DE2732656A1

DE2732656A1 - Uebergangsstueck

Info

Publication number: DE2732656A1
Application number: DE19772732656
Authority: DE
Inventors: Yves Campan; Yves Commault
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-07-20
Filing date: 1977-07-20
Publication date: 1978-02-23
Also published as: FR2359522B1; FR2359522A1; JPS5313858A; GB1584617A; NL7707966A; US4139828A; SU728738A3; DE2732656C2; JPS5734923B2

Description

THOMSON - CSP 20. Juli 1977

173» Bd. Hauesmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 2229

übe rgangss tück

Die Erfindung betrifft Übergangsstücke zwischen einer Koaxialleitung und einem Hohlleiter.

Die Bedeutung von solchen übergangsstücken ergibt sich aus der Tatsache, daß die übertragung der Energie oder eines Höchstfrequenzsignals mit Hilfe von Schaltungen mit verteil· ten Konstanten erfolgt, zu denen die Koaxialleitung und der Hohlleiter gehören. Diese beiden Arten von Übertragungsleitungen unterscheiden sich aber durch ihren Aufbau, ihre physikalischen Eigenschaften und ihre technischen Möglichkeiten. Je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck erfolgt die Wahl zugunsten des einen oder des anderen Leitungstyps.

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2 V J 2 ö 5 6

Infolgedessen 1st ein Übergangsstück zwischen einer Koaxialleitung und einem Hohlleiter erforderlich, wenn die technischen Gründe der Wahl In den verschiedenen Teilen eines Systems von Höchstfrequenzschaltungen nicht die gleichen sind.

Eine Koaxialleitung 1st durch einen konzentrischen Aufbau mit zwei Leitern gekennzeichnet. Die am meisten benutzte Ausbreitungsart 1st die TEM-Mode. In einem Querschnitt 1st das elektrische Feld auf jedem Durchmesser ungeradzahlig und die magnetischen Feldlinien sind konzentrische Kreise.

In einem Hohlleiter, dessen Aufbau völlig von dem der Koaxialleitung verschieden 1st, kann die Ausbreitung der Wellen In verschiedenen Moden erfolgen, wobei die Grundmode jedoch die am häufigsten benutzte 1st. Beispielsweise sind In einem rechtwinkeligen Hohlleiter die elektrischen und magnetischen Feldlinien In einem Querschnitt geradlinig und die Felder haben eine geradzahlige Verteilung für die Grundmode.

Die bekannteste Form des Übergangs besteht darin, den Hohlleiter mit Hilfe einer Verlängerung des Innenlelters der Koaxialleitung transversal anzuregen. Die Verlängerung, die auch als Kopplungs-"Kolben¹* bezeichnet wird, kann verschiedene Formen haben. Sie kann von einem Dielektrikum umhüllt und als "Türknopf" oder als "Kreuz" abgeschlossen sein. In diesen beiden letzteren Fällen bringt der Kolben

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den Innenleiter der Koaxialleitung mit den metallischen Wänden des Hohlleiters in elektrischen Kontakt.

Ausführlichere Informationen über den Aufbau der Hohlleiter und der Koaxialleitungen und über ihre Übergangsstücke sind in dem Buch "WAVEGUIDE HANDBOOK" von Marcuwitz, Sammlung des MIT, und in "MICROWAVE ENGINEERING" von A. F. Harvey (Academic Press, London und New York) angegeben.

Ein Hauptnachteil der bekannten Übergangsstücke ergibt sich aus der Tatsache, daß diese Übergangsstücke transversale Übergangsstücke sind, und zwar in dem Sinne, daß die Koaxialleitung quer mit dem Hohlleiter verbunden ist. Der Platzbedarf von solchen Übergangsstücken ist beispielsweise in dem Fall der Bordanlagen von Flugzeugen oder Raumschiffen ein Nachteil. Eine Maßnahme zur Beseitigung dieses Nachteils besteht darin, den Hohlleiter ab der Koaxialleitung longitudinal zu erregen. Es stellt sich dann das Problem, den Innenleiter des Koaxialkabels an eine Wand des Hohlleiters so anzuschließen, daß eine Schleife gebildet wird. Dieses Übergangsstück hat aber die Nachteile, daß einerseits ein Schleifenprofil einzuhalten ist und daß andererseits ein elektrischer Kontakt durch Löten oder Schweißen zwischen dem Ende des Innenleiters des Koaxialkabels und dem Hohlleiter hergestellt werden muß, was die Möglichkeit der Demontage beseitigt. Eine solche Lösung macht außerdem Schwierigkeiten bei der industriellen Realisierung und weist eine ungewisse Reproduzierbarkeit auf.

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Das Übergangsstück nach der Erfindung weist diese Nachteile nicht auf. Es bewahrt eine große Einfachheit mit den sich daraus ergebenden Vorteilen (Einfachheit der industriellen Realisierung, Reproduzierbarkeit). Es handelt sich um ein longitudinales Übergangsstück, das ein Minimum an Platz benötigt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der zentrale Innenleiter der Koaxialleitung in den Hohlleiter hinein geradlinig durch eine Querwand hindurch verlängert. Die Achse der Koaxialleitung ist gegenüber der Achse des Hohlleiters verschoben und ein Hohlraumresonator, der der Koaxialleitung benachbart und gegenüber der Anschlußzone zurückversetzt ist, ist mit dem Hohlleiter gekoppelt.

In diesem Übergangssstück ist kein elektrischer Kontakt zwischen dem Innenleiter der Koaxialleitung und den Wänden des Hohlleiters erforderlich. Die Tatsache, daß der Kolben geradlinig ist, gestattet das Herstellen von demontierbaren Übergangsstücken. Die Montage kann auf ein einfaches Einstecken der Verlängerung des zentralen Innenleiters der Koaxialleitung in den Hohlleiter reduziert werden. Die Einfachheit der Herstellung dieses Übergangsstückes und seine Reproduzierbarkeit führen zu niedrigen Herstellungskosten.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 einen Koaxialleitungsabschnitt, Fig. 2 einen Hohlleiterabschnitt, Fig. 3 eine aufgebrochene Ans Mit eines Über

gansstückes nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht des Übergangs

stückes,

die Fig. 5a und 5b Querschnittansichten, und

Fig. 6 das Ersatzschaltbild des Übergangs

stückes.

Fig. 1 zeigt einen Koaxialleitungsabschnitt und insbesondere einen Querschnitt einer solchen Leitung mit den
elektrischen und magnetischen Feldlinien. Es handelt sich um ein Gebilde, das aus zwei konzentrischen Leitern besteht: einem zentralen Leiter oder Innenleiter 1 und einem Außenleiter 2. Je nach den Querabmessungen dieser Leitung
und insbesondere des Außenleiters 2 sind verschiedene Ausbreitungsar ten möglich. Die am häufigsten benutzte ist die TEM-Mode, die durch das NichtVorhandensein einer Grenzwellenlänge gekennzeichnet ist. In dem Querschnitt folgen die elektrischen Feldlinien den Radien (ausgezogene Pfeile),
während die magnetischen Feldlinien konzentrischen Kreisen folgen (gestrichelte Kreise). Das elektrische Feld ist auf einem Durchmesser ungeradzahlig, was sich aufgrund der Rotations-

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27 32υ^Γ, b -Gr-

Symmetrie des koaxialen Gebildes ergibt.

Fig. 2 zeigt ein Hohlleitergebilde. Es handelt sich um ein Gebilde, das aus einem einzigen rohrförmigen Leiter 3 besteht, in dessen Innerem die Ausbreitung erfolgt. Je nach der Form und den Querabmessungen des Hohlleiters sind unterschiedliche Ausbreitungsarten möglich. Für alle Arten von Hohlleitern ist die Ausbreitung in der Grundmode durch eine Grenzwellenlänge Xc gekennzeichnet, die durch den Querschnitt und die Art des inneren Mediums festgelegt wird.

Der Hohlleiter weist meistens einen rechtwinkeligen Querschnitt auf. Die Grundmode ist die TE.-.-Mode, die in einer Querebene ein geradzahliges,zu den Seitenwänden des Hohlleiters paralleles elektrisches Feld aufweist. Das elektrische Feld ist in Fig. 2 durch die ausgezogenen Pfeile dargestellt, während das magnetische Feld durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist.

Weitere Arten von Hohlleitern sind bekannt; ihre Querschnitte können kreisförmig, elliptisch, dreieckig, usw. sein. Sie können eine oder mehrere innere Stege ("Steg"-Hohlleiter)oder ein inneres Dielektrikum aufweisen, um die Ausbreitung der Grundmode zu begünstigen.

Fig. 3 zeigt eine aufgebrochene Ansicht eines Übergangsstückes nach der Erfindung zwischen einer Koaxialleitung und einem rechtwinkeligen Hohlleiter.

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Ii όI L - ο - V-

Es handelt sich um ein longitudinales Übergangsstück, d. h. die Achse der Koaxialleitung und die Achse des Hohlleiters fallen im wesentlichen zusammen oder sind parallel.

Die Koaxialleitung besteht aus einem Innenleiter 10 und aus einem Außenleiter 12. Ein Loch 13 ist in einer Teiltrennwand 16 des Hohlleiters 14 gebildet, um das Einführen des Innenleiters 10 zu gestatten. Der Innenleiter 10 ist mit einem Dielektrikum 11 bedeckt, um ihn von der Trennwand 16 und von dem Außenleiter 12 zu isolieren. Seine Eindringung in den Hohlleiter IA, bei welcher es sich um einen Parameter der Feineinstellung handelt, liegt in der Größenordnung eines Viertels der Wellenlänge.

Die Achse des Innenleiters 10 kann nicht mit der Achse des Hohlleiters zusammenfallen, denn die ungeradzahlige Verteilung des Feldes auf der Höhe des Innenleiters würde nicht das Anregen des Hohlleiters in der Grundmode gestatten. Lediglich ungerade Moden unterhalb der Grenzfrequenz würden erzeugt werden, aber die Abmessungen des Holleiters sind so, daß allein die Grundmode darin vorhanden sein kann.

Die Kopplung zwischen der ungeradzahligen ΤΕΜ-Mode der Koaxialleitung und der geradzahligen Grundmode des Hohlleiters ergibt sich durch die Dezentrierung der Achse der Koaxialleitung gegenüber der des Hohlleiters.

Diese unsymmetrie führt jedoch zu keiner ausreichenden An-

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INSPECTÖ)

regung und außerdem 1st die Impedanzanpassung der einen Leitung an die andere schwierig durchführbar, und zwar einerseits wegen der Differenz ihrer Wellenwiderstände und andererseits wegen des geringen Kopplungsgrades zwischen den Wellen mit geradzahliger und ungeradzahliger Verteilung.

Die Kopplung wird durch das Vorhandensein eines Hohlraumresonators 15 verbessert, der neben der Koaxialleitung 12 und gegenüber der Anschlußzone 16 zurückversetzt angeordnet ist. Dieser Hohlraumresonator kann aus einer Verlängerung des Hohlleiters 14 über die Trennwand 16 hinaus oberhalb der Koaxialleitung und mittels der Dezentrierung derselben gebildet sein.

Für die Feineinstellung eines solchen ÜbergansStückes verfügt man über zahlreiche Parameter, die ohne weiters variiert werden können. Es handelt sich beispielsweise um die Länge des Innenleiters 10,auf der er in den Hohlleiter eindringt,

oder um die Länge des benachbarten Hohlraumresonators oder um die Höhe dieses Hohlraumresonators, usw.

Eine Ausführungsform eines solchen ÜbergangssStückes hat gezeigt, daß die Länge des Innenleiters in dem Hohlleiter und die des benachbarten Hohlraumresonators im wesentlichen gleich einem Viertel der Wellenlänge sind. Hinsichtlich der Höhe des Hohlraumsonators muß mit ungefähr der halben Höhe des Hohlleiters gerechnet werden. Die vorstehend angegebenen Größenordnungen sind nicht als Einschränkungen zu verstehen.

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27326B6 - ψ -

Die Feldlinien im Innern des Übergangsstückes sind näherungsweise in den Schnittansichten von Fig. 4 und 5 dargestellt.

Das Vorhandensein einer Unsymmetrie auf der Höhe des Übergangsstückes bewirkt, daß zumindest örtlich gerad- und ungeradzahlige Moden vorhanden sind. Außerhalb dieses Übergangsstückes kann nur eine einzige Mode bestehen: die geradzahlige TE_1n-Grundmode in dem Hohlleiter (wenn dieser rechtwinkelig ist, die TE..-Grundmode, wenn er kreisförmig ist) und die ungeradzahlige TEM-Mode in der Koaxialleitung.

In dem Übergangsstück ist das Vorhandensein von zwei Moden, gerad- und ungeradzahligen, in einer ausgedehnten Zone möglich. Fig. 4 zeigt, daß eine Unsymmetrie der Feldverteilung auf der Verlängerung des Innenleiters der Koaxialleitung erhalten bleibt. Das kann als Überlagerung einer ungeradzahligen Mode ( die in Fig. 5a dargestellt ist und einer geradzahligen Mode, die in Fig. 5b dargestellt ist)interpretiert werden . Diese Überlagerung existiert in dem Leitungsabschnitt, der aus einem Außenleiter, welcher den Wänden des Hohlleiters entspricht, und einem Innenleiter besteht, der der Verlängerung des Innenleiters der Koaxialleitung entspricht.

Dieses Übergangsstück hat somit zwei Modenverbindungszonen unterschiedlicher Art. Die eine, die Ebene Pl, die in Fig. 4 angegeben ist, entspricht der Wand 16 (Fig. 3), d. h. dem Übergang von der TEM-Mode der Koaxialleitung auf einen zwischenabschnitt, in welchem nebeneinander gerad- und ungeradzah-

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lige Moden bestehen, und gleichzeitig der Kopplung mit dem hinteren Hohlraumresonator 15. Die andere ist die Ebene P2, die dem übergang von dem Zwischenabschnitt auf den Hohlleiter 14 entspricht.

Dieses Verfahren der Kopplung und der Übertragung entspricht dem in Fig. 6 dargestellten Ersatzschaltbild. Es enthält die Koaxialleitung 12 und den Hohlraumresonator 15, die auf einer Seite der Ebene Pl liegen, den Hohlleiter 14 auf einer Seite der Ebene P2 und den Zwischenabschnitt, der sich zwischen den Ebenen Pl und P2 befindet. Nach vorstehenden Darlegungen sind die zugänglichsten Parameter der Feineinstellung einerseits die Länge des Zwischenabschnittes oder die Tiefe des Eindringens des Innenleiters 10 der Koaxialleitung in den Hohlleiter und andererseits die Tiefe des Hohlraumresonators 15, durch die der Wert der in die Ebene Pl rückgeführten Reaktanz eingestellt werden kann. Da die Leitungslängen klein sind (ungefähr eine Viertelwellenlänge) ändert sich die Anpassung wenig mit der Frequenz. Die erzielten Ergebnisse sind mit denen der herkömmlichen transversalen Übergangsstücke vergleichbar. Der Kontakt zwischen dem Innenleiter der Koaxialleitung und dem Hohlleiter ist nicht erforderlich. In einem praktischen Ausführungsbeispiel ist der Innenleiter 10 der Koaxialleitung mit einem Dielektrikum umhüllt. Die Koaxialleitung besteht aus einem herkömmlichen, im Handel erhältlichen Verbindungsstecker. Das zeigt die Einfachheit der Herstellung und die infolgedessen niedrigen Kosten einer industriellen Fertigung sowie die große Reproduzier-

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barkeit.

Diese neue Art von Übergangsstück findet Anwendung in allen Fällen, wo ihre longitudinal Struktur sich Höchstfrequenzanordnungen von geringer Dicke ( Mikroschaltkreisen) gut anpaßt. Es ist möglich, anstelle einer Koaxialleitung auch eine dreiplattige Bandleitung zu benutzten, wobei die durch eine solche Leitung geführte TEM-Mode der einer Koaxialleitung sehr nahekommt. Es gibt deshalb keinen Unterschied in der Betriebsweise und in der Feineinstellung.

Der Querschnitt des Hohlleiters kann im Rahmen der Erfindung in gleicher Weise rechteckig, kreisförmig, elliptisch, usw. sein, Rippen (Stege) aufweisen oder mit Dielektrikum ausgefüllt sein. Im allgemeinen ist der Hohlraumresonator 15 zwar nur die teilweise Verlängerung des Hohlleiters 14, für andere als rechteckige Querschnitte kann es jedoch erforderlich sein, in ihm einen zentralen Steg vorzusehen, der die Ausbreitung gestattet. Ebenso, wenn der Hohlleiter, egal welchen Querschnitt er hat, mit Dielektrikum ausgefüllt ist, muß es der Hohlraumresonator ebenfalls sein.

Die Verlängerung des Innenleiters der Koaxialleitung kann eine komplexere Form als die in den Figuren dargestellte aufweisen, ohne das dadurch das Prinzip und die Betriebsweise des Obergangsstückes modifiziert würden.

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Claims

Patentanwälte

Oipl.-Iny Dipl -Cliem Dipl.-Ing. / / j i D 3 O

E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

THOMSON - CSP 20. Juli 1977

173» Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 2229

PATENTANSPRÜCHE :

Iy Longitudinales Übergangsstück zwischen einer koaxialen übertragungsleitung und einem Wellenleiter, gekennzeichnet durch eine Trennwand (16), die wenigstens teilweise einen Querschnitt des Hohlleiters einnimmt und in der eine Öffnung gebildet ist, durch die der Innenleiter der Koaxialleitung eingeführt ist und sich geradlinig in den Hohlleiter erstreckt, wobei die Achse der Koaxialleitung im wesentlichen parallel und gegenüber der Achse des Hohlleiters verschoben ist, und durch einen benachbarten Hohlraumresonator, der mit dem Hohlleiter gekoppelt ist.
2. Übergangsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der benachbarte Hohlraumresonator den Hohlleiter auf derselben Seite wie die Koaxialleitung in bezug auf die Teiltrennwand (16) verlängert.
3. Übergangsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des benachbarten Hohlraumresonators kleiner ist als der des Hohlleiters.

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ORWlNAL INÄftCTEO
4. Übergangsstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des benachbarten Hohlraumresonators gleich der Differenz zwischen dem des Hohlleiters und dem Flächeninhalt der Teiltrennwand (16) ist.
5. Übergangsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des benachbarten Hohlraumresonators um ein Viertel der Wellenlänge herum einstellbar und veränderlich ist.
6. Übergangsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Verlängerung des Innenleiters (10) der Koaxialleitung um ein Viertel der Wellenlänge herum einstellbar und veränderlich ist.
7. Übergangsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (10) in ein dielektrisches Medium (11) eingebettet ist.
8. Verwendung eines Übergangsstückes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Höchstfrequenzschaltungen.

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