DE1083363B - Hohlrohrleitungskruemmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Hohlrohrleitungskrümmer mit kreisförmigem Querschnitt und mit elektrischem Zirkularfeld für die Fortleitung der TE₀₁-Wellenform durch Hohlrohrleitungen.

Bei der Erläuterung der Erfindung soll der Ausdruck »Bogen« die allmählich gekrümmten Abschnitte eines Hohlleiters mit verhältnismäßig großem Biegeradius bezeichnen, während der Ausdruck »Knie« sich auf stark gekrümmte Abschnitte des Hohlleiters bezieht, die einen relativ kleinen Biegeradius aufweisen. Üblicherweise wird bei einem Hohlleiter mit 5,08 cm Innendurchmesser ein gekrümmter Abschnitt mit einem Krümmungsradius von mehr als 61 m als Bogen bezeichnet, während ein gekrümmter Abschnitt mit einem Krümmungsradius von weniger als 61 m als Knie angesprochen wird. Für andere Hohlleiterdurchmesser ändert sich der Krümmungsradius, welcher Bögen und Knie voneinander trennt entsprechend dem Quadrat des Verhältnisses zwischen dem gewählten Durchmesser und 5,08 cm. Bei einem Hohlleiter mit 2,2 cm Innendurchmesser ist somit der unterscheidende Krümmungsradius etwa 12,2 m. In Hohlleiterabschnitten auftretende Bögen sind gewöhnlich das Ergebnis von Abweichungen vom geraden Verlauf, die durch normale elastische Verformungen des Hohlleiters zwischen Stützen verursacht werden, während Knie — abgesehen von vernachlässigbaren Ausnahmen — absichtlich angebracht werden.

In der Wellenübertragungstechnik ist es allgemein anerkannt, daß sich die Fortpflanzung von Mikrowellenenergie in der Form einer TE₀₁-WeIIe in kreisförmigen Hohlleitern für die Übertragung auf weite Entfernungen besonders gut eignet, da die Dämpfung dieser Wellenform in Abweichung von der Dämpfung der meisten übrigen Wellenformen mit ansteigender Frequenz kleiner wird. Eine erhebliche Schwierigkeit ergibt sich jedoch bei dieser Übertragungsart aus der Tatsache, daß die TE₀₁-Wellenform nicht die vorherrschende Übertragungsform in einem aus einem Hohlrohr bestehenden Hohlleiter von kreisförmigem Querschnitt ist. Es kann somit Energie an andere Wellenformen verlorengehen, welche sich für die Übertragung innerhalb des Hohlleiters eignen. Die Fortleitung von TE₀₁-Wellen in einen genau runden Hohlleiter, welcher vollkommen gerade verläuft, gleichmäßig ist und aus leitendem Material besteht, erfolgt im wesentlichen ohne Störung. Kleine Unvollkommenheiten an dem Hohlleiter selbst und insbesondere jede Abweichung von dem geraden Verlauf können jedoch Wellen anderer Formen erregen und auf diese Weise empfindliche Verluste verursachen. Diese Verluste beruhen hauptsächlich darauf, daß ein Krümmer eine Kopplung zwischen der TE₀₁-Wellenform und anderen Wellenübertragungsformen induziert. Das hauptsächliche Umwandlungsproblem betrifft die TE₀₁- und TM^-Wellenformen. In wesentlich geringerem Ausmaß treten Ver-Hohlrohrleitungskrümmer

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 29. August 1957

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

luste auf zwischen den TE₀₁- und TE₁₂-Wellenformen und ebenso zwischen der TE₀₁-Wellenform und anderen Wellenformen höherer Ordnung.

Die Leichtigkeit, mit welcher die Umwandlung in die TMu-Wellenform stattfindet, ergibt sich daraus, daß in vollkommen leitenden, gleichförmigen, runden Hohlleitern die Phasenkonstanten der TE₀₁- und der TM₁₁-Wellenformen übereinstimmen.

Ein Verfahren, dem Krümmungsproblem Rechnung zu tragen, ist, die Entartung oder Gleichheit der Phasenkonstanten der TE₀₁- und TM₁₁-Wellenformen mit Hilfe einer gewissen Änderung des Hohlleiteraufbaus selbst zu beseitigen. Es sind zahlreiche Wege zur Verwirklichung eines solchen Ergebnisses in Vorschlag gebracht worden; dazu gehört die Verwendung eines elliptischen Hohlleiters oder eines Hohlleiters mit kreisförmig gewellter Wandung. Darüber hinaus läßt sich eine selektive Dämpfung der TM₁₁-Wellenform mit Hilfe eines in Abstand gehaltenen leitenden Ringleiters oder einer eng gewickelten leitenden Wendel, die von einem Mantel aus Verlustmaterial umgeben ist, durchführen. Auch eine dünne koaxiale Auskleidung eines Hohlleiters, deren äußereOberfläche an der innerenOberfläche des gegebenenfalls leicht gekrümmten Hohlleiters anliegt, ist bereits bekanntgeworden. Diese dielektrisch ausgekleideten Hohlleiter sollen gemäß einem Merkmal der Erfindung bei absichtlich gekrümmten Hohlleiterknien angewendet werden. Dabei wird eine Verringerung der durch Wellenformumwandlung verursachten Verluste auch in gekrümmten Hohlleiterknien, in welchen die TE₀₁-Wellenform fortgepflanzt wird, erreicht. Dabei ist die Bemessung der Dicke der dielektrischen Auskleidung besonders kritisch. Bei Knien in Hohhrohrleitungen, d. h. Krümmern mit einem Biegeradius von weniger als 950«² (in Zenti-

009 530/380

3 4

metern gemessen), wobei α der Radius des Querschnitts einen durchgehenden runden Hohlleiter mit Energie in

(ebenfalls in Zentimetern gemessen) des Hohlleiters ist, der Form von TE₀₁-Wellen versorgt. Der Verbraucher 11

beträgt gemäß dem zweiten Merkmal der Erfindung, kann beispielsweise aus einem Mikrowellenverstärker,

die in radialer Richtung gemessene Dicke der Auskleidung einem Empfänger oder einer Antenne bestehen. Der Hohl-

im wesentlichen 5 leiterkanal enthält gleichförmige gerade Abschnitte 12

und 13, welche durch einen gleichförmig gekrümmten

/?teqi — /?TEi2 _r C-iun Abschnitt 14 miteinander verbunden sind; der Abschnitt 14

_a „ _r

ε — 1 jÖteoi CtEi₂ ' ist mit einer dielektrischen Auskleidung 31 ausgestattet,

■- - - welche nach einer der weiter unten beschriebenen spezi-

wobei ε die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen io eilen Formen ausgebildet sein kann. Es ist möglich, daß Auskleidungsmaterials ist, /Stem, und /?tei2 die Phasen- auch die geraden Abschnitte 12 und 13 eine dielektrische konstanten der TE₀₁- bzw. TE₁₂-Wellenformen sind und Auskleidung enthalten, welche derjenigen im gekrümmten Ctmii und Cte₁₂ <ü^e Kopplungsfaktoren zwischen der Abschnitt 14 ähnlich ist.

TE₀₁- und der TM₁₁- bzw. TE₁₂-Wellenform in der Krüm- In einem Mikrowellensystem für die Übertragung von

mung sind. 15 TE₀₁-Wellen, wie z. B. in einem System nach Fig. 3,

Ein solcher Hohlrohrleitungskrümmer läßt sich be- muß der innere Radius α des runden rohrförmigen Hohlsonders einfach aufbauen, wenn die dielektrische Aus- leiters, welcher für die Fortpflanzung dieser Wellen auskleidung aus einem schraubenförmig gewickelten Band gewählt ist, größer sein als der kritische oder Grenzbesteht. Es hat sich auch als zweckmäßig herausgestellt, radius a_c für die TE^-WeUenform. Der Grenzradius a_c für daß die geraden, an den Krümmer anschließenden Hohl- 20 die TE₀₁-Wellenform ist gleich 0,61 A₀, wobei A₀ die Wellenleiter ebenfalls dielektrisch ausgekleidet sind. Vorteil- länge der in dem Übertragungsband auftretenden Welle hafterweise ist die Dielektrizitätskonstante des Aus- mit der niedrigsten Frequenz bedeutet. Praktisch wird a kleidungsmaterials sehr viel größer als Eins. Darüber größer gewählt als a_c und kann in verschiedenen Systemen hinaus empfiehlt die Erfindung, für die Auskleidung ein zwischen 1,5 und 15 A₀ liegen. Für die Zwecke der ErMaterial mit geringen Verlusten zu wählen. 25 läuterung kann ein geeigneter Innenradius für die weiter

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen an Hand der unten zu beschreibende Hohlleiterausbildung 7,7 a_c oder Zeichnung noch näher erläutert werden; in der Zeichnung 4,7 A₀ betragen. Wenn somit für die Übertragung von zeigen TE₀₁-Wellenformen ein Hohlrohrleiter mit einem Innen-

Fig. 1 und 2 elektromagnetische Feldbilder der TE₀₁- durchmesser von 5,08 cm gewählt würde, so würde nach bzw. der TM_1:l-Wellenform, 30 vorstehendem A₀ = 5,4 mm sein.

Fig. 3 eine vereinfachte Hohlrohrleitung in perspek- Das charakteristische Problem für die Umformung der

tivischer Darstellung, TE₀₁-WeIIe in die TM₁₁-WeIIe beruht auf der Tatsache,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen runden Hohlleiter daß die Phasenkonstanten, d. h. die Phasengeschwindigmit dielektrischer Auskleidung, keiten und Wellenlängen dieser beiden Wellenformen, in

Fig. 5 ein Hohlleiterknie nach der Erfindung in perspek- 35 runden Hohlleitern praktisch gleich sind. Deshalb treten tivischer Darstellung, diese Wellenformen sehr stark in Wechselwirkung mit-

Fig. 6 eine neue Verfahrensart zur Herstellung eines einander, und zwar ähnlich wie gekoppelte Übertragungs-Hohlrohrleitungskrümmers nach der Erfindung. leitungen, wie z.B. von W. J. Albersheim im BeE

Fig. 1 und 2 veranschaulichen die in einem gegebenen System Technical Journal, Bd. 28, Nr. 1, Januar 1949, Augenblick bestehende Verteilung der elektrischen und 40 erläutert ist.

magnetischen Felder in Querschnitten eines runden Hohl- Bei den im folgenden erläuterten Ausführungsformen

leiters, welcher die TE₀₁- bzw. die TM^-Übertragungs- der Erfindung sind die Hohkohrleitungskrümmer, die wellenform führt. Die in Fig. 1 veranschaulichte Trans- einleitend als Knie bezeichnet sind, in einer solchen versale elektrische TE₀₁-WeIIe wird allgemein als die Weise umgestaltet, daß die Phasengeschwindigkeit der zirkuläre elektrische Wellenform bezeichnet, da das in 45 TM^-Wellenform mit Bezug auf die TE₀₁-Wellenform vollen Linien dargestellte elektrische Feld aus Kreislinien verändert wird. Diese Änderung verursacht eine deutliche besteht, welche koaxial zum Hohlleiter verlaufen und relative Differenz hinsichtlich der Phasen- und Fortohne Längskomponenten quer zu dem Hohlleiter liegen. pflanzungskonstanten dieser beiden Wellenformen. Dank Das magnetische Feld ist durch die gestrichelten radialen der auf diese Weise eingeführten relativen Differ enz wird Linien angegeben. Aus der Darstellung ist ersichtlich, so der durch gegenseitige Kopplung bedingte Verlust in daß die elektrische Feldstärke mit Annäherung an die Krümmern, in welchen sich TE₀₁-Wellenformen fortleitende Begrenzung des Hohlleiters abfällt und daß die pflanzen, wesentlich verringert.

elektrische Feldstärke an der Innenfläche des Hohlleiters Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines Abschnittes eines

gering ist. Hohlleiters 15, dessen Innenfläche einen Radiusa auf-

Die in Fig. 2 veranschaulichte transversale magnetische 55 weist und der mit einer Auskleidung aus dielektrischem TM₁₁-WeIIe besitzt ein durch gestrichelte Linien ange- Material versehen ist. Im Hohlleiter 15 sind also zwei im deutetes magnetisches Feld, welches vollständig in quer wesentlichen zylindrische Bereiche 16, 17 vorhanden, zur Längsachse des Hohlleiters verlaufenden Ebenen die unterschiedliche Dielektrizitätskonstante aufweisen, liegt. Das durch ausgezogene Linien gekennzeichnete Der Bereich 16 bildet eine ringförmige Auskleidung mit elektrische Feld besitzt an der oberen und an der unteren 60 einem Innenradius b und einem Außenradius a, der somit Innenseite desHohlleiters in der Längsrichtungverlauf ende an der Innenwand des Hohlleiters 15 anliegt. Der BeKomponenten. Somit besitzt die TM-^-Wellenform im reich 17 hat die Form eines homogenen Zylinders, welcher Gegensatz zu der oben erläuterten TE₀₁-Wellenform eine den von der Auskleidung 16 frei gelassenen Bereich des nennenswerte elektrische Feldstärke an der Innenseite Hohlleiters 15 ausfüllt. Die Dielektrizitätskonstante des des Hohlleiters. Die Bedeutung dieses Unterschiedes der 65 Materials der Auskleidung 16 ist größer als diejenige des Feldstärke an der Innenseite des Hohlleiters soll weiter Zylinders 17. In den meisten Fällen und auch bei der unten näher erläutert werden. bevorzugten Ausführungsform nach vorliegender Er-

Fig. 3 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung findung, enthält der Zylinder 17 nur Luft,
ein Hohlleiterübertragungssystem mit einer Mikrowellen- · Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß die quelle 10, welche einen Mikrawellenverbraucher 11 über 70 elektrische Feldstärke an der Innenwand eines Hohl-

leiters, der die TE₀₁-Wellenform führt, von der Feldstärke bei der TM_1:L-Wellenform abweicht und daß die Fortpflanzung einer solchen Welle verlangsamt wird durch die Einfügung eines Elementes, dessen Dielektrizitätskonstante größer ist als diejenige des normalen Fortpflanzungsmediums, in das elektrische Feld einer sich fortpflanzenden elektromagnetischen Welle, ist es verständlich, daß die dielektrische Auskleidung 16 auf die TM^-Wellen einen anderen Einfluß ausübt als auf die TE₀₁-Wellen. Da die TM_1]t-Wellenform eine relativ hohe elektrische Feldstärke an der Innenwand des Hohlleiters aufweist, so wird durch die dielektrische Auskleidung 16 eine Verlangsamung der Fortpflanzung bewirkt. Die TE₀₁-Wellenform hat an der Wand eine verhältnismäßig niedrige elektrische Feldstärke; ihre Fortpflanzungsgeschwindigkeit wird daher nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Mit einer solchen wellenformselektiven Beeinflussung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit wird die Gleichheit der Phasenkonstanten und damit der unerwünschte hohe Verlust vermieden, der mit der Umwandlung zwischen der TE₀₁- und der TM_n-Wellenform verbunden ist.

Nach der Theorie der elektromagnetischen Wellenfortpflanzung gehören zu einer gegebenen Hohlleiterform verschiedene »normale« Wellenformen. Es handelt sich dabei um diejenigen Wellenformen oder Kombinationen von Wellenformen, welche besonders leicht in dem Hohlleiter geführt werden. Vor einer Untersuchung des Einflusses einer Krümmung an einem dielektrisch ausgekleideten Hohlleiter erscheint es daher zweckdienlich, die normalen Wellenformen zu untersuchen, welche in einem geraden, dielektrisch ausgekleideten Hohlleiter bestehen.

Um diese normalen Wellenformen zu finden, müssen

Maxwellsche Gleichungen in Zylinder-Koordinaten in dem mit Luft gefüllten Bereich 17 und dem mit Dielektrikum

ίο gefüllten Bereich 16 nach der Fig. 4 gelöst werden. Die Grenzbedingungen sind folgende:

1. gleiche Tangentialkomponenten der elektrischen und magnetischen Feldstärke an der Grenzfläche zwischen den Bereichen 16 und 17 (Radius V) ;

2. bei Annahme unendlich großer Leitfähigkeit der Wände Tangentialkomponente Null der elektrischen Feldstärke an der Innenwand des Hohlleiters (Radius a).

Aus der Einführung dieser Grenzbedingungen in die allgemeinen Lösungen ergibt sich für die Amplitudenfaktoren ein homogenes System von vier linearen Gleichungen. Nicht triviale Lösungen dieses Systems machen es erforderlich, daß die Koeffizientendeterminante Null wird. Diese Bedingung nennt man die charakteristische Gleichung, deren Lösungen die Fortpflanzungskonstanten ■ der verschiedenen Wellenformen darstellen. Die charakteristische Gleichung hat die folgende Form:

]■

ε W_n(X₂₁QX₂)

— εχΐ [X₁ J_n(QX₁) . Qx\

V_n (X₂,

ρχ\ Z_n(X₂, ρX₂)

= 0.
(1)

Hierbei gelten die folgenden Definitionen:
U_n (x, Q x) = Jn (q x) N_n (x) — N_n (ρ χ) J_n (χ), V_n (χ, QX)=QX* U'n (Q χ) K (χ) - N₁₁ (ρ χ) J_n (ζ)]", (2)
W_n (χ, ρ χ) = ρ χ Un (x) K (ρ χ) — f_n (ρ χ) N_n (*)] ,
Z_n (χ, QX)^xUn (X) N_n (ρ X) — J_n (ρ χ) N_n (X)] .

frischen Auskleidung (a — b) mit Bezug auf den Radius d des Hohlleiters finden. Somit ist <5 definiert als

«5 =

40 Die Störung der Fortpflanzungskonstanten für die verschiedenen normalen Wellenformen ist:

J_n und N_n sind Zylinderfunktionen der ersten bzw. zweiten Art, und der Strich gibt die Differentiation mit Bezug auf den Winkel an,

ρ = —, das Verhältnis der inneren Radien der Auskleidung und des Hohlleiters

Δγ

δ-1

δ,

Δγ

ε —1

bei η φ Ο.

X₂=C₂ α. (3)

ε ist die relative Dielektrizitätskonstante des Bereichs 16, C₁ und ζ₂ sind Konstanten der Radialfortpflanzung, welche mit der axialen Fortpflanzungskonstanten γ und

der Fortpflanzungskonstanten k — —5— in

folgender Beziehung stehen:

60

(4)

Δγ ε — ί $„

<5³.

In diesen Gleichungen ist j>_nm die m-te Wurzel von

Darüber hinaus ist

η bezeichnet die Umfangsordnung der Lösung.

worin

2πα Pnm

Wellenformen in einem Hohlleiter mit einem sehr

dünnen dielektrischen Überzug können als gestörte Diese Gleichungen zeigen, daß die Änderung der Fort-

TE_mm-oder TM,j_OT-Wellenformen des idealen unbelasteten pflanzungskonstanten in einem dielektrisch ausgeklei-

runden Hohlleiters behandelt werden. Die Störungs- deten runden Hohlleiter von erster Ordnung bezüglich

glieder kann man durch Erweiterung von (1) für kleine δ für die ΤΜ_κηι- und TE^-Wellen bei ηφΟ, aber von

Werte der Größe <5, d. h. der relativen Dicke der dielek- 70 dritter Ordnung bezüglich δ für TE₀TO-Wellen ist.

7 8

Nach Untersuchung des relativen Einflusses einer dielek- unendliche Reihe von Gleichungen auf die bekannten irischen Auskleidung in einem geraden runden Hohlleiter Gleichungen einer gekoppelten Leitung zurückgeführt,
auf die verschiedenen sich fortpflanzenden Wellenformen ^g

soll nunmehr das Problem der gekrümmten Hohlleiter- + ViE₁ — j c E% = 0,

abschnitte behandelt werden. Die Wellenfortpflanzung in 5

gekrümmten Abschnitten eines nicht belasteten oder (9)

nicht dielektrisch ausgekleideten runden Hohlleiters kann

an Hand der normalen Wellenformen des geraden Hohl- 2 _j_ β · _cg _ q

leiters erläutert werden. Die Krümmung verursacht eine &z

Kopplung zwischen den normalen Wellenformen. Tat- 10 worin

sächlich findet eine Kopplung zwischen der TE₀₁-Wellen- E_XÄ (z) = Wellenamplituden in Wellenform 1 (hier stets form und der TM_U-Wellenform sowie den TE_1K-Wellen- TE₀₁) bzw. Wellenform 2 (TM₁₁ oder eine der TE₁₇₈),

formen statt mit der Folge, daß die Wellenfortpflanzungen y₁₎₂ = Fortpflanzungskonstante der Wellenformen 1 im gekrümmten Abschnitt nach einer unendlichen Reihe bzw. 2,

von linearen Differentialgleichungen vor sich geht. Eine 15 c = Kopplungskoeffizient zwischen den Wellenformen 1 angängige angenäherte Behandlung besteht darin, daß und 2.

man die Kopplung zwischen der TE₀₁-Wellenform und Bei Erfüllung der Anfangsbedingungen

nur einer der gleichzeitig auftretenden Nebenwellen-

formen betrachtet. Im übrigen brauchen nur die Vor- * ( ' ⁼ ' ^a '> ⁼

wärtswellen berücksichtigt zu werden, da die relative 20 , , ,, ,. c . ,. . , , , _T..

_T . , ,. j tr -_i 11 · α· τ>·. ι »_i und der Bedingung -τ— <ς 1. die vereinfachte Losung

Leistung, die von den VorwartsweUen in die Rückwärts- ^{ö ö} zl y ' ^&

wellen gekoppelt wird, ganz gering ist. Somit wird die der Gleichungen (9), wird:

Γ / c

exp _ _yi_ —

(10)
sm nyp -^Δγζ exp | —-^ (γ_χ + γ₂) ζ\.

In den in Betracht gezogenen Fällen ist die Differenz Demgemäß ist in λ · α ο , α

der Phasenkonstanten auf Grund der Krümmung viel \ ar\ \ λ '

größer als die Differenz bezüglich der Dämpfungskon- I ^P I ^ | ^aI >

stanten. und deshalb vereinfachen sich die Gleichungen (10) zu

(11)
1

-? -ö- (Pi + Pa) 2 — -0 («i + <h,

Die Amplitude E₁ ändert sich, abgesehen von der Ein- 45 pegel ist im Vergleich zu dem Εχ-Leistungspegel
wirkung einer Dämpfung nach Art einer Schwingung;

der Maximalwert ist E₁ = I, und der Minimalwert ist ε 2 c

E =1-2— 201Og₁₀-J^-= 20 log₁₀^-. (14)

Bis zu diesem Punkt ist die Wellenlösung in gekrümm-

Demgemäß ergibt sich der maximale, durch Wellen- ten, nicht belasteten Hohlleitern entsprechend den formumwandlung bedingte Verlust aus normalen Wellenformen der unbelasteten geraden Hohl

leiter ausgedrückt worden. Es wurde festgestellt, daß

E₁ c² 55 die TE₀₁-WeIIe eine Kopplung mit den TM₁₁- und den

20 log₁₀ — ™Z = 17,35 -j-ög-. (12) TE₁ „-Wellen eingeht. In analoger Weise kann dieLösung

i-min P in gekrümmten Abschnitten des dielektrisch ausgeklei

deten Hohlleiters in den gleichen Ausdrucken erläutert

Die Dämpfungskonstante von E₁ wird durch das Vor- werden wie die normalen Wellenformen des geraden handensein der gekoppelten Welle geändert. Die Ände- 60 dielektrisch ausgekleideten Hohlleiters. In einem Hohlrung beträgt im Vergleich zu der ungekoppelten Dämp- leiter mit dünner dielektrischer Auskleidung können die fungskonstanten normalen Schwingungsformen als gestörte normale

Schwingungsformen des glatten Hohlleiters angesehen

Δ a_e __ c² / a₂ \ werden. Demgemäß kann man die Krümmungslösung

_Οχ ~~ ^«2 Π||~ ~ ¹J · '^1<j) 65 des glatten Hohlleiters als erste Annäherung für die

Krümmungslösung des Hohlleiters mit dielektrischer Auskleidung nehmen. Bei dieser ersten Annäherung

Die Amplitude E_% ändert sich sinusförmig. Bei den koppelt die TE₀₁-WeIIe des dielektrisch ausgekleideten Ausführungsformen nach der Erfindung handelt es sich Hohlleiters mit den TM₁₁- und TE_1?j-Wellen des dielekdabei um eine unerwünschte Wellenform. Der Leistungs- 70 trisch ausgekleideten Hohlleiters. Die Kopplungskoeffi-

9 10

zienten sind die gleichen wie für die Krümmungslösung des glatten Hohlleiters, nämlich (Gleichung 15)
TE₀₁ ^= TM₁₁: c = 0,18454 2±-,

TF ^-TF -r Γ 0,09319 08«)»-0,84204 _nnfffl01/_ft . J 1
TE₀₁^=TE₁₁: c = 1- 0,09319 |/ß,i«Pii«\^5~>

L |φοι«ρ\ι^Λ J ^K

TE₀₁ =-TE₁₂:c = Γ"""·:;; ^}Γ ' + 0,15575

TE₀₁ =^ TE₁₃ : ο = Ι—'";^)²-⁰'⁶⁰²¹⁶ ₊ 0,01376

L yßoi*ßl3*

Bei Benutzung dieser Kopplungskoeffizienten können Speziell in dielektrisch ausgekleideten Hohlleiterknien die Gleichungen der gekoppelten Leitung angewendet ist die durch den dielektrischen Einsatz verursachte werden, um den TE₀₁-Ubertragungsverlust durch ge- 20 Erhöhung der TE₀₁-Dämpfung gewöhnlich klein, im Verkrümmte Abschnitte des dielektrisch ausgekleideten gleich zu der Dämpfung infolge des durch Nebenwellen-

TT i_n -λ. i_ t_ -τ. j tr u-ij. · ^c -τ. formen verursachten Verlustes; demgemäß wird der

Hohlleiters zu berechnen. Da das Verhältnis —:— gewohn- „,„ , ,, , , , "Ve f_XT ,, r

Δ γ ^b Weüenformumwandlungsverlust der TE₀₁-Wellenform

lieh klein gegen Eins ist, ist der Wellenformumwandlungs- zum begrenzenden Faktor für die Knieform von ge-

verlust in dem dielektrisch ausgekleideten Hohlleiter 25 krümmten Abschnitten. Wie bereits angegeben wurde,

durch (12) gegeben; die Zunahme der TE₀₁-Dämpfung beruht dieser Verlust vornehmlich auf der Umwandlung

ergibt sich aus (13), und der Pegel der Nebenwellenform zu den TE₁₁-, TE₁₂- und TM₁₁-Wellenformen. Wenn die

ergibt sich aus (14). Phasendifferenz zwischen TE₀₁ und TM₁₁ durch Verstär-

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht und einen kung des dielektrischen Überzugs 19 vergrößert wird, so

teilweisen Schnitt einer Ausführungsform der Erfindung. 30 wird auch die Phasendifferenz zwischen TE₀₁ und TE₁₁

Dort ist ein Hohkohrleitungskrümmer oder Knie 18 ge- größer; aber gleichzeitig wird die Phasendifferenz zwischen

zeigt, welcher sich zur Fortleitung der TE₀₁-Wellenform TE₀₁ und TE₁₂ kleiner. Eine optimale Form erreicht man

eignet. Innerhalb des runden Querschnittes des Knies 18 mit einer dielektrischen Auskleidung, für welche die

und koaxial dazu sind dielektrische Bereiche 19 und 20 Beziehung gilt

vorgesehen. Der Bereich 19 besteht aus einer ring- 35 I Aß\ IAß\

förmigen Auskleidung aus einem Material, dessen Dielek- _ I—— J TM₁₁ = I—— J TE₁₂ . (16)

trizitätskonstante sehr viel größer ist als Eins. Die Aus- \ ^c- 1 \ ° 1
kleidung 19 liegt mit ihrer äußeren Oberfläche an der

inneren Oberfläche des Knies 18 an und ist an ihren Wenn diese Bedingung erfüllt ist, so sind die Umwand-Enden zwecks Impedanzanpassung mit sich erweiternden 40 lungsverluste zu TM₁₁ und TE₁₂ gleich, während der UmTeilen 21 ausgestattet. Bei der dargestellten prinzipiellen Wandlungsverlust zu TE₁₁ gering ist.
Ausführungsform nach der Erfindung besteht die Aus- Um Werte zu finden, welche der Gleichung (16) entkleidung 19 aus einem dielektrischen Band. Der Be- sprechen, wird man die Gleichung (1) allgemein zu lösen reich 20 füllt den Teil des Kniequerschnittes aus, welcher haben, da die für die Gleichung (16) benötigte TM_n-Phavon der Auskleidung 19 frei gelassen wird. Der Bereich 20 45 sendifferenz zu groß ist, um im Wege der ersten Näherung besitzt kreisförmig zylindrischen Querschnitt und besteht genau berechnet zu werden. Beispielsweise beträgt bei aus einem Stoff, dessen Dielektrizitätskonstante wesent- einem Rohr von 5,08 cm Durchmesser, einer Wellenlich !deiner ist als diejenige der Auskleidung 19. Die länge λ = 5,4 mm und einer Dielektrizitätskonstanten Dielektrizitätskonstante des Bereichs 20 liegt Vorzugs- für die Auskleidung 19 von 2,5 die optimale Stärke der weise bei Eins; bei der bevorzugten Ausführungsform ist 50 Auskleidung gemäß Gleichung (16) 0,325 mm.
der Bereich 20 mit Luft ausgefüllt. Anstatt jedoch für jeden Fall die Gleichung (1) zu

Bei diesem Krümmer handelt es sich um einen absieht- lösen, kann eine Annäherung an die optimale Stärke gelich gekrümmten Hohlleiterteil der eingangs als »Knie« maß Gleichung (16) durchgeführt werden. Eine Phasenbezeichneten Art mit einem verhältnismäßig kleinen störung kann von den Gleichungen (5), (6) und (7) abge-Krümmungsradius. Die bereits erwähnte vorbekannte 55 leitet werden, indem man ein Dielektrikum geringer VerAnwendung von dielektrischen Ausldeidungen bei Hohl- lustwirkung betrachtet, welches eine Dielektrizitätskonleitern mit kreisförmigem Querschnitt zur Fortleitung der stante ε aufweist. Daraus ergeben sich Phasenkonstanten-TE₀₁-Wellenform war auf weiche Bögen beschränkt. störungen für die verschiedenen Wellenformkomponenten Diese Bögen beruhten beispielsweise auf elastischer De- der normalen Wellenform wie folgt:
formation der Hohlrohrleitung selbst. Bei solchen 60

weichen Bögen hat es sich gezeigt, daß die Verluste in der j« ε —1
TE₀₁-Wellenform von der Dämpfung der Normalwellen- TM_K)
form des schwach gekrümmten Hohlleiters abhängen.
Diese normale Wellenform hat sich als die TE₀₁-Wellenform ergeben. Das Problem der Erzeugung von Neben- 65 TE» _t
wellenformen war bei Bögen von verhältnismäßig untergeordneter Bedeutung. In Hohlleiterknien jedoch über- ^_{61 n} φ ο.
wiegt die Umwandlung in Nebenwellenformen die Wirkungen der NormalweUenformdämpfung; es hegt daher jjr _m
ein anderes Problem als bei Bögen vor. 70

ßnm	ε "'	ε	-1	-δ, (17)
Aß	η*	(1	— Vim)
ßnm	ffiim —^2 ε
Aß	fom ε — ί			009 530/380
ßom	3 1-*L

Aus (17) folgt dann:
Δβ,

ε —Ι ο,, ^ ε —1

O PTM₁₁ ιέ; O PTE₀₁»

— /?τε₁₂) —

ε-1

,-1 1-Ä-(18)
(19)

Durch Zusammenfassung von (16), (18) und (19) ergibt sich · ίο

ε-1

^TE₀I

(20)

Da dopt das Verhältnis der Stärke der Auskleidung zu dem Radius α des Hohlleiters ist, so ergibt sich die optimale Stärke des dielektrischen Überzugs für ein Hohlleiterknie aus

{a — b)_Opt = ad ovt, (21)

wobei öopt durch Gleichung (20) bestimmt ist, ao

Praktisch wird α ö_Opt nach Gleichung (21) für Hohlleiterknie größer sein als α ö_opt für Hohlleiterbögen.

In Verbindung mit der Beschreibung der dielektrisch ausgekleideten, gekrümmten Hohlleiterformen, die sich insbesondere für die Fernübertragung der zirkulären elektrischen Wellenform eignen, ist auch das Problem der Herstellung solcher Hohlleiterformen zu beachten. Es liegen mehrere Herstellungsverfahren nahe, beispielsweise könnte die dielektrische Auskleidung auf der Innenwand des Hohlrohrs aufgesprüht oder aufgestrichen werden. Eine solche Verfahrensart ist jedoch nicht leicht genau zu kontrollieren, und es ist auch schwierig, eine gleichmäßige Dicke der aufgetragenen dielektrischen Schicht aufrechtzuerhalten. Eine andere Verfahrensart könnte darin bestehen, einen hohlen dielektrischen Ring in das Hohlrohr einzusetzen. Die Dicke des Dielektrikums, welche bei den praktischen Anwendungen der Erfindung benötigt wird, ist jedoch im allgemeinen zu gering, um einem solchen Ring die für das Einsetzen erforderliche Steifigkeit zu verleihen.

In Fig. 6 ist eine neue und zweckdienliche Art der Zusammensetzung oder Herstellung eines dielektrisch ausgekleideten Hohlleiters in schematischer Form veranschaulicht.

Durch wendeiförmige Aufwicklung eines dielektrischen Bandes auf einen festen Kern, dessen Außendurchmesser um die doppelte Stärke des dielektrischen Bandes kleiner ist als der Innendurchmesser des nicht ausgekleideten runden Hohlrohrs, die danach folgende Einführung des umwickelten Kerns in das Rohr, wobei der Kern zwecks Verdichtung des Bandes eine Drehbewegung erhält, und schließlich durch Herausdrehen des Kerns in solhcem Sinne, daß das Band sich von dem Kern löst und gegen die Innenfläche des Wellenleiters gedrängt wird, ist eine verhältnismäßig einfache Fertigung eines dielektrisch ausgekleideten Hohlleiters möglich.

Nach Fig. 6 ist das dielektrische Band 28 schraubenförmig im Uhrzeigersinn um den in geeigneter Weise festgehaltenen Kern 29 herumgewickelt. Der umwickelte Kern 29 wird dann in den runden Hohlleiter 30 eingeführt, wobei zwischen dem Kern und dem Rohr eine relative Bewegung entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn stattfindet. Diese Drehbewegung bewirkt eine Verdichtung des Bandes 28 auf dem Kern 29 und ermöglicht dadurch die Einführung des umwickelten Kerns in das Rohr. Wenn der Kern und das Band bis zur gewünschten Tiefe eingeführt sind, so wird die relative Verdrehung zwischen Kern und Rohr umgekehrt, d. h., die relative Drehbewegung erfolgt im Uhrzeigersinn. Auf diese Weise wird das Band von dem Kern leicht gelöst und gleichzeitig an die Innenwand des Rohres 30 fest angedrückt, dadurch wird das Herausziehen des blanken Kerns ermöglicht. Bei Anwendung der erläuterten Technik ist es möglich gewesen, Abschnitte von dielektrisch ausgekleideten Hohlleitern mit einer Länge von 3,05 m herzustellen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hohkohrleitungskriimmer mit kreisförmigem Querschnitt und mit elektrischem Zirkularfeld, der eine dünne koaxiale Auskleidung aus dielektrischem Material enthält, deren äußere Oberfläche an der inneren Oberfläche des Krümmers anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Hohlleiter bei einem Radius des Querschnittes von a (in Zentimetern gemessen) einen Biegeradius von weniger als 950 «² (in Zentimetern gemessen) hat, und daß die in radialer Richtung gemessene Dicke der Auskleidung im wesentlichen gleich

— /?TEi2

ist, wobei ε die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Ausldeidungsmaterials ist, jÖteoi und /5te₁₂ die Phasenkonstanten der TE₀₁- bzw. TE₁₂-Wellenformen sind und CtM₁₁ und CtE₁₂ die Kopplungsfaktoren zwischen der TE₀₁- und der TM₁₁- bzw. TE₁₂-Wellenform in der Krümmung sind.

2. Krümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Auskleidung aus einem schraubenförmig gewickelten Band besteht.

3. Krümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geraden, an den Krümmer anschließenden Hohlleiter ebenfalls dielektrisch ausgekleidet sind.

4. Krümmer nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante des Ausldeidungsmaterials sehr viel größer als Eins ist,

5. Krümmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung aus einem Material mit geringen Verlusten besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 935 677;
»Annalen der Physik«, Bd. 43, 1943, 5. Folge, S. 316.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 009 530/380 6.60