DE964882C

DE964882C - Device for changing the direction of surface waveguides

Info

Publication number: DE964882C
Application number: DES44846A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Herbert Larsen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-07-23
Filing date: 1955-07-23
Publication date: 1957-05-29

Description

AUSGEGEBEN AM 29. MAI 1957ISSUED MAY 29, 1957

.S" 44846 Villa/2ia⁴ .S " 44846 Villa / 2ia ⁴

ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor

Zur Fortleitung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen sind Leitungsgebilde bekannt, die sich dadurch auszeichnen, daß bei ihnen der Ausbreitungsvorgang im wesentlichen in der äußeren Umgebung der Leiteroberfläche stattfindet und die Energie durch Oberflächenwellen, fortgeleitet wird. Dementsprechend werden derartige Leitungsgebilde auch als Obernächenwelletileitung bezeichnet.Line structures are known for the transmission of short and very short electromagnetic waves, which are characterized by the fact that in them the process of propagation is essentially in the external environment of the conductor surface takes place and the energy is transmitted by surface waves will. Correspondingly, such line structures are also called surface corrugated lines designated.

Als Beispiel für eine Oberflächenwellenleitung sei der besonders einfach gebaute und daher auch in der Theorie und Praxis stark bevorzugte sogenannte Drahtwellenleiter angeführt, der gemäß seiner Bezeichnung aus einem einfachen Draht aufgebaut ist. Der Draht kann dabei sowohl aus Metall als auch aus einem Dielektrikum bestehen. Eine besonders günstige Ausführungsform eines Drahtwellenleiters, oder auch allgemeiner einer Oberflächenwellenleitung, ergibt sich, wenn über einen metallischen Kern oder Träger eine Schicht aus Isolierstoff aufgebracht ist. Die Isolierschicht dient bevorzugt dem Zweck, die Phasengeschwindigkeit der Wellen zu vermindern und damit das elektromagnetische Wellenfeld stärker auf die Umgebung des Leiters zu konzentrieren. Dieselbe Wirkung kann bei einem Drahtwellenleiter aber auch durchAs an example of a surface wave line, let it be particularly simply built and therefore also so-called wire waveguides, which are strongly preferred in theory and practice, are listed according to its name is made up of a simple wire. The wire can be made of metal and also consist of a dielectric. A particularly favorable embodiment of a wire waveguide, or, more generally, a surface wave line, results when a metallic core or carrier a layer of insulating material is applied. The insulating layer is used preferably the purpose of reducing the phase velocity of the waves and thus the electromagnetic Concentrate the wave field more strongly on the area around the conductor. Same effect but can also go through with a wire waveguide

709 524/193709 524/193

ein in die Oberfläche des Metalldrahtes eingeschnittenes Gewinde erzielt werden.a thread cut into the surface of the metal wire can be achieved.

Es ist auf Grund der Tatsache, daß der Übertragungsvorgang bei der Oberflächenweilenleitung im freien Außenraum stattfindet, erklärbar, daß bei diesen Wellenleitungen an Unregelmäßigkeiten in; der Leitungsführung, wie Krümmungen, leicht eine Aufspaltung des elektromagnetischen Feldes in einen Oberflächen- und einen, abgestrahlten Wellentypus erfolgt.It is due to the fact that the transmission process is at the surface conduction takes place in the free outer space, explainable that in these waveguides there are irregularities in; the line routing, such as bends, easily split the electromagnetic field into a surface and a radiated wave type he follows.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch besondere Vorkehrungen die Abstrahlung in Krümmungen von Oberflächenwellenleitungem zu vermindern bzw. zu beseitigen und damit auch die durch die Abstrahlung bedingten Verluste der Nutzenergie zu verringern. Hierzu ist bereits vorgeschlagen worden, in den Krümmungen der Oberflächenweilenleitung diese so zu modifizieren, daß sie eine anisotrope Leitfähigkeit mit einer in zirkularer Richtung verminderten Leitfähigkeitskomponente besitzt. Hierdurch wird erreicht, daß die zirkulären Stromkomponenten als Quellen des Strahlungsfeldes stark gedämpft werden. Auch könnte bed Oberflächenwellenleitungen mit dielektrischer Außenschicht oder mit wendeiförmigen. Vertiefungen am Metalldraht eine Strahlungsvermiriderung dadurch erreicht werden, daß in den, Krümmungen die dielektrische Außenschicht verstärkt bzw. die Ganghöhe der Wendel verkleinert wird, da dann das elektromagnetische Wellenfeld tiefer in die Oberflächenweilenleitung eindringt und sich stärker um sie konzentriert. Alle diese Maßnahmen können zwar bei kleinen Krümmungen der Oberfiächenwellenleitung hinsichtlich der Abstrahlung als ausreichend angesehen werden, führen aber dann nicht zum vollen Erfolg, wenn sehr große Richtungsänderungen auf engem Raum, d. h. sehr starke Krümmungen ausgeführt werden sollen. Außerdem ist bei diesen Maßnahmen zu berücksichtigen, daß die Herabsetzung der Abstrahlungeine erhöhte Leitungsdämpfung zur Folge hat, da nämlich bei Erhöhung der Konzentration bzw. bei Verminderung des Grenzradius des Wellenfeldes um die Oberflächenwellenleitung die Leitungsdämpfung steigt. Die Verminderung des Grenzradius hat außerdem noch einen niedrigeren Wellenwiderstand der Oberflächenwellenleitung zur Folge, so daß unerwünschte Reflexionsstellen auftreten, die sich nur in einem schmalen Frequenzbereich kompensieren lassen.The invention is based on the object of reducing or eliminating the radiation in bends in surface wave conductors by taking special precautions and thus also reducing the useful energy losses caused by the radiation. For this purpose, it has already been proposed to modify the curvatures of the surface waveguide so that it has an anisotropic conductivity with a conductivity component which is reduced in the circular direction. This ensures that the circular current components as sources of the radiation field are strongly attenuated. Surface wave lines with a dielectric outer layer or with a helical layer could also be used. Radiation avoidance can be achieved in depressions on the metal wire in that the dielectric outer layer is reinforced or the pitch of the helix is reduced in the curvatures, since the electromagnetic wave field then penetrates deeper into the surface waveguide and is more concentrated around it. Although all these measures can be regarded as sufficient with regard to radiation with small curvatures of the surface waveguide, they do not lead to complete success if very large changes in direction are to be carried out in a narrow space, ie very strong curvatures. In addition, it must be taken into account with these measures that the reduction in radiation results in increased line attenuation, since the line attenuation increases when the concentration is increased or the limit radius of the wave field around the surface wave line is reduced. The reduction in the limit radius also results in a lower wave resistance of the surface wave line, so that undesirable reflection points occur which can only be compensated for in a narrow frequency range.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Richtungsänderung von Oberflächenwellenleitungen lassen sich wesentlich bessere Ergebnisse erzielen. Die Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung aus einem Abschnitt einer geschirmten Leitung besteht, der den gewünschten Krümmungsverlauf aufweist, und in dessen Enden die Oberflächenwellenleitungen derart konzentrisch eingeführt werden, daß eine Umwandlung der Oberflächenwellen in, einen Wellentyp, den die geschirmte Leitung durch die Krümmung hindurch fortzuleiten vermag, und eine entsprechende Rückumwandlung erfolgen. Als praktische Ausführungsformen einer geschirmten Leitung können sowohl koaxiale Leitungen als auch Hohlleitungen in Frage kommen, die winkel- oder bogenförmig ausgebildet sind.With the device according to the invention for changing the direction of surface wave lines much better results can be achieved. The invention consists in that the device consists of a section of a shielded cable that has the desired curve has, and in the ends of which the surface acoustic wave lines are introduced so concentrically, that a conversion of the surface waves into, a type of wave that the shielded cable able to pass through the curvature, and a corresponding reverse conversion take place. As practical embodiments of a shielded line, both coaxial lines as well as hollow lines come into question, which are angular or arcuate.

Die Fig. 1 und 2 zeigen hierfür je ein Ausführungsbeispiel. Die Oberflächenwellenleitung besteht in, beiden Figuren aus einem Drahtkern 1 und einer darüber angeordneten, dielektrischen Schicht 2.FIGS. 1 and 2 each show an exemplary embodiment for this purpose. The surface wave line consists of a wire core 1 and a wire core in both figures dielectric layer 2 arranged above it.

Bei der in. der Fig. 1 als koaxiale Leitung dargestellten, geschirmten Leitung ist mit 3 der Innenleiter und mit 4 der Außenleiter bezeichnet. Der Innenleiter 3 schließt sich unmittelbar an die Oberflächenwellenleitung i, 2 an und ist mittels zweier dielektrischer Scheiben 5 zentriert zum Außenleiter in einem geeigneten Abstand gehalten, Dieser Abstand kann einerseits so eng gewählt sein, daß die Oberflächenwelle in die koaxiale Hauptwelle der koaxialen Leitung umgewandelt wird, d. h. in einen Wellentyp, bei dem im wesentlichen nur ein radiales elektrisches Feld und ein zirkuläres magnetisches Feld existieren. Andererseits kann aber der Abstand von. Innen- und Außenleiter so weit sein, daß sich in dem ringförmigen Hohlraum zwischen Innen- und Außenleiter eine rotationssymmetrische elektrische Welle anregt. Bei diesem Wellentyp tritt zum Unterschied gegenüber der koaxialen Hauptwelle neben- der radialen Komponente des elektrischen Feldes noch eine longitudinale Koniponenie auf, und außerdem wechseln, bei ihm sowohl die radiale Komponente des elektrischen Feldes als auch die als einzige vorhandene zirkuläre Komponente des magnetischen Feldes ein oder mehrmals ihre Richtung in bestimmten, radialen Abständen vom Innenleiter. Der Außenleiter 4 ist an seinen beiden Enden trichterförmig erweitert. Diese Ausbildung der Außenleiterenden als Ankopplungstrichter 6 dient in bekannter Weise dem Zweck, die infolge der Wellenumwandlungen entstehenden Umwandlungs- oder Kopplungsverluste möglichst gering zu halten.In the case of the one shown in FIG. 1 as a coaxial line, shielded cable is marked with 3 the inner conductor and 4 the outer conductor. Of the Inner conductor 3 connects directly to the surface wave line i, 2 and is by means of two dielectric disks 5 centered on the outer conductor at a suitable distance, this distance can be chosen so closely on the one hand that the surface wave in the coaxial main wave of the coaxial line is converted, d. H. into a wave type in which essentially only a radial electric field and a circular magnetic field exist. On the other hand, however, the distance from. Inner and outer conductors be so wide that in the annular cavity between Inner and outer conductors excite a rotationally symmetrical electrical wave. With this type of wave In contrast to the coaxial main shaft, the radial component of the electric field still has a longitudinal coniponenia on, and also change, with him both the radial component of the electric field as well as the only existing circular component of the magnetic field or several times their direction at certain, radial distances from the inner conductor. The outer conductor 4 is widened in a funnel shape at both ends. This training of the outer conductor ends as a coupling funnel 6 is used in a known manner for the purpose that arises as a result of the wave conversions To keep conversion or coupling losses as low as possible.

Bei der in. der Fig. 1 dargestellten Umlenkvorrichtung sind die zu beiden Seiten der Knickstelle gelegenen Teile symmetrisch zueinander ausgebildet. Hierdurch ergibt sich für die örtlich sich ändernde Reflexionsdichte etwf- der in der Fig. 3 dargestellte symmetrische Verlauf. Mit χ ist in dieser Figur der Abstand eines Ortes vom Eingang (x = O) der Umlenkvorrichtung von der Länge / no und mit r (x) die diesem Ort zugeordnete Reflexionsdichte bezeichnet. Im mittleren Bereich, d. h. dort, wo bei der koaxialen Leitung der Inneiiun.d Außenleiter einen gleichbleibenden Abstand einnehmen oder das Verhältnis vom Außen- zum Innendurchmesser konstant ist, hat die Reflexionsdichte infolge des hier konstanten Wellenwiderstandes den, Wert Null. Die vom Längenelement dx am Ort χ der Umlenkvorrichtung mit der Reflexionsdichte r (x) hervorgerufene Teilreflexion am Eingang der Umlenkvorrichtung ergibt sich durch Transformation von r(x)dx auf den Eingang zu:In the deflection device shown in FIG. 1, the parts located on both sides of the kink are designed symmetrically to one another. This results in the symmetrical course shown in FIG. 3 for the locally changing reflection density. In this figure, χ denotes the distance of a location from the entrance (x = O) of the deflecting device of length / no and r (x) denotes the reflection density assigned to this location. In the middle area, ie where in the coaxial line the inner conductor occupy a constant distance or the ratio of the outer to the inner diameter is constant, the reflection density has the value zero due to the constant wave resistance here. The partial reflection caused by the length element dx at the location χ of the deflection device with the reflection density r (x) at the input of the deflection device results from the transformation of r (x) dx to the input:

r [χ) βr [χ) β dxdx ■ -■ -

125 mit ß als Phasenmaß. 125 with ß as a phase measure.

Hieraus erhält man durch Integration über die gesamte Länge / der Umlenkvorrichtung die resultierende Gesamtreflexion am Eingang der Umlenkvorrichtung :The resulting one is obtained from this by integration over the entire length / of the deflection device Total reflection at the entrance of the deflection device:

R=Jr(X)R = Jr (X)

— 2 j J X - 2 j JX

dx.dx.

Dadurch, daß die Reflexionsdichte in der vorderen Hälfte der Umlenkvorrichtung negativ, in der hinteren Hälfte dagegen positiv ist. kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Gesamtreflexion R durch geeignete Wahl von. r (x) bzw. der lokalen Wellenwiderstand«, d. h. durch geeignete Wahl der Ouerschnittserweiterung oder Querschnittsverjüngung, breitban.dig zu einem Minimum gemacht werden.The fact that the reflection density in the front half of the deflection device is negative, but positive in the rear half. can, according to a further feature of the invention, the total reflection R by a suitable choice of. r (x) or the local wave resistance «, ie through a suitable choice of the widening or tapering of the cross-section, can be made broadband to a minimum.

Dies bedeutet aber einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung gegenüber den eingangs genannten Anordnungen, zur Verminderung der Abstrahlungsverluste, bei denen in den Krümmungen der Obernächenwellenleitung jeweils ein Teilstück höherer Feldkonzentration, d. h. niedrigeren Wellenwiderstandes, vorgesehen ist. Bei diesen Anordnungen tritt nämlich nur für diskrete Wellenlängen eine Kompensation der reflektierten. Wellen auf, nämlich fürHowever, this means a significant advantage over the deflection device according to the invention the arrangements mentioned at the beginning, to reduce the radiation losses, in which in the curvatures of the surface wave line in each case a section of higher field concentration, d. H. lower wave resistance, provided is. In these arrangements there is only compensation for discrete wavelengths reflected. Waves, namely for

T'T '

wobei k eine ganze. Zahl bedeutet.where k is a whole. Number means.

In der Fig. 2 ist als Beispiel für eine geschirmte Leitung eine Hohlleitung in Form eines zylindrischen Rohres 7 dargestellt, welches entsprechend der vorgesehenen Krümmung gebogen ist. Die Enden S dieses Rohres sind ebenso wie bei dem Außenleiter bei der Umlenkvorrichtung gemäß der Fig. τ in Form von Ankopplungstrichtern erweitert. Die freien Enden, der beispielsweise wiederum aus einem Metallkern. 1 und einer dielektrischen Außenschicht 2 zusammengesetzten Obernächenwellenleitung sind am Ein- und Ausgang der Krümmung durch dielektrische Scheiben 9 zentriert zum Hohlrohr 7 gehalten. Der Rohr durchmesser ist vorzugsweise so eng, daß die Oberflächenwelle in eine £₀;-Welle umgewandelt wird. Dieser Wellentyp kann bekanntlich in gewissem Sinne in. Analogie zu der koaxialen Hauptwelle bei der koaxialen Leitung gemäß der Fig. 1 gesetzt werden. Es besteht hier lediglich der Unterschied, daß infolge des Fehlens eines Innenleiters statt des auf der Oberfläche des Innenleiters begrenzten, Leitungsstromes ein über den Querschnitt des Rohres verteilter dielektrischer Strom fließt, also noch eine longitudinale Komponente des elektrischen Feldes auftritt. Im übrigen kann auch wiederum durch geeignete Formgebung der Ankopplungstrichter¹8 die resultierende Gesamtreflexion am Eingang der Umlenkvorrichtung breitbandig zu, einem Minimum gemacht werden,As an example of a shielded line, FIG. 2 shows a hollow line in the form of a cylindrical tube 7 which is bent in accordance with the intended curvature. The ends S of this tube are widened in the form of coupling funnels in the same way as in the case of the outer conductor in the deflection device according to FIG. The free ends, which in turn, for example, consist of a metal core. 1 and a dielectric outer layer 2 composed of surface wave lines are held at the entrance and exit of the curve by dielectric disks 9 centered on the hollow tube 7. The pipe diameter is preferably so narrow that the surface wave is converted _{into a £ 0; wave.} As is known, this type of wave can be set in a certain sense in analogy to the coaxial main wave in the coaxial line according to FIG. The only difference here is that due to the lack of an inner conductor, instead of the conduction current limited to the surface of the inner conductor, a dielectric current flows across the cross-section of the pipe, i.e. a longitudinal component of the electric field also occurs. In addition, the resulting overall reflection at the entrance of the deflection device can again be made to a minimum by suitable shaping of the coupling ^{funnels 1 8,}

Die Umwandlungsverluste der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung mit an den Enden angeordneten Ankopplungstrichtern, liegen in der Größeil·- ordriung von 0,6 db. Dieser Betrag liegt weit unter den durch Abstrahlung verursachten. Verlusten.The conversion losses of the deflection device according to the invention with arranged at the ends Coupling funnels are in the size part - order of 0.6 db. This amount is far below that caused by radiation. Losses.

Die Erfindung ist nicht auf die in. den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Diese· können, vielmehr im Rahmen der Erfindung noch manchen Änderungen unterworfen, werden. So ist es beispielsweise möglich und für den verfolgten Zweck auch vorteilhaft, in an sich bekannter Weise an den Trichteröffnungen dielektrische Kegel anzubringen, da hierdurch die Umwandlungsdämpfung noch weiter herabgesetzt wird. Gleichzeitig damit übernehmen die dielektrischen Kegel noch die Funktion eines den Innenraum der Leitung abdichtenden mechanischen. Verschlusses. Auch braucht im Rahmen der Erfindung die zwischen, den Ankopplungstrichtern angeordnete Koaxialleitung bzw. Hohlleitung nicht in einem so starken Maße ausgeprägt zu sein, wie sie in den Fig. 1 und 2 jeweils dargestellt ist. Die?e kann im Extremfall auch auf die Länge 0 zusammenschrumpfen, so daß beide Ankopplungstrichter sich mit ihren Verengungen unmittelbar aneinander anschließen.The invention is not limited to that in the figures illustrated embodiments limited. These · can, rather within the scope of the invention still subject to some changes. For example, it is possible and for the persecuted The purpose is also advantageous to attach dielectric cones to the funnel openings in a manner known per se, since this further reduces the conversion attenuation. Simultaneously with it the dielectric cones still take over the Function of a mechanical sealing the interior of the line. Closure. Also needs In the context of the invention, the coaxial line arranged between the coupling funnels or hollow line not to be pronounced to such an extent as in FIGS. 1 and 2, respectively is shown. The? E can in extreme cases also shrink to the length 0, so that both coupling funnels with their constrictions connect directly to each other.

Claims

PATENT CLAIMS:

ι. Device for changing the direction of surface waveguides while avoiding them of radiation losses, characterized in that it consists of a section of a shielded Line exists, which has the desired curvature, and in which Ends, the surface waveguides are introduced so concentrically. That a conversion of the surface waves in a, ir.u wave type, which the shielded cable through able to pass the curvature through, and a corresponding reverse conversion take place.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the shielded line has a location-dependent wave impedance, the local wave resistances being so determined that the resulting overall reflection air input of the screened line has a minimum over a wide frequency band.

3. Device according to claim 1, characterized in that that the shielded line is designed as a coaxial line, its inner conductor is directly connected to the surface wave line and its outer conductor is widened in a funnel shape at its ends.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the cross section of the coaxial Line is chosen so tight that the surface wave in the coaxial main wave of the coaxial Line is converted.

5. Apparatus according to claim 3, characterized in that that the cross section of the coaxial line 1 is chosen so large that the surface wave into a rotationally symmetrical eJek

tric wave of the annular cavity between the inner and outer conductors of the coaxial Line is converted.

6. Apparatus according to claim i, characterized in that the line as a hollow line is formed, the ends of which are widened in a funnel shape.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the hollow pipe consists of one Zvlindrischen tube consists.

8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the diameter of the tube is chosen so that the surface wave is converted _{into a £ oi wave.}

9. Apparatus according to claim 3 or 6, characterized in that the funnel openings dielectric cones are attached to reduce the conversion attenuation, which at the same time serve as closures sealing the interior of the line .. 20 ·

1 sheet of drawings