DE2657649C2

DE2657649C2 - Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen

Info

Publication number: DE2657649C2
Application number: DE2657649A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 8000 München Pfitzenmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1982-04-29
Also published as: IE45949B1; IT1088823B; SE7714427L; DE2657649A1; IE45949L; FR2374753B1; CA1110334A; US4167713A; GB1590860A; LU78715A1; BE862063A; SE423766B; FR2374753A1; NL7714023A; DK526877A

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der zu übertragenden Energie jeweils erste und letzte Resonatoren mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. Entnahme der elektromagnetischen Energie versehen sind und bei dem zwischen wenigstens zwei in Energieflußrichtung nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Filterkreisen eine zusätzliche Kopplung vorgesehen ist und die einzelnen Resonatoren in nebeneinanderliegenden Zeilen angeordnet sind.

Filter der Mikrnwpll^ntprhnik vuprdpn bekanntlich aus mehreren, miteinander gekoppelten Mikrowellenresonatoren aufgebaut, deren Kopplung entweder kapazitiv oder induktiv erfolgen kann. Die Resonatoren selbst können dabei beispielsweise aus sogenannten Koaxialleitungsresonatoren oder aus Hohlleiterresonatoren bestehen.

Im Gegensatz zu den mit konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern läßt sich aufgrund der geometrisch fest vorgegebenen Konfiguration der Resonatoren nicht jede in konzentrierter Technik realisierbare Schaltung ohne weiteres auf das Frequenzgebiet der Mikrowellen übertragen. Diese Schwierigkeit tritt insbesondere dann auf, wenn es erforderlich ist, in der Dämpfungscharakteristik des Filters Dämpfungspole und/oder im Durchlaßbereich des Filters eine Laufzeitebnung durch zusätzliche Kopplungen von Filterkreisen zn erzeugen und wird behoben durch die in der deutschen Offenlegungsschrift 19 42 867 angegebene Anordnung der Resonatoren in benachbarten Zeilen mit zusätzlichen Überkopplungen in der gemeinsamen

ίο Trennwand von je zwei, in unterschiedlichen Zeilen angeordneten Resonatoren.

Bekannt ist auch die Möglichkeit des Aufbaus von Mikrowellenfiltern mit Hohlraumresonatoren, die gleichzeitig in mehr als einem Modus betrieben werden

is (»Microwave Filters Employing a Single Cavity Excited in More than One Mode«, »Journal of Applied Physics«, Vol. 22, No. 8, August 1951, S. 989-1001, von Wei-Guan Lin; »A Four Cavity Elliptic Waveguide Filter«, »IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, VoL-MTT. 18. No. 12, December 1970, S. 1109-1114, von Williams, A. E.). Vorzugsweise werden hierbei zwei gleiche, jedoch orthogonale Moden in H_JOi- oder Hin-Resonatoren verwendet und durch eine unter je 45° zur Richtung der E-Vektoren angebrachte Koppelschraube miteinander verkoppelt (Dual-Mode). Damit können zwei elektrische Schwingkreise eines Filters in einem einzigen Hohlraumresonator technisch sinnvoll realisiert werden. Wegen der bei Dual-Mode-Betrieb erzielbaren Einsparung an Gewicht und Volumen von bis zu 50% ergibt sich hierfür ein wichtiges Anwendungsgebiet, insbesondere in der Satellitentechnik, zumal an die dort verwendeten Filter hohe elektrische Anforderungen gestellt werden, was sich in einer verhältnismäßig großen Zahl elektrischer Schwingkreise äußert

Da auch bei diesen Filtern Dämpfungspole und/oder eine Ebnung der Laufzeit im Durchlaßbereich erforderlich sind, liegt der Wunsch nahe, hierfür geeignete Filterschaltungen in Dual-Mode-Technik zu finden. In diesem Zusammenhang ist bereits ein Reaiisierungsvorschlag (»Nonminimum-Phase Op ^raum-Amplitude Bandpass Waveguide Filters«, »IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Vol. MTT-22, No. 4, April 1974, S. 425-431, von Atia, A. E. und Williams, A. E.) bekannt, der jedoch beschränkt ist auf Filterschaitungen, die sowohl nach Struktur als auch nach Elementewerten symmetrisch sind, die außerdem vielfach übergreifende, nach Anzahl und geometrischer Lage innerhalb der Filteranordnung nicht vorwählbare zusätzliche Kopplungen aufweisen und deren Anzahl von elektrischen Schwingkreisen ein Vielfaches von 4 betragen muß, wodurch dieser häufig nicht in die Praxis umzusetzen ist. Voraussetzung für den Aufbau von Filtern mit zusätzlichen Kopplungen in Dual-Mode-Technik ist nämlich eine Resonatoranordnung, die eine vorzeichenrichtige Realisierung aller Kopplungen zürn R*

Eine Möglichkeit, die Realisierbarkeit von insbesondere nach Elementewerten unsymmetrischen, im Dual-Mode betreibbaren Filterschaltungen zu verbessern ist durch die DE-OS 25 11 800 bekanntgeworden und besteht darin, die Resonatoren in benachbarten Zeilen anzuordnen und in den Zeiten eine unterschiedliche Resonatoranzahl vorzusehen.

Die Kopplung von Filterkreisen in räumlich verschiedenen Resonatoren setzt voraus, daß die betreffenden beiden Filterkreise in gleicher Weise räumlich orientiert sind, so daß z. B. deren E-Vektoren parallel zueinander

verlaufen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine weitere Lösung zur Realisierung von Filterschaltungen mit im Dual-Mode betriebenen Resonatoren und zusätzlichen Kopplungen anzugeben, ohne daß diese Bedingung die Anzahl theoretisch denkbarer Verkopplungen und damit das Spektrum möglicher Realisierungen einengt bzw. Realisierungen nur unter Verzicht auf an sich wünschenswerte Zusatzkopplungen oder nur mit fertigungstechnischen Nachteilen erlaubt-Ausgehend von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der zu übertragenden Energie jeweils erste und letzte Resonatoren mir K ,rhJußleitungen für die Zuführung bzw. Entnahme d·:- elektromagnetischen Energie versehen sind i>n.^J bei dem zwischen wenigstens zwei in Energie^r'"^ci-!_iitung nicht unmittelbar aufeinanderfolgende. Tiiterkreisen eine zusätzliche Kopplung vorgeF -b-sü ist und die einzelnen Resonatoren in nebeneinaru. st -legenden Zeilen angeordnet sind, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das der Realisierung zugrunde liegende Ersatzschaltbild hinsichtlich der elek' -ischen Elementewerte in bezug auf die Koppelelemente unsymmetrisch gewählt ist, derart, daß die Anzahl an zusätzlichen Kopplungen mit der theoretisch ermittelten minimalen Anzahl zusätzlicher Kopplungen für Dual-Mode-Filter übereinstimmt

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine Filterrealisierung in Dual-Mode-Technik mit der minimalen, schon beim Filterentwurf vorgesehenen Anzahl von zusätzlichen Kopplungen möglich ist, wenn einer mechanisch symmetrischen Resonatoranordnung ein hinsichtlich des Elementewertes unsymmetrisches Ersatzschaltbild zugrunde gelegt ist.

ein besonderer Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die bei bekannten Filtern dieser Art gegebenen Einschränkungen hinsichtlich der Realisierbarkeit von komplizierten Schaltungsstrukturen wesentlich ven 'ngert sind.

Weitere Vorteile sind durch die verringerte Anzahl der zur Realisierung erforderlichen Zusatzkopplungen und der dadurch wesentlich erleichterten Fertigung und Abstimmung der erfindungsgemäßen Filter gegeben.

Eine vorteilhafte Ausfuhrungsiorrn nach der Erfindung ist durch die Ausführung als laufzeitgeebneter zwölfkreisigei- Bandpaß mit zwei Dämpfungspolen bei endlichen Frequenzen jeweils unterhalb und oberhalb des Durchlaßbereiches gegeben, bei dem die Resonatoren in zwei nebeneinanderliegenden, jeweils drei Resonatoren enthaltenden Zeilen angeorndet sind und bei dem fünf zusätzliche Kopplungen vorgesehen sind. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung mit vier zusätzlichen Kopplungen ist durch das nachstehend erläuterte Ausführungsbeispiel gege-

LTVIl.

Es zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 das struktur- und elementesymmetrische Ersatzschaltbild eines zwölfkreisigen Dual-Mode-Bandpasses,

Fig.2 eine bekannte Resonatoranordnung eines Filters gemäß F ig. 1,

Fig.3 ein struktursymmetrisches, jedoch elementeunsymmetrisches Ersatzschaltbild eines zwölfkreisigen Dual-Mode-Bandpasses,

Fig.4 ein Ausführungsbeispiel eines zwölfkreisigen Filters nach der Erfindung,

F i g. 5 eine Meßkurve der Echodampfung des Filters nach F i g. 4,

Fig.6 eine Meßkurve der Betriebsdämpfung des Filters nach F i g. 4.

In F i g. 1 ist schematisch ein struktur- und elementesymmetrisches Ersatzschaltbild eines beispielsweise aus dem einleitend erwähnten Aufsatz »Nonminimum-Phase Optimum-Amplitude Bandpass Waveguide Filters« bekannten zwölfkreisigen Dual-Mode-Bandpa- s angegeben.

Es handelt sich hier um eine Vierpolschaltung, in deren Querzweigen die symbolisch als Ellipsen dargestellten Parallelschwingkreise 51 bis 512 liegen, und deren Kopplungen über die als einfache Strichverbindüngen dargestellten, in den Längszweigen liegenden Koppelreaktanzen 1/2, 2/3 bis 11/12 erfolgen. Als zusätzliche Kopplungen sind die symmetrisch über die Schaltungsmitte übergreifenden Koppelreaktanzen 1/12, 2/11, 3/10, 4/9 und 5/8, sowie die ebenfalls zwar symmetrisch zur Schaltungsmitte gelegenen, jedoch die Schaltungsmitte nicht überspannenden Koppelreaktanzen 1/4, 3/6, 7/10 und 9/12 eingeführt Es sind diese Koppelrekatanzen in der Fig. 1 ebenaails als zwischen den jeweiligen Parallelschwingkreisen verlaufende einfache Strichverbindungen dargestellt und mit Bezugszeichen versehen, die sich aus den Symbolen für die jeweils berührten Parallelschwingkreise und einem dazwischenliegenden Schrägstrich zusammensetzen. Die durch die Schaltungsmitte verlaufende elektrische und für die bekannte Realisierung nach Fig.2 auch mechanische Symmetrielinie ist in der F i g. 1 als strichpunktierte Linie 5 angegeben. Aus Symmetriegründen ergibt sich für dieses Schaltbild die Forderung für die Kopplungsbandbreiten:

/J/i.4 = Af₉₁₂

Der zur Schaltung nach F i g. 1 zugehörige Filteraufbau, beispielsweise mittels Hioi-Resonato^ren, ist schematisch in der Fig.2 angegeben. Es erfolgt dort die vorzeichenrichtige Kopplung der Filterkreise in beka -nter Weise durch geeignete Positionierung der nicht eigens dargestellten Dual-Mode-Kopplungsschrauben innerhalb eines Resonators bzw. durch Koppelschlitze in den gemeinsamen Trennwänden zwischen benachbarten Resonatoren. ι-*ϊε niecuaiiiscu symrnctnscnc, ϊπ zwei benachbarten Zeilen mit jeweils drei Resonatoren aufgebaute Resonatoranordnung ist in der F i g. 2 durch Pfeile EX bis £"12 ergänzt, die jeweils die Lage der E-Vektoren der entsprechenden Filterkreise 51 bis 512 angeben. Bei einer solchen Realsierung eines zwölfkreisigen Bandpasses sind jedoch neun in den gemeinsamen Zwischenwänden dei Resonatoren gelegene Zusatzkopplungen erforderlich, was einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand bedingt.

Das auf der gleichen elektrischen Obert^agungsfunk-

.; i. . _ J J r· ....I. 1.1 ti

null cin.3pm.ucnu uc-iii L^i 3aiz.3uiiaiiLnju

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rig.

basierende, zwölfkreisige Dua!-Mode-Filter gemäß der Erfindung besteht prinzipiell aus einer mit der Darstellung nach Fig.2 übereinstimmenden mechanisch symmetrischen Resonatoranordnung; entsprechend der Erfindung ist jedoch ein in der Fig.3 angegebenes elektrisch unsymmetrisches Ersatzschaltbild für die mechanisch symmetrische P.earisierung zugrunde gelegt.

Das struktursynimetrische, jedoch bezüglich der Elementewerte unsymmetrische, zur Schaltung nach Fig. 1 äquivalente Ersatzschaltbild nach Fig.3 enthält

ebenfalls die symbolisch als Ellipsen dargestellten Parallelschwingkreise Si bis S12, deren Kopplung wiederum über die in den Längszweigen liegenden Koppelreaktanzen 1/2, 2/3 bis 11/12 erfolgt. Als zusätzliche Kopplungen sind die symmetrisch über die Schaltungsmitte übergreifenden Koppelrekatanzen 1/12, 4/9 und 5/8, sowie die symmefrisch zur Schaltungsmitte liegenden, jedoch nicht übergreifenden Koppelreaktanzen 1/4 und 9/12 eingeführt Die Realisierung eines solchen elementeunsymmetrischen Ersatzschaltbildes mittels einer symmetrischen Resonatoranordnung erfordert vier Zusatzkopplungen weniger als die bekannte Realisierung erilsprechend den F ί g. 1 und 2. Wegen der Unsymmetrie hinsichtlich der Elementewerte ergibt sich für den Bandpaß nach der Erfindung eine Abstimmung, bei der die Kopplungsbandbreiten Af\A und 4/9.12 voneinander abweichen.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 4 ist eine aus sechs Hohlraumresonatoren 1 bis 6 bestehende Filteranordnung dargestellt, deren physikalisches Ersatzschaltbild, wie nachstehend ausgeführt ist, dem Prinzip nach durch die Schaltung nach F i g. 3 gegeben ist. Die Resonatoren 1 bis 6 sind beim Ausführungsbeispiel wie in F i g. 2 auf zwei benachbarte Zeilen derart verteilt, daß die eine Zeile die Resonatoren 1 bis 3, die andere Zeile die Resonatoren 4 bis 6 enthält, und daß die in beiden Zeilen nebeneinander- bzw. übereinanderliegenden Resonatoren jeweils eine gemeinsame Trennwand haben.

Es handelt sich beim Ausführungsbeispiel um einen zwölfkreisigen Dual-Mode-Bandpaß mit vier zusätzlichen Oberkopplungen zur Erzielung von Dämpfungspolen bei endlichen Frequenzen und einer Laufzeitebnung im Durchlaßbereich unter Verwendung von Hioi-Resonatoren. Die Mittenfrequenz des Bandpasses liegt bei 4015 MHz, und die S^;gnalbandbreite Λ /beträgt 36 MHi Das Ausführungsbeispiel entspricht bis auf die entfallende Zusatzkopplung 1/12 einem Ersatzschaltbild nach der Fig. 3 (Δ ft a & Δ hu), bei dem sämtliche zusätzlichen Oberkopplungen induktiv und mit Ausnahme der kapazitiven Koppelreaktanzen 1/2 und 11/12 die weiteren in den Längszweigen liegenden Koppelreaktanzen 2/3 bis 10/11 ebenfalls induktiv ausgebildet sind.

Beim Ausführungsbeispiel sind die Koppelorgane zur Kopplung der im Dual-Mode betriebenen Resonatoren als Schlitzkopplungen ausgeführt und so angeordnet, daß die dem Resonator 1 des Riters über den Eingangsanschluß / zugeführte elektromagnetische Energie nacheinander die Resonatoren 1 bis 3 der ersten Zeile und 4 bis 6 der zweiten Zeile durchläuft und am Ausgang Odes Resonators 6 ausgekoppelt wird.

Im Ausführungsbeispiel sind in bekannter Weise jeweils zwei benachbarte Parallelschwingkreise des Ersatzschaltbildes nach F i g. 3 durch jeweils einen, im Dual-Mode mit zwei orthogonalen Moden betriebenen Resonator realisiert Die den einzelnen Moden zugeordneten F-Vektoren sind dementsprechend innerhalb eines Resonators ebenfalls orthogonal und in der Figur entsprechend den zugehörigen Parallelschwingkreisen 51 bis 512 mit £ 1 bis E12 bezeichnet

Jeder der Resonatoren ist zur Einstellung der Kopplung zwischen den in ihm betriebenen orthogonalen Moden mit einer zwischen den entsprechenden E-Vektoren im Winkel von 45" angeordneten Koppel· schraube Ki2, AT34, £56, K7B, K9\Q und ΑΓΠ12 Versehen. Durch diese Schrauben wird jeweils die Kopplung zwischen zwei benachbarten und in einem Resonator realisierten Parallelschwingkreisen der Ersatzschaltung realisiert.

Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Koppelorgane in den gemeinsamen Zwischenwänden der einzelnen Resonatoren als Schlitzkopplungen ausgebil-

det, die gegebenenfalls auch, wenigstens teilweise, durch Lochkopplungen ersetzt sein können, und es erfolgt dabei die Kopplung von Resonator 1 auf den Resonator 2 durch die Koppelschlitze CSX/4 imd CS2/3. wobei durch die Koppelschlitze CS t/4 die zusätzliche Kopplung 1/4 und durch die Koppelschlitze CS2/3 die im Längszweig liegende Koppelreaktanz 2/3 des Ersatzschaltbildes realisiert wird. Hierbei erfolgt die Kopplung stets zwischen jeweils zwei Moden, deren zugehörige f-Vektoren in benachbarten Resonatoren und zueinander parallel ausgerichtet sind, über senkrecht zu diesen Ε-Vektoren in der gemeinsamen Trennwand dieser Resonatoren angeordnete Koppelschlitze. Diese Überlegungen bezüglich der Anordnung der Koppelschlitze gelten auch für die folgenden Resonatoren 2 bis 6, mit den zugehörigen E-Vektoren £3 bis EtZ Dementsprechend befindet sich in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 2 und 3 der Koppelschlitze CS4/5, in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 3 und 4 die Koppelschlitze CS6/7 und CSS/%, in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 4 und 5 der Koppelschlitze CSS/9 und in der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 5 und 6 die Koppelschlitze CS9/12 und CS10/11. In der gemeinsamen Trennwand der Resonatoren 2 und 5 ist außerdem noch ein senkrecht zu den if-Vektoren E4 und E9 verlaufender Koppelschlitz CS4/9 angeordnet

Die Realisierung des zwölfkreisigen Dual-Mode-Filters entsprechend der Erfindung erfordert vier Zusatzkopplungen weniger als bei einer bekannten Realisierung entsprechend den Fig. 1 und 2 und bietet damit elektrische und insbesondere fertigungstechnisch erhebliche Vorteile.

F i g. 5 zeigt eine Meßkurve des Echodämpfungsver-Iaufes eines Ausführungsbeispiels nach F i g. 4. Wie aus

dieser Darstellung ersicMich ist liegt die gemessene

Echodämpfungskurve innerhalb eines Af = 443 MHz breiten Frequenzbereiches über einem Wert von 23 dB, was einem Reflexionsfaktor von < 7% entspricht

Der in der Fig.6 dargestellten Meßkurve für die Betriebsdämpfung im Sperrbereich sind die zwei deutlich ausgeprägten Pole jeweils unterhalb und oberhalb des Durchlaßbereiches entnehmbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten, im Dual-Mode betriebenen Resonatoren, deren in Richtung der zu übertragenden Energie jeweils erste und letzte Resonatoren mit Anschlußleitungen für die Zuführung bzw. Entnahme der elektromagnetischen Energie versehen sind und bei dem zwischen wenigstens zwei in Energieflußrichtung nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Fiiterkreisen eine zusätzliche Kopplung vorgesehen ist und die einzelnen Resonatoren in nebeneinanderliegenden Zeilen bezüglich der Schaltungsmitte mechanisch symmetrisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das der Realisierung zugrunde liegende Ersatzschaltbild hinsichtlich der elektrischen Elementewerte in bezug auf die Koppelelemente unsymmetrisch gewählt ist, derart, daß die Anzahl an zusätzlichen Kopplungen mit dsr theoretisch ermittelten minimalen Anzahl zusätzlicher Kopplungen für Dual-Mode-Filter übereinstimmt

2. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausführung als laufzeitgeebneter Bandpaß mit zwei Dämpfungspolen bei endlichen Frequenzen jeweils unterhalb und oberhalb des Durchlaßbereichs, bei dem die Resonatoren in zwei nebeneinanderliegenden, jeweils drei Resonatoren enthaltenden Zeilen angeordnet sind und bei dem fünf zusätzliche Kopplungen vorgesehen sind.

3. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausführung als laufzeitgeebneter Bandpaß mit zwei Dämpfungspolen bei end.xhen Frequenzen jeweils unterhalb und oberha'b les Durchlaßbereiches, bei dem die Resonatoren in 2wei nebeneinanderliegenden, jeweils drei Resonatoren enthaltenden Zeilen angeordnet sind und bei dem vier zusätzliche Kopplungen vorgesehen sind.