DE970882C - Bandpass fuer Dezimeter- und Zentimeterwellen, der beidseitig mit Wirkwiderstaenden abgeschlossen ist - Google Patents

Description

Gekoppelte Hohlraumresonatoren aufweisende Bandpässe werden häufig zur Trennung mehrerer Kanäle in Dezi-Richtfunkverbindungen für Nachrichtenübertragung sowie beim Fernsehen usw. benötigt. Bandpässe lassen sich im Dezimeter- und Zentimeterwellengebiet nicht mehr aus konzentrierten Elementen herstellen, da diese zu klein würden und auch die Impedanzen der Zuleitungen zu den konzentrierten Elementen nicht mehr vernachlässigt werden können. Bandpässe aus koaxialen Leitungsstücken sind bei Frequenzen über 2000 MHz nur noch schwer realisierbar, vor allem dann, wenn hohe Anforderungen an die Bandpässe gestellt werden, z. B. hinsichtlich geebneter Gruppenlaufzeit und bezüglich der Steilheit des Dämpfungsanstieges. Sehr geeignete Bauelemente eines Bandpasses sind, wie bekannt, gekoppelte Hohlräume, wobei die Kopplung so gewählt ist, daß beide Hohlräume noch als getrennte Schwingungskreise wirken. Die Kopplung erfolgt durch ein Loch in der gemeinsamen Trennwand beider Hohlräume.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bandpaß für Dezimeter- und Zentimeterwellen, der beidseitig mit Wirkwiderständen abgeschlossen ist und der aus mindestens vier entweder durch Hohlraumresonatoren oder durch Schwingtöpfe realisierten Resonatoren besteht, die durch Öffnungen, insbesondere kreisrunde Löcher oder Schlitze, in den die einzelnen Schwingräume gegeneinander abgrenzenden Trennwänden mit unterschiedlichen Kopplungswerten miteinander gekoppelt sind. Das Bandpaßfilter nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine solche, in Abhängigkeit von den passend gewählten Kopplungswerten zwischen den einzelnen Resonatoren bemessene Fehlanpassung der Schwingwiderstände der Endresonatoren an die Schwingwiderstände der an die Endresonatoren angrenzenden Resonatoren sowie durch eine solche, die

809 652/45

Entstehung einer Dämpfungsnullstelle in der Mitte des Durchlaßbereiches bewirkende, gleichfalls in Abhängigkeit von den Resonatorkopplungen zu wählend* Fehlanpassung des Schwingwiderstandes der Endresonatoren an ihren Abschlußwiderstand, daß sich für den Bandpaß-Durchlaßbereich eine geebnete Gruppenlaufzeit ergibt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Bandpaßfilters nach der Erfindung sind vier Resonatoren

ι ο vorgesehen, für die hinsichtlich ihrer Koppelreaktanzen sowie hinsichtlich der Fehlanpassung des Schwingwiderstandes der Endresonatoren einerseits an den Schwingwiderstand der an sie jeweils angrenzenden Resonatoren und andererseits an den Filterabschlußwiderstand die. eine geebnete Gruppenlaufzeit sowie eine zur Bandmitte symmetrische Durchlaßkurve ergebenden Beziehungen

und

= 2p —τ

gelten.

Dabei bedeutet K den Quotienten aus der Koppelreaktanz der Kopplung zwischen dem zweiten und dritten Resonator und der Koppelreaktanz der Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Resonator, die ebenso groß ist wie die Koppelreaktanz der Kopplung zwischen dem dritten und vierten Resonator, p den die Fehlanpassung der Endresonatoren gegenüber den an sie angrenzenden Resonatoren angebenden Quotienten, Z den Schwingwiderstand der Endresonatoren im Falle ihrer Anpassung an die angrenzenden Resonatoren, R den beidseitigen Abschlußwiderstand des Bandpasses.

Es ist bekannt, Hohlraumfilter, die gegebenenfalls vier Hohlraumresonatoren umfassen, dadurch in den Zug einer Hohlleitung einzufügen, daß die Hohlleitung an dem für die Anbringung des Filters vorgesehenen Ort mittels Blenden in eine Reihe von direkt miteinander gekoppelten Hohlraumresonatoren unterteilt wird. Die Kopplungen zwischen den einzelnen Hohlraumresonatoren sind dabei gleich groß gewählt. Lediglich jene zwei Blenden, welche die Verbindung der Hohlleitung mit dem Filter vermitteln, weisen Kopplungswerte auf, die sich in ihrer Größe von den innerhalb des Filters zur Anwendung gelangenden Kopplungswerten unterscheiden. Auch sind Dreikreisfilter bekannt, bei denen die Ein- und Auskopplungslöcher größer sind als die untereinander gleich großen Koppellöcher zwischen den Filterhohlräumen. Bei dem Bandpaßfilter nach der Erfindung ist demgegenüber die Kopplung der Filterhohlräume untereinander verschieden wirksam gemacht, und die Schwingwiderstände der Endhohlräume sind größer oder kleiner als es der Wellenwiderstandanpassung innerhalb des Filters entsprechen würde. Bei den vorbeschriebenen Anordnungen fehlen somit die beim Bandpaß nach der Erfindung getroffenen, die Ebnung der Gruppenlaufzeit bewirkenden Maßnahmen. Ferner sind Hohlraumfilter, darunter auch solche mit vier Hohlraumresonatoren, bekannt, die eine maximal ebene Durchlaßkurve aufweisen. Jedoch auch Filter mit maximal ebener Durchlaßkurve, die in der angelsächsischen Literatur als »maximally-flat filters« bezeichnet werden, ergeben durchaus nicht ohne weiteres eine geebnete Gruppenlaufzeit. Die Erfindung hat demgegenüber den Vorteil, daß ein Filter angegeben wird, das sich mit geebneter Gruppenlaufzeit realisieren läßt und bei dem gleichzeitig die Welligkeit der Dämpfung im Durchlaßbereich hinreichend eben bleibt. Schließlich sind noch Maßnahmen zur Erzielung einer bestimmten Frequenzabhängigkeit der Gruppenlaufzeit für abgestimmte Hochfrequenzverstärker bekannt. Für diese Hochfrequenzverstärker ist aber in Anbetracht der bei den Schwingkreisen solcher Verstärker erreichbaren Gütewerte sowie in Anbetracht der Einfügung der Schwingkreise zwischen Schirmgitterverstärkerröhren die Rundfunk-Siebschaltungstheorie maßgebend. Im Unterschied hiervon ist dem Entwurf des aus Hohlraumresonatoren oder Schwingtöpfen bestehenden Bandpasses nach der Erfindung im Hinblick auf die im Vergleich zu Hochfrequenzschwingkreisen aus konzentrierten Schaltelementen um etwa zwei Größenordnungen höheren Güten von Hohlraumresonatoren und Schwingtöpfen sowie in Anbetracht des beidseitigen Filterabschlusses mit Wirkwiderständen endlicher Größe entweder die Wellenparametertheorie oder die Betriebsparametertheorie zugrunde zu legen.

Bei dem Bandpaß nach der Erfindung ist bei geringer Dämpfung im Durchlaßbereich die Gruppenlaufzeit über einen großen Teil des Durchlaßbereiches (etwa zwei Drittel) weitgehend geebnet. Um dies erreichen zu können, ist es nötig, daß das Filter aus mindestens vier gekoppelten Hohlraumresonatoren besteht, da nur dann genügend Veränderliche in der Kopplung und Anpassung vorhanden sind. Bei mehr als vier Hohlraumresonatoren wird zwar die mittlere Gruppenlaufzeit im Durchlaßbereich größer, ihre absoluten Schwankungen lassen sich jedoch kleiner als beim Vierkreisfilter halten.

Die Ankoppelelemente zusammen mit dem Hohlraum können als ideale Übertrager mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis ü und einer Koppelreaktanz L_a bzw. C_ü angesehen werden. Dadurch erhält man bei entsprechendem Übersetzungsverhältnis eine gewisse Freiheit in der Wahl des Hohlraumschwingwiderstandes. Der Ort der Koppellöcher in der gemeinsamen Trennwand ist so gewählt, daß no vorwiegend oder ausschließlich magnetische oder elektrische Kopplung Lk bzw. Ck auftritt. Die als getrennte Schwingkreise wirkenden Resonatoren können mit, ohne oder mit teilweise über den Hohlraum sich erstreckenden Innenleitern hergestellt werden. Der Schwingungstyp kann beliebig gewählt werden und richtet sich nach den elektrischen Anforderungen an das Filter. Es können die verschiedensten elektrischen und magnetischen Grund- und Oberwellen, aber auch der Lechertyp verwendet werden, wobei jeweils verschiedene Ankopplungen und verschiedene Koppelelemente in den Trennwänden anzuwenden sind. Je nachdem, ob die Ankopplung an das Filter elektrisch oder magnetisch erfolgt, ist das irsatzschaltbild entweder eine T- oder eine π-chaltung. Der Kopplungsfaktor der Resonatoren be-

stimmt die relative Bandbreite der Filter. Das Übersetzungsverhältnis der Ankoppelelemente beeinflußt die Anpassung im Durchlaßbereich.

Um die Resonanzwellenlänge der einzelnen Hohlräume in gewissen Grenzen variieren zu können, sind diese mit verstellbaren Eintauchelementen versehen. Die metallischen oder keramischen Eintauchelemente, die z. B. mit Gewinde versehen sind, können verschiedenartige Wirkungen erzeugen: Bringt man die

ίο Eintauchkörper an den Stellen vorwiegend elektrischer Felder an, so wird die Resonanzwellenlänge der Kreise erhöht. An Stellen vorwiegend magnetischer Felder eingetaucht, erniedrigen sie die Resonanzwelle, da sie die magnetischen Kraftlinien verkürzen. Derartige Frequenzkorrekturen sind stets erforderlich. Da die Kreise sehr hochwertig sind, müssen einerseits Ungenauigkeiten bei der Herstellung, andererseits Frequenzabweichungen infolge der Koppellöcher stets ausgeglichen werden bzw. müssen Verstimmungen der Kreise bewußt erzeugt werden.

Fig. ι zeigt das Ersatzschaltbild eines aus vier Hohlräumen bestehenden Bandpasses mit magnetischer Ankopplung und magnetischer Kopplung der Hohlräume untereinander. Beim normalen Filteraufbau sind die einzelnen Filterelemente untereinander mit ihrem Wellenwiderstand angepaßt, d. h., der bei den Endhohlräumen eingetragene Schwingwiderstandsparameter ft ist hier ft = 1. Damit das Übertragungsmaß des Bandpasses symmetrisch zur Mittenfrequenz wird, sind auch die Kopplungen Lk untereinander gleich (K = 1). Bei der π-Schaltung haben die Mitten-

hohlräume den Schwingwiderstand —, bei der T-

Schaltung den Schwingwiderstand 2Z.

Wie die Theorie zeigt, ist es zur Erzielung einer geebneten Gruppenlaufzeit nötig, daß die Endhohlräume fehlangepaßt werden, und zwar wird ft vorzugsweise größer als Eins gewählt. Damit das Übertragungsmaß infolge der Fehlanpassung der Endhohlräume symmetrisch zur Bandmitte bleibt, muß die mittlere Kopplung geändert werden. Dies führt zu der Beziehung

beim Vierkreisfilter. In diesem Falle ist somit eine Kopplungsreaktanz mit dem Wert ω KLk anzusetzen, wenn für die übrigen Kopplungsreaktanzen die Größe (XiLk vorgesehen wurde (ω bezeichnet die Kreisfrequenz). Bei Bandpässen, die aus mehr als vier Hohlräumen bestehen, können auch mehrere Kopplungsfaktoren symmetrisch geändert werden. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die Kopplung der Hohlräume untereinander verschiedenartig induktiv und kapazitiv zu wählen.

Eine weitere Forderung zur Erzielung einer Ebnung der Gruppenlaufzeit ist, eine Dämpfungsnullstelle in der Bandmitte zu erzwingen. Daraus ergibt sich beim Vierkreisfilter:

wobei mit R (Fig. 1) der Generatorinnenwiderstand und der diesem gleich große Verbraucherwiderstand bezeichnet sind. Die Kopplungsfaktoren sowie der Ankopplungsgrad an das Filter werden auf die veränderten Schwingwiderstände ftZ der Endhohlräume bezogen.

Legt man der Wirkungsweise des Filters die elektrische Grund- oder eine radiale elektrische Oberschwingung zugrunde und verwendet kreiszylindrische Hohlraumresonatoren, so müssen die Längen der Endhohlräume entsprechend den obenerwähnten Bedingungen (ft > 1) kleiner als die halbe Länge eines Mittenhohlraumes gewählt werden.

Damit bei geebneter Gruppenlaufzeit die Welligkeit der Dämpfung im Durchlaßbereich klein bleibt, soll ft in der Größenordnung von ft = 1,25 liegen.

Wie schon erwähnt, kann man zweckmäßigerweise die Hohlräume als Kreiszylinder ausbilden. Man kann hier besonders einfach beliebig viele Resonatoren auf der gemeinsamen Achse aneinanderreihen, indem man sie z. B. in ein zylindrisches Rohr (Fig. 2) einbringt. Sie können z. B. in ihrer elektrischen Grundschwingung angeregt sein. Da diese nur vom Radius des Hohlraumes abhängig ist, lassen sich lediglich durch Änderung der ' Hohlraumlängen die verschiedenen Schwingwiderstände verwirklichen. Die Hohlräume bestehen also hier im wesentlichen aus einem Ring und zwei ebenen Trennwänden. In den Trennwänden befinden sich die Koppellöcher k. Die Endhohlräume go erhalten die Ein- und Auskoppelelemente E bzw. A.

Eine andere Möglichkeit, das Filter aus Zylinderstücken und Trennwänden aufzubauen, zeigt Fig. 3. Hier sind die einzelnen Elemente aneinandergereiht und durch zwei Spannplatten und einige Spannbolzen zusammengehalten. Der Ausdehnungskoeffizient der Spannbolzen muß natürlich kleiner sein als der der Zylinder, um eine gute Kontaktgabe zu gewährleisten.

Eine weitere Möglichkeit ist die baukastenartige Zusammensetzung der einzelnen Filterelemente. Die Einzelteile eines solchen Filters sind in Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich hier beispielsweise um Hohlräume mit teilweise über die Hohlraumlänge sich erstreckendem Innenleiter (sogenannte Topfkreise). Für die Zusammensetzung beliebig vieler Filterglieder sind nur wenige verschiedene Formen von Bauteilen notwendig. Die Filterkreise haben bei dieser Resonatorform einen kleineren Schwingwiderstand als bei idealen Hohlraumresonatoren wegen der größeren konzentrierten Kapazität C. Auch mit dieser Bauweise lassen sich Filterketten beliebiger Gliederzahl einfach zusammensetzen. Die Verstimmungsbolzen VB sorgen für die notwendige Frequenzkorrektur. Auch diese Art des Zusammenbaus ist universell verwendbar, wenn man Trennscheiben 4 mit verschieden großen Koppellöchern gemäß den obigen Bedingungen vorsieht.

Die Schwingungstypen in den Resonatoren eines Filters müssen nicht unbedingt gleich sein. Will man ein vorgegebenes Filter auf besonders kleinem Raum herstellen, so ist die Anordnung der einzelnen Filterglieder in einer flachen Dose zweckmäßig (Fig. 5). Die Einkopplung erfolgt z. B. in den mittleren Hohlraum I. Von dort gelangt die Energie über das Koppelloch A₁ in den Hohlraum II, von dort weiter über III, IV, V, VI in Hohlraum VII, wo die Auskopplung erfolgt. Hier läßt sich ein siebengliedriges Filter auf

verhältnismäßig kleinem Raum zusammenbauen, wobei der Schwingungstyp in Hohlraum I von dem in II bis VII verschieden sein kann.

Claims (13)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Bandpaß für Dezimeter- und Zentimeterwellen, der beidseitig mit Wirkwiderständen abgeschlossen ist und der aus mindestens vier entweder durch Hohlraumresonatoren oder durch Schwingtöpfe realisierten Resonatoren besteht, die durch Öffnungen, insbesondere kreisrunde Löcher oder Schlitze, in den die einzelnen Schwingräume gegeneinander abgrenzenden Trennwände mit unterschiedlichen Kopplungswerten miteinander gekoppelt sind, gekennzeichnet durch eine solche, in Abhängigkeit von den passend gewählten Kopplungswerten zwischen den einzelnen Resonatoren bemessene Fehlanpassung der Schwingwiderstände der Endresonatoren an die Schwingwiderstände der an die Endresonatoren angrenzenden Resonatoren sowie durch eine solche, die Entstehung einer Dämpfungsnullstelle in der Mitte des Durchlaßbereiches bewirkende, gleichfalls in Abhängigkeit von den Resonatorkopplungen zu wählende Fehlanpassung des Schwingwiderstandes der Endresonatoren an ihren Abschlußwiderstand, daß sich für den Bandpaß-Durchlaßbereich eine geebnete Gruppenlaufzeit ergibt.
2. 2. Bandpaß nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß vier Resonatoren vorgesehen sind, für die hinsichtlich ihrer Koppelreaktanzen sowie hinsichtlich der Fehlanpassung des Schwingwiderstandes der Endresonatoren einerseits an den Schwingwiderstand der an sie jeweils angrenzenden Resonatoren und andererseits an den Filterabschlußwiderstand die eine geebnete Gruppenlaufzeit sowie eine zur Bandmitte symmetrische Durchlaßkurve ergebenden Beziehungen

   und

   = Κ = 2φ-

   gelten; dabei bedeutet K den Quotienten aus der Koppelreaktanz der Kopplung zwischen dem zweiten und dritten Resonator und der Koppelreaktanz der Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Resonator, die ebenso groß ist wie die Koppelreaktanz der Kopplung zwischen dem dritten und vierten Resonator, p den die Fehlanpassung der Endresonatoren gegenüber den an sie angrenzenden Resonatoren angebenden Quotienten, Z den Schwingwiderstand der Endresonatoren im Falle ihrer Anpassung an die angrenzenden Resonatoren, R den beidseitigen Abschlußwiderstand des Bandpasses.
3. 3. Bandpaß' nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient^ größer oder kleiner als Eins ist.
4. 4. Bandpaß nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche, in Abhängigkeit von den entsprechend gewählten Kopplungswerten zwischen den einzelnen Resonatoren bemessene Fehlanpassung der Endresonatoren an ihre angrenzenden Resonatoren sowie durch eine solche, die Entstehung einer Dämpfungsnullstelle in der Mitte des Durchlaßbereiches bewirkende, gleichfalls in Abhängigkeit von den Resonatorkopplungen zu wählende Fehlanpassung des Schwingwiderstandes der Endresonatoren an ihren Abschlußwiderstand, daß sich für den Bandpaß-Durchlaßbereich eine geebnete Gruppenlaufzeit, eine geringe Welligkeit der Durchlaßdämpfung sowie eine zur Bandmitte symmetrische Durchlaßkurve ergibt.
5. 5. Bandpaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer geebneten Gruppenlaufzeit, einer zur Bandmftte symmetrischen Durchlaßkurve sowie einer geringen Welligkeit der Durchlaßdämpfung für den Quotienten φ größenordnungsmäßig der Wert 1,25 gewählt wird.
6. 6. Bandpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren in ihrer elektrischen Grundschwingung oder in einer radialen elektrischen Oberschwingung angeregt sind.
7. 7. Bandpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hohlraum in einer von den übrigen Hohlräumen abweichenden Schwingungsform erregt ist.
8. 8. Bandpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorzeichen der Kopplungsreaktanz zumindest einer Kopplung zwischen zwei Resonatoren den Vorzeichen der Kopplungsreaktanzen der anderen Kopplungen entgegengesetzt ist.
9. 9. Bandpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche ι bis 7, gekennzeichnet durch gleiches Vorzeichen der Kopplungsreaktanzen aller Kopplungen der einzelnen Resonatoren.
10. 10. Bandpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit seinen Ein- und Auskoppelelementen zur Mittelebene symmetrisch aufgebaut ist.
11. 11. Bandpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der einzelnen Resonatoren als Zylinderabschnitte die axiale Ausdehnung der Endresonatoren kleiner als die axiale Abmessung der zwischen den Endresonatoren befindlichen Resonatoren ist.
12. 12. Bandpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Resonatoren aus Bauelementen bestehen, die zum Aufbau aller Resonatoren geeignet sind, so daß das Filter aus einer den jeweiligen elektrischen Anforderungen entsprechenden Zahl von Resonatoren baukastenartig zusammensetzbar ist.
13. 13. Bandpaß nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte einer flachen Dose ein Hohlraumresonator vorgesehen ist, dessen Deckfiächen Kreisflächen sind, während die übrigen Hohlraumresonatoren, deren Deckflächen Kreisringabschnitte sind, durch sektorenförmige Unterteilung des Dosenraumes außerhalb des in der Mitte befindlichen Resonators entstehen,

    und daß der mittlere Hohlraum sowie einer der übrigen Hohlräume als Endresonatoren dienen, die mit den für das Filter erforderlichen Ein- bzw. Auskoppeleinrichtungen versehen sind.

    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentanmeldung ρ 28888 VHIc/2ig (bekanntgemacht am i. 2. 1951);

    Hendrik W. Bode, »Network Analysis and Feedback Amplifier Design«, 1. Auflage, New York, 1945, S. 303 bis 359;

    George L. Ragan, »Microwave Transmission Circuits « (Band 9 der »Massachusetts Institute of Technology Radiation Laboratory Series«), New York, Toronto, London, 1948, S. 540 bis 716;

    George C. Southworth, »Principles and Applications of Waveguide Transmission«, New York, Toronto, London, 1950, S. 297 bis 299;

    Hochfrequenztechnik und Elektroakustik, Bd. 62, Heft i, S. 6 bis 14 (Juli 1943);

    Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol. 37, No. 9, S. 990 bis 1000 (September 1949).

    Hierzu i Blatt Zeichnungen

    © ,809 652/45 10'. 5&