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Reflexionsarmer Rundhohlleiter-Rechteckhohlleiter-Ubergang für sehr
kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung bezieht sich auf einen breithandi:gen,
reflexionsarmen Hohlleiterübergang zur Verbindung eines Rundhohlleiters mit einem
Rechteckhohlleiter.
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Hohlleiterübergänge dieser Art bestehen oft aus einem den Rundhohlleiter
fortsetzenden Horn mit vier in das Profil des Rechteckhohlleiters auslaufenden ebenen
Flächen mit parabelartiger Begrenzung. Die Länge eines solchen Überganges kann mit
Rücksicht auf die räumlichen Abmessungen nicht beliebig groß gewählt wenden, so
daß sich Reflexionen an .den übergangsstellen nicht vermeiden lassen. Diese Reflexionen
wirken sich insbesondere dann störend aus, wenn in der Rundhoh lleiter-Rechteckhohlleiter-Anordnung
nur die Grundwelle (Hlo bzw. H11) ausbreitungsfähig sein soll. Unter dieser Vorraussetzung
kann nämlich der Rundhohlleiter nur in einem kleinen Frequenzbereich zur Übertragung
elektromagnetischer Energie ausgenutzt werden, weil einerseits seine relative Bandbreite,
gegeben durch die Grenzfrequenz für die Hl,- und E,1-Wellenform, nur etwa 30 A/o
beträgt und man andererseits mit Rücksicht auf die in der Nähe der unteren Grenzfrequenz
ansteigenden Reflexionen einen entsprechenden Abstand der unteren Frequenzgrenze
des zu übertragenden Nutzbandes von dieser Grenzfrequenz einzuhalten gezwungen ist.
Die Anwendung üblicher Kompensationsmittel, wie Schrauben oder Blenden, bringt keine
grundlegende Verbesserung dieser Verhältnisse. Für Reflexionsfaktoren G 1 0/0 lassen
sich daher bei solchen Run:dhohlleiter-Rechteckhohlleiter-Anordnungen, bei denen
ledi:gLich die Grundwelle ausbreitungsfähig sein soll, nur relative Bandbreiten
von maximal 10 % erzielen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlleiterübergang
der einleitend beschriebenen Art hinsichtlich seiner elektrischen Übertragungseigenschaften
wesentlich zu verbessern Für einen Rundhohlleiter-Rechteckhohlleiter-Übergang, bestehend
aus einem (den Rundhohlleiter fortsetzenden Horn mit vier in das Profil :des Rechteckhohlleiters
auslaufenden ebenen Flächen mit parabelartiger Begrenzung, wird erfindungsgemäß
diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens zwei einander gegenüberliegende ebene
Flächen mit den Scheiteln ihrer parabelartigen Flächenbegrenzungen derart gegenüber
der Übergangsstelle vom Rundhohlleiter in das Horn versetzt sind, @daß sich :die
Reflexionen dieser Übergangsstelle und die im Bereich der Scheitel der parabelartig
begrenzten ebenen Flächen auftretenden Reflexionen für eine an der unteren Bandgrenze
des Übertragungsbereiches liegende Frequenz. weitgehend gegenseitig kompensieren.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ursachen der
Reflexionen der bekannten Anordnungen im wesentlichen in den unmittelbaren Übergangszonen
:des Rundhohlleiters in das Horn einerseits und des Horns @in den Rechteckhohlleiter
andererseits zu suchen sind. Die Übergangszone a der in Fig. 1 perspektivisch dargestellten
Ausführungsform eines bekannten Hohlleiterüberganges mit einem Rundhohlleiter 1,
einem Horn 2 mit ebenen Flächen 3 und einem Rechteckhohlleiter 4 läßt sich hinsichtlich
der hier auftretenden Reflexionen leicht breitbandig kompensieren. Das Horn hat
in der Übergangszone ca den Charakter eines Pyramidenhornes, bei dem der Einfluß
der elektrischen Ebene kurz E-Ebene genannt, stark überwiegt, das sich also weitgehend
wie ein E-Sektorhorn verhält. Bekanntlich läßt sich ein solches Horn, z. B. durch
eine induktive Blende an der Knickstelle 5, breitbandig kompensieren. Auch ist es
leicht möglich, die Abmessungen des Rechteckhohlleiters so zu wählen, daß das Frequenzband
der zu übertragenden elektromagnetischen Energie hinsichtlich der ausnutzbaren relativen
Bandbreite des Rechteckhohlleiters-nur Grundwelle ausbreitungsfähigmit seiner unteren
Bandgrenze weit genug von :der Grenzfrequenz der Grundwelle .des Rechteckhohlleiters
abliegt, weil dessen relative, ausnutzbare Bandbreite im Gegensatz zum Rundhohlleiter
wesentlich größer ist (etwa 100%).
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Anders verhält es sich mit :den Reflexionen in der Übergangszone b,
da man hier mit der unteren Bandgrenze des Übertragungsbereichs nahe an die Grenzfrequenz
der Grundwelle des Rundhohlleiters herankommt, was, wie bereits erwähnt, einen schnellen,
d. h. stark frequenzabhängigen Anstieg der Reflexionen im unteren Bereich des Frequenzbandes
reit sich bringt. Hier versagen die üblichen Kompensationselemente über ein breites
Band, :da ihre weit
geringere Frequenzabhängigkeit zur - Kompensation
nicht ausreicht.
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Wie der Erfindung zugrunde liegende theoretische Untersuchungen gezeigt
haben, läßt sich der Reflexionsfaktor der Übergangszone b, vom Rundhohlleiter aus
gesehen, aus drei Anteilen zusammensetzen. Der erste Anteil oo ist durch die Knickstelle
6 gegeben, die den Übergang des Rundhoh:lloiters in das Horn mit dem halben Öffnungswinkel
eo nach Fig. 1 bildet (0o für ein sich erweiterndes Horn positiv gerechnet). Außerdem
beginnen an der Knickstelle 6 die ebenen Flächen 3 mit den Scheiteln ihrer parabelartigen
Begrenzungen, die einen Anteil 2H des Reflexionsfaktors für :die Knickung in der
magnetischen Ebene, kurz H-Ebene genannt, und einen Anteil pE des Reflexionsfaktors
für die Knickung in der E-Ebene bedingen. Wie die Fig. 2 und 3 der perspektivischen
Darstellungen der Schnittc des Hohlleiterüberganges nach Fig. 1 in der H- bzw. E-Ebene
zeigen, tritt jeweils zwischen dem Mantel des Horns 2 und den ebenen Flächen 3 ein
Winkel OH bzw. 0E auf, der für die Anteile 9H bzw. oE des Reflexionsfaktors in der
entsprechenden Ebene maßgebend ist.
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Für die drei Anteile to, OH, oE des Reflexionsfaktors der Übergangszone
b lassen sich für kleine Winkel 06, OH und OF die folgenden Näherungsausdrücke
ableiten to =.9 - 0,1136 ((flfc)2-11-12 @1,195-L(flfC)2 - 1]100, I
,OH = - (1 + j) ' 01132 [(///c)2 -11 '/s . OH '/2 , II oE= (1-h.9)
-0,0668[(f/fc)2-1l- 'I4[0,5+ (flfC)2-110E III Hierin bedeutet f/fc das Verhältnis
der Frequenz f
der Hohlleiterwelle zur Grenzfrequenz fc des Rundhohlleiters
für die Grundwelle. Die Formeln I, il und III sind in ihrem Frequenzgang nicht identisch,
aber bei niedrigen Frequenzen :doch recht ähnlich. Durch räumliche Trennung,der
Knickstelle 6 von den Ansatzstellen wenigstens zweier einander gegenüberliegender
ebener Flächen läßt sich daher bei einer Frequenz eine weitgehende gegenseitige
Kompensation der einzelnen Anteile to, pH und pE ermöglichen. Ist der halbe Öffnungswinkel
eo positiv und z. B. 1 pE 1 > [ oH 1 - was im allgemeinen immer zutrifft -, so lassen
sich beispielsweise po und oE+pH der Phase nach kompensieren, wenn die vier ebenen
Flächen mit den Scheiteln ihrer parabelartigen Begrenzungen erst in einem Abstand
3/16.1. hinter der Knickstelle 6 des in das Horn übergehenden Rundhohlleiters ansetzen.
Unter :t ist hierbei die effektive mittlere Hohlrohrwellenlänge eben dieses Hornstücks
von der Länge 3/167'.? bei der gewählten Frequenz zu verstehen. Für sehr hohe Anforderungen
an die Kompensation müssen im allgemeinen auch die absoluten Beträge gleichgemacht
werden, was z. B. bei 1 oo 1 %" 1 oE+ptt 1 so geschehen kann, daß
das Horn 2 mit einem kleineren halben Öffnungswinkel 061 ansetzt und an :den Ansatzstellen
der ebenen Flächen mit den Scheiteln ihrer parabelart'gen Begrenzungen auf einen
größeren halben Öffnungswinkel 0o2 umknickt. In diesem Fall muß der Abstand der
ebenen Flächen mit .den Scheiteln ihrer parabelartigen Begrenzungen von der Knickstelle
6 zwischen 3/16 A, und 1/4 A, liegen. Die Frequenz, bei der sich die Anteile oo,
oE und pl, gegenseitig kompensieren sollen, wird in Nähe der unteren Grenze des
zu übertragenden Frequenzbandes gelegt, da ja, wie bereits eingehend dargetan, die
Reflexionen in diesem Bereich schnell anwachsen. Messungen an einem nach der Lehne
der Erfindung ausgebildeten Ausführungsbeispiel eines Rundhohlleiter-Rechteckhohlleiter-Übergangs
haben gezeigt, daß sich :bei vorgegebenem maximal zulässigem Reflexionsfaktor von
1% ein Gewinn an Bandbreite gegen die tieferen Frequenzen zu von rund 50°/o erzielen
läßt.
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Der Erfindungsgegenstand ist selbstverständlich nicht auf Hohlleiterübergänge
mit positivem halbem Öffnungswinkel O, des Horns beschränkt, d. h. einem Verhältnis
des Rundhohlleiterdurchmessers zur Diagonale des Rechteekhohlleiters < 1. Für
einen Hohlleiterübergang beispielsweise, bei dem ,dieses Verhältnis > 1 06 also
negativ ist, läßt sich, wie die Formeln I bis III zeigen, eine Phasenkompensation
der einzelnen Anteile p6, oll und pE ,des Reflexionsfaktors der Übergangszone b
erzielen, wenn die ebenen Flächen mit den Scheiteln ihrer parabelartigen Begrenzungen
- vom Rundhohlleiter aus gesehen - in einem Abstand 1/1o 2 vor der Übergangsstelle
des Rundhohlleiter in das Horn ansetzen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Hohlleiterübergangs kann ferner
:da in vorteilhafter Weise zur Anwendung gelangen, wo auf die Anregbarkeit der Hohlleiteranordnung
in einer (der höheren Wellenformen, z. B. der Eoi Wellenform, keine Rücksicht genommen
wenden braucht. Auch ist es unter Umständen vorteilhaft, lediglich die senkrecht
zur E-Ebene angeordneten ebenen Flächen mit :den Scheiteln ihrer parabelartigen
Begrenzungen gegenüber der Übergangsstelle des Rundhohlleiters in das Horn von versetzen.
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An Hand zweier Ausführungsbeispiele für einen Rundhohlleiter-Rechteckhohlleiterübergang
mit einem Verhältnis :des Rundhohlleiterdurchmessers zur Diagonale des Rechteckhohlleiters
< 1 soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.
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Die Fig.4 zeigt in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen
Rundhohlleiter-Rechteckhohlleiter-Übergang, bei dem der Rundhohlleiter 1 bekannterweise
in das Horn 2 mit halbem Öffnungswinkel O0 übergeht,, dessen ebenen Flächen 3 mit
parabelartiger Begrenzung in das Profil des Rechteckhohlleiters 4 auslaufen. Die
Länge L des Horns 1 liegt in der Größenordnung einer mittleren Hohlleiterbetriebswellenlänge.
Im Gegensatz zum Hohlleiterübergang nach Fig. 1 setzen .die ebenen Flächen 3 mit
.den Scheiteln ihrer parabelförmigen Begrenzungen nicht an der Übergangsstelle 6
des Rundhohlleiters 1 in das Horn 2 :an, sondern sind gegenüber dieser Übergangsstelle
6 um den Abstand A versetzt. Wie bereits erläutert, beträgt dieser Abstand A=3/16
der effektiven mittleren Hohlrohrwellenlänge des betreffenden Hornstückes bei der
Frequenz, bei der sich die Anteile o., 9H und oE des Reflexionsfaktors in der Übergangszone
b gegenseitig der Phase nach kompensieren. Durch geschickte Wahl der Abmessungen
-des Hohlleiterübergangs läßt es sich erreichen, daß diese phasenmäßige Kompensation
auch eine weitgehende gegenseitige Kompensation der Beträge der einzelnen Anteile
po, 2,1 und 9_p mit sich bringt.
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Eine exakte Kompensation sowohl nach Phase als auch nach Betrag läßt
sich, für den Fall 1,0" 1 > 1 2,Y+-2E 1 und 1 pE 1 > 1 9H 1, wie bereits
erwähnt; erreichen, wenn zusätzlich zur Versetzung der ebenen Flächen mit den Scheiteln
ihrer parabelartigen Begrenzung gegenüber der Übergangsstelle 6 das Horn 2 eine
Zusätzliche Reflexionsstelle dn Form einer Sprungstelle 7 seines halben Öffnungswinkels
00 aufweist.
Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Hohlleiterübergangs
ist in Fig.5 dargestellt. Das Horn 2 beginnt hierbei an der Übergangsstelle 6 zunächst
mit einem kleineren halben Öffnungswinkel 001
und geht dann in Höhe der Scheitel
der parabelartigen Begrenzungen der ebenen Flächen 3 in den größeren halben Öffnungswinkel
0o2 über. Das Verhältnis des die Sprungstelle 7 bewirkenden halben Öffnungswinkels
19.Z zu 001 ist so gewählt, daß der Betrag des Reflexionsanteils goi an der Übergangsstelle
6 durch die Beträge des Reflexionsanteile go2der Sprungstelle 7 und OK + oE aufgehoben
wird. Für die Anwendung der Formeln I bis III auf die Sprungstelle 7 bedeutet fc
die Grenzfrequenz der Hii Welle im Rundhohlleiter mit ,dem an der Sprungstelle 7
vorliegenden Ouerschnitt. Außerdem ist in Formel I der halbe Öffnungswinkel O, durch
0.2-19o1 zu ersetzen.
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Mit Rücksicht auf die phasenmäßige Kompensation muß, wie das bereits
erläutert wurde, in diesem Fall der Abstand A etwas größer 3/l0 Z gewählt werden.