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Einen Abstimmkolben aufweisende Hochfrequenzleitung, insbesondere
Koaxialleitung Die Erfindung bezieht sich auf eine einen abschirmenden Außenmantel
aufweisende Hochfrequenzleitung, insbesondere Koaxialleitung, die mit einem Abstimmkolben
versehen ist und bei der im Spalt zwischen der Kolbenwand und wenigstens einem der
Leiter der Hochfrequenzleitung Längsschlitze zur Unterdrückung von Resonanzen vorgesehen
sind.
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In Anlagen für Mikrowellen, z. B. Dezimeter- und Zentimeterwellen,
werden zur Abstimmung auf bestimmte Frequenzen oder zu Anpassungszwecken Leitungsabschnitte
benötigt, die in ihrer elektrischen Länge veränderbar sind. Die Veränderung der
elektrischen Länge geschieht in der Regel durch Abstimmkolben, die in der Leitung
längsverschiebbar angeordnet sind. Diese Abstimmkolben sind als sogenannte Kontaktkolben
oder auch als kapazitiv wirkende Abstimmkolben, gegebenenfalls auch als Abstimmkolben
mit Resonanzverdrosselungen ausgebildet. Bei der praktischen Anwendung derartiger
Abstimmkolben zeigt sich, daß vor allem bei der Durchstimmung der Gesamtanordnung
in einem größeren Frequenzbereich störende Resonanzen auftreten, die, wie Untersuchungen
gezeigt haben, auf der Anregung störender Wellenformen in, den Spalten zwischen
dem Abstimmkolben und den Leitern des Leitungsabschnittes beruhen. Diese unerwünschten
Resonanzen werden meist in der Weise im Betriebsbereich der Anordnung unterdrückt,
daß eine Längsschlitzung des Abstimmkolbens derart vorgenommen wird, daß Zungen
des Abstimmschiebers, in Längsrichtung desselben betrachtet, entstehen. Die Längsschlitzungen
sind dabei derart über den Umfang des Abstimmkolbens verteilt, daß für die störenden
Resonanzen ausgleichende Reaktanzen eingeschaltet erscheinen. Nachteilig an allen
diesen Lösungen ist jedoch, daß sie nur in einem relativ schmalen Frequenzbereich
hinreichend wirksam sind und somit der Einsatz von Abstimmkolben wesentlich erschwert
wird. Den schädlichen Resonanzen wurde auch in der Weise zu begegnen versucht, daß
die Längsschlitzungen mit verlustbehaftetem Dielektrikum elektrisch belastet wurden.
Derartige Mittel sind indes in vielen Fällen wegen der damit verbundenen Verringerung
der elektrischen Güte des Kurzschlußkolbens unvorteilhaft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, der
es ermöglicht, in einfacher Weise diese Schwierigkeiten zu beheben und bei Abstimmkolben
Nebenresonanzen in einem Frequenzbereich von beispielsweise 1 : 2 wirksam zu unterbinden.
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Diese Aufgabe wird bei einer einen abschirmenden Außenmantel aufweisenden
Hochfrequenzleitung, insbesondere Koaxialleitung, die mit einem Abstimmkolben ;
versehen ist und bei der im Spalt zwischen der Kolbenwand und wenigstens einem der
Leiter der Hochfrequenzleitung Längsschlitze zur Unterdrückung von Resonanzen vorgesehen
sind, gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Längsschlitze jeweils an
beiden Enden metallisch kurzgeschlossen sind. Diese metallische Kurzschließung an
den Enden hat nicht nur den Vorteil einer wesentlichen Erweiterung des Frequenzbereiches,
in dem störende Nebenresonanzen wirksam unterdrückt werden können, sondern gibt
dem Abstimmkolben auch eine wesentlich größere mechanische Festigkeit.
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Es empfiehlt sich, bei einem kontaktlosen Kolben die Längsschlitze
zumindest in dem zwischen dem Außenmantel und der Kolbenwand gelegenen Spalt vorzugsweise
im Kolben vorzusehen'. Weiterhin ist es vorteilhaft, bei einem Resonanzverdrosselungen
aufweisenden Abstimmkolben die Längsschlitzung derart vorzusehen, daß der Kolben
auch an den Ringspalten der Resonanzverdrosselungen in Umfangsrichtung ein zusammenhängendes
Ganzes bildet.
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Als zweckmäßig hat es sich außerdem bei einer Koaxialleitung mit Längsschlitzung
erwiesen, in dem zwischen dem Innenleiter und dem Abstimmkolben gelegenen Spalt
die Längsschlitze zumindest am Innenleiter vorzusehen. Fernerhin ist es vorteilhaft,
die Längsschlitze in ihrer elektrisch wirksamen Tiefe mit dielektrischem Material
zu vergrößern. Das geschieht zweckmäßig durch Ausfüllung der Längsschlitze mit dielektrischem
Material.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt einen kontaktlosen Kurzschlußkolben
1, der in einem aus einem Außenleiter 2 und einem Innenleiter 3 bestehenden Koaxialleitungsabschnitt
angeordnet -ist. Die Fig. 2 gibt einen Längsschnitt durch die Anordnung nach der
Fig.1 längs der Schnittlinie A-B wieder, während die Fig. 3 ein Ersatzscfiältbild
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zeigt, än Hand- dessen die Wirkungsweise der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung
erläutert wird. In dem zwischen dem Außenleiter 2. --und. der benachbarten Wand
des kontaktlosen Abstimxrikölbens 1 gelegenen Ringspalt können parasitäre Res6nanzen=
auf=-treten, ebenso wie indem zwischen der Kolbenwand und dem Innenleiter 3 gelegenen
Ringspalt. Die Frequenzen dieser parasitären Resonanzen sind durch den Außen-bzw.
Innendurchmesser des Abstimmkolbens bestimmt und stören vor allem deshalb, weil
sie Energie verbrauchen und damit, beispielsweise bei Verwendung der Anordnung als
Leitungsresonator, Einbrüche der Kreisgüte verursachen,. Zur Unterdrückung dieser
störenden Resonanzen in einem großen -Frequenzbereich ist der Abstimmkolben mit
Längsschlitzen 4 versehen, von denen beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 acht
-gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.
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Die Kolbenspalte, sowohl der Außen- als auch der Innenspalt, werden
als breite Bandleiter betrachtet. Im Falle eines H",-Feldes breiten sich in dieser
Bandleitung gegenläufige Wellen parallel zum Kolbenumfang aus, hinsichtlich deren
es genügt, nur eine zu betrachten. Für die Bandleitung bei der Anordnung nach den
Fig. 1 und 2 ergibt sich somit ein Ersatzschaltbild, wie es die Fig. 3 zeigt und
das aus einem Bandleiterring besteht, in dem in gleichen Abständen P Serienblindwiderstände
j x
liegen, deren Abstand l ist. Der in gleichen Abständen mit den Blindwiderständen
versehene Bandleiterring läßt sich als eine Aneinanderreihung von gleichen symmetrischen
Teilvierpolen auffassen, deren jeder an beiden Seiten mit seinem Wellenwiderstand
abgeschlossen ist. Hinsichtlich einer wirksamen Unterdrückung der paxasitären Resonanzen
kommt es also wesentlich auf die Bemessung dieser Teilvierpole an. Wird der Wellenwiderstand
des Bandleiterringes mit Z angenommen und beträgt die Phase b zwischen den einzelnen
Serienblindwiderständen b = 27c 1/A, so erhält man das Wellenübertragungsmaß
gT des Teilvierpols zu
Durch Auswertung läßt sich zeigen, daß der TeÜvierpol Durchlaß- und Sperrbereiche
hat, und zwar Sperrbereiche für -oca< RG< -1, 0< RG< +oo, sowie einen
Durchlaßbereich für -1<RG<0.
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Für die Sperrbereiche ergibt sich die Übertragungsdämpfung aT
zu
aT = 2 ar cosh
für - oo < R G < -1 beziehungsweise aT = 2 ar sinh
für 0 < R G < +oo, während das Phasenmaß bT des Teilvierpols im Durchlaßbereich
bT = 2 are sin
für -1 < R G < 0 beträgt. Durch Multiplikation von ap bzw. bT mit der Teilvierpolzahl
P wird die Gesamtdämpfung ages bzw. die Gesamtphase bges über den Kolbenumfang erhalten.
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Der Serienblindwiderstand ix ist beim Erfindungsgegenstand durch Längsschlitze
realisiert, die an den Enden metallisch kurzgeschlossen sind, im Gegensatz au-den
bisher bekannten Ausführungsformen, bei denen der Längsschlitz jeweils an einem
Ende offen ist. Die Breite der durch den Kolbenspalt gebildeten Bandleiter ist
A, während BI die Spaltbreite und h die Spaltlänge bzw. -tiefe ist. Die Herstellung
dieser Längsspalte kann beispielsweise durch Ausfräsen geschehen. Der durch jeweils
einen derartigen Spalt in der Bandringleitung eingeschaltete Serienblindwiderstand
läßt sich physikalisch als Bandleiterabschnitt betrachten. Für die Unterdrückung
der parasitären Resonanzen ist der Eingangswiderstand jedes Längsschlitzes auf der
dem jeweiligen Spalt -zugewendeten Seite maßgebend. Der Wellenwiderstand eines derartigen
Längsschlitzes ergibt sich unter der Voraussetzung A > B1 bei vernachlässigbar geringer
elektrisch wirksamer Dicke jedes der Bandleiter zu
Unter der weiteren Voraussetzung eines über die ganze Schlitztiefe h homogenen TEM-Feldes
ist die Phase b1 des den Schlitz darstellenden kurzgeschlossenen Bandleiters b1
= 2n ll/A und somit der Eingangswiderstand ix, des Längsschlitzes auf der
dem Ringspalt zugewandten Seite jxl = j # Z,- tau b1 . Die den Ringspalt
darstellende unsymmetrische Bandleitung hat die Breite A und den Leiterabstand B,
der bedeutend kleiner als die Breite A ist. Unter der weiteren Voraussetzung vernachlässigbar
geringer elektrisch wirksamer Dicke des Bandleiters ergibt sich somit der Wellenwiderstand
der Bandringleitung zu
Die Länge zwischen der Einschaltung der einzelnen Serienblindwiderstände j x1 ist
L, womit die Phase zwischen den einzelnen Schlitzen b = 27r l/A beträgt.
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Unter Zugrundelegung dieser Ableitung erhält man die Größe R G zu
worin m = Zl/Z - k = bi/b. Empfehlenswerte Dimensionierungen für
k liegen zwischen 0,05 und 1, während m
zwischen 2 und 4 und b im Bereich
zwischen 0 und 180° zu wählen ist. Die Bandringleitung hat im Zusammenwirken, mit
den Längsschlitzen Durchlaß- und Sperrbereiche. Für 0< k< 0,5 liegt im Bereich
Q< b< 180° zunächst ein Durchlaßbereich mit wechselndem Phasenwinkel. Auf
diesen Durchlaßbereich folgt ein Sperrbereich, d. h., der Teilvierpol hat zunächst
einen tiefpaßähnlichen Charakter. Für 0,5< k< 1 folgt auf den Durchlaßbereich
ein. Sperrbereich mit Dämpfungspol und darauf wieder ein Durchlaßbereich. Für 180'<
b < 00 wechseln Durchlaß- und Sperrbereiche miteinander ab.
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Für die beim Erfindungsgegenstand angestrebte Wirkung ist der bei
b = 0 beginnende erste Durchlaßbereich geeignet, in manchen Fällen jedoch auch der
erste Sperrbereich.
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Im ersten Durchlaßbereich erhält man über dem Umfang des Kolbens eine
vergrößerte Phase. Solange b
nicht im Sperrbereich liegt, verlagern.
sich die parasitären Resonanzen nach tieferen Frequenzen. Für geringe Werte von
b wächst bT ungefähr proportional mit b.
Man kann also b und k so wählen,
daß der Frequenzbereich des Kolbens zwischen der 1111-Resonanz (bges = 27c)
und der HZ-Resonanz (b«" = 4:z) des Kolbenspaltes liegt und nur wenig kleiner
als relativ 2 : 1 ist. Je größer der Faktor m gewählt wird, um so kleiner ist der
Frequenzabstand zwischen der H,1- und der Hei Resonanz. Im Interesse großer Breitbandigkeit
wählt man also möglichst ein kleines »m«, ein kleines »k« und ein
kleines »b«, mit anderen Worten also ein großes »p«. Unter Umständen müßten bei
kleinem »m« die Schlitze tiefer, als konstruktiv zunächst möglich, gemacht werden,
um die gewünschte Phase zu erreichen. In diesem Fall kann man ein größeres »m« mit
weniger tiefen Schlitzen wählen und/oder die Schlitze mit dielektrischem Material
ausfüllen und so in ihrer elektrischen Länge vergrößern.
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Der erste Sperrbereich erlaubt für k = 1 und m = 2
einen
ausnutzbaren Frequenzbereich von relativ 2: 1, für k =1 und m = 3 einen ausnutzbaren
Frequenzbereich von ungefähr 2,35: 1 sowie für k = 1 und m = 4 von sogar
2,7: 1. In der Bandmitte wäre dann b = 90°. Auch hier kann die Schlitztiefe
durch Einlegung von Dielektrikum verringert werden.
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In den Fig. 4, 5, 6 und 7 sind zwei Kolben mit Resonanzdrosseln dargestellt,
bei denen ebenfalls die Längsschlitzung nach der Lehre der Erfindung angewendet
ist. Die Fig. 5 stellt hierbei einen Längsschnitt des in der Fig. 4 in Teilansicht
wiedergegebenen Kolbens dar. Das gleiche gilt für die Fig. 7 hinsichtlich der Fig.
6. Der Längsschlitz 4 ist in diesem Fall derart angebracht, daß auf der dem Ringspalt
5 der Resonanzverdrosselung zugewandten Seite in Umfangsrichtung des Kolbens ein
zusammenhängendes Ganzes gegeben ist. Die Spaltlänge reicht beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 4 und 5 etwa bis zur senkrechten Kolbenwand, während beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 6 bzw. 7 auch ein Teil der Stirnwand des Kolbens in die Längsschlitzung
mit einbezogen ist. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird noch der weitere Vorteil
erreicht, daß außer der besonderen Dimensionierung die mechanische Festigkeit des
Kolbens erheblich gesteigert ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 8, von
dem in der Fig. 9 ein Längsschnitt und in der Fig. 10 ein Ersatzschaltbild wiedergegeben
ist, wird als Abstimmkolben ein zu einem Ring gebogener Rechteckhohlleiter verwendet.
In diesem Fall ist bei der Dimensionierung des lediglich einmal vorgesehenen Längsschlitzes
- der jedoch auch mehrfach vorgesehen werden kann - zu beachten, daß die durch den
Längsschlitz gebildete Hohlleitung mit dem Wellenwiderstand ZZ und der elektrischen
Länge 1, an ihrem dem Kolbenspalt abgewandten Ende nicht kurzgeschlossen,
sondern mit einer besonderen Abschlußimpedanz versehen ist. Die hierzu folgenden
Erläuterungen sind sinngemäß auch für sogenannte Z-Kolben, wie einer in der Fig.
11 gezeigt ist, als auch für U-Kolben, wie sie die Fig. 4 bis 7 zeigen, analog anwendbar-
Der beim Ausführungsbeispiel der Fig. 8 bis 10 vorhandene Hohlleiterring werde durch
eine HIO- Welle im Längsschlitz mit Energie gespeist. Die Verzweigung zu der Ringleitung
und dem Schlitz ist entsprechend der Verteilung des elektrischen Feldes eine Serienverzweigung.
Der Wellenwiderstand Z3 der Ringleitung ist in diesem Fall
und die Fortpflanzungskonstante
der mittlere Umfang
Somit ergibt sich der Abschlußwiderstand R, des Längsschlitzes, vom Kolbenspalt
aus betrachtet, zu
Für eine im Spalt des Z-Kolbens umlaufende Welle ist der Eingangswiderstand des
Schlitzes mit dem Wellenwiderstand ZZ und der Tiefe 1Z
darin ist Z3>Z2, weil B3> B2. Für den Fall y3 = a3 = reell ist coth y3
1, also
Für den Fall y3 = j ß3 und
gilt dies ebenfalls.
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Bei gebräuchlichen Kolbenmaßen ist eine der beiden Möglichkeiten vorhanden,
und man erhält für den Abschlußwiderstand R2 die Gleichung
R2 ist sowohl. Ober- als auch unterhalb der Grenzwellenlänge des Schlitzes A.9 =
2 A imaginär. Die Dämpfung bzw. Phase des Teilvierpols ergibt sich wie folgt: Nach
Einführung von
erhält man
Darin ist bg die Phase zwischen den Schlitzen für x = A 9 = 2 A. x2 ergibt
sich somit zu
Analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 erhält man
Neu tritt der Parameter b9 auf, durch welchen das Verhältnis Schlitzabstand zu Schlitzlänge
gegeben ist:
Der praktisch interessierende Bereich ist 0< b<1800 mit
k = 0,05; 0,1; 0,2.
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bg = 300, 60°, 900 ... 360°,
Zu der Wirkungsweise und der Dimensionierung der Schlitze in diesem Zusammenhang
ist folgendes zu erwähnen: Mit wachsendem b wechseln. wie bei Schlitzen nach den
Fig. 1 und 2 Durchlaßbereiche mit Sperrbereichen, dagegen beginnen fast alle Kurven
mit einem Sperrbereich. Dies war zu erwarten, da ja x2 für b<gb negatives Vorzeichen
hat (Hochpaß). Ist b = bg, tritt ein Dämpfungspol auf. Bei weiter wachsendem b folgt
schließlich der erste Durchlaßbereich.
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Je größer der Parameter k ist, desto tiefer liegen die Dämpfungen.
Ist k = 0,2 und bg>270°, verschwindet der erste Sperrbereich sogar.
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Die Schlitzung nach- den Fig. 4 bis 11 gestattet, Kolben mit sehr
großen Bereichen ohne jede Spaltresonanz zu bauen. Sie hat deshalb größere Bedeutung
als die Schlitzung nach den Fig. 1 und 2.
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Der Frequenzbereich des Kolbens soll innerhalb des Sperrbereiches
eines Teilvierpols liegen. Es ist zweckmäßig, den Kolben nicht bis in den Durchlaßbereich
eines Teilvierpols zu betreiben, da sich dessen Phase im Durchlaßbereich rasch ändert
und deshalb Spaltresonanzen kaum vermeidbar sind. Aus mechanischen Gründen ist es
vorteilhaft, mit möglichst wenig Schlitzen auszukommen. Der Parameter bg gibt das
Verhältnis von Schlitzabstand l zu Schlitzlänge A an. Man muß also
bg groß machen und k so klein, daß der Arbeitsbereich des Kolbens noch innerhalb
des Sperrbereiches eines Teilvierpols liegt.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde durchwegs der Fall
behandelt, daß an dem zwischen dem Außenmantel und dem Kolben gelegenen Spalt parasitäre
Resonanzen auftreten. Ebensolche Resonanzen können jedoch auch an dem zwischen dem
Innenleiter und der Kolbenwand gelegenen Spalt störend in Erscheinung treten. In
diesem Fall kann grundsätzlich die gleiche Schlitzung am Kolben angewendet werden
wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 11. Zweckmäßig ist es jedoch,
die Längsschlitzung in diesem Fall am Innenleiter vorzusehen. Es kann dies so ausgeführt
werden, wie es in der Fig. 12 gezeigt ist. Der Spalt 4 erstreckt sich in diesem
Fall über einen so weiten Bereich des Innenleiters, daß bei jeder Stellung des Abstimmkolbens
der Spalt noch mit Sicherheit die Länge des Abstimmkolbens umfaßt. Es werden so
eindeutige Verhältnisse geschaffen. Die Längsschlitzung des Innenleiters kann, über
den Umfang desselben betrachtet, einfach oder mehrfach sein. Hinsichtlich der Dimensionierung
der Längsschlitze gelten die vorausgehenden Ausführungen analog. Die Scblitzung
des Innenleiters ist auch dann. anwendbar, wenn der Innenleiter rohrförmig ist.
In diesem Fall ist zu berücksichtigen, daß dann die Abschlußimpedanz des einzelnen
Schlitzes durch den Hohlraum im Rohrinneren gegeben ist und unter Berücksichtigung
desselben die Wellenwiderstände und elektrischen Längen der Gesamtanordnung gewählt
werden müssen.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen handelt es sich durchweg
um kontaktlose Kolben, die entweder nach dem Prinzip eines kapazitiven Abstimmkolbens
oder nach dem Prinzip eines Resonanzverdrosselungskolbens arbeiten. In gleicher
Weise ist die Lehre nach der Erfindung auch dann anwendbar, wenn störende Resonanzen
bei einem Kurzschlußkolben auftreten, der nach dem Prinzip eines Kontaktkolbens
arbeitet.