durch eine
Vielzahl von Halterungsteilen erfolgt, die bei dem herkömmlichen
Filter benötigt
werden.
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Wegen der Reproduzierbarkeit des
Aufbaus und der relativen Positionierung des Resonatorelements 72 und
der Wände
des Wellenleiters 9 wird aufgrund des dazwischen bestehenden
mechanischen Kontakts die Anpassung vereinfacht. Die Abmessungen
der verschiedenen Elemente des Filters sind für die und die Betriebsfrequenz
bemessen, wobei die Möglichkeit
zum Einstellen der Frequenzen der verschiedenen Moden des zusammengesetzten Resonators
mittels der Abstimmvorrichtung besteht, die zu diesem Zweck vorgesehen
ist.
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Einer der Vorteile der Erfindung
besteht darin, dass die Frequenzen der Moden ebenso reproduzierbar
sind wie die Abmessungen und die relative Anordnung der verschiedenen
Elemente, die bei der Herstellung dieses Filters eine Rolle spielen.
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4 ist
eine schematische Ansicht, die die beiden orthogonalen TE-Moden
(m1, m2) des dielektrischen Resonators von 3 zeigt. Man kann erkennen, dass diese
Moden nur wegen der viereckigen Form des Resonators von 2 und 2 orthogonal sind. Diese orthogonalen
Moden (m1, m2) erweisen sich wegen der parallelepipedischen Form des
dielektrischen Resonators als sehr rein, da die Felder entlang der
Diagonalen des Resonatorelements erregt werden und schwingen.
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Wie in 3 und 4 gezeigt ist, erstreckt sich
die Moden-Koppelschraube 33 entlang einer Achse, die sich
45° bezüglich der
Felder der beiden orthogonalen Moden m1 und m2 befindet.
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5,
die aus experimentellen Messungen erhalten wurde, zeigt den Wirkungsgrad
eines vierpoligen Filters von 2,
d. h. ein Filter mit zwei Hohlräumen 3 und 5 und
keinem Zwischenhohlraum 7. Die Kurve T zeigt die Transmission
des Filters in Abhängigkeit
von der Frequenz, was eine Bandbreite von 79 MHz an der Basis und
rund 50 MHz im Fenster der maximalen Transmission ergibt. Außerhalb dieses
79-MHz-Bandes liegt die Transmission wenigstens 25 dB darunter,
wobei die Ordinate in Intervallen von 5 dB markiert ist. Die Kurve
R zeigt die Reflexionsverluste in Abhängigkeit von der Frequenz. Die
Filterleistung des erfindungsgemäßen Filters
ist damit durch Messungen eindeutig aufgezeigt.
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Verschiedene Varianten der Erfindung
sind nachstehend beschrieben.
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6, 7, 8 und 9 zeigen
ein dreidimensionales Resonatorelement 72, das durch eine
Drehung um 90° aus
einem Resonator 73, der in 2, 3 und 4 gezeigt ist, erhalten wurde und mit
einem gleichartigen Resonator 74 ohne Drehung verbunden
ist.
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Der Resonator 72 von 6, 7, 8 und 9 ist in einem würfelförmigen Hohlraum
angeordnet und befindet sich in elektrischem bzw. HF-Kontakt mit
allen sechs Wänden
des Würfels,
um alle sechs Spitzen des dreidimensionalen Resonatorelements 72 miteinander
kurzzuschließen.
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10, 11, 12 und 13 zeigen zwei
Beispiele von Varianten der Erfindung, bei denen kein direkter mechanischer
oder elektrischer Kontakt zwischen den Spitzen des Resonatorelements
und den Wänden
besteht. Dennoch wird ein hochfrequentes Koppeln mit den verschiedenen Wänden bereitgestellt,
die bei Betriebsfrequenz einen Kurzschluss bilden.
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10 und 11 sind schematische Schnittansichten
einer Variante des erfindungsgemäßen Resonators,
wobei der Schnitt von 10 die Achse
des Wellenleiters 9 mit einschließt und auf der Schnittlinie
X-X von 11 verläuft, während der Schnitt
von 11 quer zur Achse
des Wellenleiters 9 auf der Schnittlinie XI-XI von 10 verläuft.
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Es ist zu erkennen, dass die Spitzen
des Resonatorelements 72 abgestumpft sind, damit die Abmessungen
des Elements über
den Diagonalen seines Umrisses etwas kleiner als die Quermaße des Wellenleiters 9 sind,
wodurch eine kleine Lücke 2 zwischen
dem Resonatorelement 72 und jeder der Wände des Wellenleiters 9 belassen
wird. Die Lücke 2 kann
leer sein, wie in 10, 11, 12 und 13 gezeigt
ist, oder sie kann mit einem Material gefüllt werden, das dielektrisch
oder leitend ist. Vorteilhafterweise ist die Lücke 2 mit einem nachgiebigen
Material gefüllt,
um den Zusammenbau des zusammengesetzten Resonators zu erleichtern
und um das Resonatorelement auch über einen großen Temperaturbereich
zu halten.
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In 10 und 11 wird das Resonatorelement 27 mit
Hilfe von Haltestützen 8 positioniert und
gehalten, die an solchen Stellen an den Wänden des Wellenleiters 9 platziert
sind, an denen die Spitzen des Resonatorelements 72 diesen
Wänden
nahe kommen, um mit diesen einen hochfrequenten Kurzschluss herzustellen.
Die Stützen
können
aus Isoliermaterial mit niedrigen HF-Verlusten bestehen, z. B. aus
denselben Materialien, die für
die Halterung des Resonatorelements 27 im herkömmlichen
Filter von 1 verwendet
werden.
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Im Vergleich zu den Verlusten, die
wegen der Halterungen im herkömmlichen
Filter auftreten, werden die durch das Vorhandensein der Stützen 8 im Innern
des Hohlraums verursachten Verluste durch deren geringes Volumen
jedoch auf ein Minimum gehalten.
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Bei einer Variante bestehen die Haltestützen 8 aus
einem leitenden Material. Das Resonatorelement 27 befindet
sich in mechanischem und elektrischem Kontakt mit diesen leitenden
Stützen 8,
wodurch Kurzschlüsse
zwischen den Spitzen des Resonatorelements 27 über die
Wände des
Wellenleiters 9 hergestellt werden.
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12 und 13 sind schematische Schnittansichten
durch eine weitere Variante des erfindungsgemäßen zusammengesetzten Resonators, wobei
der Schnitt von 12 die
Achse des Wellenleiters 9 mit einschließt und auf der Schnittlinie
XII-XII von 13 verläuft, während der
Schnitt von 13 quer
zu der Achse des Wellenleiters 9 und auf den Schnittlinien
XIII-XIII von 12 verläuft.
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Es ist zu erkennen, dass die Spitzen
des Resonatorelements 72 abgestumpft sind, damit die dessen
Abmessungen über
den Diagonalen seines Umrisses etwas größer als die Quermaße des Wellenleiters 9 sind.
Um ein Einsetzen des Resonatorelements 72 in den Wellenleiter 9 zu
ermöglichen,
sind Einkerbungen 6 in der Wand des Wellenleiters 9 an Stellen
ausgebildet, an denen die Spitzen des Resonatorelements 72 den
Wänden
nahe kommen, um mit diesen einen hochfrequenten Kurzschluss herzustellen.
Diese Einkerbungen können
so ausgebildet werden, dass sie genug Tiefe aufweisen, um eine kleine
Lücke 2 zwischen
jeder Spitze und dem Boden der entsprechenden Einkerbung 6 zu
belassen, wie in 10 und 11 angedeutet ist. Bei der
in 12 und 13 gezeigten Ausführungsform
wird das Resonatorelement 72 durch Kanten 4 positioniert und
gehalten, die durch Herstellen der Einkerbungen 6 in den
Wänden
des Wellenleiters 9 ausgebildet werden. Wie in dem Beispiel
von 10 und 11 können die Lücken 2 leer oder mit
einem nachgiebigen Material gefüllt
sein.
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14, 15, 16, 17, 18 und 19 zeigen einige Varianten des Resonatorelements,
die eine Optimierung verschiedener Verhaltensarten des zusammengesetzten
Resonators bzw. des Mikrowellenfilters gemäß der Erfindung ermöglichen.
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Bei der Gestaltung eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten
Resonators hängen
die Resonanzfrequenzen hauptsächlich
von den Abmessungen (Dicke, Quermaße) und von der Form (viereckig,
Rautenform) des Resonatorelements 72 ab, ebenso wie von
den Abmessungen und der Form des Resonanzhohlraums, in dem das Resonatorelement 72 angeordnet
ist, und schließlich
von dem dielektrischen Material, das für die Herstellung des Resonatorelements
verwendet wird.
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Es kann der Fall auftreten, dass
das Spektrum der Resonanzmoden des zusammengesetzten Resonators
unerwünschte
Moden umfasst, die (von der Frequenz her) nahe der Betriebsmode(n)
des zusammengesetzten Resonators liegen. In diesem Fall können einige
der unerwünschten
Moden weggelenkt oder sogar eliminiert werden, indem die exakte Symmetrie
des in den vorstehenden Figuren gezeigten Resonatorelements aufgebrochen
wird, wie dies in 14 und 15 gezeigt ist. Zu diesem
Zweck können
eine oder mehrere Einkerbungen 10 von beliebiger Form an
beliebigen Stellen im Umriss des Resonatorelements 72 ausgebildet
werden. Zusätzlich
können Öffnungen 14,
Aussparungen und anderen Abweichungen in der Dicke an beliebigen
Stellen innerhalb des Umrisses des Resonatorelements vorgesehen
werden, um das gleiche Ergebnis zu erhalten. Ein Beispiel hierfür ist in 18 und 19 gezeigt.
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16 und 17 zeigen Abschnitte größerer Dicke 12 auf
dem Resonatorelement 72 an den Spitzen desselben, um die
Wärmeleitfähigkeit
der Schnittstellen zwischen dielektrischem und leitendem Material
zwischen dem Resonatorelement 72 und den Wänden des
Wellenleiters 9 zu erhöhen.
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20 und 21 sind schematische Schnittansichten,
die zwei weitere erfindungsgemäße Varianten
bezüglich
des Querschnitts des Wellenleiters 9 und auch des Resonatorelements 72 zeigen. In 20 hat das Resonatorelement 72 einen
viereckigen Querschnitt und ist in einem Wellenleiter 9 angeordnet,
der einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist. In 21 ist
ein Resonatorelement 72 mit einem Querschnitt in Form eines
Parallelogramms bzw. einer Raute in einem Wellenleiter 9 mit
rechtwinkligem Querschnitt angeordnet.
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22 zeigt
eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten
Zweipol-Resonators, welcher einen dielektrischen Resonator 72 von
im Wesentlichen dreieckigem Querschnitt in einem Wellenleiter 9 kreisförmigen Querschnitts
umfasst. Die Spitzen des Resonatorelements sind abgestumpft, um
eng an den kreisförmigen
Wänden
des Wellenleiters 9 anzuliegen. Wie in dem Beispiel von 3 befindet das Resonatorelement 72 sich
in mechanischem und elektrischem Kontakt mit den Wänden des
Wellenleiters 9. Weitere Varianten der Ausführungsform
von 22 sind ebenfalls
möglich,
wie im Vorstehenden in Zusammenhang mit 10 bis 13 beschrieben
ist.
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Wie in 1–4 gezeigt ist, zeigt auch 22 zwei Abstimmschrauben 29 und 31 für zwei orthogonale
Moden, sowie eine Koppelschraube 33, die ein Koppeln zwischen
den Moden bestimmt. wie bei den anderen, vorstehend beschriebenen
Filtern können Koaxialverbinder 15 zum
Erregen des zusammengesetzten Resonators vorgesehen werden.
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23,
die aus experimentellen Messungen erhalten wurde, zeigt den Wirkungsgrad
eines Zweipol-Filters der in 22 gezeigten
Art. Die Kurve T zeigt die Transmission des Filters in Abhängigkeit von
der Frequenz, was eine Bandbreite von rund 100 MHz an der Basis
und von rund 50 MHz im Fenster der maximalen Transmission ergibt.
Die Transmission außerhalb
dieses 79-MHz-Bandes liegt etwa 15 dB darunter (± 3 dB), wobei die Ordinate
in Intervallen von 5 dB markiert ist. Die Kurve R zeigt die Reflexionsverluste
in Abhängigkeit
von der Frequenz. Die Filterleistung dieses Filters kann natürlich durch
ein Ankoppeln einer Vielzahl aufeinanderfolgender zusammengesetzter
Resonatoren, wie bei den zuvor beschriebenen Filtern. verbessert
werden.
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Die Erfindung ist vorstehend durch
verschiedene, nicht einschränkende
Beispiele beschrieben. Der Fachmann wird in der Lage sein, verschiedene Gestaltungsparameter
für zusammengesetzte
Resonatoren und Mikrowellenfilter durch Anwendung der Grundsätze der
vorliegenden Erfindung zu kombinieren, ohne dadurch über den
Umfang der Erfindung hinauszugehen, der durch die folgenden Ansprüche definiert
ist.