DE1466504C

DE1466504C - Mikrowellentransformator

Info

Publication number: DE1466504C
Application number: DE19651466504
Authority: DE
Inventors: Laszlo Budapest Hartner
Original assignee: Tavközlesi Kutato Intezet, Budapest
Priority date: 1964-04-18
Filing date: 1965-04-15
Publication date: 1973-01-25

Description

lichen Anpassungsfehler der verschiedenen Impedanzen der aneinander angeschlossenen Abschnitte, ferner aus der auf die Vergrößerung der Anzahl der Abschnitte zurückzuführende Erhöhung (infolge der Erhöhung der Anzahl der Impedanzen Z₁, Z₂... Z_n ₊ _ί werden auch die Unterschiede zwischen denselben größer) sowie aus der Erhöhung der Diskontinuitäten. Es wäre zwar möglich, durch Anwendung eines dem Stufentransformator äquivalenten Kegeltransformators das Verhältnis Bandbreite/Reflexion bei geringer Erhöhung der Impedanzdifferenzen und Diskontinuitäten zu erhöhen. Diese Vergrößerung des Verhältnisses Bandbreite/Reflexion würde jedoch an die Anpassungsfehlergrenzen stoßen, während zugleich auch die geometrischen Abmessungen des Kegeltransformators bedeutend erhöht würden.

Bei Anwendung des Prinzips der optimalen Anpassung ist daher die erreichbare Güte der Anpassung sowohl bei linearen als auch bei nichtlinearen Elementen begrenzt. Diese Grenze entspricht bei einer Bandumfassung von z.B. 80%, ausgedrückt durch das Eingangsstehwellenverhältnis r des Transformators, für lineare Elemente dem Wert r = 1,1 bis 1,5 und für nichtlineare Elemente dem Wert r= 1,5 bis 3.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Transformatoren besteht darin, daß in den Anschlußebenen der zusammengeschalteten Transformatorelemente infolge des Anschlusses zusätzliche Stoßreflexionen und damit Einfügungsverluste auftreten. Diese Reflexionen bedeuten eine weitere Begrenzung, die eine Erhöhung des Verhältnisses Bandbreite/Reflexion verhindert. Die Ankopplung der Impedanzen der anzupassenden Elemente an die Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz des Transformators führt zu zusätzlichen Reflexionen und bedeutet ebenfalls eine Verminderung des Verhältnisses Bandbreite/Reflexion. Außerdem sind bei den bekannten Transformatoren eine genaue Berechnung und eine genaue Fertigung (Toleranzen von 0,005 mm) erforderlich. Die genaue Fertigung führt insbesondere bei längeren und schmaleren Transformatorabschnitten zu bedeutenden Schwierigkeiten. Der aus ungenauer Berechnung und Fertigung sich ergebende Fehler bedingt noch größere Abweichungen als die Ungenauigkeiten der Unter- bzw. Überanpassungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellentransformator zu schaffen, der bezüglich einer Unter- bzw. Uberanpassung unproblematisch ist, der bei kleiner Baugröße und großzügigen Toleranzen eine besonders große Bandbreite hat und bei dem unerwünschte Reflexionen weitgehend vermieden sind.

Ausgehend von einem Mikrowellentransformator der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Regelmittel so einstellbar sind, daß die Anzahl der Null-Reflexionsstellen in Abhängigkeit von der Frequenz über η hinaus vergrößerbar ist.

Bei dem Transformator nach der Erfindung wird der Frequenzgang der Eingangs- und/doer Ausgangsimpedanzen der Abschnitte mit endlichen beliebigen Wellenlängen durch den Grad mindestens zweier verschiedener Polynome bestimmt, deren Anzahl in der bezüglichen Impedanzebene der Anzahl der Regelmittel gleich ist. Probleme im Zusammenhang mit der Unter- bzw. Überanpassung entfallen. Auch die Streuung der an den Transformator angepaßten linearen und nichtlinearen Elemente wird infolge der abgestimmten Ein- bzw. Ausgangsimpedanz des Transformators unbedeutend. Wegen der Erhöhung der Anzahl der Null-Reflexionsstellen wird die Eingangsreflexion und damit der Leistungsverlustfaktor entsprechend F i g. 6 herabgesetzt (wo die ß'-Werte

ίο die zu den neu eingefügten Stellen mit Null-Reflexion gehörigen Phasenfaktorenwerte angeben), d. h., die Grenzen der Bandübertragungstoleranzen werden gegenüber bekannten Transformatoren erweitert. Anstatt der bisherigen η Null-Reflexionsstellen können nämlich durch Regelung der 2 η Eingangs- und Ausgangsimpedanzen den η Abschnitten [n+2n(m„)] Stellen mit Null-Reflexion zugeordnet werden. Hier bedeuten die Werte m_v, ähnlich wie n, die Phasen- und Modulwerte; m_v m₂.. .m_v sind die Gradzahlen der verschiedenen Polynome, die zu je einem Regelmittel gehören. Durch die Anzahl [n+2n(m_v)] der Null-Reflexionsstellen kann ein Stehwellenverhältnis, welches den Wert r = 1 annähert, bzw. in guter Annäherung der Leistungsveras lustfaktor erreicht werden, welcher ohne Anwendung eines Transformators bei einer Bandbreite von 800% erhalten wird. Die praktisch erreichbare Anpassungsgüte, ausgedrückt im Stehwellenverhältnis r, beträgt bei nichtlinearen Elementen z.B. r^l,2 bis 1,3 bei der Bandbreite der bekannten Transformatoren und bei linearen Elementen z. B. r ^L 1,005.

Infolge der Erhöhung der Anzahl der Null-Reflexionsstellen ist ferner bei gleicher Bandbreite die geometrische Länge des erfindungsgemäßen Transformators geringer als die bekannter Konstruktionen. Die in den Anschlußebenen der zusammengeschalteten Transformatorelemente auftretenden Stoßreflexionen (Einfügungsverluste) können beseitigt werden. Auch die zusätzlichen Reflexionen (Leistungseinfügungsverluste), die durch die Unterschiede zwischen den Eingangs-Ausgangs-Impedanzen des Transformators und den an dieselben angeschlossenen Anpassungsimpedanzen auftreten, können vermieden werden. Die Anforderungen an die Berechnungsgenauigkeit sowie die Fertigungstoleranzen (0,1 mm) sind wesentlich geringer als bei den bekannten Transformatoren, die eine Toleranz von 0,005 mm bedingen.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrowellenimpedanztransformators ist in F i g. 7 dargestellt.

Im Hohlleiter 1 ist ein Impedanztransformator 3 angeordnet, welcher für die Anpassung eines nichtlinearen Elementes 2 (z. B. eines Thermistors oder Baretters) an den Wellenwiderstand des Hohlleiters sorgt. Der nach einem gegebenen Polynom verlaufende Impedanztransformator 3 weist ein der Impedanzregelung dienendes Sondensystem 4 auf, dessen Verlauf dem Polynom des Transformators abweicht und das entsprechend drei voneinander hinsichtlich ihres Grades verschiedenen Polynomen ausgelegt ist. Anstatt eines Sondensystems können auch andere Impedanzregelmittel, z. B. eine oder mehrere Blenden, verwendet werden. Es können auch verschiedene Regelmittel miteinander kombiniert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Schwankungen der Eingangsreflexion (des Einfü- Patentansprüche: gungsverlustes) innerhalb eines gegebenen Bandes zu rückzuführen. Der Reflexions- oder Leistungsverlust-

1. Mikrowellentransformator, welcher einen faktor kann zwischen dem WertO und einem Reaus η Abschnitten zusammengeschalteten Stufen- 5 flexions- oder Verlustwert gegebener Größe schwantransformator bildet, in welchem die Ausgangs- ken (Fig. 3 und 4). Fig.3,zeigt die Übertragungsimpedanz des vorhergehenden Abschnitts an die kurve des Stufentransformator; p_L ist der Leistungs-

' Eingangsimpedanz des nachfolgenden Abschnitts Verlustfaktor; /₀ ist die an der Stelle des Verlustes angeschlossen ist, und der mindestens ein impe- Null (wo keine Reflexion auftritt) gemessene Fre-

. danzänderndes Regelmittel enthält, dadurch io quenz. F i g. 4 zeigt die Übertragungskurve des Kegel-

gekennzeichnet daß die Regelmittel_so _{transformators}. _Hier bedeutet B/= ^- den Phaseneinstellbar sind, daß die Anzahl der NuIl-Re- λ

flexionsstellen in Abhängigkeit von der Frequenz faktor, λ die Wellenlänge,, 1 die geometrische Länge

über η hinaus vergrößerbar ist. . des Transformators und | ρ | die Reflexion. Die aus

2. Mikrowellentransformator nach Anspruch 1, 15 der Figur ersichtliche Schwankung ergibt die Kenndadurch gekennzeichnet, daß als impedanzändern- linie zwischen dem angepaßten Zustand (d. h. der des Regelmittel ein Sondensystem vorgesehen ist, Stelle mit dem Verlust Null bzw. der Null-Reflexion) dessen Verlauf entsprechend einem oder mehreren und dem maximal über- bzw. unterangepaßten ZuPolynomen ausgelegt ist. stand (d. h. einem bestimmten maximalen Reflexions-

3. Mikrowellentransformator nach Anspruch 1, 20 wert). Das Problem der Über- bzw. Unteranpassung dadurch gekennzeichnet, daß als impedanzändern- zeigt sich insbesondere bei der Anpassung von nichtdes Regelmittel ein in der Regelungsebene an- linearen Elementen, wo die Gleichstrom- und Hochgeordnetes Blendensystem vorgesehen ist. frequenzempfindlichkeit der anzupassenden Elemente

4. Mikrowellentransformator nach Anspruch 1, sehr hoch und außerdem die Streuung dieser EIedadurch gekennzeichnet, daß als impedanzändern- 25 mente bedeutend ist. Zu Anpassungsschwierigkeiten des Regelmittel eine Kombination von Blenden kommt es aber auch bei einer äußerst genauen An- und Sonden vorgesehen ist. passung von linearen passiven Elementen, wenn z. B.

für das Stehwellenverhältnis r die Bedingung

r^ 1,0005 aufgestellt wird.

30 Ein weiterer Nachteil von Transformatoren der

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellentransfor- obenerwähnten Art besteht darin, daß eine Er-

mator, welcher einen aus η Abschnitten zusammen- höhung des Verhältnisses Bandbreite/Reflexion nur

geschalteten Stufentransformator bildet, in welchem beschränkt möglich ist. Die Schwankung des Re-

die Ausgangsimpedanz des vorhergehenden Ab- flexionswertes in einem gegebenen Band ist eine

Schnitts an die Eingangsimpedanz des nachfolgen- 35 Funktion der Stellen mit Null-Reflexion (F i g. 3),

den Abschnitts angeschlossen ist, und der mindestens die die Anzahl η der Transformatorabschnitte be-

ein impedanzänderndes Regelmittel enthält. stimmen bzw. mit der Anzahl dieser Abschnitte über-

Bekannte Stufentransformatoren (R. E. Collin in einstimmen. Die Anzahl der Stellen mit NuIl-Re-

Proceedings of the IRE, Februar 1955) mit η Ab- flexion bzw. die Anzahl der Abschnitte (und demzu-

schnitten, die nach dem Prinzip der optimalen Impe- 40 folge die Herabsetzung des Reflexionswertes) ist so

danzanpassung aufgebaut sind (Fig. 1), stellen In von unten wie auch von oben her begrenzt. Diese

feste Eingangs- und Ausgangsimpedanzen dar. Die Grenzen können mittels des Zuwachses bzw. der

Anzahl der Transformatorabschnitte oder -stufen in Abnahme der Bandbreite von konstant gehaltener

der Kette ist durch den Grad des Tschebyscheff- Banddurchlaßtoleranz C„= T_n(X) durch Ändern

Polynoms ausgedrückt, Der Abschnitt n_k weist eine 45 der Anzahl der Transformatorabschnitte aus dem

bestimmte Eingangsimpedanz Z_Ä und eine bestimmte Diagramm der F i g. 5 ermittelt werden. F i g. 5 zeigt

Ausgangsimpedanz Z_A+j auf. Letztere bildet zugleich die Bandbreite in Abhängigkeit von der Anzahl der

die Eingangsimpedanz des Abschnitts η+ 1. Abschnitte; C₀ = T_n(X) ist die Banddurchlaßtole-

Das Prinzip der optimalen Anpassung wurde auch ranz und T_n (X) das Tschebyscheff-Polynom «-ten

bereits für Kegeltransformatoren angewendet (R. W. 50 Grades.

Klopfenstein in Proceedings of the IRE, Januar Die untere Grenze wird, wie aus dem Diagramm

1956). Dieser dem Stufentransformator ähnliche ersichtlich, dadurch gebildet, daß jede Herabsetzung

Transformator (F i g. 2) bildet eine aus η kegeligen der Anzahl η der Abschnitte eine Verengung der

Abschnitten mit bestimmten Wellenlängen bestehende Bandbreite zur Folge hat.

zusammengeschaltete Kegeltransformatorkette, wobei 55 Die obere Grenze ist darauf zurückzuführen, daß,

die Abschnitte 2 η feste Eingangs- und Ausgangs- wie aus dem Diagramm ebenfalls ersichtlich, der Zu-

impedanzen aufweisen und die Anzahl der Trans- wachs der Bandbreite mit der Erhöhung der Anzahl

formatorabschnitte der Kette gleich dem Grad des der Abschnitte bis zu einem Wert η immer geringer

Tschebyscheff-Polynoms ist. wird und dieser Zuwachs in den Anpassungsfehler

Es ist ferner bekannt (deutsche Patentanmeldung 60 des Transformators (Unter- bzw. Überanpassung)

T 8280 VIII a/21 a 4, 73), Mikrowellenstufentrans- fällt. Zugleich erfolgt eine starke Zunahme der

formatoren mit impedanzändernden Regelmitteln zu geometrischen Abmessungen des Transformators,

versehen. Außerdem bringt jeder neue Abschnitt oberhalb

Eine nachteilige Eigenschaft von nach dem be- einer kritischen Anzahl« der Abschnitte (im Falle

kannten optimalen Anpassungsprinzip entworfenen 65 eines Stufentransformators oberhalb einer kritischen

Impedanztransformatoren besteht in der jeweils vor- Anzahl η der Stufen) eine Verminderung des Ver-

handenen Über- bzw. Unteranpassung. Diese ist auf hältnisses Bandbreite/Reflexion mit sich. Diese Ver-

die der Tschebyscheff-Funktion entsprechenden minderung ergibt sich aus der Summe der grundsätz-