DE2006864A1 - Mikrowellenbandpaßfilter zur Unter druckung von höheren Harmonischen - Google Patents
Mikrowellenbandpaßfilter zur Unter druckung von höheren HarmonischenInfo
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- H01P1/212—Frequency-selective devices, e.g. filters suppressing or attenuating harmonic frequencies
Description
Anmelderin: Stuttgart, den 14. Februar 1970
Nippon Electric Company, Limited P 2257 7-15, Shiba Gochome, Minato-ku
Tokio / Japan
Tokio / Japan
Vertreter;
3
Patentanwalt
Dipl.-Ing. Max Bunke . -. ,
7000 Stuttgart 1
Schloßstr. 73 B
Mikrowellenbandpaßfilter zur Unterdrückung
von höheren Harmonischen ~
Die Erfindung betrifft ein Bandpaßfilter zur Unterdrückung
von höheren Harmonischen, bestehend aus einem Wellenleiterabschnitt zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, einem
Paar von Blindleitwertelementen, die an der Innenseite des Wellenleiterabschnitts angeordnet sind, um einen Hohlraum-
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resonator zu begrenzen· wenigstens einer Schraube, die
einstellbar an der Wand des Vellenleiterabschnitts befestigt
ist, in den Hohlraum des Wellenleiters ragt und als kapazitives Element für den Hohlraumresonator
dient. Bei einem solchen Filter soll die beliebige Selektivität der Grundwellenkonponente erhalten bleiben.
In einem Sende-Empfangs-Gerät eines Mikrowellen-Nachrichtensystems
wird eine Wanderwellenröhre als Leistungsverstärker auf der Sendeseite verwendet. Eine
Wanderwellenröhre besitzt jedoch eine Kichtlinearität,
derzufolge unvermeidbar höhere Harmonische in der Verstärkungsstufe erzeugt werden. Solche harmonischen
Komponenten sind für die Mikrowellenübertragung nicht nur unnötig, sondern für das gesamte System unerwünscht,
da es für die übertragung übermäßige Energie erfordert.
Solche unerwünschten Komponenten sollen daher entfernt werden. Gewöhnlich ist ein Bandpaßfilter an das Ausgangsende
des Wanderwellenröhrenverstärkers für diesen Zweck gekoppelt. Ein übliches Bandpaßfilter des Wellenleitertyps
ist jedoch nicht geeignet, höhere harmonische Komponenten zu unterdrücken. Es läßt die höheren Harmonischen
zusammen mit den Grundkomponenten durchlaufen. Um diese Harmonischen zu entfernen, muß zusätzlich zu
dem Bandpaßfilter ein Tiefpaßfilter verwendet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Mikrowellenbandpaßfilter zu schaffen, das in der Lage
ist, unerwünschte höhere harmonische Komponenten zu unterdrücken, so daß für den Zweck der Unterdrückung
von Harmonischen keine zusätzliche FiItereinrichtung
benötigt wird.
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Gelöst wiTd die·· Aufgab· dadurch, daß der axial« Abstand
zwischen den Blindleitwertelementen derart bestiMit
ist· daß die Resonanzfrequenzen des Resonators für höhere Schwingung»typen außerhalb des Bandes
liegen, das zur Unterdrückung der höheren harmonischen
Vellenkomponenten notwendig ist, die in der elektro-■agnetischen
Welle enthalten sind, und daß die einstellbare
Schraube an der Stelle angeordnet ist, an der sie als kapazitives Element für den besonderen
Schwingung·typ für die Grundwellenkomponente der elektromagnetischen Welle und nicht für die Typen der
höheren harmonischen Komponenten dient.
Gemäß der Erfindung läßt sich fin Mikrowellenbandpaßfilter
schaffen, das eine ausreichend hohe Unterdrlickungseigenschaft
gegen die zweite harmonische Komponente besitzt, die unter den höher harmonischen
Komponenten vorherrscht»
Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß di· höheren
harmonischen Komponenten im wesentlichen durch Unterdrückung der zweiten harmonischen Komponente unterdrückt werden können, da die Komponenten, die höher
sind als die zweite, sehr schwach sind und vernachlässigt
warden können. Da die zweiten höheren Harmonischen in dem. Bereich konzentriert sind, in dem die
Übertragungsechwingungstypen der Mikrowellen konzentriert
sind, können die zweiten höheren Harmonischen durch Beseitigung der Komponenten der höheren Schwingungstypen
unterdrückt werden.
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In den Figuren 1 bia 10 der Zeichnungen ist der Gegenstand
der Erfindung beispielsweise dargestellt und nachstehend näher erläutert. Es zeigtt
Fig* 2 ein VellenforadiagrasM, aus de« die Kennlinien
des Bandpaßfiltere der Fig. 1 hervorgehen;
Fig» 3 verschiedene Schwingungstypen, die in einen
Bandpaßfilter der Rechteckwellenart Möglich sind}
Fig. k Kennlinien des Filters zur Erläuterung des
Prinzips der Erfindung;
Fig. 5 scheeatisch ein Bandpaßfilter geaäß dir Erfindung}
Flg. 6 die Kennlinie des Filters der Fig. 5 J
und
Fig. 7 bis IO scheaatisch weitere AuefUhrungsbeispiele
geaäß der Erfindung.
In Fig. 1, die scheswtiech eine perspektivische Ansicht
de« üblichen Bandpaßfilter· zeigt, sind BlifidleitwertelesMnte
11 und 11', von denen jedes aus drei» senkrecht zu der Breitseite eines Rechteckvellenleitere fO für die
TE 10-Ausbreitungeart angeordneten Stäben besteht« «fit
eine« Abstand von einer halben Leiterwellenlänge A g
(d.h. A g/2) angeordnet und bilden einen Hohlraua-
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resonator 12. Mehrere Resonatoren 12 und 13 sind in Reihe mit einem Abstand von Λ g/4 angeordnet. Jeder
der Resonatoren 12 und 13 besitzt eine Abstimmschraube Ik, um an jedem Resonator 12 und 13 den abgestimmten
Zustand zu erzielen.
Dieses Bandpaßfilter besitzt die Dämpfungs/Frequenz-Kennlinie,
wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. In der Zeichnung ist gezeigt, daß die Grenzfrequenz fc20 für den
TE20-Typ gegeben ist durch
c
20 = ä '
20 = ä '
wobei a die Breite der Breitseite und c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Aus der Kurve ist ebenfalls
zu ersehen, daß das Bandpaßfilter nur in dem Bereich selektiv ist, in dem die Frequenz f kleiner als fc2Q
ist. In dem Bereich oberhalb fc2n werden die Eigenschaften
unbestimmt, da das Auftreten möglicher höherer Schwingungstypen die Funktion des Filters stört. Allgemein
ist die zweite Harmonische 2f1Q1, die zweimal so
groß ist wie die Frequenz ?1Ο1 des Durchlaßbereichs
des Bandpaßfilters, höher als fc 2o und ist in dem Be
reich enthalten, in dem eine Störung verursacht wird.
Die Figuren 3(a) bis 3(f) zeigen Feldintensitätsstörungen (in absoluten Verten) des TE101-Grundtyps und
seiner höheren Typen TE201, TE102, TE^011 TE202 und
TE 0_ eines Bandpaßfilters, das aus Blindleitwerten
21 und 21* besteht, von denen jeder drei Stäbe umfaßt, die senkrecht zu der Breitseite eines Rechteckwellen-
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.6-
leitera 20 angeordnet aind. Ba aal angenoaaen, daß dia
lange Linia daa Quarachnittaraehtacka daa Rechteck-Wellenleiters
in der X-Achae, dia kttrxere Linie in der
Y-Achae und dia Längaachae in dar Z-Achaa liegt. Dia
Intanaltataverteilung dea elektrischen Felda daa TE1Q-Grundtyp·
beaitmt einen einsigen sinusförmigen Höcker
Jewella in der X-Y-Ebene und dar Y-Z-Ebene (dar aich
zwiachen den InduktivitMtaataben 21 und 21* eratreckt).
Pig. 3 (b) seift eine Feldintensititeverteilung daa
höheren Type TE201, dar einen ainuaföraigen Doppalhöcker
in dar X-Y-Ebene und einen alnsigan Hocker in dar Y-Z-Ebene (der aich swischen den Induktivitäteatäben
21 und 21* eratrackt) bealtxt. Pig. 3(c) xelgt
eine ähnliche Verteilung dea höheren Type tijno» dar
einen einzigen ainusföraigen Höcker in der X-Y-Ebene
und einen Doppalhöcker in dar Y-Z-Ebene beaitxt (dar
aich «wischen den Induktivitäteatäben 21 und 21* erstreckt). In gleicher Velaa «eigen die Figuren 3(d),
(e) und (f) Intenaltätaverteilungen höherer Typen TE301* TI202 Und 1^ 103* AllgaaMln beseichnen dia Baxugaxeichen
"■" und "n" dea Auadrucka TE die Anzahl dar Höcker der IntenaitätaTerteilung dea elektriachen
Feldes, die in der X-Y- und dar Y-Z-Ebana beobachtet werden.
Ea wird angenoaaien» daß die innere Breite» die in der
X-Bichtung dea Rechteckwellenleiters 20 genessen wird,
a ist, und daß die axiale Lunge dea Vellenleiterabschnitts
bxw. Hohlraums, dar von den Stabreihen 21
und 21* begrenxt wird, geaeaaen in Richtung der Z-Achaa,
1 ist. Die Leiterwellenlänge Λ β der elektroxwgnatiachen
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Velle, di· sieb in dm Wellenleiter als TE aon"*TyP *ue*
breitet, wird dann ausgedrückt durch
(D
Wenn bsi der Lance 1 des Hohlräume Resonanz auftritt,
dann filt
&- \ β - 1 (2)
Die Resonanzfrequenz f bei der Hohlraualänge ist aus
den Gleichungen (i) und (2) gegeben durch
Norxtlert bmui die #l«ichungen (3) durch Verwendung der
Grenzfrequenz fo (s ' ) und der Grenzwellenlänge Λ c
(= 2a), so ändert sich die Gleichung (3) in
(5)
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1
2a
2a
Pig. 4 zeigt Kennlinien, die Ergebnisse der Berechnung aus Gleichung (5) sind. In Fig. k stellt die Abszisse
^r— (die Resonanzfrequenz für den TE -Typ, noreiert
durch die Grenzfrequenz f (s -rj) für den TE101-Grundtyp)
dar, und die Ordina-te stellt -γ— (die Länge 1 des
Hohlrauas.noraiert durch die Grenzwellenlänge Ac (= 2a)
des TE101-Grundtyps) dar. Paraaeter für diese Kennlinien
sind die Zahlen a und n. Die Kennlinie 31 zeigt die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz f für den Grundtyp
TE101 und der Hohlraualänge l,noraiert durch die Grenzfrequenz
und die Grenzwellenlänge fUr den Typ TE101
selbst. Die Kennlinie 32 zeigt die Beziehung zwischen
der Resonanzfrequenz f eines höheren Typs TE201 und
die Hohlraualänge 1 noraiert durch die Grenzfrequenz f und die Grenwellenlänge Ac des Grundtyps 101
In gleicher Weise zeigen die Kennlinien 3 bis 7 die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz f für ßöheren
ΤΕ1Ο2· "301» TE2O2» TE103 Und TE3O2 ^*1 der
und die Grenzwellenlänge A c für den Grundtpy TE
101*
109808/117·
Ein Bandpaßfilter aus einen Rechteckwellenleiter ist
allgenein so entworfen, daß es mit den Wert —7—
1C
in den Bereich zwischen 1,4 und 1,8 arbeitet. Z.B. liegt in einen WRJ-4-Wellenleitertyp für 4000 MHz
der Wert ·*■=— zwischen 1,4 und 1,63. Bei den WRJ-$-
*c zwischen 1,58 und 1,71* Es ist daher offensichtlich,
daß die zweite Harmonische in den 7:— -Wertebereich
1C
zwischen 2,8 und 3,3 bzw. zwischen 3,1 und 3*6 unterdrückt
werden nuß. Un dieses Ziel zu erreichen, sollten die Resonanzkurven nie in diesen Bereich fallen. In
Fig. 4 erfüllt der schraffierte Bereich diese Bedinpng. Genauer gesägt ist der Bereich günstig, in den der Vert
-τ— in den Bereich zwischen 0,2 und 0,3 liegt. Der
ac ^
Grund hierfür ist folgender: Venn die Verte in
den Bereich 0,3 und 0,6 liegen, treten die Kennlinien
33» 35 und 36 jeweils für die Typen TE102* TE202 und
TE 0_ auf. Dies ist nicht günstig, un die höheren Typen
zu beseitigen. In gleicher Weise wird in den Bereich oberhalb 0,6 die Resonanzfrequenz für den Grundtyp
niedriger als die erwünschte Resonanzfrequenz
f und ist sehr schwer anzuheben. In den Bereich unter-ο
halb 0,2 ist die Resonanzfrequenz unnötig hoch und ebenfalls schwer abzusenken. Wählt nan daher die Hohlraunlänge
1 so, daß sie in diesen Bereich fällt, dann kann die zweite hamonische Teilschwingung unterdrückt
werden. Dies erhöht jedoch den Vert von ττ—" *>uf einen
1C
Wert, der von 1,9 bis 2,7 reicht, wie durch die Kennlinie 31 gezeigt ist. Un ihn wieder in den Bereich
zwischen 1,4 und 1,8 zurückzustellen, nuss ein kapazitives
Elenent in den Hohlraun der Fig. 3(») eingefügt
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werden, ua so die Resonanzfrequenz für den Grundtyp
zu verhindern. In diese· Fall aussen die Resonanzfrequenzen
der höheren Typen TE20 , TE102, TE^01, TE202 und
TE10^ so ausgebildet werden, daß -jr— nicht in den Bereich
zwischen 2,4 und 3,6 koaaen kann, da dieser Bereich zu den unerwünschten zweiten höheren Haraonischen
gehört, die alt den höheren Typen aitschwingen könnten. Das Verfahren, ua dies zu erreichen, ist wie folgt:
Vie durch die Kennlinie 32 in Fig. 4 angegeben ist, ist es für den höheren Typ TE201 ausreichend, seine Resonanzfrequenz
zu veraindern oder sie ungeändert zu lassen. Vie in Fig. 3(b) gezeigt ist, liegt die Stelle, an der
das Feld des Typs TE20 ein Miniaua besitzt, auf der
Mittellinie E-E* auf der Hauptebene des Rechteckwellenleiters
20. Dies bedeutet, dass die Resonanzfrequenz des Typs TE201 durch Einfügung eines kapazitiven Stabes
an einer Stelle alt Auanahae E-E* vermindert werden
kann. In diesea Falle ist die Grenzfrequenz f 2Q, noraiert
durch die Grenzfrequenz f für den Typ ( ) gleich 2, ein Vert, der ausreichend oberhalb
des Frequenzbereichs für den Typ TE101 liegt, der von
1,4 bis 1,8 reicht. Das bedeutet, daß für den Typ der kapazitive Stab irgendwo angeordnet werden kann·
Da auch die Resonanzfrequenzen für die höheren Typen TE103, TE1^01, TE302 alt Auenahae von TE103 ausreichend
hoch sind, ist die Unterdrückung der zweiten Haraonischen
nicht problematisch· Es aüssen daher nur dl·
Typen TE102, TE301 und TE202 in Betracht gesogen werden
Ua zu verhindern, dall die Resonanzfrequenzen für dl· drei Typen TE102, TE301 und TE202 zu nieder werden und
•in bestiaates besonderes Band infolge der Einfügung
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-ΙΙ-
kapazitiven Stab·· in den Hohlraum erreichen,
au0 diea«r kapazitive Stab an einer aolchen Stelle angeordnet
werden« an der da· Feld eine· jeden höheren
Typ· TE102, TE301 und TE202 ein Minimi« besitzt. Ua
auch die Resonanzfrequenz der Grundwelle TE101 abzusenken,
au·· der kapazitive Stab an einer solchen Stelle angeordnet werden, an der das Feld des Grundtype
TE101 ein Maxima besitzt. FUr den Typ TE102
sollte der kapazitive Stab auf der Mittellinie A-A* des Hohlraua· angeordnet werden, wie in Fig. 3(c) gezeigt
ist. FOr den Typ TE301 sollten die kapazitiven
Stabe auf den Dreiteilungslinien B-B* und C-C* auf
der Hauptebene lange der Längsachse angeordnet werden,
wie in Fig. 3(d) gezeigt 1st. FUr den Typ TE202 iet
da· Eleaent auf der Mittellinie A-A* des Hohlrauas und
auch der Mittellinie E-E* auf der Hauptebene des Rechteckwellenleiters,
wie in Flg. 3(·) gezeigt ist. Di· diesen Typen geaelns&aen Stellen sind D und D*, an
denen die Mittellinie A-A' des Hohlrauas sich alt den
Dreiteilungelinien B-B* und C-C* schneidet, wie in Flg. 3(f) gezeigt 1st. Vie oben beschrieben wurde,
bereitet es bei dea Typ TE201 kein Problee, die zweite
haraonische Teilschwingung zu unterdrücken. Ua den Typ
TE201 zu unterdrücken, ist es notwendig, das Bandpaßfilter
ayaaetriach auszubilden, da die Feldintensit&taverteilung
auf einer Seite in der Phase entgegengesetzt ist zu der der anderen Seite, bezogen auf die Mittellinie
E-E* auf der Hauptebene, und daher sollte eine Koaponente einer Phase stets von einer entsprechenden
Koaponente der entgegengesetzten Phase in einea Wellenleiter begleitet sein.
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Aueführungsforaen der Erfindung werden weiterhin anhand
der Figuren 5 und 6 beschrieben. Un zu verhindern, daß die Resonanzfrequenz der anderen Typen ale des Typs
TE-O1 in den Bereich unterhalb der Frequenz fallen,
die zweiaal so groß wie die Resonanzfrequenz der Grundwelle ist, wird die Länge 1 des Hohlraums des Rechteckwellenleiter·
gleich 1/3 X g la Gegensatz zu der entsprechenden Länge e/2 Λ g des üblichen Bandpaßfiltere
geaacht und einstellbare kapazitive Eleaente (Schrauben) kl und 4»1* werden an zwei Stellen eingebaut, an denen
die Dreitellungelinien 42 und k2' auf der Hauptebene
des Rechteckwellenleiters 4O sich ait der Halbierenden
4*3 des Bereiche 1 zwischen den induktiven Stäben kk und
kk* schneiden. Vie aus den Figuren 3(c),(d) und (e) und deren Beschreibung zu ersehen ist, sind die kapazitiven
Stäbe an den Stellen angeordnet, an denen die Feldinten« eltät ein Miniaua bezüglich der höheren Typen TE102,
TE-Q1 und TE-02 "»α i" wesentlichen ein Maxiaua bezüglich
des Grundtype TE101 besitzt. Durch Verwendung der
kapazitiven einstellbaren Schrauben k^ und *M · kann ein
gewünschter Durchlaßbereich für den Grundtyp TE101 erhalten
werden, wobei die Resonanzfrequenzen für die hlheren Typen ausserhalb des Durchlaßbereiche gehalten
werden. Auch der Typ TE201 wird infolge der Syaaetrie
de· Filters unterdrückt.
Flg. 6 zeigt die Däapfungs/Frequenz-Kennlinien des
Filtere der Fig. 5 zur Unterdrückung der zweiten Haraonlechen.
VIe «ich aus der Kennlinie ergibt, ist dieses
Filter in der Lage, die htfheren Typen in de« Frequenz-
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bereich zu unterdrücken, der zweimal so hoch ist wie die Resonanzfrequenzen des Grundtyps. Insbesondere unterdrückt
dieses Filter die höheren Typen in dem Bereich,
x»
in dem γ— von 2,8 bis 3,6 erreicht, während der Vert
■ψ— für den Durchlaßbereich der Grundwelle von 1,4 bis
1^8 reicht. Somit wird die zweite harmonische Wellenkomponente
beseitigt.
Die Figuren 7 bis 9 zeigen weitere Ausführungsformen.
Diese beruhen auf der Tatsache, daß, wie oben beschrieben wurde, der höhere Typ TE201 außerhalb der Betrachtung
gelassen werden kann, wenn die zweite Harmonische unterdrückt werden soll und daher der Aufbau des Bandpaßfilters
nicht symmetrisch zu sein braucht.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur eines der symmetrischen Elemente der Fig. 5 verwendet ist.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem
eines der einstellbaren kapazitiven Elemente (Schraube) an der gegenüberliegenden Hauptfläche des Wellenleiters
angebracht ist.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zwei kapazitive Elemente anstelle eines in der Nähe der
Stelle angeordnet sind, die der des kapazitiven Elements der Fig. 7 entspricht. In ähnlicher Weise können die Anordnungen
der Figuren 5 und 8 durch Ersatz des einzigen kapazitiven Elements durch mehrere kapazitive Elemente,
die um die Stellen wie in Fig. 5 oder 8 angeordnet sind, abgewandelt werden.
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Fig. 10 zeigt eine Anordnung, bei der die kapazitiven Eleaente wie in Flg. 7 zusätzlich an der unteren Hauptebene dea Wellenleiters angeordnet sind. Dia gleiche
Anordnung kann in Verbindung alt den Figuren 5 und 7 durchgeführt werden.
Anhand der verschiedenen AuefUhrungebeispiela wurden
einstufige BandpaBfiltar beschrieben. Ia allgemeinen
beateben die Bandpaßfilter zur Unterdrückung von höheren
Haraonischen aus aehreren Stufen. Selbetveratändlich
kann die Erfindung auch auf aolche aehretufige Bandpaßfilter
angewendet werden. Die Erfindung let auch auf ein Viertel-Wellenlängen-Koppel- und Direkt-Koppel-Bandpaßfilter
zur Unterdrückung von höheren Haraonischen anwendbar.
Dar Rechteckwellenleiter, der bei den obigen AuafUhrungabeispielen
verwendet wurde, kann durch einen kreisförmigen oder elliptischen Wellenleiter ereetzt werden.
Auch kann die Anzahl der Blindleitwertstäbe, die bei
den Ausführungabaiepielen zur Begrenzung eine» Jaden
Stufe dea Filtere verwendet werden, nicht notwendigerweise drei sein. Sie kann zwei, vier oder Jede andere
beliebige Zahl aein. Ausserdea können dieaa Stäbe Fensterfora oder Jede andere Fora besitzen.
Bei den Auefflhrungabeispielen wurden zwei eineteilbare
Schrauben ala veränderbare kapazitive Elemente an symmetrischen Stellen an der Hauptebene bzw. an den
Hauptebenen verwendet. Die Anzahl dar Schrauben kann
Jedoch beliebig gewählt werden. Die Stellaader kapazitiven Elemente mflaeen nicht notwendigerweiee β]
trieeh aain.
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Di* Erfindung kann auch zur Unterdrückung höh·rar Hareoniechar
ala dar »weiten Haraoniachen verwand«t warden·
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Claims (1)
- PatentanspruchBandpaOfliter zur Unterdrückung von höheren Harmonischen, bestehend au· einem Wellenleiterabschnitt zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, einem Paar von Blindleitwertelementen, die an der Innenseite des Wellenleiterabschnitts angeordnet sind, um einen Hohlraumresonator zu begrenzen, und wenigstens einer Schraube, die einstellbar an der Wand des Wellenleiterabschnitte befestigt ist, in den Hohlraum des Wellenleiters ragt und als kapazitives Element für den Hohlraumresonator dient, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen den Blindleitwertelementen (21, 2A' ikk,kk*) derart bestimmt ist, daß die Resonanzfrequenzen des Resonators f(ir höhere Schwingung β typen außerhalb des Bandes liegen, das zur Unterdrückung der höheren harmonischen Wellenkomponenten notwendig ist, die in der elektromagnetischen Welle enthalten sind, und daß die einstellbare Schraube (^I ,^1f) an der Stelle angeordnet ist, an der sie als kapazitives Element für den besonderen Schwingungetyp für die Grundwellenkomponente der elektromagnetischen Welle und nicht für die Typen der höheren harmonischen Komponenten dient.109808/ 1 178
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