DE968646C - Einen hals- und einen glockenfoermigen Teil aufweisender Trichterkoppler von kreisfoermigem Querschnitt zur Ankopplung einer Oberflaechenwellen-UEbertragungsleitung an eine Koaxial-Leitung - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 13. MÄRZ 1958

Die Erfindung betrifft HF-Übertragungsleitungssysteme, insbesondere solche Übertragungssysteme, die einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte aufweisen, die gewöhnlich als Oberflächenwellenleitung bezeichnet werden, d. h. Abschnitte, in denen die Energie in einem Oberflächenwellenmodus durch einen einzigen Leiter ausgebreitet wird, der eine dünne dielektrische Schicht aufweist (oder in anderer Weise behandelt ist, z. B. ίο eine schraubenlinienförmige Ausnehmung auf der Oberfläche des Leiters besitzt), so daß die Phasengeschwindigkeit der Wellen in dem Leiter herabgesetzt ist.

In diesen Systemen müssen Koppler vorgesehen sein; zur Erreichung höchster Wirksamkeit ist erwünscht, daß die Kopplung zwischen der Oberflächenwellenleitung und einem Koaxialleiterkreis erfolgt, da das Feld der Oberflächenwellen dem einer Koaxialleitung ähnelt.

Es ist bereits bekannt, ein Horn bzw. einen ao Trichter zu benutzen, der eine leitende Oberfläche aufweist und den Oberflächenwellenleiter umgibt.

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Ein solches Horn stellt in der Tat eine sich erweiternde Ausdehnung des äußeren Leiters einer Koaxialleitung dar, an welchen der Abschnitt der Oberflächenleitung angekoppelt ist. Darüber hinaus können diese Koppler außer an den Eingangsoder Endabschnitten einer derartigen Leitung auch an den Zwischenstützpunkten verwendet werden, die z. B. bei langen Abschnitten einer Oberflächenleitung, bei denen zur Verringerung der ίο durch die Abstützmittel bedingten Störungseffekte diese Leitung an jedem Stützpunkt auf ein kurzes Stück ,einer Koaxialleitung umgeformt ist, die gut abgestützt wertlen kann, z. B. mit Hilfe von ge-, wohnlichem Isoliermaterial, ohne daß die Wellenausbreitung gestört wird.

In einem Übertragungsleitungssystem einer Oberflächenwellenleitung können daher eine große Anzahl von Kopplungstrichtern in Reihe liegen, und es ist daher sehr erwünscht, daß die Trichter bzw. Hornkoppler gute Anpassung liefern. Dies ist besonders dann wünschenswert, wenn z. B. in Vielkanalsystemen die zu übertragende Energie sich über ein breites Frequenzband erstreckt, wobei infolge der Summenwirkung, selbst bei einer kleinen Fehlanpassung an jedem Kopplungspunkt, der gesamte Fehler schon sehr stark ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Horn- oder Trichterkopplers, der eine Oberflächenleitung an eine Koaxialleitung über ein großes Frequenzband bei geringster Fehlanpassung ankoppelt.

Gemäß der Erfindung ist zur Ankopplung einer Oberflächenwellen-Übertragungsleitung an eine Koaxialleitung ein Horn von kreisförmigem Querschnitt vorgesehen, das einen halsformigen und einen glockenförmigen Teil aufweist, welche allmählich ineinander übergehen. Der halsförmige Teil hat eine axiale Länge in der Größenordnung von einer halben Wellenlänge der Wellenlänge des freien Raumes der Hauptbetriebsfrequenz. Der innere Durchmesser des halsformigen Teiles ändert sich mit dem axialen Abstand vom Anfang dieses Teiles gemäß einer derartigen Funktion, daß für den axialen Abstand NulLdie ersten, zweiten und dritten Ableitungen der Funktion gleich Null sind. Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, welche ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert.

Fig. I ist eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung mit quasiexponentiellem Hornkoppler,

Fig. 2 ist eine entsprechende Ansicht eines Ausführungsbeispieles mit quasikonischem Hornkoppler.

In den Figuren sind nur die Teile dargestellt, welche für die Erfindung wesentlich sind, und gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es ist bekannt, zur Vermeidung von Impedanz-Unregelmäßigkeiten bei Hornkopplungen zwischen einem Oberflächenwellenleiter und-einer Koaxialleitung, diese so auszubilden, daß der Oberflächenleiter eine Verlängerung des inneren Leiters der Koaxialleitung, vorzugsweise von demselben Durchmesser, darstellt und die innere Oberfläche des Homes allmählich zu der inneren ,Oberfläche des äußeren Leiters der Koaxialleitung wird. Auf den ersten Blick mag es wahrscheinlich erscheinen, daß ein Exponentialhorn, in Analogie zu einem akustischen Horn und exponentiell ausgebildeten Übertragungsleitungen, eine geeignete· Kopplungsanordnung darstellt. Tatsächlich jedoch kann ein Exponentialhorn nicht allmählich mit dem koaxialen äußeren Leiter verschmelzen, da die erste Ableitung einer Exponentialkurve an keinem Punkt Null werden kann — mit Ausnahme von einem im unendlichen Abstand vom Ursprung liegenden Punkt —, d. h. an einem Punkt, an dem der Trichterhals einen unendlich kleinen Durchmesser haben würde, während jedoch der Anfangsdurchmesser des Trichterhalses praktisch gleich dem endlichen inneren Durchmesser des koaxialen äußeren Leiters sein muß.

Eine erste Annäherung an ein Exponentialhorn würde erreicht werden, wenn das Horn in der Weise geformt ist, daß die Gleichung

D = i <£of kx ... (1)

erfüllt wird. Hierbei bedeutet d den inneren Durchmesser der Koaxialleitung, k eine Konstante und D den inneren Durchmesser des Homes bei einem Abstand χ längs der Hornachse vom Beginn des Halsteiles, d. h. vom Verzweigungspunkt des Hornes von der Koaxialleitung. Solch ein Horn bzw. Trichter kommt einem Exponentialhorn für einen großen Bereich von Werten für χ sehr nahe und geht außerdem· ganz allmählich in den äußeren Leiter des Koaxialleiters über, da die erste Ableitung Null wird, wenn χ Null ist. Jedoch ist hierbei die Verjüngung des Halses zu stark, um genügend reflektionsarm zu sein. Der Hals verschmitzt zwar mit dem koaxialen äußeren Leiter, jedoch nur sozusagen mit einer Verschmelzung ersten Grades. Die erste Ableitung verschwindet beim Ursprung, aber nicht die zweite. Wird das Horn gemäß einer Funktion ausgebildet, deren erste, zweite und dritte. Ableitung insgesamt am Anfangspunkt des Halses verschwinden, so wird die Verschmelzung zu einer solchen höherer Ordnung, d. h. allmählicher, und folglich ohne Fehlanpassung.

Die Fig. ί und 2 stellen zwei Kopplungstrichter dar, die beide in der Weise ausgebildet sind, daß sie am Trichterhals eine Verschmelzung höherer Ordnung ergeben. Fig. 1 stellt einen Querschnitt von einem Metalltrichter dar, der eine Koaxialleitung 2 mit einem Oberflächenwellenleiter 3 koppelt und eine Verlängerung des inneren Leiters 4 der Koaxialleitung 2 bildet. Der äußere Leiter der Koaxialleitung 4 hat einen inneren 120· Durchmesser d. Die Länge des Hornes 1 .setzt sich aus einem sich in axialer Länge erstreckenden Halsstück A und einem sich in axialer Länge B erstreckenden glockenförmigen Teil zusammen. Die inneren Oberflächen dieser Teile verschmelzen allmählich ineinander, und die innere Oberfläche

des halsförmigen Teiles geht allmählich und in einer solchen Weise in die Oberfläche des koaxialen äußeren Leiters 2 über, daß die ersten drei Ableitungen der zugehörigen mathematischen Funktion in bezug auf den inneren Durchmesser D des Trichters in Abhängigkeit vom axialen Abstand x, vom Anfang des halsförmigen Teiles an, gleich Null werden, wenn χ gleich Null wird. Der Übergang des halsförmigen Teiles des Trichters

zum koaxialen Leiter verursacht hauptsächlich Impedanzabweichungen, die an dem Vereinigungspunkt mit dem Horn auftreten, während der glokkenförmige Teil des Homes hauptsächlich Abweichungen hervorruft, die an der Hornmündung

auftreten. Die Länge des halsförmigen Teiles soll erfindungsgemäß in der Größenordnung einer halben Wellenlänge des freien Raumes der Hauptbetriebsfrequenz liegen, während diejenigen des glockenförmigen Teiles wenigstens eine ganze Wellenlänge des freien Raumes sein sollte. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel folgen sowohl der glockenförmige als auch der halsformige Teil in bezug auf die Zunahme des Durchmessers demselben Gesetz; d. h., der glockenförmige Teil wird über die ganze Länge durch eine Verlängerung des Halses gebildet, indem der Durchmesser D sich mit axialem Abstand χ gemäß der Gleichung

D = d ((SDf Kx + cos Kx)-I 2... (2)

ändert. Die Form eines gemäß diesem Gleichungstyp aufgebauten Hornes ist fast exponentiell. Die Konstante K ist hierbei entsprechend dem gewünschten Mündungsdurchmeseer des Hornes für eine gegebene axiale Länge zu wählen. Es wurde gefunden, daß für praktische· Ausführungen, bei Wahl der axialen Gesamtlänge zu etwa 2,5 Wellenlängen und einem Endduxchmesser von etwa 3 Wellenlängen, sich für ein nach Gleichung (2) ausgebildetes Horn Reflektionsfaktoren ergeben, die auf 5 und io%> bei einem Wellenband von 7 bis 8 cm reduziert sind, wobei der größere Teil der noch verbleibenden Reflektion mehr auf den glockenförmigen Teil als auf den halsförmigen Teil des Hornes entfällt.

Der in Fig. 2 dargestellte Trichterkoppler bzw. Hornkoppler ähnelt dem der Fig. 1, jedoch ist das quasiexponentielle Horn 1 der Fig. 1 durch ein Horn 5 ersetzt, dessen glockenförmiger Teil einem Konusstumpf ähnelt. Hierbei gehorchen sowohl der glockenförmige Teil als auch der halsformige Teil wiederum demselben Durchmesser-Zuwachsgesetz, indem der glockenförmige Teil eine Verlängerung des halsförmigen in bezug auf die ge-

samte axiale Länge des Hornes darstellt. Jedoch variiert der Durchmesser D in Abhängigkeit von dem axialen Abstand χ nach der Gleichung

Z)* = d*

(3)

Diese Gleichung ähnelt der Gleichung (2) insofern, als jede der ersten drei Ableitungen gleichfalls zu Null wird, wenn χ Null ist; jedoch führt sie für große Werte von χ mehr zu einem konischen als zu einem exponentiellen Horn. Es wurde gefunden, daß Hörner bzw. Trichter, die nach Gleichung (3) ausgebildet sind, eine bessere Anpassung als die nach Gleichung (2) aufgebauten ergeben; die Verbesserung ist mehr dem glockenförmigen als dem halsförmigen Teil zuzuschreiben. Wie bei dem vorhergehenden Beispiel ist die Konstante K abhängig von dem gewünschten Enddurchmesser und der gesamten Axiallänge. Die theoretische Analyse von Hörnern mit hauptsächlich kurvenförmigem Verlauf ist von derjenigen für Hörner, deren Durchmesser eine lineare Funktion in Abhängigkeit von der axialen Länge bildet, verschieden und bietet große Schwierigkeiten, so daß es bisher nicht möglich war, die Abmessungen eines optimalen Hornes rechnerisch zu 'bestimmen. Es wurde jedoch gefunden, daß ein Horn, welches nach Gleichung (3) aufgebaut wird und eine axiale Gesamtlänge von 25 cm und einen Enddurchmesser von 15 cm hat, einen Refiektionsfaktor ergibt, der kleiner als i°/o ist, bei einem Frequenzband von wenigstens 600 MHz Breite und einer Mittenfrequenz von 4000 MHz. ■ Die beiden dargestellten Hörner bzw." Trichter sind über die ganze axiale Länge nach der Bestimmungsgleichung für den Halsteil ausgebildet. Selbstverständlich kann auch der glockenförmige Teil nach einer anderen Gleichung als der den halsförmigen Teil bestimmenden- verlaufen, es muß aber gewährleistet sein, daß die beiden Teile allmählich miteinander verschmelzen, d. h., es müssen wenigstens die ersten Ableitungen der die Ausdehnungen des halsförmigen und glockenförmigen Teiles bestimmenden Gleichungen gleiche Werte am Vereinigungspunkt der beiden Teile haben. Die Hörner bzw. Trichter 'brauchen auch nicht vollständig aus Metall zu bestehen, sofern die innere Oberfläche leitend ist.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen keine Beschränkung auf diese Fälle darstellen, sondern nur zur Erläuterung dienen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einen halsförmigen und einen glockenförmigen Teil aufweisender Hornkoppler bzw. Trichterkoppler von kreisförmigem Querschnitt zur Ankopplung einer Oberflächenwellen-Übertragungsleitung an eine Koaxialleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der halsformige Teil eine axiale Länge in der Größenordnung einer halben Wellenlänge im freien Raum bei der Hauptbetrie'bsfrequenz hat und der innere Durchmesser des halsförmigen Teiles sich mit dem axialen Abstand vom Anfang des halsförmigen Teiles nach einer solchen Funktion ändert, daß für den Abstand Null die erste, zweite und dritte Ableitung derselben je Null ist.

2. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der glockenförmige Teil über die gesamte Hornlänge durch eine Verlangerung des halsförmigen Teiles gebildet ist.

3· Koppler nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser-Abstandsfunktion die Form

D = d (Eof Kx + cos Kx)/2

- hat, wobei d den Anfangsdurchmesser des haisförmigen· Teiles, D den Durchmesser im Abstand χ vom Ursprung und K eine Konstante bedeutet.

4. Koppler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser-Abstandsfunktion die Form

hat.

In Betracht gezogene Druckschriften: AEÜ, Bd. 4, 1950, S. 24.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

3 509 699/364 3.56 (709 901/10 3,58)