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Zusammenfassung (Deutsch)

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neue Methode für den rechnergestützten Abgleich von Mikrowellenfiltern und Multiplexern für Raumfahrtanwendungen entwickelt. Typische Spezifikationen für solche Filter erfordern schmale relative Bandbreiten, eine niedrige Dämpfung im Durchlassbereich und geeignetes Frequenzverhalten im Sperrbereich. Zur Erfüllung dieser Erfordernisse wird meistens die Hohlleitertechnologie eingesetzt, wobei die Filter durch gekoppelte Resonatoren mit hohen unbelasteten Güten in Single- und Dual-Mode Technologie realisiert werden. Diese passiven Komponenten müssen für die Raumfahrtanwendung qualifiziert und daher trotz höchster Qualitätsanforderungen mit möglichst geringem Zeitaufwand und kostengünstig gefertigt werden. Deshalb sind die Verfügbarkeit von effizienten Simulationswerkzeugen und die Rechnerunterstützung in der Abgleich- und Testphase unerlässlich.

Die Notwendigkeit, Software für den rechnergestützten Abgleich zu entwickeln, ergibt sich aus der Tatsache, dass die Fertigungsverfahren mit endlichen Toleranzen behaftet sind und höhere Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit höhere Kosten bedingen. Filter mit schmaler relativer Bandbreite, hoher absoluter Betriebsfrequenz und komplexen Anforderungen an den Frequenzgang von Betrag und Phase der Übertragungsfunktion erfordern die Einhaltung kleiner Toleranzen und machen somit eine Abstimmung des Filters nach der Fertigung notwendig. Dieser Abgleich wird durch die Einstellung derjenigen Filterparameter erzielt, welche das Verhalten des Filters maßgeblich bestimmen, nämlich der Resonanzfrequenzen und Kopplungen. Der in dieser Dissertation behandelte rechnergestützte Abgleich bietet die Möglichkeit, die Abgleichkosten gegenüber dem rein manuellen Abgleich deutlich zu senken.

Die aus der Literatur bekannten Algorithmen unterstützen nur den sogenannten Feinabgleich, für den die Filterparameter bereits "nahe" an den Zieldaten liegen müssen. Der Vorabgleich, bei dem die größten Parameteränderungen korrigiert werden müssen, wird jedoch nicht unterstützt. Der Zustand der Kopplungen und Resonanzfrequenzen nach der Fertigung und der Montage des Filters ist zufällig, und das inverse Problem, nämlich die Identifizierung der Parameter aus gemessenen Daten, ist uneindeutig. Die Algorithmen funktionieren also nur dann, wenn die Kopplungen und Resonanzfrequenzen des gemessenen Filters den Zieldaten bereits sehr nah sind und damit die Parameteridentifizierung "lokal eindeutig" und die Konvergenz des Abgleichs sichergestellt wird.

Der neuartige Algorithmus löst das inverse Problem und erlaubt den vollständigen Abgleich, (Vor- und Feinabgleich) eines Mikrowellenfilters aus gekoppelten Resonatoren. Der Anfangszustand für die Abstimmprozedur ist ein definiert verstimmtes Filter, bei dem alle Resonanzfrequenzen stark verstimmt und alle Kopplungen minimiert sind. Dieser Zustand ist sowohl schnell zu realisieren, als auch einfach zu modellieren. Für diesen Anfangszustand und auch für das ideale Filterverhalten werden Filtermodelle generiert. Ein weiteres aktuelles und adaptives Modell folgt dem Filterzustand während des Abgleichs und ist die wichtigste Neuheit des Verfahrens. Die Parameter des aktuellen Modells, nämlich Kopplungskoeffizienten und Resonanzfrequenzen, werden durch eine Methode zur Parameteridentifizierung bestimmt. Das Ziel des rechnergestützten Abgleichs ist die Konvergenz des adaptiven Modells auf das ideale Modell. Der praktische Abgleich wird durch die sequentielle Abstimmung jeder Resonanzfrequenz und Kopplung durchgeführt. Der Algorithmus erlaubt gleichzeitig die Einstellung der Filterparameter und die Diagnose, d.h. die Identifikation der fehlerbehafteten Parameter, deren Werte außerhalb des Toleranzbereichs liegen. Fehlerbehaftete oder unabgleichbare Parameter können also einfach detektiert und korrigiert werden. Durch den neuen vorgeschlagenen Ansatz werden alle einstellbaren Filterparameter systematisch eingestellt und die Zielfunktion erreicht. Zahlreiche Beispiele zum Filterabgleich zeigen erhebliche Reduktion der Abgleichzeiten für Filter und Multiplexer und bestätigen die Gültigkeit der vorgeschlagenen Methode.

Zusammenfassung (Englisch)

This work introduces a new concept for computer-aided tuning of microwave filters and multiplexers for satellite applications. Typical specifications for these filters demand a small fractional bandwidth, low inband insertion loss, quasi-elliptic frequency response and compensated group-delay response. These specifications are met by employing waveguide technology, where the filters are composed from high-Q coupled resonators in single- and dual-mode operation. These passive components must be space qualified and, therefore, have to be produced in highest quality, but also in a time-efficient and cost-effective manner. Consequently, the availability of efficient simulation tools and computer support are essential during design and test phase.

The necessity to develop software for computer-aided tuning arises from the fact that each manufacturing process is associated with certain tolerances. Furthermore, higher precision in manufacturing increases the costs. Filters with small fractional bandwidth, high centre frequency and elliptic characteristic are very sensitive to parameter changes and require low tolerances. Therefore, post-production tuning of these filters becomes necessary. Tuning is accomplished via variations (usually by means of tuning screws) of those parameters which determine the frequency response of the filter, namely resonant frequencies and coupling coefficients. The development of efficient algorithms for computer-aided tuning offers the possibility of minimising tuning costs.

The applicability of efficient algorithms found in the literature is restricted to the so-called fine-tuning case, where the measured filter response is already close to the target response. Algorithms for pre-tuning where strong deviations have be corrected, are rarely found in the literature. After manufacturing and assembly the state of couplings and resonant frequencies of a filter is coincidental. The associated inverse problem, i.e. the identification of the filter parameters from measured data, has no unique solution. For this reason, the algorithms rely on pre-tuned filters, possessing a frequency response sufficiently close to the desired response. This offers the necessary condition for a "locally unique" solution of the inverse problem and the convergence of the tuning process.

The presented new algorithm solves the inverse problem and allows the complete tuning procedure (pre- and fine-tuning) for microwave filters with multiple-coupled resonators. An accurately defined detuned state represents the initial state of the tuning procedure. For this purpose all resonant frequencies are strongly detuned and the couplings are minimized. The tuning algorithm employs three different filter models. The first one represents the initial (de-tuned) state of the filter, the second one models the ideal filter and represents the target of the tuning procedure. The third one is an adaptive coarse model and follows the state of the filter during the alignment. This model represents the most important novelty of the tuning approach. The parameters of the coarse model, i.e. resonant frequencies, coupling coefficients and resonator losses, are identified by means of a certain numerical method. The goal of the computer-aided tuning procedure is the convergence of the adaptive model to the ideal model and is obtained by sequentially aligning all resonant frequencies and coupling coefficients. The algorithm offers the possibility to carry out tuning and diagnosis (the detection of those components that are out-tolerance, so that they can be replaced), simultaneously. In this way detuned and out-of-tolerance components can be detected and corrected. Several practical examples including low and high degree filters as well as multiplexers confirm the effectiveness of the proposed approach in both tuning and diagnosis.

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