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Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen
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Die Erfindung betrifft ein Filter für sehr kurze elektromagnetische
Wellen mit mehreren miteinander gekoppelten, in Form einer Kammleitungs- oder Interdigitalstruktur
ausgebildeten Resonatoren, dessen in Richtung der zu übertragenden Energie jeweils
erste und letzte Resonatoren mit Anschlüssen für die Zuführung bzw. Abnahme der
elektromagnetischen Energie versehen sind und bei dem zur Erzeugung wenigstens eines
zusätzlichen Dämpfungspoles bei endlichen Frequenzen der erste und/oder letzte Resonator
mit jeweils einem weiteren Resonator gekoppelt ist.
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Filter der Mikrowellentechnik werden im allgemeinen aus mehreren,
miteinander gekoppelten Mikrowellenresonatoren aufgebaut, deren Kopplung kapazitiv,
induktiv oder elektromagnetisch erfolgen kann.
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In vielen Anwendungsfällen wird in einem Frequenzbereich oberhalb
von etwa 100 MHz bei solchen Filtern im Durchlaßbereich ein kleiner Reflexionsfaktor
und zugleich eine möglichst gute Phasenlinearität angestrebt. Weiterhin wird zur
Erzielung einer ausreichend hohen Schwingkreisgüte eine Realisierung solcher Filter
mittels Leitungselementen gefordert.
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Besondere Schwierigkeiten treten beispielsweise dann auf, wenn zur
Erzielung einer größeren Durchlaßbandbreite und damit einer günstigeren Phasencharakteristik
als bei unversteilerten Filtern
gleichen Schaltungsaufwandes in
der Dämpfungscharakteristik des Filters sogenannte Dämpfungspole, d.h. Unendlichkeitsstellen
der Dämpfung zu erzeugen sind. Eine Möglichkeit zur Lösung dieser Schwierigkeiten
ist beispielsweise durch die USA-PS 2 749 523 bekannt geworden, und besteht darin,
einander in der elektrischen Wirkungsweise nicht unmittelbar aufeinanderfolgende
Resonatoren zusätzlich miteinander zu verkoppeln. Diese Verkopplung kann über Leitungselemente
erfolgen, bei denen Jedoch zum einen auf die spezielle Bemessung der Länge geachtet
werden muß, und bei denen außerdem ein zusätzlicher Raumverbrauch deshalb auftritt,
weil diese Leitungen außerhalb der Filterresonatoren angeordnet sind.
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Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung von Bandpässen mit Dämpfungspolen
bei endlichen Frequenzen mittels Koaxial-Resonatoren mit zusätzlichen Uberkopplungen
ist aus dem in der Druckschrift "Frequenz 26 (1972) 1", erschienen Aufsatz "Realisierung
reflexionsfaktor- und laufzeitgeebneter versteilerter Mikrowellenbandpässe mit Uberbruckungen"
von G. Pfitzenmaier bekannt geworden. Obwohl die Länge der Innenleiter solcher in
diesem Aufsatz beschriebener Mikrowellenfilter wesentlich kleiner als /4 gewählt
werden kann, überschreitet die Bauhöhe dieser Filter jedoch im allgemeinen das durch
den Einsatz in üblichen Baugruppen geforderte Limit.
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Eine in dem Aufsatz "The Digital Elliptic Filter - A Compact Sharp-Cutoff
Design for Wide Bandstop or Bandpass Requirements" von M.C. Horton und R.J. Wenzel
(IDEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-15, Nr. 5, Mai 1967)
beschriebene Realisierungsmöglichkeit von Elliptic-Filtern ist nur auf Filter anwendbar,
deren Innenleiter mit einer Länge von ho/4 bemessen sind. Durch die bei einem solchen
Aufbau nötige Schæ Delung von Innenleitern wird jedoch die zweite Dimension eines
solchen Filters im allgemeinen unzulässig groß.
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Weiterhin ist es bekannt, daß Interdigitalfilter, die sich sowohl
durch einfachen Aufbau als auch durch hohe GUte auszeichnen, dann Dämpfungspole
unterhalb und/oder oberhalb des Durchlaßbereiches aufweisen, wenn an den ersten
und/oder letzten Innenleiter je ein weiterer Innenleiter angekoppelt ist. Solche
Filter sind beispielsweise durch den in der Zeitschrift "The Radio and Electronic
Engineer", Juli 1967, erschienen Aufsatz "The Practical Design of Interdigital and
Comb-Line Filters" von B.F.
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Nicholson beschrieben. Ein derartiger Aufbau ist weiterhin auch aus
dem Aufsatz "Design Equations for a Class of Wide-Band Bandpass Filters" von E.G.
Cristal (erschienen im Oktober 1972 in IEEE Transaction on Microwave Theory and
Techniques) entnehmbar.
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Zur Anpassung des Wellenwiderstandes von Kamm- und Interdigitalfilterstrukturen
an die Abschlußwiderstände eines Filters ist es ferner bekannt, die Auskoppelung
in platzsparenderweise am ersten und letzten Innenleiter vorzunehmen, wodurch am
Filterein- und -ausgang jeweils ein ansonsten notwendiger, der Widerstandstransformation
dienender Innenleiter entfallen kann. Hinweise hierfür finden sich beispielsweise
in dem Tabellenbuch Mikrowellenbandpässe von G. Pfitzenmaier, herausgegeben 1972
durch die Siemens AG, Berlin und München, sowie in dem in KIESE Transactions on
Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-23", Dez. 1975 veröffentlichten Aufsatz
"Tapped-Line Coupled Transmission Lines with Applications to Interdigital and Combline
Filters" von E.G. Cristal.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend erwähnten
Schwierigkeiten nach Möglichkeit abzuhelfen und für Mikrowellenfilter einen Aufbau
anzugeben, der sich unter Gewährleistung eines kleinen Reflexionsfaktors und einer
möglichst guten Phasenlinearität durch eine besonders geringe Bauhöhe auszeichnet.
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Ausgehend von einem Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen
mit mehreren miteinander gekoppelten, in Form einer Kammleitungs- oder Interdigitalstruktur
ausgebildeten Resonatoren, dessen in Richtung der zu übertragenden Energie jeweils
erste und
letzte Resonatoren mit Anschlüssen für die Zuführung bzw.
Abnahme der elektromagnetischen Energie versehen sind und bei dem zur Erzeugung
wenigstens eines zusätzlichen Dämpfungspoles bei endlichen Frequenzen der erste
und/oder letzte Resonator mit jeweils einem weiteren Resonator gekoppelt ist, wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß alle Resontoren in einer Reihe
derart angeordnet sind, daß ihre Innenleiter in einer gemeinsamen Ebene verlaufen,
und daß die Anschlüsse für die Zuführung bzw. Abnahme der elektromagnetischen Energie
galvanisch an die Innenleiter der ursprünglich ersten, bzw. letzten Resonatoren
angekoppelt sind.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Filteraufbaus besteht
in seiner durch die besonders geringe Bauhöhe erzielbaren Kompaktheit, die sich
auch durch die Möglichkeit der Verwendung von gegenüber Ao/4 verkürzten Innenleitern
ergibt. Dadurch ist das erfindungsgemäße Filter auch für den Einbau in besonders
flache Baugruppen geeignet.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung Fig. 1 eine Schnittbilddarstellung eines
gemäß der Erfindung aufgebauten achtkreisigen Interdigitalfilters Fig. 2 eine Darstellung
eines senkrecht zur Schnittbilddarstellung nach Fig. 1 gelegten Schnittes Fig. 3
eine Meßkurve der Dämpfungscharakteristik und des Reflexionsfaktors des Filters
nach den Fig. 1 und 2.
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Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist schematisch ein achtkreisiges,
durch jeweils einen Dämpfungspol unter- und oberhalb des Durchlaßbereiches versteilertes
Interdigitalfilter dargestellt,
dessen runde Innenleiter 1 bis 8
abwechselnd mit aufeinander gegenüberliegenden Gehäuseseiten verbunden und dadurch
jeweils einseitig geerdet sind. Die Fig. 1 zeigt einen durch die Mittelachsen der
Innenleiter 1 bis 8 der Resonatoren gelegten Schnitt. In dem rechteckigen Resonatorgehäuse,
das eine gemeinsame Filterbodenplatte 9 und mit dieser Bodenplatte fest verbundene
Stirn- und Seitenwände 10 aufweist, sind die Schwingkreise in Interdigitalbauweise
derart angeordnet, daß die Innenleiter 1 bis 8 der Resonatoren jeweils auf der einen
Seite elektrisch leitend mit einer Stirnseite des Gehäuses verbunden sind, während
sie auf ihrer anderen Seite als Zylinderkondensatoren enden. Das "ursprUngllche"
sechskreisige Interdigitalfilter ist durch Resonatoren realisiert, deren Innenleiter
2 bis 6 in einer Reihe derart angeordnet sind, daß ihre Mittelachsen in einer gemeinsamen
Ebene verlaufen. Die Anschlüsse 21 und 71 für die Zuführung bzw.
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Abnahme der elektromagnetischen Energie sind koaxial ausgebildet,
und ihre Innenleiter sind an die Innenleiter 2 bzw. 7 der ursprünglich ersten bzw.
letzten Resonatoren galvanisch angekoppelt und verlaufen hinsichtlich ihrer Mittelachse
senkrecht zu der durch die Mittelachsen der Resonatorinnenleiter 2 bis 7 gebildeten
gemeinsamen Ebene. Die Filteranschlüsse erfolgen also durch Anzapfen am zweiten
bzw. siebten Innenleiter. Die durch die Innenleiter 1 und 8 dargestellten zusätzlichen
Resonanzkreise dienen zur Erzeugung der Dämpfungspole bei endlichen Frequenzen.
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Es wird also durch die zusätzlich angekoppelten Innenleiter 1 und
8 die Struktur des ursprünglichen Interdigitalfilters über den Anfang und das Ende
des Filters hinaus fortgesetzt. Zur Erzielung einer geringen Bauhöhe sind auch die
Innenleiter 1 und 8 in einer Reihe neben den ursprünglichen Innenleitern 2 bis 7
angeordnet, derart, daß ihre Mittelachsen in der durch die Mittelachsen der Innenleiter
2 bis 7 gebildeten gemeinsamen Ebene verlaufen.
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Die Innenleiter 1 bis 8 können jeweils auf einer Seite durch eine
Schraubverbindung mittels einer Gegenschraube elektrisch leitend mit den Stirnseiten
des Filtergehäuses verbunden und dadurch gegebenenfalls achsial justierbar sein,
was in der Figur nicht
näher dargestellt ist. Auf der nicht geerdeten
Seite können die Innenleiter 1 bis 8 auch einen Abschnitt größeren Durchmessers
aufweisen, der durch eine entsprechende Bohrung in der Stirnseite des Filtergehäuses
aufgenommen ist, wodurch die Wirkung eines Zylinderkondensators entsteht. Dadurch
ist es möglich, die Länge der Innenleiter weiter zu reduzieren und beispielsweise
um den Faktor 2,84 kürzer als Ao/4 zu bemessen. Für die Abstimmung der Schwingkreise
auf eine beim Ausführungsbeispiel gewählte Mittenfrequenz von beispielsweise f =480
MHz sind die Zylinderkondensatoren wie vorstehend beschrieben veränderbar ausgeführt.
In der Fig. 1 sind die abstimmbaren Kondensatoren symbolisch dargestellt und tragen
die Bezugszeichen C1 bis C8.
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Wie aus der senkrecht zur Darstellung nach Fig. 1 gelegten Schnittdarstellung
der Fig. 2 zu ersehen ist, enthält das rechteckig ausgebildete Metallgehäuse eine
gemeinsame Filterbodenplatte 9 mit hochgezogenen Seitenwänden 10 bzw. Stirnwänden,
auf die eine der Filterbodenplatte gegenüberliegende Deckplatte 11 aufgesetzt ist.
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Das Metallgehäuse enthält in seinem Inneren die jeweils parallel zur
Filterbodenplatte 9 ausgerichteten Resonator-Innenleiter 1 bis 8, deren Mittelachsen
in einer gemeinsamen Ebene verlaufen.
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Die Filterdeckplatte 11 ist mit den koaxialen Anschlüssen 21 bzw.
71 versehen, deren Innenleiter mit den Innenleitern 2 und 7 der ursprünglich ersten
und letzten Resonanzkreise des Filters galvanisch verbunden sind und hinsichtlich
ihrer Mittelachse senkrecht zu der durch die Mittelachsen der Resonator-Innenleiter
1 bis 8 gebildeten gemeinsamen Ebene verlaufen. Wie ferner aus Fig. 2 ersichtlich
ist, zeichnet sich das Filter infolge seiner geometrischen Struktur durch eine besonders
geringe Bauhöhe mit dem Innenmaß h aus und ist wegen der gegenüber Ao/4 verkürzten
Innenleiter sehr kompakt und besonders für den Einbau in flache Baugruppen geeignet.
Dieser Vorteil ergibt sich unter anderem auch bei einer Realisierung des erfindungsgemäßen
Filters in Streifenleitungstechnik bzw. in Microstriptechnik.
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Fig. 2 zeigt eine Meßkurve der Betriebsdämpfung ab und des Reflexionsfaktors
r bei einem Filter gemäß den Fig. 1 und 2 in Abhängigkeit von der Frequenz. Wie
aus der Figur ersichtlich, ist für eine Mittenfrequenz von fo=480 MHz innerhalb
der Bandbreite von f-f, |# 115 MHz die Betriebsdämpfungabt 20 dB. Die Nutzbandbreite
#f für einen Reflexionsfaktor r von r' 9,' beträgt beim Ausführungsbeispiel 160
MHz. Innerhalb der im Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 560 t4Hz liegenden Nutzbandbreite
ist die Abweichung von der linearen Phase beim erfindungsgemäßen Filter deutlich
kleiner als bei einem bezüglich Sperrdämpfung und Reflexionsfaktor entsprechenden
achtkreisigen unversteilerten Interdigitalfilter.
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7 Patentansprüche 3 Figuren