DE9017913U1

DE9017913U1 - Frequenzweiche

Info

Publication number: DE9017913U1
Application number: DE9017913U
Authority: DE
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1990-08-02
Filing date: 1990-08-02
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2000-08-03
Also published as: DE4024480A1

Description

ANT Nachrichtentechnik GmbH BK 89/192

Beschreibung

Frequenzweiche

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Frequenzweiche, bestehend aus wenigstens zwei eingangsseitig parallel geschalteten Filtern, welche beide über eine Leitungsverzweigung an eine gemeinsame Leitung- angekoppelt sind, wobei die Leitungsverzweigung mit einer als Induktivität wirkenden kurzgeschlossenen Stichleitung beschaltet ist, die so bemessen ist, daß die Filter gleichgroße Durchlaßdämpfungen aufweisen.

Eine Frequenzweiche, bei der wenigstens zwei Filter über eine Leitungsverzweigung an eine gemeinsame Leitung angekoppelt sind, ist aus dem Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, H. Meinke und F.W. Gundlach, dritte Auflage, 1968, Seite 478 480, bekannt. Die Filter bestehen jeweils aus einem oder mehreren Koaxial- oder Hohlraumresonatoren. In der DE 30 28 925 ist eine Frequenzweiche offenbart, deren Filter räumlich unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, sodaß die Länge der Verzweigungsleitung sehr kurz gehalten werden kann.

Wie weiter unten noch gezeigt wird, besitzen derartige Frequenzweichen den Nachteil, daß die Filterzweige unterschiedliche Durchlaßdämpfungen aufweisen und zwar insbesondere dann, wenn die Zweige auf eng benachbarte Frequenzen abgestimmt sind.

ANT Nachrichtentechnik GrcbH - BK 89/192

Um für alle Filterzweige einer Frequenzweiche gleiche Durchlaßdämpfungen zu erreichen, ist in Patens Abstracts of Japan, E-163, March 10, 1983 VoI 7./No. 58 Kokai-Nr. 57-204603, EP 0 356 572 Al und GB 21 88 789 Al offenbart, die an die einzelnen Filterzweige angekoppelte Leitungsverzweigung mit einer Induktivität zu beschälten. Gemäß EP 0 356 572 Al ist diese Induktivität durch eine kurzgeschlossene Streifenleitung realisiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzweiche der eingangs genannten Art anzugeben, bei der mit wenig aufwendigen Mitteln für alle Filterzweige möglichst die gleiche Durchlaßdämpfung erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.

Eine nach der Erfindung ausgeführte Frequenzweiche hat den Vorteil, daß sie über ein breites Frequenzband durchgestimmt werden kann und dabei die Durchlaßdämpfungen in den einzelnen Filterzweigen nahezu gleich bleiben.

Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird nun die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur la, Ib zwei Ortskurven des Eingangsreflexionsfaktors zweier Filter mit kapazitiver Kopplung und unterschiedlicher Bandbreite,

Figur 2a, 2b zwei Leitungsverzweigungen, über die zwei Filter an eine gemeinsame Leitung angekoppelt sind,

Figur 3 ein Ersatzsschaltbild eines Filters mit Berücksichtigung der Zuleitung,

Figur 4 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors

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Figur 4 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors dieses Filters,

Figur 5 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors einer herkömmlichen Frequenzweiche,

Figur 6 das Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäß beschalteten Filters,

Figur 7 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors dieses Filters,

Figur 8 eine gemäß der Erfindung beschaltete Frequenzweiche,

Figur 9 die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors der Frequenzweiche,

Figur 10a,10b, drei Ausführungsformen einer an die Leitungs-10c verzweigung der Frequenzweiche angeschlossenen Induktivität und

Figur 11 die Ortskurven der Eingangsreflexionsfaktoren zweier auf die Grenzen des Durchstimmbereichs abgestimmter Filter.

Übliche Bandpaßfilter mit kapazitiver Signaleinkopplung haben einen Eingangsreflexionsfaktor, der einen in Figur la oder Ib dargestellten Verlauf haben kann. Diese Ortskurven beziehen sich der Einfachheit halber auf ein Filter mit einem Resonanzkreis. Die im folgenden gemachten Aussagen gelten jedoch in gleicher Weise auch für Filter mit mehreren Resonanzkreisen.

Von besonderem Interesse ist das Verhalten des Eingangsreflexionsfaktors S₁₁ des Filters bei

Frequenzabständen

|Af| = (f - f_o| (f_o ist die Mittenfrequenz des Filters), die vergleichsweise groß sind im Bezug auf die Bandbreite des Filters. Die beiden Enden der Ortskurven in den Figuren la und Ib nähern sich einem Grenzwert, der unter einem Winkel

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vom Leerlaufpunkt (das ist der Punkt S₁₁ = +1) entfernt ist und mehr oder weniger deutlich im kapazitiven Bereich liegt. Ein Maß für die Verlagerung der Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors S₁₁ in den kapazitiven Bereich ist vor allem die relative Bandbreite des Filters. Dies zeigt ein Vergleich der Ortskurven in den Figuren la und Ib, wobei das Filter mit der Ortskurve gemäß Figur la eine relative Bandbreite von weniger als 1 %. und das Filter mit der Ortskurve gemäß Figur Ib eine relative Bandbreite von ungefähr 3 % hat.

Die Figuren 2a und 2b zeigen zwei Ausführungsbeispiele für die Ankopplung einer Leitung LTl (z.B. einer TEM-Leitung vom Koaxial- oder Streifenleitungstyp) an zwei parallel geschaltete Filter Fl und F2. Wenn die Frequenzweichen mehr als zwei Filterzweige haben soll, ist die Leitungsverzweigung LV entsprechend zu erweitern. Gemäß Figur 2a ist die Leitungsverzweigung LV in der Trennwand T zwischen den beiden Filtern Fl und F2 angeordnet, wobei ihre Enden in diese z.B. als Hohlraumresonatoren ausgeführten Filter Fl und F2 hineinragen und dort eine kapazitive Ankopplung bewirken. Beim in Figur 2b dargestellten Ausführungsbeispiel ragen die Enden der Leitungsverzweigung LV durch Stirnseiten in die Filter Fl und F2 hinein und bewirken dort eine kapazitive Ankopplung.

Die Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Filters, das gemäß der Figur 2a oder 2b über eine Leitungsverzweigung LV an die Leitung LTl angekoppelt ist. Es ist hier ein Filter mit nur einem einzigen Resonanzkreis L₁, C₁ dargestellt. Die nachfolgend dargelegten Erkenntnisse lassen sich aber ohne weiteres auf mehrkreisige Filter übertragen. Die kapazitive Ankopplung des Filters an die Leitung LTl ist in der Figur 4 durch die Kapazität Cq₁ angedeutet. Das am Eingang des

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Filters befindliche Leitungsstück der Länge l_v und mit dem Wellenwiderstand Z_v gibt die Wirkung des Leitungsstücks der Leitungsverzweiung LV wieder, das sich vom Verzweigungspunkt S aus bis zum Filter und in dieses hinein erstreckt. Der auf den Verzweigungspunkt S bezogene Eingangsreflexionsfaktor S₁₁ des einzelnen Filters weist die in der Figur 4 dargestellte Ortskurve auf. Diese Ortskurve liegt aufgrund der Leitung mit der Länge l_v und dem Wellenwiderstand Z_v noch mehr im kapazitiven Bereich

(z.B. bei y« -40°) als der Eingangsreflexionsfaktor eines Filters ohne die Eingangsleitung (vergleiche Figuren la, Ib).

Um eine Frequenzweiche zu bilden, müssen die beiden parallel geschalteten Filter Fl und F2 auf zwei voneinander verschiedene Frequenzen f-^ und f₂ abgestimmt sein. Werden die beiden Filter zu einer Weiche zusammengeschaltet, so zeigt der Eingangsreflexionsfaktor der gesamten Frequenzweiche eine Ortskurve wie sie aus der Figur 5 hervorgeht. Hierbei fällt auf, daß insbesonders dann, wenn die Frequenzen f·^ und f₂ eng benachbart sind, das Filter Fl, das auf die Mittenfrequenz f₁ abgestimmt ist, trotz gleicher Resonatorgüte, eine größere Durchlaßdämpfung besitzt als das Filter F2, das auf die Mittenfrequenz f₂ abgestimmt ist. Der Grund für dieses Verhalten ist folgender:

Da die Mittenfrequenz f-^ des Filters Fl kleiner ist als die Mittenfrequenz f₂ des Filters F2, befindet sich, wie aus Figur 4 zu entnehmen ist, die Mittenfrequenz f-^ des Filters Fl auf dem stark kapazitiven Ast der Ortskurve des Filters F2. Das hat zur Folge, daß die Bandbreite des Filters Fl erheblich reduziert wird, und daraus resultiert der Anstieg der Durchlaßdämpfung des Filters Fl. Die Durchlaßdämpfung des Filters Fl ließe sich verringern, wenn man die kapazitive Ankopplung C₀₁ zu diesem Filter Fl hin verstärken würde. Diese Maßnahme verbietet sich jedoch, wenn die Frequenzweiche

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durchstimmbar sein soll, also der Frequenzabstand f₂ - f^ variabel sein soll und unter Umständen die Filter Fl und F2 ihre Rolle tauschen sollen.

Folgende Maßnahme gewährleistet für beide Filter Fl und F2 bei den Mittenfrequenzen f± und f₂ gleiche Durchlaßdämpfungen und läßt eine Durchstimmung der Filter in einem breiten Frequenzbereich zu. Wie dem Ersatzschaltbild in Figur 6 zu entnehmen ist, besteht diese Maßnahme darin, daß an dem Verzweigungspunkt S eine Induktivität L^ angeschaltet wird. Bei geeigneter Dimensionierung dieser Induktivität L^ ergibt sich eine Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors S₁₁ dieses Teilfilters gemäß der Figur 7, die eine fast perfekte Symmetrie bezüglich der reellen Achse aufweist, d.h. der Winkel &psgr; ist nahezu Null.

Werden zwei in dieser Weise mit einer Induktivität L^ beschaltete Filter Fl und F2 zu einer Frequenzweiche zusammengeschaltet, so können die beiden Induktivitäten L^ durch eine einzige Induktivität L'^ ersetzt werden. Bei einer Frequenzweiche mit zwei parallel geschalteten Filtern gilt für die gemeinsame Induktivität L'_k = L_k /₂.

Die Figur 8 zeigt eine Frequenzweiche, bestehend aus dem Filter Fl mit dem Resonanzkreis L₁, C₁ und der Koppelkapazität C₀₁ dem Filter F2 mit dem Resonanzkreis L₂, C₂ und der Koppelkapazität C₀₂ und der gemeinsamen an den Verzweigungspunkt S angeschalteten Induktiviät L'_k>

Die Orstkurve des Eingangsreflexionsfaktors der vorangehend beschriebenen Frequenzweiche zeigt die Figur 9. Sie liegt symmetrisch zur reellen Achse, und deshalb besitzen die beiden Filter Fl und F2 bei ihren jeweiligen Mittenfrequenzen f₁ und f₂ gleiche Durchlaßdämpfungen.

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Die an den Verzweigungspunkt S angeschaltete Induktivität L'^ kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Die Induktivität L'_k kann, wie der Figur 10a zu entnehmen ist, in Form einer quasi konzentrierten Spule SP realisiert sein. Diese Ausführung ist vorzugsweise für tiefere Frequenzen geeignet. Für höhere Frequenzen (d.h. oberhalb von einigen 100 MHz) empfiehlt es sich, eine kurzgeschlossene Stichleitung LT2 zu verwenden, die vom Verzweigungspunkt S ausgeht (vergleiche Figur 10b).

Die Figur 10c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in Verbindung mit einer Einkopplung gemäß Figur 2b zu verstehen ist. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter LTl der als Koaxialleitung ausgeführten gemeinsamen Leitung LTl über den Verzweigungspunkt S hinaus weitergeführt und nach einer zur Realisierung der gewünschten Induktivität L'_k erforderlichen Länge kurzgeschlossen ist. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders einfache Lösung für die Realisierung der Kompensationsinduktivität L'_k.

Die Leitung LTl und auch die Induktivität L'^ können bei entsprechend niedriger Leistung in Streifenleitungstechnik ausgeführt werden.

In einem konkreten Ausführungsbeispiel sollen in einer Frequenzweiche Filter verwendet werden, deren Eingangsreflexionsfaktor S₁₁ die in der Figur 4 dargestellte Ortskurve besitzt (mit f = -40°). Wenn diese Filter nun durch Beschälten mit einer Induktivität L_k gemäß Figur 6 bei einer Mittenfrequenz von z.B. 950 MHz zu einem Verhalten gemäß Figur 7 gebracht werden, so muß die Induktivität L_k ungefähr 23 nH sein. Das heißt, daß bei einer aus zwei solchen Filtern bestehenden Frequenzweiche eine Induktivität L'^ von ungefähr 11,5 nH erforderlich ist. Diese Induktivität L'_k ist z.B.

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durch eine kurzgeschlossene Stichleitung darstellbar, deren Wellenwiderstand 120 Ohm und deren Länge ca. 26 mm (das entspricht einer elektrischen Länge von ca. 30°) beträgt.

Im folgenden wird die Durchstimmbarkeit einer nach der Lehre dieser Erfindung aufgebauten Frequenzweiche näher betrachtet. Die Bemessung der Kompensationsinduktivität L_k gilt streng genommen nur für eine Frequenz. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Symmetrie der Durchlaßdämpfung in den beiden Zweigen der Frequenzweiche auch dann noch nicht nennenswert gestört ist, wenn die Ortskurve des Eingangsreflexionsfaktors eines Teilfilters um + oder -5° gegen die reelle Frequenzachse geneigt ist. Bei einer durchstimmbaren Weiche ist der Wert </ = +5° der tiefsten Frequenzlage (f_mi_n) und der Wert y = -5° der höchsten Frequenzlage (f_max) zuzuordnen (siehe Figur 11). Für das oben näher beschriebene konkrete Ausführungsbeispiel ergibt sich f_m±_n = 903 MHz und f_max = 998,5 MHz. Mit dieser Frequenzweiche ist also ein Durchstimmbereich > 10 % realisierbar.

Claims

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Schutzanspruch

Frequenzweiche, bestehend aus wenigstens zwei parallel geschalteten Filtern, welche beide über eine Leitungsverzweigung an eine gemeinsame Leitung angekoppelt sind, wobei die Leitungsverzweigung mit einer als Induktivität wirkenden kurzgeschlossenen Stichleitung beschaltet ist, die so bemessen ist, daß die Filter gleichgroße Durchlaßdämpfungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Leitung eine Koaxialleitung (LTl) ist, von der die Leitungsverzweigung (LV) seitlich abzweigt, und daß der Innenleiter der Koaxialleitung über den Verzweigungspunkt (S) hinaus weitergeführt ist und dieser weiterführende Innenleiterabschnitt (LT2) die induktiv wirkende Stichleitung darstellt.