DE1198875B - Mikrowellenumschalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H02c

Deutsche KL: 21 a4- 72/01

Nummer: 1198 875

Aktenzeichen: D 32834IX d/21 a4

Anmeldetag: 11.März 1960

Auslegetag: 19. August 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellenumschalter zum abwechselnden Anschließen von zwei Anschlußwellenleitern an einen gemeinsamen Wellenleiter an der Verzweigungsstelle eines Wellenleiters mit rechteckigem Querschnitt.

Es sind schon die verschiedensten Bauweisen von Schaltvorrichtungen zur Umschaltung hochfrequenter elektromagnetischer Energie zwischen verschiedenen Wellenführungen oder Hohlleitern bekanntgeworden. So ist es bekannt, sowohl Klappen oder Flügel, insbesondere von rechteckiger Gestalt, als auch bewegliche Resonanzringe als Schaltorgan vorzusehen. Ferner ist es bekannt, unter Einwirkung der Kraft einer Rückstellfeder stehende Schaltvorrichtungen mit einem Drehelektromagneten zu kuppeln. Weiter sind T-förmige Wellenführungsumschalter mit verschiebbaren statt schwenkbaren Schaltgliedern bekannt.

Für viele Zwecke, wie z. B. bei Radarsystemen von Luftlandeanlagen, ist es äußerst wichtig, daß solche Schalter kleinstmögliche Abmessungen haben und ganz besonders leicht sind. Außerdem ist es erwünscht, daß derartige Schalter für Fernbetätigungen geeignet sind. Dabei sollen die Leistungsverluste zwischen den verbundenen Hohlleitern äußerst klein sein, auch ist bestmögliche Isolation zwischen den getrennten Hohlleitern von größter Wichtigkeit. In dem Schalterkörper sollen außerdem Einrichtungen zum Abschluß eines abgetrennten Hohlleiters oder Wellenführungsdurchgangs vorgesehen sein, die im wesentlichen deren charakteristische Impedanz aufweisen, so daß unerwünschte Reflexerscheinungen vermieden werden.

Die Fernbetätigung des Schalters soll ein Schalten unter Last ermöglichen, und sein Aufbau soll so beschaffen sein, daß eine sehr geringe Kraft genügt, um den Schaltvorgang durchzuführen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellenumschalter der eingangs genannten Art, in welchem ein um die Schnittlinie von Seitenwänden der beiden Anschlußwellenleiter als Drehachse in zwei Endlagen vorschwenkbarer rechteckiger Flügel aus Metall angebracht ist, der in seinen Endlagen die Fortpflanzungsbahn der Energie abwechselnd in den Richtungen des einen bzw. anderen Anschlußwellenleiters unterbricht.

Zweck der Erfindung ist es daher hauptsächlich, einen Schalterkörper in Miniaturbauweise zu schaffen, die Drehachse so anzubringen, daß die Fortpflanzungsbahn des einen Anschlußwellenleiters vollständig abgeschlossen ist und das Schaltorgan so auszubilden, daß ein einwandfreier elektrischer Ab-Mikrowellenumschalter

Anmelder:

Don-Lan Electronics, Inc., Santa Monica,

Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,

Hamburg 13, Innocentiastr. 30

Als Erfinder benannt:

Donald Hugh Lanctot, Santa Monica, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 2. April 1959 (803 635)

Schluß des jeweils unbenutzten Abschlußwellenleiters mit der passenden Impedanz möglich ist.

Erfindungsgemäß werden diese Ziele dadurch erreicht, daß bei Y-förmiger Verzweigung innerhalb eines zur Anbringung von Verbindungsflanschen im Grundriß deltaförmig gestalteten Schalterkörpers die Drehachse des Flügels in der Schnittlinie der sich aneinander anschließenden Seitenwände der beiden Anschlußwellenleiter angeordnet ist und daß an dem Flügel dreieckförmige, zur Absorption der Strahlung dienende Flachrippen vorgesehen sind, die sich in senkrechter Richtung von seinen Flachseiten weg erstrecken und so bemessen sind, daß die inneren Enden der Anschlußwellenleiter mit den für sie passenden Impedanzen abgeschlossen werden, je nachdem sich der Bügel in der einen oder anderen Endstellung befindet.

Auf diese Weise lassen sich kleinstmögliche Abmessungen des Schalterkörpers erzielen und Leistungsverluste in der wirksamen Fortpflanzungsbahn praktisch vermeiden, während in der jeweils unbenutzten Fortpflanzungsbahn ein einwandfreier elektrischer Abschluß besteht.

Eine besonders geringe Trägheit des beweglichen Flügels kann dadurch gewährleistet werden, daß die rechteckigen Durchgänge in dem deltaförmigen Schalterkörper mit den längeren Rechteckseiten ihres Querschnittes zusammenstoßen, so daß die Dreh-

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achse des Flügels längs eines der längeren Seitenränder ihrer Rechteckform verläuft.

Wird der Flügel durch einen Elektromagneten, insbesondere Drehspulmagneten, mit einem einen Widerstand enthaltenden Haltestromkreis steuerbar gemacht, so läßt sich der Schalter als Arbeitsstromanordnung ausbilden, so daß im Fall eines Leistungsausfalles der Schalter stets eine bestimmte Stellung einnimmt, was der Betriebssicherheit zugute kommt.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Gesamtansicht eines Mikrowellenumschalters gemäß der Erfindung und zeigt die drei Hohlleiter in der Stellung vor der Verbindung mit dem Schalterbauteil selbst;

Fi g. 2 ist eine Schnittansicht des Schalterbauteiles, wobei die Blickrichtung in F i g. 1 durch die Pfeile 2-2 angegeben ist; die Flachrippen am Flügel sind weggelassen;

F i g. 3 ist eine andere Schnittansicht des Schalter- ao bauteiles und seines Spulenantriebs, und zwar mit Blickrichtung auf die Ebene3-3 von Fig. 1 und 2 im Pfeilsinn;

F i g. 4 ist eine bruchstückweise Querschnittsansicht eines Teils der Spulenantriebseinheit, gesehen in Richtung der Pfeile4-4 von Fig. 3;

Fig. 5 ist ein schematisches Schaltbild der Antriebsspuleneinheit des Schalters, und

F i g. 6 zeigt perspektivisch die eigentliche Schaltflügelbauweise zur Verwendung in dem Schalterkörper.

In Fig. 1 ist ein deltaförmiger Schalterkörper 10 mit drei flachen Anschlußflächen 11, 12 und 13 gezeigt. Diese Flächen sind zum Anschluß an Hohlleiter 14, 15 und 16 ausgebildet, die in Endflansche 14', 15' und 16' endigen. Wenn diese Flansche an die Flächen des Schalterkörpers 10 angesetzt werden, kann die elektromagnetische Energie des Hohlleiters 14 entweder auf den Hohlleiter 15 oder auf den Hohlleiter 16 umgeschaltet werden. Der Umschalt-Vorgang kann durch einen einfachen Handbetätigungsknopf oder aber vorzugsweise durch Verwendung einer allgemein mit 17 bezeichneten Drehspule bewirkt werden.

Wie die Querschnittsansicht gemäß Fig. 2 zeigt, enthält der Schalterkörper 10 drei zur Wellenführung dienende Durchgänge 18, 19 und 20, die senkrecht in die Flachseiten hineingehen und sich im mittleren Teil des Körpers 10 unter Winkeln von 120° schneiden. Ferner sind auf der Vorderseite jeder der drei Flachseiten des Körpers 10 ringförmige Dichtungen von kreisförmigem Querschnitt 21, 22 und 23 sowie Hochfrequenzdrosseln 24, 25 und 26 in Form ringförmiger Hohlräume vorgesehen. Wegen der deltaförmigen Ausbildung sind die Drosseln in den drei Durchgängen entsprechend der Dreieckform räumlich angeordnet und voneinander durch einen sehr kurzen elektrischen Abstand »d« getrennt. Die Ringdichtungen gewährleisten einen feuchtigkeitsdichten Abschluß zwischen den verbundenen Hohlleitern und dem Schalterkörper, während die Anordnung der Drosseln die Leistungsverluste bei der Energieübertragung zwischen den Hohlleitern und dem Schalterkörper vernachlässigbar klein macht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist der Schalter so ausgebildet, daß die Energieübertragung zwischen dem Durchgang 18 und entweder dem Durchgang 19 oder dem Durchgang 20 stattfinden kann. Zu diesem Zweck ist ein an einer Welle 28 in dem Körper 10 befestigter Flügel27 (Fig. 6) vorgesehen. Die Welle 28 fällt. etwa mit der Schnittlinie der Wandungen der Durchgänge 19 und 20 zusammen und ist hier derart drehbar gelagert, daß der Flügel 27 aus der in voll ausgezogenen Linien gezeichneten Stellung um einen Bogen von etwa wenigstens 60° in eine zweite, mit gestrichelten Linien angedeutete Stellung geschwenkt werden kann. Bei der ersten in F i g. 2 mit vollen Linien gezeichneten Stellung ist der Durchgang 18 mit dem Durchgang 20 verbunden. Bei der zweiten gestrichelt angedeuteten Stellung ist der Durchgang 18 mit dem Durchgang 19 verbunden. Wird der Flügel hin- und hergeschwenkt, so wird die den Durchgang 18 durchlaufende Energie abwechselnd auf die beiden anderen Durchgänge übertragen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform zur Hervorbringung der Schwenkbewegung der Welle 28 und des Flügels 27 dargestellt. Das untere Ende der Welle 28 ruht in einem Kugelstützlager 29 nahe der Unterfläche des Körpers 10, und das obere Ende ragt oben aus dem Körper heraus und wird durch Lager 30 aufrecht stehend gehalten. Das obere Ende der Welle endigt in einem Zahnritzel 31 in einem Hohlraum 32 auf der Unterseite eines Spulengehäuses 33, das an dem Körper 10 des Schalters befestigt ist. Ein in Achsrichtung verschiebbares Spulenritzel 34 steht im Eingriff mit dem Ritzel 31 und ist starr mit dem Tauchkolbenglied 35 der Spule verbunden. Das obere Ende des Tauchkolbens 35 kann wiederum mit Schraubengängen 36 versehen sein, die mit ortsfesten Teilen 37 zusammenwirken, welche als radiale Vorsprünge des Spulenkörpers 33 nach innen ragen, so daß eine Auf- und Abbewegung des Spulenkolbens 35 in eine Drehbewegung umgewandelt wird, die das Kolbenritzel 34 und das Flügelwellenritzel 31 in eine Drehbewegung versetzt.

Wie in F i g. 3 gezeigt, endigt das äußerste obere Ende des Kolbens in einem isolierten Betätigungsstift 38, der die Unterseite eines Blattfederkontaktes 39 berührt, dessen eines Ende an dem Spulenkörper 33 bei 40 befestigt ist und dessen anderes Ende mit einem Kontakt 41 in Berührung kommen kann. Außerdem ist ein elektrischer Widerstand 42 ringförmig um den Spulenkörper 33 herum angeordnet und mit der Spulenwicklung 43 in Reihe geschaltet. Erregerleitungen 44, 45 treten in den Spulenkörper 33 ein und bilden den Anschluß für den Widerstand 42 und die Spulenwicklung.

Normalerweise werden die Welle 28 und der Flügel 27 in die in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Stellung gedrückt. Dies geschieht durch eine Spiralfeder 46, die in F i g. 3 dargestellt ist. Das eine Ende dieser Feder ist, wie Fig. 4 zeigt, an dem Isolierstab38 und das andere an dem Spulenkörper 33 befestigt, so daß eine bei Blickrichtung von oben auf den Kolben 35 entgegen dem Uhrzeigerdrehsinn wirkende Vorspannungskraft, vgl. den Pfeil in Fig. 4, ausgeübt wird. Demzufolge wird das Ritzel 31 im Uhrzeigerdrehsinn vorgespannt, um den Flügel in die in F i g. 2 gestrichelt dargestellte Stellung zu bewegen. Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind jedoch der Spulenkolben 35 und der Flügel in der Stellung gezeigt, die sie annehmen, wenn die Spulenwicklung 43 erregt ist. In dieser Erregungsstellung, bei der sich der Kolben 35 in seiner oberen Stellung befindet, wird die Blattfeder 39 von dem Gegenkontakt 41

abgehoben. Wenn die Spulenwicklung 43 entregt wird, nehmen der Kolben 35 und die Blattfeder 39 ihre in F i g. 3 gestrichelt dargestellte Lage ein, in der die Blattfeder 39 den Gegenkontakt 41 berührt.

Das Schaltbild für den Kontakt 41, den Widerstand 42 und die Spulenwicklung43 ist in Fig. 5 dargestellt. Die Anschlußleitung 44 führt zum einen Ende des Widerstandes 42 sowie zu der Blattfeder 39. Das andere Ende des Widerstandes 42 führt an die Spulenwicklung 43 sowie an den Gegenkontakt 41. Das andere Ende der Spulenwicklung 43 führt zu dem zweiten Anschluß 45.

Gelangt also die Blattfeder 39 in Berührung mit dem Gegenkontakt 41, so wird der Widerstand 42 überbrückt und die volle Energie der Anschlußleitungen 44, 45 unmittelbar an die Spulenwicklung 43 gelegt. Bei Erregung dieser wird der Kolben 35 nach oben bewegt; der isolierende Stift 38 drückt dann die Blattfeder 39 nach oben und bringt sie außer Eingriff mit dem Kontakt 41. Dadurch wird ao der Widerstand 42 mit der Spule 43 in Reihe geschaltet. Der Reihenwiderstand verringert die an die Spulenwicklung gelegte Leistung auf einen gerade noch zum Halten des Kolbens 35 in seiner oberen Stellung ausreichenden Wert.

Daraus ergibt sich die Arbeitsweise des ganzen Schalters. Bei Abwesenheit von elektrischer Energie an den Anschlüssen 44 und 45 hält die Feder 46 die Welle28 und den Flügel27 in der in Fig. 2 gestrichelt angedeuteten Stellung. In dieser Stellung läuft die in den Hohlleiterdurchgang 18 eintretende Energie in den Hohlleiterdurchgang 19. Bei Erregung der Spule 43 durch Anlegen von Leistung an die Leitungen 44, 45 wird der Spulenkolben 45 nach oben bewegt; diese Bewegung wird in eine Drehbewegung, von oben gesehen im Uhrzeigerdrehsinn, umgesetzt, um das Ritzel 31 in einem zum Uhrzeiger entgegengesetzten Drehsinn zu bewegen. Dadurch werden die Welle und der Flügel 27 aus der in F i g. 2 gestrichelt gezeichneten Lage in die mit vollen Linien gezeichnete Lage gebracht. Zugleich mit der Bewegung des Kolbens 35 nach oben wird die Blattfeder 39 von dem Kontakt 41 abgehoben, so daß der Widerstand 42 mit der Spule 43 in Reihe geschaltet und auf diese Weise, wie vorstehend erläutert, eine nur geringe Haltekraft gebraucht wird.

Befindet sich der Flügel in der mit vollen Linien gezeichneten Stellung gemäß Fig. 2, so läuft die Ultrahochfrequenzenergie im Durchgang 18 nunmehr in den Durchgang 20, wie durch die voll gezeichneten Pfeile angedeutet. Wird die Spule 43 entregt, so bringt die Feder 46 den Flügel aus der voll gezeichneten in die gestrichelte Lage zurück.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Bauweise besteht darin, daß der Flügel 27 selbst, der äußerst geringe Masse aufweist, den ganzen Schaltvorgang bewirkt. Dadurch wird sehr geringe Energie gebraucht, um den Flügel um die erforderlichen 60° zu drehen und den Schaltvorgang zustande zu bringen. Ferner ist die Ansprechzeit äußerst kurz.

Um den isolierten Durchgang mit einer Impedanz abzuschließen, die so eng wie möglich ihrer charakteristischen Impedanz zur Vermeidung von Reflexerscheinungen entspricht, ist der Flügel, wie in Fig. 6 dargestellt, ausgestaltet. Der Flügel27 weist auf seinen beiderseitigen Flächen dreieckförmige Glieder 48 bzw. 49 auf. Diese Glieder sind so geformt und in Abständen zueinander auf der ganzen Oberfläche des Flügels verteilt, daß bei einer solchen Einstellung, bei der sie die elektromagnetische Energie, welche den durch den Flügel abgeschlossenen Hohlleiter entlangläuft, senkrecht schneiden, etwa die charakteristische Impedanz des Hohlleiters gebildet wird. Bei dieser einen Stellung des Flügels sind die entsprechenden Teile auf der entgegengesetzten Seite nicht senkrecht zur Richtung einer vorhandenen elektromagnetischen Strahlung gerichtet und beeinträchtigen diese nicht merklich. Die Teile 49 schließen den Durchgang 19 mit etwa seiner charakteristischen Impedanz ab, während die Teile 48 den Energiefluß zwischen dem Durchgang 18 und dem Durchgang 20 nicht merklich beeinträchtigen. Wird der Flügel in die gestrichelt gezeichnete Stellung bewegt, so schließen die Teile 48 den Durchgang 20 mit etwa seiner charakteristischen Impedanz ab, während die Teile 49 die Energieübertragung vom Durchgang 18 zum Durchgang 19 nicht merklich beeinflussen.

Demnach wird durch die Erfindung ein bedeutend verbesserter Mikrowellenumschalter geschaffen. Es sind nicht nur Größe und Gewicht minimal, was auf die deltaförmige Gestalt zurückzuführen ist, vielmehr ermöglicht der vereinfachte Schaltflügelaufbau die Durchführung des Schaltvorganges im voll erregten Zustand, wobei die maximale Fehlanpassung den Wert 2:1 nicht überschreitet. Durch Verbinden der verschiedenen Hohlleiter 14, 15,16 in der Weise, daß die Isolation der Durchgänge 18 und 20 und die Verbindung der Durchgänge 18 und 19 einen »Sicherheits«-Zustand schaffen, wird der Schalter stets diesen Zustand annehmen, wenn die Leistung ausfallen sollte.

Ein besonders wesentlicher Vorteil der Erfindung beruht in der deltaförmigen Gestalt des Schalterkörpers, die nicht nur zu einer kompakten Bauweise führt, sondern auch die Verwendung eines Schaltflügels von äußerst kurzer elektrischer Breite ermöglicht. Demzufolge erscheinen die verbundenen Durchgänge in bezug auf die durchgehende elektromagnetische Energie als unterbrechungsfrei; mit anderen Worten, die Schwenkachse des Flügels und der Kantenteile des Flügels, der die Kante des Durchganges berührt, sind elektrisch nur um einen Bruchteil einer Wellenlänge voneinander entfernt, so daß praktisch keine Reflexerscheinungen auftreten können.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mikrowellenumschalter zum abwechselnden Anschließen von zwei Anschlußwellenleitern an einen gemeinsamen Wellenleiter an der Verzweigungsstelle eines Wellenleiters mit rechteckigem Querschnitt, wobei im Mikrowellenumschalter ein um die Schnittlinie von Seitenwänden der beiden Anschlußwellenleiter als Drehachse in zwei Endlagen verschwenkbarer rechteckiger Flügel aus Metall angebracht ist, der in seinen Endlagen die Fortpflanzungsbahn der Energie abwechselnd in den Richtungen des einen bzw. anderen Anschlußwellenleiters unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß bei Y-förmiger Verzweigung innerhalb eines zur Anbringung von Verbindungsflanschen im Grundriß deltaförmig gestalteten Schalterkörpers die Drehachse des Flügels in der Schnittlinie der sich aneinander anschließenden

Seitenwände der beiden Anschlußwellenleiter angeordnet ist und daß an dem Flügel dreieckförmige, zur Absorption der Strahlung dienende Flachrippen vorgesehen sind, die sich in senkrechter Richtung von seinen Flachseiten weg erstrecken und so bemessen sind, daß die inneren Enden der Anschlußwellenleiter mit den für sie passenden Impedanzen abgeschlossen werden, je nachdem sich der Flügel in der einen oder anderen Endstellung befindet.

2. Mikrowellenumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckigen Durchgänge in dem deltaförmigen Schalterkörper mit den längeren Rechteckseiten ihres Querschnittes zusammenstoßen.

3. Mikrowellenumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel durch einen Elektromagneten, insbesondere Drehspulmagneten, mit einem einen Widerstand enthaltenden Haltestromkreis steuerbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 968 606; deutsche Auslegeschrift Nr. 1002 826; französische Patentschrift Nr. 1107 185; britische Patentschrift Nr. 710204;

USA.-Patentschriften Nr. 2 588 934, 2 647 951, 2814782,2827 613;

Ragan, »Microwave Transmission Circuits«, 1948, S. 406 bis 432, 536 bis 537.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen