DE1027266B - Serien-Koppler fuer Mikrowellen mit Streifen- oder Bandleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Serien-Koppler für Mikrowellen, insbesondere unter Verwendung von Mikrowellenleitungen nach Art der gedruckten Schaltungen.

Zur Mikrowellenübertragung sind Band- oder Streifenleitungen bekannt, die in ihrer einfachsten Form aus zwei Leitern gebildet werden, zwischen denen sich eine dielektrische Schicht befindet. Diese Leiter sind parallel zueinander angeordnet, und zwar in einem gegenseitigen Abstand; der einen kleinen Bruchteil des Wertes 2/4 der Betriebswellenlänge entspricht. Oft wird der eine Leiter auch als Erdleiter und der andere als Leitungsleiter bezeichnet, wobei der Erdleiter im allgemeinen beträchtlich breiter ist als der Leitungsleiter. Elektrisch wirkt die Oberfläche des Erdleiters in Nähe des schmalen Leitungsleiters wie ein zweiter solcher Leitungsleiter, so daß die Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder zwischen beiden Leitern praktisch dieselbe ist wie die Verteilung auf einer aus zwei gleichmäßig breiten Leitern bestehenden Parallelleitung. Kleinere Abweichungen der Größe und Form der einander zugewendeten Leiteroberflächen können Abweichungen des Wellenwiderstandes einer solchen Streifenleitung hervorrufen, die Feldverteilung wird jedoch hierdurch nicht wesentlich gestört. Außerdem kompensieren sich im allgemeinen derartige Veränderungen des Wellenwiderstandes gegenseitig. Die Fortpflanzung der Mikrowellenenergie auf derartigen Leitungen findet im sogenannten TEM-Modus längs des Leitungsleiters statt, wobei die Mikrowellenströme in den gegenüberliegenden Oberflächen der Leiter fließen, welche zugleich die Zone des elektromagnetischen Feldes begrenzen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Serien-Koppler, beispielsweise »magische-IVKoppler, Abstimmstümpfe und Kombinationen von E- und H-Kopplern, anzugeben, die aus derartigen Streifenleitungselementen bestehen. Es ist allgemein bekannt, Leitungen dadurch miteinander zu verbinden bzw. Abzweigleitungen zu schaffen, daß man die entsprechenden Leiter zweier Leitungen miteinander verbindet. Bei koaxialen Leitungen werden dazu beide Außenleiter galvanisch und die beiden Innenleiter entweder ebenfalls galvanisch oder kapazitiv bzw. induktiv miteinander verkoppelt.

Eine Übertragung im Sinne einer Serienkopplung kann jedoch in diesen Fällen nicht stattfinden, da an den von einer solchen Verbindungsstelle ausgehenden Leitungen jeweils die gleiche Form des elektromagnetischen Feldes herrscht. Bei Verwendung von Koaxialleitungen ist diese Form bekanntlich kreissymmetrisch, so daß auch bei einer seitlichen Abzweigung in zwei entgegengesetzte Richtungen kein Unterschied Serien-Koppler für Mikrowellen
mit Streifen- oder Bandleitung

Anmelder:

International

Standard Electric Corporation,
New York, RY. (V. St A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. Februar 1952

John A. Kostriza, New Dorp, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

in der Phasenlage auftritt. Es ist auch bereits bekannt, an einer streifenförmigen Parallelbandleitung eine galvanisch, und zwar senkrecht zu einer durchgehenden Leitung angeschlossene Abzweigleitung anzuordnen. Dabei wird diese Abzweigung in seitlicher Richtung weitergeführt, so daß sie dieselbe Feldverteilung aufweist, wie sie auch auf der durchgehenden Leitung besteht. Bei Zuführung der Energie von der Abzweigleitung her ist die Spannung auf von der Abzweigung gleich weit entfernten Punkten der durchgehenden Leitung gleichphasig.

In der Technik der Hohlleiter sind nun solche Abzweigungen bekannt, die unter Ausnutzung der in einem Hohlleiter sich ausbreitenden Wellenformen bei Verwendung sogenannter »magiseher-Te-Koppler oder ähnlicher senkrecht aneinanderstoßender Schwingräume in Gestalt von Hohlleiterbauteilen eine Serien-Leitungsübertragung hervorrufen, die dadurch charakterisiert ist, daß die Übertragung in einer Richtung der betreffenden Abzweigung einen entgegengesetzten Feldverlauf aufweist als die Übertragung in der anderen Richtung. Die Vorteile solcher Serien-Koppler und ihre technischen Anwendungsmöglichkeiten sind allgemein bekannt.

Die Feldausbreitung in einer Band- oder Streifenleitung unterscheidet sich aber bekanntlich wesentlich von der in Hohlleitern, In Hohlleitungen treten näm-

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lieh sogenannte E- oder Η-Wellen auf, die jeweils Fig. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie 4-4 in

nach der in der Ausbreitungsrichtung vorhandenen Fig. 3 und zeigt die grundsätzliche Verteilung des Feldkomponente unterschieden werden und nach den elektrischen Feldes zwischen dem Leitungsleiter und in der transversalen Ebene, also senkrecht hierzu auf- dem Erdleiter der Bandleitung;

tretenden elektrischen Feldverteilung mit entsprechen- 5 Fig. 5 stellt die perspektivische Ansicht eines entden Indizes versehen werden. sprechenden E- und H-Kopplers dar;

Bei einer parallelen Band- oder Streifenleitung pig. 6 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 6-6

können sich demgegenüber weder E- noch Η-Wellen durch die Anordnung nach Fig. 5; ausbreiten, da hier das elektrische Feld ausschließlich Fig. 7 stellt den Querschnitt durch einen anderen

zwischen beiden Leitern in senkrechter Richtung ge- 10 T-Koppler gemäß der Erfindung dar, wobei das elekrichtet ist und keine Feldkomponente in der Ausbrei- trische Feld durch die eingezeichneten Pfeile wiedertungsrichtung besitzt. Außerdem ist bei diesen Lei- gegeben ist;

tungen die transversale Feldverteilung vollständig Fig. 8 zeigt die perspektivische Ansicht eines

homogen, so daß man in der gebräuchlichen Bezeich- T-Kopplers ähnlich dem in Fig. 7 dargestellten, mit nungsweise von einer E₀₀-WeIIe sprechen könnte. Da 15 dem Unterschied, daß als ankommende Leitung eine diese jedoch in der Ausbreitungsrichtung weder eine Doppelleitung verwendet ist;

E- noch eine Η-Komponente aufweist und sich in Fig. 9 zeigt den Querschnitt längs der Linie 9-9 in

diese Richtung nur der bekannte Poyntingsche Vektor pi«·. 8. ~

erstreckt, so soll im folgenden für diese Ausbreitungs- Die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung beziehen sich auf

form die in der angelsächsischen Literatur gebrauch- ao einen T-Koppler gemäß der Erfindung, der aus Uberliche Bezeichnung TEM-Welle angewendet werden. tragungsleitungen nach Art der gedruckten Schal-Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, daß tungen besteht. Zwischen einem Leitungsleiter 1 und man auch bei dieser Wellenform nach dem TEM-Mo- einem hierzu parallelen Erdleiter 2 ist eine Zwischendus, wie sie auf einer Mikrowellen-Bandleitung auf- schicht 3 aus Isoliermaterial angeordnet, tritt, eine Serien-Kopplung erreichen kann, wenn man ₂₅ Diese Zwischenschicht kann beispielsweise aus die Tatsache ausnutzt, daß das elektrische Feld in Polystyrol, Polyäthylen oder einer anderen möglichst jedem Querschnitt dieser Leitung eine gerichtete verlustlosenlsolationbestehen,diezweckmäßigbiegsam Größeist. Dies läßt sich .nicht etwa durch die seitliche i_st und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Anbringung einer Abzweigung, sondern nur dadurch Auf diese Schicht wird das leitende Material entweder erreichen, daß man gemäß dem Grundgedanken der _3o in Form einer elektrisch leitenden Paste auf gestrichen, Erfindung an eine Bandleitung senkrecht eine zweite j_n Bandform aufgepreßt, aufgespritzt oder chemisch Bandleitung in der Weise anbringt, daß auch die niedergeschlagen, wie dies aus der Technik der ge-Ebenen senkrecht aufeinander stehen, in denen sich druckten Schaltungen bekannt ist. Für relativ kurze diese beiden Leitungen seitlich erstrecken. Dabei sind Leitungslängen werden die leitenden Streifen auch aus die aneinanderstoßenden breiten Leiter beider Lei- ₃₅ Folienmaterial ausgeschnitten und aufgepreßt. Vortungen unmittelbar galvanisch miteinander zu yer- zugsweise soll der Erdleiter zwei- bis dreimal so breit binden, während die entsprechenden schmalen Leiter _wi_e der Leitungsleiter sein, wobei sich mit zunehmengalvanisch oder kapazitiv miteinander zu koppeln der Breite beider Leiter naturgemäß auch die Verluste sind. verringern lassen. Bei einem Verhältnis der Breiten

Auf diese Weise wird erreicht, daß die homogenen ₄₀ des Leitungsleiters zum Erdleiter wie 1:3 werden Feldverteilungen an der Verbindungsstelle in beiden etwa 95 bis 99°/o des elektrischen Feldes auf den Raum Leitungen zueinander senkrecht stehen und daß das zwischen den Leitern konzentriert, so daß die Strahelektrische Feld gezwungen wird, in beiden Ästen lungsverluste in jedem Falle sehr gering sind, einer solchen Verzweigung einen zu seiner Ursprung- Trotz des völlig homogenen Verlaufes der Feldlinien

liehen Richtung senkrechten Verlauf anzunehmen. Da 45 j_st die Wirkungsweise einer solchen Streifenleitung ein solcher Übergang in einem Gradientenfeld stets der eines rechteckigen Hohlleiters sehr ähnlich, inseinen stetigen Verlauf nehmen muß, so ergibt sich besondere wenn der Leitungsleiter aus einem sehr zwangläufig eine Feldverteilung, wie sie beispiels- flachen Streifen besteht. Es ist dabei fast gleichgültig, weise in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt ist. Diese welchen Querschnitt der Leitungsleiter hat, da die Figur zeigt, wie eine zwischen den Leitern la und 2 a _5o Wellenfortpflanzung vorherrschend zwischen beiden ankommende elektrische Welle auf die beiden Zweige gegenüberliegenden Oberflächen der Leitung konzender Leiter 1 und 2 unter verschiedener Polarität über- triert ist, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht, tragen wird. Es handelt, sich also um einen Serien- I_n den Fig. 1, 2 und 3 ist ein durchgehendes Stück

Koppler, den man auch so interpretieren kann, daß ein _ei_ner Bandleitung 5 gezeigt, an das eine zweite solche aus der Richtung 8 ankommendes elektrisches Feld ₅₅ Leitung 6 rechtwinklig anstößt, wobei auch die beiden teilweise auf die Abzweigleitung 6 übergeht und teil- Ebenen, in denen sich diese Leitungen erstrecken, zuweise, jedoch unter einem Phasensprung von 180°, in einander senkrecht liegen. Die anstoßende Leitung 6 der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung weiter fort- j_st speziell als ein Abstimmstumpf dargestellt, der aus schreitet. den Leitern 1 α und 2 α besteht und einen einstellbaren

Im folgenden soll die Erfindung auf Grund einiger 60 Kurzschlußstift 11 trägt, der in einem Schlitz der di-Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung näher elektrischen Zwischenschicht 3 a nach Fig. 2 mit Hilfe erläutert werden. einer Stellschraube 13 bewegbar angeordnet ist. Die

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Einstellung dieses Kurzschlußstiftes richtet sich nach T-Kopplers gemäß der Erfindung; der abzustimmenden Wellenlänge, so daß dieser an

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 2-2 65 verschiedenen Stellen des freien Raumes 12 im DielekvonFig. 1; trikum3a mit Hilfe der Stellschraube 13 fixiert

Fig. 3 stellt einen Querschnitt ähnlich Fig. 2 dar, werden kann, die ihrerseits durch einen Schlitz des wobei die Isolation weggelassen ist und statt dessen Leiters 2 a hindurchragt. Anstatt dieses Abstimm- <ler Momentanverlatif der elektrischen Feldlinien ein- stumpfes kann die Leitung 6. auch eine Zweigleitung gezeichnet wurde; ₇o für Kopplungszwecke herstellen. Wenn die gekoppel-

ten Leitungen angepaßt sind, dann verlaufen die elektrischen Feldlinien, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Wirkungsweise wurde bereits oben erläutert. Es ist jedoch mit diesem Koppler auch möglich, eine Übertragung in umgekehrter Richtung vorzunehmen, also eine aus der Leitung 6 eintreffende Welle auf die beiden Abzweigungen der Leitung 5 gegenphasig zu übertragen. Schließlich können sowohl aus der Richtung 7 als auch aus Richtung 8 zwei Wellen eintreffen und bei gegenseitiger Phasenlage gemäß Fig. 3 eine maximale Energieübertragung in die Leitung 6 hervorrufen bzw. bei mit gleicher Phase und Größe auftretende Energie die Übertragung in Richtung 6 durch gegenseitige Kompensation der Wellen aus Richtung 7 und 8 vollständig sperren.

Dieser T-Koppler arbeitet also ähnlich einem »magischen-T«-Koppler bei rechteckigen Hohlleitern. Die Verbindung des Zweiges 6 mit der Leitung 5 ist gemäß der Erfindung so vorgenommen, daß die beiden Erdleiter galvanisch verbunden sind, während der Leitungsleiter 1 α in einer öffnung 9 endet, die den Leiter 2 unterbricht. Die Größe dieser öffnung, sowie die Länge des Leiters 1 α beim Ende 10 sind maßgebend für die Anpassung dieses Kopplers. Für den Empfang von Leistung, und zwar in Abhängigkeit von stehenden Wellen längs der Leitung 5 ist selbstverständlich auch der Ort maßgebend, an dem die Zweigleitung 6 angebracht ist. Bei einem Anschluß im Spannungsmaximum wird keine, bei einem Anschluß im Spannungsminimum die maximale Leistung übertragen.

In den Fig. 5 und 6 ist ein Koppler gemäß der Erfindung gezeigt, bei dem neben der vorgeschlagenen und als Serien-E-Kopplung wirkenden Abzweigleitung eine weitere Abzweigung angeordnet ist, die man als Parallel-H-Kopplung bezeichnen könnte. Die Serien-E-Kopplung entspricht der in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen, wobei in Fig. 5 dieselben Bezugsziffern verwendet sind. Die zusätzliche mit der Leitung 5 parallel gekoppelte Parallel-H-Kopplung ist mit 14 bezeichnet. Der Leitungsleiter 1 b dieser Abzweigung ist direkt mit dem Leitungsleiter 1 verbunden, wie dies auch aus Fig. 6 hervorgeht. Die Wirkungsweise der an die durchgehende Leitung 5 angekoppelten Serien-Ε- bzw. Parallel-H-Zweige 6 und 14 ist aus der Hohlleitertechnik bekannt.

In Fig. 7 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen T-Kopplers dargestellt, das sich von der in Fig. 1 bis 4 gezeigten Anordnung dadurch unterscheidet, daß der Leitungsleiter 1 c direkt mit dem Leitungsleiter 1 der durchgehenden Leitung 15 verbunden ist. In diesem Fall ist der Erdleiter 2 c der anstoßenden Leitung 16 bei 17 unterbrochen und erst bei 18 mit dem Erdleiter 2 der durchgehenden Leitung verbunden. Die Wirkungsweise und die Feldverteilung 19 entsprechen weitgehend der gemäß Fig. 3. Angenommen, eine Welle wird von der Leitung 16 zur Verbindungsstelle übertragen, so teilt sich die Energie auf die beiden Zweige der Leitung 15 mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° auf. Wenn umgekehrt zwei aus entgegengesetzten Richtungen über die Leitung 15 empfangene AVellen vorhanden sind, so hängt auch hier die Energieübertragung nach der Abzweigleitung 16 davon ab, ob sich deren Anschlußpunkt in einem Spannungsmaximum oder in einem Spannungsminimum befindet.

Die in den Fig. 8 und 9 gezeigte Ausführungsform entspricht der in Fig. 7 mit dem Unterschied, daß die anstoßende Zweigleitung 20 aus einer Doppelbandleitung besteht. Insbesondere ist der Erdleiter 2 d mit dem Erdleiter 2 der durchgehenden Leitung 21 verbunden, während die beiden symmetrisch liegenden Streifenleiter 1 d und 1 e galvanisch mit dem Leitungsleiter 1 verbunden sind. Das Dielektrikum 3 d weist ebenso wie der Erdleiter 2 öl eine mit 22 bezeichnete Ausnehmung auf, durch die der Leitungsleiter 1 frei hindurchgeführt ist.

Man erkennt in Fig. 9, daß die Doppelzweigleitung im Anpassungsfall als Richtungskoppler, und zwar in der durch die Pfeile 23, 24 und 25, 26 angedeuteten Weise arbeitet. Die in der Richtung einander entgegengesetzten Pfeile 24 und 26 bedeuten eine Energieauslöschung, wenn die zugehörigen elektrischen Wellen von gleicher Größe und Phase sind. Sind dagegen die Wellen in der Größe oder in ihrer Phase nicht gleich, so ergibt sich eine entsprechende Verteilung der Energieübertragung auf beide abgehende Leitungszweige, eine Erscheinung, die auf die Anwendungsmöglichkeiten dieses Ausführungsbeispiels hinweist.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Serien-Koppler für Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, daß an eine an sich bekannte Streifenoder Bandleitung mit einem schmalen ersten Leiter und dazu parallel verlaufendem dielektrisch getrenntem breitem zweitem Leiter senkrecht eine zweite solche Leitung derart angebracht ist, daß auch die Ebenen senkrecht aufeinander stehen, in denen beide Leitungen sich in ihrer seitlichen Ausdehnung erstrecken, und daß an der Verbindungsstelle die breiten Leiter beider Leitungen unmittelbar galvanisch miteinander verbunden sind, während die entsprechenden schmalen Leiter galvanisch oder kapazitiv miteinander gekoppelt sind.

2. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Streifenleitung, die in bezug auf die senkrecht anstoßende zweite Leitung zwei auseinanderführende Abzweigungen darstellt, an die als dritte Abzweigung anstoßende Leitung in der Weise angeschlossen ist, daß die direkt miteinander verbundenen breiten Leiter neben der Verbindungsstelle eine öffnung aufweisen, durch die sich ein schmaler Leiter erstreckt.

3. Koppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der schmale Leiter bis an den durchgehenden schmalen Leiter der beiden ersten Abzweigungen erstreckt und mit diesem galvanisch verbunden ist.

4. Koppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hindurchgeführte schmale Leiter der dritten Abzweigung nur etwas durch die öffnung reicht und mit dem durchgehenden schmalen Leiter der beiden ersten Abzweigungen kapazitiv gekoppelt ist.

5. Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Abzweigung einen zwischen beiden Leitern angeordneten Kurzschlußleiter aufweist.

6. Koppler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der breite Leiter der dritten Abzweigung einen Schlitz zur Aufnahme eines mit dem Kurzschlußleiter verbundenen Einstellstiftes aufweist, mit dessen Hilfe der Ort des Kurzschlusses verschiebbar ist.

7. Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zu den drei genannten Abzweigungen in seitlicher Richtung eine vierte Abzweigleitung angeschlossen ist, deren Leiter mit den entsprechenden Leitern

der beiden ersten auseinanderführenden Abzweigungen in gleichen Ebenen liegen.

8. Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Abzweigung aus einer Parallel- oder Doppelleitung besteht.

9. Koppler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende schmale Leiter der beiden ersten Abzweigungen der anstoßenden Doppelleitung zugekehrt ist, so daß deren schmale Leiter direkt, deren breiter Mittelleiter aber ebenso wie das dazugehörige Dielektrikum erst über

eine mittlere Ausnehmung mit den ihnen zugeordneten Teilen in Verbindung stehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2 159 648;

britische Patentschriften Nr. 568 378, 607 200;

F. Villig, »Lehrbuch der Hochfrequenztechnik«, Bd. 1, 1945, S. 270;

»Principles of Radar«, 1946, S. 8 bis 89;

H. H. Meinke, »Kurven, Formeln und Daten aus der Dezimeterwellentechnik«, München, 1949, ■ S. D IV/15 bis D IV/17.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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