DE1915736C3 - Arrangement for the suppression of electromagnetic wave types of higher order in a microwave rectangular waveguide - Google Patents
Arrangement for the suppression of electromagnetic wave types of higher order in a microwave rectangular waveguideInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Unterdrückung von elektromagnetischen Wellentypen höhe- v, rer Ordnung in in einem Mikrowellen-Rechteckhohlleiter, der außer der Grundwelle aus Wellentypen höherer Ordnung zu führen vermag.The invention relates to an arrangement for the suppression of electromagnetic wave types highs v rer in order in a microwave rectangular waveguide, which in addition to the fundamental wave of higher order modes is able to perform.
Vielfrequenzte Mikrowellenübertragungseinrichtungen unter Verwendung einer gemeinsamen Antenne wi und einer gemeinsamen Hohlleiterzuführung führen sich immer mehr ein. Eine einzelnen Hohlleiterzuführung, die eine Vielzahl von weit voneinander getrennten Frequenzen in Form dominanter Wellentypen führen kann, ist so dimensioniert, daß bei den höheren μ Frequenzen notwendigerweise auch Wellentypen höherer Ordnung auftreten können. Die Tatsache, daß die Hohlleiterzuführung hinsichtlich der möglichen Wellentypen unbestimmt ist, kann zu unerwünschten Verlusten und störenden Signalen führen. Es wird demgemäß ein wirksamer Wellentypunterdrücker benötigt, um diese unerwünschten Wellentypen höherer Ordnung zu dämpfen.Multi-frequency microwave transmission equipment using a common antenna wi and a common waveguide feed are becoming more and more popular. A single waveguide feed, which carry a multitude of widely separated frequencies in the form of dominant wave types is dimensioned in such a way that the higher μ frequencies also necessarily have higher wave types Order can occur. The fact that the waveguide feed in terms of the possible wave types is indeterminate, can lead to undesirable losses and disruptive signals. It becomes accordingly a Effective wave type suppressor needed to remove these undesirable higher order wave types dampen.
Übliche Verfahren zur Absorption höherer Wellentypen benutzen Hohlleiter-Koppler mit verlustbehafteten Abschlüssen, Filter mit teildurchlässigen Wänden und verlustbehaftetes Material, das so in den Hohlleiter eingesetzt ist, daß es mit dem elektrischen Feld eines gewählten Wellentyps koppelt Zur wahlweisen Kopplung mit unerwünschten Wellentypen ist auch schon verlustbehaftetes gyromagnetisches Material in Hohlleiter eingesetzt worden. Wie in der USA-Patentschrift 29 48 870 beschrieben ist wird eine Wellentyp-Unterscheidung erzeugt, indem ein äußeres Magnetfeld so geändert wird, daß es innerhalb eines gyromagnetischen Materials ein Magnetfeld bildet das dem Feld des unerwünschten Wellentyps entspricht und mit diesem koppeltCustomary methods for the absorption of higher wave types use waveguide couplers with lossy ones Terminations, filters with partially permeable walls and lossy material that is so in the waveguide is used that it is with the electric field of a Selected wave type couples For optional coupling with undesired wave types is already Lossy gyromagnetic material has been used in waveguides. As in the USA patent 29 48 870 is described a mode differentiation is generated by an external magnetic field so is changed that there is a magnetic field within a gyromagnetic material that forms the field of the corresponds to undesired wave type and couples with this
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen passiven Wellentypunterdrücker zu schaffen, der wirksam und selektiv einen unerwünschten Wellentyp höherer Ordnung bei einer angegebenen Frequenz dämpft, ohne den entsprechenden vorherrschenden Wellentyp zu beeinflussen und ohne zusätzliche Wellentyp-Umwandlungen oder Reflexionen zu verursachen. The invention is based on the object of providing a passive mode suppressor which effectively and selectively detects an undesirable higher order mode at a specified frequency attenuates without influencing the corresponding prevailing wave type and without additional Causing wave type conversions or reflections.
Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Anordnung der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Hohlleiters an einer oder mehreren Stellen einer Querschnittsebene, an der bzw. denen das magnetische Feld des zu unterdrückenden Wellentyps stark und das der Grundwelle möglichst schwach ist, zylinderförmige dielektrische Mikrowellenresonatoren mit einer auf ihre Mantelfläche oder einen Teil davon aufgebrachten dünnen Widerstandsschicht derart angeordnet sind, daß die Richtung der magnetischen Feldlinien des zu unterdrückenden Wellentyps am Einbauort der Resonatoren mit der Richtung der magnetischen Feldlinien der Resonatoren im Resonanzfall übereinstimmt.To achieve the object, the invention is based on an arrangement of the type mentioned and is characterized in that within the waveguide at one or more points of a cross-sectional plane, where the magnetic field of the wave type to be suppressed is strong and that of the fundamental wave As weak as possible, cylindrical dielectric microwave resonators with one on their Outer surface or a part thereof applied thin resistance layer are arranged such that the direction of the magnetic field lines of the wave type to be suppressed at the installation location of the resonators coincides with the direction of the magnetic field lines of the resonators in the case of resonance.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further developments of the invention are the subject of the subclaims.
Die erzielten Vorteile bestehen darin, daß der Unterdrücker passiv ist sowie einfach herzustellen und innerhalb eines Hohlleiters anzuordnen ist. Die dielektrischen Resonatoren sind klein mit Bezug auf den Hohlleiterquerschnitt und lassen sich mit großer Genauigkeit anordnen. Sie können also präzise mit einem gewählten Magnetfeld gekoppelt werden. Die Resonanzeigenschaften bieten den weiteren Vorteil einer Frequenzselektivität, die solche Unterdrücker außerordentlich zweckmäßig für Nachrichtenübertragungsanlagen macht, bei denen unterschiedliche Informationen in unterschiedlichen Frequenzbändern übertragen werden.The advantages obtained are that the suppressor is passive and easy to manufacture and use is to be arranged within a waveguide. The dielectric resonators are small with respect to the Waveguide cross-section and can be arranged with great accuracy. So you can be precise with be coupled to a selected magnetic field. The resonance properties offer the further advantage a frequency selectivity that makes such suppressors extremely useful for communication systems makes, where different information is transmitted in different frequency bands will.
In den Zeichnungen zeigtIn the drawings shows
F i g. 1 einen Unterdrücker nach der Erfindung,F i g. 1 a suppressor according to the invention,
Fig.2 eine grafische Darstellung magnetischer Feldlinien in einer Längsebene für einen Unterdrücker nach der Erfindung,2 shows a graphic representation of magnetic field lines in a longitudinal plane for a suppressor according to the invention,
F i g. 3 eine grafische Darstellung elektrischer Feldlinien in einem Querschnitt des Unterdrückers nach Fig. 2,F i g. 3 is a graphical representation of electrical field lines in a cross section of the suppressor according to FIG Fig. 2,
F i g. 4 ein Diagramm der elektrischen Feldstärke als Funktion der axialen Abmessung eines Unterdrückers nach der Erfindung,F i g. 4 shows a diagram of the electric field strength as a function of the axial dimension of a suppressor according to the invention,
Fig.5 ein Diagramm für die elektrische und die magnetische Feldstärke als Funktion der radialen Abmessung eines Unterdrückers nach der Erfindung,5 shows a diagram for the electrical and magnetic field strengths as a function of the radial Dimensions of a suppressor according to the invention,
F i g. 6 u. 7 einen Längsschnitt eines Rechteckhohlleiters mit magnetischen Feldlinien des H,o- und H30-Wellentyps bzw. des H10- und des H20-Wellentyps sowie einen Unterdrücker zur Dämpfung des H30- bzw. des H20-Wellentyps,F i g. 6 and 7 a longitudinal section of a rectangular waveguide with magnetic field lines of the H, o and H30 wave types or the H10 and H20 wave types and a suppressor for damping the H30 and H20 wave types,
F i g. 8 einen Querschnitt eines Rechteckhohlleitprs in teilweise perspektivischer Anordnung für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Gruppe von Unterdrückern zur Dämpfung der H30- und H03-Wellentypen vorgesehen istF i g. 8 shows a cross section of a rectangular waveguide in a partially perspective arrangement for an exemplary embodiment of the invention, in which a group of suppressors for attenuating the H30 and H03 wave types is provided
Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung müssen die Eigenschaften eines dielektrischen Mikro- i> wellen-Resonators geprüft werden. In den F i g. 1,2 und 3 ist ein zylindrischer dielektrischer Resonator 11 mit den elektrischen und magnetischen Feldlinien seines dominanten Haie-Wellentyps grafisch da. gestellt. Das Magnetfeld H des Resonators 11 verläuft im wesentlichen axial und läßt sich in erster Näherung als Hz darstellen. Das elektrische Feld Everläuft in erster Linie kreisförmig und kann entsprechend durch Εφ dargestellt werden. Wie die F i g. 4 und 5 zeigen, ist das Magnetfeld am stärksten entlang der Achse und das elektrische Feld 2r> am stärksten am Umfang in der Mitte zwischen den Enden des Zylinders.To understand the present invention, the properties of a dielectric microwave resonator must be examined. In the F i g. 1, 2 and 3 a cylindrical dielectric resonator 11 with the electric and magnetic field lines of its dominant Haie wave type is graphically there. posed. The magnetic field H of the resonator 11 runs essentially axially and can be represented in a first approximation as Hz . The electric field E is primarily circular and can accordingly be represented by Εφ . As the F i g. Figures 4 and 5 show the magnetic field is strongest along the axis and the electric field 2 r > strongest around the circumference midway between the ends of the cylinder.
In erster Näherung läßt sich die Grenzfläche zwischen Luft und Dielektrikum bei einem verlustarmen dielektrischen Resonator mit hoher Dielektrizitätskon- jn stante als Leerlauffläche ansehen. Unter dieser Annahme ist der dielektrische Resonator mathematisch exakt dual zu einem Resonator mit sehr gut leitender Grenzfläche und den Materialparametern ε' und μ', wenn gilt ε' = 1 und μ' = ε wobei ε die Dielektrizitäts- π konstante des dielektrischen Resonators ist. Nimmt man beispielsweise an, daß das Dielektrikum kreiszylindrische Form hat, so läßt sich der Resonanzwellentyp H01 der niedrigsteii Ordnung mit dem Hoio-Wellentyp in einem sehr gut leitenden Hohlleiterresonator mit 41-Kreisquerschnitt gleichsetzen.As a first approximation, the interface between air and dielectric can be determined with a low-loss dielectric resonator with high dielectric constant view stante as an idle area. Under this assumption, the dielectric resonator is mathematically exact dual to a resonator with a very good conductive interface and the material parameters ε 'and μ', if ε '= 1 and μ' = ε where ε is the dielectric π is constant of the dielectric resonator. Assume, for example, that the dielectric is circular-cylindrical Has shape, the resonance wave type H01 of the lowest order can be combined with the Hoio wave type in a very well conducting waveguide resonator with a 41-circle cross-section equate.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß es sich dabei um eine Näherung handelt und daß die Resonanzfelder in einem Dielektrikum sich im Gegensatz zu dem Hoio-Feld in einem sehr gut leitenden Hohlleiter mit .1·-, Kreisquerschnitt in axialer Richtung ändern. Der Grundwellentyp in dem dielektrischen Resonator wird gewöhnlich als U010 bezeichnet, wobeiIt should be noted, however, that this is an approximation and that the resonance fields in a dielectric, in contrast to the Hoio field, in a very good conducting waveguide with .1 · -, Change the circular cross-section in the axial direction. The fundamental wave type in the dielectric resonator becomes usually referred to as U010, where
Die Resonanzwellenlänge A0 des H010-Wellentyps ist gegeben durch:The resonance wavelength A 0 of the H010 wave type is given by:
ι· L ι · L
Λ =Λ =
ist, mit ()</>< Iis, with () </> <I
(1)(1)
Es werden die folgenden, in zueinandergehörenden r, Einheiten angegebenen Ausdrücke in der Gleichung (1) und die folgenden Erläuterung benutzt:The following expressions, given in related r units, are used in equation (1) and the following explanations are used:
yd = Ausbreitungskonstante im dielektrischen Hohlleiter; W) yd = constant of propagation in the dielectric waveguide; W)
ya = Ausbreitungskonstante im luftgefüllten Hohlleiter; y a = constant of propagation in the air-filled waveguide;
Ao = Resonanzwellenlänge im freien Raum;Ao = resonance wavelength in free space;
Xc = Grenzwellenlänge des Hoi-Wellentyps im kreiszylindrischen Hohlleiter; b> Xc = cutoff wavelength of the Hoi wave type in the circular cylindrical waveguide; b>
L = Länge des Dielektrikums; L = length of dielectric;
D = Durchmesser des Dielektrikums; D = diameter of the dielectric;
ε = Dielektrizitätskonstante.ε = dielectric constant.
wobeiwhereby
Daraus läßt sich ein Wert für D und L bei einer bestimmten Dielektrizitätskonstante ε und einer gewählten Resonanzwellenlänge Ao bestimmen.From this, a value for D and L can be determined for a specific dielectric constant ε and a selected resonance wavelength Ao.
Ein aus keramischem TiO2 oder Rutil (ε »100) gebildeter kreiszylindrischer Resonator wird bevorzugt, und es ergibt sich beispielsweise eine Resonanzfrequenz von U GHz für einen Zylinder mit der Länge L = 0,84 cm und dem Durchmesser D — 0,38 cm. Es sind jedoch auch andere dielektrische Materialien mit hoher Elektrizitäiskonstante in der Größenordnung von ε > 80 und kleinen Verlustfaktoren in der Größenordnung von 10 -* brauchbar. Wie bekannt, sind die dielektrischen Verluste dem Verlustfaktor proportional. Die oben angegebenen Beziehungen gelten für die Kreisform. Andere Beziehungen definieren jedoch die Resonanzeigenschaften für andere geometrische Formen. A circular-cylindrical resonator made of ceramic TiO 2 or rutile (ε »100) is preferred, and this results, for example, in a resonance frequency of U GHz for a cylinder with the length L = 0.84 cm and the diameter D- 0.38 cm. However, other dielectric materials with a high electrical constant in the order of magnitude of ε> 80 and small loss factors in the order of 10 - * can also be used . As is known, the dielectric losses are proportional to the loss factor. The relationships given above apply to the circular shape. However, other relationships define the resonance properties for other geometric shapes.
Erfindungsgemäß soll die Energie eines gewählten Wellentyps vernichtet werden. Beachtet man, daß ein verlustarmer dielektrischer Resonator, der an einen sich ausbreitenden Wellentyp angekoppelt ist, oder ein verlustbehafteter dielektrischer Resonator, der eine beträchtliche Fehlanpassung an einen Wellentyp ergibt, zu Reflexionen führen, so ist vorzugsweise der Widerstand des verlustbehafteten Materials annäherte1, gleich dem für den zu vernichteten Wellentyp geltenden Wellenwiderstand. Wenn beispielsweise der Wellenwiderstand für den gewählten Wellentyp etwa 800 Ohm bei der Resonanzfrequenz beträgt, dann wird der gleiche Wert für die dämpfende Gesamtimpedanz empfohlen. Eine Ersatzschaltung für die auf dem Resonator angebrachte dämpfende Impedanz besteht aus einem Tankkreis parallel zu einem Widerstand. Bei der Resonanzfrequenz des Tankkreises bleibt dann der Widerstand allein übrig.According to the invention, the energy of a selected wave type is to be destroyed. Note that a low loss dielectric resonator coupled to a propagating wave type or a lossy dielectric resonator that gives a significant mismatch to one wave type will result in reflections, preferably the resistance of the lossy material is approximately 1 or equal to that applicable wave resistance for the wave type to be destroyed. If, for example, the characteristic impedance for the selected wave type is around 800 ohms at the resonance frequency, then the same value is recommended for the total damping impedance. An equivalent circuit for the damping impedance attached to the resonator consists of a tank circuit parallel to a resistor. At the resonance frequency of the tank circuit, the resistance remains alone.
Wie im folgenden noch erläutert wird, können Unterdrücker in Gruppen verwendet werden, und wenn vier Unterdrücker in einer einzigen Querebene angeordnet werden, arbeiten sie nach Art einer Reihenschaltung zusammen. Jeder Unterdrücker sollte dann etwa ein Viertel zu der dämpfenden Gesamtimpedanz beitragen, d. h. etwa 200 Ohm. Wie in den F i g 4 und 5 gezeigt, besitzt das elektrische Feld ein MaximumAs will be explained below, suppressors can be used in groups, and if four suppressors are arranged in a single transverse plane, they work like a Series connection together. Each suppressor should then be about a quarter of the total attenuating impedance contribute, d. H. about 200 ohms. As shown in FIGS. 4 and 5, the electric field has a maximum
an der zylindrischen Oberfläche bei Ί . Es ist daheron the cylindrical surface at Ί . It is therefore
vorteilhaft, wenn der Widerstandsfilm 12 mit Hilfe geeigneter Dünnfilm-Verfahren in Form eines schmalen Umfangsstreifens um die Mitte des Resonators 11 aufgebracht wird. Es kann jedoch eine experimentelleadvantageous if the resistor film 12 using suitable thin-film processes in the form of a narrow Circumferential strip around the center of the resonator 11 is applied. However, it can be an experimental one
Einstellung für die Lage des Widerstandes 12 erforderlich sein, um ein Optimum bei der Umwandlung in Wärme zu erreichen.Adjustment for the location of the resistor 12 may be required in order to achieve an optimum when converting to To achieve warmth.
Der Widerstand sollte aus einem solchen Material und mit einer solchen Größe hergestellt sein, daß er keinen wesentlichen Einfluß auf die elektromagnetische Feldvcrieilung des dielektrischen Resonators hat. Wenn beispielsweise ein Widerstand auf der Grundlage von Tantal mit einem spezifischen Flächenwiderstand von 5 Ohm pro Quadrat (Widerstand, der zwischen zwei sich gegenüberliegenden Kanten einer quadratischen Oberflächenschicht gemessen wird.) auf der Oberfläche des Resonators in Form eines Umfangsbandes mit einer Breite von 0,38 mm aufgebracht wird, ergibt sich ein Widerstand von etwa 200 Ohm bei einem Resonator mit einem Durchmesser von 3,8 mm.The resistor should be made of such a material and of such a size that it has no significant influence on the electromagnetic field distribution of the dielectric resonator. if for example a resistor based on tantalum with a sheet resistivity of 5 Ohm per square (resistance between two opposite edges of a square surface layer is measured.) on the surface of the resonator in the form of a circumferential band with a Width of 0.38 mm is applied, results in a resistance of about 200 ohms with a resonator a diameter of 3.8 mm.
Der auf diese Weise hergestellte Unterdrücker 16 dämpft die Resonanzfrequenz-Energie des Wellentyps, an den er angekoppelt ist. Fig.6, in der die magnetischen Feldlinien im Hohlleiter 15 dargestellt sind, zeigt, daß die maximale Längsfeldstärke des H30-Wellentyps an Querschnittsstellen auftritt, die a/3 von jeder schmalen Wand 13 und 14 entfernt sind, wobei a der Abstand zwischen den Wänden 13 und 14 ist. Ein an einer dieser Stellen angeordneter und koaxial zur maximalen Magnetfeldkomponente, d.h. parallel zur Längsachse des Hohlleiters 15, ausgerichteter Unterdrücker ergibt eine maximale Kopplung mit dem H30-Wellentyp. DeT-Unterdrücker 16 kann auf eine der zahlreichen bekannten Arten befestigt werden, beispielsweise durch Einbetten in ein verlustarmes Material, dessen Dielektrizitätskonstante dicht bei 1The suppressor 16 made in this way attenuates the resonance frequency energy of the wave type, to which he is coupled. 6, in which the magnetic field lines in the waveguide 15 are shown shows that the maximum longitudinal field strength of the H30 wave type occurs at cross-sectional locations which are a / 3 from each narrow wall 13 and 14, where a is the distance between the walls 13 and 14. A arranged at one of these points and coaxial to the maximum magnetic field component, i.e. parallel to the Longitudinal axis of the waveguide 15, aligned suppressor results in maximum coupling with the H30 wave type. DeT suppressor 16 can act on one of the numerous known ways can be attached, for example by embedding in a low-loss Material whose dielectric constant is close to 1
liegt. Das Magnetfeld des H3o-Wellentyps bei der Resonanzfrequenz erregt den Resonator 16 in der Hoiä-Schwingungsform. und das sich ergebende zirkuläre elektrische Feld führt zu einem Strom im Widerstand 12, so daß die unerwünschte Energie des H30- Wellentyps vernichtet wird. Entsprechend koppelt, wie in F i g. 7 gezeigt, ein in der Querschnittsposition a/2 angeordneter Unterdrücker 16 mit dem H20-Wellentyp und dämpft diesen. An der Position a/2 ist keine Längskomponente des H lu-Wellentyps vorhanden, so daß der dominante H10-Wellentyp durch einen Unterdrücker 16 in dieser Position nicht gedämpft wird.lies. The magnetic field of the H30 mode at the resonance frequency excites the resonator 16 in the Hoiä waveform. and the resulting circular electric field leads to a current in resistor 12, thus eliminating the unwanted energy of the H30 wave type is destroyed. Correspondingly, as shown in FIG. 7, a arranged in the cross-sectional position a / 2 Suppressor 16 with the H20 wave type and attenuates this. At position a / 2 there is no longitudinal component of the H lu wave type, so that the dominant one H10 wave type is not attenuated by a suppressor 16 in this position.
Gemäß F i g. 6 ist jedoch in der Querschnittsposition ein Drittel, bei der die maximale Längskomponente des Magnetfeldes des unerwünschten H30-Wellentyps auftritt, auch eine wesentliche Längskomponente des gewünschten H10-Weilentyps vorhanden, so daß eine gewisse Verschiebung aus der Maximallage experimentell vorgenommen werden muß, um zu einem optimalen Betrieb zu kommen.According to FIG. 6, however, is a third in the cross-sectional position, in which the maximum longitudinal component of the Magnetic field of the undesirable H30 wave type occurs, also an essential longitudinal component of the desired H10-Weil type available, so that a a certain shift from the maximum position has to be carried out experimentally in order to achieve an optimal one Operation to come.
Wie oben angegeben, kann es wünschenswert sein, daß eine Gruppe mehrerer Unterdrücker 16, die in einer einzigen Querebene liegen, erforderlich ist, um einen gewünschten Wellentyp genügend zu dämpfen. Eine solche Anordnung zur Unterdrückung der H30- und H03-Wellentypen ist in F i g. 8 gezeigt. Aus Symmetriegründen koppelt ein Unterdrücker 16, der so angeordnet ist, daß er mit dem Hnm-Wellentyp koppelt, gleichzeitig auch mit dem Hm„-Wellentyp. Jeder Unterdrücker oder jede Unterdrückergruppe bewirkt also eine Dämpfung beider Polarisationen eines gewählten Wellentyps.As indicated above, it may be desirable that a group of multiple suppressors 16 lying in a single transverse plane be required to sufficiently attenuate a desired type of wave. Such an arrangement for suppressing the H30 and H03 wave types is shown in FIG. 8 shown. For reasons of symmetry, a suppressor 16, which is arranged so that it couples with the H nm wave type, also couples with the H m n wave type at the same time. Each suppressor or group of suppressors thus dampens both polarizations of a selected wave type.
Hierzu 2 Blau ZeichnungenFor this purpose 2 blue drawings
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