DE958397C

DE958397C - Anordnung zur Ein- bzw. Auskopplung von leitungsgebundenen Wellen bei aus dielektrischem Material bestehenden Voll- oder Hohlleitern

Info

Publication number: DE958397C
Application number: DES33353A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans-Georg Unger; Dr-Ing Habil Otto Zinke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-05-08
Filing date: 1953-05-08
Publication date: 1957-02-21

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Einbzw. Auskopplung von leitungsgebundenen Wellen bei aus dielektrischem Material bestehenden Volloder Hohlleitern.

Bekanntlich können elektromagnetische Wellen längs aus dielektrischem Material bestehenden Leitungen (Wellenführungsanordnungen) fortgeführt werden. Die elektromagnetische Welle pflanzt sich längs der Wellenführungsanordnung je nach deren Ausbildung mehr oder weniger um diese konzentriert fort. Während nur ein kleiner Teil der elektromagnetischen Energie sich innerhalb des dielektrischen Materials der Wellenführungsanordnung ausbreitet, pflanzt sich normalerweise der größere Teil der Energie außerhalb dieser Wellenführungsanordnung, innerhalb eines gedachten, um diese Wellenführungsanordnung gelegten Zylinders fort. Der Radius r₀ oder der Durchmesser d_g = 2 r₀ dieses Zylinders ist somit ein Maß für die Ausdehnung des elektrischen Feldes. Im Abstand r_Q von ao der Wellenführungsanordnung ist die Feldstärke

um den Faktor — (e = Basis des natürlichen Loge

arithmus) kleiner als an der Oberfläche des Wellenleiters. Außerhalb des sogenannten Grenzradius r₀ as existiert also nur noch ein relativ schwaches elektromagnetisches Feld.

Es ist bekannt, zur Anregung elektromagnetischer Wellen an dielektrischen Leitungen metallische Trichter zu verwenden, welche die im Trich-

ter ,erregte elektromagnetische Welle auf den dielektrischen Leiter überführen. Ein Trichter in der bekannten Ausführungsform ist nicht dazu geeignet, die gesamte in dem Trichter erregte elektromagnetische Energie so auf den dielektrischen Leiter zu richten, daß dear Übergang der elektromagnetischen Wellen vom Trichter auf den Leiter mit sehr gutem Wirkungsgrad erfolgt. Um die bekannten Anregungsanordnungen zu verbessern, hat man daher vor die Trichteröffnung in bekannter Weise eine elektromagnetische Linse gesetzt, welche die im Trichter erregte elektromagnetische Energie in gebündelter Form auf den dielektrischen Leiter richtet. Solche Anordnungen mit Linsen sind jedoch verhältnismäßig schwer und außerdem ziemlich teuer.

Es wurde auch versucht, den Übergang der elektromagnetischen Wellen von der Anregungsanordnung auf eine Wellenleitung dadurch störungsfrei auszubilden, daß die Wellenleitung in die als Hohlleiter ausgebildete Speiseleitung geführt und so ausgebildet wurde, daß sie den gesamten Hohlleiterraum in einem gewissen Längenabschnitt ausfüllte. Da sich aber in dem Hohlleiter die Wellenform der zu erregenden Wellen nicht so ausbilden kann, wie sie in der dielektrischen Wellenführungsanordnung selbst besteht, konnte auch hiermit nicht der gewünschte Erfolg erzielt werden.

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, vorteilhaftere Anordnungen zur Ein- und Auskopplung von leitungsgebundenen Wellen von aus dielektrischem Material bestehenden Voll- oder Hohlleitern (dielektrische Wellenführungsanordiiung) zu schaffen.

Bei der aus Wellenführungsanordnung und hornförmiger S tr ahler anordnung bzw. Trichterstrahler bestehenden Anordnung nach der Erfindung ist die sich wenigstens zum Teil in das Horn bzw. Trichter erstreckende Wellenführungsanordnung im Bereich des vom Trichter mit Ausnahme seines Halses umschlossenen Raumes bzw. im Übergangsgebiet zu diesem mit größeren Querabmessungen als die Wellenführungsanordnung selbst ausgebildet, und/ oder es sind an den Trichter Verlängerungen mit konvergent oder zumindest weniger divergent als die Trichterwand verlaufende Wände angesetzt. Es wird dadurch erreicht, daß der Übergang der elektromagnetischen Wellen von der Anregungsanordnung auf den dielektrischen Leiter im wesentliehen störungsfrei erfolgt und das elektromagnetische Feld der aus dem Horn bzw. Trichter austretenden elektromagnetischen Welle nahezu senkrecht zur Wellenführungsanordhung verläuft.

Eine Verdickung der Wellenführungsanordnung kann man beispielsweise durch auf die Wellentführungsanordnung aufgebrachte doppelkegelförmige oder tropfenförmige Körper aus dielektrischem Material erzielen, wenn nicht die Wellenführungsanordimng selbst zu einer solchen, Form ausgebildet ist. Die erwähnten Körperformen können in vorteilhafter Weise auch in geteilten Körperteilen um die Wellenführungsanordnung gelegt werden. Als Strahleranordnung kann insbesondere ein metallischer oder nichtmetallischer Trichter benutzt werden.

Eine günstige Ablösung der elektromagnetischen Wellen erfolgt auch dann, wenn in einen Trichter ein leitender oder nichtleitender doppelkegelförmiger Körper, insbesondere Hohlkörper, eingebracht ist, der sich beispielsweise über die halbe Länge des Trichters erstreckt.

An die Trichteröffnungen großen Durchmessers können vorteilhafterweise auch offene Zylinder oder auch sich verjüngende Verlängerungsstücke von der Form eines Kegelstumpfmantels angeschlossen werden. Durch diese Verlängerung der Trichter wird die Wellenform der aus dem Trichter austretenden elektromagnetischen Energie so beeinflußt, daß die elektromagnetischen Wellen sich in dieser Form ohne weiteres längs der Wellenführungsanordnung fortpflanzen können. Diese Verlängerungsstücke können .insbesondere auch für Anpassungs- und Transformationszwecke verwendet werden.

Die durch- die Wellenführungsanordnung geführte elektromagnetische Energie pflanzt sich, wie bereits erwähnt, in dem diese umgebenden Raum fort. Um nun die an der Wellenführungsanordnung fortschreitende elektromagnetische Energie durch die T.richteranordnung möglichst vollständig zu erfassen, gibt man der zur Wellenführungsanordnung gerichteten öffnung der Strahler anordnung oder deren Verlängerung einen entsprechend gewählten öffnungsdurchmesser. Vorteilhafterweise wählt man daher den öffnungsdurchmesser der Strahleranordnung in an sich bekannter Weise in der Größenordnung des von dem Aufbau der Wellenführ ungsanoflpdnung, der Wellenlänge und der jeweiligen Wellenform abhängigen Grenzdurchmessers d_g.

Zur Vermeidung von Störungen an der Übergangsstelle zwischen einer Wellenführungsanordnung und dem Trichter bzw. der Trichterverlängerung können deren Ränder wulstförmig ausgebildet werden. Die Speisung der hornförmigen Strahleranordnung kann über Hohlleiter, koaxiale Leitungen oder Erregersysteme erfolgen. So können z. B. in an den Trichter angebaute Hohlleiter oder in der Nähe des Trichterendes kleinsten Durchmessers axial oder senkrecht zur Wellenführungsanoardnung stehende, mit einer Leitung verbundene oder strahlungsgespeiste Dipole, Halbdipole oder Dipolruppen angeordnet sein. Erfolgt die Speisung der Anregungsanordnung (Strahler anordnung) beispielsweise durch eine koaxiale Leitung, daran kann der in den Trichterraum ragende Innenleiter oder ein Verlängerungsstück als Erreger dienen. Zur Erregung zirkulär polarisierter elektromagnetischer Wellen können in der Nähe des Trichterendes kleinsten Durchmessers oder im Hohlleiter zwei etwa eine Viertelwellenlänge voneinander entfernte, mit 90⁰ Phasenverschiebung gespeiste Dipole oder Dipolpaare angeordnet werden.

Die Halbdipole können die Form von Bolzen oder Kegeln aufweisen und können beim Einbau in besondere Trichterfortsätze auch in dielektrisches Material eingebettet sein.

Zur Erregung von transversalelektrischen Wellen an einer Wellenfübrungsanordnung können auch magnetische Dipole'verwendet werden, die in der Nähe des Trichterhalses, im Trichter selbst oder in einem Trichterfortsatz, z. B. in einer an den Trichter angebauten Hohlleitung·, untergebracht sind. Als magnetischer Dipol kann beispielsweise ein ringförmiger, gleichachsig zur Wellenführungsanordnung liegender Dipol dienen. Der ringförmige Dipol ίο kann in wenigstens zwei Ringabscbnitte unterteilt werden, dessen so entstehende Teile mittels diagonal verlaufender Streben getragen werden. Es kann von Vorteil sein, die dielektrische Wellenführungsanordnung mit einer HE-Weite anzuregen, bei der in Fortpflanzungsrichtung sowohl magnetische als auch elektrische Komponenten des elektromagnetischen Feldes vorhanden sind. Eine solche Welle besitzt eine Form, wie sie beispielsweise durch einen senkrecht zur Wellenführungsanoirdnung stehenden Dipol angeregt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In Fig. ι ist im Längsschnitt eine Anordnung zur Ein- bzw. Auskopplung von transversalmagnetischen Wellen gezeigt. Sie weisen die Feldkomponenfeni Ηφ, E_r und E_z auf. H ist hierbei die magnetische Feldstärke, E die elektrische Feldstärke. Die Anregungsanordnung besteht aus dem zur dielektrischen Weillenführungsanordniunig ι koaxial angeordneten Trichter 2 mit einem koaxialen Fortsatz 3. Der Innenleiter des koaxialen Fortsatzes ragt in den Trichterraum und ist in diesem zu einem zylindrischen Dipol ausgebildet. Die in den Trichter ragende Wellenfübrungsanordnung ist am Erregerdipol 4 befestigt. Wie die Figur erkennen läßt, ist die in den Trichterraum geführte dielektrische Wellenfübrungsanordnung mit größeren Durchmesserabmessungen ausgebildet als auf der frei verlegten Wegstrecke. Die Ablösung der elektromagnetischen Wellen aus dem Trichterraum kann noch durch einen an die Trichteröffnung großen Durchmessers angebauten zylindrischen Fortsatz 5 begünstigt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt. Die hier dargestellte Anordnung unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die dielektrische Wellenführungsanordnung im Trichterraum zu einem tropfenförmigen Körper 6 ausgebildet ist. Dieser Körper schließt sich an den Erreger 4 an. Des weiteren ist an die Trichteröffnung ein sich verjüngender Zylinder 7 angefügt, dessen Mantellinienverlauf die Form eines Kegelstumpfmantels besitzt.

Zur Übertragung elektrischer Energie ist der HE₁₀-Wellentyp (Dipoltyp) sehr gut geeignet. Der Dipoltyp kann in einfacher Weise durch Dipole angeregt werden. Fig. 3 zeigt als Aus>fuihrujTg<sbieispiel eine Anordnung, bei der an einen Trichter ein Hohlleiter 8 angesetzt ist, an den sich wiederum eine senkrecht zu diesem verlaufende koaxiale Leitung 9 anschließt. Durch den Innenleiter der koaxialen Leitung wird der Erreger 10 gespeist. In vorteilhafter Weise kann die ankommende Wellenführungsanordnung 11 in den Hohlleiter 8 eingeführt werden, so daß deren dielektrisches Material den Hohlleiter wenigstens zum Teil ausfüllt. Die. Wellenführungsanordnung selbst erstreckt sich ohne Verdickung durch den Trichterraum und verläuft schließlich in den freien Raum. Zur Anregung der Wellen können auch konisch ausgebildete Erreger benutzt werden. Ein solcher ist beispielsweise in Fig. 4 dargestellt. Um die Ablösung der elektromagnetischen Wellen vom Erregersystem zu begünstigen, ist an den Trichter ein sich verjüngender Zylinder 7 angeschlossen. Durch dieses Verlängerungsstück am Trichter wird der Feldlinienverlauf im Trichter günstig beeinflußt.

Die an die Strahleraniordinunig angebaute Speiseleitung 8 bzw. 3 kann auch zur Gänze mit dielekirischem Material ausgefüllt sein.

Fig. 5 zeigt ekie Anreigungsanordnung mit einem symmetrischen Dipol 12 und einer rohrförmigen dielektrischen Wellenführungsanordnung 11.

Zur Erregung von transversalelektrischen Wellen mit den Feldkomponenten H_z, H₁. und Εφ werden vorteilhafterweise magnetische Dipole verwendet. Eine Anregungsanordniung für solche Wellentypen ist in Fig. 6 gezeigt. Im Trichterraum ist ein über' ein nicht dargestelltes Speisesystem erregter magnetischer Dipol in Form eines zur Wellenführungsanordnung gleichachsig liegenden Drahtringes 13 angeordnet, der beispielsweise dieDurchmesserabmessungen der Wellenführungsanordnung besitzen kann. Ein solcher metallischer Ring wird vom Strom gleicher Richtung durchflossen und erregt die obengenannte Wellenform. Ein auf dem Umfang des Ringes fließender Strom von gleicher Richtung kann durch eine Unterteilung des Ringes, beispielsweise nach der Darstellung in Fig. 7, erzielt werden. Vor die Trichteröffnung der Anregungsanordnung ist ein sich verjüngender Zylinder 7 gesetzt. Durch zweckmäßige Querschnittsänderung des dielektrischen Materials der Wellenführungsanordnung kann gegebenenfalls noch eine günstigere Anpassung zwischen Wellenführungsanordnung und Anregungsanördnung erzielt werden. Die in die Strahleranordnung bzw. Trichterstrahler geführte rohr förmige dielektrische Wellenführungsanordnung kann vorteilhafterweise direkt, z. B. in einen an die Strahleranordnung angebauten runden Hohlleiter, übergeführt werden. Im Übergangsgebiet vom Hohlleiter zur Strahleranordnung, vorzugsweise jedoch .noch im Hohlleiter selbst, erfolgt ein stetiger Übergang zu einer dielektrischen' Schicht, deren Querschnitt schließlich größer sein kann als der endgültige Roforquerschnitt der dielektrischen Wellenführungsanordnung. Nach dem Austritt aus dem Hohlleiter verkleinert sich der Querschnitt des dielektrischen Materials wieder in einem iao kontinuierlichen Übergang zur dielektrischenWellanführungsanordnung.

In bekannter Weise kann die Öffnung der Anregungsanordnung nach der Erfindung mit einer Abdeckplatte aus Isolierstoff abgeschlossen werden. Diese Abdeckplatte kann außer zum Schütze

gegen Witterungseinflüsse auch für Anpassungs- und Transformationszwecke benutzt werden.

Claims

Patentansprüche-

i. Anordnung zur Ein- bzw. Auskopplung von leitungsgebundenew Wellen bei aus dielektrischem Material bestehenden Voll- oder Hohlleitern (dielektrischen Wellenführungsanordnungen), bestehend aus einer horniförmigen

ίο Strahleranordnung bzw. einem Trichterstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß die sich wenigstens zum Teil in den Trichterstrahler erstreckende Welleniführungsanordnung im Bereich des vom Horn bzw. Trichter mit Ausnahme seines Halses umschlossenen Raumes bzw. im Übergangsgebiet zu diesem mit größeren Querabmessungen als die Wellenführungsanordnung selbst ausgebildet ist und/oder daß an den Trichter Verlängerungen mit konvergent oder zumindest weniger divergent als die Trichterwand verlaufenden Wänden angesetzt sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschniittsabmessungen des dielektrischen Leiters so bemessen sind, daß sich eine doppeilkegelförmige bzw. tropfenförmige Gestalt ergibt.
3. Anordnung nach Anspruchs, gekennzeichnet durch auf die dielektrische Wellenführungsanordnung aufgebrachte Körper aus dielekirischem Material.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hornstrahler ein leitender doppelkegelförmiger Körper, insbesondere Hohlkörper, eingebracht ist, der sich wenigstens über die halbe Länge des Hornstrahlers erstreckt.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Hornstrahleröffnung großen Durchmessers

.40 ein offener Zylinder angeschlossen ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein an die Hornstrahleröffnung großen Durchmessers angebautes, sich verjüngendes Verlängerungsstück von der Form eines Kegelstumpfmantels.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder des Hornstrahlers bzw. deren Verlängerungsstücke wulstförmig umgebogen sind.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornstrahler an eine Hohlleitung angebaut ist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Hornstrahlerendes kleinsten Durchmessers oder im Hohlleiter ein axial zur Wellenführungsanordnung liegender gespeister elektrischer Halbdipol angeordnet ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Hornstrahlerendes kleinsten Durchmessers oder im Hohlleiter ein senkrecht zur Achse der Wellenführungsanordnung stehender Dipol bzw. Halbdipol angeordnet ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Erregung zirkulär polarisierter elektromagnetischer Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß z. B. in der Nähe des Hornstrahlerendes kleinsten Durchmessers oder im Hohlleiter zwei eine Viertelwellenlänge voneinander entfernte, mit 90 ° PhasemverSchiebung gespeiste Dipole oder Dipolpaare angeordnet sind.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Hornstrahlers durch eine koaxiale Leitung erfolgt, deren Innenleiter als Erreger dient.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbdipol die Form eines Kegels aufweist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen in der Nähe des Hornstrahlerhalses oder in einem an den Hornstrahler angebauten Hohlleiter eingebauten ringförmigen, vorzugsweise gleichachsig zur Wellenführungsanordnung liegenden magnetischen Dipol.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Dipol in wenigstens zwei Ringabschnitte unterteilt ist und daß die so entstehenden Teile mittels diagonal verlaufender Streben getragen sind.

95 In Betracht gezogene Druckschriften:

Journal of Applied Physics, 1949, S. 1189;
deutsche Patentschrift Nr. 866810.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen