DE4218815A1 - Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter für Mikrowellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiter für Mikrowellen.

Derartige überdimensionierte, vielwellige Wellenleiter sind bekannt. Sie werden in Kernfusionsanlagen verwendet, um die von einem Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowellen zu einem Fusionsreaktor zu leiten, um das darin eingeschlossene Plasma aufzuheizen. Um eine möglichst hohe Leistung aus dem Resonator des Mikrowellengenerators extrahieren zu können, ist es erforderlich, daß der Durchmesser des verwendeten Wellenleiters möglichst groß gegenüber der Wellenlänge, also überdimensioniert gewählt wird. In derartigen überdimensionierten Wellenleitern ist aber dann nicht nur - im Gegensatz zu herkömmlichen Monomode-Wellenleitern - eine einzige Mode der vom Generator erzeugten Mikrowellenstrahlung ausbreitungsfähig. Vielmehr treten in einem überdimensionierten Wellenleiter eine Vielzahl von Frequenzen und bei jeder Frequenz eine Vielzahl von Feldstrukturen auf.

Für eine Reihe von Anwendungen ist es aber erforderlich, daß am Ausgang des Mikrowellenleiters eine bestimmte Modenstruktur und ein definierter Frequenzbereich auftritt.

Demgemäß stellt sich die Erfindung die Aufgabe, für einen überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiter der eingangs genannten Art ein Filter zu schaffen, daß eine Frequenz- und eine Modenselektion der eingespeisten Mikrowelle erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiter periodisch angeordnete Wandstörungen vorgesehen sind, wobei die Periodenlänge der Wandstörungen gleich dem Quotienten aus 2π und der Summe aus der Wellenzahl der eingespeisten, vorwärtslaufenden Mikrowelle und aus der Wellenzahl der aus dem Frequenzspektrum herauszufilternden Mikrowelle ist.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen besitzen den Vorteil, daß durch die bragg-periodisch angeordneten Wandstörungen ein Bragg-Reflektor ausgebildet wird, der eine phasenrichtige Kopplung zwischen der eingespeisten, im Wellenleiter vorwärtslaufenden Mikrowelle und einer durch die kohärente Streuung derselben an den Wandstörungen erzeugten rückwärtslaufenden Welle, deren Wellenzahl die o.g. Bragg-Bedingung erfüllt, erzeugt. Durch diese Maßnahme ist es in besonders vorteilhafter Art und Weise möglich, die im überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiter vorhandenen Mikrowellen selektiv zu filtern, so daß in besonders einfacher Art und Weise eine Bandsperre oder ein Bandpaß oder ein Kammfilter, etc. für Mikrowellen geschaffen wird. Der erfindungsgemäße Wellenleiter mit integriertem Bragg-Reflektor zeichnet sich außerdem durch seine geringe Dämpfung der durchgelassenen Mikrowellen aus, so daß eine sehr hohe Güte erzielbar ist. Des weiteren ermöglicht der erfindungsgemäße Wellenleiter mit integriertem Bragg-Reflektor die Verwendung vieler verschiedener Wellentypen, woraus in besonders vorteilhafter Art und Weise eine große Design-Freiheit resultiert. Diese Freiheit im Design des überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiters erlaubt es vorteilhafterweise, nahezu jede Filtercharakteristik einzustellen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der erfindungsgemäße Mikrowellenleiter mit integriertem Bragg-Reflektor durch eine formtreue Änderung der effektiven Periode der Wandstörungen durchstimmbar ist. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß der erfindungsgemäße Wellenleiter besonders leicht für eine Vielzahl von Frequenzen, welche aus du Spektrum der im Mikrowellenleiter propagierenden Mikrowellen herausgefiltert werden soll, adaptierbar ist, so daß der erfindungsgemäße Wellenleiter mit Bragg-Reflektor einen großen Einsatzbereich aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß bei der formtreuen Änderung der effektiven Wandstörungsperiode die Grobabstimmung dadurch geschieht, daß der erfindungsgemäße Mikrowellenleiter mit integriertem Bragg-Reflektor als flexibler Balg ausgebildet ist. Die Feinabstimmung erfolgt dann entweder durch thermische Ausdehnung, über mechanischen Zug und/oder Druck, oder durch eine Variation des Brechungsindex im Mikrowellenleiter.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Feinabstimmung durch thermische Ausdehnung dadurch erreicht wird, daß in die Wand des Mikrowellenleiters ein Heizdraht eingalvanisiert ist. Der Vorteil einer derartigen Maßnahme besteht darin, daß die Implementation des Heizdrahtes kostengünstig ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiters und

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiters gliedert sich - schematisch - in drei Bereiche: In einem ersten Bereich A und einem dritten Bereich C weist eine aus elektrisch leitendem Material gefertigte Wand 2 des Wellenleiters 1 einen glatten Verlauf auf, so daß in diesen Bereichen A und C eine annähernd reflektionsfreie und damit annähernd verlustfreie Fortbewegung der eingespeisten Mikrowellen erfolgt.

Zwischen den Bereichen A und C des überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiters 1 ist ein Bereich B angeordnet, der eine Vielzahl von Wandstörungen 3 aufweist. Von besonderer Bedeutung ist nun, daß die einzelnen Wandstörungen 3 periodisch beabstandet sind, wobei dieser Abstand d - die Bragg-Periode - zwischen zwei benachbarten Wandstörungen (z. B. der Wandstörungen 3a und 3b der Fig. 2) den Wert d=2 π/k_Bragg beträgt. Hierbei bezeichnet die Variable k_Bragg das sogenannte Bragg-Phasenmaß, welches durch die Bragg-Beziehung k_Bragg = k_v + k_r gegeben ist, wobei k_v die Wellenzahl der eingespeisten, im Wellenleiter vorwärtslaufenden Welle und k_r die entsprechende Wellenzahl einer durch eine (teilweise) Reflektion der einfallenden vorwärtslaufenden Wellen an den periodisch angeordneten Wandstörungen 3 des Wellenleiters 1 entstehenden rückwärtslaufenden Welle.

Die Stärke der Reflektionen wird - bei einer bestimmten Mode der Mikrowelle - von der mechanischen Höhe h der bragg-periodischen Wandstörungen 3 sowie von der Anzahl und somit der Gesamtlänge L aller Wandstörungen 3 festgelegt. Hierbei ist noch zu beachten, daß die Gesamtlänge L der Wandstörungen proportional zur Güte Q=L₀/Δ_f ist, wobei f₀ die Mittenfrequenz der Reflexion und Δ_f die 3-dB-Bandbreite der Reflexion bezeichnen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, nimmt die mechanische Höhe h der Wandstörungen 3 im Wellenleiter 1 in axialer Richtung in der ersten Hälfte der Gesamtlänge L der Wandstörungen stetig zu und weist in der zweiten Hälfte einen gegenteiligen Verlauf auf. Es ist aber auch möglich, die mechanische Höhe h der Wandstörungen 3 über ihre gesamte Länge L konstant zu halten oder für diese eine Hamming- oder eine Kaiser-Müller-Fenster-Verteilung vorzusehen. Es ist aber auch möglich, den Wandstörungen 3 einen anderen, aus dem Antennenbau bekannten Verlauf zu geben. Der jeweilige Verlauf der Wandstörungen 3 hängt entscheidend vom Einsatzzweck des im Wellenleiter 1 integrierten Bragg-Reflektors ab. Dieser Verlauf kann durch Streumatrix-Rechnungen dem gewünschten Einsatzweck angepaßt werden, wobei dies unter Berücksichtigung der im Wellenleiter 1 beim Fortschreiten der Mikrowellen auftretenden Verluste durch den nichtverschwindenden ohm′schen Widerstand zu geschehen hat.

Durch die bragg-periodisch angeordneten Wandstörungen 3 ist es nun besonders einfach möglich, einzelne Frequenzen selektiv zu filtern: Die beschriebene Anordnung der Wandstörungen 3 bewirkt, daß in Folge der hierdurch erreichten kohärenten Streuung der einfallenden, vorwärtslaufenden Welle der Wellenzahl k_v selektiv eine rückwärts laufende Welle mit der Wellenzahl k_r=k_v-k_Bragg angeregt wird, welche somit von den Wandstörungen 3 des Bereichs B des Wellenleiters 1 ausgehend in Richtung des Bereichs A zurückläuft. Diese rückwärtslaufende reflektierte Welle gelangt somit nicht in den Bereich C des Wellenleiters 1, sie tritt somit am Ausgang des Wellenleiters 1 nicht mehr auf. Dies ist selbst dann der Fall, wenn mehrere verschiedene Schwingungsformen im Wellenleiter möglich sind. Zusätzlich zur beschriebenen Frequenzselektion erlaubt der beschriebene Wellenleiter mit integriertem Bragg-Reflektor darüberhinaus eine Modenselektion, bei der TE_mn, TM_mn-Moden in höhere oder tiefere Modenstrukturen übergeführt werden. Die Funktion von periodisch angeordneten Wandstörungen in Wellenleitern als Modenwandler ist bekannt, so daß sie an dieser Stelle nicht weiter beschrieben werden muß.

Außerdem ist vorgesehen, daß der durch die periodisch angeordneten Wandstörungen 3 gebildete Bragg-Reflektor des Wellenleiters 1 durchstimmbar ausgeführt ist. Hierzu dient eine in Fig. 1 dargestellte Heizung, die aus einer Spannungsversorgung 10 und einem in die Hohlleiterwand 2 eingalvanisierten Heizdraht 11 besteht. Durch das Aufheizen der Hohlleiterwand im Bereich des Bragg-Filters wird eine thermische Ausdehnung dieses Bereichs bewirkt, die in einer formtreuen Änderung der Wandstörungsperiode resultiert. Durch diese Maßnahme wird der Abstand d vergrößert, welcher gemäß der o.g. Bragg-Beziehung mit der Wellenzahl k_r der reflektierten rückwärtslaufenden Welle korreliert ist. Durch diese Veränderung der Bragg-Periode d wird nun erreicht, daß die kohärente Streuung und damit die phasenrichtige Kopplung bei einer anderen Frequenz auftritt. Die Frequenz der reflektierten rückwärtslaufenden Welle ändert sich somit, womit ein anderer Wellenbereich aus dem Frequenzspektrum der eingespeisten vorwärtslaufenden Mikrowelle gefiltert werden kann.

Die Durchstimmung des Mikrowellenleiters 1 mit integrierten Bragg-Reflektor kann in besonders einfacher Art und Weise dadurch geschehen, daß der Wellenleiter in seinem Bereich B als flexibler Balg ausgebildet ist. Die dadurch erreichte Grobabstimmung des Bragg-Reflektors kann auch durch eine Feinabstimmung überlagert werden, in dem der Abstand d der periodischen Wandstörungen 3 durch thermische Ausdehnung, durch mechanischen Zug und/oder Druck oder durch eine Variation des Brechungsindex im Wellenleiter 1 variiert wird.

Die Herstellung des beschriebenen Mikrowellenleiters 1 mit integriertem Bragg-Reflektor erfolgt vorzugsweise durch Galvanoformung.

Claims (9)

1. Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter für Mikrowellen, in dem eine vorwärtslaufende Mikrowelle eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß im überdimensionierten, vielwelligen Wellenleiter (1) periodisch angeordnete Wandstörungen (3) vorgesehen sind, wobei die Periodenlänge (d) der Wandstörungen (3) gleich dem Quotienten aus 2 π und der Summe aus der Wellenzahl k_v der eingespeisten, vorwärtslaufenden Mikrowelle und aus der Wellenzahl einer aus dem Frequenzspektrum der herauszufilternden Mikrowelle ist.

2. Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Höhe (h) der Wandstörungen (3) über ihre Gesamtlänge (L) hin gesehen zuerst stetig zunimmt und daran anschließend stetig abnimmt.

3. Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Höhe (h) der Wandstörungen (3) über ihre Gesamtlänge (L) hinweg einen konstanten Verlauf besitzt.

4. Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Höhe (h) der Wandstörungen (3) eine Hamming- oder eine Kaiser-Müller-Verteilung aufweist.

5. Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die periodisch angeordneten Wandstörungen (3) ausgebildete Bragg-Reflektor durch eine formtreue Änderung der effektiven Periodenlänge (d) der Wandstörungen (3) durchstimmbar ist.

6. Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Grobabstimmung des Bragg-Reflektors der die periodischen Wandstörungen (3) aufweisende Bereich (B) des Wellenleiters (1) als flexibler Balg ausgebildet ist.

7. Oberdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinabstimmung des Bragg-Reflektors durch thermische Ausdehnung, mechanischen Zug und/oder Druck oder durch eine Variation des Brechungsindex im Wellenleiter (1) erfolgt.

8. Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (2) des Wellenleiters (1) ein Heizdraht (11) eingalvanisiert ist.

9. Überdimensionierter, vielwelliger Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) durch Galvanoformung hergestellt wird.