DE2746376A1

DE2746376A1 - Koaxialleiter-/hohlleiter-uebergangsvorrichtung

Info

Publication number: DE2746376A1
Application number: DE19772746376
Authority: DE
Inventors: Harry J Gould
Original assignee: Ford Aerospace and Communications Corp
Current assignee: Space Systems Loral LLC
Priority date: 1976-10-15
Filing date: 1977-10-14
Publication date: 1978-04-20
Also published as: US4071833A; DE2746376C2; GB1575732A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d

1 4 ORT. 1977

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Datum:

Unser Zeichen:

Bezeichnung:

Koaxialleiter-ZHohlleiter-Übergangsvorrichtung

Anmelder:

Ford Aerospace & Communications Corporation, Dearborn, Michigan, USA

Vertreter:

Patentanwälte
Dipl.-Ing. C. Wallach Dipl.-Ing. G. Koch
Dipl.-Phys. Dr. T. Haibach Dipl.-Ing. R. Feldkamp

Erfinder:

Harry Joe Gould
Cupertino, Calif.
USA

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- 4 Koaxialleiter-/Hohlleiter-Übergangsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Koaxialleiter-ZHohlleiter-Übergangsvorrichtung zur Kopplung von Mikrowellenenergie zwischen einer Koaxialleitung und einem Rechteckhohlleiter, und umgekehrt .

Nach dem Stand der Technik sind verschiedenartige Koaxial-/ Honlleiter-Übergänge bekannt. Derartige Übergänge dienen zur Kopplung von Mikrowellenenergie von der Koaxialleitung in den Hohlleiter und umgekehrt, wobei es erwünscht ist, diese Kopplung so zu bewerkstelligen, daß die von dem übergang herrührende reflektierte Mikrowellenenergie so gering wie möglich gehalten wird. Mit anderen Worten wird an der Stelle des Koaxial-/Hohlleiter-Übergangs ein Impedanzwandler benötigt, um das Stehwellenverhältnis (Welligkeitsfaktor) und die Reflexions-Verluste bzw. Rückfluß- oder Echodämpfung in der Übertragungsleitung soweit als möglich zu verringern. Außerdem soll diese Minimalisierung über ein breites Frequenzband erreicht werden. Die "herkömmlichen" Koaxial-/Hohlleiter-Übergänge weisen einen am Ende geschlossenen Hohlleiter und einen in einer der Breitseitenwandungen des Hohlleiters angeordneten Koaxialleitungsanschluß auf, derart daß der Innenleiter der Koaxialleitung in der Ε-Ebene des Hohlleiters in diesen eingeführt wird. Bekannt ist auch die Einführung von Koaxialleitungen von einem der Enden des Hohlleiters in diesen. Der Innenleiter steht dabei in Kontakt mit einem aus einer Reihe von zunehmend größeren Blöcken, die in dem Hohlleiter als Impedanzwandler angeordnet sind. Die vorstehend genannten "herkömmlichen" und anderweitige bekannte Übergangsvorrichtungen sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben oder dargestellt: Gershon J. Weeler, "Broadband Waveguide-to-Coax Transitions", IRE National Convention Record (Teil 1),

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S. 182 bis 185, März 18-21, 1957; Chao Chun Chen et al, "Ultra-Wideband Phased Arrays", Hughes Aircraft Company Contract Report an die Air Force Cambridge Research Laboratories, AFCRL-TR-73-0569, Seiten 2-18 bis 2-24, Juli 1973; und J.C. Dix, "Design of Waveguide/Coaxial Transition for the Band 2.5-4.1 GHz", Proceedings of the IEEE, Dd. 110, Seiten 2-33-255, Februar 1963.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung einer Koaxial-/ Hohlleiter-Übergangsvorrichtung der vorstehend erwähnten allgemeinen Art zugrunde, die bei einfachem Aufbau eine wesentliche Verringerung der durch Energiereflexion bedingten Verluste über ein breites Band von Mikrowellenfrequenzen gewährleistet, im Vergleich mit anderweitigen bekannten übergängen, bei welchen die Koaxialleitung mit einer Abdeckung an der einen Stirnseite eines Hohlleiters verbunden ist.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung eine Übergangsvorrichtung zur Kopplung von Mikrowellenenergie aus einer Koaxialleitung an einen Rechteckhohlleiter, und umgekehrt, durch die End- oder Stirnseite des Hohlleiters vorgesehen, wobei die Abdeckung aus einem elektrisch leitenden Material besteht bzw. ein solches Material aufweist. In der Abdeckung ist eine öffnung zur Aufnahme des Innenleiters der Koaxialleitung vorgesehen. Innerhalb des Hohlleiters und in Abstand von dessen Wandungen und von der Abdeckung ist eine Leitermasse angeordnet, bei der es sich vorzugsweise um einen eine konzentrierte Kapazität darstellenden Messingblock handeln kann. Der Innenleiter der Koaxialleitung steht in elektrischer Verbindung mit der Leitermasse. Des weiteren ist ein hakenförmiges Leiterelement vorgesehen, das an seinem einen Ende in elektrisch leitender Verbindung mit der Leitermasse steht, welche vorzugsweise hiermit auch zur Halterung des hakenförmigen Elements dient. Das andere

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Ende des hakenförmigen Elements befindet sich in Abstand und elektrisch isoliert Von den Hohlleiterwandungen und der stirnseitigen Hohlleiter-Abdeckung. Der gekrümmte Teil des hakenförmigen Elements liegt in einer Ebene, die parallel zu der zu den Schmalseitenwandungen des Hohlleiters parallelen Hohlleiterachse liegt. Vorzugsweise liegt diese Ebene an einer Stelle zwischen der genannten Achse und einer der Schmalseitenwandungen des Hohlleiters. Die beiden Enden des hakenförmigen Elements können vorzugsweise im wesentlichen in gleichem Abstand von den Breitseitenwandungen des Hohlleiters liegen.

Durch die Erfindung wird eine wesentliche Verringerung der durch Energiereflexion bedingten Verluste über ein weites Frequenzband von Mikroweilenfrequenzen erreicht, im Vergleich zu anderen Koaxial-/Hohlleiter-Übergängen mit Anschluß der Koaxialleitung an eine stirnseitige Abdeckung eines Hohlleiters. Durch den Anschluß der Koaxialleitung an einer an einer Stirnseite des Hohlleiters vorgesehenen überdeckung können mehrere derartige Hohlleiter bündeiförmig zu einem Mehrfachhohlleiteraggregat zusammengefaßt werden, das beispielsweise als Antenne zur übertragung bzw. zum Empfang von Mikrowellenenergie an den bzw. aus dem freien Raum verwendet werden kann.

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Im folgenden werden Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen

Fig. 1 in vergrößerter Schnittansicht einen

Hohlleiter mit quadratischem Querschnitt mit einer diesen quadratischen Hohlleiter in zwei gleich große Rechteckhohlleiter unterteilenden Mittelwandung und mit zwei Koaxialleitungs-/Rechteckhohlleiter-Übergängen

Fig. 2 in vergrößerter Schnittansicht die Vor

richtung aus Fig. I, im Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Rückfluß

dämpf ung (Reflexionsdämpfung) der Vorrichtung gemäß den Figuren 1 und 2, in Abhängigkeit von der Frequenz im Mikrowellenbereich.

In der Zeichnung, in deren verschiedenen Figuren gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist eine Koaxialleitung 10 mit einem Innenleiter 12 und einem Außenleiter 14 dargestellt. Des weiteren eine zweite Koaxialleitung 16 mit einem Innenleiter 18 und einem Außenleiter 20.

Die erfindungsgemäße übergangskupplung zur Mikrowellenenergiekopplung von einer Koaxialleitung zu einem Hohlleiter und umgekahrt ist als Ganzes mit 22 bezeichnet. Die Übergangskupplung 22 weist einen quadratischen Hohlleiter 24 mit einer Septum-Membran oder Trennwandung 26 auf, welche den quadratischen Hohlleiter in zwei gleich große Rechteckhohlleiter 28 und 30 unterteilt. Die Septum-Membran 26 bildet eine den beiden Rechteckhohlleitern gemeinsame Breitseitenwandung, während

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die zu der Trennwandung bzw. dem Septum rechtwinkligen Wandungen des Hohlleiters 24 die Schmalseiten der Hohlleiter 28 und 30 bilden. Die strichpunktierte Linie 32 definiert eine erste, zu ihren Schmalseiten parallele Achse für beide Rechteckhohlleiter. Die strichpunktierten Linien 3¹J bzw. sind zu ihren Breitseiten parallele Achsen der Rechteckhohlleiter 28 bzw. 30. Die Achsen 32, 34 und 36 sind sämtlich rechtwinklig zur Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellen-Energie in den Rechteckhohlleitern.

An einer von den Koaxialleitungen 10 und l6 weiter als in der Zeichnung dargestellt entfernten Stelle in dem Hohlleiter 2¹I kann die Septum-Membran bzw. Trennwandung 26 verjüngt bzw. so geformt sein, daß sie die Umformung linear polarisierter Mikrowellensignale in den Rechteckhohlleitern 28 und 30 in rechts- bzw. links-drehend zirkulär polarisierte Mikrowellensignale in dem quadratischen Hohlleiter 24 gestattet und umgekehrt. Eine Septum-Membran, welche diese Funktion in einem quadratischem Hohlleiter mit zwei Rechteckhohlleitereingängen gestattet, ist in der US-PS 3,958,193 beschrieben. Vorzugsweise ist die Septum-Membran 26 so angeordnet und ausgebildet, daß ein linear-polarisiertes Mikrowellen-Signal aus der Koaxialleitung 10 in den Rechteckhohlleiter 28 eingeführt und danach in ein rechts-drehend zirkulär polarisiertes (RHCP) Mikrowellensignal in dem quadratischen Hohlleiter 24 umgewandelt wird, und daß entsprechend ein linear polarisiertes Mikrowellensignal aus der Koaxialleitung 16 in den Rechteckhohlleiter 30 eingeführt und danach dort in ein links-drehend zirkulär polarisiertes (LHCP) Mikrowellensignal in dem quadratischen Hohlleiter umgewandelt wird.

Der Koaxial-/Hohlleiter-Koppler 22 umfaßt seinerseits zwei als Ganzes mit 38 bzw. 40 bezeichnete Koppler zur Ankopplung

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von Mikrowellen-Signalen auf den Koaxialleitungen 10 und 16 an die Rechteckhohlleiter 28 bzw. 30, und umgekehrt.

Im folgenden wird nur der Koppler 38 im einzelnen beschrieben.

Der Koppler 40 ist gleichartig ausgebildet; die Koppler brauchen nicht wie in der Zeichnung dargestellt gemeinsam zusammen verwendet zu werden, sondern können auch getrennt verwendet werden.

Der Hohlleiter 24 weist an seinem einen Ende eine Abdeckung 42 auf. Die Abdeckung besitzt einen vorspringenden Teil 44, der eine öffnung bildet, welche mit einem geeigneten Dielektrikum 46 gefüllt sein kann und zur Aufnahme des Innenleiters 12 der Koaxialübertragungsleitung 10 dient. Der vorspringende Teil 44 und der übrige Teil der Abdeckung 42 weisen ein elektrisch leitendes Material auf bzw. bestehen aus einem solchen. Die Abdeckung und der quadratische Hohlleiter können beispielsweise ganz aus Kupfer oder einem anderweitigen geeigneten Leitermaterial bestehen, oder sie können aus faserverstärktem Kohlenstoff hergestellt sein, der an den Innenseiten mit einem im Elektroverfahren aufgebrachten überzug aus Kupfer oder einem anderweitigen hochleitfähigem Material versehen ist. Der Außenleiter 14 der Koaxialleitung 10 steht mit der Abdeckung 42 an deren vorspringendem "Beil 44 in elektrisch leitender Verbindung.

Der Innenleiter 12 der Koaxialleitung 10 tritt durch die Abdeckung 42 hindurch und wird in elektrisch leitender Verbindung mit einer Leitermasse 46 aufgenommen, die innerhalb des Rechteckhohlleiters 28 in Abstand von dessen Wandungen und von der Abdeckung 42 angeordnet ist. Die Leitermasse ist vorzugsweise ein Messingblock in Form eines rechteckigen Pestkörpers. Sie bildet eine konzentrierte Kapazität in dem Koppler 38 und weist eine Mittelöffnung zur Aufnahme des Innenleiters 12 auf. Der Leitermassenblock 46 ist mittels eines dielektrischen Halterungsteils 48 gehaltert. Ein

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hakenförmiges Teil oO ist mit einem ersten Ende 52 in einer Öffnung in der· Leitermasse 46 gehaltert und mit dieser elektrisch leitend verbunden. Das zweite Ende 5¹J des hakenförmigen Teils 50 befindet sich in Abstand von dem Leitermaterial der Hohlleiterwandungen 28 und der Abdeckung ^2. Das hakenförmige Teil 50 ist vorzugsweise mit einen gleichbleibenden Krümmungsradius gebogen, derart daß sich eine Richtungsänderung um l80° des runden Leitung" drahtes, aus welchem das hakenförmige Teil besteht, ergibt. Jedoch ist eine stetige Krümmung des hakenförmigen Teils nicht wesentlich; auch scharfe Biegungen oder sogar rechtwinklige Ecken könnten für die Umlenkung angewandt werden, jedoch kannten dann zur Gewährleistung der Hochleistungseigenschaften der dargestellten bevorzugten Ausführungsform Änderungen an den Kopplerelementen hinsichtlich der Abmessungen, der Form oder ihrer Anbringungsstelle erforderlich werden.

Der gekrümmte Teil des hakenförmigen Elements 50 liegt vorzugsweise in einer zur Achse 32 und zu den Schmalseiten des Rechteckhohlleiters 28 parallelen Ebene, und zwar vorzugsweise, wie in der Zeichnung dargestellt, in einer zwischen der Achse 32 und einer der Schmalseiten gelegenen Ebene. Die dargestellte Anbringung des hakenförmigen Teils 50 ermöglicht eine Kopplerimpedanzanpassung über einen wesentlich breiteren Bereich von Mikrowellenfrequenzen als dies mit bekannten Koaxial-/Hohlleiter-Übergängen mit Zuführung von der Stirnseite her möglich war. Es sei darauf hingewiesen, daß die Enden ?2 und 5²J des hakenförmigen Teils 50 vorzugsweise in gleichem Abstand von den benachbarten Breitseiten des Rechteckhohlleiters 28 liegen. Dies ist vorzuziehen, jedoch nicht wesentlich. Des weiteren ist im Gegensatz zu bekannten Kopplern das Ende 5Ί des hakenförmigen Teils 50 nicht in elektrisch leitender Verbindung mit einer der Hohlleiterwandungen. Bei den meisten oder fast

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allen bekannten Kopplern war die Anordnung so getroffen, daß der Koaxialleitungs- Innenleiter nach der Einführung in den Hohlleiter ggf. über einen zur Impedanzanpassung abgestuften Leiterblock in elektrisch leitender Verbindung mit einer der Breitseitenwandungen des Hohlleiters steht.

Die dargestellten Koppler 38 und 40 sind zur Verwendung im Frequenzband von 5,7 bis 6,3 GHz vorgesehen. Die Abmessungen der verschiedenen Koppler-Elemente und ihre Abstände von den Hohlleiterwandungen und von der Abdeckung 42 sind im Sinn einer Minimalisierung des Spannungs-Stehwellenverhältnisses (Welligkeitsfaktor) und der Leistungsrückfluß- bzw. Reflexionsdämpfung über dieses Frequenzband gewählt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Innenwandabmessung des quadratischen Hohlleiters 24 1,207 Zoll betragen und die Septum-Membran 26 eine Dicke von etwa 10/1000 Zoll besitzen. Mit der beschriebenen Koppler-Konstruktion wurde ein Maximumwert des Spannungs-Stehwellenverhältnisses von 1,07 über dieses Frequenzband erreicht.

In Fig. 3 ist das Verhalten eines Koaxialleitungs-ZRechteckhohlleitungs-Kopplerübergangs gemäß der Erfindung für das Frequenzband von 3,7 bis 4,08 QHz (etwa 9,5 % Bandbreite) veranschaulicht. In der graphischen Darstellung ist die Rückfluß- bzw. Echodämpfung (Reflexionsverlust), in dB relativ gegen die Frequenz aufgetragen. Die Rückflußdämpfung ist durch die Beziehung 20 log E./E_ gegeben, worin E^ die einfallende elektrische Feldstärke eines Testsignals und E die reflektierte elektrische Feldstärke bedeuten. Die Kurve 60 veranschaulicht das Ansprechverhalten des Kopplers gemäß der Erfindung. Die Kurven 62,64, 66 und 68 veranschaulichen Bezugs-dB-Pegel für das Testsignal über das Frequenzband von 3,5 bis etwa 4,5 Ghz. Die Kurve 60 zeigt, daß die Rückfluß- bzw. Echodämpfung (Reflexionsverlust) über ein Frequenzband von etwa 3,6 bis 4,2 GhZ um mehr als 30 dB niedriger ist.

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Claims

Patentanwälte Di pi.-1 ng. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch

27 4 6 376 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 1 I₁. OKT. 1977

Unser Zeichen: l6OO6 H/Bu

Patentansprüche

[1.) Koaxialleiter-ZHohlleiter-übergangsvorrichtung zur Mikrowellenenergiekopplung zwischen einer einen Außenleiter und einen Innenleiter aufweisenden Koaxialleitung und einem Rechteckhohlleiter und umgekehrt, wobei der Rechteckhohlleiter eine zu seinen Schmalseiten parallele erste Achse und eine zu seinen Breitseiten parallele zweite Achse aufweist und die beiden Achsen rechtwinklig zueinander und zu der Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellenenergie in dem Hohlleiter gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet , daß

(a) der Hohlleiter (28 bzw. 30) an seinem einen Ende eine Abdeckung (42) aus einem leitenden Material mit einer Öffnung zur Aufnahme des Innenleiters (12 bzw. 18) der Koaxialleitung (10) und mit einer Vorrichtung (44) zur leitenden Verbindung mit dem Außenleiter (14 bzw. 20) der Koaxialleitung (10 bzw. l6) aufweist,

(b) daß in dem Hohlleiter (28 bzw. 30) in Abstand sowohl von den Wandungen des Hohlleiters (28) als auch von dessen Abdeckung (42) eine Leitermasse (46) angeordnet ist, mit welcher der Innenleiter (12) der Koaxialleitung (10) in elektrisch leitender Verbindung steht, und

(c) daß ein hakenförmiges Leiterelement (50) vorgesehen ist, das an seinem einen Ende (52) in elektrisch leitender Verbindung mit der Leitermasse (46) steht und an seinem anderen Ende (54) innerhalb des

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Hohlleiters (28) in Abstand von dessen Wandungen und in Abstand von dessen Abdeckung (42) endet.
2. Übergangsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das hakenförmige Leiterelement (50) zwischen seinen beiden Enden gekrümmt ausgebildet ist und daß diese Krümmung in einer zu der ersten Achse (32) des Hohlleiters parallelen Ebene liegt.
3. Übergangsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Enden (52,54) des hakenförmigen Leiterelements (50) im wesentlichen gleichen Abstand von den Breitseiten-Wandungen (24,26) des Hohlleiters (28) besitzen.
4. Übergangsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Krümmung (50) des hakenförmigen Leiterelements (50) in einer zu der ersten Achse (32) parallelen und zwischen dieser und einer der Schmalseiten-Wandungen liegenden Ebene verläuft.
5. Übergangsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Leitermasse (46) zwischen der stirnseitigen Abdeckung (42) und dem gekrümmten Teil des hakenförmigen Elements (50) angeordnet ist.

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