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Abstimmbarer Hohlleiter-Resonator für hochfrequente elektrische Schwingungen
Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter-Re80nator für hochfrequente elektrische
Schwingungen, dessen Resonanzfrequenz mittels eines parallel zu einer Abschlußwand
des Hohlraums in Richtung ..des elektrischen Feldes angeordneten AbstmmkÖrpers einstellbar
ist, der den Hohlraumquerschnitt mit -Ausnahme eines freien Spaltes am Rande ausfüllt,
kürzex als A/4 der Resonanzwellenlänge und in der Längsachse des Hohlraums bewegbar
ist.
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Hohlleiter-Resonatoren bieten gegenüber den herkömmlichen Schwingungskreisen
mit konzentrierten Bauelementen und gegenüber P.aralleldraht-Resonatoren und koaxialen
Resonatoren viele Vorteile; sie sind z. B. strahlungsfrei, haben sehr niedrige Verluste,
d. h. große Kreisgüten, und sind einfach mit großer mechanischer Genauigkeit herzustellen,
so daß sie reproduzierbare Abstimmbereiche haben. Sie haben darum weite Verwendung
bei Wellenlängen etwa unter 1 mm gefunden.
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Ein besonderes Problem bei Hohlleiter-Resonatoren, insbesondere wenn
sie große Leistungen aufnehmen sollen, ist ihre Abstimmung, die, wenn es sich um
größere Abstimmbereiche handelt, nur durch Änderung der wirkenden Leitungslänge
vorgenommen werden kann, indem eine den Hohlleiter in Ausbreitungsrichtung der Schwingung
abschließende Wand verschoben wird.
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Es sind verschiedene Anordnungen für diesen Zweck bekannt, bei denen
diese Wand mit metallischen, den Spalt zur Seitenwandung des Hohlleiters ringsum
möglichst gut überbrückenden Kontakten versehen ist. Metallische Kontakte führen
jedoch besonders bei hohen Resonatorströmen wegen der unvermeidlichen Korrosion,
des Abriebs bei häufiger Betätigung der Abstimmung, des übergangswiderstandes und
vieler anderer Erscheinungen häufig zu Störungen oder gar zur Betriebsunfähigkeit
des Resonators.
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Es sind darum viele verschiedenartige Anordnungen zur Abstimmung von
koaxialen oder Hohlleiter-Resonatoren bekanntgeword(m, bei denen die metallischen
Kontakte durch Wellenfilter ersetzt sind, die keine metallische Verbindung zwischen
der verschiebbaren Abschlußwand und der Seitenwandung des Hohlleiters aufweisen.
Solche Anordnungen werden kontaktlose Abstimmkolben genannt und beruhen alle auf
dem Prinzip, daß durch geeignete Formgebung und geeignete Abmessungen an dem Spalt,
der bei den oben beschriebenen Anordnungen durch metallische Kontakte überbrückt
war, ein möglichst niedriger, gegen Null strebender Widerstand - ein »Kurzschluß«
- der sich im Hohlleiter ausbreitenden Schwingung entgegengesetzt wird. Dies wird
entweder durch eine große Kapazität zwischen Kurzschlußkolben und Seitenwandung
oder durch ein oder mehrere hintereinander angeordnete oder ineinander verschachtelte
Leitungsstücke in der Größenordnung einer Viertel-Hohlleiterwellenlänge (Za]4),
bezogen auf die mittlere Wellenlänge im Abstimmbereich, bewirkt. Solche Anordnungen
werden mit A-, B-, C- und Z-Kolben bezeichnet.
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Auch ist ein anderer kontaktloser Kurzschlußkolben für Koaxialleiter
bekannt, bei dem im Inneren des Topfkreises zwei gleich lange konzentrische und
durch einen Kurzschlußring starr miteinander verbundene, verschiebbare Rohre vorgesehen
sind, die im Inneren des Topfkreises zwei offene und zwei einseitig geschlossene
Hohlleitungen bilden, wobei die eine einseitig geschlossene Hohlleitung derart bemessen
ist, daß sie durch Widerstandstransformation in den offenen Hohlleitungen einen
elektrischen Kurzschluß erzeugt, und die andere einseitig geschlossene Hohlleitung
derart bemessen ist, daß sie einen positiven (induktiven) Blindwiderstand bildet.
Auch dieser Kolben erzeugt für die sich im Leiter ausbreitende Schwingung einen
»Kurzschluß«.
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Bei einer weiteren Abstimmanordnung mit einem kontaktlosen Abstimmkörper
dient eine in Nähe einer Abschlußwand eines zylindrischen Hohlleiterresonators rechtwinklig
zur Hohlleiterachse angeordneten in Achsrichtung bewegbare Platte als Abstimmmittel.
Der Resonanzraum wird durch die ihm zugewandte vordere Stirnfläche der Platte begrenzt,
und durch eine besondere Formgebung der Platte, insbesondere durch die optimale
Bemessung der Spalte zwischen der Platte und dem Hohlleiter; wird erreicht, daß
kein störender Schwingungsmodul sich im Resonator ausbilden kann. Damit gegebenenfalls
in den Raum
hinder der Abstimmplatte eindringende Energie der Grundschwingung
oder der Störschwingungen vernichtet wird, wird die innere Oberfläche des Hohlleiters
in diesem Raum und die hintere Stirnfläche sowie die Spaltfläche der Platte dämpfend
gestaltet.
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Dieser Abstimmkörper in Form einer Platte ist eine der vielen Abwandlungen
eines »Kurzschlußkörpers«; wegen seines Aufbaus eignet er sich- nur für einen kleinen
Abstimmbereich.
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Alle beschriebenen Anordnungen haben den Nachteil; daß die Abstimmkörper,
wenn sie einen verhältnismäßig einfachen Aufbau wie den des zuletzt genannten haben,
keinen hinreichenden »Kurzschluß« bilden, weswegen weitere Maßnahmen, wie die Anbringung
einer Dämpfung, notwendig werden. Für einen hinreichenden »Kurzschluß« der Schwingung
werden die bekannten Anordnungen sehr umfangreich und müssen mit großer mechanischer
Genauigkeit, insbesondere mit sehr geringen Abständen zwischen dem Kolben und 'der
Wand des Hohlleiters aufgebaut werden. Trotzdem kann der »Kurzschlußwiderstand«
des Abstimmkörpers nur gegen Null streben und diesen Wert nie erreichen, so daß
immer ein gewisser, wenn auch sehr kleiner Anteil der Schwingungsenergie hinter-
dem Kolben,--noch--vorhanden ist. Dies kann zu Störungen durch abstrahlende Energie
führen, wenn der Leiter hinter dem Kolben nicht abgeschlossen ist. Muß der Leiter,
wie bereits erwähnt, jedoch abgeschlossen werden, um eine Strahlung zu verhindern,
können, wenn dieser Abschluß nicht einem reellen Widerstand gleich dem Wellenwiderstand
der Leitung entspricht, Abweichungen oder Sprünge in der Abstimmkurve des Resonators
zustande kommen. Wird die Leitung jedoch mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen,
so wird der hinter den Kolben gelangende Anteil der Schwingung als Wirkenergie in
diesem Widerstand verbraucht. Dies ist jedoch bei Resonatoren für höhere Leistungen
unerwünscht. Es ist darum ein abstimm-. barer Hohlleiter-Resonator erwünscht, bei
dem auch bei sehr hohen Leistungen die erwähnten Nachteile nicht auftreten und der
einen einfachen und kostensparenden Aufbau hat.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Forderungen zu erfüllen,
und beruht auf der Erkenntnis, das es möglich ist, den Hohlleiter an mindestens
einem Ende für die Schwingung vollständig galvanisch gut leitend abzuschließen und
den Raum zwischen dieser Abschlußwand und einem in der Hohlleiterachse (z-Achse)
verschiebbaren Abstimmkörper mit zur Abstimmung des Resonators beitragen zu lassen,
wenn der Abstimmkörper nicht als »Kurzschluß« im obigen Sinne wirkt, sondern den
Wellenwiderstand nur so weit beeinflußt, daß die Schwingung in einem gegebenen Maße
in den Raum zwischen Abstimmkörper und Abschlußwand treten kann.
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Es ist jedoch nicht ohne weiteres zu erwarten, daß eine solche Wellenwiderstandsabstimmung
ohne Störungen funktioniert. In einem Hohlleiter sind nämlich, im Gegensatz zu Paralleldraht-
oder Koaxialleitern, immer Komponenten des auf der Seitenwandung des Hohlleiters
fließenden Stromes in einer Richtung quer zur Hohlleiterachse vorhanden. Diese Ströme
können auf dem Abstimmkörper unerwünschte Ströme induzieren, die den gewünschten
Feldverlauf in diesem Hohlleiterabschnitt stören und damit ebenfalls zu ähnlichen
Unstimmigkeiten wie bei den bekannten Anordnungen führen könnten. So sind z. B.
Resonanzen möglich, die als Umfangsresonanzen in dem Spalt zwischen dem Abstimmkörper
und der Seitenwandung des Hohlleiters bezeichnet werden können.
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Überraschenderweise hat sich jedoch ergeben, däß bei einem Hohlleiter-Resonator
der eingangs erwähnten Art ein weiter Abstimmbereich möglich ist, wenn der Abstimmkörper
in einem solchen Bereich verschiebbar ist, daß einmal seine vordere Stirnfläche
einen größeren elektrischen Abstand als ein Viertel der Resonanzwellenlänge und
das andere Mal seine hintere Stirnfläche einen elektrischen Abstand gleich oder
kleiner als die halbe Resonanzwellenlänge von der Abschlußwand aufweist und daß
der Spalt so bemessen ist, daß der von ihm eingenommene Raum und der Raum zwischen
dem Abstimmkörper und der Abschlußwand zu Schwingungen angeregt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform, die ein geringes Gewicht und
einen raumsparenden Aufbau ergibt, beeinflußt der Abstimmkörper einen Hohlleiterabschnitt
in seinem Wellenwiderstand, der kleiner als ein Zehntel der Hohlleiterwellenlänge
ist.
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Der Abstimmkörper kann dabei metallisch sein oder aus einem Dielektrikum
mit einer relativen Dielektrizitätskonstante >l bestehen. Bei einem dielektrischen
Absiimmkörper ergibt sich, je nach seiner Dielektrizitätskonstante, zwar ein kleinerer
Abstimmbereich, jedoch ist der Vorteil vorhanden, daß keine Leitungsströme auf seinem
Umfang induziert werden können.
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Zur Erreichung einer gewünschten Bandbreite kann es bei kleineren
Leistungen vorteilhaft sein, ein verlustbehaftetes Dielektrikum zu verwenden.
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Der Abstimmkörper und der Hohlleiter können, mindestens zum größten
Teil, aus einem für Schleifkontakte ungeeigneten Metall, z. B. einem Leichtmetall
oder einer Leichtmetall-Legierung, bestehen und können damit in einfacher Weise
sehr genau und maßhaltig, z. B. durch Leichtmetall-Druckguß, hergestellt werden.
Vorzugsweise hat der Abstimmkörper keinen metallischen Kontakt mit der Seitenwandung
des Hohlleiters. Sollen zur Unterdrückung von Umfangsresonanzen an einigen Stellen
Schleifkontakte angebracht werden, so brauchen nur die Schleifbahnen aus einem beständigen
Material hergestellt zu werden.
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Es - kann vorteilhaft sein, die Kontaktstellen zwischen dem Abstimmkörper
und der Seitenwand des Hohlleiters in Abhängigkeit von der Lage des Abstimmkörpers
und damit von der Resonanzfrequenz des Hohlleiter-Resonators auf dem Umfang des
Abstimmkörpersverschiebbar anzuordnen, infolgedessen verschiebt sich die Umfangsresonanz
in dem Spalt in einem gegebenen Zusammenhang mit der Resonanzfrequenz des Hohlleiter-Resonators.
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Die Kontakte, mit denen unerwünschte Umfangsresonanzen am Abstimmkörper
unterdrückt werden, müssen an spannungsfreien Stellen der Seitenwandung des Hohlleiters
angebracht werden. Bei einem in seinem Grundmodul (H 10) schwingenden Hohlleiter
werden z. B. diese Stellen durch in der Mitte der kurzen Seiten des Hohlleiters
parallel zur Hohlleiterachse verlaufende Linien gebildet. In einer einfachen Ausführungsform
können daher an diesen Stellen metallische Führungsleisten zwischen der Seitenwand
des Hohlleiters und dem Abstimmkörper
auf der ganzen Abstimmlänge
angebracht werden, sofern dabei für einen ausreichenden Kontakt zwischen Seitenwandung
und Abstimmkörper gesorgt ist.
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Es ergibt sich bei einem Hohlleiter konstanten Querschnitts ein nichtlinearer
Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz des Hohlleiters und der Lage des Abstimmkörpers.
Ein sich von diesem Zusammenhang unterscheidender, z. B. annähernd linearer Zusammenhang,
kann dadurch erreicht werden, daß der Hohlleiterquerschnitt, in Richtung der Hohlleiterachse
gesehen, verschieden, z. B. größer oder kleiner werdend gewählt wird.
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Der abstimmbare Hohlleiter-Resonator nach der Erfindung ist besonders
als Resonator (Kammer) an Klystronröhren, vorzugsweise an Hochleistungsmehrkammerklystronen
geeignet, insbesondere wenn er an seinem für die Schwingungen offenen Ende mit Anschlußelementen
an die metallischen Teile einer Triftstrecke des Klystrons versehen ist, die vorzugsweise
aus einer hoch wärmebeständigen, den elektrischen Strom und die Wärme gut leitenden
Legierung bestehen, z. B. einer Nickel und Beryllium enthaltenden Bronzelegierung.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert,
auf das die schematischen Figuren der Zeichnungen bezogen sind, in denen Fi g. 1
eine perspektivische Darstellung eines Hohlleiter-Resonators nach der Erfindung
zeigt, F i g. 2 eine Sicht auf den Resonator von seinem offenen Ende her zeigt,
F i g. 3 einen Schnitt durch die Resonatorachse parallel zur schmalen Seite des
Resonators zeigt, F i g. 4 das Ersatzschaltbild des Resonators gemäß der Leitungsgleichung
und F i g. 5 ein Smith-Diagramm zeigt, in dem die Widerstandstransformationen innerhalb
des Resonators dargestellt sind.
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In den F i g. 1 und 3 ist ein mit einer Abschlußwand 11 elektrisch
gut leitend abgeschlossener Rechteckhohlleiter 1`dargestellt, innerhalb dessen ein
Abstimmkörper 2 mittels einer Gewindespindel 3 in der Hohlleiterachse verschiebbar
ist. Die Spindel 3 ist in bezug auf den Hohlleiter 1 mechanisch in Richtung der
Hohlleiterachse festgelegt und mittels eines Abstimmrades 4 drehbar. Bei Drehung
der Spindel 3 wird der im Hohlleiter 1 durch hier nicht dargestellte Führungselemente
geführte, von der Hohlleiterwand durch einen Spalt 12 getrennte Abstimmkörper 2
über ein Gewinde 5 in Richtung der Hohlleiterachse verschoben. Da sich die Spindel
3 in der neutralen Ebene des felderfüllten Raumes befindet, kann sie aus Metall
hergestellt sein. Der Abstimmkörper 2, in Richtung der Hohlleiterachse gesehen,
ist durch seine hintere, der Abschlußwand 11 zugewandte Stirnfläche 9 und seine
vordere Stirnfläche 10 begrenzt.
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In einem ausgeführten Beispiel nach dieser Figur wurde ein Abstimmbereich
erzielt, der breiter als der Bereich des Fernsehbandes IV war.
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In F i g. 2, in der wie in den anderen Figuren gleiche Teile mit den
gleichen Bezugszeichen angegeben sind, sind Führungselemente 6 aus Isoliermaterial,
z. B. Teflon, für den Abstimmkörper dargestellt. Die lange Seite des Hohlleiters
ist mit a und die kurze Seite mit b bezeichnet.
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In dem Schnitt in F i g. 3 ist ersichtlich, daß die Führungselemente
6 durch Halterungen 7 so weit außerhalb des in seinem Wellenwiderstand durch den
Abstimmkörper beeinflußten Hohlleiterabschnitts angebracht sind, daß sie nicht den
Feldverlauf in diesem Hohlleiterabschnitt stören.
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Für eine genaue Abstimmung und Anzeige der Resonanzfrequenz des Hohlleiter-Resonators
kann die Lage des Abstimmkörpers im Hohlleiter durch einen Mikrometertrieb mit einem
Differentialgewinde eingestellt und angezeigt werden.
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Die Blindwiderstandstransformation erfolgt nach F i g. 4. Sie kann
leicht im Smith-Diagramm nach F i g. 5 verfolgt werden. Da der Zwischenraum b' auf
beiden Seiten gleich ist, genügt es für die Transformation, nur den halben Wellenleiter
(b/2) zu betrachten. Die Transformation des Blindwiderstandes X nimmt folgenden
Verlauf: X = 0 von Z1 über 1, in X1, nun durch einen Wellenwiderstandssprung
X1 - Z@Z2 nach X2, hier wieder mit. 12 nach X3, nun wiederum der Wellenwiderstandssprung
X3 - Z2/Z3 nach X4 und mit der Länge 13 erneut nach X = 0. Dabei ist: Z1
= c - b/2; Z2 = c - b'; c = konstant.
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Aus dem Verlauf der Transformation im Smith-Diagramm der F i g. 5
kann man ersehen, daß bei der dargestellten Lage des Abstimmkörpers, die sich auf
die längste abstimmbare Hohlleiterwellenlänge bezieht, mit Hilfe der Wellenwiderstandssprünge,
die im Diagramm als die von den Punkten X1, 1, X2 bzw. X3, 1, X4 eingeschlossenen
Winkel erscheinen, eine elektrische Länge AH 102 der Schwingung (im Smith-Diagramm
= 360°) durch das wesentlich kürzere Leitungsstück der mechanischen Länge 1ges ersetzt
wird; dieses erscheint im Diagramm als die Summe der Winkel 11-I-12-1-1".
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Die Länge 12 kann klein gehalten werden, indem b/2:
b' und damit nach den obigen Formeln Z,: Z2 groß gewählt werden. Dies
entspricht bei einem gegebenen Wellenwiderstand Z1 (= Z3) einem wesentlich kleineren
Wellenwiderstand Z2.
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Weiterhin ist zu ersehen, daß ein Durchgang des Punktes X3 durch oo
zu vermeiden ist; der Wellenwiderstandssprung X3 - Z2/Z3 nach X4 im Punkt oo ergäbe
keinen Sprung um den Winkel X3, 1, X4, so daß die Punkte X3 und X4 dort zusammenfielen.
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Dieser Zustand ist leicht zu verhindern, da bei vorgegebener Leitungslänge
lg" ein 1, gewählt werden kann, das diese Bedingung erfüllt.
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Wie erwähnt, gelten diese überlegungen für die Abstimmung auf die
längste Hohlleiterwellenlänge AH 1o max, bei der der Abstimmkörper am weitesten
nach dem elektrisch gut leitend abgeschlossenen Ende des Resonators zurückgezogen
ist. Für die Abstimmung auf die kürzeste Wellenlänge A,-"O"", bei der der Abstimmkörper
in die entgegengesetzte Richtung verschoben wird, gilt, daß das maximale
1,
gleich 410/2 werden darf. Dies bedeutet, daß die virtuelle Abschlußebene
8 am hinteren Ende des Abstimmkörpers (Trennebene 11 zu 12) liegt. Die Transformation
durch den Abstimmkörper bewirkt dabei eine mechanische Verkürzung des zwischen der
virtuellen Abschlußebene 8 und dem nächstliegenden Spannungsmaximum der Welle befindlichen
Hohlleiterabschnitts.
Durch diesen vorgegebenen Bereich von 1i ist
der Abstimmbereich des Abstimmkörpers gekennzeichnet.