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Die
hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf einen Multimode-Hohlraum,
der frei von Kopplungs- und Abstimmschrauben ist, für Wellenleiter- oder
Hohlleiterfilter, wobei der Hohlraum wenigstens einen Hohlleiterabschnitt,
der eine in Längsrichtung verlaufende
Hauptachse hat, und eine längliche
Iris an einem ersten Ende des Hohlraums, mit einer Irisachse parallel
zu einer Referenzebene, die durch die längsverlaufende Hauptachse des
Hohlleiterabschnitts verläuft,
wobei die Iris eine gegebene Verschiebung ungleich null in bezug
auf die längsverlaufende
Hauptachse hat.
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Ein
Hohlraum mit einem Versatz ungleich null ist bekannt aus der Literatur:
Beyer R. u. a., "Field-Theory
Design of Circular Waveguide Dual-Mode Filter by a Combined Mode-Matching
Finite Element Method",
Proceedings der 24. European Microwave Conference, Cannes, 5. bis
8. September 1994, Band 1, Nr. Conf. 24, 5. September 1994, European
Microwave Management Committee, Seiten 294 bis 303, XP000643177.
Bei diesem Stand der Technik ist der Hohlraum ein einziger Hohlraum
eines Zweimodenfilters, mit asymmetrisch angeordneten Iriden.
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Ein
Zweimoden-Hohlraum ist auch beispielsweise in der EP-A-0 687 027
beschrieben. Dieses ältere
Dokument kann in zweckmäßiger Weise
als Referenz zur Veranschaulichung des allgemeinen Problems dienen,
das der Herstellung solcher Hohlräume innewohnt, insbesondere
in Bezug auf die Möglichkeit,
Hohlleiterfilter herzustellen, die sich für eine vollständige Konstruktion über rechnerunterstützte Konstruktionstechniken
eignen, ohne daß spezifische
Eichvorgänge
wie diejenigen, die von herkömmlichen
Hohlräumen
gefordert werden, die mit Abstimm- und Kopplungsschrauben ausgestattet sind,
durchgeführt
werden müssen.
Im einzelnen beschreibt die EP-A-0 687 027 einen drei koaxiale Hohlleiterabschnitte,
die in Kaskade entlang der Hauptachse des Hohlraums angeordnet sind,
umfassenden Hohlraum. Die beiden Endabschnitte (mit kreisförmigem,
quadratischem oder rechteckigem Querschnitt) ermöglichen die Resonanzschwingung
in zwei Moden, die eine lineare Polarisation parallel bzw rechtwinklig
zu einer Referenzebene haben, die im wesentlichen identifiziert
ist durch die Durchmesserebene parallel zur größeren Dimension der zum Koppeln
der Moden in den Hohlraum verwendeten Iris. Der mittlere Abschnitt
besteht aus einem Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt, dessen
Seiten um einen gegebenen Winkel in Bezug zur vorgenannten Referenzebene
geneigt sind. Ein solcher Hohlraum kann in einen Mikrowellen-Bandpaßfilter einbezogen
werden, der beispielsweise bei der Satellitenkommunikation verwendet
wird.
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Ein
Zweimoden-Hohlraum ohne Abstimm- und Kopplungsschrauben ist in der
JP-A-60 174501 beschrieben.
Das Weglassen der Schrauben wird dadurch ermöglicht, daß der Hohlraum einen rechteckigen
Querschnitt, der entsprechend einer Ecke abgekantet ist, oder einen ähnlichen
deformierten elliptischen Querschnitt hat. Die Struktur ist ersichtlich
einfacher als die in EP-A-0 687 027 beschriebene, jedoch resultiert
die querschnittsmäßige Verformung im
Vergleich zu einer exakt rechteckigen oder elliptischen Form in
hohen Rechenschwierigkeiten beim analytischen Modellieren des Verhaltens
des Hohlraums selbst. Man kann deshalb nur sehr schwer die erforderliche
Genauigkeit der Konstruktion des Hohlraums erzielen, und wenn der
Hohlraum einmal hergestellt ist, ist somit sein Betrieb nicht zufriedenstellend.
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Die
Anordnung eines im Bezug zu einer Referenzebene geneigten Hohlraums
ist im Stand der Technik ebenfalls bekannt. Beispiele sind beschrieben
in der US-A-3 235 822 (De Loach) und der US-A-4 513 264 (Dorey u.
a.). Beide Dokumente beschreiben ein Filter mit einer Vielzahl von
Hohlräumen,
von denen jeder aus einem einzigen rechteckigen Hohlleiterabschnitt
besteht, wobei die Hohlleiterabschnitte in Bezug zueinander geneigt
angeordnet sein können.
Im einzelnen:
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Bei
der US-A-3 235 822 wird die Neigung dazu verwendet, das Maß der Kopplung
zwischen zwei benachbarten Hohlräumen
zwischen einem Maximumwert und einem Minimumwert zu verändern. Die
Hohlräume
sind ausschließlich
Einmode-Hohlräume.
Eine Erhöhung
der kürzeren
Abmessung des rechteckigen Querschnitts so, daß ein nahezu quadratischer
Querschnitt entsteht (wie es für
einen Zweimoden-Betrieb erforderlich wäre), würde zu einem Verlust der Steuerung über die
Transmissionscharakteristiken des Filters führen und es unmöglich machen,
brauchbare elektrische Antworten vom Filter zu erhalten. Außerdem müssen für sehr schmale Bandbreiten
wie diejenigen, mit denen die vorliegende Erfindung befaßt ist,
Abstimmschrauben vorgesehen werden.
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In
der US-A-4 513 264 wird ein Zweimoden-Filter beschrieben, das drei
Hohlräume
umfaßt, von
denen jeder eine jeweilige Iris oder Abstimm- und Kopplungsschrauben
aufweist. Einer der Hohlräume könnte ellipsoid
sein. Der erste Hohlraum ist auf das Eingangsfeld abgestimmt und
die Neigung des zweiten Hohlraums wird dazu verwendet, diagonale Kopplungen
zwischen benachbarten Hohlräumen
zu erzeugen. Die Kopplung zwischen den beiden Moden und die Abstimmung
wird durch die Schrauben erhalten.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen Multimode-Hohlraum
zu schaffen, der:
- – es ermöglicht, daß drei elektromagnetische Moden
in Resonanz schwingen (mit der folglichen Möglichkeit, den selben Hohlraum
bei der Herstellung von Filtern mehrmals zu verwenden, wodurch die
Zahl der involvierten geometrischen Formen reduziert wird);
- – keine
Kopplungs- und Abstimmschrauben erfordert, und
- – leicht
und sehr genau mit rechnerunterstützten Konstruktionstechniken
entworfen und hergestellt werden kann.
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Diesen
Zweck erreicht man mit Hilfe eines Hohlraums, der, ausgehend von
einem Hohlraum, wie er am Anfang definiert wurde, dadurch gekennzeichnet
ist, daß der
Hohlleiterabschnitt elliptischen Querschnitt hat und die Iris so
angeordnet ist, daß die Achsen
des elliptischen Querschnitts um einen gegebenen Winkel ungleich
null in Bezug zur Referenzebene geneigt sind, wodurch drei Resonanzmoden, die
aufeinander senkrecht stehen, im Hohlraum in Resonanz schwingen.
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Bei
der Erfindung sind der Versatz und die Neigung der Iris in Bezug
zum Hohlraum eine der Eigenschaften, die die Erzeugung und Steuerung
einer Kopplung zwischen verschiedenen Moden innerhalb der Kavität ermöglichen,
ohne daß Kopplungs-
und Abstimmschrauben verwendet werden müssen und ohne daß ein Filterbetrieb
unmöglich
wird, was im Fall der Beseitigung der Kopplung zwischen den Moden
stattfinden würde,
wobei es dann für
die Energie unmöglich
würde,
zum Ausgang fortzuschreiten.
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Die
Erfindung soll nun rein als nicht beschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf
die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht
eines Hohlraums nach dem Stand der Technik gemäß EP-A-0 687 027,
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2 eine perspektivische Ansicht
eines erfindungsgemäßen Hohlraums,
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3 einen abgewandelten erfindungsgemäßen Hohlraum.
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Der
zur Darstellung des Hohlraums, der insgesamt mit 1 bezeichnet ist,
angewandte Formalismus gleicht vollständig dem in der EP-A-0 687
027 angewandten Formalismus. Wie für den technischen Fachmann
offensichtlich ist, zeigt eine solche Darstellung die Geometrie
des Volumens des Hohlraums selbst, der üblicherweise innerhalb eines
Körpers aus
leitendem, typischerweise metallischem Material mit Arbeitsprozessen
wie Drehen, elektrischer Entladebearbeitung usw hergestellt wird.
Die diesbezüglichen
Herstellungskriterien sind der Fachwelt weithin bekannt und brauchen
nicht spezifisch dargestellt zu werden, insbesondere da sie für sich zum
Zweck des Verstehens der Erfindung nicht relevant sind.
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Es
ist auch zu würdigen,
daß zum
Zweck der Klarheit der Hohlraum in den perspektivischen Ansichten
so dargestellt ist, daß seine
Ausdehnung entlang der längsverlaufenden
Hauptachse (Achse Z) im Vergleich zur tatsächlichen konstruktiven Ausführung vergrößert dargestellt
ist: Anders ausgedrückt,
ist der Hohlraum in der Praxis üblicherweise
in Längsrichtung "gestaucht" im Vergleich zur
dargestellten Form. Es ist in jedem Fall zu betonen, daß die Länge der einzelnen
Abschnitte des Hohlraums Konstruktionsparameter für den Hohlraum
selbst darstellen, wie bekannt ist.
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1 stellt einen Zweimoden-Hohlraum zum
Herstellen von Mikrowellen-Bandpaßfiltern wie dem in der EP-A-0
687 027 beschriebenen dar. Kurz gesagt, umfaßt der Hohlraum drei koaxiale
Hohlleiterabschnitte, die in Kaskade entlang der Hauptachse Z des
Hohlraums angeordnet sind. Im einzelnen gibt es einen ersten Hohlleiterabschnitt
CC1 mit kreisförmigem
Querschnitt, gefolgt von einem zweiten Hohlleiter abschnitt CR1 mit
rechteckigem Querschnitt und dann von einem dritten Hohlleiterabschnitt
CC2 wiederum mit kreisförmigem
Querschnitt. Das Bezugszeichen IR1 bezeichnet eine Iris, die eine
Kopplung der Moden in den Hohlraum 1 ermöglicht, und das Bezugszeichen
IR2 bezeichnet eine Iris, die so angeordnet ist, daß sie mehrfache Moden
gleichzeitig koppelt (beispielsweise eine kreuzförmige Iris), und die am entgegengesetzten Ende
des Hohlraums 1 liegt. Die Iris IR2 ermöglicht die Kopplung des Hohlraums
1 mit einem (nicht gezeigten identischen oder unterschiedlichen)
Hohlraum, der in Kaskade angeschlossen ist, zur Herstellung eines
Mikrowellenfilters.
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Das
Vorhandensein des Hohlleiterabschnitts CR1 mit rechteckigem Querschnitt,
dessen Seiten um einen gegebenen Winkel in Bezug zu einer Referenzebene
geneigt sind, die durch die Achse Z verläuft und parallel zur größeren Dimension
der Iris IR1 und zum horizontalen Element der Iris IR2 liegt, versetzt
den in 1 dargestellten
Hohlraum in die Lage, zu ermöglichen,
daß zwei
elektromagnetische Moden in Resonanz schwingen: Diese Moden sind transversal
in Bezug zur Achse Z und haben Polarisationsebenen, die zur obengenannten
Referenzebene parallel bzw orthogonal sind. Die nicht-homogene Querschnittsform
des Hohlraums entlang der Achse Z (und die resultierende Diskontinuität) ermöglichen
es, daß Abstimm-
und Kopplungsschrauben weggelassen werden. Für eine genauere Beschreibung
der Herstellungskriterien dieses bekannten Hohlraums insbesondere
in Bezug zur Möglichkeit des
Austauschs der kreisförmigen
Abschnitte CC1 und CC2 gegen Abschnitte mit quadratischem oder rechteckigem
Querschnitt kann auf die Beschreibung von EP-0 687 027 Bezug genommen
werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung basiert
auf der Sicherstellung der Tatsache, daß ein Dreifachmode-Betrieb
mit einer gewissen Ähnlichkeit
zum Zweimoden-Betrieb, der mit der in 1 dargestellten
bekannten Lösung
erzielt wird, mit dem Hohlraum der in 2 dargestellten
Struktur erhalten werden kann. Dieser Hohlraum, der nach wie vor
mit der Bezugszahl 1 bezeichnet ist, umfaßt einen
Wellenleiterabschnitt mit elliptischem Querschnitt, mit Halbachsen
a, b, die in einem Winkel in Bezug zur mit π bezeichneten Referenzebene
angeordnet sind, welche ihrerseits durch die Spur ihres Schnittes
mit der Zeichenebene identifiziert ist.
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Der
Hohlraum 1 kann beispielsweise durch die Iris IR2 mit einer
weiteren Kavität
2 gekoppelt werden, die ebenfalls elliptischen Querschnitt hat (dessen
Profil in 2 gestrichelt
eingezeichnet ist), mit einem unterschiedlichen Neigungswinkel α im Vergleich
zu dem des Hohlraums 1. Es kann also ein Mikrowellenfilter,
der mehrfache Resonanzhohlräume
umfaßt,
die miteinander gekoppelt sind, gemäß den an sich bekannten Kriterien
hergestellt werden.
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Die
Experimente der Anmelderin haben gezeigt, daß das Koppeln und das Abstimmen
von zwei resonanten Moden, d. h. den resonanten Moden TE des Hohlraums,
die aufeinander senkrecht stehen, mit einem hohen Grad von Genauigkeit
im Verlauf des Entwerfens (typischerweise unter Verwendung eines
Rechners) definiert werden und dann direkt während der Herstellung erzielt
werden können, ohne
das Erfordernis von Justierungen, indem der Wert des Neigungswinkels
(α), das
Verhältnis
zwischen den Halbachsen a und b ("Aspektverhältnis") und die Länge des Wellenleiterabschnitts
mit dem elliptischen Querschnitt eingestellt werden.
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Die
in 2 dargestellte Erfindung
ist weiterhin dazu entwickelt, einen Dreifachmodus-Hohlraum zu ergeben,
d. h. einen Hohlraum mit der Fähigkeit, zusätzlich zu
den beiden TE-Moden, die oben erwähnt wurden, noch eine dritte
Mode in Resonanz schwingen zu lassen, nämlich eine TM-Mode mit einer
Polarisation des elektrischen Felds, die entlang der Hauptachse
Z des Hohlraums 1 und im rechten Winkel zu den vorherigen
gerichtet ist. Dieses Ergebnis wird erhalten durch das Hohlleiterelement,
das eine nicht-axiale Diskontinuität einführt, nämlich die Iris IR1, welche
exzentrisch (d. h. asymmetrisch oder außeraxial) in Bezug zur Achse
Z angeordnet ist, also (wie in der Zeichnung erkennbar ist) so,
daß der Schnittpunkt
der Diagonalen der Iris um eine gegebene Weite aoff in
Bezug zur Hauptachse des elliptischen Hohlraums verschoben ist.
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Bei
einer weiteren, in 3 dargestellten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Dreifachmodus-Hohlraums
wird dieses Ergebnis dadurch erzielt, daß an einem oder an beiden Enden
des elliptischen Wellenleiterabschnitts 1, der dem Wellenleiterabschnitt
entspricht, der den in 2 gezeigten Hohlraum 1 bildet,
ein rechteckiger Wellenleiterabschnitt CR2 bzw CR3 angebracht wird
(der Ausdruck "rechteckig" umfaßt auch
als speziellen Fall einen quadratischen Querschnitt), der hinsichtlich
der Achse Z exzentrisch (d. h. unsymmetrisch oder gegen die Achse
verschoben) angeordnet ist. Beispielhaft zeigt 4 (korrekt: 3) den Fall, daß beide
Wellenleiterabschnitte CR2, CR3 mit quadratischem Querschnitt an
den beiden Enden des elliptischen Wellenleiterabschnitts 1 angeordnet
sind. Der Abschnitt CR2 ist so angeordnet, daß wenigstens eine der idealen
Mittelebenen, die die Seiten des Querschnitts des Abschnitts CR2
halbieren, um den vorgegebenen Verschiebungsbetrag (aoff)
von der Hauptachse Z des Hohlraums entfernt ist, und speziell von
der Bezugsebene π.
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Sollte
die Anwendung es als empfehlenswert ausweisen, so kann einer der
rechteckigen Abschnitte entlang dem Körper des Hohlraums 1 angeordnet sein,
in einer Zwischenstellung zwischen zwei elliptischen Abschnitten.
Der oder jeder rechteckige Wellenleiterabschnitt kann so orientiert
sein, daß seine Seiten
parallel bzw rechtwinklig zur Bezugsebene π liegen.
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Es
ist auch möglich,
den Hohlraum mit einem dielektrischen Element zu laden, um die Resonanzfrequenz
oder das Volumen des Hohlraums zu reduzieren. In jedem Fall erlaubt
es das Koppeln der orthogonalen Moden mit Hilfe eines Hohlleiterabschnitts
mit elliptischem Querschrnitt, daß der Hohlraum und das darauf
bezogene Filter leicht modelliert und mechanisch hergestellt werden
können.
Speziell existieren sehr genaue Rechenalgorithmen zur Analyse der
hier beschriebenen Hohlraumelemente als Funktion der darauf bezogenen
Parameter (Aspektverhältnis
a/b, Neigungswinkel α usw:).
Man kann somit Algorithmen zum Erzielen der vollständigen Konstruktion
der Dimensionen des Hohlraums anwenden, ohne weiteren Bedarf für ein Abstimmen
der so hergestellten Vorrichtung.