WO2004070869A1 - Anordnung für eingangsmultiplexr - Google Patents

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Tobias KÄSSER
Theo Wiesmann
Michael Viertel
Franz-Josef GÖRTZ
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Tesat-Spacecom Gmbh & Co. Kg
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/213Frequency-selective devices, e.g. filters combining or separating two or more different frequencies

Definitions

  • the invention is based on an input multiplexer (IMUX) according to the preamble of the main claim.
  • IMUX input multiplexer
  • This input multiplexer splits a ready frequency band into a series of narrower frequency bands. This is done by filtering each frequency channel with a bandpass filter.
  • the filters each have an input and an output and must be connected appropriately.
  • the bandpass filters would have to comply with strict arrangements regarding both amplitude and phase response. Within the pass band of the bandpass filter, the variation in phase or transit time must be minimized, and at the same time the filters must have a high out-of-band attenuation. This out-of-band attenuation is achieved by zeroing the transmission function on the imaginary frequency axis near the pass band. Additional measures are required in order to meet the requirement for a small variation in the group transit time in the passband. For this purpose, three different training courses are essentially state of the art.
  • the filter itself is minimal-phase, ie it has no other zeros in the transmission function apart from the zeros already mentioned, and in addition the filter has an external delay equalizer.
  • the bandpass filter has the number 8 and the equalizer has the number 2.
  • the filter is self-equalizing, that is to say that in addition to the aforementioned zero points of the transmission function, the bandpass filter also has others, namely those with a finite real part, the filter often has the number 10 or 12, as for example from US Pat. No. 5,608,363 for Realization known in dielectric technology.
  • the bandpass filter itself is also self-equalizing as just described, but in addition an external delay equalizer is added.
  • the filter often has the number 10 or 12 and the equalizer has the number 1 or 2.
  • Such a design is described, for example, in US Pat. No. 5,739,733, in which the electrical properties of the self-equalizing filter are improved by additional external delay equalizers by changing the inclined position balances the group duration.
  • the arrangement with which the bandpass filters are coupled together is often that the signal input is first split into two equal parts by means of a hybrid coupler or a power divider, that is to say each part is still subjected to half the signal level.
  • Each of the two signal paths is further processed by feeding the signal via a circulator chain to the bandpass filter. If the number of bandpass filters is equal to n and the bandpass filters are numbered 1, 2, 3, ... n in ascending order of their center frequency, then each of the two circulator chains connects the neighbors next to it, that is, one circulator chain connects the bandpass filters 1, 3, 5, ... n-1, and the other circulator chain the bandpass filters 2, 4, 6, ...
  • each circulator chain only couples bandpass filters that are not directly adjacent to one another with their band limits in the frequency domain.
  • a disadvantage of these arrangements is that circulators change their electrical properties as a function of temperature, and in the overall arrangement the circulator often becomes the limiting element for the temperature range in which the overall arrangement still has the required properties.
  • the high frequency signal experiences considerable high frequency losses when passing through a circulator.
  • the individual signal outputs of an IMUX with a circulator chain are damped differently, since the signal has passed through a different number of circulator passes before it has passed the bandpass filter. This effect is undesirable.
  • Circulators also contain magnetic and ferritic materials that have a considerable density, which is why circulators make a significant contribution to the overall mass of the IMUX.
  • these magnetic and ferritic materials are only used in the circulators, they require construction and connection techniques that are also only used in the circulator. This means that considerable assembly and test effort is required.
  • the reliability of the overall order is impaired by the circulators and they contribute significantly to the price of the Imux.
  • the OMUX another device must also be considered, the OMUX.
  • This is similar to the IMUX in that it does not merge a wide frequency band into a series of narrower frequency channels, but instead, in turn, combines a series of narrower frequency channels into a broad frequency band.
  • it is significantly different from the IMUX because it has to process signals of much higher power (in the OMUX around 100 W per frequency channel, in the IMUX around 1 mW per frequency channel) and therefore minimizing losses is the top design goal.
  • the individual bandpass filters only have to meet less stringent requirements, which can generally be met with filters with a low number of circles (4 or 5); in particular, no measures usually have to be taken to achieve a flat course of the group runtime within the passband.
  • the individual bandpass filters are combined with a busbar in the OMUX, as described in US Pat. No. 4,614,920. This consists exclusively of power units of a suitable length and therefore only has very low losses.
  • the busbar combines bandpass filters that are immediately adjacent in the frequency domain, which is why the arrangement is called contiguous.
  • the input multiplexer according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that high-circuit bandpass filters, which at the same time meet strict requirements for the steepness and low variation of the group delay within the passband, are connected to an IMUX by means of a low-loss busbar consisting exclusively of power units of optimized length become.
  • the bandpass filters have zeros in the transmission function on the imaginary frequency axis near the pass band to improve the slope, and in addition to the delay equalization either an external delay equalizer or other zeros in the
  • the busbar connects bandpass filters that are not immediately adjacent in the frequency domain (non-contiguous).
  • the busbar connects bandpass filters that are immediately adjacent in the frequency domain (contiguous).
  • the invention is implemented in different configurations in different technologies.
  • these are the waveguide technology, coaxial technology, dielectric technology and planar technology, the latter in particular in connection with superconducting materials.
  • the individual bandpass filters and the busbars can be implemented in different technologies.
  • the geometry combline or heringbone is realized in both embodiments, i. H.
  • the bandpass filters are all mounted on one side of the busbar or half on one and on the opposite side, so that the available space is used optimally depending on the specific application.
  • the bandpass filters are operated in single embodiments, dual mode, triple mode or quadruple mode in both embodiments. Any combination of these is possible.
  • the filters are connected to the busbar in any order with regard to their center frequency.
  • the arrangement contains devices for balancing the filters and / or the busbar.
  • Fig. 1 shows high-circuit IMUX filters, which are connected via two busbars, with a hybrid coupler.
  • a low-loss busbar 1 which connects the bandpass filters 1, 3, ..., (n-1), and another for the remaining filters 2, 4, ..., n.
  • Die high-circuit IMUX bandpass filters are connected non-contigously via these two busbars 1, the two busbars are linked via a hybrid coupler 2 to the overall IMUX device.
  • the identical half for f2, f4, ..., fn is conceivable at the bottom.
  • the low-loss busbar 1 connects the high-circuit IMUX bandpass filters 1, 2,..., N which are immediately adjacent in the frequency domain.

Abstract

Anordnung für Eingangsmultiplexer Zusammenfassung Es wird ein Eingangsmultiplexer vorgeschlagen, bei dem hochkreisige Bandpassfilter mittels einer verlustarmen Sammelschiene 1 aus Leitungsstücken optimierter Länge zu einem IMUX verbunden werden.

Description

Anordnung für Eingangsmultiplexer
Die Erfindung geht aus von einem Eingangsmultiplexer (IMUX) nach der Gattung des Hauptanspruchs. Dieser Eingangsmultiplexer spaltet ein bereites Frequenzband in eine Reihe schmälerer Frequenzbänder auf. Dies erfolgt durch eine Filterung jedes Frequenzkanals mit einem Bandpassfilter. Die Filter haben jeweils einen Ein- und Ausgang und müssen geeignet miteinander verbunden werden.
Stand der Technik
Die Bandpassfilter müssten strenge Anordnungen bezüglich sowohl Amplituden- als auch Phasengang erfüllen. Innerhalb des Durchlassbands des Bandpassfilters ist die Variation in der Phase bzw. Laufzeit zu minimieren, und gleichzeitig müssen die Filter eine hohe Außenbanddämpfung aufweisen. Diese Außenbanddämpfung wird erreicht, in dem Nullstellen der Transmissionsfunktion auf der imaginären Frequenzachse nahe des Durchlassbands gelegt werden. Zusätzliche Maßnahmen sind erforderlich, um die Forderung nach geringer Variation der Gruppenlaufzeit im Durchlassband einzuhalten, hierfür sind im wesentlichen drei verschiedene Ausbildungen Stand der Technik.
In einer ersten Ausbildung ist der Filter selbst minimalphasig, d.h. es hat außer den bereits erwähnten Nullstellen keinerlei weitere Nullstellen in der Transmissionsfunktion, und zusätzlich hat der Filter einen externen Laufzeitentzerrer. Häufig hat der Bandpassfilter die Kreiszahl 8 und der Entzerrer die Kreiszahl 2. In einer weiteren Ausbildung ist der Filter selbstentzerrend, d. h. dass der Bandpassfilter neben den erwähnten Nullstellen der Transmissionsfunktion noch weitere hat, und zwar solche mit endlichem Realteil, der Filter hat hierbei häufig die Kreiszahl 10 oder 12, wie beispielsweise aus der US 5,608,363 speziell für die Realisierung in der dielektrischen Technologie bekannt.
Bei der dritten Ausbildung ist der Bandpassfilter selbst ebenfalls selbstentzerrend wie eben beschrieben, zusätzlich ist jedoch ein externer Laufzeitentzerrer angefügt. Hierbei hat der Filter häufig die Kreiszahl 10 oder 12 und der Entzerrer die Kreiszahl 1 oder 2. Eine solche Ausbildung wird beispielsweise in der US 5,739,733 beschrieben, bei der die elektrischen Eigenschaften des selbstentzerrenden Filters durch zusätzlich externe Laufzeitentzerrer verbessert werden, indem er die Schräglage in der Gruppenlaufzeit ausgleicht.
Die Anordnung, mit der die Bandpassfilter miteinander verkoppelt werden, besteht häufig darin, dass zuerst der Signaleingang mittels eines Hybridkopplers oder eines Leistungsteilers in zwei gleiche Anteile aufgespaltet wird, also jeder Anteil noch mit dem halben Signalpegel beaufschlagt ist. Jeder der beiden Signalpfade wird weiterverarbeitet, indem das Signal je über eine Zirkulatorkette an die Bandpassfilter geführt wird. Ist dabei die Anzahl der Bandpassfilter gleich n und sind die Bandpassfilter in aufsteigender Reihenfolge ihrer Mittenfrequenz durchnummeriert mit 1, 2, 3, ... n, so verbindet jeder der beiden Zirkulatorketten die jeweils übernächsten Nachbarn, das heißt, die eine Zirkulatorkette verbindet die Bandpassfilter 1, 3, 5, ...n-1, und die andere Zirkulatorkette die Bandpassfilter 2, 4, 6, ...n (falls n gerade; falls n ungerade enthalten die beiden Zirkulatorketten die Bandpassfilter 1, 3, ..., n bzw. 2, 4, ...n-1). Eine solche Anordnung heißt non- contiguous, da jede Zirkulatorkette nur Bandpassfilter verkoppelt, die mit ihren Bandgrenzen im Frequenzraum nicht unmittelbar nebeneinander liegen.
Nachteilig bei diesen Anordnungen ist, dass Zirkulatoren ihre elektrischen Eigenschaften als Funktion der Temperatur ändern, und in der Gesamtanordnung wird der Zirkulator oft das beschränkende Element für den Temperaturbereich, in dem die Gesamtanordnung noch die geforderten Eigenschaften aufweist. Das Hochfrequenzsignal erfährt beim Durchgang durch einen Zirkulator beträchtliche Hochfrequenzverluste. Zudem sind die einzelnen Signalausgänge bei einem IMUX mit Zirkulatorkette unterschiedlich bedämpft, da das Signal vor Passieren der Bandpassfilter eine unterschiedliche Anzahl von Zirkulatordurchläufen erfahren hat. Dieser Effekt ist unerwünscht. Zirkulatoren enthalten weiterhin magnetische und ferritische Materialien, die eine beträchtliche Dichte haben, weshalb Zirkulatoren einen erheblichen Beitrag zur Gesamtmasse des IMUX liefern. Außerdem werden diese magnetischen und ferritischen Materialien nur in den Zirkulatoren genutzt, sie erfordern Aufbau- und Verbindungstechniken, die ebenfalls nur im Zirkulator zum Einsatz kommen. Damit ist ein erheblicher Aufwand beim Zusammenbau und beim Test erforderlich. Zudem wird die Zuverlässigkeit der Gesamtordnung von den Zirkulatoren beeinträchtigt und sie tragen erheblich zum Preis des Imux bei.
Gebräuchlich sind auch Anordnungen, bei denen durch Hybridkoppler oder Leistungsteiler der Signaleingang nicht nur in zwei, sonder mehr Zweige aufgespalten wird, die dann jeweils wieder in Zirkulatorketten münden. Schließlich ist es auch möglich, die Aufteilung des Signaleingangs in die Bandpassfilter ausschließlich durch Hybridkoppler oder Leistungsteiler vorzunehmen. Diese verursachen eine nachteilige Signaldämpfung von 3dB und haben zusätzlich nachteilige Masse und Volumen.
Die seither beschriebenen Anordnungen zur Verkopplung der Bandpassfilter werden im Gerät IMUX genutzt. Zum Verständnis der Erfindung muss aber auch ein weiteres Gerät beachtet werden, der OMUX. Dieser ist ähnlich dem IMUX, indem er nicht ein breites Frequenzband in eine Reihe schmälerer Frequenzkanäle zusammenführt, sondern indem er umgekehrt eine Reihe schmälerer Frequenzkanäle in ein breites Frequenzband zusammenfasst. Er ist aber deutlich verschieden vom IMUX, da er Signale sehr viel höherer Leistung verarbeiten muss (im OMUX rund 100 W pro Frequenzkanal, im IMUX rund 1 mW pro Frequenzkanal) und deshalb die Minimierung von Verlusten oberstes Entwurfsziel ist. Einfacher beim OMUX im Vergleich zum IMUX ist, dass die einzelnen Bandpassfilter nur weniger strengen Anforderungen genügen müssen, die im allgemeinen mit Filtern niedriger Kreiszahl (4 oder 5) eingehalten werden können; insbesondere müssen i.d.R. keine Maßnahmen getroffen werden, um einen flachen Verlauf der Gruppenlaufzeit innerhalb des Durchlassbands zu erreichen. Zur Erreichung von niedrigen Verlusten werden beim OMUX die einzelnen Bandpassfilter mit einer Sammelschiene kombiniert, wie in der US 4,614,920 beschrieben. Diese besteht ausschließlich aus Leistungsstücken geeigneter Länge und weist deshalb nur sehr niedrige Verluste auf. Die Sammelschiene kombiniert Bandpassfilter, die im Frequenzraum unmittelbar benachbart sind, weshalb die Anordnung contiguous heißt. Die Erfindung und ihre Vorteile
Der erfindungsgemäße Eingangsmultiplexer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass hochkreisige Bandpassfilter, die gleichzeitig strengen Anforderungen an die Flankensteilheit und an geringe Variation der Gruppenlaufzeit innerhalb des Durchlassbands genügen, mittels einer verlustarmen Sammelschiene bestehend ausschließlich aus Leistungsstücken optimierter Länge zu einem IMUX verbunden werden. Dabei haben die Bandpassfilter Nullstellen in der Transmissionsfunktion auf der imaginären Frequenzachse nahe des Durchlassbands zur Verbesserung der Flankensteilheit, und zusätzlich zur Laufzeitentzerrung entweder einen externen Laufzeitentzerrer oder weitere Nullstellen in der
Transmissionsfunktion mit endlichem Realteil oder eine Kombination hiervon
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbindet die Sammelschiene Bandpassfilter, die im Frequenzraum nicht unmittelbar benachbart sind (non-contiguous).
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbindet die Sammelschiene Bandpassfilter, die im Frequenzraum unmittelbar benachbart sind (contiguous) .
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Erfindung in beiden Ausgestaltungen in verschiedenen Technologien realisiert. Insbesondere sind dies die Hohlleitertechnik, koaxiale Technik, dielektrische Technik und planare Technik, letztere insbesondere in Verbindung mit supraleitenden Materialien. Die einzelnen Bandpassfilter und die Sammelschienen können in unterschiedlichen Technologien realisiert sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in beiden Ausgestaltungen die Geometrie combline oder heringbone realisiert, d. h. die Bandpassfilter sind alle auf einer Seite der Sammelschiene montiert oder je zur Hälfte auf einer und auf der gegenüberliegenden Seite, damit je nach konkreter Anwendung der zur Verfügung stehende Platz optimal genutzt wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden in beiden Ausgestaltungen die Bandpassfilter im Single mode, dual mode, triple mode oder quadrupel mode betrieben. Beliebige Kombinationen hiervon sind möglich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Filter betreffend ihrer Mittenfrequenz in beliebiger Reihenfolge mit der Sammelschiene verbunden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Anordnung Vorrichtungen zum Abgleich der Filter und/ oder der Sammelschiene.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Zeichnung
Fig. 1 zeigt hochkreisige IMUX-Filter, die über zwei Sammelschienen verbunden sind, mit einem Hybridkoppler.
Fig. 2 zeigt hochkreisige IMUX-Filter, die mit einer verlustarmen Sammelschiene verbunden sind.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Wie in Fig. 1 dargestellt, gibt es eine verlustarme Sammelschiene 1, die die Bandpassfilter 1, 3, ..., (n-1) verbindet, und eine weitere für die restlichen Filter 2, 4, ..., n. die hochkreisigen IMUX- Bandpassfilter sind über diese beiden Sammelschienen 1 je non- contigous verbunden, die beiden Sammelschienen werden über einen Hybridkoppler 2 zum Gesamtgerät IMUX berbunden. Unten angrenzend ist die identische Hälfte für f2, f4, ..., fn denkbar.
Wie in Fig. 2 dargestellt, verbindet die verlustarme Sammelschiene 1 die im Frequenzraum unmittelbar benachbart liegenden hochkreisigen IMUX-Bandpassfilter 1, 2, ..., n miteinander.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Anordnung für Eingangsmultiplexer
Ansprüche
Eingangsmultiplexer (IMUX) zur Aufspaltung eines breiten Frequenzbandes in eine Reihe schmälerer Frequenzkanäle mittels eines Bandpassfilters je Frequenzkanal, jeder Filter mit einem Eingang und einem Ausgang, dadurch gekennzeichnet, dass hochkreisige Bandpassfilter mit einer Kreiszahl >6 und mit Nullstellen in der Transmissionsfunktion auf der imaginären Frequenzachse nahe des Durchlassbands zur Verbesserung der Flankensteilheit und geringer Variation der Gruppenlaufzeit innerhalb des Durchlassbands, erzielt durch einen externen Laufzeitentzerrer oder weiteren Nullstellen in der Transmissionsfunktion mit endlichem Realteil oder eine Kombination hiervon haben, mit jedem dieser Eingänge an eine verlustarme Sammelschiene (1), die aus Leitungsstücken optimierter Länge besteht, gekoppelt sind.
Eingangsmultiplexer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschiene (1) Bandpassfilter non-contiguous verbindet.
Eingangsmultiplexer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschiene (1) Bandpassfilter continuous verbindet.
4. Eingangsmultiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandpassfilter und die Sammelschiene (1) in der Hohlleitertechnik, koaxialen Technik, dielektrischen Technik und/ oder der planaren Technik ausgebildet sind.
5. Eingangsmultiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der verlustarmen Sammelschiene (1) combline oder heringbone sind.
6. Eingangsmultiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandpassfilter aus Resonatoren im single mode, dual mode, triple mode und/ oder im quadrupel mode bestehen.
7. Eingangsmultiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter betreffend ihrer Mittenfrequenz in beliebiger
Reihenfolge mit der Sammelschiene (1) verbunden sind.
8. Eingangsmultiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen zum Abgleich der Bandpassfilter und/ oder der Sammelschiene vorhanden sind.
. Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Multiplexer über Hybridkoppler und/ oder Leistungsteiler verbunden sind.
10. Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtanordnung der Multiplexer alle Kanäle eines IMUX abdeckt.
11. Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterfunktionen symmetrisch oder asymmetrisch sind.
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