EP0593500A1 - Abstimmbares anpassungsnetzwerk. - Google Patents

Abstimmbares anpassungsnetzwerk.

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EP0593500A1
EP0593500A1 EP92910707A EP92910707A EP0593500A1 EP 0593500 A1 EP0593500 A1 EP 0593500A1 EP 92910707 A EP92910707 A EP 92910707A EP 92910707 A EP92910707 A EP 92910707A EP 0593500 A1 EP0593500 A1 EP 0593500A1
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line
lines
ferrite
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microwave
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ANT Nachrichtentechnik GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/04—Coupling devices of the waveguide type with variable factor of coupling

Definitions

  • the present invention relates to a tunable matching network that can be coupled to a microwave line.
  • a tunable adaptation network is e.g. for a microwave line that couples high energy microwave energy into the plasma combustion chamber of a fusion reactor. Since the plasma combustion chamber represents a constantly changing load resistance for the microwave line and thus the generator generating the microwave energy is not damaged by reflections resulting from mismatching, the load resistance occurring in each case is to be transformed to the line wave resistance.
  • two tunable capacitances which are separated from one another by an exactly dimensioned transformation line length are coupled to the microwave line for this purpose.
  • the capacities are coordinated by a mechanically complex pneumatic device.
  • this arrangement is likely to be too sluggish in order to be able to carry out an adaptation with as little delay as possible.
  • a tunable matching network can be used not only for the described application, but whenever a changing load resistor is connected to a microwave line.
  • the invention is based on the object
  • the matching network can be tuned electrically without mechanically movable parts means that impedance matching with little delay is rapidly changing. Load resistance of a microwave line guaranteed.
  • Another advantage of the arrangement is that no transformation line is required between the two variable reactances of the matching network mentioned in the input.
  • Figure 1 shows an adaptation network in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of the
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of this adaptation network. 1 shows a longitudinal section and FIG. 2 shows a perspective representation of a tunable adaptation network which is coupled to a microwave line L.
  • the microwave line L is a coaxial line with the inner conductor L1.
  • the microwave line L is fed at one input by a generator G and is terminated at its opposite output with a changing load resistor ZL.
  • the T equivalent circuit diagram with the impedances ZI and Z2 inserted into the microwave line L stands for the matching network, which serves to transform the respective load resistance ZL to the line impedance.
  • the matching network has a first line L1 and a second line L2, each of which has one end in contact with the interrupted inner conductor L1 of the coaxial microwave line L.
  • the two lines L1 and L2 are connected to one another at the opposite end.
  • a third line L3 branches off from this connection point.
  • the lines L1, L2 and L3 are designed as strip conductors.
  • the outer conductor to the strip conductors L1, L2 and L3 is formed by the housing GS indicated by hatching, which is connected to the outer conductor of the coaxial microwave line L.
  • the plate-shaped inner conductors of the two strip lines L1 and L2 are covered on their mutually adjacent sides with ferrite layers F1 and F2.
  • the plate-shaped inner conductor is covered on both sides with ferrite layers F31 and F32. Instead of the ferrite layers Fl, F2, F31, F32 on the
  • the outer conductor GS of the three lines can also be coated with ferrite.
  • the lines L1, L2 and L3 are realized as coaxial lines.
  • the arrows drawn in FIG. 1 outside the adaptation network indicate that the two lines L1 and L2 are exposed to a magnetic field Ml and separately the third line L3 to a magnetic field M2.
  • Magnetic fields Ml and M2 can be changed independently of one another. With the magnetic field M1 acting on the ferrite-loaded lines L1 and L2, the electrical length of these two lines L1 and L2 can be varied. Regardless of this, the electrical length of the third line L3 can be varied by means of the changeable magnetic field M2 which acts on the ferrites F31 and F32.
  • the described arrangement of the lines L1, L2 and L3 actually represents two different line systems.
  • the one line system consisting of the first line L1 and the second line L2, together with the housing GS form a shielded two-wire line on which two wave modes exist Common mode and a push mode.
  • Push-pull mode is when the currents flowing in lines Ll and L2 are equal and opposite directions
  • common mode is when the currents flowing in lines Ll and L2 are equal and equally directed.
  • the second line system consisting of the line L3 and the housing GS, only the common mode can be propagated.
  • the ferrite material on lines L1 ' and L2 is arranged between the lines (see FIG. 1) and is therefore only effective for push-pull mode.
  • the push-pull impedance Zg of the lines L1, L2 is matched by the magnetic field Ml and the common-mode impedance Zs of the line L3 by the magnetic field M2.
  • the adaptation network In the event that the adaptation network is operated at very high powers, it is expedient to cool the lines L1, L2 and L3.
  • the heat loss generated in the ferrites F1, F2, F31 and F32 can be very effective and simple with the aid of cooling channels which run through the inner conductor and / or the outer conductor of the lines L1, L2 and L3 designed as strip lines or as coaxial lines.
  • a cooling channel designated by K is indicated in FIG.
  • the changeable magnet elder Ml and M2 are generated by controllable electromagnets.
  • permanent magnets can also be provided, which generate a static magnetic field of such strength that the ferrites are operated above their gyromagnetic resonance, where they have the lowest losses.
  • the use of permanent magnets and electromagnets has the advantage that only small currents are required to tune the ferrite-loaded lines, since thanks to the permanent magnets only part of the required Magnetization must be applied by the electromagnet. It is also advantageous that if the control current for the electromagnets fails, the power loss in the ferrites does not increase very much because the permanent magnets always keep the magnetization of the ferrites above the gyromagnetic resonance.

Description

Beschreibung
Abstimmbares Anpassungsnetzwerk
Die vorliegende Erfindung betrifft ein abstimmbares Anpassungsnetzwerk, das an eine Mikrowellenleitung ankoppelbar ist.
Wie aus einem Vortrag von F. Durodie, New Antenna I pedance Evaluation and Matching Tools for •TEXTOR's ICRH System, auf dem 16th Symposium on Fusion Technology (SOFT), London, 3 - 7 Sept. 1990 hervorgeht, wird ein abstimmbares Anpassungsnetzwerk z.B. für eine Mikrowellenleitung benötigt, die in die Plasma-Brennkammer eines Fusionsreaktors Mikrowellenenergie hoher Leistung einkoppelt. Da die Plasma- Brennkammer einen ständig sich ändernden Lastwiderstand für die Mikrowellenleitung darstellt und damit der die Mikrowellenenergie erzeugende Generator nicht durch aufgrund von Fehlanpassung entstehenden Reflexionen beschädigt wird, ist der jeweils auftretende Lastwiderstand auf den Leitungswellenwiderstand zu transformieren. Gemäß der genannten Veröffentlichung werden zu diesem Zweck zwei durch eine exakt zu bemessende Transformationsleitungslänge voneinander getrennte, abstimmbare Kapazitäten an die Mikrowellenleitung angekoppelt. Die Abstimmung der Kapazitäten erfolgt durch eine mechanisch aufwendige pneumatische Vorrichtung. Da sich der Lastwiderstand aber -sehr schnell ändern kann, dürfte diese Anordnung zu träge sein, um eine möglichst verzögerungsarme Anpassung bewerkstelligen zu können.
Ersatz Nicht nur für den geschilderten Einsatzfall, sondern immer dann, wenn an eine Mikrowellenleitung ein sich ändernder Lastwiderstand angeschaltet ist, kann ein abstimmbares Anpassungsnetzwerk verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Anpassungsnetzwerk anzugeben, das mit geringem Aufwand schnell auf eine gewünschte Impedanz abgestimmt werden kann.
Erfϊndungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Dadurch, daß das Anpassungsnetzwerk elektrisch, ohne mechanisch bewegbare Teile abgestimmt werden kann, ist eine verzögerungsarme Impedanzanpassung bei sich rasch änderndem. Lastwiderstand einer Mikrowellenleitung gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist, daß zwischen den beiden variablen Reaktanzen des im Eingang genannten Anpassungsnetzwerkes keine Transformationsleitung erforderlich ist.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Anpassungsnetzwerk im Längsschnitt und
Figur 2 eine perspektivische Darstellung dessen,
Figur 3 ein Ersatzschaltbild dieses Anpassungsnetzwerks. Der Figur 1 ist ein Längsschnitt und der Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines abstimmbaren Anpassungsnetzwerkes zu entnehmen, das an eine Mikrowellenleitung L angekoppelt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Mikrowellenleitung L eine Koaxialleitung mit dem Innenleiter Ll. Wie bereits einleitend dargelegt und durch das Ersatzschaltbild in Figur 3 verdeutlicht, wird die Mikrowellenleitung L an einem Eingang von einem Generator G gespeist und ist an seinem gegenüberliegenden Ausgang mit einem sich ändernden Lastwiderstand ZL abgeschlossen. Das in die Mikrowellenleitung L eingefügte T-Ersatzschaltbild mit den Impedanzen ZI und Z2 steht für das Anpassungsnetzwerk, welches dazu dient, den jeweiligen Lastwiderstand ZL auf den Leitungswellenwiderstand zu transformieren.
Das Anpassungsnetzwerk besitzt eine erste Leitung Ll und eine zweite Leitung L2, von denen jede mit einem Ende mit dem unterbrochenen Innenleiter Ll der koaxialen Mikrowellenleitung L kontaktiert ist. Am gegenüberliegenden Ende sind die beiden Leitungen Ll und L2 miteinander verbunden. Von diesem Verbindungspunkt zweigt eine dritte Leitung L3 ab. Bei dem in den Figuren 1 uhd 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Leitungen Ll, L2 und L3 als Streifenleiter ausgeführt. Den Außenleiter zu den Streifenleitern Ll, L2 und L3 bildet das durch Schraffur angedeutete Gehäuse GS, das mit dem Außenleiter der koaxialen Mikrowellenleitung L verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführung sind die plattenförmigen Innenleiter der beiden Streifenleitungen Ll und L2 auf den einander benachbarten Seiten mit Ferritschichten Fl und F2 belegt. Bei der dritten Leitung L3 ist der plattenförmige Innenleiter beidseitig mit Ferritschichten F31 und F32 belegt. Anstatt die Ferritschichten Fl, F2, F31, F32 auf den
ERSATZBLATT Innenleitern anzubringen, kann auch der Außenleiter GS der drei Leitungen mit Ferrit beschichtet werden. Das gleiche gilt auch, wenn die Leitungen Ll, L2 und L3 als Koaxialleitungen realisiert sind. Die in Figur 1 eingezeichneten Pfeile außerhalb des Anpassungsnetzwerkes deuten an, daß die beiden Leitungen Ll und L2 einem Magnetfeld Ml und getrennt davon die dritte Leitung L3 einem Magnetfeld M2 ausgesetzt ist. Es handelt sich um unabhängig voneinander veränderbare Magnetfelder Ml und M2. Mit dem auf die ferritbelasteten Leitungen Ll und L2 einwirkenden Magnetfeld Ml läßt sich die elektrische Länge dieser beiden Leitungen Ll und L2 variieren. Unabhängig davon läßt sich die elektrische Länge der dritten Leitung L3 durch das veränderbare,auf die Ferrite F31 und F32 einwirkende Magnetfeld M2 variieren.
Die beschriebene Anordnung der Leitungen Ll, L2 und L3 stellt eigentlich zwei verschiedene Leitungssysteme dar. Das eine Leitungssystem, bestehend aus der ersten Leitung Ll und der zweiten Leitung L2, bilden zusammen mit dem Gehäuse GS eine geschirmte Zweidrahtleitung, auf der zwei Wellenmoden existieren, ein Gleichtaktmode und ein Gegentaktmode. Gegentaktmode liegt vor, wenn die in den Leitungen Ll und L2 fließenden Ströme gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, und Gleichtaktmode liegt vor, wenn die in den Leitungen Ll und L2 fließenden Ströme gleich groß und gleich gerichtet sind.
Im zweiten Leitungssystem, bestehend aus der Leitung L3 und dem Gehäuse GS, ist nur der Gleichtaktmode ausbreitungsfähig. Das Ferritmaterial auf den Leitungen Ll 'und L2 ist zwischen den Leitugen angeordnet (s. Fig. 1) und somit nur für den Gegentaktmode wirksam. Durch das Magnetfeld Ml wird die Gegentaktimpedanz Zg der Leitungen Ll, L2 abgestimmt und durch das Magnetfeld M2 die Gleichtaktimpedanz Zs der Leitung L3.
ERSATZBLATT Die im Ersatzschaltbild (siehe Figur 3) des Anpassungsnetzwerkes angegebenen Impedanzen ZI und Z2 haben dann folgende Beziehung zur Gleichtaktimpedanz Zs und zur Gegentaktimpedanz Z„
ZI = Zr
- Z-
Z2 =
Für den Fall, daß das Anpassungsnetzwerk mit sehr hohen Leistungen betrieben wird, ist es zweckmäßig die Leitungen Ll, L2 und L3 zu kühlen. Die in den Ferriten Fl, F2, F31 und F32 entstehende Verlustwärme kann sehr wirkungsvoll und auf einfache Weise mit Hilfe von Kühlkanälen, welche den Innenleiter und/oder den Außenleiter der als Streifenleitungen oder als Koaxialleitungen ausgeführten Leitungen Ll, L2 und L3 durchziehen. In der Figur 1 ist ein mit K bezeichneter Kühlkanal angedeutet.
Die veränderbaren Magnet elder Ml und M2 werden von steuerbaren Elektromagneten erzeugt. Es können aber auch zusätzlich Permanentmagneten vorgesehen werden, die ein statisches Magnetfeld von solcher Stärke erzeugen, daß die Ferrite oberhalb ihrer gyromagnetischen Resonanz betrieben werden, wo sie die geringsten Verluste aufweisen. Die Verwendung von Permanentmagneten und Elektromagneten bringt den Vorteil, daß zur Abstimmung der ferritbelasteten Leitungen nur kleine Ströme erforderlich sind, da dank der Permanentmagneten nur ein Teil der erforderlichen Magnetisierung von den Elektromagneten aufgebracht werden muß. Vorteilhaft ist auch, daß bei einem evtl. Ausfall des Steuerstroms für die Elektromagneten die Verlustleistung in den Ferriten nicht sehr stark ansteigt, weil die Permanentmagneten die Magnetisierung der Ferrite immer oberhalb der gyromagnetischen Resonanz halten.

Claims

Patentansprüche
1. Abstimmbares Anpassungsnetzwerk, das an eine Mikrowellenleitung ankoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß es eine erste und eine zweite Leitung (Ll, L2), die beide an einem Ende miteinander verbunden sind und deren jeweils anderes Ende für die Ankopplung an die Mikrowellenleitung (L) dient, und eine dritte Leitung (3.) aufweist, die vom Verbindungspunkt der beiden anderen Leitungen (Ll, L2) abzweigt, daß die erste und/oder die zweite Leitung (Ll, L2) und die dritte Leitung (L3) mit Ferrit (Fl, F2, F31, F32) belastet sind und daß das Ferrit (Fl, F2) der ersten und/oder zweiten Leitung /Ll, L2) und das Ferrit (F31, F32) der dritten Leitung (L3) separaten unabhängig voneinander veränderbaren Magnetfeldern (Ml, M2) ausgesetzt sind.
2. Abstimmbares Anpassungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Leitungen (Ll, L2, L3) Koaxialleiter sind, deren
Innenleiter und/oder Außenleiter zumindest teilweise mit
Ferrit beschichtet sind.
3. Abstimmbares Anpassungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Leitungen (Ll, L2, L3) Streifenleiter sind, deren Innenleiter und/oder Außenleiter zumindest teilweise mit Ferrit (Fl, F2, F31, F32) beschichtet sind.
ERSATZBLATT
EP92910707A 1991-07-05 1992-05-23 Abstimmbares anpassungsnetzwerk Expired - Lifetime EP0593500B1 (de)

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JP (1) JPH07500225A (de)
CA (1) CA2112819A1 (de)
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