DE3009232A1

DE3009232A1 - Reziproker hf-leistungsteiler

Info

Publication number: DE3009232A1
Application number: DE19803009232
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Thomas Nemit
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1979-03-12
Filing date: 1980-03-11
Publication date: 1980-09-25
Also published as: FR2451640B3; GB2045005A; FR2451640A1; US4263568A; JPS55121703A; JPS6040202B2

Description

Reziproker HF-Leistungsteiler

Die Erfindung betrifft einen reziproken HF-Leistungsteiler-

Bei modernen Radarsystemen werden an HF-Leistungsteiler, die einen niedrigen Verlust aufweisen, unterschiedliche Anforderungen gestellt. Bei Radargeräten, die keine oder nur eine geringe Wartung erfordern, ist eine große Zuverlässigkeit gefordert. Bei solchen Radargeräten erzeugt man die gewünschte HF-Leistung dadurch, daß man die Ausgänge von mehreren (in Ilalbleitertechnik) HF-Generatoren zusammenschaltet. Bei dieser Art der Leistungserzeugung fällt bei Ausfall eines BF-Moduls nicht gleich die gesamte HF-Stromversorgung ans, wie es der Fall sein würde, wenn ein einzelnes Magnetron oder andere HF-Generatoren verwendet werden würden. Ein solches System ist in der deutschen Patentanmeldung P 29 42 541 beschrieben .

In dieser deutschen Patentanmeldung werden bekannte Leistungsteiler abgehandelt. Keiner dieser Leistungsteiler eignet sich für eine relativ große Zahl von Verteileranschlüssen. Außerdem wird bei diesen bekannten Leistungsteilern die Streifenleitungstechnik angewandt und deshalb sind sie nur schlecht an hohe Leistungen anpaßbar.

Diese Leistungsteiler werden nicht nur dazu verwendet, Leistung aufzuteilen, sondern sie werden auch dazu verwendet Leistung von verschiedenen Quellen zusammenzufassen. Sie sind unter anderem bei Antennenanordmangen mit mehreren Einzelantennen anwendbar.

Der neue HF-Leistungsteiler enthält einen aus parallelen Platten bestehenden Hohlleiter, der in seiner Mitte so ange-

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regt wird, daß sich von der Mitte aus im wesentlichen nur eine elektromagnetische Welle vom Ε-Typ ausbreitet. Für diese vorherrschende elektromagnetische Welle sind nur in radialer Richtung Ströme vorhanden und das elektrische Feld liegt in der Richtung senkrecht zu den Platten. Eine Anzahl von Kollektoren ist gleichmäßig um den Umfang der kreisförmigen Wellenfront verteilt und deshalb sind dort konstante Phasen und Amplitudenbeziehungen vorhanden. Das heißt,jeder der Kollektoren erhält Ernergie von dem radialen Strom und die Phase und die Amplitude dieser Energie ist für jeden der Kollektoren in Bezug auf die zentrale Einspeisestelle gleich.

Jeder der Kollektoren ist eine Schleife„ die eine keilförmige ebene leitende Platte enthält, die in radialer Richtung ungefähr eine viertel Wellenlänge lang ist. Die Breiten dieser Platten sind so gewählt, daß sie in Richtung des Umfangs eine schmale Lücke zwischeneinander aufweisen. Die leitende ^platte wird durch leitende Stützen zwischen den beiden Höh!leiterplatten gehalten. Diese Stütze bildet außerdem einen Strompfad zu einer nohlleiterwand. Das in radialer Richtung äußere Ende einer leitenden Platte zwischen den beiden Hohlleiterplatten ist über Verzweigungsanschlüsse (vorzugsweise Koaxial) nach außen verbunden. Der Rückpfad wird vervollständigt zu dem Außenleiter des Koaxialverteileranschlusses. Dion^r ist durch eine Wand geführt, die die kreisförmige Hohlleiteranordnung umgibt. Wellen typen höherer Ordnung, die in Folge der Asymmetrie und ungleich langer Verzweigungsäste erzeugt werden, werden unterdrückt durch entlang des Umfanqs angeordnete Widerstände

in zwischen den leitenden Platten benachbarter Schleifen. Diese Widerstände können aus Kohleplättchen bestehen oder - insbesondere bei der Verwendung hoher leistung - aus Nickel-Chrom oder Beryllium-Oxid sein. Die Struktur der einzelnen Schleifen, die mit den jeweiligen Verteileranschlüssen verbunden sind, ist so gewählt, daß sie als Einrichtung zum Umwandeln des im wesentlichen abgeglichenen Feldzustandes

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ORIGINAL INSPECTED

zwischen den parallelen radialen Hob!leiterplatten in den des nicht abgeglichenen Zustandes in einem Anschluß, der beispielsweise durch koaxialen Verbinder darqestellt ISt_x dient. Sie wirkt als ein 4:1 Imnedanzwandler.

Der neue reziproke HF-Leistunasteiler ist besonders für Mikrowellen geeignet.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnunaen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. Ia,b das Unter- bzw. Oberteil des reziproken Leistungsteilers,

Pia. 2 einen Schnitt durch die Anordnunq nach Ficr. 1, Fiq. 3 weitere Einzelheiten der Fiq. 1,

Fig. 4 einen Teil eines Querschnitts durch die Anordnung nach Fig. 1.

Es wird zunächst auf die Ficr. 1 Bezuq genommen. In der Fig. 1a ist eine der parallelen leitenden Platten, die den radialen Hohlleiter bilden, nämlich 12, entfernt. Diese in Fig. 1b darqestellte Platte ist auf die Grundplatte 11 der Fig. 1a montiert. Die Montage erfolqt u.a. auf einem Rand 13, der sich am äußeren Umfang der Platte 11 befindet. In der Mitte der Platte 11 ist ein konisches Anpaßstück 19 elektrisch an 11 befestiqt. Es ist weiterhin ein zu dem äußeren Rand 13 koaxialer innerer Rand 14 vorgesehen, dessen Höhe jedoch kleiner als die des äußeren Rands 13 ist. Er dient zur mechanischen Stütze und zur elektrischen Verbindung

(z.B. 17 und 18) der Schleifen des Verteiiernufczwerkes. Mit den leitenden Platten 17 und 18 sind Verteileranschlüsse 15 und 16 verbunden. Hierbei sind die äußeren Enden von 17 bzw. 18 mit den Innenleitern der Koaxialanschlüsse 15 und 16 verbunden. Das Verteilernetzwerk, das mehrere Schleifen mit keilförmiaen Platten enthält, wird an Hand der weiteren Fiquren näher erläutert.

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Dies cfilt ebenso für die Widerstände, die zur Unterdrückunq der unerwünschten Wellentypen verwendet werden.

Die Fiq. 2 ist ein Teil eines Querschnitts durch den Leistunqsteiler. Die Platte 12 ist auf der Platte 11 befestiqt. Der Querschnitt ist so aewählt, daß er durch eine keilförmige Platte 18 geht. Wie bereits erwähnt, ist der innere Rand Teil dieser Schleife. Weiterhin ist eine Platte 26_/die im wesentlichen die selbe Form "wie die Platte 18 hat, Teil dieser Schleife. Die Platte 18 der Schleife ist an 28 mit dem Innenleiter eines Koaxialverteileranschlusses 16 verbunden .

An dieser Stelle ist es nützlich, auf die Figur 3 Bezuq zu nehmen. Für die beiden Koaxialanschlüsse 15 und 16 sind Löcher 25 und 27 durch den äußeren Rand 13 gebohrt. Die Löcher sind hierbei so gewählt, daß sie die Fortsetzung der Außenleiter von 15 und 16 bilden. Die Impedanzbeziehung zwischen Innenleiter und Außenleiter bleibt qleich. Aus den Figuren 2 und 3 wird die Anordnung der Widerstandsplättchen 31 und 3o auf einem leitenden Brückenelement deutlich. Diese symmetrische Anordnung bewirkt die Unterdrückung von Wellen mit höherer Ordnunq, die Ströme verursachen würden, deren Richtung orthogonal wäre zu der auf den Platten 17 und 18 angegebenen Stromrichtungen. Die Widerstandsplättchen 3o und 31 können in bekannterweise aus Kohle bestehen. Sie können jedoch auch aus Nickel-Chrom, das auf Beryllium-Oxid niedergeschlagen ist, bestehen. Die leitende Platte 29 ist normalerweise aus demselben Material wie die Platten 17 und 18, z.B. aus Kupfer, das zur Erfüllung bestimmter Umweltforderungen geeignet plattiert ist.

In der Fig. 2 ist die leitende Platte 26 nur vorhanden, wenn es aus Impedanzgründen notwendig ist. Sonst wird ihre

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Funktion von der leitenden Platte 11 übernommen.

Im Zusammenhang mit den Impedanzbeziehungen wird erwähnt, daß jede Schleife in radialer Richtung normalerweise eine Länge in der Größenordnung einer viertel Wellenlänge hat, und daß sie als Einrichtung zum Übertragen der dominierenden Welle vom Ε-Typ zwischen dem inneren Schleifendurchmesser (d.h. 14 in den Fig. 1a, 2 und 3) und der zentralen Speiseeinrichtung in der Mitte der Fig. 1a dient. Es kann gezeigt werden, daß die Übertragungseinrichtung in jedem Falle eine 4:1 Impedanzwandlung bewirkt. Nimmt man die normale Impedanz vom 5o Ohm für einen Koaxialanschluß wie z.B. 15 und 16 an, dann ist die charakteristische Impedanz innerhalb der radialen parallelen Hohlleiterstruktur von der zentralen Speisestelle aus in der Größenordnung von 2oo Ohm. Es sind natürlich auch andere Impedanzen und Impedanzverhältnisse möglich. Die Dimensionierung wird vom Fachmann entsprechend den Anforderungen gewählt und ist diesem geläufig. Da die Breite einer jeden keilförmigen Platte, z.B. 17 und 18, und ihr Abstand von der Platte 11 Faktoren beinhalten, die die Impedanz beeinflussen, müssen zunächst die Anforderungen festgelegt sein. Wenn z.B. die Impedanz eines Verteileranschlusses festliegt, dann muß die Impedanz einer Schleife entsprechend angepaßt werden. Der Durchmesser der Anordnung hängt unter anderem ab von der gewünschten Zahl von Anschlüssen entlang dem Umfang der Einrichtung. Da die Impedanzbedingungen nicht einfach dadurch erfüllt werden, daß man einen bestimmten Durchmesser der Einrichtung in bestimmte Segmente aufteilt, muß dies bei der Bemessung berücksichtigt werden.

Es kann gezeigt werden, daß die Widerstände zur Unterdrückung der unerwünschten Wellentypen, dies sind die Widerstände 3o und 31, in Serie geschaltet einen Wert haben, der gleich der doppelten Impedanz eines Verteileranschlusses ist. Deshalb müssen die Widerstände 3o und 31 jeweils 5o Ohm

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aufweisen, wenn die Verteileranschlüsse (z.B. 15 oder 16) eine 5o Ohm Impedanz haben, denn die Widerstände 3o und sind über die Brücke 29 in Serie geschaltet und bilden so zwischen den Platten 17 und 18 einen 1oo Ohm Widerstand.

Der Fachmann erkennt, daß er die Widerstände zur Unterdrückung der unerwünschten Wellentypen ersetzen kann durch einen Widerstand auf einer von zwei benachbarten Platten der elektrisch mit der anderen 'Platte über eine geeignete Brücke verbunden ist. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung

ο weist jedoch bezüglich der Hitzesenke eine bessere Eigenschaft auf und kann deshalb besser an Leistungsteiler, die für hohe Leistung geignet sind,angepaßt werden.

Nachfolgend wird auf die Fig. 4 Bezug genommen. Es wird hier wieder angenommen, daß die Platte 12 auf dem Rand der Platte 11 befestigt ist. Das konische Übergangsstück der Fig. 1a weist eine Neigung von ungefähr 45 gegenüber der Senkrechten auf.

Diese Neigung bewirkt einen glatten Übergang zwischen der Rohrleiterstruktur, bestehend aus den parallelen

ο Platten, und der zentralen Speisung, ^wodurch im wesentlichen induktive Diskontinuitäten eliminiert werden. Ein Verhältnis w/h (Fig. 4) ist so gewählt, daß der Realteil der Impedanz der Koaxialleitung, die durch 21 und 21a gebildet wird, gleich dem des radialen Hohlleiters, der durch die Platten 11 und 12 gebildet wird, im Abstand w/h, gemessen von der Mittellinie von 21 aus, ist (w ist der Innendurchmesser der Koaxialleitung 21a und h ist der Abstand zwischen den Platten 11 und 12). Der konusförmige Körper 19 ist hohl und wird von einer Wand 23, die den

ο Raum 2o umgibt, gebildet. Der Innenleiter der Koaxialleitung 21 ist vorzugsweise ebenfalls hohl. Es ist möglich, sowohl den konusförmigen Körper als auch den InnenIe Lter 21 aus

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massivem Material herzustellen, wobei sich jedoch kein so großer Vorteil ergibt, der das zusätzliche Gewicht rechtfertigt. Der konzentrische rohrförmige Außenleiter 21a in Fig. 4 ist derjenige, der auch in Fig. 1b dargestellt ist. Je nachdem, was für ein zentraler Anschluß 33 in der Fig. 1b gewählt wird, kann es sein, daß zur Anpas-sung an die Koaxialleitung 21, 21a evtl. eine Impedanzanpassungsschaltung notwendig ist. Dies kann auf eine "dem Fachmann bekannte Weise realisiert werden.

Bei dem Aus Führungsbeispiel nach der Fig. 1a sind 2o Verteileranschlüsse vorgesehen, es können jedoch auch über 1oo Vorteileranschlüsse realisiert werden. Alle Schleifen schließen das Feld zwischen den parallelen Platten 11 und ein, und zwar um eine konzentrische Linie, die durch den inneren Rand 14 bestimmt ist (in Fig. 4 sind die Feldrichtungen E eingezeichnet). Um die Anregung Wellen von höheren Wellentypen zu verhindern, ist es wichtig, daß der Leistungsteiler symmetrisch ausgeführt ist. Bei der praktischen Realisierung eines solchen Leistungsteiler ist es natürlich nicht möglich, allein aufgrund der Symmetrie alle unerwünschten Wellentypen zu unterdrücken, denn es ist nahezu unmöglich, eine vollkommen symmetrische Ausführung zu realisieren und die Schleifen können nicht alle vollkommen identisch sein. Deshalb sind, wie bereits erwähnt, radial angeordnete Wider-5 stände zwischen benachbarten Platten (wie z.B. 17 und 18) vorgesehen^ um mit diesen solche unerwünschten Wellentypen zu unterdrücken.

Bei einem Ausführungsbeispiel mit 2o Verteileranschlüssen für den Betrieb im Bereich von 1215 - 14oo MHz, haben die Schleifen einen Abstand von ca. 3,2 cm zwischen Radiallinien. Wenn alle Verteileranschlüsse einheitlich wirksam geschaltet sind, dann erhält man eine ausgezeichnete Impedanzanpassung. Wenn nur ein einziger Verteileranschluß wirksam

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qeschaltet ist, dann ist die Anpassung immer noch sehr cmt, eine Isolation zwischen benachbarten Verteileranschlüssen um 13 dB ist akzeptabel; dies ailt besonders für die Anwendung bei der den einzelnen Verteileranschlüssen von einzelnen Festkörpergeneratoren HF-Energie zugeführt wird, um am zentralen Anschluß 33 ein Ausgangssignal hoher Leistung zu erzeugen. Die Isolation zwischen benachbarten Anschlüssen hängt ab von Verbesserungen der Optimierung der Absorber für Wellen höheren Typs. Es wurde ein Einschaltverlust in der Größenordnung von o,2 dB gemessen. Der Leistungsverteiler ist reziprok und breitbandig. Es können Leistunaen verarbeitet werden, die 1oo kW Spitzenleistung und 7 kW Dauerleistung überschreiten

Anstatt über Koaxialleitungen kann die Energie auch über andere als Koaxialspeiseeinrichtungen zugeführt bzw. abgenommen werden.

Literaturstellen fü die in der deutschen Patentanmeldung P 29 42 541 zitierten Leistungsteiler:

Stanford Research Institute, " New N-Way Power Divider/ Combiner Suitable for High Power Application, IEEE-MTT-5 International Symposium Digest, Seite 116 (1975) "

An N-Way Hybrid Power Divider ", IRE Transactions on Microwave Theory and Techniaue ", Volume MTT-8, Seiten 116 - 118 (Januar 196o)

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Claims

Patentanwalt

Dir>l.-Phys. Leo Thul

Kurze Str. 8

Stuttgart 3o 3009232

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Patentansprüche

Rezioroker HF-Leistungsteiler, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander parallel angeordnete leitende Platten (11, 12) vorgesehen sind, daß eine durch die Mitte der ersten Platte (12) geführte Speiseeinrichtung (19, 21, 21a) vorgesehen ist, die zwischen den Platten vorwieaend eine einheitliche elektromagnetische Welle vom Ε-Typ erzeugt, daß die Speiseeinrichtung außerhalb der Platten mit einem externen Anschluß (33) verbunden ist, daß Verzweigungseinrichtungen vorgesehen sind, die mehrere leitende Schleifen (14, 18, 11) enthalten, welche synmefcrisch angeordnet sind und an ihren der Speiseeinrichtung zugewandten Seiten an einen zur Speiseeinrichtunn konzentrischen Ring angrenzen und daß diese leitenden Schleifen in radialer Richtung erste Leiter (18, 11, 26) aufweisen, wodurch in radialen Richtungen entgegengesetzte Strompfade gebildet werden, und in Richtungen senkrecht zu den Platten zweite Leiter ( 14, 13) aufweisen, wodurch auch in diesen Richtungen entgegengesetzte Strompfade gebildet werden, und daß mindestens einer der ersten Leiter (18) in radialer Richtung außen mit einem Verteileranschluß (28) verbunden ist.

2. Reziproker HF-Leistungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden leitenden Platten kreisförmig und zumindest annähernd gleich groß sind.

3. Reziproker HF-Leistuncisteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseeinrichtung aus

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einer Koaxialleitung besteht, deren Außenleiter (21a) mit der ersten parallelen Platte (12) und deren Innenleiter (21, 19) mit der zweiten parallelen Platte verbunden ist, und daß der Durchmesser (W) der Öffnung in der ersten Platte gleich dem Durchmesser des Außenleiters der Koaxialleitung ist.

4. Reziproker HF-Leistungsteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Innenleiter in Richtung zur zweiten Platte konisch (19) aufweitet und daß er eine Imnedanzanpassung bewirkt.

5. Reziproker HF-Leistungsteiler nach Anspruch 1 oder 2_r dadurch gekennzeichnet, daß der eine der beiden ersten Leiter der Schleife ein Stück der zweiten leitenden Platte (11) ist, und daß der andere eine weitere Platte (18)ist,die zwischen der ersten (12) und der zweiten (11) leitenden Platte angeordnet ist.

6. Reziproker HF-Leistungsteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere über den Umfang verteilte und radial angeordnete weitere leitende Platten vorgesehen sind, daß diese eng benachbart, keilförmig und planar sind, und daß sie so bemessen und angeordnet sind, daß sie zur Impedanzanpassung an den Verteileranschluß beitragen.

7. Reziproker HF-Leistungsteiler nach Anspruch 1,2, 5 oder dadurch gekennzeichnet, daß die Verteileranschlüsse koaxiale Verbinder enthalten.

8. Reziproker HF-Leistungsteiler nach Anspruch 1, 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten leitenden Schleifen Widerstandsabschlüsse vorgesehen sind, die Stromkomponenten unerwünschter Wellen, d.h. an-

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derer als vom Ε-Typ, unterdrücken.

9. Reziproker HF-Leistungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigungseinrichtungen so ausgestattet sind, daß zur Anpassung der nominellen koaxialen Impedanz der in radialer Richtung innen liegenden Enden der Verzweigungseinrichtung eine 4 : 1 Impedanzwandlung erfolgt.

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