DE2152817B2

DE2152817B2 - Abschnitt eines gerippten wellenleiters

Info

Publication number: DE2152817B2
Application number: DE19712152817
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro; Hashimoto Tsutomu; Takeda Fumio; Kamakura Kanagawa Takeichi (Japan)
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1970-10-24
Filing date: 1971-10-22
Publication date: 1972-12-21
Also published as: US3754273A; DE2152817A1; DE2152817C3

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 HE_n-Schwingungstyp und der EH_n-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,

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daß der dargestellte Wellenleiter so aufgebaut ist, daß band, welches der Beziehung B_c < 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 y_c 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

y_c ^ 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™ Sl^eich ^V-J' Mit der Erfindung sollen Bre.tbandfrequenzcharak-

ε₀ = die Elektnzitatskonstante des freien Raums. _{teristiken für ger}ipp_te Wellenleiter ;,nd elektromagne-

μ = Pcnneabilitet des fre.cn Raums, _{ü he} Hornstrahler in der Form solcher Wellenleiter

J = BessescheFunkt.onersterOrdnungc.sterArt, _geschaff_en 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 entsprech}end 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 B_e 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 b_x 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- d_x 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 B_c beim EH_U-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. EH_n-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 d_x 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 Y_n cot [K(b - b_x)} =jB_lt (4)

In diesem Fall ist zu bemerken, daß das Frequenz- wobei Y_n 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~Υο₂1_Άη[Κ(^-α)} . ^{w Ci} L Yc₂ + Y_n tan [K(O₁ - a)} -cot [K(b -h"~* ^J ²

wobei Y_CI eine charakteristische Admittanz des Teils des Schlitzes mit der Breite d_t darstellt und folgender Beziehung genügt:

Y_n < 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 < B₁IY_n <0.

Diese normierte Suszeptanz B₁IY_n befindet sich auf einem Kreisbogen a~cb wie in F i g. 5 gezeigt.

Die auf die charakteristische Admittanz Y_C2 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 Y_C2

ao des Teiles des gerippten Schlitzes mit der Breite d_t 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 EH_n-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

Patentansprüche:

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.