DE1298151B

DE1298151B - Frequenzverdoppleranordnung fuer Mikrowellen

Info

Publication number: DE1298151B
Application number: DE1964T0025631
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing H G; Unger
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1964-02-18
Filing date: 1964-02-18
Publication date: 1969-06-26
Also published as: GB1027429A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Frequenzverdoppleranordnung für Mikrowellen, bestehend aus einem Rechteckhohlleiterabschnitt mit zwei nichtlinearen, gleichsinnig hintereinandergeschalteten und parallel zur Schmalseite des Rechteckhohlleiterabschnittes liegenden Elementen sowie einem Eingangshohlleiter, der einen zwischen den nichtlinearen Elementen angeschlossenen, in Längsrichtung des Rechteckhohlleiterabschnittes verlaufenden Koaxialleiter aufweist, der mindestens teilweise in den Rechteckhohlleiterabschnitt hineinragt.

Solche Frequenzvervielfacheranordnungen sind bekannt. Sie weisen jedoch den Nachteil auf, daß man die bei der Vervielfachung entstehenden verschiedenen Frequenzkomponenten nicht oder nur sehr schwierig trennen kann, wobei die erforderlichen übergänge bei einer Verwendung im Mikrowellengebiet von einer Koaxialleitung auf einen Rechteckhohlleiter kompliziert sind.

Ziel der Erfindung ist es, eine neue Vervielfacheranordnung aufzuzeigen, welche die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet, wobei durch Trennung der einzelnen Frequenzkomponenten eine einfache Abstimmung bzw. Anpassung ermöglicht wird bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsfähigkeit.

Bei der eingangs geschilderten Frequenzvervielfacheranordnung wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Eingangshohlleiter senkrecht zur Längsachse des Rechteckhohlleiters angeordnet ist und daß in ihrer gemeinsamen Wand eine öffnung besteht, durch welche die Koaxialleitung hindurchführt, deren Ende mit der anderen Wand des Eingangshohlleiters galvanisch verbunden ist und deren Abstand bezüglich der Endverschlußplatte des Eingangshohlleiters einen Abstand von -j- aufweist, und daß der auf die doppelte Frequenz der eingespeisten Welle abgestimmte Ausgangshohlleiterabschnitt eine auf die vierte Oberwelle abgestimmte, am Ende kurzgeschlossene -^- -Leitung aufweist, wobei bezüglich der Breitseite und der Schmalseite des Hohlleiterabschnittes folgende Bedingungen gelten:

3A₁ .

u = g (0) die eine gerade Funktion des Stromes i ist. Wenn der aufgeprägte Strom zeitlich sinusförmig von der Frequenz abhängt, so enthält die Gesamtspannung außer einem konstanten Anteil nur Wechselkomponenten, deren Frequenzen geradzahlige Vielfache der erwähnten Frequenz sind.

In der F i g. 2 ist eine praktisch durchgeführte Schaltung dargestellt, welche wiederum aus zwei nichtlinearen Widerstandsdioden Dl bzw. D 2 aufgebaut ist. Bei sinusförmiger Spannung M₁ der Frequenz ω, die an den Eingangsklemmen α und b angelegt ist, erscheinen an den Ausgangsklemmen c

_v und d nur Wechselspannungen, deren Frequenzen ein geradzahliges Vielfaches der Eingangsfrequenz ω sind. Bei der in der F i g. 2 dargestellten Schaltung wird die gewünschte Ausgangsspannung u₂ , welche eine Funktion der Eingangsspannung W₁ ist, über den Transformator T ausgekoppelt. Sofern die Kennlinien der Dioden quadratisch sind bzw. einen überwiegenden quadratischen Anteil besitzen, dann ist die Wechselspannung am Ausgang rein sinusförmig bzw. nahezu sinusförmig. Bei Schaltungen, die nichtlineare Energiespeicher enthalten, gilt Entsprechendes, wobei die Energiespeicher selbst keine Leistung verbrauchen.

Bei entsprechend hohen Frequenzen verwirklicht man eine gewünschte Frequenzverdopplung am vorteilhaftesten mit Leitungsschaltungen, die insbesondere durch Hohlleiter gebildet werden. Die eingangsseitige Leitung ist meist koaxial ausgeführt, während der Ausgang der Schaltung durch einen Hohlleiter gebildet wird. Die durch die nichtlinearen Elemente bedingten Wechselkomponenten, welche man möglichst unterdrücken will, liegen in erster Linie bei der dritten und vierten Harmonischen. Die Frequenzkomponente mit der dreifachen Frequenz bezüglich der Grundschwingung regt im Rechteckhohlleiter die Grundwelle selbst nicht an, bedingt durch die Symmetrieverhältnisse. Andere Eigenwellen, von denen die E₁₁- und H₁₁-WeIIe die niedrigste Grenzfrequenz haben, werden jedoch angeregt. Damit sich nun eine H₁₀-WeIIe bei der Frequenz 2 ω nicht ausbreiten kann und die erwähnte E₁₁- und H₁₁-WeIIe nicht bei der Frequenz 3 ω, müssen für die freie Wellenlänge A₁ der Grundfrequenz ω folgende Bedingungen gelten:

mit A₁ als Wellenlänge der Grundschwingung des Hohlleiterabschnittes, A₃ als Wellenlänge der dritten Oberwelle und A₄ als Wellenlänge der vierten Oberwelle.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In der F i g. 1 ist eine aus zwei nichtlinearen Widerstandsdioden Dl und D 2 aufgebaute symmetrische Schaltung dargestellt. Die beiden Dioden sollen hierbei eine Stromspannungscharakteristik u = f (z) besitzen, welche zur Frequenzverdopplung eine gerade Komponente enthalten muß. Der gleiche Strom ζ wird der einen Diode in entgegengesetzter Richtung als der anderen aufgeprägt. Werden die beiden Diodenspannungen, wie dies bei der Schaltung gemäß F i g. 1 der Fall ist, gegeneinander geschaltet, dann entsteht eine Gesamtspannung

bzw.

2a

1 +

(τ)

2 /1 +

G)

² Aa

Diese Ungleichung kann überhaupt nur erfüllt werden, wenn das Seitenverhältnis

τ^> ι

ist. Zur Unterdrückung bzw. verlustlosen Abstimmung der Frequenzkomponente 3 ω können dann Maßnahmen am Koaxialanschluß getroffen werden.

Die Frequenzkomponente bei 4 ω regt die Grundwelle der Koaxialleitung nicht an, wohl aber die H₁₀-WeIIe und unter Umständen auch noch höhere Eigenwellen im Rechteckhohlleiter. Von diesen höheren Eigenwellen haben entweder die H₃₀-WeIIe mit der Grenzwellenlänge

A(H)

oder die H₁₂- und E_r2-Wellen mit

X_c (H₁₂ bzw. E₁₂) =

2a

1 +

(V)

die niedrigste Grenzfrequenz. Damit diese Wellen sich nicht ausbreiten, muß sowohl

k
4

T^fl'

als auch

τ^>

2a

mw

also mit —- < 2 a für ^-Ausbreitung

2 ^ A₁

4a

< 1

gelten. Die letzte Ungleichung kann überhaupt nur erfüllt werden, wenn

a ][T
b 2 ■

Sie ist also für das Seitenverhältnis weniger einschränkend. Es stehen somit für die Bemessung des Rechteckhohlleiters der Anordnung folgende Wertebereiche zur Verfugung:

α
T

YT

8 '

wobei α die Breitseite, b die Schmalseite des Rechteckhohlleiters bezeichnet.

Als nichtlineares Element ist insbesondere eine sogenannte Kapazitätsdiode mit abruptem p-n-Ubergang geeignet. Die Kapazität einer solchen Diode ist umgekehrt proportional der Wurzel der angelegten Spannung. Werden im Diodenstrom bei einer Anregung mit der Frequenz ω die Komponenten mit 3 m und 4 ω unterdrückt, dann entsteht lediglich die Komponente 2 ω, so daß ein Leistungsumsatz lediglich zwischen ω und 2 ω stattfindet. Um eine wirkungsvolle Verdopplung mit der obenerwähnten Kapazitätsdiode zu erzielen, muß also bei den Komponenten 3 ω und 4 ω abgestimmt werden können, ohne die Abstimmung bei ω und 2 ω zu beeinflussen. Durch diese Möglichkeit wird auch bei anderen Dioden bzw. nichtlinearerf Elementen der Wirkungsgrad der gewünschten Verdopplung vergrößert.

In der F i g. 3 ist eine erfindungsgemäß ausgeführte Anordnung zum Verdoppeln einer vorgegebenen Frequenz dargestellt. Sie besteht aus einem Eingangshohlleiter 1, welcher mit dem Rechteckhohlleiter! gekoppelt ist. Der erwähnte Eingangshohlleiter 1 ist senkrecht zur Längsachse des Rechteckhohlleiters 2 angeordnet und wird mit Hilfe einer Koaxialleitung 7 mit diesem gekoppelt. Diese Koaxialleitung ist mit ihrem einen Ende mit der Wand 6 des Eingangshohlleiters 1 galvanisch verbunden, wobei diese Verbindungsstelle von der Endverschlußplatte 5 des Eingangshohlleiters 1 einen

Abstand von y aufweist. A₃ bezeichnet dabei die Wellenlänge der dritten Oberwelle. Die Schwingung 3 ω bildet sich nur auf der Koaxialleitung 7 aus und die Schwingung 4 ω nur in der H₁₀-WeIIe des Rechteckhohlleiters 2. Um diese genannten Oberwellen unabhängig von den Schwingungen ω bzw. 2 ω abstimmen zu können, sind bei der in der F i g. 3 dargestellten Ausführungsform sogenannte Wellenfallen vorgesehen. Dem Eingangshohlleiter 1 und dem Rechteckhohlleiter 2 ist eine blinde Hohlleitung 3 zwischengefugt, welche abstimmbar ausgebildet ist. Am übergang auf die Koaxialleitung 7 bildet der Hohlleiterstutzen des Eingangshohlleiters 1

mit seiner Länge y einen Kurzschluß für die Komponente 3 ω. Die Grenzfrequenz der Winden Hohlleitung 3 wird größer gewählt als ω, so daß mit dem schematisch dargestellten Abstimmkolben nur die Komponente 3 ω abgestimmt wird. Als nichtlineare Elemente sind zwei Dioden Dl und Dl vorgesehen, die gleichsinnig hintereinandergeschaltet sind und parallel zur Schmalseite des Rechteckhohlleiters 2 derart zwischen dessen Breitseiten eingefügt sind, daß der Koaxialleiter 7 zwischen den Dioden angeschlossen ist und in Richtung der Längsachse des Rechteckhohlleiters 2 verläuft.

Im Ausgangshohlleiter 8, welcher der Auskopplung der Komponente 2 ω dient, sind Hohlleiterstutzen 4 angebracht, deren Grenzfrequenz größer als 2 ω ist. Die beiden erwähnten Hohlleiterstutzen 4 mit festem Kurzschluß sperren somit den Ausgangshohlleiter 8 für die Komponente 4 ω. Ein weiterer Hohlleiterstutzen 9, welcher am Rechteckhohlleiter 2 vorgesehen ist, ermöglicht eine Abstimmung der Komponente 4 ω.

Ferner ist die Erfindung anwendbar für eine Verdreifachung. Eine hierfür geeignete Anordnung ist in der F i g. 4 schematisch dargestellt. Die nicht-, linearen Elemente Dl, D 2 sind in einem Rechteckhohlleiter 2 angeordnet und stehen in gleicher Weise, wie an Hand der F i g. 3 beschrieben, mit dem Koaxialleiter 7 in Verbindung. Der Eingangshohlleiter 1, in welchen die zu verdreifachende Komponente ω eingespeist wird, ist mit dem Rechteckhohlleiter 2 durch den zentral verlaufenden Koaxialleiter 7 gekoppelt. Der Koaxialleiter dient gleichzeitig zum Ankoppeln des Ausgangshohlleiters 8, welcher senkrecht zum Koaxialleiter angeordnet ist. Zwischen dem Ausgangshohlleiter 8, von dem die gewünschte Komponente mit der dreifachen Fre-

quenz 3 ω ausgekoppelt werden kann, und den beiden nichtlinearen Elementen Dl, D 2 sind Wellenfallen vorgesehen, um die unerwünschten Oberwellen zu unterdrücken.

Bei einer Frequenzverdreifachung ist es vorteilhaft, auch bei der zweiten Oberwelle einen bestimmten Strom durch das nichtlineare Element fließen zu lassen, d. h. bei dieser Frequenz abzustimmen. Für nichtlineare Elemente mit quadratischer Charakteristik, wie die abrupte Kapazitätsdiode, ist eine _ϊ0 Abstimmung der Leerlauffrequenz 2 ω sogar erforderlich, damit ein Leistungsumsatz zwischen den Komponenten ω und 3 ω stattfinden kann. Durch entsprechende Wahl der Schmal- und Breitseiten des Rechteckhohlleiters 2 entsprechend den eingangs geschilderten Bedingungen wird erreicht, daß in ihm nur die H₁₀-WeIIe mit der Komponente 2 ω angeregt wird. In dem Hohlleiterstutzen 10, welcher der Abstimmung der Leerlauffrequenz dient, wird lediglich die Komponente 2 ω angeregt, seine Ge-

samtlänge beträgt y, so daß in der Mitte des Stutzens Leerlauf und am Eingang Kurzschluß herrscht, unabhängig von der Stellung des in der Mitte* angebrachten abstimmbaren Querstutzens. Zwischen Rechteckhohlleiter 2 und Ausgangshohlleiter 8 ist ein Hohlleiterstutzen 11 eingefügt, welcher zur Anpassung der Komponente ω unabhängig von 3 ω abgestimmt werden kann. Der Hohlleiterstutzen 11 besitzt eine

Länge von y und stellt somit für die Komponente 3 ω einen Reihenkurzschluß dar. Der Ausgangshohlleiter 8 ist so dimensioniert, daß seine Grenzfrequenz größer ist als ω, um damit die Grundfrequenz zu sperren. Das Ende des Koaxialleiters 7 besitzt deshalb von der Endverschlußplatte 9 des Ausgangshohlleiters 8 einen Abstand von -f. Sofern erforder-

lieh, ist eingangsseitig die Komponente 3 ω zu sperren. Dies kann, wie bereits in der F i g. 3 dargestellt, mit Hilfe eines zusätzlichen Hohlleiterstutzens (3) bewirkt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Frequenzverdoppleranordnung, bestehend aus einem Rechteckhohlleiterabschnitt mit zwei nichtlinearen, gleichsinnig hintereinandergeschalteten und parallel zur Schmalseite des Rechteckhohlleiterabschnittes liegenden Elementen sowie einem Eingangshohlleiter, der einen zwischen den nichtlinearen Elementen angeschlossenen, in Längsrichtung des Rechteckhohlleiterabschnittes verlaufenden Koaxialleiter aufweist,- der mindestens teilweise in den Rechteckhohlleiterabschnitt hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangshohlleiter (1) senkrecht zur Längsachse des Rechteckhohlleiters (2) angeordnet ist und daß in ihrer gemeinsamen Wand eine Öffnung besteht, durch welche die Koaxialleitung (7) hindurchführt, deren Ende mit der anderen Wand (6) des Eingangshohlleiters (1) galvanisch verbunden ist und deren Abstand bezüglich der Endverschlußplatte (5) des Eingangshohlleiters (1)

einen Abstand von y aufweist, und daß der auf die doppelte Frequenz der eingespeisten Welle abgestimmte Ausgangshohlleiterabschnitt (2) eine auf die vierte Oberwelle abgestimmte, am Ende

kurzgeschlossene -± -Leitung (4) aufweist, wobei

bezüglich der Breitseite (α) und der Schmalseite φ) des Hohlleiterabschnittes (2) folgende Bedingungen gelten:

A₁ 3A₁

4 4

mit A₁ als Wellenlänge der Grundschwingung des Hohlleiterabschnittes (2), A₃ als Wellenlänge der dritten Oberwelle und A₄ als Wellenlänge der vierten Oberwelle.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingangshohlleiter (1) bzw. Ausgangshohlleiter (8) und den nichtlinearen Elementen (Dl, D 2) Wellenfallen (3 bzw. 4) vorgesehen sind zur Unterdrückung der nicht gewünschten Oberwellen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 zum Verdreifachen einer vorgegebenen Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der zentral angeordnete Koaxialleiter (7) des Eingangshohlleiters (1) durch den Rechteckhohlleiter (2) hindurchragt und gleichzeitig zur Ankopplung des Ausgangshohlleiters (8) dient.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangshohlleiter (8) senkrecht zur Längsachse des Rechteckhohlleiters (2) angeordnet ist und der Koaxialleiter (7) galvanisch mit der Breitseite des Ausgangshohlleiters (8)

in einem Abstand ~ von dessen Abschlußwand

verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ausgangshohlleiter (8) und den nichtlinearen Elementen (Dl, D 2) Wellenfallen vorgesehen sind zur Unterdrückung der unerwünschten Oberwellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen