DE1956812A1 - Speiseleitungsabschnitt mit modifizierter Wendel als Innenleiter - Google Patents

Description

Patentanwalt· ^ Dipl.-lng.W.Meistn#r DipWng. H. Tischer

λ a*rUn33 (Grunewaia/

1 Beriin55 ^ . _, „ „ 7.11.1969

Pr/Ut

Orion Radio es Villamossagi Vallalat, Budapest, X. Jaszberenyi

ut 29 / W

SPEISELEITUiraSABSCHWITT MIT MODIFIZIERTER WENDEL IIS ΙΒΓΝΕΚ-IEITER

Die Erfindung betrifft einen abgleichbaren Speiseleitungsabschnitt, der im. ultrakurzfrequenten, oder mifcrowellenfrequenten Band al3 Anpas3ungavierpol verwendet werden kann, und dessen Innenleiter eine modifizierte Wendel ist.

Es ist eine häufige Aufgabe in der Hochfrequenz- und besonders in der ültrakurzfrequenztechnik, hochohmische und gleichfalls-auch reaktante Elemente enthaltende Zweipole Generatoren mit ohmischem Ausgang, oder ohmischen Belastungen anzupassen. Einen solchen Zweipol stellt, zum Beispiel, ein mit Va-

260/15 alt.

00 9 821/1527

raktar bestückter Stromkreis dar* dessen annäherungsweises Ersatzschaltbild -auf eine bestimmte Frequenz bezogen - der in Reihe geschalteter Widerstand B, und Kondensator C darstellt. In parametrischen Stromkreisen ist Kondensator G die dynamische Kapazität des Stromkreises, und Widerstand R ist das Vielfache des Verlustwiderstandes der Diode in der Sperrichtung» der als Reihenwiderstand betrachtet werden kann, und meistens weniger als 50 Ohm beträgt. Wenn dieser Wert ziemlich gering ist, wird er sehr, schwer der etwa 50 Ohm Speiseleitung-des Generators anzupassen sein» da, außer der'kohen Übertragung, auch die Anpassung veränderbar zu- sein hat, um die recht hohe Streuung der Werte der elektrischen Parameter der verwendeten Halbleiter kompensieren zu können.

Der die Aufgabe zu lösende Vierpol hat außerdem noch weiteren wichtigen .Anforderungen gerecht zu werden. Außer der Betriebsfrequenz soll auch der reaktante Teil des betreffenden Vierpoles abgestimmt werden (dieser gilt Im erwähnten Beispiel als eine Kapazität, die als Serieneinheit betrachtet werden kann), andererseits soll der Vierpol auch über B¹Ht er eigenschaften verfügen. Wenn nicht bloß eine Frequenz, sondern ein· Frequenzspektrum (z.B. ein moduliertes Hochfrequenzsignal) zu übertragen ist, so ist die Aufgabe der Anpassung im ganzen tJbertragungsband zu lösen, und zwar mit einer Durchlaßdämpfur.g, die möglichst gering sein soll, während im Bezug auf die unerwünschten Frequenzen (bzw. Komponenten) außerhalb des Bandes hat die Sperrdämpfung .hoch zu sein. Stromkreise dieser Art können selektive Anpassungsvierpole genannt werden.

Weitere praktische Anforderungen sind geringe räumliche Abmessungen - insbesondere bei Anlagen, die mit Halbleitern bestückt sind - und Verläßlichkeit, ferner leichte Fabrikationsfähigkeit.

Verhältnismäßig große Abmessungen können jedoch nicht vermieden werden, wenn der selektive A^P^aaaungsvierpol im Ultra™ kurzwellenbereich als ICoaxialspeiseleitung oder Koaxialwellen-, leiter aufgebaut werden soll. Die räumliche Länge wird beträcht-

2 -

0 0 9 8 2 1/15 2 7

lieh, kürzer sein, wenn die verwendete Speiseleitung mit wendelförmiger Xnnenleitung versehen ist. Der Koaxialwellenleiter ist bekanntlich, ein Metallrohr mit Kreisquerschnitt, seinem Wesen nach, in dessen geometrischer Längsachse (Mittellinie) ein Metalleiter beträchtlich geringen Durchmessers, koaxial angeordnet ist. Die Speiseleitung mit wendeiförmigem Innenleiter ist mit einem Metallrohr mit ebenfalls Kreisquerschnitt, ausgestattet (das die Punktion des Abschirm-Außenleiters versieht), in dem ein wendeiförmiger dünner Metalleiter so angeordnet ist, daß die Längsachse der Wendel mit der Achse des Metallrohr-Außenleiters koaxial ist. Diese Wendel (Helix) hat vier konkrete geometrische Kenndaten:

Durchmesser der Wendel -(-D_-)

Gewindes te igung (a_)

ausgebreitete Länge eines Gewindes (JL)

Winkel der Wendelsteigung ( ^f ).

Diese sind Elemente eines rechtwinkeligen Dreiecks, in dem JL die Hypotenuse, a die eine (im vorliegenden Pail kürzere) Kathete, D_ ν die Länge der anderen Kathete, und ■ der dem a_ gegenüberliegende Winkel ist, der auch Wendelsteigungswinkel genannt wird. (Das ist der Biegurrrswinkel in jedem Punkte der Wendel, bezogen auf eine Ebene, die zu der Längsachse der Wendel senkrecht ist.) Sp ist

a
= sin ψ*

Wenn diese Gewindesteigung gering (z.B. weniger als 10°) ist und es angenommen werden kann_s daß in der Speiseleitung mit ν wendeiförmigem Innenleiter die Wellenfortpflanzung in symmetrischem Modus vor sich geht, so besteht folgender Zusammenhang zwischen Pha;5engesehwindigkeit v_ und der Portpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes o_

-—-? tgy ~ siny

(entsprechend, obiger Voraussetzung, da ja tgV ^ sinY ).

_i[iiL -^ ____

009821/1527

Bs kann demnach, mit guter Annäherung behauptet werden, daß die elektrische Länge der Speiseleitung mit wendeiförmigem Innenleiter, bei entsprechender Dimensionierung" grö*-" ßer, und ihre geometrische Länge in der Achsenrichtung in dem Verhältnis kleiner sein kann, als die länge einer Speiseleitung der Betriebsart TEM, die mit demselben Medium ausgefüllt ist, in welchem Verhältnis die ausgebreitete Länge eines Wendelgewindes (1) größer ist, als die Gewindesteigung Ca₁). Ein weiterer Vorzug besteht darin, daß der Gütefaktor eines am Abschluß kurzgeschlossenen Viertelwellen-Wendel-Resonatora in unbelastetem Zustand, gegenüber einem üblichen Viertelwellen-Koaxial-Resonator, durch entsprechende Dimensio-

W nierung gesteigert werden kann, wodurch ein Resonanz-Speiseleitungsabschnitt höherer Selektivität zustandegebracht werden kann. Resonanz-Speiseleitungsabschnitte (Hohlraumresonator! können, erfahrungsgemäß, einen Eingang, oder zwei Eingänge haben; lassen sich demgemäß als Zweipole, oder Vierpole verwenden.

Gegenüber Koaxialanordnungen Jedoch, die als klassisch bezeichnet werden können, läßt sich der Speiseleitungsabschnitt» im Falle von Wendelspeiseleitungen, nur schwer und umständlich auf Resonanz abstimmen (da in solchen Fällen ein Kurzschluß-Piston als feineinstellbares Abstimmelement sich nicht verwenden läßt) und dasselbe trifft auch hinsichtlich der im erwünsch-

k ten Maße verstellbaren Einstellung der Kopplung zu. Die bekannten Lösungen sind außerstande, beiden Anforderungen gleichfalls gerechtzuwerden. Bei Verwendung von Zweipolen erfolgt die Kopplung an das freie Ende eines am anderen Ende kurzgeschlossenen, wendeiförmigen Speiseleitungsabschnitts über eine kapazitive Sonde. Bei lockerer Kopplung wird diese Lösung meistens auch, entsprechend sein, und kann did Kopplung nur dadurch, verengt werden, indem die eigene Resonanzfrequenz beträchtlich verstellt wird. Bei Vierpolen lassen sich eine Vielzahl von Kopplungsarten verwirklichen, jedoch ohne Verstellmöglichkeit. In solchen Fällen sollen die Elemente des Hochfre-

quenzkreises sorgfältig, sehr genau und schon im voraus experimentell bestimmt werden (dabei handelt es sich u*a. um die magnetische Koppelschleife, Lage, Form und Größe des in die Speiseleitungswand geschnittenen Spalts usw.).

Diese Voraussetzung läßt sich, jedoch, meistens auch, dann nicht realisieren, wenn eine Fertigungstechnoiogie gegeben ist, die auf das sorgfältigste und genaueste arbeitet und nur äußerst strenge Toleranzen zuläßt, sofern im Stromkreis auch Halbleiterelemente vorkommen. So ist die Kopplung einzelner Kreise aneinander äußerst kritisch, in Vervielfachern z.B. die mit Varaktor-Dioden bestückt sind; verzichtet man auf die Verstellbarkeit der Kopplung, müßten entweder ausgewählte Dioden verwendet werden, oder aber müßte man auf die Einstellbarkeit des Vierpols auf optimale Betriebsmäßigkeit verzichten, da doch die Streuung der elektrischen Parameter von Halbleiterelementen sehr beträchtlich ist.

Die Erfindung gedenkt in Hinsicht auf diese Schwierigkeiten dadurch eine Lösung zu bieten, daß für Verwendung im XJltrakurzen-; oder Mikrowellenband ein solcher - als Anpassungsvierpol verwendbarer - Speiseleitung3abschnitt konstruiert wird, der in Bezug auf Frequenzen, die außerhalb des Betriebsfrequenzbandes liegen, gute selektive Eigenschaften aufweist, d.h. hier eine hohe Dämpfung in der Sperrichtung hat, wobei seine räumliche Abmessungen verhältnismäßig klein sind, und dieser verlustfreie Kopplungsdipol sowohl mechanisch., als auch, elektrisch optimal eingestellt werden kann, daß er fernerhin leicht und einfach an die spezifizierte Frequenz angeglichen werden kann, und, gleichzeitig, unabhängig davon, vermittels eines besonderen Einstellorgans an den Generator (bzw. an den Abschluß) angepaßt werden kann, nötigenfalls, auch im Betriebszustand, und zwar ebenso leicht und wirksam, als im Ruhezustände.

Diese letztgenannte Möglichkeit ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Abgleich aus irgendeinem Grunde (z.B. bei Ersatz des Halbleiterelementes) nachgeglichen werden soll. Der Speiseleitungsabschnitt gemäß der Erfindung eignet sich be-

009821MS27

sonders· zur Lösung der Anpassungsprobleme von Halbleiterkreisen, die im ultrakurzfrequenten Bereich arbeiten, wie z.B. von mit Varaktor bestückten parametrischen Verstärkern, oder harmonischen Vervielfachern. Zufolge der doppelten Einstellmöglichkeiten, die unabhängig voneinander sind, ist die Lösung gemäß der Erfindung gegen Fertigungstoleranzen, bzw. Abmessungsstreuungen praktisch unempfindlich, ihre Fabrikation ist demnach weit leichter und einfacher, als die aller sonstigen bekannten, abstimmbaren Speiseleitungsabschnitte, die einen wendeiförmigen Inenleiter haben.

Laut der Erfindung kann dies auf die Weise verwirk-

P licht werden, daß ein Ende der Wendel des Speiseleitungsabschnitts, gekennzeichnet durch Kreisquerschnitt-Außenleiter und wendeiförmigen Innenleiter, in'eine verhältnismäßig kurze, gerade und koaxiale Linie umgeformt wird die auf die Art in ein Kurzschluß-Piston eingefaßt wird, daß sich diese modifizierte Wendel in dem im Inneren des Außenleiters des Speiseleitungsabschnitts koaxial angeordneten Koppelring axial verschieben läßt. Die Erfindung betrifft einen ultrakurz- oder mikrowel— lenfrequenten, abstimmbaren Speiseleitungsabschnitt, in dem — unter anderem - ein» an sich bekannter Speiseleitungsabschnitt, gekennzeichnet durch Kreisquerschnitt-Außenleiter und wendeiförmigen Innenleiter, ferner ein Kurzschluß-Piston» letzteres

fe an die Innenwand des Außenleiters eng und federnd sich anpassend, ferner eine Koppelschleife so angeordnet sind, daß das gegen das Piston fallende Ende des Wendel-Innenleiters koaxial geradegestreckt, und mit dem in der Achsenrichtung verschiebbaren Kurzpiston galvanisch verbunden ist, ferner daß die Länge des koaxialen, geraden Endes zwischen Ende des letzten Gewindes des Wendel-Innenleitere und dem Kurzschluß-Piston, kürzer ist, ala ein Zehntel der Wellenlänge im Betrieb, ferner daß der Wendel-Innenleiter sowohl im zylindrischen Außenleiter, als , auch in der Koppelschleife koaxial angeordnet ist.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen beschrieben, von denea

009821/1527 . /

Pig, L daa Ersatzschaltbild des mit Varaktor bestückten parametrischen Stromkreises darstellt»

Fig. 2. die modifizierte Wendel in Untenansicht darstellt,

Pig. 3 die modifizierte Wendel in der Seitenansicht darstellt, '

Pig. 4 das Ersatzschaltbild des abgleichbaren Anpassungs-Vierpols zeigt,

Pig. 5 zeigt den abgleichbaren Anpassungs-Vierpol* verwendet zu einem, mit Varaktor bestückten, parametrischen Vervielfacher.

Als praktische Verwendung'schließen wir z.B. einen mit Varaktor bestückten, parametrischen Stromkreis an einen Generator, mit Hilfe, des, gemäß der Erfindung konstruierten Anpassungs-Speiseleitungsabschnittes."Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild der Varaktor-Eingangimpedanz. Es handelt sich um einen Zweipol, in dem das Vielfache des Verlustwiderstandes 1, der als Reihenwiderstand beträchtet werden kann, und in der Sperrichtung der Diode angeordnet ist, mit der dynamischen Kapazität 2 der Diode in Reihe geschaltet ist. Dementsprechend kann durch Veränderung der Kapazität 8 laut Pig. 4 der reaktante Teil der Eingangsimpedanz abgestimmt werden. Nun können wir, nach Abstimmung, bei richtiger Anpassung des Koppel-Speiseleitungsabschnittes, in der Ebene der Koppelschleife eine, nahezu ohmische Eingangsimpedanz sehen. Die variable Kapazität können wir am einfachsten aus zwei ebenen parallelen Metallplättchen erzeugen, deren Abstand voneinander beliebig nachgestellt werden kann. An eines der metallplättchen - zweckmäßigerweise an das fix stehende - schließen wir mit einem flexiblen Leiter eines der Enden der modifizierten wendelförraigen Innenleiter des Anpassungs-Speiseleitungsabschnittes, mit Kreisquerschnitt an. Pig. 3 zeigt in Seitenansicht diesen modifizierten wendeiförmigen Innenleiter,4. Mit einem flexiblen Leiter verbinden wir das Ende 3 des wendeiförmigen Innenleiters mit einer der Belegungen der variablen Kapazität, während das

17 uz?

andere ISnde 5 des wendelförmigen Innenleiters 4 koaxial gerade gestreckt, und dabei in die Längsachse des wendelförmigen Innenleiters 4 eingeführt und dort, laut Fig. 2 und 3 koaxial geradegestreckt wird. Das Ende 5 der koaxialen Geraden des wendelförmigen Innenleiters. 4 wird in die Mitte des Pistons verlötet, das sich eng und federnd an die Innenwand des Kreisquerschnitt-Außenleiters des Anpassungs-Speiseleitungsabschnittes anschmiegt. Den wendelförmigen Innenleiter 4 umnimmt eine Koppelschleife, durch die die Ausgangsleistung des Generators mit Hilfe des wendelförmigen Innenleiters in den Anpassungs-Speiseleitungs-Abschnitt Übertragen wird, vorausgesetzt, daß P sich an der Wendel nur kreissymmetrischer Modus fortpflanzt. Figur 4 zeigt das Ersatzschaltbild dieses Speiseleitungs-Abschnittes. Hier sind die Ausgangsklemmen 6 und 7 mit den Eingangsimpedanz-Zweipol-Klemmen identisch, die in der■Referenz-Ebene der Speiseleitung des mit Varaktor bestückten parametrischen Stromkreises zu sehen sind; auf die Resonanzfrequenz gleichen wir mit dem variablen Teil der Kapazität 8 ab. Die Koppelachleife 31 laut Figur 4 und 5 trennt eigentlich den wendelförmigen Innenleiter 4 in Abschnitt 11 und 13. (Die Referenznummer 12 von der Figur 4 erwähnen wir nicht, da sie überflüssig ist.) An den Abschnitt 11 schließt sich der, die flexible Leitung 26 enthaltende Abschnitt 10 an. Ein wichtiger . Teil des Speiseleitungsabschnittes ist Piston 14, durch das " der Speiseleitungsabschnitt kurzgeschlossen ist, und in dessen Mitte das Ende der koaxialen Geraden des wendelförmigen Innenleiters verlötet ist.

Die Koppelschleife 31, durch die der wendeiförmige Innenleiter 4 umnommen ist, wird· .in Figur 4 durch einen Transformator variabler Kopplung 17* und durch, dessen Einspeisestellen 15 und 16 angezeigt.

Koppelschleife 31 wird in der Gestalt des Transformators 17, mit den Klemmen 18 und 1.9 an den Generator angeschlossen.

Die äquivalente Länge, der Speiseleitung ist

- 8 - ■ ■ 009821/1527

O - (2k - 1) —Sy—-& (k» 1, 2, 3, ..J

wo *?K-^~- in Bezug auf die Verkürzung des äquivalenten Spei™ seleitungsabschnittes, zufolge der Kapazität 8 und der Streufcapazitäten 9. Damit ergibt sich Z₀ als der Effektivwert des Speiseleitungsabschnittes 13. Die Abmessungen des Speiseleitungsabschnittes lassen sich, übrigens, durch irgendeine der bekannten Ermittlungsmethoden bestimmen.

Figur 5 zeigt die Seichnung einer der lusftüirungsfar« men der Lösung laut der Erfindung. Hier schließt sich. Varaktor 20 unmittelbar an den Außenleiter 22 und den koaxialen Innenleiter 23 des koaxialen Speiseleitungsabschnittes 21 an. Der koaxiale Speiseleitungs-Abschnitt 21 schließt sich, mit einer kapazitiven Sonde an den Anpasaungs-Speiseleitungs-Abschnitt

29 an» Die kapazitive Sonde ist ein variabler Kondensator kleiner Abmessung, bestehend aus der beweglichen Belegung 24 und der fix stehenden Belegung 25«

Die bewegliche Belegung 24 kann mit der Stellschraube 27 geregelt werden, damit erfolgt der Abgleich, des Speiseleitungs-Abschnittds auf die Resonanz-Frequenz.. Im Außenleiter

30 des Anpassungs-Speiseleitungs-Abschnittes 29 ist der wendeiförmige Innenleiter 4 koaxial angeordnet; die Zeichnung des letzteren zeigen die Figuren 2 und 3. Das Ende 5 des koaxialen Geraden des wendeiförmigen Innenleiters 4 ist in das Piston verlötet, und zwar in dessen Mitte. Mit Hilfe der Stellschraube 28 des Pistons 14 kann der wendeiförmige Innenleiter 4 im Inneren der koaxial angeordneten Koppelschleife 31 axial verschoben werden, und kann auf diese Weise die ohmische Anpassung des koaxialen Speiseleltungs-Abschnittes 21 an den Generator erfolgen, dessen Ausgangsenergie über den Konnektor Typ 32 N an die Koppelschleife 31 geleitet ist. Piston 14 paßt sich eng und federnd an die Innenwand des Außenleiters 30 des Speiselei tungs-Abschnittes 29 an und achließt sich auf diese Weise dieses Ende des SpeiseleitungB-Abschnittes 29 verläßlich.

009821/1527

kurz. Das andere Ende 3 des wendeiförmigen Innenleiters 4 ist an die stehende Belegung 26 des variablen Kondensators 25» mit einem Stück flexiblen Leiters 26 angeschlossen» das an die fix stehende Belegung 25 und an das Ende 3 des wendelförmigen Innenleiter verlötet is»

Bas fc^axiale .gorads Ende 5 des werd eiförmigen Imigrnleitere 4 kann gegenüber der Wellenlänge im Betriebszustand; vernachlässigt »c^iön. Diese koaxiale gerade Ende 5 seil kürzer sein* ^l ε &!,& lekjit©! 'ier Wellenlänge im Betriebszustand, wodurch -f*s erreicht kMj daß die Ebene des effektiven Kurzschlusses in dsä· Nähe des Bndes des wendeiförmigen Innenleiters 4 su liegen kommt, wobei zwischen der Ebene des Pistons 24 und der Koppelschleife 31 der Abstand gewährt wird, der erforderlich ist, um die verkürzte wendeiförmige Ifiertelwellen-Speiseleitung mechanisch entsprechend herausgestalten zu können. Dies läßt sich auf Grand der SrwiCgung cUrehfuhren, daß das koaxiale Ende 5 des wendelförmigen Innenleiters 4, als Koaxialleitung einen weit geringeren t'ellenwideretand aufweist, als die V/endel.

Auf Grundlage dieser Ausführungen kann das gesteckte Ziel, laut der Erfindung leicht und sicher erreicht werden, da der wendeiförmige Innenleiter 4» aus einem Stück gebogen, leicht erzeugt werden kann, ferner, da keines der Elemente des Speise-leitungs-Abschnittes 29 - in Anbetracht der zusätzlichen Folge der doppelten Verstellmöglichkeit - bei der Fertigung strenge !Toleranzen zu erfüllen hat, da doch alle Eventualitäten ferner auch alle Montage- oder Fertigungs-Streuungen, Abmessungsabweichungen, durch Nachstellung des Pistons 14 und der beweglichen Belegung 24 elektrisch kompensiert werden können. Die zwei Nachstellungen, d«h* den Speiseleitungs-Abschnitt auf Resonanz abgleichen, und optimal ohmisch an den Generator anpassen, können, praktisch.* voneinander unabhängig durchgeführt werden.

- 10 00 98 2 1/15 2 7

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Ultrakurz-» oder mikrowellenfrequenter» abgleichbarer Anpassungs-Speiseleitungs-Abschnitt» in dem - unter anderem - angeordnet sind ein an sich bekannter Speiseleitungs~Ab~ schnitt mit Kreisquerschnitt-Außenleiter und wendeiförmigem Innenleiter, ferner ein Kurzschluß-Piston, das sich eng, vorteilhaft und federnd an die Innenwand des Außenleiters anpaßt;, ferner eine Koppelschleife, dadurch gekennzeichnet, daß das gegen das Piston (14) fallende Ende (J?) des wendeiförmigen Innenleiters (4) koaxial gerade herausgestaltet (Figur 2 und 3) und an das axial verschiebbare Kurzschluß-Piston (14) galvanisch angeschlossen ist (Figur 5) und daß die Länge dieses koaxialen geraden Endes ({>} zwischen Ende des letzten Gewindes des wendeiförmigen Innenleiters (4) und dem Kurzschluß-Piston (14) kürzer ist, als ein Zehntel der Betriebswellenlänge, ferner, daß der wendeiförmige Innenleiter (4) sowohl im Kreisquerschnitt-Außenleiter (30) als auch in der Koppelschleife (31) koaxial angeordnet ist..
2. 2. Ultrakurz- oder mikrowellenfrequenter, abgleichbarer Anpassungs-Speiseleitungs-Abschnitta dadurch gekennzeichnet , daß ein galvanisch angeschlossener flexibler Leiter (26) angeordnet ist zwischen dem gegenüber dem Kurzschluß-Piston (14) befindlichen Ende (3) des wendeiförmigen Innenleiters (4) und der fix stehenden: Belegung (£5) ejjies variablen Kondensators (Figur 5)·

   - 11 009821/1527