DE972754C - Richtkopplungsanordnung fuer hochfrequente elektrische Energie - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 17. SEPTEMBER 1959

W7494VIIIaJ' 2i α*

ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung betrifft verbesserte Kopplungseinrichtungen für elektromagnetische Wellen, die eine gerichtete Kopplung zwischen zwei Übertragungsleitungen, z. B. Wellenleitern, koaxialen Leitungen u. dgl., ermöglichen.

Eine der früher üblichen Arten von Kopplungseinrichtungen mit Richtwirkung wurde in einem Aufsatz in den »Proceedings of the Institute of Radio Engineers* vom Februar 1947, Bd. 35, S. 160 bis 165, durch W. W. Mumford beschrieben. Die dort geschilderten Kopplungseinrichtungen sind heute in der Technik bekannt, und zahllose Anwendungsmöglichkeiten werden in der Literatur beschrieben. Im allgemeinen werden alle bisher bekannten Richtkopplungseinrichtungen durch ein kurzes Stück einer Hauptübertragungsleitung gebildet, das an ein kurzes Stück einer Hilfsübertragungsleitung angekoppelt ist.

Die Kopplung zwischen den beiden Leitungen ist so beschaffen, daß eine in einer Richtung auf der Hauptleitung fortschreitende elektromagnetische Welle eine sekundäre Grundwelle, Vorwärtswelle genannt, induziert, die in einer Richtung auf der Hilfsleitung fortschreitet. Ferner arbeitet die Kopplung so, daß eine in der entgegengesetzten Richtung auf der Hauptleitung fortschreitende Welle eine sekundäre Grundwelle induziert, die auf der Hilfsleitung nur in der entgegengesetzten Richtung fortschreitet.

Bei den meisten üblichen Richtkopplungseinrichtungen entsteht außerdem eine induzierte bzw. sekundäre Welle, die in entgegengesetzter Richtung wie die Vorwärtswellen fortschreitet und die Rückwärtswelle genannt wird. Die Vorwärts- und die Rückwärtswellen sollen in ihrer Größe sehr verschieden sein. Das Verhältnis ihrer Größen nennt man

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die Richtwirkung der Kopplungseinrichtung. Diese wird üblicherweise durch das Verhältnis des Stromes der Vorwärtswelle zu demjenigen der Rückwärtswelle in Dezibel ausgedrückt. Die Größe der- erwünschten induzierten Vorwärtswelle auf der Hilfsleitung im Verhältnis zur induzierenden Welle auf der Hauptleitung nennt man den »Kopplungsverlust». Dieser wird ebenfalls durch das Verhältnis in Dezibel der erwünschten bzw. induzierten Vorwärtswelle zur ίο induzierenden Welle auf der Hauptleitung ausgedrückt. Dieser »Kopplungsverlust« ist der Übertragungsfaktor zwischen den beiden Leitungen. Leistung geht bei der Anordnung nicht verloren. Die Leistungsfähigkeit einer Kopplungseinrichtung kann durch die Richtwirkung und durch die Kopplung beschrieben werden Wenn eine Kopplungseinrichtung zufriedenstellend arbeiten soll, muß die Richtwirkung einen vorgesehenen Minimalwert bei allen Frequenzen innerhalb des Arbeitsbereichs übersteigen. Daher nennt man die ao Kurve, die die Abhängigkeit der Richtwirkung von der Arbeitsfrequenz oder der Wellenlänge der gekoppelten Energie angibt, die Richtwirkungskennlinie der Kopplungseinrichtung. Sie wird hier ebenfalls so bezeichnet.

Die Kopplungseinrichtung, wie sie in einer Ausführung von Mumford in der obenerwähnten Veröffentlichung geschildert ist, besteht aus einem kurzen Stück eines Hilfswellenleiters, das angrenzend an den Hauptwellenleiter angeordnet ist. Die Kopplung zwischen dem Hauptwellenleiter und dem Hilfswellenleiter wird durch zwei in Längsrichtung hintereinanderliegende Löcher in einer gemeinsamen Seitenwand erzielt. Eine fortschreitende Welle im Hauptwellenleiter induziert eine in gleicher Richtung fortschreitende Welle im Hilfswellenleiter.

Da die Weglänge der durch die beiden Löcher gekoppelten Energie gleich ist, entsteht keine elektrische Interferenz in Vorwärtsrichtung. Die Weglängen der entgegengesetzt gerichteten oder Rückwärtswellen, die durch die beiden Löcher in den Hilfsleiter hinein induziert werden, sind ungleich. Infolge des Abstandes von einer viertel Wellenlänge zwischen den beiden Löchern erfolgt Auslöschung. Es wird also keine resultierende Welle im Hilfsleiter in Rückwärtsrichtung bzw. in der Richtung induziert, die der Wellenrichtung im Hauptleiter entgegengesetzt ist.

Hierbei ergibt sich, daß die Richtwirkung der Kopplungseinrichtung frequenzabhängig ist, da die gewünschte hohe Richtwirkung nur bei solchen Frequenzen auftritt, bei denen die Kopplungslöcher einen Abstand von einer viertel Wellenlänge aufweisen. Diese Frequenz nennt man die Nennfrequenz oder die Mittelfrequenz. Bei Frequenzen, die wenig höher oder niedriger als die Nennfrequenz sind, nimmt die Richtwirkung ab, wobei sich ein begrenzter Arbeitsbereich ergibt, in dem die Richtwirkung den festgelegten Minimalwert übersteigt.

In der obenerwähnten Veröffentlichung ist gezeigt, daß der Frequenzbereich, in dem die Richtwirkung einen bestimmten Minimalwert übersteigt, dadurch erweitert werden kann, daß eine größere Anzahl von Kopplungselementen verwandt wird, die ebenfalls einen Abstand von einer viertel Wellenlänge aufweisen, deren Kopplungsgrade sich aber zueinander wie alle Koeffizienten einer binomischen Reihe verhalten. Es sind auch andere Kopplungsanordnungen veröffentlicht worden, bei denen der Frequenzbereich der Richtwirkung dadurch vergrößert ist, daß eine unendliche Anzahl von Kopplungen oder eine verteilte Kopplung zwischen den Leitern vorgesehen ist. Dies wird im allgemeinen durch eine Vielzahl von Sonden oder durch einen langen engen Schlitz erreicht. Eine solche Kopplung ist in jedem Falle an der Seite der Leiterwände angeordnet, die senkrecht zum elektrischen Vektor der Welle liegt, d. h. in einer breiteren Wand, wobei die Erregung der Grundwelle angenommen ist. Diese Kopplung erstreckt sich über einen ungewöhnlich langen Weg, welcher mehrere Wellenlängen bei Arbeitsfrequenz übersteigen muß.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Verbesserung der Richtwirkungskennlinie einer solchen Richtkopplungseinrichtung, indem die Richtwirkung bei wesentlich größerem Arbeitsfrequenzbereich vergrößert und gleichwohl die Strecke in Wellenlängen, auf der eine Kopplung notwendig ist, verkürzt und dadurch die mechanische Größe der Richtkopplungseinrichtung verringert wird.

Bei den bisher bekannten Richtkopplungseinrichtungen, insbesondere bei den obengenannten Arten, bei denen die Kopplung entweder durch Löcher mit Abständen von einer viertel Wellenlänge oder durch verteilte Kopplung in der breiteren Seitenwand des rechteckigen Wellenleiters erzielt wurde, ist die Richtwirkungskennlinie ebenso wie die Kopplungsverlustkennlinie unlösbar mit dem mechanischen Aufbau der Kopplung, die den Richteffekt ergibt, verbunden. Mit anderen Worten: Von gewissen Arten der Kopplung hat man festgestellt, daß sie richtend wirken und daß sie von Natur aus eine Richtwirkungskennlinie ergeben, aber es war auf keine Art möglich, die Kennlinie bestimmten Anforderungen anzupassen oder sie zu verändern, wenn sie nicht bereits den Wünschen entsprach.

Mit der Erfindung ist es dagegen möglich, bei Richtkopplungseinrichtungen bestimmte Richtwirkungskennlinien zu erzielen, die willkürlich schmale oder breite Bandbreite aufweisen.

Die Erfindung geht von einer Richtkopplungsanordnung für hochfrequente elektrische Energie aus, bei welcher eine abgeschirmte Hauptübertragungsleitung unmittelbar neben einer abgeschirmten Hilfsübertragungsleitung liegt und in der den beiden Leitungen gemeinsamen Wand ein Längsschlitz vorhanden ist, der in Längsrichtung durch schmale Stege unterteilt ist.

Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß sich die Umfangskurve des Schlitzes über eine langgestreckte zusammengesetzte Fläche erstreckt, deren in Längsrichtung verlaufende Teilflächen symmetrisch sur Längssymmetrieachse des Schlitzes liegen und aus einem Rechteckteil und einem daran in Querrichtung anschließenden Erweiterungsteil bestehen, und daß der Rechteckteil und der Erweiterungsteil so bemessen sind, daß die über diese beiden Teilflächen jeweils

gekoppelten Rückwärtsströme in einem breiten Band im Betrag annähernd gleich groß, aber entgegengesetzter Phase sind.

Der Erweiterungsteil des Schlitzes kann sehr verschiedenartig gestaltet sein und mit Bezug auf den Rechteckteil sehr unterschiedliche Abmessungen erhalten. Es ist außerdem möglich, einen Schlitz von doppelter oder mehrfacher Länge anzubringen, der zwei oder mehr Erweiterungsteile aufweist und dessen ίο Rechteckteileeinenzusammenhängenden, entsprechend längeren Rechteckteil bilden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Haupt- und die Hilfsübertragungsleitung aus hohlen rechteckigen Wellenleitern bestehen, die durch eine gemeinsame schmale Wand begrenzt sind, daß die maximale Querabmessung des Schlitzes sich über wenigstens den größeren Teil der Querabmessung der schmalen Leiterwand erstreckt und daß die Abmessung der durch die Unterteilungsstege getrennten Abschnitte in der Längsrichtung gleich oder kleiner als ein Fünftel der Wellenlänge der Wellenenergie ist.

Zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung sei folgendes bemerkt:

Wenn man eine Kopplung mit unterteiltem Schlitz verwendet, um zwei Übertragungsleitungen voneinander unabhängig zu machen, so hängt die Richtwirkungskennlinie der Kopplungseinrichtung durch eine Fourier-Transformationsgleichung direkt mit der Form der Kurve zusammen, welche die Größe der verteilten Kopplung abhängig von der Kopplungsstrecke im Bereich der verteilten Kopplung darstellt. Mit anderen Worten: Die Richtwirkung ist die Transformation der Form der Kopplungsverteilungskurve, und umgekehrt ist die Kopplungsverteilung die Transformation der Richtwirkung. Obgleich dies theoretisch richtig ist und einer streng mathematischen Nachprüfung standhält, schließt die Schwierigkeit der Handhabung der mathematischen Beziehungen eine allgemeine Anwendung des Prinzips bei der Bemessung von handelsüblichen Richtkopplungseinrichtungen aus, und zwar deswegen, weil mit Ausnahme spezieller Grundkennlinienodergeometrischen Grundverteilungen die Fourier-Transformation eine außerordentlich komplizierte Funktion ist. Die Transformationen dieser speziellen geometrischen Grundformen, zu denen z. B. Rechtecke, Dreiecke gehören, sind jedoch nicht so kompliziert.

Bei der Erfindung handelt es sich um die Kombination bzw. Überlagerung solcher geometrischen Grundverteilungen. Dieseerfindungsgemäßezusammengesetzte Kopplung ist leicht mathematisch zu behandeln, sie läßt sich bei technischen Richtkopplungsanlagen einfach verwirklichen und ermöglicht die Erzielung jeder vorher bestimmten Bandbreite und Richtwirkung, ohne daß Versuche durchgeführt werden müssen.

Das Wesen und weitere Merkmale der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen genauer erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. ι Richtkopplungsanordnung für Mikrowellen, bei der die Kopplung durch einen fechteckigen unterteilten Schlitz geschieht, Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kopplungsanordnung nach Fig. 1, Fig. 3 eine Richtwirkungskennlinie, wie man sie bei einer Kopplungsanordnung nach Fig. 1 erwarten kann,
Fig. 4 eine Kopplungsanordnung mit dreieckigem Kopplungsschlitz,

Fig. 5 die Richtwirkungskennlinie bei einer Kopplungsanordnung nach Fig. 4, Fig. 6 eine Anordnung nach der Erfindung, bei der die Richtkoppluug durch einen zusammengesetzten unterteilten Schlitz bewirkt wird, Fig· 7 eine schaubildliche Erläuterung der Kopplungsanordnung gemäß Fig. 6, Fig. 8 die Richtwirkungskennlinie, die bei einer Kopplungsanordnung gemäß Fig. 6 zu erwarten ist, Fig. 9 eine andere Ausführungsform der Kopplungsanordnung, bei der die Richtkopplung durch eine aus einem Rechteck und einem Dreieck zusammengesetzte Öffnung geschieht, Fig. 10 eine schaubildliche Erläuterung der Kopp-

lungsanordnung gemäß Fig. 9, Fig. 11 eine Ausführungsform der Kopplungsanordnung der Erfindung, bei welcher die unterteilte Öffnung ebenso wie bei Fig. 9 aus einem Rechteck und einem Dreieck zusammengesetzt ist, die aber verschieden lang sind,

Fig. 12 eine schaubildliche Erläuterung der Kopplungsanordnung gemäß Fig. 11,

Fig. 13 eineweitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung, wobei der Kopplungslängsschlitz aus einem Rechteck und einer Erweiterung, die durch eine Kosinuslinie begrenzt ist, besteht, Fig. 14 die Darstellung der Amplitude der Wellen in Vorwärtsrichtung bei einer Kopplungsanordnung mit unterteiltem Längsschlitz als Funktion der Länge und der Kopplung der Öffnung,
Fig. 15 eineerfindungsgemäßeKopplungsanordnung mit Mehrfach-Längsschlitz.

Zunächst soll die Grundlage der Erfindung in Verbindung mit Fig. ι bis 5 erläutert werden.

Die Richtkopplungsanordnung nach Fig. 1 enthält als Hauptteil eine abgeschirmte rechteckige Übertragungsleitung 10 für Wellenenergie. An ihren Enden ist die Leitung 10 mit Endanschlüssen 11 und 12 versehen. An der Hauptübertragungsleitung 10 liegt eine abgeschirmte rechteckige Hilfsübertragungsleitung 13 für Wellenenergie an, die an ihren Enden die An-Schlüsse 26 und 27 trägt. Die aneinandergrenzenden, parallel zum elektrischen Vektor 15 der Welle verlaufenden Wände 14 und 24 der beiden Wellenleiter 10 und 13 sind teilweise ausgeschnitten, so daß ein Spalt 16 zwischen den Wellenleitern entsteht. In dem Spalt 16 ist ein Zwischenstück 17 angeordnet, das eine gemeinsame Wand zwischen den angrenzenden Wellenleitern 10 und 13 bildet. Das Zwischenstück 17 ist mit einem unterteilten rechteckigen Längsschlitz 18 versehen, der eine Kopplung zwischen den Wellenleitern 10 und 13 bewirkt. Die Längsabmessung L des Schlitzes

i8 ist größer als eine halbe Wellenlänge, während die Querabmessung üblicherweise beträchtlich geringer als eine halbe Wellenlänge ist. Der Längsschlitz 18 ist durch ein Gitter, das aus einer Vielzahl von Stäben 5 oder Drähten 20 besteht, in eine Vielzahl von Zwischenräumen ig unterteilt. Die Drähte 20 können in Vertiefungen eingeschweißt sein, die an den Kanten der Öffnung 18 im Zwischenstück 17 angebracht sind. Das Zwischenstück 17 kann aber auch als Stanzteil od. dgl. hergestellt sein. Jedes Ende der Übertragungsleitungen 10 und 13 ist mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen, der für den Leiter 13 durch die Impedanzen 21 und für den Leiter 10 durch die Impedanzen 22 und 23 schematisch angedeutet ist. Eine Energiequelle 25 für Mikrowellen ist in Reihe mit der Impedanz 23 bei 11 an den Hauptwellenleiter 10 angeschlossen.

Der unterteilte Längsschlitz 18 bewirkt eine Stromkopplung zwischen den Leitern 10 und 13, welche in einem wesentlichen Maße auf die Länge L verteilt ist. Die Stromkopplung ist auf der ganzen Länge gleichmäßig groß. Sie ist der Querabmessung des Schlitzes proportional. Ein einfacher, nicht unterteilter Schlitz von gleicher Größe und Form wie der unterteilte Schlitz 18 ergibt nicht diese erwünschte Kopplung. Der nicht unterteilte Schlitz wirkt vielmehr wie eine Übertragungsleitung, und zwar mehr oder weniger unabhängig von den angrenzenden Wellenleitern. Dies gilt ohne Rücksicht darauf, wie dünn die gemeinsame Wand gemacht wird, da in dem nicht unterteilten Schlitz eine stehende Welle von einem Ende zum anderen infolge des großen Reflexionskoeffizienten an den Schlitzenden erzeugt wird. Ein derartiger Schlitz arbeitet in der Tat im wesentlichen wie eine Einfachresonanzkopplung. Er hat daher nicht die besonderen Eigenschaften, insbesondere nicht die einer verteilten Kopplung, die zur Durchführung der Erfindung notwendig sind.

Nach Fig. 1 sind die Drähte 20 in gleichem Abstand angebracht. Die stehenden Wellen, die bei Nichtvorhandensein der Drähte 20 in der Öffnung 18 entstehen würden, sind nun auf die Zwischenräume zwischen den Drähten 20 beschränkt und in einem Ausmaß unterdrückt, das von dem Abstand der Drähte abhängt. Ganz allgemein kann sich keine stehende Welle ausbilden, wenn die Zwischenräume 19 zwischen den Drähten 20 kleiner als eine halbe Wellenlänge sind. Zwischenräume, die lediglich etwas kleiner als eine halbe Wellenlänge sind, würden aber zu diskreten Kopplungen führen, die in der Mitte zwischen den Drähten 20 lägen. Da jedoch die Abweichung von der erwünschten gleichmäßigen Kopplung umgekehrt proportional zur Anzahl solcher diskreter Kopplungen pro Wellenlänge ist, ist es erforderlich, mehr als nur zwei Kopplungen pro Wellenlänge zu verwenden. Eine brauchbare Annäherung an die gleichmäßige Kopplung würde erzielt, wenn drei oder mehr Zwischenräume 19 pro Wellenlänge vorgesehen sind. Wenn aber mehr als acht Zwischenräume 19 pro Wellenlänge vorgesehen werden, ist die gleichmäßige Kopplung für alle praktischen Zwecke verwirklicht.
Die Querabmessung der Zwischenräume 19 und des Längsschlitzes 18 ist selbstverständlich durch die kleinere Abmessung der schmalen Wände 14 und 24 der Wellenleiter 10 und 13 begrenzt. Sie wird daher üblicherweise geringer als eine halbe Wellenlänge sein. Das genaue Maß der Querabmessung des unterteilten rechteckigen Schlitzes 18 bestimmt die Leistungskopplung von der Hauptübertragungsleitung 10 zur Hilfsübertragungsleitung 13. Der Übertragungs- bzw. der Kopplungsverlust auf diesem Wege ändert sich im wesentlichen mit dem Quadrat der Querabmessung des Schlitzes 18. Diese Tatsache ist eine sehr wichtige Eigenschaft des unterteilten Längsschlitzes in der schmalen Wand. Die Stromkopplung durch den unterteilten Schlitz ändert sich linear mit der Querabmessung, weil die übertragene Leistung sich mit dem Quadrat der Querabmessung ändert.

Die Breite bzw. der Durchmesser der Drähte 20 beeinflußt die Richtwirkung innerhalb vernünftiger Grenzen nicht. Die Abmessung der Drähte 20 ist vergleichbar und vielleicht etwas kleiner als die Dicke der gemeinsamen Wand zwischen den Leitern 10 und 13. Die Drähte können jedoch einerseits beliebig dünn sein, solange ihre Festigkeit ausreichend bleibt, andererseits kann ihre Breite wesentlich über die Dicke der gemeinsamen Wand hinausgehen, ohne daß dadurch die erwünschte gleichmäßige Kopplung beeinträchtigt wird. Die durch den unterteilten Längsschlitz übergehende Leistung wird jedoch durch die Abmessungen der Drähte 20 beeinflußt. Wenn z. B. die Abmessung der Drähte 20 in der Ebene des Schlitzes vergrößert wird, d. h. wenn die Fläche der Zwischenräume 19 verkleinert wird, oder wenn die Abmessung der Drähte 20 in Richtung der Wanddicke vergrößert wird, wobei die Fläche der Zwischenräume gleich groß bleibt, dann wird die übergehende Leistung verringert. Man hat gefunden, daß mit der Breite der Zwischenräume sich der Stromübergang sehr viel mehr als linear ändert. Infolgedessen entsteht z. B. bei einem gegebenen Längsschlitz, der in zehn Zwischenräume unterteilt ist, beträchtlich mehr Leistungsübertragung als bei der gleichen Öffnung mit einer Unterteilung in zwanzig Zwischenräume.

Wie bereits festgestellt wurde und in Fig. 1 gezeigt ist, befindet sich der unterteilte Längsschlitz 18 in der den beiden rechteckigen Leitern 10 und 13 gemeinsamen Wand, die bei beiden Leitern parallel zum elektrischen Vektor der WeEenenergie liegt. Unter diesen no Umständen ist die Stromkopplung zwischen den Leitern an jeder Stelle des Schlitzes 18 proportional der Querabmessung desselben. Diese Stromkopplung wird jedoch auch erhalten, wenn der unterteilte Längsschlitz sich in einer gemeinsamen Wand befindet, die parallel zum elektrischen Vektor nur eines Leiters liegt, d. h. wenn die gemeinsame Wand die schmalere Wand nur eines Wellenleiters ist. Die Beziehung bleibt auch bestehen, wenn sich der unterteilte Längsschlitz in einer gemeinsamen Wand befindet, die senkrecht zum elektrischen Vektor in beiden Leitern liegt, vorausgesetzt, daß dieser Schlitz nicht in der Mittellinie der breiteren Wand beider Leiter liegt.

Die Art, wie eine gerichtete Kopplung bei der Anordnung in Fig. ι zustande kommt, wird aus der sehematischen Darstellung nach Fig. 2 verständlich. In

Fig. 2 sind zwei gleiche Übertragungsleitungen ι und 2 gezeichnet, die den Leitungen 13 und 10 in Fig. 1 entsprechen. Es sei angenommen, daß diese Übertragungsleitungen parallel liegen und daß die Fortpflanzungsrichtung parallel zur #-Achse liegt. Der Bereich, in dem eine Kopplung vorhanden ist, entspricht der Kopplung bei dem unterteilten Längsschlitz in der Anordnung nach Fig. 1. Er ist auf die Länge L beschränkt. Dieser Bereich ist in Fig. 2 durch die Strecke bezeichnet, die

von bis H— reicht. Die Kopplungsverteilung oder

die Änderung der Kopplung zwischen den Leitungen im Bereich bis H wird durch die Funktion φ (χ)

beschrieben. Es ist weiterhin angenommen, daß die durch die Quelle 25 erregte Welle sich auf der Leitung 2 nach rechts fortpflanzt. Wenn alle Stromelemente in Vorwärtsrichtung summiert und auf die

Ebene χ = -\ bezogen werden, so erhält man die

Gleichung

= kF j ψ (χ) ix,

wobei der Faktor F durch

—12 π ·

ausgedrückt ist. Der Ausdruck Z stellt den Wellenwiderstand der jeweiligen Leitung und ihrer Abschlußimpedanzen 2i, 22 und 23 dar. Der Ausdruck Xg bedeutet die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie im Wellenleiter.

Der Faktor k stellt den Bruchteil des gesamten induzierten Stroms dar, welcher sich in der Hilfsleitung ι in Vorwärtsrichtung fortpflanzt. Der Faktor k ist somit ein Maß für die Richteigenschaft der Kopplung auf Grund der differentialen Länge. Wenn alle Stromelemente in Rückwärtsrichtung summiert

und auf die Ebene χ = bezogen werden, erhält

man die Gleichung

„ X WX . \£)

" 2

Das Verhältnis des Vorwärtsstroms (Gleichung 1) zum Rückwärtsstrom (Gleichung 2) ist die Richtwirkung der oben definierten Kopplungseinrichtung. Solange sich die Phase der Kopplungsfunktion φ {χ)

zwischen und -\ nicht ändert, addieren sich alle

22

Vorwärtsstromelemente auf der Leitung 1 phasenrichtig. Jedoch addieren sich die Rückwärtsstromelemente so, daß sich eine auslöschende Interferenz ergibt. Der Ausdruck für den Rückwärtsstrom (Gleichung 2) hat die Form einer Fourier-Transformation. Somit ist die Richtwirkungskennlinie in direkte Beziehung zu der Kopplungsfunktion φ (χ) durch die Fourier-Transformation von φ (χ) gebracht. Theoretisch ist es dann möglich, eine Kopplungsfunktion zu bestimmen, die irgendeine gewünschte Richtwirkungskennlinie erzeugt.

Zum Beispiel ist die Kopplungskennlinie des Längsschlitzes 18 in Fig. ι eine rechteckige Kurve, d. h., die Größe der Stromkopplung an jeder Stelle der Länge des Schlitzes ist im Kopplungsbereich L gleichmäßig. Außerhalb dieses Bereichs ist sie Null. Die Art und Weise, wie diese Kennlinie für einen unterteilten rechteckigen Längsschlitz nach Art des Schlitzes 18 zustande kommt, ist bereits erklärt worden. Mit den oben verwendeten Bezeichnungen ist die Funktion φ (χ) der Kopplungskennlinie gleich Eins, wenn χ sich von

Die Gleichungen (1) und (2)

können daher für diese Kopplungsfunktion leicht berechnet werden. Bei jeder Gleichung wird der Faktor k

gleich —, da eine Hälfte des durch die Öffnung in der

Seitenwand eines Wellenleiters gekoppelten Stromes in jeder Richtung wandert, wie Mumf or d in der obenerwähnten Veröffentlichung gezeigt hat. Der Ausdruck für den Vorwärtsstrom nach Gleichung (1) wird

bis H ändert.

FL

(3)

Der Ausdruck für den Rückwärtsstrom nach Gleichung (2), berechnet für die rechteckige Kopplungsverteilung nach Fig. 1, ist die bekannte Fourier-Transformation einer rechteckigen Welle, d. h., der Rückwärtsstrom ist eine Konstante, multipliziert mit der Fourier-Transformation der Kopplungsverteilung. Er wird

FL sin u

wobei

u =

2JtI

(4)

(5)

Dir. =

SVO. U

(6)

ist. Hierbei ist Xg die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie in beiden Wellenleitern. Die Richtwirkung, die durch das Verhältnis des Vorwärtsstroms zum Rückwärtsstrom gegeben ist, beträgt also

Diese Funktion ist in Fig. 3 aufgetragen. Hier gibt die Ordinate die Richtwirkung in Dezibel und die Abszisse das Verhältnis der Kopplungslänge zur Wellenlänge an. Es ist erkennbar, daß eine vollkommene Richtwirkung, d. h. eine Unterdrückung von unendlich Dezibel in Rückwärtsrichtung in allen Bereichen zu finden ist, wo die Kopplungslänge L ein Vielfaches der halben Wellenlänge Xg der Wellenleiter ist. Man sieht, daß die Minima der Richtwirkung mit

dem Verhältnis -γ— abnehmen und daß eine Kopplungsstrecke von etwa drei Wellenlängen notwendig ist, um

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eine breitbandige Richtwirkung von etwa 25 Dezibel zu erhalten.

Die besonderen Eigenschaften der beschriebenen Kopplung sollen an dieser Stelle zusammengefaßt werden, um eine feste Grundlage für die Erläuterung der Erfindung zu haben.

Die Kopplung wird also durch eine Einrichtung bewirkt, die mit unterteiltem Längsschlitz bezeichnet wurde. Der unterteilte Längsschlitz ist eine Öffnung, deren Umrandung eine bestimmte geometrische Gestalt hat, die jedoch in viele kleinere Öffnungen oder Zwischenräume aufgeteilt ist. Wenn die Anzahl der kleineren Zwischenräume groß ist, braucht ihre genaue Größe und Form nicht im einzelnen betrachtet zu werden, jedoch muß man das Hauptaugenmerk auf die Größe und Form richten, welche durch die Umrandung des Längsschlitzes- definiert ist. Die Größe des an jeder Stelle durch den unterteilten Längsschlitz gekoppelten Stromes ist direkt proportional der Querabmessung des unterteilten Schlitzes, so daß die Verteilung des Kopplungsstromes entlang des Schlitzes identisch mit der physikalischen Form des Schlitzes ist. Diese Stromkennlinie wird mit »geometrischer Grundverteilungu bezeichnet. Die Fourier-Transformation der geometrischen Grundverteilung und damit die Transformation der geometrischen Grundform ist die Kennlinie des Rückwärtsstromes in der Hilfsübertragungsleitung. Diese Kennlinie steht in direktem Zusammenhang mit der Richtwirkung der Kopplungseinrichtung. Der gesamte gekoppelte Strom, welcher die Kopplungsverluste in Vorwärtsrichtung bestimmt, hängt von der Größe der Querabmessung des unterteilten Längsschlitzes ab. Solange diese Größe verändert wird, ohne daß dabei die Form des unterteilten Schlitzes anders wird, wie es bei den betrachteten geometrischen Grundformen der Fall ist, können die Kopplungsverluste durch Wahl der Ouerabmessung festgelegt werden, ohne daß dabei die Richtkennlinie beeinflußt wird.

Fig. 4 zeigt ein Zwischenstück 31, das an Stelle des Zwischenstücks 17 in Fig. 1 verwendet werden kann und das die gemeinsame Wand zwischen den aneinandergrenzenden Wellenleitern 10 und 13 bildet. Das Zwischenstück 31 ist mit einem unterteilten Längsschütz 32 in Form eines gleichschenkligen Dreiecks mit einer Grundlinie von der Länge L versehen. Wie bei dem rechteckigen Schlitz 18 in Fig. 1 ist der dreieckige Schlitz 32 in Fig. 4 durch eine Vielzahl von Stäben oder Drähten 34 in kleinere Zwischenräume 33 aufgeteilt. Die Kopplungsverteilungskennlinie des Schlitzes 32 entspricht der physikalischen Form des Dreiecks. Mit den bereits verwendeten Bezeichnungen

kann die Funktion φ (χ) im Bereich von bis 0 mit

und im Bereich von ο bis H mit

ausgedrückt werden.

(7)

(8) Wie die rechteckige Kopplungsverteilungskennlinie ist diese dreieckige Kopplungsverteilungskennlinie eine geometrische Grundform, für welche die Fourier-Transformation bekannt ist. Somit ergibt sich aus Gleichung (2) ein Rückwärtsstrom

FL

sin*

(9)

Der Vorwärtsstrom ist . Somit ist die Rieht-

wirkung gegeben durch

Dir. =

u sm^a I —

sin 2

(10)

Diese Funktion ist in Fig. 5 aufgetragen. Eine vollkommene Richtwirkung besteht in den Bereichen, wo die Kopplungslänge ein ganzes Vielfaches der Wellenlänge im Leiter ist. Die SteEen mit minimaler Richtwirkung nehmen mit (τ—)² ab. Eine Kopplungslänge von etwa einer Wellenlänge ergibt eine breitbandige Richtwirkung von mehr als 25 Dezibel. Bei einer Länge, die etwas größer als zwei Wellenlängen ist, kann in einem sehr breiten Band eine Richtwirkung von 35 Dezibel eingehalten werden. Ein Vergleich mit der Kennlinie in Fig. 3 zeigt daher, daß die Form des Längsschlitzes nach Fig. 4 eine wesentliche Verbesserung der Richtwirkungskennlinie bei viel kürzerer Kopplungslänge bringt.

Es ist also an Hand der rechteckigen und dreieckigen Grundformen der Kopplungsschlitze gezeigt worden, daß der Rückwärtsstrom und damit die Richtkennlinie der sich ergebenden Kopplungseinrichtung mit einem derartigen Kopplungsschlitz in unterteilter Form durch die Fourier-Transformation in direktem Zusammenhang mit der Verteilung der Stromkopplung auf die Länge des unterteilten Längsschlitzes steht, die ihrerseits der Ouerabmessung des Schlitzes direkt proportional ist. Andere geometrische Grundformen sind eine halbe Periode einer Cosinus- no welle, wobei diese von einer Minimumstelle bis zur nächsten gemessen und mathematisch das gleiche wie eine halbe Periode einer sin²-Welle ist, ferner positive und negative Exponentialkurven. Für jede dieser Formen ist die Fourier-Transformation bekannt und läßt sich in ihrer einfachsten Form als eine Funktion einer einzelnen Winkelveränderlichen ausdrücken, z. B. der Veränderlichen u in Gleichung (4) für die rechteckige geometrische Grundform und der Veränderlichen — in Gleichung (9) für die dreieckige geometrische Grundform. Die Benutzung der Transformation erlaubt die Berechnung der Gleichung (2) für den Rückwärtsstrom, wenn ein unterteilter Längsschlitz mit der betrachteten Form die Kopplung zwisehen dem Hauptleiter und dem Hilfsleiter herstellt.

Zur Erleichterung der praktischen Anwendung der Erfindung sind nachstehend Beziehungen für einige der geometrischen Grundformen angegeben.

Zum Beispiel gilt bei einer Cosinuswelle von einer halben Periode, deren Kopplungsfunktion (und die Form des Längsschlitzes)

I πχ

φ {χ) = cos

(ii)

im Bereich von bis -| für den Rückwärtsstrom

2 2

(Transformation der Wellenform von φ (χ) die Beziehung

FL cos u , ,

ZU

und für die Richtwirkungskennlinie die Beziehung

Dir. =

zu π

COSM

(13)

für eine ganze Cosinuswelle ist die Kopplungsfunktion φ (χ) = ι + cos (—γ-) (14)

im Bereich von — — bis —, und der Rückwärtsstrom 22

FL

sin«

2 Iu

u 11 — — \π

(15)

und die Richtwirkungskennlinie

Dir. =

sin«

Das gleiche kann für eine positive und eine negative Exponentialkurve gezeigt werden. In allen Fällen sind die Funktionen u und F die gleichen und entsprechen der obigen Definition.

Bei allen erläuterten Kopplungsverteilungen ist ersichtlich, daß die einzelnen Winkelveränderlichen in jedem Fall von der Länge des Kopplungsbereichs abhängen, da diese Länge in der Funktion u erscheint.

Erfindungsgemäß werden zwei oder mehr geometrische Grundformen kombiniert, um eine zusammengesetzte Form für den Längsschlitz zu bilden. Eine solche zusammengesetzte Form ist in Fig. 6 dargestellt, wo ein zum Einsetzen in den Spalt 16 gemäß Fig. 1 geeignetes Zwischenstück mit einem unterteilten Längsschlitz 42 versehen ist, welcher die Form von zwei übereinandergesetzten Rechtecken hat. Ein unterer Rechteckteil der Längsabmessung L und der Querabmessung I schließt sich unmittelbar an einen oberen Rechteckteil mit der Längsabmessung kL und der Querabmessung c an, wobei der Wert c eine willkürliche Konstante ist und der Wert kL einen Bruchteil der Länge L bezeichnet. Die beiden Rechteckteile liegen mit ihren Längsabmessungen aneinander und sind so angeordnet, daß die Länge kL symmetrisch zu der Länge L verläuft. Auf diese Weise verschmelzen die beiden Rechteckteile zu einem einzigen zusammengesetzten Längsschlitz, der durch die Stäbe 43 unterteilt ist, welche eine Kopplung φ (χ) gleich Eins im ω · -u ^L u- ^KL a KL _u. L ... Bereich von bis und von bis — ergibt.

2 2 2 2°

ΤζΤ ΤζΤ

Im Bereich von bis -^- ist die Kopplungsfunktion φ (χ) gleich ι + c.

Es läßt sich zeigen, daß die Fourier-Transformation einer solchen pyramidenförmigen Fläche gleich der Summe der zugehörigen Rechteckflächen ist. Mit anderen Worten: Die Transformation der zusammengesetzten Kopplungsverteilung ist die Summe der Transformationen der geometrischen Grundverteilungen und eine Funktion jeder der beiden getrennten einzelnen Veränderlichen der Grundtransformationen. Die zusammengesetzte Kopplung stellt daher eine Verteilung dar, deren Fourier-Transformation in der einfachsten Form ausgedrückt eine Funktion einer Mehrzahl von Winkelveränderlichen ist. Daher erhält man den gesamten Rückwärtsstrom, der sich aus der zusammengesetzten Kopplungsverteilung nach Fig. 6 ergibt, wenn man die entsprechenden Transformationen unabhängig voneinander in Gleichung (2) für die beiden Teilkopplungen mit konstanter Amplitude einsetzt und die beiden so erhaltenen Rückwärtsströme arithmetisch addiert. Der Ausdruck für den gesamten Rückwärtsstrom einer Richtkopplungseinrichtung mit dem im Zwischenstück der Fig. 6 gezeichneten Längs- y5 schlitz wird dann

FL sin u

ck sin (kit

(ku)

(17)

Der erste Ausdruck der Gleichung (17) ist eine Funktion einer ersten Winkelveränderlichen u und stellt die Rückwärtsstromkomponente dar, die von der Kopplung mit konstanter Amplitude der unteren Grundverteilung mit der Länge L und der Höhe L herrührt. Der zweite Ausdruck der Gleichung (17) ist eine Funktion einer ersten Winkelveränderlichen ku und stellt die Rückwärtsstromkomponente dar, die von der oberen Grundverteilung mit der Höhe c und der Länge kL herrührt. uo

In Fig. 7 ist die Größe dieser beiden Stromkomponenten abhängig vom Verhältnis der Kopplungslänge L zur Wellenlänge Xg aufgetragen. Die Kurve 41 stellt die Stromkomponente des ersten Ausdrucks der Gleichung (17) dar und die Kurve 42 die des zweiten Ausdrucks. Die Summe der Kurven 41 und 42 gibt also den gesamten Rückwärtsstrom der zusammengesetzten Verteilung nach Fig. 6, der durch Gleichung (17) ausgedrückt ist. An jeder Stelle, wo die Anteile des Rückwärtsstroms, die von den beiden Grundverteilungen, d. h. von den durch die Kurven 41 und 42 dargestellten Strömen, herrühren, gleiche Größe und entgegengesetzte Phase haben, wird der gesamte Rückwärtsstrom Null, und die Richtwirkung der Kopplungseinrichtung mit dem im Zwischenstück der Fig. 6 vorgesehenen Längsschlitz wird sehr groß.

Gemäß der Erfindung wird in breiten Frequenzbereichen eine hohe Richtwirkung dadurch erreicht, daß von den beiden Komponenten mit geometrischer Grundverteilung im wesentlichen gleich große Rückwärtsströme erhalten werden und daß gleichzeitig diese Ströme entgegengesetzte Phase oder entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen. Dies ist bei der Komponentenverteilung in Fig. 6 leicht zu erreichen. Man beachte, daß der Faktor c in Gleichung (17), der die relative Höhe der geometrischen Grundform darstellt, die relativen Amplituden der Rückwärtsströme bestimmt. In gleicher Weise bestimmt der Faktor k, der die relativen Längen der beiden geometrischen Grundformen darstellt, die relative Phase der Rückwärtsströme. Zum Beispiel zeigt Fig. 7, daß die Punkte, bei denen die Kurve 41 den Rückwärtsstrom Null darstellt, bei Verhältnissen -^- liegen, die gleich einer ganzzahligen Vielfachen von 0,5 sind, die Punkte, bei denen

a° die Kurve 42 den Rückwärtsstrom Null darstellt,

Hegen bei Verhältnissen j—, die gleich einer ganzzahligen Vielfachen von 0,5 dividiert durch den Faktor k sind. Somit ergibt eine Veränderung des Faktors k eine Ausdehnung oder eine Zusammendrückung der Kurve 42 auf der Abszisse in Fig. 7. Eine Veränderung des Faktors c ergibt eine Ausdehnung oder eine Zusammendrückung der Kurve 42 im Verhältnis zur Kurve 41. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, stellt der Punkt 46 auf der Kurve 42 einen positiven Strom dar, der gleich groß ist wie ein negativer Strom, der durch den Punkt 47 dargestellt wird. In gleicher Weise stellen die Punkte 48 und 51 auf der Kurve 42 Ströme dar, deren Größe gleich und deren Phase entgegengesetzt ist. Dasselbe gilt für die durch die Punkte 49 und 50 auf der Kurve 41 dargestellten Ströme. Somit erhält man für die durch die Punkte 43, 44 und 45 in Fig. 7 dargestellten Verhältniswerte den gesamten Rückwärtsstrom Null. Im ganzen Bereich zwischen den Verhältniswerten 43 und 44 erhält man im wesentlichen eine gegenseitige Aufhebung der Rückwärtsströme, und es ergibt sich in diesem breiten Frequenzbereich eine außerordentlich hohe Richtwirkung. Ein ähnlicher breiter Frequenzbereich umgibt das durch

⁴S den Punkt 45 dargestellte Verhältnis.

Die Richtwirkung einer Kopplungseinrichtung ist durch das Verhältnis des Vorwärtsstroms zum gesamten Rückwärtsstrom gegeben. In Fig. 8 ist die Richtwirkung einer Kopplungseinrichtung mit dem Zwischenstück nach Fig. 6 aufgetragen, deren Rückwärtsströme in Verbindung mit Fig. 7 betrachtet wurden. Fig. 8 zeigt die Richtwirkung der Kopplungseinrichtung nach Fig. 6 insbesondere für den Fall, daß c gleich Eins und k gleich 0,454 ist. Ein Vergleich der Fig. 8 mit der Kennlinie der Rückwärtsströme in Fig. 7 zeigt, daß die Punkte mit unendlicher Richtwirkung in Fig. 8 z. B. 51, 52 und 53 den Verhältnissen der Kopplungslänge zur Wellenlänge in Fig. 7 entsprechen, bei denen die beiden Anteile des Rückwärtsstromes gleich groß sind und entgegengesetzte Phasen besitzen. Zum Beispiel entspricht der Punkt 51 in Fig. 8 dem durch den Punkt 43 in Fig. 7 bezeichneten Verhältnis. Ebenso entsprechen die Punkte 52 und 53 in Fig. 8 den Verhältnissen 44 und 45 in Fig. 7. Es dürfte aber offensichtlich sein, daß man viele und verschiedene Bandfüter-Richtkennlinien durch Wahl der Werte der Konstanten c und k entsprechend den erläuterten Prinzipien erhalten kann.

Fig. 9 zeigt ein für den Einsatz im Spalt 16 der Fig. ι geeignetes Zwischenstück, das mit einem zusammengesetzten unterteilten Längsschlitz 61 versehen ist. Die Form des Längsschlitzes 61 ist eine Kombination einer rechteckigen Grundform, z. B. des Schlitzes 18 in Fig. 1, der an eine dreieckige Grundform unmittelbar angrenzt, z. B. an den unterteilten Schlitz 32 in Fig. 4.

Wie bei dem zusammengesetzten Längsschlitz 42 der Fig. 6 sind die beiden Grundformen und ihre Kopplungsverteilungen so miteinander verschmolzen, daß sie einen einzigen unterteilten Längsschlitz bilden. Wie gezeichnet, grenzen die Längsabmessungen des Rechtecks und die Grundlinie des Dreiecks aneinander und sind gleich L. Die maximale Ouerabmessung des Schlitzes 61 ist gleich 1 -+- c, da die Querabmessung des Rechtecks L und die Höhe des Dreiecks c ist. Der Längsschlitz ist durch die Stäbe oder Drähte 62 in kleinere Zwischenräume unterteilt. Der gesamte durch die Kopplung einer solchen zusammengesetzten Kopplungsverteilung hervorgebrachte Rückwärtsstrom ist die arithmetische Summe der durch die Komponenten go der Grundverteilungen hervorgebrachten Rückwärtsströme. Die Rückwärtsstromkomponenten sind in Fig. 10 aufgetragen. Hier ist die Rückwärtsstromkomponente, die von der Dreiecksverteilung herrührt und die durch Gleichung (9) gegeben ist, durch die Kurve 63 dargestellt. Fig. 10 hat die gleichen Koordinaten wie Fig. 7. Die Rückwärtsstromkomponente, die von der rechteckigen Verteilung herrührt und die durch Gleichung (4) gegeben ist, wird durch die Kurve 64 in Fig. 10 dargestellt. Die Anfangsamplitude der Kurve 63 ist gleich c, so daß durch geeignete Wahl des Wertes von c die Größe des positiven Stroms, der durch den Punkt 65 auf der Kurve 63 dargestellt ist, gleich der Größe des durch den Punkt 66 auf der Kurve 64 dargestellten negativen Stroms gemacht werden kann. Dasselbe gilt daher auch für die Punkte 67 und 68 auf den Kurven 63 und 64. Somit wird im Bereich zwischen den durch die Punkte 69 und 70 bezeichneten Verhältniswerten und im Bereich zwischen den Punkten 71 und 72 eine wesentliche Aufhebung des gesamten Rückwärtsstroms erzielt.

In Fig. 11 werden die gleichen geometrischen Grundformen wie in Fig. 9 verwendet, um den zusammengesetzten Längsschlitz 73 zu bilden, abgesehen davon, daß die Abmessung der Grundlinie des dreieckigen Schlitzteils um einen Faktor k vergrößert wird. Wie bei den vorangehenden Figuren ist die gesamte Schlitzfläche durch ein Gitter 74 unterteilt. Es ist leicht einzusehen, daß der zusammengesetzte Schlitz nach Fig. 9 einen Sonderfall des Schlitzes nach Fig. 11 darstellt, bei dem der Faktor gleich Eins ist. Ebenso kann der Faktor k kleiner als Eins sein, wobei die Grundlinie des dreieckigen Schlitzteils kürzer als die Längsabmessung des rechteckigen Schlitzteils wird.

Als allgemeinen Ausdruck für den gesamten Rückwärtsstrom einer zusammengesetzten unterteilten

Öffnung, die sich durch die in Fig. ii dargestellte Kombination der geometrischen Grundformen eines Dreiecks und eines Rechtecks ergibt, erhält man

(ku

FL

smu

ck

sm²

ku

ίο Diese Gleichung ist eine Kombination der Gleichung (4), die die Rückwärtsstromkomponente der rechteckigen Verteilungskurve angibt, und der Gleichung (9) ist, die die Rückwärtsstromkomponente der dreieckigen Verteilungskurve angibt, und die die Faktoren c und k in Rechnung stellt.

In Fig. 12 ist die durch den ersten Ausdruck der Gleichung (18) gegebene Rückwärtsstromkomponente durch die Kurve 77 dargestellt, und die durch den zweiten Ausdruck der Gleichung (18) gegebene Rückwärtsstromkomponente ist durch die Kurve 76 dargestellt, wobei der Faktor k den speziellen Wert 2 besitzt. Wie ersichtlich, tritt im ganzen Bereich zwischen den Verhältniswerten 0,5 und 1,0 eine wesentliche Auslöschung des gesamten Rückwärtsstroms auf.

Dasselbe gilt auch für den Bereich zwischen den Verhältniswerten i,5 und 2. Auf diese Weise hat man besondere Bänder mit einer Breite von einer halben Wellenlänge erhalten, wo die Richtwirkung sehr groß ist, die bei einer gerichteten Kopplungseinrichtung mit unterteiltem Kopplungslängsschlitz entsteht, wie sie bei dem in Fig. 11 dargestellten Zwischenstück vorhanden ist.

Eine weitere zusammengesetzte Verteilungskurve soll zur Erläuterung der Prinzipien der Ei findung dienen.

Fig. 13 zeigt ein für den Einsatz im Spalt 16 der Fig. 1 geeignetes Zwischenstück, das mit einem zusammengesetzten unterteilten Längsschlitz 81 versehen ist. Die Form des Längsschlitzes 81 ist eine Kombination aus einer rechteckigen Grundform, wie z. B. dem Schlitz 18 in Fig. 1 und einer durch eine ganze Cosinuswelle begrenzten Fläche, wie sie durch die Gleichungen (14), (15) und (16) definiert ist. Die beiden Grundformen und ihre Kopplungsverteilungskurven sind zu einem einzigen unterteilten Längsschlitz verschmolzen. Die Längsabmessung des Rechtecks und die Länge der Cosinuswelle decken sich; beide sind gleich L. Die maximale Querabmessung der Öffnung 81 ist gleich 1 + c, da die Querabmessung des Rechtecks I und die Maximalamplitude der Cosinuswelle c ist. Der zusammengesetzte Längsschlitz ist durch das Gitter 82 in kleinere Zwischenräume unterteilt. Die Verteilungskurve entspricht im wesentlichen derjenigen in Fig. 9.

Der gesamte Rückwärtsstrom des zusammengesetzten unterteilten Längsschlitzes nach Fig. 13 kann ausgedrückt werden durch

I bT —

FL

sin«

csmu

• (19)

Diese Gleichung ist eine Kombination aus der Gleichung (4), die die Rückwärtsstromkomponente bei rechteckiger Verteilungskurve angibt, und aus der Gleichung (15), die die Rückwärtsstromkomponente bei cosinusförmiger Verteilungskurve angibt, wobei der Faktor c berücksichtigt ist. Wenn der Faktor c durch empirische oder graphische Methoden, wie sie in Fig. 7 und 8 für die Ausführung nach Fig. 6 veranschaulicht sind, so gewählt wird, daß er den speziellen Wert 22,4 annimmt, läßt sich zeigen, daß eine Richtwirkung von mehr als 50 Dezibel bei allen Frequenzen zu erhalten ist, bei denen die Kopplungslänge wenigstens 1,5 mal so groß wie die Wellenlänge der gekoppelten Energie ist.

Es ist offensichtlich, daß weitere Kombinationen geometrischer Grundformen, für die die Fourier-Transformationen bekannt sind, nach den offenbarten Prinzipien der Erfindung ausgeführt werden können. Die gewünschte besondere Richtwirkung ist in jedem Falle dadurch zu erreichen, daß man die relativen Abmessungen der Grundformen in der Art und Weise zueinander ins Verhältnis setzt, wie sie bei mehreren besonderen Ausführungsbeispielen hier gezeigt wurde.

Die vorstehenden Überlegungen nach der Erfindung betreffen im wesentlichen die Richtwirkung, die man mit den offenbarten Kopplungsmitteln erhalten kann, d. h. den Charakter des Rückwärtsstroms in der Hilfsübertragungsleitung. Die Richtwirkung einer bestimmten Kopplung hängt von der »Form« der Kopplungsverteilungskennlinie ab. Es wurde jedoch schon angedeutet, daß die Leitung in Vorwärtsrichtung in der Hilfsübertragungsleitung von Faktoren abhängt, auf die diese »Formic der Kopplungsverteilungskennlinie keinen Einfluß hat. Weitere Vorteile sind durch Vergrößerung der Kopplung erzielbar, entweder durch Vergrößerung der Länge des Kopplungsbereichs und durch Vergrößerung der Zahl von einzelnen Kopplungen, wobei der Vorwärtsstrom in einer noch zu beschreibenden Weise beeinflußt wird. Dies geschieht ohne Veränderung der Form der Verteilungskurve und somit ohne Änderung der Riehtwirkungskennlinie.

Es sei daher noch einmal die Fig. 1 betrachtet, insbesondere der Strom, der in Voiwärtsrichtung in die Hilfsleitung 13 und innerhalb einer Länge übertragen wird, die so klein ist, daß eine vernachlässigbare Leistung zwischen den Leitungen 10 und 13 übertragen wird. Die Hüllkurve der fortschreitenden Welle in der Hauptübertragungsleitung 10 kann ausgedrückt werden durch:

dE₁

dx

= CiE₁ -f- aE₂

(20)

und die fortschreitende Welle in der Hilfsübertragungsleitung 13 durch:

dE₂

dx

aE₂

(21)

wobei α die gleichmäßige Kopplung im Einheitswinkel pro Längeneinheit zwischen den Leitungen darstellt. Wenn man annimmt, daß der Hauptleitung eine Eingangswelle mit der Größe Eins und der Hilfsleitung keine Welle aufgedrückt wird, dann wird die

909 602/22

Gleichung (20)
und die Gleichung (21)

(22)

(23)

wobei χ den Abstand darstellt, auf dem die Kopplung vorhanden ist.

Der Kopplungsfaktor α in Gleichung (20) bis (23) ist eine komplexe mathematische Größe. Bei der praktischen Konstruktion führt aber das Erfordernis der Energieerhaltung zu der Einschränkung, daß IE₁I² + |E₂|² für alle Werte von χ konstant ist. Daher muß die Größe α eine rein imaginäre Größe sein. Daraus ergibt sich eine dauernde Phasendifferenz von 90' zwischen der Energie in den Leitungen 10 und 11.

In Fig. 14 ist die Amplitude der Wellen auf den beiden Leitungen, wie sie durch die Gleichungen (22) und (23) ausgedrückt ist, in Abhängigkeit vom Produkt aus der Kopplung α im Einheitswinkel pro Längeneinheit und dem Abstand χ aufgetragen, auf dem die Kopplung stattfindet. Man sieht, daß die Wellenamplitude auf der Hauptübertragungsleitung 10, die durch die Kurve 92 in Fig. 14 dargestellt ist, sich cosinusförmig ändert, während die Wellenamplitude auf der Hilfsübertragungsleitung 13, die durch die Kurve 93 in Fig. 14 dargestellt ist, sich sinusförmig ändert, wenn die Kopplungslänge χ vergrößert wird. Ein vollständiger Leistungsübergang zwischen den Leitungen findet statt, wenn das Produkt \zax\ gleich main Bogenmaß ist, wobei m jede ungerade Zahl sein kann. Der Leistungsübergang wiederholt sich periodisch, solange die Kopplung vorhanden ist. Die Kopplung kann an einer Stelle beendet werden, wo die Wellen auf den beiden Leitungen eine Beziehung zueinander haben, die erhalten bleiben soll. Mit anderen Worten: Die Leistung P₁ auf der Hauptübertragungsleitung 10 und die Leistung P₂ auf der Hilfsübertragungsleitung 13 werden entsprechend dem Verhältnis

(24)

cosa	ax
sin2	ax

aufgeteilt. Der Wert ax wird so gewählt, daß Mischungen mit irgendeinem gewünschten Übertragungsverhältnis erzielt werden.

Ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Kopplung und zur Regelung der in Vorwärtsrichtung übertragenen Leistung ist in Fig. 15 aufgezeigt. Es besteht in der Erhöhung der Zahl der einzelnen Kopplungseinheiten. Fig. 15 zeigt ein für den Einsatz im Spalt 16 der Fig. 1 geeignetes Zwischenstück, das mit einem zusammengesetzten unterteilten Längsschlitz 95 versehen ist. Die Form des Schlitzes 95 stellt eine Kombination von mehreren nebeneinandergesetzten Öffnungen dar, wie sie bei Fig. 6 gezeigt und beschrieben wurden. In Fig. 15 sind nur zwei nebeneinandergesetzte Schlitze dargestellt, die als linke und rechte Hälfte bezeichnet werden sollen; die Anzahl der nebeneinandergesetzten Schlitze kann auf η vergrößert werden. Die linke und die rechte Hälfte des Schlitzes 95 können als getrennte Kopplungen betrachtet werden,

die jeweils eine gute Richtwirkung und bestimmbare Kopplungsverluste aufweisen. Der Energieübergang von der Hauptleitung 10 zur Hilfsleistung 13 über die linke Kopplung erfährt eine Phasenverzögerung von 90⁰. Diese Energie geht auf der Hilfsleitung 13 entlang bis zur rechten Kopplung. Teile dieser Energie kehren zur Häuptleitung mit einer weiteren Phasenverzögerung von 90⁰ zurück. Also kommt die Energie, die von der Hauptleitung 10 zur Hilfsleitung 13 und an einer späteren Kopplungsstelle zurück zur Hauptleitung 10 geht, auf der Hauptleitung 10 phasenverschoben gegen die Energie an, die sich unmittelbar auf der Hauptleitung 10 fortpflanzt. Die Summierung dieser Komponenten führt eventuell zur Auslöschung der Welle auf der Hauptleitung 10.

Wenn man die Größe der Kopplung in der linken oder der rechten Hälfte des Schlitzes 95 mit C bezeichnet, dann beträgt die Spannung V₁ auf der Hilfsleitung 13 hinter der ersten Kopplungseinheit, d. h. hinter der linken Hälfte der Öffnung 95,

V₁ = C (25)

und die Spannung E₁ auf der Hauptleitung 10

E₁=Yi-C² . (26)

Hinter der zweiten Kopplungseinheit, d. h. hinter der rechten Hälfte des Schlitze 95, werden diese Spannungen

F₂ = ]/i — C^ V₁ + CE₁ = ZC ]/i — C² (27)

E₂=]/x — C² E₁-CV₁= 1 —2C2. (28)

Unter Verwendung der Funktion

C = sin Θ (29)

werden die Gleichungen (27) und (28) nach η Kopplungseinheiten

E_n = cos η Θ , (3θ)

V_n = sin η Θ , (31)

die Gleichungen (30) und (31) können auch in der Form

E_n = cos \n sin"¹ C], (32)

V_n = sin [n sin"¹ C] (33)

geschrieben werden.

Auf diese Weise kann die verlangte Anzahl η von gleichen Kopplungseinheiten mit dem Kopplungsfaktor C für jedes gewünschte Verhältnis der Spannungen E_n und V_n bestimmt werden. Das gewünschte Verhältnis der Leistungsteilung wäre daher das Quadrat des Spannungsausdrucks. Andererseits kann die gewünschte Beziehung zwischen Spannung oder Leistung durch eine feste Anzahl von Kopplungseinheiten mit dem verlangten Kopplungsfaktor C erhalten werden. In jedem Fall findet ein vollständiger Leistungsübergang zwischen den Leitungen statt,

wenn der Wert η sin"¹ C gleich ■ ist, wobei m

irgendeine ungerade Zahl ist.

Es ist bei bestimmten Anwendungen wünschenswert, mehrere Richtöffnungen mit verschiedenen Kopplungsverlusten hintereinanderzuschalten. Die ge-

wünschte Leistungsteilung kann dann bestimmt werden zu

E = cos (W₁6>_x + w₂ 6>₂ + W₃ <9₃ + ... Wj. ©j.) (34) V = sin (W₁ <9_X + w₂ <9₂ + · · · n_k Q_k), (35)

wobei E. und V die Spannungen auf der Haupt- und Hilfsleitung am Ende der Reihe von Kopplungen sind. Dabei sind verwendet:

W₁ Öffnungen mit der Kopplung C₁, w₂ Öffnungen mit der Kopplung C₂, W₃ Öffnungen mit der Kopplung C₃, Wj. Öffnungen mit der Kopplung C_k.

Die Funktionen

*5 C₁ = sin O₁,

C₂ = sin (9₂,
Cj. = sin 0_S

wurden benutzt, um die obigen Ausdrücke für E und V anzuschreiben. Die Gleichungen (34) und (35) können nun in der Form
E = cos (W₁ Sm^-1C₁ + W₂ Sm^-1C₂ + W₃ Sm^-1C₃

+ ... Wj-Sm-¹Cj., (36)

^a5 V = sin (W₁ Sm^-1C₁ + W₂ sin^-1C₂ + w₃ Sm^-1C₃

+ ...nt Sm^-1CjJ (37)

geschrieben werden. Wiederum findet ein vollständiger Leistungsübergang zwischen den Leitungen statt, wenn der Ausdruck in der Klammer von Gleichung (37)

gleich

wird, wobei m irgendeine ungerade Zahl

sein kann.

Offenbar sind die Kopplungsfaktoren α und C, die in den obigen Gleichungen für den Leistungsübergang in Vorwärtsübertragungsrichtung verwendet werden, allgemeine Ausdrücke der verteilten bzw. diskreten Kopplung. Aus diesem Grunde gelten die angegebenen Beziehungen für jede Art von System zur Übertragung elektrischer Wellen, die man in der Technik findet. Die Kopplung zwischen den Systemen kann durch irgendwelche Kopplungsmittel, die in jedem dieser Übertragungssysteme verwandt werden, durchgeführt werden.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Richtkopplungsanordnung für hochfrequente elektrische Energie, bei welcher eine abgeschirmte Hauptübertragungsleitung unmittelbar neben einer abgeschirmten Hilfsübertragungsleitung liegt und in der den beiden Leitungen gemeinsamen Wand ein Längsschlitz vorhanden ist, der in der Längsrichtung durch schmale Stege unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umfangskurve des Schlitzes über eine langgestreckte zusammengesetzte Fläche erstreckt, deren in Längsrichtung verlaufenden Teilflächen symmetrisch zur Längssymmetrieachse des Schlitzes liegen und aus einem Rechteckteil und einem daran in Querrichtung anschließendem Erweiterungsteil bestehen, und daß der Rechteckteil und der Erweiterungsteil so bemessen sind, daß die über diese beiden Teilflächen jeweils gekoppelten Rückwärtsströme in einem breiten Band im Betrag annähernd gleich groß, aber entgegengesetzter Phase sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschlitz sich über mehr als eine halbe Wellenlänge der Wellenenergie erstreckt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweiterungsteil des Längsschlitzes aus einem zweiten Rechteckteil besteht, dessen Länge von derjenigen des ersten Rechteckteils verschieden und ebenfalls größer ist als eine halbe Wellenlänge der Wellenenergie.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweiterungsteil des Längsschlitzes aus einem Dreieck besteht, dessen Längsausdehnung mit derjenigen des Rechteckteils übereinstimmt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweiterungsteil des Längsschlitzes aus einem Dreieck besteht, dessen Längsausdehnung von derjenigen des Rechteckteils verschieden ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweiterungsteil des Längsschlitzes aus einer durch eine volle Kosinuskurve begrenzten Fläche besteht.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in der Längsrichtung hintereinanderliegende Schlitze vorgesehen sind.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der durch die Unterteilungsstege getrennten Abschnitte in der Längsrichtung kleiner ist als eine halbe Wellenlänge der Wellenenergie.
9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Hilfsübertragungsleitung aus hohlen rechteckigen Wellenleitern bestehen, die durch eine gemeinsame schmale Wand begrenzt sind, daß die maximale Querabmessung des Schlitzes sich über wenigstens den größeren Teil der Querabmessung der schmalen Leiterwand erstreckt und daß die Abmessung der durch die Unterteilungsstege getrennten Abschnitte in der Längsrichtung gleich oder kleiner als ein Fünftel der Wellenlänge der Wellenenergie ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   USA.-Patentschriften Nr. 2 199 221, 2 531 777;

   CG. Montgomery, »Technique of Microwave Measurements«, 1947, New York, S. 885;

   Proc. of the I.R.E, 1947, Februar, S. 160 bis 165, 1948, S. 61 bis 64; Electrical Engineering, JuIi 1934, S. 1046 bis 1053;

   Journ. of the Inst. of Electric. Eng., 1946, S. 723 bis 736.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   ©ι 909 602/22 %