DE1079705B - Richtungskoppler - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Richtungskoppler. Wenn zwei Übertragungsleitungen mit ähnlichen Ausbreitungskonstanten miteinander gekoppelt sind, z. B. zwei rechteckförmige, Seite an Seite liegende Hohlleiter, und zwischen ihnen durch einen Schlitz oder durch Löcher Kopplung besteht, findet ein Leistungsaustausch zwischen ihnen statt. In der erregten oder angetriebenen Leitung werden sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtswellen erzeugt, aber durch geeignete Bemessung der Kopplungsverteilung können die Rückwärtswellen praktisch durch Interferenzerscheinungen unterdrückt werden. Besteht zwischen den beiden Leitungen eine feste Kopplung und ist diese Kopplung über eine genügende Länge der Leitungen vorhanden, SO' findet eine Übertragung von Leistung von der treibenden zur getriebenen Leitung und zurück statt, und zwar mit einer räumlichen Periodizität über die gemeinsame Länge. Die Grundlagen dieser Erscheinung sind in einem Artikel von S. E. Miller im Bell System Technical Journal »Coupled Wave Theory and Waveguide Applications«, Vol. 33, Nr. 3 (Mai 1954), auf S. 661 ff. beschrieben. Weiterentwicklungen dieser Grundlagen sind in drei Artikeln beschrieben worden, nämlich: »Tapered Velocity Couplers« von J. S. Cook, »Wave Coupling by Warped Normal Modes« von A. G. Fox und »Analysis of the Single Tapered Mode Coupler« von W. H. Louiseil. Diese drei Artikel sind in der nämlichen Zeitschrift im Vol. 34, Nr. 4 (Juli 1955), auf S. 807, 823 bzw. 853 erschienen.

S. E. Miller zeigt, daß unter der Voraussetzung gleicher Ausbreitungskonstanten der beiden Leitungen, und zwar gleiche Fortpflanzungskonstante und Phasenkonstante, eine vollständige Übertragung der Leistungen von einer zur anderen möglich ist. Eine praktische Anwendung der von Miller dargelegten Grundlagen ist der Koppler, bestehend aus gegensinnig gewickelten Wendeln, der verwendet wird, um die Wendel einer Wanderfeldröhre mit einer äußeren Koaxialleitung zu koppeln. Bei dieser Ankopplung wird keine metallische Verbindung mit der Röhrenwendel und keine Verbindung durch den Vakuumschluß benötigt. Dabei wird eine kurze Länge einer Wendel um die Wendel der Wanderfeldröhre gewikkelt, und zwar in entgegengesetztem Wicklungssinn, und die Koaxialleitung wird nur mit dieser äußeren Wendel verbunden. Eine eingehende Diskussion derartiger Wendelleiter-Richtkoppler ist im Artikel »Coupled Helices« von J. S. Cook, R. Ko'inpfner und C. F. Quate niedergelegt, der im Bell System Technical Journal, Vo. 35, Nr. 1 (Januar 1956), auf S. 127 veröffentlicht ist.

Die Erfindung beruht auf einer Weiterentwicklung der Untersuchungen über Kopplungserscheinungen bei Richtungskoppler

Anmelder:

International Standard

Electric Corporation,

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

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

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 30. Dezember 1957

Eric Albert Ash und John David Pattenden, London,
sind als Erfinder genannt worden

Wellenleitern. Cook traf die Annahme, daß der Unterschied in der Phasengeschwindigkeit der gekoppelten Wellenleiter sich langsam und monoton ändert. Fox änderte gleichzeitig die Kopplung zwischen den Wellenleitern, wodurch der Kopplungskoeffizient sich mit dem Sinus eines Winkels ändert, der eine Funktion des Axialabstandes längs der Wellenleiter ist, und die Differenz der Phasengeschwindigkeiten der Wellenleiter sich mit dem Kosinus dieses Winkels ändert. Ein vollständiger Leistungsaustausch zwischen den Wellenleitern stellte sich bei aufeinanderfolgenden Viertelperioden der räumlichen Änderung der Phasengeschwindigkeit und der Kopplung ein. Im obenerwähnten Artikel von Cook, Ko'inpfner und Quate ist ohne Bezugnahme auf verjüngte Kopplungsvorrichtungen festgehalten, daß konzentrische Wendeln mit praktisch herstellbaren Abmessungen und Abständen sehr fest gekoppelt sind,, wenn die beiden nachstehenden wichtigen Forderungen erfüllt sind, d. h. wenn

a) sie im ungekoppelten Zustand mit großer Annäherung gleiche Fortpflanzungsgeschwindigkeit haben und

b) sie mit entgegengesetztem Wicklungssinn gewickelt sind.

In Proceedings of the I. R. E., Juli 1953, S. 922,. ist ein Richtungskoppler beschrieben, bei dem sich die Phasengeschwindigkeit für Wellen gleicher Frequenz

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über die Länge der Kopplungsstrecke nicht ändert. Leitungen in nicht beobachteten Längsabschnitten der

Ein derartiger Richtungskoppler hat den Nachteil, Leistungsaustausch zwischen den Leitungen pro Län-

daß der Leistungsaustausch reversibel ist, so daß in geneinheit im Durchschnitt kleiner ausgefallen ist als

der getriebenen Leitung auftretende Reflexionen zu- bei konstanter Kopplung. Es sei noch erwähnt, daß

rück zur treibenden Leitung gelangen. 5 keine Änderung der Phasendifferenz zwischen zwei

Um diesen Nachteil zur vermeiden, wird bei einem aufeinanderfolgenden Beobachtungsstellen zu erken-Richtungskoppler, bestehend aus zwei Wellenleiter- nen ist, wenn eine der Wellen in bezug auf die andere abschnitten, die derart ausgebildet sind, daß sie für mit einer ganzen Anzahl von Perioden ihrer Frequenz Wellen der gleichen Frequenz über die ganze Länge verzögert worden ist. Dies bedeutet, daß im Fall der der Abschnitte hinweg praktisch gleiche mittlere Fort- io Verzögerung einer der Wellen und in gleicher Weise pflanzungskonstanten aufweisen, und bei dem die bei- im Fall von zwei Wellen mit einer verschiedenen Freden Wellenleiterabschnitte in zahlreichen aufeinander- quenz f_% diese Wellen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bereichen über -die ganze Länge der Be- folgenden Beobachtungspunkten nicht in Tritt bleiben, reiche miteinander gekoppelt sind, erfindungsgemäß da die Verzögerung, die eine Funktion der Frequenz vorgeschlagen, daß die relative Phasengeschwindigkeit 15 ist, verschieden ist. Die Bedingungen für eine vollfür Wellen der gleichen Frequenz sich in jedem der ständige Leistungsübertragung von einer Leitung zur aufeinanderfolgenden Bereiche ändert, und zwar in anderen wären bei der Frequenz /₂ nicht erfüllt Die gleicher Weise längs des Bereiches. Erfindung kann daher zur Schaffung eines schmal-

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht demnach bandigen Richtungskopplers verwendet werden, um

aus einem Wellenleiterpaar, von dem beide Wellen- 20 von einer Hauptübertragungsleitung mit einem brei-

leiter praktisch die gleiche mittlere Fortpflanzungs- ten Frequenzband Energie einer gegebenen Frequenz Z₁

konstante für Wellen gleicher Frequenz auf einer vor- oder eines schmalseitigen Frequenzbandes um die Fre-

gegebenen Länge aufweisen. Ferner sind die beiden quenz f_± abzuzweigen. Beispiele solcher schmalbandi-

Wellenleiter in zahlreichen aufeinanderfolgenden Be- ger Koppler sollen nachstehend beschrieben werden,

reichen, von denen jeder die genannte gegebene Länge 25 Eine besonders wichtige Gruppe von Ausführungsbei-

aufweist, zwecks praktisch irreversiblen Leistungs- spielen der Erfindung liegt jedoch in dem Gebiet der

austausches von einem Wellenleiter zu manderen auf relativ breitbandigen Koppler mit entgegengesetzt ge-

der ganzen Länge all dieser Abschnitte miteinander wickelten Wendeln, die zur Kopplung der Wendel

gekoppelt, und die relative Phasengeschwindigkeit bei einer Wanderfeldröhre mit einer äußeren Speiseleitung,

der genannten Frequenz ändert sich in gleicher Weise. 30 normalerweise einer Koaxialleitung, verwendet wer-

Somit ist in der Anordnung eine räumlich periodische den kann.

Änderung der relativen Phasengeschwindigkeit oder Bei den bekannten Formen von Kopplern für Wan-Kopplung vorhanden, die im Vergleich zur Änderung derfeldröhren mit entgegengesetzt gewickelten Wenbeim Foxschen Fall rascher erfolgt und, voraus- dein wird die Wendel der Wanderfeldröhre in einem gesetzt, daß über jede vollständige Änderungsperiode 35 genau zylindrischen Rohr aus Glas, Quarz oder die mittlere relative Phasengeschwindigkeit für beide Keramik gehaltert und, wie bereits erwähnt, wird eine Leitungen die gleiche bleibt, willkürlich sein kann. kurze Länge einer Kopplungswendel eng um die Der Kopplungskoeffizient der beiden Leitungen kann Halterungsröhre der Hauptwendel gewickelt; die sich auch mit der gleichen räumlichen Periodizität Steigung der Kopplungswendel ist derjenigen der ändern, und zwar derart, daß die Kopplung periodisch 40 Hauptwendel entgegengesetzt. Zwecks wirksamer zu Null wird. Die Erfindung ist insbesondere anwend- Kopplung müssen die beschriebenen Wendeln nahe bar für den Fall gekoppelter Wendeln und gestattet beieinanderliegen. Da normalerweise die Kopplungseine beträchtliche Änderung der vorgenannten Be- wendel ihrerseits mit einer koaxialen Speiseleitung dingung a). gekoppelt sein muß, sind nicht nur Maßnahmen zu er-

Der Begriff »relative Phasengeschwindigkeit« kann 45 greifen, um den Wendelmodus in den Koaxialmodus im vorliegenden Fall ziemlich leicht erfaßt werden für zu übertragen, sondern es ist auch die Impedanzdiffeden Fall zweier einfacher, z. B. rechteckförmiger, ge- renz zwischen einer nicht abgeschirmten Wendel, für rade und parallel zueinander verlaufender Hohlleiter. die der Wellenwiderstand einige 100 Ohm betragen In gewissen anderen Fällen, z. B. für nicht kreis- kann, und der normalen Koaxialleitung mit einer förmige, entgegengesetzt gewickelte Wendeln, ist der 50 Impedanz von 50 bis 70 Ohm Rechnung zu tragen. Begriff in qualitativer Hinsicht genügend klar, aber Ferner ist die nicht abgeschirmte Wendel im wesentquantitativ läßt er sich weniger leicht definieren. Der liehen ein Wellenleiter mit einer einzelnen Leiter. Grundgedanke der Erfindung läßt sich am besten wie Allen diesen Unterschieden zwischen der Wendel und folgt darlegen: Wenn zwei gekoppelte Übertragungs- der Koaxialleitung wird zweckmäßigerweise dadurch leitungen beliebiger Art vorliegen, beispielsweise 55 Rechnung getragen, daß man um die Kopplungs-Rechteckhohlleiter oder -wendeln, und man in peri- wendel in geringem Abstand eine leitende Oberfläche odischen Längsabschnitten längs einer gemeinsamen anordnet. Wenn dieser die Wendel umgebende Leiter Achse den Zustand der beiden Wellen der gleichen von der Wendel einen Abstand aufweist, der kleiner Frequenz, beispielsweise Z₁, prüft, von denen eine als der Abstand zwischen zwei benachbarten Windun-Welle längs der einen Leitung und die andere längs 60 gen der Wendel ist, fallen die in Betracht kommenden der anderen Leitung fortgepflanzt wird, kann gezeigt Abmessungen in den Bereich, der bei den sogenannten werden, daß die Wellenleistung zwischen der einen Mikrobandleitungen angetroffen wird, so daß die Leitung und der anderen und wieder zurück voll- Kopplungswendel und der sie umgebende Leiter als ständig ausgetauscht werden kann unter der einzigen eine wendelförmig gewickelte Länge einer Band-Voraussetzung, daß an diesen gleich weit voneinander 65 leitung betrachtet werden können, wie sie z. B. in der liegenden Betrachtungsstellen die Phasendifferenz britischen Patentschrift 704 050 beschrieben ist. Die zwischen den beiden Wellen gleich erscheint. Was mit Impedanz einer solchen Übertragungsleitung kann den Wellen zwischen den Betrachtungsstellen ge- leicht an eine Koaxialleitung angepaßt werden, anschehen ist, ist unwesentlich, obgleich selbsrverständ- dererseits ist es verhältnismäßig einfach, dafür zu Hch beim Verschwinden der Kopplung zwischen den 70 sorgen, daß der Leiter der Kopplungswendel in den

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Innenleiter der Koaxialleitung übergeht. Der die Der von Cook, Kompfner und Quate unter-

Kopplungswendel umgebende Leiter geht in den suchte Koppler mit gegensinnig gewickelten Wendeln Außenleiter der Koaxialleitung über. Da das Feld wird allgemein zur Ankopplung der Wendel von einer derartigen Übertragungsleitung quer zur Lei- Wanderfeldröhren und Rückwärtswellen-Oszillatoren tung rasch mit zunehmendem Abstand abnimmt, er- 5 verwendet. Dabei ist es nicht nötig, einen Leiter auf kennt man, daß es besonders wichtig ist, zwischen der der Wendel durch die Vakuumumhüllung der Ent-Kopplungswendel und der Wendel der Wanderfeld- Iadungsröhre herauszuführen. Weiterhin läßt sich mit röhre einen kleinen Abstand einzuhalten. Aus diesem einem derartigen Koppler eine sehr große Bandbreite Grund ist eine derartige Anordnung in den Fällen von mehreren Oktaven erzielen, und der Koppler ist bisher nicht verwendet worden, bei denen die Wendel io gerichtet, so daß der Abschluß der Wendel jenseits der Wanderfeldröhre an einem Isolierrohr mit drei- des Kopplers unwesentlich ist. Wie bereits ausgeführt, eckigem Querschnitt gehaltert ist. Außerdem kann es ist es jedoch nötig, daß die Kopplungswendel von der bei Wanderfeldröhren, deren Wendel von einem Hauptwendel einen geringen Abstand aufweist. Vom zylindrischen Röhr umgeben ist, vorkommen, daß praktischen Standpunkt aus bedeutet dies mit RückTeile der Umhüllung mit höherem Durchmesser be- 15 sieht auf das Anbringen der Kopp lungs wendel um nötigt werden, um am einen Ende das Strahlerzeu- eines der Enden der Hauptwendel, daß mindestens ein gungssystem und am anderen Ende der Umhüllung Ende der Röhre, und zwar normalerweise das Ende die Sammelelektrode unterzubringen. Es ist dann der Sammelelektrode, keinen größeren Durchmesser nicht möglich, eine Kopplungswendel und die dazu- haben darf als die Umhüllung der Hauptwendel. Bei gehörigen Teile über ein Ende der Wanderfeldröhre 20 Frequenzen oberhalb von 5000MHz begegnet diese zu schieben, um sie in die richtige Lage zur Röhren- Forderung großen Schwierigkeiten, da der Wendelwendel zu bringen. Der Koppler muß entweder dau- durchmesser kleiner wird, während die Größe der ernd in dieser Lage auf der Röhre bleiben, oder es Sammelelektrode im wesentlichen konstant bleibt,
muß auf seine Anwendung verzichtet werden. In Ein halbkreisförmiger Koppler mit gegensinnig ge-

diesem Fall müssen andere Kopplungsmaßnahmen im 25 wickelter Wendel gemäß der Erfindung erlaubt es, die inneren Aufbau der Wanderfeldröhre ergriffen wer- zuletzt erwähnte Schwierigkeit der bekannten Koppler den. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist _zu umgehen. Das an der Umhüllung der Wanderfelddieser Nachteil beseitigt durch die Verwendung eines röhre anzubringende Kopplungselement ist in Fig. 1 Kopplers mit entgegengesetzt gewickelten Wendeln, dargestellt. Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch der wirksam in Verbindung mit einer Wanderfeld- 30 das Kopplungselement und durch die Röhre, während röhre verwendet werden kann, deren Wendel in einem die Fig. 3 eine Ansicht einer Wanderfeldröhre zeigt, Isolierrohr von beliebigem Querschnitt gehaltert ist. die an beiden Enden mit Wendelkopplern versehen ist.

Die Erfindung ermöglicht auch eine sehr zweck- Obwohl mit Rücksicht auf die Kolbenabmessungen mäßige Konstruktion, bei der die Kopplungswendel die Erfindung besonders bei sehr hohen Frequenzen und die dazugehörigen Teile als Einheit aufgebaut ₃₅ nützlich ist, handelt es sich bei der in der Fig. 3 darsind, die sich an der Umhüllung der Röhre anbringen gestellten Röhre um eine solche, die für ein schmales läßt, ohne daß sie über das Ende einer der Röhren ge- Frequenzband von ungefähr 900 MHz und für eine schoben werden müßte. Wenn gewünscht, können die Ausgangs leitung von 100 V bemessen ist. Das in der Ausführungsbeispiele so· abgeändert werden, daß sie jrjg. ■[ dargestellte Kopplungselement ist für diese sich auch auf verjüngten Kopplern anwenden lassen, ₄₀ Röhre für den Betrieb mit verhältnismäßig niedriger wie sie von Cook beschrieben worden sind. Frequenz bestimmt, aber die hier zugrunde liegenden

An Hand der Zeichnungen sind nun Ausführungs- Prinzipien lassen sich für Koppler für jegliche bebeispiele der Erfindung näher erläutert. liebige Frequenz anwenden.

Fig. 1 zeigt schematisch einen halbkreisförmigen Das Kopplerelement der Fig. 1 bis 4 weist ein ge-

Koppler, bestehend aus einer gegensinnig gewickelten 45 bogenes Metallblech 1 auf, das auf beiden Seiten mit Wendel; einer dielektrischen Schicht 2 überzogen ist. Längs

Fig. 2 gibt einen Querschnitt längs der Ebene H-II der Seitenkanten des überzogenen Bleches 1 sind der Fig. 1 und einer Wanderfeldröhre, an der der Randteile 3 aus dielektrischem Stoff vorgesehen, um Koppler der Fig. 1 angebracht ist, wieder; das. Metallblech 1 auf seinem Umfang zu isolieren.

Fig. 3 zeigt eine Wanderfeldröhre mit Eingangs- 50 Eine kontinuierliche wendeiförmige Wicklung 4 ist und Ausgangskopplern gemäß der Erfindung; auf dem Dielektrikum 2 aufgebracht und erstreckt

Fig. 4 zeigt eine Skizze einer abgewickelten sich über die Randteile 3. In den Anordnungen der wendeiförmigen Wicklung des Kopplers nach den Fig. 1 bis 4 bestand die Wicklung aus einem Kupfer-Fig. 1 und 2; band, aber für Serienherstellung kann eines der be-

Fig. 5 gibt schematisch ein weiteres Ausführungs- 55 kannten Verfahren zur Aufbringung elektrischer beispiel des erfindungsgemäßen Wendelkopplers wie- Leitungswege verwendet werden,
der; Das Metallblech 1 ist an einem querstehenden

Fig. 6 gibt einen Querschnitt durch den Koppler Metallblech 5 von annähernd dreieckiger Form beder Fig. 5 wieder; festigt, an dem der Außenleiter der Koaxialleitung 6

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt eines dreieckigen 60 angebracht ist. Die Wendel 4 ist durch ein Band 7 mit Kopplerelementes, dessen wesentliche Elemente mit dem Innenleiter der Koaxialleitung 6 verbunden. Das der Koppleranordnung der Fig. 1 und 2 überein- Band 7 ist vom Querteil 5 durch einen dielektrischen stimmt; - ■ _; Streifen 8 auf Abstand gehalten. Für die Herstellung

Fig. 8 erläutert die Anwendung der Erfindung auf großer Stückzahlen kann das Band 7 auf den Streieinen verjüngten Wendelkoppler und Sg fen 8 aufgedruckt werden. Das Kopplerelement der

Fig. 9 einen schematischen Schnitt durch einen Fig. 1 ist so geformt, daß es die Hälfte der Umhülschmalbandigen Richtungskoppler gemäß der Erfin- lung der Wanderfeldröhre bedeckt, wie dies aus den dung; Fig. 2 und 3 hervorgeht. In der Fig. 2 ist die Umhül-

Fig. 10 zeigt einen Querschnitt längs der Ebene lung mit 9 und die Hauptwendel mit 10 bezeichnet, 10-10 der Fig. 9. 70 letztere ist der Einfachheit halber als normaler Draht

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dargestellt. In der Fig. 3, die eine tatsächlich ausge- den gleichen Abstand vorwärts schreitet, um den eine führte Röhre wiedergibt, besteht, wie erkenntlich, die Welle der gleichen Frequenz auf der Wendel der Hauptwendel aus einem Band. Aus der Fig. 3 ist Wanderfeldröhre in der gleichen Zeit um die gemeinweiter ersichtlich, daß der der Sammelelektrode 12 same Achse beim Nichtvorhandensein einer Kopplung benachbarte Umhüllungsteil 11 einen größeren Durch- 5 fortschreiten würde.

messer aufweist als der Teil 9 der Umhüllung. Um Was die Kopplung zwischen der Hauptwendel und das Kopplerelement der Fig. 1 an der Wanderfeld- der wendeiförmigen Wicklung 4 betrifft, sei bemerkt, röhre zu befestigen, wird ein gebogener Teil 13 aus daß zwischen den konkaven oder inneren Hälften jeder dielektrischem Material auf der dem Kopplerelement Wicklung und dem Feld der Hauptwendel eine feste gegenüberliegenden Seite der Röhre angeordnet, und io Kopplung besteht, daß aber das Metallblech 1 die diese beiden Teile werden, beispielsweise durch Um- konvexen Halbwindungen der Wicklung 4 von der wickeln, an der Röhre befestigt. Der Pfeil in der Hauptwendel abschirmt, so daß keine Kopplung mehr Fig. 2 zeigt den Wicklungssinn der Hauptwendel an. vorhanden ist. Es ergibt sich also, daß in dem vor-Die Hälfte der wendeiförmigen Wicklung 4, die auf liegenden Ausführungsbeispiel zwei Ubertragungsder konkaven Seite des Metallbleches 1 liegt, ist in 15 leitungen vorhanden sind, nämlich die durch die bezug auf die Hauptwendel in entgegengesetzter Hauptwendel oder die Wendel der Wanderfeldröhre Richtung gewickelt, so daß der äußere Teil der Wick- gebildete Leitung und die wendeiförmige Wicklung 4, lung 4., der auf der konvexen Oberfläche des Metall- in der sich die relative Phasengeschwindigkeit und die bleches 1 liegt, die gleiche Wicklungsrichtung wie die Kopplungskoeffizienten mit der räumlichen Periodizi-Hauptwendel hat. 20 tat rasch ändern, wobei die räumliche Periodizität Die Fig. 4 zeigt eine Abbildung eines Teiles der gleich einer kompletten Windung der Wicklung 4 ist. wendeiförmigen Wicklung 4, wobei die Wicklung Wie vom Standpunkt einer vollständigen Leistungslängs einer Erzeugenden aufgeschnitten gedacht und übertragung von einer Wendel zur anderen zu ereben ausgelegt ist. In der Zeichnung ist der Wickel- warten ist, weist der Koppler dieses Ausführungskörper, an dem die Wicklung befestigt ist, ebenfalls 25 beispiels eine größere Länge auf als die bekannten skizziert. Die konkave Seite des Wickelkörpers und Koppler mit gegensinnig gewickelten Wendeln, und der Wicklung entspricht dem Teil 14, während der zwar ungefähr die doppelte Länge,
konvexe oder äußere Teil dem Teil 15 entspricht. Die Die scharfen Krümmungen der wendeiförmigen Randteile 3 entsprechen den mit 3 bezeichneten Wicklung beim Übergang von der einen zur anderen Flächen. Die Breite des Teiles 15 ist größer als die 30 Seite des Metallbleches 1 bringen Unregelmäßigkeiten des Teiles 14, da die entsprechenden Zylinder verschie- im Verhalten des Kopplers mit sich. Durch geeignete dene Radien aufweisen. Der Unterschied in der Breite Formgebung der Randteile 3, was am besten durch ist jedoch etwas übertrieben, um den Unterschied in Versuche geschieht, können die genannten Unregelder Steigung zwischen den beiden Hälften jeder Win- mäßigkeiten auf ein Ausmaß herabgesetzt werden, das dung der Wicklung klarer zum Ausdruck zu bringen. 35 die Wicklungsweise nur geringfügig beeinträchtigt. Auf dem Teil 14 ist die Halbwindung in bezug auf die Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist eine zufriedenstellende horizontale Achse um den Winkel Ct₁ geneigt. Wenn Querschnittsform der Randteile 3 eine angenäherte die anstoßenden Halbwindungen, anstatt um die kon- Halbkreisform mit einem Durchmesser, der gleich der vexe Seite des Metallbleches 1 der Fig. 1 und 2 ge- Gesamtdicke des Metallbleches und der beiden dibogen zu sein, gleichförmig um die Röhrenwendel 40 elektrischen Überzüge 2 ist. Es hat sich gezeigt, daß herumgeführt wären, könnten sie durch die ge- die genaue Form für ein Optimum der Resultate nicht strichelte Linie 16 dargestellt werden, die in der ent- sehr kritisch ist.

gegengesetzten Richtung die gleiche Neigung auf- Bei einer Versuchsanordnung bestand die Hauptweisen und entgegengesetzte Enden der benachbarten, wendel aus einem Messingband von 2,5 mm Breite tatsächlich vorhandenen Halbwindungen verbinden. 45 und 0,25 mm Dicke. Die Wendel hatte einen Durch-Der Winkel O₁ ist bei den üblichen kreisförmigen messer von etwa 25 mm und 4 Windungen pro 25 mm. Kcpplern durch den Durchmesser der Glasumhüllung 9 Das halbkreisförmige Kopplerelement bestand aus der Fig. 2 und durch die Dicke und dieDielektrizitäts- einem Kupferband mit 3 Windungen pro 25 mm und konstante des Überzugs 2 bestimmt, und zwar derart, _war mit einer Koaxialleitung von 25 Ohm Wellendaß die äußere wendeiförmige Wicklung die gleiche 50 widerstand verbunden. Die übrigen Abmessungen des axiale Phasengeschwindigkeit aufweist wie die Wen- Kopplers bei dieser Anordnung waren folgende:
del der Wanderfeldröhre. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erkennt man jedoch, daß der Win- Innendurchmesser der Wicklung 4 etwa 33 mm
kel a₂ der Halbwindungen auf der konvexen Seite des Außendurchmesser der Wicklung 4 etwa 44 mm

Wickelkörpers größer als Ci₁ sein muß, während die 55 Dicke des Metallbleches 1 etwa 1,6 mm

über die Randteile 3 laufenden Teile der Wicklung Breite des Wickelbandes etwa 4,75 mm

einen Teil der Länge jeder vollständigen Wicklung Windungszahl 9

bilden. Man erkennt daher, daß vom Stand der Feldtheorie des abgewickelten wendeiförmigen Bleches, Messungen ergaben, daß für das aus der Hauptwie sie in der Literatur über Wellenfortpflanzung 60 wendel ■ und dem erfindungsgemäßen Koppler belängs Wendeln gefunden wird, die Fortpflanzungs- stehende System über ein Frequenzband von 575 bis konstanten der beiden Hälften jeder Windung ver- 1000 MHz die Richtwirkung größer als 15 db und der schieden sind. Erfindungsgemäß wird die mittlere Kopplungsverlust kleiner als 2 db war.
axiale Phasengeschwindigkeit, und zwar gemittelt Die Wanderfeldröhre der Fig. 3 hat eine Wendel von Windung zu Windung, gleich derjenigen der 65 von einem Außendurchmesser von etwa 15 mm, die Wendel der Wanderfeldröhre gemacht. Vom prakti- aus -einem Band von etwa 2,5 mm Breite und 0,25 mm sehen Standpunkt aus genügt es, wenn eine längs der Dicke und mit einer Steigung von etwa 7,3 mm gewendeiförmigen Wicklung 4 übertragene Welle bei wickelt war. Der die Wendel umgebende Teil der jedem .vollständigen Umlauf um die gemeinsame Achse Umhüllung hatte eine Dicke von etwa 1,5 mm und des Kopplungselementes und der Wanderfeldröhre um 70 eine dielektrische Konstante von 5 mm. Die halb-

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kreisförmigen Kopplerelemente hatten eine gesamte nötigt, um sich längs der inneren Wendel über eine Länge von etwa 57 mm und im übrigen die folgenden gleichwertige axiale Länge fortzubewegen.
Hauptabmessungen: Praktische Ausführungen der in den Fig. 5 und 6 Innendurchmesser etwa 18 mm gezeigten Anordnungen sind einer analytischen Unter-Außendurchmesser etwa 24 mm ⁵ f,^uchunS unterworfen worden, die durch Experimente

Dicke des Metallbleches etwa 1 mm bestätigt werden konnten. So wurde m einem Fall nut

Steigung der Wicklung etwa 2 Windungen £^er vereinfachten Ubertragungsleitungstheone fur den

J₃₆J 25 _mm Koppler eine Lange ermittelt, die das 2,5fache der

Dicke des dielektrischen ^LänS^{e ein}^ üblichen eng angekoppelten Kopplers mit

Überzues etwa 1 mm ¹⁰ gegensinnig gewickelter Wendel und kreisförmigem

Breite des Wicklungsbandes .'.' etwa 2,5 mm Querschnitt beträgt um einen vollständigen Energie-

ausgleich zu erreichen, wahrend die Versuche eine

Die Koppler waren mit koaxialen Leitungen von Länge ergaben, die dem 2,lfachen derjenigen des üb-50 Ohm Wellenwiderstand verbunden. Es zeigten sich liehen Kopplers entsprach. In anderer Hinsicht war ähnliche Versuchsergebnisse wie bei den oben aufge- 15 das Verhalten des Kopplers mit dreieckigem Querführten Anordnungen. schnitt dem der üblichen Koppler ähnlich. Der letzt-Der oben beschriebene Koppler mit gegensinnig ge- genannte Koppler konnte offenbar nicht in Verbinwickelter Wendel bewirkt rasche räumlich periodische dung mit einer Umhüllung mit dreieckigem Quer-Änderung der relativen Phasengeschwindigkeit und schnitt verwendet werden, da die Kopplung zu der Kopplung infolge der besonderen, einen konkaven 20 schwach würde.

Teil aufweisenden Querschnittsform der Kopplungs- Der halbkreisförmige Koppler der Fig. 1 bis 4 kann wendel. Bei den Anordnungen der Fig. 5 und 6 er- auch so abgeändert werden, daß er sich in Verbindung geben sich periodische Änderungen dadurch, daß .die mit einer Hauptwendel verwenden läßt, die an einer Kopplungswendel eine von der Hauptwendel ver- Umhüllung mit beliebigem Querschnitt gehaltert ist. schiedene Querschnittsform aufweist, aber die Haupt- 25 Im Falle der Dreieckumhüllung liegt das äußere wendel vollständig umgibt. Kopplungselement zweckmäßigerweise an zwei Seiten Die Fig. 5 zeigt schematisch in perspektivischer des Dreiecks an, so daß sich eine Querschnittsanord-Ansicht eine Hauptwendel 17 von üblicher kreis- nung gemäß der Fig. 7 ergibt, in der Teile mit den förmiger Querschnittsform, die durch eine Glasum- gleichen Funktionen wie in der Fig. 2 mit den gleihüllung 18 von dreieckförmigem Querschnitt gehaltert 30 chen Bezugszeichen versehen sind. Die Länge des ist. Die dreieckige Querschnittsform der Umhüllung Kopplers fällt etwas größer als bei dem Koppler mit ist deshalb gewählt, um die Wirkung des umgebenden halbkreisförmigem Querschnitt aus. Für eine Anord-Dielektrikums auf die Fortpflanzungseigenschaften nung, bei der die Kopplungswendel die Umhüllung der Wendel 17 soweit wie möglich herabzusetzen. vollständig umgibt, ist, wie oben erwähnt, eine Kopp-Eine gegensinnig gewickelte Kopplungswicklung 19 35 lungslänge nötig, die 2,lmal größer ist als bei den ist eng um die Umhüllung 18 gewickelt, so daß ihre üblichen, eng angekoppelten Kopplern mit kreisförmi-Windungen auf den Seiten der Umhüllung 18 anliegen. gern Querschnitt, während bei der Anordnung nach Zur Vereinfachung der Zeichnung ist kein der Impe- der Fig. 7 etwa die 3fache Kopplungslänge gegenüber danzherabsetzung dienendes leitendes Blech um die dem üblichen Koppler erforderlich ist.
Kopplungswendel 19 dargestellt. Obwohl ein solches 40 Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen Blech vom praktischen Standpunkt der Ankopplung weist die Hauptwendel den üblicherweise verwendeten an eine Koaxialleitung niederer Impedanz gewöhnlich kreisförmigen Querschnitt auf. Die hier dargelegten zweckmäßig ist, ist ein solches Blech vom Standpunkt Prinzipien der Erfindung gelten selbstverständlich der Erfindung aus nicht wesentlich. Ein eng anliegen- auch für Fälle, in denen die Hauptwendel nicht gleichdes Blech, das von der Wicklung 19 durch ein Di- 45 förmig ist. Weiterhin laßt sich die Erfindung auch bei elektrikum 21 getrennt ist, ist jedoch in dem Quer- verjüngten Wendelkopplern anwenden. Ein Beispiel schnitt der Fig. 6 dargestellt, in der die Pfeile den dafür ist in Fig. 8 dargestellt, die einen Teil einer Wicklungssinn der beiden Wendeln anzeigen. Seitenansicht einer Hauptwendel 22 mit kreisförmi-Mit den Anordnungen der Fig. 5 und 6 ist es mög- gern Querschnitt und sich verändernder Steigung lieh, die Fortpflanzungskonstante der beiden Wendeln 5° zeigt. Die Wendel ist in einer Glasumhüllung 23 mit auf Grund einer vereinfachten Übertragungsleitungs- dreieckigem Querschnitt gehaltert. Die Kopplungstheorie zu analysieren. Für die relativen Phasenge- wendel 24 ist gegensinnig gewickelt, und ihre Steischwindigkeiten der beiden Wendeln muß angenom- gung verändert sich in entgegengesetzter Richtung zu men werden, daß sie sich mit dem gemeinsamen der Steigungsänderung der Hauptwendel. Wenn man axialen Abstand rasch ändern, und diese Änderung 55 in der Fig. 8 von links nach rechts fortschreitet, nimmt wiederholt sich mit einer Periode, die gleich dem Ab- die Steigung der Hauptwendel zu, so daß die axiale stand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen Phasengeschwindigkeit der von links nach rechts längs der äußeren Wendel ist. Ohne weiter auf die theore- der Wendel 22 sich fortpflanzenden Welle dauernd zutische Analyse und auf die Betrachtungen der ent- nimmt. Bei der KopplungBwendel 24 wird die Steisprechenden Fortpflanzungskonstanten der Wendeln 60 gung von links nach rechts kleiner, so daß die axiale einzugehen, erkennt man, daß sich die Kopplung zwi- Phasengeschwindigkeit dauernd abnimmt. Zudem ist sehen den Wendeln längs jeder Windung der äußeren die relative Phasengeschwindigkeit einer raschen Wendel ändert und an den Mittelstellen der Seiten räumlichen, periodischen Änderung unterworfen, wie der Umhüllung ein Maximum und an den Seiten- dies an Hand der Fig. 5 dargelegt wurde. Zwecks Erkanten ein Minimum hat. Um gemäß der Erfindung 65 zielung eines vollständigen Leistungsaustausches einen vollständigen Energieaustausch zwischen den zwischen den beiden Wendeln müssen die relativen Wendeln zu erzielen, ist es lediglich nötig, dafür zu Phasengeschwindigkeiten auf den beiden Wendeln gesorgen, daß die Zeit, die eine Welle zum Durchlaufen mittelt über eine vollständige Periode in einem geeiner Windung der äußeren Wendel benötigt, gleich wissen mittleren Bereich der Länge des Kopplers der Zeit ist, die eine Welle der gleichen Frequenz be- 70 gleich sein, während die Änderungsrate der mittleren

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relativen Phasengeschwindigkeit verhältnismäßig gering sein muß, wie dies aus dem bereits erwähnten Artikel·von Cook hervorgeht.

In der allgemeinen Diskussion bezüglich gekoppelter Übertragungsleitungen wurde das Grundprinzip der Erfindung unter Bezugnahme auf Beobachtungen der Phasendifferenz zwischen Wellen auf zwei Übertragungsleitungen an räumlich getrennten Beobachtungsstellen dargelegt. Es ist klar, daß man zu den gleichen Beobachtungen kommt, wenn eine Welle mit der anderen in Schritt bleibt oder von einem Beobachtungspunkt zum anderen ihre Phase um ein beliebiges Vielfaches von 360° ändert. Eine Anwendung dieses Prinzips auf ein schmalbandiges Filter ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt.

Die Hauptübertragungsleitung 25 ist als Bandleitung ausgebildet und überträgt ein breites Frequenzband, aus dem ein schmales Band von Signalen abzuzweigen ist. Zu diesem Zweck wird eine ähnliche Leitung 26 parallel zur Leitung 25 angeordnet, und zwar derart, daß zwischen den beiden Leitungen auf mehreren gleichen Längsabschnitten 27 Kopplung vorhanden ist. Zwischen den Abschnitten 27 wird die Leitung 26 in Schleifen 28 geführt, von denen jede eine ganze Anzahl von Wellenlängen der Bandmittenfrequenz der aus der Leitung 25 abzuzweigenden Wellen lang ist, so daß längs jeden Kopplungsabschnittes die Wellen der Bandmittenfrequenz miteinander in Tritt bleiben, während sich die Phase einer Welle um eine ganze Anzahl von Schwingungsperioden in bezug auf die anderen, an gleichen Bezugspunkten aufeinanderfolgenden Abschnitte 27 geändert hat. Die nötigen Bedingungen für den Leistungsaustausch gemäß der Erfindung sind daher bei der genannten Bandmittenfrequenz erfüllt. Da aber die Länge der Schleife außerhalb eines schmalen Bandes um die Bandmittenfrequenz keine ganze Anzahl von Wellen enthält, sind die Bedingungen für den Leistungsaustausch zwischen den beiden Leitungen außerhalb des genannten schmalen Bandes nicht erfüllt. Es werden also nur die genannte Bandmittenfrequenz und die dicht benachbarten Frequenzen von der Leitung 25 zur Leitung 26 übertragen werden.

Die Leitung 25 weist einen sogenannten Erdleiter 29 auf, der mit einer dielektrischen Schicht 30 überzogen ist, auf der ein bedeutend schmalerer Leiter 31 aufgedruckt oder auf irgendeine andere Weise erzeugt oder aufgebracht ist. Die Leitung 26 ist in gleicher Weise ausgebildet. Sie verwendet einen zweiten Leiter 32; der Erdleiter 29 ist beiden Leitungen gemeinsam. Bei dieser Art von Übertragungsleitungen sind die elektrischen Felder weitgehend zwischen dem Leiter und dem Erdleiter konzentriert. Wenn jedoch die beiden Leiter der beiden Leitungen in geringem Abstand parallel zueinander verlaufen, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, dann ist längs dieser beiden Leitungen Kopplung vorhanden. Für die Schleifen 28 ist praktisch keine Kopplung vorhanden.

Das Prinzip des hier behandelten schmalbandigen Filters läßt sich auch, falls erwünscht, auf die bereits beschriebenen Koppler mit gegensinnig gewickelter Wendel anwenden.

Bei Verwendung einer gleichförmigen Hauptwendel wäre dann die Übertragungszeit längs der Kopplungswendel von Windung zu Windung um eine ganze An- zahl Perioden der Bandmittenfrequenz von der Zeit verschieden, die eine Welle zur Fortpflanzung längs einer gleichwertigen Länge der Hauptwendel benötigt.

Obgleich bei den Ausführungen angenommen wurde, daß ein vollständiger Leistungsaustausch von einer Übertragungsleitung zur anderen erforderlich "ist, kann, falls erwünscht, die Länge des Kopplers so gewählt werden, daß von der treibenden Leitung nur ein Teil der Leistung in dem betrachteten Frequenzband abgezweigt wird.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Richtungskoppler, bestehend aus zwei Wellenleiterabschnitten, die derart ausgebildet sind, daß sie für Wellen der gleichen Frequenz über die ganze Länge der Abschnitte hinweg praktisch gleiche mittlere Fortpflanzungskonstanten aufweisen, und bei dem die beiden Wellenleiterabschnitte in zahlreichen aufeinanderfolgenden Bereichen über die ganze Länge der Bereiche miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Phasengeschwindigkeit für Wellen der gleichen Frequenz sich in jedem der aufeinanderfolgenden Bereiche ändert, und zwar in gleicher Weise längs des Bereiches.

2. Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wellenleiter durch ein Paar gegensinnig gewickelter Wendeln verschiedener Querschnittsform gebildet und längs einer gegebenen Länge miteinander gekoppelt sind und die Fortpflanzungseigenschaften der Wendel derart sind, daß für zwei längs jeder der Wendeln fortgepflanzte Wellen der gleichen Frequenz die von jeder der Wellen zum Durchlaufen der genannten Länge benötigte Zeit entweder gleich ist oder sich durch ein ganzes Vielfaches von Schwingungsdauern der genannten Frequenz unterscheidet.

3. Richtungskoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer der Wendeln (Kopplungswendel) eine leitende Oberfläche angeordnet ist, die zu jeder Windung einen geringen gleichförmigen Abstand aufweist, und die Wendel im Querschnitt einen konkaven Teil besitzt, der die andere Wendel teilweise umgibt, und nur der konkave Teil jeder Windung der Wendel mit der anderen Wendel gekoppelt ist, während der verbleibende Teil jeder Windung von der anderen Wendel durch die leitende Oberfläche abgeschirmt ist,

4. Richtungskoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hauptwendel mit kreisförmigem Querschnitt in einem Hohlkörper aus Isoliermaterial von beliebigem, insbesondere dreieckförmigem Querschnitt derart gehaltert ist, daß jede Windung jede Seite des Hohlkörpers berührt und die Kopplungswendel, deren Wicklungssinn demjenigen der Hauptwendel entgegengesetzt ist, derart um den Hohlkörper gewickelt ist, daß sich ihre Windungen an die Form des Hohlkörpers anpassen, und die Kopplungswendel in Verbindung mit irgendeiner ihr zugeordneten, der Impedanzherabsetzung dienenden leitenden Oberfläche so bemessen ist, daß die Durchlaufzeit einer Welle für eine Windung der Kopplungswendel gleich der Zeit ist, die eine Wendel der gleichen Frequenz benötigt, um einen entsprechenden axialen Weg längs der Hauptwendel zurückzulegen.

5. Richtungskoppler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungswendel zwecks Verwendung zur Ankopplung einer koaxialen Speiseleitung an die Wendel einer Wanderfeldröhre mit einem Metallblech mit einem dielektri-

sehen Überzug versehen ist, das derart ausgebildet ist, daß es praktisch die Hälfte des die Wendel umgebenden Längsabschnittes der Umhüllung der Wanderfeldröhre umgibt, und auf dem dielektrischen Überzug des Metallbleches Streifen aus leitendem Material angeordnet sind, die eine kontinuierliche, wendeiförmige Wicklung um diesen Streifen bilden, so daß auf der konkaven Seite des Metallbleches praktisch Halbwindungen einer Wendel liegen, deren Wicklungssinn dem der Wendel der Wanderfeldröhre entgegengesetzt ist, und die auf dem dielektrischen Material aufgebrachte Wicklung so bemessen ist, daß praktisch ein vollständiger Leistungsaustausch zwischen dieser Kopplungswendel und der Wendel der Wanderfeldröhre stattfindet.

6. Richtungskoppler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblech an einem Ende mit einem leitenden Querteil verbunden ist und das benachbarte Ende der wendeiförmigen Wicklung mit einem radial verlaufenden Leiter verbunden ist, der von dem genannten Querteil einen Abstand aufweist und mit diesem einen Abschnitt einer Übertragungsleitung vom Bandleitungstyp bildet.

7. Richtungskoppler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter der Koaxialleitung mit dem Querteil und deren Innenleiter mit dem radial verlaufenden Leiter verbunden ist.

8. Richtungskoppler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wendelförmige Wicklung von den Längskanten des Metallbleches durch Isolationsmaterial getrennt ist, das derart geformt ist, daß Impedanzunstetigkeiten an den Übergangsstellen zwischen der konvexen und der konkaven Seite des Kopplungselementes vermindert sind.

9. Richtungskoppler nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kopplungswendel die zwei Seiten eines Dreiecks bilden und die Kopp lungs wendel in Verbindung mit einer Wanderfeldröhre verwendet wird, die zur Halterung der Wendel einen Umhüllungsteil mit dreieckigem Querschnitt aufweist.

10. Richtungskoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegensinnig gewickelten Wendeln variable Steigungen aufweisen, so daß die von einer Welle zum Durchlaufen von aufeinanderfolgenden Windungen einer Wendel benötigte Zeit monoton zunimmt, während die von anderen Wendeln zum Durchlaufen aufeinanderfolgenden Windungen der anderen Wendeln benötigte Zeit monoton abnimmt und die Phasengeschwindigkeiten der Wellen in einem zwischen den Enden der Kopplungsanordnung liegenden Bereich gleich sind.

11. Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter als Bandleitungen ausgebildet sind und in räumlich periodischen Intervallen längs einer gegebenen Leitung gekoppelt sind und die mittlere Phasengeschwindigkeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kopplungsbereichen sich um ein Vielfaches von 2 π ändert.

12. Richtungskoppler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bandleitungen parallel zueinander verlaufen und eine der Leitungen Schleifen aufweist, die in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind, und jede Schleife einem ganzen Vielfachen der Wellenlänge entspricht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Proceedings of the IRE«, July 1953, S. 922.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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