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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines
Filters, insbesondere eines hochfrequenten elektrischen Bandpassfilters,
das aus einer vorbestimmbaren Anzahl verteilter Filterelemente,
wie kurzgeschlossene Leitungen oder verkoppelte Resonatoren, besteht,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur
Einstellung ein es solchen Filters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
8.
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In
funktechnischen Anlagen werden verschiedene Arten von elektrischen
Filtern eingesetzt, um erwünschte
Signale von. unerwünschten
zu trennen. Beispielsweise empfängt
die Antenne eines Radios unterschiedliche Signale verschiedener
Radiostationen. Zum Empfang einer gewünschten Radiosendung werden
die empfangenen Signale in einem Mischer mit einem Signal gemischt,
das von einem abstimmbaren Generator erzeugt wird. Hierbei wird die
erzeugte Frequenz derart gewählt,
daß die
resultierende Differenzfrequenz eine definierte Zwischenfrequenz
hat. Dem Mischer ist ein schmalbandiger Bandpass nachgeschaltet,
der unerwünschte
Signale oberhalb und unterhalb der definierten Zwischenfrequenz
herausfiltert. Übrig
bleibt das gewünschte Empfangssignal,
das verstärkt
und demoduliert wird.
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Solche
technischen Filter werden in unterschiedlichsten Versionen realisiert.
Sie können
aus Induktivitäten
und Kapazitäten,
aus (Quarz-) Resonatoren und Widerständen bestehen, die hauptsächlich bei
niedrigen Frequenzen bis einigen 100 MHz eingesetzt werden. Bei
höheren
Frequenzen treten jedoch paxasitäre
Effekte auf, so daß die
Bauelemente nicht mehr die gewünschten
Eigenschaften haben. Filter für
höhere
Frequenzen werden aus verteilten Filterelementen zusammengesetzt.
Diese Filterelemente sind beispielsweise kurzgeschlossene Leitungen
oder verkoppelte Resonatoren. Alle diese Varianten haben gemeinsam,
daß die
verwendeten Bauteile mit Toleranzen behaftet sind, so daß sich die daraus
ergebende Filterkennlinie von der idealen, d.h. berechneten Filterkennlinie
unterscheidet. Solche Filter müssen
in aller Regel abgeglichen werden, um den gewünschten Dämpfungsverlauf zu erhalten.
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Die
Filterkennlinien werden im allgemeinen im Frequenzbereich beschrieben.
Abhängig
von der Frequenz wird der Dämpfungsverlauf
vom Eingang zum Ausgang des Filters definiert und die Impedanz am
Eingangstor und am Ausgangstor. Beim Abstimmen solcher Filter zeigt
sich jedoch, daß zwischen den
einzelnen verwendeten Elementen und der Filterkennlinie kein direkter
Zusammenhang besteht. Das Abstimmen solcher Filter erfolgt manuell
durch Spezialisten, die über
viel Erfahrung verfügen,
aber auch hohe Kosten verursachen. Diese Spezialisten stimmen die
Filter nach ein paar Grundregeln und intuitiven Gesichtspunkten
ab.
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Darüber hinaus
sind Verfahren bekannt (Computing aided Diagnosis and Tuning of
Cascaded Coupled Resonators Filter; Heng-Tung Hsu, Hui-Wen Yao,
Kawathar A. Zaki, Ali E. Atia; MTT Vol. 50, No. 4, April 2002, pp.
1137-1145), wonach Filter automatisch abgestimmt werden. Diese Verfahren beinhalten
jedoch eine iterative Abstimmung einzelner Filterelemente, die oft
verstellt werden, so daß sie dabei
beschädigt
werden und oftmals nicht mehr zu gebrauchen sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
bzw. eine Vorrichtung zur Einstellung eines elektrischen Filters
anzugeben, das automatisch abläuft,
d.h. ohne menschliches Zutun, und das Filter abstimmt, so daß die ideale
Filterkennlinie erreicht wird.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die ihr zugrunde liegende Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und
8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Wird
ein Filter im Zeitbereich mit einem Impuls beaufschlagt, so kann
man seine charakteristische Impulsantwort am eingespeisten Tor messen. Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein direkter
Zusammenhang zwischen der Mittenfrequenz des Impulses und der Mittenfrequenz
des Filters existiert. Somit besteht ein direkter Zusammenhang zwischen
den einzelnen Elementen des Filters und der Impulsantwort. Diese
Erkenntnis macht sich die Erfindung zunutze, so daß ein Filter, das
aus einer vorbestimmbaren Anzahl verteilter Filterelemente besteht,
die mit derartigen Toleranzen behaftet sind, das die tatsächliche
Filterkennlinie nicht der theoretischen Filterkennlinie entspricht,
derart abgestimmt wird, daß das
Filter zunächst
mit einem Impuls einer vorbestimmbaren Mittenfrequenz beaufschlagt
wird und die Filterelemente anhand der Impulsantwort des Filters
einzeln abgestimmt werden können.
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Die
Filterelemente werden mit Vorteil sukzessive, d.h. vom Eingangstor
des Filters beginnend abgestimmt. Das Eingangstor ist dabei i.d.R.
das mit dem Impuls beaufschlagte Tor.
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Die
vorbestimmbare Mittenfrequenz des Impulses entspricht mit Vorteil
der Mittenfrequenz des abgestimmten, d.h. idealen Filters. Die einzelnen
Filterelemente werden anhand der Minima der Impulsantwort oder der
Phase des am Eingangstor reflektierten Signals oder mittels beider
Kriterien abgestimmt. Die Abstimmung des Filters erfolgt dabei im wesentlichen
in drei aufeinanderfolgenden erfindungsgemäßen Schritten:
Will man
ein Filter entwerfen, so berechnet man in einem ersten Schritt beispielsweise
die Werte für
einen LC-Tiefpass und transformiert sie in bekannter Weise in einen
Bandpass. Anhand eines Schaltungssimulators kann eine weitere Feinoptimierung
dieser Werte vorgenommen werden. Der Schaltungssimulator liefert
die Eigenschaften des Filters im Frequenzbereich. Die Filterkennlinie
kann auch aus der Übertragungsgleichung
errechnet werden. Anhand einer inversen Fouriertransformation erhält man dann
in einem zweiten Schritt die Impulsantwort des Filters im Zeitbereich.
Anhand der nun bekannten Impulsantwort ist bekannt, wie das reflektierte
Signal jedes einzelnen Filterelements des Filters im Zeitbereich
sein muß.
Das ideal reflektierte Signal eines jeden Filterelements wird somit
im Zeitbereich abhängig
von der Impulsantwort festgelegt.
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Die
einzelnen Filterelemente werden dann in einem dritten Schritt sukzessive,
vom Eingangstor des Filtes beginnend, anhand des idealen reflektierten
Signals verändert,
bis es den Wert des idealen reflektierten Signals aufweist. Bei
den Kopplungen muß derselbe
Wert wie beim idealen Filter erreicht werden. Die Resonanzfrequenz
von beispielsweise Resonatoren wird auf das Minimum der Impulsantwort
im Zeitbereich abgestimmt.
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Die
Richtung, in die abgestimmt werden muß, ergibt sich aus dem Phasenverlauf
der Impulsantwort. Ist im Phasenverlauf eine Änderung vom höheren Phasenwert
zum niedrigeren zu sehen, so ist die Resonanzfrequenz des Resonators
zu niedrig. Ist ein Verlauf vom niedrigen zum höheren Wert zu sehen, ist die
Resonanzfrequenz zu hoch.
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Da
durch den Abstimmvorgang der einzelnen Elemente auch die benachbarten
Elemente beeinflußt
werden, wird mit Vorteil nach jedem Abstimmvorgang vom eingespeisten
Tor (Eingangstor) beginnend neu abgestimmt. Hierbei kann der Einfluß einer
falschen Kopplung auf die nachfolgenden Elemente berücksichtigt
werden. Wenn die Kopplung zu groß ist, wird mehr Energie zu
den nachfolgenden Teilen des Filters geleitet, so daß das reflektierte
Signal größer erscheint
als bei einem idealen Koppelfaktor und umgekehrt.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
kann in erster Näherung
dieser Einfluß einer
größeren Kopplung
aber auch berechnet und die nachfolgenden Elemente im selben Arbeitsschritt
abgestimmt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Einstellung eines elektrischen Filters weist Impulsmittel auf,
die das Filter mit einem Impuls einer vorbestimmbaren Mittenfrequenz
beaufschlagen sowie Meßmittel,
die die Impulsantwort des Filters messen und die einzelnen Filterelemente
anhand der Impulsantwort abstimmen.
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Der
Schaltungssimulator zur Festlegung der Filterdämpfung dient zur Feinoptimierung.
Anhand der Eigenschaften des Filters im Frequenzbereich kann die
Impulsantwort im Zeitbereich mittels eines Transformators ermittelt
werden, der eine inverse Fouriertransformation durchführt.
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Werden
die Filter aus LC Resonatoren aufgebaut, so kann z.B. dem Kondensator
ein Trimmkondensator mit wesentlich kleinerem Wert als der Festkondensator
parallel geschaltet werden. Durch Verändern des Trimmkondensators
wird die Resonanzfrequenz des Resonators verändert. Die Kopplung zwischen
den Induktivitäten
kann durch den Abstand zueinander verändert werden. Sind die beiden Spulen über einen
gemeinsamen Ferritkern verkoppelt, so kann die Kopplung durch das
Herein- und Herausdrehen des Kerns eingestellt werden.
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Im
folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 die schematische Schaltungsanordnung
eines herkömmlichen
Bandpasses,
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1a die schematische Anordnung
eines automatisch abstimmbaren Combline-Bandpaßfilters,
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2 die Filterkennlinie eines
verstimmten Filters,
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3 die Filterkennlinie eines
abgestimmten Filters, und
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4 die Filterkennlinie, Impulsantwort
und Deltaphase eines verstimmten Filters Anhand der 1 bis 4 wird
die vorliegende Erfindung am Beispiel eines Combline-Bandpasses
näher erläutert:
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1 zeigt die schematische
Schaltungsanordnung eines herkömmlichen
Bandpaßfilters
aus gekoppelten LC-Resonatoren mit parallel geschalteten Widerständen für die Verluste.
Wird dieser Bandpaßfilter
an seinem Eingangstor 1 mit einem Impuls beaufschlagt,
so führt
dies am Eingangstor 1 zu einer entsprechenden Impulsantwort.
Bei höheren
Frequenzen werden die in 1 gezeigten
Filterelemente durch miteinander gekoppelte Koaxleitungen, wie beim
Combline-Bandpass, ersetzt. Diese Koaxleitungen haben i.d.R. eine
Länge von
etwa 1/8 der Wellenlänge.
An der einen Seite sind die Leitungen kurzgeschlossen, an der anderen
Seite offen. Damit keine Energie am offenen Ende abgestrahlt wird,
ist in einem kurzen Abstand die Leitung kurzgeschlossen.
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Wie
in 1a dargestellt, kann
die Resonanzfrequenz des Combline-Resonators durch Schrauben 4 oberhalb
des leerlaufenden Innenleiters verstimmt werden. Die Kopplung kann
durch die Abstimmschrauben in der Blendenöffnung eingestellt werden. 1a zeigt dabei den Combline-Bandpaß 3 mit
vier gekoppelten Resonatoren, die jeweils über Abstimmelemente 4 verfügen. Mittels
eines Datenbuses 6 kann über einen Roboter 5 die
Abstimmung an den Abstimmungselementen automatisch erfolgen. Die
Signale, d.h. die Regelanweisungen für die Ansteuerung des Roboters 5,
werden mittels eines Steuerrechners 7 errechnet, der einen
vektoriellen Netzwerkanalysator 8 ausliest.
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Über Blenden
zwischen den Koaxleitungen sind die einzelnen Leitungen miteinander
verkoppelt. Die einzelnen Leitungen verhalten sich wie Parallelschwingkreise,
solange sie in der Nähe
der Resonanzfrequenz betrachtet werden. Am Tor 1 wird Energie
eingespeist, die am Tor 2 gemessen wird. Als Mittenfrequenz
f0 wird eine Frequenz von 2,14 GHz angenommen.
In diesem Übertragungsband
wird die eingespeiste Energie fast verlustlos an das Ausgangstor 2 weitergeleitet.
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Ist
das Filter verstimmt, so ergibt sich bei einer angenommenen idealen
Dämpfung
die in 2 gezeigte Filterkennlinie
S11. Versucht man nun das Filter abzustimmen, wird man feststellen,
daß ein
direkter Zusammenhang zwischen dem Verlauf der in 4 dargestellten Impulsantwort UA und
den einzelnen Elementen des Filters besteht. Kein direkter Zusammenhang
hingegen besteht zwischen dem Verlauf der Filterkennlinie S11 und
den einzelnen Filterelementen.
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4 zeigt die Impulsantwort
des nicht ideal abgestimmten Filters.
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Betrachtet
man die Phase DP des reflektierten Signals, so kann man feststellen,
daß diese
mit zunehmender Zeit ansteigt. Wird der lineare Anteil abgezogen,
so kann man an der Stelle der Einbrüche einen steilen Sprung feststellen.
Ist der Resonator, d.h. das entsprechende Filterelement nicht exakt
abgestimmt, so wird zum einen das Minimum der Impulsantwort UA nicht
erreicht und zum anderen wird der Sprung in der Phase DP zu einer
Rampe. Anhand dieses Verlaufs ist erkennbar, ob die Resonanzfrequenz
des Resonators zu hoch oder zu niedrig eingestellt ist.