DE1224378B - Arrangement for reverse shafts - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #|# PATENTAMT Int. Cl.: FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN # | # PATENTAMT Int. Cl .:
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
HOIpHOIp
H 03 hH 03 h
Deutsche KL: 21 a4 - 74German KL: 21 a4 - 74
Nummer: 1 224 378Number: 1 224 378
Aktenzeichen: T 24338 IX d/21 a4File number: T 24338 IX d / 21 a4
Anmeldetag: 20. Mi 1963 Filing date: Wednesday 20, 1963
Auslegetag: 8. September 1966Opening day: September 8, 1966
Die Erfindung befaßt sich mit einer Anordnung für Rückwärtswellen, die aus einem Hohlleiterabschnitt besteht mit einem in Ausbreitungsrichtung der Wellen verlaufenden, den Hohlleiterquerschnitt nur teilweise ausfüllenden Dielektrikum.The invention is concerned with an arrangement for reverse waves which consist of a waveguide section consists of a waveguide cross-section running in the direction of propagation of the waves only partially filling dielectric.
Es ist bekannt, daß in Hohlleitern, die periodisch belastet sind, elektromagnetische Wellen bestehen können, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit kleiner ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes im freien Raum. Solche Anordnungen finden Verwendung bei Wanderwellenverstärkern.It is known that there are electromagnetic waves in waveguides which are periodically loaded whose speed of propagation is less than the speed of propagation of light in free space. Such arrangements are used in traveling wave amplifiers.
Ferner ist bereits die Existenz von Rückwärtswellen in einem Rundhohlleiter, der mit einem kontinuierlich verlaufenden axialen dielektrischen Einsatz versehen ist, bekannt. Als Rückwärtswellen versteht man hierbei elektromagnetische Wellen, deren Gruppengeschwindigkeit entgegengesetzte Richtung besitzt wie die Phasengeschwindigkeit. In solchen Wellen wandert die Energie entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der Phasenfronten.Furthermore, there is already the existence of backward waves in a circular waveguide that is continuous with a extending axial dielectric insert is known. Understood as backward waves one here electromagnetic waves whose group velocity has opposite direction like the phase velocity. In such waves, the energy moves in the opposite direction to the direction of propagation of the phase fronts.
In der Fig. 1 ist die Phasenkurve einer Rückwärtswelle dargestellt. Sie besitzt zwischen den beiden Punkten e und b einen fallenden Ast. Bei jeder Frequenz in diesem Bereich können sich zwei Eigenwellen im Hohlleiter ausbreiten. Eine davon ist die Rückwärtswelle. Ihre Phasenkonstanten sind in der Fig. 1 mit /J1 und ß2 bezeichnet. Die zugehörigen Wellenlängen sind I1 und A2. In der Fi g. 1 wurde die Phase β in Abhängigkeit von der Frequenz / aufgetragen. Die Frequenz im Punkt b ist die Umkehrfrequenz /„. Die Grenzfrequenz ist mit fg bezeichnet.In Fig. 1, the phase curve of a reverse wave is shown. It has a falling branch between the two points e and b. At any frequency in this range, two natural waves can propagate in the waveguide. One of them is the backward wave. Their phase constants are denoted by / J 1 and β 2 in FIG. The associated wavelengths are I 1 and A 2 . In Fi g. 1 the phase β was plotted as a function of the frequency /. The frequency at point b is the reverse frequency / ". The cutoff frequency is denoted by f g.
In der F i g. 2 ist ein bekannter Rundhohlleiter 1 im Querschnitt dargestellt, welcher einen axialen Einsatz 2 aus Dielektrikum besitzt. Bei dieser Anordnung wurden Rückwärtswellen berechnet und nachgewiesen. Für die praktische Anwendung von Rückwärtswellen ist die Verwendung eines Rundhohlleiters jedoch von Nachteil, da die in ihm entstehenden Rückwärtswellen keine eindeutig definierte Polarisationsrichtung besitzen und da außerdem der dielektrische Einsatz 2 durch zusätzliche Haltemittel konzentrisch im Hohlleiter 1 befestigt werden muß. Für die Fertigung eines Rückwärtswellen weiterleitenden Hohlleiters wäre es zweckmäßig, wenn man den dielektrischen Einsatz direkt auf der Hohlleiterwand befestigen könnte. Durch den Aufsatz von Clarricoats, »Circular-waveguide backward-wave Structures« in Proceedings IEE, Februar 1963, S. 267 und 268, wird jedoch darauf hingewiesen, daß Rückwärtswellen in einem Hohlleiter nur dann existent sind, wenn das Dielektrikum axial angeordnet ist, während bei einer Befestigung des Dielektri-Anordnung für RückwärtswellenIn FIG. 2, a known circular waveguide 1 is shown in cross section, which an axial Has insert 2 made of dielectric. In this arrangement, backward waves were calculated and proven. For the practical application of reverse waves, the use of a circular waveguide is recommended However, it is a disadvantage, as the backward waves that arise in it are not clearly defined Have direction of polarization and there also the dielectric insert 2 by additional holding means must be attached concentrically in the waveguide 1. For the manufacture of a reverse shaft relay Waveguide, it would be useful if you put the dielectric insert directly on the waveguide wall could attach. Through the essay by Clarricoats, “Circular-waveguide backward-wave Structures "in Proceedings IEE, February 1963, pp. 267 and 268, it is pointed out, however, that back waves only exist in a waveguide if the dielectric is axially arranged is while in a fixture of the dielectric arrangement for reverse waves
Anmelder:
TelefunkenApplicant:
Telefunken
Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3Patentverwertungsgesellschaft mb H.,
Ulm / Danube, Elisabethenstr. 3
Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Hans-Georg Unger,
Dipl.-Ing. Arne Lavik, BraunschweigNamed as inventor:
Dr.-Ing. Hans-Georg Unger,
Dipl.-Ing. Arne Lavik, Braunschweig
kums auf einer Hohlleiterwand keine Rückwärtswellen möglich sind.cum on a waveguide wall no back waves possible are.
Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung für Rückwärtswellen aufzuzeigen, die aus einem Hohlleiterabschnitt mit einem in Ausbreitungsrichtung der Wellen verlaufenden, den Hohlleiterquerschnitt nur teilweise ausfüllenden Dielektrikum besteht, bei welcher eine einfache mechanische Befestigung der erforderlichen dielektrischen Belastung möglich ist. Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, daß dieses Dielektrikum näherungsweise streifenförmig ausgebildet ist, auf einer Hohlleiterwand aufliegt und im Bereich des maximalen elektrischen Feldes der Grundwelle angebracht ist.The aim of the invention is to show an arrangement for reverse waves, which consists of a waveguide section with one running in the direction of propagation of the waves, the waveguide cross-section only partially filling dielectric, in which a simple mechanical attachment of the required dielectric load is possible. According to the invention it is proposed for this purpose that this dielectric is approximately strip-shaped, rests on a waveguide wall and is attached in the area of the maximum electric field of the fundamental wave.
Durch umfangreiche Rechnungen, welche experimentell nachgeprüft wurden, hat es sich überraschenderweise gezeigt, daß bei bestimmter Dimensionierung Rückwärtswellen auch in einem Hohlleiter existieren, bei dem der dielektrische Einsatz direkt auf der Hohlleiterwand aufliegt. An Stelle eines Streifens aus Dielektrikum können hierbei auch mehrere Streifen Verwendung finden, die jeweils nur auf einer Hohlleiterwand angebracht sind.By extensive calculations, which were verified experimentally, it has surprisingly showed that with certain dimensions back waves also exist in a waveguide, in which the dielectric insert rests directly on the waveguide wall. Instead of a stripe Several strips made of dielectric can also be used, each on only one Waveguide wall are attached.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll im folgenden die Erfindung noch näher beschrieben werden.The invention is to be described in more detail below on the basis of exemplary embodiments will.
In der Fig.3 ist eine gemäß der Erfindung aufgebaute Anordnung gezeigt, bei welcher Rückwärtswellen auftreten. Diese Anordnung besteht aus einem Hohlleiterabschnitt 3 mit halbrundem Querschnitt. Die Grundplatte 4 dieses Hohlleiters dient zur Befestigung des dielektrischen Streifens 5, der ebenfalls halbrunden Querschnitt aufweist und in der Mitte der Grundplatte 4 angebracht ist. Der RadiusIn Figure 3 is a constructed according to the invention Arrangement shown in which reverse waves occur. This arrangement consists of one Waveguide section 3 with a semicircular cross-section. The base plate 4 of this waveguide is used for fastening of the dielectric strip 5, which also has a semicircular cross-section and in the Center of the base plate 4 is attached. The radius
609 659/141609 659/141
des dielektrischen Streifens 5 ist in der Figur mit r0 bezeichnet, während der Radius des halbrunden Hohlleiters ra ist.of the dielectric strip 5 is denoted in the figure by r 0 , while the radius of the semicircular waveguide is r a .
In der Fig. 4 sind verschiedene Phasenkurven I bis IV des in der F i g. 3 dargestellten Hohlleiterabschnittes in Abhängigkeit von der Frequenz / dargestellt. Die mit I bezeichnete obere PhasenkurveFIG. 4 shows various phase curves I to IV of the FIG. 3 illustrated waveguide section depending on the frequency / shown. The upper phase curve labeled I.
wurde bei einem Verhältnis von— = 0,5 aufgeaom-was taken up at a ratio of - = 0.5
ra r a
men. Bei der mit Π bezeichneten Kurve betrug dieses Verhältnis 0,6, bei der dritten Kurve (III) 0,7 und bei der untersten Phasenkurve (IV) 0,8. Die relative Dielektrizitätskonstante muß bei einer gemäß der Fig. 3 aufgebauten Anordnung größer als 9,1 sein, um Rückwärtswellen zu bekommen. Bei den in der F i g. 4 dargestellten vier Phasenkurven betrug die relative Dielektrizitätskonstante des Einsatzes 15. Zur besseren Beurteilung des Kurvenverlaufes sind in der F i g. 4 noch zwei Hilfslinien eingezeichnet. Die ausgezogene Linie entspricht einer Phasengeschwindigkeit V1, = -JL-. Die gestrichelt eingezeichnete Linie bezeichnet die Phasengeschwindigkeit, die gleich der Lichtgeschwindigkeit c ist. Der verwertbare Frequenzbereich, bei dem bei einer gemäß der F i g. 3 aufgebauten Anordnung eine Rückwärtswelle auftritt, beträgt 9,5%.men. In the curve designated by Π this ratio was 0.6, in the third curve (III) 0.7 and in the lowermost phase curve (IV) 0.8. The relative dielectric constant must be greater than 9.1 in an arrangement constructed according to FIG. 3 in order to get back waves. In the case of the FIG. The four phase curves shown in FIG. 4 were the relative dielectric constant of the insert 15. For a better assessment of the course of the curve, FIG. 4 two auxiliary lines are drawn. The solid line corresponds to a phase velocity V 1 , = -JL-. The dashed line denotes the phase velocity, which is equal to the speed of light c . The usable frequency range in which, according to FIG. 3, a backward wave occurs is 9.5%.
In der Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierbei ist der Hohlleiterabschnitt ein Rechteckhohlleiter 6, der auf seiner Breitseite α mit einem dielektrischen Streifen 7 belastet ist. Die Höhe des symmetrisch angeordneten dielektrischen Streifens 7 ist mit h, seine Breite mit t bezeichnet.In Fig. 5, a further embodiment of the invention is shown. Here, the waveguide section is a rectangular waveguide 6, which is loaded with a dielectric strip 7 on its broad side α. The height of the symmetrically arranged dielectric strip 7 is denoted by h and its width by t.
Die Fig. 6 zeigt fünf verschieden bemessene Phasenkurven der in der F i g. 5 dargestellten Anordnung, Abweichend von den Meßkurven der Fig. 4 wurden hierbei die Phasenkurven normiert dargestellt. Auf der waagerechten Achse ist die Phase&konstante β multipliziert mit der Hohlleiterbreite α aufgetragen, während die Einheit der senkrechten Achse die Kreisfrequenz ,« multipliziert mit der Hohlleiterbreite α im Verhältnis zar Lichtgeschwindigkeit c isL Entsprechend der Fig. 4 sind in der Fig. 6 noch zwei Hilfsgeraden eingezeichnet, welche besondere Werte der Phasengeschwindigkeit v„ angeben. Die Kurven I bis V zeigen wieder den Verlauf der Phase der Grundwelle im Hohlleiterabschnitt. Man erhält bei der in der F ig. 5 dargestellten Anordnung Rückwärtswellen, wenn die relative Dielektrizitätskonstante des Streifens 7 größer als 8,5 ist. Zur Feststellung der optimalen Dispersions-Charakteristik, d.h. der Phasencharakteristik, mit einem fallenden Ast über einen möglichst weiten Frequenzbereich wurden ,alle Parameter systematisch variiert. Es ergab sich hierbei ein Optimum bei einer relativen Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Streifens 7 von 15, bei einem Verhältnis vonFIG. 6 shows five differently dimensioned phase curves of the FIG. The arrangement shown in FIG. 5, in contrast to the measurement curves of FIG. 4, the phase curves were shown in a normalized manner. The phase & constant β multiplied by the waveguide width α is plotted on the horizontal axis, while the unit on the vertical axis is the angular frequency, multiplied by the waveguide width α in the ratio of the speed of light c isL drawn in, which indicate particular values of the phase velocity v ". The curves I to V again show the course of the phase of the fundamental wave in the waveguide section. In the case of the Fig. 5 arrangement shown reverse waves when the relative dielectric constant of the strip 7 is greater than 8.5. To determine the optimal dispersion characteristic, ie the phase characteristic, with a falling branch over the widest possible frequency range, all parameters were systematically varied. This resulted in an optimum with a relative dielectric constant of the dielectric strip 7 of 15, with a ratio of
a:t:h:d= 1:0, 5:0, 4:0,2 a: t: h: d = 1: 0, 5: 0, 4: 0.2
mit einem relativen Frequenzbereich von 11,7*/ι>. Bei den in der Fig, 6 dargestellten Phasenkurven betrug die Höhe h des Dielektrikums die Hälfte der Hohlleiterbreitseite. Der Luftspalt d über dem Dielektrikum wurde variiert, und zwar stellt die mit I bezeichnete Kurve den Phasenverlauf einer Anordnung dar, bei welcher d = 0,18a betrug. Bei der mitwith a relative frequency range of 11.7 * / ι>. In the phase curves shown in FIG. 6, the height h of the dielectric was half of the waveguide broadside. The air gap d above the dielectric was varied, namely the curve labeled I represents the phase profile of an arrangement in which d = 0.18a. At the with
II bezeichneten Phasenkurve war d = 0,4t a. Die mitII designated phase curve was d = 0.4t a. With
III bezeichnete Kurve gibt das Phasenverhalten wieder, bei welcher der Luftspalt d genau so groß war wie die Hohlleiterbreite a. Bei der Kurve IV bzw. V betrug der Luftspalt 0,1« bzw. 0,01 a. III curve shows the phase behavior in which the air gap d was exactly as large as the waveguide width a. In the case of curve IV and V, the air gap was 0.1 ″ and 0.01 a, respectively.
In der Fig. 7 ist der relative FrequenzbereichIn Fig. 7 is the relative frequency range
~- in Abhängigkeit des Verhältnisses des Luftspal- ~ - depending on the ratio of the air gap
tes d zur Hohlleiterbreite α aufgetragen. Δ f bezeichnet hierbei die Differenz aus Grenzfrequenz fg und Umkehrfrequenz /„. Für sehr große Verhältnisse von d:a nähert sich der relative Frequenzbereich der Rückwärtswelle asymptotisch einem konstanten Wert. Aus diesem Verhalten ergibt sich, daß auch in einem Trogleiter Rückwärtswellen bestehen. Dies ist dadurch zu erklären, daß für entsprechend große Werte von d:a die Felder der Rückwäriswellen an der Deckenwaud des Hohlleiters schon so weit abgeklungen sind, daß man diese Wand entfernen kann, ohne die Rüekwärtswelleji wesentlich zu stören.tes d applied to the waveguide width α . In this case, Δ f denotes the difference between the cut-off frequency f g and the reversal frequency / ". For very large ratios of d: a , the relative frequency range of the backward wave asymptotically approaches a constant value. From this behavior it follows that there are also backward waves in a trough ladder. This can be explained by the fact that for correspondingly large values of d: a the fields of the reverse waves at the ceiling wall of the waveguide have already decayed so far that this wall can be removed without significantly disturbing the reverse waves.
Die Fig.S zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher als Hohlleiterabschnitt ein Trogflohlleiter dient, auf dessen Schmalseite 9 ein dielektrischer Streifen 8 aufliegt. Beim dargesteE-ten Beispiel ist dieser Streifen -symmetrisch zu den beiden Seitenwäaden XO α und 10 £ des Troghohlleiters angeordnet. Die Höhe des dielektrischen Streifens 8 ist i» der Figur mit h, die Breite mit / bezeichnet. Die gesamte Höhe der beiden Seitenwände des TroghohUeiters beträgt Qi +d). Die relative Dielektrizitätskonstante des Streifens «8 muß größer als 4,8 gewählt werden, damit Rückwärtswellea in dem Troghohlleiter existent sind.The Fig. S shows a further embodiment of the invention, in which a trough-shaped waveguide serves as the waveguide section, on the narrow side 9 of which a dielectric strip 8 rests. In the example shown, this strip is arranged symmetrically to the two side walls XO α and 10 £ of the trough waveguide. The height of the dielectric strip 8 is denoted by h in the figure and the width by /. The total height of the two side walls of the trough is Qi + d). The relative dielectric constant of the strip 8 must be chosen to be greater than 4.8 so that backward waves exist in the trough waveguide.
Es versteht sieh, daß die in den Aasführungsbeispielen
dargestellten Querschnitte der dielektrischen Streifen nur einige der möglichen Ausführungsformen
der Erfindung darstellen.
Wird der dielektrische Streifen des Hohlleiterabschnittes mindestens zum Teil durch einen Stoff
mit feldstärkeabhängiger Dielektrizitäts- oder Permeabilitätskonstante gebildet, so ergeben sich zahlreiche
Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann man durch ein äußeres statisches Feld die
reltaive Dielektrizitäts- oder Permeabilitätskonstante so einstellen, daß in dem Hohlleiterabschnitt wahlweise
Vorwärts- bzw. Rückwärtswellen entstehen.It will be understood that the cross-sections of the dielectric strips shown in the exemplary embodiments represent only some of the possible embodiments of the invention.
If the dielectric strip of the waveguide section is formed at least in part by a substance with a field strength-dependent dielectric or permeability constant, there are numerous possible applications. For example, an external static field can be used to set the relative dielectric constant or permeability constant in such a way that either forward or backward waves are produced in the waveguide section.
Ferner ist es möglich, eisen gemäß der Erfindung aufgebauten Hohlleiterabschnitt als Laufzeitglied bzw. Laufzeitentzerrer zu verwenden. Man dimensioniert hierbei die Anordnung so, daß man in dem interessierenden Frequenzbereich Phasenkurven erhält, welche unigekehrt verlaufen, verglichen mit dem zu entzerrenden Vierpol. Sind die Ausgangsklemmen des Vierpols durch einen Hohlleiter verwirklicht, so wird zur Entzerrung ein weiterer Hohlleiterabschnitt mit entsprechend gewählter dielektrischer Belastung in den Hohlleiterzug eingefügt. Zur Vermeidung unerwünschter Stoßstellen empfiehlt es sich hierbei, den dielektrischen Streifen an seinen Enden in an sich bekannter Weise zu verjüngen.It is also possible to use a waveguide section constructed in accordance with the invention as a transit time element or runtime equalizer to be used. The arrangement is dimensioned in such a way that one in the frequency range of interest receives phase curves which are inverse compared to the quadrupole to be equalized. If the output terminals of the quadrupole are implemented by a waveguide, a further waveguide section with a correspondingly selected dielectric is used for equalization Load inserted into the waveguide train. It is recommended to avoid undesired joints here to taper the dielectric strip at its ends in a manner known per se.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich bei Richtungskopplern. Hierbei wird ein Rechteckhohlleiter über entsprechende Koppelöffnungen in der Seitenwand mit einem durch ein Dielektrikum gemäß der vorliegenden Erfindung belasteten Hohlleiterabschnitt gekoppelt. Da der eine Hohlleiter Vor-Another possible application of the arrangement according to the invention results in directional couplers. Here, a rectangular waveguide is made via corresponding coupling openings in the side wall with a waveguide section loaded by a dielectric according to the present invention coupled. Since the one waveguide is
wärtswellen, der andere Hohlleiter Rückwärtswellen führt, wird bei gleicher Phasengeschwindigkeit aber entgegengesetzter Gruppengeschwindigkeit der beiden gekoppelten Wellen Energie von der einen Welle zur anderen nicht in gleicher Ausbreitungsrichtung übergekoppelt, sondern in der Gegenrichtung. Solche Richtungskoppler bezeichnet man deshalb als Gegenrichtungskoppler.downward waves, the other waveguide carries backward waves, but with the same phase velocity opposite group speed of the two coupled waves energy from one Wave not coupled over to the other in the same direction of propagation, but in the opposite direction. Such directional couplers are therefore referred to as reverse directional couplers.
Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Hohlleiterabschnittes ermöglicht es ferner, Strahlenanordnungen nach Art der Oberflächenwellen- oder Leckwellenantennen zu bauen. Hierzu versieht man einen Hohlleiterabschnitt, welcher Rückwärtswellen übertragen kann, mit entsprechenden Öffnungen zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen.The inventive design of a waveguide section also enables beam arrangements to be built in the manner of surface wave or leaky wave antennas. To do this, one provides one Waveguide section, which can transmit back waves, with corresponding openings for Radiation of electromagnetic waves.
Claims (12)
»Archiv der elektrischen Übertragung«, 1961,
S. 525 ff.Considered publications:
»Archive of Electrical Transmission«, 1961,
P. 525 ff.
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