DE2302011C

DE2302011C - Microwave device for power limitation, in particular for radar systems

Info

Publication number: DE2302011C
Authority: DE
Inventors: James Ritchie Dundee Schottland; Hannaford Colin Donald Beetham Milnthorpe Westmorland; Duncan (Großbritannien)
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Publication date: 1976-09-16

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenvorrichtung tür Leistungsbegrenzung, insbesondere für Radarsysteme, die zwischen einer Eingangsleitung und einer Ausgangsleitung liegt und einen abgestimmten Kreis aufweist, dessen Resonanzfrequenz von der an die Eingangsleitung angelegten Energie abhängig ist.The invention relates to a microwave device for power limitation, in particular for radar systems, which lies between an input line and an output line and has a matched circuit, whose resonance frequency depends on the energy applied to the input line.

Mikrowellenvorrichtungen zur Leistungsbegrenzung werden in Radarsystemen verwendet, um eine E>eschädigung des Empfängers bei einer Leistungsstretiung ©der einem Leistungsverlust der üblichen Sende-Emplangszelle zu verhindern. Ein solcher Leistungsbegrenter sollte eine geringe Pinfügungsdämpfung für die »chwach empfangenen Echosignale haben, dagegen tine hohe Dämpfung bei allen Signalverlusten hoher Leistung nach der Sende-Empfangszelle.Microwave power limiting devices are used in radar systems to prevent damage of the receiver in the event of a loss of power in the usual sender / receiver cell to prevent. Such a power limiter should have a low insertion loss for the »Have poorly received echo signals, but have high attenuation with all signal losses higher Power after the sender / receiver cell.

Leistungsbcgrenzungsgeräte, die diese Funktionen durchführen, sind bekannt. In ihrer einfachsten Form umfassen sie eine Übertragungsleitung, an die eine Diode mit variabler Kapazität zusammen mit den entsprechenden notwendigen Komponenten angeschaltet ist. Ein solches Gerät ist im wesentlichen ein einfaches Filter, dessen Grenzfrequenz durch die Kapazität der Diode bestimmt ist. Die Kapazität verändert sich hierbei mit der Veränderung der an die Übertragungsleitung angelegten Energie. Ein solches Gerät arbeitet einigermaßen zufriedenstellend bei Frequenzen bis etwa 4GHz, während bei höheren Frequenzen auf Grund der Reihenresonanz der Diode und der anderen S Elemente Probleme auftreten. Diese Probleme können durch Verwendung einer Viertel-Wellenleitung, die die Diode enthält, bewältigt werden. Hierdurch wird eine Reihen-Resonanzschaltung bei niedriger Leistung gebildet, die die Durchgabe von Signalen längs der Leitung ermöglicht, bei höhrer Leistung bilden jedoch diePower limiting devices that perform these functions are known. In its simplest form they include a transmission line to which a variable capacitance diode along with the appropriate necessary components is switched on. Such a device is essentially a simple filter, whose cutoff frequency is determined by the capacitance of the diode. The capacity changes here with the change in energy applied to the transmission line. Such a device works reasonably satisfactory at frequencies up to about 4GHz, while at higher frequencies Problems occur because of the series resonance of the diode and the other S elements. These problems can by using a quarter wave conduit containing the diode. This creates a Series resonance circuit formed at low power, allowing signals to pass along the line made possible, but with higher performance the

Diode und die Viertel-Wellenleitung einen parallelen Resonanzkreis, was dazu führt, daß die Signale in der Leitung zurückgewiesen werden.Diode and the quarter-wave line form a parallel resonant circuit, which means that the signals in the Line will be rejected.

Leistungsbegrenzer dieser Art sind praktisch FilterPower limiters of this type are practically filters

mit variabler Frequenz, bei denen die Übertragungs-Bandbreite und die Begrenzungscharakteristiken schwierig zu steuern sind. Ferner ist ein relativ hohes Eingangs-Leistungsniveau erforderlich, um das Gerät mit hoher Dämpfung zu betreiben.variable frequency at which the transmission bandwidth and the limiting characteristics are difficult to control. It is also a relatively high one Input power level required to operate the device with high attenuation.

zo Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Leistungsbegrenzung insbesondere für Radarsysteme bei Mikrowellenfrequenz zu schaffen, die bessere Begrenzungseigenschaften als bekannte Geräte hat und die nur eine geringere Eingangsleistung für ihren Betrieb erfordert.therefore zo The invention has for its object to provide a device for power limitation in particular for radar systems at microwave frequency, has the better limitation characteristics to known devices and requires less input power for their operation.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der abgestimmte Kreis mit der Eingangsleitung über ein Glied zur Aufwärtstransformation der Eingangsspannung gekoppelt ist und daß zwischen demAccording to the invention this is achieved in that the matched circuit is connected to the input line is coupled via a member for stepping up the input voltage and that between the

abgestimmten Kreis und der Ausgangsleitung in an sich bekannter Weise ein Transformationsglied zur Lastanpassung angeordnet istmatched circuit and the output line in a known manner a transformation element for load adjustment is arranged

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert, in derAn example embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing, in the

F i g. 1 und 2 in Draufsicht und in Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt;F i g. Figures 1 and 2 show, in plan and side view, a preferred embodiment of the invention;

F i g. 3 zeigt eine Äquivalenzschaltung der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2;F i g. 3 shows an equivalent circuit of the device according to the F i g. 1 and 2;

F i g. 4 und 5 zeigen im Schnit'. und in Draufsicht eine weitere- Ausführungsform der Erfindung.F i g. 4 and 5 show in section. and in plan view a further embodiment of the invention.

Die F i g. 1 und 2 zeigen einen Leistungsbegrenzer in Form einer koaxialen Übertragungsleitung. Der Begrenzer ist im wesentlichen in Form eines hohlen Kastens 10 aus-Metall ausgebildet, in dessen Innenraum drei parallele Zapfen 11,12 und 13 angeordnet sind. Die beiden äußeren Zapfen 11 und 12 sind an einer Seite des Kastens befestigt und erstrecken sich in Richtung zur gegenüberliegenden Seite des Kastens. Am freien Ende des Zapfens 11 ist der innere Leiter 14 eines Anschlußstückes 15 für ein koaxiales Eingangskabel befestigt und am freien Ende des Zapfens 12 ist der innere Leiter 16 eines Anschlußstückes 17 für ein koaxiales Ausgangskabel befestigt. Der dritte mittlere Zapfen 13 ist an der Seite des Kastens angebracht, der derjenigen gegenüberliegt, die die Zapfen 11 und 12 trägt. Eine Diode 20 mit veränderlicher Kapazität ist mit Hilfe eines Federkontaktes 21 und eines Stiftes 22 zwischen dem freien Ende des Zapfens 13 und der benachbarten Seite des Kastens angeordnet, wie die F i g. 1 zeigt. Die Abmessungen des Kastens sind so gewählt, daß die Basis des mittleren Zapfens 13 einen Abstand von einer Viertel-Wellenlänge von der gegenüberliegenden Seite des Kastens hat. Hierdurch ist der mittlere Zapfen inThe F i g. 1 and 2 show a power limiter in the form of a coaxial transmission line. The limiter is formed essentially in the form of a hollow box 10 made of metal, in the interior thereof three parallel pins 11, 12 and 13 are arranged. the two outer pins 11 and 12 are attached to one side of the box and extend towards to the opposite side of the box. At the free end of the pin 11 is the inner conductor 14 of a connector 15 attached for a coaxial input cable and at the free end of the pin 12 is the inner one Head 16 of a connector 17 attached for a coaxial output cable. The third middle pin 13 is attached to the side of the box opposite that which carries the pins 11 and 12. One Variable capacitance diode 20 is by means of a spring contact 21 and a pin 22 between the free end of the pin 13 and the adjacent side of the box, as shown in FIG. 1 shows. the Dimensions of the box are chosen so that the base of the central pin 13 is a distance of one Quarter wavelength from the opposite side of the box. This means that the center pin is in

6;i der Lage, im Betrieb einen Resonanzkreis zu bilden. Erforderlichenfalls, kann, wie F i g. 1 zeigt, ein Fuß vot gesehen werden, auf dem der Zapfen 13 befestigt ist. Die Seitenwände 26 der Vorrichtung, von denen in6; i able to form a resonance circuit during operation. If necessary, as shown in FIG. 1 shows a foot vot can be seen on which the pin 13 is attached. The side walls 26 of the device, of which in

F i g. 1 die vordere weggelassen ist, sind in gutem elektrischen Kontakt mit dem Kasten 10. F i g. 1 the front one is omitted are in good electrical contact with the box 10.

Die Äquivalenzschaltung der Vorrichtung ist in Fig.3 dargestellt. Der Eingangszapfen 11 und der mittlere Zapfen 13 bilden einen Aufwärts-T.ansforma- tor 23 zwischen der Impedanz der Eingangsleitung und der Impedanz des Resonanzkreises, wobei das Trans formationsverhältnis des Transformators durch den Durchmesser des Zapfens 11 und den Abstand ζ ■vischen ihm und dem Zapfen 13 bestimmt ist. In gleicher Weise bilden oer Zapfen 13 und der Zapfen 12 einen Abwärts-Transformator 24 desselben Übersetzungsverhältnisses, wodurch der Resonanzkreis mit der Ausgangsleitung gekoppelt wird, so daß der Begrenzer an die koaxialen Eingangs- und Ausgangsleitungen angepaßt ist. The equivalent circuit of the device is shown in FIG. The input pin 11 and the middle pin 13 form an upwards transformer 23 between the impedance of the input line and the impedance of the resonance circuit, the transformation ratio of the transformer being determined by the diameter of the pin 11 and the distance ζ ■ vischen him and the Pin 13 is intended. In the same way oer pin 13 and the pin 12 form a step-down transformer 24 of the same gear ratio, which is coupled to the resonant circuit to the output line, so that the limiter is adapted to the coaxial input and output lines.

Der Zapfen 13 und die Diode 20 bilden effektiv einen parallel abgestimmten Kreis, wie oben erwähnt, wobei die Resonanzfrequenz bei geringer Signal'^istung im Arbeitsband der zugehörigen Anlage !iegt. Die Impedanz des parallel abgestimmten Kreises ist ohmisch und sie ist bestimmt durch den Widerstand und die Kapazität der Diode, wobei die Kapazität sich abhängig von der an ihr liegenden Spannung ändert.The pin 13 and the diode 20 effectively form one parallel tuned circuit, as mentioned above, the resonance frequency with a low signal '^ istung im Working band of the associated system! The impedance of the parallel tuned circuit is ohmic and it is determined by the resistance and the capacitance of the diode, the capacitance being dependent on each other changes from the tension applied to it.

Im Betrieb wird die Spannung an der Eingangsleitung durch das Aufwärts-Übersetzungsverhältnis des »Eingangstransformators« 23, der durch die beiden Zapfen 11 und 13 gebildet wird, erhöht. Bei niedrigen Leistungen werden die Parameter der Vorrichtung so gewählt, daß die Induktanz und die Kapazität bei c'er erforderlichen Arbeitsfrequenz in Resonanz sind. Die Verluste der Vorrichtung sind daher im wesentlichen nur die ohmschen Verluste des Schaltkreises 25. Wenn die Signalleistung zunimmt, nimmt nuch die Spannung an der Diode zu. Die resultierende Zunahme der Kapazität der Diode führt zu einer Änderung der Resonanzfrequenz und erzeugt eine falsche Anpassung oder Verstellung (mis-match) am Transformator 23. Hierdurch wird das Signal in der Eingangsleitung zurückgeworfen, so daß es den »Ausgangstransformator« 24 nicht erreicht. During operation, the voltage on the input line by the step-up ratio of the "input transformer" 23 that is produced by the two Pin 11 and 13 is formed, increased. At low Powers, the parameters of the device are chosen so that the inductance and capacitance at c'er required working frequency are in resonance. The losses of the device are therefore substantial only the ohmic losses of circuit 25. As the signal power increases, the voltage also increases at the diode too. The resulting increase in the capacitance of the diode leads to a change in the resonance frequency and generates a wrong adjustment or mis-match at the transformer 23. This causes the signal in the input line is thrown back so that it does not reach the "output transformer" 24.

Die Verwendung des Aufwärts-Transformators 23 ermöglicht es, den Spannungs-Schwellenwert der Vorrichtung niedriger zu halten als ohne diesen Transformator. Das Ansprechvermögen der Vorrichtung bei niedriger Leistung kann durch Einstellschrauben eingestellt werden. Diese können fluchtend mit den Enden der Zapfen 11 und 12 angeordnet sein, wie bei 27 in F i g. 1 gezeigt ist. Falls für den Zapfen 13 eine Einstellschraube erforderlich sein sollte, so wird diese in einer der Seitenwände 26 angeordnet, so daß sie sich auf die Seite des Zapfens zuerstreckt, wie bei 28 in F i g. 1 gezeigt ist.The use of step-up transformer 23 enables the voltage threshold of the device lower than without this transformer. The responsiveness of the device at lower power can be adjusted by adjusting screws. These can be aligned with the ends the pins 11 and 12 may be arranged as at 27 in FIG. 1 is shown. If there is an adjustment screw for pin 13 should be required, this is arranged in one of the side walls 26 so that they are on the Side of the pin extends first, as at 28 in FIG. 1 is shown.

Die vorbeschriebene Vorrichtung wird zweckmäßigerweise z. B. aus Messung hergestellt, während der Diodenkontakt am Zapfen 13 goldplatiert sein kann.The device described above is expedient z. B. made from measurement, while the diode contact on the pin 13 can be gold plated.

Die Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2 eignet sich in Verbindung mit einer koaxialen Übertragungsleitung. Die Vorrichtung kann aber auch in Form eines Wellenleiters ausgebildet sein, wie F i g. 4 und 5 zeigen. F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch einen rechteckigen Wellenleiter und sie zeigt den schmaleren Teil des Wellenleiters, während Fig.4 im Schnitt längs der Linie V-V von Fig.4 den breiteren Abschnitt des Wellenleiters zeigt. Die drei Zapfen 31, 32 und 33 sind wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform angeordnet, jedoch innerhalb des Wellenleiters 30 angebracht. Der breitere Abschnitt des Wellenleiters verjüngt s'di zum mittleren Zapfen hin, wie F i g. 5 zeigt, um sämtliche Energie des Wellenleiters in die Zapfen 31 und 32 einzuleiten. Die Anordnung der Zapfen selbst ist, wie oben beschrieben vorgenommen, wobei die Diode 21 zwischen der Schraube 22 und der Feder 23 auf dem mittleren Zapfen 33 angeordnet ist. Die Abmessungen und die Abstände der Zapfen sind dieselben wie in der Ausführungsform nach F i g. 1. Die äußeren Zapfen 31 und 32 sind außerhalb des engsten Teiles des Wellenleiters angeordnet. Die Vorrichtung nach den F i g. 4 und 5 arbeitet genau in derselben Weise wie die oben beschriebene Vorrichtung und hat dieselbe Wirkung.The device according to FIGS. 1 and 2 are suitable in Connection to a coaxial transmission line. However, the device can also be in the form of a waveguide be designed as F i g. 4 and 5 show. F i g. 4 shows a section through a rectangular waveguide and it shows the narrower part of the waveguide, while FIG. 4 is a section along the line V-V of Figure 4 shows the wider section of the waveguide. The three pins 31, 32 and 33 are as in FIG The embodiment described above is arranged but mounted within the waveguide 30. The wider section of the waveguide tapers to s'di towards the middle pin, as shown in FIG. 5 shows all of the energy of the waveguide in the pegs 31 and 32 initiate. The arrangement of the pins themselves is carried out as described above, with the diode 21 is arranged between the screw 22 and the spring 23 on the central pin 33. The dimensions and the spacing of the pegs is the same as in the embodiment of FIG. 1. The outer tenons 31 and 32 are located outside the narrowest part of the waveguide. The device according to FIGS. 4 and 5 operates in exactly the same way as the device described above and has the same effect.

Die beiden beschriebenen Ausführungsformen können modifiziert werden. Es ist beispielsweise möglich, die Anzahl der Zapfen zu vergrößern, um mehr als eine Diode zu verwenden. In einem solchen Fall würde die Einfügungsdämpfung zunehmen, was unter Umständen jedoch nachteilig sein könnte. Die beiden äußersten Zapfen bilden dann den Eingangs- und den Ausgangstransformator wie oben, um die Vorrichtung an die Ein gangs- und an die Ausgangsleitung anzupassen. Das Transformationsverhültnis kann durch geeignete Ausbildung der Vorrichtung verändert werden.The two embodiments described can be modified. For example, it is possible increase the number of cones to use more than one diode. In such a case, the Insertion loss increase, but this could be disadvantageous under certain circumstances. The two extreme ones Spigots then form the input and output transformers as above to connect the device to the input output and to adapt to the output line. The transformation ratio can be achieved through suitable training the device can be changed.

Bei den dargestellten Vorrichtungen sind die Zapfen abwechselnd an gegenüberliegenden Seiten des Kastens angebracht. Es ist jedoch auch möglich, einen kammartigen Aufbau zu verwenden, bei welchem sämtliche Zapfen an derselben Seite des Kastens befestigt sind.In the devices shown, the pins are alternately on opposite sides of the box appropriate. However, it is also possible to use a comb-like structure in which all Tenons are attached to the same side of the box.

Bei den dargestellten Ausführungsformen ist die Diode in Kontakt mit dem freien Ende des mittleren Zapfens. Wenn es jedoch erwünscht ist, den Schwellenwert anzuheben, so kann der Kontaktpunkt zwischen der Diode und dem Zapfen vom Ende des Zapfens weg verlegt werden. Dies wirkt jedoch dem Effekt der Aufwärtstransformation entgegen, welche eines der Merkmale der Erfindung ist.In the illustrated embodiments, the diode is in contact with the free end of the central peg. However, if so desired, the threshold raise, the point of contact between the diode and the pin can move away from the end of the pin be relocated. However, this counteracts the effect of the upward transformation, which is one of the features of the invention.

Wenn die Ausgangslcitung eine Impedanz ha', die gleich der Impedanz des Resonanzkreises ist, so ist der Ausgangs-Transformator zur Anpassung nicht erforderlich. Der Ausgangs/apfcn ist jedoch notwendig, um den Ausgang der Vorrichtung mit der Ausgangsleitung zu koppeln, so daß der Zapfen effektiv einen Teil eines Transformators darstellt, der ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 hat. Es kann ferner jedes andere gewünschte Transformationsverhältnis vorgesehen werden. Bei den beschriebenen Ausführungsformen wurden als variable Reaktanzen Dioden mit variabler Kapazität verwendet. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle dieser Dioden ferroelektrischc Materialien mit variabler Dielektrizitätskonstanten zu verwenden, wodurch sich ähnliche Ergebnisse erzielen lassen.If the output line has an impedance that is equal to the impedance of the resonance circuit, the output transformer is not required for matching. The output / apfcn is however necessary to connect the output of the device to the output line to couple so that the pin is effectively part of a transformer providing a gear ratio of 1: 1 has. Any other desired transformation ratio can also be provided. In the embodiments described, diodes with variable capacitance were used as variable reactances used. However, instead of these diodes, it is also possible to use ferroelectric materials with variable Use dielectric constants, which will produce similar results.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Microwave device for power limitation, especially for radar systems that are between an input line and an output line and has a tuned circuit whose The resonance frequency depends on the energy applied to the input line, characterized in that that the tuned circuit (25) with the input line (15) via a link (23) to Step up transformation of the input voltage coupled 'st and that between the matched Circle (25) and the output line (17) in a known manner to a transformation element (24) Load adjustment is arranged.

2. Device according to Ansprucn 1, characterized in that the two Transformations.glieder (23) and (24) by at least three parallel pegs (11, 12, 13; or 31, 32, 33) in a waveguide (10, 30) are formed.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the coordinated circle (25) has a voltage sensitive reactance.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the voltage-sensitive reactance is a variable capacitance diode (20) connected to the central pin (13).

5. Device according to one of the preceding claims, for use with a coaxial Transmission line, characterized in that inner conductors (14, 16) are provided which correspond to each with one of the outer pins (11, 12) and the input line (15) and the output line (17) are connected.

6. Device according to one of claims 1 to 4 for use with a waveguide, characterized characterized in that the central pin (s) (33) are arranged in a part of the waveguide (30) which has a reduced cross-section.