DE2152817B2 - Abschnitt eines gerippten wellenleiters - Google Patents
Abschnitt eines gerippten wellenleitersInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Abschnitt eines gerippten Wellenleiters mit einer
Mehrzahl von Ringscheiben, welche mit gleichen Intervallen und senkrecht zur Achse des Wellenleiters
angeordnet sind und zwischen sich gerippte Schlitze bilden, wobei ihre Mittelöffnungen zueinander ausgerichtet
sind.
Die bekannte Art von gerippten Wellenleitern weist eine Mehrzahl von Ringscheiben oder Wellenleiteriris
der gleichen Abmessungen auf, welche mit vorbestimmten gleichen Intervallen und senkrecht zur Achse
des Wellenleiters angeordnet sind, um zwischen sich gerippte Schlitze zu bilden, während ihre Mittelöffnungen
zueinander ausgerichtet sind. Wenn ein Abschnitt eines solchen gerippten Wellenleiters mit
kreisförmigem Querschnitt z. B. für einen elektromagnetischen Hornstrahler verwendet wird, läßt sich
eine Verbesserung des resultierenden Richtdiagramms nur in einem Frequenzbereich von etwa einer Oktave
erwarten.
Es ist ferner bereits ein gerippter Halbleiter bekannt (USA.-Patentschrift 3 153 768), welcher zur Eliminierung
des sogenannten Strahlabblasens dient. Dabei wird die Nachlaufwelle mit einer Phasengeschwindigkeit
Vpjc S 1 verwendet, wobei c die Lichtgeschwindigkeit
ist.
Es ist ferner ein gerippter Halbleiter bekannt (deutsche Auslegeschrift 1116 290), welcher als Kompensationskreis
für eine Verzerrung einer Signalwelle dient.
Die verwendete Welle weist dabei die Beziehung Vpjc ;S 1 innerhalb des Frequenzbandes von 90°
< wl/ c ^ 180 auf.
Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es das Ziei der vorliegenden Erfindung, einen Abschnitt eines
geripp'en Wellenleiters zu schaffen, dessen Frequenzcharakteristik
in einem vorgegebenen Frequenzband äußerst breit ist.
Dieses Ziel wird mit einem Abschnitt eines Wellenleiters der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die Breite der gerippten Schlitze mit ihrer Tiefe sich derart ändert, daß der
durch die Schlitze bewirkte Scheinleitwert über den gesamten breitbandigen Betriebsfrequenzbereich einen
kapazitiven Bündleitwert ergibt.
ίο Die vorüegende Erfindung dient, wie erwähnt, zur
Verbesserung der Frequenzcharakteristik. Zu diesem Zweck verwendet der gerippte Hohlleiter gemäß der
vorliegenden Erfindung über den Frequenzbereich rp\c < 1 die Welle EH11.
Die Breite des Schlitzes kann sich quer zum Wellenleiter vorzugsweise stufenweise ändern.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen elektromagnetischen Hornstrahler zu
schaffen, dessen Richtcharakteristik über einen breiteren Frequenzbereich als bei bekannten Hornstrahlern
im wesentlichen gleichmäßig ist.
Die Erfindung so'7 nunmehr aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 a eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines gerippten Wellenleiters, welcher entsprechend
den Prinzipien bekannter Technik aufgebaut ist,
F i g. 1 b eine Längsschnittansicht des in F i g. 1 a gezeigten Abschnitts, geschnitten längs der Linie A-A
in F i g. 1,
Fig. 2a und 2b Ansichten ähnlich denen nach Fig. la bzw. Ib, weiche jedoch eine Ausfühiungsfonr
der Erfindung darstellen,
F i g. 3 eine Längsschnittausicht eines elektrowagnetischen
Hornstrahler, welcher entsprechend den Prinzipien bekannter Technik aufgebaut ist,
F i g. 4 eine Längsschnittansicht eines elektromagnetischen Hornstrahlers, welcher die Prinzipien der Erfindung
verkörpert, und
F i g. 5 ein schematisches Smith sches Leistungsdiagramm zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
Während die Erfindung bei Anwendung auf einen gerippten Wellenleiter mit kreisförmigem Querschnitt
beschrieben werden wird, versteht es sich, daß sie ebenso auf einen gerippten Wellenleiter mit jedem
gewünschten Querschnitt, z. B. mit rechteckigem Querschnitt, anwendbar ist. Es wird angenommen,
daß sich durch den gerippten Wellenleiter mit kreisförmigem Querschnitt ein hybrider Schwingungstyp
oder der HEn-Schwingungstyp und der EHn-Schwingungstyp
fortpflanzen.
In F i g. 1 a und 1 b ist eine Anordnung dargestellt,
welche aus einer gewissen Länge eines kreisförmigen metallischen Rohres 10 und einer Mehrzahl von metallischen
Ringscheiben 12 mit gleichen Abmessungen besteht, weiche mit vorbestimmten gleichen Intervallen
zueinander und im wesentlichen senkrecht zur Achse des Rohres 10 angeordnet sind, um zusammen mit der
Innenwandfläche des Rohres 10 gerippte Schlitze 14 zwischen sich zu bilden.
Es wird angenommen, daß die Ringscheiben 12, welche häufig »Wellenleitungsiris« genannt werden,
einen regelmäßigen Abstand P, einen Innendurchmesser la und einen Außendurchmesser 2b, wie in
Fig. Ib bezeichnet, aufweisen. Die in Fig. Ib gezeigten
gerippten Schlitze 14 mit einer Breite d haben eine Tiefe gleich (b-a). Es wird weiter angenommen,
3 4
daß der dargestellte Wellenleiter so aufgebaut ist, daß band, welches der Beziehung Bc
< 0 genügt, nicht
der regelmäßige Abstand P kleiner als die Wellen- verwendet wird, weil der HEn-Schwingungstyp, wel-
länge λ im freien Raum ist Unter den angenommenen eher von einem solchen Frequenzband dargestellt ist,
Bedingungen stellt der innere Außenteil der Iris oder derjenige eiuer langsamen Welle ist. Auch die Kompo-
Ringscheibe 12, d. h. der gerippte Schlitz 14 an einem 5 nente des elektromagnetischen Feldes in einer Ebene
von der Achse des Rohres 10 um den Abstand α ent- senkrecht zur Mittelachse wird auf dieser größer an
fernte Punkt, eine Admittanz yc bei dem hybriden Intensität was zur Verschlechterung der Richtcharak-
Schwingungstyp dar, wie sie durch folgende Gleichung teristik des elektromagnetischen Hornstrahlers führt,
ausgedrückt wird: So haben elektromagnetische Hornstrahler, bei wel-
, ~ , ^ ίο chen die übliche Art von gerippten Wellenleitern, wie
yc ^ jJL\ h UiJKa) Y1(Kb) - J1(Kb) Y1 1JKa)] in F i g. 3 gezeigt, verwendet wird, den Nachteil, daß
d ]/ V-o [MKa) Yi(Kb) - J1(Kb) Y1(Kd) J das Frequenzband, in welchem verbesserte Richt-
m Charakteristiken erwartet werden können, auf ein
dabeisind Frequenzband von etwa einer Oktave ausgedrückt
• c- u ·«. a ■ ■ - r, ,, , - 15 durch die obige Beziehung (3) beschränkt worden ist.
' = ?mL?"™ψ™™ Za™ Sleich V-J' Mit der Erfindung sollen Bre.tbandfrequenzcharak-
ε0 = die Elektnzitatskonstante des freien Raums. teristiken für gerippte Wellenleiter ;,nd elektromagne-
μ = Pcnneabilitet des fre.cn Raums, ü he Hornstrahler in der Form solcher Wellenleiter
J = BessescheFunkt.onersterOrdnungc.sterArt, geschaffen werden.
Y1 = Besselsche Funktion erster Ordnung zweiter 20 ,„ Fig.2a und 2b, in welchen gleiche Bezugs-
; ... . , D ..,,,. , zeichen gleiche oder ähnliche Teile wie in Mg. la
J = erste Ableitung der Besse sehen Funktion J1, und u. |argesteIlt bezeichnen, ist ein Abschnitt eines
Abl d B ifi Qhitt
1 und u |argesteIlt bezeichnen, ist ein Abschnitt eines
I = nu A,bleit,ung der BesselKhen Funktion Y1 gerippten Wellenleiters mit kreisförmigem Querschnitt
K = Phasenkonstante im fre.en Raum gleich 2 ,τ/λ. J62^ wdcher entsprechend den Prinzipien der Er-Es
ist zu bemerken, daß die entsprechende Konduk- 25 findung aufgebaut ist. Die Anordnung ist von der in
tanz vernachlässigbar klein ist, so daß F i g. 1 gezeigten Anordnung darin verschieden, daß
• in Fig. 2 die Welienleiteriris oder Ringscheiben 12 Yc^]Bc, (1) auf einer Fläche mit einem ringförmigen vorstehenden
wobei Bc eine Suszeptanz ist. Für große Werte von K0 oder aufgesetzten Flanschteil 16 versehen sind, welches
kann die Gleichung (1) näherungsweise übergehen in 30 radial von der Innenkante der Ringscheibe 12 bis zu
die Gleichung einem vorbestimmten Radius ft, radial nach außen
ρ ι £o verläuft, wobei die aufgesetzten Flanschteile 16 in dem
Y(=jBc= -./ ,· - - cot {K(b - α)}. (2) dargestellten Beispiel in eine gemeinsame Richtung
1 μ° (in Fig. 2b nach links) gerichtet sind. So hat der
Wenn die Suszeptanz Be beim EHn-Schwingungs- 35 resultierende gerippte Schütz 14 eine axiale Abmessung
typ Null ist, hat das elektromagnetische Feld eine oder Breite, welche sich mit seiner Tiefe ändert. GeKomponente
in einer Ebene senkrecht zu der Aus- nauer gesagt, hat der Schlitz 14 eine Breite, welche sich
breitungsachse, welche auf der Mittelachse des Wellen- stufenweise von einem vorbestimmten Wert i/, im Beleiters
eine hohe Intensität aufweist und bei einem reich seiner Eintrittsöffnung oder für a S 7 S bx in
Abstand α von der Mittelachse oder auf einer um die 40 einen anderen vorbestimmten festen Wert d größer als
Innenkante der Ringscheiben 12 gebildeten kreis- dx im Bereich seines Bodens oder für H1 ύ γ ύ b
zylinderförmigen Fläche auf den Wert Null abnimmt. ändert, wobei 7 den radialen Abstand von der Achse
Mit anderen Worten hat ein elektromagnetischer des Wellenleiters darstellt.
Hornstrahler, wenn er aus einem Abschnitt eines ge- F i g. 4 zeigt einen elektromagnetischen Hornrippten
Wellenleiters wh oben beschrieben gebildet 45 strahler, welcher die Prinzipien der Erfindung verv'ird,
ein Richtdiagramm in der Ε-Ebene, welches mit körpert. Die dargestellte Anordnung besteht aus einem
demjenigen mit der H-Ebenw zusammenfällt. Ein sol- Halsteil 20 und einem hiermit verbundenen trichtercher
elektromagnetischer Hornstrahler ist in F i g. 3 oder hornförmigen Teil 22. Eine Mehrzahl von Wellengezeigt,
in welcher gleiche Bezugszeichen den in lütenris oder Ringscheiben 12 mit zentralem aufge-F
ig. Ib gezeigten Teilen entsprechen. F i g. 3 ist 50 set/ em Flanschteil 16 ähnlich den in Fig. ?.b geohne
veitere Erläuterung verständlich. zeigten sind in beiden Teilen auf die gleiche Weise wie
Wenn Bc beim EHU-Schwingungstyp unendlich groß in der Anordnung nach F i g. 2b angeordnet, mit der
ist (Bc = 00), kann angenommen werden, daß die Ausnahme, daß die Ringscheiben 12 in dem horn-Kreiszylinderfläche
mit dem Radius α wie oben be- förmigen Teil 22 diesem in der Form folgen und im
schrieben äquivalent kurzgeschlosser, ist. Dies führt 55 Außen- und Innendurchmesser zum offenen Ende des
zu einem Zusammenfallen der Feldverteilung bei dem hornförmigen Teils 22 hin zunehmen.
EHn-Schwingungstyp mit derjenigen beim TE°n- Die Anordnung nach F i g. 2 wird nun im Hinblick
Schwingungstyp für den gerippten Wellenleiter. Daher auf die von dem gerippten Schlitz 14 dargestellte Adist
für elektromagnetische Hornstrahler, wie in F i g. 3 mittanz diskutiert werden. Wie in der Anordnung
gezeigt, welche die Richtcharakteristiken beim EH11- 60 nach F i g. 1 ist die Konduktanz ebenfalls vernach-Schwingungstyp
verwenden, der Radius« groß, so lässigbar klein, und es ist daher nur notwendig, die
daß die Hornstrahler in der Richtcharakteristik ko- Suszeptanz zu betrachten. Die Admittanz YQj1), genischen
Hornstrahlern überlegen sind, die mit dem sehen zum Boden des gerippten Schlitzes 14 hin, an
TE°U-Schwingungstyp mit einem Frequenzband be- einem Punkt mit einem radialen Abstand dx von der
trieben werden, welches der Beziehung genüg: 65 Achse des Wellenleiters ist gegeben durch die Gleichung
0 ύ BcSi -cot {K(b — a)} S 00 . (3) Y(B1) = -j Yn cot [K(b - bx)} =jBlt (4)
In diesem Fall ist zu bemerken, daß das Frequenz- wobei Yn eire charakteristische Admittanz des Teils
des Schlitzes mit der Breite (Z1 ist, wie sich aus Gleichung
(2) leicht ableiten und erkennen läßt. Das Zeichen B1 stellt die entsprechende Suszeptanz dar.
Ähnlich ist die Admittanz Y (a), gesehen zum Boden
des Schlitzes hin, an einem Punkt mit dem radialen Abstand a, ausgedrückt durch die Gleichung
YM- -γ \Jc1COiJK(^-^1~Υο21Άη[Κ(^-α)} .
w Ci L Yc2 + Yn tan [K(O1 - a)} -cot [K(b -h"~* J 2
wobei YCI eine charakteristische Admittanz des Teils
des Schlitzes mit der Breite dt darstellt und folgender
Beziehung genügt:
Yn < Yc2. (6)
B2 ist ebenfalls die entsprechende Suszeptanz.
Unter Bezugnahme auf F i g. 5, in welcher schematisch ein Smithsches Leistungsdiagramm dargestellt ist,
sollen nun die Prinzipien der Betriebsweise des gerippten Wellenleiters, wie in F i g. 2 gezeigt, beschrieben
werden.
Konventionelle gerippte Wellenleiter haben ein verwendbares Frequenzband, wie es durch die Gleichung
(3) bestimmt ist. Unter der Annahme, daß das Frequenzband durch die Frequenzen /l und /// als
obere bzw. untere Grenzen bestimmt ist und daß die Wellenlängen im freien Raum Xl und Xn bei den Frequenzen
ft, bzw. /// sind, nimmt der normierte Wert von Bc in der Gleichung (1) die Position A oder B in
F i g. 5 bei den Frequenzen /l bzw. fn ein. Bei einer
beliebigen Frequenz / innerhalb des Frequenzbandes, definiert durch die Frequenzen //. und ///, befindet
sich der normierte Wert von B0 auf einem Kreisbogen
'AEB.
Es wird nun angenommen, daß in der Anordnung nach F i g. 2 der gerippte Schlitz eine Gesamttiefe
(b—a) = Xl/4 und daß sein Teil mit der Breite d1 eine
Tiefe (b—bi) größer als λφ und kleiner als λ£/4 hat.
Das heißt, daß die folgenden Beziehungen erfüllt sind:
b - a = Χφ
<(b- b,) < Xl/4 .
Aus der Gleichung (4) und der Ungleichung (8) ergibt sich, daß die Suszeptanz B1 gesehen zum Boden
des gerillten Schlitzes 14 hin an einem Punkt mit einem radialen Abstand i>, von der Achse des Wellenleiters
folgende Ungleichung erfüllt:
-1 < B1IYn
<0.
Diese normierte Suszeptanz B1IYn befindet sich auf
einem Kreisbogen a~cb wie in F i g. 5 gezeigt.
Die auf die charakteristische Admittanz YC2 normierte
Suszeptanz U2 wird unter der Annahme, daß
sie einen Punkt C auf dem Kreisbogen acb einnimmt,
von dem Punkt C zum Punkt A hewegt werden, bis sie einen Punkt D erreicht, wie leiciit aus
der Beziehung (6) zu erkennen ist.
Dies bedeutet, daß mit einem Winkel COD, dargestellt
durch G1, die normierte Suszeptanz BJ Y*
dargestellt durch den gerippten Schlitz 14, gesehen von einem Punkt mit einem radialen Abstand α von
der Achse des Wellenleiters von dem Punkt A zur Last um den Winkel Q1 gedreht wird, bis sie sich an einem
Punkt E in F i g. 5 befindet. Es ist daher zu verstehen, daß die von dem gerippten Schütz dargestellte Suszeptanz
an der unteren Grenze des Frequenzbandes oder bei der Frequenz/t für konventionelle gerippte
Wellenleiter Null wird und bei den erfindungsgemäßen
ίο gerippten Wellenleitern einen positiven Wert hat.
Bei Betrachtung der Obergrenze /// des Frequenzbandes ergibt sich aus der Beziehung Xu = XlI2, daß
die normierte Suszeptanz B1IY01, wie sie von dem gerippten
Schlitz gesehen, zu dessen Boden hin an einem
»5 Punkt mit einem radialen Abstand £>, von der Achse
des Wellenleiters dargestellt wird, von dem Punkt B zweimal um einen Winkel λ, =
<BOC zu einem Punkt F in F i g. 5 bewegt wird. Das Normieren der
Suszeptanz B1 auf die charakteristische Admittanz YC2
ao des Teiles des gerippten Schlitzes mit der Breite dt
bewirkt, daß der Punkt F zum Punkt A hin bewegt wird und einen Punkt G erreicht. Dann wird die normierte
Suszeptanz B2I Yc2, welche durch den gerippten
Schlitz gesehen von einem Punkt mit einem radialen
as Abstand α von der Achse des Wellenleiters um einen
Winkel Θ2 = <F0G zur Last hin gedreht, bis sie
äich an einem Punkt // in F ί g. 5 befindet.
Entsprechend der Erfindung befindet sich daher eine von dem gerippten Schlitz dargestellte normierte
Suszeptanz bei jeder Frequenz innerhalb des Frequenzbandes von Jl bis /// auf einem Kreisbogen e~Fh, wodurch
die von dem gerippten Schlitz dargestellten Suszeptanzen S2 selbst bei Frequenzen entweder niedriger
als /l oder höher als /// positiv sind. So hat
der unerwünschte HEn-Schwingungstyp eine obere Grenzfrequenz kleiner als ft- Weiter wird die obere
Grenze von Frequenzen, welche für mit dem EHn-Schwingungstyp
betriebene elektromagnetische Hornstrahler, wie in F i g. 4 gezeigt, verfügbar ist, größer
als ///, woraus sich ergibt, daß derartige elektromagnetische Hornstrahler ein breiteres Frequenzband
als bisher erreichbar haben.
Durch geeignete Wahl der Tiefe (b—bj des Teils
des gerippten Schlitzes 14 mit der Breite d k-nn die von dem Schlitz dargestellte Suszeptanz über einem
breiteren Frequenzband im wesentlichen konstant gehalten werden. Als Ergebnis kann ein elektromagnetischer
Hornstrahler mit solchen gerippten Schlitzen eine Verteilung des elektromagnetischen Feldes beim
Abstrahlen von Wellen ergeben, welche, verglichen mit der bekannten Technik, über ein breites Frequenzband
im wesentlichen konstant ist.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit der Anwendung auf elektromagnetische Hornstrahler dargestellt
und beschrieben worden ist, versteht es sich, daß sie gleicherweise auf eine Vielzahl von Mikrowelleneinrichtungen
statt auf elektromagnetische Hornstrahler anwendbar ist. Zum Beispiel kann die Erfindung
wirksam angewendet werden auf Umformer zum Verbinden des Abschnitts eines kreisförmigen Wellenleiters
mit dem Abschnitt eines kreisförmigen gerippten Wellenleiters, wie hier beschrieben. Dies ist deshalb
möglich, weil der Wert der Admittanz, welche von dem gerippten Schlitz, nach der Erfindung gesehen,
von einem Punkt mit einem radialen Abstand α von der Achse des Wellenleiters durch geeignete Änderung
der Parameter d, t/„ {b—a) und/oder (b—bj so gewählt
werden kann, daß er jeden gewünschten Wert
hat. Insbesondere kann ein Umformer zum Verbinden eines Abschnittes eines kreisförmigen Wellenleiters mit
einem Abschnitt eines kreisförmigen gerippten Wellenleiter; aus einem Abschnitt eines kreisförmigen gerippten
Wellenleiters gebildet sein, welcher so entsprechend den Prinzipien der Erfindung entworfen und
aufgebaut ist, daß die gerippten Schlitze an seinem Endteil, benachbart dem Ende des Abschnitts des
kreisförmigen Wellenleiters, Admittanzen so groß wie
möglich darstellen. Dies erfolgt deshalb, weil die Innenwandfläche des kreisförmigen Wellenleiters eine
unendlich große Admittanz darstellt. Wenn sich dann der gerippte Schlitz mehr dem anderen Ende des Abschnitts
nähert, stellt er eine Admittanz dar, welch« sich der von dem gerippten Schlitz des zu verbinden ier
kreisförmigen gerippten Wellenleiters dargestellter Admittanz nähert. Dies führt zu einer Breitband·
anpassung.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
20955:
Claims (4)
1. Abschnitt eines gerippten Wellenleiters mit einer Mehrzahl von Ringscheiben, weiche mit gleichen
Intervallen und senkrecht zur Achse des Wellenleiters angeordnet sind und zwischen sich
gerippte Schlitze bilden, wobei ihre Mittelöffnungen zueinander ausgerichtet sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Breite der gerippten
Schlitze (14) mit ihrer Tiefe sich derart ändert, daß der durch die Schlitze (14) bewirkte
Scheinleitwert über den gesamten breitbandigen Betriebsfrequenzbereich einen kapazitiven Bündleitwert
ergibt.
2. Abschnitt iines Wellenleiters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der gerippten
Schlitze (14) eine sich quer zur Richtung des Wellenleiters stufenweise ändernde Breite aufweist
3. Abschnitt eines Wellenleiters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der gerippten
Schlitze (14) eine Breite aufweist, welche sich stufenweise von einem kleineren Wert in seinem
Teil nahe der Achse des Wellenleiters in einen größeren Wert in seinem Teil nahe der Innenwandfläche
des Wellenleiters ändert.
4. Abschnitt eines Wellenleiters nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endteil
des Abschnitts zu einem Horn f22) geformt ist.
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