DE963529C

DE963529C - Richtungskoppler fuer Bandleitungen

Info

Publication number: DE963529C
Application number: DEI6965A
Authority: DE
Inventors: John A Kostriza; Paul Terranova
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1951-05-23
Filing date: 1953-03-01
Publication date: 1957-05-09
Also published as: FR70153E; FR65461E; US2760169A; FR67548E; CH316533A; BE518175A; BE511583A; FR70910E; DE1027266B; CH320601A; BE513061A; CH310665A; BE572608A; BE517377A; DE958396C; NL174931B; FR65719E; FR65468E; NL91134C; GB704050A

Description

AUSGEGEBEN AM 9. MAI 1957

I 6965 VIII a j 21 ^

Es sind Richtungskoppler für Mikrowellenübertragungissysteme bekannt, die einen ersten und einen zweiten Leiter aufweisen, welche in einem kleinen· Bruchteil von einer Viertelwellenlänge voneinander in paralleler Beziehung angeordnet sind. Bei diesen bekannten Anordnungen bestehen die Leitungssysteme aus KoaxiaIIeitungen> und die Richtwirkung wird durch zwei im Abstände von A/4 angebrachte Stichleitungen erzielt, die ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.

Es sind ferner in der Mikrowellentechnik Bandleitungen als Ubertragungssysteme bekannt. Unter Bandleitung wird bei diesen bekannten Anordnungen eine Leitung verstanden, die aus zwei Bändern von rechteckigem Querschnitt besteht.

Die Erfindung betrifft nun die Gestaltung eines Richtuingskopplers für einen ersten und" einen zweiten Leiter aufweisende Bandleitungen für Mikrowellenübertragungssysteme, welcher aus einem dritten und vierten Leiter besteht, die parallel und; mit einer Entfernung von einer Viertelwellenlänge für die Betriebsfrequeriz voneinander und unter einem Winkel und mit Abstand zum ersten Leiter angeordnet sind. Der dlritte und der vierte

709513/201

Leiter sind über eine Querverbindung miteinander verbunden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leiter leitende Ausdehnungen aufweist, die, seitlich desselben verlaufend, parallel zu dem dritten und vierten Leiter stehen und diese zu vollständigen Leitungen ergänzen.

In Verfolg des Erfindungsgedankens finden Mikrowellenübertragungsleitungen Verwendung, welche aus zwei Leitern bestehen, von denen der

ίο erste als ein Lekungs leiter und der zweite als ein Erdleiter bezeichnet wird, die dicht benachbart parallel und mit Abstand voneinander angeordnet sind. Der sogenannte Erdleiter, der auf Erdpotential oder irgendeinem anderen gegebenen Potential liegen kann, ist vorzugsweise breiter als der Leitungsleiter, in welchem Falle die Oberfläche desselben eine Spiegelreflexion, des Leitungsleiters erzeugt, wodurch die Verteilung der elektrischen und' magnetischen Felder praktisch dieselben sind wie die Verteilung zwischen einem Leiter und der neutralen Ebene einer theoretisch vollkommenen Zweileiterparalleldrahtanlage. Mikrowellen können praktisch im TEM-Mödus längs dieses Leitungsleitersystems fortgepflanzt werden, da die Mikrowellen in der leitenden Haut der einander gegenüberliegenden Oberflächen des Leitungsleiters und des Erdleiters fließen, zwischen welchen das elektrische Feld sehr stark konzentriert ist.
Die Erfindung weist gegenüber den oben-' genannten bekannten Anordnungen den Vorteil auf, daß die Anordnungen außerordentlich einfach und die Herstellung äußerst billig .sind, wobei sich besondere Vorteile hinsichtlich der Massenherstellung ergeben. Es ist durch die Erfindung möglich, die Koppler in einer Ausdehnung um ein sehr hohes Vielfaches kleiner zu gestalten, als es nach der normalen »Rohrtechaiik« für unumgänglich gehalten wurde. Dabei ist die Dimensionierung zw kleinen Abmessungen hin nur wirtschaftlich, aber nicht technisch bedingt. Überraschenderweise" hat sich hierbei gezeigt, daß an die Toleranzen keine übermäßig hohen Anforderungen zu stellen sind und der Abgleich, falls Ungenauiigkeiten auftreten, gleichfalls in einfachster Weise geschehen kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß äußerst kleine Strahlungsverluste bei der Wellenausbreitung längs der Leitung auftreten, obwohl die erfkidungsgemäße Leitung offen und nicht abgeschirmt ist.

Schließlich hat die Erfindung noch den großen Vorteil der einfachen Ausführung der Kopplung, welche dadurch erzielt wird, daß die Kopplungselemente einfach auf den ebenen Leiter aufgebracht werden und die Kopplung über eine vorgesehene Öffnung vornehmen.

Bei dieser Kopplerform kann eine größere oder

geringere Kopplung erhalten werden, indem Zusaugflächen teilweise die Übertragungsleitung unr-

. geben. Auch kann der Erdleiter in der Breite prak¹ tisch identisch sein mit dem Leitungsleiter, und zwar sowohl für die Übertragungsleitung wie auch für die Kopplungsleitongen, wodurch praktisch ein Parallelfeitungssystem geschaffen wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

Fig. ι ist eine Draufsicht auf ein Bandleitungssystem mit einer Ausbildungsform eines Richtungskoppler s;

Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie 2-2 von Fig. ι;

Fig'. 3 ist eine perspektivische Ansicht, bei welcher die Isolation nicht dargestellt ist; der Richtungskoppler hat die Form von Paralleldrahtleitungen;

Fig. 4 und 5 sind perspektivische Ansichten eines Richtungskopplers mit einer Zusatzfläche für die Vergrößerung der Kopplung;

Fig. 6, 7 und 8 zeigen perspektivische Ansichten von weiteren Ausführungsbeispielen der Kopplungsvorrichtung.

In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist die Mikrowellenleitung nach Art der gedruckten Schaltungen hergestellt und besteht aus einem ersten oder Leitungsleiter 1 und einem zweiten oder Erdleiter 2 mit einer Isolierschicht 3 dazwischen. Das leitende Material kann auf die Isolierschicht in Form einer leitenden Farbe oder Tinte aufgebracht sein, oder das leitende Material kann chemisch niedergeschlagen wenden, aufgespritzt oder aufgestäubt werden gemäß der bekannten Technik der gedruckten Schaltungen. Wenn gewünscht, können leitende Streifen ausgeschnitten und durch eine Pressung aufgebracht werden. Auch kann der Leitungsleiter gewünschter Ausbildung durch Wegätzen einer dünnen leitenden Bedeckung auf einer Oberfläche der Isolierschicht erhalten werden. Weiterhin können die Leitungsleiter auch, wenn gewünscht, in Abstand zu einem Blatt leitenden Materials, welches den Erdleiter bildet, angebracht werden und brauchen nicht auf eine Isolierschicht aufgebracht zu, werden.

Der Leiter 2 kann aus der Wand eines Chassis oder aus ,einem anderen Teil eines elektrischen Apparates bestehen, mit welchem oder in welchem das Übertragungssystem verwendet wird. Der Erdleiter 2 kann sich über eine beträchtliche Entfernung seitlich bezüglich des Leitungsleiters erstrecken, aber für praktische Zwecke genügt es, die Breite des Erdleiters etwa zwei- oder dreimal so groß wie die Breite des Leitungsleiters zu wählen. Eine dreifache Breite des Erdleiters hat bei genügend kleinem Leiterabstand bereits die Wirkung eines ebenen Leiters unendlicher Breite. Bei diesem angegebenen Breitenverhältnis besteht bereits eine Spiegeilreflexion des Leitungsleiters, so daß die Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder zwischen den Leitern gleich ist der Verteilung zwischen einem Leiter und der neutralen Ebene einer symmetrischen Zweileiterparallelbandlekung. Indem der Abstand zwischen den zwei "o Leitern klein gemacht wird', z. B. nur einen Bruchteil der Wellenlänge der fortgepflanzten Mikrowellenenergie beträgt, wird der elektrische Fluß fast vollkommen zwischen die gegenüberliegenden Oberflächen der zwei Leiter konzentriert.

Die Mikrowellenenergde kann auf die Band-

leitung beispielsweise durch eine Koaxialleitung oder durch einen anderen Wellenleiter übergeführt werden, der mit geeigneten Anpassungsmitteln versehen ist, um die Wirkung irgendeiner physikalischen Unstetigkeit bei solcher Kopplung zu verringern. Die Wellenwiderstände der zwei Leitungen müssen natürlich angepaßt sein. Wenn der Abstand zwischen dem Leituingsleiter und dem Erdleiter ein sehr kleiner Bruchteil einer ViertelweHenlänge ist,

ίο werden irgendwelche Schwingungszustände höherer Ordnung, verursacht durch irgendwelche physikalische Unstetigkeit längs der Leitung, schnell gedämpft.
Die von einer Quelle 4 über das Bandleitungssystem 1, 2 übertragene Mikrowellenenergie kann an einen Verbraucher 5, z. B. einen Sender oder Empfänger, angelegt werden. Es ist oft wünschenswert, an einen Kreis mit einer Übertragungsleitung einen richtungsabhängigen Abzweig der Energie zu koppeln, um den Energiefluß an eine Belastung zu bestimmen. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, besteht der Richtungskoppler aus einer seitlichen Ausdehnung 2_a des Erdleiters 2 und einem Paar paralleler Leiter 6 und 7, die durch eine Dielektrikumsschicht 3_a getragen werden und unter einem Winkel zum ersten Leiter 1 angeordnet sind. Die Enden der Leiter 6 und 7 haben einen engen Abstand "vom Leiter 1 und sind zusätzlich durch einen Leiter 9 in eiiner gewissen Entfernung vom Leiter 1 zusammengekoppelt. Die Leiter 6 und 7 haben einen Abstand von einer ViertelweHenlänge für die Betriebsfrequenz voneinander. Der Zweigleiter 6 endet in einem Dämpfungskissen 10 aus geeignetem verlustbehaftetem Material, um einen angepaßten Abschluß zu schaffen. Der andere Zweig 7 kann weiterlaufen zu einem Verbraucher, wie z. B. einem Meßinstrument oder einem anderen- Kreis, an welchen Energie von der Ouelle geliefert werden soll.

Beim Betrieb sind die zwei Abzweigleiter des Richtungskopplers so angeordnet, daß die räumliche Dimension dazwischen angenähert eine ViertelweHenlänge ist. Der Abstand der Leiter 6 und 7 vom Leiter 1 und der Abstand des Kopplungsleiters 9 vom Leiter 1 können in Abhängigkeit von dem .gewünschten Kopplungsgrad verändert werden. Der Abstand zwischen den Leitern 6 und 7 und dem. Leiter 1 ist vorzugsweise ein kleiner Bruchteil einer Wellenlänge, während der Abstand des Leiters 9 vom Leiter 1 beträchtlich variiert werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der angewendeten Schaltung. In den Anordnungen nach den Fig. 4 bis 8 kann 'einer oder können beide Leiter 6_a und j_a mit einer Zusatzfläche versehen sein, die teilweise den Leitungsleiter 1 umgibt, um eine größere Kopplung zu erzeugen. Dies kann eine Überlappung der Leiter herbeiführen, wobei dielektrisches Material dazwischen angeordnet ist nach Art der Technik der gedruckten Schaltungen.

Der Zweipunktkoppler zusammen mit der Querverbindung 9 nimmt bei der gerichteten Kopplung der Energie von der Quelle 4 Energie durch die zwei Zweigleiter 6 und 7 auf. Wenn die Kopplung so ist, daß in den zwei Zweigen 6 und 7 gleiche Ströme fließen, sind die Ströme am Verbindungspumkt der Zweigleitung 7 mit der Querverbindung 9 in Phase, und am Verbindungspunkt der Zweigleitung 6 mit der Querverbindung 9 heben sie sich auf. Für irgendwelche Reflexionen von der Belastung 5 ist die Phasenbeziehung der eingekoppelten Energie entgegengesetzt zu der gerade beschriebenen für die Energie von der Quelle 4, so daß in Phase eingekoppelte reflektierte Energie durch die Zweigleitungen 6 und 7 in dem Dämpfungskissen 10 der Zweigleitung 6 gedämpft ist und dadurch eine Richtungskopplung für die Zweigleitung 7 geschaffen wird. Diese Phasenbeziehung wird dadurch erreicht, daß der Abstand zwischen den Leitern 6 und 7 praktisch eine ViertelweHenlänge beträgt.

In Fig. 3 ist dieselbe Kopplungstype dargestellt wie in den Fig. 1 und 2, wobei jedoch die Übertragungsleitung gleich breite Leiter besitzt. Die Hauptleitung besteht aus den Leitern 11 und 12, über welche Energie in Pfeilrichtung 13 fortgepflanzt wird. Der Richtungskoppler besteht aus zwei parallelen Leitungen 14, 15 und 16, 17. Die unteren Leiter 15 und 17 des Richtungskopplers sind direkt mit dem zweiten Leiter 12¹ der Hauptleitung verbunden und stellen also wie die Leitung 2_a bei der Anordnung nach Fig. 1 eine Ausdehnung des zweiten Leiters 12 dar. Die anderen zwei Leiter .14 und 16 stehen zur Leitung 11 unter rechten Winkeln und sind über die Spalte 18 und 19 gekoppelt. Die gekoppelten Leitungen sind über die . Querverbindungen 20 und 21 zur Erzielung der Richtungskopplung so verbunden, daß Übereinstimmung mit der Phasenbeziehung der gekoppelten Energie erzielt wird. Die Abzweigleitung 14, 15 ist mit einem Dämpfungskissen. 22 für die Absorption unerwünschter Energie versehen. Es wird klar sein, daß das Parallelbandsystem von Fig. 3 die gleiche Richtusngskopplung erzeugt, wie dasjenige der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Bandleitungen.

Fig. 4 und 5 zeigen schematisch eine Bandleitungskopplurigsanordnung ähnlich Fig. 1, wobei jedoch der Erdleiter und die Dielektrikumszwischenschicht sowie die Querverbindung der Klarheit wegen weggelassen ist. Diese zwei Figuren zeigen jedoch, den Leitungeleiter i_a und die zwei Abzweigleitungen 6_a und J_a. In Fig. 4 ist der Abzweigleiter 6_a mit einer leitenden Fläche 23 versehen, die einen Teil 24 aufweist, welcher den Leiter I₈ überlappt, ohne ihn zu berühren, und .dadurch die kapazitive Kopplung der Leitung 6_a bezüglich dfes Leitungsleiters- I₀ vergrößert. Bei Versuchen ergab sich, daß diese Art der vergrößerten Kopplung der Abzweigleitung 6_a einen etwas größeren Stromftutß über diesen Abzweigleiter hervorbrachte ale über den Abzweig J_a, und zwar für einen Energiefluß in der angegebenen Richtung. In Fig. 5 ist der Abzweigleiter J_a mit einer Zusatzfläche 25 versehen,. die einen überlappenden Teil 26 hat, om die Kopplung für den Zweig7o gegenüber derjenigen für den Zweig 6„ zu vergrößern. Diese zusätzliche Kopplung für den

Zweig 7_a erzeugte eine viel größere Kopplung für den Zweig 7_ß als für den Zweig 6_a in der in Fig. 4 gezeigten Form, für dieselbe Energieflußrichtung längs der Leitung i_a. Die in. Fig. 4 gezeigte Form zeigte jedoch eine gute Einheitlichkeit für die Stromverhältnisse in 7_a und 6_a im Frequenzbereich von 4500 bis 5000 MHz. Dagegen änderte sich bei der in Fig. 5 gezeigten Form das Verhältnis für dieselben Frequenzen schnell. Das höchste Strom-

verhältnis (γ_α : 6_a) lag bei der unteren der geprüften Frequenzen.

Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen von ähnlichen Kopplungsanordnungen, wobei die Abzweigleitungen 6_a und 7„ durch einen Quer-

Streifenleiter 27 in Fig. 6 und 28- in Fig. 7 zusammen verbunden sind. Der Querstreifenleiter 27 ist mit einer Zueatzfläehe 29 versehen, die in Flucht mit dem Leiter 6_a liegt und dessen Kopplung zur Hauptleitung i_a vergrößert. In Fig. 7 liegt die

Zusatzfläche 30 des Streifens 218 in Linie mit der Leitung 7_a und vergrößert deren Kopplung mit dem Leiter i_a. Beim Vergleich der durch die Leitungen 6_a und 7a erhaltenen Richtungskopplung wurde beobachtet, daß die durch die Zusatzfläche 29 erhaltene vergrößerte Kopplung viele Male das Verhältnis der Ströme (7J(>a) vergrößerte gegenüber den Verhältnissen, die bei gleichen Prüfungen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 erhalten wurden.

In Fig. 8 ist der Querstreifen 31 mit einer Zusatzfläche 32 von derselben Breite wie der Streifen versehen, so daß der Leiter I₀ von beiden Leitern 6_a und 7₀ überlappt wird. Diese Form liefert ähnlich hohe Stromverhältnisse (7_a/6_a) wie sie im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 erhalten werden. Die Prüfungen für die Ausführungsformen der Fig. 4 bis 8 wurden mit unterschiedlichen Kopplungsgraden für die Zusatzflächen, welche den Leiter i_a überlappten, durchgeführt, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 angegeben ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Richtungskoppler für einen ersten und einen zweiten Leiter aufweisende Bandleitungen für Mikrowellenübertragungssysteme, welcher aus einem' dritten und vierten Leiter besteht, die parallel und in einer Entfernung von einer ViertelweHenlänge für die Betriebsfrequenz voneinander und unter einem Winkel und mit Abstand zum ersten Leiter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leiter leitende Ausdehnungen aufweist, die seitlich desselben verlaufend parallel' zu dem dritten und vierten über eine Querverbindung miteinander verbundenen Leiter stehen und diese zu vollständigen Leitungen ergänzen.
2. Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Querleiter, der praktisch eine Viertelwellenlänge lang ist, den dritten und vierten Leiter in einer gewissen Entfernung von dem ersten Leiter miteinander verbindet.
3. Richtungskoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des zweiten Leiters eine Querverbindung einschließt, die unter der genannten Querverbindung liegt.
4. Richtungskoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leiter und die Ausdehnungen desselben aus einem flächenhaften Leiter bestehen, der eine ebene Oberfläche parallel zu dem ersten, dritten und vierten Leiter darstellt.
5. Richtungskoppler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zu einem der dritten und vierten Leiter ein Teil gehört, der teilweise den ersten Leiter umgibt.
6. Richtungskoppler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,. daß ein Querleiter vorgesehen ist, der praktisch parallel zum ersten Leiter verläuft und den dritten und vierten Leiter an Punkten elektrisch verbindet, die einen Abstand von den Enden nahe dem ersten Leiter haben.
7. Richtungskoppler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querleiter den Teil einschließt, der teilweise den ersten Leiter umgibt.
8. Richtungskoppler nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte oder vierte Leiter mit einem Absorptionsmittel abgeschlossen ist, um die in diesem Leiter fließende Energie zu absorbieren.

In Betracht gezogene Druckschriften:
H. H. Meinke, »Kurven, Formeln und Daten

aus der Dezimeterwellienitechnik«, München, 1949,

S. DIV/15 und D FvVi7;

USA.-Patentschrift Nr. 2 580 679.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

0 609 706/289 10.56 709 513/201 5.57