DE1099602B - Reflexionsarmer Rundhohlleiter-Rechteckhohlleiter-UEbergang fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Reflexionsarmer Rundhohlleiter-Rechteckhohlleiter-UEbergang fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen

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DE1099602B
DE1099602B DES63594A DES0063594A DE1099602B DE 1099602 B DE1099602 B DE 1099602B DE S63594 A DES63594 A DE S63594A DE S0063594 A DES0063594 A DE S0063594A DE 1099602 B DE1099602 B DE 1099602B
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DES63594A
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Dr Phil Karl Schnetzler
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/082Transitions between hollow waveguides of different shape, e.g. between a rectangular and a circular waveguide

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  • Waveguide Aerials (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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%).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1.
  2. Breitbandiger, reflexionsarmer Hohlleiterübergang zur Verbindung eines Rundhohlleiters mit einem Rechteekhohlleiter, bestehend aus einem .den Rundhohlleiter fortsetzenden Horn mit vier in das Profil des Rechteckhohlleiters auslaufenden ebenen Flächen mit parabelartiger Begrenzung, dadurch gekennzeichnet, 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. z. Breitbandi.ger, reflexionsarmer Hohlleiterübergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn in seinem Verlauf eine Sprungstelle seines Öffnungswinkels aufweist, deren Abstand von der Übergangsstelle des Rundhohlleiters in .das Horn einerseits und deren öffnungswinkelverhältnis andererseits derart gewählt sind, daß die an der Übergangsstelle des Rundhohlleiters in das Horn sowie die im Bereich der Scheitel der parabelartig begrenzten ebenen Flächen und an der Sprungstelle des Öffnungswinkels auftretenden Reflexionen sich für eine an der unteren Bandgrenze des Übertragungsbereiches liegende Frequenz wenigstens nahezu vollständig kompensieren.
  3. 3. Breitbandiger, reflexionsarmer Hohlleiterübergang nach Anspruch 2 mit einem Verhältnis des Rundho#hlleiterdurchmessers zur Diagonale des Rechteckhohlleiterquerschnitts C1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen mit den Scheiteln ihrer parabelartigen Begrenzungen erst in einem Abstand zwischen 3/1s und 1/4 d hinter der Übergangsstelle :des den Rundhohlleiter fortsetzenden Horns ansetzen (=effektive mittlere Hohlrohrwellenlänge des Hornstücks zwischen dieser Übergangsstelle und den Scheiteln ,der parabelartig begrenzten ebenen Flächen bei der betreffenden Kompensationsfrequenz) und :daß die Sprungstelle des halben Öffnungswinkels des Horns vorzugsweise im gleichen Abstand von dieser Übergangsstelle angeordnet ist.
  4. 4. Breitbandiger, reflexionsarmer Hohlleiterübergang nach Anspruch 1 mit einem Verhältnis des Rundhohlleiterdurchmessers zur Diagonale des Rechteckhohlleiters G 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen mit den Scheiteln ihrer parabelartigen Flächenbegrenzungen in einem Abstand von 3/1.,2 hinter der Übergangsstelle des den Rundhohlleiter fortsetzenden Horns ansetzen (A, = effektive mittlere Hohlrohrwellenlänge des Hornstücks zwischen dieser übergangsstelle und den Scheiteln der parabelartig begrenzten ebenen Flächen bei der betreffenden Kompensationsfrequenz).
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3200356A (en) * 1961-06-30 1965-08-10 Telefunken Patent Flexible corrugated-wall elliptical-cross-section waveguide useful for propagating only one polarization of fundamental mode
DE1200901B (de) * 1962-04-18 1965-09-16 Telefunken Patent Verfahren zur Fertigung der Kernform fuer den Kern eines galvanoplastisch herzustellenden Hohlleiterueberganges
US3336543A (en) * 1965-06-07 1967-08-15 Andrew Corp Elliptical waveguide connector
US3388352A (en) * 1965-02-25 1968-06-11 Telefunken Patent Waveguide
FR2096684A1 (de) * 1970-06-03 1972-02-25 Behe Roger
US4630316A (en) * 1982-12-14 1986-12-16 Vaughan Thomas J Transition between rectangular and relatively large circular waveguide for a UHF broadcast antenna

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