DE1791181A1 - Filterschaltungen - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated * ■ . Seidel 46

New York, N. Y. 10007 U.S.A.

Filterschaltunge η

Die Erfindung bezieht sich auf Filterschaltungen, in denen 3 db-90 Phasenschieber-Hybriden (3 db quadrature hybrids) verwendet werden.

Es ist üblich, bei Schaltungen an Spulen, Kondensatoren und Widerständen zu denken. Diese Komponenten sind, außer daß sie die traditionellen Schaltungskomponenten sind, ausreichend klein und billig, um ihre Verwendung in großer Anzahl zu erlauben. In neuerer Zeit sind andere Schaltungskomponenten, wie die 90 -Phasenschieber-Hybriden, so weit entwickelt worden, daß sie ebenfalls sehr klein und billig ausgeführt werden könnenj sie sind daher für den Entwurf von Schaltungen eine weitere grundsätzliche Schaltungskomponente mit einer Reihe interessanter und brauchbarer Eigenschaften.

Ein offener 3 db-90 -Phasenschieber-koppler ist einem oder mehreren, im geeigneten Abstand voneinander befindlichen, in Reihe geschalteten Kreisen äquivalent, die in Serienresonanz bei der 3db-Kopplungsfrequenz der Hybride sind. Eine kurzgeschlossene 90 -Phasenschieber Hybride ist eiriem oder mehreren in geeignetem Abstand voneinander

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befindlichen, parallel geschalteten Kreisen äquivalent, die in Parallelresonanz bei der 3 db-Kopplungsfrequenz der Hybride sind.

Entsprechend der Erfindung ,sind offene und kurzgeschlossene 90 Phasenschieber-Koppler in Reihe geschaltet, um ein Mehrfachabs chnitt-Anpaßfilter zu erzeugen. Die Impedanz der jeweiligen äquivalenten Filterabschnitte ist durch die charakteristische Impedanz des Hybriden-Kopplers bestimmt. Es wird daher möglich, Filterabschnitte mit beliebigem Paßband- und Impedanzanpaß-Eigenschaften ohne Verwendung von Kondensatoren oder Spulen als solche zu entwerfen, und zwar lediglich durch geeignete Auswahl der charakteristischen Impedanzen und der Mittelfrequenzen der 90 -Phasenschieber-Hybriden, die das Filter bilden.

Da sich die Phase des Ausgangssignals eines offenen Kopplers um 180 von der eines kurzgeschlossenen Kopplers unterscheidet, können zwei duale Kilter, die je eine ungerade Anzahl Koppler enthalten, als ein Übertrager zur Kopplung einer nichtabgeglichenen Signalquelle an eine abgeglichene Last verwendet werden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen im einzelnen beschrieben] es zeigen;

Fig. 1 das Blockschaltbild einer offenen 90 -Phasenschieber-Hybride,

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Fig. 2A und 233 zu Er lauter ungs zwecken die Signale als eine,Funktion der Frequenz an den verschiedenen Zweigen einer offenen, aus konzentrierten Schaltungselementen aufgebauten Hybride bzw. einer offenen Hybride des Übertragungsleitungstyps, ■'Fig.3A.und 3B das konzentrierte-Schaltungselement-bzw. das Übertragungsleitungs-Ersatzschaltbild der Hybride nach Fig. 1,

FIgV4 das Blockschaltbild einer kurzgeschlossenen 90 -Phasenschieber-Hybride,

Fig. 5A und 5B das konzentrierte-Schaltungselement-bzw. das Übertragungsleitungs-Ersatzschaltbild der Hybride nach Fig. 4,

Fig. 8 ein Filter unter Verwendung mehrerer offener und kurzgeschlossener Hybriden., die alternierend in Reihe geschaltet sind,

FIg. 7 das Doppelstück des Filters nach Fig. 6 tmd

FIg. 8 eine Anordnung zum Erhalt eines abgeglichenen Ausgangssignals von einer nichtabgeglichenen Signalquelle.

In Fig. 1 ist eine 90 "■Phasenschieber-Hybride dargestellt. Der Ausdruck 90 -Phasenschieber-Hybride (oder 90 -Phasenschieber-Koppler), im folgenden kurz 90 -Hybride genannt, wird in seinem üblichen Sinn zur Beschreibung eines Leistungsteiler-Netzwerkes mit vier Zweigen (oder Polen) verwendet, bei welchem die Zweige paarweise angeordnet sind. Die Zweige, die je in einem Paar liegen, sind zueinander kon-

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jugiert, aber in Kopplungsbeziehung zu den Zweigen des anderen der Paare'. Im einzelnen sind 90 -Koppler gekennzeichnet durch eine Streumatrix, die bezüglich beider Diagonalen symmetrisch und unabhängig von der Reihenfolge ist, in welcher die Zweige ausgewählt werden. Hierher gehören zahlreiche Koppler, beispielsweise der Riblet-Koppler (H. J. Riblet, "The Short-Slot Hybrid Junction", Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Februar 1952, Seiten 180-184), der Mehrfachloch-Richtungskoppler (S.E.Miller, "Coupled Wave Theory and Waveguide Applications", Bell System Technical Journal, Mai 1954, Seiten 661-719), der halboptische Richtungskoppler (E. A. J. Marcatili, ¹¹A Circular Electric Hybrid Junction and Some Channel-Dropping Filters", Bell System Technical Journal, Januar 1961, Seiten 185-196), der Bandübertragungsleitung-Richtungskoppler (T. K. Shimizu "Strip-Line 3 db Directional Coupler", 1957 Institute of Radio Engineers, Wescon Convention Record, Band 1, Teil 1, Seiten 4-15) und die 90 Hybriden mit konzentrierten Schaltungselementen, wie diese von der Firma Merrimac Research and Development, Inc. verkauft werden und beispielsweise im September-Heft 1966 des Microwave Journal vertrieben werden. In jedem der vorstehend erwähnten Leistungsteiler ist eine relative Phasenverschiebung von 90 zwischen den beiden Aus gangs Signalkomponenten vorhanden, daher auch die Bezeichnung 90 -Koppler oder 90 -Hybride. Außerdem sind die hier interessierenden Hybriden jene, die die Eingangsleistung in zwei gleiche Korn-

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ponenten bei einer bestimmten Mittelfrequenz aufteilen. Solche Hybriden sind als " 3 db-Hybriden" gekennzeichnet. Demgemäß sollen die nachstehenden Ausdrücke Hybride oder Koppler speziell eine 3dh-90 Phasenschieber-Hybride bezeichnen.

In Fig. 1 sind die vier Zweige der Hybride 10 mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet, von denen die Zweige 1 und 2 das eine Paar konjugierter Zweige und von denen die Zweige 3 und 4 das andere Paar konjugierter Zweige bilden. Beim Betrieb wird ein an den Zweig 1 angekoppeltes Eingangssignal in zwei um 90 gegeneinander phasenverschobene Komponenten (into two quadrature components) t und k in den Zweigen 3 bzw. 4 unterteilt. Für eine Hybride mit konzentrierten Schaltungselementen sind die Ämplitudenänderungen dieser beiden Signalkompo -nenten als Funktion der Frequenz in Fig. 2 durch die Kurven 11 und 12 dargestellt. Grundsätzlich ist die Komponente T ein Maximum bei den unteren Frequenzen und fällt mit zunehmender Frequenz ab, während die Komponente Έ ein Minimum bei niedrigeren Frequenzen ist und mit zunehmender Frequenz zunimmt. Die beiden sind bei einer bestimmten Zwischenfrequenz f amplitudengleich.

Bei offenen Zweigen 3 und 4, wie dieses in Fig. 1 dargestellt ist, werden die Signalkomponenten in den Zweigen 3 und 4 zurück zu den Zweigen 1 und 2 reflektiert. Der Teil der Komponente T, der zum Zweig 1

0 9812/(H 1 1

<*2

zurückgekoppelt wird ist gleich ρ t , während der zum Zweig 2 gekoppelte Teil gleich "tkp ist, wobei ρ der Reflexionskoeffizient ist. Nimmt man einen vollkommen offenen Stromkreis an, so ist p gleich Eins, braucht also nachfolgend nicht mitgeschleppt zu werden.

Al -<*2

In ähnlicher Weise koppelt die Komponente k eine Komponente k zum Zweig 1 zurück, und eine Komponente kt zum Zweig 2. Daher ist das gesamte reflektierte Signal im Zweig 1 gleich T + Ik und im Zweig 2 gleich 2kt. Vergegenwärtigt man sich, daß bei der Frequenz f die Beziehung j t j * j k j gilt und daß T und k 90 außer Phase sind, so ist das reflektierte Signal im Zweig 1 gleich Null und das ganze Signal wird zum Zweig 2 gekoppelt. Dies ist selbstverständlich eine der allgemein bekannten Eigenschaften eines 3db-90 -Kopplers.

Wenn das reflektierte Signal, 2kt, als Funktion der Frequenz (Kurve 13, Fig. 2A) geprüft wird, so sieht man, daß eine typische Resonanzkennlinie vorliegt, die eine Spitze bei der Mittelfrequenz f aufweist und abnimmt, wenn sich die Frequenz von f entfernt. Tatsächlich kann leicht gezeigt werden, daß bezüglich der Zweige 1 und 2 die offene 90 -Hybride der Fig. 1 einem Serienkreis äquivalent ist, der in Serienresonanz bei der Frequenz f ist. Für die 90 -Hybride mit konzentrierten Schaltungselementen weist das in Fig. 3A dargestellte Ersatzschaltbild die Reihenschaltung einer Induktivität L mit einer Kapazität C auf, wobei L und C durch die folgenden Beziehungen miteinander

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verknüpft sind

f « (l)

(2)

hierin bedeutet Z die charakteristische Impedanz der Hybride.

Fig. 2B zeigt die Änderungen von k, t und des Produktes 2kt als Punktion der Frequenz für einen 90 -Koppler des Übertragungsleitungstyps. Es sei bemerkt, daß die Produktkurve 14 dazu neigt, flacher als die Kurve 13 in Fig. 2A zu sein. In diesem Zusammenhang kann gezeigt werden, daß diese Kurve einem Mehrfachresonanzkreis äquivalent ist, wie dieser beispielsweise in Fig. 333 dargestellt ist und zwei offene Viertelwellenlängen-Leitungsstücke 30 und 31 im Abstand einer Viertelwellenlänge voneinander, jeweils gemessen bei der Frequenz f , aufweist. Die charakteristische Impedanz Z der Leitungsstücke 30 und 31 ist gegeben durch

Z « ( /i"- 1) Z_o (3)

mit Z gleich der charakteristischen Impedanz der Hybride.

Eine ähnliche Analyse kann für die in Fig. 4 dargestellte, kurzgeschlossene 90 -Hybride 40 gemacht werden. Diese Analyse zeigt, daß die kurzgeschlossene Hybride das Doppelstück (dual) der offenen

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Hybride ist und deshalb als ein parallelgeschalteter Parallelresonanzkreis betrachtet werden kann. Außerdem ist, weil der Reflexionskoeffizient eines'Kurzschlusses gleich -1 ist, das reflektierte Signal

im Zweig 2 nunmehr gleich -2kt. Das negative Vorzeichen gibt eine 180 -Phasenverschiebung an. Demgemäß enthält das komplette Ersatzschaltbild einer kurzgeschlossenen Hybride zusätzlich zu einem Resonanzkreis einen Allpass-(all-pass)-180 -Phasenschieber. So enthält das Ersatzschaltbild mit konzentrierten Schaltungselementen der kurzgeschlossenen Hybride in Fig. 5A einen Allpass-180 -Phasenschieber und einen parallelgeschalteten Parallelresonanzkreis 51 mit einer Induktivität L und einer Kapazität C. L und C sind, wie vorhin, verknüpft durch

f m * (la)

° 2 TT/LC
und

Z₀- i% (2a)

wobei Z die charakteristische Impedanz der Hybride ist.

Das Übertragungsleitungs-Ersatzschaltbild einer kurzgeschlossenen Hybride vom Übertragungsleitungstyp ist in Fig. 5B dargestellt und weist einen Allpass-180 -Phasenschieber 52 auf, sowie zwei parallelgeschaltete, kurzgeschlossene Viertelwellenlängen-Leitungsstücke 53 und 54, die im Abstand λ /4 voneinander entfernt angeordnet sind.

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Für eine Bandübertragungsleitung-Hybride ist die charakteristische Impedanz Z der Leitungsstücke gleich ( V2 - 1 ), wobei Z die charakteristische Impedanz der Hybride ist. ■

Mit den nunmehr erkannten äquivalenten Resonanzeigenschaften des offenen" 90 -Kopplers und des kurzgeschlossenen 90 -Kopplers können ganze Filter schaltungen aufgebaut werden und zwar nur unter Verwendung von Kombinationen offener und kurzgeschlossener 90 -Koppler. Das einfachste Filter ist di© Serienkombination eines offenen und eines kurzgeschlossenen Kopplers. Allgemeiner kann ein Filter mit jeder beliebigen Anzahl Abschnitte 60, 61 ... 62 hergestellt werden, wobei aufeinanderfolgende Abschnitte alternierend offene bzw. kurzgeschlossene Koppler sind, wie dieses in Fig. 6 dargestellt ist. Im allgemeinen können die Abschnittsimpedanzen Z₁ , Z_, ... Z der einzelnen Ab-

X u m

schnitte jeden beliebigen Wert je nach den gewünschten Filterübertragungseigenschaften annehmen. Für den Spezialfall, daß Z₁ * Z₀ *

... Z ist. erhält man ein Konstant-k-Filter. m

Alternativ kann das duale Gegenstück des Filters der Fig. 6 einfach erhalten werden durch Ersetzen eines jeden der Koppler 60, 61 ... 62 durch das duale Gegenstück, wobei das duale Gegenstück einer jeglichen 90 -Hybride definiert ist als eine 90 -Hybride mit ihren Anschlüssen in einer Konfiguration, die der gegenwärtigen entgegengesetzt ist. So

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wird, siehe Fig. 7, ein kurzgeschlossener Koppler 70 für den offenen Koppler 60 eingesetzt, währerid ein offener Koppler 71 für den kurzgeschlossenen Koppler 61 eingesetzt wird, usw. Wie bekannt, sind die Bandpasseigenschaften dieser beiden, dualen Filteranordnungen die gleichen.

Wie vorstehend erwähnt, ist eine Allpass-180 -Phasenverschiebung dem Aus gangs signal des kurzgeschlossenen Kopplers zugeordnet. Diese bequem erhältliche Breitband-Phasenverschiebung ermöglicht den Erhalt eines abgeglichenen Ausgangs von einer unabgeglichenen Signalquelle durch Verwendung zweier dualer Filter mit einer ungeraden Anzahl von Abschnitten, wie dieses in Fig. 8 dargestellt ist. In dieser Anordnung ist eine nichtabgeglichene Signalquelle 79 an zwei duale Filter schaltungen 80 und 81 angeschaltet, von denen jede eine ungerade Anzahl (2n-l) von Abschnitten aufweist, wobei η ganzzahlig ist. Da ein kurzgeschlossener Koppler mehr in der Filter schaltung als in der dualen Filter schaltung 81 vorhanden ist, sind die beiden Aus gangs signale um 180 außer Phase. Bezüglich aller anderen Gesichtspunkte sind jedoch die Filterübertragungseigenschaften der beiden Filter die gleichen, man hat daher ein bequemes Mittel zum Erhalt eines abgeglichenen Ausgangs von einer breitbandigen nichtabgegliche nen Signalquelle. Dieses kann typischerweise nicht immer durch Verwendung eines üblichen Übertragers erhalten werden.

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Claims (4)

Seidel 46 Pat e nt an s ρ r ü c h e

1. Filterschaltung mit zumindest zwei 90 -Hybriden, von denen

jede zwei Paare konjugierter Zweige aufweist, dadurch gekennzeichnet« daß ein Paar konjugierter Zweige (3^ 4,) einer (71) der Hybriden offen ist» ein Paar konjugierter Zweige (3,4) der anderen (70) der Hybriden kurzgeschlossen ist und die anderen Zweige (1, 2 und 1,2) der Hybriden (70,71) in Serie geschaltet sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybriden solche mit konzentrierten Schaltungselementen sind. /

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybriden solche vom Übertragungsleitungstyp sind.

4. Schaltung sum Erhalt abgeglichener Ausgangesignale von einer sieht· abgeglichenen Signalquelle, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar dualer Filter, von denen ein jedes aus einer ungeraden Anzahl offener und kurzgeschlossener, alternierend in Serie geschalteter 90 -Hybriden aufgebaut ist, an die nichtabgeglichene Signalquelle angekoppelt sind, wobei jedes Filter nur über ein . Ende angekoppelt ist und die abgeglichenen Signale an den anderen der Filter erhältlich sind (Fig. 8).

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