DE3130209A1

DE3130209A1 - Line for transmitting electromagnetic energy in the microwave band

Info

Publication number: DE3130209A1
Application number: DE19813130209
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraegli Der
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-07-30
Filing date: 1981-07-30
Publication date: 1983-02-17
Also published as: DE3130209C2

Abstract

The invention relates to a line for transmitting electromagnetic energy in the microwave band, as is provided, for example, in directional radio and radar systems. The energy is intended to be transmitted in such a line with as little attenuation as possible. For this purpose, the invention provides a waveguide having a rectangular or elliptical cross-section, which operates in a frequency band well above its ambiguity limits (overmoded). In its end regions (input region and output region), it is in each case connected to a waveguide junction in the form of a pyramid, whose free end has a cross-section of dimensions such that it is in the unambiguity region for the electromagnetic wave which is to be transmitted. <IMAGE>

Description

Leitung zur Übertragung von elektromagnetischerLine for the transmission of electromagnetic

Energie im Mikrowellenbereich.Energy in the microwave range.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitung zur Übertragung von elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbereich, wie sie beispielsweise in Richtfunk- und Radaranlagen sowie in Satelliten-Bodenstationen benötigt wird0 Bei diesen Anlagen kommt es darauf an, die RF-Energie möglichst verlustarm an die Antennen zu bringen. Hierfür werden bei Frequenzen unterhalb 3 GHz Koaxialkabel, oberhalb etwa 3 GHz Hohlleiter verwendet und zwar in einem Frequenzbereich, in dem nur der Grundwellentyp ausbreitungsfähig ast, Bei Frequenzen oberhalb 10 GHz fällt auch die Dämpfung von Hohlleitern schon ins Gewicht, so daß bei längeren Antennenzuleitungen ein erheblicher Verlust an Sende-und Empfangsenergie entsteht Ein bisher beschrittener Weg, die Energieverluste möglichst niedrig zu halten, besteht darin, die Sende/Empfangsanlagen antennennah, z.B. am Richtunkturin, anzuordnen. Dies erfordert hohe Kosten bei der Erstellung des Turmes und der Wartung der Geräte.The invention relates to a line for the transmission of electromagnetic Energy in the microwave range, such as that used in radio link and radar systems as well as in satellite ground stations0 It depends on these systems to bring the RF energy to the antennas with as little loss as possible. For this will be Coaxial cables are used for frequencies below 3 GHz, and waveguides are used above around 3 GHz namely in a frequency range in which only the fundamental wave type can propagate ast, At frequencies above 10 GHz, the attenuation of waveguides also falls weight, so that with longer antenna cables a considerable loss Transmitting and receiving energy is created. A path taken so far, the energy losses To keep the transmitter / receiver systems as low as possible, close to the antenna, e.g. at the directional point. This requires high costs to be created the tower and the maintenance of the equipment.

Durch die US-PS 3 218 586 ist eine Hohlleiteranordnung bekannt, die speziell bei der Übertragung hoher Impulsleistungen, beispielsweise in Radaranlagen, eingesetzt wird Hierbei wird durch eine wesentliche Vergrößerung der parallel zum E-Vektor des Grundwellentypes liegenden Hohlleiterseite eine Dämpfungsverminderung erreicht, d.h. der Hohlleiter wird mit seinem H10-Wellentyp betrieben. Bei dieser Anordnung werden schon bei gerader Leitungsführung, also ohne Bögen und Verdrillungen, viele Wellentypen angeregt, die nur durch ein aufwendiges Modenfilter (Schlitzkoppler und mehrere Flächenwiderstände) gedämpft werden können.From US-PS 3,218,586 a waveguide arrangement is known which especially when transmitting high pulse powers, for example in radar systems, is used here by a substantial increase in the parallel to E-vector of the fundamental wave type lying waveguide side results in a reduction in attenuation reached, i.e. the waveguide is operated with its H10 wave type. at in this arrangement, even with straight lines, i.e. without bends and twists, many wave types are stimulated, which can only be achieved through an elaborate mode filter (slot coupler and several sheet resistances) can be damped.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine solche Leitung eine kostengünstige Lösung anzugeben, mit der die Energie im Mikrowellenbereich möglichst dämpfungsarm übertragen werden kann.The invention is based on the object for such a line To provide an inexpensive solution with which the energy in the microwave range can be transmitted with as little attenuation as possible.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Hohlleiter rechteckförmigen oder elliptischen Querschnitts, der in einem weit oberhalb seiner Eindeutigkeitsgrenze liegenden Frequenzbereich arbeitet und in seinen Endbereichen (Einspeisebereich und Auskoppelbereich) jeweils mit einem pyramidenförmigen Hohlleiterübergang verbunden ist, deren freies Ende einen Querschnitt solcher Abmessung aufweist, daß er für die zu übertragende elektromagnetische Welle im Eindeutigkeitsbereich liegt.This object is achieved according to the invention by a waveguide rectangular or elliptical cross-section, which in a way above its Uniqueness limit lying frequency range works and in its end ranges (Infeed area and outcoupling area) each with a pyramid-shaped waveguide transition is connected, the free end has a cross-section of such a dimension that it is in the unambiguous range for the electromagnetic wave to be transmitted.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments of the subject of the application are specified in the subclaims.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is illustrated below with the aid of one in the drawing Embodiment explained in more detail.

Es zeigen Figuren 1 bis 3 den Hohlleiter mit eingeschobenem Modenfilter und einem Übergangsstück in zwei um 900 zueinander gedrehten Längsschnitten und einem Querschnitt, Fig. 4 eine Versuchsleitung aus verschiedenen Leitungsabschnitten, Fig. 5 in einer graphischen Darstellung die Dämpfung α in dB/100 m in Abhangigkeit der Frequenz bei STRAL-Hohlleitern und Figuren 6 bis 8 Feldbilder in den Hohlleiterabschnitten unterschiedlichen Querschnitts und im Hohlleiterübergang.Figures 1 to 3 show the waveguide with the mode filter inserted and a transition piece in two longitudinal sections rotated by 900 relative to one another and a cross section, 4 shows a test line from various Line sections, Fig. 5 in a graphical representation of the attenuation α in dB / 100 m as a function of the frequency for STRAL waveguides and Figures 6 to 8 field images in the waveguide sections of different cross-sections and in Waveguide transition.

Im Ausführungsbeispiel werden Rechteckhohlleiter der Anmelderin vom Typ SIRAL verwendet. Der Erläuterung seiner Eigenschaften und verschiedener, in der Beschreibung verwendeter Begriffe dient eine graphische Darstellung nach Fig. 5, , in der für 6 SIRAL-Hohlleitertypen unterschiedlichen Querschnitts die Dämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen ist (α in dB/100 m über der Frequenz f). Darin sind ferner Markierungen für die Eindeutigkeitsgrenze und die Grenzfrequenzen des HE12-Wellentyps eingezeichnet. Der HE12-Typ ist allein der wellentyp, dessen Entstehung beim konsten- und dämpfungssparenden Aufbau der erfindungsgemäßen Antennenleitung unvermeidbar ist. Die Grenzfrequenz dieses Wellentyps ist daher für diesen Aufbau die obere Grenze des Betriebsfrequenzbereiches.In the exemplary embodiment, the applicant's rectangular waveguide is dated Type SIRAL used. Explanation of its properties and various, in the description of the terms used is provided by a graphic representation according to FIG. 5,, in the attenuation for 6 SIRAL waveguide types with different cross-sections is plotted as a function of the frequency (α in dB / 100 m above the frequency f). It also contains markings for the uniqueness limit and the limit frequencies of the HE12 wave type. The HE12 type is solely the wave type, its Originated in the cost-saving and attenuation-saving structure of the antenna line according to the invention is inevitable. The cutoff frequency of this wave type is therefore for this structure the upper limit of the operating frequency range.

Bei Hohlleitern elliptischen Querschnitts wird die obere Grenze des Betriebsbereiches von der Grenzfrequenz des E11-Wellentyps gebildet.In the case of waveguides with an elliptical cross-section, the upper limit of the Operating range formed by the cut-off frequency of the E11 wave type.

Der im Ausführungsbeispiel verwendete Hohlleiter nach den Fig. 1 bis 4 ist ein Hohlleiter vom Typ SIRAL S58 (Hohlleiterabschnitt III), der über ein pyramidenförmiges Hohlleiterübergangsstück II mit einem als Anschluß dienenden Hohlleiterabschnitt I (SIRAL-Hohlleiter S120) verbunden ist. Der Hohlleiter S58 (Abschnitt III) wird in einem Frequenzbereich eingesetzt, der weit oberhalb seiner Eindeutigkeitsgrenze (fE = 7,47 GHz) liegt, nämlich für Frequenzen etwa oberhalb 13 GHz.The waveguide used in the embodiment according to FIGS. 1 to 4 is a waveguide of the type SIRAL S58 (waveguide section III), which has a pyramidal Waveguide transition piece II with a waveguide section serving as a connection I (SIRAL waveguide S120) is connected. The waveguide S58 (section III) is used in a frequency range that is far above its uniqueness limit (fE = 7.47 GHz), namely for frequencies above 13 GHz.

Bei Verwendung des SIRAL-Hohlleiters S58 anstelle des im eindeutigen Bereich arbeitenden SIRAL-Hohlleiters S120 (Eindeutigkeitsgrenze fE = 15,90 GHz) erzielt man dadurch eine Dämpfungsvermidnerung von beispielsweise 11 dB pro hundert Meter Leitungslänge beim digitalen Richtfunksystem DRS 2 x 8/15 000.When using the SIRAL waveguide S58 instead of the unique Area of working SIRAL waveguide S120 (unambiguousness limit fE = 15.90 GHz) in this way, an attenuation reduction of, for example, 11 dB per hundred is achieved Meters of cable length with the digital directional radio system DRS 2 x 8/15 000.

Die Einspeisung in den für diesen Frequenzbereich dämpfungsarmen Hohlleiter S58 erfolgt durch den pyramidenförmigen Hohlleiterübergang II. Die Hohlleitung kann durch Biegen und Verdrillen der notwendigen Leitungsführung angepaßt werden. Die an Bögen und Verdrillungen eventuell entstehenden höheren Wellentypen werden durch ein Modenfilter MF weggedämpft. Dieses besteht aus einem Flächenwiderstand 1, der in den dämpfungsarmen Hohlleiter I eingeschoben und mit Hilfe von Schaumstoffstegen 2, die im Wandbereich des Hohlleiter beidseitig am Flächenwiderstand 1 angeordnet sind, in der Symmetrieebene parallel zur Breitseite des Hohlleiters festgehalten wird.The feed into the waveguide with low attenuation for this frequency range S58 takes place through the pyramidal waveguide transition II. The waveguide can be adapted by bending and twisting the necessary cable routing. the any higher wave types that may arise at arcs and twists are caused by a mode filter MF attenuated away. This consists of a sheet resistance 1, the inserted into the low-attenuation waveguide I and with the help of foam bars 2, which are arranged on both sides of the sheet resistance 1 in the wall area of the waveguide are held in the plane of symmetry parallel to the broad side of the waveguide will.

Anstelle eines Hohlleiters mit rechteckförmigen Querschnitt kann auch einer mit elliptischem oder ellipsenähnlichem Querschnitt oder ein Steghohlleiter verwendet werden.Instead of a waveguide with a rectangular cross-section, one with an elliptical or elliptical cross-section or a ridge waveguide be used.

Fig. 4 zeigt eine Versuchsleitung, bestehend aus einem Hohlleiterabschnitt I des Typs S120, einem pyramidenförmigen Hohlleiterübergang II, einer 90°-Verrillung IV, einem etwa 12 Meter langen Hohlleiterabschnitt III des Typs S58 mit zwei E-Bögen von 900, einem weiteren pyramidenförmigen Hohlleiterübergang II und einem sich daran anschließenden Hohlleiterabschnitt I des Typs S120.Fig. 4 shows a test line consisting of a waveguide section I of type S120, a pyramid-shaped waveguide transition II, a 90 ° grooves IV, an approximately 12 meter long waveguide section III of the type S58 with two E-arcs from 900, another pyramid-shaped waveguide transition II and one attached to it subsequent waveguide section I of type S120.

Mit dieser Versuchsleitung, die im Frequenzbereich des Systems DRS 15 000 (14,50 bis 15,35 GHz) arbeitet, wurde eine Dämpfung der Resonanzspitzen höherer Wellentypen von 1 dB auf etwa 0,1 dB und eine Verringerung ihrer Reflexion von 10% auf weniger als 5% erreicht.With this test lead, which operates in the frequency range of the DRS 15,000 (14.50 to 15.35 GHz) works, damping of the resonance peaks was higher Wave types from 1 dB to around 0.1 dB and a 10% reduction in their reflection reached to less than 5%.

Anhand der Fig. 6 bis 8 wird der Vorgang der Anregung eines Wellengemisches aus H12- und E12-Wellen (international übliche Bezeichnung TE12 bzw. TM12) aus der Grundwelle H10 (TE10) in einem Übergang erläutert.The process of exciting a wave mixture is illustrated in FIGS. 6 to 8 from H12 and E12 waves (internationally common designation TE12 or TM12) from the Fundamental wave H10 (TE10) explained in a transition.

Fig. 6 zeigt die Verteilung des elektrischen Feldes in einer Querschnittsebene des Rechteckhohlleiters, in dem sich nur die Grundwelle H10 (TE10) ausbreitet.Fig. 6 shows the distribution of the electric field in a cross-sectional plane of the rectangular waveguide, in which only the fundamental wave H10 (TE10) propagates.

Die Amplitudenverteilung ist cosinusförmig bezüglich der Symmetrielinie des Querschnitts, wie darüber angedeutet ist Das elektrische Feld hat nur eine einzige Komponente parallel zur kleinen Kantenlinie (transversal elektrisch = TE), der x-Achse.The amplitude distribution is cosine with respect to the line of symmetry of the cross-section, as indicated above. The electric field has only one Component parallel to the small edge line (transverse electrical = TE), the x-axis.

Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch einen pyramidenförmigen Ubergang zwischen einem kleineren Rechteckhohlleiter links und einem größeren Rechteckhohlleiter rechts. Innerhalb des Uberganges sind die elektrischen Feldlinien nun gekrümmt; sie erhalten hierdurch Längskomponenten in Richtung z-Achse, die in der oberen Querschnittshälfte (x>0) entgegengesetzt gerichtet sind zu denen in der unteren Querschnittshälfte (x<0). Wenn der Übergang in jedem Querschnitt rechteckig und symmetrisch zur gemeinsamen Achse aller drei Hohlleiterabschnitte ist, bleiben die elektrischen Feldlinien in Ebenen parallel zur x-z-Ebene.7 shows a longitudinal section through a pyramidal transition between a smaller rectangular waveguide on the left and a larger rectangular waveguide to the right. The electric field lines are now curved within the transition; This gives them longitudinal components in the direction of the z-axis, which are in the upper half of the cross-section (x> 0) are opposite to those in the lower half of the cross-section (x <0). If the transition in each cross-section is rectangular and symmetrical to the is the common axis of all three waveguide sections, the electrical ones remain Field lines in planes parallel to the x-z plane.

Fig. 8 zeigt einen Rechteckholleiterquerschnitt, dessen Abmessungen die Ausbreitung höherer Wellen ermöglichen. Die gezeichnete Verteilung des elektrischen entspricht dem zusätzlichen, durch den Ubergang hervorgerufenen Feld, das der Grundwelle H10 (TE10) überlagert ist. An den waagerechten Unterbrechungen treten die elektrischen Feldlinien aus der Zeichenebene (x-y-Ebene) heraus und gehen in die x-z-Ebene über, in der oberen Hälfte beispielsweise in Richtung auf den Übergang hin, in der unteren Hälfte in entgegengesetzte Richtung. Da die elektrischen Feldlinien in Ebenen parallel zur Längsebene x-z verlaufen, handelt es sich um eine sogenannte Längsschnittwelle mit dem Indexpaar 12, d.h. es gibt eine Halbperiode längs der y-Achse, der großen Achse wie bei der anregenden H10-Welle, aber nun zwei Halbperioden längs der x-Achse, der kleinen Achse.Fig. 8 shows a rectangular hollow conductor cross-section, its dimensions enable the propagation of higher waves. The drawn distribution of the electrical corresponds to the additional field caused by the transition, that of the fundamental wave H10 (TE10) is superimposed. At the horizontal interruptions, the electrical ones come into play Field lines out of the drawing plane (x-y plane) and merge into the x-z plane, in the upper half, for example, towards the transition, in the lower half Half in the opposite direction. Because the electric field lines are parallel in planes run to the longitudinal plane x-z, it is a so-called longitudinal sectional wave with the index pair 12, i.e. there is a half-period along the y-axis, the major one Axis as with the exciting H10 wave, but now two half-periods along the x-axis, the minor axis.

Die LS12-Welle läßt sich zusammensetzen aus einer H12-Welle (TE12) und einer E12-Welle (TM12), die in Amplitude und Phase so zueinander abgestimmt sind, daß sich die Querkomponenten Ey gegenseitig aufheben.The LS12 shaft can be composed of an H12 shaft (TE12) and an E12 wave (TM12), which are matched to one another in amplitude and phase are that the transverse components Ey cancel each other out.

Da beide Wellen gleiche Grenzfrequenz und somit bei allen Frequenzen untereinander gleiche Phasengeschwindigkeit haben, ist die Längsschnittwelle ebenso eine stabile Wellenform wie jede einzelne Welle für sich.Because both waves have the same cut-off frequency and therefore at all frequencies have the same phase velocity as each other, the longitudinal cutting wave is the same a stable waveform like every single wave on its own.

Eine Widerstandsschicht in der y-z-Ebene wird von den elektrischen Feldlinien senkrecht durchsetzt, sie dämpft daher die H12- und die E12-Welle ebenso wenig wie die H10-Welle.A resistive layer in the y-z plane is created by the electrical Field lines interspersed vertically, so it attenuates the H12 and E12 waves as well little like the H10 wave.

6 Patentansprüche 8 Figuren L e e r s e i t e6 claims 8 figures L e r s e i t e

Claims

Claims 1. Line for the transmission of electromagnetic energy In the microwave range, there is a rectangular waveguide or elliptical cross-section, which is in a way above its limit of unambiguity lying frequency range works (overmoded) and in its end ranges (feed range and decoupling area) each connected to a pyramid-shaped waveguide transition is, the free end has a cross-section of such a dimension that it is for the electromagnetic wave to be transmitted is within the range of unambiguity.

2. Line according to claim 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t that with a waveguide rectangular cross-section with the H10-Well as the basic wave type the overmoded waveguide is dimensioned so that the upper limit of the operating range forms the cut-off frequency of the HE12 wave type (TE12 or TM12 well).

3. Line according to claim 1, d a d u r c h g ek e n n z e i e h n e t that the waveguide is a ridge waveguide.

4. Line according to claim 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t that with a waveguide elliptical cross section the upper limit of the operating range of the overmoded waveguide is the cutoff frequency of the E11 wave type.

5. Line according to one of claims 1 to 4, d ad u r c h g e k e n n z e i n e t that in the area of curvatures or twists of the hollow head resulting higher wave types are attenuated by a mode filter.

6. Line according to claim 5, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t that the mode filter consists of a sheet resistance that is in the waveguide inserted and by means of foam in the plane of symmetry parallel to the broad side of the waveguide is held.