DE1541723A1

DE1541723A1 - Mikrowellenschalter

Info

Publication number: DE1541723A1
Application number: DE19661541723
Authority: DE
Inventors: Jakes Jun William Chester
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1965-08-27
Filing date: 1966-08-10
Publication date: 1970-02-19
Also published as: DE1541723B2; GB1148193A; NL6611318A; US3346824A

Description

■Jäketi JIl. W. C. 5

Western Electric Company Incorporated New York - V. St. A.

Mikrowellenschalter

Die Erfindung betrifft Mikrowellenschaltelemente insbesondere Hochleistungswellenleiterschalter, die sich zum Beispiel für Sende-Empfangseinrichtungen in Radar-Duplexgeraten eignen.

Bei zahlreichen Arten von Mikrowellen-Sende-Empfangsschaltern, die sich in Radarsystemen im Gebrauch befinden, werden Durchschlagserscheinungen in Wellenleiter-Resonanzhohlräumen verwendet, die am Eingang eines Empfängers angeordnet sind. Der Hohlraum koppelt normalerweise den Empfänger mit dem Sender und der Antenne in einer herkömmlichen Duplex-Anordnung. Jedes AufU'eten eines Hochleistungsimpulses von elektromagnetischer Energie des Senders bewirkt ein Durchschlagen im Resonanzhohlraum, wobei die entstehenden Reflektionseffekte dazu dienen, den Empfänger gegen den übertragenen Impuls zu entkoppeln. Hierdurch wird der Empfänger wirksam gegen Durchbrennen während der Übertragung geschützt.

Ein Problem, das bei intern gesteuerten Sende-Empfangsschaltern dieser Art auftritt, besteht darin, daß die Größe der Sendung die der Schalter auf den übertragenen Impuls während des Entkopplungsintervalls ausübt, normalerweise unveränderlich ist, da sie im wesentlichen

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durch die Abmessungen und den Aufbau des Hohlraums festgelegt ist. Überdies kann das Schaltverhältnis derartiger Einrichtungen durch die endliche Erholungszeit verschlechtert werden, die nach dem Eintraten der Durchschlagserscheinung notwendig ist.

Das Problem der Schaffung eines Hochleistungs-Mikrowellenschalters mit einem hohen Schaltverhältnis und einer wählbaren Dämpfung der elektromagnetischen Energie am Eingang im hochohmigen Zustand des Schalters wurde durch die Ausführüngsbeispiele der vorliegenden Erfindung gelöst. In den Wellenleiterabschnitt, in dem die Schaltung durchgeführt wird, erstreckt sich eine ebene Resonanzschleife. Die an den Schleifenklemmen vorhandene Impedanz wird durch eine äußere Diodenanordnung gesteuert, die durch eine geeignete Schaltanordnung wahlweise in Flußrichtung und in Sperrichtung vorgespannt werden kann. Die Impedanz der Diode wird durch eine geeignete Länge einer Übertragungsleistung umgekehrt, die sich durch die Wellenleiterwand von der zugehörigen Diode zu den Enden der Resonanzschleife er- ' strecken kann. Hierbei bewirkt die Vorspannung der Diode in Flußrichtung, daß die Resonanzschleife für Energie am Eingang des Wellenleiters eine Hohlimpedanz darstellt, während die Vorspannung der Diode in Sperrichtung bewirkt, daß die Resonanzschleife eine niedrige Impedanz darstellt. Die Größe der Dämpfung, die im Zustand hoher Impedanz vorhanden ist, kann dadurch eingestellt werden, daß der Winkel geändert wird, den die Ebene der Resonanzschleife mit der Ebene des magnetischen Feldes der Energie bildet, die der Wellenleiter

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führt. Ferner kann die Betriebsdämpfung des Wellenleiters im Zustand mit niedriger Impedanz dadurch klein gehalten werden, daß die Diode zusätzlich mit einer Hilfsübertragungsleitung überprüft wird, welche eine einstellbare Länge hat und welche offen oder durch einen Kurzschluß abgeschlossen wird. Die Länge der Hilfsleitung wird so eingestellt, daß ihre Impedanz in Antiresonanz mit der Impedanz der Diode steht, wenn diese in Sperrichtung vorgespannt ist.

Ein bedeutender Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sowohl die Leistungskapazität als auch das S ehalt verhältnis dadurch sehr verbessert werden können, daß,eine Vielzahl von Einheiten der obigen Art in Intervallen von einer ungeraden Anzahl von Viertel-Wellenlängen entlang des Wellenleiters angeordnet wird. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Kopplungselementen wird der Grad der Kopplung kleingehalten, der für jede der Resonanzschleifen im Wellenleiter notwendig ist, so daß höhere Leistungen im Wellenleiter übertragen werden können, ohne eine Beschädigung der gekoppelten Dioden zu verursachen. Vorzugsweise werden die Ebenen der zu den aufeinanderfolgenden Einheiten gehörigen Schleifen so angeordnet, daß sie Winkel von gleicher Größe und abwechselndem Vorzeichen mit der Ebene des magnetischen Feldes im Wellenleiter bilden.

Die Natur der Erfindung und ihre verschiedenen Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden eingehenden Erläuterung und den beigefügten Zeichnungen.

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Fig, 1 ist eine schematische Darstellung eines einzelnen Schalterabschnitts;

Fig. 2 ist eine Ersatzschaltung eines mit einem Wellenleiter gekoppelten Schalterabschnitts;

Fig. 3 und 3Λ sind Querschnitte eines vollständigen Schalters mit einer Anzahl derartiger Schalterabschnitte;

Fig. 4 ist eine Ersatzschaltung eines vollständigen Schalters, der eine Anzahl von mit dem Wellenleiter gekoppelten Schalterabschnitte aufweist.

Das Schema eines einzelnen, in Figur 1 dargestellten Schalterabschnitts enthält einen ebenen Schleifenleiter 1 mit einer Umfangslänge von einer Wellenlänge, gemessen im freien Raum bei der Übertragungsfrequenz, der mit Hilfe einer koaxialen Leitung mit einem Außenleiter 2 und einem Innenleiter 3 an eine Bandleitung mit angepaßter Impedanz angeschlossen ist, welche die Erdflächen 5 und 5'und den Mittelleiter aufweist. Die Erdflächen 5 und 5' sind beide mit dem äußeren geerdeten Leiter 2 der koaxialen Leiter verbunden, während die innere Bandleitung 4 mit dem Mittelleiter 3 der koaxialen Leitung verbunden ist. In der Bandleitung ist ein Diodenschalter angeordnet, der aus zwei Dioden 6 und 7 besteht, die von dem Mittelbandleiter 4 durch die gegenüberliegenden Erdflächen 5 und 5' zu den Spannungssteuerklemmen und 15 geführt sind, welche gegen die Übertragungsleitung entkoppelt sind. Jedes Entkopplungsnetzwerk besteht aus einem Tiefpaß LC Filter (z. B. aus der Spule 10 und dem Kondensator 11), das zwischen eine

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Klemme und die entsprechende Diode geschaltet ist. Mit den Klemmen 14 und 15 ist eine Steuergleichspannungsquelle 19 verbunden, um die Dioden 6 und 7 entweder in Plußrichtung oder in Sperrichtung vorzuspannen.

Zum Beispiel wird eine Steuergleichspannung zum Vorspannen der Diode 6 über einen Weg angelegt, der die Quelle 19, die Klemme 14, die Spule 10, die Diode 6, die Leiter 4 und 3, die Schleife 1 und die Erde enthält. Ein gleicher Weg kann für die Vorspannung verfolgt werden, die an die Diode 7 angelegt wird. Eine koaxiale Leitung mit dem Außenleiter 16 und dem Innenleiter 17 sowie einer einstellbaren kurzgeschlossenen Abstimmstichleitung ist mit der Bandleitung verbunden, wobei die Leiter 5 und 5' mit dem Außenleiter 16 und der Leiter 4 mit dem Leiter 17 verbunden sind. Die Lage des einstellbaren Kurzschlusses 18 wird so eingestellt, daß die Reaktanz, welche die Leitung auf der Stichleitungsseite der Dioden hat, in Antiresonanz mit der in Sperrichtung vorgespannten Reaktanz jeder Diode steht, um in diesem Zustand einen sehr hohen Rückwiderstand zu liefern. Die Kopplung des Schalters mit einer Wellenleiterübertragungsleitung geschieht dadurch, daß nur die Schleife 1 in das Innere des Wellenleiters eingesetzt wird. Alle anderen Teile des Schalter ab Schnitts einschließlich der Steuerquelle können außerhalb des Wellenleiters angeordnet werden.

Bei UMr in Figur 1 dargestelltem Ausführung ist nur der Einfachheit

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halber der Bandleitungsabschnitt des Schalters dargestellt, er kann durch eine koaxiale Leitung mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften verwendet werden. Weiterhin kann an Stelle einer einstellbaren Kurzschlußstichleitung,die in Antiresonanz mit der Impedanz der Diode in Sperrichtung steht, eine einstellbare offene Stichleitung mit gleichen Ergebnissen verwendet werden. Aufgrund von später zu diskutierenden Betrachtungen wird die Gesamtlänge der Übertragungsleitung zwischen den Diodenschaltelementen 6 und 7 und der Schleife 10 so gewählt, daß sie dreiviertel einer Wellenlänge des Übertragungs signals beträgt, gemessen in der koaxialen Leitung. Hierbei entsteht an den Schleifenklemmen die Umkehrung der Diodenimpedanz, so daß bei Vorspannung der Dioden in Flußrichtung eine sehr hohe Impedanz an den Schleifenklemmen erscheint, während bei Vorspannung der Dioden in Sperrrichtung eine sehr niedrige Impedanz oder ein Kurzschluß an den Schleifenklemmen erscheint. Da die ebene Schleife in die Wellenleiterübertragungsleitung eingesetzt ist, beeinfluß die an ihren Klemmen vorhandene Impedanz die Energieübertragung. Die an ihren Klemmen erscheinende hohe Impedanz bewirkt, daß die Schleife offen erscheint, so daß keine Wirkung auf eine innerhalb des Leiters übertragene Ener-

ein gie ausgeübt wird. Andererseits erzeugt/in Sperrichtung vorgespannter Diodenschalter einen Kurzschluß an den Schleifenklemmen, der seinerseits eine Reflektion der übertragenen Energie innerhalb des Quellenleiters hervorbringt, um das übertragene Signal wirksam zu dämpfen. Für die Länge der Übertragungsleitung zwischen den Schleifenklemmen

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und den Diodens ehalt elementen ist im allgemeinen eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen erwünscht, so daß die Dioden in Flußrichtung vorgespannt sind, wenn sich der Schalter in dem Zustand befindet, der eine Übertragung zuläßt. Stattdessen kann theoretisch eine gerade Anzahl von Viertelwellenlängen verwendet werden, doch würde hierdurch die Leistungskapazität des Schalters beschränkt, da die Dioden während der Zeit, in der der Schalter eine ungedämpfte Übertragung zuläßt, in die Sperrichtung vorgespannt sein müßteiund daher hohe Spannungen ohne Durchschlag ausreichen müßten . So wurde eine Dreiviertelwellenlängenleitung und nicht eine Viertelwellenleitung gewühlt, um eine Leitung mit einer Abmessung bei der Arbeitsfrequenz zu erhalten, deren Aufbau und Zusammenbau keine Schwierigkeiten

Fine Ersatzschaltung für den in Figur 1 dargestellten Sehalterabschnitt findol sich in Figur 2, wo die Leitung zwischen den Klemmen 21-22 und 23-24 den Wellenleiterabsclinitt darstellt, in den der Schalter eingesetzt wird. Die zu übertragende Energie kommt in der Zeichnung von der Quelle 37, die eine Ausgangsimpedanz 35 hat, welche gleich dem Wellenwiderstand Z der Leitung ist. Die Leitung ist mit ihrem Wellenwiderstand Z abgeschlossen, während dieser durch den Widerstand 36 dargestellt ist. Der Schalter kann mit dem Wellengrundtyp des Wellenleiters durch einen idealen Transformator 30 gekoppelt werden, der ein Bindungsverhältnis der Primärwicklung zur Sekundär-

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wicklung von l;a hat. Das induktive Element L und das kapazitive Element C, die mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden sind, stellen eine equivalente Impedanz der Resonanz.schleife dar und haben Werte, die durch die Beziehung

LC=-^- (1)

*o ⁱ

definiert sind. Der Widerstand R stellt den effektiven ohmischen Widerstand der Diode in.Sperrichtung dar, der die Schaltungsverluste enthält und der in der Zeichnung mit den Elementen verbunden ist, die das Equivalent der Resonanzschleife mit Hilfe einer Übertragungsleitung mit den Klemmen 31-32 und 33-34 darstellen. Diese Übertragungsleitung hat eine Länge, die gleich einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen ist, insbesondere gleich Dreiviertelwellenlängen.

Wie in den Figuren 3 und 3A dargestellt ist, ist die Resonanzschleife eben und bildet einen W'inkel 0 mit einer Ebene, die parallel zu einer breiten Wand des Wellenleiters liegt (wobei die Ebene der breiten Wand ebenso parallel zur Ebene des magnetischen Feldes liegt, das sich innerhalb des Wellenleiters fortpflanzt). Sowohl das Bindungsverhältnis (a) als auch die Größe der Dämpfung durch den Schalter im Zustand mit hoher Impedanz sind gleichmäßig zunehmende Funktionen von 0.

Es kann eine Anzahl von Abschnitten, die gleich den in Fig. 1 dargestellten sind, benutzt werden, um einen zusammengesetzten Schalter

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mit vergrößerter Dämpfung und größerer Leistungskapazität zu schaffen. Die Figuren 3 und 3A zeigen einen derartigen zusammengesetzten Schalter, bei dem vier Abschnitte nacheinander auf der Länge eines Wellenleiters 31 angeurd.net sind, derart, daß die ebene Schleife jedes Abschnitts durch eine schmale Wand de^: Wellenleiters unter einem Winkel O zu der breiten Wand eingesetzt ist. Der Abstand /wische« den Schaltern beträgt eine ungerade Anzahl von '. iertelwellenlängen, so daß sie einem gegebenen Schalter durch die benachbarte dargebotene Impedanz auf einen hohen Wert transformiert wird, wodurch die Wirksamkeit des Schaltens erhöht'wird, LLn Ersatzschaltbild des zusammengesetzten Schalters ist in Figur 4 dargestellt, wo die Wellenleiterübertragungsleitung durch ihre punk ι form ige Equivalente von drei Spulen und Parallelkondensatoreii <:\\ Lochen den Klemnu-n (H)-(Sl und ()'.;-()■} dargestellt ist. Die Leitung ist am Quellenende und am EJelastungsende durch den Wellenwiderstand Z der (-."bertragungsleitung abgeschlossen. Mit der Wellenleiterleitung ist in regtlniäßigtii Intervallen der Schalter gekoppelt, der von der Ersatzschaltung in Figur 2 als idealer Transformator mit dem Bindung;verhältnis 1 j a dargestellt ist und der den effektiven Dioden-Widerstand R„ in Sperrrichtung in Reihe mit den punktförmigen kapazitiven und induktiven Elementen, welche die Resonanzschleife darstellen, erg- ben. Cine Gegeninduktivität zwischen den benachbarten SchU iu-n wird iurch den Werf M dargestellt, der sich aus der Kopplung von Darnpunsgswellentypen oder Wellentyp^n höherer Ordnuni-; vu^-ibi, die ,SnSeI",?;

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der Grenzfreciuenz vorhanden sind.

Wenn der Abstand zwischen den Schleifen etwa dreiviertel einer Wellenlänge beträgt (ein Abstand, der normalerweise klein genug ist, um eine gegenseitige Kopplung zwischen den benachbarten Schleifen zuzulassen) erhält man für irgend einen gewählten Winkel 0 eine extrem hohe Dämpfung, wenn die Schleifen abwechselnd mit Winkeln von +0 und -0 angeox'dnet sind, wie es in den Figuren 3 und 3A dargestellt ist. Hierbei ist die gegenseitige Kopplung ΛΙ zwischen benachbarten Schleifen gleich der Kopplung des Grundwellentyps und in Gegenphase mit ihm. Hieraus folgt, daß die gegenseitige Kopplung zwischen dan Schleifen mit diesem Abstand und dieser geometrischen Beziehung dazu dient, die Dämpfungseigenschaften des Schalters wesentlich zu verbessern.

Fine erfolgreiche Arbeitsweise der Erfindung wurde mit einer Anordnung erhalten, bei der vier koaxiale Schalterabschnitte mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm und mit einem Diodenwiderstand in Flußrichtung von ein Zehntel Ohm, ferner einem effektiven Diodenwiderstand in Sperrichtung (einschließlich der Verluste in der äußeren Schaltung) von 630 Ohm, weiterhin einem Bindungsverhältnis "a" gleich 0, und schließlich einem Abstand zwischen den Schleifen von dreiviertel Wellenlänge für ein Signal von 960 Megaherz verwendet wurden. Die Betriebsdämpfung bei Vorspannung der Dioden in Flußrichtung wurde mit weniger als O^ 2 DB festgestellt, wobei die Dämpfung 40 DB über-

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schritt, wenn die Dioden in Sperrichtung vorgespannt wurden. Bei Durchgang einer Energie von 1 0 Kilowatt durch den Wellenleiter arbeiteten die Schalterelemente zufriedenstellend, wobei dio zulässigen Änderungen der Diodenparameter ausreichend groß waren. Es sei bemerkt, daß die Leistungskapazität des Schalters durch Hinzufügen weiterer Schalterabschnitte vergrößert werden kann.

Ferner sei bemerkt, daß eine Vergrößerung der Anzahl der Schalterabschnitte eine losere Kopplung jedes Schalters mit dem Wellenleiter zuläßt, (d.h. eine Herabsetzung des effektiven Bindungsverhältnisses) während gleichzeitig infolge der gegenseitigen Kopplungswirkung eine große Dämpfung erhalten bleibt. Aufgrund dieser loseren Kopplung kann die Möglichkeit des Durchbrennens der in Flußrichtung vorgespannten Dioden durch die im Wellenleiter fließende Energie kleingehalten werden. Wenn auch die Schalterabschnitte in der Zeichnung durch eine schmale Wand mit dem elektrischen Feld im Wellenleiter gekoppelt sind, so können doch selbstverständlich auch andere Kopplungsanordnungen verwendet werden.

ORIGINAL INSPECTED 009808/0634

Claims

Patentansprüche

\.J Hochleistungs-Mikrowellenschalter mit Ohm-Schaltverhältnis, der so eingerichtet ist, daß er für elektromagnetische Wellen eine wählbare Dämpfung darstellt, wenn er sich in seinem Zustand mit hoher Impedanz befindet, bestehend aus einem Wellenleiterabschnitt! der mit den elektromagnetischen Wellen gekoppelt ist und aus wenigstens einer Steuereinrichtung, die mit dem Wellenleiterabschnitt verbunden ist, um zu bewirken, daß der Abschnitt wahlweise eine hohe und eine niedrige Impedanz an seinem Eingang darstellt, damit gekennzeichnet, daß jede Steuereinrichtung besteht aus einer Resonanzschleife [z. B. 1), die sich teilweise in den Abschnitt hinein erstreckt, wobei die Ebene der Schleife einen wählbaren Winkel mit der Ebene des magnetischen Feldes der Wellen innerhalb des Abschnitts bildet, ferner aus wenigstens einer Steuerdiode (z. B. 6, 7), die mit jeder Schleife verbunden ist und die außerhalb des Abschnitts angeordnet ist, wobei die Diode wählbar in Flußrichtung oder in Sperrichtung vorgespannt ist (z.B. über 19), und schließlich aus einer ersten Übertragungsleitung (z. B. 2, 3,4, 5), um die gesteuerte Diode und die Klemmen der zugehörigen Schleife miteinander zu verbinden, wobei die Länge der ersten Übertragungsleitung so eingerichtet ISt₁ daß sie an den Klemmen der Schleife die Umkehrung der Impedanz der gesteuerten Diode ergibt.

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2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode zusätzlich durch eine zweite Übertragungsleitung (z.B. 16,17) überprüft ist, die durch eine reine Reaktanz (z. B. 18) angeschlossen ist, wobei die Größe der Reaktanz so gewählt wird, daß sie in Antiresonanz mit der Impedanz der zugehörigen Diode steht, wenn diese in Sperrichtung vorgespannt ist.
3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Resonanzschleifen (Fig. 3) in Intervallen von einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen entlang des Abschnitts angeordnet ist.
4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der aufeinanderfolgenden Schleifen so angeordnet sind, daß sie Winkel (z.B. 0, Fig. 3) von gleicher Größe und abwechselndem Vorzeichen mit der Ebene des magnetischen Feldes bilden.

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