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Mikrowellen-Impedanztransformator Die Erfindung bezieht sich auf einen
Mikrowellen-Impedanztransformator für Einrichtungen der Hochfrequenztechnik, bestehend
aus einem Hohlleiterabschnitt, in dem sich wenigstens eine von einem äußeren Magnetsystem
ortsabhängig steuerbare Impedanz, vorzugsweise ein kapazitiv wirkendes Element befindet,
wobei die Impedanz wenigstens teilweise aus ferromagnetischem Material besteht.
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Zur Impedanztransformation im Gebiet der Mikrowellen werden Hohlleiter
benutzt, in denen sich Impedanzen, beispielsweise Stifte, örtlich verändern lassen.
Eine der bekanntesten Anordnungen zur Impedanztransformation besteht aus einem Hohlleiterstück,
an dessen Breitseite eine Einstellvorrichtung in der Art eines Schlittens angebracht
ist. Dieser Schlitten läßt sich durch einen Schraubentrieb
| -in--bängsrichtung: des Hohlleiters bewegen. Der |
| Hohlleiter besitzt auf der Mitte dieser Breitseite |
einen Längsschlitz, durch den ein Metallstift in den Innenraum des Hohlleiters eintaucht.
Dieser Stift ist auf einem Teil seiner Länge mit einem Gewinde versehen, mit dem
er in den Schlitten eingeschraubt ist, und wird durch die erwähnte Einstellvorrichtung
geführt. Die Eintauchtiefe des Stiftes bestimmt die Größe der Impedanz, da der Stift
an der Stelle maximaler Feldstärke im Hohlleiter eintaucht. Durch die Einstellvorrichtung
läßt sich der Ort der in den Hohlleiter eingebrachten Impedanz verändern. Der Umstand,
daß zwei Parameter für ein nicht zu großes Stehwellenverhältnis nahezu voneinander
unabhängig sind, macht diese Methode brauchbar für Impedanztransformationen verschiedener
Art. Die geschilderte Anordnung ist unter dem Namen »Sliding-screw tuner« bekanntgeworden.
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Jedoch haften dieser Anordnung erhebliche Nachteile an, insbesondere
wenn im Hohlleiter merkliche Energien übertragen werden. Durch den erwähnten Schlitz,
der für die Anordnung unbedingt notwendig ist, kann Wellenenergie austreten, die
wegen der großen Feldstärke am Ort des Schlitzes in der Mitte des Hohlleiters erheblich
sein kann. Der Schlitz muß, um Strahlungsverluste und zusätzliche ungewollte Reflexionen
zu vermeiden, relativ schmal bemessen werden, wodurch auch der Stiftdurchmesser
begrenzt wird. Um eine große Parallelkapazität zu erzeugen, muß der Stift ziemlich
tief in den Hohlleiter eintauchen. Bei Annäherung an die Viertelwellenlänge steigen
die Verluste im Stift selbst und die durch den Stift aus dem Schlitz ausgekoppelte
Energie rapide an und erreichen für den Verwendungszweck der Anordnung unzulässige
Werte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile bekannter
Anordnungen zur Impedanztransformation im Mikrowellenbereich weitgehend zu vermeiden.
Ausgehend von einer Transformationseinrichtung für die Anwendung im Mikrowellengebiet,
bestehend aus einem Hohlleiterabschnitt, in dem sich wenigstens eine von einem äußeren
Magnetsystem ortsabhängig steuerbare Impedanz, vorzugsweise ein kapazitiv wirkendes
Element befindet, wobei die Impedanz wenigstens teilweise aus ferromagnetischem
Material besteht, wird die Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß
die Impedanz ein aus ferromagnetischem Material bestehender Rollkörper, vorzugsweise
eine Stahlkugel ist und daß das Magnetsystem Teil einer außen am Hohlleiter angeordneten
Einstellvorrichtung ist und dessen Polschuhe unmittelbar an der Hohlleiterwandung
anliegen und derart bemessen sind, daß sich der magnetische Fluß möglichst vollständig
über den Rollkörper schließt.
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Vorteilhafterweise wird die Anordnung auf Hohlleiter rechteckförmigen
Querschnitts angewendet. Zur Verbesserung der Wirkungsweise ist es zweckmäßig, die
Einstellvorrichtung auf der untenliegenden Breitseite des Hohlleiters anzuordnen
und sie so auszubilden, daß sie auf der ganzen Ebene dieser Breitseite verschiebbar
ist.
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Mit Vorteil läßt sich die Einrichtung auch bei Hohlleitern kreisförmigen
Querschnitts anwenden, zu welchem Zweck die Einstellvorrichtung mit dem Magneten
am einfachsten aus einem Stück gefertigt ist, das als Ring ausgeführt ist, der außen
am Hohlleiter verdrehbar und längsverschiebbar anliegt und zur Bildung von Magnetpolen
an einer Stelle aufgetrennt ist.
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Es ist zwar ein Verfahren bekanntgeworden, wonach aus dielektrischem
Material bestehende Plättchen, die auf. . einer Seite mit einem ferromagnetischen
Ansatz
versehen sind, auf der Hohlleiterinnenwand mittels eines außen am Hohlleiter angesetzten
Magneten festgehalten und verschoben werden. Diese Plättchen sind zu dem Zweck in
den Hohlleiter eingebracht, um Reflexionsstellen, bedingt durch die unregelmäßige
Form des Hohlleiters, zu kompensieren. Nach dem Auffinden des günstigsten Anbringungsortes
werden die Plättchen auf der Hohlleiterwandung aufgeklebt und das Magnetsystem wieder
entfernt. Abgesehen davon, daß sich dieses Verfahren vom Erfindungsgegenstand hinsichtlich
seiner wesentlichen Merkmale unterscheidet, ist es zur Lösung der ihm zugrunde liegenden
Aufgabenstellung völlig ungeeignet, da die Plättchen, bedingt durch ihre Form, sich
nur ungenau auf der Hohlleiterwandung hin- und herbewegen lassen.
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Gegenüber den üblichen Gleitstift-Transformatoren andererseits besitzt
die erfindungsgemäße Anordnung erhebliche Vorteile. So kann der Längsschlitz an
dem verwendeten Hohlleiterstück entfallen, und somit entfällt auch die durch ihn
bedingte unerwünschte Abstrahlung der Hochfrequenzenergie. Hierdurch ist die Anordnung
im Gegensatz zu dem einleitend erwähnten »Sliding-screw tuner« auch dann ohne Nachteil
verwendbar; wenn durch den Hohlleiter größere Energien geführt werden. Da an dem
verwendeten Hohlleiterstück keinerlei mechanische Veränderungen vorgenommen werden
müssen, kann die gewünschte Transformation mit Hilfe einer geeigneten Einstellvorrichtung
an jedem beliebigen Hohlleiterstück, gleich welcher Länge, eingestellt werden, was
für viele Anwendungszwecke sehr vorteilhaft ist. Bei entsprechender Ausgestaltung
des Schlittens kann die Anordnung selbst für gekrümmte Hohlleiter mit Vorteil verwendet
werden, für solche mit schwacher Krümmung sogar ohne Änderung des Schlittens.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Die F i g. 1 zeigt im Längsschnitt einen Rechteckhohlleiter 1 von
ausreichender Länge, der einen über die ganze Länge verschiebbaren Schlitten 2 trägt,
auf dem ein kräftiger Permanentmagnet 3 befestigt ist. Das Feld des Permanentmagneten
wird über Weicheisenschenkel zu den Polschuhen 4 geleitet, die so geformt sind,
daß sich das magnetische Feld im wesentlichen auf eine in das Feld eingebrachte,
im Hohlleiterinnern befindliche Kugel 5 konzentriert. Diese Kugel ist im einfachsten
Falle eine Stahlkugel, wie sie für Kugellager verwendet wird. Sie ist für gute elektrische
Leitfähigkeit mit einer dünnen Silberschicht überzogen.
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Die F i g. 2 zeigt die Anordnung, gesehen in der Querschnittsebene
des Hohlleiters. Im Hohlleiter 1
ist die Kugel 5 ersichtlich, die von den
Magnetpolen 4 auf der unteren Breitseite des Hohlleiters steuerbar ist. Mit Hilfe
eines Spindeltriebs läßt sich der Magnet 3 über die gesamte Breite des Hohlleiters
bewegen. Der Spindeltrieb, der in der Darstellung im Schnitt gezeichnet ist, besteht
aus der Spindel 9, die an den Stellen 7 und 8 im Schlitten 2 gelagert ist. Der Gewindeteil
6 der Spindel steht in üblicher Weise mit dem Mutterteil 10 im Eingriff, welches
seinerseits am Magneten 3 starr befestigt ist.
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Mit Hilfe dieser Anordnung läßt sich also die Stahlkugel sowohl über
die gesamte Breitseite des Hohlleiters als auch über seine gesamte Länge hin-und
her verschieben. Die Kugel folgt durch die besondere Ausbildung der Magnetpole der
Bewegung des Magneten sehr genau, so daß die Anordnung für Meßzwecke verwendbar
ist.
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In der F i g. 3 ist als Beispiel der Einstellbereich des Anpassungsmaßes
m in Abhängigkeit vom Ort der Kugel auf der Hohlleiterbreitseite für einen Hohlleiter
mit den Innenmaßen 34 x 15 mm, der im Frequenzbereich von etwa 5 bis 8 GHz verwendet
wird, gezeigt. Auf der Ordinate in diesem Diagramm ist das Anpassungsmaß m angetragen
und auf der Abszisse die Mittenabweichung s der Kugel, von der Mitte der Hohlleiterbreite
aus gegen den Rand des Hohlleiters hin gerechnet. Der Durchmesser der Stahlkugel
erscheint im Diagramm als Parameter. Aus der Darstellung geht hervor, daß der Reflexionsfaktor
durch Verschiebung der Kugel quer zur Hohileiterachse bei einem Kugeldurchmesser
von 6 mm im Bereich von m = 0,5 bis etwa 0.95 verändert werden kann. Der eingestellte
m-Wert bleibt über einen relativ breiten Frequenzbereich nahezu konstant.
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Für geringe Änderungen des Reflexionsfaktors, die sehr genau eingestellt
werden müssen, ist bereits ein Kugeldurchmesser von 3 mm ausreichend. Für Hohlleiter
anderer Abmessungen und Betriebsfrequenzen sind die Kugeldurchmesser entsprechend
zu verändern, um die gleiche Wirkung zu erreichen.
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Es kann also mit Hilfe der Anordnung sowohl die Größe als auch der
Ort einer zusätzlich in den Hohlleiter einzubringenden Impedanz in weiten Bereichen
verändert werden, ohne den Hohlleiter selbst verändern zu müssen.
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Mit Vorteil läßt sich diese Anordnung zur Linearisierung der Modulationskennlinie
von Reflexklystrons verwenden. Dadurch, daß Strahlungsverluste vermieden werden,
erfolgt die Linearisierung praktisch ohne Leistungseinbuße.
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Der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Anordnung bleibt nicht
auf Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt beschränkt, sondern kann mit Vorteil
auch auf Hohlleiter kreisförmigen Querschnitts ausgedehnt werden, sofern der Wellentyp
im Rundhohlleiter so geartet ist, daß das elektrische Feld über den gesamten Umfang
gesehen nicht konstant bleibt. In bekannter Weise ist bei Wellen dieses Typs der
erste Index ihrer Bezeichnung größer als Null. So ist z. B. bei der HU-Welle eine
Änderung des Reflexionsfaktors durch Veränderung des Ortes der Kugel auf dem Hohlleiterumfang
möglich, wogegen bei der E.1- oder Hol-Welle der Einfluß des Rollkörpers bei dieser
Bewegung konstant bleibt.
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Die F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, angewendet
auf den Rundhohlleiter. Im linken Teil dieser Figur ist ein Querschnitt durch den
Hohlleiter 1 am Ort der Einstellvorrichtung 2 gezeigt. Die Einstellvorrichtung vereinfacht
sich beim Rundhohlleiter auf einen magnetischen Kreisring, dessen permanentes Magnetfeld
in Umfangsrichtung wirkt und der an einer Stelle zur Bildung von Magnetpolen längsgeschlitzt
ist. Die Pole sind so ausgebildet, daß sich der Großteil des Streufeldes über die
im Innern des Hohlleiters 1 befindliche Kugel 3 schließt. Durch Axialverschiebung
des Rollkörpers mit Hilfe des Ringes kann wiederum der Ort der Zusatzimpedanz verändert
werden, und durch Verdrehen des Ringes kann die Größe der Impedanz eingestellt werden.
Der größte Reflexionsfaktor
ergibt sich bei jedem Wellentyp an
der Stelle des maximalen elektrischen Feldes. Der rechte Teil der F i g. 4 zeigt
einen Längsschnitt durch die Anordnung.
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Für manche Fälle ist es zweckmäßig, an Stelle einer Kugel einen anderen
Rollkörper zu verwenden. Zum Beispiel ist an einen tonnenförmigen Rollkörper gedacht.
Bei entsprechender Formung des magnetischen Feldes des Permanentmagneten ist es
möglich, auch stabförmige Rollkörper zu verwenden, die so bemessen sind, daß sie
einen induktiven Querleitwert im Hohlleiter bilden. Es ist auf diese Art möglich,
jedes beliebige Anpassungsmaß m zu erzeugen.