DE2612789B2

DE2612789B2 - Multiple coupler for microwaves

Info

Publication number: DE2612789B2
Application number: DE19762612789
Authority: DE
Inventors: Barry Kenneth Witham Essex Watson (Grossbritannien)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1976-01-21
Filing date: 1976-03-25
Publication date: 1978-04-27
Also published as: DE2612789C3; GB1571383A; DE2612789A1

Description

Die Erfindung betrifft Mehrfachkoppler für Mikrowellen, d. h. eine Einrichtung zum Koppeln zweier oder mehrerer elektromagnetischer Mikrowellensignale von unterschiedlicher Frequenz auf eine einzelne Übertragungsleitung für elektromagnetische Wellen. Da ein Mehrfachkoppler eine reziproke Einrichtung ist, ist es klar ersichtlich, daß er in ähnlicher Weise zum Trennen elektromagnetischer Mikrowellensignale unterschiedlicher Frequenzen benutzt werden kann.The invention relates to multiple couplers for microwaves, i. H. a device for coupling two or multiple electromagnetic microwave signals of different frequencies onto a single transmission line for electromagnetic waves. Since a multiplexer is a reciprocal device, it is can clearly be seen that it is similarly used for separating microwave electromagnetic signals of different types Frequencies can be used.

Ein bekannter Typ von Mehrfachkopplern, normalerweise als Zweifachkoppler oder Diplexer bezeichnet, da er nur zwei verschiedene Frequenzen verbinden oder trennen kann, benutzt Hybrid-Koppler.A known type of multiplexer, usually referred to as a dual coupler or diplexer, is there he can only connect or disconnect two different frequencies, uses hybrid couplers.

Ein Hybrid-Koppler ist im wesentlichen ein verlustlos arbeitendes Gerät, dessen vier Anschlußstücke so in zwei Paaren angeordnet sind, daß, wenn die vier Arme vollständig abgestimmt sind, kein Leistungsfluß stattfindet zwischen den Armen eines Paares.A hybrid coupler is essentially a lossless device, the four connectors of which in two pairs are arranged so that when the four arms are fully tuned there is no flow of power between the arms of a couple.

Ein derartiges Armpaar wird im nachfolgenden als konjugiertes Armpaar bezeichnet Eine weitere Eigenschaft eines Hybrid-Kopplers ist es, daß er so eingerichtet werden kann, daß die an einem konjugierten Armpaar eintretende Leistung im Verhältnis 1 :1 oder in einem anderen vorbestimmten Verhältnis geteilt zu den Armen des anderen konjugierten Paares herausfließt; die relativen Phasenwinkel der beiden Ausgänge hängen von der Art der benutzten Hybridverbindung ab. Solche Koppler, wie z.B. der »Magic«- Koppler oder der sogenannte 3-dB-Riblet-Koppler, sind Stand der Technik. Die bekannte hier besprochene Art von Vielfachkopplern umfaßt zwei Hybrid-Koppler mit vier Anschlüssen, wobei jeweils ein konjugiertes Armpaar jedes Kopplers durch verschieden lange Wellenleiterabschnitte einer Übertragungsleitung mit dem konjugierten Paar Jes anderen Kopplers verbunden ist. Die Länge der Wellenleiterabschnitte bestimmt die zwei Frequenzen, die verbunden oder getrennt werden können, und der Längenunterschied der Wellenleiterabschnitte der Übertragungsleitung muß ein geradzahliges Vielfaches der übertragenen Wellenlängen bei der einen Frequenz sein und ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge der anderen Frequenz, wodurch die Bandbreite jeder der zwei zusammengekoppelten Frequenzen bestimmt wird. Die Bandbreite ist so eine Funktion der Weglänge zwischen den beiden Hybrid-Kopplern, und je größer der Unterschied der Weglängen ist, umso größer ist die Phasenempfindlichkeit zwischen den beiden Übertragungsleitungsabschnitten als Funktion der Frequenz, und umso kleiner ist die Betriebsbandbreite.Such a pair of arms is referred to below as a conjugate pair of arms. Another property of a hybrid coupler is that it can be set up so that the at a conjugated Arm pair entering power in the ratio 1: 1 or divided in another predetermined ratio flows out to the arms of the other conjugated couple; the relative phase angles of the two Outputs depend on the type of hybrid connection used. Couplers such as the »Magic« - Couplers or the so-called 3 dB riblet coupler State of the art. The known type of multiplexer discussed here includes two hybrid couplers four connectors, each with a conjugate arm pair of each coupler by different lengths Waveguide sections of a transmission line connected to the conjugate pair of any other coupler is. The length of the waveguide sections determines the two frequencies that are connected or disconnected and the difference in length of the waveguide sections of the transmission line must an even multiple of the transmitted wavelengths at one frequency and an odd multiple Multiples of half the wavelength of the other frequency, increasing the bandwidth of either of the two coupled frequencies is determined. The bandwidth is thus a function of the path length between the two hybrid couplers, and the greater the difference in the path lengths, the greater it is Phase sensitivity between the two transmission line sections as a function of frequency, and the smaller the operating bandwidth.

Normalerweise wird der Mehrfachkoppler aus einem massiven Materialblock hergestellt, wie es z. B. in der GB-PS 13 45 537 beschrieben ist Wird jedoch bei einerNormally, the multiplexer is made from a solid block of material, as e.g. B. in the GB-PS 13 45 537 is described, however, in a

ίο solchen Konstruktion ein Hochleistungssignal angelegt, so macht sich eine Tendenz zum Abwandern der Mittelfrequenz bemerkbar. War zum Beispiel der Zweifachkoppler aus einem Aluminiumblock gefertigt und hatte sechs Signalfrequenzkanäle, jeder für eine Bandbreite von 40 MHz mit Mittelfrequenzen in der Gegend von 6 GHz ausgelegt, so wurde bei einem 3-KW-Leistungseingang ein Abwandern der Mittelfrequenzen nach unten um 13 MHz festgestellt. Es ist leicht einzusehen, daß eine derart große Änderung der Mittelfrequenz im Vergleich zur Frequenzbandbreite eine beträchtliche Abnahme der nutzbaren Betriebsbandbreite jedes Kanals ergibt ίο a high-power signal applied to such a construction, thus a tendency towards the center frequency drifting becomes noticeable. For example was that Dual coupler made from a block of aluminum and had six signal frequency channels, each for one A bandwidth of 40 MHz with center frequencies in the region of 6 GHz was designed for one 3 KW power input, a drifting of the center frequencies down by 13 MHz was found. It is easy understand that such a large change in the center frequency compared to the frequency bandwidth results in a significant decrease in the usable operating bandwidth of each channel

Ziel der Erfindung ist es, einen Vielfachkoppler zu schaffen, bei dem der eben erwähnte Nachteil wesentlich reduziert ist.The aim of the invention is to create a multiple coupler in which the above-mentioned disadvantage is significantly reduced.

Nach der Erfindung umfaßt ein Mikrowellen-Mehrfachkoppler mindestens zwei Hybrid-Koppler mit vier Anschlüssen, deren konjugierte Armpaare jeweils mit zwei Wellenleiterabschnitten verschiedener LängeAccording to the invention, a microwave multiplexer comprises at least two hybrid couplers with four Connections whose conjugate arm pairs each with two waveguide sections of different lengths

jo verbunden sind, wobei die Ausdehnungskoeffizienten der Wellenleiterabschnitte sich umgekehrt proportional wie die Längen dieser Abschnitte verhalten.jo are connected, the expansion coefficient of the waveguide sections are inversely proportional to the lengths of these sections.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, daß der vorher erwähnte Frequenzwechsel von der unterschiedlichen absoluten Ausdehnung der beiden Übertragungsleitungs-Wellenleiterabschnitte herrührte. Durch Auswahl von Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten für die Wellenleiterabschnitte kann ein Mehrfachkoppler geschaffen werden, der vergleichsweise unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen ist.The invention is based on the knowledge that the aforementioned frequency change from the different absolute dimensions of the two transmission line waveguide sections resulted. By choosing materials with different expansion coefficients for the waveguide sections a multiple coupler can be created that is comparatively insensitive to temperature fluctuations is.

In einer bevorzugten Ausführung, bei der jeder Kanal mit einem 3-KW-Signal von 40 MHz Bandbreite bei etwa 6 GHz Mittenfrequenz gespeist wurde, besteht der eine Abschnitt aus einem Kupfermaterial und der andere Abschnitt aus einem Aluminiummaterial.In a preferred embodiment, each channel is provided with a 3 KW signal with a bandwidth of 40 MHz about 6 GHz center frequency was fed, the one section consists of a copper material and the other section made of an aluminum material.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Beispiel mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; die Zeichnung zeigt eine Bauform eines erfindungsgemäßen Zweifachkopplers.In the following the invention is explained in more detail using an example with reference to the drawing; the The drawing shows a design of a dual coupler according to the invention.

Der in der Zeichnung gezeigte Zweifachkoppler ist ein Multipoltyp und umfaßt zwei Hybrid-Koppler 1, 2 mit vier Anschlüssen, deren konjugierte Armpaare mit weiteren Hybrid-Kopplern 3, 4 mit vier Anschlüssen verbunden sind, wobei sich an konjugierte Armpaare der Koppler 3, 4 Übertragungsleitungswellenleiterabschnitte 5,6 anschließen. Die Wellenleiterabschnitte 5,6 wirken als Übertragungsleitungen und sind an ihren jeweiligen von den Kopplern 3 oder 4 abgewandtenThe dual coupler shown in the drawing is a multipole type and comprises two hybrid couplers 1, 2 with four connections, whose conjugate arm pairs with further hybrid couplers 3, 4 with four connections are connected to conjugate pairs of arms of the coupler 3, 4 transmission line waveguide sections Connect 5.6. The waveguide sections 5,6 act as transmission lines and are on their respective of the couplers 3 or 4 facing away

Enden kurzgeschlossen; in die Abschnitte 5, 6 können induktive Abgleichstifte zur Abstimmung der sich darin fortpflanzenden Signale montiert werden. Der Koppler 1 besitzt ein konjugiertes Armpaar, das jeweils mit einem Paar von Eingangsanschlüssen 7 verbunden ist und der Koppler 2 hat ein konjugiertes Armpaar, das an einem Arm mit einer Last 8 und am anderen Arm mit einem Ausgangsanschluß 9 verbunden ist.
Nun wird die Länge der Wellenleiterabschnitte 5, 6Ends shorted; Inductive alignment pins can be mounted in the sections 5, 6 to tune the signals propagating therein. The coupler 1 has a pair of conjugate arms each connected to a pair of input ports 7, and the coupler 2 has a pair of conjugate arms connected to a load 8 on one arm and an output port 9 on the other arm.
Now the length of the waveguide sections 5, 6

zwischen den angeschlossenen Kopplern 3,4 bis zu den Kurzschlüssen, die mit den Abschnitten 5, 6 verbunden sind, berechnet Die erforderlichen Bedingungen für die Betriebsfrequenzen werden durch passende Dimensionierung der Längen Li, L₂ der Abschnitte 5,6 zusammen mit ihrer jeweils mit A bezeichneten Breitenabmessung des rechteckigen Wellenleiters erhalten. Während des Betriebes mit einem Leistungsfluß durch diese Wellenleiterabschnitte 5, 6 tritt eine Zunahme in den Längen und Breiten der Abschnitte 5,6 infolge Erwärmung auf. Sie werdsn jeweils als AL₁, AL₂ bzw. AA], AA₂ bezeichnet. Wenn keine Maßnahmen zur Verhütung der Frequenzänderung ergriffen werden, d. h. wenn die Abschnitte 5, 6 aus einem zusammenhängenden Materialblock gefertigt werden und wenn die Länge Li zweimal die Länge L₂ beträgt, woraus folgt, daß AL\ annähernd zweimal AL₁ ist, werden die mit A bezeichneten Abmessungen des Wellenleiters gleich anwachsen, und die Abweichung Af der Mittenfrequenz eines jeden Kanals kann in folgender Weise ausgedrückt werden:between the connected couplers 3,4 to the shorts that are connected with the portions 5, 6, calculated The conditions required for the operating frequencies of the sections by appropriate dimensioning of the lengths Li, L ₂ 5.6 together with their respectively with A Obtained designated width dimension of the rectangular waveguide. During operation with a power flow through these waveguide sections 5, 6, there is an increase in the lengths and widths of the sections 5, 6 as a result of heating. They are referred to as AL ₁ , AL ₂ or AA], AA ₂ , respectively. If no measures are taken to prevent the frequency change, ie if the sections 5, 6 are made from a coherent block of material and if the length Li is twice the length L ₂ , from which it follows that AL \ is approximately twice AL ₁ , the with A , the dimensions of the waveguide increase equally, and the deviation Af of the center frequency of each channel can be expressed in the following way:

undand

wobeiwhereby

Λ L₂ Λ L ₂

<)fc₂ <) fc ₂

L-2 + —z " L-2 + --z "

Λ L₁ Λ L ₁

If«.If «.

fc\ die Grenzfrequenz des Abschnitts 5,
Fc₂ die Grenzfrequenz des Abschnitts 6,
A\ die Querschnitts-Abmessung der Breitseite des fc \ the cutoff frequency of section 5,
Fc _{2 is} the cutoff frequency of section 6,
A \ the cross-sectional dimension of the broad side of the

rechteckigen Wellenleiters des Abschnitts 5,
ίο A₂ die Querschnitts-Abmessung der Breitseite dessection 5 rectangular waveguide,
ίο A _{2 is} the cross-sectional dimension of the broad side of the

rechteckigen Wellenleiters des Abschnitts 6 und
c die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum istrectangular waveguide of section 6 and
c is the speed of light in empty space

Die Erfindung sieht vor, daß die Wellenleiterabschnitte 5 und 6 körperlich aus so ausgewählten verschiedenen Materialien gebildet sind, daß im ganzen ohne Rücksicht auf die Längenänderungen der Abschnitte 5 und 6 (AL\, AL₂) und auf die Änderung der Querschnitts-Abmessungen der Breitseiten (AAu AA₂) der Zweifachkoppler im wesentlichen eine Nullabweichung von den geforderten Mittenfrequenzen der Kanäle hervorruft. Es wurde festgestellt, daß die Auswahl eines Kupfermaterials für die größere Länge (Li) und eines Aluminiummaterials für die geringere Länge (L₂) im wesentlichen eine Nullabweichung der Kanalmittenfrequenz Af erzeugt, wenn jeder von sechs Kanälen mit einem 3-KW-Signal von 40 MHz Bandbreite bei einer Mittenfrequenz in der Gegend von 6 GHz gespeist wird. Das für die Abschnitte 5, 6 erforderliche Material wird unterThe invention provides that the waveguide sections 5 and 6 are physically formed from different materials selected so that on the whole regardless of the changes in length of the sections 5 and 6 (AL 1, AL ₂ ) and the change in the cross-sectional dimensions of the broad sides (AAu AA ₂ ) the dual coupler essentially causes a zero deviation from the required center frequencies of the channels. It has been found that the selection of a copper material for the greater length (Li) and an aluminum material for the shorter length (L ₂ ) produces essentially a zero deviation of the channel center frequency Af when each of six channels with a 3 KW signal of 40 MHz bandwidth at a center frequency in the region of 6 GHz. The material required for sections 5, 6 is under

jo Beachtung des Umstandes, daß ihre Ausdehnungskoeffizienten sich umgekehrt proportional wie die Längen der Abschnitte verhalten, ausgewählt.jo attention to the fact that their coefficients of expansion are inversely proportional to how the lengths of the sections behave, selected.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Microwave multiple couplers with at least two hybrid couplers with four connections, whose conjugate arm pairs are connected by two waveguide sections of different length, thereby characterized in that the expansion coefficient of the waveguide sections (5, 6) behave inversely proportional to the lengths of these sections.

2. Microwave multiple coupler according to claim 1, characterized in that the longer section (5) is made of a copper material and the shorter section (6) is made of an aluminum material