DE1541723C - Hochleistungs-Mikrowellenschalter mit hohem Schaltverhältnis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungs-Mikrowellenschalter mit hohem 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. Solche Mikrowellenschafter eignen sich z.B. für Sende-Empfangs-Einrichtungen in Radar-Duplexgeräten. \

Bei zahlreichen Arten von Mikrowellen-Sende- - Empfangs-Schaltern, 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 Auftreten eines Hochleistungsimpulses von elektromagnetischer Energie des Senders bewirkt ein Durchschlagen im Resonanzhohlraum, wobei die entstehenden Reflexiönseffekte 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-Empfangs-Schaltern dieser Art auftritt, besteht darin, daß die Größe der Dämpfung, die der Schalter auf den übertragenden Impuls während des Entkopplungsintervalls ausübt, normalerweise unveränderlich ist, da sie im wesentlichen 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 Eintreten 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 Merkmale des Anspruchs 1 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 Übertragungsleitung umgekehrt, die sich durch die Wellenleiterwand von der zugehörigen Diode zu den Enden der Resonanzschleife erstrecken 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 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 öder durch einen Kurzschluß abgeschlossen wird. Die Länge der Hilfsleistung wird so eingestellt, daß ihre Impedanz in Antiresonanz mit der Impedanz der Diode steht, wenn diese in Sperrrichtung vorgespannt ist. ;....·.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann sowohl die Leistungskapazität als auch das Schaltverhältnis dadurch sehr verbessert werden, daß eine Vielzahl von Einheiten der obigen Art in Intervallen von einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen entlang des Wellenleiters angeordnet wird. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Kopplungselementen wird der Grad der Kopplung klein gehalten, 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 Erfindung soll an Hand der Zeichnungen erläutert werden. >

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines einzelnen Schalterabschnitts; -

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

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

F i g. 4 ist eine Ersatzschaltung eines vollständigen Schalters, der eine Anzahl von mit dem Wellenleiter gekoppelten Schalterabschnitte aufweist.
"... Das Schema eines einzelnen, in Fig. 1 dargestellten Schalterabschnitts enthält einen ebenen Schleifenleiter 1 mit einer Umfangslänge von einer Wellenlänge, gemessen im freien Raum bei der Ubertragurigsfrequenz, der mit Hilfe einer koaxialen Leitung mit einem Außenleiter 2 und einem Innenleiter 3 an eine Bandleitung mit angepaßter Impedanz angev schlossen ist, welche die Erdflächen 5 und 5' und den Mittelleiter4 aufweist. Die Erdflächen S 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 Lei-

tung 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 Span-, nungssteuerklemmen 14 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 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 Flußrichtung 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 Eine Ersatzschaltung für den in Fig. 1 dargestell- und dem Innenleiter 17 sowie einer einstellbaren ten Schalterabschnitt findet sich in Fig. 2, wo die kurzgeschlossenen Abstimmstichleitung ist mit der Leitung zwischen den Klemmen 21-22 und 23-24 den Bandleitung verbunden, wobei die Leiter S und 5'mit Wellenleiterabschnitt darstellt, in den der Schalter dem Außenleiter:16 und der Leiter 4 mit dem Leiter 5 eingesetzt wird. Die zu übertragende Energie kommt 17 verbunden sind. Die Lage des einstellbaren Kurz- in der Zeichnung von der Quelle 37, die eine Ausschlusses 18 wird so eingestellt, daß die Reaktanz, gangsimpedanz 35 hat, welche gleich dem Wellenweiche die Leitung auf der Stichleitungsseite der widerstand Z₀ der Leitung ist. Die Leitung ist mit Dioden hat, in Antiresonanz mit der in Sperrichtung ihrem Wellenwiderstand Z₀ abgeschlossen, während vorgespannten Reaktanz jeder Diode steht, um in io dieser durch den Widerstand 36 dargestellt ist. Der diesem Zustand einen sehr hohen Rückwiderstand zu Schalter kann mit dem Wellengrundtyp des Wellenliefern. Die Kopplung des Schalters mit einer Wellen- leiters durch einen idealen Transformator 30 geleiterübertragungsleitung geschieht dadurch, daß nur koppelt werden, der ein Bindungsverhältnis der Pridie Schleife 1 in das Innere des Wellenleiters ein- märwicklung zur Sekundärwicklung von 1 : a hat. gesetzt wird. Alle anderen Teile des Schalter- 15 Das induktive Element .L und das kapazitive EIeabschnitts einschließlich der Steuerquelle können ment C, die mit der Sekundärwicklung des Transforaußerhalb des Wellenleiters angeordnet werden. mators verbunden sind, stellen eine equivalente Im-Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung ist nur pedanz der Resonanzschleife 1 dar und haben Werte, der Einfachheit halber der Bandleitungsabschnitt des die durch die Beziehung
Schalters dargestellt, er kann durch eine koaxiale 20

Leitung mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften LC — ~— (I)'' verwendet werden. Weiterhin kann an Stelle einer ω_ο2 ■
einstellbaren Kurzschlußstichleitung, die in Anti- · resonanz mit der Impedanz der Diode in Sperrich- definiert sind. Der Widerstand R_d stellt den effektitung steht, eine einstellbare offene Stichleitung mit 25 ven ohmschen Widerstand der Diode in Sperrichtung gleichen Ergebnissen verwendet werden. Auf Grund dar, der die Schaltungsverluste enthält und der in der von später zu diskutierenden Betrachtungen wird die Zeichnung mit den Elementen verbunden ist, die das Gesamtlänge der Übertragungsleitung zwischen den Equivalent der Resonanzschleife mit Hilfe einer Diodenschaltelementen 6 und 7 und der Schleife 10 Übertragungsleitung mit den Klemmen 31-32 und so gewählt, daß sie drei Viertel einer Wellenlänge des 30 33-34 darstellen. Diese Übertragungsleitung hat eine Übertragungssignals beträgt, gemessen in der Länge, die gleich einer ungeraden Anzahl von koaxialen Leitung. Hierbei entsteht an den Schleifen- Viertelwellenlängen ist, insbesondere gleich Dreiklemmen die Umkehrung der Diodenimpedanz, so viertelwellenlängen.

daß bei Vorspannung der Dioden in Flußrichtung Wie in den Fig. 3 und 3A dargestellt ist, ist die eine sehr hohe Impedanz an den Schleifenklemmen 35 Resonanzschleife eben und bildet einen Winkel Θ mit erscheint, während bei Vorspannung der Dioden in einer Ebene, die parallel zu einer breiten Wand des Sperrichtung eine sehr niedrige Impedanz oder ein Wellenleiters liegt (wobei die Ebene der breiten Kurzschluß an den Schleifenklemmen erscheint. Da Wand ebenso parallel zur Ebene des magnetischen die ebene Schleife in die Wellenleiterübertragungs- Feldes liegt, das sich innerhalb des Wellenleiters fortleitung eingesetzt ist, beeinflußt die an ihren Klem- 4° pflanzt). Sowohl das Bindungsverhältnis (α) als auch men vorhandene Impedanz'die Energieübertragung. die Größe der Dämpfung durch den Schalter im Zu-Die an ihren Klemmen erscheinende hohe Impedanz stand mit hoher Impedanz sind gleichmäßig zunehbewirkt, daß die Schleife offen erscheint, so daß mende Funktionen von Θ. j .:; ~ keine Wirkung auf eine innerhalb des Leiters über- Es kann eine Anzahl von Abschnitten, die gleich tragene Energie ausgeübt wird. Andererseits erzeugt 45 den in Fig. 1 dargestellten sind, benutzt werden, um ein in Sperrichtung vorgespannter Diodenschalter einen zusammengesetzten Schalter, mit vergrößerter einen Kurzschluß an den Schleifenklemmen, der Dämpfung_: und größerer Leistungskapazität zu seinerseits eine Reflexion der übertragenen Energie schaffen. Die Fig. 3 und 3A zeigen einen derartigen innerhalb des Quellenleiters hervorbringt, um das zusammengesetzten Schajter, bei dem vier Abschnitte übertragene Signal wirksam zu dämpfen. Für die 5° nacheinander auf der Länge eines Wellenleiters 37 Länge der Übertragungsleitung zwischen den Schlei- angeordnet sind, derart, daß die ebene Schleife jedes fenklemmen und den Diodenschaltelementen ist im Abschnitts durch eine schmale Wand des Wellenallgemeinen eine ungerade Anzahl von Viertelwellen- leiters unter einem Winkel Θ zu der breiten Wand längen erwünscht, so daß die Dioden in Flußrichtung eingesetzt ist. Der Abstand zwischen den Schaltern vorgespannt sind, wenn sich der Schalter in dem Zu- 55 beträgt eine ungerade Anzahl von Viertelwellenstand befindet, der eine Übertragung zuläßt. Statt längen, so daß sie einem gegebenen Schalter durch dessen kann theoretisch eine gerade Anzahl von die benachbarte dargebotene Impedanz auf einen Viertelwellenlängen verwendet werden, doch würde hohen Wert transformiert wird, wodurch die Wirkhierdurch die Leistungskapazität des Schalters be- samkeit des Schalters erhöht wird. Ein Ersatzschaltschränkt, da die Dioden während der Zeit, in der der'60 bild des zusammengesetzten Schalters ist in Fig. 4 Schalter eine ungedämpfte Übertragung zuläßt, in die dargestellt, wo die Wellenleiterübertragungsleitung Sperrichtung vorgespannt sein müßten und daher durch ihre punktförmige Equivalente von drei Spuhohe Spannungen ohne Durchschlag ausreichen len und Parallelkondensatoren zwischen den Klemmüßten. So wurde eine Dreiviertelwellenlängenleitung men 60-61 und 62-63 dargestellt ist. Die Leitung ist und nicht eine Viertelwellenleitung gewählt, um eine 65 am Quellenende und am Belastungsende durch den Leitung mit einer Abmessung bei der Arbeitsfrequenz Wellenwiderstand Z₀ der Übertragungsleitung abgezu erhalten, deren Aufbau und Zusammenbau keine schlossen. Mit der Wellenleiterleitung ist in regel-Schwierigkeiten macht. mäßigen Intervallen der Schalter gekoppelt, der von

der Ersatzschaltung in F i g. 2 als idealer Transformator mit dem Bindungsverhältnis 1: α dargestellt ist und der den effektiven Diodenwiderstand R₀ in Sperrichtung in Reihe mit den punktförmigen kapazitiven und induktiven Elementen, welche die Resonanzschleife darstellen, ergeben. Eine Gegeninduktivität zwischen den benachbarten Schleifen wird durch den Wert M dargestellt, der sich aus der Kopplung von Dämpfungswellentypen oder Wellentypen höherer Ordnung ergibt, die jenseits der Grenzfrequenz to vorhanden sind. i

Wenn der Abstand zwischen den Schleifen etwa drei Viertel einer Wellenlänge beträgt (ein Abstand, der normalerweise klein genug ist, um eine gegenseitige Kopplung zwischen den benachbarten Schleifen zuzulassen), erhält man für irgendeinen gewählten Winkel β eine extrem hohe Dämpfung, wenn die Schleifen abwechselnd mit Winkeln von -\ θ und — θ angeordnet sind, wie es in den Fi g. 3 und 3 A dargestellt ist. Hierbei ist die gegenseitige Kopplung M so zwischen benachbarten Schleifen gleich der Kopplung des Grundwellentyps und in Gegenphase mit ihm. Hieraus folgt, daß die gegenseitige Kopplung zwischen den Schleifen mit diesem Abstand und dieser geometrischen Beziehung dazu dient, die Dämpfungs- as eigenschaften des Schalters wesentlich zu verbessern. Eine 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 Zehntel Ohm, ferner einem effektiven Diodenwiderstand in Sperrichtung (einschließlich der Verluste in der äußeren Schaltung) von 630 Ohm, weiterhin einem Bindungsverhältnis a gleich 0,6 und schließlich einem Abstand zwischen den Schleifen von drei Viertel Wellenlänge für ein Signal von 960 Megahertz verwendet wurden. Die Betriebsdämpfurig bei Vorspannung der Dioden in Flußrichtung wurde mit weniger als 0,2db fest-, gestellt, wobei die Dämpfung 40 db überschritt, wenn die Dioden in Sperrichtung vorgespannt wurden. Bei Durchgang einer Energie von 10 Kilowatt durch den Wellenleiter arbeiteten die Schalterelemente zufriedenstellend, wobei die zulässigen Änderungen der Diodenparameter ausreichend groß waren. Es sei bemerkt, κ daß die Leistungskapazität des Schalters durch Hinzufügen weiterer Schalterabschnitte vergrößert werden kann. ·'.'v ^;:^;/ "S'';v>:.v-^.·-/·>:.■>. .'■■· ':.■ ■■'■■. .·■ ■■ ^;" fi'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 Kopplungswirküng eine große Dämpfung erhalten bleibt. Auf Grund dieser loseren Kopplung kann die Mög- '■ lichkeit des Durchbrennens der in Flußrichtung vorgespannten Dioden durch die im Wellenleiter fließende Energie klein gehalten werden. Wenn auch die Schalteräbschhitte in der Zeichnung durch eine schmale Wand mit dem elektrischen Feld im Wellenleiter gekoppelt sind, so können doch selbstverständlich auch andere Kopplungsanordnungen verwendet werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hochleistungs-Mikrowellenschalter mit hohem Schaltyerhältnis, 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, dadurch 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 ma-, gnetischen Feldes der Wellen innerhalb des Abschnittes 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 ist, daß sie an den Klemmen der Schleife die Umkehrung der Impedanz der gesteuerten Diode ergibt.

2. Schaltef 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. = ^:i ; ^ ' :; -,'

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Resonanz-

; schleifen (Fig. 3) in Intervallen von einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen entlang

: des Abschnitts angeordnet ist. ·^:ί;>.-r λ;< _:'-if Xi-_:-:Av>; .

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der aufeinanderfolgenden Schleifen so angeordnet sind, daß sie Winkel (z.B. θ in Fig. 3) von gleicher Größe und abwechselndem Vorzeichen mit der Ebene des magnetischen Feldes bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen