DE60317014T2

DE60317014T2 - Hohlleiteranordnung mit stabiler Phase

Info

Publication number: DE60317014T2
Application number: DE60317014T
Authority: DE
Inventors: R Glen Waterloo Thomson; Ming Waterloo Yu
Original assignee: Com Dev Ltd
Current assignee: Com Dev Ltd
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: CA2432876A1; US6897746B2; DE60317014D1; EP1376748B1; US20030234707A1; EP1376748A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Wellenleiteranordnung und insbesondere eine Wellenleiteranordnung, die thermisch kompensierende Strukturen verwendet, um Änderungen in der Ausdehnung/Zusammenziehung eines Wellenleitervolumens aufgrund von Veränderungen der Umgebungstemperatur kompensiert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Üblicherweise sind Multiplexer-Anordnungen, die bei Luftfahrtanwendungen verwendet werden, so ausgebildet, daß sie nur unwesentliche Änderungen in ihren Dimensionen als Folge von Temperaturänderungen besitzen, so daß der Abstand zwischen Filtern sich nicht merkbar mit Änderungen in der Temperatur ändert. Als Folge sind Wellenleiteranordnungen für die Luftfahrt üblicherweise aus Materialien mit geringer Ausdehnung hergestellt (d. h. Materialien, die niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) besitzen), wie z. B. INVAR^TM oder Titan. Es ist jedoch oft notwendig, Wellenleiter physikalisch mit einer Platte an dem Körper eines Raumfahrzeuges zu befestigen, die allgemein aus Leichtbaumaterialien mit relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) hergestellt ist, wie z. B. Aluminium. Dementsprechend resultiert eine wesentliche physikalische Spannung zwischen den Strukturen mit einer entsprechenden Erhöhung der mechanischen Betriebsfehler, wenn Niedrig-CTE-Wellenleiteranordnungen mit Hoch-CTE-Raumfahrzeugkörpern gekoppelt werden.
Dementsprechend ist es wünschenswert, eine Wellenleiteranordnung für eine Raumfahrtanwendung anzugeben, die Änderungen in ihren Abmessungen (z. B. der Länge) erfährt, die den Dimensionsänderungen der Raumfahrzeugplatte entsprechen. Temperaturausgleichende Wellenleiteranordnungen verwenden eine Vielzahl von mechanischen Deformationstechniken, um temperaturabhängige Volumenänderungen in einem Wellenleiter auszugleichen, die Veränderungen in dem Frequenzprofil eines Wellenleiters hervorrufen. Lösungsvorschläge aus dem Stand der Technik verwenden verschiedene mechanische Anordnungen von Materialen, die verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, um eine Verformung der Wellenleiterwände in Antwort auf Änderungen in der Temperatur hervorzurufen. Diese Anordnungen unterliegen jedoch praktischen Nachteilen, die ihre Anwendbarkeit für Raumfahrtanwendungen beeinträchtigen.
Das US-Patent Nr. 5,428,323 für Geissler et al. offenbart beispielsweise eine Wellenleiteranordnung, die einen Wellenleiter umfaßt, der einen Hohlraum definierende Wände besitzt. Ein Rahmen, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der kleiner ist als derjenige des Wellenleiters, umgibt die Wände des Wellenleiters. Erste und zweite verbindende Abstandshalter sind zwischen dem Rahmen und dem Wellenleiter befestigt und dienen dazu, wärmeausdehnungsbezogene Kräfte auf die Wellenleiterwände zu übertragen, was eine Verformung der Wellenleiterwände hervorruft. Während der in Abschnitte aufgeteilte Rahmen eine Ausdehnung entlang seiner Länge ermöglicht, erfordert die Struktur einen externen Rahmen, so daß dementsprechend die gesamte Anordnung klobig und für Raumfahrtanwendungen nicht gut geeignet ist.
Das US-Patent Nr. 6,002,310 für Kich et al. offenbart eine Resonatorhohlraum-Endwandanordnung, die einen Wellenleiterkörper und zwei Endwandanordnungen umfaßt, wobei jede Endwandanordnung eine gebogene Aluminiumplatte und eine Scheibe aus INVAR^TM umfaßt, die miteinander an der Peripherie verbunden sind. Die Scheibe aus INVAR^TM umfaßt einen relativ dicken äußeren ringförmigen Abschnitt und einen relativ dünnen inneren kreisförmigen Abschnitt. Die gebogene Aluminiumplatte biegt sich in Antwort auf steigende Temperatur, wodurch sie gegen die Ausdehnung des Wellenleiterkörpers arbeitet. Wenn die Temperatur steigt, bewirkt ein "ölkannenartiges" Durchbiegen der Aluminiumplatte innerhalb der Endwandanordnungen, daß der Hohlraumdurchmesser anwächst und die axiale Länge reduziert wird. Dementsprechend ist diese Anordnung nicht für Luftfahrtanwendungen geeignet, bei welchen im Falle steigender Temperatur die axiale Länge des Wellenleiters zu einer Steigerung der axialen Länge einer Raumfahrzeugplatte passen sollte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt unter einem Gesichtspunkt eine Wellenleiteranordnung zum Betrieb über einen Bereich von Temperaturen zur Verfügung, wobei die Wellenleiteranordnung umfaßt:

(a) einen Wellenleitkörper, der eine wirksame große Abmessung und eine Länge besitzt, wobei der Wellenleitkörper wenigstens eine vorgekrümmte, schmale Wand aufweist, die aus einem Material gefertigt ist, das einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt,
(b) eine Vielzahl von Rückhaltestreifen, die sich über die vorgekrümmte, schmale Wand erstrecken und mit dem Wellenleitkörper auf beiden Seiten der vorgekrümmten, schmalen Seitenwand an ersten und zweiten seitlichen Punkten gekoppelt sind, wobei die Rückhaltestreifen voneinander beabstandet und entlang der Länge des Wellenleitkörpers vorgesehen und aus einem Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind, der wesentlich geringer als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient ist, und
(c) wobei die Vielzahl von Rückhaltestreifen verwendet ist, um einen im wesentlichen konstanten, seitlichen Abstand zwischen den ersten und zweiten seitlichen Punkten über den Temperaturbereich derart zu erhalten, daß, wenn die Länge des Wellenleiters mit der Temperatur variiert, der Krümmungsgrad der wenigstens einen vorgekrümmten, schmalen Wand variiert, um die wirksame große Abmessung der Wellenleiteranordnung zu veranlassen, sich derart zu verändern, daß die Kombination der Änderungen zu einer konstanten Phasenlänge für den Wellenleitkörper führt, wenn sich der Wellenleitkörper mit der Temperatur dehnt oder zusammenzieht.

Weitere Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen klar werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beigefügten Zeichnungen:
1 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Beispiels einer Wellenleiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 ist eine perspektivische Draufsicht auf die Wellenleiteranordnung gemäß 1,
3 ist eine perspektivische Seitenansicht der Wellenleiteranordnung gemäß 1,
4A ist eine seitliche Querschnittsansicht der Wellenleiteranordnung von 1, die den Querschnitt des Wellenleiters bei Umgebungstemperatur und bei einer erhöhten Temperatur zeigt,
4B ist eine seitliche Querschnittsansicht der Wellenleiteranordnung von 1, die den Querschnitt des Wellenleiters bei Umgebungstemperatur und bei einer reduzierten Temperatur zeigt,
5 ist ein schematisches Diagramm, das die geometrischen Eigenschaften der vorgekrümmten schmalen Wände von 1 zeigt, und
6 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Eingangskrümmung und der resultierenden Durchbiegung, wenn die Rückhaltestreifen von 1 aus INVAR^TM und alternativ aus Titan hergestellt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Wellenleiteranordnung 10, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut wurde. Insbesondere besteht die Wellenleiteranordnung 10 aus einem Verteilerwellenleiter 11, der zwei lange Wände 14 und zwei vorgekrümmte schmale Wände 16 und 18 sowie vier Flansche 22 umfaßt, welche jeweils die Länge des Verteilerwellenleiters 11 ausdehnen. Die Wellenleiteranordnung 10 umfaßt ferner eine Vielzahl von Rückhaltestreifen 20. Die Rückhaltestreifen 20 erstrecken sich über und überspannen die beiden vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 und sind an auseinander liegenden Abschnitten entlang der Länge des Verteilerwellenleiters 11 angeordnet (siehe auch die unten beschriebenen 2 und 3). Die langen Wände 14 formen zusammen mit den schmalen Wänden 16 und 18 einen im wesentlichen rechteckigen Hohlraum, dem es möglich ist, als Resultat von Temperaturänderungen seine longitudinale Länge zu ändern, während die spezifische Struktur der Wellenleiteranordnung 10 zu Änderungen in den Querschnittsabmessungen führt, welche dazu ausgelegt sind, Änderungen in der longitudinalen Länge zu kompensieren, wie beschrieben werden wird.
Die langen Wände 14 sind zwei Wände, die sich entlang der Länge der Wellenleiteranordnung 10 erstrecken und eine große (oder breite) Abmessung "A" wie gezeigt besitzen. Der Querschnitt des Verteilerwellenleiters 11 besitzt auch eine kleinere Abmessung, nämlich "b" wie gezeigt.
Die vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 sind im lateralen Querschnitt wie in 1 so vorgekrümmt, daß bei Umgebungstemperatur eine ursprüngliche Krümmung mit einem zugehörigen Ausgangsdurchbiegungsabstand D_initial wie gezeigt vorhanden ist. Die vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 können aus einer Vielzahl von metallischen Materialien (z. B. Aluminium oder Magnesium), aber auch aus Verbundwerkstoffen (z. B. T300 oder jeden anderen Verbundwerkstoff mit niedrigem Modul und relativ hoher Ausdehnung) hergestellt sein. Man sollte verstehen, daß, während es bevorzugt ist, daß die Wellenleiteranordnung 10 zwei vorgekrümmte Wände 16 und 18 enthält, es auch möglich ist, daß die Wellenleiteranordnung 10 nur eine vorgekrümmte Wand 16 (nicht gezeigt) umfaßt.
Rückhaltestreifen 20 sind auf jeder Seite der beiden vorgekrümmten schmalen Wände 16, 18 angeordnet und seitlich an Verteilerflanschen 22 unter Verwendung von Befestigungselementen 25 (z. B. Schrauben und Muttern) an ersten und zweiten seitlichen Punkten 5 und 7 wie gezeigt befestigt. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die Befestigung der Rückhaltestreifen 20 an den Verteilerflanschen 22 des Verteilerwellenleiters 11 auch unter Verwendung verschiedener anderer herkömmlicher Mechanismen hergestellt werden kann, wie z. B. Klebe-, Lot- und Schweißtechniken. Schraubverbindungen sind für Anwendungen bevorzugt, bei welchen die Rückhaltestreifen 20 während des Zusammenbaus der Wellenleiteranordnung 10 ausgewählt werden können, um die Wellenleiterkompensation feinabzustimmen.
Die Rückhaltestreifen 20 können aus einer Vielzahl von metallischen Materialien (z. B. Eisen- oder Nickellegierung) sowie aus Verbundmaterialien (z. B. P100 oder jedem ähnlichen Verbundmaterial mit hohem Modul und niedriger Ausdehnung) hergestellt sein und müssen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) besitzen, der wesentlich niedriger ist, als derjenige der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18. Entsprechend können, wie oben diskutiert, die vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 aus einer Vielzahl von Legierungen (z. B. Magnesium oder Aluminium) mit niedriger Dichte und hoher Ausdehnung hergestellt sein, während die Rückhaltestreifen 20 aus verschiedenen Arten von Eisen-/Nickellegierungen (INVAR^TM, KOVAR^TM und anderen numerisch bekannten Legierungen) hergestellt sein. Alternativ können sorgfältig ausgewählte Kombinationen aus verschiedenen Verbundmaterialien hergestellt sein. Es wird angenommen, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient von Eisen- und Nickellegierungen die "Einstellbarkeit" der von der Wellenleiteranordnung 10 zur Verfügung gestellten Kompensationsmenge ermöglicht.
Die 2 und 3 zeigen perspektivische Drauf- bzw. Seitenansichten der Wellenleiteranordnung 10. Diese Figuren zeigen, wie die Rückhaltestreifen 20 in einer voneinander beabstandeten Weise seitlich über die longitudinale Länge "L" des Verteilerwellenleiters 11 an den äußeren Seiten der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 angeordnet sind. Insbesondere sind die Rückhaltestreifen 20 durch metallische Schrauben 25 wie gezeigt an verschiedenen Punkten entlang der Länge des Verteilerwellenleiters 11 gesichert. Wie man sehen kann, sind die Rückhaltestreifen 20 an bestimmten Punkten entlang der Länge des Verteilerwellenleiters 11 angeordnet. Insbesondere sind die Rückhaltestreifen 20 nahe genug beieinander angeordnet, um eine im wesentlichen gleichförmige Durchbiegung der vorgekrümmten Wände 16 und 18 sicherzustellen. Der Abstand zwischen den Rückhaltestreifen 20 kann ein wenig ungleichmäßig sein, um es sich kreuzenden Wellenleitern zu ermöglichen, sich an einer Verzweigung zu verbinden. Der Abstand wird auch von der Materialdicke und der relativen Steifheit der langen Wände und der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 abhängen.
Die Rückhaltestreifen 20 sind so angeordnet, daß die Ausdehnung oder Zusammenziehung des Querschnittes des Verteilerwellenleiters 11 in der lateralen Richtung (d. h. der schmaleren Ausdehnung "b" des Wellenleiters) beschränkt ist, gleichwohl aber der Wellenleiter 11 sich frei entlang seiner Länge "L" aufgrund von Temperaturänderungen (2 und 3) ausdehnen oder zusammenziehen kann. Man sollte verstehen, daß, falls eine Rückhalteplatte (d. h. ein ebenes Blech, das sich entlang der äußeren Oberfläche der vorgekrümmten schmalen Wände 16 oder 18 erstreckt) anstelle von einzelnen Rückhaltestreifen 20 verwendet würde, der Wellenleiter 11 nicht in der Lage wäre, sich in der longitudinalen Richtung auszudehnen (d. h. die Länge "L" würde im wesentlichen konstant bleiben). Dementsprechend ist es durch das Vorsehen von Lücken zwischen den Rückhaltestreifen 20 wie in 3 gezeigt möglich, daß die längenmäßige Ausdehnung des Wellenleiters 11 auftreten kann. Das innerhalb des Verteilerwellenleiters verwendete Material wird vorzugsweise so gewählt, um zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Oberfläche (z. B. einer Platte eines Raumfahrzeuges) zu passen, an welcher er befestigt ist. Dementsprechend kann die Wellenleiteranordnung 10 an einer Platte eines Raumfahrzeuges oder jeder anderen Struktur derart befestigt werden, daß die verbundene Kombination keinen Zugkräften aufgrund von relativen Längenänderungen aufgrund thermischer Expansion unterliegt.
Schließlich kann der Verteilerwellenleiter 11 wie in 3 gezeigt zusammen mit einer Vielzahl von (nicht gezeigten) Filtern verwendet werden, welche über Filterstutzen 21 mit dem Verteilerwellenleiter 11 gekoppelt würden. Wie konventionell bekannt, beeinflußt die Anzahl von Wellenlängen, die zwischen den Filtern existieren (was die Länge der Filterstutzen einschließt) den Betrieb der Filter. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Phasenlänge zwischen den Filtern auf einem konstanten Wert zu halten, um saubere Multiplexereigenschaften über Anhebungen und Absenkungen der Temperatur sicherzustellen.
Die 4A und 4B zeigen, wie vorgekrümmte schmale Wände 16 und 18 und lange Wände 14 der Wellenleiteranordnung 10 ihre Konfiguration bei erhöhten und erniedrigten Temperaturen verändern.
Insbesondere zeigt die 4A die Konfiguration einer Wellenleiteranordnung 10 bei Umgebungstemperatur (rechte Hälfte der 4A) und bei erhöhter Temperatur (linke Hälfte der 4A). Bei Umgebungstemperatur besitzt die longitudinale Länge "L" des Wellenleiters 11 einen Ausgangswert L_initial, die laterale Abmessung der langen Wände 14 ist "A" und die Wölbung-zu-Wölbung-Abmessung zwischen den schmalen Wänden 16 und 18 ist A1.
Bei erhöhter Temperatur steigt die longitudinale Länge "L" des Wellenleiters 11 auf L_expand gemäß seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten in Gegenwart erhöhter Temperatur. D. h. der Verteilerwellenleiter 11 wird sich in der Richtung quer zur Ebene des Querschnittsabschnittes der in 4A gezeigten Wellenleiteranordnung 10 einfach aufgrund der thermischen Ausdehnung ausdehnen. Bei erhöhter Temperatur dehnen sich auch die langen Wände 14 frei in jede Richtung, um δ1 gemäß dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials aus (und daher steigt die seitliche Abmessung der langen Wände 14 von A auf A + 2 (δ1)).
Die vorgekrümmten Wände 16 und 18 dehnen sich auch aus, werden jedoch von den Rückhaltestreifen 20, die mit jeder Seite der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 an ersten und zweiten seitlichen Punkten 5 und 7 mit dem Verteilerwellenleiter 11 gekoppelt sind, zurückgehalten. Da die Rückhaltestreifen 20 einen (um einen Faktor von soviel wie zehn) niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) besitzen, als die schmalen Wände 16 und 18 und die langen Wände 14, bleiben die ersten und zweiten seitlichen Punkten 5 und 7 im wesentlichen an Ort und Stelle während der Erhöhung der Temperatur. Die Randabschnitte der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 bleiben im wesentlichen an Ort und Stelle (an den seitlichen Punkten 5 und 7) aufgrund der relativ kleinen Ausdehnung der Rückhaltestreifen 20. Die mittleren Abschnitte der schmalen Wände 16 und 18 werden jedoch gezwungen, sich aufgrund der existierenden Vorkrümmung inwärts auszudehnen, was zu einem größeren Grad an "Krümmung" mit einer erhöhten Durchbiegung führt. Dementsprechend werden die vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 des Verteilerwellenleiters 11 sich einwärts ausdehnen, wenn sie einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden. Die vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 biegen sich in den Wellenleiter um δ2, was zu einer Abnahme der Wölbung-zu-Wölbung-Abmessung führt (d. h. von A1 zu A2 (wobei A2 = A1 – 2 (δ2)), wie in 4A gezeigt. Es sollte verstanden werden, daß in Antwort auf die erhöhte Temperatur der gekrümmte Abschnitt der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 sich in der longitudinalen Richtung mit einer größeren Rate ausdehnen und biegen wird, als dies für die langen Wände 14 der Fall ist.
4B zeigt die Konfiguration der Wellenleiteranordnung 10 bei Umgebungstemperatur (rechte Hälfte der 4B) und bei erniedrigter Temperatur (linke Hälfte der 4B). Bei Umgebungstemperatur besitzt die longitudinale Länge "L" des Wellenleiters 11 einen Ausgangswert L_initial, die seitliche Abmessung der langen Wände 14 ist "A" und die Wölbung-zu-Wölbung-Abmessung zwischen den schmalen Wänden 16 und 18 beträgt A3.
Bei reduzierter Temperatur wird die longitudinale Länge "L" des Wellenleiters 11 gemäß dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in Anwesenheit erniedrigter Temperatur auf L_contract abnehmen. D. h. der Verteilerwellenleiter 11 wird sich in der Richtung quer zur Ebene des Querschnitts der in 4B gezeigten Wellenleiteranordnung 10 einfach aufgrund der thermischen Zusammenziehung zusammenziehen. Bei reduzierter Temperatur werden sich auch die langen Wände 14 in jeder Richtung um δ3 gemäß dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials zusammenziehen (und daher nehmen die seitlichen Abmessungen der langen Wände 14 von A auf A – 2(δ3) ab).
Die vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 werden sich auch zusammenziehen, sind jedoch durch die Rückhaltestreifen 20, die an jeder Seite der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 an ersten und zweiten seitlichen Punkten 5 und 7 mit dem Verteilerwellenleiter 11 gekoppelt sind, zurückgehalten. Da die Rückhaltestreifen 20 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) besitzen, der (um einen Faktor von soviel wie zehn) kleiner ist als derjenige der schmalen Wände 16 und 18 und der langen Wände 14, werden die ersten und zweiten seitlichen Punkten 5 und 7 während der Erniedrigung der Temperatur im wesentlichen an Ort und Stelle bleiben. Die Randabschnitte der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 werden aufgrund der relativ kleinen Zusammenziehung der Rückhaltestreifen 20 im wesentlichen an Ort und Stelle (an den seitlichen Punkten 5 und 7) bleiben. Die mittleren Abschnitte der schmalen Wände 16 und 18 werden jedoch gezwungen, sich aufgrund ihrer vorgegebenen Krümmung auswärts zusammenzuziehen, was in einer Abnahme des Grades der "Krümmung" mit einer geringeren Durchbiegung resultiert. Dementsprechend werden die schmalen Wände 16 und 18 des Verteilerwellenleiters 11 sich auswärts zusammenziehen, wenn sie einer erniedrigten Temperatur ausgesetzt werden. Die vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 biegen sich von dem Wellenleiter auswärts um δ4, wie in 4B gezeigt, was in einer Abnahme der Wölbung-zu-Wölbung-Abmessung resultiert (d. h. von A3 zu A4 (wobei A4 = A3 + 2 (δ4)). Es sollte verstanden werden, daß in Antwort auf die reduzierte Temperatur sich der gekrümmte Abschnitt der vorgekrümmten schmalen Wände und 18 in der Längsrichtung mit einer größeren Rate zusammenzieht, als dies für die langen Wände 14 der Fall ist.
Als ein Resultat der Änderungen der geometrischen Abmessungen, die als Resultat der Änderungen in der Temperatur innerhalb der Wellenleiteranordnung 10 auftreten, werden bestimmte Wellenlängeneigenschaften des Wellenleiters 11 sich auch ändern, wie beschrieben werden wird. Für einen typischen rechteckigen Wellenleiter ist die "geleitete Wellenlänge" allgemein definiert als der Abstand zwischen zwei Ebenen gleicher Phase entlang eines Wellenleiters. Die geleitete Wellenlänge eines Wellenleiters wird durch seinen Querschnitt bestimmt (und prinzipiell durch die effektive Größenabmessung oder die seitliche Abmessung der langen (oder breiten) Wand bei einem konventionellen rechteckigen Wellenleiter. Die "Phasenlänge" eines Wellenleiters ist allgemein definiert als die Zahl der Wellenlängen, die in die Länge des Wellenleiters paßt und wird allgemein bestimmt durch die Länge des Wellenleiters (d. h. "L" im Falle des Wellenleiters 11). Damit die Anzahl der Wellenlängen innerhalb eines Abschnittes des Wellenleiters 11 (d. h. die "Phasenlänge") in Anbetracht der Änderungen in der Wellenleiterlänge "L" aufgrund der thermischen Ausdehnung konstant bleibt, muß sich der Querschnitt des Wellenleiters 11 in einer ausgleichenden Weise verändern (d. h. die geleitete Wellenlänge angemessen variieren), so daß die Anzahl der Wellenlängen konstant bleibt.
Für eine elektromagnetische Welle, die sich in einem rechteckigen Wellenleiter ausbreitet, ist es konventionell bekannt, daß alle elektrischen und magnetischen Feldkomponenten durch die Exponentialfunktion multipliziert werden: e–jβz (1)wobei β die Ausbreitungskonstante und z der Abstand in Richtung der Ausbreitung ist. Für einen Wellenleiter der Länge L (wobei z = L) ist die Phasenlänge eines Wellenleiters für eine Welle, die sich von einem Ende zu dem anderen ausbreitet, β L. Deshalb kann die Phasenlänge der Welle durch Ändern von entweder L oder β gesteuert werden. Es ist auch allgemein bekannt, daß die Ausbreitungskonstante β eine Funktion der Betriebsfrequenz und der Querschnittsabmessungen des Wellenleiters ist. Für die TE10-Mode (die vorherrschende Mode) ist die Ausbreitungskonstante β: β = k2 – (π/a)2 (2)wobei a die effektive Größenabmessung des Wellenleiters und k eine Funktion der Frequenz ist (welche für die Zwecke der vorliegenden Erfindung als konstant angenommen wird). Deshalb kann die Ausbreitungskonstante β durch Erhöhen der effektiven Größenabmessung a erhöht werden. Die geführte Wellenlänge λ_g (wobei g für "geführt" steht) ist gegeben durch: λ_g = 2π/β (3)
Wie allgemein bekannt, hängt das elektromagnetische Verhalten eines konventionellen rechteckigen Wellenleiters stark von dem Wert der effektiven lateralen Abmessungen der langen (oder breiten) Wände ab. Beispielsweise hat für einen rechteckigen Wellenleiter, der allgemein in der TE10-Mode betrieben wird, die laterale Abmessung der schmalen Wände 16 und 18 einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Phasenänderung.
Zurückkommend auf 4A zeigt die rechte Seite der Figur den lateralen Querschnitt des Verteilerwellenleiters 11 bei einer Umgebungstemperatur, und die linke Seite zeigt den seitlichen Querschnitt bei einer erhöhten Temperatur. Bei der vorliegenden Erfindung ist die effektive seitliche Abmessung der langen Wände 14 ein Zwischenwert zwischen der ursprünglichen seitlichen Abmessung der langen Wände 14 (d. h. "A") und der äußeren Wölbung-zu-Wölbung-Abmessung (d. h. "A1"). Die effektive Größenabmessung des Wellenleiters 11 bei einer erhöhten Temperatur ist ein Zwischenwert zwischen der seitlichen Abmessung der langen Wände bei der erhöhten Temperatur (d. h. "A + 2(δ1)") und der Wölbung-zu-Wölbung-Abmessung bei erhöhter Temperatur (d. h. "A2" (wobei A2 = A1 – 2(δ2)).
Durch sorgfältige Ausgestaltung und Auswahl der Materialien des Wellenleiters 11 können die seitlichen Abmessungen δ2, die aus einer erhöhten Krümmung der vorgekrümmten Wände 16 und 18 resultieren, größer gemacht werden als die seitlichen Abmessungen δ1, die aus der einfachen Erhöhung in der Abmessung der langen Wände in Anbetracht einer Temperaturerhöhung resultieren. Als ein Resultat wird die effektive Größenabmessung des Verteilerwellenleiters 11 insgesamt aufgrund der strukturellen und materiellen Eigenschaften der Wellenleiteranordnung 10 vermindert, wenn die Temperatur steigt. Es wurde herausgefunden, daß es keine Lösung in geschlossener Form gibt, um den Wert für die effektiven Größenabmessungen des Verteilerwellenleiters 11 zu bestimmen und daß dieser Wert für jeden individuellen Fall (z. B. durch Computersimulation) bestimmt werden muß.
Bezug nehmend auf 4B zeigt die rechte Seite der Figur den lateralen Querschnitt des Verteilerwellenleiters 11 bei einer Umgebungstemperatur und die linke Seite zeigt den lateralen Querschnitt bei reduzierter Temperatur. Bei der vorliegenden Erfindung ist die effektive seitliche Abmessung der langen Wände 14 ein Zwischenwert zwischen der ursprünglichen seitlichen Abmessung der langen Wände 14 (d. h. "A") und der äußeren Wölbung-zu-Wölbung-Abmessung (d. h. "A3"). Die effektive Größenabmessung des Wellenleiters 11 bei einer reduzierten Temperatur ist ein Zwischenwert zwischen der seitlichen Abmessung der langen Wände bei einer reduzierten Temperatur (d. h. "A + 2(δ3)") und dem Wölbung-zu-Wölbung-Abstand bei reduzierter Temperatur (d. h. "A4" (wobei A4 = A3 + 2(δ4)).
Durch sorgfältige Ausgestaltung und Auswahl der Materialien des Wellenleiters 11 kann die seitliche Abmessung δ4, die aus der verminderten Krümmung der vorgekrümmten Wände 16 und 18 resultiert, größer gemacht werden als die seitliche Abmessung δ3, die aus der einfachen Abnahme in der Abmessung der langen Wände 14 in Anbetracht einer Temperaturabnahme resultiert. Als ein Resultat wird die effektive Größenabmessung des Verteilerwellenleiters 11 insgesamt aufgrund der strukturellen und materiellen Eigenschaften der Wellenleiteranordnung 10 erhöht, wenn die Temperatur abnimmt.
Wie aus Gleichung (3) entnommen werden kann, wird die geführte Wellenlänge für einen bestimmten Wellenleiter größer, wenn β kleiner wird (und entsprechend wenn die effektive Größenabmessung "a" des Wellenleiters zunimmt). Entsprechend wird die Phasenlänge auch zunehmen (d. h. eine größere Anzahl von Wellenlängen wird in die erhöhte Wellenlänge des Wellenleiters 11 passen), wenn die Länge "L" des Wellenleiters 11 aufgrund der erhöhten Temperatur und der Materialausdehnung steigt. Um die Phasenlänge zurück auf ihren Ausgangswert zu stellen, ist es dann notwendig, die Erhöhung der Länge "L" an eine Abnahme in der Ausbreitungskonstante β anzupassen, was erreicht werden kann durch Vermindern der effektiven Größenabmessung des Wellenleiters 11. Wie oben diskutiert, kann eine Abnahme der effektiven Größenabmessung des Wellenleiters 11 durch eine geeignete Auswahl und Anordnung der Materialien der Rückhaltestreifen 20, langen Wände 14 und vorgekrümmten Wände 16 und 18 (d. h. derart, daß der Wert δ2 wesentlich größer ist als der Wert δ1) erreicht werden.
Umgekehrt wird die Phasenlänge, wenn die Länge "L" des Wellenleiters 11 aufgrund reduzierter Temperatur und Materialzusammenziehung abnimmt, ebenfalls abnehmen (d. h. eine reduzierte Anzahl von Wellenlängen wird in die reduzierte Länge des Wellenleiters 11 passen). Um die Phasenlänge wieder auf ihren ursprünglichen Wert einzustellen, ist es notwendig, die Abnahme in der Länge "L" mit einer Zunahme in der Ausbreitungskonstante β auszugleichen, was durch Erhöhen der effektiven Größenabmessung des Wellenleiters 11 erreicht werden kann. Wie oben beschrieben, kann eine Zunahme in der effektiven Größenabmessung des Wellenleiters 11 durch geeignete Auswahl und Anordnung der Materialien der Rückhaltestreifen 20, langen Wände 14 und vorgekrümmten Wände 16 und 18 erzielt werden (d. h. derart, daß der Wert δ4 wesentlich größer ist als der Wert δ3).
Dementsprechend erlaubt es die Anordnung der Rückhaltestreifen 20 über den vorgekrümmten Wänden 16 und 18, daß die L-Abmessung des Wellenleiters 11 sich frei ausdehnt oder zusammenzieht gemäß den Materialeigenschaften (d. h. CTE) des Wellenleiters, während gleichzeitig die effektive Größenabmessung des Wellenleiters 11 durch geeignetes Variieren der Krümmung der vorgekrümmten Wände 16 und 18 gesteuert wird. Der Gesamteffekt ist, daß die Phasenlänge konstant gehalten wird (was für die elektrische Arbeitsleitung über Temperaturänderungen von Bedeutung ist).
5 zeigt die Bogenhöhe (h), Bogenlänge (l), Bogenwinkel (α), Bogensehnenlänge (c) und den Kreisradius (r) eines äquivalenten Kreises, der der Geometrie der kreisförmigen Bogenform der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 entspricht. Für ein Kreisbogensegment, das die Bogenhöhe (h), die Bogenlänge (l), den Bogenwinkel (α), den Kreisradius (r) und die Kreisfläche (a) besitzt, gelten die folgenden geometrischen Beziehungen (typische Gleichungen sind gegeben in Machinery's Handbook, 21. Auflage, Industrial Press, New York, 1981, Seite 154, die hierbei durch Bezugnahme einbezogen werden).
Diese Gleichungen können dazu verwendet werden, um die Querschnittsgeometrie des Wellenleiters 11 über Temperaturänderungen abzuschätzen. Die Änderung in der Krümmungshöhe kann aus der Ausdehnung oder Zusammenziehung der schmalen Wandabmessung (l) des Wellenleiters berechnet werden. Die Änderung in der Bogenlänge, mit einer beschränkten Änderung in der Abmessung (c) aufgrund der Rückhaltestreifen resultiert in einer Änderung in (h). Beispielsweise wird die Änderung (l) bei einer schmalen Wand eines Aluminiumwellenleiters mit einer nominalen Abmessung von 0,375 Zoll und einer ursprünglichen Abmessung (h) von 0,015–0,020 Zoll in einer Änderung in (h) von 0,002–0,003 Zoll über eine Temperaturänderung von 100°C resultieren. Die tatsächliche Änderung in (h) wird von der relativen Materialdicke und -steifheit abhängen, jedoch dienen die oben diskutierten einfachen Berechnungen als Ausgangspunkt.
6 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie die ursprüngliche Krümmung "h" in Zoll (wobei "D" von 1 "h" ist) der vorgekrümmten schmalen Wände 16 und 18 für einen aus Aluminium hergestellten Wellenleiter 11 von der Durchbiegung in Zoll abhängt, die resultiert, nachdem die Temperatur um 100°C erhöht wurde. Die beiden Linien zeigen, wie die Unterschiede in der Materialdicke und -steifheit zwischen Rückhaltestreifen 20 aus INVAR^TM und Titan sich auswirken in Unterschieden in der Kennlinie, die die ursprüngliche Krümmung gegenüber der resultierenden Durchbiegung betrifft. Allgemein kann gesehen werden, daß die obere Linie für Rückhaltestreifen 20 aus INVAR^TM zeigt, daß es für einen bestimmten Bereich der ursprünglichen Krümmung einen größeren Grad der Durchbiegung gibt, als in dem Fall von Rückhaltestreifen 20 aus Titan.
Die Wellenleiteranordnung 10 kann sowohl bei Ausgangsmultiplexern als auch bei Eingangsmultiplexern, die Verteiler verwenden, und anderen Anwendungen, die phasenstabile Wellenleiter benötigen, verwendet werden. Ein Multiplexer kann als Serie von Filtern implementiert werden, die über einen Verteiler (kurze Abschnitte eines Wellenleiters, die an einen gemeinsamen Wellenleiter angeschlossen sind) verbunden sind. Der Abstand zwischen den Filtern (gemessen in geführter Wellenlänge) ist für die Leistungsfähigkeit des Multiplexers von besonderer Bedeutung. Da die geführte Wellenlänge sich mit dem Querschnitt des Wellenleiters (z. B. des Wellenleiters 11) über die Temperatur ändert und sich der physikalische Abstand zwischen den Filtern mit der Temperatur ändert, ist, wie oben diskutiert, der konventionelle Ansatz, die Wellenleiterabmessungsänderungen durch die Verwendung von Materialien mit niedriger Ausdehnung zu minimieren. Dies erhöht die Spannungen in der Multiplexeranordnung aufgrund der CTE-Differenzen zu der Struktur, an welcher der Multiplexer montiert wird (z. B. einer Platte eines Raumfahrzeuges). Die Fähigkeit, den Wellenleiter 11 so zu kompensieren, daß die geführte Wellenlänge mit dem Abstand zwischen den Filtern des Verteilers über die Temperatur steigt oder abnimmt, ist ein großer Vorteil beim Realisieren einer leichtgewichtigen Multiplexeranordnung mit geringen Spannungen.
Wie für die Fachleute klar wird, sind verschiedene Modifikationen und Anpassungen der oben bestimmten Struktur möglich, ohne die vorliegende Erfindung zu verlassen, deren Reichweite in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.
ÜBERSETZUNG DES TEXTES IN DEN ZEICHNUNGEN

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Initial Curvature vs. Resultant Deflection: Ursprüngliche Krümmung gegenüber resultierender Durchbiegung
Aluminium Waveguide: Aluminiumwellenleiter
Deflection: Durchbiegung
Initial Curvature: Ursprüngliche Krümmung
Restraining Strip Material: Material des Rückhaltestreifens
Deflection [in] INVAR: Durchbiegung [Zoll] INVAR
Deflection [in] Titanium: Durchbiegung [Zoll] Titan

Claims

Wellenleiteranordnung zum Betrieb über einen Temperaturbereich, wobei die Wellenleiteranordnung umfaßt: (a) einen Wellenleitkörper (11), der eine wirksame große Abmessung (A) und eine Länge (L) hat, wobei der Wellenleitkörper wenigstens eine vorgekrümmte, schmale Wand (16, 18) hat, die aus einem Material gefertigt ist, das einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, gekennzeichnet durch (b) eine Vielzahl von Rückhaltestreifen (20), die sich über die vorgekrümmte, schmale Wand (16, 18) erstrecken und gekoppelt sind mit dem Wellenleitkörper auf beiden Seiten der vorgekrümmten, schmalen Seitenwand an ersten und zweiten seitlichen Punkten (5, 7), wobei die Rückhaltestreifen (20) voneinander beabstandet und entlang der Länge des Wellenleitkörpers (11) vorgesehen und aus einem Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind, der wesentlich geringer als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient ist, und (c) wobei die Vielzahl von Rückhaltestreifen (20) verwendet ist, um einen im wesentlichen konstanten, seitlichen Abstand zwischen den ersten und zweiten seitlichen Punkten über den Temperaturbereich derart zu erhalten, daß wenn die Länge des Wellenleiters mit der Temperatur variiert, der Krümmungsgrad der wenigstens einen vorgekrümmten, schmalen Wand variiert, um die wirksame große Abmessung der Wellenleiteranordnung zu veranlassen, sich derart zu verändern, daß die Kombination der Änderungen zu einer konstanten Phasenlänge für den Wellenleitkörper führt, wenn sich der Wellenleitkörper mit der Temperatur dehnt oder zusammenzieht.
Wellenleiteranordnung nach Anspruch 1, worin der Wellenleitkörper vorgekrümmte, schmale Wände umfaßt.
Wellenleiteranordnung nach Anspruch 1, worin der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient um einen Faktor von wenigstens 10 kleiner als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient ist.
Wellenleiteranordnung nach Anspruch 1, worin die vorgekrümmte, schmale Seitenwand von den Rückhaltesteifen weggekrümmt ist.
Wellenleiteranordnung nach Anspruch 1, worin die Rückhaltestreifen an den Wellenleitkörper beidseitig der vorgekrümmten, schmalen Wand geschraubt sind.
Wellenleiteranordnung nach Anspruch 1, worin das Material, daß die vorgekrümmte, schmale Wand umfaßt, ein Material ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminiumlegierung und Magnesiumlegierung besteht.
Wellenleiteranordnung nach Anspruch 1, worin das Material, daß die Rückhaltestreifen umfaßt, ein Material ist, das aus der Gruppe, gewählt ist, die aus Eisenlegierung und Nickellegierung besteht.