EP0835533A1 - Hohlleiterfilter - Google Patents

Hohlleiterfilter

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EP0835533A1
EP0835533A1 EP96922868A EP96922868A EP0835533A1 EP 0835533 A1 EP0835533 A1 EP 0835533A1 EP 96922868 A EP96922868 A EP 96922868A EP 96922868 A EP96922868 A EP 96922868A EP 0835533 A1 EP0835533 A1 EP 0835533A1
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EP
European Patent Office
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waveguide
ind
conductor structure
designed
waveguide filter
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EP96922868A
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Stefan Rust
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Daimler Benz Aerospace AG
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
    • H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/02—Coupling devices of the waveguide type with invariable factor of coupling
    • H01P5/022—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions
    • H01P5/024—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions between hollow waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators

Definitions

  • the invention relates to a hollow conductor filter according to the preamble of patent claim 1.
  • waveguide circuits compliance with the legal provisions with regard to the frequency band specifications and in particular with regard to the suppression of the interference radiation generated by oscillators, for example a harmonic of the useful signal, represents a not inconsiderable part of the development costs of a device concept. So far, the use of cavity resonators has been used in waveguide circuits , which are coupled with waveguide diaphragms, and the use of resonance structures in the area of the fin is known in FIN line circuits. Waveguide apertures are designed according to the known theories of waveguide aperture technology (Waveguide Handbook, N. Marcuwitz, Mc Graw-Hill Book Company INC., Edition 1986).
  • the waveguide diaphragms are designed as planar structures with, for example, circular, slot-shaped or H-shaped diaphragm openings and are inserted in a cross-sectional plane of an elongated waveguide perpendicular to the waveguide axis between a feeding and a further section of the waveguide.
  • the apertures When used as a bandpass filter, the apertures are operated at their own resonance, which is known to be set for slot-shaped apertures with an electrically effective slot length of half a wavelength of the useful frequency.
  • the transmittance T of slot-shaped diaphragm openings is determined with the slot width.
  • the waveguide diaphragms designed as bandpass filters only have an attenuation curve corresponding to the resonance curve outside their passband.
  • bandpass filters it is generally not possible to specifically block interfering frequency multiples of the useful frequency.
  • the known bandpass filters have to be supported with additional filter measures.
  • the required volume of the known bandpass filter interferes.
  • the manufacturing costs for FIN conductors with resonance structures are relatively high.
  • the object of the invention is to provide a bandpass filter for waveguides, which additionally serves as a blocking filter for the targeted suppression of interference frequencies. This object is achieved by the features of claims 1 and 2. Developments of the invention are specified in the subclaims.
  • the invention has the advantage that the transmission of a useful frequency and a targeted suppression of interference frequencies is possible with a single component with little effort.
  • manufacturing tolerances can be maintained with little effort and it only requires a small installation depth. Due to its symmetrical structure, the disturbance mode excitation is minimal.
  • FIG. 1 shows the principle of the conductor structure of a waveguide filter according to the invention for rectangular waveguides
  • FIG. 2a to 2c show transmission curves of individual diaphragm openings and of the entire waveguide filter
  • FIG. 3 shows a two-circuit waveguide filter with two conductor structures and arranged one behind the other
  • FIG. 4a to FIG. 4d show transmission curves of individual diaphragm openings and of the entire two-circuit hollow conductor filter.
  • FIG. 1 shows the conductor structure 2 of a waveguide filter, which is placed on the cross-sectional area of a rectangular waveguide 1.
  • the conductor structure 2 is formed in a metal layer on a planar, one-sided metallized dielectric substrate.
  • a centrally arranged diaphragm opening 3 and two further diaphragm openings 4 are integrated into the conductor structure 2 and are symmetrically assigned to the centrally arranged diaphragm opening 3.
  • the diaphragm openings 3, 4 are designed as slot conductors short-circuited on both sides and arranged parallel to one another and perpendicular to the vectors 5 of the adjacent waveguide E field.
  • the electrically effective length of the centrally arranged slot conductor is half a wavelength of the transmission frequency f (ind 0) and the electrically effective length of the assigned slot conductor is half a wavelength of an interference frequency f (ind S1) of the waveguide filter to be blocked.
  • the slot conductors dimensioned in this way are self-resonant for the assigned frequencies and radiate with maximum power in the adjoining further section of the waveguide 1.
  • the transmission phases of the centrally arranged slot conductor and those of the assigned slot conductors have in the frequency range f (ind 0) - f (ind Sl) opposite signs and different phase steepness, so that the amount of the sum vector of the overlapping slot conductor fields is minimized in the further section of the waveguide 1.
  • the effect according to the invention can optionally also be achieved if only one slot conductor is assigned to the centrally arranged slot conductor in the manner described above.
  • the assignment of two slot conductors has the advantage that the interference mode excitation is minimal due to the symmetrical structure of the waveguide filter.
  • An arrangement of the two assigned slot conductors in the vicinity of the border 6 of the hollow conductor interior also contributes to this.
  • the assignment of the transmission frequency and the interference frequency to be blocked to the diaphragm openings 3 and 4 can also be inverted, so that the centrally arranged diaphragm opening 3 to the interference frequency f (ind S1) and the assigned diaphragm openings 4 to the transmission frequency f (ind 0 ) are designed.
  • FIG. 2a to FIG. 2c show the transmission curves of the waveguide filter according to FIG. 1.
  • FIG. 2a shows the transmission curve of the centrally arranged slot conductor
  • FIG. 2b shows the transmission curve of the cooperating assigned slot conductors
  • FIG. 2c the transmission curve of all superimposed slot conductor fields of the waveguide filter.
  • a dual-circuit waveguide filter is to be constructed with regard to the blocking effect, this can be done according to the method shown in FIG. 3 realize embodiment shown in that two spaced conductor structures 2, which basically correspond to the embodiment of FIG. 1 are designed to be used in the waveguide.
  • the distance between the conductor structures 2 is a quarter of the wavelength of the transmission frequency f (ind 0).
  • the natural resonances of the assigned slot conductors of the one conductor structure 2 are designed for a first interference frequency f (ind S1) and those of the second conductor structure for a second interference frequency f (ind S2).
  • the natural resonances of the centrally arranged slot conductors are designed for the transmission frequency f (ind 0) in both conductor structures.
  • FIG. 4a shows the transmission curve of one of the centrally arranged slot conductors.
  • FIGS. 4b and 4c show the transmission curves of the two cooperating assigned slot conductors of a conductor structure for the respective interfering frequency.
  • FIG. 4d shows the transmission curve of the entire two-circuit waveguide filter. In addition to the blocking effects at the interference frequencies f (ind S1) and f (ind S2), the curve shows a flattening in the transmission range around the frequency f (ind 0).
  • the waveguide filter according to the invention can also be designed for waveguides with other cross-sectional shapes, it being necessary to ensure that the slotted conductors are aligned perpendicular to the vectors 5 of the adjacent waveguide E field.
  • the conductor structure 2 can be a metal foil, the thickness of which must not be greater than one eighth of the wavelength of the highest interference frequency to be blocked. However, it can also be formed in a metal layer of a dielectric substrate metallized on one side, the filter properties deteriorating with increasing size of the dielectric constant of the substrate.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bandpaßfilter für einen Hohlleiter zu schaffen, das zusätzlich als Sperrfilter für die gezielte Unterdrückung von Störfrequenzen dient. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Hohlleiterblende zusätzlich zu einer zentral angeordneten Blendenöffnung (3) zwei gleich ausgebildete Blendenöffnungen (4) aufweist, die auf Eigenresonanz für eine von dem Hohlleiterfilter zu sperrende Störfrequenz f(ind S1) ausgelegt und symmetrisch zu der zentralen Blendenöffnung (3) angeordnet sind. Die Erfindung dient in Hohlleitergeräten zur Einhaltung der gesetzlich vorgegebenen Frequenzspezifikationen und zur gleichzeitigen Unterdrückung von Störfrequenzen.

Description

Beschreibung
"Hohlleiterfilter"
Die Erfindung betrifft Die Erfindung betrifft ein Hohllei¬ terfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für Hohlleiterschaltungen stellt die Einhaltung der ge¬ setzlichen Bestimmungen bezüglich der Frequenzbandspezifi- kationen und insbesondere bezüglich der Unterdrückung der von Oszillatoren erzeugten Störstrahlungen, z.B. einer Harmonischen des Nutzsignales, einen nicht unerheblichen Teil der Entwicklungskosten eines Gerätekonzeptes dar. Bisher ist in Hohlleiterschaltungen die Verwendung von Hohlraumresonatoren, welche mit Hohlleiterblenden verkop¬ pelt sind sowie bei FIN-Leitungsschaltungen die Verwendung von Resonanzstrukuren im Bereich der Finne bekannt. Die Auslegung von Hohlleiterblenden erfolgt nach den be¬ kannten Theorien der Hohlleiterblendentechnik (Waveguide Handbook, N. Marcuwitz, Mc Graw-Hill Book Company INC., Edition 1986) . Die Hohlleiterblenden sind als planare Strukturen mit z.B. kreis-, schlitz- oder H-förmigen Blendenöffnungen ausgebildet und in einer Querschnitt¬ sebene eines länglichen Hohlleiters lotrecht zur Hohl¬ leiterachse zwischen einem speisenden und einem weiter¬ führenden Abschnitt des Hohlleiters eingesetzt. Als Bandpaßfilter verwendet, werden die Blendenöffnungen bei Eigenresonanz betrieben, die bekannterweise für schlitz¬ förmige Blendenöffnungen bei einer elektrisch wirksamen Schlitzlänge von einer halben Wellenlänge der Nutzfrequenz eingestellt ist. Mit der Schlitzbreite ist der Transmis- sionsgrad T von schlitzförmigen Blendenöffnungen bestimmt. Die als Bandpaßfilter ausgelegten Hohlleiterblenden haben außerhalb ihres Durchlaßbereiches nur einen der Resonz- kurve entsprechenden Dämpfungsverlauf. Insbesondere ist mit diesen Bandpaßfiltern im allgemeinen keine gezielte Sperrung von bestimmten störenden Frequenzvielfachen der Nutzfrequenz möglich. Dazu müssen die bekannten Bandpa߬ filter mit zusätzlichen Filtermaßnahmen unterstützt wer¬ den. In vielen Fällen, wie z.B. bei Kleingeräten oder bei Sensoren stört das erforderliche Volumen der bekannten Bandpaßfilter. Die Herstellkosten für FIN-Leitern mit Resonanzstrukturen sind relativ hoch.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Bandpaßfilter für Hohl¬ leiter zu schaffen, das zusätzlich als Sperrfilter für die gezielte Unterdrückung von Störfrequenzen dient. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Weiterbildungen der Erfin¬ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Transmission einer Nutzfrequenz und eine gezielte Unterdrückung von Störfre¬ quenzen mit einem einzigen Bauelement bei geringem Aufwand möglich ist. Mit dem erfindungsgemaßen Hohlleiterfilter lassen sich Herstellungstoleranzen mit geringem Aufwand einhalten und es benötigt nur eine geringe Einbautiefe. Aufgrund seines symmetrischen Aufbaus ist die Störmoden¬ anregung minimal.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
FIG. 1 zeigt das Prinzip der Leiterstruktur eines erfin¬ dungsgemäßen Hohlleiterfilters für rechteckförmige Hohl¬ leiter,
FIG. 2a bis FIG.2c zeigen Transmissionskurven einzelner Blendenöffnungen und des gesamten Hohlleiterfilters,
FIG. 3 zeigt ein zweikreisiges Hohlleiterfilter mit zwei hintereinander angeordneten Leiterstrukturen und
FIG. 4a bis FIG. 4d zeigen Transmissionskurven einzelner Blendenöffnungen und des gesamtem zweikreisigen Hohllei¬ terfilters. FIG. 1 zeigt die Leiterstruktur 2 eines Hohlleiterfilters, die auf die Querschnittsflache eines rechteckförmigen Hohlleiters 1 aufgesetzt ist. Die Leiterstruktur 2 ist in einer Metallschicht auf einem planaren, einseitig metalli¬ sierten, dielektrischen Substrat ausgebildet. In die Lei¬ terstruktur 2 sind eine zentral angeordnete Blendenöffnung 3 und zwei weitere Blendenöffnungen 4 integriert, die der zentral angeordneten Blendenöffnung 3 symmetrisch benach¬ bart zugeordnet sind.
Die Blendenöffnungen 3, 4 sind als beidseitig kurzge¬ schlossene Schlitzleiter ausgebildet und zueinander pa¬ rallel und lotrecht zu den Vektoren 5 des angrenzenden Hohlleiter-E-Feldes angeordnet. Die elektrisch wirksame Länge des zentral angeordneten Schlitzleiters beträgt eine halbe Wellenlänge der Transmissionsfrequenz f(ind 0) und die elektrisch wirksame Länge der zugeordneten Schlitzlei¬ ter beträgt jeweils eine halbe Wellenlänge einer zu sper¬ renden Störfrequenz f(ind Sl) des Hohlleiterfilters. Die so dimensionierten Schlitzleiter befinden sich für die zugeordneten Frequenzen in Eigenresonanz und strahlen mit maximaler Leistung in den angrenzenden weiterführenden Abschnitt des Hohlleiters 1. Die Transmissionsphasen des zentral angeordneten Schlitzleiters und die der zugeord- neten Schlitzleiterhaben im Frequenzbereich f(ind 0) - f (ind Sl) entgegengesetzte Vorzeichen und unterschiedliche Phasensteilheit, so daß in dem weiterführenden Abschnitt des Hohlleiters 1 der Betrag des Summenvektors der sich überlagernden Schlitzleiterfelder minimiert ist. Durch eine Variation der elktrisch wirksamen Schlitzleiterbreite läßt sich bei Schlitzleitern bekannterweise der Transmis- sionsgrad (und damit die Amplitude des aus dem Schlitz- leiter abgestrahlten E-Feldes) beeinflussen. Damit läßt sich über eine Anpassung der einzelnen Schlitzbreiten zueinander für die zu sperrende Störfrequenz f(ind Sl) in dem weiterführenden Abschnitt des Hohlleiters 1 eine optimale Kompensation der abgestrahlten Schlitzleiter¬ felder einstellen.
Die erfindungsgemäße Wirkung kann optional auch erzielt werden, wenn dem zentral angeordneten Schlitzleiter nur ein Schlitzleiter in der vorangehend beschriebenen Weise zugeordnet ist. Die Zuordnung von zwei Schlitzleitern hat aber den Vorteil, daß aufgrund der symmetrischen Struktur des Hohlleiterfilters die Störmodenanregung minimal ist. Dazu trägt auch eine Anordnung der beiden zugeordneten Schlitzleiter in der Nähe der Umrandung 6 des Hohlleiter- innenraumes bei.
Grundsätzlich kann die Zuordnung der Transmissions- und zu sperrenden Störfrequenz zu den Blendenöffnungen 3 und 4 auch invertiert werden, so daß die zentral angeordnete Blendenöffnung 3 auf die Störfrequenz f(ind Sl) und die zugeordneten Blendenöffnungen 4 auf die Transmissions¬ frequenz f(ind 0) ausgelegt sind.
Anstelle des in FIG. 1 gezeigten Ausfuhrungsbeispieles mit Schlitzleitern sind für die Blendenöffnungen 3 und 4 auch andere Querschnittsformen, die für die gewünschten Fre¬ quenzen Eigenresonanzen aufweisen, denkbar; z.B. H-förmige Blendenöffnungen. FIG. 2a bis FIG. 2c zeigen die Transmissionskurven des Hohlleiterfilters gemäß FIG. 1. In FIG. 2a ist die Trans¬ missionskurve des zentral angeordneten Schlitzleiters gezeigt, FIG. 2b zeigt die Transmissionskurve der zusam- menwirkenden zugeordneten Schlitzleiter und FIG. 2c die Transmissionskurve aller überlagerten Schlitzleiterfelder desHohlleiterfilters.
Soll bezüglich der Sperrwirkung ein zweikreisiges Hohl- leiterfilter aufgebaut werden, dann läßt sich dies gemäß dem in FIG. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch ver¬ wirklichen, daß zwei beabstandete Leiterstrukturen 2, die grundsätzlich entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG. 1 ausgebildet sind, in den Hohlleiter eingesetzt werden.
Der Abstand der Leiterstrukturen 2 zueinander beträgt ein viertel der Wellenlänge der Transmissionsfrequenz f (ind 0) . Die Eigenresonanzen der zugeordneten Schlitzleiter der einen Leiterstruktur 2 sind auf eine erste Störfrequenz f(ind Sl) und die der zweiten Leiterstruktur auf eine zweite Störfrequenz f(ind S2) ausgelegt. Die Eigenreso¬ nanzen der zentral angeordneten Schlitzleiter sind in beiden Leiterstrukturen auf die Transmissionsfrequenz f(ind 0) ausgelegt.
Die Transmissionskurven für das in FIG. 3 gezeigte Hohl¬ leiterfilter sind in den Figuren 4a bis 4d dargestellt. FIG. 4a zeigt die Transmissionskurve eines der zentral angeordneten Schlitzleiter. Die Figuren 4b und 4c zeigen die Transmissionskurven der beiden zusammenwirkenden zuge¬ ordneten Schlitzleiter einer Leiterstruktur für die je- weilige Storfrequenz. FIG. 4d zeigt die Transmissionskurve des gesamten zweikreisigen Hohlleiterfilters. Neben den Sperrwirkungen bei den Störfrequenzen f(ind Sl) und f(ind S2) zeigt die Kurve eine Abflachung im Transmissionsbe- reich um die Frequenz f(ind 0) herum.
Das erfindungsgemaße Hohlleiterfilter läßt sich auch für Hohlleiter mit anderen Querschnittsformen ausbilden, wobei darauf zu achten ist, daß die Schlitzleiter lotrecht zu den Vektroren 5 des angrenzenden Hohlleiter-E-Feldes aus¬ gerichtet sind.
Die Leiterstruktur 2 kann eine Metallfolie sein, deren Dicke nicht größer als ein Achtel der Wellenlänge der höchsten zu sperrenden Ξtörfrequenz sein darf. Sie kann aber auch in einer Metallschicht eines einseitig metalli¬ sierten, dielektrischen Substrats ausgebildet sein, wobei mit zunehmender Größe der Dielektrizitätskonstanten des Substrats die Filtereigenschaften schlechter werden.

Claims

Patentansprüche
1. Hohlleiterfilter, das als planare Leiterstruktur in einer Querschnittsebene eines länglichen Hohlleiters lotrecht zur Hohlleiterachse zwischen einem speisenden und einem weiterführenden Abschnitt des Hohlleiters ein- gesetzt ist und eine zentral angeordnete Blendenöffnung aufweist, die auf Eigenresonanz für eine gewählte Trans- missionsfrequenz f(ind 0) ausgelegt ist, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Leiterstruktur (2) zusätzlich zu der zentral angeordneten Blendenöffnung (3) zwei gleich aus- gebildete Blendenöffnungen (4) aufweist, die auf Eigen¬ resonanz für eine von dem Hohlleiterfilter zu sperrende Störfrequenz f(ind Sl) ausgelegt und symmetrisch zu der zentralen Blendenöffnung (3) angeordnet sind.
2. Hohlleiterfilter, das als planare LeiterStruktur in einer Querschnittsebene eines länglichen Hohlleiters lotrecht zur Hohlleiterachse zwischen einem speisenden und einem weiterführenden Abschnitt des Hohlleiters eingesetzt ist und mindestens eine Blendenöffnung aufweist, die auf Eigenresonanz für eine gewählte Transmissionsfrequenz f(ind 0) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die LeiterStruktur (2) eine zentral angeordnete Blendenöffnung (3) aufweist, die auf Eigenresonanz für eine mit dem Hohl- leiterfilter zu sperrende Störfrequenz f(ind Sl) ausgelegt ist und daß die Leiterstruktur (2) zusätzlich zu der zen¬ tral angeordneten Blendenöffnung (3) zwei gleich ausgebil¬ dete Blendenöffnungen (4) aufweist, die auf Eigenresonanz für eine gewählte Transmissionsfrequenz f(ind 0) ausgelegt und symmetrisch zu der zentralen Blendenöffnung (3) ange¬ ordnet sind.
3. Hohlleiterfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die zentral angeordnete Blendenöffnung (3) und die zusätzlichen Blendenöffnungen (4) als Schlitz¬ leiter ausgebildet sind, daß die Schlitzleiter lotrecht zu den Vektoren (5) des angrenzenden Hohlleiter-E-Feldes aus¬ gerichtet sind und daß die elektrisch wirksame Längen der Schlitzleiter je nach zugeordneter Eigenresonanzfrequenz eine halbe Wellenlänge der Transmissionsferequenz f (ind O) oder der Störfrequenz f(ind Sl) beträgt.
4. Hohlleiterfilter nach Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Schlitzleiterbreiten auf die gewünschte Transmissions- und Sperrwirkung abgestimmt sind.
5. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite LeiterStruktur (2) in eine Querschnittsebene des Hohlleiters mit einem Ab¬ stand zu der ersten Leiterstruktur (2) eingesetzt ist, der etwa einer viertel Wellenlänge der Transmissionsfrequenz f(ind 0) entspricht und daß die zweite Leiterstruktur (2) eine zentrale Blendenöffnung (3) mit einer Eigenresonanz bei der Transmissionsfrequenz f(ind O) und zwei zusätzliche Blendenöffnungen (4) jeweils mit einer Eigenresonanz bei einer zu sperrenden zweiten Störfrequenz f(ind S2) aufweist, die von der ersten Störfrequenz f(ind Sl) abweicht.
6. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstruktur (2) aus einer Metallfolie besteht, in die die Blendenöffnungen (3,4) eingearbeitet sind.
7. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstruktur (2) aus einem einseitig metallisierten, dielektrischen Substrat besteht und daß die Blendenöffnungen (3,4) in die Metall¬ schicht des Substrats eingearbeitet sind.
8. Hohlleiterfilter nach einem der Anεprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohl¬ leiters (1) eine Rechteckform aufweist.
9. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschitt des Hohlleiters (1) eine Kreisform aufweist.
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