-
Ultrahochfrequenz-Schaltanordnung Die Erfindung bezieht sich auf
das Schalten von Ultrahochfrequenzwellen oder Dezimeterwellen.
-
Auf dem Gebiet der Dezimeterwellen kann es bei bestimmten Anwendungen
Anwendungen
erforderlich sein, elektromagnetische Wellen zwischen zwei übertragungskanälen kontinuierlich
und steuerbar umzuschalten.
-
Es wurden bereits zahlreiche Lösungen dieses Problems für den Fall
der Umschaltung von geringen Leistungen vorgeschlagen. Im Fall von hohen Leistungen
werden im allgemeinen Verfahren angewendet, bei welchen Signale kombiniert werden,
deren relative Phase in jedem der Ausgangskanäle verändert wird.
-
Diese Lösungen haben Jedoch Nachteile, wie weiter unten ausführlicher
erläutert wird.
-
Ziel der Erfindung ist die Vermeidung dieser Nachteile.
-
Die Erfindung schafft eine Ultrahochfrequenz-Schaltanordnung zum Umschalten
geführter Ultrahochfrequenzwellen zwischen zwei Richtungen in steuerbarer und kontinuierlicher
Weise, gekennzeichnet durch ein Eingangsglied zur parallelen Fortpflanzung von Ultrahochfrequenzenergie
in.
-
einem ersten und einem zweiten Kanal, eine Richtungskopplereinrichtung
zwischen dem ersten und zweiten Kanal und eine eine gemeinsame Steuereinrichtung
aufweisende Einrichtung, woche in den Kanälenvor der R-ichtungskopplereinrichtung
Jeweils Phasenverschiebungen erzeugt, deren Summe konstant ist.
-
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen Figuren 1 und 2 bekannte Vorrichtungen, deren Darstellung zum
zum
besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dient, Figur 3 eine erfindunsgemäße
Anordnung, welche einen Phasenschieber in Jedem der beiden Kanäle aufweist, Figur
4 eine schematische Darstellung der Amplituden und Phasen der Wellen an verschiedenen
Punkten in der in Figur 3 gezeigten Anordnung, Figur 5 eine Ausführungsform der
Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung, Figur 6 eine bevorzugte Ausführungsform
eines Teils der erfindungsgemäßen Anordnung, Figur 7 eine andere Ausführungsform,
Figur 8 eine vereinfachte Ausführungsform der Anordnung mit einem einzigen Richtungskoppler,
Figur 9 eine Anordnung mit einem Absorber in einem der Ausgänge und Figuren 10 und
11 zwei Beispiele für Schaltungen, welche eine erfindungsgemäße Anordnung enthalten.
-
Das zu schaltende Ultrahochfrequenzsignal tritt in einen Hohlleiter
G1 ein und eine steuerbare und kontinuierliche Umschaltung soll zwischen den zwei
Kanälen und G durchgeführt werden.
-
Die Verteilung der Energie zwischen den zwei Kanälen wird durch
durch
die Wirkung eines Richtungskopplers C1 bewirkt. Um diese Verteilung steuerbar zu
machen, wird eine Phasenänderung des Signals in einem der beiden Kanäle, beispielsweise
im Kanal G2, durch die Wirkung eines steuerbaren -Phasenschiebers D hervorgerufen.
Dem Letzteren ist ein Richtungskoppler C2 nachgeschaltet, welcher die fortgepflanzte
Energie wieder vereinigt. Wenn die Phasenänderung im Phasenschieber D Null ist,
ist keine Energie im Kanal G2 und alle Energie tritt im Kanal G3 auf, was auf der
bekannten Eigenschaft von Richtungskopplern beruht, eine Phasenverschiebung von
900 zwischen den beiden Ausgangswellen hervorzurufen.
-
Wenn der vom Phasenschieber erzeugte Phasenwinkel ç von 0 verschieden
ist, kann man die Verteilung der Energie.
-
zwischen den zwei Kanälen in kontinuierlicher und steuerbarer Weise
durch Veränderung des Winkels ç erhalten.
-
Wenn die auf dem Phasenschieber D beruhende Phasenverschiebung ç von
0 auf 1800 tbergeht, sinkt die Leistung im Kanal G3, bis sie verschwindet, und die
Leistung im Kanal G2 steigt bis zu einem maximalen Wert.
-
Dieser Vorgang hat Jedoch eine Folge, die in bestimmten Fällen ein
sehr ernstlicher Nachteil sein kann: Die Änderung der Amplituden in den Kanälen
G2 und G3 wird von einer Phasenänderung der zwei Ausgangssignale bezüglich derJenigen
des Eingangssignals begleitet und es sind zwei steuerbare Phasenschieber erforderlich,
um an den Ausgängen der Kanäle G2 und G3 Wellen mit konstanter Phase auf die Belastungskreise
zu geben.
-
Figur 3
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform der
Erfindung.
-
Die elektromagnetische Ultrahochfrequenzenergie tritt in den Eingang
1 des Hohllelters G1 eines Richtungskopplers G1 - G4 ein. Die einfallende Energie
wird in zwei Teile aufgeteilt. Ein Teil pflanzt sich im Hohlleiter G1 bis zum Ausgang
2 des Kopplers G1 - G4 fort, während der andere durch das zwischen den Hohlleitern
G1 und G4 vorgesehene Loch 3 in den angrenzenden Hohlleiter G4 übergeht.
-
Die Energie pflanzt sich in diesem letzteren Hohlleiter zum Ausgang
5 des Kopplers fort. Eine angepaßte Belastung 4 ist am entgegengesetzten Ende des
Hohlleiters G4 zur Absorption von Reflexionen angeordnet.
-
Die Ausgänge 2 und 5 sind Jeweils mit zwei Phasenschiebern gekoppelt.
Deren Zweck besteht darin, eine Veränderung der Phase der durch dieselben sich fortpflanzenden
Wellen in kontinuierlicher und steuerbarer Weise, beispielsweise durch Veränderung
der Länge des Weges, zu ändern.
-
Jeder Phasenschieber besteht aus zwei aneinanderliegenden Hohlleiterteilen
6 und 7, die an einem Ende durch eine von Kolben getragene, bewegliche, leitende
Wand8 oder 9 abgeschlossen sind, die einen Ultrahochfrequenz-Kurzschluß bildet.
Ein Loch 10 ist in der gemeinsamen Wand der benachbarten Hohlleiter G1 und G2 vorgesehen.
Durch Verschiebung der Kurzschlußkolben 8 und 9 kann der Weg, längs dessen eine
Welle sich durch den Kanal G1 - G2 vom Eingang 1 zum Ausgang 16 fortpflanzt, sowie
die Phasendifferenz zwischen dem Ausgang 2 des Kopplers G1 - G4 und dem Eingang
11 des Kopplers G2 G G3 leicht eingestellt werden.
-
werden. Das gleiche gilt für die Phasenverschiebung zwischen dem Ausgang
5 des Kopplers G1 - G und dem Eingang 12 des Richtungskopplers G2 G G3.
-
Die Arbeitsweise dieser Anordnung kann anhand von Figur 4 verfolgt
werden, welche die Vektoren zeigt, die der Phase der Ultrahochfrequenzwellen an
verschiedenen Punkten in der Schaltung entsprechen.
-
Als posit-ive Richtung wird die in der Trigonometrie verwendete Richtung
genommen und es wird angenommen, daß eine Welle mit der Phase Null in den Eingang;
1 des Hohlleiters G1 eingespeist werden soll. Dann flndet man an verschiedenen Punkten
des Wellenfortpflanzungsweges die folgenden Phasen: (a) Im Kanal G1 G2: Am Ausgang
2 des Richtungskopplers G1 - G4 ist die Phase 0°. Am Eingang 11 des Richtungskopplers
G2 G3 ist die Phase #1, wobei #1 die vom Phasenschieber D1 im Kanal G1 - G2 bewirkte
Phasenverschiebung ist.
-
(b) Im Kanal G4 - G3, in dem die Anwesenheit des Richtungskopplers
eine Phasendrehung der durch denselben gehenden Welle um 900 bewirkt, ist die Phase
diejenige, welche auf der vom Phasenschieber- D2 bewirkten Phasenverschiebung beruht.
-
(c) Die Phase der Ausgangswelle am Ausgang 16 ergibt sich aus der
vektoriellen Zusammensetzung von zwei Vektoren
Vektoren, welche
den zwei folgenden Wellen entsprechen: der Welle A, welche vom Eingang 1 zum Ausgang
16 ohne Jede Phasenänderung durch die Koppler verläuft; ihre Phase ist der Welle
B, welche vom Eingang 1zum Ausgang 16 verläuft und durch die Löcher 3 und 15 der
Richtungskoppler G1 - G4 bzw. G2 - G3 gegangen ist.
-
Diese Welle wurde hier zwei Phasenverschiebungen von 900 unterworfen
und besitzt schließlich am Ausgang 16 eine Phase gleich: 900 + ( 42 + 900) = 1800
+ +2.
-
(d) Die Phase der Ausgangswelle am Ausgang 17 ergibt sich aus der
Zusammensetzung von zwei Vektoren, welche den zwei folgenden Wellen entsprechen:
der Welle C, welche vom Eingang 1 zum Ausgang 17 verläuft; ihre Phase ist # c =
900 + der Welle D, welche vom Eingang 1 ausgeht und durch das Loch 15 im Richtungskopppler
G2 - G4 gegangen ist, bevor sie den Ausgang 17 erreicht.
-
Diese Welle wird einer Phasendrehung von 900 unterworfen und hat
am Ausgang 17 eine Phase gleich 900 + Die Amplituden der Komponenten A, B, C und
D sind gleich, da
da Jede derselben auf einer zweimal aufeinanderfolgenden
Teilung durch ri der Amplitude der auf den Eingang 1 des Hohlleiters G1 gegebenen
eintretenden Welle beruht.
-
Die bei der Zusammensetzung dieser Amplituden erhaltenen Parallelogramme
sind daher Vierecke mit vier gleichen Seiten und die Resultanten der Zusammensetzungen
von A und B bzw. C und D sind die Winkelhalbierenden der gebildeten Winkel.
-
Durch eine geeignete Kopplung der Lagesteuerungen der beweglichen
Kurzschlüsse der beiden Phasenschieber Di und D2 wird bei der erfindungsgemäßen
Anordnung gewährleistet, daß die Jeweiligen Phasen der Ausgangswellen gleich bleiben,
und zwar unabhängig von den Amplituden der in die Hohlleiter G2 bzw. G3 geschalteten
Wellen, und daß zwei Phåsenwinkel gleich Jedem gewünschten Wert gemacht werden können,
und zwar insbesondere gleich der Phase des in den Hohlleiter al eingespeisten Eingangssignals.
-
Die Arbeitsweise der Anordnung ist in dem besonderen Fall leichter
zu verstehen, bei welchem die relative Phasenverschiebung zwischen den resultierenden
Wellen gleich 0 oder gleich 1800 gewählt ist. In diesem letzteren Fall haben die
Komponenten gleiche Phasen und entgegengesetzte Vorzeichen-und die zu erfüllenden
Bedingungen können geschrieben werden: #A = -#B; #C = -#D oder #1 = -(#2 + 180°);
#2 + 90° = (#1 + 90°) oder
oder #1 + #2 = Diese Bedingung kann
durch. irgendeine mechanische Einrichtung erfüllt werden, weiche die Verschiebungen
der zwei Phasenschieber derart miteinander koppelt, daß diedurch Verschiebung des
einenPhasenschiebers erhaltene Änderung- des Phasenwinkels im geometris-chen- Sinn
genau supplementär zu der durch die Verschiebung des anderen. erhaltenen Änderung
des Phasenwinkels-- ist.
-
Es- kann in ähnlicher Weise gezeigt werden,- daß gleichzeitige Veränderungen
der zwei Phasen #1 und 92 um den gleichen. Betrag mit dem gleichen Vor-zeichen es
möglich machen, die- Jeweiligen Phasen der Ausgangswellen um die gleichen Beträge
zu ändern, was der Bedingung entspricht: - #2 = constans.
-
Diese Bedingung. kann- mittels irgendeiner mechanischen Ein richtung.
erfüllt werden, welche die Verschiebungen der zwei Phasenschieber derart koppelt,
daß die durch die Verschiebung Jedes derselben erzielte Änderung der Phasenwinkel
genau gleich ist-.
-
Wenn die Eingangsleistung P0 ist, so sind die Jeweiligen Leistungen
an den zwei Ausgängen der Anordnung P0 sin²#1 - #2/2 und
und H0cos²#1
- #2/2.
-
Die Phase der Ausgangsweile bezüglich der Eingangswelle ist 90° =
##### Wenn daher die jeweiligen Ausgnasleistungen der beiden kanäle verändert werden
sollen, wobei die relativen Phasen der zwei Ausgangswelle bezüglich der Eingangswelle
konstant gehalten werden, so muß die Summe #1 + #2 konstant gehalten werden, während
#1 und #2 verändert werden.
-
Wenn jedoch jeweils die obigen Phasen verändert werden sollen, während
die jeweiligen Ausgangsleistungen der beiden Kanäle konstant gehalten werden, dann
muß -die: Dif-fereni #1 - #2 konstant gehalten werden, während #1 und #2 verändert
werden.
-
In dem allgemeinen Fall, daß die Phasenwinkel der resultierenden Wellen
einen willkürzlichen, jedoch konstanten Wert besitzen, läßt sich die Bedingung schreiben:
#1 + #2 = constans.
-
Figur 5 zeigt beispielsweise, wie dieses Resultat mittels eines Verbindungsgliedes
18 erzeilt werden kann, welches die Regelstäbe der beweglichen Kurzschlüsse verbindet.
-
Die in den Figuren 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen' sind
sind
insbesondere für Wellenleiter geeignet, in denen Wellen mit hoher Energie übertragen
werden.
-
Figur 6 zeigt eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei
welcher der bewegliche Kurzschluß der Phasenschieber durch Stäbe aus dielektrischem
Material ersetzt ist, deren Eindringtiefe in die Hohlleiter veränderlich ist. Die
Stäbe 19 sind durch den Boden der Wellenleiter mittels Hülsen 20 geführt, deren
Abmessungen so berechnet sind, daß zusammen mit dem dielektrischen Material Wellen
leiter am kritischen Punkt" gebildet werden. Die Reflexionskoeffizienten der beiden
Stäbe müssen gleich sein, sind jedoch nicht notwendigerweise Null, was ihre Herstellung
vereinfacht, indem keine besondere Formung ihrer Enden erforderlich ist.
-
Figur 7 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Bei dieser Ausführungsform sind die zwei Phasenschieber innerhalb jedes der beiden
den Eingangsrich tungskoppler bildenden Hohlleiter angeordnet. Zwei Stäbe 21 aus
dielektrischem Material ragen über einerveränderliche Strecke in die beiden Hohlleiter
jeweils parallel zur allgemeinen Achse der beiden Hohlleiter. Die Enden der Stäbe
sind zur Erzielung einer guten elektromagnetischen Anpassung kegelförmig ausgebildet.
-
Die dielektrischen Stäbe sind koaxial zum Wellenleiter.
-
Es ist auf Kosten einer Verminderung der erzielten Phasenverschiebung
auch möglich, die Achsen der Stäbe näher zu einer der Wände des Hohlleiters zu verlegen,
wodurch der maximale Betrag der UltrahochfrequenzleMbung heraufgesetzt wird
wirdj
der ohne Bogenbildung oder Durchbrennen umgeschal- -tet werden kann.
-
Die Verschiebung der Stäbe wird beispielsweise mittels einer Kupplung
zwischen den beiden Stäben erreicht.Beisp-ielsweise sind ihre äußeren Teile in Zahnstangen
22 und 23 eingepaßt, welche mit einem Zahnrad 24 kämmen. Wenn das Letztere-gedreht
wird, wobei seine Achse bezüglich der Hohlleiter fest bleibt, wird einer der Stäbe
veranläßt, sich in den Hohlleiter hineinzubewegen, was eine Änderung des Phasenwinkels
im ersten Hohlleiter in einer Richtung bewirkt, während der andere Stab zurückgezogen
wird, was eine Änderung des Phasenwinkels im zweiten Hohlleiter im entgegengesetzten
Sinn bewirkt.
-
Für Bewegungen der gleicheff Größe, jedoch in entgegengesetzten Richtungen,
wird die obige Bedingung 9 Q'2 = constans befriedigt.
-
Die Umschaltung von Leistung wird ohne Änderung der Phase bewirkt.
-
Wenn mittels -eines mit dem Zahnrad 25 verbundenen, aus Zahnstange
und Zahnrad-bestehenden Systems das Zahnrad 25 ohne Drehung verschoben wird, werden
beide Stäbe gleich zeitig in der gleichen Richtung bewegt. Die~relative Phase und
Amplitude der Wellen innerhalb des Richtungskopplers G1 - G4 ändert sich nicht,
da der Einfluß der beiden -dielektrischen
dielektrischen Stäbe
in beiden Hohlleitern auf jeder Seite des Loches des Richtungskopplers G1 - G4 unabhängig
von ihrer Lage gleich ist. Zwischen den zwei Richtungskopplern G1 - G4 und G2 -
G3 ändert sich jedoch die Menge des innerhalb der Hohlleiter vorhandenen dielektrischen
Materials, wodurch eine Änderung der jeweiligen Phasen an den Ausgängen der Hohlleiter
G2 und G3 bezüglich der Phase am Eingang des Hohlleiters G1 hervorgerufen wird.
-
Die obige Bedingung - : constans ist erfüllt.
-
Dadurch bleibt die Verteilung der Leistung innerhalb der Umschaltanordnung
fest und die Phasenverschiebung an den Ausgänge kann gesteuert werden. Die Anordnung
verhält sich daher wie ein Phasenschieber.
-
Figur 8 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung, bei welcher der erste Richtungskoppler nicht mehr vorhanden ist.
-
Bei der beispielsweise in Figur 7 gezeigten AusfGhrungsform bestand
die Aufgabe des ersten Richtungskopplers offensichtlich darin, in den beiden Kanälen
aufgrund einer einzigen Welle jeweils Wellen mit gleicher Amplitude zu erzeugen.
Wenn jedoch diese Wellen von Anfang an durch getrennte Hochfrequenazellen geliefert
werden, ist der erste Richtungskoppler nicht mehr notwendig und kann weggelassen
lassen
werden. Dadurch bleibt eine Anordnung übrig, welche an der Ebene K1 - K4 in Figur
7 beginnt. Die Arbeitsweise ist in jeder Hinsicht, sowohl in Hinsicht auf die auf
die beiden Kanäle G2 und G3 aufgeteilte Leistung als auch auf die Phasenverschiebung
in diesen KanEleny die gleiche wie im Fall der Figur-- 7.
-
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher der Kanal
G2 durch eine angepaßte Belastung abgeschlossen ist und keine Leistung an dessen
Ausgang entnommen wird. In diesem Fall arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung als
Mischstufe.
-
Figur 10 zeigt eine Anwendung der in Figur 8 dargestellten Anordnung.
-
Bei dieser Anlage wird in einem Versorgungsgerät für einen linearen
Teilchenbeschbuniger eine solche Anordnung 50 verwendet. Diese Schaltung ermöglicht
die Lösung des folgenden Problems in zufriedenstelle-nder Weise: Das Erfordernis
besteht darin, von einer Leistungsquelle 30 mit zwei im wesentlichen ausgeglichenen
Ausgängen 31 und 32 erstens Leistung für die konstante Spannungsversorgung eines
Teils des Beschleunigers und zweitens eine in Amplitude und phase veränderliche
Welle zur Erzielung der Beschleunigungswirkung in einem anderen Teil des Beschleunigers
zu erhalten.
-
Es werde beispielsweise angenommen, daß die Quelle 30 ein Klystron
mit zwei Ausgängen 31 und 32 ist, welches 12 MW an
an Jedem Ausgang
erzeugt, daß die für-den Bündelerzeugerteil des Beschleunigers-erforde-rliche Versorgungsleistung
3 Illvi beträgt und daß die zum anderen Teil zugeführte Leistung; zwischen 10 und
20 MW veränderlich sein soll. Die zwei Klystronausgänge sina Jeweils mit den Ein
gängen von zwei Riehtungskopplern 41 und 42 mit 9 db verbunden, deren erste Ausgänge
mit den zwei Eingängen eines weiteren Richtungskopplers oder magischen T 43 verbunden
sind, an dessen Ausgang S1 2(##)MW = 3 MW für die Versorgung des Bündelerzeugers
erzielt wird.
-
Die zweiten Ausgänge der Koppler 41 und 42, deren-Jeder 10,5 MW erzeugt,
sind mit den zwei Eingängen des Umschalters 50 gemäß ligur 8 verbunden, wobei ein
einziger Ausgang S2 des letzteren zur Erzeugung der Beschleunigungsspannung verwendet
wird und aer andere Ausgang mit einer angepaßten Belastung abgeschlossen ist, welche
die unverbrauchte Leistung aufnimmt.
-
Figur 11 zeigt eine bezüglich Figur 10 vereinfachte Ausführungsform,
bei weicher die Koppler 42 und 43 weggelassen sind und der Koppler 41 durch einen
Richtungskoppler 111 mit 6 db ersetzt ist, welcher an seinem ersten Ausgang den
für den Bündelerzeuger erforderlichen Leistungsbruchteil von 3 HW erzeugt und dessen
zweiter Ausgang einen der Eingänge des Umschalters 50 speist, dessen anderer Eingang
direkt- mit dem Ausgang 32 des Klystrons verbunden ist.
-
Es
Es ist unmittelbar zu sehen, daß theoretisch
diese Anordnung nicht vollständig zufriedenstellend ist.
-
Mit anderen Worten, an einem der Eingänge wird eine Leistung von 12
MW und am anderen eine Leistung von 9 MW eed aufgenommen.
-
Trotzdem zeigen die Berechnungen und die Praxis, daß diese vereinfachte
Anordnung verwendet werden kann, wenn.
-
wie bei dem in Fra-ge stehenden Besipiel, der von einem einzigen Kanal
entnommene Leistungsbruchteil nicht zu hoch ist. Mit anderen Worten, die am Ausgang
S2 bei dem vorliegenden Besipiel maximal erhaltene Leistung fällt nur auf etwa 20,9
MW ab und die bei Veränderung der Leistung zwischen 10 und 20,9 MW durch das angegebene
Verfahren beobachtete maximale störende Phasenänderung liegt in der Größenordnung
von 4°.
-
Wenn statt der zwei im entgegengesetzten Sinn betätigten Phasenschieber
ein einziger Phasenschieber verwendet -wor- -den ist, liegt die störende Phasenverschiebung
etwa in der Größenordnung von 41 bis 500 was von dem für die Anpassung des Phasenschiebers
gewählten Kanal abhängt.
-
Es is-t daher ersichtlich, daß die vereinfachte Schaltung ganz brauchbar
ist, wenn man sie mit einer einen einzigen Phasenschieber verwendenden Schaltung
vergieicht, und daß sie im Vergleich mit der in Figur 10 dargestellten Ausführungsform
ohne Jeden praktischen Nachteil eine beträchtliche Einsparung erlaubt.
-
Weiter ist ersichtlich, daß die Schaltung gemäß Fi-gur 11 mit
mit
einer Quelle gespeist werden kann, deren zwei Ausgänge nicht vollständig ausgeglichen
sind.
-
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beispielsweise beschriebenen
und dargestellten Ausführungsformen beschränkt.
-
Insbesondere ist es möglich, wenn erforderlich, die Leistungsbruchteile
aus den zwei Ausgangskanälen zwei Belastungseinrichtungen zuzuführen, obwohl berücksichtigt
werden muß, daß die Phase und Amplitude nur bei einem der Ausgangskanäle gewählt
werden können.
-
Außerdem können "Streifenleitungen" oder andere Ubertragungsleitungen
an die Stelle der- Hohlleiter gesetzt werden, die Richtungskoppler können durch
andere Koppler, wie magische T's ersetzt werden und jeder dielektrische Stab kann
durch mehrere Stäbe ersetzt werden oder kann einen anderen Durchmesser besitzen
als die anderen, wobei die Steueranordnungen in geeigneter Weise abgeändert werden
müssen.
-
Patentansprüche