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Seitlich offener Hohlleiter für die übertragung elektromagnetischer
Oberflächenwellen Die Erfindung betrifft einen seitlich offenen Hohlleiter für die
Ubertragung elektromagnetischer Wellen in Form von Oberflächenwellen.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Leiter elektromagnetischer
Wellen, die eine Ubertragung ohne die Umwandlung von Wellenmoden gestatten. Die
Erfindung betrifft ferner Leiter für die Ubertragung elektromagnetischer Wellen,
welche gleichzeitig als Strahler verwendet werden können.
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Es ist bereits bekannt, daß ein Hohlleiter oder Mikrowellen-Oberflächenleiter
aus zwei parallelen Metallplatten besteht und sich eine polarisierte Welle zwischen
diesen Leitern oder Platten fortpflanzen kann. Bei dieser Art der Fortleitung einer
polarisierten Welle besteht jedoch die Gefahr, daß der Grundtyp der Welle in andere,
unerwünschte Wellenmoden umgewandelt wird.
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Es ist auch bereits ein Hohlleiter bekannt, dessen metallische Wandung
einen Querschnitt umschließt, der dem Verlauf einer Feldlinie entspricht, so daß
vorzugsweise nur die Grundwelle übertragen wird. Diese Art des Hohlleiters gestattet
jedoch keine Verwendung als Strahler.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leiter für die
Ubertragung elektromagnetischer Wellen zu schaffen, der eine geringe Dämpfung aufweist,
die Umwandlung von Wellenmoden weitgehend verhindert, als Strahler' verwendet werden
kann und eine Steuerung der seitlichen Abstrahlungsrichtung der Wellen gestattet.
Ferner sollen trotz der Möglichkeit seitlicher Abstrahlung der Welle die Metallplatten
fest miteinander verbunden und der innere Hohlraum gegen Verschmutzung geschützt
sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen seitlich offenen
Hohlleiter, welcher zwei parallel gegenüberliegende Metallplatten mit U-förmigen
Rinnen in Fortpflanzungsrichtung der Welle aufweist, wobei zwischen dem Abstand
der beiden Metallplatten a, dem Abstand der gegenüberliegenden Böden der U-förmigen
Rinnen b und dem Abstand der U-Schenkel c die Beziehungen gelten:
Ein solcher Oberflächenwellenleiter kann als Leckwellenführer für Mitteilungen,
Radarsysteme u. dgl. verweiidet werden. In weiterer Ausbildung kennzeichnet sich
ein erfindungsgemäßer Leiter dadurch, daß in an sich bekannter Weise die beiden
Metallplatten auf ihren gegenüberliegenden Flächen konkave Oberflächen aufweisen,
die in Fortpflanzungsrichtung symmetrisch zueinander angeordnet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden
die beiden Metallplatten durch Tragstangen oder ununterbrochene dielektrische Materialien
derart zusammengehalten, daß eine Strahlung in den Außenraum des Leiters möglich
ist. Durch die kontinuierliche Lagerung oder Abstützung der Metallplatten wird die
Festigkeit des Trägers erhöht, und man erhält gleichzeitig einen gleichförmigen
Oberflächenwellenleiter, wobei Unebenheiten in der Fluchtung und in dem Leiter infolge
Reflexion von den Trägern u. dgl, eliminiert sind. Da das Innere zwischen den beiden
Platten darüber hinaus verschlossen ist, wird der Eintritt von Staub und Regenwasser
ins Innere verhindert.
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Vorzugsweise können die Seitenkanten mit einem Material abgedeckt
sein, das elektrische Wellen absorbiert, so daß eine nach außen gerichtete Strahlung
unterbunden ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung sind die Seitenkanten
einer oder beider Metallplatten leicht nach oben gebogen, so daß die Strahlungsrichtung
geneigt
ist, wenn ein Teil der elektrischen Welle nach außen abstrahlt. Die auf diese' Weise
abgestrahlte Energie eignet sich besonders als Leckwellenführung. Dadurch kann die
Tatsache ausgeglichen- werden, daß bei den vorhergehenden erfindungsgemäßen Vorrichtungen
die Strahlung ihren maximalen Wert in horizontaler Richtung erreicht.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert
werden. Die Zeichnungen zeigen in F i g. 1 und 4 perspektivische Ansichten
grundsätzlicher Ausführungsformen des Mikrowellen- Oberflächenwellenleiters gemäß
der Erfindung, F i g. 2, 3 und 5 schematische Darstellungen
zur theoretischen Erläuterung des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Oberflächenwellenleiters,
F i g. 6 und 7 perspektivische Ansichten erfindungsgemäßer Mikrowellen-Oberflächenwellenleiter
mit Abstützungen und in F i g. 8 eine perspektivische Ansicht erfindungsgemäßer
Mikrowellen-Oberflächenwellenleiter mit einstellbarer seitlicher Abstrahlrichtung.
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F i g. 1 zeigt eine grundsätzliche Ausführungsform des Mikrowellen-Oberflächenwellenleiters
gemäß der Erfindung, bei der winkelig profilierte parallele Metallplatten Verwendung
finden. 1 und 2 bezeichnen Metallplatten mit Winkelprofilen 3 und
4. Diese Metallplatten 1 und 2 sind symmetrisch und parallel zu der y-Achse
angeordnet. Der Abstand zwischen den beiden parallelen Metallplatten 1, 2
ist bei a und b
in einem Schnitt senkrecht zur Fortleitungsrichtung dieses
Leiters verschieden. In der Figur bezeichnet c die Breite der Winkelprofile 3,4
in den Metallplatten 1
und 2.
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Der Raum 1 im Winkelprofil heiße Profilraum und der Raum II
zwischen den parallelen Platten heiße Parallelraum. In y-Richtung sollen sich die
Platten ins Unendliche erstrecken. In der Praxis kann die Plattenausdehnung in y-Richtung
jedoch begrenzt sein, da das in Betracht kommende elektrische Feld in y-Richtung
nach einer Exponentialfunktion abnimmt (F i g. 2).
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F i g. 2 zeigt die elektrische Feldverteilung in dem Augenblick,
wo ein elektrisches Feld in der y-Richtung des Oberflächenwellenleiters nach F i
g. 1 erregt ist. In dem Oberflächenwellenleiter nach F i g. 1
wird,
wenn b > a ist und entsprechende Werte dieser beiden vorliegen,
die Verteilung des elektrischen Feldes Ey auf der y-Achse durch eine Kurve wiedergegeben,
wie man aus F i g. 3 erkennt.
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Aus dieser Zeichnung ist ersichtlich, daß auf beiden Seiten des Bereiches
I, gesehen von der y-Achse, Bereiche II existieren. Im Bereich I ist das elektrische
Feld annähernd in Form einer Kosinusfunktion verteil, und im Bereich II nimmt das
elektrische Feld entsprechend einer Exponentialfunktion mit weiterer Entfernung
von der Mitie ab. Dies bedeutet in anderen Worten, daß die elektromagnetische Welle
zwischen den beiden leitenden Platten die Form einer Oberflächenwelle hat,
d. h., daß die Energie im Bereich der Mitte konzentriert ist und die Dichte
der öbertragungsenergie bei weiterer Entfernung von der Mitte abnimmt.
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Es soll nunmehr ein Fall betrachtet werden, bei dem die elektrische
Welle in diesem Leiter in Richtung Z mit der Phasünwellenlänge Ag fortgeleitet wird.
Die Form des elektrischen Feldes ist in diesem Falle die gleiche wie in dem Falle,
wo leitende Platten in einem Resonator in der Richtung Z senkrecht zu der Z-Achse
in Intervallen von
eingesetzt werden. Der Resonator besteht dann aus zwei rechteckigen Leitern mit
einer gemeinsamen Achse (y-Achse) und derselben Breite
jedoch verschiedenen Abständen (a, b). Im folgenden wird für senkrechte
Wellentypen in einem rechteckigen Leiter, die sich in Richtung der y-Achse erstrecken,
die Bezeichnung zur Unterscheidung
von den anderen Wellentypen
und verwendet, wobei das hochgestellte R dient.
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Wird der Resonator in der Mitte des Profilraumes durch ein nur eine
y-Komponente aufweisendes elektrisches Feld erregt, dann entsteht ein
und
ein Typ, wobei p = 0, 1, 2 ... ist.
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Von
diesen Arten sind die niedrigsten dißjenigen von und
Befinden sich diese in dem Zustand, wo
sie'in der Richtung im Parallelraum blockiert sind, dann fließt die Energie nicht
aus dem Bereich II, sondern mit geeigneter Frequenz wird Energie im Mittelteil gesammelt
und gerät in den Resonanzzustand. Wenn die Leitung nach F i g. 1 mit der
Resonanzfrequenz in diesem Zeitpunkt erregt wird, ergibt sich somit mit anderen
Worten, daß die natürliche Art mit einer übertragungswellenlänge, in der die Länge
des Resonators selbst die halbe Wellenlänge ist, in der Z-Richtung fortgeleitet
wird.
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Die Annahme, daß die Arten und in y-Richtung im Bereich II blockiert
sind,
wurde
bereits erwähnt und läßt sich wie folgt erklären: Es werde angenommen, daß die Phasenkonstanten
in der x-, y- und z-Richtung in den Bereichen I und II wiedergegeben
seien durch kx', k-y', kz', kx", kyll, kz". Dann läßt sich die Beziehung zwischen
den Phasenkonstanten durch folgende Formeln wiedergeben:
Betrachtet man die Fundamentalart im Bereich I, dann erhält man
Da ky gegenüber kx und kz als außerordentlich klein anzunehmen ist, erhält man unter
Vernachlässigung von ky folgenden Wert:
In ähnlicher Weise ergibt sich für die Fundamentalart im Bereich 11
und daher
Errechnet man ky aus den obigen Formeln 5 und 8,
dann ist ky ein imaginärer
Wert, wie sich aus der folgenden Formel ergibt:
Dies bedeutet, daß er in der y-Richtung blockiert ist. In diesem Falle wird die
Verteilung in der y-Richtung des elektromagnetischen Feldes im Bereich
11
durch eine Exponentialfunktion folgenden Ausdrucks wiedergegeben:
Die sich ergebende elektrische Feldverteilung der ist in F i g. 3 dar-Y-Komponenten
Ey von Hll gestellt. F i g. 4 zeigt eine andere grundsätzliche Ausführungsform
des Mikrowellen-Oberflächenwellenleiters gemäß der Erfindung. Die beiden Metallplatten
1
und 2 sind einander gegenüberliegend angeordnet. Diese Metallplatten weisen
konkave Oberflächen Y, 4' im Bereich der Mitte ihrer gegenüberliegenden Oberflächen
auf. Infolgedessen ist der Abstand zwischen diesen beiden Metallplatten
l', 2' an 'verschiedenen Punkten im Querschnitt senkrecht zur Fortleitungsrichtung
verschieden. Mit dem Mikrowellen-Oberflächenwellenleiter mit winkeligen Profilen
nach F i g. 1
ist es möglich, nur die Fundamentalart durch entsprechende Anpassung
des Abstandes a zwischen den beiden Metallplatten, des Abstandes b zwischen
den winkeligen Profilen und der Breite c der winkeligen Profile zu übertragen.
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Allgemein gesprochen bedeutet dies, daß die Arten H2.-1,. und E2,.-1,.
in dem Oberflächenwellonleiter nach F i g. 1 vorhanden sind. Von diesen
beiden entspricht 2--1 den Änderungen in der x-Richtung des elektromagnetischen
Feldes und n den Änderungen in der y-Richtung. Durch Bestimmung des Abstandes a
zwischen den beiden Metallplatten, des Abstandes b zwischen den Winkelprofilen
und der Breite c des Profils läßt sich deshalb feststellen, daß nur die Fundamentalarten
Hl" und Ei, in der z-Richtung unabhängig von der Frequenz übertragen werden,
wenn eine Konstruktion gewählt wird, die die folgenden Beziehungen befriedigt:
Die Formel 10 bezieht sich auf 2m-1 in H2.-1,. und Ist die Formel
10 erfüllt, dann werden nur Hl, und EI, übertragen. Wenn infolgedessen
beide Formeln 10 und 1,1 gleichzeitig erfüllt werden, dann existieren
nur die Fundamentalarten von HI, und E".
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F i g. 5 zeigt diese Bedingungen der Formeln
10
und 11. In F i g. 5 sind die Zustände, welche die
Formeln 10 und 11 erfüllen, wenn die Mitte der beiden profilierten
parallelen Metallplatten als Ursprung 0 und der Abstand b zwischen
den Profilen als A-B gewählt sind, als.1 bzw. 2 wiedergegeben, und der Bereich der
Profileckep, der beide erfüllt, ist durch Schraffur angedeutet. Die gerade Linie10
zeigt
und die Kurve 11 zeigt
entsprechend den Formeln 10 und 11. Wenn der Punkt P innerhalb des
schraffierten Teiles liegt, dann werden die hohe Leistung aufweisenden Arten nicht
in dieser Leitung übertragen, sondern nur die fundamentalen Arten Hll und
EI,.
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F i g. 6 zeigt ein Beispiel für die Abstützvorrichtung für
die beiden Metallplatten des Mikrowellen-Oberflächenwellenleiters nach den F i g.
1 und 4. F i g. 6A
zeigt die Tragvorrichtung für die Metallplatten
1, 2 mit den Profilen 3, 4 nach F i g. 1, und F i.
g. 6 B zeigt die Tragvorrichtung für die Metallplatten l', 2' mit
den konkaven Oberflächen Y, 4' in den gegenüberliegenden Oberflächen, wie
es in F i g. 4 wiedergegeben ist. Diese Metallplatten werden in der Nachbarschaft
beider Kanten durch Tragstangen 5 aus dielektrischem Material in Abständen
in der Fortleitungsrichtung abgestützt.
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F i g. 7 zeigt ein anderes Beispiel für die Tragvorrichtung
für einen Mikrowellen-Oberflächenwellenleiter, gemäß der Erfindung. F i
g. 7C zeigt die Anwendung auf den Leiter nach F i g. 6A, und F i
g. 7 D zeigt die Anwendung auf den Leiter nach F i g. 613. In diesen
Beispielen werden die parallelen Kanten der beiden Metallplatten kontinuierlich
dadurch abgestützt, daß man an den Metallplatten ein dielektrisches Material befestigt
und die Leitung eine solche Konstruktion aufweist, daß das Innere zwischen beiden
Metallplatten geschlossen ist. Mit endlicher Breite des Leiters strahlt ein Teil
der Energie von den Uffnungen auf beiden Seiten ab.
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Die Strahlung hat ihren maximalen Wert in horizontaler Richtung, jedoch
kann die Richtung des Strahles korrigiert werden, indem man die oberen und unteren
Konstruktionen asymmetrisch herstellt.
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F i g. 8 zeigt Beispiele für solche Konstruktionen. In F i
g. 8 E sind bei einer der profilierten einander gegenüberliegenden Metaltplatten
die Seitenkanten 8
nach rechts und links gebogen. Bei der Ausführungsform
nach F i g. 8 F ist die linke Metallplatte 9 mit einem Profil versehen
und weist eine größere Breite als die rechte Metallplatte 1 auf. Wenn die
Kanten einer der Metallplatten geneigt sind oder die Breite einer der Metallplatten
größer als die andere ist, erfolgt eine seitlich nach oben gerichtete Abstrahlung.