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Durchstimmbares, mehrkreisiges Filter für sehr kurze elektromagnetische
Wellen Die Erfindung bezieht sich auf ein durchstimmbares, mehrkreisiges Filter
für sehr kurze elektromagnetische Wellen, beispielsweise für Dezimeterwellen und
Zentimeterwellen, dessen Filterkreise aus gleichartigen, einseitig offenen Resonanzleitungen
bestehen, die durch Änderung ihrer elektrischen Länge mittels einer Gleichlaufvorrichtung
abstimmbar sind, wobei die Resonanzleitungen jeweils aus einem an das offene Resonanzleitungsende
angrenzenden Abschnitt hohen Wellenwiderstandes und einem unmittelbar daran anschließenden,
an das kurzgeschlossene Resonanzleitungsende angrenzenden Abschnitt niedrigen Wellenwiderstandes
bestehen.
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Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen bestehen vielfach
aus einseitig offenen Resonanzleitungen, die bei mehrkreisigen Filtern zweckmäßig
gleichartig ausgebildet werden. Die häufig mittels einer Gleichlaufvorrichtung erfolgende
Abstimmung der Filterkreise geschieht durch Änderung der elektrischen Länge der
einzelnen Resonanzleitungen. Bezüglich des Gleichlaufs in der Abstimmung der einzelnen
Kreise ergeben sich dabei gerade im Bereich der sehr kurzen elektromagnetischen
Wellen sehr strenge Forderungen. Ein unzureichender Gleichlauf in der Abstimmung
eines mehrkreisigen Filters macht sich nämlich als Fehlanpassung in der Speiseleitung
des Filters störend bemerkbar. Die zu fordernden Anpassungswerte m = U"' liegen
meist Unzax bei 0,95, bezogen auf die Bandmitte, wobei U"1" und U.ax die bei Fehlanpassung
in der Speiseleitung auftretenden Werte des Spannungsminimums und Spannungsmaximums
bedeuten. Ist z. B. der Mittelkreis eines dreikreisigen Filters in seiner Frequenz
um 1 o/a der Bandbreite gegenüber seiner Sollfrequenz verschoben, so ergibt das
bereits einen m-Wert von 0,96 an Stelle eines m-Wertes von 1. Für ein durchstimmbares,
mehrkreisiges Bandfilter resultiert daraus die Forderung nach einem Gleichlauf von
wenigstens 1,5 1/o der Bandbreite im Durchlaßbereich, so daß z. B. im Frequenzbereich
von 2000 MHz bei den dort üblichen Bandbreiten von etwa 15 MHz die maximal zulässige
Abweichung vom Gleichlauf etwa 250 kHz beträgt. Das führt bei der beschriebenen
Schwingkreisart im Gebiet von 2000 MHz auf eine Toleranz von etwa 5 g.. Da die Toleranz
im übrigen quadratisch mit der Frequenz enger wird, ergibt sich z. B. für 4000 MHz
Mittelfrequenz und 15 MHz Bandbreite eine Toleranz von etwa 1,3 #t. Es wäre an sich
naheliegend, eine Vergrößerung der zulässigen Toleranzen dadurch zu erzielen, daß
Leitungsabschnitte verwendet werden, deren elektrische Länge ein Vielfaches; z.
B. ein n-faches einer Viertel-Betriebswellenlänge ist, da dann die Toleranz n-mal
größer gewählt werden kann. Derartige Kreise sind jedoch praktisch nicht brauchbar,
da sie einerseits eine unhandlich große Länge und andererseits eine erhöhte Mehrwelligkeit
besitzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, der
es in einfacher Weise ermöglicht, die mechanische Forderung an das Antriebssystem
bzw. die Gleichlaufvorrichtung der Abstimmmittel herabzusetzen, was bei einem Mehrkreisfilter
gleichbedeutend mit einer Verringerung der Toleranzforderungen ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend von einem durchstimmbaren,
mehrkreisigen Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, dessen Filterkreise
aus gleichartigen, einseitig offenen Resonanzleitungen bestehen, die durch Änderung
ihrer elektrischen Länge mittels einer Gleichlaufvorrichtung abstimmbar sind, wobei
die Resonanzleitungen jeweils aus einem an das offene Resonanzleitungsende angrenzenden
Abschnitt hohen Wellenwiderstandes und einem unmittelbar daran anschließenden, an
das kurzgeschlossene Resonanzleitungsende angrenzenden Abschnitt niedrigen Wellenwiderstandes
bestehen, in der Weise gelöst, daß von den Abschnitten der des einen Wellenwiderstandswertes
in der elektrischen Länge wenigstens angenähert gleich einem Viertel der kürzesten
Wellenlänge des Durchstimmbereiches bemessen ist und der des anderen Wellenwiderstandswertes
in seiner elektrischen Länge veränderbar ausgebildet und mit seinen Ab-
Stimmitteln
mit der Gleichlaufvorrichtung gekuppelt ist.
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Es ist an sich ein frequenzvariabler, bandgespreizter, aus einer Koaxialleitung
bestehender Leitungskreis bekannt, dessen Innenleiter in der elektrischen Länge
veränderbar ausgebildet ist und zu diesem Zweck zwei Abschnitte unterschiedlichen
Durchmessers besitzt. Bei dieser bekannten Anordnung sind jedoch die so gebildeten
Leitungsabschnitte unterschiedlichen Wellenwiderstandes über einen dritten Leitungsabschnitt
- durch die beiden ineinandergreifenden Innenleiterteile gebildet - in Serie geschaltet,
und die Bandspreizung beruht dort auf der gegensinnigen Abstimmwirkung dieses dritten
Leitungsabschnittes. Diese gegensinnige Abstimmwirkung ist beim Erfindungsgegenstand
bewußt vermieden, vielmehr beruht bei diesem die Bandspreizung auf der Abstufung
des Wellenwiderstandes und auf der besonderen Wahl der elektrischen Länge eines
der durch die Wellenwiderstandsabstufung geschaffenen Leitungsabschnittes. Es bringt
dies unter anderem den Vorteil wesentlich einfacherer Ausbildung mit sich.
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Durch die deutsche Patentschrift 809 837 ist ein für ein mehrkreisiges
Filter bestimmter Resonanzkreis bekannt, der aus zwei Abschnitten unterschiedlichen
Wellenwiderstandes besteht, und zwar in der Weise, daß der an das offene Resonanzleitungsende
angrenzende Abschnitt hohen Wellenwiderstandswert hat und der unmittelbar daran
anschließende, an das kurzgeschlossene Resonanzleitungsende angrenzende Abschnitt
einen niedrigen Wellenwiderstandswert besitzt. Für diese bekannte Anordnung ist
es jedoch wesentlich, daß die Gesamtlänge der beiden Leitungsabschnitte unterschiedlichen
Wellenwiderstandes ein Viertel der Betriebswellenlänge beträgt. Dies unterscheidet
die dort beschriebene Anordnung grundsätzlich vom Erfindungsgegenstand, für den
es wesentlich ist, daß bereits der eine Abschnitt mit besonderem Wellenwiderstandswert
eine Länge von einem Viertel der Betriebswellenlänge hat.
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Durch die Dissertation von G. S c h a f f e r sind weiterhin Filterkreise
bekannt, die aus zwei Leitungsabschnitten unterschiedlichen Wellenwiderstandes bestehen.
Hierbei wird aber davon ausgegangen, daß die elektrische Länge des veränderbaren
Leitungsabschnittes beträchtlich ist. Damit werden bei dieser bekannten Anordnung
wesentlich andere Verhältnisse erreicht, als sie beim Erfindungsgegenstand gefordert
sind, und diese bekannten Anordnungen sind somit auch nicht zur Lösung des dem Erfindungsgegenstande
zugrunde liegenden Problems der Erzielung eines Gleichlaufes zwischen mehreren Kreisen
eines Filters geeignet.
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In dem Buch von G. M e g 1 a, »Dezimeterwellentechnik«, ist theoretisch
untersucht, wie die Eigenfrequenzen zweiteiliger Resonatoren in Abhängigkeit von
den Wellenwiderständen liegen. Aus diesen theoretischen Betrachtungen läßt sich
aber keine Anregung ableiten, für die Lösung der dem Erfindungsgegenstand zugrunde
liegenden Problemstellung gerade die erfindungsgemäße Ausbildung vorzunehmen.
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Schließlich ist durch die Zeitschrift »Proceedings of the Institute
of Radio Engineers«, Bd. 36" Nr. 8, S.1017 bis 1022 (August 1948), bereits ein durchstimmbarer
Mikrowellenoszillator bekannt, der als frequenzbestimmendes Element einen Leitungsresonator
aufweist, dessen im Durchmesser gestufter Innenleiter an seinem einen Ende mit dem
Außenleiter verbunden, an seinem anderen Ende offen ist. Dieser Mikrowellenoszillator
wird unter anderem hinsichtlich seiner Durchstimmbarkeit sowie hinsichtlich des
Einflusses der Oszillatorröhre auf die Topfkreisbemessung ausführlich behandelt,
dagegen wird auf das Zusammenwirken dieses Oszillators mit anderen Nachrichtengeräten,
beispielsweise mit dem Eingangskreis eines Empfängers, der im Gleichlauf mit diesem
Oszillator abzustimmen wäre, nicht eingegangen. Die besonderen Bedingungen, welchen
ein einzelner Topfkreis in einer Oszillatorschaltung in Anbetracht der Eigenschaften
der Schwingröhre zu genügen hat, bringen es mit sich, daß bei dem dort beschriebenen
Leitungsresonator eine andere Verteilung der Abschnitte hohen und niedrigen Wellenwiderstandes
innerhalb des Topfkreises Anwendung findet als bei den Topfkreisen, welche Bestandteile
des mehrkreisigen Filters nach der Erfindung sind und für welche sich daher im Gegensatz
zu dem Einzelkreis jenes Oszillators hohe Anforderungen an die Gleichlaufgenauigkeit
im gesamten Filterdurchstimmbereich ergeben.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In der Fig. 1 ist schematisch ein Koaxialleitungsabschnitt dargestellt,
bestehend aus einem Außenleiter 1 und einem abgestuften Innenleiter 2, 3, die an
dem einen Ende mittels einer Abschlußplatte 4
kurzgeschlossen sind. Für die
Spannungsverteilung entlang dem Innenleiter 2, 3 ist ein Spannungsminimum am Anbringungsort
der Abschlußplatte 4 charakteristisch, das sich in Widerstandswerten unter Berücksichtigung
der in Fig. 1 gewählten Bezeichnungsweise durch R2= 0 ausdrücken läßt. Der am offenen
Leitungsende erscheinende Eingangswiderstand R1 dieses Leitungskreises errechnet
sich bekanntlich aus der Gleichung
worin Z1, Z2 die Wellenwiderstände der einzelnen Leitungsabschnitte mit den Längen
h und 1, und der Phasenkonstante ß = 2 -,7 - 1A bedeuten. Resonanz,
und zwar derart, daß ein Spannungsmaximum am offenen Leitungsende liegt, ist dann
gegeben, wenn R1 unendlich wird, was gleichbedeutend damit ist, daß der Nenner in
Gleichung (1) Null wird. Es ergibt sich dann die Resonanzbedingung
Aus Gleichung (2) ist erkennbar, daß die für eine vorgegebene Wellenlängenänderung
erzielbare Änderung der geometrischen Länge eines der Innenleiterabschnitte 2 oder
3 um so größer wird, je höher der Wellenwiderstand Z1 im Vergleich zum WellenwiderstandZ2
ist. Außerdem läßt sich zeigen, daß beispielsweise die Längenänderung in dem zwecks
Durchstimmung veränderbar ausgebildeten Leitungsabschnitt, z. B. dem Abschnitt 1i,
um so größer wird für eine vorgegebene Wellenlängenänderunng, je mehr sich die elektrische
Länge des anderen Abschnittes, also beispielsweise des Abschnittes l2, dem Wert
90° für die kürzeste Betriebswellenlänge nähert. Wird beispielsweise die elektrische
Länge des Abschnittes 2 für die kürzeste Betriebswellenlänge im Durchstimm-
Bereich
gleich 90° entsprechend einer Viertel-Betriebswellenlänge gewählt, so ist die Länge
des Abschnittes 11 bei der kürzesten Betriebswellenlänge Null und nimmt nach längeren
Wellen hin schon bei geringer Abstimmungsänderung sehr rasch zu.
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Um eine übersicht über das Verhalten eines im Wellenwiderstand abgestuften
Resonanzleitungsabschnittes zu geben, sind in der Fig. 2 die beispielsweise für
eine Wellenlängenänderung von 10 cm Wellenlänge auf 11 cm Wellenlänge erforderlichen
Änderungen der Länge h in Abhängigkeit vom Verhältnis Z,/Z, wiedergegeben. Aus dem
Diagramm der Fig.2, das durch numerische Auswertung der Gleichung (2) gewonnen wird,
mit 1., als Parameter, läßt sich erkennen, daß die für eine vorgegebene Wellenlängenänderung
erzielbare Änderung der Länge 11 in grober Näherung um so größer wird, je größer
das Verhältnis Z,/Z. ist und je mehr sich die elektrische Länge von 12 für die kürzeste
Betriebswellenlänge dem Wert 90° nähert.
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Ein derart ausgebildeter Resonanzkreis besitzt also den Vorteil einer
großen mechanischen Änderung seiner Abstimmorgane bei geringer Änderung der Betriebsfrequenz.
Die Anwendung eines derartigen Resonanzkreises in einem durchstimmbaren Mehrkreisfilter,
dessen einzelne Filterkreise mittels einer Gleichlaufvorrichtung gemeinsam abstimmbar
sind, bringt demnach den wesentlichen Vorteil, daß die mechanischen Forderungen
an die Toleranz der Gleichlaufvorrichtung wesentlich geringer sind, als man sie
beispielsweise für einen üblichen Viertelwellenlängenkreis mit einem Innenleiter
gleichförmigen Durchmessers fordern müßte. Um zu zeigen, wie wichtig eine auch zunächst
noch so geringfügig erscheinende Verbesserung in dieser Hinsicht ist, sei erwähnt,
daß man mit einigermaßen erträglichem Aufwand bestenfalls noch Toleranzen in der
Größenordnung von 3 bis 4 #t mechanisch beherrschen kann. Filter, die Toleranzen
von 1,5 1, erfordern, wie beispielsweise das einleitend erwähnte Filter für 4000
MHz, bereiten demnach bei Anwendung der bekannten Technik große Schwierigkeiten.
Durch Anwendung der Lehre nach der Erfindung läßt sich jedoch dieses Filter ohne
weiteres realisieren, denn es ist durch geeignete Wahl der Wellenwiderstände und
der elektrischen Längen der Abschnitte /1 bzw. 1., möglich, die mechanische Änderung
beispielsweise um den Faktor 3 zu erhöhen, womit man wieder realisierbare Toleranzen
erhält.
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An sich erscheint es zunächst zweckmäßig, auf Grund der in der Fig.
2 gegebenen Darstellung, das Verhältnis Zi/Z2 möglichst groß zu wählen, da dann
die für eine vorgegebene Wellenlängenänderung erzielbare Änderung in der elektrischen
Länge groß wird. Dies ist in der Praxis jedoch nicht immer vorteilhaft, denn eine
zu starke Abstufung der Wellenwiderstände hat zur Folge, daß die Güte des Abschnittes
mit dem hohen Wellenwiderstand wesentlich geringer ist als die des Abschnittes mit
dem niedrigen Wellenwiderstand. Aus diesem Grunde ist es daher z. B. bei einem Durchstimmbereich
von 10% der Mittelfrequenz zweckmäßig, nur Wellenwiderstandsverhältnisse Z,/Z. zwischen
1,5 und 3 zu wählen. Die dann im Durchstimmbereich auftretende Güteänderung läßt
sich dann im allgemeinen vernachlässigen. Zweckmäßig wird auch hierfür der Wellenwiderstand
Z2 des Abschnittes 12 möglichst niedrig, vor allem kleiner als 60 Ohm gewählt, damit
sich der Wellenwiderstand Z1 nicht zu weit von diesem bezüglich der Kreisgüte günstigen
Wert entfernt.
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In den nachstehenden Figuren sind noch einige Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes wiedergegeben, die zeigen, wie sich die Wellenwiderstandsabstufung
erzielen läßt. Fig. 3 zeigt einen Resonanzleitungsabschnitt in Form einer einseitig
kurzgeschlossenen Resonanzleitung mit den Innenleiterabschnitten 2 und 3. Damit
ein exakter Wellenwiderstandssprung an der Abstufungsstelle gegeben ist, ist der
Innenleiterabschnitt 2 über einen an seiner Stirnseite angebrachten, scheibenförmigen
Kontakt 5 mit dem Innenleiterabschnitt 3, der wesentlich geringeren Durchmesser
besitzt, verbunden. Der Innenleiterteil 3 wird mittels einer geeigneten, an sich
bekannten Einstellvorrichtung in Richtung der Leitungsachse 6 zwecks Abstimmung
bewegt.
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Kommt es darauf an, die Kreisgüte in den beiden Abschnitten /1 und
12 möglichst gleichzugestalten, so wird zweckmäßig, wie aus Fig. 4 hervorgeht, dem
Innenleiterabschnitt 3 wenigstens angenähert der gleiche Durchmesser wie dem Innenleiterabschnitt
2 gegeben und die Änderung im Wellenwiderstand durch Aufweitung des Außenleiters
im Abschnitt 7 bewirkt. Ein ähnliches Verhalten läßt sich dadurch hervorrufen, daß
der Innenleiterabschnitt 2 an seinem der offenen Seite zugewandten Ende mit einer
kapazitiven Belastung 8 versehen wird, die beispielsweise, so wie in Fig. 5 dargestellt,
aus einem ringianschartigen Ansatz 8 besteht.
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Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, kann die Änderung der elektrischen
Länge beispielsweise im Abschnitt /1 bei konstantem Innenleiterdurchmesser d auch
dadurch erzeugt werden, daß der Außenleiterdurchmesser D im Abschnitt /1 wesentlich
größer gewählt ist und in diesem Außenleiterteil 9 relativ großen Durchmessers ein
vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeter, beim Ausführungsbeispiel rohrzylinderartiger
Feldverdränger 10 vorgesehen wird. Dieser Feldverdränger 10 ist mittels
einer an sich bekannten, nicht näher dargestellten Vorrichtung in Richtung der Achse
6 verschiebbar.
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Die auf die vorangehend beschriebene Weise erzielbaren Durchstimmbereiche
sind einerseits nach der kürzesten Betriebswelle durch die Bedingung /1 = Null und
nach der längsten Betriebswelle durch die Bedingung /1 < A/4 begrenzt. Zur Erzielung
eines größeren Durchstimmbereiches empfiehlt es sich daher, so wie in Fig. 7 gezeigt,
die Abschnitte hohen Wellenwiderstandes mit einer der Feinabstimmung dienenden Gleichlaufvorrichtung
11, 12 zu kuppeln und in den Abschnitten niederen Wellenwiderstandes beispielsweise
Kurzschlußschieber 13 vorzusehen, die mittels einer weiteren, der Grobverstimmung
dienenden Gleichlaufvorrichtung 14 bewegt werden. Da meist eine bereichsweise Durchstimmung
erwünscht ist, empfiehlt sich in diesem Falle eine rastenartige Ausbildung der der
Grobabstimmung dienenden Gleichlaufvorrichtung. Bei dem in Fig. 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist dies dadurch erreicht, daß auf einer gemeinsamen Welle 15
für die Grobabstimmung Nocken 16 vorgesehen sind, die in radialer Richtung Abstufungen
aufweisen, wie es im einzelnen aus der Fig. S ersichtlich ist. Fernerhin empfiehlt
es sich, zweckmäßig mit dem gemeinsamen Antrieb der Grobabstimmung gekuppelte Mittel
zur Gleichlaufkorrektur vorzusehen. Zur Erläuterung dient das in Fig. 9 gezeigte
Beispiel, bei dem dem einzelnen Filterkreis ein
seitlich eintauchender
Stift 17 zugeordnet ist, dessen Eintauchtiefe durch den Nockentrieb 18 über die
gemeinsame Welle 15 bestimmt wird. Es ist durch entsprechende Wahl der Nockenabmessungen
bzw. der Eintauchtiefe der einzelnen Stifte, die auch durch andere bekannte Abstimmittel
ersetzt werden können, in einfacher Weise möglich, bereichsweise eine zusätzliche
Angleichung im Gleichlauf der Abstimmung zu erzielen. Die einzelnen Filterkreise
sind, je nach den vorliegenden Forderungen, induktiv und/oder kapazitiv gekoppelt.
Der erste und der letzte Kreis sind mit je einer Anschlußleitung versehen.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Resonanzleitungsabschnitte
stets als Koaxialleitungen wiedergegeben. An Stelle von Koaxialleitungen können
auch andere Leitungsarten, wie z. B. Hohlleiter oder Doppelleitungen, Verwendung
finden. An Stelle galvanischer Verbindungen an den Übergängen von dem einen Wellenwiderstand
auf den zweiten Wellenwiderstand können unter anderem auch Leitungskurzschlüsse
in Form der sogenannten Resonanzdrosseln Verwendung finden, wie sie z. B. für die
hochfrequente Abdichtung der Flansche von Hohlrohrleitungsverbindungen bekannt sind.
In Fig. 5 ist eine derartige Ausgestaltungsmöglichkeit beispielgebend mit eingezeichnet.
Die elektrische Länge der Aussparung im Innenleiterteil 2 beträgt ebenso wie die
Entfernung der darin vorgesehenen Öffnung von der Stirnseite des Innenleiters 2
ein Viertel der mittleren Betriebswellenlänge. Dies läßt sich durch entsprechende
Führung, gegebenenfalls Faltung undUmstülpung dieserAussparung erreichen. Die gleiche
Wirkung wird erzielt, wenn so, wie im Ausführungsbeispiel angenommenn, die einzelnen
Abschnitte des Leitungskurzschlusses mit einem elektrisch verkürzenden Dielektrikum
ausgefüllt werden.