DE3532214A1

DE3532214A1 - Verfahren zur bestimmung der in einem wellenleiter vorhandenen moden und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3532214A1
Application number: DE19853532214
Authority: DE
Inventors: Marek Dr Kitlinsi; Gerhard Dr Hochschild; Werner Prof Dr Wiesbeck; Manfred Dr Thumm; Rolf Dr Wilhelm
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1985-09-10
Filing date: 1985-09-10
Publication date: 1987-04-16
Also published as: DE3532214C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Moden elektromagnetischer Felder in einem Wellenleiter und deren Leistungsanteile nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizungen für Plasmaexperimente erfordern hohe Leistungen von einigen Megawatt bei einer Wellenlänge um ca. 2 mm, die mit neuartigen Elektronenstrahlröhren (Gyrotrons) erzeugt werden könnten, deren Resonatoren mit Moden hoher Ordnung arbeiten.

Zur Identifizierung der Überlagerung von Moden in übergroßen zylindrischen Hohlleitern können verschiedene Methoden, welche auf der Messung der charakteristischen Größen jedes Modes wie:
- Phasengeschwindigkeit
- Gruppengeschwindigkeit
- Dämpfung
- Hohlleiterwellenlänge
- Grenzwellenlänge
- örtliche Feldstärkenverteilung
beruhen, eingesetzt werden. Es sind hierfür folgende Methoden bekannt und im Einsatz:
- Reflexionsverfahren
- Modenkoppler
- Feldabbildung.

Die vorgenannten Methoden können bei kleinen Leistungen eingesetzt werden. Bei sehr hohen Leistungen und Frequenzen im mm-Wellenbereich sind dagegen externe Sonden zur Bestimmung der Moden im Hohlleiter einzusetzen. Die günstigste Lösung dieses Problems führt über die Bestimmung und Analyse des Fernfeldes. Diese Methode erlaubt es spezielle Moden, welche von einem offenen Hohlleiter abgestrahlt werden, zu identifizieren und ihre Leistung zu messen.

Bisher wurde ausschließlich der einfachste Fall untersucht (VIIth Int. Conf. on Infrared and Millimeterwaves Miami Beach, USA, 1983, paper T. 4.3) wie mit einem Ein- Sensor Abtastsystem drei Moden-Familien mit den Indizes "0,n", "1,n", "2,n" ermittelt werden können.

Die Abtastung mit nur einem Sensor ergibt Sequenzen von Meßwerten, die zeitlich nacheinander anfallen und somit viel Aufwand bei der Auswertung erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der einzelnen Moden und deren Leistungsgehalte eines ganzen Modenspektrums TE _m,n, TM _m,n bei beliebiger Kombination beider Indizes "m" und "n", wie sie in übergroßen zylindrischen Hohlleitern gleichzeitig auftreten können und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu bieten.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die übrigen Patentansprüche geben vorteilhafte Weiterführungen und Ausbildungsformen sowohl des erfindungsgemäßen Verfahrens als auch der erfindungsgemäßen Anordnung wieder.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das gesamte Modenspektrum und die Leistungsanteile der einzelnen Moden an der Gesamtleistung bestimmt werden können. Dabei ist z. B. bei einer Vierkanal- Meßanordnung die Anfoderung an die Beweglichkeit der HF-Sensoren stark reduziert, weil die maximale Weglänge, die ein Sensor auf dem Kreisumfang zurücklegen muß auf π/2 · r reduziert wird. Die zeitgleich anfallenden vier Meßsignale können vorteilhafterweise direkt in die Linearkombination der drei unabhängigen Gruppen von Modenfamilien umgesetzt und dem Leistungsmesser zugeführt werden.

Die Anordnung besteht z. B. aus vier abtastenden Empfangssensoren, die es zusammen mit einer HF-Signalauswertung ermöglichen, den Leistungsgehalt von Signalen zu messen, welche aus Linearkombinationen der empfangenen, vom offenen Wellenleiter abgestrahlten, HF-Feldern bestehen.

Die Empfangssensoren des Abtastsystems werden entweder durch einmodige Rechteckhohlleiter oder durch Rechteck- Hornstrahler A, B, C, D realisiert. Sie sind auf einem Kreisumfang mit einem gegenseitigen Abstand von π/2 angeordnet, gegeben durch die Gleichungen R = const. und R = const. Die einzelnen Empfangssensoren sind linear polarisiert. Die Polarisationsebenen benachbarter Sensoren sind um 90° gedreht.

Mit dem beschriebenen Abtastsystem mißt man drei unabhängige Gruppen von Modenfamilien gemäß der gewählten Linearkombination der empfangenen Signale, erzeugt durch die HF-Signalauswertung.

Mißt man E ^R-Komponenten, welche zu bestimmten Moden gehören, so bestimmen die folgenden Beziehungen drei Linearkombinationen der Antennensignale:

Entsprechend erhält man bei Drehung der Polarisation der einzelnen Rechteckhohlleiter-Antennen um 90°, Signale proportional den E ^R-Komponenten gemäß den Beziehungen: wobei gilt:

E ^Φkomplexe Amplituden der elektrischen Feldkomponenten im Fernfeld
E ^R _mn

Lage des ersten Maximums von E ^Φ _mn oder E ^R _mn im Koordinatensystem für jede Mode (mn)

@g@g@g@g4k
m =@g@g4k + 2@gabhängig von der zu identifizierenden Mode-Gruppe.
@g@g@g@g2k-1

Die o. g. Linearkombinationen erfordern zur Signalaufbereitung ein Mehrkanalsystem, wie in Anspruch 3 aufgeführt. Eine exemplarische technische Ausführung für eine Wellenlänge von 2 mm enthält drei Teile:
- Vierkanal-Abwärtsmischer
- Verknüpfungsnetzwerk
- Mikrowellen-Leistungsmesser

Der Vierkanal-Abwärtsmischer besteht aus vier harmonischen Mischern, die über einen Verstärker und über einen Vierkanal- Leistungsteiler kohärent aus einem gemeinsamen Überlagerungsoszillator gespeist werden. Das Netzwerk zur Vektor- Verknüpfung der vier Empfangssignale ("Combiner") enthält vier 180°-Hybride und einen Summierer und liefert damit die drei verschiedenen Linearkombinationen (A + B + C + D), (A-B + C-D) und (A-C) in Abhängigkeit von den gewählten Moden-Familien.

Die Mikrowellen-Leistungsmesser arbeiten im Zwischenfrequenzbereich, der durch die Abwärtsmischung entsteht. Einzelheiten des Ausführungsbeispiels werden anhand der Abbildungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung der vier Empfangssensoren, hier Antennen 3 a, 3 b, 3 c, 3 d die aus Hohlleitern mit rechteckigem Querschnitt bestehen, in der orthogonalen Meßebene (x-y) im Fernfeld eines Wellenleiters 1. Die elektromagnetischen Felder breiten sich in überdimensionierten Rundhohlleitern 1 aus und strahlen aus einem offenen Hohlleiter 2 in den davorliegenden Freiraum. Das Abtastsystem mit vier Antennen 3 a, 3 b, 3 c, 3 d ist im Abstand R ∼ 2 · (2a)²/λ ₀ vom offenen Hohlleiterende 2 angeordnet. Dabei ist a der Hohlleiter-Radius und λ ₀ die Freiraum-Wellenlänge. Die vier Antennen 3 a, 3 b, 3 c, 3 d befinden sich im gleichen Winkelabstand Δ ^Φ = 90° auf einem Kreis mit einstellbarem Radius (r = const. R = const.). Das ausgeführte Abtastsystem kann um die z-Achse gedreht und die radialen Positionen der vier Antennen 3 a, 3 b, 3 c, 3 d gemeinsam verstellt werden. Die empfangenen Wellenleiter-Antennen haben abhängig von der zu messenden elektrischen Feldkomponente E ^Φ oder E ^R entweder eine radiale oder eine tangentiale Ausrichtung (und damit Polarisation).

Fig. 2 zeigt die Antennenausrichtung zur Erfassung der E ^Φ-Feldkomponenten.

Fig. 3 zeigt die Antennenausrichtung zur Erfassung der E ^R-Feldkomponenten.

Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel einen vierkanaligen Frequenzumsetzer 5, wie er zur zwischenfrequenten Weiterverarbeitung gebraucht wird. Der Umsetzer besteht aus vier harmonischen Mischern 6, die über die Vierweg-Leistungsteiler 7 und einen Verstärker 8 kohärent aus einem gemeinsamen Überlagerungsoszillator 9 gespeist werden. Die Mischereingänge 4 sind durch Rechteckhohlleiter mit den Antennen 3 a, 3 b, 3 c, 3 d des Abtastsystems verbunden. Die jeweiligen Einspeisungen des Oszillatorsignales und die Verbindungen zum Combiner mit flexiblen Koaxialleitungen, die die in Fig. 1 beschriebenen Abtastbewegungen der Antennenanordnung 3 zulassen. Abweichend hierzu kann die Signalverknüpfung auch entweder bei der Empfangsfrequenz oder einer technisch geeigneten Zwischenfrequenz realisiert werden.

Fig. 5 zeigt eine beispielhafte technische Ausführung des Verknüpfungsnetzwerkes ("combiner"). Die vier Eingangskanäle A, B, C, D des Combiners 13 werden über vier 180°-Hybride 10 und einen Summierer 11 zu drei Ausgangskanälen verknüpft, welche jeweils mit Leistungsmessern 12 verbunden sind. Durch eine geeignete technische Ausrüstung der Antriebe des Abtastsystems und der Leistungsmesser 12 ist eine Rechnersteuerung des Meßablaufs und der Auswertung möglich. Die drei Leistungsmesser 12 können auch bei Verwertung eines Multiplexers durch einen einzigen Leistungsmesser 12 ersetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Moden elektromagnetischer Felder in einem Wellenleiter und deren Leistungsanteile durch Messung im Fernfeld des offenen Wellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß
a) die komplexen Amplituden der elektrischen Feldkomponenten E ^Φ und E ^R der Abbildung der Moden auf eine orthogonale Messebene (x-y) festgestellt werden, die im Fernfeld des Wellenleiters steht und in der mindestens zwei mit der Polarisation entsprechend E ^Φ und/oder E ^R das elektrische Feld abtastende Empfangssensoren (3 a, 3 b, 3 c, 3 d) angeordnet sind,
b) die Leistung der E ^Φ-Komponenten von TE _m,n-Moden- Familien nach Linearkombinationen der von den Empfangssensoren (3 a, 3 b, 3 c, 3 d) empfangenen Meßsignale (A, B, C, D) ermittelt wird,
c) die Leistung der E ^R-Komponenten von TE _m,n-Moden- Familien ebenfalls nach Linearkombinationen der Meßsignale (3 a, 3 b, 3 c, 3 d) ermittelt wird und
d) aus den ermittelten Leistungen der Mode-Familie die TE _m,n-Moden und deren Leistungsanteile bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die TM _m,n-Moden bei entsprechender Ausrichtung der Empfangssensoren (3 a, 3 b, 3 c, 3 d) bestimmt werden.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, und 2 mit einer Einrichtung zum Empfang der elektromagnetischen Strahlung, einer Einrichtung zur Signalverarbeitung, einem Leistungsmesser und/oder Amplitudenmesser, dadurch gekennzeichnet, daß
a) die Einrichtung zum Empfang der elektromagnetischen Strahlung in der orthogonalen Meßebene (x-y) mit der Rotationsachse (z) aus einer Anordnung von mindestens zwei Empfangssensoren (3 a, 3 b, 3 c, 3 d) besteht, die auf einem Kreisumfang (2) mit dem Radius (r) angeordnet sind, deren Polarisation entsprechend den zu messenden Feldkomponenten (E ^Φ und E ^R) ausrichtbar und deren Position radial und längs des Kreisumfanges (2) veränderbar ist und
b) die Einrichtung zur Signalverarbeitung ein Verknüpfungsnetzwerk (13) zur Bildung der Linearkombination aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssensoren (3 a, 3 b, 3 c, 3 d) Empfangsantennen wie Hornantennen oder offene Hohlleiter sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen der Empfangssensoren (3 a, 3 b, 3 c, 3 d) und den Eingängen (a, b, c, d) des Verknüpfungsnetzwerkes (13) ein Frequenzumsetzer (5) zwischengeschaltet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumsetzer (5) aus einem Überlagerungsoszillator (9), einem Verstärker (8) und einem Leistungsteiler (7) besteht, über die harmonische Mischer (6) kohärent gespeist werden, an die die Ausgänge der Empfangssensoren (3 a, 3 b, 3 c, 3 d) angeschlossen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verknüpfungsnetzwerk (13) für vier Empfangssignale (A, B, C, D) vier 180°-Hybride und ein Summierer zur Bildung von drei Linearkombinationen (A + B + C + D), (A-B + C-D) und (A-C) vorgesehen sind.

8. Anordnung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der drei Linearkombinationen ein Leistungsmesser (12) und/oder Amplitudenmesser vorgesehen sind.