DE1059063B - Hohlleiter fuer die UEbertragung von elektromagnetischen Rohrwellen mit transversalem elektrischem Zirkularfeld, insbesondere von H-Wellen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Im Zuge der Entwicklung in der Erzeugung und Übertragung von elektromagnetischen Wellen mit immer höheren Frequenzen treten die Hohlleiter zur Führung und Fortleitung der hochfrequenten Wellen als Träger von Signalen immer mehr in den Vordergrund. Besondere Bedeutung haben die sogenannten H₀₁-Hohlleiter mit kreisförmigem oder annähernd kreisförmigem Querschnitt erlangt, da die bei ihnen zur Übertragung vorgesehenen Rohrwellen vom H₀₁-Modus

bzw. H_on-Modus₁ das sind Wellen mit

transversalem und im wesentlichen zirkulär verlaufendem elektrischen Feld, die besonders, vom Verhalten aller sonstigen Wellenmodi abweichende Eigenschaft besitzen, daß ihre Dämpfung mit zunehmender Frequenz abnimmt. Aus diesem Grunde sind die H₀₁-WelIen bei den heute bereits gebräuchlichen Frequenzen der Größenordnung GHz im besonderen Maße dazu geeignet, Signale über größere Entfernungen dämpfungsarm zu übertragen.

Einer störungsfreien Übertragung von H₀₁-Wellen stellen sich aber Schwierigkeiten entgegen, die in erster Linie darin zu sehen sind, daß der H₀₁-Modus instabil ist, d. h. daß bereits kleine Unregelmäßigkeiten im Hohlrohr zu einer Aufspaltung der H₀₁-Welle in andere Wellenmodi Anlaß geben können. Besonders nachteilig wirkt sich hierbei die Abspaltung einer E₁₁-Welle aus. Da nämlich die E₁₁-Welle die gleiche Fortpflanzungskonstante wie die H₀₁-Welle besitzt, sind diese beiden Wellenmodi stark miteinander gekoppelt, so daß die zu übertragende Energie zwischen der E₁₁-Welle und der H₀₁-Welle als Träger der Energie hin- und herpendelt. Es müssen daher besondere Maßnahmen und Mittel vorgesehen werden, um das Entstehen und gegebenenfalls auch die Ausbreitung einer E₁₁-Welle in einem für die Übertragung von H₀₁-Wellen vorgesehenen Hohlleiter weitgehend zu unterbinden.

Hierzu ist es bekannt, den Hohlleiter aus aneinandergereihten Ringen oder aus einem zu einer Wendel geformten Draht aufzubauen. Insbesondere ist auch vorgeschlagen worden, ein oder mehrere Flachbänder hochkant zu einer ein- oder mehrgängigen Wendel zu formen. Bei all diesen Ausführungsformen eines H₀₁-Hohlleiters liegen zwischen den Ringen bzw. zwischen den Windungen der Wendel schmale ringoder wendeiförmige Schlitze. Durch diese Schlitze in der Rohrwandung soll, hauptsächlich erreicht werden-, daß die E₁₁-Welle in dem Hohlleiter ein Phasenmaß erhält, das von dem der H₀₁-Welle stark abweicht, wodurch dem Entstehen der störenden E₁₁-Welle vorgebeugt und die Kopplung dieser Welle mit der H₀₁-Welle weitgehend aufgehoben wird. Außerdem ist es bekannt, in den Schlitzen oder über den Schlitzen der Rohrwandung Dämpfungsmaterialien, das sind Hohlleiter für die übertragung
von elektromagnetischen Rohrwellen
mit transversalem elektrischem

Zirkularfeld,
insbesondere von H₀₁-Wellen

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. phil. Herbert Larsen
und Dipl.-Ing. Herbert Bauhof, Berlin-Spandau,
sind als Erfinder genannt worden

dielektrische Stoffe mit hohem Verlustwinkel, anzuordnen. Hierdurch wird das Dämpfungsmaß für die E₁₁-Welle gegenüber demjenigen der H₀₁-Welle stark vergrößert. Dies hat zur Folge, daß neben einer weiteren Verringerung der Kupplung zwischen der E₁₁-Welle und der H₀₁-Welle die E₁₁-Welle, oder allgemeiner eine E-Welle, im Hohlleiter stark gedämpft und damit an einer Ausbreitung im Hohlleiter gehindert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlleiter für die Übertragung von elektromagnetischen Rohrwellen mit transversalem elektrischem Zirkularfeld, insbe-Sonderevon H₀₁-Wellen, dessen Rohrwandung zirkulär oder wendelförmig verlaufende und mit einer äußeren dielektrischen Schicht hohen Verlustwinkels (Dämpfungsschicht) nach außen abgeschlossene Schlitze enthält. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, die Wirkung der mit einer Dämpfungsschicht abgeschlossenen Schlitze hinsichtlich der Dämpfung der störenden E-Wellen durch geeignete Maßnahmen günstig zu beeinflussen.

Im allgemeinen wird man bestrebt - sein, für die Dämpfungsschicht Materialien mit möglichst hohem Verlustwinkel zu verwenden, um damit das Verhältnis des Dämpfungsmaßes der störenden E-Wellen zu dem der H₀₁-Welle möglichst groß zu machen. Nun ist aber erfahrungsgemäß bei dielektrischen Dämpfungsgo- massen mit hohem Verlustwinkel auch die Dielektrizitätskonstante verhältnismäßig groß, so daß an der Grenzfläche zwischen dem Medium des Hohlraumes, im allgemeinen Luft, und der die Schlitze abschließenden Dämpfungsschicht eine verhältnismäßig hohe

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Reflexion eintritt. Dies führt dazu, daß die an den eignete Wahl des Verschäumungsgrades kann die Schlitzöffnungen von einer- E-Welle angeregten und - - Dielektrizitätskonstante der Zwischenschicht auf den in die Schlitze eindringenden Wellen an der Grenz- gewünschten Wert gebracht werden,
fläche zu einem hohen Prozentsatz in die Schlitze bzw. Im Prinzip lassen sich die dielektrischen Zwischeninden Übertragungshohlraum, zurückgeworfen werden 5 schichten voraus berechnen. Hierbei ist zu beachten, und nur zu einem geringen'Teil in die Dämpfungs- daß die in den Schlitzen sich ausbreitenden Wellen schicht eindringen und von dieser absorbiert werden. transversale Wellen sind, was besagt, daß sowohl der Uhr nun zu erreichen, daß der in die Dämpfungs- elektrische als auch der magnetische Feldvektor transSchicht eindringende Teil der von den E-Wellen an versal zur Ausbreitungsrichtung, also senkrecht zur den' Schlitzöftnungen angeregten Welle vergrößert io radialen Erstreckung der Schlitze und damit parallel wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, unterhalb zu den Grenzflächen zwischen den einzelnen Medien der äußeren Dämpfungsschicht eine oder mehrere mit stufenweise abgesetzten Dielektrizitätskonstanten dielektrische Zwischenschichten anzuordnen, deren Hegt. Durch die Bedingung, daß an den Grenzflächen (komplexe -oder reelle) Dielektrizitätskonstanten der transversale elektrische und transversale magnestufenweise die Dielektrizitätskonstante des Mediums 15 tische Feldvektor stetig sind, läßt sich eine Gleichung im Übertragungshohlraum, insbesondere Luft, zur für den Reflexionskoeffizienten aufstellen, der angibt, Dielektrizitätskonstanten der äußeren. Dämpfungs- welcher Wellenauteil von den in die.Schlitze eindrinschicht überleiten. Die dielektrischen Zwischen- genden Wellen in den Übertragungshohlraum reflekschichten bestehen dabei beispielsweise aus einem ver- tiert wird. In dieser Gleichung für den Reflexionsschäumten verlustbehafteten Stoff, wobei der Ver- 20 koeffizienten treten die Dielektrizitätskonstanten und schäumungsgrad geeignet gewählt ist. die Dicken der Zwischenschicht als Parameter auf,

An Hand der Figuren soll die Erfindung näher er- über die noch frei verfügt werden kann. Wird nun

läutert werden. - ■ gefordert, daß der Reflexionskoeffizient gleich Null

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein Ausführungs- i_st, also keine Wellen in den Übertragungshohlraum

beispiel für einen H₀₁-Hohlleiter gemäß der Erfindung 25 reflektiert werden sollen, so kann durch geeignete

im Längsschnitt dargestellt. Wahl der Parameter dieser Forderung genügt werden.

Gemäß der Fig. 1 besteht der den Übertragungs- J_e größer die Anzahl der Zwischenschichten, um so hohlraum umschließende Hohlleiter aus kurzen ver- größer ist auch die Freiheit in der Wahl der Parahältnismäßig dünnen Rohrstücken 1, die einen kreis- meter. Grundsätzlich'kann aber bereits durch Anordförmigen oder annähernd kreisförmigen Querschnitt ₃₀ nung von nur einer Zwischenschicht eine Reflexionshaben. Die einzelnen Rohrstücke 1 sind in einem ge- freiheit für eine bestimmte Frequenz erreicht werden, ringen Abstand voneinander angeordnet, so daß zwi- Dies wird im folgenden an Hand der in der Fig. 3 sehen ihnen enge zirkulär verlaufende Schlitze 2 liegen. dargestellten prinzipiellen Schichtanordnung gezeigt. Den Abschluß der Schlitze 2 nach außen bildet eine I_n der Fig. 3 sind mit e_v ε, und ε₃ drei aneinanderäußere Dämpfungsschicht 3, die bei dem gezeigten 35 grenzende Medien mit verschiedenen Dielektrizitäts-Ausführungsbeispiel als eine geschlossene, den Hohl- konstanten bezeichnet, wobei e_v ε₂ und ε₃ gleichzeitig leiter umschließende Hülle ausgebildet ist. Zwischen die entsprechenden relativen Dielektrizitätskonstanten dieser äußeren Dämpfungsschicht 3 und dem Hohl- dieser Medien bedeuten. Das Medium E₁ und das leiter ist erfindungsgemäß eine Zwischenschicht 4 an- Medium ε₃ entsprechen bei den H₀₁-Wellenleitern dem geordnet, deren Dielektrizitätskonstante zwischen der 40 Medium des Übertragungshohlraumes und der äußeren Dielektrizitätskonstanten des Übertragungsmediums Dämpfungsschicht mit hohem Verlustwinkel. Zwischen und' der Dielektrizitätskonstanten der äußeren Dämp · diesen ist eine dielektrische Zwischenschicht mit einer fungsschicht 3 liegt. geeigneten Dielektrizitätskonstanten ε₂ und einer

Die Fig. 2 zeigt ein Aüsführungsbeispiel für die Dicke rf₂ angeordnet.
Erfindung bei einem H₀₁-Hohlleiter, der zum Unter- 45 Es wird den praktischen Verhältnissen entsprechend schied zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aus ein- angenommen, daß das Medium des Übertragungshohlzelnen im geringen Abstand voneinander angeord- raumes S₁ Luft sei, also E₁ = 1 ist, und daß die Dämpneten flachen Ringscheiben 5 besteht. Bei einer solchen fungsschicht ε₃ genügend dick ist und einen genügend Ausführung eines Hohlleiters können, wie in der hohen Verlustwinkel besitzt, um alle in sie eindrinFigur dargestellt, die Schlitze 6 zwischen den Ring- 50 genden Wellen nach Durchlaufen einer gewissen scheiben 5 mit den dielektrischen Schichten ausgefüllt Strecke zum Abklingen zu bringen, so daß in dieser werden. Den äußeren Abschluß der Schlitze 6 bildet Dämpfungsschicht keine rücklaufenden Wellen aufwieder eine Dämpfungsschicht 7 mit hohem Verlust- treten können. Die aus dem Übertragungshohlraum winkel. Unterhalb dieser Dämpfungsschicht ist eine auf die Zwischenschicht ε₂ auftretende transversale Zwischenschicht 8 angeordnet, deren Dielektrizitäts- 55 Welle ist durch den Pfeil A, wobei A gleichzeitig die konstante einem geeigneten Zwischenwert zwischen Amplitude der Welle angibt, und die in den Übertrader Dielektrizitätskonstanten des Mediums im Über- gungshohlraum reflektierte Welle durch den Pfeilr-A, tragungshohlraum und der äußeren. Dämpfungs- wobei r den Reflexionskoeffizienten angibt, charakteschicht 7 entspricht. risiert.

Die Zwischenschicht 4 bzw. 8 bei den beiden Aus- 60 Die Rechnung ergibt unter den gemachten Vorausführungsbeispielen besteht zweckmäßig aus einem Setzungen folgende Formel für den Reflexionskoeffiaufgeschäumten verlustbehafteten Material. Durch ge- zienten r:

(i(1 + Υζ)'"¹* + (j/j -1).(! + Ti)*-'™ (l +yiD (1 + "l/j)«'**+ (j/j-¹) (i

. 2 TC

mit k₂ — —j- ]/ «_a und A = Wellenlänge in Luft.

Claims (5)

Die Reflexion wird dann 0, wenn der Zähler gleich 0 und der Nenner =J=O ist. Dies ist dann der Fall, wenn ■die folgende komplexe Gleichung erfüllt ist: ' = U+ I^f- Vh Für den Fall, daß die Zwischenschicht ε2 verlustarm, also ε2 = ε2' reell ist, findet man durch Einsetzen des komplexen Wertes für ε3=ε3'(1— jtgd3) und durch Trennung nach Real- und Imaginärteil zwei reelle Gleichungen, aus denen S2-S2' und d2 bei vorgegebenem ss ermittelt werden können, was beispielsweise auf graphischem Wege geschehen kann. Wenn der Sprung von S1 = I auf s3 sehr groß ist, so daß unter Umständen bei der gemachten A7Oraussetzung, daß ε2 reell ist, der Fall eintreten kann, daß der sich ergebende Wert von ε2=ε2' technisch nicht realisierbar ist, dann sind noch zwei Möglichkeiten vorhanden, um eine vollkommene Reflexionsfreiheit zu erreichen. Die eine Möglichkeit besteht in der Anordnung weiterer Zwischenschichten mit gestuften Dielektrizitätskonstanten, deren Berechnung sich nach einem Rekursionsverfahren durchführen läßt. Dies kann so weit gehen, daß schließlich ein kontinuierlicher Übergang der Dielektrizitätskonstanten vom Wert ε1 = 1 auf den Wert ε3 erreicht wird. Ein derartig kontinuierlicher Übergang bringt zwar den Vorteil einer breitbandigen Anpassung mit sich, wird sich aber in der Praxis schwer durchführen lassen. Man wird vielmehr die andere Möglichkeit zur reflexionsfreien Anpassung für eine gegebene Frequenz bevorzugen, die darin besteht, wiederum nur eine Zwischenschicht ε2 vorzusehen und für diese nunmehr Verluste zuzulassen. Setzt man die jetzt komplexe Dielektrizitätskonstante (S3 = S2(I-Jtgd2) in die Gleichung (2) ein, so erhält man nach Trennung nach Real- und Imaginärteil wiederum zwei reelle Gleichungen, in denen nunmehr drei Größen, nämlich ε2, tgd2 und d2 als zu bestimmende Größen auftreten. Von diesen kann über eine Größe frei verfügt werden, und zwar stets so, daß sich für s2 ein Wert ergibt, der technisch realisierbar ist. Praktisch läuft die Maßnahme zur Herstellung einer reflexionsfreien Anpassung darauf hinaus, an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Medien solche Reflexionsbedingungen zu schaffen, daß die in dem geschichteten Medium rückläufigen Wellen an der Trennnfläche zwischen dem Medium s1 des Übertragungshohlraumes und der ersten Zwischenschicht ε2 die an dieser Trennfläche in den Übertragungshohlraum reflektierte Welle kompensieren. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Erfindung kann mit demselben Erfolg auch bei H01-Hohlleitern angewendet werden, bei denen die Schlitze nicht, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, zirkulär verlaufen, sondern zum Unterschied hierzu wendelförmig. Auch ist es möglich, die dielektrischen Schichten anders anzuordnen, als es aus den Figuren hervorgeht. So kann z. B. bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeiispiel die dielektrische Zwischenschicht 4 zum Teil oder ganz in die Schlitze 2 eingreifen. Umgekehrt brauchen bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 die dielektrischen Schichten 7 und 8 die Schlitze nicht vollständig auszufüllen. So kann z. B. nur die dielektrische Zwischenschicht 8 in den Schlitzen angeordnet werden, während die äußere Dämpfungsschicht 7 den aus den Ringen 5 gebildeten Hohlleiter von außen als geschlossene Hülle umschließt. Erwähnt sei ferner, daß der Querschnitt des Hohlleiters nicht genau kreisförmig zu sein braucht, sondern daß es unter Umständen \rorteilhaft ist, wenn er nur angenähert kreisförmig, z. B. elliptisch ist. Patentansprüche:

1. Hohlleiter für die Übertragung von elektromagnetischen Rohrwellen mit transversalem elektrischem Zirkular feld, insbesondere von H₀₁-Wellen, dessen Rohrwandung zirkulär oder wendelförmig verlaufende und mit einer äußeren dielektrischen Schicht hohen Verlustwinkels (Dämpfungsschicht) nach außen abgeschlossene Schlitze enthält, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der äußeren Dämpfungsschicht eine oder mehrere dielektrische Zwischenschichten angeordnet sind, deren (komplexe oder reelle) Dielektrizitätskonstanten stufenweise die Dielektrizitätskonstante des Mediums im Übertragungshohlraum, insbesondere Luft, zur Dielektrizitätskonstanten der äußeren Dämpfungsschicht überleiten.

2. Hohlleiter nach Anspruch 1 mit lufthaltigem Hohlraum und einer dielektrischen Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante ε₂ und die Dicke d₂ der dielektrischen Zwischenschicht so bemessen sind, daß die Gleichung

zumindest angenähert erfüllt ist, wobei ε₃ die komplexe Dielektrizitätskonstante der äußeren Dämp-

2 _π

fungsschicht bedeutet und &_a = —j- ]/ ε₂ mit 2 als

Wellenlänge in Luft ist.

3. Hohlleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Zwischenschichten aus verschäumten Stoffen mit geeignetem Verschäumungsgrad bestehen.

4. Hohlleiter nach Anspruch 1, insbesondere mit dünner Rohrwandung, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Dämpfungsschicht und die dielek^ trischeh Zwischenschichten das Hohlrohr umschließen.

5. Hohlleiter nach Anspruch 1, insbesondere mit dicker Rohrwandung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze zumindest zum Teil mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten ausgefüllt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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