EP0012978A1 - Über die Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück - Google Patents

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EP0012978A1 EP79105231A EP79105231A EP0012978A1 EP 0012978 A1 EP0012978 A1 EP 0012978A1 EP 79105231 A EP79105231 A EP 79105231A EP 79105231 A EP79105231 A EP 79105231A EP 0012978 A1 EP0012978 A1 EP 0012978A1
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/02—Bends; Corners; Twists
    • H01P1/022—Bends; Corners; Twists in waveguides of polygonal cross-section
    • H01P1/027—Bends; Corners; Twists in waveguides of polygonal cross-section in the H-plane

Definitions

  • the invention relates to a rectangular waveguide angle piece (H-angle piece) bent over the waveguide narrow side with an outer corner symmetrically beveled by a conductive flattening plane.
  • FIG. 1a shows, for an H-shaped elbow with a kink angle of 90 / a few selected dimensions x Ho / a of the corner flattening, how the waviness s of H-shaped elbows runs in a waveguide region.
  • the lowest curve in Figure 1a shows the waviness of such an uncompensated H-contra-angle in relation to its bisecting cross-sectional plane.
  • the disturbing reflection has a capacitive phase in the entire waveguide band due to the broad side of the rectangular waveguide which is expanded in the kink area.
  • An H 201 resonance is thus formed in the kink region below the higher H 20 cut-off frequency of the straight waveguide and is excited via the magnetic H 10 field at the kink.
  • the "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik” shows how to reduce the value x H / a of the corner flattening. is to be increased in order to shift the adjustment point above or below the band center frequency, but this results in an undesirably increasing reflection in the lower or upper part of the waveguide frequency band.
  • the adjustment point in the limit case with a value of the corner flattening of x H / a 0.74 to the H 10 cut-off frequency of the rectangular waveguide.
  • the object of the present invention is therefore to further develop an H-angle piece of the type described at the outset in such a way that a further reduction in the reflection factor is ensured within an entire waveguide band.
  • this object is achieved according to the invention in that the value x H / a of the relative corner flattening is chosen to be greater than 0.73 , where x H is the distance of the flattened edge from the theoretical position of the outer fold edge of the non-beveled angle piece and a is the waveguide broadside, and that capacitively acting means are provided in the waveguide angle piece in the area of the geometric bisector of the fold.
  • the invention is based on the following knowledge. If H-angle pieces with flattened corners x H / a ⁇ 0.73 are compensated much more than before, then inductive residual ripples with low frequency responses are achieved according to Fig. 1a (upper curves), which can be compensated for with broadband by additional very simple measures.
  • FIG. 1 a second curve from above shows how the waviness of such an H-angle piece runs in an entire waveguide band.
  • the measured s values are entirely inductive, i.e. overcompensated, with respect to the bisecting cross-sectional plane of the H-contra-angle, and have a tendency that increases moderately with frequency.
  • This dual compensation results in the entire frequency range from 1,2f KH10 ⁇ f ⁇ f 1.95 KH10 Re flexion factors of less than 1%.
  • the reflection of the twice-compensated H-angle piece according to FIG. 2 is in a whole waveguide band by at least the factor 10 decreased.
  • Such an H-shaped contra-angle handpiece provides inductive values of the ripple s over a whole waveguide band.
  • the metal cylinder suitable for optimal compensation has the shape of a relatively thick screw, the diameter d of which is approximately 31% of the broad side of the waveguide a and the immersion depth s of which is only about 14% of the narrow side of the waveguide b. Because of this small immersion depth of the compensation screw, such an H-angle piece, which is not specifically shown in the drawing, but which in principle corresponds to the arrangement according to FIG. 2, can be loaded with particularly high power.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of a broadband, very low-reflection H-angle piece is shown in FIG. 3.
  • H-angle pieces can be designed over a whole waveguide band by at least a factor of 10 less reflection than with the previous optimal flat flattening alone.

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Abstract

Über die Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück (H-Winkelstück) mit einer durch eine leitende Abflachungsebene (2) symmetrisch abgeschrägten Aussenecke, wobei der Wert XH/a der relativen Eckenabflachung grösser als 0,73 gewählt wird, und im Bereich der geometrischen Winkelhalbierenden W des Knickes kapazitiv wirkende Mittel, beispielsweise in Form von leitenden Stiften (1) und Querstäben (3), angeordnet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein über die.Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück (H-Winkelstück) mit einer durch eine leitende Abflachungsebene symmetrisch abgeschrägten Außenecke.
  • Derartige, aus dem "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" von H. Meinke und F. W. Gundlach, Springer Verlag, 2. Auflage, 1962, aus den Seiten 401 und 402 hervorgehende Winkelstücke finden in diversen Mikrowellenschaltungen mit Rechteck-Hohlleitern Verwendung. Mit abgewinkelten Hohlleitern wird gegenüber vergleichbar reflexionsarmen Kreisbogenkrümmern ein kompakter Aufbau erreicht, insbesondere bei Hohlleiterweichen unterschiedlicher Art, wie z. B. bei Frequenzweichen, Polarisationsweichen, Wellentypenweichen usw. Am häufigsten verwendet sind hierbei Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt bei einem Seitenverhältnis a:b=2:1. Derartige Hohlleiter sind im relativen Frequenzbereich der maximalen Breite fo:fu=2:1 mit der H10-Welle eindeutig nutzbar. Aus dem einleitend genannten "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" geht weiterhin hervor, daß die Reflexion eines H-Winkelstückes dadurch reduziert werden kann, daß nach Fig. 1b die Außenecke eines solchen Winkels symmetrisch abgeflacht wird. Für diese Kompensationsmaßnahme gibt es nach Fig. 1a, in der der Welligkeitsfaktor s von H-Winkelstücken gemäß Fig. 1a mit verschieden starken Eckenabflachungen dargestellt ist, ein auch bereits dem vorgenannten Taschenbuch entnehmbares, optimales Kathetenmaß xHo (Kurve für xHo/a=0,64), mit dem die Reflexion eines H-Winkelstückes in dem üblicherweise genutzten Frequenzbereich eines Rechteck-Hohlleiters von 1,25fkH10 bis 1,9fkH10 unter r=16,7 % bleibt. Nur in Teilfrequenzbändern davon können kleinere Reflexionen erreicht werden; dazu ist das Kathetenmaß entsprechend der Lage des Teilbandes innerhalb des vollen Hohlleiterbereiches gegenüber xHo etwas zu ändern.
  • Im einzelnen zeigt Fig. 1a für ein H-Winkelstück mit einem Knickwinkel von 90 /einige ausgewählte Dimensionierungen xHo/a der Eckenabflachung, wie jeweils die Welligkeit s von H-Winkelstücken in einem Hohlleiterbereich verläuft. Auszugehen ist hierbei von der über ein ganzes Hohlleiterband gemessenen Welligkeit s eines H-Winkelstücks, dessen-Außenecke nach Bild 1b mit xH/a=0 nicht abgeflacht ist. Die unterste Kurve in Bild 1a zeigt die Welligkeit eines solchen nicht kompensierten H-Winkelstücks im Bezug auf seine winkelhalbierende Querschnittsebene. Die störende Reflexion hat wegen der im Knickbereich erweiterten Breitseite des Rechteck- hohlleiters im ganzen Hohlleiterband kapazitive Phase. Da der Rechteckhohlleiter bei fehlender Eckenabflachung eine örtlich unterschiedlich stark erweiterte·Breitseite und eine entsprechend stark abgesenkte H20-Grenzfrequenz (λkH20=a) hat, ergibt sich im oberen Teil des Hohlleiterbandes für die Reflexion ein sehr ausgeprägtes Maximum, dessen Ursache in einer unerwünschten H20-Resonanz im Knickbereich liegt. Es bildet sich also im Knickbereich unterhalb der höheren H20-Grenzfrequenz des geraden Hohlleiters eine H201-Resonanz aus, die über das magnetische H10-Feld am Knick angeregt wird.
  • Aus dem "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" ist es nun bekannt, das H-Winkelstück entsprechend Fig. 1b an seiner äußeren Ecke mit einer leitenden Ebene symmetrisch abzuflachen, wobei die Größe der Abflachung durch das Kathetenmaß xH bestimmt ist. Diese Abflachung wirkt der Breitseitenerweiterung des nicht abgeflachten H-Winkelstücks entgegen, reduziert somit die kapazitive Störung und hebt die innere H20-Resonanz zu höheren Frequenzen.
  • Mit der aus dem "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" hervorgehenden optimalen Eckenabflachung xHo/a = 0,64 wird zwar entsprechend Fig. 1a, zweite Kurve von unten, in der Mitte eines Hohlleiterbandes Anpassung erreicht; jedoch steigt die Welligkeit s an der unteren Bandgrenze bis su=1,4, was einem Reflexionsfaktor von r =16,7 % entspricht und an der oberen Bandgrenze. bis so=1,23, was einem Reflexionsfaktor ro=10,3 % entspricht. Diese in vielen Anwendungsfällen erheblich störende Größe der Reflexion zeigt, daß die Kompensationsmaßnahme derEckenabflachung für sich nicht sehr genau komplementär zu der zu kompensierenden Störung verläuft.
  • Weiterhin geht aus dem "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" hervor, wie der Wert xH/a der Eckenabflachung zu verringernbzw. zu vergrößern ist, um den Anpassungspunkt über oder unter die Bandmittenfrequenz zu verlagern, was jedoch in unerwünschter Weise weiter ansteigender Reflexion im unteren bzw. oberen Teil des Hohlleiterfrequenzbandes zur Folge hat. Nach der mittleren Kurve von Fig. 1a kann der Anpassungspunkt im Grenzfall mit einem Wert der Eckenabflachung von xH/a = 0,74 bis zur H10-Grenzfrequenz des Rechteckhohlleiters hinuntergeschoben werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein H-Winkelstück der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß innerhalb eines gesamten Hohlleiterbandes eine weitere Verringerung des Reflexionsfaktors gewährleistet ist.
  • Ausgehend von einem über die Hohlleiterschmalseite geknickten Rechteckhohlleiter-Winkelstück (H-Winkelstück) mit einer durch eine leitende Abflachungsebene symmetrisch abgeschrägten Außenecke wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wert xH/a der relativen Eckenabflachung größer als 0,73 gewählt ist, wobei xH den Abstand der Abflachungskante von der theoretischen Lage der äußeren Knickkante des nicht abgeschrägten Winkelstücks und a die Hohlleiterbreitseite bedeuten, und daß im Hohlleiter-Winkelstück im Bereich der geometrischen Winkelhalbierenden des Knickes kapazitiv wirkende Mittel vorgesehen sind.
  • Die Erfindung geht von folgender Erkenntnis aus. Werden H-Winkelstücke mit Eckenabflachungen xH/a≥ 0,73 wesentlich stärker kompensiert als bisher, so werden nach Fig. 1a (obere Kurven) induktive Restwelligkeiten mit geringen Frequenzgängen erreicht, die durch-zusätzliche sehr einfache Maßnahmen breitbandig kompensierbar sind.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1a den bereits erläuterten Verlauf des Welligkeitsfaktors s von H-Winkelstücken mit unterschiedlichen Werten xH/a der Eckenabflachung,
    • Fig. 1b ein bereits erläutertes bekanntes H-Winkelstück mit symmetrischer Eckenabflachung,
    • Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen H-Winkelstückes,
    • Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel,
    • Fig. 4 eine Darstellung des Verlaufes des Reflexionsfaktors in Abhängigkeit von der Frequenz für ein erfindungsgemäßes H-Winkelstück nach Fig. 2 und ein nur einfach kompensiertes H-Winkelstück nach Fig. 1b.
  • Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein in der Literatur auch als H-Winkelstück bezeichnetes, über die Hohlleiterschmalseite b geknicktes Hohlleiter-Winkelstück, dessen Knickwinkel α = 90° beträgt und dessen Abflachung durch eine leitende Abflachungsebene 2 mit einem Verhältnis des Kathetenmaßes xH zur Hohlleiterbreitseite a von xH/a = 0,774 gewählt ist. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 1a, zweite Kurve von oben, wie die Welligkeit eines solchen H-Winkelstückes in einem gesamten Hohlleiterband verläuft. Die gemessenen s-Werte sind in Bezug auf die winkelhalbierende Querschnittsebene des H-Winkelstückes durchwegs induktiv, also überkompensiert und weisen eine mit der Frequenz mäßig ansteigende Tendenz auf. Die hierfür breitbandig optimale und eine möglichst geringe Summenreflexion aufweisende Kompensationsmaßnahme besteht in einem in der Darstellung nach Fig. 2 auf der Winkelhalbierenden des Knicks in den Hohlleiterinnenraum hineinragenden und senkrecht zur Hohlleiterbreitseite verlaufenden Metallzylinder 1. Zur optimalen breitbandigen Kompensation hat dieser beispielsweise durch eine einfache Schraube zu realisierende Metallzylinder 1 für den Wert xH/a = 0,774 der relativen Eckenabflachung einen Durchmesser ds von etwa 10 % der Hohlleiterbreitseite a und eine Eintauchtiefe s von etwa 24 % der Hohlleiterschmalseite b. Durch diese zweifache Kompensation ergibt sich im gesamten Frequenzbereich von 1,2fkH10 ≤ f ≤ 1,95 f kH10 Reflexions- faktoren von unter 1 %. Gegenüber der in Fig. 4 gestrichelt eingezeichneten s-Kurve des lediglich mit der optimalen Eckenabflachung xH/a = 0,64 kompensierten H-Winkelstücks ist die Reflexion des zweifach kompensierten H-Winkelstücks nach Fig. 2 in einem ganzen Hohlleiterband um mindestens den Faktor 10 verringert.
  • Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß die induktive Welligkeit des H-Winkelstücks der Bemessung xH/a = 0,774 und die kapazitive Welligkeit der relativ dünnen Schrau- . be 1 breitbandig sehr gut zueinander komplementär verlaufen und zwar mit Berücksichtigung der Feldverzerrung im H-Winkelstück. Nur bei unmittelbarer Annäherung an die H 10-Grenzfrequenz für f ≤ 1,2fkH10 steigt die Reflexion des nach Fig. 2 kompensierten H-Winkelstücks stark an, da der kapazitive Leitwert einer Kompensationsschraube entsprechend Abb. 6.5 auf Seite 412 des "Taschenbuchs der Hochfrequenztechnik" nicht weiter abfällt, sondern ansteigt. Dagegen nehmen nach Fig. 1a die induktiven s-Werte des H-Winkelstücks mit dem Wert xH/a = 0,774 auch in diesem Frequenzbereich (f = 1,2fkH10) fast linear mit sinkender Frequenz ab, so daß die Frequenzgänge der beiden Kompensationsmaßnahmen erst hier stärker auseinanderlaufen.
  • Das erfindungsgemäße H-Winkelstück nach Fig. 2 hat den Vorteil, daß es bis zur 1,95fachen H10-Grenzfrequenz des geraden Hohlleiters sehr reflexionsarm bleibt. Dies erklärt sich daraus, daß die "innere" H20-Resonanz durch die stärkere Eckenabflachung xH/a = 0,774 zu noch höheren Frequenzen angehoben wird als bei dem lediglich mit der relativen Abflachung xH/a = 0,64 versehenen H-Winkelstück, bei dem sich nach Fig. 1a die H20-Resonanz schon ab 1,90fkH10 auszuwirken beginnt.
  • Grundlage eines zweiten breitbandig sehr reflexionsarmen H-Winkelstückes ist die in Fig. 1a ganz oben gezeichnete s-Kurve eines H-Winkelstückes mit der relativen Eckenabflachung xH/a = 0,802. Ein derartig bemessenes H-Winkelstück liefert bereits für sich über ein ganzes Hohlleiterband nahezu frequenzunabhängige, induktive Werte der Welligkeit s. Der zur optimalen Kompensation geeignete Metallzylinder hat in diesem Fall die Form einer relativ dicken Schraube, deren Durchmesser d etwa 31 % der Hohlleiterbreitseite a beträgt und dessen Eintauchtiefe s mit lediglich etwa 14 % der Hohlleiterschmalseite b bemessen ist. Wegen dieser geringen Eintauchtiefe der Kompensationsschraube ist ein solches, in der Zeichnung nicht eigens dargestelltes, jedoch prinzipiell mit der Anordnung nach Fig. 2 übereinstimmendes H-Winkelstück mit besonders hoher Leistung belastbar.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines breitbandig sehr reflexionsarmen H-Winkelstücks ist in Fig. 3 dargestellt. Das mit der relativen Eckenabflachung xH/a = 0,74 vorkompensierte H-Winkelstück ist durch einen in der geometrischen Winkelhalbierenden w des Knicks zwischen der Abflachungsebene 2 und der inneren Knickkante K verlaufenden leitenden Querstab 3 kompensiert, dessen Durchmesser dQ etwa zu einem Viertel der Hohlleiterbreitseite b gewählt ist.
  • Fig. 4 zeigt eine Meßkurve des Reflexionsfaktors eines Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 im Vergleich mit einer gestrichelt angegebenen Meßkurve des Reflexionsfaktors eines mit der Eckenabflachung xH/a = 0,64 versehenen, nur einfach kompensierten H-Winkelstücks. Durch die Zusatzkompensation können, wie aus der Meßkurve hervorgeht, derartige H-Winkelstücke über ein ganzes Hohlleiterband wenigstens um den Faktor 10 reflexionsärmer gestaltet werden als mit der bisherigen optimalen Eckenabflachung alleine.

Claims (6)

1. Über die Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück (H-Winkelstück) mit einer durch eine leitende Abflachungsebene symmetrisch abgeschrägten Außenecke, dadurch gekennzeichnet , daß der Wert xH/a der relativen Eckenabflachung größer als 0,73 gewählt ist, wobei xH den Abstand der Abflachungskante (k) von der theoretischen Lage der äußeren Knickkante des nicht abgeschrägten Winkelstücks und a die Hohlleiterbreitseite bedeuten, und daß im Hohlleiter-Winkelstück im Bereich der geometrischen Winkelhalbierenden (w) des Knickes kapazitiv wirkende Mittel(1,3)vorgesehen sind.
2. Über die Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als kapazitiv wirkendes Mittel ein senkrecht zur Hohlleiterbreitseite verlaufender Metallzylinder (1) vorgesehen ist.
3. Über die Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als kapazitiv wirkendes Mittel ein zwischen"der Abflachungsebene (2) und der inneren Knickkante (K) verlaufender leitender Querstab (3) vorgesehen ist.
4. Über die Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Wert xH/a der relativen Eckenabflachung von wenigstens annähernd 0,774 gewählt ist, und daß der Metallzylinder (1) einen Durchmesser d von etwa zehn Prozent der Hohlleiterbreitseite a und eine Eintauchtiefe s von etwa vierundzwanzig Prozent der Hohlleiterschmalseite b aufweist.
3. Über die Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Wert xH/a der relativen Eckenabflachung von wenigstens annähernd 0,802 gewählt ist, und daß der Metallzylinder (1) einen Durchmesser ds von etwa 31 Prozent der Hohlleiterbreitseite a und eine Eintauchtiefe s von etwa 14 Prozent der Hohlleiterschmalseite b aufweist.
6. Über die Hohlleiterschmalseite geknicktes Rechteckhohlleiter-Winkelstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Wert xH/a der relativen Eckenabflachung von wenigstens annähernd 0,740 gewählt ist, und daß der Durchmesser dQ des leitenden Querstabes (3) mit etwa einem Viertel der Hohlleiterschmalseite b bemessen ist.
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