DE975422C - Aus koaxialen Resonanzkreisen bestehende elektrische Filteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus koaxialen Resonanzkreisen bestehende elektrische Filteranordnung, bei der die Filterkreise an einer geeigneten Stelle einer gemeinsamen Trennwand durch eine einfache Unterbrechung der Trennwand miteinander gekoppelt sind.

Bei Filteranordnungen der geschilderten Art bestehen die Ein- und Ausgänge meist aus Koaxialleitungen, deren Innenleiter an den Innenleitern der Eingangs- und Ausgangs-Resonatoren kapazitiv angekoppelt sind. Die Einstellung der kapazitiven Filterankopplung erfolgt dabei durch Bewegung des Innenleiters der Ankoppelleitungen gegenüber dem Innenleiter des jeweiligen Filterkreises. Das bedingt, daß entweder komplizierte einstellbare Verlängerungen des Innenleiters der jeweiligen Ankoppelleitung vorgesehen werden müssen oder daß die Ankoppelleitung des Filters flexibel auszubilden ist. Die letztere Lösung ist zwar einfacher als die erstgenannte. Sie bringt aber insofern Schwierigkeiten so mit sich, weil die flexible Ankoppelleitung ihre elektrischen Eigenschaften möglichst wenig ändern soll und besondere Vorkehrungen erfordert, damit sie hochfrequenzmäßig auch hinreichend dicht mit dem entsprechenden Filterkreis verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, der es ermöglicht, diesen Schwierigkeiten zu begegnen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe in der Weise gelöst, daß mit den in die koaxialen Filter-

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Eingangs- und -Ausgangs-Resonanzkreise ragenden Innenleitern der koaxialen Eingangs- und Ausgangsleitungsstücke jeweils an den Innenleitern der Resonanzkreise angeordnete, von außen einstellbare Koppelelemente, vorzugsweise in Form von Schraubstiften, kapazitiv zusammenwirken.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Fig. ι ist zunächst eine bekannte Filteranordnung dargestellt, bei der über die Kopplungskapazität K die Hochfrequenzleitung an einen Resonanzkreis geführt wird, der aus einem koaxialen, am Ende kurzgeschlossenen Leitungsstück der Länge A/4 besteht (A = Wellenlänge). Da aber die A/4-Leitung an ihrem offenen Ende ein schlecht beherrschbares Streufeld besitzt und der frei stehende Innenleiter die mechanische und damit auch die elektrische Konstanz des Kreises beeinflußt, ist es besonders vorteilhaft, die A/4-Leitung spiegelbildlich zu einer A/2-Leitung zu ergänzen und die geschlossene, an beiden Enden kurzgeschlossene A/2-Leitung zu verwenden, die sich selbst durch ihren Außenleiter abschirmt. Bei dem hohen Resonanzwiderstand der A/2-Leitung kann man nun beispielsweise ein 70Ω-Α11-schlußkabel nicht in den hochohmigen mittleren Teil der A/2-Leitung entkoppeln. Man könnte an der Koppelstelle η A/4-Leitungen parallel schalten, so daß an dieser Stelle Anpassung herrschen würde. Diese Art der Anpassung führt zu teueren und umfangreichen Konstruktionen. Die Leitungen müssen konzentrisch um die Koppelstelle angeordnet werden. Ein wesentlich billigerer und besserer Weg der Widerstandstransformation ist die Verlegung der Koppelstelle an das Ende der A/2-Leitung. Somit erhält man das Transformationsfilter nach Fig. 2.

Werden an die Sperrdämpfung eines Filters besondere Ansprüche gestellt, dann genügt ein eingliedriges Filter etwa nach Fig. 2 nicht mehr den Anforderungen. Daraus entsteht die Notwendigkeit von zwei- und mehrgliedrigen Filter anordnungen.

Diese zwei- und mehrgliedrigen Filteranordnungen lassen sich bekanntlich in der Weise realisieren, daß man die Filterkreise aus Koaxialleitungsresonatoren herstellt und die Kreise an einer geeigneten Stelle einer gemeinsamen oder gemeinsam gebildeten Trennwand durch eine einfache Unterbrechung der Trennwand in Form einer einfachen Bohrung, eines Schlitzes oder einer anderen Öffnungsform koppelt. Die Resonanzkreise werden insbesondere aus spiegelbildlich zu A/2-Leitungen ergänzten A/4-Leitungen dargestellt.

Die übliche Form der Abzweigfilter aus zweipoligen Resonanzleitungen läßt sich durch die bekannten niederohmigen Anschlüsse am Ende der kurzgeschlossenen A/4-Leitung (Kurzschlußstelle) verwirklichen. Da diese niederohmigen Anschlüsse einen hohen mechanischen Aufwand bedeuten, benutzt man das Filter als Transformationsglied und macht die Verbindung sämtlicher weiterer Filterkreise durch hochohmige Kopplungswege. Man erhält dadurch eine doppelte Transformation. Der niederohmig an die Energieleitung L, die den Wellenwiderstand Z^ besitzt, angekoppelte erste Kreis transformiert an einer hochohmigen Koppelstelle mit billigen Mitteln einer definierten Öffnung den Wellenwiderstand des Filters auf einen sehr hohen Wert. Die weiteren Kreise benutzen für die hochohmige Kopplung der Kreise untereinander den gleichen billigen Weg, und erst der letzte Kreis transformiert durch einen niederohmigen Ausgang auf den erforderlichen Wellenwiderstandswert der Energieleitung. Trotz des Umweges dieser doppelten Transformation lassen sich Filteranordnungen, sogenannte Transformationsfilter, aufbauen, die bei sehr kleinem mechanischem Aufwand zu elektrisch sehr hochwertigen Bandfiltern führen.

Für die Kopplung zwischen den Füterkreisen werden bekanntlich zweckmäßig insbesondere Lochoder Schlitzblenden, deren Ort und Form von der Kopplungsart abhängt, benutzt. Diese Art der Kopplung gestattet nämlich bei sehr einfacher Herstellung des Kopplungsweges, der vorzugsweise aus einem Kreisloch besteht, eine sehr billige, präzise und konstante Kopplung der Kreise untereinander. Die Kopplung beruht hier auf dem Durchgriff des elektrischen oder magnetischen Feldes durch ein Loch.

Beispiele hierfür zeigen z. B. die Fig. 3 mit kapazitiver Lochkopplung K' und die Fig. 5 mit induktiver Lochkopplung M zweier Koaxialleitungsresonatoren. Die Kopplung zwischen den Füterkreisen ist kapazitiv oder induktiv, je nachdem ob das Kopplungsloch sich an einer Stelle mit Spannungs- oder Strommaximum befindet. Gemischte Kopplung läßt sich bekanntlich-an Stellen erzielen, die zwischen diesen beiden Maxima liegen.

Die Berechnung und Dimensionierung der Kopplungslöcher läßt sich ableiten aus der Laplaceschen Differentialgleichung des Feldpotentials, deren Lösung eine Kugelfunktion ist. Die Lösung gibt den Durchgriff des elektrischen oder magnetischen Feldes durch ein Kreisloch an. Die mathematische Untersuchung der Wirkung eines Loches in einer leitenden Trennwand ergibt, daß sich ein Loch in dieser Trennwand so benimmt, als ob in seinem Mittelpunkt ein Dipol vorhanden wäre, dessen Achse senkrecht auf der Trennwand steht. Vermittels der Vorstellung vom Ersatzdipol des Loches ist es möglich, die Frage nach der Wirkung des Loches in einer Hochfrequenzschirmung, in einer leitenden Trennwand oder in einem Resonanztopf in mathematischer Form zu beantworten. Für die kapazitive Lochkopplung nach Fig. 3 ergibt sich auf Grund der theoretischen Berechnung die Kopplungskapazität zwischen beiden Filterkreisen zu

K' 2

1,8-In

(pF);

dabei ist: <5 = halbe relative Bandbreite; I = Länge der koaxialen Filterkreise für eine A/4-Leitung (cm); D = lichter Außendurchmesser der koaxialen Filterkreise, d = Durchmesser des Innenleiters der Filterkreise.

Für die gegebenen Voraussetzungen läßt sich der Durchmesser d₀ für das Kopplungsloch bestimmen nach der Gleichung:

_Äos ₌ j?L . _3£L ._z«. _I09. _Dt _(cm3).

Bei der kapazitiven Lochkopplung beträgt die Kopplung

k =

K'

2,C-I

Z² el '

wobei c = kapazitiver Leitungsbelag der Resonanzkreise, Z = Wellenwiderstand des Resonanzkreises und m = magnetische Kopplung ist.

Als Ort für diese kapazitive Kopplung wird vorzugsweise der hochohmige Mittelpunkt der Λ/2-Leitung gewählt, an dem die Spannung ein Maximum erreicht und der Strom verschwindet. Dort werden die zu koppelnden Kreise so dicht nebeneinander angeordnet, wie es mechanisch tragbar ist, und die Stelle mit einer Bohrung vom Durchmesser d₀ versehen. Die sich ergebende Kopplung ist dann praktisch rein kapazitiv.

Die induktive Kopplung läßt sich berechnen zu

m =

3 π²

(Durchmesser D und d in cm, μ₀ = Permeabilität).

Im Falle induktiver Lochkopplung ist ihr Ort nach

der Kurzschlußplatte des Filterkreises zu verlegen, wie in der Fig. 5 gezeigt. Das Ersatzschaltbild hierfür ist in der Fig. 6 gezeigt. Der Durchmesser d₀ für ein induktives Kopplungsloch läßt sich aus obiger Formel berechnen.

Bei Filteranordnungen dieser Art muß besonders darauf geachtet werden, den Resonanzwiderstand der Filterkreise von beispielsweise 20 000 Ω auf einen mit den angekoppelten Elementen übereinstimmenden Wellenwiderstand zu transformieren. Diese Widerstandstransformation wird erreicht durch Verlegung der kapazitiven Koppelstelle zwischen Leitung und Resonanzkreis an das kurzgeschlossene Ende der Filterkreise. Wie aus den Fig. 3 und 5 zu ersehen ist, ist der Innenleiter des Zuführungskabels in der Nähe des kurzgeschlossenen Endes des A/4-Leitungsstückes bis an die Kopplungsstelle herangeführt.

Dieser Teil des verlängerten Innenleiters wird im folgenden als Kopplungsstift bezeichnet, der über ein Koppelelement, im Beispiel eine einstellbare Schraube K, kapazitiv auf den Innenleiter des Filterkreises koppelt. Durch Verstellung dieser Schraube K im Innenleiter des koaxialen Filterkreises ändert sich der Abstand zwischen dem Innenleiter der ankommenden Leitung ·—· dem Kopplungsstift — und der Schraube K und damit die wirksame Ankopplungskapazität des Filterkreises an die Leitung; durch diese Schraube K ist somit die Bandbreite der Filteranordnung einstellbar. Damit nun die entstehende Längsinduktivität des Koppelstiftes nicht zu groß wird, bemißt man zweckmäßig den Wellenwiderstand Z_L des Leitungsstückchens, das aus Koppelstift und Kurzschlußplatte besteht, zu einem erforderliehen Wert. Für die Übersetzungsstrecke der Leitung ist die Verteilung der magnetischen Feldlinien um den Koppelstift herum verantwortlich. Das Feldbild gleicht näherungsweise dem Bild einer Leitung, die aus einem Draht von Kreisquerschnitt und einer parallelen, in kurzem Abstand angeordneten leitenden Ebene besteht. Die Linie, welche die magnetischen Kraftlinien scheidet, geht durch den Quellpunkt, und das bekannte Feldbild sagt aus, daß der Abstand der Scheidelinie von der Ebene sich ergibt aus dem geometrischen Mittel aus dem kleinsten und dem größten Abstand der Leiteroberfläche von der Ebene. Somit ist für das Übersetzungsverhältnis ü, das den Resonanzwiderstand des Filterkreises auf einen gewünschten Wert, z. B. 70 Ω, transformiert, durch eine Schraube Ü, wie in den Fig. 3 und 5 dargestellt, eine Einstellmöglichkeit gegeben.

Die Abstimmung der Filterresonanzfrequenz wird vorzugsweise durch die Schrauben A durchgeführt, die am Ort des Spannungsbauches im Filter angeordnet sind. Alle diese Abstimmöglichkeiten können mechanisch gekoppelt werden und gestatten dann beispielsweise bei Frequenzwechsel eine rasche Einstellung.

Bei längeren Wellenlängen, z. B. im Dezimetergebiet, kann man dazu übergehen, die koaxialen Resonanzfilter mit dielektrischen Stoffen auszufüllen. Durch diese Maßnahme erhält man wesentlich kleinere Ausmaße der Filteranordnung, da die Längsabmessungen um den Faktor i/]/s^7 ^abnehmen, wobei e„i die Dielektrizitätskonstante der betreffenden Stoffe, bezogen auf Luft, ist.

Ein konstruktiver Vorteil läßt sich erzielen, wenn man die Filterkreise induktiv koppelt und die induktive Lochblende M nach der Fig. 5 in die für beide Filterkreise gemeinsame Kurzschlußplatte verlegt. Hier können die beiden Filterkreise, die in der Ausführung] mit kapazitiver Lochkopplung nach Fig. 3 in einem Metallblock liegen, in einem gemeinsamen Rohr untergebracht werden, was eine verbilligte und sehr vorteilhafte Bauweise ergibt. Im übrigen sind dieselben Einstellmöglichkeiten vorgesehen, wie sie oben erläutert wurden. Die Fig. 4 und 6 geben die Ersatzschaltbilder für die Filteranordnungen nach Fig. 3 und 5 an.

Die bisher angeführten Beispiele lassen sich zusammensetzen aus zwei Schwingkreisen oder, um das Ersatzschaltbild zu Hilfe zu nehmen, aus zwei Γ-Gliedern. Der Wellenwiderstandsverlauf dieser Filter verläuft im Durchlaßbereich von niedrigen zu hohen Werten, ohne ein Minimum oder Maximum zu durchlaufen.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Aus koaxialen Resonanzkreisen bestehende elektrische Filteranordnung, bei der die Filterkreise an einer geeigneten Stelle einer gemeinsamen Trennwand durch eine einfache Unterbrechung der Trennwand miteinander gekoppelt sind und die Ein- und Ausgänge der Filteranordnung jeweils aus koaxialen Leitungsstücken gebil-

   det sind, deren Innenleiter an den den Innenleitern der koaxialen Eingangs- und Ausgangs-Resonanzkreise gegenüberstehenden Enden Bestandteile einer einstellbaren kapazitiven Kopplungsanordnung sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit den in die koaxialen Filter-Eingangs- und -Ausgangsresonanzkreise ragenden Innenleitern der koaxialen Eingangs-und Ausgangsleitungsstücke jeweils an den Innenleitern der Resonanzkreise angeordnete, von außen einstellbare Koppelelemente, vorzugsweise in Form von Schraubstiften, kapazitiv zusammenwirken.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses an der Ankopplungsstelle in der Kurzschlußplatte eines koaxialen Filterkreises ein Einstellelement, insbesondere eine Schraube (Ü), angebracht ist, das dem Koppelelement oder dem verlängerten Innenleiter des koaxialen Leitungsstückes mehr oder weniger genähert werden kann.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 607 200;
   USA. -Patentschriften Nr. 2 410 656, 2 432 093; »Very High-Frequency Techniques«, Vol. II, New York und London, 1947, S. 781, 782, 784, 785, 793;

   L. G. H. Huxley »A Survey of the Principles and Practice of Wave Guides«, Cambridge 1947, S. 150;

   George L. R ag a n »Microwave Transmission Circuits« (Bd. 9 der »Massachusetts Institute of Technology Radiation Laboratory Series«) New York, Toronto, London, 1948, S. 659 bis 669;

   Bell System Technical Journal, Bd. 16, Nr.
3. 3, S. 275 bis 302 (JuIi 1937);

   Hochfrequenztechnik und Elektroakustik, Bd. 56, Heft 2, S. 47 bis 54 (August 1940);

   Journal of the Institution of Electrical Engineers, Part III, Vol. 90, Nr. 11, S. 90 bis 114 (September 1943);

   Alfred de Quervain »Elektrische Schwingtopfe und ihre Anwendung in der Ultrakurzwellen-Verstärkertechnik«, Dissertation, Zürich 1944, S. 52 bis 57;

   H. H. Meinke »Kurven, Formern und Daten aus der Dezimeterwellentechnik«, München, Institut für Hochfrequenztechnik, 1949, Blatt D H/5, D IX/9, D IX/14.

   In Betracht gezogene ältere Patente:
   Deutsches Patent Nr. 818 384.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen