DE1075689B - (V St A) I Kopplungs anordnung fur zylindrische Hohlleiter - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Kopplungsanordnung zur Übertragung eines breiten Frequenzbandes elektrisch zirkularer elektromagnetischer Wellenenergie von einem Erzeugungspunkt zu einem entfernt gelegenen Verbrauchspunkt über mindestens zwei zylindrische Hohlleiterabschnitte mit verschiedenem Innendurchmesser, die durch ein sich verjüngendes Übergangsstück miteinander verbunden sind.

Bei der Übertragung von elektromagnetischer Energie durch eine hohle leitende Röhre oder einen anderen Hohlleiter kann sich die Energie bekanntlich in einer oder in mehreren Übertragungsformen oder charakteristischen Wellenformen fortpflanzen, die von der Querschnittsgröße und der Form des besonderen Leiters und der Arbeitsfrequenz abhängen. Je größer der Querschnitt des Leiters ist, um so größer ist die Anzahl der Wellenformen, in der die Energie sich bei einer gegebenen Arbeitsfrequenz fortpflanzen kann. Ganz allgemein ist es erwünscht, die Fortpflanzung der Energie auf eine bestimmte Wellenform zu beschränken, die gewählt wird, weil ihre Fortpflanzungseigenschaften für die besondere Anwendung günstig sind. Wenn die gewünschte Form die sogenannte Grundform ist, so ist es leicht, die Querschnittsabmessungen des Leiters so zu beschränken, daß keine andere Wellenformen als die Grundformen in ihm aufrechterhalten bleiben. Dieses Mittel ist jedoch nicht anwendbar, wenn die gewünschte Wellenform nicht die Grundform ist oder wenn ein Leiter mit größerem Querschnitt vorgeschrieben ist, z. B. um den Vorteil einer verhältnismäßig geringen Dämpfung auszunutzen. Dies gilt insbesondere für Systeme, welche die kreisförmige elektrische TE₀₁-Wellenform benutzen.

Bekanntlich ist die Fortpflanzung von Wellenenergie in der Form der TE₀₁-Wellen in kreisförmigen Hohlleitern in sehr idealer Weise für die Übertragung hochfrequenter breitbandiger Signale über große Entfernungen geeignet, da die Dämpfung dieser Übertragungsform ungleich derjenigen anderer Formen mit wachsender Frequenz abnimmt. Da jedoch die TE₀₁-Wellenform nicht die in einem kreisförmigen Hohlleiter geführte Grundform ist, kann Energie an andere Wellenformen verlorengehen, die ebenfalls übertragen werden können.

Bei einem idealen System, das einen Hohlleiter aufweist, der vollkommen gerade, gleichförmig und leitend ist, wird die Fortpflanzung der TE₀₁-WeIIe nicht gestört. Bei einem praktischen System werden jedoch zahlreiche Änderungen des Durchmessers des Hohlleiters vorgenommen, um die Übertragungseigenschäften der TE₀₁-Wellenform maximal auszunutzen. Zum Beispiel verhält sich bekanntlich der Übertragungsverlust für die kreisförmige elektrische Wellenform umgekehrt wie der Durchmesser des Leiters. Da-Kopplungsanordmmg
für zylindrische Hohlleiter

Anmelder:

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

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. August 1957

Hans-Georg Unger, Lincroft, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

her werden lange, ununterbrochene Hohlleitungen mit Röhren von großem Durchmesser ausgeführt. Die Vielfachverwendung einer Reihe von Frequenzbändern in einer Röhre geschieht andererseits mit größtem Wirkungsgrad bei gewissen kleineren Durchmessern, also werden z. B. zahlreiche Änderungen der Leitergröße an Verstärker Stationen ausgeführt, wo verschiedene Frequenzbänder in das System eingekoppelt und aus ihm ausgekoppelt werden sollen. Solche Durchmesseränderungen müssen selbstverständlich mit einem Minimum an Verlusten ausgeführt werden. Ebenso können absichtlich enge Bänder bei kleineren Durchmessern leichter bearbeitet werden, so daß weitere Durchmesseränderungen erforderlich werden, wenn solche Bänder notwendig sind. Somit wird es klar, daß ein praktisches Übertragungssystem reichlich Gelegenheit zur Störung der kreisförmigen elektrischen TE₀₁-Form liefert, wenn nicht geeignete Übertragungsmittel vorgesehen werden, um die vorhandenen Hohlleiter mit verschiedenen Durchmessern miteinander zu verbinden. Bei Nichtvorhandensein solcher Übergangsteile wird mit Sicherheit eine Umwandlung von Leistung aus der gewünschten Form in andere Nebenformen oder unerwünschte Formen stattfinden. Die letztgenannten werden in vielen Fällen in dem Leiter zusammen mit der gewünschten Form fortgepflanzt und ergeben hiermit schädliche Wirkungen.

Beim Übergang von einem Hohlleiter zu einem anderen mit abweichender Impedanz treten Anpassungsschwierigkeiten auf, die durch Reflexionen verursacht werden. Diesen Schwierigkeiten wird in bekannter Weise dadurch begegnet, daß konische Übergangsstücke mit inkonstantem Steigungswinkel eingesetzt werden.

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Beim Übergang von einem Hohlleiter zu einem an- Beibehaltung der erforderlichen sphärischen Wellenderen mit verschiedenem Durchmesser, aber gleichem form fort, welche eine richtige Normalform ist, bis Wellenwiderstand treten diese Anpassungsschwierig- die nächste Unstetigkeit im Hohlleiter auftritt. Bei keiten nicht auf. Es wurden daher bisher zum An- dem gewöhnlichen kegelförmigen Teil besteht die Schluß einfache konische Übergangsstücke mit kon- 5 nächste Unstetigkeit in der Verbindung zwischen dem stantem Steigungswinkel benutzt und die dabei kegelförmigen Teil und dem zweiten zylindrischen erzeugten Wellenformen höherer Ordnung in Kauf Leiter. An dieser Stelle erhält jede der kreisförmigen genommen. Dadurch wurde es notwendig, wellen- elektrischen Wellenformen eine Reihe von Wellenformenselektive Absorptions- oder Dämpfungsmittel formen niedrigerer und höherer Ordnung, wenn die vorzusehen, um die Übertragung der unerwünschten io ebene Wellenform im zylindrischen Leiter wieder-Wellenformen im wesentlichen zu verhindern. Sie hergestellt wird. Im üblichen Fall addieren sich die an sind jedoch im allgemeinen in bezug auf die verwend- den beiden Verbindungsstellen erzeugten Nebenformen baren Wellenformen begrenzt, oder sie haben die so, daß sie einen verhältnismäßig hohen Pegel der Tendenz, nur in einem schmalen Frequenzband in Nebenformen bilden, wobei der letztere einen Verlust Resonanz zu kommen oder anderweitig wirksam zu 15 im System darstellt. Die natürliche Tendenz muß daher werden, oder sie haben die Tendenz, für die Wellen der dahin gehen, die Unstetigkeiten an den Verbindungsgewünschten Form eine Fehlanpassung zu ergeben und stellen der zylindrischen Leiter und des kegelförmigen damit eine unerwünschte Reflexion dieser Wellen- Teils auszugleichen. Jedoch wird unten gezeigt, daß formen zu bewirken. Da sie ferner von der Absorption das Vorhandensein spezieller Unstetigkeiten im WeI-von Wellenenergie abhängen, geht die Energie in den 20 lenweg mit Vorteil verwendet werden kann und daß Nebenformen verloren, so daß das System einen ge- diese nicht notwendigerweise Quellen für unkontrolringen Wirkungsgrad erhält. Weiterhin sind im Fall lierte Wellenformumwandlung darstellen. Weiterhin der kreisförmigen elektrischen Wellenform keine ein- wird gezeigt, daß, wenn derartige Unstetigkeiten befachen Mittel bekannt, um die kreisförmigen elek- seitigt werden, es nicht genügt, dies in willkürlicher trischen Formen höherer Ordnung ohne Beeinflussung 25 Weise durchzuführen, vielmehr müssen die weiter der Welle der niedrigsten Ordnung zu unterdrücken, unten festgelegten Grundsätze berücksichtigt werden, so daß in der Praxis eine Verzerrung durch Wellen- Ein anderes Verfahren, um eine unerwünschte WeI-formumwandlung und Rückumwandlung am besten lenformumwandlung in Nebenformen höherer Ordvermieden werden kann, indem die Energie in den nung auf ein Minimum zu bringen, besteht in der Ein-Wellenformen höherer Ordnung auf einem außerordent- 30 führung eines kontrollierten Übergangs an der Verlieh niedrigen Pegel gehalten wird. Um die erforder- bindungsstelle des zylindrischen Leiters mit dem kegellichen niedrigen Pegel bei der Wellenformumwandlung förmigen Teil, um die zylindrische Welle in eine mit den bisherigen geraden Kegeln zu erreichen, sind sphärische Welle umzuwandeln. Der Aufbau von diaußerordentlich lange Teile notwendig. elektrischen Einsätzen, die in der Nähe der Verbin-

Die Erfindung will daher die Fortpflanzung von 35 dungsstelle angeordnet werden und die als quasikreisförmiger elektrischer Wellenenergie zwischen optische Linse wirken, die zylindrische Wellen in Hohlleitern mit verschiedenen Durchmessern mit sphärische Wellen umzuwandeln, ist bekannt. Jedoch einem Minimum an Wellenformumwandlung ermög- hat ein System dieser Art viele Nachteile, z. B. ist eine liehen und empfiehlt dazu, daß alle Hohlleiterabschnitte gute breitbandige Wirkungsweise mit dieser Technik praktisch gleichen Wellenwiderstand für das zu über- 40 schwierig zu erreichen, ferner werden dielektrische tragende Frequenzband haben und daß das bzw. jedes Verluste bei den höheren Frequenzen beträchtlich, und Übergangsstück aus einem relativ kurzen konischen schließlich sind die Teile selbst schwierig herzustellen. Abschnitt mit inkonstantem Steigungswinkel besteht Es ist daher anzustreben, mit einem Minimum an und so gestaltet ist, daß in ihm unerwünschte Wellen- Wellenformumwandlung kreisförmige elektrische WeI-formen höherer Ordnung mit solchen Amplituden und 45 len mit ebenen gleichphasigen Oberflächen einer ersten Phasenlagen erzeugt werden, daß sie sich in den Hohl- Querschnittsabmessung in kreisförmige elektrische leitern im wesentlichen auslöschen. Dazu sei die Wir- Wellen mit sphärischen gleichphasigen Oberflächen kung betrachtet, die ein kegelförmiges Übergangsteil umzuwandeln und dann diese Wellen in kreisförmige auf die kreisförmige elektrische Welle bei Durch- elektrische Wellen mit ebenen gleichphasigen Oberlaufen dieses Teils hat. Es läßt sich am besten an 50 flächen einer zweiten Ouerschnittsabmessung zurück-Hand von Normalformen erklären, wobei eine Nor- zuverwandeln.

malform als diejenige Feldverteilung einer Wellen- Es ist weiterhin anzustreben, diese Umwandlungen

energie definiert ist, welche ohne Energieaustausch mit in einem breiten Frequenzbereich durchzuführen. Man

anderen Formen oder Feldverteilungen fortgepflanzt hat festgestellt, daß, wenn der Übergang zwischen

werden kann. 55 zylindrischen Hohlleitern in Teilen gemacht wird, wo-

Bei den kreisförmigen elektrischen Wellen sind die bei jeder Teil eine besondere Länge und einen beson-

Normalformen in einem zylindrischen Leiter zylin- deren Kegelwinkel aufweist, die Gesamtwellenform-

drische, kreisförmige elektrische Wellen, welche eben- umwandlung beträchtlich verringert werden kann. Bei

so gleichphasige Oberflächen aufweisen, während sie richtiger Bemessung wird ein Übergangsstück dieser

in dem kegelförmigen Leiter sphärische kreisförmige 60 Art für einen gegebenen Pegel der Umwandlung in

elektrische Wellen mit sphärischen gleichphasigen Nebenformen und für eine gegebene Bandbreite die

Oberflächen sind. An der Verbindungsstelle des zylin- kürzeste Länge haben. Da jedoch die Länge der ver-

drischen Leiters mit dem konischen Leiter erregt die schiedenen Teile und ihr Kegelwinkel eine Funktion

vom zylindrischen Leiter ankommende zylindrische der besonderen auf ein Minimum zu bringenden

Welle TE₀₁ kreisförmige elektrische Wellenformen 65 Nebenform ist, ist die Brauchbarkeit des aus mehreren

höherer Ordnung, welche sich so vereinigen, daß sie Teilen bestehenden Übergangsstücks auf Systeme be-

die erforderliche sphärische Wellenform bilden. Wenn schränkt, die nur eine Wellenform höherer Ordnung

der Kegelwinkel des konischen oder kegelförmigen von Bedeutung aufweisen, d. h. auf Systeme, die nur

Teils konstant ist, pflanzen sich die ankommenden eine Wellenform für höhere Ordnung führen können.

Formen und die Nebenformen entlang des Teils unter 7° Daher kann ein derartiges Übergangsstück nicht in

5 8

einem System für viele Wellenformen arbeiten, wenn TE₀₁-Form ist die Form, in der die Energie zwischen zahlreiche Wellenformen höherer Ordnung gebildet den Stationen übertragen wird. Damit dies mit einem und übertragen werden können. Minimum an Verlusten geschieht, wird als Übertra-

Bei einem System für viele Wellenformen hat man gungsmittel ein großer zylindrischer Hohlleiter 15 befestgestellt, daß der Übergang von zylindrischen 5 nutzt. Da jedoch die kreisförmige TE₀₁-Wellenform geWellen zu sphärischen Wellen durch stetige Änderung wöhnlicherweise in den Einzelheiten einer Station nicht des Kegelwinkels des kegelförmigen Teils von Null hervorgebracht oder unmittelbar benutzt wird, sind am ersten zylindrischen Leiter auf einen endlichen zwischen die Stationen 11 und 12 und die lange Über-Wert und zurück auf Null am zweiten zylindrischen tragungsleitung 15 die Übertrager 13 und 14 einge-Leiter verwirklicht werden kann. In einem kegel- io schaltet, wobei die Leitung 15 mit Hilfe der Hohlförmigen Teil mit sich änderndem Kegelwinkel werden leiterteile 20 und 22 sowie der kegelförmigen Teile 19 Nebenformen stetig erzeugt, wenn das Signal sich ent- und 21 mit den Übertragern 13 und 14 verbunden ist. lang des Übergangsteils fortpflanzt. In einem Teil Zur Verbindung zwischen der Station 11 und dem dieser Art ist die sogenannte Normalform keine Übertrager 13 dienen drei Kanäle 11 a, 11 b und 11c, »richtige« Normalform, wie sie oben definiert wurde, 15 welche drei verschiedene Frequenzkanäle f_v f₂ und f_s sondern vielmehr eine örtliche Normalform, die sich führen, die im Übertrager 13 für die Übertragung konstant ändert, die aber nichtsdestoweniger ihre über eine große Entfernung zum Übertrager 14 zusphärische Gestalt beibehält. Wenn der Übergang all- sammengefaßt sind. Zur Verbindung zwischen dem mählich und entsprechend den später erklärten Grund- Übertrager 14 und dem Empfänger oder Verstärker 12 sätzen durchgeführt wird, werden die Phase und die 20 dienen drei Übertragungswege 12 a, 12 & und 12 c, Amplitude aller Nebenformen, die durch die an- welche abermals die getrennten Kanäle Z₁, f_% und f₃ in kommende Wellenenergie erzeugt werden, welche sich Grundformwellenleitern zur Verwendung in der entlang des Übergangsteils fortpflanzen, derart sein, Station 12 führen.

daß ihre Summe in Richtung des Energieflusses im Die Übertrager 13 und 14 können irgendeinen gewesentlichen Null ist. Somit wird im wesentlichen 25 eigneten bekannten Aufbau zur Umwandlung von sämtliche kreisförmige elektrische Wellenenergie, TE₀₁-Wellenenergie in die oder aus der Grundwellenwelche vom ersten zylindrischen Leiter ankommt, aus form aufweisen. Zum Beispiel können sie so aufgedem Übergangsteil in der ursprünglichen Form aus- baut sein, wie die Fig. 2 zeigt.

treten. In Fig. 2 ist ein System zur, Zusammenfassung für

Im Vergleich zu einem Kegel mit konstantem Kegel- 30 Wellenformen gezeigt, in dem eine Vielzahl von in winkel kann ein Kegel mit dem vorgeschlagenen Auf- der TE₁₀-Grundform modulierten Signalen mit verbau für einen speziellen Pegel der Nebenform wesent- schiedenen Frequenzen in kreisförmige elektrische lieh kurzer ausgeführt werden und kann in einem TE₀₁-Wellen mit entsprechenden Frequenzen umgebreiten Frequenzbereich richtig arbeiten. wandelt werden. So wird eine erste in den Leiter 10 An Hand der Figuren werden Ausführungsbeispiele 35 eintretende modulierte TE₁₀-WeIIe F₁ in eine erste der Erfindung näher erläutert. modulierte kreisförmige elektrische TE₀₁-WeIIe mit Fig. 1 stellt schematisch ein Mikrowellen-Übertra- derselben Frequenz im zylindrischen Leiter 4 umgegungssystem dar, bei dem die kreisförmige elektrische wandelt. Dieses Signal geht dann über die Leiter 3 Welle angewendet und von den erfindungsgemäßen und 2 und über die kegelförmigen Teile 7, 6 und 5 kegelförmigen Teilen Gebrauch gemacht wird; 40 weiter zum Leiter 1. In gleicher Weise werden die Fig. 2 zeigt eingehender die Anwendung der kegel- Signale f₂ und ^₃ umgewandelt und gehen über die förmigen Teile der Erfindung; kegelförmigen Teile 6 und 5 zum Leiter 1.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführung der Er- Wie vorher erwähnt wurde, ist zur Vermeidung befindung; trächtlicher Umwandlung in Nebenformen infolge

Fig. 4b und 4a zeigen einen aus mehreren Teilen 45 des Vorhandenseins von kegelförmigen Teilen 5, 6, 7, bestehenden Kegel mit optimalem Aufbau bzw. dessen 19 und 21, die zur Verbindung der für viele Formen Nebenformkennlinie; bestimmten Hohlleiterteile mit verschiedenem Durch-

Fig. 5 a und 5 b zeigen einen Kegel mit nahezu opti- messer benutzt werden, ein Übergang notwendig, malern Aufbau, der einen sich allmählich ändernden welcher die zylindrischen Wellen in den Leitern in Kegel und Unstetigkeiten an jedem Ende aufweist, 50 sphärische Wellen in dem kegelförmigen Teil in einer bzw. dessen Nebenformkennlinie; besonderen Art und Weise umwandelt. Wenn dieser

Fig. 6 b und 6 a zeigen einen vollkommen gleich- Übergang erfindungsgemäß durchgeführt wird, durchförmig sich ändernden Kegel mit optimalem Aufbau läuft nahezu die gesamte in der zylindrischen Welle bzw. dessen Nebenformkennlinie; vorhandene Leistung die kegelförmigen Teile mit

Fig. 7 b und 7 a zeigen einen Kegel mit höherer 55 einem Minimum an Wellenformumwandlung. Kosinusfunktion bzw. dessen Nebenformkennlinie. Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Er-

In Fig. 1 ist ein Teil eines typischen Hohlleiter- findung, bei der 16 und 17 zylindrische Leiter mit Mikrowellen-Systems zur Übertragung von Energie den Radien a_t und a₂ darstellen, welche durch das über große Entfernung dargestellt, bei dem die Er- Übergangsteil 18 verbunden werden sollen. Der findung angewendet werden kann. Ein solches System 60 Radius α des Teils 18 steht zum Abstand Z entlang ist als für große Entfernungen bestimmt bezeichnet, dem Kegel in einer später zu erklärenden Weise in um es von Systemen zur Überbrückung von kurzen Beziehung.

Entfernungen zu unterscheiden, die sich bei Endein- Das in irgendeinem Querschnitt des Kegels durch

richtungen finden, und um ein System zu definieren, eine ankommende TE₀₁-WeIIe erregte Feld kann als bei dem die Übertragungsdämpfung wichtig wird. 6g Summe von TE₀ „-Wellen eines zylindrischen Leiters Dieses System besteht aus einer Endstation 11, die ein mit dem Radius des gleichen Querschnitts ausge-Sender sein kann oder, wenn sie eine Zwischenstation drückt werden. Bei dieser Darstellung erscheint der ist, ein Verstärker 11, welcher mit einem Empfänger kegelförmige Hohlleiter als unendliche Reihe aus oder einem folgenden Verstärker verbunden ist, der gegenseitig gekoppelten Übertragungsleitungen, wobei aus der Station 12besteht. Die kreisförmige elektrische 70 jede Übertragungsleitung eine der zylindrischen

TE_{0 m}-Wellen darstellt. Die Wellenfortpflanzung in einem solchen System wird durch eine unendliche Reihe von Differentialgleichungen erster Ordnung beschrieben. Wenn der Kegel genügend flach ist, ist die Leistung in jedem der TE_0m-Ausdrücke bei m> 1 S klein im Vergleich der Leistung in dem TE₀₁-AuS-druck. Wir können dann die Kopplung zwischen der TE₀₁-Form und jeder der TE_om-Formen zu einer bestimmten Zeit als eins annehmen. Da weiterhin die beiden Leiter im allgemeinen groß sind und weit ent- ίο fernt von der Grenzfrequenz betrieben werden, besteht nur eine geringe Änderung des Wellenwiderstands beim Übergang von einem Durchmesser zum anderen. Ferner brauchen wir nur die vorwärts laufenden Wellen zu betrachten, da die von den Vorwärtswellen zu den Rückwärtswellen gekoppelte relative Leistung infolge von Fehlanpassung sehr klein ist. Somit reduziert sich das unendliche System auf die bekannten Gleichungen gekoppelter Leitungen.

20

dA_x ~dz~~

dA₂ dz

R<%-\ JLJ. a

(1)

wobei A₁ und A₂ die komplexen Amplituden der zylindrischen TE₀₁- und TE₀₂-Wellen, ß_t und ß₂ die Phasenkonstanten dieser zylindrischen Wellenformen und k₁₂ und A₂₁ die Kopplungs-Koeffizienten sind. Sowohl die Phasenkonstanten als auch die Kopplungs-Koeffizienten sind Funktionen von ζ der Strecke auf dem Kegel.
Die Energieumwandlung erfordert, daß

j τ ⁽ -1 I 7, I /Q\ ****

und daß k₂₁k₁₂=—k² ist.

Wegen des Kegels ist die Normalform im Übergangsteil eine Funktion von z. Wir können jedoch A₁ und A₂ durch W₁ und W₂, die örtlichen sphärischen Normalformen, ausdrücken.

A_x =

cos

~ ξ — W₂ sin 1 f j erifß dz,

(3)

Iw₁ sin A ξ + W₂ cos A ξ] er* j β dz,

(4)

= 2

IJ'

ßi-ß»

Nach Einsetzen der Gleichungen (3) in die Gleichungen (1) müssen die örtlichen Normalformen folgenden Gleichungen genügen:

55

-Lll_w

- 2 dz '

(5)

dz

~2~dz~^yri-A

. Die durch die Gleichungen (5) dargestellten sphärischen Wellen sind nur durch die Ausdrücke gekoppelt, die proportional άξ/dz sind. Wenn ξ eine Konstante ist, sind sie nicht gekoppelt, und W₁ und W₂ sind richtige Normalformen. Für eine schwache Änderung des Kegelwinkels ist

2Γ(ζ) dz

und die angenäherte Lösung von (5) kann an Hand von Potenzen von άξ/dz erhalten werden.

Der Kegel beginnt mit dem Kegelwinkel Null, und die Anfangsbedingungen sind A₁ (0) = 1 und A₂ (0) =0. Aus (3) folgt daher, daß W₁ (O) = I und W₂ (O)=O ist, wobei W₁ die gewünschte örtliche Normalform und W₂ die unerwünschte Form ist. Wenn man diese Grenzbedingungen in die Lösung der Gleichungen (5) einsetzt, erhält man den Ausdruck für, die unerwünschte Form am Ende des Kegels zu

IL

dz

dg

Da der Kegelwinkel am Ende des Kegels ebenfalls Null ist, ist ξ (,S₁) =0, damit reduziert sich die Gleichung (7) zu

Io

dz

wobei

60 Die Wellenformumwandlung in irgendeinen allmählich sich ändernden, aber sonst willkürlich kegelförmigen Teil kann entweder aus (7) oder aus (8) berechnet werden.

Ein Kegel mit optimalem Aufbau ist so definiert, daß er die kleinstmögliche Länge für eine gegebene Differenz der Durchmesser an beiden Enden und einen festgelegten Anteil unerwünschter Wellenformen in einem gegebenen Frequenzband aufweist. Das interessierende Frequenzband kann, wie in Fig. 4 a dargestellt, durch die Wellenlängen im freien Raum X₁ und X₂ an den Bandgrenzen definiert sein. Der maximale Nebenformpegel ist durch W_max definiert.

Der Kegel mit optimalem Aufbau hat eine Wellenformumwandlungskennlinie als Funktion der Frequenz, wie sie in Fig. 4 a dargestellt ist. Abgesehen von der Wirkung der Interferenzminima ist der Nebenformpegel über das Frequenzband konstant und nimmt jenseits der Bandgrenzen auf höhere Pegel zu. Der Kegel, welcher diese Wellenformumwandlungskennlinie aufweist, ist der obenerwähnte und in Fig. 4 b dargestellte, aus mehreren Teilen bestehende Übergang. Die Teile dieses besonderen Kegels haben Längen von

Δβ ' Δβ

und

~Δβ'

wobei Aß die Differenz der Phasenkonstanten zwischen der gewünschten Wellenform und der Nebenform ist. Jeder der verschiedenen Teile hat auf seiner Länge einen konstanten Kegelwinkel. Die Änderung des Kegelwinkels zwischen den Teilen ist dadurch bestimmt, daß die Kennlinie der Wellenformumwandlung • 70 mit konstantem Pegel festgelegt ist. "

t 075 ö

Der optimale Kegel der Fig. 4 a kann gebaut werden, wenn nur die Wellenformumwandlung in eine Nebenform betrachtet wird und die Umwandlung in andere Nebenform so klein erscheint, daß sie vernachlässigt werden kann. Wenn dies jedoch nicht der Fall ist, verzerrt die Wellenformumwandlung in andere Formen die Umwandlungskennlinie der Fig. 4 a, und der maximale Nebenformpegel kann überschritten werden. Eine möglicherweise bedeutende Wellenformumwandlung in mehr als eine Nebenform kann bei einem Kegel mit sich allmählich änderndem Kegelwinkel sicherer beherrscht werden.

Ein Kegel mit optimalem Aufbau, der so aufgebaut ist, daß er einen Teil mit sich allmählich änderndem Kegelwinkel enthält, hat die Wellenformumwandlungskennlinie der Fig. 5 a. Abgesehen von dem Interferenzminima ist der Nebenformpegel bei einem derartigen Kegel nicht nur im interessierenden Band konstant, sondern auch jenseits des Bandes auf der langwelligen Seite. Nur jenseits der kurzwelligen Grenze geht der Umwandlungspegel auf höhere Werte hoch.

Während der Kegel mit diesem nahezu optimalen Aufbau über den größten Teil seiner Länge einen allmählich sich ändernden Kegelwinkel aufweist, ändert sich der Kegelwinkel an den beiden Enden plötzlich um einen sehr geringen Betrag. Wenn auch diese Änderungen klein sind, stellen sie dennoch ein Problem insofern dar, als ihr Aufbau auf einer einzigen bedeutenden Nebenform beruht und Anlaß zu den gleichen Problemen gibt, die hinsichtlich des aus vielen Teilen bestehenden Kegels erwähnt wurden.

Während der Kegel der Fig. 5 b einen weniger kritischen Aufbau als der optimale Kegel hat, da der sich allmählich ändernde Kegelteil eine gewisse Kontrolle über die unerwünschten Formen höherer Ordnung erlaubt, bleibt dennoch die Möglichkeit, daß gewisse Formen höherer Ordnung den Pegel der unerwünschten Formen über die festgelegte obere Grenze hinaus erhöhen. Es muß ferner festgestellt werden, daß für den gleichen Umwandlungspegel und die gleiche Bandbreite der sich allmählich ändernde Kegelteil eine etwas größere Länge hat als der aus mehreren Teilen bestehende Kegel. Man sieht, daß, wenn der Aufbau vereinfacht oder so erweitert wird, daß er andere Wellenformen umfaßt, allgemein die Länge des Übergangsteils für eine gegebene Reihe von Bedingungen größer wird.

Die beim Aufbau der Kegel der Fig. 4b und 5b vorhandenen Schwierigkeiten werden bei dem allmählich sich ändernden Kegel der Fig. 6 b auf ein Minimum gebracht. Der sich vollkommen gleichförmig ändernde Kegel der Fig. 6 b hat bei optimalem Aufbau die Wellenformumwandlungskennlinie der Fig. 6 a. Diese Kennlinie gleicht derjenigen der Fig. 5 a, abgesehen davon, daß der Nebenformpegel innerhalb des Bandes und jenseits der langwelligen Grenze nicht konstant ist, sondern für große Werte von λ mit X~^x abnimmt. Ferner ist der Teil selbst länger als der aus vielen Teilen bestehende Kegel oder der sich allmählich ändernde Kegel der Fig. 5 b.

Der Aufbau der Kegel der Fig. 4b, 5 b und 6b erfordert ziemlich verwickelte numerische Berechnungen, für die einfache Formeln nicht gegeben werden können. Es gibt jedoch einen Kegel, der eine bevorzugte Ausführung darstellt und der dem optimalen Aufbau des sich vollkommen gleichförmig ändernden Kegels sehr nahekommt und sehr leicht bestimmt werden kann. Wenn die betrachteten Hohlleiter weit genug von der Grenzfrequenz betrieben

werden und die Änderungen des Durchmessers im Vergleich zu den Durchmessern selbst klein sind, lautet die Formel für einen nahezu optimalen Kegel

da _ a₂ — a_x . ₂ ζ

'^z — & ~~ ~ ~ ■ SlXX 7Ϊ/ ""■.' j

dz Z₄ 4

da

(IQ)

d. h., der Kegelwinkel -j- folgt entlang dem Kegel einem höheren Koniusgesetz. <z₂ und Ci₁ sind die Radien der Enden, und I₁ ist die Länge des Teils, α ist der Radius in irgendeinem Abstand 2, entlang dem Teil.

Die Wellenformumwandlungskennlinie des Kegels mit höherer Kosinusfunktion ist gegeben durch

W₂= c (a₂ — O₁)

AßiAi--

4 π²

wobei c eine Konstante ist, welche durch den Wellenleiterquerschnitt und die betrachteten Wellenformen bestimmt ist.

Die Umwandlungskennlinie der höheren Kosinusfunktion ist in Fig. 7 a dargestellt. Sie gleicht im allgemeinen derjenigen der Fig. 6a. Es sei bemerkt, daß,, um den gleichen Nebenformpegel beizubehalten, der Kegel mit höherer Kosinusfunktion langer sein muß als irgendeiner der bisher ausgeführten Kegel mit optimalem Aufbau.

In dem allgemeineren Fall, daß die Differenz der Durchmesser nicht klein im Vergleich zu den Durchmessern selbst ist, wird die Beziehung zwischen α und ζ in Form von Parametern ausgedrückt.

In— = In—5

O₁ O₁

—^; -=— sin² π ·

Q₁

(11)

^sm

π Q₁

(12)

wobei b die Phasenkonstante des Dielektrikums innerhalb des Übergangsteils, gleich

ω]/μ_οε_ο

in Luft ist und k₁ und k₂ die Bessel-Funktionswurzeln gleich 3,83 urid 7,016 sind.
Wenn man

— In— = α und 2π— — χ ■
π O₁ Qi

setzt, kann der Integrand in einer Reihe entwickelt werden, so daß

2ba\p.

Λ
* 1 —aln* +

π (lei —IeSl-J
Die Gesamtumwandlung ist gegeben durch

m^äj; ± ...Ux.

(13)

wobei C eine Konstante gleich

kl —

^a2 JLIl "

O_x

Ein numerisches Beispiel soll nunmehr den Vorteil eines richtig sich ändernden Übergangs zeigen. Wenn z. B. ein Übergang für die TE₀₁-Wellenform von einer

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Claims (5)

Röhre mit einem Innendurchmesser von 2,25 cm zu einer Röhre mit einem Innendurchmesser von 5,08 cm einen Nebenformpegel von weniger als — 50 db für alle Frequenzen bis herauf zu 75 GHz haben soll, würde ein entsprechend der Erfindung aufgebautes Teil eine Länge von nur 91,4 cm aufweisen. Ein Kegel mit konstantem Kegelwinkel, der den gleichen Forderungen genügt, würde jedoch 17,7 m lang sein. Selbstverständlich stellen in allen Fällen die oben beschriebenen Anordnungen nur eine kleine Anzahl von zahlreichen möglichen speziellen Ausführungen dar, welche Anwendungen des Erfindungsprinzips sein können. ■ Patentansprüche:

1. Kopplungsanordnung zur Übertragung eines breiten Frequenzbandes elektrisch zirkularer elektromagnetischer Wellenenergie von einem Erzeugungspunkt zu einem entfernt gelegenen Verbrauchspunkt über mindestens zwei zylindrische Hohlleiterabschnitte mit verschiedenem Innendurchmesser, die durch ein sich verjüngendes Übergangsstück miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Hohlleiterabschnitte praktisch gleichen Wellenwiderstand für das zu übertragende Frequenzband haben und daß das bzw. jedes Übergangsstück aus einem relativ kurzen konischen Abschnitt mit inkonstantem Steigungswinkel besteht und so gestaltet ist, daß in ihm unerwünschte Wellenformen höherer Ordnung mit solchen Amplituden und Phasenlagen erzeugt werden, daß sie sich in den Hohlleitern im wesentlichen auslöschen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. jedes Übergangsstück aus einer Verjüngung besteht, die sich aus mehreren konischen Abschnitten zusammensetzt, deren jeder einen konstanten, aber jeweils verschiedenen Steigungswinkel für die geregelte Erzeugung einer einzigen zirkulären Wellenform höherer Ordnung hat.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. jedes Übergangsstück aus einem sich konisch verjüngenden Abschnitt mit sich stetig änderndem Steigungswinkel für die geregelte Erzeugung einer Mehrzahl zirkularer Wellenformen höherer Ordnung besteht, wobei der Steigungswinkel an bei den Enden des Übergangsabschnitts Null ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. jedes Übergangsstück aus einem sich konisch verjüngenden Abschnitt mit sich stetig änderndem Steigungswinkel besteht, wobei der Steigungswinkel an beiden Enden des Übergangsstückes sehr klein, aber nicht Null ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung des bzw. jedes Übergangsstückes den Gleichungen

hi — = hi ——

O₁

O₁

4bat f Γ O₂ (φ ■ = -τ; τ» / exp 2In-- M

Φ
Φι 1
~ 2π • sin I '2 Φ
Φι «2 (Φ 1 sin 2 U 2π π ■

genügt, worin

α der Innenradius der Verjüngung an der betrachteten Stelle,

U₁ der Innenradius des ersten und

a₂ der Innenradius des zweiten der beiden zu verbindenden zylindrischen Hohlleiter,
der Abstand der betrachteten Stelle vom ersten Hohlleiter,

die Phasenkonstante des Dielektrikums innerhalb der Verjüngung in Luft gleich

k_i und k₂ Wurzeln der Bessel-Funktion gleich 3,83 bzw. 7,061,

Φ =

/J₁ und ß₂ die Phasenkonstanten der TE₀₁- bzw.

TE₀₂-Wellenform und
k₁₂ und l₂i die Kopplungsfaktoren zwischen diesen beiden Wellenformen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Ragan, G. L., »MicrowaveTransmission Circuits«, New York, 1948, S. 228;. . .

FT-Sammlung, Beilage zur Funk-Technik, Bd. 10 (1955), Nr. 4, S. 10;

Elektrotechnik, Bd. 4, Juli 1950, S. 245;

Ach. elektr. Übertr., Juli 1953, S. 351;

The Bell System Technical Journal, November 1954, S.1257.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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