DE1466504B2 - Mikrowellentransformator - Google Patents

Description

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lichen Anpassungsfehler der verschiedenen Impedan- mittel gleich ist. Probleme im Zusammenhang mit zen der aneinander angeschlossenen Abschnitte, fer- der Unter- bzw. Überanpassung entfallen. Auch die ner aus der auf die Vergrößerung der Anzahl der Streuung der an den Transformator angepaßten Abschnitte zurückzuführende Erhöhung (infolge der linearen und nichtlinearen Elemente wird infolge der Erhöhung der Anzahl der Impedanzen Z₁, Z₂...Z_n+1 5 abgestimmten Ein- bzw. Ausgangsimpedanz des werden auch die Unterschiede zwischen denselben Transformators unbedeutend. Wegen der Erhöhung größer) sowie aus der Erhöhung der Diskontinuitäten. der Anzahl der Null-Reflexionsstellen wird die Ein-Es wäre zwar möglich, durch Anwendung eines dem gangsreflexion und damit der Leistungsverlustfaktor Stufentransformator äquivalenten Kegeltransforma- entsprechend F i g. 6 herabgesetzt (wo die B'-Werte tors das Verhältnis Bandbreite/Reflexion bei geringer io die zu den neu eingefügten Stellen mit Null-ReErhöhung der Impedanzdifferenzen und Diskonti- flexion gehörigen Phasenfaktorenwerte angeben), nuitäten zu erhöhen. Diese Vergrößerung des Ver- d. h., die Grenzen der Bandübertragungstoleranzen hältnisses Bandbreite/Reflexion würde jedoch an die werden gegenüber bekannten Transformatoren er-Anpassungsfehlergrenzen stoßen, während zugleich weitert. Anstatt der bisherigen η Null-Refiexionsstelauch die geometrischen Abmessungen des Kegel- 15 len können nämlich durch Regelung der 2 η Eintransformators bedeutend erhöht würden. gangs- und Ausgangsimpedanzen den η Abschnitten Bei Anwendung des Prinzips der optimalen An- [n+2n(m„)] Stellen mit Null-Reflexion zugeordnet passung ist daher die erreichbare Güte der Anpas- werden. Hier bedeuten die Werte m_v, ähnlich wie n, sung sowohl bei linearen als auch bei nichtlinearen die Phasen- und Modulwerte; m_v m₂... /n„ sind die Elementen begrenzt. Diese Grenze entspricht bei 20 Gradzahlen der verschiedenen Polynome, die zu je einer Bandumfassung von z.B. 80%, ausgedrückt einem Regelmittel gehören. Durch die Anzahl durch das Eingangsstehwellenverhältnis r des Trans- [n+2n(m_v)] der Null-Reflexionsstellen kann ein formators, für lineare Elemente dem Wertr= 1,1 Stehwellenverhältnis, welches den Wert r=\ anbis 1,5 und für nichtlineare Elemente dem Wert nähert, bzw. in guter Annäherung der Leistungsver- r = 1,5 bis 3. 25 lustfaktor erreicht werden, welcher ohne Anwendung Ein weiterer Nachteil der bekannten Transforma- eines Transformators bei einer Bandbreite von 800% toren besteht darin, daß in den Anschlußebenen der erhalten wird. Die praktisch erreichbare Anpassungszusammengeschalteten Transformatorelemente in- gute, ausgedrückt im Stehwellenverhältnis r, beträgt folge des Anschlusses zusätzliche Stoßreflexionen und bei nichtlinearen Elementen z.B. r^.1,2 bis 1,3 damit Einfügungsverluste auftreten. Diese Reflexio- 30 bei der Bandbreite der bekannten Transformatoren nen bedeuten eine weitere Begrenzung, die eine Er- und bei linearen Elementen z. B. r ^l 1,005.
höhung des Verhältnisses Bandbreite/Reflexion ver- Infolge der Erhöhung der Anzahl der NuIl-Rehindert. Die Ankopplung der Impedanzen der an- flexionsstellen ist ferner bei gleicher Bandbreite die zupassenden Elemente an die Eingangs- bzw. Aus- geometrische Länge des erfindungsgemäßen Transgangsimpedanz des Transformators führt zu zusatz- 35 formators geringer als die bekannter Konstruktionen, liehen Reflexionen und bedeutet ebenfalls eine Ver- Die in den Anschlußebenen der zusammengeschalminderung des Verhältnisses Bandbreite/Reflexion. teten Transformatorelemente auftretenden Stoß-Außerdem sind bei den bekannten Transformatoren reflexionen (Einfügungsverluste) können beseitigt eine genaue Berechnung und eine genaue Fertigung werden. Auch die zusätzlichen Reflexionen (Lei-Toleranzen von 0,005 mm) erforderlich. Die genaue 40 stungseinfügungsverluste), die durch die Unterschiede Fertigung führt insbesondere bei längeren und zwischen den Eingangs-Ausgangs-Impedanzen des schmaleren Transformatorabschnitten zu bedeuten- Transformators und den an dieselben angeschlosseden Schwierigkeiten. Der aus ungenauer Berechnung nen Anpassungsimpedanzen auftreten, können ver- und Fertigung sich ergebende Fehler bedingt noch mieden werden. Die Anforderungen an die Berechgrößere Abweichungen als die Ungenauigkeiten der 45 nungsgenauigkeit sowie die Fertigungstoleranzen Unter- bzw. Überanpassungen. (0,1 mm) sind wesentlich geringer als bei den be-Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kannten Transformatoren, die eine Toleranz von Mikrowellentransformator zu schaffen, der bezüglich 0,005 mm bedingen.

einer Unter- bzw. Überanpassung unproblematisch Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

ist, der bei kleiner Baugröße und großzügigen ToIe- 50 Mikrowellenimpedanztransformators ist in F i g. 7

ranzen eine besonders große Bandbreite hat und bei dargestellt.

dem unerwünschte Reflexionen weitgehend vermie- Im Hohlleiter 1 ist ein Impedanztransformator 3 den sind. ' angeordnet, welcher für die Anpassung eines nicht-Ausgehend von einem Mikrowellentransformator linearen Elementes 2 (z. B. eines Thermistors oder der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe er- 55 Baretters) an den Wellenwiderstand des Hohlleiters fmdungsgemäß dadurch gelöst, daß die Regelmittel sorgt. Der nach einem gegebenen Polynom verlauso einstellbar sind, daß die Anzahl der NuIl-Re- fende Impedanztransformator 3 weist ein der Impeflexionsstellen in Abhängigkeit von der Frequenz danzregelung dienendes Sondensystem 4 auf, dessen über η hinaus vergrößerbar ist. Verlauf dem Polynom des Transformators abweicht Bei dem Transformator nach der Erfindung wird 60 und das entsprechend drei voneinander hinsichtlich der Frequenzgang der Eingangs- und/doer Ausgangs- ihres Grades verschiedenen Polynomen ausgelegt ist. impedanzen der Abschnitte mit endlichen beliebigen Anstatt eines Sondensystems können auch andere Wellenlängen durch den Grad mindestens zweier ver- Impedanzregelmittel, z. B. eine oder mehrere Blenschiedener Polynome bestimmt, deren Anzahl in der den, verwendet werden. Es können auch verschiebezüglichen Impedanzebene der Anzahl der Regel- 65 dene Regelmittel miteinander kombiniert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mikrowellentransformator, welcher einen aus η Abschnitten zusammengeschalteten Stufentransformator bildet, in welchem die Ausgangsimpedanz des vorhergehenden Abschnitts an die Eingangsimpedanz des nachfolgenden Abschnitts angeschlossen ist, und der mindestens ein impedanzänderndes Regelmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel so einstellbar sind, daß die Anzahl der NuIl-Reflexionsstellen in Abhängigkeit von der Frequenz über η hinaus vergrößerbar ist.

2. Mikrowellentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als impedanzänderndes Regelmittel ein Sondensystem vorgesehen ist, dessen Verlauf entsprechend einem oder mehreren Polynomen ausgelegt ist.

3. Mikrowellentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als impedanzänderndes Regelmittel ein in der Regelungsebene angeordnetes Blendensystem vorgesehen ist.

4. Mikrowellentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als impedanzänderndes Regelmittel eine Kombination von Blenden und Sonden vorgesehen ist.

Schwankungen der Eingangsreflexion (des Einfügungsverlustes) innerhalb eines gegebenen Bandes zurückzuführen. Der Reflexions- oder Leistungsverlustfaktor kann zwischen dem Wert 0 und einem Reflexions- oder Verlustwert gegebener Größe schwanken (Fig. 3 und 4). Fig. 3 zeigt die Übertragungskurve des Stufentransformators; P_L ist der Leistungsverlustfaktor; /₀ ist die an der Stelle des Verlustes Null (wo keine Reflexion auftritt) gemessene Frequenz. F i g. 4 zeigt die Übertragungskurve des Kegeltransformators. Hier bedeutet Bl = -

den Phasen-

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellentransformator, welcher einen aus η Abschnitten zusammengeschalteten Stufentransformator bildet, in welchem die Ausgangsimpedanz des vorhergehenden Abschnitts an die Eingangsimpedanz des nachfolgenden Abschnitts angeschlossen ist, und der mindestens ein impedanzänderndes Regelmittel enthält.
Bekannte Stufentransformatoren (R. E. Cο 11 in in Proceedings of the IRE, .Februar 1955) mit η Abschnitten, die nach dem Prinzip der optimalen Impedanzanpassung aufgebaut sind (F i g. 1), stellen 2 η feste Eingangs- und Ausgangsimpedanzen dar. Die Anzahl der Transformatorabschnitte oder -stufen in der Kette ist durch den Grad des Tschebyscheff-Polynoms ausgedrückt. Der Abschnitt n_k weist eine bestimmte Eingangsimpedanz Z_k und eine bestimmte Ausgangsimpedanz Z_{ft+ 1} auf. Letztere bildet zugleich die Eingangsimpedanz des Abschnitts n+1.

Das Prinzip der optimalen Anpassung wurde auch bereits für Kegeltransformatoren angewendet (R. W. Klopfenstein in Proceedings of the IRE, Januar 1956). Dieser dem Stufentransformator ähnliche Transformator (F i g. 2) bildet eine aus η kegeligen Abschnitten mit bestimmten Wellenlängen bestehende zusammengeschaltete Kegeltransformatorkette, wobei die Abschnitte 2 η feste Eingangs- und Ausgangsimpedanzen aufweisen und die Anzahl der Transformatorabschnitte der Kette gleich dem Grad des Tschebyscheff-Polynoms ist.

Es ist femer bekannt (deutsche Patentanmeldung T 8280 VIII a/21 a 4, 73), Mikrowellenstufentransformatoren mit impedanzändernden Regelmitteln zu versehen.

Eine nachteilige Eigenschaft von nach dem bekannten optimalen Anpassungsprinzip entworfenen Impedanztransformatoren besteht in der jeweils vorhandenen Über- bzw. Unteranpassung. Diese ist auf die der Tschebyscheff-Funktion entsprechenden faktor, λ die Wellenlänge,, 1 die geometrische Länge des Transformators und |ρ| die Reflexion. Die aus

der Figur ersichtliche Schwankung ergibt die Kennlinie zwischen dem angepaßten Zustand (d. h. der Stelle mit dem Verlust Null bzw. der Null-Reflexion) und dem maximal über- bzw. unterangepaßten Zustand (d. h. einem bestimmten maximalen Reflexionswert). Das Problem der Über- bzw. Unteranpassung zeigt sich insbesondere bei der Anpassung von nichtlinearen Elementen, wo die Gleichstrom- und Hochfrequenzempfindlichkeit der anzupassenden Elemente sehr hoch und außerdem die Streuung dieser EIemente bedeutend ist. Zu Anpassungsschwierigkeiten kommt es aber auch bei einer äußerst genauen Anpassung von linearen passiven Elementen, wenn z. B. für das Stehwellenverhältnis r die Bedingung r Z, 1,0005 aufgestellt wird.

Ein weiterer Nachteil von Transformatoren der obenerwähnten Art besteht darin, daß eine Erhöhung des Verhältnisses Bandbreite/Reflexion nur beschränkt möglich ist. Die Schwankung des Reflexionswertes in einem gegebenen Band ist eine Funktion der Stellen mit Null-Reflexion (F i g. 3), die die Anzahl η der Transformatorabschnitte bestimmen bzw. mit der Anzahl dieser Abschnitte übereinstimmen. Die Anzahl der Stellen mit Null-Reflexion bzw. die Anzahl der Abschnitte (und demzufolge die Herabsetzung des Reflexionswertes) ist so von unten wie auch von oben her begrenzt. Diese Grenzen können mittels des Zuwachses bzw. der Abnahme der Bandbreite von konstant gehaltener Banddurchlaßtoleranz C_v — T_n (X) durch Ändern der Anzahl der Transformatorabschnitte aus dem Diagramm der F i g. 5 ermittelt werden. F i g. 5 zeigt die Bandbreite in Abhängigkeit von der Anzahl der Abschnitte; C = T_n(X) ist die Banddurchlaßtoleranz und T_n(X) das Tschebyscheff-Polynom n-ten Grades.

Die untere Grenze wird, wie aus dem Diagramm ersichtlich, dadurch gebildet, daß jede Herabsetzung der Anzahl η der Abschnitte eine Verengung der Bandbreite zur Folge hat.

Die obere Grenze ist darauf zurückzuführen, daß, wie aus dein Diagramm ebenfalls ersichtlich, der Zuwachs der Bandbreite mit der Erhöhung der Anzahl der Abschnitte bis zu einem Wert η immer geringer wird und dieser Zuwachs in den Anpassungsfehler

des Transformators (Unter- bzw. Überanpassung) fällt. Zugleich erfolgt eine starke Zunahme der geometrischen Abmessungen des Transformators. Außerdem bringt jeder neue Abschnitt oberhalb einer kritischen Anzahl η der Abschnitte (im Falle eines Stufentransformators oberhalb einer kritischen Anzahl η der Stufen) eine Verminderung des Verhältnisses Bandbreite/Reflexion mit sich. Diese Verminderung ergibt sich aus der Summe der grundsätz-