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Durchstimmbares Bandfilter für sehr kurze elektromagnetische Wellen
Die Erfindung betrifft ein durchstimmbares Bandfilter für sehr kurze elektromagnetische
Wellen, das aus einem zu beiden Seiten kurzgeschlossenen, vorzugsweise rechteckförmigen
Querschnitt aufweisenden Hohlleiterabschnitt besteht, bei dem in der Mitte einer
Hohlleiterschmalseite eine in den Innenraum des Hohlleiterabschnittes hineinragende
Kammleitung angebracht ist.
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Im Bereich der Mikrowellen werden die zur Aufteilung eines breiten
Frequenzbandes in schmalere Teilbänder erforderlichen Filter häufig aus Hohlleitungen
hergestellt, deren Länge etwa eine halbe Betriebswellenlänge beträgt. Die einzelnen
als Resonatoren wirkenden Hohlleitungsabschnitte sind über weitere Hohlleitungsabschnitte
miteinander gekoppelt, deren Länge etwa eine viertel Betriebswellenlänge beträgt.
Die Durchstimmung erfolgt beispielsweise über kapazitiv wirkende Stempel, die mehr
oder weniger in das Innere der Resonatoren eintauchen. Filter dieser Art, bei denen
wegen der geforderten Filtercharakteristik eine größere Anzahl von Einzelkreisen
erforderlich sind, erhalten demzufolge eine verhältnismäßig große Baulänge.
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Es sind auch Filter bekannt, bei denen die Resonatoren nebeneinander
angeordnet und über Stifte oder Blenden miteinander gekoppelt sind. Die Durchstimmung
erfolgt hierbei in der Regel mit metallischen oder dielektrischen Stiften, die bei
einem mehrkreisigen Filter über einen gemeinsamen Antrieb gleichzeitig betätigt
werden. Hierbei ist beim Abgleich der Filter darauf zu achten, daß die Abstimmcharakteristiken
der einzelnen Kreise in übereinstimmung gebracht werden. Die Bandbreite derartiger
Filter kann im allgemeinen nur durch Veränderung der Koppelelemente verändert werden,
was im praktischen Betrieb jedoch außerordentlich schwierig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen.
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Ausgehend von einem durchstimmbaren Bandfilter für sehr kurze elektromagnetische
Wellen, das aus einem zu beiden Seiten kurzgeschlossenen, vorzugsweise rechteckförmigen
Querschnitt aufweisenden Hohlleiterabschnitt besteht, bei dem in der Mitte einer
Hohlleiterschmalseite eine in den Innenraum des Hohlleiterabschnittes hineinragende
Kammleitung angebracht ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
wenigstens zwischen einer Hohlleiterbreitseite und der Kammleitung ein Streifen
aus einem dielektrischen Material vorgesehen ist, der in der Richtung der Zähne
der Kammleitung verschiebbar angeordnet ist. Vorteilhaft ist es, wenn der Streifen
aus dielektrischem Material sich über die gesamte Länge der Kammleitung erstreckt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Streifen aus dielektrischem Material
an der Kammleitung und der Hohlleiterbreitseite anliegt.
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In einfacher Weise läßt sich hierbei die Bandbreite dadurch ändern,
daß ein weiterer dünner Streifen aus einem dielektrischen Material in Richtung der
Zähne der Kammleitung und/oder im Bereich großer elektrischer Feldstärken senkrecht
zur Kammleitung verschiebbar angeordnet ist.
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Eine günstige Ausbildung läßt sich ferner dadurch erreichen, daß der
Raum zwischen dem weiteren verschiebbar angeordneten dielektrischen Streifen und
der Hohlleiterwand mit einem dielektrischen Material aufgefüllt ist, dessen Dielektrizitätskonstante
nur wenig von der des Vakuums abweicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn den Endstäben der Kammleitung stabartig ausgebildete
Anregungssonden gegenüberstehen, die in den Innenleiter von als Koaxialleitungen
ausgebildeten Zuführungsleitungen übergehen, oder wenn die Innenleiter von koaxialen
Zuführungsleitungen vorzugsweise halbkreisförmig an den Endstäben der Kammleitung
vorbeigeführt und mit der den koaxialen Zuführungsleitungen gegenüberliegenden Hohlleiterwand
elektrisch leitend verbunden sind.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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In den F i g. 1 und 2 sind ein Längsschnitt und ein Querschnitt eines
erfindungsgemäßen Filters dargestellt. Die F i g. 1 zeigt den Längsschnitt längs
der Schnittlinie A-B der F i g. 2, die F i g. 2 den Querschnitt längs der Schnittlinie
C-D von F i g. 1.
In einem metallischen Gehäuse 1 ist eine Kammleitung
3 angeordnet, deren einzelne Zähne mit der Wand 2 in elektrisch leitender Verbindung
stehen und die in der Mitte des Gehäuses angebracht sind. Das Gehäuse 1 ist hierbei
so dimensioniert, daß es einem an beiden Seiten kurzgeschlossenen rechteckigen Hohlleiter
entspricht, in dem nur ein Typ einer elektromagnetischen Welle ausbreitungsfähig
ist. Die Kammleitung 3 verläuft parallel zu den Hohlleiterbreitseiten. Zwischen
den Hohlleiterbreitseiten und der Kammleitung liegen Streifen 4 und 4' aus einem
dielektrischen Material, die über dielektrische Stifte 5 und 6 in der Längsrichtung
der Zähne der Kammleitung verschiebbar sind. Die Verschiebung kann mittels eines
in der Zeichnung nicht näher dargestellten Schraubenantriebes erfolgen, der dann
vorteilhafterweise mit einer Einstellskala versehen `ist. An den Enden des Gehäuses
1 sind koaxiale Zuführungsleitungen 7 und 8 vorgesehen, deren Innenleiter 9 und
10 in den Innenraum weitergeführt sind und als kapazitiv wirkende Anregungssonden
den Endstäben der Kammleitung -3 gegenüberstehen. Eine in der F i g. 1 verwendete
Kammleitung kann @-bekänntlich in eine .Kettenschaltung elementarer Teilvierpole
zerlegt werden. Die Leitung hat Bandpaßcharakter, d: h: ihr Verhalten läßt
sich beispielsweise durch eine Kettenschaltung identischer n-Glieder beschreiben.
Die Phasendrehung eines derartigen Elementarvierpols; der dann z. B. durch den Abstand
.von Zahnmitte zu Zahnmitte bestimmt ist, hat den Wert 0, -und .die Grenzen des
Übertragungsbandes sind durch die Bedingung 0::9 Ohr _G 1 gegeben.
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Die F i g. 4 und 5..zeigen .die elektrischen Ersatzschaltbilder bei
der -unteren und .oberen Grenzfrequenz einer derartigen Anordnung. Das qualitative
Verhalten der Kammleitung ergibt sich, wenn man sie als belasteten Hohlleiter betrachtet,
dessen Belastung periodisch unterbrochen ist. In der Nähe der. unteren Grenzfrequenz
hat der Kamm kapazitiven Charakter und verschiebt die untere Grenzfrequenz des Hohlleiters
(Gehäuse 1) nach tiefen Frequenzen. In der F i g. 4 .ist dieses Verhalten durch
zwei Leitungsabschnitte der Länge h und einer quergeschalteten Kapazität C angedeutet.
Nach höheren Frequenzen zu macht sich immer mehr der Einfuß der zwischen den einzelnen
Zähnen der Kammleitung verbleibenden Spalte bemerkbar, die als Blindleitung in Serie
zur Leitung liegen. Dies ist in der F i g. 5 durch kurzgeschlossene Leitungsabschnitte
der Länge 1, angedeutet, und die obere- Grenzfrequenz der Kamm-7 leitung ist dann
gegeben, wenn die elektrische Länge dieser Blindleitungen A/4 beträgt. Hierbei ist
A, die zur oberen Grenzfrequenz gehörende. Betriebswellenlänge. Durch Ändern der
mechanischen Abmessung der Kammleitung läßt sich die Bandbreite in kleinen Grenzen
verändern.
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In der F i g. 3 ist die Phasencharakteristik des im Bereich um 4 GHz
realisierten Bandfilters gemäß den F i g. 1 und 2 .dargestellt. -Auf der Abszisse
ist die Frequenz f, auf der Ordinate eine normierte Phase O/n aufgetragen. Durch
Vergrößern der Eintauchtiefe der dielektrischen Streifen 4 und 4', die im Ausführungsbeispiel
aus Rubin bestehen, werden die obere und die untere. Grenzfrequenz nach tieferen
Frequenzen verschoben, was einer Veränderung der Mittenfrequenz des Bandfilters
entspricht. Dieses Verhalten läßt sich, an Hand der in den F! g. 4 und 5 gezeichneten
Ersatzschaltbilder erklären, da nämlich durch das Dielektrikum sowohl die kapazitive
Belastung C (F i g. 4) als auch die elektrische Länge 12 der Blindleitungen (F i
g. 5) vergrößert wird. Die Kurve 11 in der F i g. 3 zeigt die Phaseneharakteristik,
wenn die Eintauchtiefe l verhältnismäßig klein ist, die Kurve 12 zeigt die Phasencharakteristik
bei größerer Eintauchtiefe 1.
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In der F i g. 6 ist ein Ausschnitt des in der F i g. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels gezeichnet. Der Innenleiter 9 der koaxialen Zuführungsleitung
7 ist halbkreisförmig am Endstab der Kammleitung 3 vorbeigeführt und mit der der
Gehäusewand 2 gegenüberliegenden Wand verbunden. Diese Einkopplung wirkt im wesentlichen
induktiv, da zur Kopplung vor allem die magnetischen Felder herangezogen werden,
die in der Nähe der Gehäusewand 2 am stärksten ausgebildet sind. Demgegenüber werden
bei der Einkopplung . gemäß der F i g. 1 im wesentlichen die elektrischen Felder
herangezogen, die am stärksten in der Nähe der leer laufenden Enden der Kammleitungszähne
ausgebildet sind.
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Die Zuführung der elektromagnetischen Energie kann außerdem über einen
Hohlleiter erfolgen. In den F i g. 7 und 8 sind der Querschnitt und die Draufsicht
eines entsprechenden Ausführungsbeispiels dargestellt, wobei das von der Kaminleitung
gebildete Filter nur teilweise gezeichnet -ist. Die Schmalseiten des die Kammleitung
enthaltenden Hohlleiters sind wegen der von der Kammleitung gebildeten kapazitiven
Belastung schmäler als die Schmalseiten unbelasteter Hohlleiter. Um einen möglichst
reflexionsfreien Übergang von einem Hohlleiterquerschnitt zum anderen zu erzielen,
ist zwischen den unbelasteten, als Zuführungsleitung dienenden Hohlleiter H und
den die Kammleitung 3 enthaltenden Hohlleiter ein Transformationsstück T geschaltet,
dessen Breitseiten vorzugsweise konisch von einem Profil zum anderen verlaufen.
Zusätzlich ist im Transformationsstück T noch eine dreieckförmige metallische Platte
P vorgesehen, die in der gleichen Ebene wie die Zähne der Kammleitung 3 liegt. Die
eine Seite der Platte P ist mit der der Hohlleiterwand 2 benachbarten Wand des Transformationsstückes
verlötet, während die andere Seite parallel zum ersten Zahn der Kammleitung verläuft
und etwa dessen Höhe hat. Die Platte P stellt somit eine allmählich größer werdende
kapazitive Belastung, d. h. einen stufenlosen Übergang. vom Hohlleiter H auf den
die Kammleitung 3 enthaltenden Hohlleiter dar. Für eine einfache Fertigung ist es
zweckmäßig, daß Transformationsstück T als getrenntes Teil herzustellen und an den
gestrichelt gezeichneten Trennlinien F und F' die Hohlleiter und das Transformationsstück
mit Flanschen zu versehen, über die die einzelnen Teile miteinander verschraubt
werden.
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Die F i g. 9 und 10 zeigen, wie bei einem derart aufgebauten Filter
eine wesentliche Veränderung der Bandbreite in verhältnismäßig einfacher Weise zu
erreichen ist. In der F i g. 9 ist hierzu das Ausführungsbeispiel gemäß der F i
g. 1 nur schematisch angedeutet. Zu beiden Seiten .der Kammleitung 3 sind Streifen
4 und 4' aus einem dielektrischen Material angeordnet, die auch an den Breitseiten
des Gehäuses 1 anliegen.. An der Kammleitung 3 liegt ein weiterer Streifen 13 aus
einem dielektrischen Material an, der sich über die gesamte Länge der Kammleitung
erstreckt und der nur ein verhältnismäßig
kleines Volumen der Gesamtanordnung.
in Anspruch nimmt. Der Streifen 13 hat die Breite a und die Dicke b, und
durch Veränderung der Abmessungen a
und b läßt sich die obere Grenzfrequenz
erheblich nach tieferen Frequenzen verschieben, ohne daß dabei die untere Grenzfrequenz
wesentlich beeinflußt wird. Die Kurve 14 in der F ig . 10 zeigt die normierte Phasencharakteristik
in Abhängigkeit von der Frequenz f, wenn der Streifen 13 völlig fehlt. Die Kurve
15 zeigt die Phasencharakteristik, wenn für den Streifen 13 ein Saphir verwendet
wird und wenn der Streifen die Abmessungen a=2 mm und b=1,2 mm hat. Die Kurve 16
zeigt die Phasencharakteristik, wenn ein Saphirstreifen mit den Abmessungen a=4
mm und b=1,2 mm verwendet wird. Wie der F i g. 10 zu entnehmen ist, ergibt sich
durch Einbringen des Saphirstreifens 13 eine erhebliche Verschiebung der oberen
Grenzfrequenz, während die untere Grenzfrequenz nur um einen relativ kleinen Betrag
verschoben wird.
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Durch eine Anordnung gemäß der F i g. 11 läßt sich die Bandbreite
in verhältnismäßig einfacher Weise kontinuierlich verändern. Die Zeichnung zeigt
schematisch das Gehäuse 1 mit der Gehäusewand 2, auf der die Kammleitung 3 aufgesetzt
ist. Zwischen der Kammleitung 3 und einer Gehäusewand liegen zwei dielektrische
Streifen 13 und 14. Der Streifen 13 besteht aus dielektrischem Material mit verhältnismäßig
großer Dielektrizitätskonstante, wie z. B. Saphir. Am Streifen 13 ist wenigstens
ein Stab 15 befestigt, der durch die Gehäusewand 2 herausgeführt und mit einem in
der Zeichnung nicht näher dargestellten Antrieb verbunden ist. Der Antrieb gestattet
es, den Streifen 13 in Richtung des Doppelpfeiles 16 zu verschieben, so daß der
Streifen 13 mit zunehmender Eintauchtiefe in den Bereich größerer elektrischer Felder
gelangt. Der zwischen dem Streifen 13 und der Hohlleiterbreitseite liegende Streifen
14 besteht aus einem dielektrischen Material, dessen Dielektrizitätskonstante nicht
wesentlich von der der Luft abweicht (beispielsweise Schaumtrolitul), und dient
als Abstandsstück zwischen der Gehäusewand und dem dielektrischen Streifen 13. Auf
diese Weise liegt der Streifen 13 eben an der Kamn-fleitung an und wird bei der
Verschiebung in Richtung des Doppelpfeiles 16 sicher geführt.
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Eine weitere Anordnung zur Veränderung der Bandbreite ist in der F
i g. 12 dargestellt. Hierbei ist der dielektrische Streifen 13 so angeordnet, daß
sich eine Begrenzungsfläche etwa in der Höhe der Kammleitung befindet. Die Bewegung
des Streifens 13 erfolgt durch einen mit einem Antrieb verbundenen Stab 17, der
in Richtung des Doppdlpfeiles 18 verschiebbar ist. Bei zunehmender Eintauchtiefe,
d. h. also, wenn der Streifen 13 sich der Kammleitung 3 nähert und damit in den
Bereich größerer elektrischer Feldstärken gelangt, wird die Bandbreite verringert.
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In der F i g. 13 ist ein Ausführungsbeispiel schematisch angedeutet,
bei dem sowohl die Mittenfrequenz als auch die Bandbreite kontinuierlich zu verändern
sind. Die Kammleitung 3 steht wiederum mit der Wand 2 des Gehäuses 1 in elektrisch
leitender Verbindung. Zwischen der Kammleitung und dem Gehäuse ist (vgl. F i g.
1) ein Streifen 4 aus einem dielektrischen Material angeordnet, der mittels des
aus einem dielektrischen Material bestehenden Stabes 5 in der Richtung des Doppelpfeiles
20 verschiebbar ist. Mit Hilfe des Streifens 4 läßt sich in der bereits beim Ausführungsbeispiel
der F i g. 1. beschriebenen Weise die Frequenzlage des Durchlaßbereiches des Filters
einstellen. Der Streifen 13 wird wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 12 über
einen dielektrischen Stab 17 in Richtung des Doppelpfeiles 18 verschoben und liefert
somit eine kontinuierliche Veränderung der Bandbreite.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen hängt die Wirkung auf
die Veränderung der Bandbreite und auf die Veränderung der Frequenzlage des Durchlaßbereiches
erheblich von der Dielektrizitätskonstante des Materials ab, aus dem die Streifen
4 bzw. 13 bestehen.
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In der F i g. 14 ist die Dämpfung aB (in Dezibel) eines gemäß der
F i g. 13 aufgebauten Ausführungsbeispiels in Abhängigkeit von der Frequenz f aufgetragen.
Die Durchlaßmitte liegt etwa bei 3,82 GHz und die Grenzfrequenzen bei etwa 3,715
und 3,91 GHz. An den Grenzfrequenzen übersteigt die Dämpfung erheblich den Wert
50 db, während die Durchlaßdämpfung etwa 0,5 db beträgt. Eine in der F i g. 14 dargestellte
Dämpfungskurve mit verhältnismäßig breitem Durchlaßbereich und steil ansteigenden
Dämpfungsflanken läßt sich in der Regel nur mit Bandfiltern erreichen, die eine
größere Anzahl von Einzelkreisen aufweisen. Diese Kurve wird bei der Verwendung
der Kammleitung mit einer Anordnung erreicht, die in der F i g. 1 etwa maßstäblich
dargestellt ist. Es ist hierbei lediglich zu beachten, daß Überkopplungen von der
Einkopplungssonde 9 direkt auf die Auskopplungssonde 10 vermieden werden.