DE1055626B - Blindwiderstandselement in einem Hohlleiterabschnitt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Mikrowellenübertragungselemente und insbesondere auf ein Blindwiderstandselement in einem Hohlleiterabschnitt, der zur Übertragung elektromagnetischer Wellen dient, bei dem an der Innenfläche von verschiedenen Seitenwänden des Hohlleiterabschnitts an Punkten, die in der gleichen Querschnittsebene liegen, zwei leitende Stäbe angebracht und mit je einem Ende mit der Innenfläche leitend verbunden sind.

Es ist bekannt, daß in einem Hohlleiter befindliche, mit dem elektrischen Feld gekoppelte Hindernisse ein Impedanzelement darstellen. Das Hindernis kann beispielsweise die Form eines langgestreckten, leitenden Elementes oder Stabes annehmen, der an einem Ende mit der inneren Oberfläche des Hohlleiters verbunden ist. Bisher wurde ein solcher Stab vorwiegend in der Weise angebracht, daß er sich entweder in Richtung des durch den Hohlleiter wandernden elektrischen Feldes oder quer und im rechten Winkel dazu erstreckte. Im letzteren Fall kann der Stab mit Hilfe eines zweiten leitenden Elementes mit dem elektrischen Feld gekoppelt werden, wobei das zweite Element mit der inneren Oberfläche des Hohlleiters verbunden ist und sich in Richtung des elektrischen Feldes erstreckt.

Weiterhin ist ein Blindwiderstandselement in einem Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt bekanntgeworden, in welchem eine vollkreissymmetrische Anordnung von leitenden Stäben angebracht ist. Jeder dieser Stäbe weist dabei radiale und tangentiale Abschnitte auf, wobei die tangentialen Abschnitte auf einem Kreisumfang im Innern des Hohlleiters liegen. In dem Hohlleiter fortschreitende radial- elektrische (TM⁰ ₀₁)-Wellen treffen auf dieses Drahtgitter auf. Dadurch entstehen in den radialen und den tangentialen Abschnitten der Drähte Ströme, die in den tangentialen Abschnitten phasengleich sind, wodurch im anschließenden Raum des Hohlleiters eine zirkularelektrische (TE⁰ ₀₁)-Welle erzeugt wird. Hierbei handelt es sich also um die Umwandlung von radialpolarisierten (TM⁰ ₀₁)-Wellen in zirkular-polarisierte (TE⁰ ₀₁)-Wellen durch Reflexion.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Impedanznetzwerk oder ein Blindwiderstandselement für Hohlleiter zu schaffen. Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der einleitend erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem als Rechteckhohlleiter mit ungleich großen Querabmessungen ausgebildeten Hohlleiterabschnitt der erste Stab von einer der breiteren Seitenwände ausgeht und einen abgebogenen Teil aufzeigt, daß der zweite Stab von der Mitte einer der schmalen Seitenwände ausgeht und einen Abschnitt aufweist, der von der Ouermittellinie des Hohlleiters abweicht, und daß der Abstand zwischen dieser Mittellinie und dem abgebogenen Teil des zwei-Blindwiderstandselement
in einem Hohlleiterabschnitt

Anmelder:
Western Electric Company,

Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. Dr. r. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. Mai 1956

Frank Caroselli, Westfield_r N. J. (V. St. A.]
ist als Erfinder genannt worden

ten Stabes ungefähr gleich dem Abstand zwischen dieser Linie und dem abgebogenen Teil des ersten Stabes ist.

Der Blindwiderstand eines Stabes bei einer bestimmten Frequenz hängt von seinen Abmessungen, seiner Form und seiner Lage innerhalb des Hohlleiters ab. Seine Länge kann bei einer gegebenen Frequenz so gewählt werden, daß sein Blindwiderstand positiv, negativ, Null (bei Resonanz) oder unendlich (bei Antiresonanz) ist. Die Steigung des Blindwiderstands-Frequenzdiagramms hängt von den Querschnittsabmessungen des Stabes, der Stelle, an der der Stab mit dem Hohlleiter verbunden ist, und dem Grad der Kopplung ab.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein dritter Stab an der anderen Breitseite zur Kompensation der Wirkung des Blindwiderstandes des zweiten Stabes bei der gewählten Frequenz angebracht. Daher wird bei dieser Frequenz die Blindwiderstandskennlinie des ersten Stabes durch die Anwesenheit der beiden Koppelelemente im wesentlichen nicht beeinträchtigt. Weist der zweite Stab eine wirksame Länge von lj2 auf, dann kann der dritte Stab weggelassen werden.

S09' 507/410

In der Zeichnung ist eine besondere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt eines rechteckigen Hohlleiters mit einer Anzahl von Hindernissen in Form von länglichen, leitenden Elementen oder Stäben, die von den inneren Oberflächen der Seitenwände aus hervorstehen, mit dem elektrischen Feld gekoppelt sind und reaktive Impedanzelemente bilden,

Fig. 2 ein Diagramm des Blindwiderstandes, der über der effektiven Länge des Elementes oder Stabes aufgetragen ist,

Fig. 3 die äquivalente Schaltung der Impedanzelemente der Fig. 1 und

Fig. 4 den typischen Verlauf des über der Frequenz aufgetragenen Stehwellenverhältnisses, das mit den Impedanzelementen von Fig. 1 erzielbar ist.

In Fig. 1 ist in allen Einzelheiten ein Hohlleiter 6 mit leitenden Begrenzungswänden, mit rechteckigem Querschnitt und ungleichen Ouerabmessungen dargestellt. Es sei angenommen, daß in dem Hohlleiter elektromagnetische Wellen übertragen werden, deren elektrisches Feld in einer Richtung senkrecht zu den breiteren Seitenwänden 7 und 8 linear polarisiert ist, wie dies durch den Vektor E angezeigt ist. Das langgestreckte, leitende Element oder der Stab 9 mit kreisrundem Querschnitt stellt ein Impedanzelement mit Blindwiderstand entsprechend einem Merkmal der Erfindung dar. An einem Ende ist der Stab 9 dreh- und gleitbar in einer kreisförmigen öffnung 10 in der Seitenwand 7 angebracht und leitend mit dieser verbunden. Am Punkt 11 ist der Stab im wesentlichen rechtwinklig abgelx>gen, so daß sein oberer Teil 12 sich in Richtung des Vektors E erstreckt und die Kopplung liefert, während sein unterer Teil 13 sich transversal in einer Richtung senkrecht zu E erstreckt. Am freien Ende des Stabes ist eine leitende Scheibe 14 angebracht.

Die Art des mit dem Stab 9 erreichbaren Blindwiderstandes hängt von dessen wirksamer Länge ab, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Zusammenhang soll noch festgestellt werden, daß das Abbiegen des Stabes keine andere Wirkung hat, als daß dadurch die wirksame Länge geringfügig verringert wird. Die Länge kann durch Hin- und Herschieben des Stabes 9 in der Öffnung 10 eingestellt werden, so daß ein mehr oder weniger langes Stück des Stabes in den Hohlleiter hineinragt. Man sieht, daß bei einer wirksamen Länge des Stabes 9 von weniger als 2/4 oder zwischen 2/2 und 32/4 der Blindwiderstand negativ wird. Fällt die effektive Länge zwischen 2/4 und λ/2 oder zwischen 32/4 und 2, dann wird der Blindwiderstand positiv. Ist die Länge gleich einem ungeradzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge, dann ist der Stab in Serienresonanz, und ist der Stab ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge lang, dann ist der Stab in Parallelresonanz. Ist der Blindwiderstand positiv, dann ist die entsprechende Darstellung mit einem konzentrierten Schaltelement bei jeder gewählten Frequenz eine einzelne Ouerinduktivität Ll in Fig. 3. Ist der Blindwiderstand dagegen negativ, dann läßt sich der Stab durch eine Ouerkapazität Cl darstellen. Ein Stab in Serienresonanz ist einem Querzweig mit einer Reihenschaltung aus einem Kondensator C2 und einer Spule L2 äquivalent, und ein antiresonanter Stab wird durch einen Querzweig dargestellt, der aus einer Parallelschaltung einer Spule L 3 und eines Kondensators C 3 besteht.

Ist der Stab 9 in Resonanz, dann ergibt sich ein maximales Q dadurch, daß die effektive Länge des umgebogenen Teiles 13 gleich einer halben Wellen-

länge gewählt wird. Die Länge des Teiles 12 wird dann gleich einem ungeradzahligen Vielfachen einer A⁷Iertelwellenlange, gewöhnlich gleich2/4 oder 32/4 gewählt. Die letzte Zahl ergibt ein höheres Q. Ein in Resonanz befindlicher Stab mit diesen Abmessungen kann auch aus einer der Schmalseiten 25 und 26 herausragen.

Die Steilheit der Änderung der Impedanz mit der Freque'nz des Impedanzelementes hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Steilheit kann beispielweise dadurch verringert werden, daß der Durchmesser des Stabes 9 vergrößert wird, daß der Stab weiter nach einer Seite von der transversalen Mittellinie des Hohlleiters entfernt wird oder daß eine leitende Scheibe 14 am freien Ende befestigt wird. Ferner kann die Steilheit durch Drehen des Stabes 9 in der öffnung 10 eingestellt werden, wie dies durch den gebogenen Pfeil 15 angezeigt ist, wodurch sich die Ausrichtung des umgebogenen Teiles 13 in bezug auf das auftreffende elektrische Feld E ändert. Ein anderer bedeutender Vorteil, der sich aus dem Umbiegen des Stabes 9 ergibt, besteht darin, daß der Stab länger gemacht werden kann als es sonst in dem Hohlleiter möglich wäre, wenn der Stab gerade verläuft. Man sieht aus Fig. 2, daß ein gegebener Blindwiderstand mit Stäben von verschiedener Länge erreicht werden kann. Der längere Stab ergibt jedoch eine größere Steilheit und auch ein höheres 0. Ein einziger abgebogener Stab, der entweder aus einer Breitseite oder aus einer Schmalseite des FIohlleiters herausragt, kann daher an Stelle von zwei geraden Stäben verwendet werden, die sich von benachbarten Seitenwänden aus erstrecken.

In Fig. 4 sind typische, mit einem solchen Stab 9 erzielbare Kennlinien angegeben. In dieser Fig. ist das Stehwellenverhältnis in Dezibel über der Frequenz aufgetragen. Die Länge des Stabes ist derart gewählt, daß er bei einer Frequenz Z₁ in Resonanz ist. Die Kurve 16 zeigt die Art der Kennlinie, die sich mit einem in der Mitte angeordneten Stab 9 mit einer effektiven Länge von λ/4, einem gegebenen Durchmesser und einer Abschluß scheibe 14 mit bestimmten Durchmesser sowie einem umgebogenen Teil 13 ergibt, der zu den Schmalseiten 25 und 26 des Hohlleiters 6 senkrecht steht. Die schmalere untere Kurve 17 erhält man, wenn man eine oder mehrere der folgenden Änderungen einführti. Man bewegt den Stab 9 von seiner Mittelstellung aus nach rechts oder links;

2. man erhöht die effektive Länge des Stabes auf 32/4 oder ein größeres ungeradzahliges Vielfaches von 2/4;

3. man verringert den Durchmesser des Stabes;

4. man erhöht den Durchmesser der Scheibe, oder
5. man dreht den umgebogenen Teil 13 im Azimut.

Es ist natürlich klar, daß sich eine unendliche große Kurvenschar unterhalb und oberhalb oder zwischen diesen beiden Kurven 16 und 17 durch geeignete Auswahl der fünf genannten Parameter erzielen läßt. Daher hat der Konstrukteur eine große Zahl wünschenswerter Eigenschaften zu seiner Verfügung.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind ein oder mehrere zusätzliche Stäbe in der gleichen Querschnittsebene wie der Stab 9 angebracht, um dadurch die Zahl der erzielbaren Eigenschaften noch weiter zu erhöhen; wenigstens ein Stab geht dabei von der Mitte einer der schmalen Seitenwände aus. In Fig. 1 ist ein weiterer Stab 18 gezeigt, der aus der inneren Oberfläche der Seitenwand 7 herausragt. Sind

Claims (3)

die Stäbe 9 und 18 an ihrer am dichtesten benachbarten Stelle weniger als A/4 voneinander entfernt, dann sind sie eng miteinander gekoppelt und wirken als einzelner Stab mit einer Länge, die ungefähr gleich der Summe der Einzellängen ist. Auf diese Weise lassen sich längere wirksame Längen erzielen. Haben die Stäbe 9 und 18 einen größeren Abstand als λ/4, dann wirken sie unabhängig voneinander als zwei getrennte, parallele Impedanzelemente. In der Fig. 1 ist der Stab 18 in Form eines Hakens dargestellt, doch es kann auch jede andere Form, auch eine gerade Form, verwendet werden. Gleichartige Ergebnisse kann man auch dadurch erzielen, daß man einen Stab 19 an der gegenüberliegenden Breitseite 8 einfügt. Der Stab 19 vergrößert die wirksame Länge des Stabes 9 dann, wenn deren Abstand kleiner ist als λ/4, wirkt jedoch unabhängig, wenn dieser Abstand größer ist als 2/4. Man kann den Stab 19 beispielsweise auch so auslegen, daß er bei einer zweiten Frequenz in Resonanz ist, die höher oder tiefer liegt als fv Ein senkrecht aus einer Schmalseite des Hohlleiters 6 hervortretender gerader Stab ist nicht mit dem übertragenen Feld gekoppelt. Weist dieser Stab jedoch einen Teil auf, der sich in Richtung des Feldes E erstreckt, dann ergibt dieser Teil die notwendige Kopplung. Der gebogene Stab 21'beispielsweise, der sich von der Schmalseite 25 des Hohlleiters 6 aus erstreckt, weist einen Teil 22 auf, der parallel zu E liegt und die Kopplung liefert. Denselben kann man mit einem Stab 24 erreichen, der von der anderen Schmalseite 26 aus vorsteht. Der Teil dieses Stabes, der sich innerhalb des Hohlleiters befindet, ist im wesentlichen gerade, bildet jedoch einen spitzen Winkel mit einer Ebene senkrecht zu E und hat daher eine Komponente parallel zu E. Die Stäbe 18, 21 und 24 können ebenfalls drehbar in der Seitenwand des Hohlleiters angebracht werden, wie dies durch gebogene Pfeile angedeutet ist, so daß sich eine bequeme Einstellmöglichkeit für die Kopplung ergibt. Die Kopplung hängt außerdem von dem Abstand des Stabes von dem Mittelpunkt der zugehörigen Seitenwand ab und nimmt mit zunehmenden Abstand ab. Alle diese Stäbe können auch gleitbar angeordnet sein, so daß ihre innerhalb des Hohlleiters befindliche Länge einstellbar ist. Andererseits können die Stäbe auch fest angeordnet sein, wenn keine Einstellung erforderlich ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Stab angebracht ist, der sich von der Mitte einer der Schmalseiten eines rechteckigen Hohlleiters aus erstreckt. Dieser Stab ist mit dem elektrischen ^eld in der Weise gekoppelt, daß dessen Blindwiderstand bei einer gegebenen Frequenz nicht wesentlich geändert wird. Der Stab 27, dessen Länge für eine Resonanz bei einer bestimmten Frequenz gewählt ist, ragt aus der Mitte der Seitenwand 26 hervor, so daß der Blindwiderstand des Tmpedanzelementes eine maximale Steilheit aufweist. Da der Stab im wesentlichen geradlinig und senkrecht zur Seitenwand 26 verläuft, ist er praktisch vom elektrischen Feld entkoppelt. Die Kopplung wird aber durch den Stab 9 geliefert, dessen oberer Teil 12 parallel zu E liegt. Wäre der Stab 27 gerade, dann müßte sich der gekrümmte Teil 13 des Stabes 9 dem Stab 27 sehr weitgehend nähern, 'um ein Impedanzelement hoher Güte zu liefern. In der Praxis ist es schwierig, einen derart geringen Abstand ohne physikalischen und elektrischen Kontakt zwischen den beiden Stäben aufrechtzuerhalten. Diese Schwierigkeit wird dadurch umgangen, daß der Stab 27 bei einem Punkt 28 leicht abgebogen ist und der Stab 9 um den entsprechenden Betrag zurückgezogen ist. Das bedeutet, daß der linke Teil des Stabes 27 unterhalb der transversalen Mittellinie des Hohlleiters 6 liegt, und zwar um die gleiche Strecke, die der Teil 13 des Stabes 9 sich oberhalb dieser Linie befindet. Das Q dieser Schaltung wird nicht wesentlich verringert, wenn diese Symmetrie in bezug auf die Mittellinie aufrechterhalten wird. Das Koppelelement 9 ergibt im allgemeinen, einen unerwünschten Blindwiderstand, der je nach der Länge des Stabes positiv oder negativ ist. Die Wirlcung dieses Blindwiderstandes bei einer ausgewählten Frequenz kann im wesentlichen durch einen Stab 19 kompensiert werden, der von der gegenüberliegenden Breitseite 8 aus hervorsteht und einen Blindwiderstand derselben Größe, aber von entgegensetztem Vorzeichen aufweist. Besitzt daher der Stab 9 einen Blindwiderstand X, dann muß der Stab 19 einen Blindwiderstand — X aufweisen. Da diese beiden Blindwiderstände effektiv parallel liegen, bilden sie einen im Ouerzweig liegenden Antiresonanzkreis von unendlicher oder sehr hoher Impedanz. Auf diese Weise ergeben die beiden Stäbe 9 und 19 eine Kopplung für den Stab 27, ohne daß dabei dessen Blindwiderstandseigenschaften geändert werden. Der Stab 21 kann dann noch eingefügt werden, um eine AJbstimmung oder eine weitere unabhängige Resonanz oder Antiresonanz einzuführen. Das Koppelelement 9 bildet allein einen im Querzweig liegenden Antiresonanzkreis hoher Impedanz und stellt daher die erwünschte Kopplung für den Stab 27 dar, wenn dessen wirksame Länge bei der in Frage kommenden Frequenz gleich λ/2 gemacht wird. In diesem Falle kann der Kompensationsstab 19 weggelassen werden. Patentansprüche:

1. Blindwiderstandselement in einem Hohlleiterabschnitt, der zur Übertragung elektromagnetischer Wellen dient, bei dem an der Innenfläche von verschiedenen Seitenwänden des Hohlleiterabschnitts an Punkten, die in der gleichen Ouerschnittsebene liegen, zwei leitende Stäbe angebracht und mit je einem Ende mit der Innenfläche leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem als Rechteckhohlleiter mit ungleich großen Ouerabmessungen ausgebildetem Hohlleiterabschnitt der erste Stab von einer der breiteren Seitenwände ausgeht und einen abgebogenen Teil aufweist, daß der zweite Stab von der Mitte einer der schmalen Seitenwände ausgeht und einen Abschnitt aufweist, der von der Ouermittellinie des Hohlleiters abweicht, und daß der Abstand zwischen dieser Mittellinie und dem abgebogenen Teil des zweiten Stabes ungefähr gleich dem Abstand zwischen dieser Linie und dem abgebogenen Teil des ersten Stabes ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stab sich bei einer ausgewählten Frequenz in Resonanz befindet und daß der erste Stab eine effektive Länge aufweist, die gleich einer halben Wellenlänge im freien Raum bei der ausgewählten Frequenz ist.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter leitender Stab von der anderen breiten Seitenwand des Hohlleiters aus an einem Punkt in der gleichen Ouerschnittsebene nach innen ragt und