EP1004149A1 - Hohlleiterfilter - Google Patents

Hohlleiterfilter

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EP1004149A1
EP1004149A1 EP98947357A EP98947357A EP1004149A1 EP 1004149 A1 EP1004149 A1 EP 1004149A1 EP 98947357 A EP98947357 A EP 98947357A EP 98947357 A EP98947357 A EP 98947357A EP 1004149 A1 EP1004149 A1 EP 1004149A1
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waveguide
filter according
waveguide filter
area
band
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EP98947357A
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Wolfgang Hauth
Dietmar Schmitt
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Tesat Spacecom GmbH and Co KG
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Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01P1/211—Waffle-iron filters; Corrugated structures

Definitions

  • the invention is based on a waveguide filter with an input-side and / or an output-side
  • Step transformer area and an area of alternating waveguide sections Step transformer area and an area of alternating waveguide sections.
  • Such a waveguide filter is known from Microwave Filters Impedance-atching Networks and Coupling Structures, Matthaei, Young, Jones, Mc Graw Hill Book Company 1964, pages 398 to 408, in particular Figure 7.05-8 on page 405.
  • the area increases in height alternating waveguide sections there consists of a waffle iron filter structure.
  • step transformers are arranged with step areas, the length of each of which is ⁇ "/ 4, where ⁇ " denotes the waveguide wavelength in the pass band.
  • a waveguide filter is known from ANT sympatheticenentechnischeberichte, Issue 5, November 1988, pages 114 to 120, with step transformers on the input and output sides and an intermediate region of coupled resonators in the form of a “corrugated waveguide filter” (Matthaei, Young, Jones, p. 358, 2nd paragraph) with low-pass behavior.
  • the waveguide filter with the measures of claim 1 allows the construction of waveguide filters with high slope and short overall length.
  • Waveguide filters with a high slope are principally to be realized with conventional "corrugated waveguide” filter structures.
  • this would require a very large number of elements, ie short rectangular waveguide sections connected in chain with alternating small and large heights and thus a large overall length and mass.
  • the high The number of elements would also lead to a very high attenuation in the pass band, which is particularly unacceptable when used in satellites.
  • long cavity resonators are used either from the waveguide branching off from the waveguide via a coupled ⁇ g '/ 2 (with ⁇ g' equal to the waveguide wavelength in the stop band range) or fully coupled ⁇ g '/ 4 long stub lines which are short-circuited at the end (Matthaei, Young, Jones, pages 725 to 768).
  • the distance between the resonators or stub lines is odd multiples of ⁇ g '/ 4.
  • three filter circuits would add at least ⁇ g '/ 2 to the total length of a conventional low-pass filter.
  • step transformer In contrast, in the invention, geometrically closely spaced locking members are used, the ones above are also integrated into the step transformer (s). These two measures provide a blocking area with very high blocking attenuation directly above the pass band and at the same time reduce the number of stages required. This allows in particular
  • the width and depth of the stop area can be adapted to the respective requirements in a flexible manner.
  • the waveguide filter according to the invention has a very short overall length.
  • the entire structure can be manufactured using cost-effective milling technology and, with suitable dimensions, does not require any adjustment elements.
  • the filter according to the invention is particularly suitable for the suppression of unwanted secondary signals from traveling wave tubes in communication satellites, since it provides high blocking attenuation with a short overall length both directly above the pass band and in a very large frequency spacing.
  • the area of waveguide sections that alternate in height can be called a "corrugated waveguide"
  • Web waveguide filter area ridged waveguide
  • waffle iron filter area The design as a waffle iron filter area has the additional advantage that in the area of the second and third Harmonics are also attenuated signal components that spread in the form of higher waveguide modes.
  • the signals of the individual transmission channels are routed to a common busbar (output multiplexer) with the aid of suitably connected narrow-band channel filters and from there to the antenna.
  • the traveling field tubes used as transmission amplifiers produce, in addition to the useful signal, undesired secondary signals (noise or harmonics of the transmission signal) which may only reach the antenna in a greatly weakened form.
  • the channel filters have poor wide selection, additional low-pass filters have to be inserted in the transmission branch. Particularly high demands are placed on the blocking attenuation of these filters in the receiving bands of the satellite, e.g. the bands II and III at 14 and 18 Ghz ( Figure 3).
  • Band II in the current generation of satellites is very close above transmission band I, in which the low-pass filter has its pass band.
  • the filter When transitioning into the restricted area, an extremely high slope is therefore required.
  • the filter must also have a high blocking attenuation at the second and third harmonics (bands IV and V) at 24 and 35 Ghz. All of these requirements are to be met with the filter according to the invention.
  • the filter according to the invention provides an optimal compromise between the electrical and mechanical (mass, volume) properties.
  • FIG. 1 shows a waveguide filter according to the invention in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a waveguide filter according to the invention in a top view
  • Figure 3 shows the attenuation and adaptation curve of a waveguide filter according to the invention over frequency.
  • Figure 1 shows an example of a waveguide filter according to the invention in a longitudinal section. It consists of an input and an output-side step transformer area 1 and 3 and one
  • Intermediate area 2 consisting of a chain of short rectangular waveguide sections with alternating small and large heights, the small sections acting as parallel capacitors and the large ones as series inductors.
  • the step transformer areas 1 and 3 are used for
  • Step transformer areas 1 and 3 each have a bandstop 4 or 5 integrated, which is preferably at a jump point
  • Step transformer - in the exemplary embodiment between the waveguide section of height b2 and the waveguide section b3, or accordingly between the waveguide section of height b5 and b6 - is arranged.
  • Such a bandstop preferably consists of geometrically closely spaced blocking members 41, 42, 43 and 51, 52, 53, here in the form of short-circuited stub lines with a length of approximately ⁇ g '/ 4.
  • Geometrically close to each other here means that the otherwise usual intermediate lengths of at least ⁇ g '/ 4 are eliminated, that is, the distance between the locking members is small compared to ⁇ g '/ 4.
  • These stub lines appear in the top view according to FIG. 2 as webs running over the entire waveguide width.
  • the waffle iron filter has the additional advantage that it is in the range of the second and third harmonics (bands IV and V in Figure 3) also attenuates signal components which propagate in the form of higher waveguide modes
  • Both filter types generally have a low input impedance, ie they are designed for the connection cross section ax b4, b4 being significantly smaller than the further connection heights bl
  • the length of the steps is approximately ⁇ g / 4, where ⁇ g denotes the waveguide wavelength in the pass band.
  • FIG. 3 which shows the attenuation and adaptation curve a over frequency f together with the frequency bands I to V intended for transmission, shows the extremely high slope at the transition from the pass band to the stop band.
  • the blocking elements on the input and output sides should each have symmetrical blocking behavior in pairs. With different waveguide heights, as shown in Figure 1, the lengths of the stub lines are, however, asymmetrical.
  • a ridge waveguide filter structure (ridged waveguide) can also be provided.
  • the measures of the invention are not limited to applications in rectangular waveguides.
  • the invention can also be used for filters in coaxial line technology, for example in the case of ANT - sympatheticenentechnischeberichte, Issue 2, December 1984, pages 36 to 41, in particular Figure 10, known filter type can be used.
  • the step transformer area on the input or output side can also be omitted, in particular if the height of the desired connecting waveguide corresponds to the input or output height of area 2.
  • locking members can also be designed differently.

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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)

Abstract

Bei einem Hohlleiterfilter mit einem eingangs- und/oder ausgangsseitigen Stufentransformatorbereich (1, 3) ist mindestens eine Bandsperre (4, 5) bestehend aus geometrisch dicht aufeinanderfolgenden Sperrgliedern (41, 42, 43; 51, 52, 53) in diesen Stufentransformatorbereich (1, 3) integriert. Mit diesen Maßnahmen lassen sich Hohlleiterfilter mit hohen Flankensteilheiten und geringer Baulänge aufbauen.

Description

Hohlleiterfilter
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Hohlleiterfilter mit einem eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen
Stufentransformatorbereich sowie einem Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte.
Ein solches Hohlleiterfilter ist bekannt aus Microwave- Filters Impedance- atching Networks and Coupling Structures, Matthaei, Young, Jones, Mc Graw Hill Book Company 1964, Seiten 398 bis 408, insbesondere Figur 7.05-8 auf Seite 405. Der Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte besteht dort aus einer Waffeleisenfilterstruktur. Jeweils eingangs-und ausgangsseitig dieser Struktur sind Stufentransformatoren angeordnet mit Stufenbereichen, deren Länge jeweils λ„/4 beträgt, wobei λ„ die Hohlleiterwellenlänge im Durchlaßbereich bezeichnet.
Aus ANT Nachrichtentechnische Berichte, Heft 5, November 1988, Seiten 114 bis 120 ist ein Hohlleiterfilter bekannt mit eingangs- und ausgangsseitigen Stufentransformatoren sowie einem dazwischenliegendem Bereich gekoppelter Resonatoren in Form eines „corrugated waveguide filters" (Matthaei, Young, Jones, S. 358, 2. Absatz) mit Tiefpaßverhalten. Vorteile der Erfindung
Das Hohlleiterfilter mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 gestattet den Aufbau von Hohlleiterfiltern mit hohen Flankensteilheiten und geringer Baulänge.
Hohlleiterfilter mit hoher Flankensteilheit sind prinzipiell mit herkömmlichen „corrugated waveguide"-Filterstrukturen zu realisieren. Dies würde jedoch eine sehr hohe Zahl von Elementen, d.h. in Kette geschalteten kurzen Rechteckhohlleiterabschnitten mit abwechselnd kleiner und großer Höhe und damit eine große Baulänge und Masse erfordern. Die hohe Elementezahl würde darüberhinaus zu einer sehr hohen Dämpfung im Durchlaßbereich führen, die insbesondere beim Einsatz in Satelliten nicht vertretbar ist .
Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung hoher Flankensteilheiten besteht im Einsatz zusätzlicher relativ schmalbandiger Bandsperrfilter. Bei bekannten Ausführungsformen von Hohlleiterbandsperren werden entweder vom Hohlleiter abzweigende über eine angekoppelte λg'/2 (mit λg' gleich der Hohlleiterwellenlänge im Sperrbereich der Bandsperre) lange Hohlraumresonatoren oder voll angekoppelte λg'/4 lange und am Ende kurzgeschlossene Stichleitungen verwendet (Matthaei, Young, Jones, Seiten 725 bis 768) . Der Abstand zwischen den Resonatoren bzw. Stichleitungen beträgt dabei ungerade Vielfache von λg'/4. Beim Einsatz von z.B. drei Filterkreisen würden damit zu der Gesamtlänge eines herkömmlichen Tiefpaßfilters noch mindestens λg'/2 hinzukommen .
Bei der Erfindung werden hingegen geometrisch dicht aufeinanderfolgende Sperrglieder verwendet, die darüber hinaus noch in den/die Stufentransformator/en integriert sind. Diese beiden Maßnahmen liefern unmittelbar oberhalb des Durchlaßbereiches einen Sperrbereich mit sehr hoher Sperrdämpfung und reduzieren gleichzeitig die Anzahl der erforderlichen Stufen. Damit lassen sich insbesondere
Hohlleitertiefpaßfilter mit sehr kurzer Baulänge aufbauen.
Wenn die Stichleitungen einer Bandsperre voneinander unterschiedliche Längen aufweisen, kann die Breite und Tiefe des Sperrbereiches den jeweiligen Anforderungen in flexibler Weise angepaßt werden.
Da die bei Bandsperren bekannter Ausführung üblichen Zwischenlängen von λg'/4 zwischen den Sperrgliedern/am Ende kurzgeschlossenen Stichleitungen wegfallen und darüber hinaus weniger Anpaßstufen benötigt werden, weist das erfindungsgemäße Hohlleiterfilter eine sehr kurze Baulänge auf. Die ganze Struktur kann in kostengünstiger Frästechnik hergestellt werden und erfordert bei geeigneter Dimensionierung keine Abgleichelemente.
Das Filter nach der Erfindung eignet sich insbesondere für die Unterdrückung unerwünschter Nebensignale von Wanderfeldröhren in Nachrichtensatelliten, da es bei kurzer Baulänge sowohl unmittelbar oberhalb des Durchlaßbereichs als auch in sehr großem Frequenzabstand eine hohe Sperrdämpfung liefert.
Der Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte kann als „corrugated waveguide", als
Steghohlleiterfilterbereich (ridged waveguide) oder als Waffeleisenfilterbereich ausgestaltet sein. Die Ausgestaltung als Waffeleisenfilterbereich hat den zusätzlichen Vorteil, daß im Bereich der zweiten und dritten Harmonischen auch noch Signalanteile gedämpft werden, die sich in Gestalt höherer Hohlleitermoden ausbreiten.
In Nachrichtensatelliten werden die Signale der einzelnen Sendekanäle mit Hilfe geeignet verschalteter schmalbandiger Kanalfilter auf eine gemeinsame Sammelschiene geleitet (Ausgangsmultiplexer) und von dort weiter zur Antenne geführt. Die als Sendeverstärker eingesetzten Wanderfeldröhren produzieren jedoch neben dem Nutzsignal noch unerwünschte Nebensignale (Rauschen bzw. Harmonische des Sendesignals) , die nur in stark abgeschwächter Form zur Antenne gelangen dürfen. Da die Kanalfilter eine schlechte Weitabselektion aufweisen, müssen zusätzliche Tiefpaßfilter in den Sendezweig eingefügt werden. Besonders hohe Anforderungen an die Sperrdämpfung dieser Filter bestehen in den Empfangsbändern des Satelliten, z.B. die Bänder II und III bei 14 bzw. 18 Ghz (Figur 3) . Das Band II liegt bei der derzeitigen Satellitengeneration sehr dicht oberhalb des Sendebandes I, in dem das Tiefpaßfilter seinen Durchlaßbereich aufweist. Beim Übergang in den Sperrbereich ist daher eine extrem hohe Flankensteilheit gefordert. Gleichzeitig muß das Filter aber auch noch bei der zweiten und dritten Harmonischen (Bänder IV und V) bei 24 und 35 Ghz eine hohe Sperrdämpfung aufweisen. Alle diese Forderungen sind mit dem Filter nach der Erfindung einzuhalten.
Weitere wesentliche Eigenschaften eines solchen Eingangtiefpaßfilters sind die Abmessungen und die Masse. Das erfindungsgemäße Filter liefert einen optimalen Kompromiß zwischen den elektrischen und mechanischen (Masse, Volumen) Eigenschaften.
Zeichnungen Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein erfindungsgemäßes Hohlleiterfilter im Längsschnitt, Figur 2 ein erfindungsgemäßes Hohlleiterfilter in einer Draufsicht und
Figur 3 den Dämpfungs-und Anpassungsverlauf eines erfindungsgemäßen Hohlleiterfilters über der Frequenz.
Beschreibung von Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Hohlleiterfilter in einem Längsschnitt. Es besteht aus einem eingangs- und einem ausgangsseitigen Stufentransformatorbereich 1 bzw. 3 sowie einem
Zwischenbereich 2 bestehend aus einer Kette von kurzen Rechteckhohlleiterabschnitten mit abwechselnd kleiner und großer Höhe, wobei die kleinen Abschnitte als Parallelkapazitäten und die großen als Serieninduktivitäten wirken. Die Stufentransformatorbereiche 1 und 3 dienen zur
Anpassung der anzuschließenden Hohlleiter, deren Abmessungen für das Nutzband ausgelegt sind. In den
Stufentransformatorbereichen 1 und 3 ist erfindungsgemäß jeweils eine Bandsperre 4 bzw. 5 integriert, die vorzugsweise an einer Sprungstelle eines
Stufentransformators - im Ausführungsbeispiel zwischen dem Hohlleiterabschnitt der Höhe b2 und dem Hohlleiterabschnitt b3 , bzw. entsprechend zwischen den Hohlleiterabschnitt der Höhe b5 und b6 - angeordnet ist. Eine solche Bandsperre besteht vorzugsweise aus geometrisch dicht aufeinanderfolgenden Sperrgliedern 41, 42, 43 bzw. 51, 52, 53, hier in Form von am Ende kurzgeschlossenen Stichleitungen mit einer Länge von etwa λg'/4. Geometrisch dicht aufeinanderfolgend bedeutet hier, daß die sonst üblichen Zwischenlängen von mindestens λg'/4 wegfallen, d.h. , der Abstand der Sperrglieder untereinander klein gegenüber λg'/4 ist. Diese Stichleitungen erscheinen in der Draufsicht gemäß Figur 2 als über die gesamte Hohlleiterbreite verlaufende Stege. Bei dem in Figur 1 dargestellten Hohlleitertiefpaßfilter kann es sich z.B. um ein gewöhnliches „corrugated filter" oder vorzugsweise - wie in Figur 2 dargestellt - um ein Waffeleisenfilter handeln. Das Waffeleisenfilter hat den zusätzlichen Vorteil, daß es im Bereich der zweiten und dritten Harmonischen (Bänder IV, und V in Figur 3) auch noch Signalanteile dämpft, die sich in Gestalt höherer Hohlleitermoden ausbreiten. Beide Filtertypen haben im allgemeinen eine niedrige Eingangsimpedanz, d.h. sie sind für den Anschlußquerschnitt a x b4 ausgelegt, wobei b4 deutlich kleiner ist als die weiteren Anschlußhöhen bl bzw. b6. Zur Anpassung an die äußeren Querschnitte sind daher normalerweise - je nach gewünschter Durchlaßbandbreite und Querschnittsverhältnis - auf jeder Seite mehrere Transformationsstufen erforderlich. Die Integration einer Bandsperre mit n (hier n =3) sehr dicht aufeinanderfolgenden Stichleitungen ergibt bei geeigneter Dimensionierung eine hohe Durchlaßbandbreite bei geringerer Stufenzahl und liefert gleichzeitig unmittelbar oberhalb des Durchlaßbereiches (Band II) die geforderte hohe Sperrdämpfung. Im dargestellten Beispiel benötigt man für das Höhenverhältnis bl/b4 nur zwei Stufen der Höhen b2 und b3 und für das Verhältnis b6/b4 nur eine Stufe der Höhe b5. Die Länge der Stufen beträgt ebenso wie bei normalen Stufentransformatoren ungefähr λg/4, wobei λg die Hohlleiterwellenlänge im Durchlaßbereich bezeichnet. Aus Figur 3, die den Dampfungs- und Anpassungsverlauf a über der Frequenz f zusammen mit den für die Übertragung vorgesehenen Frequenzbändern I bis V zeigt, ist die extrem hohe Flankensteilheit beim Übergang vom Durchlaß -in den Sperrbereich ersichtlich. Um gute Übertragungseigenschaften zu erzielen, sollten die eingangs- und ausgangsseitigen Sperrglieder jeweils paarweise symmetrisches Sperrverhalten aufweisen. Bei unterschiedlichen Hohlleiterhöhen, wie in Figur 1 dargestellt, sind die Längen der Stichleitungen allerdings unsymmetrisch.
Anstelle eines „corrugated waveguide-filters" oder eines Waffeleisenfilters kann auch eine Steghohlleiterfilterstruktur (ridged waveguide) vorgesehen sein. Die Maßnahmen der Erfindung sind nicht auf Anwendungen bei Rechteckhohlleitern beschränkt. So kann die Erfindung auch bei Filtern in koaxialer Leitungstechnik, beispielsweise bei dem aus ANT-Nachrichtentechnische Berichte, Heft 2, Dezember 1984, Seiten 36 bis 41, insbesondere Bild 10, bekannten Filtertyp angewendet werden.
Es kann auch der eingangsseitige oder ausgangsseitige Stufentransformatorbereich entfallen, insbesondere wenn der gewünschte Anschlußhohlleiter in der Höhe mit der Eingangs- oder Ausgangshöhe des Bereiches 2 übereinstimmt.
Das Vorsehen von Sperrgliedern kann natürlich zusätzlich auch an weiteren Sprungstellen des/der Stufentransformators/Stufentransformatoren 1 bzw. 3 erfolgen.
Außerdem können die Sperrglieder auch andersartig ausgebildet sein.

Claims

Ansprüche
1. Hohlleiterfilter mit einem eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Stufentransformatorbereich (1, 3) sowie einem Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte (2), dadurch gekennzeichnet, daß in den/die Stufentransformatorbereiche (1, 3) mindestens eine Bandsperre (4, 5) in Form von mindestens zwei geometrisch dicht aufeinanderfolgenden Sperrgliedern (41, 42, 43; 51, 52, 53) integriert ist.
2. Hohlleiterfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandsperre (4, 5) aus geometrisch dicht aufeinanderfolgenden am Ende kurzgeschlossenen Stichleitungen besteht.
3. Hohlleiterfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichleitungen der Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) einer Bandsperre voneinander unterschiedliche Längen aufweisen.
4. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Sperrglieder (41 42, 43; 51, 52, 53) untereinander klein gegenüber λg/4 ist, wobei λg die Hohlleiterwellenlänge im Durchlaßbereich bezeichnet.
5. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ende kurzgeschlossenen Stichleitungen etwa eine Länge von λ„'/4 aufweisen, wobei λg' die Hohlleiterwellenlänge im Sperrbereich der Bandsperre bezeichnet .
6. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) jeweils eingangs- und ausgangsseitig des Bereiches sich in der Höhe abwechselnder
Hohlleiterabschnitte (2) angeordnet sind und einen Abstand von jeweils etwa λg/4 von diesem Bereich aufweisen.
7. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich sich in der Höhe abwechselnder Hohlleiterabschnitte (2) als Steghohlleiterfilterbereich oder Waffeleisenfilterbereich ausgebildet ist.
8. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangs- und ausgangsseitigen Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) der Bandsperren jeweils paarweise symmetrisches Sperrverhalten aufweisen.
9. Hohlleiterfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrglieder (41, 42, 43; 51, 52, 53) einer Bandsperre (4) an einer Sprungstelle des/der
Stufentransformatorbereichs/Stufentransformatorbereiche ( 1 , 3) angeordnet sind.
10. Verwendung des Hohlleiterfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Tiefpaßfilter in einem Sendezweig eines Hochfrequenzleistungsverstärkers, insbesondere eines Wanderfeldrohrenverstarkers für einen Satelliten mit relativ dicht nebeneinanderliegenden Sende- und Empfangsbändern.
EP98947357A 1997-08-21 1998-07-28 Hohlleiterfilter Expired - Lifetime EP1004149B1 (de)

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PCT/DE1998/002133 WO1999010947A1 (de) 1997-08-21 1998-07-28 Hohlleiterfilter

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