DE3885566T2 - Dielektrischer Wellenleiter. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf einen dielektrischen Wellenleiter für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen. Inbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen dielektrischen Wellenleiter mit Modenunterdrückungsfiltern für Moden oder Wellentypen höherer Ordnung.
• Elektromagnetische Felder sind durch das Vorhandensein eines elektrischen Feldvektors E charakterisiert, welcher senkrecht zu einem magnetischen Feldvektor H gerichtet ist. Die Oszillation dieser Komponenten liefert eine resultierende Welle, die sich im freien Raum mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt und welche zu beiden dieser Vektoren transversal ist. Die Größe der Energie und die Richtung dieser Welle wird durch den Poynting'schen Vektor erhalten, welche gegeben ist durch:
• P = E·H (Watt/m²).
• Elektromagnetische Wellen können sowohl in einem unbegrenzten Medium (freier Raum) als auch in einem begrenzten Medium, wie z. B. Koaxialkabeln oder Wellenleitern vorhanden sein. Diese Erfindung beschäftigt sich mit dem Verhalten von elektromagnetischer Energie in einem begrenzten Medium und, insbesondere, in einem dielektrischen Wellenleiter.
• Damit die Ausbreitung oder Fortpflanzung von elektromagnetischer Energie in einem begrenzten Medium stattfindet, ist es erforderlich, daß die Maxwell'schen Gleichungen erfüllt werden, wenn die geeigneten Grenzbedingungen verwendet werden.
• Bei einem herkömmlichen metallischen Wellenleiter bestehen diese Bedingungen darin, daß die Tangentialkomponente des elektrischen Feldes, Et, an der metallischen Begrenzung gleich Null ist und ebenfalls, daß die Normalkomponente der magnetischen Flußdichte, Bn gleich Null ist.
• Das Verhalten einer solchen Wellenleiter-Struktur wird wohl verstanden. Im Falle der Erregung durch äußere Frequenz-Quellen werden sich charakteristische Feldverteilungen oder Moden (Wellentypen) aufbauen. Diese Moden können durch Änderung der Frequenz, der Wellenleiter- Form und/oder -Größe gesteuert werden. Im Falle von regelmäßigen Formen, wie z. B. Rechtecken, Quadraten oder Kreisen, haben die wohldefinierten Grenzbedingungen die Bedeutung, daß ein Betrieb über ein spezifisches Frequenzband bei Benutzung eines spezifischen Modus garantiert ist. Dies ist bei den meisten rechteckförmigen Wellenleitersystemen der Fall, welche in einem reinen TE&sub1;&sub0;-Modus betrieben werden. Dieser ist als die Grundschwingung insofern bekannt, als er der erste anzutreffende Modus ist, wenn die Frequenz erhöht wird. Die TEmn -Typ-Nomenklatur bezeichnet die Anzahl der Änderungen des halbsinusförmigen Feldes jeweils entlang der x- und y-Achsen.
• Eine andere Familie von Wellentypen in Standard-Rechteck-Wellenleitern sind die TMmn-Moden, welche auf dieselbe Weise behandelt werden. Sie werden durch die Tatsache unterschieden, daß die TEmn-Moden keine Ez-Komponente aufweisen, während die TMmn-Moden keine Hz-Komponente aufweisen.
• Der dielektrische Wellenleiter, der in dem US-Patent 4 463 329 offenbart ist, weist keine solche wohldefinierten Grenzbedingungen auf. In solch einem dielektrischen Wellenleiter werden die Felder in dem durch den Polytetrafluorethylen (PTFE)-Mantel gebildeten Medium vorhanden sein. Ihre Größe wird als eine Funktion der Entfernung von dem Kern- Medium exponentiell abfallen. Dieses Phänomen bedeutet auch, daß, ungleich zu herkömmlichen Wellenleitern, zahllose Moden, bis zu einem gewissen Grade, in dem Wellenleiter getragen werden können, in Abhängigkeit von der Differenz hinsichtlich der Dielektrizitätskonstanten zwischen den Medien, der Betriebsfrequenz und von den hiermit verbundenen physikalischen Dimensionen. Das Vorhandensein von diesen sogenannten Moden "höherer Ordnung oder höheren Grades" ist insofern nicht wünschenswert, als sie Energie aus der Grundschwingung herausziehen, wodurch übermäßiger Verlust verursacht wird. In gewissen Fällen verursachen sie eine starke Amplituden-Welligkeit und sie tragen zu einer geringen Phasenstabilität unter den Bedingungen des Biegens bei.
• Das US-Patent 4 344 053 offenbart die Benutzung von Modenunterdrückungs-Widerstands-Karten, welche quer durch einen herkömmlichen Wellenleiter hindurch angeordnet sind. Jedoch ist diese Offenbarung auf eine Betrachtung von hohlen Wellenleitern beschränkt.
• Ein Ankopplungs-Trichter, der in Verbindung mit einem Wellenleiter- Verjünger (oder -Querschnittsanpasser) benutzt wird, liefert eine komplexe Transformation von einem herkömmlichen Wellenleiter zu einem dielektrischen Wellenleiter.
• Es können Verfahren, wie z. B. die Methode des endlichen Elementes, benutzt werden, um diese Transformation so wirksam wie nur möglich zu machen. Jedoch wird das Vorhandensein irgendeiner Impedanz-Diskontinuität in der Erregung von Moden höherer Ordnung (Oberwellen) resultieren.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein dielektrischer Wellenleiter für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen vorgesehen, welcher aufweist: einen Kern aus PTFE, wobei eine oder mehrere Schichten eines PTFE-Mantels um den genannten Kern herumgewickelt sind; Modenunterdrückungsfilter aus einem elektromagnetisch verlustbehafteten Material, welche in dem genannten Wellenleiter eingebettet sind, wobei die genannten Modenunterdrückungsfilter Glimmer-Karten sind, welche in dem genannten Mantel eingebettet sind; und eine elektromagnetisch abschirmende Schicht, welche den genannten Mantel abdeckt.
• Die Modenunterdrückungsfilter können mit einem Ankopplungs-Trichter befestigt sein. Der Kern kann bestehen aus: einem extrudierten, ungesinterten PTFE; einem extrudierten, gesinterten PTFE; einem expandierten, ungesinterten, porösen PTFE; oder einem expandierten, gesinterten, porösen PTFE. Der Kern kann einen Füllstoff enthalten. Die oder jede Mantel-Schicht kann bestehen aus: einem extrudierten, ungesinterten PTFE; einem extrudierten, gesinterten PTFE; einem expandierten, ungesinterten, porösen PTFE; oder einem expandierten, gesinterten, porösen PTFE. Die Mantel-Schicht kann einen Füllstoff enthalten. Die elektromagnetische Abschirmungsschicht, welche den Mantel abdeckt, ist vorzugsweise ein aluminiertes Band, und am meisten bevorzugt wird ein aluminiertes Kapton (eingetragenes Warenzeichen)-Polyimid-Band. Der dielektrische Wellenleiter kann weiterhin mit einem Band aus einem kohlenstoffgefüllten PTFE umwickelt sein.
• Ein dielektrischer Wellenleiter, welcher die Erfindung verkörpert und Modenunterdrückungsfilter mit einschließt, wird nunmehr im Rahmen eines Beispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
• Fig. 1 eine Seitenansicht des Wellenleiters, wobei Teile des Wellenleiters für die Zwecke der Veranschaulichung weggeschnitten sind, wobei ebenfalls ein Ankopplungs-Trichter gezeigt ist;
• Fig. 2 eine Vorderansicht, teilweise im Querschnitt, des Ankopplungs-Trichters, gemäß der Linie 2-2 nach Fig. 1;
• Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Querschnitt, des Wellenleiters und der Modenunterdrückungsfilter; und
• Fig. 4, 5 und 6 jeweilige perspektivische Ansichten von abgeänderten Wellenleiter-Kernen und Modenunterdrückungsfiltern, wobei der Mantel und die äußeren Schichten zum Zwecke der Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen sind.
• Der dielektrische Wellenleiter für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen umfaßt einen Kern aus Polytetrafluorethylen (PTFE), eine oder mehrere Schichten eines PTFE-Mantels, der um den Kern herumgewickelt ist, wobei der Mantel Modenunterdrückungsfilter aus einem elektromagnetisch verlustbehafteten Material aufweist, welche hierin eingebettet sind, sowie eine elektromagnetische Abschirmungsschicht, welche den Mantel abdeckt. Die Modenunterdrückungsfilter sind vorzugsweise Glimmer-Karten.
• Die Zusammensetzung von Moden höherer Ordnung, die in der dielektrischen Wellenleiteranordnung erzeugt und getragen werden, besitzt Feldverteilungen, welche eigenartig in Bezug auf den erwünschten Grundmodus der Ausbreitung sind. Infolgedessen ist es möglich, durch Berücksichtigung und Anordnung von Widerstandskarten, wie z. B. Glimmer, in den Wellenleitern, diese unerwünschten Wellentypen auszufiltern. Die Anordnung der Glimmer-Karten sollte in der Weise erfolgen, daß es eine geringe oder keine Unterbrechung in dem erwünschten Wellentyp bzw. Modus gibt.
• Weil der erwünschte Wellentyp in Vertikalrichtung polarisiert ist, weist er keine Komponente in der gleichen Ebene wie die Filter auf. Jedoch würde das Vorhandensein von TEmn- und TMmn-Moden, wobei n ungleich Null ist, bedeuten, daß die Filterwirkung beginnen würde, bei diesen Moden stattzufinden, somit zu ihrer Dämpfung führend. In Abhängigkeit von der erwünschten Wirkung können diese Karten wie erwünscht ausgerichtet oder orientiert sein. Sie können von einer willkürlichen Form sein, jedoch sind sie in bevorzugter Weise von den Gestalten und Formen, welche in den im nachfolgenden beschriebenen Zeichnungen gezeigt sind. Diese Ausgestaltungen gewährleisten, daß es einen gleichmäßigen Übergang in den Ankopplungstrichter gibt, eher als eine abrupte Diskontinuität, was bedeuten würde, daß die einfallende Energie eher reflektiert als absorbiert würde.
• Die Filter können dadurch in den Mantel eingesetzt werden, daß der Mantel aufgeschlitzt wird und daß sie sodann dort an Ort und Stelle eingefügt werden. Ein anderes Verfahren besteht darin, sie in dem Ankopplungs-Trichter zu vergießen oder sie in diesem sicher zu befestigen.
• In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen dielektrischen Wellenleiter 10 gemäß der Erfindung, welcher aufweist: einen Kern 12 mit einem sich kegelförmig zuspitzenden Ende 13, einen den Kern 12 umgebenden Mantel 14, eine elektromagnetische Abschirmungsschicht 16, welche den Mantel umgibt, und einen äußeren, die Schicht 16 umgebenden Absorber 18. Wenn ein Ankopplungs-Trichter 20 mit einem herkömmlichen Flansch 21 mit dem dielektrischen Wellenleiter 10 verbunden wird, dann tritt die elektromagnetische Energie in den Ankopplungs-Trichter 20 ein. Eine Impedanz-Transformation wird in dem Verjüngungsabschnitt 13 des Kerns 12 des Wellenleiters 10 in der Weise ausgeführt, daß die Energie effektiv in den Kern 12 des dielektrischen Wellenleiters 10 eingekoppelt wird. Wenn einmal durch den Kern 12 aufgefangen, dann erfolgt die Fortpflanzung durch den Kern 12, welcher durch den Mantel 14 umgeben ist. Der Kern 12 besteht aus Polytetrafluorethylen und der Mantel 14 besteht aus Polytetrafluorethylen, vorzugsweise aus einem Band aus expandiertem, porösem Polytetrafluorethylen, wobei dieses Band um den Kern 12 herumgewickelt ist. Die Mantel-Schicht 14 kann aus einem auf den Kern 12 extrudierten Polytetrafluorethylen bestehen. Die Fortpflanzung benutzt das Kern/Mantel-Interface, um die Energie nutzbar zu machen. Modenunterdrückungsfilter 15 können mit der Wand des Ankopplungs-Trichters 20 befestigt werden. Die Filter 15 bestehen aus einem elektromagnetisch verlustbehafteten Material, und sie sind Glimmer-Karten.
• Um eine Kreuzkopplung oder gegenseitige Störung oder Überlagerung aufgrund äußerer Quellen zu verhindern, sind sowohl die elektromagnetische Abschirmung 16 als auch der äußere Absorber 18 vorgesehen. Die Abschirmung besteht vorzugsweise aus aluminiertem Kapton (eingetragenes Warenzeichen)-Polyimid-Band, und der Absorber besteht vorzugsweise aus einem kohlenstoffgefüllten PTFE-Band.
• Innerhalb der Öffnung 17 des Ankopplungs-Trichters 20, wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Moden-Unterdrückungsfilter 15 mit dem Ankopplungs- Trichter 20 in der Weise befestigt, daß, nach dem Einsetzen des Wellenleiters 10 in den Trichter 20, die Filter 15 den Mantel 14 durchdringen können oder nicht durchdringen können und innerhalb des Mantels 14 eingebettet werden.
• In der Ausführungsform nach Fig. 3 werden rechteckförmige Glimmer- Karten 15 in Schlitze in dem Mantel 14 eingesetzt und werden in der horizontalen Ebene, wie gezeigt, angrenzend an den Kern 12 ausgerichtet.
• Fig. 4 zeigt einen Kern 12 mit Modenunterdrückungsfiltern 15, welche angrenzend an diesen örtlich festgelegt sind. Die Ummantelung sowie äußere Abdeckungen sind aus Gründen der Klarheit der Veranschaulichung weggelassen werden.
• Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kernes 12 mit dreieckförmigen Modenunterdrückungsfiltern 15A, welche angrenzend an diesen angeordnet sind.
• Fig. 6 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Kernes 12 mit dreieckförmigen Modenunterdrückungsfiltern 15B, welche an diesen angrenzend in einer gegenüber der Fig. 5 umgekehrten Konfiguration angeordnet sind. Der Mantel und die äußeren Abdeckungen sind aus den Fig. 5 und 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen worden.

Claims (7)

1. Dielektrischer Wellenleiter für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen, gekennzeichnet durch: einen Kern (12) aus PTFE, wobei eine oder mehrere Schichten eines PTFE-Mantels (14) um den genannten Kern herum gewickelt sind; Modenunterdrückungsfilter (15) aus einem elektromagnetisch verlustbehafteten Material, welche in dem genannten Wellenleiter eingebettet sind, wobei die genannten Modenunterdrückungsfilter Glimmer-Karten sind, welche in dem genannten Mantel eingebettet sind; und eine elektromagnetisch abschirmende Schicht (16), welche den genannten Mantel abdeckt.

2. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kern extrudiertes ungesintertes PTFE, extrudiertes gesintertes PTFE, expandiertes, ungesintertes poröses PTFE oder expandiertes gesintertes PTFE ist.

3. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kern und/oder der genannte Mantel einen Füllstoff enthalten.

4. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte oder jede Mantel-Schicht extrudiertes ungesintertes PTFE, extrudiertes gesintertes PTFE, expandiertes, ungesintertes poröses PTFE oder expandiertes gesintertes poröses PTFE ist.

5. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Abschirmungsschicht ein aluminiertes Band ist.

6. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Band aus kohlenstoffgefülltem PTFE umwickelt ist.

7. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in Verbindung mit einem Ankopplungs-Trichter verwendet wird, wobei die genannten Modenunterdrückungsfilter mit dem genannten Ankopplungs-Trichter befestigt sind.