DE2120024A1

DE2120024A1 - Hochfrequenzwasserlast

Info

Publication number: DE2120024A1
Application number: DE19712120024
Authority: DE
Inventors: Richard Burton Los Al tos Cahf Nelson (V St A )
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1970-04-24
Filing date: 1971-04-23
Publication date: 1972-09-21
Also published as: FR2086304B1; US3633131A; FR2086304A1; GB1351297A; CA998446A

Description

Ausgangspunkt der Erfindung:

Bisher waren koaxiale Wasserlast-Einrichtungen "bekannt, bei denen eine konisch geformte Teflon-Unterteilungswand vorgesehen war, die den inneren und den äußeren Leiter der koaxialen Last verbindet, um einen Übergang von einer luftgefüllten Koaxialleitung zu einer wassergefüllten Koaxialleitung zu bilden, wobei durch diesen wassergefüllten Abschnitt der Koaxialleitung di elektrische Verluste in dem Wasser gebildet werden.

Eine der Schwierigkeiten, die bei dieser bekannten koaxialen Wasserlast auftraten, bestand darin, daß das Teflon verhältnismäßig schwierig abzudichten und zu bearbeiten ist. Darüberhinaus war die Koaxiallast wegen der langen Abschrägung füden Konus, die benötigt wird, um die Wellenenergie in das Wasser ohne Reflexion einzuführen und um die lange Weglänge in dem Wasser so auszubilden, daß die Energie absorbiert wird, verhältnismäßig lang. Es wäre deshalb eine verbesserte Wasserlast erwünscht, die eine geringere Länge aufweist und eine scheibenförmige Wasserbarriere verwendet, so daß es nicht nötig wäre, den Teflonkonus zu bearbeiten und abzudichten.

Zusammenfassung der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung strebt eine verbesserte Wasserlast an.

Vorzugsweise soll eine Wasserlast angegeben werden, die einen Verlustabschnitt der Übertragungsleitung aufweist, der

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einen Verzögerungsleitungsteil umfaßt, um die Gruppengeschwindigkeit der zu dämpfenden Wellenenergie herabzusetzen, und der Einrichtungen enthält, um einen Strom aus einer die Wellenenergie dämpfenden Flüssigkeit unter Austausch von Wellenenergie mit der Wellenenergie auf der Verzögerungsleitung durch den Verlustabschnitt zu führen.

Zweckmäßigerweise wird die Erfindung so ausgeführt, daß der Verlustabschnitt der Übertragungsleitung aus einem Abschnitt einer Koaxialleitung besteht und der Verzö ;erungsleitungsteil der Übertragungsleitung durch den inneren Leiter gebildet wird.

Vorzugsweise besteht in diesem Falle der innere Leiter der Verzögerungsleitung aus einer Schraube oder einem topologischen Äquivalent einer Schraube, wodurch eine Breitbandbelastung erhalten wird.

G-emäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird in dem Verzögerungsleitungsteil des Verlustabschnittes eine dielektrische Anordnung vorgesehen, um einen Teil der die Wellenenergie dämpfenden Flüssigkeit zu verdrängen, um die dielektrische Belastung des Verlustabschnittes der Übertragungsleitung zu verringern.

Es kann auch ein Übergangsabschnitt an dem Eingangsende des Verlustabschnittes vorgesehen werden, um die axiale G-ruppengeschwindigkeit der Wellenenergie allmählich herabzusetzen, die sich in der Richtung des Energieflusses auf der Verzögerungsleitung ausbreitet, um die Wellenreflexion von der Verzögerungsleitung zu verringern.

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Weiterhin kann zweckmäßigerweise an der Trennwand zwischen dem mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Verlustabschnitt und dem Übertragungsleitungseingang zu dem Verlustabschnitt ein abrupter Impedanzanpassungsübergang vorgesehen werden_e

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand einer in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform, erläutert werden. In der Zeichnung ist ein Längsschnitt durch eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete koaxiale Wasserlast dargestellt.

Beschreibung vorzugsweiser Ausführungsformen:

In der Zeichnung ist eine koaxiale Wasserlast 1 dargestellt, die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Wasserlast 1 umfaßt einen Eingangsabschnitt aus einer mit Luft gefüllten Koaxialleitung 2, die mit einem Verlustabschnitt einer Koaxialleitung 3 über einen abrupten Impedanzanpassungsübergangsabschnitt 4 verbunden ist, der durch eine für Wellen durchlässige, für Wasser undurchlässige dielektrische Scheibe 5, etwa aus Teflon, gebildet wird, die gegen den Innenleiter 6 und den Außenleiter 7 des Eingangsabschnittes 2 der mit Luft gefüllten Koaxialleitung abgedichtet ist. Der charakteristische Leitungswiderstand des abrupten Übergangsabschnittes 4 wird im wesentlichen gleich dem charakteristischen Leitungswiderstand des 50«/L-Koaxialleitungsabschnittes 2 dadurch gemacht, daß der Mittelleiter 6 bei 8 hinterschnitten wird und der Innendurchmesser des Außenleiters 7 bei 9 vergrößert wird, um die vergrößerte Dielektrizitätskonstante des mit Teflon gefüllten Übergangsabschnittes 4 der Koaxialleitung zu kompensieren. Unter einem abrupten Übergang wird die Tatsache verstanden, daß die für die Wellen durchlässige Trennwand 5 eine axiale Länge aufweist, die we-

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sentlich kleiner als eine Viertelwellenlänge bei der Mittelfrequenz des Betriebsbandes der Last 1 ist.

Der Verlustabschnitt der Koaxialleitung 3 enthält einen Innenleiter 11, der koaxial von einem hohlen zylindrischen Außenleiter 12 umgeben ist. Eine hohle, zylindrische, dielektrische Hülsenanordnung 13, die etwa aus Teflon besteht, umgibt den Innenleiter 11 koaxial und ist in dem Raum zwischen dem Innenleiter 11 und dem Außenleiter 12 angeordnet, um die dielektrische Belastung des Verlustabschnittes der Koaxialleitung 3 zu verringern.

Der Verlustabschnitt 3 enthält eine Eingangsleitung H und eine Ausgangsleitung 15, die durch eine leitende Endabschlußwand 16 verbunden sind, die das Abschlußende der Last 1 verschließt und an dem Abschlußende eine wellenreflektierende Sprungstelle bildet, um Wellenenergie für eine weitere Dämpfung zurück in den Verlustabschnitt 3 zu reflektieren. Durch den koaxialen Verlustabschnitt 3 wird ein Strom aus einer die Wellenenergie dämpfenden Flüssigkeit, die etwa aus Wasser besteht, unter Austausch von Wellenenergie mit der Wellenenergie, die in den koaxialen Verlustabschnitt 3 zur Dämpfung der Wellenenergie gelangt, geleitet. Wenn Wasser als Flüssigkeit zur Dämpfung der Wellenenergie verwandt wird, so beträgt die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Wasserfüllung annähernd 81, so daß die Impedanz des mit Wasser gefüllten Verlustabschnittes 3 gewöhnlich um annähernd einen Paktor 9 im Vergleich zu einem ähnlichen, mit Luft gefüllten Abschnitt verringert würde. Deshalb wird die Teflonhülse 13 vorgesehen, um die dielektrische Belastung des Verlustabschnittes der Koaxialleitung 3 dadurch herabzusetzen, daß ein Teil des Wassers zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter 11 bzw. 12 verdrängt wird. Auf diese Weise kann der Durchmesser des Innenleiters

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11 auf einem für die Leistungserfordernisse des Innenleiters 11 angemessenen Durchmesser gehalten werden, während ein charakteristischer Leitungswiderstand von 50 Ohm beibehalten wird, um die Impedanz des Überganges 4 und cfer Eingangsleitung 2 anzupassen. Darüber hinaus wird der Innenleiter 11 vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das seine Festigkeit bei verhältnismäßig hohen Temperaturen beibehält, wie etwa korrosionsfester Stahl oder Monel-Metall.

Der Verlustabschnitt der Koaxialleitung 3 enthält gleichzeitig einen VerzöVerungsleitungsabschnitt 18 und einen ψ Verzögerungsleitungsübergangsabschnitt 19. In dem Verzögerungsleitungsabschnitt 18 ist der Innenleiter 11 zu einer Schraube aufgewickelt, so daß eine schraubenförmige Verzögerungsleitung gebildet wird, wodurch im wesentlichen die Gruppengeschwindigkeit für eine Wellenenergie verringert wird, die auf dem schraubenförmigen Innenleiter in dem TEM-Modus wandert.

In dem Verzögerungsleitungsübergangsabschnitt 19 weist der Innenleiter 11 einen anfänglichen geraden Teil auf, der ausreichend lang genug ist, daß er sich über die örtlichen elektromagnetischen Felder der Sprungstelle hinaus erstreckt, die durch den abrupten Übergangsabschnitt 4 erzeugt werden. Auf den geraden Teil des Innenleiters 11 folgt in Richtung des Energieflusses, der durch den Pfeil ρ angezeigt ist, eine schraubenlinienförmige Wendel, die einen sich.konisch verjüngenden Durchmesser d aufweist, der sich in Richtung des Energieflusses vergrößert. Der Durchmesser der sehraubenlinienförmigen Wendel vergrößert sich über den Übergangsabschnitt 19, bis er den Durchmesser der sehraubenlinienförmigen Wendel in dem Verzögerungsabschnitt 18 erreicht. Der Übergangsabschnitt 19 übt zwei Funktionen

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aus, erstens bewirkt er eine Geschwindigkeitstransformation, um die Gruppengeschwindigkeit der Wellenenergie auf der Koaxialleitung von Lichtgeschwindigkeit auf eine im wesentlichen langsamere Gruppengesehwindigkeit in dem Verzögerungsleitungsabschnitt 18 zu bringen, die etwa einem Zehntel der lichtgeschwindigkeit entspricht. Zweitens bildet der Übergangsabschnitt 19 einen Impedanzübergangsabschnitt, um die Impedanz von dem charakteristischen Leitungswiders tand von 50 Ohm an dem Energieeingangsende des Verlustabschnittes 3 auf einen verhältnismäßig niedrigen charakteristischen Leitungswiderstand von annähernd 11 Ohm für die schraubenförmige Wendel, wenn diese in dem Verzögerungsleitungsabschnitt 18 in Wasser eingetaucht ist, zu transformieren.

Die die Wellenenergie dämpfende Flüssigkeit gelangt über die Eingangsleitung 14 in den Verlustabschnitt 3 und wird durch die Ringkammer 21 zwischen der feflonhülse 13 und dem Außenleiter 12 zu dem Energieeingangsende des Verlustabschnittes 3 geleitet, wo die Dämpfungsflüssigkeit über mehrere geneigte Bohrungen 22, die durch die Wand der Hülse 13 geführt sind, in das Innere der Hülse 13 fließt. Die Dämpfungsflüssigkeit in dem Inneren der Hülse 13 taucht die schraubenförmige Verzögerungsleitung und den Übergangsabschnitt in die die Wellenenergie dämpfende Flüssigkeit ein, wodurch die Wellenenergie auf dem schraubenförmigen Teil des Mittelleiters 11 beträchtlich gedämpft wird.

Bei einem typischen Beispiel für eine koaxiale Wasserlast zur Verwendung in dem UHF-Band von 450 MHz bis 900 MHz weist der Innenleiter 11 einen Durchmesser von 0,476 cm (3/16 inch) auf, und der Durchmesser erweitert sich konisch über eine Länge von 15,4 cm (6 inch) zu einer schraubenför-

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migen Wendel mit einem Außendurchmesser von 2,54 cm (1 inch) mit einer Ganghöhe von 0,794 cm (5/16 inch). Die Dämpfung für die Wellenenergie in dem Verzögerungsleitungsabschnitt 18 "beträgt annähernd 0,37 db pro cm (0,94 db pro inch). Somit erhält man mit einem Abschnitt von 13,47 cm Länge (5,3 inch) eine Dämpfung von 5 db für eine Wellenenergie, die in einer Richtung wandert. Die Teflonscheibe besitzt einen äußeren Durchmesser von 5,08 cm (2,0 inch) und einen Innendurchmesser von 3»26 cm (1,285 inch), und der Außenleiter besitzt einen Innendurchmesser von 7,63 cm (3 inch).

Bei einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform ist der Innendurchmesser der Teflonhülse 13 in dem Verzögerungsleitungsabschnitt 18 auf einen größeren Durchmesser aufgebohrt, da die dielektrische Hülsenanordnung 13 in diesem Bereich nicht für eine Impedanzanpassung erforderlich ist. Der Durchmesser der schraubenförmigen Wendel in dem Verlustabschnitt würde sodann auf den Innendurchmesser der aufgebohrten Teflonhülse vergrößert, um die G-ruppengeschwindigkeit der Wellenenergie weiter zu erniedrigen, die durch den Verzögerungsleitungsabschnitt 18 läuft. Wenn die schraubenförmige Wendel auf einen Durchmesser von 4,45 cm (1,75 inch) erweitert wird, kann die axiale Länge des Verzögerungsleitungsabschnitts 18 auf 7,63 cm (3 inch) verringert werden, um eine Dämpfung von 5 db der in einer Richtung wandernden Energie zu erreichen.

Obgleich für den Innenleiter 11 eine schraubenförmige Verzögerungsleitung dargestellt ist, so dürfte doch leicht einzusehen sein, daß auch andere Arten von Verzögerungsleitungen, wie etwa topologische Äquivalente der schraubenförmigen Wendel oder von einer schraubenförmigen Wendel abgeleitete Kreise verwandt werden können, wie etwa über Kreuz gewickel-

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te schraubenförmige Wendeln, bifilar gewickelte schraubenförmige Wendeln, Ring und Stab und Doppelring und Stab Langsamwellen-Kreise. Selbstverständlich können auch andere Arten einer periodischen Belastung für den Mittelleiter verwandt werden, wie etwa ein scheibenbelasteter Mittelleiter. Ebenso können auch andere Arten von Verzögerungsleitungen für den Mittelleiter verwandt werden, wie etwa eine Mäander-Leitung. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der äußere Leiter 12 des Verlustabschnittes 3 periodische Belastungsglieder enthalten, um die Gruppengeschwindigkeit der Wellenenergie herabzusetzen, die in dem Verlustabschnitt 3 wandert.

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Claims

Patentansprüche

Last zum Abführen elektromagnetischer Energie in einer Übertragungsleitung an ein flüssiges Kühlmittel, gekennzeichnet durch einen Verlustabschnitt (3) der Übertragungsleitung, die einen Verzögerungsleitungsteil (18) aufweist, und durch Einrichtungen (14,15), um einen Strom aus einer die Wellenenergie dämpfenden Flüssigkeit durch den Verlustabschnitt der Leitung im Energieaustausch mit der Wellenenergie auf der Verzögerungsleitung zu führen, um die Wellenenergie abzuschwächen, wodurch die physikalische Länge des Verlustabschnittes für einen gegebenen Abschwächungsgrad verringert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Verlustabschnitt der Übertragungsleitung eine koaxiale Leitung (21) aufweist, und daß der Verzögerungsleitungsteil der Übertragungsleitung einen Verzögerungsleitungsinnenleiter (11) aufweist, der von einem Außenleiter (12) des Koaxialleitungsverlustabschnittes umgeben ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Verzögerungsleitungsinnenleiter aus einer schraubenförmigen Wendel oder einer topologisch äquivalenten Wendel besteht.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine dielektrische Struktur (I3) in der Verzögerungsleitung zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter angeordnet ist, und daß

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die dielektrische Struktur eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die wesentlich kleiner als die Dielektrizitätskonstante der die Wellen dämpfenden Flüssigkeit ist, die durch den Verlustabschnitt der Koaxialleitung geleitet wird, um die dielektrische Belastung des Verlustabschnittes der Koaxialleitung zu verringern.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine leitende Endabschlußwand (16), die an dem Abschlußende des Verlustabschnittes angeordnet ist und die die innere Verzögerungsleitung und den Außenleiter miteinander verbindet, um einen wellenreflektierenden Abschluß für den Verlustabschnitt zu bilden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungsleitung einen Teil mit sich in Energieflußrichtung ändernden Abmessungen (Taper) in dem Verlustabschnitt aufweist, um die axiale Gruppengeschwindigkeit der Wellenenergie fortschreitend zu verringern, die auf der inneren Verzögerungsleitung in Richtung des Energieflusses wandert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die innere Verzögerungsleitung aus einer schraubenförmigen Wendel besteht, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Durchmesser der schraubenförmigen Wendel in Richtung des Energieflusses auf der Wendel vergrößert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Struk-

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tür eine dielektrische Hülse aufweist, die koaxial zu der Verzögerungsleitung angeordnet ist und diese umgibt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung, um einen Strom aus einer die Well eindampfenden Flüssigkeit durch den Verlustabschnitt zu leiten, Einrichtungen enthält, um die Verlustleitung in den Strom aus der die Wellen dämpfenden Flüssigkeit einzutauchen.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine flüssigkeitsundurchlässige, wellendurchlässige dielektrische Struktur (5) vorgesehen ist, die quer zu dem Verlustabschnitt der Koaxialleitung an dem Eingangsende für die Wellenenergie des Verlustabschnittes dichtend zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter angeordnet ist, um einen mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Teil des Verlustabschnittes von einem Eingangskoaxialleitungsabschnitt abzutrennen, der mit dem Eingangsende des Verlustabschnittes verbunden werden soll.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Abtrennstruktur aus einer Scheibe besteht, und induktiv reaktive Einrichtungen an der Scheibe angeordnet sind, um die Impedanz der Scheibe an die Impedanz des mit Flüssigkeit gefüllten Verlustabschnittes anzupassen.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der mit Flüssigkeit gefüllte Verlustabschnitt der Koaxialleitung in der Nähe der wellendurchlässigen Trennstnisfcur so bemessen ist, daß er im mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Zustand einen

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charakteristischen Leitungswiderstand aufweist, der im wesentlichen gleich dem charakteristischen Leitungswider stand der Koaxialleitung in der Nähe der Seite der wellendurchlässigen Trennstruktur ist^ die der mit Flüssigkeit gefüllten Seite gegenüberliegt, um einen breitbandigen, im wesentlichen für die Wellen reflektionslosen Übertragungsleitungsübergang zu dem mit Flüssigkeit gefüllten Verlustabschnitt zu schaffen.

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