DE2054583C3 - Self-wave selective directional coupler - Google Patents
Self-wave selective directional couplerInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem eigenwellenselektiven Richtkoppler, bestehend aus r.wei parallelen Hohlleitern, die durch Löcher in der gemeinsamen Wand miteinander verkoppelt sind, von denen nur eine Eigenwelle des zweiten Hohlleiters mit der Grundwelle des ersten Hohlleiters richtungsabhängig verkoppelt sind, wobei der erste Hohlleiter rechteckigen Querschnitt hat und mit einem zweiten Hohlleiter von rundem Querschnitt verkoppelt ist.The present invention is concerned with an eigenwave selective directional coupler consisting of r. two parallel waveguides, which are coupled to one another through holes in the common wall, from only one natural wave of the second waveguide with the fundamental wave of the first waveguide depending on the direction are coupled, wherein the first waveguide has a rectangular cross section and with a second Waveguide is coupled with a round cross-section.
Unter dem Begriff »Richtkoppler« versteht man Anordnungen, die gestatten, einer Energieleitung Leistung zu entnehmen, die je nach Einbaue ichtung proportional den auftretenden vor- bzw. rücklaufenden Leiterwellen sind. Aus dem Vergleich zweier solcher Leistungen läßt sich dann unmittelbar der Reflexionsfaktor angeben. Zur Kennzeichnung der Leistungsfähigkeit eines Richtkopplers dient das Richtverhältnis, d. h. der Quotient aus vor- und rücklaufender Spannung bei völlig reflexionsfreiem Abschluß der Energieleitung. Er wird im allgemeinen in dB angegeben und gestattet eine Aussage darüber, welcher kleinste Reflexionskoeffizient noch mit Sicherheit gemessen werden kann. Die »Auskoppeldämpfung« kennzeichnet die Größe der zur Verfügung stehenden ausgekoppelten Leistung.The term »directional coupler« is understood to mean arrangements that allow energy to be conducted To take power, depending on the installation direction, proportional to the forward or reverse that occurs Ladder waves are. The reflection factor can then be obtained directly from the comparison of two such performances indicate. The directional ratio is used to characterize the performance of a directional coupler, d. H. the quotient of the forward and backward voltage with a completely reflection-free termination of the Power line. It is generally given in dB and allows a statement to be made about which smallest reflection coefficient can still be measured with certainty. The »decoupling attenuation« indicates the size of the available decoupled power.
Im allgemeinen ist man bestrebt, Richtkoppler möglichst breitbandig zu erstellen, um einen großen Frequenzumfang zu erfassen. Speziell aber werden insbesondere im GHz-Bereich selektive Richtkoppler benötigt, wobei eine Energieleitung nur für eine Frequenz ausgelegt ist.In general, efforts are made to create directional couplers as broadband as possible in order to have a large one To record the frequency range. In particular, however, selective directional couplers are used, particularly in the GHz range required, whereby a power line is only designed for one frequency.
Auch diese sogenannten eigenwellenselektiven Richtkoppler bestehen aus zwei parallel angeordneten Hohlleitern, die hier in diesem Fall durch Löcher in der gemeinsamen Wand verkoppelt sind (vgl. Fig. 1 der Zeichnung). Hierbei soll im Arbeitsfrequenzbereich in einem der beiden Hohlleiter 1 nur die Grundwelle ausbreitungsfähig sein, während im anderen Hohlleiter 2 mehrere Eigenwellen ausbreitungsfähig sind, von denen aber nur eine — die Nutzwelle des Hohlleiters 2 — mit der Grund- oder Nutzwelle des Hohlleiters 1 verkoppelt sein soll. Auf Grund dieser Eigenschaft ist ein eigenwellenselektiver Richtkopp-Ier zur richtungsabhängigen Anregung bzw. Auskopplung einer ganz bestimmten Eigenwelle im Hohlleiter 2, für die der Koppler dimensioniert ist, zu verwenden, während andere Eigenwellen des Hohlleiters 2 durch den Koppler im allgemeinen nur i'i schwach gestört werden.These so-called eigenwave-selective directional couplers also consist of two arranged in parallel Waveguides, which in this case are coupled through holes in the common wall (see Fig. 1 the drawing). In this case, only the fundamental wave should be used in one of the two waveguides 1 in the working frequency range Be capable of propagation, while in the other waveguide 2 several natural waves capable of propagation are, of which only one - the useful wave of the waveguide 2 - with the fundamental or useful wave of the Waveguide 1 should be coupled. Due to this property is a self-wave selective directional coupler for direction-dependent excitation or decoupling of a very specific natural wave in the waveguide 2, for which the coupler is dimensioned to use, while other eigenwaves of the waveguide 2 are generally only slightly disturbed by the coupler.
Um eine optimale Kopplung zwischen den beiden Nutzwelien zu erhalten, mußIn order to obtain an optimal coupling between the two useful worlds, must
a) die Uesamtkopplung aller Löcher einen bestimmten Betrag haben (für vollständige Um-a) the total coupling of all holes have a certain amount (for complete reversal
I) Wandlung der Leistung der einen Nutzwellen inI) Conversion of the power of one useful wave into
die andere über der gesamten Koppellänge wird eine Gesamtkopplung von "I1 benötigt,
und außerdem müssenthe other over the entire coupling length a total coupling of "I 1 is required,
and also have to
b) die effektiven Phasengeschwindigkeiten der bei- -'" den Nutzwellen gleich sein.b) the effective phase velocities of the two useful waves be the same.
Da an jedem einzelnen Loch für die Hohlleitereigenwellen ein Phasensprung auftritt, setzt sich die effektive Phasengeschwindigkeit einer Eigenwelle aus der ungestörten Phasengeschwindigkeit auf Grund derSince a phase jump occurs at every single hole for the waveguide's own waves, the effective phase velocity of a natural wave from the undisturbed phase velocity due to the
2r> Hohlleiterabmessungen und einer Störung als Folge der Lochwirkung zusammen.2 r > waveguide dimensions and a disturbance as a result of the hole effect.
Die Forderung, daß die Grundwelle des Hohlleiters 1 nicht mit den anderen Eigenwellen des Hohlleiters 2 verkoppelt sein soll, läßt sich für bestimmte Ei-The requirement that the fundamental wave of the waveguide 1 does not coincide with the other natural waves of the waveguide 2 is to be coupled, can be used for certain egg
i» genwellen des Hohlleiters 2 häufig durch geschickte Wahl der Ankopplung (Anordnung der Löcher) verwirklichen. Diese Möglichkeit besteht aber für einige »Störwellen« nicht. Zur Verwirklichung der obigen Forderung für diese Störwellen läßt sich die TatsacheI »general waves of the waveguide 2 often through clever Realize the choice of coupling (arrangement of the holes). However, this possibility exists for some "Interfering waves" do not. In order to realize the above requirement for these spurious waves, the fact
r> ausnutzen, daß die Phasengeschwindigkeiten dieser Störwellen und der Nutzwelle etwas verschieden sind; darum ergibt sichr> take advantage of the fact that the phase velocities of this Interfering waves and the useful wave are somewhat different; therefore it arises
c) die benötigte minimale Koppellänge des Richtkopplers, um eine bestimmte Selektivität desc) the required minimum coupling length of the directional coupler to achieve a certain selectivity of the
4Ii Kopplers gegenüber Störwellen zu erhalten.4Ii coupler against interfering waves.
Von den drei Dimensionierungsbedingungen a), b) und c) ist die Bedingung b) am schwierigsten zu erfüllen. Da die normierten Feldstärken der beiden Nutzweilen an der Stelle der Löcher im allgemeinen starkOf the three dimensioning conditions a), b) and c) condition b) is the most difficult to meet. Since the normalized field strengths of the two uses generally strong at the location of the holes
■Γ) unterschiedlich sind, ist auch die Beeinflussung der effektiven Phasengeschwindigkeiten der beiden Nutzwelien durch die Löcher verschieden stark. Außerdem ist diese Beeinflussung wegen der Größe der benötigten Löcher nur sehr ungenau zu berechnen, während■ Γ) are different, is also the influencing of the effective phase velocities of the two useful waves through the holes of different strengths. aside from that this influence can only be calculated very imprecisely because of the size of the holes required, while
">(i die Verkopplung zwischen den Nutzwellen noch relativ exakt berechnet werden kann. Es ist deshalb praktisch unmöglich, die Richtkoppler von vornherein so zu dimensionieren, daß die Bedingung b) erfüllt ist; es müssen also Abstimmöglichkeiten zur nachträgli-"> (i the coupling between the useful waves is still relatively can be calculated exactly. It is therefore practically impossible to use the directional coupler in the first place to dimension that condition b) is met; so there must be coordination options for subsequent
τ> chen Änderung der Phasengeschwindigkeit einer der Nutzwellen vorgesehen werden. Dazu wurden bisher dielektrische Einsätze verwendet, die nachträglich in den Rechteckhohlleiter 1 eingeschoben werden. Diese Methode ist bei allen Kopplerarten nach Fig. Iτ> chen change in the phase velocity of one of the Useful waves are provided. So far, dielectric inserts have been used for this purpose, which can be subsequently converted into the rectangular waveguide 1 are inserted. This method is applicable to all types of coupler according to FIG
w) anwendbar; es scheint aber sehr schwierig zu sein, diese Einsätze stetig verschiebbar, stabil und reflexionsfrei herzustellen und anzuwenden.w) applicable; but it seems to be very difficult to manufacture and use these inserts so that they can be moved continuously, are stable and free of reflections.
Es besteht deshalb die Aufgabe, diesen erkannten Mangel zu beseitigen und eine Abstimmöglichkeit zurThere is therefore the task of eliminating this recognized deficiency and providing an opportunity for coordination
hr> nachträglichen Änderung der Phasengeschwindigkeit einer der Nutzwellen zu schaffen. ErfindungsgcmätS wird deshalb vorgeschlagen, daß die der Koppelseite gegenüberliegende Wand des rechteckigen Hohllei-h r > to create a subsequent change in the phase velocity of one of the useful waves. Invention device is therefore proposed that the wall of the rectangular hollow line opposite the coupling side
ters membranartig ausgebildet und die Durchbiegung dieser Wand einstellbar ist. Dabei kann man den Rechteckhohlleiter mit seiner schmalen oder breiten Seite an den zweiten Hohlleiter ankoppeln. Für bestimmte Wellentypen ist die Ankopplung mit der brei- > ten Hohlleiterseite unbedingt erforderlich.ters membrane-like and the deflection of this wall is adjustable. You can use the Connect the rectangular waveguide with its narrow or wide side to the second waveguide. For certain For wave types, coupling with the broad> waveguide side is essential.
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment with reference to the drawing.
In der Fig. 1 sind Ausführungsformen von eigenwellenselektiven Richtkopplern im Querschnitt abge- ·" bildet;In Fig. 1 are embodiments of eigen-wave selective Directional couplers shown in cross section.
und die Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Abgleich an einem im Querschnitt dargestellten Richtkoppler. and FIG. 2 shows the adjustment according to the invention on a directional coupler shown in cross section.
In der Fig. 1 sind verschiedene Querschnittsformen i"> von eigenwellenselektiven Richtkopplern abgebildet. In den Hohlleitern 1 der Fig. a, b, c sind nur die Grundwellen ausbreitungsfähig, während in den Hohlleitern 2 dieser Figur mehrere Eigenwellen ausbreitungsfähig sind. Aber nur eine, nämlich die Nutz- -'<> welle des Hohlleiters 2, soll mit der Grundwe/te oder Nutzwelle des Hohlleiters 1 verkoppelbar sein. Auf Grund dieser Bedingung ist ein eigenwellenselektiver Richtkoppler zur richtungsabhängigen Anregung bzw. Auskopplung einer ganz bestimmten Eigenwelle im -"> Hohlleiter 2, für die der der Koppler dimensioniert ist, zu verwenden. Die drei Fig. a, b, c sind als Richtkoppler ganz bestimmten Wellenformen zugeordnet. In Fig. 1, different cross-sectional shapes are i "> mapped by eigenwave-selective directional couplers. In the waveguides 1 of FIGS. A, b, c are only the Fundamental waves capable of propagation, while several natural waves capable of propagating in the waveguides 2 of this figure are. But only one, namely the useful - '<> wave of the waveguide 2, should with the basic value or The useful wave of the waveguide 1 can be coupled. Due to this condition, an eigenwave is more selective Directional coupler for direction-dependent excitation or decoupling of a very specific natural wave in the - "> Waveguide 2, for which the coupler is dimensioned, to be used. The three Fig. A, b, c are as directional couplers assigned to specific waveforms.
In der Fig. a dient der Richtkoppler zur Ein- und «> Auskopplung von Η-Wellen im Rundhohlleiter,In Fig. A, the directional coupler is used to couple waves in and out in the circular waveguide,
in der Fig. b findet eine Ein- bzw. Auskopplung von E-Wellen statt undIn FIG. b, E-waves are coupled in and out, and
in der Fig. c ist eine Anordnung wiedergegeben, die die Ein- bzw. Auskopplung der H12-WeIIe im r> Rundhohlleiter gestattet. Durch die gleichphasige Einkopplung unter 45° wird die H41-WeIIe, die mit der H12-WeIIe nahezu entartet ist, im Rundhohlleiter unterdrückt.FIG. c shows an arrangement which allows the H 12 wave in the r> circular waveguide to be coupled in and out. Due to the in-phase coupling at 45 °, the H 41 wave, which is almost degenerate with the H 12 wave, is suppressed in the circular waveguide.
Für H-Kopplei (zur Anregung von Η-Wellen im -to Rundhohlleiter) entsprechend Fig. 1 a bzw. 1 c wurde deshalb hier ein Verfahren gefunden, das beim sonst endgültig fertigen Koppler eine kontinuierliche Änderung der Rechteckhohlleiterbreite und damit der Phasengeschwindigkeit der Rechteckhohlleiterwelle -r> gestattet. Dazu wird die Schmalscitenwand des Rcchteckhohlleiters gegenüber der Lochreihe als dünne Bronzefolie ausgebildet, die über einen steifen Stahldraht mit Hilie von mehreren, über die Kopplerlänge verteilten Schrauben in den Hohlleiter hinein- >o gedruckt werden kann (siehe Fig. 2).For H-Kopplei (to excite Η-waves in -to Round waveguide) according to Fig. 1 a or 1 c, a method was therefore found here that would otherwise be finally finished coupler a continuous change of the rectangular waveguide width and thus the Phase velocity of the rectangular waveguide wave -r> permitted. For this purpose, the Schmalscitenwand des Rectangular waveguide opposite the row of holes designed as a thin bronze foil, which has a stiff Steel wire with hilie of several, over the coupler length distributed screws into the waveguide-> o can be printed (see Fig. 2).
Auf diese Weise wurden verschiedene Richtkoppler hergestellt, von denen hier ein Breitband-Koppler zur Anregung und Auskopplung der H02-WeIIe im Rundhohlleiter genauer beschrieben werden soll, weil ->r> daran die Notwendigkeit eines guten Abstimm verfahrens verdeutlich werden kann. Die endgültigen Abmessungen und Eigenschaften dieses Kopplers sind aus Fig. 2 zu ersehen.In this way, various directional couplers were produced, of which a broadband coupler for the excitation and decoupling of the H 02 wave in the circular waveguide is to be described in more detail because -> r > it can illustrate the need for a good tuning process. The final dimensions and properties of this coupler can be seen in FIG.
Mit Position 1 ist der Rundhohlleiter der Fig. 2 be- μ) zeichnet, dessen Wandstärke so bemessen ist, daß er den Rechteckhohlleiter 2 mitaufzunehmen vermag.With position 1 the circular waveguide of Fig. 2 is μ) draws whose wall thickness is dimensioned so that it is able to include the rectangular waveguide 2.
Zwischen beiden Hohlleitern 1 und 2 ist die Lochkopplung 3 angeordnet, die aus mehreren, in senkrecht zur Bildebene angeordneten Löchern besteht, deren Größe und Abstand koppelbestimmend für den Richtkoppler ist. Die den Koppellöchern gegenüberliegende Hohlleiterseite 4 ist membranartig ausgebildet und besteht aus einer federnden Folie, die vorzugsweise aus Bronze hergestellt ist. Über die Hohlleiterseite 4 ist ein Deckel 5 gelegt, der mit mehreren Halteschrauben 6 mit dem Rundhohlleiter 1 verschraubt ist. Die Abstimmung selbst geschieht mittels Abstimmschrauben 7, die über einen Stahldraht 8 gegen die membranartige Hohlleiterseite 4 drücken und damit die effektive Breite des Hohlleiters 2 verändern. Durch diese Veränderung ist eine breitbandige Anpassung der effektiven Phasengeschwindigkeiten der Grundwelle des Rechteckhohlleiters und der Nutzwelle des Rundhohlleiters möglich.Between the two waveguides 1 and 2, the hole coupling 3 is arranged, which consists of several, in perpendicular to the image plane arranged holes, the size and distance of which determines the coupling for the Directional coupler is. The waveguide side 4 opposite the coupling holes is designed like a membrane and consists of a resilient foil, which is preferably made of bronze. About the A cover 5 is placed on the waveguide side 4, which is attached to the circular waveguide 1 with several retaining screws 6 is screwed. The tuning itself takes place by means of tuning screws 7, which are attached to a steel wire 8 Press against the membrane-like waveguide side 4 and thus change the effective width of the waveguide 2. This change results in a broadband adaptation of the effective phase velocities the fundamental wave of the rectangular waveguide and the useful wave of the circular waveguide are possible.
Der Koppler sollte im Frequenzbereich von 27 bis 38 GHz mit möglichst konstanter Koppeldämpfung zwischen den Nutzwellen arbeiten. Um eine einigermaßen gute Selektivität zur H°22-Welle (kritische Störwelle) zu erhalten, mußte eine relativ lange Koppelstrecke gewählt werden. Diese Selektivität ließ sich noch etwas verbessern dadurch, daß die Differenz der Phasengeschwindigkeit von der Rechteckhohlleiterwelle und der H °22-Welle möglichst vergrößert wurde. Dann konnten aber die Phasengeschwindigkeiten der beiden Nutzwellen nicht mehr genau gleich sein, wodurch eine starke Frequenzabhängigkeit der Verkopplung zwischen den Nutzwellen bewirkt wird, die jedoch durch die entgegengesetzte Frequenzabhängigkeit der Kopplung der Einzellöcher wieder kompensiert werden konnte. Diese Betriebsart setzte voraus, daß die Phasengeschwindigkeit der Rcchteckhohlleiterwelle sehr genau eingestellt werden mußte. Nach einer sehr einfachen Rechnung hütte die Toleranz der Rechteckhohlleiterbreite bei der Fertigung weniger als 0,05 mm betragen müssen, wenn nicht die nachträgliche Abstimmung vorgesehen wäre. Die optimale Rechteckhohlleiterbreite ist außerdem von dem Lochdurchmesser abhängig, und weil zur Erzielung guter Selektivität Löcher verschiedener Durchmesser verwendet werden mußten, mußte die Rcchteckhohlleiterbreite als Funktion der Längskoordinat-J des Kopplers verändert werden.The coupler should work in the frequency range from 27 to 38 GHz with a coupling attenuation between the useful waves that is as constant as possible. In order to obtain a reasonably good selectivity for the H ° 22 wave (critical interference wave), a relatively long coupling path had to be selected. This selectivity could be improved somewhat by increasing the difference in phase velocity between the rectangular waveguide wave and the H ° 22 wave as much as possible. But then the phase velocities of the two useful waves could no longer be exactly the same, which resulted in a strong frequency dependency of the coupling between the useful waves, which could, however, be compensated for by the opposite frequency dependence of the coupling of the individual holes. This operating mode presupposed that the phase velocity of the rectangular waveguide wave had to be set very precisely. According to a very simple calculation, the tolerance of the rectangular waveguide width during production would have to be less than 0.05 mm, if subsequent coordination were not provided. The optimal rectangular waveguide width is also dependent on the hole diameter, and because holes of different diameters had to be used to achieve good selectivity, the rectangular waveguide width had to be changed as a function of the longitudinal coordinate J of the coupler.
Da ferner der Einfluß der relativ großen Koppellöcher auf die effektive Phasengeschwindigkeit nur mit einer Genauigkeit bestimmt werden konnte, die eine Berechnung der erforderlichen Rechteckhohlleitcrbreite nur mit einer Ungenauigkeit von etwa 0,2 mm ermöglichte, konnte dieser Koppler mit seinen guten Eigenschaften nur erstellt werden mit Hilfe der beschriebenen Abgleichvorrichtung.Furthermore, since the influence of the relatively large coupling holes on the effective phase velocity only with an accuracy that a calculation of the required rectangular waveguide width could be determined only possible with an inaccuracy of about 0.2 mm, this coupler could with its good Properties can only be created with the help of the calibration device described.
Die Anwendung dieses Verfahrens ermöglicht die Herstellung von breitwandigen Kopplern mit geringer, frequenzkonstanter Koppeldämpfung zwischen der Grundwelle des Rechteckhohlleiters und der Nutzwelle des Rundhohlleiters sowie mit hoher Koppeldämpfung zwischen den beiden Nutzwellen und den Störwellen des Rundhohlleiters (hohe Selektivität). The application of this process enables the production of wide-walled couplers with low, constant frequency coupling attenuation between the fundamental wave of the rectangular waveguide and the Useful wave of the circular waveguide and with high coupling attenuation between the two useful waves and the interfering waves of the circular waveguide (high selectivity).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (3)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| EI | Miscellaneous see part 3 | ||
| EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |