DE845659C - Impedanztransformator fuer sehr hohe Frequenzen und mit solchem Transformator versehene Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

(WiGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 4. AUGUST 1952

N 3962 VIIIaJ2ia^l

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Impedanztransformator für besonders hohe Frequenzen und auf eine mit einem solchen Transformator versehene Schaltungsanordnung.

Ein bekannter Impedanztransformator besteht aus zwei dielektrischen Wellenleitern, die je an einem Ende durch einen nachstellbaren Kolben verschlossen sind. Die Wellenleiter sind durch eine Öffnung von einstellbarer Größe in einem gemeinsamen Wandteil gekoppelt. Unter Zuhilfenahme dieses Transformators kann eine beliebige Impedanz in eine beliebige andere Impedanz umgewandelt werden. Dieser Vorrichtung haften jedoch einige Nachteile an. Zunächst eignet sie sich nicht gut für hohe Leistungen, da bei der Öffnung mit einstellbarer Größe große Feldstärken'auftreten, die zu Überschlägen führen. Sodann muß sie experimentell geeicht werden. Besonders für Meßzwecke möchte man gern einen Impedanztransformator zur Verfügung haben, bei dem die Beziehung zwischen der Einstellung und dem komplexen Übersetzungsverhältnis sich auf ao einfache Weise genau vorher berechnen läßt, so daß Eichung sich erübrigt.

Die Erfindung bezweckt, einen Impedanztransformator zu schaffen, bei dem unter Beibehaltung der vorteilhaften Eigenschaften die erwähnten Nachteile vermieden werden.

Der Impedanztransformator nach der Erfindung hat das Merkmal, daß an mindestens zwei räumlich getrennten Stellen Koppelelemente zwischen den Wellenleitern derart angebracht sind, daß eine sich in Rieh-

tung des Kolbens, und der Koppelelemente in dem einen Wellenleiter bewegende fortschreitende Welle in den beiden Wellenleitern fortschreitende Wellen mit gleicher Amplitude ergibt, die sich ausschließlich von den Koppelelementen nach den Kolben bewegt. Es sei bemerkt, daß eine solche Kopplung, die als j Richtkopplung bezeichnet wird, an sich bekannt ist. Die Koppelelemente sind dabei also nicht einstellbar, so daß beim Entwurf die Anforderung einer überall möglichst niedrigen Feldstärke besser berücksichtigt werden kann. Infolgedessen eignet sich der Impedanztransformator nach der Erfindung gut für hohe Leistungen.

Die Phase und Amplitude des komplexen Über-Setzungsverhältnisses hängen auf einfach berechenbare Weise von der Lage der Kolben ab, so daß sich eine' experimentelle Eichung erübrigt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Impedanztransformators nach der Erfindung sind die beiden ao Kolben mit zwei Betätigungsorganen gekoppelt, von denen eines ausschließlich den Unterschied und.das andere ausschließlich die Summe der Abstände der Kolben von demselben Koppelelement bedingt. Wie sich weiter unten ergeben wird, kann durch das erste as Betätigungsorgan die Amplitude und durch das zweite die Phase des komplexen Spannungsreflexionskoeffizienten eingestellt werden, wobei beide Einstellungen unabhängig voneinander sind. Wie als bekannt vorausgesetzt werden darf, kann aus diesem Reflexionskoeffizienten auf einfache Weise das Übersetzungsverhältnis berechnet werden.

-. .. Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. ι stellt ein Ausführungsbeispiel eines Impedanztransformators nach der Erfindung· dar, und

Fig. 2, 3 und 4 sind Vektordiagramme, in denen die Wirkungsweise der Vorrichtung erläutert wird. Der in Fig. 1 dargestellte Impedanztransformator enthält die dielektrischen. Wellenleiter 1 und 2, die auf der rechten Seite von den Kolben 3 bzw. 4 verschlossen sind. Die links liegenden Enden 5 und 6 dieser Wellenleiter sind als Ein- und Ausgang des Impedanztransformators wirksam. Die Wellenleiter 1 und 2 sind durch eine Anzahl von Kqppelelementen gekoppelt, die hier als öffnung 7 in der gemeinsamen Seitenwand 8 der Wellenleiter 1 und 2 ausgebildet sind. 1

Rechtß von den Wellenleitern ist ein Mechanismus zur Nachstellung der Kolben 3 und 4 vorgesehen. Er enthält einen Rahmen 9, in dem ein Schlitten 10 verschiebbar angebracht ist. Durch die Schraube 11 kann dieser Schlitten in der Figur in waagerechter Richtung verstellt werden. Der Schlitten enthält die Stell- : schraube J2_t bei der ein Teil 13 mit Schraubengewinde mit linksgängiger St.eiguijg und ein Teil 14 mit Schraubengewinde mit gleicher, aber rechtsgängiger Steigung versehen ist. Die Muttern 15 bzw. 16, die mit diesen Schraubengewindeteilen.zusammenwirken, sind durch _t die Stangen 17 bzw. j8 mit dem Kolben 3 bzw. 4 verbunden. Es ist ersichtlich, daß infolge Drehung der Schraube 11 sich beide Kolben in gleicher Richtung über gleiche Wege bewegen; während Drehung der Schraube 12 gleiche, aber entgegengesetzte Verschiebungen der Kolben zur Folge haben wird.. In der Figur sind 19, 20 und 21 die senkrecht zur Längsachse des Wellenleiters durch das rechte Ende der am meisten rechts liegenden der Kopplungsöffnungen 7 bzw. die linken Begrenzungsebenen der Kolben 3 und 4 geführten Ebenen. Wird der Abstand der Ebenen 20 und 21 von der Ebene 19 mit Ci₁ und a₂ bezeichnet, so hängt somit die Größe ^₁ -(- «2 ausschließlich von der Lage der Stellschraube 11 und die Größe a₂ — a_x ausschließlich von der Lage der Stellschraube 12 ab.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird nachstehend an Hand der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Vektordiagramme näher erläutert. Die öffnung 6 des Wellenleiters 2 in Fig. 1 sei z. B. durch den Keil 22 reflexionsfrei verschlossen.

Wird eine fortschreitende elektrische Welle betrachtet, bei der die Amplitude der auftretenden elektrischen Feldstärke gleich F ist und die in den Wellenleiter 1 am Ende 5 eintritt, so ergibt sich, daß infolge der Wirkung der Richtkopplung rechts von der Ebene 19 in den beiden Wellenleitern eine nach rechts fortschreitende Welle auftritt. Für den hier betrachteten Fall, daß die Richtkopplung derart ausgebildet ist, daß diese Wellen gleiche Amplituden haben, folgt aus der Theorie der Richtkopplung, daß diese Wellen einen Phasenunterschied von 90° gegeneinander und beim Fehlen einer Kopplung zwischen den Wellenleitern einen Phasenunterschied von 45° gegen die ursprüngliche Welle aufweisen.

Diese Lage ist in Fig. 2 dargestellt. F₁ und F₂ bezeichnen hier die Amplitude und die Phase der Wellen in den Wellenleitern 1 und 2 in dem Augenblick, in dem die Ebene 20 erreicht worden ist. F₁ eilt hierbei 90° in der Phase in bezug auf F₂ nach. Aus dem Reziprozitätstheorem folgt, daß, wenn die Bewegungsrichtung dieser Wellen umgekehrt wird, aus dem Ende 5 gerade wieder die Welle V zum Vorschein kommen wird. Diese Lage ist in Fig. 3 angegeben. Da die Wand 8 eine Symmetriefläche ist, wird diese Welle aus der öffnung 6 zum Vorschein kommen, wenn dabei die Phasen von F₁ und F₂ vertauscht werden. In Fig. 4 ist nun die Wirkung der Kolben 3 und 4 auf die nach rechts wandernden Wellen F₁ und F₂ der Fig. 2 dargestellt. Die Welle F₁ wird an der Stelle der Ebene 20 vom Kolben 2 zurückgeworfen werden. Die Phase dreht sich dabei um i8o°. So entsteht die nach links wandernde Welle F₁. Wenn die linke Seitenfläche des Kolbens 4 auch in der Ebene 20 läge, würde die Welle F₂ bereits in der Ebene 20 zurückgeworfen werden, wodurch die nach links wandernde Welle V₁ entstehen würde. Dabei verläuft F₁ senkrecht zu F₂. In der dargestellten ,Lage der Kolben wird die vom Kolben 4 zurückgeworfene Welle, in der Ebene 20 angekommen, infolge des zweimal zurückgelegten Wegs a₂ — Oi₁ jedoch eine Phasenverschiebung δ erfahren haben.
Hierbei ist

= 2 π·

2 (α₂ — U₁)

wobei λ gleich der in den Wellenleitern auftretenden Wellenlänge ist. Auf diese Weise kommt in der Ebene eine nach links laufende Welle F₂" an.

Die beiden nach links laufenden Wellen V₁ und F₂", die in den Wellenleitern ι bzw. 2 auftreten, können nun auf die dargestellte Weise in zwei Wellenpaare aufgelöst werden, die paarweise gleiche Amplituden und einen Phasenunterschied von 90⁰ haben, und zwar das Paar A und B und das Paar C und D. Das erste Paar gibt ausschließlich Anlaß zu einer aus der Öffnung 6 heraustretenden Welle, die hier ganz von dem Keil 22 absorbiert wird. Das Paar C und D gibt Anlaß zu einer aus der Öffnung 5 heraustretenden Welle, deren Amplitude gleich F sin * ₂ ό ist. Da δ ausschließlich vom Unterschied a₂ — a_{ abhängt, wird durch Drehung der Stellschraube 12 ausschließlich die Amplitude der aus der Öffnung 5 hervortretenden Welle beeinflußt. Diese Amplitude kann somit zwischen O und F geändert werden. Infolge der Drehung der Stellschraube 11 werden die Kolben 3 und 4 über gleiche Wege verschoben, so daß gleiche Phasendrehungen der Wellen V₁ und F₂" auftreten werden. Die aus der Öffnung 5 heraustretende Resultante R von C und D wird dann die gleiche Phasendrehung erfahren. Die Phase ψ wird gleich

2 π

sein, wobei K eine durch die Länge des Wellenleiters 1 bedingte Konstante ist. Gewünschtenfalls können die Stellschrauben 11 und 12 als Mikrometerschrauben ausgebildet werden. Es ist ersichtlich, daß aus den Verschiebungen die Phasenveränderung und die Amplitude der bei der Öffnung 5 heraustretenden Welle berechnet werden können.

Das komplexe Verhältnis zwischen der eintretenden und der austretenden Welle kann somit beliebig eingestellt werden, d.h. daß auf der Eingangsseite 5 des Transformators jede erwünschte Impedanz verwirklicht werden kann, wenn der Transformator auf der

Ausgangsseite reflexionsfrei verschlossen ist. Aus der Theorie ergibt sich, daß eine Vorrichtung, welche diese Eigenschaft hat, für eine beliebige Ausgangsimpedanz ein beliebig einstellbares komplexes Übersetzungsverhältnis hat.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrischer Impedanztransformator für sehr hohe Frequenzen, der aus zwei dielektrischen Wellenleitern besteht, die je an einem der Enden durch einen verschiebbaren Kolben verschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens zwei räumlich getrennten Stellen Koppelelemente zwischen den Wellenleitern angebracht sind in der Weise, daß eine sich in Richtung des Kolbens und der Koppelelemente in einem Wellenleiter bewegende fortschreitende Welle sich ausschließlich in sich in den zwei Wellenleitern von den Koppelelementen nach den Kolben bewegende fortschreitende Wellen mit gleicher Amplitude auswirkt.

2. Elektrischer Impedanztransformator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben mit zwei Betätigungsorganen verbunden sind, von denen eines ausschließlich den Unterschied und das andere ausschließlich die Summe der Abstände der Kolben von demselben Koppelelement bedingt.

3. Elektrischer Impedanztransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter eine gemeinsame Seitenwand haben, wobei die Koppelelemente aus öffnungen in dieser Seitenwand bestehen.

4. Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Impedanztransformator nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

O 5267 7.