DE1766787B1

DE1766787B1 - Anordnung zur breitbandigen kopplung zwischen einem hohlleiter und einer uebertragungsleitung

Info

Publication number: DE1766787B1
Application number: DE19681766787
Authority: DE
Inventors: Reinhard Heinrich Bethlehem Pa Knerr (VStA)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1967-07-19
Filing date: 1968-07-19
Publication date: 1971-12-23
Also published as: BE718075A; GB1227559A; US3462713A; NL6810091A; FR1572049A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur breitbandigen Kopplung zwischen einem Hohlleiter und einer Übertragungsleitung mit einem Streifenleiter, der räumlich parallel zu wenigstens einer Erdungsfläche angeordnet ist, und sich in das Innere des Hohlleiters erstreckt, sowie mit einem ersten, weitgehend konzentrierten Blindwiderstand, der mit einem Abschnitt des Streifenleiters in dem Hohlleiter verbunden ist und mit den verteilten Blindwiderständen dieses Streifenleiterabschnitts einen Kreis bildet, der bei einer ersten Betriebsfrequenz in Resonanz ist.

Anordnungen zum Übertragen von Mikrowellen zwischen einem leitend abgeschlossenen Hohlleiter und einem Streifenleiter werden mit der Entwicklung der Technologie integrierter Schaltungen zunehmend interessanter. Bei diesen Anordnungen ist es allgemein notwendig, die Energie ein- oder mehrmals zwischen verschiedenen Wellenleiter-Typen zu übertragen.

Aus der USA.-Patentschrift 2 829 348 ist eine An^- kopplung eines Streifenleiters an einen Hohlleiter bekannt, in dessen Innenraum sich der Hauptleiter des Streifenleiters erstreckt. Ein leitendes Querstück ist auf dem Streifenleiter innerhalb des Hohlleiters angebracht, es dient zum exakten Erregen des Feldes und zur genauen Impedanzkopplung im Bereich der Mittenfrequenz des Frequenzbandes. Für Frequenzen außerhalb der Bandmitte fallen bei dieser bekannten Anordnung die Kopplungsgrade zwischen den beiden Leitertypen jedoch rasch ab.

Beispiele für eine Ankopplung zwischen Streifenleitern und Koaxialleitern sind z. B. aus den USA.-Patentschriften 2 794 174 und 3 201721 entnehmbar. Beispiele einer Kopplung zwischen Koaxialleitern und Hohlleitern ergeben sich aus den Arbeiten von S. B. Cohn in »Proceedings of the I. R.Ε.«, September 1947, S. 920, und W. W. Mumford in »Proceedings of the I. R. Ε.«, Februar 1953, S. 256. Diese bekannten Anordnungen sind jedoch aufwendig und teuer.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfach aufgebaute Anordnung anzugeben, die eine breitbandige Kopplung zwischen einem Hohlleiter und einer einen Streifenleiter aufweisenden Übertragungsleitung ermöglicht.

Bei einer Anordnung der einleitend angeführten Ausbildung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Abstand von dem ersten Blindwiderstand zumindest ein weiterer, weitgehend konzentrierter Blindwiderstand mit dem Streifenleiter innerhalb des Hohlleiters verbunden ist und einen weiteren Kreis bildet, der bei einer von der ersten Resonanzfrequenz verschiedenen Betriebsfrequenz in Resonanz ist. Die erfindungsgemäß angestrebte breitbandige Impedanzanpassung und -kopplung wird also dadurch erreicht, daß mehrere konzentrierte Blindwiderstände in dem in den Hohlleiter eingreifenden Streifenleiterabschnitt eingefügt sind, wobei jeder der konzentrierten Blindwiderstände auf eine unterschiedliche Frequenz des Betriebsbandes abgestimmt ist. Dadurch kann ein hoher Ankopplungsgrad über das gesamte Betriebsband erreicht werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist zumindest einer der konzentrierten Blindwiderstände eine Kerbe in dem Streifenleiter innerhalb des Hohlleiters auf.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest zwei der konzentrierten Blindwiderstände leitende Querstücke rechtwinklig zu dem Streifenleiter innerhalb des Hohlleiters aufweisen. Vorzugsweise besitzen dabei die leitenden Querstücke unterschiedliche Abmessungen.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer bekannten Kopplungsanordnung,

F i g. 2 a eine Schnittansicht, gesehen in Richtung der Pfeile 2 a-1 α der Anordnung nach F i g. 1,

F i g. 2 b das angenäherte Ersatzschaltbild der Anordnung nach F i g. 2 a,

F i g. 3 einen typischen Kopplungsverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz für die Ausführungsform nach F i g. 1 und 2 a und

F i g. 4 a, 4 b bis 6 a, 6 b Streifenleiterausführungen gemäß der Erfindung bzw. deren näherungsweise Ersatzschaltbilder.

Die in Fig. 1 gezeigte bekannte Anordnung dient zur Kopplung zwischen einem leitend abgeschlossenen Rechteckhohlleiter 10 und einem Streifenleiter 11. Zur Erleichterung der Erläuterung ist der Leiter 11 als symmetrischer Leiter dargestellt, wobei ein dünner Mittelleiter bzw. ein Mittelstreifen 12 zwischen einem Paar geerdeter Ebenen verläuft, die durch die breiteren Innenflächen eines Kanals gebildet sind, der in den Körper 13 eingeschnitten ist. Der Bandleiter 12 wird in diesem Kanal üblicherweise dadurch gehalten, daß ein leitendes Material auf eine tragende Unterlage 14 aus hochdielektrischem Material aufplattiert oder aufgedruckt ist.

Die Kopplung zwischen dem Hohlleiter 10 und der Bandleitung 11 ist gebildet durch den vorstehenden Mittelleiter 12, der sich durch eine in der Breitseitenwand des Hohlleiters 10 längs verlaufende Öffnung 15 hindurch erstreckt. Diese Öffnung hat vorzugsweise die gleichen Querschnittsabmessungen wie der Kanal im Körper 13 und ist mit diesem ausgerichtet. Der vorstehende Mittelleiter bildet daher eine bandförmige Sonde 16 innerhalb des Hohlleiters, und zwar parallel zur ungestörten E-Feld-Polarisation im Hohlleiter 10. Die Lage der Öffnung 15 ist aus der Mittellängslinie des Hohlleiters 10 entsprechend bekannter Impedanzanpaß-Erwägungen herausgerückt, und das Ende des Hohlleiters 10 ist mit einem Kurzschluß, einem Kolben oder einer leitenden Querwand 19 abgeschlossen, die sich im Abstand von der Sonde 16 befindet. Einzelheiten bezüglich der Anordnung von sowohl der Sonde als auch des leitenden Kurzschlusses sind beispielsweise an Hand koaxialer Sonden in dem vorstehend erwähnten Artikel »The Optimum Piston Position for Wide-Band Coaxial-to-Waveguide Transducer« von W. W. Mumford, Proceedings of the I. R. E., Februar 1953, auf S. 256 beschrieben. Es wurde gefunden, daß es unwesentlich ist, ob die Ebene der bandförmigen Sonde 16 parallel zu einer Schmalseitenwand des Hohlleiters 10 verläuft oder parallel zur Wand 19.

Es ist nun zu beachten, daß die Bandleitungs-Erdungsebenen, die durch die Oberflächen des Kanals im Körper 13 in dem oberhalb des Hohlleiters 10 gelegenen Teil der Bandleitung 12 gebildet sind, nunmehr effektiv hinsichtlich desjenigen Teils der Bandleitung, welcher sich innerhalb des Hohlleiters 10 befindet, also des Sondenteils 16, durch die Wände des Hohlleiters 10 ersetzt sind. Es wurde festgestellt, daß, wenn die Lage der Bandleitungssonde

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16 mehr oder weniger die Lage für eine wirksame innerhalb des Bandes abgestimmt werden, erhält

Kopplung, wie diese durch den obengenannten Stand man erfindungsgemäß die verbesserte Kopplung,

der Technik für Koaxialsonden definiert ist, erfüllt, Fig. 3 zeigt die vertraute zweihüglige Kopplungs-

die verteilten Blindwiderstände der Bandleitung einen kennlinie versetzt abgestimmter Kreise in Abhängig-

Resonanzzustand im interessierenden Band erzeugen. 5 keit von der Frequenz. Der Abstand sf zwischen den

Das Ersatzschaltbild wird nachstehend noch an Hand jeweiligen Höker-Mittelfrequenzen Z₁ und /₂ ist leicht

der F i g. 2 beschrieben werden, wobei versucht wird, durch eine Regulierung des Abstandes der Stifte 17

die Komponenten des verteilten Blindwiderstandes und 18 vom Ende der Sonde 16 einstellbar. Dieser

zu identifizieren, die die beobachtete Resonanz- Abstand bestimmt die Größe der verteilten Induk-

bedingung erzeugen. Wenn diese Resonanzfrequenz io tanz L und die kleine verteilte Kapazität C, die

nicht in das interessierende Band fällt, ist eine be- innerhalb jeder Kreisschleife liegen. Offensichtlich

grenzte Kopplung vorhanden, und wenn die Reso- sind bei einer tatsächlichen Ausführungsform die

nanzfrequenz in das Band fällt, dann ist das ange- Parameter nicht so diskret, wie es das Ersatzschalt-

koppelte Band sehr schmal. bild zu zeigen scheint. Des weiteren werden, da

Es ist bekannt, daß Bandleitungsstifte, die auf 15 weitere Variablen, wie die Lage des Kurzschlusses,

einer oder beiden Seiten des Mittelleiters vorstehen, die Länge der Sonde sowie deren Lage, die richtigen

kapazitive Blindwiderstände bilden, wie dies bei- Abmessungen der Mittelleiterform am besten empi-

spielsweise in der vorstehenden USA.-Patentschrift risch bestimmt, nachdem eine annähernde Wahl der

2 794174 beschrieben ist. Die angekoppelte Band- übrigen Parameter auf der Basis der bekannten

breite wird durch solcherart angeordnete, geeignet 20 Koaxialsondenbeziehungen getroffen worden ist.

bemessene Stifte 17 und 18 verbreitert, wenn die Eine breitbandige Kopplung wird durch kapazitive

Stifte auf dem Sondenteil 16 des Leiters 12 innerhalb Blindwiderstände, die ein oder mehrere getrennte

des Hohlleiters 10 angeordnet sind. Im einzelnen Resonanzkreise bilden, erzeugt, wie aus den Fig. 4a

haben die Stifte 17 und 18 solche Dimensionen und bis 6b hervorgeht. So sind in Fig. 4a Stifte 21 und

sind so an der Sonde 16 angeordnet, daß sie in Ver- 25 22 hinzugefügt, deren Abmessungen von denen der

bindung mit den verteilten Blindwiderständen der Stifte 17 und 18 verschieden sind und die von letzte-

Sonde innerhalb des Hohlleiters eine zweite Reso- ren im Abstand am Mittelleiter 12 angeordnet sind,

nanzstelle bei einer Frequenz innerhalb des inter- Die Dimension c der Stifte 21 und 22 bestimmt eine

essierenden Bandes, aber benachbart zu und ver- Kapazität C_c, wie dies in Fig. 4b dargestellt ist, und

schieden von der Resonanzfrequenz bilden, die als 30 der Abstand der Stifte 21 und 22 von den Stiften 17

Ergebnis der verteilten Blindwiderstände der Sonde und 18 bestimmt den Wert von L und C, wie dies

16 erzeugt wird. Die Wechselwirkung dieser beiden zum Erzeugen einer Resonanz bei einer neuen Fre-

Resonanzkreise hat die gleiche Wirkung wie die in quenz /₃ erforderlich ist.

beispielsweise Filtern oder Entzerrern benutzten ver- Kerben, beispielsweise die Kerben 23 und 24 in

setzt abgestimmten Kreise und verbreitert die an- 35 Fig. 5a, reduzieren die Breite des Mittelleiters 12

gekoppelte Bandbreite, wie in Zusammenhang mit und führen eine Induktivität in Serie mit der Lei-

F i g. 3 noch gezeigt wird. tung ein, wie dies durch die Induktivität L_d in

F i g. 2 a ist eine Schnittansicht durch den Hohl- F i g. 5 b dargestellt ist. Im allgemeinen ist eine Kerbe leiter 10 vor der dielektrischen Unterlage 14 und einem Stift äquivalent, der um eine Viertel Wellenzeigt den die Sonde 16 bildenden Bandleitungs- 4° länge weiter längs der Leitung gegenüber der Lage Mittelleiter 12, wie dieser sich in den Hohlleiter 10 desjenigen Stiftes versetzt ist, welchen sie ersetzt. Davorerstreckt. Das Ersatzschaltbild ist in Fig. 2b dar- her können mehrere Kerben 25 in ähnlicher Weise gestellt, es weist InduktivitätenL und gewisse Kapa- verwendet werden, wie dies in Fig. 6a dargestellt zitäten C und C₁₁ auf, die die verteilten Blindwider- ist, wobei sich dann das Ersatzschaltbild entsprestände des innerhalb des Hohlleiters 10 gelegenen 45 chend F i g. 6 b ergibt.

Teils des Mittelleiters 12 bilden. Außerhalb des Hohl- Es versteht sich, daß die zugefügten Blindwiderleiters sind Blindwiderstände, die nur L und C ent- stände nur eine Verbesserung der breitbandigen sprechen, vorhanden, und der übliche Entwurf führt Kopplung erzeugen, wenn sie mit dem verteilten normalerweise zu einem induktiven Gesamtblind- Blindwiderstand der Sonde 16 innerhalb des Hohlwiderstand sowie zu Nichtresonanz bei der inter- 50 leiters abgestimmt sind. Anderweits hinzugefügte essierenden Frequenz. Innerhalb des Hohlleiters stellt Blindwiderstände dienen lediglich zur Modifizierung jedoch die Kapazität C₁₁ den Teil der verteilten Ge- der charakteristischen Impedanz der Leitung nach samtkapazität dar, der in Serie mit dem Mittelleiter üblichen Methoden und allenfalls zufällig, wenn liegt, und zwar wegen der elektrischen Feldkompo- überhaupt, zur Beeinflussung der Bandbreite irgendnente im Hohlleiter 10 parallel zur Sonde 12 des Lei- 55 welcher Kopplungsmittel am Ende der Bandleitung. ters 12, die ihrerseits von der Entfernung α in Fig. 2 a Es wurde jedoch gefunden, daß, wenn zumindest abhängt. Es ist diese Kapazität, die den Bandbegren- einer der zugefügten Blindwiderstände innerhalb des zungseffekt erzeugt. Die Kapazität C stellt dann die Hohlleiters liegt, eine weitere Verbesserung durch verbleibende kleine verteilte Kapazität infolge des andere Blindwiderstände erhalten werden kann, die elektrischen Feldes senkrecht zum Bandleiter dar. 60 physikalisch nicht innerhalb des Hohlleiters liegen, Die Stifte 17 und 18 erzeugen eine praktisch konzen- sondern relativ dicht an diesen angrenzend vorhantrierte Kapazität, die im Ersatzschaltbild nach den sind. Es wird angenommen, daß die verbesserte Fig. 2b durch C_b dargestellt ist. Diese Kapazität ist breitbandige Kopplung so lange erhalten werden groß im Vergleich zu C und hängt von der Dirnen- kann, wie sich der zugefügte Blindwiderstand im sion b in F i g. 2 a ebenso auch von der Breite der 65 Übergangsbereich befindet, wo sich die Feldmuster Stifte 17 und 18 ab. Wenn die Schaltungsschleifen, von der Hohlleiterschwingungsform in die Bandin denen C_a und C₀ in der in Fig. 2b dargestellten leitungsschwingungsform ändern. Es wird des weite-Weise liegen, auf verschiedene Frequenzen Z₁ und f₂ ren angenommen, daß ein Blindwiderstand, der mehr

als eine Viertel Wellenlänge vom Hohlleiter entfernt ist, nur wenig direkten Einfluß auf die angekoppelte Bandbreite haben kann.

Während bei der beschriebenen Ausführungsform die Ebene der Bandleitung als parallel zu den Schmalseiten des Hohlleiters verlaufend angenommen worden ist, kann andererseits jedes gegebene Muster um 90° im Hohlleiter gedreht werden, so daß seine Ebene senkrecht zu den Schmalseitenwänden verläuft, ohne daß hierdurch die angekoppelte Bandbreite beeinflußt wird. Diese Freizügigkeit ist einer der wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Kopplung. Bei gewissen Versuchsmodellen wurde jedoch gefunden, daß es notwendig ist, eine leichte Neueinstellung der Kurzschluß-Kolbenlage vorzunehmen, wenn der Bandleiter gedreht wird.

Während die Ausführungsbeispiele der Erfindung mit nichtselbsttragenden Mittelleitern beschrieben worden sind, versteht es sich, daß auch selbsttragende Mittelleiter angewendet werden können. Auch unsymmetrische Leitungstypen, sogenannte Mikrobandleitungen, sind anwendbar, bei denen ein dünner Leiter mit nur einer Erdungsebene in Beziehung steht. Weiterhin können die Erdungsebenen aus gedruckten oder aufplattierten Flächen gemäß bekanntem Schichtenaufbau bestehen.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur breitbandigen Kopplung zwischen einem Hohlleiter und einer Übertragungsleitung mit einem Streifenleiter, der räumlich parallel zu wenigstens einer Erdungsfläche angeordnet ist und sich in das Innere des Hohlleiters erstreckt, sowie mit einem ersten, weitgehend konzentrierten Blindwiderstand, der mit einem Abschnitt des Streifenleiters in dem Hohlleiter verbunden ist und mit den verteilten Blindwiderständen dieses Streifenleiterabschnitts einen Kreis bildet, der bei einer ersten Betriebsfrequenz in Resonanz ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand zu dem ersten Blindwiderstand (17, 18) zumindest ein weiterer, weitgehend konzentrierter Blindwiderstand (21 bis 25) mit dem Streifenleiter (12) innerhalb des Hohlleiters (10) verbunden ist und einen weiteren Kreis bildet, der bei einer von der ersten Resonanzfrequenz verschiedenen Betriebsfrequenz in Resonanz ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der konzentrierten Blindwiderstände eine Kerbe (23 bis 25) in dem Streifenleiter (12) innerhalb des Hohlleiters (10) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der konzentrierten Blindwiderstände leitende Querstücke (17, 18, 21, 22) rechtwinklig zu dem Streifenleiter innerhalb des Hohlleiters aufweisen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Querstücke unterschiedliche Abmessungen besitzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen