DE1151573B - Hohlleiterwinkelstueck - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21a* 73

INTERNATIONALE KL.

HOIp; H03h

ANMELDETAG: 30. MÄRZ 1962

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 18. JULI 1963

Die Erfindung betrifft ein Hohlleiterwinkelstück, durch das in rechteckigen Hohlleitern fortgeleitete H₁₀-Wellen eine richtungsändernde Führung erfahren. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Hohlleiterwinkelstücke für Hohlleiterwellen so kurzer Wellenlänge, daß die Länge der Breitseite des sie fortleitenden Hohlleiters ein Vielfaches der Wellenlänge beträgt.

Zur Lösung der vorliegenden Aufgabe ist es bereits bekannt, eine als Reflektor wirkende, metallische Platte solcher Abmessungen derart in der Außenecke des Winkelstückes anzuordnen, daß sie zu den beiden Hohlleitern einen gleichen Neigungswinkel aufweist und die Außenecke des Winkelstückes von der Außenwand des einen bis zur Außenwand des anderen Hohlleiters abgeschrägt wird.

Da sich bekanntlich die H₁₀-Wellen in den rechteckigen Hohlleitern nicht genau parallel zu deren Achsen fortpflanzen, sondern darin in einem kleinen Neigungswinkel zur Hohlleiterachse zwischen dessen schmalen Wänden hin- und herreflektiert werden, treten bei einer derartigen Anordnung Ungenauigkeiten bei der Reflexion auf. Ein Teil der Wellen wird nämlich unter Umkehrung der Fortpflanzungsrichtung zurückgeworfen und ein anderer Teil der Wellen erfährt durch die Reflexion eine Winkeländerung der Fortpflanzungsrichtung zur Hohlleiterachse und infolgedessen eine Laufzeitverschiebung zu den normal reflektierten Wellen.

Zur Beseitigung dieser Mängel sind bei Winkelstücken der einleitend genannten Ausführung erfindungsgemäß an den mit dem Winkelstück verbundenen Hohlleiterenden Fenster aus dielektrischem Material vorgesehen, deren Dicke und Dielektrizitätskonstante so gewählt sind, daß sie für auf sie senkrecht auftreffende Wellen durchlässig sind und daß auf sie schräger als im Glanzwinkel einfallenden Wellen zum Teil reflektiert und zum Teil absorbiert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen an Hand der Zeichnungen näher erläuterrt werden:

Fig. 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße 90° Hohlleiterwinkelstück mit rechtwinkligem Querschnitt;

Fig. 2 bezieht sich auf eine Abbildung, an Hand derer die Wahl der Parameter der bei der Erfindung verwendeten dielektrischen Fenster erläutert werden sollen; in

Fig. 3 ist ein erfindungsgemäß entworfenes magisches T im Prinzip dargestellt;

Fig. 4 betrifft eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäß konstruierten Kanalweiche.

Hohlleiterwinkelstück

Anmelder: International Standard Electric Corporation,

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

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt, Stuttgart W, Rotebühlstr. 70

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 30. März 1961 (Nr. 11 765)

Leonard Lewin und Charles Cecil Eaglesfield,

London,
sind als Erfinder genannt worden

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt eines Hohlleiterwinkelstückes gemäß der Erfindung. Die Anordnung besteht aus einem ersten Hohlleiter 1 und einem zweiten Hohlleiter 2 von jeweils rechtwinkligem Querschnitt. Beide Hohlleiter stehen zueinander senkrecht. Diese Hohlleiter sind mittels eines Verbindungsstückes 3 miteinander verbunden. Das Verbindungsstück enthält eine reflektierende Fläche 4, die zu den beiden Hohlleiterachsen jeweils um 45° geneigt ist, so daß eine durch einen der beiden Hohlleiter eintreffende Welle auf die reflektierende Fläche im Winkel von 45° auftrifft und in Richtung des anderen Hohlleiters reflektiert wird. Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt.

Erfindungsgemäß sind nun noch die beiden Fenster 5 und 6 aus dielektrischem Material vorgesehen und jeweils an den dem Verbindungsstück 3 zugekehrten Hohlleiterenden angeordnet. Beide Fenster sind —■ wie später näher erläutert werden soll — derart ausgebildet, daß Wellen von der Betriebswellsenlänge, die senkrecht auf sie einfallen, sie ungestört durchdringen, während auf sie im Glanzwinkel auftreffende Wellen reflektiert werden.

Die Wirkungsweise der Anordnung soll nun unter der Annahme, daß die Energie über den Hohlleiter 1 eingespeist wird und sich in die durch den Pfeil 7 bezeichnete Richtung als H₁₀-WeIIe fortpflanzt, deren elektrisches Feld in der Papierebene liegt, näher erläutert werden. An der Verbindung des Hohlleiters 1 mit dem Verbindungsstück 3, d. h. also bei

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3 4

dem Fenster 5 besteht innerhalb des Hohlleiters 1 reflektiert und gelangt bei T durch das Fenster 6 auf bekanntlich eine Feldverteilung, wie sie durch eine die Wand 15 des Hohlleiters 2 auf den Punkt U, von ebene Welle, die sich mit Lichtgeschwindigkeit aus- wo aus sie als Welle 11' in Richtung W weiterläuft, breitet, hervorgerufen wird. Demnach breiten sich Zur winkelgerechten Überleitung dieser Welle sind die die Wellen nicht in der Richtung 7 aus, sondern 5 beiden Fenster 5 und 6 nicht erforderlich, pflanzen sich in einem Winkel Θ zu den Hohlleiter- In der Fig. 1 ist der Verlauf von nur vier Wellenwänden im Hohlleiter 1, resultierend aus den wieder- zügen im einzelnen dargestellt. Jedoch ist es offensichtholten Reflexionen an den beiden Hohlleiterwänden 12 lieh, daß für alle anderen Wellenzüge die gleichen und 13, zickzackförmig fort. Der Wert Θ ist durch Betrachtungen angestellt werden können und nur durch den Ausdruck to das Vorhandensein der dielektrischen Fenster 5 und 6

. · X eine winkelgerechte Umleitung der Wellen vom HoM-

sin Θ = — i_ej_ter ι _auf (j_en Hohlleiter 2 möglich ist.

Die richtungsbestimmenden Eigenschaften der Fen-

gegeben, wobei λ die Wellenlänge im freien Raum ster 5 und 6 sollen im folgenden an Hand der Fig. 2 bei der Betriebsfrequenz darstellt und α gleich der 15 erläutert werden. Darin stellt der mit 20 bezeichnete Breite des Hohlleiters ist. Block einen Querschnitt durch ein Fenster dar, das

In der Fig. 1 sind ferner mit 8 und 9 die daraus aus dielektrischem Material der Dicke t und mit einer resultierenden Fortpflanzungsrichtungen zweier von Dielektrizitätskonstanten ε besteht. Mit 21 ist eine im der Hohlleiterwand 12 kommenden Wellenfronten Punkt 22 auftreffende und in Richtung 23 reflektierte bezeichnet. In gleicher Weise stellen 10 und 11 zwei 20 ebene Welle bezeichnet. Der Einfallswinkel und der von der Hohlleiterwand 13 kommenden Wellen- Ausfallswinkel dieser Welle sind Θ. Ein Teil der im fronten dar. Zwecks einer übersichtlicheren Dar- Punkt 22 auftreffenden Energie wird in die Richtung 23 stellung weisen diese Wellenfronten jeweils einen reflektiert. Der restliche Teil der im Punkt 22 auftref-Winkel Θ von etwa 30° zu den Hohlleiterwänden auf. fenden Energie dringt in das Fenster 20 gemäß den auf. Da jedoch in der Praxis die Hohlleiterbreite a 25 gültigen Reflexionsgesetzen ein. etwa fünf Wellenlängen oder mehr beträgt, was ins- Unter der Annahme, daß das Medium, in denen

besondere für Hohlleiter, in denen verschiedene sich die Fenster 20 befinden, Luft ist und daß die Be-Schwingungsmoden möglich sind, beispielsweise für triebsfrequenz im freien Raum λ ist, kann gezeigt Hohlleiter zur Fortleitung von Millimeterwellen, werden, daß der Reflexionskoeffizient r am Punkt 22 zutrifft, beträgt der Winkel Θ im allgemeinen nur 30 folgender Gleichung genügt: 10° oder weniger. Infolgedessen treffen die Wellenfronten 8, 9, 10 und 11 annähernd senkrecht auf j , j T (sin 0) das Fenster 5 auf und durchdringen dieses ohne 1 + r E nennenswerte Beeinflussung. I — r ~ JTE '

Im folgenden wird nun jeder einzelne Wellen- 35 1 + ~·"Γλ

zug 8, 9, 10 und 11 verfolgt. Die Welle 8 durchdringt
das Fenster 5 bei A ohne jede Richtungsänderung darin bedeutet und wird bei B gemäß dem bekannten Reflexionsgesetz (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) auf die fc = -γ-,

Hohlleiterwand 14 auf den Punkt D reflektiert, 40 ^λ

wobei das Fenster 6 bei C ohne Richtungsänderung E—yE — cos⁸ Θ ,

durchdrungen wird. Die Wellenfront der Richtung 8 T = tgüctE).

folgt somit dem Weg A, B, C, D, E, dem sie auch ohne

Vorhandensein der Fenster 5 und 6 folgen würde. Soll das Fenster durchlässig sein, so muß r = 0

Die parallel zu 8 verlaufende Welle 9 durchdringt 45 sein, d. h. es muß T = tgro sein. Nimmt man an, daß das Fenster 5 bei Fund wird an dem Fenster 6 an dem diese Bedingung für die Betriebswellenlänge λ für die Punkt G auf die reflektierende Fläche 4 auf den i_m wesentlichen unter einem rechten Winkel eintref-Punkt K geworfen und wird von dort, das Fenster 6 fende Energie erfüllt ist, dann ist cos Θ annähernd 0, bei C durchdringend, in den Hohlleiter 2 in Richtung!, _und man erhält reflektiert. Wenn das Fenster 6 nicht vorhanden wäre, 50 _ , _p

würde sie auf die Wand 14 des Hohlleiters 2 auf den π— KtL·,

Punkte gelangen und von dort in die Richtung/ _π _ 2πί\ί-^--

reflektiert und würde somit im Hohlleiter 2 eine Rich- V h '

tung, die zur Hohlleiterwand einen Winkel von 90° — Θ ₍ _. ^o

bildet, einnehmen. Infolge der Reflexion am dielektri- 55 2]/V

sehen Fenster 6 bei G bleibt jedoch ihr ursprünglicher _und für diese Werte von Θ und λ gilt dann Neigungswinkel Θ zur Hohlleiterwand auch im Hohl- . ,

leiter2 erhalten. ,.. . kTE ^ ⁷^-⁰A \ - ^ - (2)

Die aus dem Hohlleiter 1 als 10 bezeichnete Welle λ |/ ε

durchdringt das Fenster 5 bei M und wird am Punkt N 60 Mithin ergibt sich k TE — π, wenn

der Fläche 4 auf dem Punkt P des Fensters 5 reflektiert .

und gelangt von dort dprch das Fenster 6 bei R in den λ— λ~\/1 ~ —^L^

Hohlleiter 2, wo sie als Welle 10' in Richtung S weiter- ° |/ ε '

läuft. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, würde diese _so daß bei einem großen ε das dielektrische Fenster

Welle bei Fehlen des Fensters 5 sogar wieder in den 65 _{für al}i_e unmittelbar. benachbarten Frequenzen der

Hohlleiter 1 auf den- Ptinkt Q zurückgeworfen werden. Betriebsfrequenz für einen von Θ = 0 verschiedenen

Die dazu parallel laufende Welle 11 durchdringt das Winkel durchlässig erscheint. Dies ist ein für Breit-

Fenster 5 bei F und wjrd an der Fläche 4 im Punkt B bandanordnungen unerwünschtes Frequenzverhalten

und gilt außerdem nur für große Werte für ε. Die durch das dielektrische Fenster hervorgerufene Reflexion von senkrecht einfallenden Wellen, deren Frequenz um den Betrag d/ von der Betriebsfrequenz abweicht, kann durch die Formel

π d/

- τ

(ε - 1)

(3)

beschrieben werden. Dabei ist es wiederum offensichtlich, daß für ein sinnvoll breites Frequenzband ε nicht groß sein soll. Um daher eine gute Reflexion für den kritischen Einfallswinkel (Glanzwinkel) zu erhalten, muß verständlicherweise eine Eigenschaft der Gleichung (1) verwendet werden, nämlich daß ε nicht groß sein muß.

Aus der Gleichung (1) geht hervor, daß bei einem Θ = 0 der Nenner der rechten Seite unendlich groß und r = — 1 wird. Es ist daher die Größe des Aus-

TE
druckes -■·—«- maßgebend. Unter der Annahme, daß

dieser Ausdruck groß ist, nimmt r etwa folgenden Wert an:

0 = 0° bei der Betriebsfrequenz unendlich groß. Bei einer Abweichung um d/ von der Betriebsfrequenz wird

dabei ist der Phasenfehler an dem Bandende gegeben durch den Ausdruck

λ
Ya

3-

1 - 2 sin² Θ /2 sin
T~cös²<9 ■"

(ε - 1)]/ε "cos* Θ ■

Γ(ε

cos*

(4)

Wenn Θ hinreichend klein ist, kann sin Θ = -=---■

2a

zugrunde gelegt werden. Dieser Wert in die Gleichung (4) eingesetzt ergibt dann

(ε- Ι) 4α² +

2] λ

(5)

Infolgedessen weicht r von der Minuseinheit etwa um die Summe

² (M

ρ 1

ab und schließt eine Phasenänderung von etwa

2WA

Es ist erforderlich, daß beide Werte unter Verwendung eines kleinen Wertes für ε klein sind. Daraus folgt, daß 2 α i> λ und T s> 1 sind. Die erste dieser beiden Bedingungen kann dadurch erfüllt werden, daß der Hohlleiter groß genug ausgebildet wird, während die zweite Bedingung dadurch erfüllt wird, daß der Winkel von T bei Θ = 0° -|- beträgt, d. h.

gleich der Hälfte des Winkels von T bei Θ = 90° ist. Auf diese Weise wird die für senkrecht einfallende, wellendurchlässige dielektrische Schicht für Wellen, die unter einem bestimmten Winkel (Glanzwinkel) einfallen, undurchlässig, wenn

oder ε

fs-
γ ist.

cos^W = 2/ε-

Dieser Wert für ε kann durch ein geeignetes Schaumverfahren mit Polystyrol erzielt werden. T wird für Beispielsweise für eine Bandbreite von 20%, d. h. also --—■ = 0,1, muß das dielektrische Fenster aus einem

Material bestehen, dessen Dielektrizitätskonstante

4
ε = γ ist. Gemäß Gleichung (3) beträgt dann die Reflexion für senkrecht auf das' Fenster fallende Wellen 0,045, was einer Rückflußdämpfung von 26 db für die Hauptwelle entspricht. Wenn beispielsweise die Hohlleiterbreitseite für die Betriebswellenlänge fünf Wellenlängen lang ist, ergibt sich aus Gleichung (5) ein Reflexionskoeffizient von 94% mit einer Phasenänderung von 3° für die äußerste Grenze des zu übertragenden Frequenzbandes.

Wenn die Verminderung der Reflexion am Fenster von senkrecht einfallenden Wellen wichtiger ist als die genaue Festlegung eines bestimmten Glanzwinkels, dann muß ein kleinerer Wert für ε verwendet werden.

Die Wirkung dieser Verminderung von ε kann an Hand der Gleichung (3) errechnet werden, beispielsweise wird durch eine Verminderung des Wertes von

4
ε -=- auf 1 auch eine Verminderung der Reflexion für

senkrecht auf das dielektrische Fenster einfallende Wellen um etwa weitere 10 db an dem Bandende zur Folge haben, während die Phase der unter dem Glanzwinkel einfallenden Wellen um 20° geändert wird und die Amplitude bei einer derartigen Reflexion um etwa 0,8 verkleinert wird.

Fig. 3 zeigt nun die Anwendung dieser Erkenntnisse auf die Konstruktion eines magischen Hohlleiter-T. Die Anordnung besteht aus den vier Hohlleiterarmen mit jeweils rechtwinkligem Querschnitt 24, 25, 26 und 27. Alle vier Hohlleiterarme enden in einen gemeinsamen Kopplungsraum 28. Die Arme 24 und 26 und die Arme 25 und 27 hegen jeweils in einer Ebene und zueinander senkrecht. In dem Kopplungsraum 29 ist ein halbversilberter Spiegel vorgesehen, der diagonal angeordnet ist und somit mit jedem der Arme einen Winkel von 45° bildet. Anordnungen dieser Art sind bereits bekannt, sodaß sich die Beschreibung ihrer- Wirkungsweise erübrigt. Lediglich der Hinweis erscheint erforderlich, daß ein Teil der in einen Arm, beispielsweise in den Arm 24, eingespeisten Energie den halbversilberten Spiegel 29 durchdringt und in den gegenüberliegenden Arm, im vorliegenden Falle in den Arm 26, eindringt, während der übrige Teil der Energie durch den Spiegel reflektiert wird und in den Arm 25 umgelenkt wird. Wie bereits an Hand der Fig. 1 erläutert, befinden sich an dem dem Kopplungsraum 29 zugewandten Ende der Arme dielektrische Fenster 30, 31, 32 und 33. Die Dicke der Fenster und ihre Durchlässigkeit wird gemäß den oben beschriebenen Bedingungen so gewählt, daß sie für die auf sie senkrecht auftreffende Energie durchlässig sind und die auf sie in einem bestimmten Winkel auftreffende Energie reflektieren.

An Hand der Fig. 4 wird gezeigt, wie der Erfindungsgedanke für die Konstruktion einer Kanalweiche verwendet werden kann. Die Anordnung besteht aus einem alle Kanäle enthaltenden Eingangshohlleiter 35, einem Ausgangshohlleiter 36 und dem die abzuzweigenden Kanäle aufnehmenden Arm 37. Dabei stehen die Arme 35 und 36 zueinander senkrecht. Beide Arme führen zu einem gemeinsamen Kopplungsraum 38. Der Hohlleiter 37 für den abzuzweigenden Kanal ist an diesem Kopplungsraum mittels eines dielektrischen Filters 39 in der Weise angekoppelt, daß nur der abzuzweigende Kanal in den Hohlleiter 37 gelangt und alle anderen Kanäle vom Hohlleiter 35 in den Hohlleiter 36 reflektiert werden. Das Filter 39 besteht aus drei zu den Hohlleitern 35 und 36 im Winkel von 45° geneigten dielektrischen Fenstern. Die Parallelverschiebung des Hohlleiterarmes 37 gegenüber dem Hohlleiterann 35 berücksichtigt die durch den Filter 39 entstehende Doppelbrechung des abzuzweigenden Kanals. Die einlagigen dielektrischen Fenster 40 und 41 schließen die beiden Hohlleiter 35 und 36 in Richtung zum Kopplungsraum 38 ab. Die Dicke dieser Fenster und ihr Material sind derart beschaffen, daß sie für senkrecht auf sie auftreffende Wellen der jeweiligen Frequenzbänder durchlässig sind, jedoch die unter einem bestimmten Winkel auf sie eintreffende Energie reflektieren. Der Zweck dieser beiden Fenster 40 und 41 ist es, die Wirksamkeit der Umleitung für alle Frequenzen vom Hohlleiter 35 in den Hohlleiter 36 weiterzuleitenden Frequenzen in der oben beschriebenen Weise zu erhöhen und sie vom Abzweigkanal 37 fernzuhalten. Im Prinzip entspricht die dabei vorliegende Wirkungsweise der an Hand der Fig. 1 bereits erläuterten.

Es ist offensichtlich, daß weitere Kanäle in derselben Weise über gleichartige, an den Hohlleiter 36 angeschlossene Schaltungen abgezweigt werden können. Ohne weiteres verständlich ist ferner, daß die in der Fig. 4 gezeigte Anordnung auch zur Kanaleinspeisung in einen mehrere Kanäle fortleitenden Hohlleiter verwendet werden kann.

In dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist jedes Fenster als Scheibe aus dielektrischem Material von geeigneter Dicke und Durchlässigkeit ausgebildet. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf eine bestimmte Form dieser Fenster, jede passende. Form für die Fenster kann verwendet werden, soweit mit ihr die Erfordernisse hinsichtlich vollständiger Durchlässigkeit für senkrecht auf sie auffallende Wellen und die Reflexion für die auf sie schräger als im Glanzwinkel einfallenden Wellen erfüllt werden können. Beispielsweise kann das Fenster auch aus dielektrischem Material mit nichtebener Oberfläche bestehen, oder es kann dafür ein Material verwendet werden, das sowohl dielektrische als auch magnetische Eigenschaften aufweist.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Hohlleiterwinkelstück zur richtungsändernden Führung von in Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt, deren Länge der Breitseite ein Vielfaches der Betriebswellenlänge beträgt, geleiteten H₁₀-Wellen, bei dem zur Umlenkung der Hohlleiterwellen eine in der Außenecke des Hohlleiterwinkelstückes angeordnete und zu den beiden Hohlleitern jeweils im gleichen Winkel geneigte, reflektierende Metallplatte (Spiegel) vorgesehen istj dadurch gekennzeichnet, daß an den mit dem Winkelstück verbundenen Hohlleiterenden Fenster aus dielektrischem Material vorgesehen sind, deren Dicke und Dielektrizitätskonstante so gewählt sind, daß sie für auf sie senkrecht auftreffende Wellen durchlässig sind und daß die auf sie schräger als im Glanzwinkel einfallenden Wellen zum Teil reflektiert und zum Teil absorbiert werden.

2. Hohlleiterwinkelstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dielektrischen Fenster gleich —-?=- ist, wobei /I₀ die mittlere

2|/ e

Wellenlänge der zu übertragenden Wellen ist und ε die Dielektrizitätskonstante des für die Fenster verwendeten dielektrischen Materials bedeutet.

3. Hohlleiterwinkelstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante des für die Fenster verwendeten Dielektrikums nicht größer als 1,33 ist.

4. Hohlleiterwinkelstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem gemeinsamen Kopplungsraum 28, in dem sich eine halb durchlässige, halb reflektierende Platte (29) diagonal erstreckt, verbundenen Hohlleiter (24, 25, 26, 27) eines magischen T an ihren dem Kopplungsraum zugekehrten Enden mit dielektrischen Fenstern (30, 31, 32, 33) versehen sind.

5. Hohlleiterwinkelstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stammhohlleiter (35 und 36) einer unter Verwendung eines dielektrischen Filters aufgebauten Kanalweiche dielektrische Fenster (40 und 41) an ihren, dem Kopplungsraum (38) zugewandten Enden aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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