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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
justierbares Mikrowellenfilter und insbesondere auf ein
Filter, das im Sendebetrieb wie im Empfangsbetrieb für
Funkstrecken verwendet werden kann, deren Frequenz
justierbar ist.
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Ein justierbares Filter ist ein Filter, dessen
zentrale Frequenz durch eine elektrische oder elektronische
Steuerung frei in einem Frequenzbereich verschoben werden
kann, der einen Großteil einer Oktave umfaßt. Solche Filter
sind in Verbindung mit den Frequenzsynthetisierern
entscheidende Elemente beim Aufbau von Funkstrecken mit justierbaren
Frequenzen, die insbesondere dann verwendet werden, wenn die
Sendefrequenz eines Signals sehr schnell geändert werden
soll.
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Diese justierbaren Filter sollen nicht nur sehr
schnell in ihrer zentralen Frequenz verändert werden können,
sondern auch sehr variable Leistungspegel verarbeiten
können:
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- Im Sendebetrieb arbeiten sie mit großer Leistung
(am Ausgang der Sendeverstärker) und haben die Aufgabe, die
Nachbarkanäle des Senders nicht zu beeinträchtigen.
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- Im Empfangsbetrieb ermöglichen sie als Kanalfilter,
nur das Nutzsignal zu verstärken, nicht aber Störsignale,
die von frequenzmäßig benachbarten Sendesignalen stammen.
Wenngleich diese Filter dann auf einem niedrigen
Leistungspegel arbeiten, dürfen sie doch nicht durch diese
frequenzmäßig benachbarten Sendesignale beschädigt oder zerstört
werden, die mit einem deutlich größeren Leistungspegel als
die normal empfangenen Signale ankommen können.
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Zahlreiche Typen von justierbaren Mikrowellenfiltern
wurden bisher eingesetzt oder in der Literatur beschrieben.
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Das bekannteste justierbare Filter besitzt
Resonanzhohlräume, deren Abstimmung mechanisch mit Hilfe eines
Motors erfolgt. Ein solches Filter kann bei hohen Leistungen
arbeiten, aber es ist nicht mehr für moderne Anwendungen
geeignet, da die Zeit, die für die Änderung der Frequenz
erforderlich ist, außerordentlich lang ist, in der
Größenordnung von beispielsweise einer Minute, wogegen manche
geplante Anwendungen eine Kanalumschaltzeit deutlich unter
einer Sekunde und sogar in der Größenordnung einer
Millisekunde erfordern. Ein anderer Nachteil dieser bekannten
Filter ist ihr Raumbedarf, ihr Gewicht und der Preis und die
Komplexität bei der Herstellung aufgrund der schwierigen
mechanischen Anforderungen und der geforderten Genauigkeit.
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Die Abstimmung des Resonanzhohlraums kann auch durch
die Verwendung von Dioden mit variabler Kapazität, auch
Varaktoren genannt, erfolgen, die eine sehr kurze
Reaktionszeit haben, typisch in der Größenordnung von einer
Mikrosekunde. Solche Filter können jedoch leider für Funkstrecken
nicht in Betracht gezogen werden, da die von ihnen
akzeptierte Leistung viel zu schwach ist (unter 0 dBm) und da
ihre Betriebsfrequenz bei Verwendung derzeit bekannter
Bauteile auf Frequenzen unterhalb von 2 GHz begrenzt ist.
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Die Justierung des Filters kann auch schnell durch
ein magnetisches Feld erreicht werden, das einen Resonator
mit YIG-Kugeln (Yttrium-Eisen-Granat) polarisiert. Der
Leistungsbereich eines solchen Resonators bleibt jedoch viel
zu niedrig und ist etwa mit dem der erwähnten Filter mit
Varaktoren vergleichbar.
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Die Druckschrift FR-.A-2 521 786 beschreibt unter
Bezug auf die Druckschrift FR-A-2 509 537 ein Bandpaßfilter
mit dielektrischen Resonatoren in einem Wellenleiter, dessen
Querschnittabmessungen größenordnungsmäßig 2,5 mal größer
als die Querabmessungen dieser Resonatoren sind. Ein
Plättchen aus Yttrium-Eisen-Granat befindet sich auf jedem dieser
dielektrischen Resonatoren, um das Filter mit Hilfe von
regelbaren äußeren Magnetfeldern magnetisch abstimmen zu
können. Der Magnetspalt der für die Erzeugung dieser
Magnetfelder
erforderlichen magnetischen Kreise ist also sehr
breit, so daß die Anzahl der Amperewindungen und damit der
erforderliche Stromverbrauch sehr groß sind, wenn man einen
ausreichenden Justierbereich erhalten will. Die Herstellung
solcher Verbundresonatoren ist recht teuer aufgrund dieses
Verbundcharakters.
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In der Druckschrift US-A-3 919 673 ist ein
Ferritfilter mit nicht-reziproker Absorption beschrieben, dessen
Absorptionsverluste von der Fortpflanzungsrichtung im
Wellenleiter abhängen. Ein äußeres Magnetfeld wird mit einem
Permanentmagneten angelegt, um den unsymmetrischen Effekt zu
erzielen, demgemäß das gyromagnetische Element als ein
dielektrischer Resonator für die Absorption der
elektromagnetischen Energie in einer ersten Fortpflanzungsrichtung
und in einem engen Frequenzbereich wirkt, dessen
Mittenfrequenz durch die Abmessungen des gyromagnetischen Elements
bestimmt ist. In der entgegengesetzten
Fortpflanzungsrichtung verhält sich das gyromagnetische Element nicht als ein
dielektrischer Resonator, so daß praktisch keine Absorption
erfolgt. Es sei bemerkt, daß die in dieser Druckschrift
beschriebene Vorrichtung nicht in ihrer Frequenz justierbar
ist.
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Die Druckschrift US-A-3 001 154 beschreibt ein
symmetrisches Bandpaßfilter mit Ferrit, dessen
Mittenfrequenz durch Anwendung äußerer Magnetfelder justiert werden
kann. Gemäß der Lehre dieser Druckschrift ist ein Ferritstab
axial in einem Wellenleiter angeordnet, in dem die
elektromagnetische Energie sich in einem Fortpflanzungsmodus
ausbreitet. Um die Abstimmungsfrequenz des Filters zu
erhöhen, braucht man nur ein axiales Magnetfeld auf diesen
Ferritstab anzuwenden. Dieses Feld kann von einer den
Wellenleiter umgebenden Spule erzeugt werden, durch die man
einen elektrischen Strom schickt. Um die Abstimmfrequenz des
Filters zu verringern, braucht man nur ein magnetisches
Transversalfeld an diesen Ferritstab anzulegen. Dieses Feld
kann von einem Elektromagnet erzeugt werden, dessen
Magnetspalt um den Wellenleiter herum und senkrecht zur Achse des
Ferritstabs liegt.
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Da der Magnetspalt verhältnismäßig große Abmessungen
besitzt, ist auch der Strom relativ stark, der erforderlich
ist, um einen gegebenen Justierbereich zu erzielen.
Andererseits ist das System gemäß dieser Druckschrift raumaufwendig
und kompliziert, da zwei aufeinander senkrecht stehende
Felder mit zwei elektromagnetischen Systemen und ihren
getrennten Speisungen erforderlich sind.
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Einen guten Eindruck vom technologischen Hintergrund
der vorliegenden Erfindung verschafft der in der Zeitschrift
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.
MTT-29 (1981), August, Nº 8, Seiten 754 bis 770,
veröffentlichte Aufsatz von M.K. Plourde et al mit dem Titel
"Application of dielectric resonators in microwave components".
Dieser Aufsatz faßt die theoretischen Grundelemente sowie
die verschiedenen klassischen Techniken bei der Konstruktion
von Filtern mit dielektrischen Resonatoren zusammen.
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Schließlich beschreibt die Druckschrift FR-A-2 610
766 der Anmelderin einen Leistungsresonator, der zumindest
teilweise aus polykristallinem Ferrit besteht und dessen
Abstimmung sehr schnell durch Anwendung eines äußeren
justierbaren Magnetfelds verändert wird. Die in dieser
Druckschrift dargelegte Technik beruht auf der Verwendung einer
koaxialen Resonanzleitung, die ausgehend von einem
zylindrischen Stab aus metallisiertem, polykristallinem Ferrit
gebildet wird. Dieser Ferritresonator liegt in einer
Vorrichtung, die ein variables Magnetfeld erzeugen kann.
Dadurch wird die magnetische Permeabilität des Ferritmaterials
so verändert, daß die elektrische Länge der Koaxialleitung
und damit die Frequenz des Resonators verändert wird.
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Diese Technik ergibt jedoch keinen großen Gütewert im
Leerlauf, der für die Herstellung der sehr schmalbandigen
Mikrowellenfilter für moderne Funkstrecken unerläßlich wäre.
Die Leerlaufgüte der in dieser Druckschrift FR-A-2 610 766
beschriebenen Struktur ist durch die metallische
Einschließung der elektromagnetischen Mikrowellenfelder des koaxialen
Hohlraums umso deutlicher eingeschränkt, je mehr die
Dielektrizitätskonstante des Materials die Abmessungen des
Resonanzhohlraums im Vergleich zu einem mit Luft gefüllten
Hohlraum verringert. Außerdem ist die beschriebene Struktur
begrenzt durch das Auftreten von Störmodi, die die Folge
einer eventuellen Vergrößerung der Struktur sind, wenn man
die Leerlaufgüte erhöhen will.
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Die Erfindung sucht diese verschiedenen Mängel zu
beheben. Sie bezieht sich hierzu auf ein justierbares
Mikrowellenfilter, dessen Struktur der von Filtern mit einem oder
mehreren dielektrischen Resonatoren beispielsweise in einem
Wellenleiter ähnelt, der unterhalb der Grenzfrequenz
arbeitet, aber bei dem die Resonatoren mit dielektrischer
Einschließung durch ähnliche Resonatoren ersetzt sind, die aber
aus Ferritmaterial und nicht aus einem rein dielektrischen
Material bestehen, wobei außerdem Mittel vorgesehen sind, um
an diesen Ferritresonator bzw. diese Ferritresonatoren ein
Magnetfeld einer justierbaren Stärke anzulegen, so daß
dadurch die Mittenfrequenz des Filters verschoben wird.
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Genauer betrachtet ist Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ein justierbares Mikrowellenfilter, das mindestens
einen Resonator (1, 15, 16) mit dielektrischer Einschließung
sowie Mittel (11, 11A, 11B, 17) zum Anlegen magnetischer
Felder (H1, H2, H3) justierbarer Stärke aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß dieser Resonator (1, 15, 16) mit
dielektrischer Einschließung aus Ferritmaterial besteht und auf
dem Grund eines Wellenleiters liegt, der im abklingenden
Modus betrieben wird, um eine Verschiebung der
Mittenfrequenz dieses Filters durch Regelung der Stärke dieser
Magnetfelder zu erzielen.
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Gemäß einer Variante der Erfindung enthält das
justierbare Mikrowellenfilter außerdem ein dünnes
dielektrisches
Plättchen (14), und der Resonator (1, 15, 16) mit
dielektrischer Einschließung, der aus Ferritmaterial
besteht, liegt auf diesem dünnen dielektrischen Plättchen, das
seinerseits auf dem Grund des Wellenleiters aufliegt.
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Die Erfindung, ihr Vorzüge und andere Merkmale gehen
aus der nachfolgenden Beschreibung von drei nicht
beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.
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Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel dieses
justierbaren Filters.
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Figur 2 zeigt eine Variante des Filters aus Figur 1.
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Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines
Bandpaßfilters mit mehreren Resonanzelementen.
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Gemäß Figur 1 besteht dieses justierbare
Mikrowellenfilter aus einem Ferritzylinder 1 mit einem Durchmesser D
und einer Höhe h, der, wie die Filter mit dielektrischem
Resonator bzw. dielektrischen Resonatoren gemäß dem Stand
der Technik auf dem Grund eines Bereichs 2 eines
Wellenleiters mit rechteckigem Querschnitt liegt sowie im
abklingenden Modus betrieben wird, d.h. unterhalb der Grenzfrequenz.
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Genauer betrachtet arbeitet der Ferritstab 1 im Modus
TM01δ, während der Wellenleiter 2 im abklingenden Modus gemäß
dem Modus TM&sub1;&sub1; durch eine koaxiale Antenne 3 angeregt wird,
die am Eingang des Filters liegt und wie üblich eine erste
metallische Endplatte 4 durchdringt. Das
Mikrowelleneingangssignal gelangt an diese Antenne 3 über ein koaxiales
Zuführungskabel 5.
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In vollkommen symmetrischer Weise wird das
Ausgangssignal des Filters am anderen Ende des Wellenleiters 2 durch
eine koaxiale Antenne 6 entnommen, die in gleicher Weise die
zweite metallische Endplatte 7 durchdringt und wie üblich
eine Verlängerung des Innenleiters des koaxialen
Ausgangskabels 8 bildet (genauso wie die Antenne 3 ihrerseits eine
Verlängerung des Innenleiters des koaxialen Eingangskabels 5
bildet).
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Der Ferritstab 1 hat die Eigenschaft, die bisher eher
zu unrecht verkannt worden ist, nicht nur eine hohe
magnetische Permeabilität zu bieten, sondern weiter eine eher hohe
dielektrische Permittivität, wobei die relative
Permittivität in der Größenordnung von 15 liegt, während die der
üblichen dielektrischen Resonatormaterialien in der
Größenordnung von 40 liegt. Daher kommt es, daß sich entgegen den
Erwartungen eine dielektrische Einschließung ergibt, die zu
einer Resonatorfunktion führt, ohne daß der Stab durch zwei
konzentrische Metallschichten abgeschirmt wäre, wie dies bei
der Druckschrift FR-A-2 610 766 der Fall ist.
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Die Resonanzfrequenz des Ferritstabs 1 hängt in
Wirklichkeit jedoch vom Produkt aus der dielektrischen
Permittivität mit der magnetischen Permeabilität ab, so daß
tatsächlich die Resonanzfrequenz des Stabs 1 und damit die
Mittenfrequenz des Filters aus Figur 1 verändert werden
kann, indem diese magnetische Permeabilität verändert wird.
Dies ist aber für Ferritmaterial möglich, indem ein
polarisierendes Magnetfeld einer justierbaren Stärke ähnlich wie
in der Druckschrift FR-A-2 610 766 beschrieben angelegt
wird.
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Hierzu liegt der Ferritstab 1 außerdem in einem
Magnetfeld H, das koaxial zum Stab 1 zwischen den beiden
Polstücken 9 und 10 eines Elektromagneten 11 erzeugt wird,
der eine Weicheisen-Magnetkreis 12 und eine von einem
Gleichstrom justierbarer Größe durchflossene Erregungsspule
13 enthält. Indem der Erregungsstrom der Spule 13 verändert
wird, verändert sich das Magnetfeld H und damit die
Resonanzfrequenz des Stabs 1, wodurch die Mittenfrequenz des
Filters verschoben wird.
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Es sei bemerkt, daß die magnetische Leitfähigkeit des
Stabs 1 in Verbindung mit seiner nicht vernachlässigbaren
Höhe h für den Magnetkreis 12 zu einem verhältnismäßig
begrenzten Magnetspalt führt, so daß dieses Feld H in weitem
Maße verändert und damit die Zentralfrequenz des Filters
verschoben werden kann, ohne für die Spulen 13 einen
übergroßen Stromverbrauch zu erfordern.
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Beispielsweise wurde für die Herstellung eines
justierbaren Mikrowellenfilters ein polykristallines
Ferritmaterial vom Granattyp verwendet, dessen wirksame
Linienbreite sehr gering ist, so daß sich ein großer Gütewert
(größer als 2000) ergibt.
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Die Abmessungen des Resonanzzylinders 1 waren
folgende:
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. Durchmesser D : 5,8 mm
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Höhe h : 4,2 mm
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Innenabmessungen für den rechtwinkligen Querschnitt des
Wellenleiters 2 im abklingenden Modus:
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. kleine Seitenlänge: 4,9 mm
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. große Seitenlänge : 10,7 mm
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Anstatt den Ferritzylinder 1 auf dem Grund des
Wellenleiters 2 anzuordnen, kann er auch, wie Figur 2 zeigt,
auf einem dünnen Plättchen 14 aus dielektrischem Material
mit kleiner Permittivität liegen, das seinerseits auf dem
Grund des Wellenleiters 2 liegt, so daß Störungen in
gewissen Fällen vermieden werden können.
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Indem man die Erregung der Spule 13 verändert, kann
die Mittenfrequenz des Mikrowellenfilters gemäß Figur 1 oder
Figur 2 kontinuierlich zwischen 14,450 und 15,445 GHz ohne
übermäßigen Stromverbrauch in diesem Spulen verschoben
werden.
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Schließlich zeigt Figur 3 ein Bandpaßfilter mit
justierbarer Frequenz durch Kombination, in einem
gemeinsamen Wellenleiter 2, von zwei Ferritresonatoren 15 und 16,
die ebenfalls als Resonatoren mit dielektrischer
Einschließung betrieben werden, wobei dieses Filter grundsätzlich den
klassischen Bandpaßfiltern mit dielektrischen Resonatoren
ähnelt (siehe z.B. Figur 1 der erwähnten Druckschrift FR-A-2
590 537), jedoch mit dem Unterschied, daß die gekoppelten
Resonatoren 15 und 16 aus Ferrit bestehen und außerdem
ähnlich wie der Resonator 1 gemäß den Figuren 1 und 2 den
regelbaren magnetischen Feldern H1 und H2 ausgesetzt sind,
die von den Elektromagneten 11A und 11B erzeugt werden.
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Wie schematisch in der Zeichnung angegeben, werden
die Spulen 13A und 13B dieser Elektromagneten 11A und 11B je
mit einem durch eine Speise- und Steuereinheit 17 regelbaren
Erregungsstrom gespeist.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben
beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So können die
relativen Abmessungen der Resonatoren und des Wellenleiters
auch anders gewählt werden. Andere Kopplungsmodi am Eingang
und am Ausgang, beispielsweise mit Hilfe einer Iris-Blende,
können verwendet werden, wobei dann der verwendete
Wellenleiter nicht im abklingenden Modus betrieben werden könnte
usw. Natürlich könnten die Magnetkreise der Elektromagneten,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, Dauermagneten
enthalten, die zur Erzeugung des Magnetfelds beitragen.