DE1059986B - Anordnung zur Ankopplung von Hohlleitern an Koaxialkabel - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Ankopplung von Hohlleitern an Koaxialkabel, genauer gesagt, mit Verbindungsanordnungen 2wischen Hohlleitern und Koaxialkabeln, die den nötigen Energieaustausch zwischen den zwei verschiedenartigen Übertragungsmitteln ermöglichen. Die Erfindung ist anwendbar auf Ankopplungsanordnungen zum Energieaustausch zwischen Hohlleitern beliebigen Querschnittes und Koaxialkabeln, beschrieben wird aber in einem Ausführungsbeispiel speziell eine Ankopplungsanordnung von rechteckigen Hohlleitern an Koaxialkabel.

Im Falle einer Ankopplung eines rechteckigen Hohlleiters an ein koaxiales Kabel ist der Eingang des Kabels in den Hohlleiter theoretisch auf drei Arten möglich. Das Koaxialkabel kann in das Hohlleiterteil mittels der Ankopplungsanordnung durch die Breitseite eintreten, im weiteren kurz mit »Kopfeintritt« bezeichnet, oder durch die Schmalseite, sogenannter »Seiteneintritt«, oder durch die Endwand, sogenannter »Endeintritt«. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Anordnungen zu schaffen zur Ankopplung von Hohlleitern an Koaxialkabel, die stabil und zuverlässig sind, geeignet für die Massenproduktion, und die eine gute Impedanzanpassung besitzen für ein breites Frequenzband.

In einer bekannten Ausführung einer »EndeintrittsAnordnung«, meist als magnetischer Schleifentyp bezeichnet, ist der Innenleiter konisch und erstreckt sich gleich einer Sonde gerade in den Hohlleiter hinein. Die Anpassung ist deshalb nur für ein schmales Frequenzband gewährleistet. Impedanzanpasung, allerdings auch nur für ein relativ schmales Band, kann genauso erreicht werden durch Absetzen des Innenleiters in Form eines »tapered-line« (konisch geformtes Leiterstück, bei dem der Wellenwiderstand sich allmählich ändert), das sich an der Stelle befindet, an der die Leitung sich der Breitseite des Hohlleiters nähert. Die Schmalbandigkeit des Bereiches, in dem Anpassung vorliegt, ist hauptsächlich durch die Tatsache begründet, daß der Scheinwiderstand der magnetischen Schleife sich mit der Frequenz ändert.

In einer zweiten bekannten Form einer sogenannten »Endeintritts-Anordnung« wird ein Steghohlleiter als Anpasungsglied benützt. Der Innenleiter grenzt mit einem in geeigneter Weise konisch geformten Endstück an den Steghohlleiterabschnitt und ein weiteres »tapered-line« paßt diesen Steghohlleiterabschnitt dann an den Rechteckhohlleiter an. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung ist die lästige große Baulänge, die für eine genaue Anpassung über ein weites Frequenzband benötigt wird.

Ferner ist ein Übergang eines Koaxialkabels in einen Hornstrahler bekannt, bei dem der Innenleiter des Kabels in den Hornstrahler eingeführt wird und Anordnung zur Ankopplung von Hohlleitern an Koaxialkabel

Anmelder: Marconi's Wireless Telegraph Company Limited, London

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt, Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 12. September 1956 und 11. Juni 1957

Matthew Frederick Radford, Danbury₁ Essex (Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

in Ausbreitungsrichtung der Wellen durch ein langes exponentiell auslaufendes Metallstück fortgesetzt wird. Diese Anordnung ist besonders schwierig herzustellen und scheidet deshalb für eine Serienfertigung aus.

Bei einer ebenfalls bekannten Anordnung mit Seiteneintritt des Koaxialkabels in den Hohlleiter ist der Innenleiter des Kabels im Hohlleiter durch ein vielfach abgestuftes Metallstück in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen fortgesetzt. Diese Ausführungsform besitzt durch das fünffach abgestufte Übergangsstück eine so große Baulänge, daß seine praktische Anwendung stark begrenzt ist.

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Ankopplung von Hohlleitern an Koaxialkabel, die ein mit einer Endplatte abgeschlossenes Hohlleiterstück enthält. Erfindungsgemäß tritt hierbei der Innenleiter des Kabels durch eine Aussparung in dieser mit dem Außenleiter des Kabels verbundenen Endplatte in Richtung der Hohleiterlängsachse in den Hohlleiter ein. Es ist dabei ein /l/4-Impedanzwandler in Form eines leitenden Klotzes im Hohlleiterstück vorhanden, der mit dem Kabelinnenleiter und mit einem Teil der Hohlleiterwand in Abstand von der Endplatte leitend verbunden und gegebenenfalls einmal abgestuft ist. Ferner sind gleichzeitig Kompensationseinrichtungen vorgesehen zum Ausgleich der Unstetigkeiten am Eintrittsort des Kabelinnenleiters.

Diese Kompensationseinrichtung kann aus einem zweiten A/4-Klotz auf der Innenwand des Hohlleiters bestehen. Dieser zweite Klotz ist gegenüber dem erstgenannten Klotz angebracht. Erstgenannter ^-Impedanzwandler aus einem leitenden Klotz kann durch

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einen »tapered-block« (ein Klotz mit stetig sich änderdem Querschnitt zur Anpassung des Wellenwiderstandes) ersetzt werden, wenn er dieselben Anpassungseigenschaften besitzt. Die Länge des abnehmenden Querschnittes des besagten Klotzes sollte nicht kleiner als XIA sein. Tatsächlich werden bessere Ergebnisse erzielt, wenn dieser abnehmende Querschnitt sich ungefähr über eine halbe Wellenlänge erstreckt.

Die Betriebswellenlänge ist natürlich die unfreie Wellenlänge in der Übergangsanordnung im Bereich der Klötze und wird in der Praxis zwischen der unfreien Wellenlänge des Hohlleiters und der korrespondierenden freien Wellenlänge des freien Raumes liegen.

In einer besonderen Ausführungsform enthält die Anordnung zum Übergang von Hohlleitern auf Koaxialkabel ein Rechteckhohlleiterglied mit einer rechteckigen Endverschlußplatte an einem seiner Enden, die eine kreisförmige zentrische Aussparung besitzt mit einem dem Außenleiter des Kabels entsprechenden Durchmesser. Der Kabelaußenleiter ist mit der Platte elektrisch leitend verbunden, der Kabelinnenleiter ragt durch die Aussparung hindurch. Ein abgestufter leitender Klotz mit einer Länge des niedrigeren Teiles von ungefähr einem Viertel der Betriebswellenlänge und einer Höhe des höheren abgestuften Teiles von näherungsweise der Größe der halben Schmalseite des Hohlleiters zuzüglich des halben Durchmessers des Innenleiters des Koaxialkabels, ist innerhalb des besagten Hohlleitergliedes auf einer seiner Breitseiten befestigt, wobei die Seiten des Klotzes parallel angeordnet sind zu den Schmalseiten des Hohlleiters und das höhere Ende von der erwähnten Endverschlußplatte ungefähr einen Abstand von 2% der Betriebswellenlänge besitzt. Der Innenleiter ist mit dem höher abgestuften Ende des Klotzes verbunden. Auf der anderen Breitseite des Hohlleiters ist ein barrenähnlicher Klotz befestigt, der rechteckförmigen Querschnitt hat und den erstgenannten Klotz mit Abstand gegenübersitzt, wobei seine Länge ungefähr XIA und seine Höhe näherungsweise gleich der halben Weite des Hohlleiters auf seiner Schmalseite abzüglich des halben Durchmessers des Außenleiters des Koaxialkabels ist. Die Seiten dieses Klotzes liegen parallel zur Schmalseite des Hohlleitergliedes, und der Klotz berührt mit dem einen Ende die Endverschlußplatte des Hohlleiters. Der Spalt zwischen den beiden Klötzen beträgt ungefähr 2% der Wellenlänge.

Fig. 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 stellt einen Aufriß dar, während

Fig. 1 den Schnitt längs der Seele des Kabelinnenleiters wiedergibt.

Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 hat ein Koaxialkabel einen massiven zylindrischen Innenleiter 1 und einen hohlzylindrischen Außenleiter 2. Die eigentliche Anpassungsanordnung umfaßt ein rechteckiges metallisches Hohlleiterglied 3, das zwei metallische Klötze 4 und 5 enthält. In der praktischen Ausführung wird das Hohlleiterglied an seinem einen (in der Figur abgebrochenen) Ende an einen ebenfalls nicht gezeichneten Rechteckhohlleiter angeschlossen mit irgendeiner der üblichen Methode, z. B. durch Anschrauben. Auch die Flansche zum Anschrauben wurden nicht mit eingezeichnet.

Eine metallische Endplatte 6 ist auf dem entgegengesetzten Ende des Hohlleitergliedes angeordnet. In diese Platte 6 ist zentral eine Aussparung angebracht zur Aufnahme des Außendurchmessers vom Außenleiter 2, der auf die Endplatte 6 aufgelötet ist.

Der Innenleiter 1 ist in ähnlicher Weise auf dem Klotz 4 befestigt, der auf der Mittellinie der Breitseite des Hohlleitergliedes derart angebracht ist, daß die breiten Seitenflächen des Klotzes 4 parallel und abstandsgleich sind zu den Schmalseiten des Hohlleitergliedes 3. Der höhere Teil des Klotzes 4 besitzt eine Höhe von kaum mehr als der Hälfte der inneren Abmessung der Schmalseiten des Hohlleitergliedes 3 zuzüglich dem Radius des Innenleiters 1. Die Dicke des Klotzes 4 wird zweckmäßigerweise gleich dem Durchmesser des Innenleiters 1 gewählt. Der Klotz 4 ist angenähert ^zIs X (X — Betriebswellenlänge) lang und hat eine Abstufung, die sich über etwa /l/4-Länge erstreckt. Die Höhe der Stufe 4 a ist näherungsweise fünf Achtel der Gesamthöhe des höheren Teiles des Klotzes 4.

Dieser höhere Teil des Klotzes 4 ist gegen das Ende der Leitung hin gerichtet. Die Aufgabe des Klotzes 4 besteht darin, die Impedanz des Hohlleitergliedes im Bereich des Klotzes an die Impedanz des restlichen Hohlleiters anzupassen, so· daß eine relativ konstante resultierende Impedanz über ein weites Frequenzband erreicht wird. Der Klotz ist in geringer Entfernung von der Endplatte des Hohlleitergliedes angebracht. Die Entfernung, die wenig kritisch ist, kann durch Probieren leicht gefunden werden, und liegt in der Größenordnung von 2% von X. Da der Außenleiter 2 vor dem Punkt endet, an dem der Innenleiter 1 den Klotz 4 berührt, ist es notwendig, eine Einrichtung vorzusehen, um die elektrische Unstetigkeit zu kompensieren, die hierdurch bewirkt wird. Dies wird erreicht durch Anbringen des Klotzes 5 auf der Mittellinie der gegenüberliegenden Breitseite des Hohlleitergliedes, wobei dieser eine Länge von etwa XIA besitzt.

Der Klotz 5 hat eine Höhe von angenähert der halben Ausdehnung der Schmalseite des Hohlleitergliedes, vermindert um den Radius des Kabeläußeren, und eine Breite ungefähr gleich dem äußeren Kabeldurchmesser. Dieser Klotz hat Kontakt mit der Endplatte 6. Seine Seitenflächen sind parallel und in gleichem Abstand zur Schmalseite des Hohlleitergliedes 3. Der Spalt G zwischen den Klötzen ist nicht kritisch und seine optimale Größe ist experimentell leicht zu finden. Seine Größe liegt in der Größenordnung von 2°/o der Betriebswellenlänge.

Die Wirkung des Klotzes 5 besteht darin, daß er die Kapazität des Innenleiters innerhalb des Hohlleitergliedes auf einen Wert bringt, der zwischen der Kapazität des Koaxialkabels und der Eigenkapazität des Hohlleiters jenseits des Klotzes liegt. So wird ein unerwünschter großer Kapazitätssprung vermieden.

Gute Impedanzanpassung bei jeder gewählten Frequenz im Durchlaßbereich des Hohlleiters kann erreicht werden durch sorgfältiges Auswählen der kritischen Dimensionen, wie es oben erläutert wurde. Wenn die zulässige Toleranz dieser Abmessungen klein ist (jede etwa 2%> von X), so bestimmt man die in irgendeinem Sonderfall erforderlichen Dimensionen ziemlich leicht durch Probieren. Ist die Anpassung einmal erreicht, so ist der Übergang breitbandig angepaßt. Eine so gebaute Anordnung wurde durchgemessen und man fand dabei die Anpassung besser als 0,9, gemessen über ein Frequenzband, dessen Breite etwa 20% der Betriebsfrequenz betrug.

Es muß bemerkt werden, daß die Wahl der meisten Dimensionen der Klötze ziemlich frei ist und Abänderungen irgendeiner Dimension durch eine kleine Änderung einer anderen Dimension kompensiert werden können bei geringer Abänderung der Gesamtausführung. Nur der Spalt zwischen den Klötzen und

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die Entfernung des abgestuften Klotzes von den Endplatten sind kritisch. In Fig. 3 wird eine Ausführung der Erfindung gezeigt, die ähnlich derjenigen der Fig. 1 ist. Hier wurde der abgestufte Klotz 4 der Fig. 1 ersetzt durch einen »tapered-block« 41, dessen Länge gleich oder etwas größer bzw. kleiner ist als die halbe Wellenlänge. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, daß der »tapered-block« 41 durch einen trapezförmigen Klotz 41 a, dargestellt in Fig. 3 a, ersetzt wird. Auch hier ist die Länge des sich verjüngenden Teiles des Klotzes λ/2. Zu erwähnen ist, daß der sich verjüngende Teil 2/4 lang sein kann, doch werden bessere Ergebnisse erzielt, wenn er etwa λ/2 lang ist. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 4, die wiederum ähnlich der Fig. 1 ist. Der barrenähnliche Klotz 4 mit Rechteckquerschnitt der Fig. 1 ist hier durch einen abgestuften Klotz 51 ersetzt, dessen Stufenlänge etwa λ/4 beträgt. In einer weiteren Abart, gezeigt in Fig. 4 a, ist der gestufte Klotz 51 durch einen trapezförmigen Klotz 51a ersetzt. Die Länge des sich verjüngenden Teiles 51 a kann λ/4 betragen, doch erzielt man bessere Resultate, wenn die Länge etwa λ/2 beträgt oder größer ist. Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, die ebenfalls ähnlich der Fig. 1 ist. Der rechteckförmige Klotz 5 bzw. die Formen durch die dieser ersetzt wurde in den bereits beschriebenen Ausführungsformen, ist völlig entfernt und der abgestufte Klotz 4 der Fig. 1 ist ersetzt durch einen abgestuften Klotz 42, dessen höher abgestufter Teil sich so ausdehnt, daß er eng und mit vorbestimmten! Abstand — gewöhnlich 2 % von λ — der Innenwand des Hohlzylinders gegenübersteht. Der höhere Teil des abgestuften Klotzes 42 wirkt hierbei auch als Kompensationseinrichtung. In allen beschriebenen Figuren mit Ausnahme der letzten ist das Kabel so dargestellt, daß es durch eine Aussparung in der Mitte der Endplatte eintritt. Es besteht keine Notwendigkeit für diesen zentralen Eintritt. Das Variieren der Eintrittshöhe kann durch andere geringfügige Dimensionsänderungen kompensiert werden. Die Bandbreite kann vergrößert werden, wenn zur Ein- bzw. Auskopplung in einen Hohlleiter zwei verschiedene Ausführungsformen dieser Erfindung verwendet werden. Patentansprüche:

1. Anordnung zur Ankopplung von Hohlleitern an Koaxialkabel, die ein mit einer Endplatte abgeschlossenes Hohlleiterstück enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter des Kabels durch eine Aussparung in dieser mit dem Außenleiter des Kabels verbundenen Endplatte in Richtung der Hohlleiterlängsachse in den Hohlleiter eintritt, und durch einen im Hohlleiterstück angebrachten Viertelwellenlängen-Impedanzwandler in Form eines leitenden Klotzes (4), der mit dem Kabelinnenleiter und mit einem Teil der Hohlleiterwand in Abstand von der Endplatte leitend verbunden und gegebenenfalls einmal abgestuft ist, und daß ferner Kompensationseinrichtungen (5) zum Ausgleich der Unstetigkeiten am Eintrittsort des Kabelinnenleiters vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung durch einen zweiten Viertelwellenlängenklotz gebildet wird, der sich auf der Innenwand des Hohlleitergliedes gegenüber dem ersterwähnten Klotz befindet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung mit dadurch geschaffen wird, daß der erste Klotz abgestuft ist und der höher abgestufte Teil des Klotzes so ausgebildet ist, daß eine Fläche parallel gegenüber dem anderen Klotz verläuft und der erste Klotz sich dem Eintrittspunkt des Kabelinnenleiters nähert.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestufte Viertelwellenlängen-Impedanzwandler in Gestalt eines leitenden Klotzes durch einen leitenden Klotz mit sich verjüngendem Querschnitt, aber gleichen Anpassungseigenschaften ersetzt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjüngende Teil des Klotzes näherungsweise die Länge einer halben Betriebswellenlänge besitzt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Klotz einen sich verjüngenden Querschnitt besitzt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein Rechteckhohlleiterglied enthält, das an einem Ende durch eine rechteckförmige Endplatte begrenzt wird und in deren Mitte eine kreisförmige Aussparung entsprechend dem Durchmesser des Kabelaußenleiters angebracht ist, wobei der Außenleiter auf dieser Platte befestigt und mit ihr elektrisch verbunden ist, während der Innenleiter des Kabels durch diese Aussparung hindurchragt, und in dem Hohlleiterglied sich sowohl ein abgestufter Klotz befindet, wobei die Länge seines niedrigeren Teiles etwa ein Viertel der Betriebswellenlänge beträgt und die Höhe des höher abgestuften Teiles etwa die Hälfte der Abmessung der Schmalseiten des Hohlleitergliedes zuzüglich dem halben Durchmesser des Kabelinnenleiters beträgt, und dieser abgestufte Klotz auf einer Breitseite des Hohlleitergliedes so befestigt ist, daß seine Seiten parallel und in gleicher Entfernung zu den Schmalseiten des Hohlleitergliedes angeordnet sind, und der höhere Teil, der von der Endplatte ungefähr 2% der Betriebswellenlänge entfernt ist, mit dem •Kabelinnenleiter verbunden ist, daß auch ein rechteckförmiger barrenähnlicher zweiter Klotz gegenüber dem ersten Klotz mit Abstand angeordnet ist, wobei dieser zweite Klotz ungefähr eine Viertelwellenlänge lang ist und eine Höhe von ungefähr der gleichen Größe wie die halbe Schmalseite des Hohlleitergliedes, vermindert um den halben Außen durchmesser des Koaxialkabels, besitzt, wobei besagter barrenähnlicher Klotz auf der anderen Breitseite des Hohlleitergliedes angeordnet ist, und zwar so·, daß seine Seiten nahezu parallel und in gleichem Abstand zu den Schmalseiten des Hohlleitergliedes liegen, und daß er mit einem Ende die Endplatte berührt und gegenüber dem anderen Klotz einen Spalt frei läßt, der eine Größe von ungefähr 2% der Betriebswellenlänge besitzt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Rag an, »Microwave Transmission Circnits«,

New York, 1948, S. 360 und 361;

»Proc. of the National Electronics Conference«,

1953, S. 806.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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