DE2825432C2 - Quasioptisches Bandsperrfilter - Google Patents
Quasioptisches BandsperrfilterInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
- H01P1/213—Frequency-selective devices, e.g. filters combining or separating two or more different frequencies
- H01P1/2138—Frequency-selective devices, e.g. filters combining or separating two or more different frequencies using hollow waveguide filters
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Description
Die Erfindung betrifft ein Bandsperrfilter nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 4. Es handelt sich
dabei um ein Filter, bei dem optische Prinzipien benutzt werden und das in einem Diplexer oder Filter bei der
Millimeterwellen- und Submillimeterwellen-Übertragung verwendbar ist
Aus der DE-OS 21 08 687 ist eine Breitbandfrequenzweiche mit vier Hybridkopplern bekannt bei denen
einer so ausgebildet ist, daß er eine Phasenverzögerung herbeiführt Zu diesem Zweck sind die Reflektoren der
kurzgeschlossenen Nebenarme dieses Hybridkopplers mit dielektrischen Belägen versehen.
Bekanntlich kann eine Schaltung mit niedrigen Verlusten oder geringer Dämpfung erhalten werden,
indem man für elektromagnetische Wellen kurzer Wellenlängen optische Prinzipien anwendet, und diese
Methode ist bereits in Diplexern für die Millimeterwellenübertragung
verwendet worden, beispielsweise in einem Bandaufteilungsfilter vom Michelson-Typ, einem
Filter, bei dem dielektrische Scheiben zur Unterdrükkung der Streuung von Sendersignalen in Empfangswege
verv/endet werden. Diese Schaltungen besitzen jedoch den Nachteil, daß sie voluminös sind und einen
komplexen Aufbau haben. Das heißt, für den Zweck des Aufteilens von Frequenzbändern wird beim Bandaufteilungsfilter
ein Sperrfilter verwendet, das elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz oberhalb eines
vorbestimmten Wertes durchläßt, so daß ein sich verjüngender Hohlleiter mit einer Länge von immerhin
200 bis 500 mm für die Verbindung des Sperrfilters mit einem übergroßen Hohlleiter erforderlich ist. Dieser
herkömmliche Diplexer ist folglich sehr voluminös.
Ein Bandrückweisungsfilter (im folgenden Bandsperrfilter genannt) wird üblicherweise als Filter zur
Unterdrückung der Streuung von Sendersignalen in Empfangswege benutzt. Da jedoch im Stand der
Technik kein quasioptisches Bandsperrfilter erhältlich war, wurde statt dessen ein Tiefpaßfilter verwendet. Bei
einem Millimeterwellen-Übertragungssystem wird jedoch ein Tiefpaßfilter des Typs verwendet, bei dem
nicht das Frequenzband beispielsweise unterhalb 40 GHz benutzt wird, sondern bei dem das Frequenzband
unter 70 GHz als Durchlaßband verwendet wird. Als Folge davon wird das Durchlaßband unnötig breit
und gleichzeitig wird das Grenzverhalten der Frequenzkennlinie verschlechtert, so daß es erforderlich ist, die
Anzahl der das Tiefpaßfilter bildenden Hohlraumresonatoren zu erhöhen. Dies vergrößert unvermeidlich die
erforderliche Herstellungsgenauigkeit und die Kosten des Filters und macht das Filter voluminös.
Ferner ist ein Bandaufteilungsfilter vorgeschlagen worden, bei dem zwei 3-dB-Hybridkoppler und zwei
quasioptische Tiefpaßfilter mit den gleichen Eigenschaften verwendet werden. Da die Frequenzkennlinie dieses
Filters Wellen in den Durchlaßbändern aufweist und folglich das Grenzverhalten nicht so scharf ist, muß die
Anzahl der jedes Tiefpaßfilter bildenden Hohlraumresonatoren erhöht werden, was das Filter groß macht
und die erforderliche Herstellungsgenauigkeit und die Herstellungskosten erhöht.
Auch im Bereich der Radioastronomie und der Plasmadiagnose von Millimeterwellen- und Submillimeterwellenbändern
zu anderen Zwecken als der
Miliimeterwellenübertragung sind ein Diplexer und ein
Filter erforderlich. Die herkömmlichen Diplexer und Filter besitzen jedoch dieselben Mangel wie sie zuvor
erwähnt worden sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bandsperrfilter unter Benutzung optischer Prinzipien
verfügbar zu machen. Es soll einen relativ einfachen Aufbau und ein scharfes Grenzfrequenzverhalten
haben. Ferner soll es leicht herzustellen und zu justieren sein. Zudem soll es einen leichten Aufbau eines
Diplexsrs oder eines Filters zur Unterdrückung der
Streuung von Sendersignalen in Empfangswege ermöglichen.
Nebengeordnete Lösungen dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 bzw. 4 gekennzeichnet und in den
Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet
Erfindungsgemäß wird eines der Tore eines 3-dB-Hybridkopplers, der einen halbdurchlässigen Spiegel wie
eine dielektrische Platte oder ein Metallgitter aufweist und einfallende Wellen zur Hälfte durchläßt und zur
anderen Hälfte reflektiert, als Eingangstor verwendet, und ein erster und ein zweiter Resonator sind
elektromagnetisch mit den beiden Toren gekoppelt, denen die vom Eingangstor eintreffenden Wellen nach
ihrer Aufteilung durch den halbdurchlässigen Spiegel zugeführt werden. Der erste und der zweite Resonator
weisen je mehrere Kopplungsscheiben auf, die der Reihe nach in Richtung der Wellenlaufrichtung so
angeordnet sind, daß sie rechtwinklig zu dieser Richtung stehen, sowie einen ersten bzw. zweiten Reflektor, die je
gegenüber derjenigen äußersten Kupplungsscheibe angeordnet sind, weiche auf der dem Hybridkoppler
entgegengesetzten Seite vorhanden ist. Diese Kopplungsscheiben sind dielektrische Scheiben oder Metallgitter,
und der Abstand zwischen benachbarten Kopplungsscheiben ist zu einem ganzzahligen Vielfachen
etwa der halben Wellenlänge der Mittenfrequenz des gewünschten Sperrbandes gewählt, und jedes Paar
benachbarter Kopplungsscheiben bildet einen Hohlraumresonator. Die Anzahl der Kopplungsscheiben in
den beiden Resonatoren unterscheidet sich um eins, und folglich ist auch die Anzahl der Hchlraumresonatoren
um eins verschieden. Die Abstände zwischen dem Hybridkoppler und dem ersten bzw. zweiten Resonator
sind im wesentlichen gleich gewählt. Das restliche Tor des Hybridkopplers wird als Ausgangstor benutzt. Die
in das Eingangstor eintreffenden elektromagnetischen Wellen werden vom Hybridkoppler in zwei Wellen
unterteilt und dann auf den ersten bzw. zweiten Resonator gegeben. Die elektromagnetischen Wellen
werden von den Reflektoren der Resonatoren zurück zum Hybridkoppler reflektiert; da jedoch die Anzahl
der Hohlraumresonatoren dieser Resonatoren um eins verschieden ist, besitzen die Frequenzkomponenten der
reflektierten Wellen im Bereich der Resonanzfrequenz auf der Seite des Ausgangstores entgegengesetzte
Phase und kehren zum Eingangstor zurück. Die anderen Frequenzkomponenten werden am Ausgangstor gleichphasig
zueinander und werden von diesem ausgesendet. Somit erhält man ein Bandsperrverhalten. Sieht man
einen 3-dB-Hybridkoppler in einem überdimensionierten Hohlleiter vor, werden der erste und der zweite
Resonator beide mit übergroßen Hohlleitern der gleichen Größe gebildet, und diese Hohlleiter sind je mit
den Hohlleitern des Hybridkopplers mechanisch und elektromagnetisch gekoppelt. Bei einer Übertragung
mit einem Gaußschen Strahlenbündel ist der 3-dB-Hybridkoppler durch einen halbdurchlässigen Spiegel
alleine gebildet und jeder Resonator ist alleine mit Kopplungsscheiben und dem Reflektor aufgebaut
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Erläuterung des Standes der Technik und anhand von
erfindungsgemäßen Ausführungsformen näher erklärt In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine Perspektivansicht, teilweise aufgeschnitten,
eines quasioptischen Bandsperrfilters, das als aus dem Stand der Technik erhältlich betrachtet wird,
ίο Fig.2 eine Draufsicht auf einen herkömmlichen Diplexer, bei dem ein Sperrfilter verwendet wird,
ίο Fig.2 eine Draufsicht auf einen herkömmlichen Diplexer, bei dem ein Sperrfilter verwendet wird,
Fig.3 eine Perspektivansicht teilweise aufgeschnitten,
eines herkömmlichen quasioptischen verlustarmen Filters,
Fig.4 eine Darstellung des Frequenzverhaltens des
in F i g. 3 gezeigten quasioptischen verlustarmen Filters,
Fig.5 eine Darstellung von dessen Tiefpaß-Kennlinienteil,
F i g. 6 eine schematische Darstellung der Prinzipien eines herkömmlichen Diplexers, bei dem ein Tiefpaßfilter
verwendet wird,
F i g. 7 eine Perspektivansicht, teilweise aufgeschnitten, zur Erläuterung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen
quasioptischen Bandsperrfilters, das mit über-2"> großen Hohlleitern gebildet ist,
F i g. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen quasioptischen
Bandsperrfilters in F i g. 7,
F i g. 9 eine grafische Darstellung der Reflexionsphaseneigenschaften
der bei dem Beispiel in F i g. 7 benutzten Resonatoren,
Fig. 10 eine grafische Darstellung der Frequenz-Kennlinie des in F i g. 7 gezeigten Bandsperrfilters,
F i g. 11 eine Querschnittsansicht einer zu Testzwek-3)
ken hergestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bandsperrfilters,
Fig. 12 eine grafische Darstellung von gemessenen
und theoretischen Werten der Frequenzkennlinie des in Fig. 11 gezeigten Filters,
F i g. 13 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform, angewendet beim Betrieb mit einem Gaußschen Strahlenbündel, und
Fig. 14 ein Diagramm zur Erläuterung eines Diplexers,
der mit dem erfindungsgemäßen Bandsperrfilter 4') aufgebaut ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung folgt zunächst eine Beschreibung des Standes der
Technik. Wie bereits erwähnt worden ist, ist bisher ein quasioptisches Bandsperrfilter nicht verwendet worden.
ίο Nimmt man an, daß ein herkömmliches Bandsperrfilter,
für das Hohlleiter verwendet werden, auf quasioptische Schaltungen angewendet wird, werden übergroße
Hohlleiter, nämlich Hohlleiter 11 und 12, deren Durchmesser ausreichend größer als die Betriebswel-V)
lenlänge ist, an einem Ende mittels Modenwandlern 13 bzw. 14 in ihrem Durchmesser allmählich verringert und
dadurch in einen Grundschwingungswellenleiter umgewandelt. Ein Bandsperrfilter 15, das mit dem Grundschwingungshohlleiter
aufgebaut ist, ist zwischen die bo Modenwandler 13 und 14 gekoppelt, wie es F i g. 1 zeigt.
Das Bandsperrfilter 15 besitzt mehrere Resonatoren 17, die auf einer Seite seines Hohlleiters 16 in dessen
Längsrichtung angeordnet sind. Die Resonatoren 17 sind mit dem Hohlleiter 16 je über Kopplungslöcher 18
dt gekoppelt. Wenn diejenigen Frequenzkomponenten der
vom Wellenleiter 11 zugeführten elektromagnetischen Wellen V/, welche gleich der Resonanzfrequenz des
Resonators 17 sind, in den Hohlleiter 16 gelangt sind,
werden sie vom Hohlraumresonator 17 reflektiert und somit am Durchgang durch diesen gehindert. Die
restlichen Frequenzkomponenten werden jedoch vom Wellenleiter 12 als elektromagnetische Wellen V0
weitergegeben. Auf diese Weise ist ein Bandsperrfilter gebildet.
Bei einem Bandsperrfilter mit einem solchen Aufbau besitzen die Modenwandler 13 und 14 je eine Länge bis
zu einem Bereich von 60 bis 100 cm, so daß der Gesamtaufbau sehr voluminös wird. Zudem bringt das
den Grundschwingungshohlleiter 16 benutzende Filter 15 in den Millimeter- und Submillirneterwellenbändern
Probleme mit sich, da dessen kleine Abmessungen nur ungenaue Herstellungsbearbeitungen zulassen und mit
einer Frequenzerhöhung eine bemerkenswerte Erhöhung der Einfügungsdämpfung auftritt. Da ein solches
Filter mit diesen Problemen behaftet ist, ist es bisher nicht in praktische Verwendung genommen worden.
Folglich hat der Diplexer, den man bisher bei der Millimeterwellenübertragung zu Bandteilungszwecken
verwendet hat, den in F i g. 2 gezeigten Aufbau. Eine ausführliche Behandlung findet sich beispielsweise in
International Conference on Millimetric Waveguide Systems, 9. bis 12. November 1976, Convention Records,
Seiten 147 — 150, »Band Diplexing in Overmode Rectangular Waveguide Technique«, von U. Unrau et al.
Elektromagnetische Wellen Vj, die in ein Eingangstor 21
eines mit einem übergroßen Hohlleiter gebildeten ersten Hybridkopplers J9 eindringen, werden vom
Hybridkoppler 19 in zwei Teile unterteilt und an sich verjüngende Hohlleiter 23 und 24 übertragen, die mit
dem Hybridkoppler 19 verbunden sind. An die anderen Enden der sich verjüngenden Hohlleiter 23 und 24 sind
Grundschwingungssperrfilter 25 und 26 angeschlossen, die einen Durchgang von Frequenzen oberhalb /i
erlauben. Folglich werden Frequenzkomponenten unterhalb f\ in den elektromagnetischen Wellen, welche
die Sperrfilter 25 und 26 erreicht haben, reflektiert und vereint, und danach werden sie als elektromagnetische
Wellen VOi an einem Ausgangstor 27 abgegeben.
Andererseits werden die Frequenzkomponenten oberhalb /i, welche durch die Sperrfilter 25 und 26 hindurch
gelangt sind, durch konische Hohlleiter 28 und 29 in Übermoden umgewandelt, gelangen je durch einen
entsprechenden von übergroßen Hohlleitern 31 und 32 und werden dann von einem zweiten Hybridkoppler 33
vereint. Danach werden sie als elektromagnetische Wellen V02 an dessen Ausgangstor 34 abgegeben. Die
konischen Hohlleiter 23, 24, 28 und 29 und die überdimensionierten Hohlleiter 31 und 32 sind miteinander
als Ganzes in Form einer im wesentlichen quadratischen, einheitlichen Struktur aufgebaut
Da beim beschriebenen herkömmlichen Diplexer die konischen Hohlleiter 23, 24, 28 und 29 verwendet
werden, liegt die Länge /1 einer Seite des Gesamtaufbaus bis im Bereich von 200 bis 500 mm, was den Diplexer
unvermeidbar voluminös macht.
Ferner ist es übliche Praxis, als Filter zur Unterdrükkung
des Streuens von Sendersignalen in Empfangsstrecken ein Bandsperrfilter zu verwenden, das die
Frequenzkomponenten der Sendersignale sperrt Da jedoch bisher ein quasioptisches Bandsperrfilter nicht
verwirklicht worden ist, ist ein Tiefpaßfilter verwendet worden, wie es F i g. 3 zeigt Bei dem gezeigten
Tiefpaßfilter sind mehrere dielektrische Kopplungsscheiben 36 in einem überdimensionierten Hohlleiter 35
angeordnet, die senkrecht zu dessen Achse stehen und in dessen axialer Richtung hintereinander angeordnet
sind.
Dieses Tiefpaßfilter besitzt eine Frequenz-Kennlinie, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist, in der die Durchlaßbänder
des Filters ein Gleichstromkomponenten umfassendes Niederfrequenzband, ein Frequenzband entsprechend
dem Abstand zwischen benachbarten Kopplungsscheiben 36, der gleich '/2 der entsprechenden Wellenlänge
ist, und die Frequenzbänder, die ganzzahlige Vielfache des genannten Bandes sind, umfaßt Das heißt, jene der
Frequenzkomponenten der eindringenden elektromagnetischen Wellen Vi, die gleich der Resonanzfrequenz
des aus den Kopplungsscheiben 36 gebildeten Resonators sind, werden als elektromagnetische Ausgangswellen
Vo ausgesendet. In F i g. 4 bedeutet d den Abstand
der Kopplungsscheiben 36. Die Frequenzcharakteristik des Niederfrequenzkennlinienteils der obenerwähnten
Frequenzkennlinie ist im einzelnen in F i g. 5 dargestellt. Die die sperrende Reflexion darstellende Kurve 37 ist
eine Kennlinie mit Welligkeit im Durchlaßband. Die die Durchlaßeigenschaften zeigende Kurve 38 ist eine
Kennlinie, die in den Sperrbändern keine Wellen aufweist. Das Sperrverhalten im Durchlaß-Sperr-Übergang
des Filters mit einer solchen Kennlinie, die eine Welligkeit nur in den Durchlaßbändern aufweist, ist
nicht so scharf wie dasjenige eines Filters, das Welligkeit sowohl in den Durchlaß- als auch in den
Sperrbändern aufweist
Demgemäß gilt wie es beispielsweise in IEEE Transaction on Microwave Theory and Technique, Vol.
MTT-22, Nr. 12, Dezember 1974, Seiten 1202-1209, »A class of waveguide filter for over-moded applications«,
von Chung-Li Ren et al, beschrieben ist: wenn ein Tiefpaßfilter mit einem Durchlaßband unterhalb
75 GHz und einem Sperrband oberhalb dieser Frequenz verwendet wird und wenn die Störwellendämpfung zu
beispielsweise 35 dB gewählt ist muß die Anzahl der mit den Kopplungsscheiben gebildeten Resonatoren immerhin
22 sein, so daß das Filter groß wird und dessen Herstellung und Einstellung schwierig werden. Gemäß
4n F i g. 4 bildet dieses Filter ein Bandsperrfilter zwischen
benachbarten Durchlaßbändern. Da seine Frequenzkennlinie jedoch eine Welligkeit nur in den Durchlaßbändern
autweist, ist das Frequenzverhalten nicht so scharf, und zudem ist es schwierig, die Sperrbandbreite
schmaler zu machen. Aufgrund dieser Probleme wird dieses Filter nicht als Bandsperrfilter verwendet
Die Verwendung eines Tiefpaßfilters als herkömmlicher quasioptischer Diplexer ist vorgeschlagen worden
in dem Aufsatz »Periodic Band Multiplexer for TEoi-Telecommunication System« von_ U. Unrau,
erschienen in »Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik«, Januar 1971, Band 25, Nr. 1, Seiten 56-57.
Demgemäß werden, wie es F i g. 6 zeigt elektromagnetische Wellen V» die durch ein Eingangstor 21 eines mit
einem übergroßen Hohlleiter gebildeten ersten Hybridkopplers 19 eindringen, in zwei Wellen aufgeteilt, die je
in eines von Tiefpaßfiltern 39 und 41 eindringen, die gleiche Eigenschaften aufweisen und mit dem Hybridkoppler
19 verbunden sind Die Filter 39 und 41 sind
bo bezüglich ihres Aufbaus mit dem in Fig.3 gezeigten
Filter identisch. Die Frequenzkomponenten oberhalb deren Grenzfrequenz f\ werden von den Filtern 39 bzw.
41 reflektiert und als elektromagnetische Wellen Voi von einem Ausgangstor 27 des Hybridkopplers 19
ausgesendet Andererseits gelangen die Frequenzkomponenten
unterhalb der Grenzfrequenz f\, welche die Filter 39 bzw. 41 passiert haben, durch übergroße
Hohlleiter 31 und 32 und werden von einem zweiten
Hybridkoppler 33 vereint. Danach werden sie als elektromagnetische Wellen V02 von einem Ausgangstor
34 des zweiten Hybridkopplers 33 ausgesendet.
Der Diplexer kann kleiner gemacht werden als der in Fig. 1 gezeigte. Die Frequenz-Kennlinien der Filter 39
und 41 haben jedoch eine Welligkeit nur in den Durchlaßbändern, und folglich ist deren Frequenzverhalten
nicht so scharf. Um das Grenzfrequenzverhalten scharf zu machen, ist es erforderlich, die Anzahl der
Resonanzstufen eines jeden der Filter 39 und 41 zu erhöhen, was deren Herstellung und Justierung
schwierig macht und die Herstellungskosten erhöht.
F i g. 7 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen quasioptischen Bandsperrfilters, bei dem übergroße.
Hohlleiter verwendet werden. Zwei übergroße Hohlleiter 42 und 43 gleichen Aufbaus sind so miteinander
verbunden, daß sie sich unter rechten Winkeln kreuzen, und ein halbdurchlässiger Spiegel 44, wie eine
dielektrische Scheibe oder ein Metallgitter, ist im Schnittbereich der beiden Hohlleiter unter einem
Winkel von 45° gegenüber deren Achsen angeordnet, so daß ein 3-dB-Hybridkoppler 19 gebildet ist Der
3-dB-Hybridkoppler 19 selbst kann den gleichen Aufbau wie die bekannten Hybridkoppler haben. Ein Tor des
Hybridkopplers 19, im vorliegenden Beispiel ein Ende des Hohlleiters 43, wird als Eingangstor 21 verwendet.
Es sind Resonatoren 45 und 46 in zwei Toren vorgesehen, von denen elektromagnetische Wellen, die
durch das Eingangstor 21 eingedrungen sind, nach ihrer vom Hybridkoppler 19 bewirkten Aufteilung in zwei
Wellen ausgesendet werden, d. h. in den anderen Endteil des Hohlleiters 43 und in einen Endteil des Hohlleiters
42. Der Resonator 45 ist gebildet, indem mehrere Kopplungsscheiben 47, wie dielektrische Scheiben oder
Metallgitter, im Hohlleiter 43 unter einem rechten Winkel zu dessen Achse angeordnet sind und indem der
dem Eingangstor 21 gegenüberliegende Endteil des Hohlleiters 43 mit einem Reflektor 48 kurzgeschlossen
ist.
Gleichermaßen ist auch der Resonator 46 dadurch gebildet daß mehrere Kopplungsscheiben 49, wie
dielektrische Scheiben oder Metallgitter, im Hohlleiter 42 unter rechten Winkeln gegenüber dessen Achse
angeordnet sind und daß der dem Hybridkoppler 19 gegenüberliegende Endteil des Hohlleiters 42 mit einem
Reflektor 51 kurzgeschlossen ist Der Abstand zwischen benachbarten der Kopplungsscheiben 47 und 49 ist so
gewählt, daß er im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der Mittelfrequenz
des erwünschten Sperrbandes ist und je ein Paar benachbarter Kopplungsscheiben bildet eine Resonanzstufe.
Die Anzahl der Koppiungsscheiben im einen der Resonatoren 45 und 46 unterscheidet sich von
derjenigen im anderen um eins, und daher ist die Anzahl der Resonanzstufen ebenfalls um eins verschieden. Im
dargestellten Beispiel sind drei Kopplungsscheiben 37 im Resonator 45 und zwei Kopplungsscheiben 49 im
Resonator 46 vorgesehen. Der restliche Teil des Hybridkopplers 19, d. Il, das Ende des Hohlleiters 42 auf
der dem Resonator 46 gegenüberliegenden Seite, wird als Ausgangstor 27 verwendet Die Abstände vom
Hybridkoppler 19 zu den Resonatoren 45 und 46 sind so gewählt daß sie im wesentlichen einander gleich sind.
Die Resonatoren 45 und 46 selbst können den gleichen Aufbau wie der bisher bekannte Resonator haben.
Mit dem in F i g. 7 gezeigten Aufbau werden die am Eingangstor 21 eintretenden elektromagnetischen Wellen
Vi vom 3-dB-Hybridkoppler 19 in zwei Wellen aufgeteilt und dann zu den Resonatoren 45 und 46
geschickt, wie es schematisch in F i g. 8 dargestellt ist. Bezeichnet man die Phasen der elektromagnetischen
Wellen Vi und V* die von den Resonatoren 45 bzw. 46
zurück zum Hybridkoppler 19 reflektiert werden, mit Φι
und Φ2, ist die Phase einer zum Eingangstor 21 zuriickreflektierten elektromagnetischen Welle V3
gleich
während die Phase der vom Ausgangstor 27 ausgesendeten elektromagnetischen Welle Vo gleich
e ~]φχ + e 'J<"2
ist. Besitzen die von den beiden Resonatoren 45 und 46 reflektierten Wellen Vi und V2 die gleiche Phase, ist
deren Phase derart, daß
ist, und die einfallenden Wellen V, gelangen alle zum
Ausgangstor 27. Besitzen die reflektierten Wellen Vi und V2 entgegengesetzte Phase, werden die einfallenden
Wellen V,· alle reflektiert und am Ausgangstor 27 erscheint kein Ausgangssignal.
Die Resonatoren 45 und 46 arbeiten als Harmonischenresonator, und ihre Resonanz erscheint periodisch
auf der Frequenzachse. Die Reflexionsphasen Φ\ und Φ2
der Resonatoren 45 bzw. 46 ändern sich bei jedem Durchgang durch den Resonanzpunkt auf der Frequenzachse
um 2Mr (wobei Λ/die Anzahl der Resonanzstufen
ist). Da die Differenz in der Resonanzstufenanzahl zwischen den Resonatoren 45 und 46 eins ist ändert sich
die relative Phase Φι— Φζ der reflektierten Wellen Vi
und V2 bei jedem Durchgang durch den Resonanzpunkt oder zwischen zwei benachbarten Antiresonanzpunkten
(Parallelresonanzpunkten) auf der Frequenzachse um 2π. Da ferner die beiden Resonatoren 45 und 46 einen
gleichen Abstand vom Hybridkoppler 19 aufweisen, ist die relative Phase Φ1-Φ2 der reflektierten Wellen Vi
und V2 in der Nähe eines jeden Antiresonanzpunktes auf der Frequenzachse immer 0 oder ein ganzzahliges
Vielfaches von 2π, und die relative Phase Φι —Φ2 in
jedem Resonanzpunkt auf der Frequenzachse ist immer π oder ein ungeradzahliges Vielfaches von π, da die
Frequenzkennlinie der Reflexionsphasen periodisch und zu jedem Rescnanzpunki üngerad-symrneinsch ist. Das
heißt die elektromagnetische Welle der Frequenz in jedem Resonanzpunkt wird zur Eingangstorseite
zurückreflektiert und die elektromagnetische Welle der Frequenz in der Nachbarschaft eines jeden Antiresonanzpunktes
wird zur Ausgangstorseite durchgelassen. Besitzen die Resonatoren 45 und 46 beispielsweise drei
bzw. zwei Hohlraumresonatoren, wie im dargestellten
bo Beispiel, weist das Bandsperrfilter Reflexionsphasenkennlinien
auf, wie sie in F i g. 9 gezeigt sind. In F i g. 9 ist
die Frequenz auf der Abszisse und die Reflexionsphase auf der Ordinate aufgetragen. Die Kurve 52 zeigt die
Reflexionsphasenkennlinie des Resonators 45, und die Phase Φι ist Απ bei einer Resonanzfrequenz erster
Ordnung fr\ und π und Ί'π bei Antiresonanzfrequenzen
erster bzw. zweiter Ordnung /·, 1 bzw. U2. Das heißt, die
Phase Φι ändert sich zwischen den Antiresonanzfre-
quenzen /ä ι und fa 2 um 2 χ 3π = 6ττ. Die Kurve 53 zeigt
die Reflexionsphasenkennlinie des Resonators 46, und die Phase Φ7 ist 3π bei der Resonanzfrequenz erster
Ordnung f,\ und π und 5π bei Antiresonanzfrequenzen
erster bzw. zweiter Ordnung fa\ bzw. fai- Das heißt, die
Phase Φ2 ändert sich zwischen den Antiresonanzfrequenzen
fa 1 und fa 2 um 2 χ 2π=Απ.
Die relative Phase der beiden reflektierten Wellen Vi
und Vi der Resonatoren 45 und 46 ist derart, wie sie
durch die Kurve 54 dargestellt ist, und sie ist π bei der
Resonanzfrequenz erster Ordnung fr\ und 0 und 2π bei
den Antiresonanzfrequenzen erster bzw. zweiter Ordnung /ai bzw. /j,2· Zentriert man das Band um die
Frequenz fr\, erhält man somit ein Sperrband, da dessen
Frequenzkomponenten nicht am Ausgangstor erscheinen. Zentriert man die Bänder um die Frequenzen fa 1
bzw. /,2, erhält man Paßbänder, deren Frequenzkomponenten
am Ausgangstor erscheinen.
Es wurde logisch gefunden, daß die effektive Anzahl Hohlraumresonatoren dieses Bandsperrfilters gleich
der Summe der Anzahl Hohlraumresonatoren der beiden Resonatoren 45 und 46 ist. Demgemäß stellt das
dargestellte Beispiel die Charakteristik eines elliptischen Filters der Ordnung 2 + 3 = 5 dar. Dieses
Bandsperrfilter weist Reflexions- und Durchlaßeigenschaften auf, wie sie beispielsweise durch Kurven 55
bzw. 56 in Fig. 10 dargestellt sind, in welcher die Frequenz auf der Abszisse und die Verluste bzw. die
Dämpfung auf der Ordinate aufgetragen sind, und beide Kennlinien besitzen eine Welligkeit in den Durchlaßbzw.
Sperrbändern. Das heißt, das Bandsperrfilter zeigt eine Welligkeit sowohl im Durchlaß- als auch im
Sperrband des Frequenzganges und weist steile Flanken auf. Fig. 10 entspricht Fig.5 und zeigt, durch logische
Berechnungen, daß die Frequenzkennlinie erhalten wird bei der Verwendung der Resonatoren 45 und 46 mit drei
und vier Hohlraumresonatoren, die insgesamt sieben Hohlraumresonatoren ergeben, für den Fall, daß die
Störwellendämpfung 35 dB ist und der Abstand zwischen der Reflexionskennlinie 55 und der Durchlaßkennlinie
56 bei — 35 dB, d. h, das sogenannte Schutzband Δ Fist gleich dem in F i g. 5.
F i g. 11 zeigt ein spezielles Arbeitsbeispiel des Bandsperrfilters bei 100 GHz. In diesem Beispiel
besitzen die Hohlleiter 42 und 43 beide einen Innendurchmesser R\ von 28 mm, und deren Längen h
und h sind 115 mm bzw. 135 mm. Der Abstand d\
zwischen benachbarten Kopplungsscheiben ist etwa 18 mm, und ein den Hybridkoppler 19 bildender
halbdurchlässiger Spiegel 44 ist aus Quarzglas hergestellt Der Resonator 45 umfaßt als Kopplungsscheiben
eine Polyestersoheibe 47a, eine Aluminiumoxidscheibe
476 und eine Quarzglasscheibe 47c; die in dieser Reihenfolge von der Seite des Hybridkopplers 19 aus
angeordnet sind. Der Resonator 46 umfaßt als Kopplungsscheiben eine Fluorharzscheibe 49a und eine
Quarzglasscheibe 49ft, die in dieser Reihenfolge von der Seite des Hybridkopplers 19 aus angeordnet sind. Die
Frequenzkennlinie dieses versuchshalber aufgebauten Filters ist in F i g. 12 gezeigt, in der die Frequenz auf der
Abszisse und die Dämpfung auf der Ordinate aufgetragen ist Die Kurve 57 zeigt Meßwerte der Reflexionskennlinie, und die Kurve 58 zeigt deren theoretische
Werte. Die Kurve 59 zeigt Meßwerte der Durchlaßkennlinie, und Kurve 61 zeigt deren theoretische Werte.
Die Meßwerte und die theoretischen Werte stimmen gut miteinander fiberein, was zeigt, daß das erfindungsgemäße
Filter die gewünschten Eigenschaften aufweist Bei diesem Versuch betrug die Einfügungsdämpfung
etwa 1,5 dB. Man kann jedoch theoretisch erwarten, daß sich die Einfügungsdämpfung auf 0,2 dB oder einen
ähnlichen Wert reduzieren läßt, wenn man übergroße TEio-Rechteckhohlleiter als Hohlleiter 42 und 43
verwendet, selbst für den Fall eines Filters mit den erwähnten Abmessungen.
Wenn auch die vorliegende Erfindung anhand einer Schaltung mit übergroßen Hohlleitern beschrieben
worden ist, kann sie auch auf eine Schaltung angewendet werden, die ein Gaußsches Strahlenbündel
benutzt Ein Beispiel dieser Anwendung ist in Fig. 13 dargestellt, in der Teile, weiche jenen in F i g. 7
entsprechen, .nit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. In diesem Fall sind die übergroßen
Hohlleiter 42 und 43 in F i g. 7 entfernt, und es werden lediglich deren Innenelemente benutzt. Da diese
Schaltung genauso arbeitet wie die zuvor beschriebene, wird keine Beschreibung vorgenommen. Im Fall des
Strahlenbündelbetriebes ist die Einfügungsdämpfung sehr niedrig.
In einem Diplexer, bei dem die quasioptischen Bandsperrfilter der vorliegenden Erfindung benutzt
werden, werden von einem Eingangstor 21 eines ersten Hybridkopplers 19 einfallende elektromagnetische
Wellen in zwei Wellen aufgeteilt und an quasioptische Bandsperrfilter 62 und 63 geliefert, welche das gleiche
erfindungsgemäße Verhalten aufweisen, wie es beispielsweise F i g. 14 zeigt. Die Frequenzkomponenten in
den Sperrbändern dieser Filter 62 und 63 werden von diesen zum Hybridkoppler 19 zurückreflektiert, miteinander
vereint und als elektromagnetische Welle V01 vom Ausgangstor 27 ausgesendet Andererseits werden die
elektromagnetischen Wellen, welche durch die Filter 62 bzw. 63 gelangt sind, vereint und dann als elektromagnetische
Welle V02 von einem Ausgangstor 34 ausgesendet.
Wie im vorausgehenden beschrieben worden ist, ist es mit der Erfindung möglich, ein bisher nicht realisierbares
Bandsperrfilter als eine optische Prinzipien benut-
zende Schaltung zu erhalten. Zudem besitzt seine Frequenzkennlinie eine Welligkeit in den Durchlaß- und
den Sperrbändern, so daß das Übergangs- oder Grenzfrequenzverhalten scharf ist. Wenn bei der
Übertragung im MiUimeterbereich ein Filter zur Unterdrückung von Streuung von Sendersignalen in die
Empfangswege unter Verwendung eines solchen scharfen Grenzfrequenzverhaltens erzeugt wird, kann eine
gegenseitige Störung von Sende- und Empfangsfrequenzen selbst dann auf einen ausreichend niedrigen
so Wert unterdrückt werden, wenn diese Sende- und Empfangsfrequenzen relativ dicht beieinander liegen.
Wenn in jinem solchen Fall ein herkömmliches Tiefpaßfilter verwendet wird, beträgt die Anzahl der
erforderlichen Hohlraumresonatoren immerhin 22, wie
es zuvor im Zusammenhang mit Fig.5 beschrieben worden ist Wenn jedoch das erfindungsgemäße Filter
verwendet wird, kann ein Filter mit den gleichen Eigenschaften wie den obigen mit sieben Hohlraumresonatoren
erhalten werden. Folglich ist die Anzahl der
μ Hohlraumresonatoren klein und in zwei Resonatoren 45
bzw. 46 gebildet so daß die Herstellung und Justierung sehr leicht sind.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Filters für einen Diplexer kann die Anzahl der Hohlraumreso-
natoren in den Resonatoren etwa halb so groß wie die
Anzahl der Hohlraumresonatoren sein, die bei einem Diplexer mit herkömmlichen Filtern (Fig.6) benötigt
wird, wie es in Fig. 14 gezeigt ist Ferner sind die
Resonatoren 45 und 46 nicht im Mittelteil der Schaltung,
sondern an Endteilen von dieser angeordnet, so daß das Frequenzverhalten und die Symmetrie zwischen diesen
beiden Filtern 62 und 63 sehr leicht einzustellen sind. Das in F i g. 1 gezeigte Filter leidet an großen
Leitungsverlusten aufgrund des Skineffektes, hervorgerufen durch die Verwendung des Grundschwingungshohlleiters.
Das erfindungsgemäße Filter ist jedoch nahezu frei von solchen Leitungsverlusten, und zwar
aufgrund der Verwendung der übergroßen Hohlleiter ι ο oder des Strahlenbündelmodus. Überdies werden
erfindungsgemäß dielektrische Scheiben oder Metallgitter verwendet, deren Verluste jedoch klein sind, so daß
die Einfügungsdämpfung des Filters niedrig ist.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Filter besitzt der Resonator 17 bei 100 GHz Abmessungen von nur etwa
1 bis 2 mm, und für dessen Herstellungsbearbeitung ist eine Genauigkeit bis auf einige μιη erforderlich, so daß
dessen Herstellung schwierig ist und es nahezu unmöglich ist, den Kopplungsgrad und den Abstand der
Hohlraumresonatoren einzustellen. Beim erfindungsgemäßen Filter, bei dem quasioptische Prinzipien benutzt
werden, ist jedoch ein Übermodenbetrieb möglich. Die Flächen der Kopplungsscheiben können nämlich willkürlich
erhöht werden, und der Kopplungsgrad steht in Beziehung zur Dicke und zum Material der Kopplungsscheibe, und es ist möglich, ein Material zu verwenden,
das eine leicht zu bearbeitende Dicke haben kann, und der Kopplungsgrad kann mit der Dicke der Kopplungsscheibe frei geändert werden. Ferner kann der Abstand
leicht eingestellt werden.
Da bei dem in F i g. 1 gezeigten Filter der Kopplungsgrad der Kopplungslocher 18 nicht groB
gemacht werden kann, erhöht sich der <?-Wert des
Resonators 17, so daß das Sperrband auf etwa 1 % seiner
Mittenfrequenz verringert wird. Beim erfindungsgemäßen Filter jedoch kann der Kopplungsgrad oder der
Übertragungsfaktor der Kopplungsscheibe maximal 100% gemacht werden, und die Sperrbandbreite kann
auch auf 100% seiner Mittenfrequenz ausgedehnt werden.
Da bei der vorliegenden Erfindung weder ein konischer Hohlleiter wie bei dem Diplexer nach F i g. 2
verwendet wird noch im Fall des Strahlenbündelbetriebs ein Modenanreger erforderlich ist, kann ein
Diplexer klein gemacht werden.
Das Grenzverhalten des Filters kann durch eine geeignete Auswahl des Kopplungsgrades einer jeden
Kopplungsscheibe scharf gemacht werden. Ferner kann das Grenzverhalten als ganzes scharf gemacht werden,
indem die Anzahl der Hohlraumresonatoren wie beim Stand der Technik vergrößert wird. Die Anzahl der
Hohlraumresonatoren in einem der beiden Resonatoren kann auch auf eins reduziert werden. Auch ist es
möglich, daß der Unterschied zwischen den Abständen vom Hybridkoppler bis zu den beiden Resonatoren als
ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge der Mittenfrequenz des Sperrbandes gewählt wird.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Quasioptisches Bandspeicher, gebildet aus
einem vierarmigen 3-dB-Hybrid-Koppler, dessen
eines Tor als Eingangstor dient, an dessen zweitem und drittem Tor je ein auf die Mittenfrequenz des
Sperrbandes abgestimmter Resonator angeschlossen ist und dessen viertes Tor als Ausgangstor dient,
wobei die beiden Resonatoren aus je einem am Ende kurzgeschlossenen Hohlleiterstück bestehen, in dem
zwischen der Kopplungsstelle und der Kurzschlußstelle mehrere Resonanzhohlräume bei der Mittenfrequenz
gebildet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Resonanzhohlräume durch Kopplungsscheiben (47, 49) gebildet sind, deren
Abstand voneinander ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge bei der Mittenfrequenz
beträgt, und daß die Anzahl der in den beiden Resonatoren (45, 46) vorhandenen Resonanzhohlräume
sich um 1 unterscheidet
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der 3-dB-Hybridkoppler an der Schnittstelle
übergroßer Hohlleiter gebildet ist, die so gekoppelt sind, daß sie sich unter rechten Winkeln schneiden,
daß die Kopplungsscheiben in jedem dieser Hohlleiter auf einer Seite des Hybridkopplers eingesetzt
und gehalten sind, und daß die Endflächen der Hohlleiter auf den Seiten, auf denen die Kopplungsscheiben
eingefügt sind, mit einem ersten bzw. zweiten Reflektor kurzgeschlossen sind.
3. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hybridkoppler
(19) durch einen halbdurchlässigen Spiegel (44) gebildet ist, der eine Hälfte der einfallenden Wellen
reflektiert und die andere Hälfte passieren läßt
4. Quasioptisches Bandsperrfilter, gebildet aus einem vierarmigen 3-dB-Hybrid-Koppler, in dessen
Eingangsarm für einfallende elektromagnetische Wellen Gaußscher Feldverteilung ein Halbspiegel
angeordnet ist, in dessen zweitem Arm sich die durch den Halbspiegel hindurchgelaufenen elektromagnetischen
Wellen ausbreiten, in dessen drittem Arm sich die von dem Halbspiegel reflektierten elektromagnetischen
Wellen ausbreiten und dessen Ausgangsarm dem dritten Arm in dessen Verlängerung in bezug auf den Halbspiegel gegenüberliegt, wobei
sich alle Arme im wesentlichen in derselben Ebene befinden und im zweiten und dritten Arm je ein auf
die Mittenfrequenz eines Sperrbandes abgestimmter Resonator angeordnet sind und angrenzend an
jeden Resonator auf der dem Halbspiegel entgegengesetzten Seite eine Kurzschlußplatte vorgesehen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonator eine Vielzahl von Kopplungsscheiben (47, 49)
aufweist, deren Abstand voneinander ein ganzzahliges Vielfaches de- halben Wellenlänge bei der
Mittenfrequenz des Sperrbandes beträgt und die annähernd rechtwinklig im ersten bzw. zweiten Arm eo
angeordnet sind, und daß die Anzahl der in beiden Resonatoren (45, 46) vorhandenen Kopplungsscheiben
sich um eins unterscheidet.
5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsschei- b5
ben dielektrische Scheiben sind.
6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen
dem Hybridkoppler und dem ersten bzw. zweiten Resonator annähernd gleich groß gewählt sind
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