DE2642448C3 - Hochfrequenz-Wellentypwandler - Google Patents
Hochfrequenz-WellentypwandlerInfo
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- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
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Description
;■ [mm] + α [mm] + e [mm] <
6(X)/J„1UV [GHz] . 2;
2. Wellentypwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine Stärke
zwischen '/to mm für sehr hohe Übertragungsfrequenzen
und 2 mm für niedrigere Frequenzen jo 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 »
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 >ci
(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 v,
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 TEio-Welle
eines Rechteckhohlleiters in eine TE0I-WeIIe 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 Multiplexübertragungsverbindungen
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 TE10-Wellen benötigen.
Es ist ein Wandler bekannt, bei dem die elektromagnetischen
Felder zunächst in rechteckige TE^-, 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 Störwellen, die an den Übergangsstellen auftreten.
Ein anderer Wandler besitzt einen halbkreisförmigen Leiter, der 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 und 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 entfalten 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 TE10-Wellen und
einem halbkreisförmigen Hohlleiter für TEoi-Wellen;
F i g. 3 zeigt in Explosionsansicht einen Wellentypwandler gemäß F i g. 1 und 2, an den ein Übergangsstück
zur Umwandlung des kreisförmigen in den halbkreisförmigen Wellentyp angeschlossen ist;
F i g. 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 Obergangsstück
folgen (Fig.7) sowie schließlich ein Schnitt kurz
vor dem Anschluß eines Rechteckhohlleiters (F i g. 8).
In den F i g. 1 und 2 wird ein Wandier 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 über 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 bzw. 6 versehen. Die Nuten 4 und 6
besitzen die gleiche Breite und vorzugsweise auch dieselbe Tiefe. Ferner weist der Block 3 Öffnungen 7 auf,
die fast aneinandergrenzen 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 Hohlleitern 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 zwischen einem rechteckigen Hohlleiter für TEio-Wellen und
einem halbkreisförmigen Hohlleiter für TEoi-We'len.
Die Blöcke 3 und 5 iiegen 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 j, 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 Iiegen 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 w
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 TEom- Wellen besitzen eine magnetische Ko:nronente in Längsrich- bo
tung, und daher können im durch die öffnungen gebildeten Kopplungsnetz auch nur die TEom-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 erfolgen, in denen die elektrischen Ströme Null sind, nämiich in der Mitte der großen
Seiten des Rechteckleiters und an den Enden des Halbrund-Hohlleiters.
Zur Vermeidung von Störwelien, wie beispielsweise
TE2U- 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:
r + a+e <-
600
Fmax
Fmax
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 TE2o-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
länger 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= 1 mm, r=25 mm und a = 20,5 mm gewählt, wobei die TE^o-Störwellen 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 TE01 -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 deir Viertel der durchschnittlichen im Nutzfrequenzband
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 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 Querabmessungen etwa
genauso breit sind wie der Rechteckhohlleiter und deren 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 be grenzt; 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 r= 8,29 mm, 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 Übertragungsdämpfung kleiner als 0,1 Dezibel für das Frequenzband
von 30 bis 38 GHz.
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 Fig.3 bis 8 zeigen einen Wandler zwischen
einem rechteckigen Hohlleiter für TEio-Wellen und
einen kreisförmigen Hohlleiter für TEoi-Weiien. Er besteht aus einem Wandler 10 zwischen dem rechteckigen
Hohlleiter für TEio-Wellen und dem halbkreisförmigen
Hohlleiter für TE01- 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 TE01- Gleiche Bauteile
werden in den F i g. 3 bis 8 mit denselben Bezugszeichen wie in den F i g. 1 und 2 bezeichnet ω
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 Ii
und die Nut mit 13 bezeichnet. Ein weiterer Block 14 isi mit einer Nut 15 versehen, die zunächst halbkreisförmig
ist und deren Mittelebene eine radial verlaufende Zunge 16 aufweist. Diese Zunge 16 öffnet sich allmählich vor
einem Winkel λ = 0 (Fig.4) bis zu einem Winke
«=180° (Fig.6) am anderen Ende des Blocks 14 unc
verändert so den Querschnitt der anfangs kreisförmiger Nut. Der Block 14 wird durch Löten, Schweißen odei
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 kurzer
Impedanzkeil 17 versehen, der an diesem Ende in der durch die Blöcke 3 und 5 (Fig.7) begrenzter
Rechteckleiter eingesetzt ist Die Blöcke 3 und 5 sine ebenfalls durch Schweißen, Löten oder Verschrauber
mit dem Block 14 an diesem Ende so zusammengebaut daß der aus der Nut 13 (F i g. 6) bestehende halbkreisför
mige Leiter und der halbkreisförmige Leiter 9 (F i g. 7]
desselben Durchmessers sich entsprechen. Am hinterer Ende des Wandlers 10 ist in dem halbkreisförmiger
Hohlleiter eine kegelförmige Impedanz 18 eingesetzt um den Hohlleiter hier abzuschließen (F i g. 7), währenc
der Rechteckleiter 8 den einzigen Zugang liefen (Eingang oder Ausgang).
Die Kombination des Wandlers 10 mit derr Übergangsstück 11 bildet also einen Übergang vor
einem kreisförmigen Hohlleiter zu einem Rechteckhohlleiter oder umgekehrt
Wandler gemäß den F i g. 1 und 2 und den F i g. 3 bis ί können dazu verwendet werden, Teilfrequenzen aus
dem Frequenzspektrum eines aus halbkreisförmiger 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, mil
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 €
veränderlich gestaltet wird, so daß der Boden der Nut ir
der Nähe des rechteckigen Zugangsendes eine treppenförmige Struktur erhält Für den Fall einer Verbindung
zwischen dem Wandler 10 und einem halbkreisförmiger 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)
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 fmax des Übertragungsbandes
zueinander in folgende Beziehung gesetzt werden:
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