DE1181290B - Hohlraumresonator fuer Mikrowellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: H 03 h;

H 03 JI

Deutsche Kl.: 21 a4 - 69

Nummer: 1181290

Aktenzeichen: P 33387IX d / 21 a4

Anmeldetag: 16. Januar 1964

Auslegetag: 12. November 1964

In der Mikrowellentechnik werden zur Anpassungstransformation häufig Hohlraumresonatoren verwendet. Sie werden durch einen von Metallwänden abgeschlossenen Hohlraum gebildet, dessen Form und Abmessungen so gewählt sind, daß das Leitergebilde bei der Anregung über geeignete Koppelelemente bei der gewünschten Frequenz in Resonanz kommt. Es stellt sich dann eine ganz bestimmte, für den vorliegenden Resonatortyp charakteristische Verteilung des elektrischen und magnetischen Feldes ein. Die Kopplung nach außen erfolgt eingangs- und ausgangsseitig durch induktiv und/oder kapazitiv wirkende Koppelelemente, die mit den äußeren Schaltungselementen verbunden sind. Infolge der großen Oberfläche weisen diese Resonatoren sehr geringe Übertragungsverluste auf. Zudem ist ihr Aufbau sehr robust und ihre Bedienung einfach.

Die gebräuchlichste Resonatorform ist die kreiszylindrische, für deren Feldverteilung die Zylinderfunktionen maßgebend sind. Üblicherweise wird die Grundschwingung, d. h. der E_0}-Schwingungstyp benutzt, bei welchem das elektrische Feld senkrecht zu den Deckplatten und das magnetische Feld zirkulär liegen. Die Wellenlänge der Grundfrequenz ist bestimmt durch die Formel λ = 2,61 - R, wo R den Radius des Resonators bedeutet und das Medium im Resonatorhohlraum Luft ist. Ein in einer Deckplatte angeordneter zentraler Abstimmstempel erlaubt die Abstimmung über einen größeren Frequenzbereich. Schaltungsmäßig ist der Hohlraumresonator ein Zwischenkreistransformator, der als gewöhnlicher Vierpol betrachtet werden kann, da sich die verteilten Grundkonstanten des Resonators, nämlich Induktivität und Kapazität, in ihrer äußeren Wirkung gleich wie konzentrierte Größen verhalten. Als Koppelelemente werden beispielsweise Koppelschleifen beim Übergang auf Koaxialleitungen oder Kopplungslöcher zur Verbindung mit Hohlleitern verwendet. Dabei müssen diese Elemente so bemessen sein, daß sie sich im interessierenden Frequenzbereich eindeutig quasistationär verhalten. Koppelschleifen haben überdies den Vorteil, daß durch geeignete Wahl von Größe und Stellung der Schleife sich Impedanzübersetzung und Bandbreite des Resonators sehr einfach verändern bzw. auf einen bestimmten Wert abgleichen lassen.

Damit eine Kopplungsschleife sich quasistationär verhält, also keine Resonanzerscheinungen aufweist, muß die elektrische Länge der Drahtschleife bei der höchsten Betriebsfrequenz immer noch kleiner als λ/4 sein. Dies führt bei hohen Mikrowellenfrequen-Hohlraumresonator für Mikrowellen

Anmelder:

»Patelhold«

Patentverwertungs- & Elektro-Holding A. G.,

Glarus (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Alfred Käch, Nussbaumen (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 17. Dezember 1963 (15 435)

zen zu sehr kleinen Schleifenflächen, die beispielsweise oberhalb 6000 MHz nur noch wenige mm² betragen. Besondere Schwierigkeiten treten auf, wenn in einem Kopplungskreis noch, eine Diode liegt. In bekannter Weise wird die Diode in der Zuleitung zum Resonator unmittelbar vor der Kopplungsschleife angeordnet, so daß der Freiheitsgrad einer einstellbaren Kopplung erhalten bleibt. Da im höheren Frequenzgebiet außer der Kopplungsschleife auch die Diode Leitungscharakter arinimmt, können unübersehbare und unkontrollierbare, frequenzabhängige Transformationen mit parasitären Serien- und/oder Parallelresonanzen auftreten. Die Folgen hiervon sind erhebliche Transformationsverluste, Schmalbandigkeit und ein unübersichtliches Verhalten vor allem bezüglich der Oberwellen.

Es ist das Ziel der Erfindung, einen Hohlraumresonator für Mikrowellen mit einem Ankopplungselement aufzuzeigen, das die bei einer Kopplungsschleife im Gebiet hoher Frequenzen auftretenden Nachteile nicht aufweist. Es ist insbesondere das Ziel der Erfindung, einen Hohlraumresonator zu schaffen, bei welchem eine Halbleiterdiode, beispielsweise eine Kapazitätsdiode in einem parametrischen Verstärker, Frequenzvervielfacher oder Mischer, im Sinne einer Koppelschleife unmittelbar im,Resonator liegt und welcher Mittel enthält, um den je nach Diodentyp in weiten Grenzen veränderlichen Arbeitswiderstand

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des Diodenkreises einem im wesentlichen festen Lastwiderstand innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches von beispielsweise 6000 bis 9000 MHz breitbandig und verlustarm anzupassen.

Die Erfindung betrifft einen Hohlraumresonatoi für Mikrowellen mit einem Abstimmstempel und Mitteln zur Ein- und Auskopplung der elektromagnetischen Energie und ist dadurch gekennzeichnet, daß zur angepaßten Ankopplung eines koaxialen Leiterelementes der Resonatorhohlraum in einer zu seinen Bodenflächen parallelen Ebene an der Mantelfläche eine flache Nische aufweist, die in axialer Richtung vom Innenleiter des koaxialen Leiterelementes durchstoßen wird und die mit einem weiteren, in axialer Richtung angeordneten Abstimmstempel versehen ist.

An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Hohlraumresonator nach der Erfindung;

F i g. 2 zeigt den Grundriß des Hohlraumresonators in Draufsicht; in

F i g. 3 ist die ausgangsseitige Ankopplung des Hohlraumresonators an einen Hohlleiter gezeigt; Die Nische 8 ist in Fig. 2 als im wesentlichen halbkreisförmige Ausnehmung im Gehäuse 3 gezeigt; ebenso ist die Nische 11 halbkreisförmig eingezeichnet. Die Grundrißform der Nische ist aber keineswegs von Bedeutung und kann beispielsweise auch rechteckig sein, falls diese Form aus Gründen der Herstellung wünschenswert ist. Die Breite der Nische 8 ist zweckmäßigerweise ungefähr gleich dem Durchmesser des Resonatorhohlraums 1 oder etwas ίο kleiner, wie in F i g. 2 dargestellt. Der Achsabstand zwischen dem Innenleiter 9 und dem Abstimmstempel 10 in F i g. 1 ist vorwiegend durch konstruktive Gesichtspunkte gegeben und ist weitgehend unkritisch. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diesen Abstand zwischen λ/4 und λ/8 zu wählen, wobei λ die Betriebswellenlänge im freien Raum ist. Auch die Höhe der Nische 8 kann in beachtlichem Ausmaß variieren, ohne daß wesentliche Änderungen im Transformationsverhalten der Anordnung auftreten. Die obere Grenze der Höhe der Nische 8 liegt bei der halben Höhe des Resonatorhohlraums 1. Meist ist man darauf angewiesen, die Induktivität des die Nische 8 durchstoßenden Innenleiters 9 des koaxialen Leiterelementes möglichst klein zu halten. Diese For-

F i g. 4 zeigt als Anwendungsbeispiel einen Fre- 35 derung führt zu einer kleinen Höhe der Nische 8 von quenzvervielfacher mit Kapazitätsdiode; etwa Vs bis Vs der Resonatorhohlraumhöhe.

F i g. 5 zeigt als weiteres Anwendungsbeispiel In den beiden Abstimmstempeln 4 und 10 besitzt

einen parametrischen Aufwärtsmischer. der Hohlraumresonator die für Resonanzabgleich

In F i g. 1 ist mit 1 ein bekannter, kreiszylindri- bzw. Anpassungsabgleich erforderlichen zwei Freischer Hohlraum für einen Mikrowellenresonator be- 30 heitsgrade. Innerhalb eines Frequenzbereiches im zeichnet, der aus dem Gehäuse 3 und der Deck- Verhältnis von 1,5:1 können damit ohne weiteres platte 2 besteht. Im Boden des Gehäuses ist der zen- Widerstandswerte, die im Verhältnis von 20 :1 vertrale Abstimmstempel 4 angeordnet, dessen Ein- schieden sind, angepaßt werden, wobei die Übertradringtiefe in den Hohlraum durch Drehen veränder- gungsgüte praktisch konstant bleibt,
bar ist und der mittels fingerförmiger Federn mit 35
dem Gehäuseboden in elektrischem Kontakt steht.
In der Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses ist
zur Auskopplung der elektromagnetischen Energie
die Schleife 5 angeordnet, die mit der koaxialen Leitung 6 verbunden ist. An die Stelle der Schleife und 40

der koaxialen Leitung kann in bekannter Weise auch, wie es in F i g. 3 gezeigt ist, ein Hohlleiter 12 treten, in welchen die Energie über ein Kopplungsloch 13 geleitet wird.

Die Wirkungsweise der Nische 8 (Fig. 1) besteht darin, daß das zirkuläre Magnetfeld des im Innenleiter 9 fließenden Stromes schwach durch die Nische 8 in den Resonatorhohlraum 1 greift. Diese Feldlinien regen aber nicht nur den Resonator an, sondern in viel größerem Ausmaß auch den Abstimmstempel 10, dessen Ersatzschaltbild ein Serieschwingkreis ist. Das magnetische Feld des hierin induzierten Stromes umfaßt einerseits den Innenleiter 9 in der Nische und andererseits den Abstimmstempel 4

In F i g. 1 ist ferner mit 7 ein koaxiales, eingangs- 45 im Resonatorhohlraum. Dieses Wechselspiel bewirkt

seitiges Leiterelement bezeichnet, das einen niederohmigen Innenwiderstand von beispielsweise weniger als 50 Ohm aufweist, der mittels des Hohlraumresonators einem vorgegebenen Lastwiderstand von beispielsweise 50 Ohm angepaßt werden soll. Hierzu weist gemäß der Erfindung der Resonatorhohlraum 1 an der Mantelfläche eine flache Nische 8 auf, die in einer zu den Bodenflächen des Hohlraums 1 parallelen Ebene liegt. Die Nische 8 wird in axialer Richtung vom Innenleiter 9 des koaxialen Leiterelementes 7 durchstoßen. Zudem ist die Nische mit einem weiteren, ebenfalls in axialer Richtung angeordneten Abstimmstempel 10 versehen, der sich in der Ubergangszone von der Nische 8 zum Hohlraum 1 befindet. Zweckmäßigerweise wird zur Erzielung eines mechanisch ausreichenden Spielraumes im Abstimmbereich unterhalb des Abstimmstempels 10 eine weitere kleine Nische 11 in der Gehäusewand vorgesehen.

F i g. 2 zeigt den Grundriß des Hohlraumresonators in Draufsicht mit abgenommener Deckplatte 2. Hierbei sind für gleiche Teile die Bezeichnungen der Fig. 1 verwendet.

eine bestimmte Kopplung zwischen dem Innenleiter 9 und dem Resonatorhohlraum 1, die von der jeweiligen Lage der Eigenresonanz des Abstimmstempels 10 bezüglich der Betriebsfrequenz abhängt. In Resonanznähe ist die Kopplung groß, abseits davon jedoch klein. Die Anordnung weist demnach alle Merkmale eines Koppelelementes mit veränderlichem Kopplungsgrad auf.

Der Abgleich geht in einfacher Weise so vor sich, daß die Abstimmstempel 4 und 10 wechselseitig so lange verstellt werden, bis die ausgekoppelte Hochfrequenzleistung ein Maximum aufweist. Die sich einstellende Gesamtbandbreite des Hohlraumresonators ist dabei durch den jeweiligen Kopplungsgrad bestimmt, d. h. durch die Stellung und die Koppelfläche der in Fig. 1 mit 5 bezeichneten Auskopplungsschleife. Auf die eigentliche Resonanzfrequenz des Resonators hat die Nische 8 praktisch keinen Einfluß, solange ihre Höhe kleiner als die halbe Höhe des Resonatorhohlraumes ist.

Statt des in F i g. 1 und 2 gezeigten kreisförmigen Querschnitts des Resonatorhohlraumes 1 kann auch eine andere Resonatorform in der Anordnung nach

der Erfindung Verwendung finden, beispielsweise ein rechteckiger oder quadratischer Querschnitt. Ferner kann die gemäß der Erfindung zur angepaßten Ankopplung eines koaxialen Leiterelementes vorgesehene Nische nicht nur, wie in Fig. 1, zur eingangsseitigen Transformation verwendet werden, sondern statt dessen oder zugleich auch zur angepaßten Auskopplung der elektromagnetischen Energie auf ein koaxiales Leiterelement angeordnet werden.

In F i g. 4 ist als Anwendungsbeispiel das Schnittbild eines Frequenzvervielfachers mit Kapazitätsdiode gezeigt. Hierin ist die Anordnung grundsätzlich dieselbe wie in Fi g. 1, wobei der die nach der Erfindung vorgesehene Nische durchstoßende Innenleiter mit dem veränderlichen Arbeitswiderstand eine Halbleiter-Kapazitätsdiode ist. Der kreiszylindrische Resonatorhohlraum 1, der durch das Gehäuse 3 und die Deckplatte 2 begrenzt ist, ist mit einem zentralen Abstimmstempel 4 und einer Auskopplungsschleife 5 versehen, die mit der koaxialen Leitung 6 verbunden ist. Der Hohlraum weist an der Mantelfläche die flache Nische 8 auf. In axialer Richtung ist das der Zuführung der elektromagnetischen Energie dienende koaxiale Leiterelement 7 angeordnet. Zwischen dem Innenleiter 15, der im Gehäuse 3 durch einen Luftspalt gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ist, und einer in die Deckplatte 2 eingeschraubten Buchse 16 ist die Kapazitätsdiode 14 eingesetzt, die die Nische 8 in axialer Richtung durchstößt. Die Nische 8 ist ferner mit einem weiteren, in axialer Richtung angeordneten Abstimmstempel 10 versehen.

Die Mikrowellenschwingung mit der Grundfrequenz /, wird der Diode 14 über die koaxiale Leitung 7 und den durch den Innenleiter 15 und das Gehäuse 3 gebildeten Kondensator zugeführt. Hierbei sind die Abmessungen des Innenleiters und des Luftspaltes, d. h. die Kapazität, so gewählt, daß die koaxiale Leitung 7 und der Kondensator als Transformationskreis auf J₁ abgestimmt sind. Aus dem durch die Diode erzeugten Gemisch von Harmonischen wird die Frequenz nf_b wo η die Vervielfachungszahl ist, mittels des Abstimmstempels 10 und des durch den Abstimmstempel 4 abgeglichenen Resonatorhohlraumes ausgekoppelt.

In F i g. 5 ist als weiteres Anwendungsbeispiel das Schnittbild eines parametrischen Aufwärtsmischers gezeigt. Dieser Mischer setzt sich aus zwei Hohlraumresonatoren gemäß Fig. 4 zusammen, wobei die Kapazitätsdiode beiden Hohlraumresonatoren gemeinsam ist. Dem Resonatorhohlraum Γ wird über die Koppelschleife 6' die Mikrowellenschwingung mit der tieferen Frequenz// zugeführt; dieser Hohlraum ist also auf /_; abgestimmt. Zur Auskopplung dient die mit einem Abstimmstempel versehene Nische 8', welche von der Kapazitätsdiode 14 durchstoßen wird. Durch die Kapazitätsdiode, die Teil des Innenleiters der koaxialen Leitung 7 ist, wird die Schwingung der Frequenz /; mit der über die Leitung 7 zugeführten Zwischenfrequenzschwingung der Frequenz /_;, um welche /_; erhöht werden soll, gemischt. Hierbei sind der Innenleiter und der vom Innenleiter mit dem Gehäuse gebildete Kondensator Teile eines auf /,· abgestimmten Transformationskreises.

Die Diode 14 durchstößt aber gleichzeitig auch die Nische 8, die Teil des Resonatorhohlraumes 1 ist und die ebenfalls mit einem Abstimmstempel versehen ist. Die Nischen 8' und 8 bestehen im gezeigten Beispiel also aus einer durchgehenden Nut. Da der Resonatorhohlraum 1 und die durch die Nische 8 bewirkte Kopplung auf die Mischfrequenz /_; + /_; abgeglichen sind, kann die durch die Aufwärtsmischung erzeugte Schwingung mit der Schleife 6 ausgekoppelt werden.

In den in F i g. 4 und 5 gezeigten Anordnungen können die Hohlraumresonatoren auch die Ein- und Ausgangskreise mehrkreisiger Bandfilter bilden.

Ferner kann bei der Anordnung nach F i g. 5 der Resonatorhohlraum Z für die Frequenz /, der Resonatorhohlraum Γ beispielsweise für die doppelte Frequenz 2/ ausgelegt und der durch die Leitung 7 gebildete Zwischenfrequenzkreis hochfrequenzmäßig kurzgeschlossen werden. Falls der Leitung 6' Hochfrequenzenergie aus einem Pumposzillator zugeführt wird und die Leitung 6 mit einer Klemme eines Zirkulators verbunden wird, stellt die Anordnung bezüglich der Ein- und Ausgangsklemmen des Zirkulators einen parametrischen Verstärker dar.

Auch in der in F i g. 4 gezeigten Anordnung eines Frequenzvervielfachers ist es möglich, zwei oder mehr Resonanzsysteme mit Hohlraumresonatoren um die Diode anzuordnen, wenn gleichzeitig zwei oder mehr verschiedenen Harmonischen Energie entnommen werden soll.

In jedem Fall ermöglicht die Erfindung die Anpassung eines stark veränderlichen Arbeitswiderstandes, der im besonderen der Verlustwiderstand einer Kapazitätsdiode ist, an einen vorgegebenen Lastwiderstand bis zu sehr hohen Mikrowellenfrequenzen. Hierbei ist trotz der im Vergleich zur Betriebswellenlänge großen Diodenabmessungen der Diodenkreis unmittelbar mit dem Hohlraumresonator gekoppelt. Wie Messungen gezeigt haben, liegen beispielsweise im Frequenzbereich von 6000 bis 8000 MHz bei einer Impedanzübersetzung von 2,5 auf 50 Ohm und einer Bandbreite von 50 MHz die Transformationsverluste unterhalb 1 db.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hohlraumresonator für Mikrowellen mit einem Abstimmstempel und Mitteln zur Ein- und Auskopplung der elektromagnetischen Energie, dadurch gekennzeichnet, daß zur angepaßten Ankopplung eines koaxialen Leiterelementes der Resonatorhohlraum in einer zu seinen Bodenfiächen parallelen Ebene an der Mantelfläche eine flache Nische aufweist, die in axialer Richtung vom Innenleiter des koaxialen Leiterelementes durchstoßen wird und die mit einem weiteren, in axialer Richtung angeordneten Abstimmstempel versehen ist.

2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Nische kleiner als die halbe Höhe des Resonatorhohlraumes ist.

3. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter des koaxialen Leiterelementes in der Nische eine Halbleiterdiode ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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