Mikrowellen-Hohlleiterabschwächer grosser Belastbarkeit
Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Hohlleiterabschwächer grosser Belastbarkeit für H,,-Wellen. Solche Abschwächer, welche einstellbar oder nicht einstellbar sein können und kleine Reflexionen aufweisen sollen, werden in der Messtechnik und in Mikrowellensystemen vermehrt benötigt, weil die verfügbaren und verwendeten Mikrowellenleistungen von Jahr zu Jahr zunehmen. Die bisherigen Abschwächerkonstruktionen genügen leistungsmässig nicht mehr oder sind nur in fixen Ausführungsformen für grosse Belastungen geeignet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Um die Wirkungsweise des neuen Abschwächerprinzips zu erläutern, geht man von einer einzelnen Hohlleiterverzweigung aus: Spannt man in einen Rechteckhohlleiter mit dem Seitenverhältnis a : b 2 :1 I parallel zur Breitseite ein dünnes Blech längs des Hohlleiters ein, wie Fig. 1 zeigt so teilt sich die von A herkommende, im H10-Modus angeregte Mikrowellenenergie entsprechend den Teilhöhen Ab und b2 in die zwei durch das Trennblech gebildeten Teilhohlleiter auf. Die dadurch gebildete Serieverzweigung entspricht einem Spannungsteiler, dessen Wellenwiderstandswerte linear mit den Teilhohlleiterhöhen Ab und b2 verknüpft sind, wie in Fig. 2 angegeben.
Die Leistung P1, die von links in den rechts reflexionsfrei abgeschlossenen Spannungsteiler einfliesst ist:
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Die Spannung U2 ist:
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Damit wird die Leistung am Hohlleiterausgang rechts:
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daraus das Leistungsverhältnis:
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Das logarithmische Dämpfungsmass eines Einzel-Spannungsteilers wird demnach:
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Und da Z = c cb;AZ= b;AZ =cc-Ab;Z2= c-b2 ist, wird die Dämpfung des Spannungsteilers in Abhängigkeit der Hohlleiterteilhöhen:
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Die in den Teilhohlleiter mit Wellenwiderstand AZ hineinlaufende Energie interessiert nicht, da sie im Abschlusswiderstand R in Fig. 2 ganz in Wärme umgesetzt wird.
Bei kleinen Teilhöhen Ab kann der Teilhohlleiter mit dem Abschlusswiderstand R aufgerichtet werden, wie Fig. 3 zeigt, ohne dass an der Dämpfungsberechnung wesentliches ändert. b2 wird FY b und damit die Dämpfung: #b + b a1Olog- b + b dB
Wird nun der Teilhohlleiter mit der Höhe Ab ganz mit einem verlustbehafteten Dielektrikum gefüllt wie Fig. 4 zeigt, so hängt dessen Wellenwiderstand AZs ausser von Ab auch noch von der relativen Dielektrizitätszahl E, und der Permeabilitätszahl L, des Dielektrikums ab.
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so wird AZ± K K AZLuft.
Die ganze Dielektrikumsfüllung wirkt dann als Abschluss R und setzt die in ihn einlaufende Mikrowellenenergie in Wärme um. Die Dämpfung wird nun: #b.K+ b a 10 log b [dB
Um eine gleichmässige Wärmeverteilung im Abschwächer zu erhalten, werden in beiden Breitseiten des Hohlleiters Spannungsteilerschlitze angebracht wie in Fig. 5 gezeigt wird. Hier wird die Schlitzpaardämpfung: apaar 2-10 log Ab-K+b [dB] b
Wenn eine Dielektrikumsmischung mit frequenzunabhän
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verwendet wird, so wird die Teilerdämpfung über den ganzen Frequenzbereich des Hohlleiters frequenzunabhängig.
Zur Erreichung einer Gesamtdämpfung von etwa 10 dB müssen nun bei einer Einzelteilerpaardämpfung von beispielsweise 0,2 dB pro Paar 50 Einzelteilerpaare hintereinander geschaltet werden. Dies kann wie in Fig. 6 angedeutet, geschehen.
Wegen der Notwendigkeit der Kleinhaltung der Summenreflexion ra bei A-:A in Fig. 6, können die Einzelteiler nicht beliebig nahe beieinander angeordnet werden, wie später gezeigt werden soll. Nimmt man vorerst einen kleinstmöglichen Teilerabstand 1 = 2 Ab an (Fig.
6), so ergibt sich bei einer Schlitzbreite von Ab = 0,2 b und einem gewählten
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der Absorptionsmischung eine Paardämpfung von #b.K+b apaar# 20 log b apaar # 20 log 0,2.b.0,11 + b 0,2 dB b
Bei einer Gesamtbaulänge L von beispielsweise 20 b (im 7-GHz-Band entspricht das ungefähr 30 cm) und Einzellänge 1 = 2 Ab = 2 0,2 b ergibt dies eine Teilerpaarzahl 20 b n = - 50
2-0,2-b
Die Gesamtdämpfung wird daraus: gesamt = 50 - 0,2 = 10 FdBi
Häufig sind jedoch grössere Dämpfungswerte bei ungefähr gleichbleibender Baulänge L 20 - b erwünscht.
Dies kann erreicht werden, indem die Hohlleiterhöhe b über der Absorptionsstrecke L reduziert wird und alle andern Dimensionen beibehalten werden. Wird beispielsweise im oben berechneten Fall die Höhe b auf b' = 1/5. b reduziert, wird die Einzelpaar-Dämpfung
Ab - K + b' a paar = 20 log b' 0,2.b.0,11 + 0,2.b = 0,9[dB] apaar= 20 log 0,2.b
Die Gesamtdämpfung a'gesamt = 50 0,9 = 45 zwei
Zum Anschalten an die gebräuchlichen Hohlleiter benötigt man an beiden Enden dieses Abschwächers Anpasstransformatorglieder, die jedoch bekannt und nicht schwierig herzustellen sind. Fig. 7 zeigt eine mögliche Anordnung eines fixen Abschwächers mit reduzierter Hohlleiterhöhe b' des absorbierenden Teils und beiden angeschlossenen Anpasstransformatorglieder C.
Fig. 8 zeigt eine einstellbare Ausführungsform. Sie besteht im wesentlichen aus zwei Absorptionsschlitzplatten d mit eingebetteten verlustbehafteten Dielektrikumsstreifen C, welche seitlich in +a- und -a-Richtung über ein Hohlleitersystem reduzierter Höhe verschoben werden können. Dieses Hohlleiterstück wird durch die erwähnten Platten d, durch die Schmalseitenstege f und durch die angeschlossenen Hohlleitertransformatorstücke g gebildet. Federkontaktstreifen bei h gewährleisten niedrige Übergangswiderstände für die Hohlleiterwandströme. Die gezeichnete Position der Platten entspricht ungefähr 113 der Gesamtdämpfung.
Die Verschiebung der Absorptionsplatten d kann mit Hilfe eines Zahnstangenantriebes erfolgen, wie er in Fig. 9 angegeben wird. Der Drehknopf C, mit Skalenscheibe e und Zahnritzel b fest verbunden und drehbar im Verbindungsträger f (in Fig. 9 teilweise geschnitten gezeichnet) gelagert, treibt die mit der Druckfeder h gegen das Ritzel b gepresste Zahnstange a an, welche ihrerseits über den Drehzapfen g mit den Absorptionsplatten d verbunden ist und diese gegenüber dem Hohlleitersystem seitlich verschiebt.
Die Fehlanpassung S eines einzelnen Spannungsteilers ist ¯¯¯¯¯¯¯ die
S = AZ+ Z und die Reflexion r - ¯¯¯¯¯¯
Z S+1
Der ganze Abschwächer besteht aus einer Reihenschaltung vieler Einzelteiler, wie Fig. 6 zeigt. Die Teilerschlitze folgen einander im Abstand 1. Die Einzelreflexionen addieren sich vektoriell zu einer Summenreflexion, deren Grösse und Phase durch die Summe einer geometrischen Reihe gegeben ist.
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k ist hier das Leistungsverhältnis von Ausgang zu Eingang des Einzel-Spannungsteilers (k < 1) und p ist der Phasenwinkel eines Spannungsvektors beim Hin- und Rücklauf über die Distanz 1.
Der prinzipielle Verlauf der Summenreflexion rgeSamt einer Spannungsteilerreihe mit untereinander gleichen Abständen in Funktion der Betriebsfrequenz ist in Fig. 10 gezeigt. Da sich die Bandbreite eines Rechteckhohlleiters im Hjo-Modus über einen Frequenzbereich f2 : f1 = 2 :1 erstreckt, entspricht die Gesamtreflexion rgeSam, bei der untern Frequenzgrenze f1 der Strecke Pl; 0, bei der oberen Frequenzgrenze f2 derjenigen P2; 0.
Durch Anfügen von Anpassnetzwerken, bestehend aus weiteren, vorzugsweise sechs Einzelspannungsteilern, gelingt es, die Summenreflexion l r l gesamt angepasat praktisch auf einen Fünftel einer Einzelreflexion l r l Einzel zu reduzieren. Dies bedingt ungleiche, genau definierte Abstände zwischen diesen sechs Anpassteilern, die eine komplexe Reflexionsaddition wie in Fig. 11 bewirken. Für alle Frequenzen zwischen f2 und f bleibt die resultierende Gesamtreflexion Iflgesamt angepasstt t 0,2 l 1 l I Einzel
Die beschriebene Abschwächerkonstruktion weist neben den kleinen Reflexionen ein günstiges Belastbarkeitsverhalten auf, weil die absorbierenden Elemente satt in den massiven Hohlleiterbreitseiten-Platten aus Anticorodal , Messing oder Kupfer eingebettet sind.
Die in Wärme umgesetzte Mikrowellenenergie kann fast ohne Übergangsverluste an die Aussenhaut und damit an die Umgebungsluft abgegeben werden. Deshalb hängt die zulässige Belastbarkeit des Abschwächers hauptsächlich von der Beschaffenheit der äusseren Kühlflächen sowie von deren angenommenen zulässigen Temperatur ab.
Bei einem nach Fig. 8 und 9 gebauten Abschwächer wurden folgende Spezifikationen erreicht: Hohlleitertyp R 70 (WR 137), Frequenzbereich 5,3-8,2 GHz, Dämpfungsbereich 0-50 dB, Nulleinfügungsdämfpung < 1 dB, Belastbarkeit ohne zusätzliche Kühlrippen 50 W, Belastbarkeit mit zusätzlichen Kühlrippen 100 W, Dämpfungsunsicherheit 0-10 dB + 0,2 dB, 10-50 dB + 2 % der eingestellten Dämpfung, Reflexion r Z 0,04, Baulänge über Anschlussflanschen 50 cm.
Das beschriebene Abschwächerprinzip hat für alle in der Praxis verwendeten Rechteckhohlleiter und Frequenzbänder Gültigkeit. Alle oben angeführten Spezifikationen gelten sinngemäss für die übrigen Hohlleitergrössen.