DE757207C - Wellenleitersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Wellenleitersysteme mit einer metallischen, Rohrwandung. Aufgabe der Erfindung ist es, frequenzselektive Einrichtungen, die als Filter oder zur Verwendung in Filtereinrichtungen geeignet sind, Entzerrer und andere Netzwerke, bei denen sich mit der Frequenz die Dämpfung oder die Impedanz ändert, im Abschnitten des Wellenleiters vorzusehen. Zu diesem Zweck werden in diesen Abschnitten verteilt oder punktförmig kapazitive oder induktive Reaktanzen angebracht, welche aus einem oder mehreren Längs- oder Querschlitzen in der Rohrwandung bestehen.

Die Erfindung soll an Hand der Abbildungen näher erläutert werden.

Die Abb. 1 bis 4 A stellen Längs- und Querschnitte eines rohrförmigen, metallischen Wellenleiters dar und veranschaulichen die Verteilung der elektrischen und magnetischen Feldlinien verschiedener Arten von elektromagnetischen Wellen in einer derartigen Leitung.

Alle Wellenarten, die durch eine hohle metallische Leitung ausgebreitet werden können, lassen sich in zwei Gruppen einteilen, die man als transversale magnetische Wellen und transversale elektrische Wellen

bezeichnen kann. Die transversalen magnetischen Wellen, für die die Abb. ι und 2 zur Erläuterung dienen, zeichnen sich dadurch aus, daß das magnetische Feld vollkommen transversal zur Leitung liegt, ohne daß eine Längskomponente vorhanden ist, während das elektrische Feld im allgemeinen· sowohl eine Transversal- als auch eine Longitudinalkomponente besitzt. Die transversalen elektrischen Wellen, zu deren Erläuterung die Abb. 3 und 4 dienen, sind dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld vollkommen transversal zur Leitung liegt, ohne daß eine Längskomponente vorhanden ist, während das magnetische Feld im allgemeinen sowohl eine Transversal- als auch eine Longitudinalkomponente besitzt.

Die Erfindung soll zunächst an Hand einer rohrförmigen metallischen Leitung mit kreisförmigem Querschnitt beschrieben werden. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung sich auch auf Leiter mit anderem Querschnitt, wie z. B. rechteckigem, anwenden läßt.

Die Verteilung der Yerschiebungs- und Leitungsströme in einem hohlen metallischen Wellenleiter hängt von der Art der übertragenen Welle ab. Zur Erläuterung der Erfindung reicht es jedoch aus, nur einige Beispiele aufzuführen. So bezieht sich Abb. 5 auf die in Abb. 1 dargestellte Wellenart, die man als kreisförmige magnetische Art bezeichnen kann, da das magnetische Feld aus kreisförmigen Linien besteht, die koaxial zur Leitung und quer zu ihr liegen. Das elekirische Feld verläuft dagegen. an einigen Stellen radial und an anderen Stellen des Leiters longitudinal, wobei die elektrischen Feldlinien an der metallischen Röhre aufhören. In dem dielektrischen Medium entsteht ein entsprechender Verschiebungsstrom, und zwar radial, wie durch die Pfeile 10 in I Abb. 5 angedeutet, und longitudinal, wie es I durch die Pfeile 11 dargestellt ist. Dieser Stromfluß setzt sich innerhalb der Röhrenwandung in Form eines Leitungsstroms fort, der durch die Pfeile 12 dargestellt ist, so daß geschlossene Stromschleifen gebildet werden, die zum Teil innerhalb der Röhrenwandung und zum Teil in. dem eingeschlossenen dielektrischen Medium liegen. Der Stromfluß in der Röhrenwandung verläuft in Längsrichtung. Der Longitudinalstrom im dielektrischen Medium, der am stärksten an der Achse des Leiters ist, ist seinem Wesen nach ein Rückstrom, analog dem Rückstrom im Alittelleiter einer koaxialen Leitung.

Bei jedem Leitungsstromfluß ist ein bestimmter Betrag eines induktiven Blindwiderstandes vorhanden, und ähnlich tritt beim Fließen eines Verschiebungsstroms immer ein kapazitiver Blindwiderstand auf. Berücksichtigt man diese Tatsache bei der in Abb. 5 auftretenden Stromverteilung, so läßt sich die in Abb. 5 A dargestellte äquivalente Schaltung ableiten. Die beim Fließen des Leitungs-Stroms in der Röhre vorhandene induktive Reaktanz kann also durch die Induktivität 22 der Abb. 5A, und die beim Fließen des Längsverschiebungsstroms vorhandene kapazitative Reaktanz kann durch die Kapazität 21, die in Serie zu der Induktivität geschaltet ist, dargestellt werden, da jeder Strom als Rückstrom des anderen betrachtet werden kann. In ähnlicher Weise ist der radial fließende Verschiebungsstrom in Abb. 5 A als eine Kapazität 20 dargestellt, die zu dem Kreis parallel geschaltet ist, in Anbetracht der • transversalen Lage des entsprechenden Verschiebungsstroms innerhalb der Leitung.

Obgleich die Reaktanzen des Systems in Abb. 5 A als besondere Kapazitäten und Induktivitäten dargestellt sind, sind natürlich diese Reaktanzen gleichförmig über die Leitung verteilt, und es wäre eine große Anzahl der in Abb. 5 A dargestellten Netzwerke erforderlich, um die Frequenzeigenschaften des Systems genau wiederzugeben. Das gleiche gilt für alle hierin betrachteten äquivalenten Netzwerke. Wenn der Stromfluß einer transversalen magnetischen Welle der ersten. Ordnung und der ersten Art, der in den Abb. 2 und 2 A dargestellt ist, analysiert wird, so ergibt sich, daß das äquivalente Netzwerk die gleiche Form besitzt wie das in Abb. 5 A dargestellte. In der Tat läßt sich die Schaltung der Abb. 5 A für alle transversalen magnetischen Wellen, die in einer hohlen metallischen Leitung fortschreiten, anwenden.

Als weitere Erläuterung der Prinzipien, auf denen die vorliegende Erfindung beruht, dienen die Abb. 6 und 6 A, die sich auf transversale elektrische Wellen der ersten Ordnung und ersten Art, welche in Abb. 4 dargestellt ist, beziehen. In diesem Fall ist das elektrische Feld in dem dielektrischen Medium vollständig transversal gerichtet, und es kann an jedem Punkt durch die ausgezogenen Linien der Abb. 4A dargestellt werden. Im gleichen Augenblick ist das elektrische Feld, das eine halbe Wellenlänge von dem in Abb. 4A dargestellten Querschnitt entfernt liegt, das gleiche, nur daß seine Richtung umgekehrt ist. Innerhalb dieses Abschnittes von einer halben Wellenlänge ist ein longitudinaler Leitungsstromfluß in einer Richtung durch eine Hälfte der Röhre und ein entgegengesetzt gerichteter Stromfluß in der anderen Hälfte der Röhre vorhanden. Diese Ströme sind durch die Pfeile 15, 16 in Abb. 6 dargestellt. Auf diese Weise wird eine Stromschleife gebildet, deren Enden innerhalb des dielektrischen Mediums und deren Seiten in

der Röhrenwandung liegen. In Abb. 6 ist noch ein anderer Strompfad für den transversalen Verschiebungsstrom vorhanden:, der durch den Pfeil 13 dargestellt ist und seinen Rückweg auf dem Umfang der Leitung, wie durch die Pfeile 14 angedeutet, besitzt.

Nach Ermittlung der Strompfade für die Wellen läßt sich das äquivalente Netzwerk, das in Abb. 6 A dargestellt ist, bilden. Der Längsstrom, der lediglich aus einem Leitungsstrom besteht, ist also das einzige Serien- - element in dem äquivalenten Netzwerk in Gestalt einer Induktivität 25. Transversal zur Leitung sind zwei Strompfade vorhanden, von denen der eine vollständig durch das dielektrische Medium und der andere vollständig durch die metallische Röhre geht. Daher besteht der parallel geschaltete Zweig des äquivalenten- Netzwerks aus einer Kapazität 23, entsprechend dem Pfad im Dielektrikum, und einer parallel geschalteten Induktivität 24, entsprechend dem Strompfad in der metallischen Leitung.

Das äquivalente Netzwerk für die in den Abb. 3 und 3 A dargestellte kreisförmige elektrische Welle und für alle anderen transversalen elektrischen Wellen hat die in Abb. 6 A dargestellte Form.

Es ist. zu beachten, daß bei Abb. 6 die Stromdichte des longitudinalen und des transversalen Leitungsstroms sich sinusförmig um den Umfang der Leitung ändert und daß die Dichte des longitudinalen· Stroms am größten an diametral gegenüberliegenden Punkten ist, während die Dichte des transversalen Leitungsstroms am größten an Punkten ist, die um 90⁰ auf dem Umfang davon- versetzt sind. Erfindungsgemäß sollen nun einzelne Abschnitte des Wellenleiters als Filter, Dämpfungsnetzwerk od. dgl. ausgebildet werden, indem diese Abschnitte verteilt oder punktförmig kapazitive oder induktive Reaktanzen enthalten, welche aus einem oder mehreren Längs- oder Ouerschlitzen in der Rohrwandung bestehen.

Abb. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des in Abb. 6 dargestellten Systems. Diese Ausgestaltung besteht darin, daß an jedem Teil der Leitung seitliche Flansche 27 und 28 vorgesehen sind, die nebeneinander angeordnet sind, um- eine Kapazitätswirkung zwischen ihnen zu erzielen. In diesem Fall müssen die in Abb. 6 durch die Pfeile 14 dargestellten Ströme als Verschiebungsströme durch das die beiden Flansche trennende dielektrische Medium laufen. Da das Medium an sich einen- kapazitiven Blindwiderstand darstellt, ist es der Einschaltung einer Kapazität 29 in Serie mit der P arallelinduktivität 24 der Abb. 7 A gleichwertig. Die Kapazität pro Längeneinheit, die von den Flanschen,27 und 2S herrührt, wird zum Teil durch den Abstand zwischen den Flanschen und zum Teil durch ihre Abmessungen in radialer Richtung bestimmt. Die Kapazität kann durch Einfügung dielektrischer Trennschichten zwischen den Flanschen vergrößert werden. Außerdem bilden die Flansche einen bestimmten Induktivitätswert für die durch sie fließenden Leitungsströme. Diese zusätzliche Induktivität wirkt als Serieninduktivität in dem Parallelzweig des äquivalenten Netzwerks.

Bei der Übertragung von Wellen über die in Abb. 7 dargestellte Anordnung würde sich eine Ausstrahlung nach außen durch den Zwischenraum zwischen den Flanschen 27 und 28 einzustellen suchen, wodurch ein gewisser Dämpfungsbetrag, der erwünscht oder auch unerwünscht sein kann, eingeführt würde. Derartige Strahlungsverluste können, wenn sie unerwünscht sind, auf einem niedrigen Wert gehalten werden, indem man die Flansche dicht aneinander anordnet oder indem man die äußeren Enden, wie in Abb. 8 dargestellt, metallisch miteinander verbindet. Die durch die Flansche gebildete Reaktanz unterscheidet sich dann- etwas von der mit der Anordnung nach Abb. 7 erzielten, da diese für sich radial ausbreitende Wellen einer offenen Übertragungsleitung entspricht, während sie bei der Anordnung nach Abb. 8 einer kurzgeschlossenen Übertragungsleitung entspricht. Die Impedanz pro Längeneinheit der Leitung, die durch die Flansche hervorgerufen wird, ergibt sich bei Betrachtung in radialer Richtung auf den Zwischenraum zwischen ihnen durch die Beziehung:

Z =—i Z₀ ctg β L,

(D

worin Z₀ der Wellenwiderstand einer Übertragungsleitung von dem gleichen Abstand zwischen den Flanschen 27, 28 ist und ihre Breite gleich einer Längeneinheit ist. β ist ——, worin λ die Wellenlänge ist. L ist

die Abmessung der Flansche in Querrichtung. Natürlich sind bei dieser Übertragungsart die Wellenlängen kurz, und es ergibt sich, daß die Reaktanz kapazitiv ist, wenn die Länge L einen Wert zwischen Null und einer Viertelwellenlänge hat, und daß sie induktiv ist,

wenn die Länge L zwischen den Werten —

und — liegt. Diese Reaktanzen ändern sich

cyclisch von der einen zur anderen Art mit der Zunahme der radialen Länge der Flansche. Bei der Anordnung nach Abb. 8 lautet die entsprechende Gleichung für die Impedanz:

Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß die Reaktanz induktiv ist, wenn die radiale

Länge zwischen den Werten ο und — liegt,

und daß sie kapazitiv ist, wenn die Länge

zwischen — und — liegt. Hieraus ist es klar,

daß man mit den Anordnungen nach Abb. J und S in Serie mit der Induktivität 24 der Abb. 7 A das Äquivalent einer Kapazität oder einer Induktivität einschalten kann und daß die Größe über einen weiten Bereich geregelt werden kann. Wenn man eine verteilte Reaktanz zu erhalten wünscht, muß sich die Aufspaltung der Leitung über mehrere Wellenlängen erstrecken. Wenn man jedoch andererseits eine punktförmige Reaktanz zu haben wünscht, muß die Länge im Vergleich zur Wellenlänge klein sein.

In Abb. 9 ist eine Anordnung dargestellt, mit der gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung eine kapazitive Reaktanz in den Pfad des löngitudinalen Leitungsstroms, der in dem metallischen Teil der Leitung" fließt, eingeführt wird. In diesem Fall ist die Leitung in Querrichtung aufgeschnitten, und es sind an den nebeneinanderliegenden Enden der Leitung ringförmige metallische Flansche 30 und 31 vorgesehen, die so angeordnet sind, daß ein schmaler dielektrischer Zwischenraum zwischen ihnen bleibt. Das äquivalente Netzwerk hängt von der Type der in Frage kommenden' Welle ab, aber bei jeder Type, bei der ein longitudinaler Stromfluß in der Metallröhre vorhanden ist, besteht die Wirkung der löngitudinalen Diskontinuität darin, daß eine kapazitive Reaktanz in Serie zu dem entsprechenden Zweig des äquivalenten Netzwerks eingeführt wird. Wenn also die Anordnung mit Wellen der in den Abb. 1 und 5 dargestellten Art betrieben wird, so 1st das äquivalente Netzwerk gleich dem in der Abb. 5Ä dargestellten, worin 21 jetzt eine punktförmige Kapazität von größerer Abmessung ist. Abb. 10 A läßt sich in ähnlicher Weise für Wellen dar in Abb. 4 und 6 dargestellten Type anwenden, wobei jetzt eine kapazitive Reaktanz im Serienzweig desNetzwerks vorhanden ist. Hierbei ist wieder die Größe der Kapazität zum Teil von dem Abstand zwischen den Flanschen 30 und 31 und zum Teil von ihrer radialen Ausdehnung abhängig. Die Größe der Kapazität läßt sich durch Einführung eines dielektrischen Materials zwischen den Flanschen verändern. Die Flansche können vollständig um die Leitung herum laufen, wie dies in Abb. 9 gezeigt ist, sie können jedoch auch nur einen Teil des Umfangs einnehmen und die Form von Sektorplatten besitzen. Normalerweise ist der Abstand zwischen den Flanschen kurz im Vergleich zur Wellenlänge.

Über der Verbindungsstelle der beiden Teile der Leitung kann eine Abschirmkappe angebracht sein, oder die ringförmige Öffnung kann an ihrem Umfang, wie in Abb. 10 gezeigt, geschlossen sein, wodurch die Abstrahlung von. Energie durch den Zwischenraum zwischen den beiden Flanschen verhindert wird.

Es ist festgestellt worden, daß die Unterbrechung zwischen den beiden Flanschen die Wirkung einer Serienkapazität ergibt. Dies ist natürlich nur der Fall, wenn die radiale Abmessung der Flansche klein im Vergleich zur Wellenlänge ist. Ist dies nicht der Fall, so ergibt sich eine ähnliche Wirkung wie l>ei den in Abb. 7 und 8 dargestellten Anordnungen. Für die Anordnung nach Abb. 9 läßt sich dann die Gleichung (1) und für die Anordnung nach Abb. 10 'die Gleichung (2) anwenden. Auch in diesem Fall läßt sich durch geeignete Wahl der Abmessungen der Flansche die Serienreaktanz kapazitiv oder induktiv machen, so daß man einen weiten Spielraum für die Konstruktion eines äquivalenten Netzwerks der gewünschten Eigenschaften zur Verfügung hat.

Von den in den Abb. 7 bis 10 dargestellten Anordnungen kann man beliebig viele hintereinander anbringen, wodurch ein noch größerer Spielraum für die Herstellung des äquivalenten Netzwerks erzielt wird.

Abb. 11 zeigt ein Impedanzelement mit Irisblenden. Es läßt sich mit der Anordnung nach Abb. 9 vergleichen. In diesem Fall ist die Leitung in der Querrichtung aufgeschnitten, und an jedem freien Ende ist eine Irisblende 36 angebracht. Die beiden Enden werden dann dicht nebeneinander angeordnet, so daß sich eine Kapazitätswirkung zwischen den Irisblenden ergibt. Die Kombination ändert die Eigenschaften der normalen Leitung infolge der Zufügung einer Parallelinduktivität, die durch die Größe der Blendenöffnung einstellbar ist, und einer Serienkapazität, deren Größe von den Abmessungen und dem Abstand der Irisblenden abhängig ist. Die Kapazität wirkt in der an Hand der Abb. 9 beschriebenen Weise. Die Größe der Blendenöffnungen ist ferner ein Mittel zur Einstellung der Kopplung zwischen den beiden Leiterabschnitten.

In Abb. 12 ist eine andere Form einer im wesentlichen punktförmigen Reaktanz dargestellt. In diesem Fall ist eine ringförmige Kammer 105 vorgesehen, in die die Energie durch eine ringförmige Öffnung 106 eintreten kann. Die Öffnung kann verhältnismäßig klein sein und braucht nicht vollständig um die Leitung herum zu laufen. Vorzugsweise

ist die Öffnung, wie durch die Pfeile angedeutet, einstellbar. Außerdem kann eine Irisblende 107 innerhalb der Kammer 105 angeordnet sein, durch die die Kammer in Verbindung mit der Blendenöffnung eine bestimmte Reaktanz erhält, die für den einen oder den anderen Zweck geeignet sein kann. Wenn die Reaktanz an einem Punkt der Leitung konzentriert sein soll, kann die An-Ordnung nach Abb. 12 A verwendet werden. Hierbei besitzt die öffnung der die Leitung umgebenden Kammer eine verhältnismäßig kleine Länge in Richtung der Leitung, die Wandungen der Kammer laufen jedoch nach außen, so daß sich ein verhältnismäßig großes Volumen ergibt. Gleichzeitig kann eine einstellbare ringförmige Öffniung 108 vorgesehen sein. Durch geeignete Auswahl des Volumens, der Abmessungen und' der Lage der verschiedenen Elemente erhält man ein Impedanzelement von großer Anpassungsfähigkeit.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Wellenleitersystem mit einer metallischen Rohrwandung, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte des Wellenleiters als Filter, Dämpfungsnetzwerk od. dgl. ausgebildet sind, indem diese Abschnitte verteilt oder punktförmig kapazitive oder induktive Reaktanzen enthalten, welche aus einem oder mehreren Längs- oder Querschlitzen· in der Rohrwandung bestehen (Abb. 7 bis 12).
2. 2. Wellenleitersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kanten, der Schlitze metallische Flansche (z.B. 27, 28 Abb. 7; 30, 31 Abb. 9) angeordnet sind, die einander gegenüberstehen.
3. 3. Wellenleitersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte zwei halbzylinidrische Metallteile besitzen, die zwischen ihren Kanten Längsschlitze haben (Abb. 7 und 8).
4. 4. Wellenleitersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche oder Platten an ihren Außenkanten miteinander leitend verbunden sind (Abb. 10).
5. 5. Wellenleitersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Flanschen eine Schicht aus einem von Luft verschiedenem Dielektrikum vorgesehen ist.
6. 6. Wellenleitersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitend verbundenem plattenähnlichen Anordnungen eine ringförmige Kammer bilden, in der eine oder mehrere einstellbare ringförmige Öffnungen angebracht sind (Abb. 12 und i<2A).
7. 7. Wellenleitersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem durch die Querschlitze gebildeten gegenüberstehenden Leiterabschnitten metallische Irisblenden angebracht sind (Abb. 11).

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik ist im Erteilungsverfahren folgende Druckschrift in Betracht gezogen worden:

   Französische Patentschrift Nr. 798 579.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   5705 2.53