DE1924221C3 - Koaxialer Mikrowellen-Detektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen koaxialen Mikrowellen-Detektor, dessen die Mikrowellensignale zu der gleichrichtenden Diode führende koaxiale Wellenleitung an einem Ende mit einem Anschlußelement versehen ist. In Mikrowellenanlagen und bei Messungen ist in der Regel die Anzeige der Größe der Mikrowellenleistung erwünscht. Üblicherweise verwendet man für diese Zwecke Detektoren, die die Mikrowellenleistung in Gleichstrom umsetzen, wodurch diese einfach meßbar wird. In den meisten Fällen verwendet man in den Wellenleitern Detektoren, weil in diesen Wellenleitern die Einordnung der gleichrichtenden Dioden leicht durchführbar ist und weil ihre Abmessungen verhältnismäßig günstig sind. Bei den Mikrowellendetektoren für die Leistungsmessung ist eine wichtige Forderung, daß der Stromkreis von einfachem Aufbau und von geringem Raumbedarf ist. Eine weitere Bedingung besteht darin, daß die Bandbreite und der Wirkungsgrad möglichst groß sein sollen. Diese Forderungen stehen einander entgegen und erschweren die Lösung der Aufgabe.

Die bekannten koaxialen Detektoren besitzen einen im wesentlichen gleichen Aufbau. Die gleichrichtende Diode ist im koaxialen Wellenleiter in einer Unterbrechung des inneren Leiters, mit diesem gleichachsig und auf beiden Seiten mit federnden Kontakten versehen, angeordnet. Im koaxialen Wellenleiter wird in Richtung der Gleichstromseite irgendein Filter untergebracht, welcher den Durchgang der Mikrowellenleistung verhindert, wobei dafür gesorgt ist, daß zwischen den inneren und äußeren Wellenleitern des koaxialen Wellenleiters keine Gleichstromverbindung entsteht Diese Anordnung i:si mit zwei Mängeln verbunden: einerseits ist die Abmessung des Stromkreises in Richtung der Achse wegen des in dem koaxialen Wellenleiter angeordneten Filters zu groß, andererseits ist tier elektrische Abstand zwischen dem im Mikrowellenbereich sich als Kurzschluß verhaltenden Filters und der Diode wegen deren federnder Kontakte zu groß.

Dieser Umstand verschlechtert den Wirkungsgrad des Stromkreises und vermindert die Bandbreite.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen koaxialen Mikrowellendetektor zu schaffen, der bei kleinen Abmessungen einen besseren Wirkungsgrad und eine größere Bandweite als bisher bekannte Lösungen aufweist und der zudem im Aufbau einfacher und in seiner Funktion zuverlässiger ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst.

daß der Detektor drei miteinander koaxiale Wellenleiter enthalt, von denen der Außenleiter des inneren koaxialen Wellenleiters den Innenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters und der Innenleiter des äußeren

Jcoaxialen Wellenleiters den Außenleiter des mittleren !koaxialen Wellenleiters bilden, daß der Innenleiter des jfinneren koaxialen Wellenleiters mit dem Außenleiter

des mittleren koaxialen Wellenleiters mittels einer

irsten Metallscheibe und der Innenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters mit dem Außenleiter des

äußeren koaxialen Wellenleiters mittefs einer zweiten * Metallscheibe elektrisch verbunden sind, daß zwischen dem Außenleiter des inneren koaxialen Wellenleiters und der ersten Metallscheibe in axialer Richtung ein Abstand vorhanden ist, der nicht größer ist als einige Prozente der Wellenlänge in der Bandmitte, daß zwischen dem Innenleiter des äußeren koaxialen Wellenleiters und der zweiten Metallscheibe in axialer Richtung ein beliebig großer Abstand vorhanden ist, und daß die das Mikrowellensignal gleichrichtende Diode in dem inneren koaxialen Wellenleiter ar-geordnet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt den koaxialen Mikrowellen-Detektor im Längsschnitt in schematischer Darstellung.

Ein innerer Wellenleiter 1. ein mittlerer Wellenleiter 2 und ein äußerer Wellenleiter 3. verlaufen koaxial zueinander. Der Detektor kann mittels eines an einem Ende des koaxialen Wellenleiters angebrachten Stekkers 4 an anderen Wellenleitern angeschlossen werden. ^₀ Eine, die Mikrowellensignale gleichrichtende Diode 5 ist in dem inneren koaxialen Wellenleiter untergebracht, und zwar einen Innenleiter 6 unterbrechend, und mit diesem in Reihe geschaltet.

Eine Metallscheibe 7 verbindet den Innenleiter 6 des ₄j inneren koaxialen Wellenleiters 1 und den Außenleiter 8 des mittlerer, koaxialen Wellenleiters elektrisch. Die Diode 5 unterbricht den Innenleiter 6 derart, daß das Feld des inneren koaxialen Wellenleiters 1 über die Bohrung der Metallscheibe 7 für den Innenleiter 6 nicht oder nur in vernachlässigbarem Maße herausragt. Der Innenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters 2 wird mittels eines Außenleiters 9 des inneren koaxialen Wellenleiters 1 gebildet. 7wischen den äußeren Leitern des mittleren koaxialen Wellenleiters 2 ist ein Dielektrikum to untergebracht, dessen Aufgabe die mechanische Fixierung des Außenlciters 8 ist. Der Außenleiter 8 des mittleren koaxialen Wellenleiters 2 bildet auch den Innenleiter des äußeren Wellenleiters 3. Eine Metallscheibe 12 verbindet elektrisch den Innenlei- ^₀ ter des mittleren koaxialen Wellenleiters 2 mit dem Außenleiter 11 des äußeren koaxialen Wellenleiters 3.

Zwischen dem Außenleiter des inneren koaxialen Wellenleiters 2 und der den Innenleiter des inneren koaxialen Wellenleiters 1 mit dem Außenleiter des gj mittleren koaxialen Wellenleiters verbindenden Metallscheibe 7 ist in axialer Richtung ein die Verbindung vrrhinHprnder Abstand vorhanden, welcher nicht größer als einige Prozente dei Bandmitte-Wellenlänge ist. Zwischen dem innenleiter des äußeren koaxialen Wellenleiters 3 und der den Außenleiter 11 des äußeren koaxialen Wellenleiters mit dem Innenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters 2 verbindenden Metallscheibe 12 ist in axialer Richtung ein Abstand zur Verhinderung der Verbindung vorgesehen, dessen Breite beliebig groß gewählt werden kann.

Bei Detektor-Stromkreissn ist uer gute Wirkungsgrad eine wichtige Forderung. Als Wirkungsgrad wird das Verhältnis der gleichgerichteten Leistung und der dem Detektor zugeführten Mikrowellenleistung bezeichnet. Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades soll die Ausbreitung der Mikrowellenleistung von dem Wellenleiter verhindert werden. Dieses Ziel kann erreicht werden, wenn der Wellenwiderstand des mittleren koaxialen Wellenleiters einige Prozente des Wellenwiderstandes des inneren koaxialen Wellenleiters beträgt, während der Wellenwiderstand des äußeren koaxialen Wellenleiters mindestens das Zehnfache des Wellenwiderstandes des mittleren koaxialen Wellenleiters beträgt und die Länge den mittleren koaxialen Wellenleiters annäherungsweise ein Viertel der Wellenlänge in dem koaxialen Wellenletter bei der Bandmittenfrequenz beträgt. In diesem Falle wird die in dem Gleichstromkreis abgeleitete Mikrovvellenleistung hinsichtlich des Wirkungsgrades vernachlässigbar sein.

Die Ausbreitung des Mikrowellensignals von dem Wellenleiter an der Gleichstrom-Seite ist auch in anderer Hinsicht nachteilig, weil dieses Signal in der Einrichtung mittels Strahlung zum Empfänger gelangen kann und dadurch dessen Betrieb gestört werden kann. Zwecks Verminderung der Strahlungen ist der Außenleiter 11, der das Ende des Innenleiters 6 des inneren koaxialen Wellenleiters 1 überragt, mit einer Metallscheibe 13 abgeschlossen. Somit wird ein Hohlraumresonator 14 ausgebildet, dessen Länge so zu bemessen ist, daß die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonator bzw. im Falle von mehreren Schwingungsmoden alle der den verschiedenen Moden zuhörigen Resonanzfrequenzen außerhalb des Betriebsfrequen/bandes des Detektors gelegt sind, und zwar so, daß der Wert jener Resonanzfrequenz, die dem Betriebsfrequenzband am nächsten liegt, mindestens um 10 Prozent von dem Frequenzwert an der entsprechenden Flanke des Betriebsfrequenzbandes abweicht. Der Gleichstrom wird über den Hohlraumresonator 14 herausgeführt. Der so ausgebildete Hohlraumresonator 14 vermindert die Abstrahlung des Mikrowellensignals wesentlich. Die Absirahlung kann weiter vermindert werden, wenn in dem äußeren koaxialen Wellenleiter ein Mikrowellen-Dämpfungsmaterial (z. B. Ferritpulver) gelegt wird

Die Ausführung des koaxialen Detektors gemäß der Erfindung bietet eine bessere Möglichkeit zur Fixierung der Diode, als die bisher bekannten Lösungen. Gemäß der Anordnung der an sich bekannten koaxialen Detektoren schließt sich die Diode an die beiden Seiten des Innenleiters des koaxialen Wellenleiters mittels irgendwelcher federnder Kontakte an. Der federnde Kontakt soll über längere Zeit einen Druck von bestimmtem Wert leisten, so kann nämlich keine verbleibende Deformation, die zu einer Verschlechterung der Kontaktgabe führen würde, verursacht werden. Vu bekannten Kontakte können nur federnde Veränderungen erleiden die die Anwendung von Kontakten größerer Abmessungen erfordern. Dadurch wird die Diode von dem sich im Mikrowellenbereich als Kurzschluß verhaltenden Filter elektrisch entfernt, was

den Wirkungsgrad verschlechtert und die Bandbreite vermindert.

Die Ausführung des Detektors gemäß der Erfindung bietet eine Möglichkeit, die Diode der für die Mikrowellen den inneren koaxialen Wellenleiter kurzschließenden Metallscheibe 7 näher zu bringen. Dadurch kann der Abstand zwischen dem Halbleiter-Übergang in der Diode und dem Mikrowellen Kurzschluß des die Diode haltenden Wellenleilers wesentlich vermindert werden, was die Anpassung verbessert und dadurch den Wirkungsgrad und die Bandbreite vergrö ßert. Ferner ist es ein wesentlicher Vorteil, daß eine Möglichkeit für die Ausbildung eines Druckkontaktes zwischen der Diode und der Metallscheibe 7 anstatt einer federnden Kontaktgabc gegeben ist, weil die benötigten mechanischen Bauteile hinter der Metall· scheibe 7 im Hohlraum 14 angeordnet werden können. Die Zuverlässigkeit des Druckkontaktes ist wesentlich höher als die der federnden Kontaktgabe und hält die Diode auch im Falle einer Erschütterung fest; damit können sich die Parameter des Detektors infolge der Erschütterung nicht verändern. Die Druckhalterung der Diode kann vorteilhaft derart gelöst werden, daß in der Metallscheibe 7 eine sich von der Diode aus leicht verengende kegelartige Bohrung vorgesehen wird, in welcher eine aufgespaltene Druckhülse mit kegelförmiger äußerer Form angeordnet wird, in die der Kontaktzapfen der Diode hineinragt. Die Druckhülsc ragt über die Metallscheibe 7 in den Hohlraum 14 hinein, wo sie von einer Gewindemutter umfaßt wird. Beim Festschrauben der Mutter wird die aufgespaltene Druckhülse in der kegelförmigen Bohrung der Metallscheibe 7 zusammengepreßt und der Zapfen des Diodenschlusses mit entsprechender Kraft fixiert. Zum Festziehen der Mutter soll natürlich der Hohlraum 14 öffnungsfähig ausgebildet sein.

Die Anpassung kann im großem Maße verbessert werden, wenn der Raum auf der dem Mikrowellen-Kurzschluß zugewandten Seite der Diode in der Speiseleitung durch dielektrische oder magnetische Eigenschaften aufweisende Materialien ausgefüllt wird (z. B. Eisenpulver, Ferrit, Trolitul, Treflon usw.). Für diesen Zweck dient ein Röhrchen 15, dessen Ende durch die Diode fixiert ist. Erfahrungsgemäß soll die Länge des Röhrchens 15 so gewählt werden, daß der Wellenleiterteil zwischen dem Halbleiterübergang der Diode und dem Mikrowellen-Kurzschluß des Wellenleiters ausgefüllt wird. Versuche haben ergeben, daß sich als Material für das Röhrchen 15 ein Ferritmaterial mit Trolitul-Bindestoff am besten eignet. Mit solchen Röhrchen verbessern sich die Anpassung, die Bandbreite und der Wirkungsgrad wesentlich. In Hinsicht auf die Anpassung spielt außer den oben erwähnten Faktoren der Wellenwiderstand des die Diode tragenden koaxialen Wellenleiters eine bedeutende Rolle, dessen Impedanz mit dem realen Anteil der Diodenimpedanz gleich sein soll. Darum sollen die Abmessungen des die Diode tragenden koaxialen Wellenleiters entsprechend gewählt werden. Wenn die Abmessungen des anzuschlie-

ßenden Wellenleiters mit denen des die Diode tragenden Wellenleiters nicht gleich sind, muß eine entsprechende Impedanz-Transformation durchgeführt werden.

Für die mechanische Halterung des Innenleiters 6 des Wellenleiters 1 dient eine dielektrische Scheibe 16. Um die Austauschbarkeil der Diode 5 in der Armatur zu sichern, ist die Armatur an einer der beiden Seiten der Diode lösbar ausgebildet.

Der Hohlraum 14 kann auch für Unterbringung des

Detektor-Arbeilswiderstandes, eventuell für die Unterbringung eines Regelpotentiometers, verwendet werden. Somit kann die herausführende Leitung an einem Instrument mit großem Innenwiderstand angeschlossen werden. Die Zeichnung zeigt den prinzipiellen Aufbau

des koaxialen Mikrowellen-Detektors gemäß der Erfindung. Bei der praktischen Ausführung des Detektors können einzelne Elemente aus mehreren separaten Teilen aufgebaut bzw. mehrere Elemente können aus einem einzigen Teil ausgebildet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Koaxialer Mikrowellen-Detektor, dessen die Mikrowellensignale zu der gleichrichtenden Diode führende koaxiale Wellenleitung an einem Ende mit

- einem Anschlußelement versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß er drei miteinander koaxiale Wellenleiter enthält, von denen der Außenleiter (9) des inneren koaxialen Wellenleiters (1) den Innenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) und der Innenleiter (8) des äußeren koaxialen Wellenleiters (3) den Außenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) bilden, daß der Innenleiter (6) des inneren koaxialen Wellenleiters (1) mit dem Außenleiter des mitt'eren koaxiaien Wellenleiters (2) mittels einer ersten Metallscheibe (7) und der Innenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) mit dem Außenleiter (11) des äußeren koaxialen Wellenleiters (3) mitteis einer zweiten Metallscheibe (12) elektrisch verbunden sind, daß zwischen dem Außenleiter (9) des inneren koaxialen Wellenleiters (1) und der ersten Metallscheibe (7) in axialer Richtung ein Abstand vorhanden ist der nicht größer ist als einige Prozente der Wellenlänge in der Bandmitte, daß zwischen dem Innenleiter (8) des äußeren koaxialen Wellenleiters (3) und der zweiten Metallscheibe (12) in axialer Richtung ein beliebig großer Abstand vorhanden ist und daß die das Mikrowellensignal gleichrichtende Diode (5) in dem inneren koaxialen Wellenleiter angeordnet ist.

2. Koaxialer Mikrowellen-Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) einige Prozente des Wellenwiderstandes des inneren koaxialen Wellenleiters (1) betragt, während der Wellenwiderstand des äußeren koaxialen Wellenleiters (3) mindestens das Zehnfache des Wellenwiderstandes des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) beträgt, und die Länge des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) annäherungsweise ein Viertel der Wellenlänge in dem koaxialen Wellenleiter bei der Bandmittenfrequenz beträgt.

3. Koaxialer Mikrowellen-Detektor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (U) des äußeren, koaxialen Wellenleiters (3), der das Ende des Innenleiters (6) des inneren koaxialen Wellenleiters (1) überragt, mittels einer Metallscheibe (13) abgeschlossen ist und die Resonanzfrequenz des dadurch gebildeten Hohlraumresonators (14), auch im Falle des Auftretens mehrerer Schwingungsmoden, für jede der den einzelnen Moden zugehörigen Resonanzfrequenzen außerhalb der Betriebsfrequenz des Detektors liegt und zwar derart, daß de- Wert der Resonanzfrequenz, der der Betriebsfrequenz am nächsten kommt, mindestens um 10 % vom Frequenzwert der entsprechenden Seite des Betriebsfrequenzbandes abweicht und daß der den dleichstrom der gleichrichtenden Diode (5) herausleitende Draht durch den Hohlraumresonator (14) hmdunhgeführt ist.

4. Koaxialer Mikrowellen Dtuktor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem inneren koaxialen Wellenleiter (1) die gleichrichtende Diode (5) den lnnenloiut (6) unterbrechend, mit diesem in Reihe gesch.ilu-t untergebracht

ist und der Innenleiter (6) des inneren koaxialen Wellenleiters (1) an die, mit dem Außenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) verbundene Metallscheibe (7) direkt oder mittels der Diode (5) angeschlossen ist

5. Koaxialer Mikrowellen-Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Anschlußzapfen der Diode (5) mittels einer in der den Innenleiter des; inneren koaxialen Wellenleiters (1) mit dem Außenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) verbindenden Metallscheibe (7) untergebrachten kegelförmigen Druckhülse fixiert ist, die mit einem Gewindeteil durch die Bohrung der Metallscheibe (7) hindurch in den Hohlraumresonator (14) hineinragt und in diesem Bereich von einer Befestigungsmutter umfaßt ist

6. Koaxialer M'krowellen-Detektor nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet daß im Bereich zwischen dem halbleitenden Obergang der Diode (5) und der den Innenleiter (6) des inneren koaxialen Wellenleiters (1) mit dem Außenleiter des mittleren koaxialen Wellenleiters (2) verbindenden Metallscheibe (7), in dem inneren koaxialen Wellenleiter (1) ein Röhrchen (15) mit dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften untergebracht ist.