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Abstimmbare Bandfilteranordnung für konstante absolute Bandbreite
Die Erfindung bezieht sich auf Bandfilter, die über einen großen Frequenzbereich
mit konstanter Bandbreite abgestimmt werden können. Obgleich dieses Bandfilter allgemein
benutzt werden kann, ist es doch besonders als abstimmbarer Bandfilterkreis für
Fernsehempfänger geeignet.
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Es ist manchmal wünschenswert, in Hochfrequenzgeräten ein Bandfilter
zu verwenden, das über einen großen Frequenzbereich bei konstanter Bandbreite abgestimmt
werden kann. Zum Beispiel sind solche selektiven Kreise in einem Fernsehempfänger
von Nutzen, der auf verschiedenen Frequenzen arbeiten soll, da die Modulationsbandbreiten
im wesentlichen gleich sind. Für den Empfänger sind also selektive Kreise erforderlich,
welche nur eine vorher bestimmte Bandbreite durchlassen, und welche auf die Frequenz
irgendeiner ausgewählten Sendestation abgestimmt werden können. Indessen haben die
abstimmbaren Filter im allgemeinen die unerwünschte Eigenschaft, daß die Durchlaßbandbreite
sich ändert, wenn das Filter abgestimmt wird. Zur Erzielung einer konstanten Bandbreite
über einen großen Abstimmungsbereich sind bereits verhältnismäßig komplizierte mechanische
Anordnungen benutzt worden. Hierdurch sollte die erforderliche Kopplungsänderung
zwischen den gekoppelten abgestimmten Kreisen des Filters bei der Abstimmung der
Kreise bewirkt werden, Andere Filter benutzten eine Kombination
von
festen Blindwiderständen, durch welche irgendeine gewünschte Änderung des Kopplungskoeffizienten
im Abstimmungsbereich erreicht werden sollte. Bei derartigen abstimmbaren Filtern
wird die gewünschte Kopplungsänderung und die konstante Bandbreite im Abstimmungsbereich
aber nur angenähert erzielt.
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Die Erfindung befaßt sich mit einem Bandfilter, welches über einen
großen Frequenzbereich bei konstanter Bandbreite abstimmbar ist, ohne die bisherigen
Nachteile aufzuweisen.
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Erfindungsgemäß besitzt das Bandfilter einen kapazitiv-abstimmbaren
Kreis und einen induktiv-abstimmbaren Kreis, die durch einen festen Blindwiderstand
gekoppelt sind. Dieser Blindwiderstand ist mit Rücksicht auf die Kopplung zwischen
den abstimmbaren Kreisen so gewählt, daß innerhalb des Abstimmbereiches der sich
ergebende Kopplungskoeffizient zwischen den abstimmbaren Kreisen der mittleren Frequenz
des Durchlaßbandes des Filters umgekehrt proportional ist. Eine konstante Bandbreite
wird hierbei durch Abstimmung beider Kreise auf irgendeine gegebene Frequenz innerhalb
des Abstimmbereiches erzielt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zur Kopplung
dienende feste Blindwiderstand ein Kondensator, welcher mit beiden abstimmbaren
Kreisen in Serie liegt. Ferner sind bei dieser Ausführungsform Mittel zur gleichzeitigen
Einstellung der Abstimmeleniente des Filters vorgesehen, so daß beide abstimmbaren
Kreise jederzeit auf die gleiche Frequenz abgestimmt sind.
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In der Fig. i ist ein Bandfilter dargestellt, welches von einem konstant-k-Füterhalbteil
abgeleitet ist. Der Halbteil enthält einen Serienresonanzkreis, bestehend aus der
Induktivität L, und der Kapazität Cl und einen Parallelresonanzkreis, der von der
Induktivität L2 und der Kapazität C2 gebildet wird. Die entsprechenden Abschlüßwiderstände
R, R, die der Bildimpetanz des Filters angepaßt sind, sind vorgesehen; diese Widerstände
können entweder tatsächlich vorhanden sein oder ganz oder teilweise im Eigenwiderstand
der zugeordneten Kreise enthalten sein. Die Kapazität Cl und die Induktivität L2
sind veränderbar. Die folgenden Gleichungen beziehen sich -auf die Schaltung Fig.
i.
Hier ist da) die Breite des Durchlaßbandes und coo die mittlere Winkelfrequenz.
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Aus den Gleichungen (i) und (a) ist es ersichtlich, daß die Breite
des Durchlaßbandes Aa) von der mittleren Frequenz des Durchlaßbandes unabhängig
ist; diese kann nur mit Hilfe der einstellbaren Kapazität C, bzw. der Induktivität
L2 verändert werden. Es ist daher klar, daß die Schaltung Fig. i über einen großen
Frequenzbereich bei konstanter Bandbreite eingestellt werden kann.
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In der Fig. i kann jedes Klemmenpaar, welches mit einem Widerstand
entsprechend der Bildimpetanz des Filters abgeschlossen ist, benutzt werden; die
Schaltung kann aber auch mit Endwiderständen anderer Größe, die mit einem oder beiden
Klemmenpaaren gekoppelt sind, Verwendung finden. Beide Klemmenpaare müssen mit dem
geeigneten Widerstand für aperiodische Dämpfung abgeschlossen werden. Wenn nur ein
Klemmenpaar mit einem Widerstand abgeschlossen ist, besteht die Möglichkeit, daß
ein größeres Übertragungsverhältnis im Filter erreicht wird.
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Verschiedene Halbteile entsprechend demjenigen in der Fig. i können
nacheinander geschaltet werden, falls eine größere Annäherung an ein ideales Filter
gewünscht wird.
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In der Fig. 2 sind die Charakteristiken des Filterkreises der Fig.
i für zwei verschiedene Werte der Mittelfrequenz a)a,bezeichnet als coo rund cop
2, dargestellt. Dies beweist, daß diese Charakteristiken eine konstante Bandbreite
bei ähnlichem Verlauf ohne Rücksicht auf die Mittelfrequenz aufweisen, auf welche
das Filter abgestimmt ist.
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Durch eine Impedanztransformation kann die Schaltung Fig. 3 von der
Schaltung in der Fig. i abgeleitet werden. Die Schaltelemente in dieser und den
nachfolgenden Figuren, welche den Elementen in der Fig. i entsprechen, führen die
gleichen Bezugszeichen. Die- Schaltung Fig. 3 enthält einen kapazitivabstimmbaren
ersten Kreis mit einer festen Induktivität Lx und einer variablen Kapazität Cl,
und einen induktiv-abstimmbaren zweiten Kreis, der eine variable Induktivität L2
und eine feste Kapazität C2, enthält; zur Kopplung dient der feste Kondensator C,
Die folgenden vereinfachten Gleichungen befassen sich mit der Schaltung Fig:3 unter
der Annahme, daß die Bandbreite viel kleiner ist als die Mittelfrequenz des Bandes.
Hierbei ist k der Kopplungskoeffizient zwischen den abstimmbaren Kreisen, X, der
Blindwiderstand des Kondensators C" X, der Blindwiderstand eines Elementes in dem
kapazitiv-abstimmbaren Kreis und X2 der Blindwiderstand eines Elementes in dem induktiv-abstimmbaren
Kreis.
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In der Schaltung Fig. 3 sind keine Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen
dargestellt, da die Resonanzcharakteristiken jedes abstimmbaren Kreises den anderen
so beeinflussen, daß Eingangs- und Ausgangsklemmen an verschiedenen Punkten der
Schaltung angeordnet werden können.
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Die Charakteristiken und die Wirkungsweise der Schaltung Fig. 3 stimmen
im allgemeinen mit denjenigen der Fig. i überein. Nach Gleichung (4.) ist in der
Schaltung Fig.3 der Kopplungskoeffizient zur Mittelfrequenz des Durchlaßbandes des
Filters umgekehrt
proportional, und dies ist der Ausdruck für die
konstante Bandbreite; d. h. die Breite des Durchlaßbereiches ist nur von den Größen
der festen Elemente C, C2, Ll abhängig. Daher wird die geforderte konstante Bandbreite
während der Abstimmung des kapazitiv-abstimmbaren Kreises als auch des induktivabstimmbaren
Kreises auf irgendeine Frequenz innerhalb des Abstimmbereiches aufrechterhalten.
Obgleich es wünschenswert ist, daß der kapazitiv-abstimmbare Kreis und der induktiv-abstimmbare
Kreis im wesentlichen auf die gleiche Frequenz abgestimmt werden, ist es verständlich,
daß die Einknopfbedienung, die in der Zeichnung angedeutet ist, auch fortgelassen
werden kann.
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Die Schaltung in der Fig. q. kann von der Schaltung Fig. z durch eine
andere Impedanztransformation, die zu einer festen induktiven Kopplung zwischen
den zwei abstimmbaren Kreisen führt, abgeleitet werden. Die Schaltung in Fig. q.
enthält einen kapazitivabstimmbaren Kreis mit der festen Induktivität L1 und der
einstellbaren Kapazität Cl. Ferner ist ein induktiv-abstimmbarer Kreis mit der einstellbaren
Induktivität L2undderfesten Kapazität C2 vorgesehen. Die abstimmbaren Kreise sind
durch eine feste Induktivität L, gekoppelt. Die folgenden vereinfachten Gleichungen
behandeln die Schaltung Fig. 4. unter der Voraussetzung, daß die Bandbreite viel
kleiner ist als die :Mittelfrequenz.
Hierbei ist B, der Blindleitwert der Induktivität L, B1 der Blindleitwert eines
Zweiges des kapazitivabstimmbaren Kreises und B" der Blindleitwert eines Zweiges
des induktiv-abstimmbaren Kreises.
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Eine in Serie mit der Kopplungskapazität C, in der Fig. 3 auftretende
Induktivität kann eine unerwünschte Änderung der Bandbreite des Filters zur Folge
haben. Eine Schaltung zur Kompensierung dieser Erscheinung ist in der Fig. 5 gezeigt.
Die Schaltung in der Fig. 5 entspricht in jeder Hinsicht der Fig. 3 mit der Ausnahme,
daß die zusätzliche Induktivität in Serie mit der Kopplungskapazität C, mit L,'
bezeichnet und eine Kompensierungskapazität C," hinzugefügt ist. Die folgenden Gleichungen,
können auf die Schaltung Fig. 5 unter der Voraussetzung angewendet werden, daß die
Kopplungsänderung infolge des Auftretens der Elemente I_,' und C," gleich Null ist.
Hierin ist k' die Änderung des Kopplungskoeffizienten. Es ist.
Eine zusätzliche Kapazität parallel zur Kopplungsinduktivität L, in der Fig. q.
kann einen ähnlichen nachteiligen Einfluß auf die Bandbreite des Filters in der
Fig. .4 haben. Eine Schaltung zur Kompensierung dieser Kapazität ist in der Fig.
6 gezeigt. Die Schaltung in der Fig. 6 entspricht derjenigen in der Fig. .4 mit
der Ausnahme, daß die zusätzliche Kapazität parallel zur Induktivität L,; mit C,'
dargestellt und eine Kompensierungsinduktivität L," in einem gemeinsamen Abschnitt
der beiden abstimmbaren Kreise eingefügt ist, d. h. in Serie mit den abstimmbaren
Kreisen liegt. Die folgenden Gleichungen für die Kompensation befassen sich mit
der Schaltung Fig. 6.
Eine zusätzliche Kapazität parallel zur festen Induktivität in der Fig. 3 kann ebenfalls
einen ähnlichen nachteiligen Effekt für die Bandfiltercharakteristik zur Folge haben.
In der Fig. 7 ist eine Anordnung zur Kompensierung dieses Effektes gezeigt. Die
Schaltung Fig. 7 ist derjenigen in der Fig. 3 gleich, ausgenommen, daß die zusätzliche
Kapazität C,' parallel zur Induktivität L1 liegt und eine Kompensierungskapazität
C,' dargestellt ist. Die veränderbare Kapazität Cl und die feste Kapazität C2 der
Schaltung in Fig. 7 haben einen gemeinsamen Kontakt, die Kapazität C," liegt zwischen
den anderen beiden Kontakten dieser Elemente. Die Kompensation erfolgt nach der
Bedingung für die Abgleichung einer Brücke, deren vier Zweige in folgender Beziehung
zueinander stehen:
Die Eigenkapazität der veränderbaren Induktivität L2 in der Fig. 3 kann ebenfalls
eine ähnliche nachteilige Einwirkung auf die Bandbreite des Kreises haben. Eine
Schaltung zur Kompensierung dieser zusätzlichen Kapazität ist in der Fig. ö gezeigt.
Diese Schaltung gleicht derjenigen in der Fig.3, mit der Ausnahme, daß eine zusätzliche
Kapazität C,' parallel zur veränderbaren Induktivität L2 liegt, und daß die Kompensierungskapazität
C,' in Serie mit der Kopplungskapazität C, geschaltet ist, obgleich die beiden Elemente
C, und C," auch vereinigt sein können. Die folgenden Gleichungen für die Kompensation
können auf die Schaltung in der Fig. 8 angewendet werden.
Hier bedeutet
das Verhältnis der Kopplung k' infolge der Hinzufügung der Elemente Cj und C," zu
der Kopplung k ohne diese Elemente.
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Es ist daher
Es ist möglich, daß andere zusätzliche Kopplungseffekte in den Schaltungen der Fig.
3 oder 4 auftreten können, und daß einige oder alle durch die Anwendung der dargestellten
Verfahren kompensiert werden können.
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In der Fig. g ist ein abstimmbares Filter entsprechend der Erfindung
gezeigt; es dient als Eingangsfilter in einem Fernsehempfänger. Der dargestellte
Empfänger ist ein Superheterodynegerät und enthält eine Dipolantenne i o, die über
ein Filter g mit der ersten Röhre ii des Empfängers gekoppelt ist. Wenn. man zunächst
die Teile der Schaltung, welche die vorliegende Erfindung bilden, nicht berücksichtigt,
so enthält der Empfänger die Mischröhre ii und den Oszillator 12, der mit der Eingangselektrode
der Mischröhre ix über einen Kondensator i2 gekoppelt ist. Es folgt dann der Zwischenfrequenzverstärker
i4, der Demodulator i5, der Sehfrequenzverstärker 16 und die Bildwiedergabeeinrichtung
17, welche mit einer Kathodenstrahlröhre ausgerüstet sein kann. Die einzelnen Teile
des oben beschriebenen Empfängers sind gebräuchlicheElemente bekannter Konstruktion,
so daß eine ins einzelne gehende Darstellung und Beschreibung unnötig erscheint.
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Die durch die Antenne io aufgenommenen Fernsehsignale werden durch
das Filter g ausgesiebt und der Mischstufe ii zugeführt. Hier werden sie in Zwischenfrequenzsignale
umgewandelt, welche im Zwischenfrequenzverstärker 14 selektiv verstärkt und dem
Demodulator 15 zugeleitet werden. Die Modulationskomponente wird durch den Demodulator
15 abgeleitet und dem Sehfrequenzverstärker 16 zugeführt, um darauf in der üblichen
Weise einem Helligkeitssteuerelement der Bildwidergabeeinrichtung 17 zugeführt zu
werden.
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Der besondere Teil des Systems in der Fig. g, der die vorliegende
Erfindung enthält, besteht aus einem Transformator. Seine Primärwicklungen 2o, 21
sind über die Kondensatoren 22 und 23 und die Übertragungsleitung 24 mit der Antenne
io gekoppelt. Die Sekundärwicklungen 25, 26 besitzen gemeinsame Anschlüsse; die
Wicklungen sind in der Zeichnung mit entgegengesetztem Wickelsinn dargestellt. Um
ein einstellbares Filter allgemeiner Art nach den Fig. 3 und 5 herzustellen und
die Induktivitäten 25 und 26 als feste Induktivität des kapazitiv abstimmbaren ersten
Kreises zu benutzen, sind die Kondensatoren 27, 28, 29 vorgesehen, welche wahlweise
in den abgestimmten Kreis mittels eines Schalters 3o eingeschaltet werden können.
Der induktiv-abstimmbare zweite Kreis des Filters enthält eine Induktivität 31 zusammen
mit den Induktivitäten 32 und 33, welche wahlweise in Serie mit der Induktivität
31 durch einen Schalter 34 geschaltet werden können. Hierdurch werden drei Induktivitäten
gebildet, welche für die drei Frequenz-Bänder erforderlich sind, äuf welche der
Empfänger in der Fig. g abgestimmt werden kann.
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Der abstimmbare Kreis mit der Induktivität 31
wird durch die
Kapazität 36 abgestimmt; diese ist punktiert eingezeichnet, da sie ganz oder teilweise
in der inneren Kapazität der Röhre ii enthalten sein kann. Ein fester Kopplungskondensator
37 mit parallel geschalteter Gitterableitung 38 dient zur Kopplung der beiden abstimmbaren
Kreise des Filters. Der gestrichelt gezeichnete Kondensator 40, der auf den inneren
Kapazitäten der Schaltung beruhen kann, dient dazu, die Eigeninduktivität, welche
in Serie mit dem Kopplungskondensator 37 vorhanden sein kann, zu kompensieren.
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Die entsprechenden Elemente der Fig. 3, 5 und g sind:
| Fig. 3 Fig. 5 Fig. g |
| C1 Cl 27, 28, 29 |
| L1 L,. 25,26 |
| Ca C2 36 |
| L2 L2 31,32,33 |
| C, C@ 37 |
| Lot (37) |
| Co/' |
| (40) |
Der Oszillator 12 enthält einen Abstimmschalter 41, der für die Einknopfbedienung
mit den Schaltern 30 und 34 mechanisch verbunden ist. Der Schalter 41 dient dazu,
verschiedene Abstimmelemente in den Oszillatorkreis einzuschalten, um hierdurch
die erforderliche Zwischenfrequenz für irgendein gewähltes Empfangssignal zu bilden.
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Die Dimensionierung der Schaltelemente in Fig. g ist unter Berücksichtigung
des Bandfilters getroffen, um eine Dämpfung zu erzielen, welche die gleiche Form
der Resonanzkurve für irgendeinen Durchlaßbereich ergibt, auf welchen das Filter
abgestimmt wird. Hierfür muß also ein konstanter Serienwiderstand im kapazitivabstimmba.ren
ersten Kreis und ein konstanter Nebenschlußleitwert im induktiv-abstimmbaren zweiten
Kreis gefordert werden.
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Bei der Anwendung des Filters in der Fig. g ist es erwünscht, eine
möglichst große Spannung von der Antenne io zum Gitter der Röhre ii zu leiten. Der
Widerstand der Antenne und der Leitung 24 bedingen einen konstanten Widerstand im
Primärkreis 2o, 21, 22, 23. Durch diesen Primärkreis wird der konstante Widerstand
in Serie mit dem Sekundär- oder kapazitivabstimmbaren ersten Kreis des Filters gekoppelt,
der die Parallelinduktivitäten 25 und 26 enthält. Um diesen Widerstand konstant
zu halten, ist der Primärkreis auf eine Frequenz nahe der unteren Grenze des Bereiches
abgestimmt, und sein Blindwiderstand ist so klein, daß er durch den Leitungswiderstand
ungefähr halbaperiodisch gedämpft ist.
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Die Größe des konstanten Widerstandes, der in den kapazitiv-abstimmbaren
ersten Kreis des Filters gekoppelt wird, ist durch die Gegeninduktivität zwischen
den Primär- und Sekundärkreisen bestimmt und wird durch die Primärinduktivitäten
2o, 21 und die Sekundärinduktivitäten 25, 26 bemessen. Dieser Widerstand wird so
eingestellt, daß eine hinreichende Dämpfung des ersten abstimmbaren Kreises des
Filters erzielt wird; es ist also keine Dämpfung des zweiten
abstimmbaren
Kreises erforderlich. Dies ist die Bedingung für die maximale Spannungsübertragung
von der Antenne io zum Gitter der Röhre ii. Wenn indessen irgendeine Dämpfung im
zweiten abstimmbaren Kreis vorhanden ist, so muß sie durch einen konstanten Nebenschlußleitwert
bedingt werden, um so einen konstanten Einfluß auf die Form der Resonanzkurve zu
ergeben. Die ungewöhnliche Anordnung des Transformators 2o, 2i, 25, 26 liefert eine
symmetrische Spulenanordnung zur Kopplung des kompensierten Primärkreises mit dem
unausgeglichenen Sekundärkreis.
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In dem gleichen Maße wie der induktiv-abstimmbare zweite Kreis des
Filters 9 eine konstante Kapazität und einen konstanten Nebenschlußleitwert, welcher
Null sein kann, erfordert, ist es wichtig, daß der Eingangsleitwert der Röhre ii
über den Frequenzbereich konstant und vorzugsweise gleich Null ist. Für diesen Zweck
ist eine Induktivität 42 im Schirmgitterkreis der Röhre ii vorgesehen, welche zusammen
mit der inneren Kapazität zwischen dem Schirm- und dem Steuergitter der Röhre ii,
in der Zeichnung gestrichelt als Kapazität 44 dargestellt, einen Rückkopplungskreis
bildet, der den Eingangsleitwert der Röhre ii im wesentlichen auf Null hält. Da
der Gitterleitwert der Röhre ii, welcher hauptsächlich von der Laufzeit der Elektronen
abhängig ist, dem Quadrat der Frequenz proportional ist, muß der Rückkopplungsleitwert
g8 entsprechend dem folgenden Ausdruck gewählt werden -g. a (a)OCDj (coOLs)
- to02CosLs 1i7 Hierbei ist C9$ die Gitter-Schirmgitter-Kapazität44 und L$ die Schirmgitter-Induktivität
42. Da sowohl der Eingangsleitwert und der negative Rückkopplungsleitwert dem Quadrat
der Frequenz proportional sind, ist es möglich, sie so zu wählen, daß sie sich über
den gesamten Frequenzbereich kompensieren.
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Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß bei Betätigung der Schalter
30, 34 und 41, um das Filter auf ein ausgewähltes Band der drei Frequenzbereiche
abzustimmen, die Bandbreite sowie die Kurvenform der Filtercharakteristik gleichbleiben.
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Eine andere Anordnung zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen
Null betragenden Eingangsleitwertes der Röhre ii ist in der Fig. io gezeigt. Diese
stellt nur einen Teil des Filters dar, während die übrigen Teile der Schaltung in
der Fig. 9 entsprechen. Um den Eingangsleitwert zu kompensieren, ist eine Induktivität
45 im Kathodenkreis der Röhre ii vorgesehen, und diese wird mit der festen Induktivität
31 des induktiv-abstimmbaren Kreises induktiv gekoppelt. In der SchaltungFig. io
ändert sich derRückkopplungsleitwert g8 mit der Frequenz nach der Gleichung:
Hier ist mit M die Gegeninduktivität zwischen den Induktivitäten 31 und 45 bezeichnet.
L2 ist die Gesamtinduktivität des induktiv-abstimmbarenKreises des Filters, und
C2 ist die Gesamtkapazität des induktiv-abstimmbaren Kreises des Filters, nämlich
diejenige des Kondensators 36.
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In der Fig. io als auch in der Fig. 9 sind die Eingangsleitwerte und
die negativen Rückkopplungsleitwerte einander proportional, so daß sie sich innerhalb
des Frequenzbereiches kompensieren.