DE2642448B2 - Hochfrequenz-Wellentypwandler - Google Patents

Description

r[mm] + a[mm] + i'fmm] < 6(X)//„,_UA[GHz] .

2. Wellentypwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine Stärke zwischen Viomm für sehr hohe Übertragungsfrequenzen und 2 mm für niedrigere Frequenzen aufweist.

3. Wellentypwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den halbkreisförmigen Ausgang des Wandlers ein Hohlleiter mit veränderlichem Querschnitt angeschlossen ist, der r> an seinem einen Ende einen halbkreisförmigen Querschnitt und an seinem anderen Ende einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, indem er im Inneren eine Zunge (16) besitzt, deren öffnungsweite von einem Winkel Null bis zu einem Winkel 180° in Längsrichtung zunimmt.

4. Wellentypwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungswinkel der Zunge (16) sich linear in Längsrichtung des Hohlleiters mit veränderlichem Querschnitt ändert. 4^r>

5. Wellentypwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus drei Metallblöcken besteht, die zur Ausbildung des halbkreisförmigen und des rechteckigen Hohlleiters zusammengefügt sind, wobei ein erster dieser Blöcke ^r> <> (1,12) über seine Länge hinweg eine halbkreisförmige Nut (2, 13) besitzt, während die beiden anderen Blöcke (3,5) über ihre Länge hinweg eine Nut (4,6) rechteckigen Querschnitts aufweisen und die beiden rechteckigen Nuten gleiche Breite haben und sich Ti gegenüberliegen, und daß einer dieser beiden Blöcke (3) mit den öffnungen (7) versehen ist, die den Grund der Nut (4) durchstoßen und die Kopplung zwischen den beiden Hohlleitern bewirken.

Die Erfindung betrifft einen Wellentypwandler zur Umwandlung einer elektromagnetischen TE10-Welle (>^r> eines Rechteckhohlleiters in eine TEoi-Welle eines halbrunden Hohlleiters und umgekehrt, insbesondere im Frequenzbereich von einigen GHz bis jenseits 100 GHz Anwendungsgebiete halbrunder Hohlleiter sind z. B. Diplexer, wie sie bei Muhiplexübertragungsverbindungen über Hohlleiter für kreisförmige Wellen verwendet werden und wie sie z.B. In der französischen Patentschrift 73 34 997 beschrieben sind. Die Wandler können in Diplexern dazu benutzt werden, Frequenzteilbänder herauszuziehen; sie können aber auch als Meßkoppler für halbkreisförmig aufgebaute Hohlleiter oder auch als Koppler zwischen rechteckigen und kreisförmigen Hohlleitern Verwendung finden.

Mit derartigen Wandlern können auch Sender an Antennen in Funkstationen angeschlossen werden, bei denen häufig die Sender selbst rechteckige TEi₀-Wellen benötigen.

Es ist ein Wandler bekannt, bei dem die elektromagnetischen Felder zunächst in rechteckige TE20-, dann in rechteckige TE22- und schließlich in kreisförmige TEoi-Wellen umgewandelt werden. Dieser Wandler ist in »The Microwave Journal«, Februar 1970, Seiten 73 bis 75, beschrieben. Er ist sehr komplex aufgebaut, ziemlich groß und im einzelnen schwer zu bestimmen.

Weiter sind Wandler mit veränderlichem Innenquerschnitt bekannt; der anfangs rechteckige Querschnitt wird allmählich dreieckig, dann halbkreisförmig und schließlich kreisförmig. Solche Wandler sind schwierig herzustellen und benötigen Filter gegen Störvellen, die an den Übergangsstellen auftreten.

Ein anderer Wandler besitzt einen halbkreisförmigen Leiter, aer an einen zylindrischen oder rechteckigen Resonanzraum gekoppelt ist. Bei dieser Art von Wandlern erfolgt die Kopplung über ein einziges Loch, und der halbkreisförmige Hohlleiter wird durch einen Kurzschluß geschlossen, der bewirkt, daß sich die Energie in Höhe eines Kopplungslochs konzentriert. Dieser Wandler wirkt wie ein selektives Bandfilter.

Weiter ist aus der DE-OS 22 18 042 (Fig. 6) eine Wellenleiterübertragungseinrichtung bekannt, bei der ein Leiter mit halbkreisförmigem Querschnitt über öffnungen im ebenen Wandbereich mit der Schmalseite eines Wellenleiters rechteckförmigem Querschnitts gekoppelt ist. Im Bereich des Rechteckhohlleiters liegen Filterelemente, mit denen Resonanzbänder ausgewählt werden unJ unerwünschte Wellenmoden unterdrückt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen Höchstfrequenz-Wellentypwandler so auszubilden, daß störende Wellenmoden erst gar nicht auftreten, so daß spezielle Filter gegen solche Moden entfallen können und der Wandler für ein breiteres Frequenzband ausgebildet werden kann. Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Wandler gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der acht Figuren näher erläutert. Die

F i g. 1 und 2 zeigen in Explosionsansicht und im Schnitt einen erfindungsgemäßen Wellentypwandler zwischen einem Rechteckhohlleiter für TEm-Wellen und einem halbkreisförmigen Hohlleiter für TEoi-Wellen;

F i g. 3 zeigt in Explosionsansicht einen Wellentypwandler gemäß Fig.! und 2, an den ein Übergangsstück zur Umwandlung des kreisförmigen in den halbkreisförmigen Wellentyp angeschlossen ist;

Fig.4 zeigt eine Stirnansicht des Übergangsstücks nach F i g. 3 und die

Fig.5 bis 8 zeigen verschiedene Querschnitte durch den Wandler nach F i g. 3, beginnend mit einem Schnitt

in der Mitte des Obergangsstücks (Fig.5), worauf Schnitte kurz vor (Fig.6) und kurz nach der Verbindungsebene des Wandlers mit dem Übergangsstück folgen (F i g. 7) sowie schließlich ein Schnitt kurz vor dem Anschluß eines Rechteckhohlleiter s (F i g. 8).

In den F i g. 1 und 2 wird ein Wandler dargestellt der aus drei zusammengesetzten Metallblöcken 1, 3 und 5 besteht Die drei Blöcke weisen eine längliche Form auf und besitzen jeweils rechteckigen Querschnitt wobei die großen Seiten des Querschnitts gleich lang sind. Der Block 1 ist yber seine gesamte Länge hinweg mit einer halbkreisförmigen Nut 2 versehen. Die Blöcke 3 und 5 sind über ihre gesamte Länge hinweg mit einer rechteckigen Nut 4 bz*. 6 versehen. Die Nuten 4 und 6 besitzen die gleiche Breite und vorzugsweise auch dieselbe Tiefe. Femer weist der Block 3 öffnungen 7 auf, die fast aneinandergretizen und deren Querabmessung in etwa gleich der Breite der Nut 4 ist Diese öffnungen gehen durch den Boden der Nut 4 hindurch, der die Trennwand zwischen den beiden Hohlleitei a bildet und für den eine geringe Stärke vorgesehen wird. Diese öffnungen, die im vorliegenden Fall kreisförmig sind, können auch eine andere Querschnittsform aufweisen, beispielsweise quadratisch, rechteckig sein, oder Langlochform besitzen.

Die drei Blöcke 1,3 und 5 werden durch Löten oder Schweißen oder Verschrauben miteinander vereinigt und bilden dann gemeinsam den Wandler z\ ischen einem rechteckigen Hohlleiter für TEm-Wellen und einem halbkreisförmigen Hohlleiter für TE_orWellen. Die Blöcke 3 und 5 liegen mit ihren rechteckigen Nuten 4 bzw. 6 einander gegenüber und begrenzen so den rechteckigen Hohlleiter 8, wobei die Nahtstellen zwischen den beiden Nuten sich in der Mitte jeder der großen Seiten des Querschnitts des so gebildeten Rechteckhohlleiters befinden. Die Oberseite der die öffnungen 7 aufweisenden Trennwand dient darüber hinaus dazu, die halbkreisförmige Nut 2 des Blocks 1 zu schließen, und bildet so die Basis oder die Flachseite des halbkreisförmigen Hohlleiters 9. Die öffnungen 7 münden in den halbkreisförmigen Hohlleiter und liegen mit ihren Achsen auf der Längsachse der Flachseite dieses Hohlleiters, wobei die kleine Seite des Querschnitts des rechteckigen Hohlleiters den axialen Abschnitt der Flachseite des mit dem Rechteckhohlleiter 8 über die öffnungen 7 verbundenen halbkreisförmigen Hohlleiters 9 bildet; diese Öffnungen 7 sorgen für eine sehr vollkommene Energieübertragung zwischen den beiden Hohlleitern 8 und 9 in beiden Richtungen.

Dadurch, daß den öffnungen eine große Abmessung verliehen wird, und wegen der geringen Stärke der Trennwand ist es möglich, die Anzahl der öffnungen sehr gering zu halten. Durch diese Anordnung erhält der Wandler eine praktisch konstante Energieübertragungscharakteristik für eine große Bandbreite von Nutzfrequenzen, für die der Wandler eingesetzt wird.

Bei diesem Aufbau ergibt sich zwischen dem rechteckigen und dem halbkreisförmigen Hohlleiter eine magnetische Kopplung. Lediglich die TE_Om-Wellen besitzen eine magnetische Komponente in Längsrichtung, und daher können im durch die öffnungen gebildeten Kopplungsnetz auch nur die TE_Om-Wellen erregt werden. Die Verteilung der magnetischen Felder in Querrichtung ist für das Übergangsstück durch die in F i g. 2 gestrichelt eingezeichneten Pfeile illustriert.

Eine elektrische Besonderheit dieses Aufbaus besteht darin, daß die Verbindungen zwischen den einzelnen Blöcken in Bereichen erfolgeü, in denen die elektrischen Ströme Null sind, nämlich in der Mitte der großen Seiten des Rechteckleiters und an den Enden des Halbrund-Hohlleiters.

Zur Vermeidung von Störwellen, wie beispielsweise TE20- und TE22-Wellen, die insbesondere auf die großen Abmessungen der Kopplungslöcher und den unvollständigen halbkreisförmigen Aufbau zurückzuführen sind und vor allem bei Frequenzen in der Nähe ihrer Grenzfrequenz erregt werden, bei denen Störresonanzen auftreten, die dann bei der Übertragung Absorptionsspitzen hervorrufen, werden der Radius r des halbkreisförmigen Hohlleiters und die Abmessungen des Rechteckhohlleiters, insbesondere die große Seite a des Querschnitts des Rechteckleiters, mit großer Genauigkeit bestimmt Diese beiden Größen a und r werden so gewählt daß:

6(X)
Fnui.x

wobei e die Stärke der Trennwand darstellt; e. a und r werden in mm und Fmax, bei der es sich um die höchste Frequenz des Nutzfrequenzbandes des Übergangsstücks handelt, in GHz ausgedrückt; 600 ist eine Konstante, die etwa zweimal die Lichtgeschwindigkeit in 1000 km/s ausdrückt

Die Wahl von großdimensionierten Kopplungsöffnungen begünstigt die Erzeugung der TE^o-Wellen, insbesondere bei der Entstehung dieser Wellen, und ergibt dann eine mehr oder weniger breite Absorptionsspitze in der Energieübertragungscharakteristik. Die Größe dieser Kopplungsöffnungen verleiht der Kopplung eine gewisse »Transparenz« und führt zu einem fiktiven Rechteckhohlleiter, der die Stelle des Rechteckhohlleiters 8 einnimmt und eine große Seite aufweist, die langer als die große Seite a des Hohlleiters 8 ist, wobei dieser fiktive Hohlleiter bis in den halbkreisförmigen Hohlleiter hineinreicht.

Durch die geeignete Wahl der Werte für r und a entsprechend der oben angegebenen Bedingung kann vermieden werden, daß die TE₂o-Störwellen oberhalb der Höchstfrequenz des Nutzfrequezbandes des Wandlers entstehen.

Beispielsweise wird für einen Wandler für das Frequenzband von 31 bis 38 GHz bei e=0,5 mm für rein Wert von 8,29 mm und für a ein Wert von 6,8 mm gewählt. Die TE2o-Störwellen entstehen bei 38,5 GHz.

Bei einem Wandler für da Frequenzband von 10,7 bis 11,7 GHz werden e=l mm, r=25 mm und a = 20,5 mm gewählt, wobei die TE₂<rStörwellen dann bei 12,9GHz entstehen.

Die Größen a und r, die so gewählt werden, daß sie diese Bedingung erfüllen, müssen jedoch außerdem ziemlich genau der bekannten Gleichung 1,64 r=2a entsprechen, damit sich eine möglichst große Übertragung von der halbkreisförmigen TEoi-Welle zur rechteckigen TEi₀-WeIIe und umgekehrt ergibt. Diese bekannte Gleichung bestimmt die Phasenbedingungen für diese Übertragung.

Zur Erreichung einer guten Anpassung muß der Abstand zwischen den Achsen der Öffnungen, zu dem auch noch die Dicke der Wandung hinzukommt, gleich dem Viertel der durchschnittlichen im Nutzfrequenzbanu geführten Wellenlängen sein. Eine unendlich kleine Kopplungsöffnung mit einer unendlich dünnen Wandung würde eine Kopplung ergeben, die sich im Frequenzband proportional zur Wellenlänge der geführten Welle verändern würde.

Diese Änderung kann dadurch kompensiert werden, daß die Dicke der Wandung und/oder die Öffnungsabmessungen vergrößert werden.

Unter Berücksichtigung der Wandstärke beim Abstand zwischen den Öffnungen würde sich die ■-, Kompensation durch die Wandstärke durch näher aneinanderliegende und kleinere öffnungen äußern.

Dahingegen erlaubt eine dünne Wandung weiter auseinanderliegende Öffnungen, die damit größer sein können. Diese größeren öffnungen weisen einen ι ο Kopplungskoeffizienten auf, der sich umgekehrt zu dem der Länge der geführten Welle verhält.

In der Praxis wird man einen Aufbau wählen, bei dem die Kopplungslöcher in ihren Ouerabmessungen etwa genauso breit sind wie der Rechteckhohlleiter und deren ι => axiale größte Abmessung dadurch begrenzt wird, daß eine Anpassung des Kopplungsnetzes derart gesucht wird, daß eine flache Übertragungscharakteristik erreicht wird mit einer geringen Dämpfung für große Frequenzbereiche.

Die Stärke der diese öffnungen aufweisenden Wandung wird so dünn wie möglich gewählt, so daß die Anzahl der Löcher verringert und extrem flache Übertragungscharakteristiken erreicht werden können.

Die Wandstärke wird lediglich durch die mechanisehen Herstellungsbedingungen der öffnungen begrenzt; die Wandstärke wird je nach Nutzfrequenzband des Wandlers zwischen einem Zehntel mm und 2 mm liegen.

Beispielsweise weist ein Wandler mit einem Radius r von 8,29 mm, einer Seitenlänge a von 6,8 mm und einer Wandstärke e von 0,5 mm ein Netz von etwa fünfzig Kopplungsöffnungen über eine Länge von etwa 140 mm hinweg auf, während ein Wandler mit geringeren Abmessungen, beispielsweise /•=8,29mm, a = 6,8 mm und e=0,2 mm ein Netz von etwa zwanzig Kopplungsöffnungen über eine Länge von etwa 60 mm besitzt; in diesen beiden Beispielen ist die erreichte Übenragungsdämpfung kleiner als 0,1 Dezibel für das Frequenzband von 30 bis 38 GHz. ₄n

Die Verringerung der Abmessungen dieses Übertragungstyps beruht auf der geringen Stärke der Trennwand, auf den großen möglichen Abmessungen der Kopplungsöffnungen und auf ihrer geringen Zahl.

Dieser Wandler kann verhältnismäßig billig hergestellt werden. Die wenig zahlreichen Öffnungen lassen sich mit hoher Genauigkeit ziemlich einfach bohren, und die Stärke der Trennwand kann bei der Bearbeitung sehr genau bestimmt werden.

Die F i g. 3 bis 8 zeigen einen Wandler zwischen einem rechteckigen Hohlleiter für TEio-Wellen und einen kreisförmigen Hohlleiter für TEoi-Wellen. Er besteht aus einem Wandler 10 zwist ien dem rechteckigen Hohlleiter für TE10-Wellen und α ;m halbkreisförmigen Hohlleiter für ΤΈ01-Wellen gemäß den F i g. 1 und 2 und aus einem Übergangsstück 11 für den Anschluß des Wandlers 10 an einen nicht dargestellten Hohlleiter für den kreisförmigen Wellentyp TE₀]. Gleiche Bauteile werden in den F i g. 3 bis 8 mit denselben Bezugszeichen wie in den F i g. 1 und 2 bezeichnet

Der die halbkreisförmige Nut (1 in F i g. 1) aufweisende Block erstreckt sich über die Länge des Wandlers 10 und des Übergangsstücks 11. Der Block ist hier mit 12 und die Nut mit 13 bezeichnet. Ein weiterer Block 14 ist mit einer Nut 15 versehen, die zunächst halbkreisförmig ist und deren Mittelebene eine radial verlaufende Zunge 16 aufweist. Diese Zunge 16 öffnet sich allmählich von einem Winkel λ = 0 (Fig.4) bis zu einem Winkel λ = 180° (Fig.6) am anderen Ende des Blocks 14 und verändert so den Querschnitt der anfangs kreisförmigen Nut. Der Block 14 wird durch Löten, Schweißen oder Verschraubung mit dem Block 12 verbunden oder durch Gießen gemeinsam mit diesem Block hergestellt. Beide bilden das Übergangsstück 11.

Der Wandler 10 ist gleich dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten. Er ist am einen Ende mit einem kurzen Impedanzkeil 17 versehen, der an diesem Ende in den durch die Blöcke 3 und 5 (Fig.7) begrenzten Rechteckleiter eingesetzt ist Die Blöcke 3 und 5 sind ebenfalls durch Schweißen, Löten oder Verschrauben mit dem Block 14 an diesem Ende so zusammengebaut, daß der aus der Nut 13 (F i g. 6) bestehende halbkreisförmige Leiter und der halbkreisförmige Leiter 9 (F i g. 7) desselben Durchmessers sich entsprechen. Am hinteren Ende des Wandlers 10 ist in dem halbkreisförmigen Hohlleiter eine kegelförmige Impedanz 18 eingesetzt, um den Hohlleiter hier abzuschließen (F i g. 7), während der Rechteckleiter 8 den einzigen Zugang liefert (Eingang oder Ausgang).

Die Kombination des Wandlers 10 mit dem Übergangsstück 11 bildet also einen Übergang von einem kreisförmigen Hohlleiter zu einem Rechteckhohlleiter oder umgekehrt.

Wandler gemäß den F i g. 1 und 2 und den F i g. 3 bis 8 können dazu verwendet werden, Teilfrequenzen aus dem Frequenzspektrum eines aus halbkreisförmigen Hohlleitern aufgebauten Diplexers herauszuziehen, oder sie können als Meßkopplungen für aus halbkreisförmigen Hohlleitern aufgebaute Strukturen oder auch als Kopplungen zur Verbindung von Rechteckhohlleitern und kreisförmigen Hohlleitern eingesetzt werden. Wenn der rechteckige Zugangshohlleiter des Wandlers andere Abmessungen als der Rechteckhohlleiter, mit dem er verbunden werden soll, aufweist, dann wird ein Anpassungsstück vorzugsweise in den Wandler integriert. Ein derartiges an sich bekanntes, hier nicht dargestelltes Anpassungsstück wird dadurch erhalten, daß der Querschnitt einer der Nuten 4 und 6 veränderlich gestaltet wird, so daß der Boden der Nut in der Nähe des rechteckigen Zugangsendes eine treppenförmige Struktur erhält Für den Fall einer Verbindung zwischen dem Wandler 10 und einem halbkreisförmigen Hohlleiter, dessen Querschnitt vom halbkreisförmigen Zugang des Wandlers unterschiedlich ist, dient ein halbkreisförmiger Kegel als Anpassungsstück zwischen den beiden Abschnitten; falls diese Querschnitte gleich sind, erfolgt die Verbindung direkt

Die erfindungsgemäßen Übergangsstücke weisen gute elektrische Eigenschaften auf. Sie besitzen eine geringe Einfügungsdämpfung, einen niedrigen Störwellenpegel und ein niedriges Verhältnis von stehenden Wellen. Mit ihnen sind genaue elektrische Messungen möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

26 42 Patentansprüche:

1. Hochfrequenz-Wellentypwandler, der einen halbkreisförmigen Hohlleiter und einen rechteckigen Hohlleiter umfaßt, der mit seiner schmalen Seite mit dem halbkreisförmigen Hohlleiter gekoppelt ist, indem die Schmalseite des rechteckigen Hohlleiters parallel zur Ebene der ebenen Wandung des halbkreisförmigen Hohlleiters liegt und die Trennwand zwischen beiden mit öffnungen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabmessung der öffnungen (7) praktisch gleich der kleineren Querschnittsabmessung des Rechteck-Hohlleiters (8) gewählt ist, wobei die Abmessungen des halbkreisförmigen Hohlleiters (9) und des rechteckigen Hohlleiters (8) durch eine Bedingung definiert werden, durch die der Radius r des halbkreisförmigen Hohlleiters, die große Seite a des rechteckigen Hohlleiters, die Stärke e der Trennwand und die Höchstfrequenz f_max des Übertragungsbandes zueinander in folgende Beziehung gesetzt werden: