DE874496C

DE874496C - Veraenderbares elektrisches Bandfilter fuer kurze und ultrakurze Wellen

Info

Publication number: DE874496C
Application number: DES3192D
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr-Ing Jaumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1943-04-03
Filing date: 1943-04-03
Publication date: 1953-04-23
Also published as: FR956584A; BE456344A

Description

Die Erfindung betrifft ein veränderbares elektrisches Bandfilter für kurze und ultrakurze Wellen, insbesondere für Dezimeterwellen. Bekanntlich kann man elektrische Filter für kurze Wellen z. B. aus koaxialen Leitungsstücken mit verteilter Induktivität und Kapazität aufbauen. · Die bekannten Filter bedingen jedoch im allgemeinen einen großen Raumbedarf und ergeben konstruktive Schwierigkeiten, wenn es sich darum handelt, den Durchlaßbereich

ίο des Bandfilters in einem verhältnismäßig großen Frequenzbereich veränderbar zu gestalten.

Ein^verhältnismäßig großer Änderungsbereich der Frequenz bei geringem Raumbedarf läßt sich jedoch erzielen, wenn das Filter nach dem Prinzip des Abzweigfilters mit Kapazitäten oder Induktivitäten als Längswiderstände aufgebaut ist und als Querwiderstand einen Parallelschwingungskreis aufweist. Der Parallelschwingungskreis wird dann gemäß der Erfindung als veränderbarer Toroidkreis (Topfkreis) ausgebildet. Bei Toroidkreisen wird die Induktivität bekanntlich durch eine Ringspule mit einer einzigen Windung gebildet, deren Anfang und Ende zweckmäßig auf der Innenseite des Toroids liegen und hier in die beiden Platten des Kondensators übergehen; insbesondere benutzt man dazu rotationssymmetrisehe Hohlkörper mit innenliegenden, die Kapazität bildenden Kreisplatten. Die Strahlung eines solchen Kreises nach außen ist Null, da sowohl das magnetische als auch das elektrische Feld ausschließlich im Innern des Hohlraumes verbleiben. Die Abstimmung

erfolgt ζ. B. durch Änderung des Plattenabstandes, wobei das Toroid beispielsweise elastisch ausgebildet ist." Gleichzeitig mit der Abstimmungsänderung des Toroidkreises kann bei einer derartigen Ausbildung bequem eine Änderung der Längswiderstände (kapazitive oder induktive Ankopplung) vorgenommen werden, mit dem Ziel, durch eine geeignete Ausbildung der Ankopplung in einem verhältnismäßig großen Änderungsbereich der Frequenz, insbesondere im

ίο gesamten Äbstimmbereich des Filters, einen annähernd konstanten Wellenwiderstand z. B. in der Größenordnung von 70 Ohm sowie eine annähernd konstante relative Bandbreite zu erzielen.

Die kapazitive und die induktive Ankopplung sind theoretisch gleichartig. Die kapazitive Kopplung läßt sich jedoch praktisch wesentlich reiner herstellen. Im folgenden wird daher die Erfindung an Hand der kapazitiven Kopplung noch näher erläutert. Das grundsätzliche Schaltbild eines Abzweigfilters, das Kapazitäten als Längswiderstände und einen Parallelschwingungskreis enthält, ist in der Fig. 1 dargestellt. Der Parallelschwingungskreis soll dabei durch einen Toroidkreis mit der Induktivität L, der Kapazität K und dem Resonanzleitwert G gebildet sein. Die Koppelkapazitäten sind mit C bezeichnet. Für ein solches Filter ergibt sich bei kleiner relativer Bandbreite eine (mittlere) Resonanzfrequenz

CO_n —

Yl (k + c)

Die Grenzfrequenzen des Filters sind

(O₁ !=ü (O₀

CO₀

2,R

Tk)-

Die relative Bandbreite ist

A =

ω₂ —

C
~K

und die Güte des Abstimmkreises

Es ist ferner die Dämpfung (J₀) des Filters für die Resonanzfrequenz

¹BlUb₀ =

γ Α

und der Wellenwiderstand des Filters für die Resonanzfrequenz .

Z- -i-

Aus den obigen Formeln ist zu ersehen, daß es bei einem solchen Filter möglich ist, den Wellenwiderstand und die relative Bandbreite im ganzen Nutzfrequenzbereich im wesentlichen konstant zu halten. Es ist lediglich erforderlich, die Ankopplung mit der Abstimmung entsprechend zu ändern. Bei einer Ausführung nach diesem grundsätzlichen Schema ergeben sich jedoch noch unter Umständen Dimensionierungsschwierigkeiten, insbesondere dann, wenn der Wellenwiderstand sehr niedrig, z. B. in der Größenordnung von 70 Ohm sein soll.

Führt man in das Schaltbild der Fig. 1 noch Quer-, kondensatoren ein, so kann man dadurch den Wellenwiderstand des Filters erniedrigen und erhält das Schema der Fig. 2. Um die Schaltung nach Fig. 2 formal in die Schaltung nach Fig. ι zu überführen, wird von der bekannten Identität der Schaltungen nach Fig. 3 a und 3 b Gebrauch gemacht. Mit den Bezeichnungen dieser Figuren ist bekanntlich

C₁-C₂

C =

C₁+C₂

C₁+ C₂

u ist dabei das Übersetzungsverhältnis des idealen Übertragers der Fig. 3 b. Nach Überführung der Schaltung nach Fig. 2 in die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erhält man für das transformierte Filter den Wellenwiderstand

7 1 _ ^o _
0 — 9 —

4J. *

A =

k + K

ω₀ Cu² ω₀ (C₁ + C₂) während die relative Bandbreite

C _C_ _ C₂ ^a

"~K" (C^C₂)K wird.

Nimmt man beispielsweise an, der Wellenwiderstand soll im gesamten Nutzfrequenzbereich etwa 70 0hm betragen und die relative Bandbreite sei im ganzen Nutzfrequenzbereich annähernd ¹Z₈₀, so erhält man für die Kapazitäten C₁ und C₂ die Werte

C₂ =

C₁ =

5600 co₀

— C,

70CO₀

Die Resonanzfrequenz ω₀ und die Schwingkreiskapazität K können nun beispielsweise vorgeschrieben und hieraus die Kapazitäten C₁ und C₂ bestimmt werden. *

Es sei beispielsweise angenommen, daß ein Toroidkreis verwendet wird, bei dem sich durch Änderung des Plattenabstandes die Resonanzfrequenz f₀ — —

zwischen 200 MHz und 800 MHz ändern läßt. Da die Resonanzfrequenz bei einem Toroidkreis etwas lang-" samer wächst als es der reinen Plattenkapazität entspricht (durch den Einfluß der verteilten Kapazität im Toroid selbst), wurde in Abhängigkeit vom Plattenabstand δ in Millimetern die Resonanzfrequenz geraessen und die wirksame Kapazität aus der Resonanzfrequenz und der berechneten Induktivität errechnet. Der Einfluß der Zusatzkapazität k wurde dabei vernachlässigt, da sie klein gegen K ist.

Unter Verwendung der bereits angegebenen Gleichungen für die einzelnen Größen ergeben sich damit die folgenden Werte:

Plattenabstand
δ nun

0,1 0,2

o,5

Ge	"0	Wirksame	Längs	Quer
messene	XIO⁹	Kapazität	kapa	kapa
Resonanz		£/pF =	zität	zität
frequenz J7 /TlTTJr?	1,32	/ r I	C₂ZPF
/o/MHz	1,885	wfL	3,94	6,88
210	2,83	U₅	2,31	5,21
3OO	3,77	56,3	1,26	3,75
450	5,03	25,0	0,82	2,94
6OO	14,1	o,53	2,29
8OO	7,9

Zusatzkapazität Ä/pF = C₁ · C₂ C₁ + C₂

2,5

1,6

0,94
0,64

o,43

Aus der Tabelle ist zu ersehen, daß die Kapazitäten C₁ und C₂ in einer günstigen Größenordnung liegen und sich keine konstruktiven Schwierigkeiten für ihre praktische Ausführung ergeben können.

Um die geforderte Abhängigkeit der Kapazitäten C₁ und C₂ in möglichst einfacher Weise von der Plattenbewegung abzuleiten, sieht die Erfindung weiter vor, bei einem elektrischen Bandfilter mit kapazitiver Ankopplung die Meßspannung dem Toroidkreis über je eine Anschlußplatte zuzuführen und abzunehmen, die in der einen Kapazitätsplatte des Toroidkreises fest angeordnet, jedoch von ihr isoliert sind, und in der anderen Kapazitätsplatte gegenüber jeder Anschlußplatte eine ringförmige, über die jeweilige Anschlußplatte herausragende Platte isoliert einzulassen. In Fig. 4 ist schematisch eine bevorzugte Ausführungsform, und zwar für einen der Anschlüsse bei kapazitiver Ankopplung dargestellt. Die-Meßspannung wird über die Anschlußplatte 2 zugeführt. Diese ist in der einen Kapazitätsplatte 1 des Toroidkreises fest angeordnet, jedoch von ihr isoliert. Die Kapazitätsplatte ι kann dabei beispielsweise geerdet sein. Gegenüber ist in der anderen Kapazitätsplatte 3 des Schwingkreiskondensators der Ring 4 isoliert, und zwar möglichst kapazitätsarm, eingelassen. Eine der beiden Kapazitätsplatten soll dabei beweglich sein, beispielsweise die Platte 3. Der in ihr eingelassene Ring wird dabei mit 3 gemeinsam bewegt. Man erhält das Schaltungsschema der Fig. 5, das grundsätzlich gleich dem Schaltungsschema der Fig. 2 ist, wenn man es auf der rechten Seite auch noch für den anderen Anschluß ergänzt. Es läßt sich nämlich der Kapazitätsstern mit dem Sternpunkt 4 und den Kapazitäten C₁₄, C₂₄ und C₃₄ in ein Kapazitätsdreieck nach bekannten Formeln umwandeln. Man erhält so Kapazitäten, die sich parallel zu den Kapazitäten C₁₂, C₂₃ und K legen und damit wieder das Schema der Fig. 2 ergeben, das vorstehend behandelt wurde. Nach Umwandlung des Kapazitätssternes in ein Dreieck erhält man für die Kapazitäten C₁ und C₂ die folgenden Werte:

C₁ = C₁₂ +

o — C₂₃ -f-

C₁₄ C₂

C₁₄ + C₂

^24

+ C

34

C₁₄ -f- C₂₄ +

'34 Zur Schwingkreiskapazität K liegt ferner noch eine Kapazität C₃ parallel, die den folgenden Wert hat:

Co =

•Ί4

C₁

■14 "T C₂₄ -f- C₃₄

und in diese einbezogen werden kann.

Nimmt man beispielsweise an, daß die festen Kapazitäten C₁₂ und C₃₄ des Schemas nach Fig. 5 die folgenden Werte besitzen:

C₁₂ = 2,3 pF

und daß ferner

C₃₄ = 2,0 pF

Cad —■

1,2

ö/mm

1,0

o/mm

o,3

pF

-23- ., P^F

o/mm
sei, so erhält man die folgenden Werte:

Platten	C₂JoF	C₁JoB	C₂JoF	Ci/pF	C /pF	C /pF
abstand
i/mm	12	IO	3,o	7,30	4,00	0,83
0,1	6	5	!,5	4,61	2,42	0,77
0,2	2,4	2	0,6	3,05	i,35	0,63
o,5	1,2	I	0,3	2,59	0,87	0,48
I	0,6	0,5	0,15	2,40	o,54	0,32
2

Die festen Werte der Kapazitäten C₁₂ und C₂₄ sowie die angegebenen Abhängigkeiten der Kapazitäten C₂₄, C₁, und Co» von dem Plattenabstand können ohne

weiteres durch entsprechende Ausbildung des in Fig. 4 gezeigten Anschlusses erreicht werden. Aus der vorstehenden Tabelle ist nun zu ersehen, daß die Werte der sich ergebenden Kapazitäten C₁ und C₂ mit den in der ersten Tabelle geforderten Werten annähernd übereinstimmen. Es kann nun umgekehrt aus den gegebenen Werten von C₁ und C₂ (Tabelle 2) der Wellenwiderstand und die Bandbreite des Filters bei der gewählten Ankopplung bestimmt werden. Man findet

Die erreichte Näherung ist praktisch vollkommen ausreichend, da der Wellenwiderstand innerhalb des Durchlaßbandes ohnehin nicht konstant, sondern eine Funktion der Frequenz ist und Schwankungen der Bandbreite in dem angegebenen geringen Umfang vernachlässigbar sind. Außerdem sind die durch die mechanische Ausführung bedingten Ungenauigkeiten in der gleichen Größenordnung.

Platten	Resonanz	Wellen-	Relative
abstand	frequenz	wider	Bandbreite
o/mm	/o/MHz	st tin ei Z'₀/Ohm	Δ
0,1	210	67	0,0123
0,2	3OO	75	0,0148
0,5	45Ο	80	o,oi66
I	6OO	77	0,0155
2	8OO	68	0,0126

Ein vollständiges Bandfilter gemäß der Erfindung ist maßstäblich in der Fig. 6 dargestellt. Die Anschlüsse für den Eingang und den Ausgang sind dabei nach dem Schema der Fig. 4 ausgebildet. In dem Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die Kondensatorplatten des Schwingungskreises kreisförmig ausgebildet sind. Eingang α und Ausgang b rücken dabei verhältnismäßig nahe aneinander. Etwas günstigere Verhältnisse erhält man, wenn man die Platten elliptisch ausführt und Eingang und Ausgang in der größeren Achse der Ellipse anordnet.

Parallel zum Abstimmkreis wird mit Vorteil ein Spannungsmesser, z. B. eine Diode, eingeschaltet, durch die die richtige Abstimmung des Filters, z. B. auf die Meßfreqüenz, angezeigt werden kann. Das Bandfilter eignet sich dann mit Vorteil auch als Frequenzmesser. ^

Claims

Patentansprüche:

i. Veränderbares elektrisches Bandfilter für kurze und ultrakurze Wellen, insbesondere für Dezimeterwellen, nach dem Prinzip des Abzweigfilters, bei dem die Längswiderstände des Filtergliedes Kapazitäten oder Induktivitäten sind und der Querwiderstand ein Parallelresonanzkreis ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelschwingungskreis durch einen abstimmbaren Toroidkreis (Topfkreis) gebildet wird.
2. Bandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abstimmbare Toroidkreis aus einem verstellbaren.Plattenkandensator und einem daran angeschlossenen elastischen Toroid besteht.
3. Bandfilter nach Anspruch I oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längswiderstände so ausgebildet und so mit der Abstimmung des Toroidkreises veränderbar sind, daß sich im gesamten Nutzfrequenzbereich ein annähernd konstanter Wellenwiderstand und eine annähernd konstante relative Bandbreite ergibt.
4. Bandfilter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung dem Toroidkreis über je eine Anschlußplätte zugeführt und abgenommen wird, die in der einen Platte der Abstimmkapazität des Toroidkreises fest angeordnet, jedoch von ihr isoliert sind, und daß in der anderen Kapazitätsplatte gegenüber jeder Anschlußplatte eine ringförmige, im Durchmesser über die jeweilige Anschlußplatte herausragende Platte isoliert eingelassen ist.
5. Bandfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsplatten des Toroidkreises elliptisch und die Anschlußplatten in der größten Ausdehnungsrichtung der Kondensatorplatten angeordnet sind.
6. Bandfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß. parallel zum Toroidkreis ein Spannungsmesser, z.B. eine Diode, geschaltet ist.
7. Verwendung des Bandfilters nach Anspruch 6 zur Frequenzmessung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 5105 4.