DE69630194T2

DE69630194T2 - Zweimoden- Hohlraumresonatorfilter

Info

Publication number: DE69630194T2
Application number: DE69630194T
Authority: DE
Inventors: Jose Luis 28760 Tres Cantos Caceres Armendariz
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1995-12-29
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2016-12-21
Also published as: AU728485B2; EP0782211B1; DE69630194D1; CA2194077C; US5793271A; JPH09284010A; CA2194077A1; ES2109184A1; ES2109184B1; AU7548896A; EP0782211A1

Description

Aufgabe der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zweimoden-Hohlraumresonatorfilter, der von zwei orthogonalen Ausbreitungsmoden mit ähnlicher Feldverteilung erregt wird, und in welchem die erwähnten Moden unabhängig voneinander getunt werden.
Dieser Filtertyp weist eine spezielle Anwendungsmöglichkeit für die Mikrowellentechnologie mit ihren komplexen Transferfunktionen auf, da dieser Filtertyp – für eine einzelne Transferfunktion – den Einsatz von nur der halben Anzahl von Hohlräumen erlaubt, als dies bei einem Filter erforderlich wäre, der kein Zweimodentyp ist. Das Ergebnis ist ein Filter, der ein viel geringeres Gewicht und Volumen aufweist und daher äußerst attraktiv für räumliche Anwendungen ist.
Die nachstehend beschriebene Erfindung ist auf die Entwicklung dieser Filterart ausgerichtet, welche die Produktion zu geringeren Kosten ermöglicht und die erforderliche Zeit für den Tuning-Abgleich reduzieren lässt, wobei das letztere durch die Vereinfachung der integrierten Tuningelemente erzielt wird.
Hintergrund der Erfindung
Bis heute basieren Zweimoden- Hohlraumresonatorfilter in den meisten Fällen auf die Anwendung von Resonanzstrukturen und Resonanzmoden, deren Feldverteilungen die Erregung von zwei senkrechten Polarisationsachsen erlaubt. Rnschließend wird der Hohlraum auf einer der zwei Resonanzfrequenzen (oder auf beiden gleichzeitig) erregt, so dass die Frequenzen, auf welchen der Hohlraum in Resonanz mitschwingt, abgestimmt und die Felder im Innern zusammengekoppelt werden.
Mittels eines Kopplungsfensters wird ein Bereich der Resonanzenergie auf einer der Achsen (oder auf beiden) extrahiert.
Unabhängig von den Kopplungsvorrichtungen, die für die Einspeisung und Ausfilterung der Eingangs- und Ausgangssignale im Hohlraum eingesetzt werden, wird das Tuning [der Frequenzabgleich] stets im Innern des Hohlraums anhand von drei Abgleichschrauben oder äquivalenten Vorrichtungen [Frequenzabstimmelementen] vorgenommen.
Dies wird in dem Artikel „A Full-Wave Analysis of Tuning and Coupling Posts in Dual-Mode Circular Waveguide Filters" näher erläutert (zu Deutsch etwa: „Eine Ganzwellenanalyse der Tuning- und Kopplungsposten in Zweimodenfiltern mit kreisförmigem Hohlleiter) von J. Montejo-Garai und Kollegen, veröffentlicht in den Publikationen „Microwave and Optical Technology Letters", Band 7, Nr. 11, datiert vom 5. August 1994, Seite 505 bis 507.
Die vorgenannte Veröffentlichung zeigt auf, wie eine erste Abgleichschraube eingesetzt werden kann, um den ersten Resonanzwellenmodus in Übereinstimmung mit der Feldrichtung in einer der Ausbreitungsmoden abzustimmen, wogegen eine zweite Abgleichschraube verwendet wird, um den zweiten Resonanzwellenmodus gemäß der Feldrichtung im anderen Ausbreitungsmodus abzustimmen, und schließlich kommt eine dritte Abgleichschraube zum Einsatz, um das Zusammenkoppeln zwischen den zwei Moden herzustellen.
Der Einsatz dieser dritten Abgleichschraube führt infolgedessen dazu, dass die zwei orthogonalen Moden nicht unabhängig sind. Ungeachtet dessen, wird davon ausgegangen, dass es doch noch drei Freiheitsgrade zum Ausführen des Tunens gibt, und dass sie normalerweise mit drei Parametern des Äquivalenzschaltungstyps verbunden sind, der in der Analyse und in dem Design bei dieser Filterart eingesetzt wird. Diese Parameter sind die Resonanzfrequenzen jedes der Moden und das Zusammenkoppeln zwischen diesen beiden Moden.
Mittels der Tuningelemente können beide Moden in jedem Hohlraum auf die Design-Mittelfrequenz „f0" abgestimmt und der gewünschte Kopplungswert „k" erhalten werden.
Das Weglassen von einer oder mehreren Abgleichschrauben kann nur ausgeglichen werden, wenn ein sehr präzises Design von den Hohlraumabmessungen hergestellt worden ist, wodurch keine Anforderungen an eine Justierung erforderlich sind.
Um dies zu ermöglichen, ist es notwendig, einen extrem kostenintensiven Herstellprozess aufzuwenden, der die enge Steuerung der mechanischen Toleranzen erlaubt; infolgedessen wird diese Herstellart nur für Prototypen zugelassen. Die Einbeziehung von Tuningelementen, normalerweise Schrauben, erscheint daher als unvermeidbar, wenn dies auch die Kosten der Filter sowohl in derer. Herstellung als auch für die Einstellzeit erhöht, die für deren Tuning erforderlich ist.
Die Dokumentation von Frenna „Realisation of Dual-Mode Longitudinal Filters with Arbitrary Polarisation of Input and Output Ports" aus dem Jahr 1986 des Symposiums, bzw. IEEE-MTT-S International Microwave Symposium-Digest, vom 2. –4. Juni 1996 in Baltimore/US – Seite 253–256, XP002028546 J, veröffentlicht eine Mikrowellenfilterstruktur, die eine Kaskade einer Zweimodenresonanz aufweist, in der jeder Hohlraum ein Paar Abgleichschrauben besitzt, die im 90° -Winkel zueinander und parallel zu den Polarisationen der Resonanzwellenmoden angeordnet sind. Die winkelförmige Position dieser Abgleichschrauben dient bei der Strukturorganisation als Referenzposition.
Jeder Hohlraum ist mit dem angrenzenden Hchlraum durch Koppeln des Irisblendensatzes an einem vorbestimmten Winkel mit Bezug auf die Winkelposition der Abgleichschrauben des Hohlraums gekoppelt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Der Hohlraumfilter dieser Erfindung umfasst einen oder mehrere Zweimoden- Resonanzhohlräume, wobei in jedem Hohlraum zwei Resonanzwellenmoden auf zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen F1 und F2 erzeugt werden, und beide Moden im Wesentlichen die gleiche Feldverteilung aufweisen, aber eine von der anderen im Winkel von 90° gedreht ist, und wobei jeder Hohlraum erste Tuningelemente zum Abstimmen der Resonanzfrequenz F1 des ersten Resonanzmodus entlang einer ersten Achse sowie zweite Tuningelemente zum Abstimmen der Resonanzfrequenz F2 des zweiten Resonanzmodus entlang einer zweiten Achse aufweist, die vertikal zur ersten Feldpolarisation in Übereinstimmung mit den Achsen verlaufen und die nicht parallel zu jenen der Resonanz sind, sowie Vorrichtungen zur Eingangs- und Ausgangskopplung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Demzufolge wird die Filterabstimmung durch den Einsatz von nur zwei Tuningelementen erreicht, was zu einem Ergebnis mit niedrigeren Filtermaterialkosten und zu weniger Zeitaufwand führt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Eine detailliertere Erklärung der Erfindung wird in deren nachstehenden Beschreibung auf der Grundlage der zugehörigen Figuren zur Verfügung gestellt, welche zeigen:
1 ist eine Zeichnung der Äquivalenzschaltung eines Hohlraums, der so ausgelegt ist, dass er zwei orthogonale Resonanzwellenmoden aufweist.
2 zeigt einen zylinderförmigen Hohlraum mit zwei orthogonalen Ausbreitungsmoden, der zwei Abgleichschrauben in eine Richtung aufweist, die in einem Winkel α in Bezug auf die Felder gedreht sind, in die sich die Moden ausbreiten; und
3 zeigt die Äquivalenz-Schmalband-Schaltung, die in der Regel für das Design dieses Filtertyps eingesetzt wird.
Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführung
Ein Hohlraumfilter dieses Typs wird durch eine Reihe von Resonanzhohlräumen ausgebildet, wobei einer nach dem anderen angeordnet und durch rechtwinkelige Fenster gekoppelt ist, die in der Leiterbahn ausgeschnitten sind, welche sie trennt.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung eines Filtertyps, für die aus Gründen einer vereinfachten Darstellung lediglich ein zylinderförmiger Hohlraum verwendet wird, wobei auch diese Modellart auf eine größere Anzahl von Hohlräumen perfekt anwendbar ist.
Dieser Hohlraum weist eine Größe auf, die es erlaubt, dass zwei Ausbreitungsmoden entlang zweier Polarisationsachsen Ea und Eb senkrecht zueinander verlaufen. Diese Polarisationsachsen werden durch die Ist-Geometrie des Hohlraums und durch die Tuningelemente fixiert.
Der Hohlraum weist außerdem eine Eingangs-Kopplungsvorrichtung [IC] und eine Ausgangs-Kopplungsvorrichtung [OC] auf, die aus Fenster oder Schlitzen bestehen, wobei diese in den Außenseiten vertikal zu der Richtung der Ausbreitung verlaufen. Diese Fenster bzw. die Erregung des Hohlraums mittels eines Eingangssignals erlauben, dass die Polarisationsrichtung hierzu in einem bestimmten Winkel α in Bezug auf die Ausbreitungsmoden im Innern des Hohlraums gedreht wird, und die Extraktion/Ausfilterung des Signals aus dem Hohlraum in eine Polarisationsrichtung ebenso im 90° Winkel in Bezug auf die Erregung gedreht wird.
1 zeigt die Äquivalenzschaltung des beschriebenen Hohlraums. Das Verhalten der Ausbreitungsmoden a und b innerhalb des Hohlraums – zwischen den Eingangs- und Ausgangsebenen S2 und S3 – kann unter Verwendung eines nicht gekoppelten Vierpol-Netzwerkes entsprechend geformt werden.
Zwischen den Eingangs- und Ausgangsebenen des Vierpol-Netzwerkes – S1 und S2 – ist jedes Feld zu einem bestimmten, standardisierten Feldbild – Ea und Eb – proportional angeordnet, welches durch die Ausbreitungsmoden definiert wird. Jedes Feld in den Eingangs- und Ausgangsebenen – S1 und S2 – kann als eine lineare Kombination von den zuvor erwähnten Standardfeldern Ea und Eb ausgedrückt werden. Diese Art der Aufschlüsselung ist auf die einfallenden und reflektierten Wellen an sämtlichen Ports anwendbar.
Mit Bezug auf die erregenden und gefilterten Signalfelder – EV und EH – kann die folgende Relation festgestellt werden:
wobei α den Drehwinkel zwischen den zwei Richtungen der Polarisation, jene der Eingangs- und Ausgangssignale und jene der Ausbreitungsmoden, im Innern des Hohlraumes darstellt.
Diese Transformation bezieht sich auf die Erregungsmuster EV und EH mit den Mustern der Resonanzfelder Ea und Eb. Das Vierpol-Netzwerk der 1 – ausgedrückt in S-Parametern – wird für die einfallenden und reflektierten Wellen durch folgenden Ausdruck bestimmt:
wobei Sa1 und Sb1 die S-Parameter von zwei individuellen Ausbreitungsmoden und R(α) die Rotationsvektormatrix sind.
Der Zweimodenbetrieb des Achtpol-Netzwerkes tritt ein, wenn ein Signal von einem der Eingänge 1 oder 2 an beide Ausgänge 3 und 4 gesendet wird.
Bei der Entwicklung des zuletzt genannten Ausdrucks, kann aufgezeigt werden, dass dies auftritt, wenn sin α cos α (Sb12 – Sa12) ≠ 0. Damit dies auftritt, müssen zwei Konditionen erfüllt werden:
Der Drehwinkel α muss zu n^π/2 unterschiedlich sein; und
die Parameter Sbl2 , Sa12 müssen unterschiedlich sein Sb12 ≠ Sa12). Diese Kondition setzt voraus, dass die elektrische Länge von zwei Ausbreitungsmoden unterschiedlich ist.
Mit anderen Worten, der Hohlraum von 2 bietet eine Zweimodenresonanz, wenn beide Moden gleichzeitig erregt werden und deren Resonanzen auf unterschiedlichen Frequenzen F1 und F2 abgestimmt werden.
Wie aus der 2 zu entnehmen ist, beträgt der Drehwinkel α zwischen den Polarisationsachsen der Eingangs- und Ausgangssignale und den Polarisationsachsen des Hohlraums 45 Grad, wobei die Polarisationen im Hohlraum mittels zwei Protuberanzen bezwungen werden, welche die eigentlichen Tuningelemente TSa und TSb sind, die in den Hohlraum entlang zweier wechselseitig senkrechter Achsen eingegeben werden.
Die Matrix des Rotationsvektors R(α) wird daher zu:
Durch Expansion der S-Parameter der zwei Ausbreitungsmoden in dem Achtpol-Netzwerk wird der folgende Ausdruck festgestellt
wobei
Durch die Annahme, dass der Effekt der Tuningelemente TSa und TSb eine effektive Erhöhung der elektrischen Länge des Hohlraums ist, wird es möglich herzustellen: ^ϑa≠ ^ϑb .
Bei einer Schmalband-Approximation kann der Zweimodenhohlraum mit der Äquivalenzschaltung von 3 in Verbindung gebracht werden, die in der Regel in Filtersynthesen eingesetzt wird, wobei f0 die Frequenz der Serienresonanz der oberen und unteren Zweige und k der Kopplungskoeffizient zwischen zwei Moden ist.
Durch die Identifizierung der S-Parameter der beiden Netzwerke nahe an f0 werden die folgenden Annäherungen erhalten:
Dies zeigt, dass der zuvor beschriebene Zweimodenhohlraum für das Entwickeln und Abstimmen eines Filters eingesetzt werden kann, indem die elektrischen Abmessungen korrigiert ausgerichtet werden – mittels eines Modifizierens der effektiven Länge des Hohlraums durch ein ganzes Vielfaches einer Halbwellenlänge auf der Resonanzfrequenz f0 und durch Einwirken auf die Tuningelemente TSa und TSb, um die Resonanzfrequenzen f1 und f2 für jeden der Moden a und b in Übereinstimmung mit den gewünschten Werten von f0 und k des Synthesenetzwerkes zu erzielen.

Claims

Zweimoden- Hohlraumresonatorfilter, welcher mindestens einen Hohlraum mit zwei Resonanzmoden pro Hohlraum umfasst, die auf zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen (F1) bzw. (F2) erzeugt worden sind; wobei beide Moden im Wesentlichen die gleiche Feldverteilung aufweisen und über deren jeweilige Polarisationsachsen (Ea, Eb) orthogonal zueinander polarisiert sind; jeder Hohlraum umfasst außerdem ein erstes Tuningelement (Tsa) zum Abstimmen der Resonanzfrequenz (F1) des ersten Resonanzmodus, die entlang der ersten Achse (Ea) ausbreitend verläuft, ein zweites Tuningelement (Tsb) zum Abstimmen der Resonanzfrequenz (F2) des zweiten Resonanzmodus, die entlang der zweiten Achse (Eb) vertikal zur ersten Achse (Ea) ausbreitend verläuft, eine Eingangs-Kopplungsvorrichtung (IC) und Ausgangs-Kopplungsvorrichtung (OC); dadurch gekennzeichnet, dass das Erregen des Hohlraums mittels eines Eingangssignals in die Richtung der Polarisation erfolgt, von der ein bestimmter Winkel α mit Bezug zu jenem von einem der genannten Ausbreitungsmoden im Innern des Hohlraums gedreht wird, und die Extraktion/Ausfilterung des Signals aus dem Hohlraum in eine Richtung der Polarisation erfolgt, die um 90 Grad mit Bezug zu jener der Erregung gedreht wird.
Zweimoden- Hohlraumresonatorfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei Abgleichschrauben (TSa, TSb) bei 45 Grad zur Eingangs- und Ausgangs-Kopplungsvorrichtung (IC, OC) angeordnet sind.