DE102010027251B4 - Koaxialleiterstruktur - Google Patents

Abstract

Koaxialleiterstruktur zur störungsfreien Übertragung eines TEM-Modes einer HF-Signalwelle innerhalb wenigstens eines Bandes von sich im Rahmen einer Dispersionsrelation ausbildenden Frequenzbändern, mit einem Innenleiter und einem zum Innenleiter radial beabstandeten Außenleiter, sowie einem sich axial erstreckenden gemeinsamen Leiterabschnitt von Innen- und Außenleiter, längs dem eine Anzahl n elektrisch leitender, ringartig ausgebildeter Strukturen, die jeweils radial zwischen dem Innen- und Außenleiter, ohne eine elektrische Verbindung zu dem Innen- und Außenleiter, angebracht sind und jeweils einen den Innenleiter vollständig umschließenden elektrischen Pfad aufweisen, in räumlich periodischer Abfolge mit jeweils einem äquidistanten Abstand zwischen zwei längs des Leiterabschnittes benachbarten, ringartigen Strukturen angeordnet ist.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Koaxialleiterstruktur zur störungsfreien Übertragung eines TEM-Grundmodes einer HF-Signalwelle.
• Stand der Technik
• Die Übertragungsqualität von Koaxialleitern für den TEM-Grundmode von HF-Signalwellen nimmt mit zunehmenden Signalfrequenzen ab, zumal bei höheren Frequenzen unerwünschte Moden höherer Ordnung ausbreitungsfähig werden, bspw. TE₁₁-, TE₂₁-Moden etc., die im Wege von Modenkonversionsprozessen an Störstellen angeregt werden können und dann in Überlagerung mit der TEM-Grundmode treten.
• Aus einem Beitrag von Konoplev, I. V. et al; „Wave interference and band gap control in multiconductor one-dimensoinal Bragg structures,“ Journal of Applied Physics, vo. 97, no. 7, S. 073101-073101-7, Apr2005, DOI: 10.1063/1.1863425 ist eine eindimensionale koaxiale Braggstruktur beschrieben, die einer gezielten Beeinflussung des Ausbreitungsverhaltens von elektromagnetischen Wellen im Wege konstruktiver und destruktiver Interferenzen dient. Hierzu ist die koaxiale Wellenleiterstruktur an ihren Innen- und Außenleiterwänden periodisch strukturiert mit nutförmigen Vertiefungen versehen, deren geometrische Auslegung unterschiedliche Auswirkungen auf das Reflexionsverhalten von HF-Wellen besitzt, die durch die korrugierte Koaxialleiterstruktur hindurch geleitet werden.
• Die Druckschrift US 6 567 057 B1 beschreibt einen sogenannten Draht mit hoher Impedanz und einer photonischen Bandlückenstruktur.
• Die Druckschrift US 2005/0040918 A1 beschreibt ein streifenbehaftetes dielektrisches Substrat, das Antennen- oder Mikrowellengeräte zu verbessern vermag. Ein Ausführungsbeispiel zeigt ein rohrförmiges, dielektrisches Substrat, an dessen Zylinderaußenseite in äquidistanten Abständen Metallstreifenringe angebracht sind. Von einer Koaxialleiterstruktur mit Innen- und Außenleiter ist in dieser Druckschrift keine Rede.
• Die Druckschrift CA 2 622 456 A1 offenbart eine hybride elektromagnetische Bandlückenstruktur zur Rauschunterdrückung bei der Übertragung elektromagnetischer Signale.
• Insbesondere in Hinblick auf künftige Ausweitungen bzw. Änderungen von bestehenden Übertragungsbereichen für HF-Signale, die im Frequenznutzungsplan für die Bundesrepublik Deutschland festgelegt sind, zu höheren Frequenzen, gilt es nach Maßnahmen zu suchen, mit denen eine möglichst störungsfreie, hochfrequente Signalübertragung des TEM-Grundmodes von HF-Signalen über Koaxialleitungen mit einem möglichst großen Durchmesser möglich wird, so dass eine möglichst große Übertragungsleistung bei nur geringen Verlusten übertragen werden kann.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Anspruch 1 angeben. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der lösungsgemäßen Koaxialleiterstrukturen sind in den Unteransprüchen angegeben sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele beschrieben.
• Die lösungsgemäße Koaxialleiterstruktur geht von der Erkenntnis aus, dass sich das Übertragungsverhalten von Koaxialleitungen für HF-Signalwellen signifikant ändert, sofern zwischen dem Aussen- und Innenleiter in jeweils periodisch äquidistanten Abständen längs zur Koaxialleitung elektrisch leitende, ringartig ausgebildete Strukturen, kurz Ringstrukturen, eingebracht sind, die jeweils einen vollständig umschließenden, d.h. in Ringumfangsrichtung geschlossenen Strompfad vorsehen.
• Betrachtet man das Ausbreitungsverhalten der TEM-Grundmode längs einer konventionellen Koaxialleitung, d.h. Aussen- und Innenleiter sind durch das zwischenliegende Dielektrikum elektrisch isoliert, im Rahmen eines Dispersions-Diagramms, so ist festzustellen, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Frequenz f, bzw. Kreisfrequenz ω, und der Ausbreitungskonstante β der HF-Signalwelle mit der Form e^j(ωt-βz) besteht, d.h. ω = cβ. Dieser lineare Zusammenhang stellt sich in einem Dispersions-Diagramm ω(β), siehe 2a, als so genannte Lichtgeschwindigkeits-Gerade (TEM) dar. Ab einer unteren Grenzfrequenz - der so genannten cut-off-Frequenz (f_co) für die TE₁₁-Mode - mit zunehmenden Frequenzen bilden sich längs der konventionellen Koaxialleitung unerwünschte Ausbreitungsmoden höherer Ordnung aus, TE₁₁, TE₂₁, TE₃₁, TE₄₁, TM₀₁, TM₁₁ etc., so dass bei Frequenzen oberhalb f_co die TEM-Grundmode stets von Moden höherer Anregungsordnung überlagert ist.
• Sieht man hingegen elektrisch leitende Ringstrukturen R gemäß den Darstellungen in den 1a, b, zwischen dem Aussen- AL und dem Innenleiter IL der Koaxialleitung vor, so wirkt sich dies auf die in 2a illustrierten Ausbreitungsmoden für den TE₁₁ und TE₂₁-Moden in der in 2b dargestellter Weise aus. Durch das regelmäßige Einfügen von Ringen längs der Koaxialleiterstruktur entsteht eine Periodizität mit der Länge p (siehe 1b). In Dispersionsdiagrammen betrachtet man dann nicht mehr ω(β), wie im Fall 2a, sondern ω(φ), wobei φ=βp der Phasenunterschied der jeweiligen Welle entlang einer Elementarzelle mit der Länge p ist. Im Unterschied zur Situation in 2a, bei der sich der TE₁₁-Mode zu höheren Frequenzen hin der Lichtgeschwindigkeits-Gerade (TEM) anschmiegt, flacht das Ausbreitungsverhalten des TE₁₁-Modes stark ab, siehe 2b, und wird zu höheren Frequenzen durch eine obere Grenzfrequenz f_co,upper begrenzt. Durch diese den TE₁₁-Mode betreffende Abflachung bildet sich ein Frequenzbandfenster Δf aus, das zu höheren Frequenzen durch die niedrigere der beiden unteren Grenzfrequenzen f_co,lower des TE₂₁-Modes oder des TE₁₁, der sich längs des inneren Ausbreitungskanals zwischen dem Innenleiter und dem Ring ausbreitungsfähig ist, gedeckelt ist und in dem sich der TEM-Mode störungsfrei ausbreiten kann, d.h. ohne von störenden höheren Moden beeinträchtigt zu werden. Mit der lösungsgemäßen Massnahme lässt sich bei geeignetem Design der Ring- und Koaxialparameter beispielsweise ein Frequenzbandfenster zwischen ca. 6,8 GHz und 10,6 GHz zur störungsfreien Ausbreitung des TEM-Modes schaffen und nutzen. Diese Erkenntnis lässt sich anhand von theoretischen Untersuchungen an einer Elementartelle, die einen zwischen dem Innen- und Aussenleiter angeordneten Ring umfasst und sich mit der Periodizität p in Längsrichtung zur Koaxialleiterstruktur wiederholt, auf der Grundlage des Bloch-Floquet-Theorems i.V.m. periodischen Randbedingungen ableiten. So lassen sich die obere und untere Grenzfrequenz in Abhängigkeit von Geometriegrößen bestimmen, durch die die Koaxialleiterstruktur charakterisierbar ist.
• Die obere Grenzfrequenz des Frequenzfensters lässt sich näherungsweise durch die beiden unteren Grenzfrequenzen f_co,TE21 des TE₂₁-Modes oder des TE₁₁-Modes f_co,TE11, der sich zwischen dem Innenleiter und dem Ring ausbreitet, je nachdem welcher der beiden Moden eine kleinere untere Grenzfrequenz besitzt, in der folgenden Weise bestimmen: $$\begin{array}{cc}{f}_{co,TE21}\approx \frac{4c}{\pi \left(d_4+d_3\right)};& f_{co,TE11}\approx \frac{2c}{\pi \left(d_2+d_1\right)},\end{array}$$

  

  wobei gilt:

c:=

Lichtgeschwindigkeit

d₁: =

Innenleiterdurchmesser

d₂:=

Innendurchmesser des Rings

d₃:=

Aussendurchmesser des Rings

d₄:=

Innendurchmesser des Aussenleiters

• Die untere Grenzfrequenz des Frequenzfensters lässt sich hingegen durch die Ring-Resonanzfrequenz f_co,TE11ring in der folgenden Weise charakterisieren: $$f_{co,TE11ring}\approx \frac{2c}{\pi \left(d_3+d_2\right)}$$

  
• Auf der Grundlage dieser lösungsgemäßen Erkenntnis wurde eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt, um die Robustheit des vorstehend erläuterten Effektes, d.h. das gezielte Erzeugen von Band-Lücken, in denen eine störungsfreie Ausbreitung des TEM-Modes möglich wird, zu überprüfen. Die nachstehenden Ausführungsformen zeigen Möglichkeiten auf, bei denen jeweils eine störungsfreie Ausbreitung des TEM-Modes innerhalb eines sich durch die lösungsgemäße Maßnahme ausbildenden Frequenzfensters Δf zu beobachten ist und durch die darüber hinaus gezielten Einfluss auf das Ausbreitungsverhalten der beteiligten Moden genommen werden kann.
• Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
• 1a, b Längsschnitt durch eine Koaxialleiterstruktur mit einer Ringstruktur, perspektivische Ansicht auf eine Koaxialleiterstruktur mit einer Vielzahl von zwischen Innen- und Aussenleiter angeordneten Ringen,
• 2a, b Dispersionsdiagramm einer konventionellen Koaxialleitung sowie einer lösungsgemäß ausgebildeten Koaxialleiterstruktur,
• 3 Längsschnitt durch eine Koaxialleiterstruktur mit Fixierungen für die Ringstrukturen,
• 4 schematisierter Querschnitt durch eine abgewandelte Koaxialleiterstruktur,
• 5 Scheibenartige Ausbildung der Ringstruktur,
• 6 Tiefpass-Filteranordnung,
• 7 Längsschnitt durch Koaxialleiterstruktur mit 1-Weg-Schaltelementen,
• 8a, b, c alternative Ausführungen mit stärker kapazitiv gekoppelten Ringstrukturen.
• Eine erste Ausführungsform sieht die periodische Anordnung einer Vielzahl n größer drei einzelner Ringe R längs der Koaxialleitung vor, siehe 1a und b, wobei der axiale Abstand zweier benachbarter Ringe R jeweils gleich groß gewählt ist. Die Ringe R, die aus einem elektrisch leitendem Material bestehen, verfügen über eine radiale und axiale Erstreckung, wobei die Ringbreite, d.h. ihre axiale Erstreckung, größer ist als die Ringdicke, d.h. ihre radiale Erstreckung. Die elektrisch leitenden Ringe sind idealerweise freischwebend zwischen dem Innenleiter IL und dem Aussenleiter AL der Koaxialleitung angebracht, so dass jeder einzelne Ring R ein willkürliches gleichbleibendes Potenzial annehmen kann. Zur technischen Realisierung sind die einzelnen Ringe R mittels dielektrischer Abstandshalter DA (siehe 3), in Form von Ringen, Einlagen, Posts, Speichen etc. innerhalb der Koaxialleitung zwischen dem Innen- und Aussenleiter gestützt und fixiert.
• In Abwandlung zu klassisch ausgebildeten Ringen R ist der lösungsgemäße Effekt auch bei Koaxialleiterstrukturen zu beobachten, die einen Innenleiter IL' und Aussenleiter AL' aufweisen, die ihrerseits von der klassischen kreisrunden Koaxialsymmetrie abweichen. Eine derartige Anordnung ist in 4 schematisch dargestellt, die einen Innen- IL' und Aussenleiter AL' mit jeweils einem willkürlich gewählten Leiterquerschnitt zeigt, zwischen denen berührungslos, d.h. ohne elektrische Verbindung zum Innen- IL' und Aussenleiter AL', eine ringartig ausgebildete Struktur R', ebenfalls mit einer willkürlichen Ringstruktur eingebracht ist. Die wesentliche Forderung, die erfüllt sein muss, neben der in Axialrichtung periodisch sich wiederholenden Anordnung der ringartig ausgebildeten Strukturen R', betrifft den vollständig geschlossenen Strompfad um den innenliegenden Innenleiter IL' längs jeder einzelnen ringartig ausgebildeten Struktur R'. Diese Forderung gilt ebenso für alle anderen Ausführungsformen, so auch für jene gemäß 1.
• 5 zeigt eine Ausführungsform mit scheibenförmig ausgebildeten ringartigen Strukturen R, deren axiale Erstreckung klein ist gegenüber ihrer radialen Erstreckung. Der hier illustrierte Innenleiter IL weist in Längsrichtung Durchmessersprünge auf, d.h. im Bereich jeder Ringstruktur R ist der Durchmesser des Innenleiters IL reduziert gegenüber einem zwischen zwei Ringstrukturen R befindlichen Innenleiterabschnitt ausgebildet, wie dies aus 5 ersichtlich ist. Derartige Sprünge im Radius des Innenleiters IL tragen zu einer verbesserten Anpassung zur HF-Signalübertragung bei. Genauso ist es denkbar, entsprechende aber hier nicht dargestellte Sprünge des Innenquerschnittes am Aussenleiter AL vorzusehen. Zwischen zwei Ringstrukturen R sind zur koaxialen Zentrierung von Innen- und Aussenleiter dielektrische Abstandshalterscheiben ST eingebracht
• 6 zeigt eine Ausführungsform für eine Koaxialleiterstruktur mit einem gemeinsamen Leiterabschnitt LA von Innen- IL und Außenleiter AL, längs dem eine Anzahl n=5 elektrisch leitende, ringartig ausgebildete Strukturen R1 bis R5, die jeweils radial zwischen dem Innen- IL und Außenleiter AL angebracht sind und jeweils einen den Innenleiter IL vollständig umschließenden elektrischen Pfad aufweisen, wobei die Ringstrukturen R1 bis R5 in räumlich periodischer Abfolge mit jeweils einem äquidistanten Abstand zwischen zwei längs des Leiterabschnittes LA benachbarten, Ringstrukturen angeordnet sind. In dem gezeigten Fall ist der Innenleiter IL der Koaxialleitung in Bereichen ohne Ringstrukturen im Durchmesser größer ausgebildet als in dem vorstehend bezeichneten gemeinsamen Leiterabschnitt LA, längs dem die Ringstrukturen R1 bis R5 angeordnet sind. Die einzelnen Ringstrukturen R1 bis R5 sind hier gegenüber dem Innenleiter IL über jeweils zwei elektrisch leitende Verbindungsstrukturen, so genannte Speichen, abgestützt und mit dem Innenleiter IL verbunden.
  Eine derartige Anordnung verfügt über die eingangs erläuterten Eigenschaften bezüglich einer störungsfreien Ausbreitung der TEM-Mode innerhalb eines Frequenzfensters bei hohen Frequenzen und verfügt darüber hinaus über Filtereigenschaften mit hoher Flankensteilheit, bspw. in Form eines Bandsperrenfilters bzw. Tiefpasses. Die hohe Flankensteilheit hängt mit der Ausbildung von Transmissionsnullstellen im Sperrbereich zusammen, die durch das Zusammenspiel von Speicheninduktivität und Zwischenringkapazität CL entstehen. Für eine verbesserte Anpassung am Ein- und Ausgang des über Filtereigenschaften verfügenden Leiterabschnittes LA, d.h. zu Zwecken einer Reduzierung von Reflektionen im Bereich der ersten und letzten Ringstruktur R1 und R5 sind diese modifiziert gegenüber den ansonsten identisch ausgebildeten Ringstrukturen R2, R3, R4 ausgebildet, bspw. weisen die Ringstrukturen R1 und R5 einen kleineren Ringdurchmesser auf. Selbstverständlich können auch andere Anpassungsmassnahmen an den als Anpassgliedern dienenden Ringstrukturen R1 und R5 vorgenommen werden, bspw. durch eine spezielle Materialwahl, Ringbreite, - dicke etc..
• Zur Beeinflussung der Dispersionseigenschaften einer lösungsgemäß ausgebildeten Koaxialleiterstruktur sieht eine weitere Ausführungsform gemäß Darstellung in 7 die Verwendung von schaltbaren Bauelementen WS vor, bspw. in Form von PIN-Dioden oder Varaktoren. Es sei angenommen, dass zwischen den Ringstrukturen R und dem Aussenleiter AL jeweils ein schaltbares Bauelement WS eingebracht ist, das in Abhängigkeit einer an dem schaltbaren Bauelement WS anliegenden elektrischen Spannung in einen leitenden oder sperrenden Zustand überführbar ist. Je nach Schaltungszustand ist somit ein Leerlauf oder Kurzschluss zwischen den Ringstrukturen R und dem Aussenleiter AL möglich. Damit kann man zwischen zwei verschiedenen Dispersionsrelationen hin und herschalten. Beispielsweise kann man bei einer gegebenen Frequenz den TEM-Mode zwischen ausbreitungsfähig und evaneszent umschalten. Verglichen mit Stand-der-Technik PIN-Dioden-Schaltern müssen die Dioden in der lösungsgemäß ausgebildeten Koaxialleiterstruktur viel weniger Leistung schalten, da aufgrund des kapazitiven Spannungsteilers nicht die ganze Spannung an ihnen anliegt. Alternativ oder in Kombination können auch schaltbare Bauelemente zwischen dem Innenleiter IL und den jeweiligen Ringstrukturen R vorgesehen werden. Auch kann ein schaltbares Bauelement WS' alternativ oder in Kombination zwischen zwei in Längsrichtung benachbarte Ringe R, vorzugsweise in Form einer Diode in Serienrichtung, im Gegensatz zu den mit WS bezeichneten Shunt-Dioden.
• Eine weitere Einflussnahme auf die Dispersionseigenschaften der lösungsgemäß ausgebildeten Koaxialleiterstruktur bezüglich des Verlaufes bzw. Ausbreitungsverhaltens der TEM-Moden kann über die kapazitive Kopplung zweier benachbart angeordneter Ringstrukturen genommen werden. Diesbezügliche Untersuchungen haben gezeigt, dass je höher die Kapazität zwischen zwei benachbarten Ringstrukturen ist, desto vorteilhafter bilden sich Effekte in Bezug auf eine möglichst störungsfreie Ausbreitung zumindest in Bezug auf den TEM-Grundmode aus.
• Um die Kopplungskapazität CL möglichst groß zu wählen sind in den 8 a, b, c drei alternative Massnahmen zur Ausbildung der Ringstrukturen R dargestellt, die jeweils zwischen dem Innen- IL und Aussenleiter AL einer Koaxialleiterstruktur eingebracht sind. Im Fall a) weisen die als konventionelle Ringe ausgebildeten Ringstrukturen R eine möglichst groß gewählte Ringdicke auf, so dass die sich axial gegenüberstehenden Ringstirnflächen möglichst großflächig sind. Im Fall b) sind zwei Gruppen von Ringstrukturen RG1, RG2 vorgesehen, die sich jeweils bezüglich ihres Ringdurchmessers unterscheiden. Die Ringstrukturen RG1 und RG2 beider Gruppen sind mit jeweils einer axialen Überlappung in der in 8b entnehmbaren Form angeordnet. Auch in diesem Fall vergrößert sich die kapazitiv wirksame Fläche zwischen zwei benachbarten Ringstrukturen (siehe Pfeilsymbole). Im Fall c) wird gleichfalls die axiale Überlappung zweier benachbarter Ringstrukturen R genutzt. In diesem Fall weisen die Ringstrukturen R einen axial stufenförmig ausgebildeten Ringlängsschnitt auf, so dass eine axiale gegenseitige Überlappung ermöglicht wird.
• Bezugszeichenliste

AL

Aussenleiter

DA

Dielektrische Abstandshalter

IL

Innenleiter

LA

gemeinsamer Leiterabschnitt

R

Ringartig ausgebildete Struktur, Ringstruktur

R1,R2,R3,R4,R5

Ringe

R_u, R_o

Ringsegmente

ST

Abstandshalterscheiben

VL

Verbindungsleitung

WS

Schaltbares Bauelement

WS'

Schaltbares Bauelement

Claims (8)

1. Koaxialleiterstruktur zur störungsfreien Übertragung eines TEM-Modes einer HF-Signalwelle innerhalb wenigstens eines Bandes von sich im Rahmen einer Dispersionsrelation ausbildenden Frequenzbändern, mit einem Innenleiter und einem zum Innenleiter radial beabstandeten Außenleiter, sowie einem sich axial erstreckenden gemeinsamen Leiterabschnitt von Innen- und Außenleiter, längs dem eine Anzahl n elektrisch leitender, ringartig ausgebildeter Strukturen, die jeweils radial zwischen dem Innen- und Außenleiter, ohne eine elektrische Verbindung zu dem Innen- und Außenleiter, angebracht sind und jeweils einen den Innenleiter vollständig umschließenden elektrischen Pfad aufweisen, in räumlich periodischer Abfolge mit jeweils einem äquidistanten Abstand zwischen zwei längs des Leiterabschnittes benachbarten, ringartigen Strukturen angeordnet ist.
2. Koaxialleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ringartigen Strukturen elektrisch isoliert gegenüber dem Innen- und Aussenleiter angebracht sind.
3. Koaxialleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass n größer gleich 3 ist.
4. Koaxialleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringartigen Strukturen in Form von konzentrisch zwischen dem Innen- und Aussenleiter eines Koaxialleiters angeordneten Ringen mit jeweils einer größeren Erstreckung in Längsrichtung als in radialer Richtung des gemeinsamen Leiterabschnittes oder Scheiben mit jeweils einer größeren radialen Erstreckung als in Längsrichtung des gemeinsamen Leiterabschnittes ausgebildet sind.
5. Koaxialleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ringartigen Struktur und dem Innen- und/oder dem Aussenleiter und/oder zwischen zwei in Längsrichtung benachbarten ringartigen Strukturen ein schaltbares Bauelement eingebracht ist, vorzugsweise in Form einer Diode oder eine Varaktors.
6. Koaxialleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei in Längsrichtung benachbart angeordnete ringartige Strukturen sich teilweise in Längsrichtung überlappen.
7. Verwendung einer Koaxialleiterstruktur nach Anspruch 5 zum Schalten von HF-Leistung.
8. Verwendung einer Koaxialleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Filtern von Frequenzen, insbesondere als Tiefpassfilter.

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