DE3130209C2 - Cable for the transmission of electromagnetic energy in the microwave range - Google Patents
Cable for the transmission of electromagnetic energy in the microwave rangeInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitung zur Übertragung von elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbereich, wie sie beispielsweise in Richtfunk- und Radaranlagen vorgesehen ist. In einer solchen Leitung soll die Energie möglichst dämpfungsarm übertragen werden. Die Erfindung sieht hierzu einen Hohlleiter rechteckförmigen oder elliptischen Querschnitts vor, der in einem weit oberhalb seiner Eindeutigkeitsgrenze liegenden Frequenzbereich arbeitet (übermodiert). In seinen Endbereichen (Einspeisebereich und Auskoppelbereich) ist er jeweils mit einem pyramidenförmigen Hohlleiterübergang verbunden, deren freies Ende einen Querschnitt solcher Abmessungen aufweist, daß er für die zu übertragende elektromagnetische Welle im Eindeutigkeitsbereich liegt.The invention relates to a line for the transmission of electromagnetic energy in the microwave range, as is provided, for example, in radio relay and radar systems. In such a line, the energy should be transmitted with as little attenuation as possible. For this purpose, the invention provides a waveguide with a rectangular or elliptical cross section which operates (overmoded) in a frequency range that is far above its uniqueness limit. In its end areas (feed area and decoupling area) it is each connected to a pyramid-shaped waveguide transition, the free end of which has a cross section of such dimensions that it is within the range of unambiguity for the electromagnetic wave to be transmitted.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitung zur Übertragung elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbereich mit einem Hohlleiter, der in einem weit oberhalb seiner Eindeutigkeitsgrenze liegenden Frequenzbereich betrieben wird (übermodiert). Eine solche Leitung ist durch die DE-OS 27 37 125 bekannt.The invention relates to a line for transmitting electromagnetic energy in the microwave range with a waveguide in a frequency range that is far above its unambiguity limit is operated (overmoded). Such a line is known from DE-OS 27 37 125.
Leitungen zur Übertragung elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbereich werden beispielsweise in Richtfunk- und Radaranlagen sowie in Satelliten-Bodenstationen benötigt. Bei diesen Anlagen kommt es ir> darauf an, die RF-Energie möglichst verlustarm an die Antennen zu bringen. Hierfür werden bei Frequenzen unterhalb 3GHz Koaxialkabel, oberhalb etwa 3GHz Hohlleiter verwendet, und zwar in einem Frequenzbereich, in dem nur der Grundwellentyp ausbreitungsfähig ίο ist.Lines for the transmission of electromagnetic energy in the microwave range are required, for example, in radio relay and radar systems as well as in satellite ground stations. In these systems, it is i r> important to bring the RF energy with minimal losses to the antennas. For this purpose, at frequencies below 3GHz, coaxial cables, above about 3GHz, waveguides are used, specifically in a frequency range in which only the fundamental wave type is capable of propagation.
Bei Frequenzen oberhalb 10GHz fällt auch die Dämpfung von Hohlleitern schon ins Gewicht, so daß bei längeren Antennenzuleitungen ein erheblicher Verlust an Sende- und Empfangsenergie entsteht. ·<■>At frequencies above 10GHz, the attenuation of waveguides is important, so that Longer antenna cables result in a considerable loss of transmit and receive energy. · <■>
Ein bisher bestrittener Weg, die Energieverluste möglichst niedrig zu halten, besteht darin, die Sende/ Empfangsanlagen antennennah, z, B. am Richtfunkturm, anzuordnen. Dies erfordert hohe Kosten bei der Erstellung des Turmes und der Wartung der Geräte. v> A previously disputed way of keeping energy losses as low as possible is to arrange the transmitting / receiving systems close to the antenna, e.g. on the radio tower. This requires high costs in the construction of the tower and the maintenance of the devices. v>
Durch die US-PS 32 18 586 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 Ε-Vektor des Grundwel- >5 lentypes liegenden Hohlleiterseite eine Dämpfungsverminderung erreicht, d. h. der Hohlleiter wird mit seinem HUi-Welleniyp betrieben Bei dieser Anordnung werden schon bei gerader Leitungsführung, also ohne Bögen und Verdrillungen, viele Wellentypen angeregt, die nur f>o durch ein aufwendiges Modenfilter (Schlitzkoppler und mehrere Flächenwiderstände) gedämpft werden können. From US-PS 32 18 586 a waveguide arrangement is known which is used specifically for the transmission of high pulse powers, for example in radar systems. A substantial increase in the waveguide side lying parallel to the Ε vector of the fundamental wave type results in a reduction in attenuation, i.e. the waveguide is operated with its H U i wave type , many wave types are excited, which can only be damped f> o by a complex mode filter (slot coupler and several sheet resistors).
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 of specifying an inexpensive solution for such a line, ^ with which the energy in the microwave range can be transmitted with as little attenuation as possible.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Leitung der eingangs beschriebenen Art in der Weise gelöst, daß der übermodierte Hohlleiter rechteckförmigen oder elliptischen Querschnitts, dessen obere Grenze des Betriebsbereichs die Grenzfrequenz des HE]2-WeI-leniyps (TE]2- bzw. TMi2-WeIIe beim Rechteckquerschnitt) bzw. die Grenzfrequenz des En-We)lentyps (elliptischer Querschnitt) bildet, in seinen Endbereichen (Einspeisebereich und Auskoppelbereich) jeweils mit einem pyramidenförmigen Hohlleiterübergang verbunden ist dessen freies Ende einen Querschnitt solcher Abmessung aufweist daß er für die zu übertragende elektromagnetische Welle im Eindeutigkeitsbereich liegtThis object is achieved according to the invention with a line of the type described at the outset in such a way that the overmoded waveguide has a rectangular or elliptical cross section, the upper limit of the operating range of which is the cutoff frequency of the HE] 2 -WeI leniyps (TE ] 2 - or TMi 2 -WeIIe in the rectangular cross-section) or the cut-off frequency of the En -We) l type (elliptical cross-section) forms, in its end areas (feed area and decoupling area) each connected to a pyramid-shaped waveguide transition, the free end of which has a cross-section such that it is suitable for the transmitted electromagnetic wave is in the range of unambiguity
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Anmeldungsgegenstandes besteht der Hohlleiter aus einem Steghohlleiter.In an advantageous embodiment of the subject of the application, the waveguide consists of a Ridge waveguide.
Nachstehend v/ird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows
F i g. I eine Versuchsleitung aus verschiedenen Leitungsabschnitten,F i g. I a test line from different line sections,
F i g. 2 in einer graphischen Darstellung die Dämpfung λ in dB/100 m in Abhängigkeit der Frequenz bei »SIRAL-Hohlleitern« undF i g. 2 shows the attenuation λ in dB / 100 m as a function of the frequency at »SIRAL waveguides« and
F i g. 3 bis 5 Feldbilder in den Hohlleiterabschnitten unterschiedlichen Querschnitts und im Hohlleiterübergang. F i g. 3 to 5 field images in the waveguide sections of different cross-sections and in the 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 F i g. 2, in der für 6 »SIRAL-Hohlleitertypen« unterschiedlichen Querschnitts die Dämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen ist (λ in dB/100 m über der Frequenz f). Darin sind ferner Markierungen für die Eindeutigkeitsgrenze und die Grenzfrequenzen des HEu-Wellentyps eingezeichnet. Der HE,2-Typ ist allein der Wellentyp, dessen Entstehung beim kosten- und dämpfungssparenden Aufbau der Antennenleitung unvermeidbar ist. Die Grenzfrequenz dieses Wellentyps ist daher für diesen Aufbau die obeie Grenze des Betriebsfrequenzbereiches. Bei Hohlleitern elliptischen Querschnitts wird die obere Grenze des Betriebsbereiches von der Grenzfrequenz des En-Wellentyps gebildet.In the exemplary embodiment, the applicant uses rectangular waveguides of the “SIRAL” type. A graphic representation according to FIG. 1 serves to explain its properties and various terms used in the description. 2, in which the attenuation is plotted as a function of the frequency for 6 »SIRAL waveguide types« with different cross-sections (λ in dB / 100 m over the frequency f). Markings for the uniqueness limit and the limit frequencies of the HEu wave type are also drawn in there. The HE, 2 -type is solely the wave type, the occurrence of which is unavoidable when the antenna cable is constructed to save costs and attenuation. The limit frequency of this wave type is therefore the upper limit of the operating frequency range for this structure. In the case of waveguides with an elliptical cross-section, the upper limit of the operating range is formed by the cut-off frequency of the En-wave type.
Der im Ausführungsbeispiel verwendete Hohlleiter ist ein Hohlleiter vom Typ »SIRAL S58« (Hohlleiterabschnitt III), der über ein pyramidenförmiges Hohlleiterübergangsstück Il 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 (fp_ = 7,47 GHz) liegt nämlich für Frequenzen etwa oberhalb 13GHz. Bei Verwendung des »SIRAL-Hohlleiters S58« anstelle des im eindeutigen Bereich betriebenen »SIRAL-Hohlleiters S120« (Eindeutigkeitsgrenze ft: = 15,90GHz) erzielt man dadurch eine Dämpfungsminderung von beispielsweise 11 dB pro hundert Meter Leitungslänge beim digitalen Richtfunksystem DRS 2 · 8A5000-The waveguide used in the exemplary embodiment is a waveguide of the "SIRAL S58" type (waveguide section III), which is connected via a pyramidal waveguide transition piece II to a waveguide section I ("SIRAL waveguide S120") serving as a connection. The waveguide S58 (section III) is used in a frequency range that is well above its unambiguousness limit (fp_ = 7.47 GHz), namely for frequencies approximately above 13 GHz. When using the »SIRAL waveguide S58« instead of the »SIRAL waveguide S120« operated in the unambiguous area (unambiguousness limit f t: = 15.90 GHz), you achieve a reduction in attenuation of, for example, 11 dB per hundred meters of line length with the digital radio relay system DRS 2 · 8 A5000-
Die Einspeisung in den für diesen Frequenzbereich dämpfungsarmen Hohlleiter S58 erfolgt durch den pyramidenförmigen Hohllciterübergang 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 weggedämpft.The infeed into the waveguide S58, which has low attenuation for this frequency range, is carried out by the pyramid-shaped hollow tube II. The hollow line can be bent and twisted to make the necessary Line routing can be adapted. The higher wave types that may arise at arcs and twists are attenuated by a mode filter.
Anstelle eines Hohlleiters mit rechteckförmigem Querschnitt kann auch einer mit elliptischem oder ellipsenähnlichem Querschnitt oder ein Steghohlleiter verwendet werden.Instead of a waveguide with a rectangular Cross section can also be one with an elliptical or elliptical cross section or a ridge waveguide be used.
F i g. 1 zeigt eine Versuchsleilung, bestehend aus einem Hohlleiterabschnitt I des TvpsS120, einem pyramidenförmigen Hohlleiterübergang H, einer 90°-Verdrillung IV, einem etwa 12 Meter langen Hohlleiterabschnitt III des Typs S58 mit zwei E-Bögen von 90°, einem weiteren pyramidenförmigen Hohlleiterübergaüg II und einem sich daran anschließenden Hohlleiterabschnitt I des Typs Sl 20. Mit dieser Versuchsleitung, die im Frequenzbereich des Systems DRS 15 000 (14,50 bis 1535 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.F i g. 1 shows a test line consisting of a waveguide section I of the TvpsS120, a pyramidal waveguide transition H, a 90 ° twist IV, an approximately 12 meter long Waveguide section III of type S58 with two E-arcs of 90 °, another pyramid-shaped waveguide transition II and an adjoining waveguide section I of type Sl 20. With this test line, which works in the frequency range of the DRS 15 000 system (14.50 to 1535 GHz) became a Attenuation of the resonance peaks of higher wave types from 1 dB to about 0.1 dB and a reduction in their Reflection achieved from 10% to less than 5%.
Anhand der Fig.3 bis 5 wird der Vorgang der Anregung eines Wellengemisches aus Hi2- und Ei2-Wellen (international übliche Bezeichnung TE)2 bzw. TMi2) aus der Grundwelle Hi0 (TEi0) in einem Obergang erläutert.The process of exciting a wave mixture of Hi 2 and Ei 2 waves (internationally customary designation TE ) 2 or TMi 2 ) from the fundamental wave Hi 0 (TEi 0 ) in one transition is explained with reference to FIGS. 3 to 5.
F i g. 3 zeigt die Verteilung des elektrischen Feldes in einer Querschnittsebene des Rechteckhohlleiters, in dem sich nur die Grundwelle Hi0 (TEi0) ausbreitet. 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.F i g. 3 shows the distribution of the electric field in a cross-sectional plane of the rectangular waveguide in which only the fundamental wave Hi 0 (TEi 0 ) propagates. The amplitude distribution is cosine with respect to the symmetry line of the cross section, as indicated above. The electric field has only a single component parallel to the small edge line (transverse electrical = TE), the x- axis.
F i g. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen pyramidenförmigen Übergang zwischen einem kleineren Rechteckhohlleiter links und einem größeren Rechteckhohlleiter rechts. Innerhalb des Überganges sind die elektrischen Feldlinien nun gekrümmt; sie erhalten ^ hierdurch Längskomponenten in Richtung z-Achse, die in der oberen Querschnhtshälfte (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.F i g. 4 shows a longitudinal section through a pyramid-shaped transition between a smaller rectangular waveguide on the left and a larger rectangular waveguide on the right. The electric field lines are now curved within the transition; they ^ hereby obtained longitudinal component in direction z axis directed opposite in upper Querschnhtshälfte (x> 0) to those in the lower half section (x <0). If the transition in each cross section is rectangular and symmetrical to the common axis of all three waveguide sections, the electric field lines remain in planes parallel to the xz plane.
Fig.5 zeigt einen Rechteckhohlleiterquerschnitt, dessen Abmessungen die Ausbreitung höherer Wellen ermöglichen. Die gezeichnete Verteilung des elektrischen entspricht dem zusätzlichen, durch den Übergang hervorgerufenen Feld, das der Grundwelle Hi0 (TEi0) überlagert ist An den waagerechten Unterbrechungen treten die elektrischen Feldlinien aus der Zeichenebene fx-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 Hio-Welle, aber nun zwei Halbperioden längs der x-Achse, der kleinen Achse. Die LSi2-WeIIe läßt sich zusammensetzen aus einer H)2-Welle (TE]2) und einer E12-WeIIe (TM,2), die in Amplitude und Phase so zueinander abgestimmt sind, daß sich die Querkomponenten £Y gegenseitig aufheben. 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. Eine Widerstandsschicht in der y-z-Ebene wird von den elektrischen Feldlinien senkrecht durchsetzt, sie dämpft daher die H)2- und die E12-WeIIe ebenso wenig wie die H10-Welle.5 shows a rectangular waveguide cross-section, the dimensions of which allow the propagation of higher waves. The drawn distribution of the electric corresponds to the additional field caused by the transition, which is superimposed on the fundamental wave Hi 0 (TEi 0). Level above, in the upper half for example in the direction of the transition, in the lower half in the opposite direction. Since the electric field lines run in planes parallel to the longitudinal plane xz , 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 axis as with the exciting Hio wave, but now two half-periods along the x-axis, the minor axis. The LSi 2 wave can be composed of an H ) 2 wave (TE ] 2 ) and an E 12 wave (TM, 2 ), which are matched in amplitude and phase so that the transverse components £ Y cancel each other out . Since both waves have the same cut-off frequency and thus the same phase velocity among each other at all frequencies, the longitudinal sectional wave is just as stable a waveform as each individual wave by itself. A resistance layer in the yz-plane is traversed vertically by the electric field lines, so it does not attenuate the H) 2 and E 12 waves, nor does the H10 wave.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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| DE19813130209 DE3130209C2 (en) | 1981-07-30 | 1981-07-30 | Cable for the transmission of electromagnetic energy in the microwave range |
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| DE3130209A1 DE3130209A1 (en) | 1983-02-17 |
| DE3130209C2 true DE3130209C2 (en) | 1984-05-03 |
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