DE2657649C2 - Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents
Filter für sehr kurze elektromagnetische WellenInfo
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- H01P1/207—Hollow waveguide filters
- H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
- H01P1/2082—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure with multimode resonators
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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 HJOi- 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 Energier'"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-Resonatoren, 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
fkii d
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 (3)
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.
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