DE69122296T2

DE69122296T2 - Raumfeldleistungsaddierer

Info

Publication number: DE69122296T2
Application number: DE69122296T
Authority: DE
Inventors: George H Macmaster; Raghuveer Mallavarpu; M Paul Puri
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1990-05-02
Filing date: 1991-05-01
Publication date: 1997-03-20
Anticipated expiration: 2011-05-02
Also published as: EP0455485A2; IL97851A0; JP2918352B2; EP0455485B1; IL97851A; JPH04229701A; EP0455485A3; US5142253A; DE69122296D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Signalkombinierer enthaltend
eine Mehrzahl von koaxialen Übertragungsleitungen, die an einem ersten Ende des Signalkombinierers angeordnet sind;
eine entsprechende Mehrzahl von planaren Übertragungs leitungen;
eine entsprechende Mehrzahl von Feldumformungsmitteln;
Signalabsorptionsmittel, welche neben den planaren Übertragungsleitungen angeordnet sind, um Hochfrequenzener gie in einem Ungleichgewichtsmodus zu absorbieren; und Mittel zur Kombination der längs der Mehrzahl von planaren Übertragungsleitungen übertragenen Signale;
wobei jede der Feldumformungsmittel eine entsprechende der koaxialen Übertragungsleitungen an eine entsprechende der planaren Übertragungsleitungen ankoppeln.
Es besteht gegenwärtig eine Notwendigkeit, eine Hochfrequenzenergiequelle über ein breites Frequenzband, beispielsweise 2,0 bis 20 GHz, bei Leistungspegeln bereitzustellen, welche im wesentlichen eine Größenordnung größer (hunderte von Watt kontinuierlich) sind, als dies durch gegenwärtig verfügbare Quellen erreicht werden kann. Es besteht auch ein Bedarf daran, eine Hochfrequenzleistungsquelle über diesen Frequenzbereich verfügbar zu haben, welche nicht einen totalen Verlust der Ausgangsleistung erleidet, falls die die Leistung liefernde Röhre schadhaft wird. Selbst wenn also eine Rlhre verfügbar wäre, welche das gewünschte Leistungsniveau über das Frequenzband hin erbrächte, so wäre doch eine Leistungsquelle vorzuziehen, bei der nur eine Leistungsverminderung im Falle eines Röhrenfehlers auftritt, und nicht ein Gesamtverlust der Hochfrequenz leistung.
Eine Aufteiler-/Kombinierer-Verstärkerschaltung mit intern vorgesehenen Halbleiterverstärkern ist in dem US-Patent 4 424 496 offenbart. In diesem Patent wird das Eingangssignal aufgeteilt und zu jedem einer Anzahl von Festkörper-Verstärkerelementen geführt, die in einer Anzahl isolierter Kanäle montiert sind, welche kombiniert werden, um einen einzigen Ausgang zu liefern. Eine Fehlerhaftigkeit eines oder mehrerer der Verstärkerelemente bewirkt eine graduelle Verminderung der Ausgangsleistung. Die intern angeordneten Verstärker der Verstärkerschaltung des angezogenen Patents beschränken den Gesamt-Leistungsausgang und das Frequenzband des Kombinierers auf ein Vielfaches der jeweils aufbringbaren Leistung jedes der Halbleiterverstärker, die in dem Aufteiler-/Kombinierer enthalten sind. Da diese Verstärker im allgemeinen niedriger Ausgangsleistung sind, ist die Gesamtleistung von dem Aufteiler-/Kombinierer stärker als in vielen Anwendungsfällen erwünscht, begrenzt. Es kann auch eine Begrenzung bezüglich der verfügbaren Bandbreite herrschen, welche mit jedem der Halbleiterverstärker erzielbar ist. Eine weitere mögliche Beschränkung der Aufteiler-/Kombinierer-Verstärkerschaltung des angezogenen Patents besteht darin, daß der Aufteilerabschnitt der Verstärkerschaltung die Eingangsleistung von einer einzelnen Quelle zu jedem der Halbleiterverstärker vermindert. In dem Verstärker nach dem angezogenen Patent sind keine Vorkehrungen getroffen, um von einer Mehrzahl von externen Verstärkern Eingangsleistung zu einer passiven Kombiniererschaltung zu liefern.
Hohe Dauerstrichleistungen (500 W bis 1 kW) über mehrere Oktaven umfassende Frequenzbänder bis hinauf zu 20 GHz sind in vielen Mikrowellenanwendungen erwünscht. Normalerweise verwendet man eine Wanderwellenröhre hoher Leistung, doch erfüllt diese nur teilweise die Erfordernisse bezüglich Leistung und Bandbreite. Auch eine Hochleistungs-Wanderwellenröhre mit Einzelröhre weist die Beschränkungen bezüglich Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Wirkungsgrad usw. auf. Die Technik der Leistungskombination mit mehreren Geräten zum Erzielen höherer Leistung wird allgemein mit Festkörpergeräten geübt, beispielsweise GaAs-Feldeffekttransistoren, GaAs-IMPATT-Dioden und Bipolartransistoren. Beispielsweise hat man GaAs-IMPATT-Dioden in einem TM&sub0;&sub2;&sub0;- Raum zusammengefaßt, um Spitzenleistungen bis zu 1 kW im X- Band mit 1% Bandbreite zu erzeugen. GaAs-Feldeffekttransistorverstärker werden häufig kombiniert, wobei unterschiedliche Versionen des radialen Kombinierers verwendet werden. Die Wilkinson-Schaltung, die modifizierte Wilkinson-Schaltung und Wanderwellenkombinierer sind andere Arten von Kombinierern, welche je nach Leistungs- und Bandbreiteanforderungen normalerweise verwendet werden.
Die EP 0 333 568 (entsprechend US-A-4 933 651) beschreibt einen Signalkombinierer der zuvor eingangs definierten Art, bei welchem die planaren Übertragungsleitungen radial in einer Konstruktion ausgebildet sind, welche obere und untere parallele Metallscheiben enthält, die an einer Umfangsmetallwand befestigt und von dieser im Abstand gehalten werden, in der eine Mehrzahl koaxialer Verbinder gleichförmig verteilt angeordnet sind. Jede planare Übertragungsleitung wird durch ein Paar radialer Schlitze in der unteren Scheibe begrenzt und hat eine radiale Metallrippe, welche über einen Koppler mit einem der koaxialen Verbinder an dem radial äußeren Ende verbunden ist und in der Höhe zu einer Öffnung in der Mitte der unteren Scheibe am radial inneren Ende hin abnimmt. Eine zylindrische leitende Hülse erstreckt sich senkrecht von dem Rand dieser Öffnung an der Außenseite der unteren Scheibe weg und ein leitender Stab, der an dem Zentrum der Innenfläche der oberen Scheibe befestigt ist, erstreckt sich koaxial in die Hülse hinein, um mit ihr eine koaxiale Ausgangsleitung zu bilden. Das feststehende Ende des Stabs und die Innenfläche der Öffnung sind gekrümmt, um eine elektromagnetische Kopplung zwischen der koaxialen Ausgangsleitung und dem Raum zwischen den Scheiben zu erreichen. Um elektromagnetische Strahlungsenergie zu absorbieren, die von der Unsymmetrie zwischen den planaren Übertragungsleitungen herrührt, sind Widerstände an Viertel-Wellenlängen-Positionen relativ zu den Enden der Schlitze eingesetzt und absorbierendes Material kann in der Nachbarschaft der Schlitze außerhalb des Raums zwischen den Schlitzen vorgesehen sein. Jeder einem koaxialen Verbinder zugeordnete Koppier wird durch ein L- förmiges Metallblatt gebildet, das den Mittelleiter des Verbinders elektrisch mit der unteren Scheibe verbindet und auf der Oberseite eine Rippe aufweist, die als ein radialer Fortsatz der Metallrippe der jeweiligen planaren Übertragungsleitung ausgebildet ist. Die elektromagnetische Kopplung zwischen dem Kopplerblatt und der planaren Übertragungsleitung wird durch einen ballonartigen Übergang zwischen einer koaxialen symmetrischen Leitung und einer asymmetrischen Leitung im radialen TEM-Modus erreicht. In Aufsicht ist das Kopplerblatt im wesentlichen ein Kreissektor mit einer radialen Länge entsprechend einer viertel Wellenlänge.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Signalkombinierer der zuvor eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Feldumformungsmitteln eine Mehrzahl von inneren Leitern, die jeweils zwischen dem Innenleiter der zugehörigen koaxialen Übertragungsleitung und einem ersten Leiter der zugehörigen planaren Übertragungsleitung angeordnet sind, sowie einen Außenleiter enthält, der zwischen dem Außenleiter der koaxialen Übertragungsleitung und einem zweiten Leiter der planaren Übertragungsleitung angeordnet ist, so daß jedes Feldumformungsmittel als eine versetzte Koaxialleitung arbeitet. Für Anwendungsfälle, welche die Handhabung hoher Dauerstrichleistungen (hunderte von Watt kontinuierlich) über eine Bandbreite von mehreren Oktaven erfordern, gestattet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die Kombination von Mini-Wanderwellenröhren. Da diese Röhren hochzuverlässig sind, guten Wirkungsgrad haben und über Bandbreiten von mehreren Oktaven gut arbeiten, überträgt sich das Problem auf den Leistungskombinierer, welcher unter anderen Eigenschaften gute Bandbreiteeigenschaften und die Fähigkeit der Handhabung hoher Durchschnittsleistungen haben sollte. Jeder der zu kombinierenden Wanderwellenröhren hat einen Ausgang im Bereich von 50 bis 250 W im Dauerstrich, und es ist wesentlich, daß ein hoher Grad von Isolation zwischen den Eingangsanschlüssen des Kombinierers nicht nur in dem gewünschten symmetrischen Betriebszustand sondern auch dann aufrecht erhalten wird, wenn einige der Wanderwellenröhren ausgefallen sind.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung führen zu
einem Hochfrequenzenergiekombinierer, welcher eine hohe Ausgangsleistung über eine große Bandbreite von einer Mehrzahl von Verstärkern liefert, die außerhalb des Kombinierers angeordnet sind, wobei jeder Verstärker verhältnismäßig niedrige Ausgangsleistung hat; und zu
einem Kombinierer zum Zusammenfassen der Ausgänge einer Mehrzahl von Verstärkern, der eine Ausgangsleistung zur Verfügung stellt, welche allmählich mit dem Schadhaftwerden eines oder mehrerer der treibenden Verstärker abfällt, so daß ein katastrophaler Ausfall nicht auftritt.
Im einzelnen ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines Leistungskombinierers für Mikrowellenverstärker, entweder als Röhren oder als Festkörpergeräte, vorgesehen, wobei deren Ausgänge jeweils als Eingang zu einem von einer Mehrzahl von Eingängen des Kombinierers geführt werden. Insbesondere kann der Kombinierer mit Vorteil dazu verwendet werden, die Leistung von breitbandigen Wanderwellenröhren niedriger Leistung zu kombinieren. Der Kombinierer liefert eine einzige Ausgangsleistung, welche im wesentlichen gleich der Summe der Leistungen ist, die von den Eingangverstärkern geliefert werden.
Verglichen mit dem Lösungsversuch unter Verwendung einer einzigen Wanderwellenröhre hoher Leistung hat die bevorzugte Kombiniererschaltung nach der vorliegenden Erfindung verschiedene wesentliche Vorteile. Diese sind ein niedrigerer Gleichstrom-Leistungsbedarf, niedrigere Betriebsspannungen, das Entfallen eine Solenoids und der Leistungsversorgung für die Wanderwellenröhren niedriger Leistung, eine maßvolle Verschlechterung, erhöhte Lebensdauer, verbesserte Reparaturfreundlichkeit und größere Zuverlässigkeit.
Als Beispiel für einen sechskanaligen Kombinierer und für das Frequenzband von 6 bis 18 GHz sowie für die Annahme, daß 250 W-Wanderwellenröhren zusammengefaßt werden, ergibt sich dann, daß der gesamte Gleichstromleistungseingang der Wanderwellenröhren, der an den Kombinierer gelegt wird, weniger als 4,8 kW, also nahezu 4 kW weniger ist, als er für eine äquivalente einzelne Hochleistungs-Hochspannungs- Wanderwellenröhre mit Spulenfokussierung erforderlich ist. Dies hat eine verminderte Größe der Leistungsquelle, ein vermindertes Gewicht und verminderte Leistungsverluste zur Folge. Zusätzlich werden die elektrischen und thermischen Belastungen des Systems vermindert.
Die Strahl-Betriebsspannung von 6,2 kV für Wanderwellenröhren niedriger Leistung wie in dem vorausgehenden Beispiel ist wesentlich niedriger als die charakteristischen kV oder darüber, wie sie für eine einzige Wanderwellenröhre hoher Leistung erforderlich sind. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Hochspannungsisolation unter Umgebungsbedingungen in Flugkörpern. Als Ergebnis davon, daß jede Mini-Wanderwellenröhre niedriger Leistung mittels Permanentmagneten fokussiert wird, wird die Notwendigkeit einer Fokussierungsspule und der Leistungszufuhr beseitigt. Hieraus ergibt sich eine Verminderung des Leistungsverbrauchs und des Gewichts.
Eine Mehrzahl von Wanderwellenröhren niedriger Leistung in einer Kombiniereranordnung führt zu dem Vorteil einer maßvollen Verschlechterung. Ein katastrophaler Ausfall in einer Wanderwellenröhre oder in mehreren Wanderwellenröhren resultiert nicht in einem vollständigen Ausfall des Systems und der Sender liefert immer noch Ausgangsleistung. Die Kühlung des Kombinierers gestattet ihm Leistung im unsymmetrischen Betrieb auf dem Niveau von mehreren hundert Watt zu vernichten, welche beim Ausfall der halben Zahl von Eingangsquellen auftreten würden (, was die maximale Energievernichtung in dem Kombinierer bewirkt).
Die Lebensdauer der Mini-Wanderwellenröhren übersteigt 10000 Stunden. Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Lebensdauer einer einzelnen Wanderwellenröhre hoher Leistung. Solches in Verbindung mit dem Merkmal der maßvollen Verschlechterung erhöht beträchtlich den MTBF- Kennwert des Systems gegenüber der Lösung mit der einzelnen Wanderwellenröhre.
Die Reparierbarkeit des vorgeschlagenen Geräts ist ein Merkmal, welches die Kosten des Systems über die Lebensdauer beträchtlich vermindert. Dies folgt aus der Zahl der Hauptbauteile, welche ersetzt werden können, ohne daß die Notwendigkeit der Handhabung im Vakuumgehäuse besteht, nämlich der einzelnen Wanderwellenröhren und des Kombinierers. Die geschätzten Kosten für eine Hauptreparatur (Ersatz der Wanderwellenröhre) für das vorgeschlagene Gerät sind um einen Faktor vier kleiner als für eine einzelne Wanderwellenröhre hoher Leistung. Die Wiederverwendbarkeit der passiven Bauteile, des Kombinierers und des Röhrengehäuses vermindert auch die durchschnittlichen Kosten der Reparatur. Faktoren, welche eine höhere Zuverlässigkeit ergeben, sind die niedrigere Betriebsspannung, verminderte thermische Verluste, aktive Bauteile niedrigerer Leistung (Mini-Wanderwellenröhren) und die maßvolle Verschlechterung.
Zum Erreichen dieser Ziele und Merkmale besitzt ein zylindrischer Kombinierer mit Mehrfachanschlüssen entsprechend der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft einer maßvollen Verschlechterung und einen hohen Grad der Isolation (25 dB) zwischen den Anschlüssen sowie einen hohen Kombinationswirkungsgrad (> 90%), sowie einen Aufbau, welcher umfangsmäßig getrennte Innen- und Außenleiter enthält, welche radial beabstandet sind, und eine Mehrzahl von Übertragungsleitungen bilden, die in einem symmetrischen Betriebsmodus arbeiten. Die radial beabstandeten Innen- und Außenleiter jeder Übertragungsleitung erstrecken sich in Längsrichtung und haben innere und äußere Hochfrequenzabsorber an den äußersten Bereichen jedes der umfangsmäßig getrennten nebeneinanderliegenden Innenleiter bzw. Außenleiter. Ein entsprechendes Ende jedes der Mehrzahl von Übertragungsleitungen ist so ausgebildet, daß es eine angepaßte Impedanz zu Verbindern bildet, an welche eine einer entsprechenden Anzahl von phasenangepaßten Hochfrequenzquellen gelegt ist. Das andere Ende jeder Übertragungsleitung ist mit seinen Innenleitern bzw. Außenleitern jeweils über abgetreppte Impedanztransformationsabschnitte parallel geschaltet, um einen Ausgangsverbinder zum Anschluß an einen Hochfrequenzverbraucher zu bilden. Die Übertragungsleitungen und die Impedanztransformationsabschnitte sind durch Längsschlitze in Sektoren unterteilt und unterhalten ein Hochfrequenzfeld des gewünschten symmetrischen Betriebsmodus, welches sich nicht über die zugekehrten Oberflächen benachbarter radial beabstandeter Innen- und Außenleiter zu den Absorbern erstreckt. Wenn ein Fehler einer Quelle auftritt, so erzeugt der resultierende unsymmetrische Betrieb ein Feld, welches sich in die Absorber erstreckt, die das Feld des unsymmetrischen Betriebsmodus abschwächen und dies resultiert in einer Stabilität des mitexistierenden symmetrischen Betriebsmodus. Der Leistungsausgang Po in dem symmetrischen Betriebsmodus folgt der Beziehung für die maßvolle Verschlechterung, welche nachfolgend angegeben wird.
Po = η * ((n-f)/n)² * PT
n = Anzahl der Eingangsanschlüsse
f = Anzahl der fehlerhaft gewordenen Quellen
PT = Summe der Leistung sämtlicher ursprünglich Leistung abgebender Quellen
η = Wirkungsgrad (typischerweise 90-95%)
Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 einen schaubildliche Darstellung eines Signalkombinierers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Gestalt ist;
Fig. 2 einen Längsschnitt entsprechend der in Fig. 1 angedeuteten Schnittlinien II-II darstellt;
Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Kombinierers 10 ist;
Fig. 4A eine Aufsicht auf einen Innenleiter 20 aus den Fig. 2 und 3 zeigt;
Fig. 4B ein Querschnitt längs der in Fig. 4A gezeigten Schnittlinien IV-IV ist;
die Fig. 4C und 4D eine rechte bzw. eine linke Stirnansicht des Innenleiters 20 von Fig. 4A zeigen;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Kombinierers der Fig. 1 und 2 längs der Schnittlinien IV-IV wiedergibt;
Fig. 6 eine schaubildliche Darstellung ist, die die Verbindung des Kombinierers 10 mit einer Mehrzahl von Hochfrequenzwellen und einem einzigen Verbraucher zeigt;
Fig. 7 elektrische Feldlinien für einen vierkanaligen Kombinierer darstellt;
Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist; und
die Fig. 9A bis 9C elektrische Feldbilder für die Koaxialleitung 74, die Anordnung von Hülsen 31 in der Kammer und für die Parallelplatten-Übertragungsleitung 19 längs der in Fig. 2 eingezeichneten Schnittlinien IXA-IXA bzw. IXB-IXB bzw. IXC-IXC zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Kombinierers 10 nach der vorliegenden Erfindung. Der Kombinierer 10 enthält ein Gehäuse 11, das eine Mikrowellenschaltungsanordnung für die Impedanzanpassung der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen 12 an innere Übertragungsleitungen enthält, welche durch abgetreppte Übertragungsleitungen eine Impedanztransformation erfahren, bevor sie kombiniert und an den einzigen Ausgangsanschluß 13 impedanzangepaßt werden.
Es sein nun Fig. 2 betrachtet. Der Kombinierer 10 von Fig. 1 ist in einem Längsschnitt gezeigt, der längs der Schnittlinien II-II von Fig. 1 gelegt ist. Der Kombinierer enthält einen in Längsrichtung geschlitzten Innenleiter und einen in Längsrichtung geschlitzten zylindrischen Außenleiter 21. Hochfrequenzenergie, die an die Eingangsverbinder 12 geliefert wird, breitet sich in dem Raum 22 der Übertragungsleitungen 19, die durch jedes Paar einander gegenüberstehender Innen- bzw. Außenleiter 20 und 21 gebildet werden, zu dem kombinierten Ausgang am Verbinder 13 hin aus. Der Eingangsabschnitt 23 des Kombinierers 10 enthält eine Verbinder-Endhalterung 24, welche (für einen achtkanaligen Kombinierer) acht im gleichen Winkelabstand gelegene Bohrungen 25 aufweist, in welchen die Koaxialleitungen 74, die an die Verbinder 12 angesetzt sind, durch einen Satz von Schrauben 26 befestigt sind. Der Mittelleiter 27 der Koaxialleitungen 74 ragt über die Innenwand 28 der Endhalterung 24 vor, während die Isolation 29 und der Außenleiter 89 bündig mit der Wand 28 enden. Eine sich in Längsrichtung erstreckende zylindrische Halterung 38 der Endhalterung 24 bildet einen Anschlag für den Außenleiter 89, um die Strekke einzustellen, um welche der Mittelleiter 27 über die Innenwand 28 vorsteht. Eine metallische Hülse 31 ist über den Mittelleiter 27 geschoben und steht damit in elektrischem und mechanischem Kontakt. Die Hülse hat einen Abschnitt 32 kleinen Durchmessers, welcher in einer Bohrung 68 im Ende 67 (Fig. 4) des Innenleiters 20 Aufnahme findet. Der Abschnitt größeren Durchmessers der Hülse 31 reicht bis zur Oberfläche 64 (Fig. 4) des Leiters 20. Auf diese Weise bildet die Hülse 31 den Mittelleiter einer versetzten Koaxialleitung, deren Außenleiter durch den zylindrischen axialen Fortsatz 38 gebildet ist. Die versetzte Koaxialleitung hat eine Impedanz (Wellenwiderstand) von 50 Ohm zur Anpassung an die 50-Ohm-Impedanz der Koaxialleitung 74 und die 50- Ohm-Impedanz der Übertragungsleitung 19, an welche sie angeschlossen ist.
Der Außenleiter 21 ist mit einer Endbohrung versehen, über welche er mittels eines Stifts 35 entfembar befestigt ist, der in die Endhalterung 24 eingepreßt ist. Die Innenfläche 36 des Endes 33 des Außenleiters 21 ist ausgenommen und stützt sich an dem axialen Zylinder 38 ab, der von der Wand 28 der Endhalterung 24 vorsteht, um im Bereich der Hülse 31 eine glatte Oberfläche 36 vorzusehen. Der Innenleiter 20 ist gleichförmig abgeschrägt und durch einen Luftspalt 22 von dem Außenleiter 21 getrennt.
Mittels einer Schraube 39 ist an der Endhalterung 24 ein elektrisch leitender Zylinder 40 befestigt, der einen ersten Durchmesser 41 und einen zweiten, größeren Durchmesser 42 aufweist. Der Durchmesser 42 ist ausreichend kleiner als der Innendurchmesser der Leiter 20, um einen Zylinder aus mikrowellenabsorbierendem Material 43 zwischen den Zylinder 40 und den Innenleiter 20 einsetzen zu können. Der Zylinder 40 weist eine Wand 44 auf, welche von der Wand 28 der Endhalterung 24 einen Abstand hat, wobei die Endhalterung zusammen mit dem Abschnitt des ersten Durchmessers 41 des Zylinders 40 eine Kammer 45 bildet. Es ist wünschenswert, daß die Viertel-Wellenlängen-Übertragungsleitung, welche von dem Material 43 eingenommen wird, bei einer Resonanzfrequenz oberhalb des Betriebsbands von der Kammer 45 aus gesehen eine Kurzschluß-Eingangsimpedanz hat. Die Kammer 45 wirkt im Sinne einer Abstimmung der Störmoden auf eine Frequenz oberhalb des Betriebsbands des Geräts. Die axiale Länge des Zylinders 40 ist so gewählt, daß sich die Kurzschlußimpedanz ergibt. Das Material 43 kann fortgelassen werden, doch ist sein Vorhandensein vorzusehen, damit Energie absorbiert wird, welche an diesem Ort, herrührend von Energie unsymmetrischer Betriebsmoden von den segmentierten Leitern 20 vorhanden sein kann, wie weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 7 diskutiert wird. Anstehend an dem Ende 34 des Zylinders 40 ist ein elektrisch nicht-leitfähiges mikrowellenabsorbierendes Material 46 in Gestalt eines abgesetzten Zylinders vorgesehen, der sich vorzugsweise in Berührung mit den umgebenden segmentierten inneren Leitern 20 und 49 befindet.
In Kontakt mit den Außenleitern 20 und 50 befindet sich ein Zylinder 47 aus elektrisch nicht-leitfähigem mikrowellenabsorbierendem Material, welcher in Längsrichtung in zwei Hälften 47' und 47" aufgeteilt ist, um das Herumlegen des Materials 47 um den Umfang der Außenleiter 21 zu erleichtem.
Nun sei die Ausgangsseite 14 des Kombinierers 10 betrachtet. Eine Endhalterung 48 hält den Ausgangsverbinder 13 und den inneren abgesetzten Leiter 49' sowie den äußeren abgesetzten Leiter 50'. Die inneren Leiter 49 und die äußeren Leiter 50 sind in Längsrichtung durch Luftspaltschlitze 51 bzw. 52 segmentiert, wie in der perspektivischen Darstellung des Kombinierers 10 von Fig. 3 erkennbar ist. Die Schlitze 51 und 52 sind Fortsetzungen der Schlitze 72 bzw. 73 (Fig. 5), welche die Leiter 20 bzw. 21 voneinander trennen. Die inneren abgesetzten Leiter 49 haben ihre Schlitze 51 in radialer Ausrichtung mit den Schlitzen 52 der äußeren geschlitzten Leiter 50. Die Zahl der Schlitze 51 und 52 wird durch die Anzahl der Eingangsanschlüsse 12 bestimmt. Die geschlitzten Leiter 49 und 50 sind voneinander durch den Luftspalt 53 getrennt und bilden abgetreppte Übertragungsleitungen 77 nach Art von Parallelplattenleitungen. Die Leitungen 77 unterhalten eine longitudinale TEM-Ausbreitung der elektromagnetischen Energie, die durch die Mikrowellenübertragunsleitungen 19 geliefert wird, welche durch die radial beabstandeten geschlitzten Leiter 20 und 21 gebildet werden, die an die Leiter 49 bzw. 50 angeschlossen sind. Der Radius und die Breite der abgetreppten geschlitzten Leiter 49 und 50 nimmt zu ihren nächst dem Ausgangsverbinder 13 gelegenen Enden hin ab. Die Schlitze 51 und 52 enden an dem Bereich kleinsten Durchmessers der abgetreppten geschlitzten Leiter 49 und 50, wo diese Leiter zu massiven Leitern 49' bzw. 50' einer sich verjüngenden Koaxialleitung 78 werden. Das Verhältnis der Durchmesser der Leiter 49 und 50 erhöht sich mit jedem Schritt in Richtung auf den Verbinder 13 hin, um die Impedanz der abgetreppten Übertragungsleitung 77 mit jedem Schritt zu erhöhen. Die Impedanz der sich verjüngenden Koaxialleitung 78 ist Z ( in der Praxis 50 Ohm). Die geschlitzte Übertragungsleitung 77 beginnt an einem Bereich 84, wo die Impedanz nZ Ohm beträgt. Die abgetreppte Übertragungsleitung 77 transformiert diese Impedanz auf Z Ohm in einen Bereich, in dem sie mit der Übertragungsleitung 19 verbunden ist. Der Bereich 84 ist dort, wo die Schlitze 51 und 52 die Bildung der Koaxialleitung 78 beenden. n" ist die Anzahl von Eingangsanschlüssen 12. Für n = 8 Eingangsanschlüsse und für einen Wert von Z von 50 Ohm ist nZ = 400 Ohm. Die Parallelimpedanz der acht Leitungen 77 in dem Bereich 84 ist Z = 50 Ohm, was in Anpassung zu der Impedanz der sich verjüngenden Koaxialleitung 78 und dem Anschluß 13 steht, welche jeweils eine Impedanz von 50 Ohm haben. Folglich liefern die parallel geschalteten abgetreppten Übertragungsleitungen 77 eine Anpassung zwischen der -Impedanz von 50 Ohm der sich verjüngenden Koaxialleitung 78, welche von den Leitern 49' und 50' gebildet wird, und der Impedanz von 50 Ohm der Parallelplatten-Übertragungsleitungen 19, welche von den Leitern 20 und 21 gebildet werden. Die Innenleiter 49' und Außenleiter 50' haben Durchmesser, deren Verhältnis konstant ist, weshalb sie eine Impedanz von 50 Ohm über die Länge der Koaxialleitung 78 erzeugen. Die Anzahl der Stufen 55 und 56, die Höhe der Stufen, die Längserstreckung jeder der Stufen und die Versetzung in Längsrichtung der Stufen der Leiter 49 und 50 sind so ausgelegt, daß eine Tchebyscheff-Impedanzanpassung oder binomiale maximal flache Impedanzanpassung über die Frequenzbandbreite erzeugt wird, bei welcher der Kombinierer 10 verwendet wird. Bei der Auslegung der bevorzugten Ausführungsforrn sollen sechs Stufen in einer Betriebsdämpfung von weniger als 0,5 dB über das Frequenzband von 2,5 bis 10 GHz resultieren.
Die abgetreppten Leiter 49 und 50 sind durch Schrauben 57 mit den Enden 60 bzw. 60' der Leiter 20 bzw. 21 verbunden. Das andere Ende des Leiters 20 ist über die Hülse 31 an dem Mittelleiter 27 der Koaxialleitung 74 angeschlossen. Die Länge und der Durchmesser der Hülse 31 zwischen dem Ende des Leiters 20 und der Isolation 29 der Leitung 74 sind so gewählt, daß eine Impedanzanpassung zwischen der Impedanz der Koaxialleitung 74 und der Impedanz der Übertragungsleitung 19 erhalten wird, welche von den Leitern 20 und 21 gebildet wird. Das andere Ende des Außenleiters 21 ist durch den Stift 35 mit der Endhalterung 24 verbunden und stützt sich auf der zylindrischen Halterung 38 der Endhalterung 24 ab. Der Leiter 21 hat einen Innenfläche 36 und eine Außenfläche mit jeweils unterschiedlichen konstanten Radien und besitzt über seine Länge hin gleichförmigen Querschnitt.
Der Innenleiter 20 ist entsprechend den Darstellungen in den Fig. 4A bis 4D ausgebildet. Die Aufsicht des Leiters 20 ist in Fig. 4A gezeigt und läßt erkennen, daß er sich in Längsrichtung von einer Breite aus verjüngt, welche mit derjenigen des inneren abgetreppten Leiters 49 übereinstimmt, wo diese Teile miteinander durch eine Schraube 57 verbunden sind, welche durch eine Bohrung 59 am Ende 60 des Leiters 20 geführt ist. Das Ende 60 besitzt eine Ausnehmung 62, welche sich mit einer passenden Ausnehmung 61 an dem Ende des inneren abgtreppten Leiters 49 überlappt Fig. 4D zeigt eine Stirnansicht des Leiters 20 und läßt die Ausnehmungen 62 des Endes 60 und die geschrägte obere Fläche 64 des Leiters 20 erkennen. Ein Längsschnitt des Leiters 20 entsprechend der in Fig. 4A angedeuteten Schnittlinien IV- IV ist in Fig. 4B gezeigt, welche die geschrägte obere Fläche 64 des Leiters 20 erkennen läßt. Fig. 4B zeigt auch die Innenfläche 66 des Leiters 20, welche konstanten Radius von der Achse 37 des Kombinierers 10 aus hat, ebenso wie die innere und äußere Fläche des Leiters 21. Die Fläche 66 und die in Fig. 4B hintenliegende Kante 65 scheinen zu divergieren, da die Breite des Leiters 20 sich, wie in Fig. 4A gezeigt, verändert.
Das andere Ende 67 des Innenleiters 20 enthält eine sich axial erstreckende Bohrung 68, wie man aus Fig. 4B und 4C erkennt, welch letztere eine hintere Stirnansicht des Endes 67 des Leiters 20 ist. Die Bohrung 68 hat denselben Durchmesser wie der Abschnitt kleineren Durchmessers der Hülse 31 von Fig. 2. Die Hülse 31, die mit strenger Passung über den Mittelleiter 27 geschoben ist, bietet dem Leiter an dem Ende 67 Abstützung. Das Ende 67 besitzt in Querrichtung Abschrägungen 69, welche größer als die Verjüngung 70 über den Hauptteil des Leiters 20 hin sind. Die Abschrägungen 69 erzeugen eine Impedanzanpassung an der versetzten Übertragungsleitung, welche durch den Abschnitt größeren Durchmessers der Hülse 31 und die zylindrische Halterung 38 gebildet ist. Die Abschrägung 70 führt zu einer Vergrößerung der Breite des Leiters 20 und in Verbindung mit einer entsprechenden Vergrößerung des Abstands 22 aufgrund des Abfalls der Oberfläche 64 des Leiters 20 erreicht man, daß die Impedanz der Übertragungsleitung 19, welche durch die Leiter 20 und 21 gebildet ist, über ihre Länge konstant (50 Ohm) bleibt. Die abfallende obere Fläche 64 ist auch in Fig. 2 dargestellt.
Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des Kombinierers 10 nach den Fig. 1 und 2 und zeigt bestimmte Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform deutlicher als in der Querschnittsdarstellung von Fig. 2 erkennbar. Entsprechende Bauteile in den Fig. 2 und 3 sind jeweils durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht des Kombinierers 10 längs der Schnittlinien IV-IV von Fig. 2. Fig. 5 zeigt den Innenleiter 20 bzw. den Außenleiter 21, welche durch den Luftspalt-Zwischenraum 22 getrennt sind, so daß eine Übertragungsleitung 19 gebildet ist, welche die Ausbreitung eines TEM-Schwingungsmodus die Länge der Leiter 20 und 21 hinab unterhält. Jedes Paar von Leitern 20 und 21 ist von einem benachbarten Paar von Leitern 20 und 21 durch die Luftspalt-Schlitze 72 bzw. 73 getrennt. An die Innenleiter 20 und die Luftspalte 72 grenzt unmittelbar der Zylinder 46 aus absorbierendem Material an, der sich längs der Leiter 20 mindestens über denjenigen Teil dieser Leiter 20 erstreckt, der durch die Schlitze 72 unterteilt ist. Die äußeren Leiter 21 und die Schlitze 73 umgebend ist ein Hohlzylinder aus mikrowellenabsorbierendem Material 47 vorgesehen, der sich ebenfalls mindestens über die Länge der Schlitze 73 erstreckt. Der äußere metallische Mantel 11 dient als Gehäuse und Abstützungsteil zum Zusammenhalten der angrenzenden halbzylindrischen Hälften 47' und 47" des mikrowellenabsorbierenden Materials 47. Der Mantel 11 ist vorzugsweise an die Endhalterungen 24 und 48 angeschlossen, um eine sicheres Außengehäuse für den Kombinierer 10 zu bilden.
Zwar arbeitet der Kombinierer 10 mit einem Kombinations-Wirkungsgrad von 90 bis 95%, doch kann ein kleiner Leistungsverlust aus einer wesentlichen Erhöhung der Betriebstemperatur resultieren, wenn der Kombinierer die Leistung von acht 100 W-Quellen zusammenfaßt. Dies geschieht deshalb, weil typischerweise der Kombinierer einen kleinen Raumbedarf hat (beispielsweise ein Zylinder von 1,5" bis 2" (38 mm bis 50 mm) Durchmesser bei einer Länge von 5" bis 6" (128 mm bis 152 mm)). Um den Temperaturanstieg zu steuern, ist eine Kühlmittelkammer 97 vorgesehen, die als Teil der Endhalterung 48 des Kombinierers hergestellt ist und ein Kühlmittel 96 enthält, das über Rohrleitungen 90 und 91 zugeführt bzw. abgeführt wird. In ähnlicher Weise ist eine Kammer 98 als Teil der Endhalterung 24 des Kombinierers hergestellt und enthält ein Kühlmittel 95, welches über Rohrleitungen 92 bzw. 93 zugeführt bzw. abgeführt wird. Die Endhalterungen 24 und 48 stehen in mechanischer Berührung mit dem Absorbierer 47 und den Außenleitern 21 und führen die durch Hochfrequenzverluste in dem Absorbierer 47 erzeugte Wärme ab. In entsprechender Weise steht der innere Absorber 46 in mechanischer Berührung mit den abgetreppten Leitern 49, den Innenleitern 20 und dem metallischen Zylinder 40, um durch Hochfrequenzenergie in dem Absorber 46 erzeugte Wärme abzuführen. Der Zylinder 40 überträgt Wärme zu der Endhalterung über die Schraube 39, die einander gegenüberliegende Gewindeabschnitte miteinander verbindet.
Der Zylinder 40 ist von den Innenleitern 20 durch den hohlzylindrischen Absorber 43 getrennt, der charakteristischerweise aus demselben Material wie der Absorber 46 gefertigt ist und in derselben Weise im Sinne einer Absorption unsymmtrischer Betriebszustände wirksam ist. Die Absorber 43, 46 und 47 sind beispielsweise aus Siliciumcarbid gefertigt, welches aufgrund seiner Hochfrequenzverlustkennlinie, seiner fehlenden elektrischen Leitfähigkeit und seiner guten thermischen Leitfähigkeit geeignet ist. Die axiale Länge des leitfähigen metallischen Zylinders 40 ist so ausgelegt, daß eine Kurzschlußimpedanz gesehen vom Bereich der Kammer 45 aus geboten wird, die durch den Absorber 43, den Innenleiter 20 und den metallischen Zylinder 40 gebildet wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Zylinder aus absorbierendem Material 43 durch einen entsprechenden Luftspalt ersetzt, wobei die axiale Länge des metallischen Zylinders so modifiziert wird, daß die unterschiedliche Dielektrizitätskonstante von Luft gegenüber derjenigen des absorbierenden Materials 43 berücksichtigt wird, um das Entstehen der Kurzschlußimpedanz beizubehalten. Die Kurzschlußimpedanz tritt bei einer Frequenz auf, die größer ist als die des Betriebsfrequenzbandes. Die Kammer 45 dient dazu, die störenden Moden auf eine höhere Frequenz außerhalb des Betriebsfrequenzbandes zu stimmen.
Fig. 6 ist eine schaubildliche Darstellung, welche den Kombinierer 10 durch seinen Ausgangsverbinder 13 an einen Verbraucher 9 angeschlossen zeigt. Die Eingangsverbinder 12 des Kombinierers 10 sind, wie dargestellt mit den Ausgangsverbindern 8 von Wanderwellenröhren 7 niedriger Leistung über halbstarre Koaxialleitungen 6 verbunden. Die Eingangsverbinder 5 der Wanderwellenröhren 7 sind an die Vielfach- Ausgangsleitungen 4 einer Hochfrequenquelle 3 angeschlossen. Aufgrund der Symmetrie des Kombinierers 10 ist die Phasenverschiebung in jedem Kanal des Kombinierers im wesentlichen identisch und daher werden irgendwelche Phasenunterschiede an seinem Ausgang durch die Wanderwellen 7 erzeugt. Eine Tragkonstruktion 2 ist für die Wanderwellenröhren 7 und die koaxialen Ausgangsleitungen 6 vorgesehen. Wärmesenken 73, welche einen Teil der Wanderwellenröhren 7 bilden, befinden sich in gutem thermischen Kontakt mit einer Basisplatte 1 und dienen zur Kühlung der Wanderwellenröhren.
Im Betrieb liefert die Hochfrequenzquelle 3 in Phase liegende Hochfrequenzenergie im wesentlichen gleicher Amplitude an die Eingangsanschlüsse 5 der Wanderwellenröhren 7. Die von der Hochfrequenzquelle erzeugte Frequenz kann irgendeine Frequenz innerhalb eines Frequenzbandes, beispielsweise von 2,5 bis 10 GHz sein. Die Wanderwellenröhren 7 sind so ausgewählt, daß sie im wesentlichen angepaßte Phasen über das Frequenzband haben. Die Phasenanpassung muß nicht vollkommen sein, doch resultiert irgendeine Abweichung in einem leichten Verlust der von dem Kombinierer 10 an den Verbraucher 9 gelieferten Leistung. Die Betriebsdämpfung des mit acht Wanderwellenröhren betriebenen Kombinierers sollte weniger als ein halbes Dezibel (ein Kombinationswirkungsgrad von mehr als 90%) über das gewünschte Betriebsband hin sein. Jede der Übertragungsleitungen 6 hat einen Wellenwiderstand von 50 Ohm. Der Kombinierer 10 ist für einen Impedanzanpassungsbetrieb ausgelegt und hat so, gesehen von seinem Eingangsanschluß 12 aus, eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm.
Es sei Fig. 2 betrachtet. Die an jeden Eingangsanschluß 12 gelegte Koaxialleitung 74 ist eine 50 Ohm-Übertragungsleitung, deren Mittelleiter 27 durch die Hülse 31 reicht, deren Durchmesser im Bereich zwischen der Isolation 29 der Koaxialleitung 74 und dem Ende des Innenleiters 20 auf einen Durchmesserwert eingestellt ist, um eine Impedanz von im wesentlichen 50 Ohm in dem Kammerbereich 45 zu erzeugen. Die Breite des Innenleiters 20 und sein Abstand von dem Außenleiter 21 ist ebenfalls so eingestellt, daß sich eine 50 Ohm-Impedanz an der Hülse 31 ergibt. Die Breite und Dicke des Leiters 21 sind über seine Länge hin konstantgehalten. Der Abstand 22 zwischen den Leitern 20 und 21 vergrößert sich jedoch linear zu dem Ende 60 des Leiters 20 hin, einhergehend mit einer linearen Zunahme der Breite des Leiters 20, während er sich zu dem Ende 60 hin erstreckt, um eine 50 Ohm-Impedanz in der Übertragungsleitung 19 aufrechtzuerhalten, die von den Leitern 20 und 21 gebildet ist. Um den Abstand 71 zwischen den Leitern 20 und 21 zu vergrößern, ist die Außenfläche 64 des Leitern 20 in Richtung auf die Längsachse 37 nach abwärts geschrägt. Die Innenfläche 66 des Leiters 20 bleibt auf konstantem Radius mit Bezug auf die Längsachse 37. Die Kombination der linearen Vergrößerung des Abstands zwischen den Leitern 20 und 21 bei gleichzeitiger linearer Vergrößerung der Breite des Leiters 20 auf die Breite der Leiter 21 an den Enden 60 und 60' bewirkt, daß die Impedanz der Übertragungsleitung 19, welche durch die Leiter 20 und 21 gebildet wird, im wesentlichen bei 50 Ohm gehalten wird.
Da die Impedanz des Verbinders 13 ebenfalls 50 Ohm beträgt, muß dafür Sorge getragen werden, daß die Impedanz jeder der acht 50 Ohm-Übertragungsleitungen 19 auf die Übertragungsleitungen 77 transformiert wird, die jeweils eine Impedanz von 400 Ohm haben, so daß ihre Parallelschaltung im Bereich 84 eine einzige 50 Ohm-Koaxialleitung 78 bildet. Um 400 Ohm-Leitungen 77 im Bereich 84 an den Enden der segmentierten Leiter 49, 50 auszubilden ist ein Impedanztransformationsbereich vorhanden, dessen Stufen 55, 56 die Länge und den Abstand der Leiter 49 und 50 definieren, um Impedanzänderungen zu erzeugen, welche in einer 400 Ohm- Impedanz der Leitungen 77 an den Enden 84 über die Betriebsbandbreite resultieren, nämlich 2,5 bis 10 GHz in dem Beispiel der bevorzugten Ausführungsform Mehrfache Abstufungen 55, 56 in der TEM-Modus-Übertragungsleitung 77 sind notwendig, um die gewünschte Bandbreite zu erzeugen.
Unerwünschte Störmoden können durch den Abschluß der in Umfangsrichtung in Sektoren unterteilten Übertragungsleitungen 19, welche durch die Leiter 20 und 21 gebildet sind, in der Kammer 45 entstehen, wo sie durch die Hülse 31 und die Koaxialleitungen 74 abgeschlossen sind. Der zur Modusabstimmung dienende Zylinder 40 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, welches in thermischem Kontakt mit dem elektrisch nicht-leitfähigen Mikrowellenabsorber 46 steht, wodurch ein Wärmeableitungsweg für den Energieabsorber 46 durch die Endhalterung 24 zu der äußeren Umgebung geschaffen wird. Der Zylinder 40 ist an der Endhalterung 24 durch die Schraube 39 befestigt. Der Durchmesser des Abschnitts 41 des Zylinders 40 ist derselbe wie der Durchmesser des passenden Abschnitts der Endhalterung 24 und ist wesentlich kleiner als der Durchmesser des Hauptkörpers 42 des Zylinders 40. Der Absorber 43 erstreckt sich zu dem Ende der geschlitzten Leitungen 20 und 21 und bildet einen Hohlzylinder 43, der den Raum um den Zylinder 40 herum einnimmt. Der Absorber 43 absorbiert Mikrowellenleistung, welche unerwünschterweise durch die Schlitze 72 in dem unsymmetrischen Betriebsmodus in dem Falle des Ausfalls einer Wanderwellenröhrenquelle 7 übertragen wird. Die Kammer 45, welche durch den Zylinder 40 und die Innenwand 48 der Endhalterung 24 gebildet wird, dient als Abstimmeinrichtung für unerwünschte Moden, welche die unerwünschten Moden daran hindert, in dem Betriebsband aufzutreten.
Der Übergang im Bereich der Kammer 45 von der Koaxialleitung 74 zu der Parallelplatten-Übertragungsleitung 19 für die Ausbreitung des TEM-Modus bei angepaßter Impedanz erzeugt Stör-Resonanzmoden in der Kammer 45, deren Frequenz in das Betriebsband fallen kann und einen ernsten Verlust an Ausgangsenergie bei dieser Frequenz verursachen kann. Wie in den elektrischen Feldbildern in Stirnansicht von Fig. 9A bis 9C gezeigt ist, ist es die Aufgabe des Übergangsbereichs, die Kreissymmetrie des E-Felds 110 der Koaxialleitung 74, wie sie in Fig. 9A gezeigt ist, in die im wesentlichen parallelen Feldlinien 111 der Parallelplattenübertragungsleitung 19 zu transformieren, die von den Leitern 20 und 21, wie in Fig. 9C gezeigt, gebildet ist. Dieser Übergang wird dadurch erreicht, daß eine zwischengeschaltete versetzte Koaxialleitung 113 gemäß Fig. 9B (für jede Eingangs-Koaxialleitung 74) vorgesehen wird, deren versetzter Mittelleiter durch eine entsprechende der Hülsen 31 gebildet wird und deren Außenleiter die Innenfläche der zylindrischen Halterung 38 umfaßt. Die versetzte Koaxialleitung konzentriert das E-Feld 110, welches von der Koaxialleitung 74 unterhalten wird, in das E-Feld 112 nach Fig. 9B. Das Feld ist dort am stärksten, wo die elektrisch leitfähige Hülse 31 und die Halterung 38 am nächsten sind. Wenn, wie bei der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl von versetzten Koaxialleitungen 113 durch die Mehrzahl von Hülsen 31 gebildet ist, die innerhalb der Halterung 38 symmetrisch gelegen sind, so hat die resultierende Kammer 45 Abmessungen, welche Störresonanzen unterhalten können, die in das Betriebsband der Frequenzen fallen.
Die Erzeugung von Moden im Übergangsbereich von der Koaxialleitung 74 zu der Parallelplattenleitung 19 für eine TEM-Modus-Wellenausbreitung wurde festgestellt, wenn, wie bei der ursprünglichen Konstruktion, der Absorber 46 bis zu dem Ende 67 der sich verjüngenden Parallelplattenleitung 19 und neben der Wandung 28 des Endes 24 verlängert wurde, da eine Stör-Einsenkung in der Ausgangsenergie von dem Kombinierer 10 in der Mitte des Betriebsbandes auftrat. Eine Vergrößerung der axialen Länge der Kammer 45 durch Verkürzen des Absorbers 46 hatte die Wirkung einer Aufwärtsverschiebung der Resonanzfrequenz, doch blieb die Frequenz innerhalb des Betriebsbands. Die Lösung für das Bewegen der Resonanzfrequenz aus dem Band heraus bestand darin, einen Zylinder 40 aus metallischem, elektrisch leitfähigern Material (eine Moden-Abstimmeinrichtung) vorzusehen, welche zu der Kammer 45 führt, welche durch ihre Fläche 44, die Fläche 28 der Endhalterung und die Innenfläche der zylindrischen Halterung 38 umgrenzt wurde. Der Zylinder 40 ist in Richtung der Achse 37 eine viertel Wellenlänge lang, um eine Kurzschlußimpedanz mit Bezug auf eine Blickrichtung in den im Spalt enthaltenen Absorber 43 zwischen dem Innenleiter 20 und dem Umfang des Zylinders 40, von der Kammer 45 aus gesehen, zu erzeugen. Die entsprechenden verminderten Abmessungen der Kammer 45 verschoben ihre energieabsorbierende Resonanzfrequenz über das Betriebsband hinaus, so daß sich eine verlustarme Übertragung über das gesamte Betriebsband des Kombinierers ergab.
Jede der Übertragungsleitungen 19, 77, welche durch die in Sektoren unterteilten Leiter 20 und 21 und ihre zugehörigen in Sektoren unterteilten, impedanzanpassenden, abgetreppten Leiter 55 bzw. 56 gebildet werden, wird in einem symmetrischen TEM-Modus betrieben. In Phase befindliche Hochfrequenzspannungen werden an die Eingänge der Übertragungsleitungen 19 geliefert und die resultierenden elektrischen und magnetischen Felder werden auf dem Raum 22 zwischen den Leitern 20 und 21 begrenzt, wobei geringe, wenn überhaupt irgendwelche, Streufelder auf eine benachbarte Übertragungsleitung 19 treffen. Ein Übergangsbereich 84 bewirkt eine Modustransformation von dem TEM-Modus der Übertragungsleitung 77 zu dem TEM-Modus der koaxialen Übertragungsleitung 78.
Bei acht in der Phase und der Amplitude symmetrischen Signalen, die zu den koaxialen Eingangsanschlüssen 12 geführt werden, arbeitet der Kombinierer mit einem Kombinationswirkungsgrad, welcher über das Betriebsband hin variiert, aber typischerweise 90 bis 95% beträgt (im Mittel etwa 0,5 dB der Betriebsdämpfung), und ein TEM-Modus breitet sich in jedem der Übertragungspaare des Kombinierers aus.
Sollte einer der Verstärker 7, die mit dem Kombinierer verbunden sind, ausfallen, dann werden zusätzliche unsymmetrische Moden erzeugt. Das Feldbild des unsymmetrischen Modus ist zwar auch ein TEM-Feld, es ist jedoch orthogonal zu dem symmetrischen Modus zwischen den Leitern 20 und 21. Genauer gesagt, der unsymmetrischen TEM-Modus existiert zwischen benachbarten Innenleitern 20 und zwischen benachbarten Außenleitern 21, deren Streufelder sich zu den Mikrowellenabsorbern 46 und 47 erstrecken, wo sie wirksam durch Absorption ausgefiltert werden. Der symmetrische Modus der nicht fehlerhaften Verstärker liefert weiter einen symmetrischen Modus auf den Übertragungsleitungen 19, die von den Leitern 20 und 21 gebildet werden. Der Kombiniererausgang vom Verbinder 13 folgt der theoretischen maßvollen Verschlechterung der Ausgangsleistung entsprechend der Zahl der fehlerhaften Quellen.
Die Fig. 7A bis 7C zeigen eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen vierkanaligen Leistungskombinierer in entsprechender Darstellung zu der Querschnittsansicht von Fig. 5. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugs.zeichen versehen, wie sie in Fig. verwendet wurden. Die Fig. 7A bis 7C unterscheiden sich von Fig. 5 dadurch, daß der Außenleiter 21' nicht segmentiert, sondern ein Zylinder aus elektrisch leitfähigem Material ohne Längsschlitze ist. Die segmentierten Innenleiter 20 umgeben das mikrowellenabsorbierende Material 46. Da der Außenleiter 21' ein kontinuierlicher Hohlzylinder ist, ist der Mikrowellenabsorber 47 von Fig. 5 nicht erforderlich, da die Felder gemäß Fig. 7A bis 7C zwischen dem Außenleiter 21' und den Innenleitern 20 sich nicht über den Leiter 21' erstrecken können. Außenleiter 50 dieser alternativen Ausführungsform wären zwar wie bei dem Kombinierer von Fig. 2 abgetreppt&sub1; jedoch würden die Schlitze 51 fehlen.
Fig. 7A zeigt das Feld 101 in dem gewünschten symmetrischen Modus, wie es auf den Bereich zwischen den Leitern 20 und 21' beschränkt ist. Das Feld trifft also nicht auf die Belastung 46 und demgemäß ist die Betriebsdämpfung in dem gewünschten Betriebsmodus niedrig mit einem resultierenden hohen Wirkungsgrad der Übertragung. Es sei bemerkt, daß der Außenleiter 21' als eine Erdungsebene wirksam ist, während der Innenleiter 20 eine augenblickliche relative Polarität aufweist, welche entweder positiv (+) oder negativ (-) ist, je nach dem Teil der Hochfrequenzperiode. Fig. 7A zeigt einen Zustand, in dem der Innenleiter 20 relativ zu dem Außenleiter 21' auf negativem Potential ist.
Fig. 7B zeigt ein Feldbild 102 bei unsymmetrischem Modus, wobei benachbarte Innenleiter 20 jeweils entgegengesetzte augenblickliche Polarität haben. Die Feldlinien 102 erstrecken sich, wie dargestellt, zwischen benachbarten Leitern 20 und folgen einem Weg durch das mikrowellenabsorbierende Material 46, welches das Feld 102 abschwächt. Nebeneinanderliegende Leiter 20 haben abwechselnd positive und negative Potentiale relativ zu der Erdungsebene, welche durch den Leiter 21' gebildet ist. Fig. 7C zeigt ein anderes Feld 103 eines unsymmetrischen Schwingungsmodus, welcher auftritt, wenn ein Paar benachbarter Innenleiter 20 gleiche augenblickliche Polarität relativ zu dem anderen Leiterpaar hat, welches die entgegengesetzte augenblickliche Polarität besitzt. Wieder sieht man, daß die Feldlinien 103 von dem mikrowellenabsorbierenden Material 46 absorbiert werden. Das tatsächliche Feld, das innerhalb des Kombinierers herrscht, ist das Zusammensetzungsergebnis der Felder nach den Fig. 7A bis 7C.
Wenn der Außenleiter 21 in Längsrichtung geschlitzt ist, wie in den Fig. 2, 3 und 5 gezeigt, so hat jeder Außenleiter 21 entgegengesetzte Polarität gegenüber derjenigen eines entsprechenden Innenleiters 20 und erzeugt Feldbilder des symmetrischen Modus und des unsymmetrischen Modus ähnlich denjenigen nach den Fig. 7A bis 7C. Das Feld des symmetrischen Modus bildet sich zwischen den Leitern 20 und 21, wie in Fig. 7A gezeigt, aus und wird daher durch das Absorbermaterial 46, 47 nicht abgeschwächt, obwohl der Leiter 21 geschlitzt ist. Für die unsymmetrischen Moden nach den Fig. 7B und 7C existieren jedoch Feldbilder ähnlich den Feldern 102 und 103 der Fig. 7B und 7C zwischen den äußeren geschlitzten Leitern 21 und erstrecken sich in den Bereich hinein, der von dem mikrowellenabsorbierenden Material 47 eingenommen wird, wo die Felder der unsymmetrischen Moden ebenfalls abgeschwächt werden.
Ein anderer wichtiger Gesichtspunkt in dem Kombinierer ist die Isolation zwischen den Eingangsanschlüssen 12. Die Filtereigenschaft des Kombinierers, durch die unsymmetrische Moden durch die Mikrowellenabsorber 46 und 47 gedämpft werden, führt zu einem hohen Maß an Isolation zwischen den Eingangsanschlüssen 12 des Kombinierers. Eine Isolation von nicht weniger als 25 dB zwischen den Anschlüssen ist charakteristisch für den Kombinierer gemäß der bevorzugten Ausführungsform.
An dem Kombinierer 10 durchgeführte Rauschmessungen zeigen, daß die Filterwirkung der Mikrowellenabsorber 46 und 47 innerhalb des Kombinierers 10 das breitbandige Rauschen beseitigt, das von jeder der acht als Quellen verwendeten Wanderwellenröhren ausgeht und die Rauschqualität des Ausgangs des Kombinierers ist besser oder gleichwärtig im Vergleich zu einer einzelnen Röhre.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der Kombinierer 10 nach der vorliegenden Erfindung einen kompakten, leichten Leistungskombinierer mit dreidimensionaler Schaltung und räumlicher Feldverteilung darstellt, der zur Kombination einer Mehrzahl von Wanderwellenröhren niedriger Leistung oder Festkörpergeräten mit gewünschten Bandbreiteeigenschaften geeignet ist. Der Kombinierer ist insbesondere für Anwendungsfälle mit hoher Durchschnittsleistung geeignet und hat die folgenden Merkmale: symmetrische Ausbreitung des TEM-Modus; hoher Kombinationswirkungsgrad von über 90% bei niedrigen Verlusten; Betriebsbandbreite über viele Oktaven; hoher Grad der Isolation zwischen den an die Vielfach-Eingänge des Kombinierers angeschlossenen Verstärkern; maßvolle Verschlechterungseigenschaften; und hervorragende Wärmeableitungseigenschaften.
Fig. 8 zeigt eine anderer Ausführungsform eines Kombinierers 10', welcher das erfinderische Prinzip beinhaltet, jedoch so ausgebildet ist, daß er mit noch größeren Eingangs- und Ausgangs-Hochfrequenzleistungen arbeitet als der Kombinierer 10 von Fig. 2. Der Kombinierer 10' weist eine sich axial erstreckende Röhre 99 auf, welche gestattet, Kühlmittel 95 von einer Eingangskammer 98' und einer Eingangsrohrleitung 92' zu dem anderen Ende 14' zu leiten, wo es austritt. Die Kammer 98' dient zur Kühlung der Endhalterung 24'. Der Zylinder 40', die Schraube 39', der mikrowellenabsorbierende Zylinder 46' und die Koaxialleitungen 78' und 100 besitzen eine zentrische, axial verlaufende Bohrung, durch welche die Röhre 99 hindurchtritt. Die Rohrleitung 99 ist in gutem thermischen Kontakt mit den Bohrungen, um einen guten Wärmeübergang sicherzustellen. Die Rohrleitung 99 tritt am Ende 14' aus und führt das Kühlmittel 95 in die Kammer 97, um das Ende 14' zu kühlen, von welchem das Kühlmittel 95 über die Röhre 91 austritt. Die wirksamere Kühlung, welche durch die axial verlaufende Rohrleitung 99 und das darin enthaltene Kühlmittel 95 erreicht wird, gestattet es, daß der Kombinierer bei bedeutend höheren Eingangs- und Ausgangs-Leistungspegeln betrieben wird, als sie bei der Ausführungsform von Fig. 2 zugelassen werden könnten. Aufgrund des höheren, in der Ausgangs-Koaxialleitung 100 geführten Leistungspegels verwendet der Kombinierer 10' eine starre Wellenleitung 121, um die Ausgangsleistung von der Koaxialleitung 100 abzuführen, anstatt einen koaxialen Ausgangsverbinder 13 zu verwenden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Ein Verbinder 13 der Standardtype N oder SC würde bei dem Leistungspegel, bei welchem der Kombinierer 10' arbeiten kann, zur Lichtbogenbildung führen. Die starre Wellenleitung 121 enthält eine zentrisch verlaufende Rippe 122 und ein Aluminiumoxidfenster 124, welches das Innere der starren Wellenleitung 101 abdichtet. Die Abdichtung gestattet es, Druckgas über die Gasleitung 123 in das abgedichtete Innere der starren Wellenleitung 101 und das abgedichtete Innere des Kombinierers 10' einzuführen, der an seiner Endhalterung 24' (Dichtung nicht dargestellt) dicht abgeschlossen ist, um ein Entweichen des Druckgases zu verhindern. Der nicht unter Druck stehende Teil der starren Wellenleitung 121 jenseits des abdichtenden Aluminiumoxidfensters 124 ist eine Fortsetzung der starren Wellenleitung 121, welche durch einen Ausgangsflansch 125 abgeschlossen ist, an welchen ein Hochleistungsverbraucher angeschlossen werden kann. Es ist davon auszugehen, daß der Kombinierer 10' von Fig. 8 in der Lage ist, Ausgangsleistungen von 1000 Watt und darüber zu liefern, ohne daß eine Überhitzung des Kombinierers 10' oder eine Lichtbogenbildung innerhalb der Innenräume des Kombinierers und der starren Wellenleitung 121 auftritt. Der Fachmann erkennt auch, daß der Aufbau der vorliegenden Erfindung auch bei einem Leistungsteiler verwendet werden kann, um Mehrfach- Quellen identischer Mikrowellenenergie von einer Quelle zu erhalten, die an den Verbinder 13 angeschlossen ist, wobei die Ausgangsverbraucher an die Verbinder 12 angeschlossen sind. Die Vielfach-Quellen haben dieselbe Amplitude und Phase über ein breites Frequenzband hin.

Claims

1. Signalkombinierer enthaltend:

eine Mehrzahl von koaxialen Übertragungsleitungen (74), die an einem ersten Ende des Signalkombinierers angeordnet sind;

eine entsprechende Mehrzahl von planaren Übertragungs leitungen (19);

eine entsprechende Mehrzahl von Feldumformungsmitteln (31, 38);

Signalabsorptionsmittel (43, 46, 47), welche neben den planaren Übertragungsleitungen (19) angeordnet sind, um Hochfrequenzenergie in einem Ungleichgewichtsmodus zu absorbieren; und

Mittel (49, 49', 50, 50') zur Kombination der längs der Mehrzahl von planaren Übertragungsleitungen (19) übertragenen Signale;

wobei jede der Feldumformungsmittel (31, 38) eine entsprechende der koaxialen Übertragungsleitungen (74) an eine entsprechende der planaren Übertragungsleitungen (19) ankoppeln,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Feldumformungsmitteln (31, 38) eine Mehrzahl von inneren Leitern (31), die jeweils zwischen dem Innenleiter (27) der zugehörigen koaxialen Übertragungsleitung (74) und einem ersten Leiter (20) der zugehörigen planaren Übertragungsleitung (19) angeordnet sind, sowie einen Außenleiter (38) enthält, der zwischen dem Außenleiter (89) der koaxialen Übertragungsleitung (74) und einem zweiten Leiter (21) der planaren Übertragungsleitung (19) angeordnet ist, so daß jedes Feldumformungsmittel (31, 38) als eine versetzte Koaxialleitung arbeitet.

2. Kombinierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß,

jede planare Übertragungsleitung (19) urld die damit gekoppelte koaxiale Übertragungsleitung (74) einen Signalkanal bildet und die Signalkanäle umfangsmäßig von einander beabstandet sind und sich jeweils in Längsrichtung entlang einer Zylinderfläche erstrecken, um eine zylindrische Gruppe von Signalkanälen zu bilden;

daß die genannten ersten und zweiten Leiter (20, 21) jeder planaren Übertragungsleitung (19) radial beabstandet sind und auf einem ersten bzw. einem zweiten Zylinder liegen; und

daß die Signalabsorptionsmittel einen ersten Zylinder (46) aus absorbierendem Material und einen zweiten Zylinder (47) aus absorbierendem Material enthalten, welche jeweils innerhalb der ersten Leiter (20) bzw. außerhalb der zweiten Leiter (21) der zylindrischen Gruppe von Signalkanälen angeordnet sind.

3. Kombinierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Feldumformungsmitteln (31, 38) mit einer elektrisch leitfähigen Kammer (45) kombiniert sind, welche eine höhere Resonanzfrequenz hat als ein Betriebsfrequenzband des genannten Kombinierers.

4. Kombinierer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (45) begrenzt ist durch:

einen elektrisch leitfähigen metallischen Zylinder (40) mit einer axialen Länge von einem Viertel der Wellenlänge bei der genannten Resonanzfrequenz,

eine Wand (44) des genannten Zylinders (40), welche eine erste Wand der genannten Kammer (45) bildet, und

eine elektrisch leitfähige Wand (28) einer ersten Halterung (24) für die Feldumformungsmittel (31, 38), die eine zweite Wand der Kammer (45) gegenüber der ersten Wand (44) bildet,

wobei die erste und die zweite Wand (44, 28) voneinander durch einen Abstand getrennt sind, der die Resonanzfrequenz der Kammer (45) bestimmt.

5. Kombinierer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Zylinder (40) konzentrisch mit der zylindrischen Gruppe von Signalkanälen ist und mit Abstand innerhalb der ersten Leiter (20) der planaren Übertragungsleitungen (19) angeordnet ist; und

daß die signalabsorbierenden Mittel einen dritten zylindrischen Absorber (43) enthalten, der sich innerhalb eines Raumes zwischen dem ersten Zylinder der ersten Leiter (20) und dem metallischen Zylinder (40) befindet.

6. Kombinierer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halterung (24) an einem Ende des Kombinierers, und eine zweite Halterung (48) am anderen Ende des Kombinierers vorgesehen ist und daß der erste Zylinder (46') aus absorbierendem Material sich in wärmeübertragendem Kontakt mit der zylindrischen Gruppe von ersten Leitern (20) befindet; wobei sich eine Kühlvorrichtung (92', 99, 97, 91) durch das genannte eine Ende und das genannte andere Ende des Kombinierers und den ersten Zylinder (46') des absorbierenden Materials, in Wärme übertragendem Kontakt mit diesen stehend, erstreckt.

7. Kombinierer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel zum Kombinieren folgendes enthalten:

eine Ausgangsübertragungsleitung (100) in wärmeübertragendem Kontakt mit der Kühlvorrichtung (92', 99, 97, 91); und dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangswellenleitung (121) mit der Ausgangsübertragungsleitung (100) gekoppelt ist, um einen kombinierten Ausgang von dem Kombinierer zur Verfügung zu stellen.

8. Kombinierer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswellenleitung (121) eine gasdichte, innen mit Steg versehene Wellenleitung ist, wobei der Kombinierer einen gasdichten Innenraum aufweist, der mit dem gasdichten Innenraum der Ausgangswellenleitung (121) verbunden ist, und daß Mittel (123) zur Zufuhr eines unter Druck stehenden Gases zu der Ausgangswellenleitung (121) und dem Inneren des Kombinierers vorgesehen sind.

9. Kombinierer nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kombinieren von Signalen eine Mehrzahl von Impedanztransformationsleitungen aufweisen, von denen jede an ein Ende einer zugehörigen der planaren Übertragungsleitungen (19) angeschlossen ist, wobei die Trans formations leitungen mit ihren anderen Enden zueinander parallel geschaltet sind, um den Ausgang des Kombinierers darzubieten.

Kombinierer nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine entsprechende Anzahl von Mini-Wanderwellenröhren, die jeweils so angeschlossen sind, daß sie Leistung an eine jeweils zugehörige der koaxialen Übertragungsleitungen (74) liefern.