DE2338845A1

DE2338845A1 - Frequenzvervielfacher fuer den mikrowellenbereich

Info

Publication number: DE2338845A1
Application number: DE19732338845
Authority: DE
Inventors: Jashwant Singh Dahele; Derek Raymond Hill
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1972-08-22
Filing date: 1973-07-31
Publication date: 1974-03-07
Also published as: FR2197266A1; NL7311526A; AU5896073A; GB1360338A; AU473293B2; IT993625B; FR2197266B1; JPS5142459B2; US3818388A; JPS4960662A; ES418059A1

Description

Patentanwalt
7 Stuttgart 30
Kurze Straße 8

D. R. Hill - J. S. Dahele 2-1

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC.CORPORATION, NEW YORK

Frequenzvervielfacher für den Mikrowellenbereich

Die Erfindung betrifft einen Frequenzvervielfacher für den Mikrowellenbereich, der aus Eingangsfilter, Ausgangsfilter und dazwischen angeordnetem nichtlinearem Element besteht.

Derartige mit Hohlleiter arbeitende Frequenzvervielfacher sind bekannt; sie werden in Richtfunksystemen häufig verwendet. Die Filter der bekannten Vervielfacher arbeiten mit der Hauptwelle,

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und die Frequenz der Hauptwelle bestimmt die Größe des Querschnitts des Hohlleiters. Aus einer sinusförmigen Schwingung mit der Frequenz f - im Folgenden Eingangsfrequenz genannt werden mittels des nichtlinearen Elements, z. B. einer Kapazitätsdiode, die Harmonischen von f erzeugt, aus denen die gesuchte Frequenz η . f (n ganzzahlig) - die Ausgangsfrequenz - ausgefiltert wird. Der einfachste Fall eines Vervielfachers ist der Frequenzverdoppler ( η » 2); der aus Eingangsfilter, Ausgangsfilter und dazwischenliegender Kapazitätsdiode besteht. Beim F requenzver vielfacher kann die gesuchte Frequenz mit Hilfe nur einer Kapazitätsdiode gewonnen werden, wenn das Ausgangsfilter auf 4 f abgestimmt ist. Man bevorzugt jedoch beim Übertragen hoher Leistung eine kaskadenförmige Kombination zweier Fretju enzverdoppler, wobei das Aus gangs filter des ersten Verdopplers gleich dem Eingangsfilter des zweiten Verdopplers ist (f -*■ 2f, 2f -» 4f). Zusätzlich zu Eingangs- und Ausgangsfilter ist dann also ein, Zwischenfilter vorhanden.

Da der Frequenzbereich eines mit der Hauptwelle arbeitenden Hohlleiters kleiner als eine Oktave ist, müssen die Querschnitte der Hohlleiterfilter verschieden groß sein. Dies hat mechanische und elektrische Nachteile. Die mechanischen Nachteile sind offensichtlich. Ein elektrischer Nachteil besteht darin, daß bei den bekannten Anordnungen mit verteilten Bauelementen Mehrfachresonanzen auftreten können, durch die die Diode zu einem negativen Widerstand werden kann. Dadurch können Störschwingungen erzeugt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Frequenzvervielfacher an-

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zugeben/ der leichter herzustellen ist als die bekannten Vervielfacher und bei dem keine Mehrfachresonanzen auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für Eingangs- und Aüsgangsfilter ein Hohlleiter mit durchgehend gleichem Querschnitt vorgesehen ist, daß die Grenzfrequenz des Hohlleiters größer als die Eingangsfrequenz des Vervielfachers ist und daß das Eingangsfilter ein Grenzfrequenzhohlleiterfilter ist.

Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Vorteile der Erfindung sind: kleinerer Hohlleiterquerschnitt durch die Verwendung von Grenzwerthohlleitern, einfachere mechanische Handhabung durch z. B. gleiche Flansche an beiden Hohllerterenden, geringere Anfälligkeit gegen Störschwingungen, einfacherer Temperaturanglei eh.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einei Hohlleiterfrequenzverdoppler mit

einem Grenzfrequenzeingangsfilter und einem mit der Hauptwelle arbeitenden Ausgangsfilter,

Fig. 2 die mechanische Anordnung einer

Kapazitätsdiode zwischen den beiden Filtern nach Fig. 1,

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Fig. 3 einen Hohlleiterfrequenzverviel-

facher aus zwei hintereinanderge-. schalteten Frequenzverdopplem,bei dem Eingangs=, Zwischen= und Ausgangsfilter Grenzfrequenzfilter sind,

Fig. 4 . einen Längsschnitt durch das Eingangsfilter des Hohlleiters nach Fig. 3 mit einer möglichen Form der Kapazitäts- · schrauben.

Zuerst wird kurz.die Wirkungsweise eines Grenzfrequenzhohlleiters erläutert. Sie ist in dem Artikel von G. F. Craven "Waveguide Bandpaß Filters Using Evanescent Modes", Electronics Letters, Vol. 2, Nr. 7, Juli 1966, S. 25, 26, und in der DT-OS 15 41 937 ausführlich beschrieben.

Es ist bekannt, daß bei Hohlleitern, die unterhalb ihrer Grenzfrequenz betrieben werden, die WeDenjsich nicht mehr ungehindert fortpflanzen, sondern gedämpft werden. Bei diesen Frequenzen hat der Hohlleiter eine charakteristische, positive, imaginäre (induktive) Impedanz (j . Z) und eine reeBe Ausbreitungskonstante \j für eine in der Η-Diode einfallenden Welle. Der Hohlleiter verhält sich deshalb im wesentlichen wie eine reine Reaktanz. Wenn ein Abschnitt der Länge 1 eines derartigen Hohlleiters mit einer konjugierten (kapazitiven) Reaktanz abgeschlossen ist, wird eine einfallende Welle mit einer Frequenz, die niedriger ist als die Grenzfrequenz, diesen Abschnitt ungedämpft durchlaufen.

Ein auf eine Frequenz, die kleiner als die Grenzfrequenz ist, abgestimmtes Filter, ist ein Grenzfrequenzfilter, Es besteht im allgemeinen aus zwei oder mehr Abschnitten, in denen sich jeweils

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mindestens eine kapazitive Schraube zur Einstellung der konjugierten Anpassung befindet. Die kapazitive Schraube ist eine einfache, leicht einstellbare Ausführungsform für die kapazitive Beschwerung aber es sind selbstverständlich noch andere Ausführungsformen denkbar.

Pig, 1 zeigt einen Frequenzverdoppler, bei dem ein Hohlleiter 1 mit rechteckigem Querschnitt (Type WG 18) verwendet wird. Der Hohlleiter hat folgende technische Daten:

innere Abmessungen (Breite χ Höhe) = I₃ 58 χ 0, 79 cm. Grenzfrequenz : 9.486 GHz

Durchlaßfrequenzbereich für die Hauptwelle: 12, 4 - 18, OGHz

Der Frequenzverdoppler verdoppelt eine Eingangsfrequenz von 7, 5 GHz auf eine Ausgangsfrequenz von 15, 0 GHz.

Der Hohlleiter 1 besteht aus einem Stück mit durchgehend gleichem Querschnitt. Ein Teil des Hohlleiters ist ein Ausgangsfilter 2, das ein bekanntes blendengekoppeltes dreiteiliges Filter ist. Es enthält vier Blenden 3 und drei Abstimmschrauben 4. Die Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs ist auf die Ausgangsfrequenz von 15.0 GHz abgestimmt; die Hauptwelle kann den Hohlleiter also ungedämpft durchlaufen.

Die Eingangsfrequenz von 7, 5 GHz ist kleiner als die Grenzfrequenz des Hohlleiters, dessen Querschnitt von dem mit der Hauptwelle arbeitenden Ausgangsfilter bestimmt ist. Das Eingangsfilter ist ein

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zweiteiliger Grenzwerthohlleiterfilter 5. Es enthält zwei im Abstand angeordnete kapazitive Schrauben 6, die in den Hohlleiter hineinragen und zur konjugierten Anpassung jeweils so eingestellt sind, daß das Filter auf die Eingangs frequenz abgestimmt ist.

Zwischen Eingangs- und Ausgangsfilter befindet sich eine Kapazitätsdiode 7, deren mechanische Anordnung im Hohlleiter in Fig. 2 gezeigt ist. Die Kapazitätsdiode 7 befindet sich zwischen einem Radiofrequenzkontakt 8, der aus einem vorgeformten Netz oder ballförmig aufgerollten Stück aus vergoldetem Beryllium-Kupfer-Draht besteht und sich in einem Becher 9 aus Kupfer befindet, der von einer Querstange 10 aus Kupfer gehalten wird, und einer Diodenfassung 11 in einem Mittelloch eines runden, elektrisch offenen Drosselflanschs 12, der einen Belag 13 aus dielektrischem Material trägt. Die Vorspannung der Kapazitätsdiode wird mittels eines Widerstands 14 erzeugt, der zwischen dem Drosselflansch 12 und dem Hohlleiter liegt. Mit einer Abstimmschraube 15 wird die Kapazität der Diode neutralisiert. Mit Impedanzanpassungsschrauben 16 wird die Diode auf Eingangs- und Ausgangsfilter genau abgestimmt.

Fig. 3 zeigt einen Frequenzvervielfacher mit einem Hohlleiter aus einem Stück mit durchgehend gleichem quadratischem Querschnitt. DieseiHohlleiter hat die gleiche Grenzfrequenz und dem gleichen Durchlassfrequenzbereich wie der Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt, der bei dem in Fig. 1 gezeigten Frequenzverdoppler verwendet wurde. Seine innere Höhe und Breite betragen jedoch je 1, 58 cm.

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Der Prequenzvervielfacher besteht aus zwei kaskadenförmig hintereinandergeschalteten Frequenzverdoppler. Die Eingangsfrequenz ist 1, 9 GHz und die Ausgangsfrequenz 7, 6 GHz/ d. h. alle Frequenzen sind kleiner als die Grenzfrequenz des Hohlleiters. Der Hohlleiter hat eine Gesamtlänge von 14, 86 cm und durchgehend den gleichen Querschnitt. Er enthält zwei (nicht gezeigte) Kapazitätsdioden, die jeweils an einer Querstange 21 befestigt sind und, zusammen mit zugehörigen Abstimmschrauben 22 und Impedanzanpassungsschrauben 23, in gleicher Weise wie in Fig. gezeigt, im Hohlleiter angeordnet sind. Die Vorspannung für die Dioden wird jeweils über runde Drosselflansche hergestellt.

Das Eingangsfilter ist ein dreiteiliges Grenzwerthohlleiterfilter mit drei kapazitiven Schrauben 25, die zur konjugierten Anpassung jeweils so eingestellt sind, daß die Mittenfrequenz des Frequenzdurchlaßbereichs des Filters gleich der Eingangsfrequenz von 1, 9 GHz ist. Die Abstände zwischen den kapazitiven Schrauben 25 sind d = 2, 06 cm, d = 0, 92 cm, d = 1, 44 cm und d = 1, 18 cm.

1 & ο 4c

Das Zwischenfilter ist ein zweiteiliges Grenzfrequenzhohlleiterfilter 26 mit zwei kapazitiven Schrauben 27, die zur konjugierten Anpassung jeweils so eingestellt sind, daß die Mittenfrequenz des Frequenzdurchlaßbereichs des Zwischenfilters 3, 8 GHz beträgt. Die Abstände zwischen den kapazitiven Schrauben 27 sind

d = 1, 22 cm, d = 1, 47 cm und d = 1, 15 cm. ob 7

Das Ausgangsfilter ist ein dreiteiliges Grenzfrequenzhohlleiterfilter mit drei kapazitiven Schrauben 29, die zur konjugierten Anpassung jeweils so eingestellt sind, daß die Mittenfrequenz des

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Frequenzdurchlaßbereichs des Filters gleich der Ausgangsfrequenz von 7, 6 GHz beträgt. Die Abstände zwischen den kapazitiven Schrauben 29 sind d_o = O₃ 99 cm, d = 2, 01 cm, d = 2, 01 cm und

ο y lu

d =0, 41 cm.

Hohlleiter mit quadratischem Querschnitt haben eine höhere Güte als die entsprechenden Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt. Man gleicht damit die zusätzliche Einfügungsdämpfung aus, die, insbesondere beim Eingangsfilter, dadurch entsteht, daß die Betriebsfrequenz weit unterhalb der Grenzfrequenz liegt.

Aus dem gleich en "G rund sind im Eingangsfilter große Kapazitäten zur konjugierten Anpassung erforderlich. Es ist unpraktisch, dafür einfache Abstimmschrauben zu verwenden. Man kann statt dessen Topfkondensatoren verwenden, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Das untere Ende jeder Abstimmschraube 25 ragt in einen Topf 30 aus Kupfer, der mit der Schraube achsengleich ist und mit der Hohlleiterwand, die gegenüber von derjenigen angeordnet ist, durch die die Schrauben 25 nach außen durchgeführt sind, leitend verbunden ist. Zwischen Schraube und Topf ist ein kleiner freier Zwischenraum 31 von vorzugsweise 0, 25 mm. Die Innenwand des Topfes kann mit einem Belag 32 aus dielektrischem Material versehen sein, um die Kapazität zu vergrößern und Kurzschlüssen zwischen Schraube und Topf vorzubeugen, damit beim Betrieb mit höchstmöglicher Leistung (Eingangsleistung 6 Watt)kein Überschlag auftritt.

Es sind selbstverständlich andere Frequenzvervielfacher realisierbar, die einen einzigen Hohlleiter mit durchgehend gleichem Quer-

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schnitt verwenden und bei denen entweder alle Filter (Eingangs-, Ausgangs- und eventuelle Zwischenfilter) Grenzfrequenzhohlleiterfilter sind, wobei die Größe des Hohlleiters so gewählt ist, daß seine Grenzfrequenz oberhalb der Ausgangsfrequenz liegt, oder bei denen das Ausgangsfilter mit der Hauptwelle arbeitet, wobei die Ausgangsfrequenz die Größe des Hohlleiters bestimmt und alle vorhergehenden Filter Grenzfrequenzhohlleiterfilter sind, deren Betriebsfrequenzen unterhalb der Grenzfrequenz des. Hohlleiters liegen.

Der Hohlleiter ist beim Betrieb mit Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nicht periodisch, daraus ergibt sich eine allmähliche Impedanzwandlung entlang des Hohlleiters, so daß die Synthese von Filtern, die Integration der aktiven Bauelemente und der Temperaturausgleich einfacher.

Die Impedanzanpassung einer Kapazitätsdiode geschieht hauptsächlich durch die WaM des Abstandes zwischen der Diode und den anschließenden Filtern. Die Feineinstellung der Anpassung, die erforderlich ist, um z. B. kleine Abweichungen der Diodenparameter auszugleichen, erfolgt mit den Impedanzanpassungsschrauben (16, Fig. 1; 23, Fig. 3) zwischen der Diode und jedem Filter.

Man erhält so einen kompakten Aufbau des Vervielfachers mit maximal angepaßten Filtern und dies ergibt die größtmögliche Unterdrückung unerwünschter Frequenzen.

Da die einzige Bedingung für die Verwendung eines Grenzwerthohlleite rfliters der Betrieb mit Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz ist, kann ein Hohlleiter bestimmter Größe für einen Frequenzbereich von mehreren Oktaven eingesetzt werden.

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Es sind so verschiedene Vervielfacher, die einen Hohlleiter gleicher Größe verwenden, möglich. Es gibt in der Praxis jedoch Grenzen für die Größe eines verwendtbaren Hohlleiters und zwar verminderte Güte und größere Abstimmkapazität.

Je kleiner die Betriebsfrequenz gegenüber der Grerizfrequenz eines Hohlleiters ist, umso kleiner ist derQuerschnitt des Hohlleiters und umso geringer ist als Folge davon die Güte. Dies führt zu erhöhter Einfügungsdämpfung im Durchlaßbereich.

In den meisten Fällen sind Vervielfacher aus Stabilitätsgründen nicht für sehr kleine Band breiten ausgelegt; deshalb ist im allgemeinen die erhöhte Dämpfung vernachlässigbar. In jedem Fall neigt der Vervielfacher durch seine kleine Bauweise dazu, die erhöhte Dämpfung auszugleichen.

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Claims

Patentansprüche

1.) Frequenzvervielfacher für den Mikrowellenbereich, bestehend aus Eingangsfilter, Ausgangsilter und dazwischen angeordnetem nichtlinearen Element, -dadurch gekennzeichnet, daß für Eingangs- und Ausgangsfilter ein Hohlleiter (1, 20) mit durchgehend gleichem Querschnitt vorgesehen ist, daß die Grenzfrequenz des Hohlleiters größer als die Eingangsfrequenz des Vervielfachers ist und daß das Eingangsfilter ein Grenzfrequenzhohlleiterfilter (5, 24) ist.

2. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Grenzfrequenz des Hohlleiters (20) größer als die Ausgangsfrequenz des Vervielfachers ist und daß das Ausgangsfilter ein Grenzfrequenzhohlleiterfilter (28) ist.

3. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, darinrr.h ge

daß die Grenzfrequenz des Hohlleiters ("I) kleiner als die Ausgangsfrequenz des Vervielfachers ist und daß das Ausgangsfilter ein konventionell arbeitendes Hohlleiterfilter (2.) ist, dessen Querschnitt durch die Frequenz der Hauptwelle bestimmt ist.

4. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlleiters (20) quadratisch ist.

5. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlleiters (1) rechteckig ist.

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6. Frequenzvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven Schrauben (25) des Grenzfrequenzhohlleitereingangsfilters (24) die einen Elektroden von Topfkondensatoren bilden.

ORIGINAL SHSFECTED

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