DE1186917B

DE1186917B - Phasenschieber fuer Mikrowellen

Info

Publication number: DE1186917B
Application number: DEH46120A
Authority: DE
Inventors: John F Reuvers; James U Clark
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1961-09-29
Filing date: 1962-06-19
Publication date: 1965-02-11
Also published as: GB957998A; US3108237A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIp

H03h
Deutsche Kl.: 21a4-74

Nummer: 1186 917

Aktenzeichen: H 46120 IX d/21 a4

Anmeldetag: 19. Juni 1962

Auslegetag: 11. Februar 1965

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Phasenschieber, bestehend aus einem Hohlleiterabschnitt, in dem ein das elektromagnetische Feld beeinflussendes Glied quer zur Längsachse des Hohlleiters verschiebbar angeordnet ist.

Bei den bekannten Phasenschiebern, die ein quer zur Längsachse des Hohlleiters verschiebbar angeordnetes Glied zur Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes aufweisen, besteht dieses Glied aus dielektrischem Material. Diese bekannten Phasenschieber haben den Nachteil, daß sie nur für eine geringe Bandbreite benutzbar sind, daß die Abhängigkeit zwischen der Verschiebung des Gliedes und der Phasenverschiebung in hohem Maße nicht linear ist und daß es endlich Schwierigkeiten bereitet oder doch zumindest einer großen Länge des phasenschiebenden Gliedes bedarf, um die im allgemeinen erforderliche Phasenverschiebung von 180° zu erzielen.

Es sind auch bereits Phasenschieber bekannt, die mit einem elektrisch leitenden Glied versehen sind, das in Form einer langgestreckten Platte in der Längsachse eines Hohlleiters angeordnet und um diese Längsachse verdrehbar ist. Auch dieser bekannte Phasenschieber weist im wesentlichen die gleichen Nachteile auf wie die Phasenschieber mit einem verschiebbaren dielektrischen Glied.

Endlich ist es auch bereits bekannt, in der Hohlleiterachse ferromagnetische Ringkörper oder in der Nähe einer Seitenwand eines Hohlleiters eine Anzahl von hintereinander angeordneten Ferritstäben vorzusehen. Solche Ferritstäbe sind dann gewöhnlich einzeln mechanisch in Richtung ihrer Achse verschiebbar angeordnet. Diese Anordnungen sind mit einem unverhältnismäßig großen Aufwand verbunden und haben den weiteren Nachteil, daß Ferrite gewöhnlich in erheblichem Maße verlustbehaftet sind.

Durch die Erfindung werden die Nachteile der bekannten Phasenschieber vermieden. Bei einem Mikrowellenphasenschieber, bestehend aus einem Hohlleiterabschnitt, in dem ein das elektromagnetische Feld beeinflussendes Glied quer zur Längsachse des Hohlleiters verschiebbar angeordnet ist, weist erfindungsgemäß das Glied einen sich in Längsrichtung des Hohlleiters erstreckenden, elektrisch leitenden Träger auf, an dem im Abstand hintereinander ebenfalls elektrisch leitende Zylinder oder Stäbe symmetrisch zum Träger derart angeordnet sind, daß ihre Achsen parallel zueinander und quer zur Längsachse des Hohlleiters verlaufen.

Der erfindungsgemäße Phasenschieber zeichnet sich durch eine sehr große Bandbreite, die Möglich-Phasenschieber für Mikrowellen

Anmelder:

Hughes Aircraft Company, Los Angeles, Calif.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. R. Kohler, Patentanwalt,

Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:

John F. Reuvers, Santa Ana, Calif.;

James U. Clark, La Habre, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. September 1961
(142458)

keit einer großen Phasenverschiebung bei geringem Aufwand und vor allem auch durch eine wesentlich gleichmäßigere Abhängigkeit zwischen der Verschiebung des Gliedes und der Phasenverschiebung als bei den bekannten Phasenschiebern aus.

Der erfindungsgemäße Phasenschieber kann bei rechteckigen Hohlleitern Anwendung finden, wo eine kontinuierliche Phasenverschiebung durch Bewegung des phasenschiebenden Gliedes quer zum Hohlleiter im Bereich zwischen einer Seitenwand und der Mitte des Hohlleiters, beispielsweise mit Hilfe einer Schraube, erfolgen kann. Es ist aber auch möglich, das erfindungsgemäße phasenschiebende Glied in Hohlleitern mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt zu verwenden, wenn eine elektromagnetische Welle mit der Kennzeichnung TE₁₁ in dem Leiter erzeugt ist.

Vorzugsweise sind die aktiven Elemente im Bereich des elektrischen Feldes der in dem Hohlleiter geführten elektromagnetischen Welle angeordnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in Verbindung mit den Zeichnungen im folgenden näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Schaubild, teilweise ausgebrochen, einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenschiebers;

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt der Anordnung nach Fig. 1;

509 508/248

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 1, teilweise ausgebrochen und in vergrößertem Maßstab;

F i g. 4 und 5 sind Draufsicht und Seitenansicht des Trägers mit den Zylindern in der Ausführungsform nach Fig. 1; ,

F i g. 6 zeigt ein Schaubild, teilweise ausgebrochen, einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 7 zeigt die Kennlinie des Phasenschiebers nach Fig. 1;

F i g. 8 zeigt Phasenschieberkennlinien der Ausführungsform nach F i g. 1 in Abhängigkeit von der Frequenz, und

F i g. 9 zeigt Kennlinien des Verhältnisses der stehenden Wellen bei der Ausführungsform nach

Fig. 1. ,:■■■■.< ::J:: ,. ■ -.:-, .>

Bei der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausfüh-Tungsform der Erfindung sind auf einer Stange 14 eine Reihe 10 von Zylindern oder Stäben 12 befestigt. Die Stange 14 ist in einem Abschnitt eines rechtwinkligen.: Hohlleiters 2Ö angeordnet und dort in einer zwischen den breiten Wänden 17 und 18 des Hohlleiters gelegenen Ebene durch Stäbe 15 und 16 verschiebbar geführt, die an den schmalen Wänden 21 und 22 des .Hphlle,iters gehalten sind. An den Enden des HohlleiteraHschnittes angeordnete Flansche 23 und 24 dienen zur Befestigung des Hohlleiterabschnittes 20 an nicht gezeichneten anderen Hohlleiterabschnitten. Die aus Metall bestehende Reihe 10 von Stäben ocler Zylindern 12 ist im allgemeinen in deY JMittelebene zwischen den beiden breiten Wänden tf und 18 des Hohlleiters angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Stange 14, die die Stäbe 12 trägt, auf den quenverlaufeniferi Stäben 15' und 16 verschiebbar geführt. Eine Schraubspindel 30 verläuft parallel zu den Stäben 15 und 16 und ist durch eine Gewindebohrung in der Stange 14 hindurchgeführt. Sie ist in geeignet ausgebildete^ Bohrungen in Vorsprüngen 31 und 32 der schmalen Wände 21 und 22 drehbar· gelagert. Die' Schraübspifldel 30 erstreckt sich dxrrcn den Vorsprung 32 in der schmalen Wand 22 hindurch und ist mit einem Knopf $4 versehen, mit (fern die Schraubspindel gedreht werden kann und mit dem dadurch die Lage der Reihe 10 der Stäbe 12 in dem Hohlleiterabschnitt 20 eingestellt werden kann. Die Stäbe 15 und 16 und die Schraubspindel 3Φ können entweder aus einem dielektrischen Werkstoff öder aus Metall bestehen und sind vorzugsweise hr einem Abstand voneinander entfernt angeordnet, der einem Viertel der Wellenlänge entspricht. Die schmalen Wände 21 und 22 des Hohlleiterabschnittes haben noch' Vorsprunge 26, 27, 28 und 29 (Fig. 3), die zur Aufnahme der Enden der Stäbe 15 und 16 dienen, die quer durch den Hohlleiterabschnitt 20 verlaufen. In dem Vorsprung 32 kann noch ein Lager 33 befestigt sein, so daß die Gewindespindel 30 sich leichter drehen läßt.

Die Reihe 10 kann aus einem einzigen Gußstück oder einem einzigen sonstigen Stück Metall hergestellt sein. Die Zahl der Stäbe oder Zylinder 12 kann beliebig sein, und ihre Höhe wächst von den Enden der Stange 14 in Richtung auf die Mitte der Stange in der Nähe der Schraubspindel 30. Die Stäbe 12 sind im allgemeinen so befestigt, daß ihre Achsen in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Grundwellenlängen beträgt, insbesondere so, daß ihr Abstand ein Viertel der Grundwellenlänge beträgt, um die Reflexionen zu vermindern. Diejenigen Stäbe 12, die die größere Höhe haben, kürzen die Wellenlänge in,dem Hohlleiterabschnitt 20 und sind daher in einem kleineren Abstand voneinander auf: «der Stange 14" befestigt. Wenn ein ~S-Band-Phasenschieber erwünscht ist, kann eine Reihe 10, die in einem rechteckigen Hohlleiter in den gebräuchlichen Abmessungen (2,5 · 7,2 cm) verwendet werden soll, die

ίο in den F i g. 4 und 5 in Zentimeter eingezeichneten Maße besitzen. Diese Maße können natürlich im gleichen Verhältnis geändert werden, um einen Phasenschieber für andere Frequenzbereiche zu erhalten. In F i g. 6 ist ein Phasenschieber dargestellt, der im wesentlichen dem Phasenschieber nach F i g. 1 entspricht, wobei jedoch ein Abschnitt eines, im Querschnitt kreisförmigen Hohlleiters, 38 an Stelle des in Fig. \ dargestellten rechtwinkligen HohÜeiterabschnittes verwendet ist. Bei Verwendung eines Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt ist es im allgemeinen erwünscht, daß in dem Hohlleiter eine TE₁ j-Welle erregt wird, wobei die elektrischen Felder parallel zu den Achsen der Stäbe 12 verlaufen, also senkrecht zu der Längsrichtung der Stange14.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtungen wirken die Stäbe 12 in der. Nahe der Seitenwände 21 oder 22 eines rechtwinkligen Hohlleiters.iO.iFig. 1) induktiv und bewirken das Voreikn der Phase, in einer sich ausbreitenden ebenen Welle, relativ zu der Phase, die. erscheinen würde, wenn kein Phasenschieber innerhalb des Hohlleiters angeordnet ware» In der Nähe der Achse des Hohlleiters 20 jedoch wirken die Stäbe 12 der Hintereinanderschaltung. 10 kapazitiv und bewirken eine Phasenverzögerung der Welle.

In Fi g. 7 ist eine Kennlinie 40 der relativen Phasenverschiebung. dargestellt, die durch die Hintereinanderschaltung 10 gemäß den Fig. 4 und 5 erzeugt wird, wenn diese Reihe in einem rechtwinkligen Hohlleiter angeordnet wird, dessen Abmessungen 2,5-7,2 cm betragen. Wie aus der Zeichnung, hervorgeht, tritt eine Phasenverzögerung von mehr als 150° auf, wenn die Reihe 10 in der Achse des Hqhlleiterabschnittes 20 angeordnet ist. Ist. die Reihe, 10 von der Achse etwa 2,65 cm entfernt, so beträgt die Phasen verzögerung Null. In dieser Lage, die durch den Punkt 41 auf der Kennlinie 40 bezeichnet ist, ist die Anordnung in Resonanz und wirkt auf die Phase der durch den rechtwinkligen Hohlleiter 20 hindurchgeführten Welle nicht ein. Wird die Reihe. 10 weiter an die Seitenwände 21 oder 22 des rechtwinkligen Hohlleiters 20 herangerückt, so eilt die Phase der durch den Hohlleiterabschnitt 20 hindurchgeführten Welle vor. Wenn acht Stäbe 12 mit etwa den Abmessungen verwendet werden, die in den F i g. 4 und 5 gezeigt sind, läßt sich eine Phasenverschiebung in der Größe von etwa 185° erreichen. Der Betrag der Phasenverschiebung kann vergrößert oder verkleinert werden, je nachdem man eine größere oder kleinere Anzahl von Stäben 12 verwendet.

In F i g. 8 sind verschiedene Kennlinien dargestellt, die bestimmten Phasenverschiebungen zugeordnet sind, wobei auf der Ordinate der Abstand der Reihe 10 von der Achse eines rechtwinkligen Hohlleiters angeschrieben ist und auf der Abszisse der Frequenzbereich des S-Bandes aufgetragen ist, also die Frequenzen zwischen 2500 und 3400 MHz. Die Kennlinie 42 zeigt den Abstand der Reihe 10 von der Achse des Hohlleiters, der erforderlich ist, um bei

den verschiedenen, auf der Abszisse angeschriebenen Frequenzen keine Einwirkung auf die Phasenlage zu erzielen. Die Kennlinie 43 zeigt den bei den verschiedenen Frequenzen notwendigen Abstand der Reihe 10 von der Achse des rechtwinkligen Hohlleiters, wenn eine Phasenverzögerung von 45° erzielt werden soll. Die Kennlinie 44 zeigt den erforderlichen Abstand zur Erzeugung einer Phasenverzögerung von 90°, die Kennlinie 45 den erforderlichen Abstand zur Erzeugung einer Phasen verzögerung von 135^C und die Kennlinie 46 den erforderlichen Abstand zur Erzeugung einer Phasenverzögerung von 180°. Die Kennlinien 42 bis 45 zeigen, daß in einem Frequenzbereich von 2600 bis 3300 MHz für eine Phasenverzögerung von 0 bis 135° die Reihe 10 nur verhältnismäßig wenig verschoben werden muß. Auch kann eine größere oder kleinere Anzahl von Stäben 12 verwendet werden. Dann erhält man Phasenverschiebungen in Abhängigkeit von den Abstandsänderungen, die ähnlich denjenigen sind, die die Kennlinien 42 bis 45 zeigen. Die Größe, Abstand und Anzahl der Stäbe 12 in der Reihe 10 beeinflußt die reflektierte Welle und damit den Verlust, der durch das Einsetzen der Reihe 10 innerhalb des Hohlleiterabschnittes 20 auftreten kann. In F i g. 9 ist ein Bereichdiagramm dargestellt, das die Verschiebungen einer Reihe 10 mit den in F i g. 4 eingetragenen Abmessungen zeigt, die innerhalb des S-Frequenzbandes Verhältnisse von stehenden Wellen über 1,2 erzeugen. Verschiebungen der Reihe 10, die Verhältnissen von stehenden Wellen entsprechen, die größer als 1,2 sind, sind durch schraffierte Flächen 50 in dem Diagramm in F i g. 9 eingezeichnet. Aus diesem Diagramm ergibt sich also, daß die erfindungsgemäße Einrichtung von 2700 bis 3200MHz Phasenverschiebungen von 45 bis 135° (s. F i g. 8) erzeugen kann, ohne daß das Verhältnis der stehenden Wellen größer als 1,20 wird. Auch können viele andere Kombinationen von Höhen und Zahlen von Stäben 20 verwendet werden, um ein Optimum des Verhältnisses der stehenden Welle über bestimmte Frequenzbereiche oder Phasenverschiebungen zu erhalten.

Vorzugsweise bildet die Anordnung 10 eine zusammenhängende, kohärente Reihe.

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellenphasenschieber, bestehend aus einem Hohlleiterabschnitt, in dem ein das elektromagnetische Feld beeinflussendes Glied quer zur Längsachse des Hohlleiters verschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (10) einen sich in Längsrichtung des Hohlleiters erstreckenden, elektrisch leitenden Träger (14) aufweist, an dem im Abstand hintereinander ebenfalls elektrisch leitende Zylinder oder Stäbe (12) symmetrisch zum Träger derart angeordnet sind, daß ihre Achsen parallel zueinander und quer zur Längsachse des Hohlleiters verlaufen.

2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Zylinder oder Stäbe von den Enden nach der Mitte zu dieses Gliedes anwächst.

3. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder oder Stäbe so angeordnet sind, daß ihre Achsen etwa im Abstand eines Viertels der Wellenlänge voneinander angeordnet sind.

4. Phasenschieber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekannter rechtwinkliger Hohlleiterabschnitt mit breiten und schmalen Wänden verwendet ist und daß die Achse der Zylinder oder Stäbe senkrecht zu den breiten Wänden des Hohlleiterabschnittes verläuft und daß die Anordnung (10) in einer Ebene parallel zu den breiten Wänden verschiebbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 629 773, 2 741 745;
britische Patentschrift Nr. 641 227.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

509 508/248 2.65 Q Bundesdruckerei Berlin