EP1006604A2 - Mikrowellen-Koaxialleitung für gekühlte Mikrowellensysteme - Google Patents

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EP1006604A2
EP1006604A2 EP99115212A EP99115212A EP1006604A2 EP 1006604 A2 EP1006604 A2 EP 1006604A2 EP 99115212 A EP99115212 A EP 99115212A EP 99115212 A EP99115212 A EP 99115212A EP 1006604 A2 EP1006604 A2 EP 1006604A2
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EP
European Patent Office
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coaxial line
microwave
inner conductor
outer conductor
line according
Prior art date
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Withdrawn
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EP99115212A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1006604A3 (de
Inventor
Bernd Mayer
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Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of EP1006604A3 publication Critical patent/EP1006604A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/06—Coaxial lines

Definitions

  • the invention relates to a microwave coaxial line for cooled microwave systems, for example for space applications.
  • Microwave systems significantly improve or the weight with the same electromagnetic Reduce properties significantly.
  • microwave systems for space applications known to use high temperature superconductors, which, for example, using liquid nitrogen must be cooled to below 90 ° K. Since the Temperature of a satellite platform in general between -35 ° C and + 85 ° C and therefore essential higher, it is necessary to use the refrigerated area the microwave system via suitable microwave lines with the uncooled satellite platform connect to.
  • An essential point of view is that the smallest possible proportion of heat over the microwave lines from the platform transported to the area of the cooled system becomes. The greater the heat conduction over the Cables, the bigger and harder it has to be Cooling system can be designed, weight for Space applications the main cost factor is.
  • the microwave lines must have a have the greatest possible thermal resistance. Is to it is known to have lines of thin-walled, bad sufficient heat-conducting material or lines Length to use. In both cases this has the Disadvantage that the attenuation of the microwave signals increases rapidly. The greater the performance of over Lines to be transported microwaves, the more these losses make the lines stronger heated up, which additional heat also through the cooling system must be drained.
  • the best known Solution is using coaxial lines strongly thinned outer conductor to use and Silver-plated outer conductor as well as the inner conductor to silver. In an extreme case, the conductor remains only a thin layer of silver left. In this However, extreme case is for reasons of stability a dielectric is necessary.
  • the thermally effective length of the Inner conductor and / or outer conductor while maintaining the electrically effective length is increased and the thermally effective cross section of the inner conductor while maintaining the electrically effective cross-section downsized.
  • the coaxial line allows a minimal attenuation of the microwaves at the same time Maximizing thermal resistance. The caused by the microwave coaxial line Heat losses are therefore minimized, resulting in a smaller and lighter cooling unit used can be. This reduces transportation costs into space significantly.
  • the outer conductor and / or inner conductor an extension line consisting of at least one pair of nested short-circuited waveguide at one end to be appropriate.
  • The is preferably Length of the waveguide from the branch on the inner conductor or outer conductor of the coaxial line approximately an integer to the short end A multiple of the nominal wavelength ⁇ of the coaxial line.
  • the extension line has a further waveguide connected to the pair of waveguides, which branches off from the inner conductor (1) or outer conductor (2) at an end opposite the branch of the first waveguide (5-1), wherein the inner conductor (1) or outer conductor (2) is connected to the cooled side of the coaxial line in the area of the extension line.
  • this inner or outer conductor is essentially for the microwave signal Because of the better conductivity of the material at a lower temperature, the advantage of this exemplary embodiment is that the microwave signal is guided over the entire length of the extension line through an inner conductor or outer conductor which is at a low temperature, and the line losses are therefore minimized.
  • the microwave coaxial line can have two extension lines one behind the other in the axial direction have a different length can.
  • the advantage is that the thermal effective length is further increased and by the different lengths a wider range allows the transmission characteristic of the coaxial line becomes.
  • extension line waveguide of the coaxial line also one in the direction of propagation changing distance from each other.
  • the inner conductor can be solid and reduce of the thermally effective inner cross section have an axial recess, the length of which is approximately an integer multiple of half the nominal wavelength corresponds to the coaxial line.
  • This The recess does not lead to any significant impairment the transmission characteristic of the microwaves near the nominal wavelength.
  • resistance increases, for example with a halving of the effective diameter to four times. Even with this measure therefore an increase in thermal resistance can be achieved while maintaining a low electrical Achieve wave resistance.
  • Another one Reduction of the internal thermal cross section can achieve the axial recess at least be folded over once.
  • microwave coaxial line In the microwave coaxial line according to the invention are inner conductors and outer conductors preferably in one piece or through Soldering the individual parts. This gives the coaxial line great stability, which especially because of space applications the large one occurring there during the starting process Accelerating forces are required.
  • Inner conductor and / or outer conductor preferably with provided with a silver coating.
  • microwave coaxial line according to the invention Another advantage of the microwave coaxial line according to the invention is that this is complete is enclosed in metal and so none Electromagnetic compatibility problems (EMC) are to be expected.
  • EMC Electromagnetic compatibility problems
  • FIG. 1 schematically shows an application example the microwave coaxial line according to the invention.
  • a cooled microwave system 11 housed that only schematically by a dashed line Line is shown. It can is a microwave system with high-temperature superconductor components act.
  • the cooled microwave system 11 is about a not shown Cooling unit at a constant low temperature kept in case of using liquid Nitrogen as a coolant to 77K.
  • Microwave lines are to be made available 10 required. These are said to be one lowest possible microwave attenuation and at the same time have maximum thermal resistance, so that the power requirement of the cooling unit is minimized is.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of the microwave coaxial line according to the invention is shown in FIG.
  • an inner conductor 1 and an outer conductor 2 are arranged in a manner known per se.
  • One of the two connection sockets for example the connection socket 3 on the right side, is connected to the cooled microwave system, while the other connection socket is connected to the warm "satellite platform.
  • the microwave coaxial line 10 according to the invention has an extension line 5 consisting of a pair of nested waveguides short-circuited at a short-circuit end 7.
  • outer conductor 2 and the waveguide 5-1 and 5-2 are only represented by a simple black line, so heat conduction takes place from the warmer "left side over the branch 6 along the outer waveguide 5-1 to the short-circuit end 7 over the inner waveguide 5-2 back to the branch 6 and along the outer conductor 2 to the cold connection socket 3.
  • the length of the extension line 5 from the branch 6 to the short-circuit end 7 corresponds approximately to half the nominal wavelength ⁇ of the coaxial line or an integral multiple thereof If 10 microwaves in the range of the nominal wavelength are passed through the microwave coaxial line, a standing wave with wave nodes at the junction 6 results in the extension line 5 and at the short-circuit end 7.
  • the short circuit is transformed to the junction 6 on the outer conductor 2 of the coaxial line 2.
  • the electrical microwave wave resistance is therefore only insignificantly affected by the extension line 5.
  • the insertion loss T-1 gives way to the scale shown over the entire frequency range of 3 GHz up to 5 GHz not noticeably from the ideal value of 0dB (bold solid line at the top of the diagram).
  • D (f) on the Microwave coaxial line can therefore be recognized pronounced minimum at a frequency of approximately 3.9 GHz. The minimum is reached when the nominal wavelength of the microwave just that Double the length of the extension section 5 corresponds. It can be seen that with the invention Coaxial line in the nominal frequency range very low microwave attenuation and caused Heating outputs are achievable.
  • FIG 3 shows a further embodiment of the Microwave coaxial line according to the invention.
  • the extension cord is folded over once, as well as in the embodiment shown in Figure 4. In the latter, however, not only points the outer conductor 2, but also the inner conductor 1, which is designed as a waveguide, such Extension cord 5 on.
  • Figure 5 shows another preferred embodiment the microwave coaxial line according to the invention.
  • On the outer conductor 2 are two extension lines 5 arranged in a row. This ensures that the heat conduction over the outer conductor 2 is further reduced. It is then also possible, the two extension lines 5 different lengths. Thereby achieved one increases the transmission bandwidth becomes.
  • the adaptation damping then has no more the narrow minimum as shown in FIG. 9, but a wider frequency range by attenuation below an acceptable value such as -30 dB.
  • Microwave coaxial line can thereby be realized be that the distance between the two waveguides 5-1.5-2 of the extension line 5 is inhomogeneous, as shown in Figure 11. Even the outer conductor 2 can have a variable diameter.
  • FIG. 6 Another embodiment of the invention is shown in Figure 6, which is particularly for very small dimensioned coaxial lines.
  • the inner conductor 1 is solid and with a circumferential axial recess 8, the length of which in turn is half the nominal wavelength ⁇ of the coaxial line or an integer Is a multiple of this.
  • the recess 8 in turn causes no significant impairment the waveguide because the short circuit at the end of the short-circuited line in turn to the connection point is transformed to the inner conductor.
  • the thermal resistance increases with halving of the diameter, however, four times. How is shown in Figure 6, the recess 8th in the inner conductor with an extension cable 5 in Combine outer conductor.
  • FIGS. 8 and 10 Another preferred exemplary embodiment of the microwave coaxial line according to the invention is shown in FIGS. 8 and 10.
  • the extension line 5 has at the short-circuit end 7 short-circuited first and second waveguides 5-1 and 5-2 and a further waveguide 5-3 connected to it.
  • This forms a temperature gradient on the outer three waveguides 5-1.5-2 and 5-3, while on innermost "outer conductor 2, no heat flow occurs.
  • This is connected to the cooled side and is therefore at the cold temperature corresponding to the right-hand connection socket 3. Because of the better conductivity of the material of the outer conductor at low temperatures, this exemplary embodiment has the advantage of less attenuation of the microwave signal, since this is guided over its entire length by an outer conductor 2 which is at a low temperature.
  • Inner conductors are used to ensure high stability 1 and outer conductor 2 preferably each made from one piece or by soldering their respective items formed.
  • the electrical properties are inner conductors and outer conductor preferably with a silver coating Mistake.
  • the microwave coaxial line according to the invention enables such a minimal microwave attenuation a simultaneous maximum thermal resistance.
  • the microwave coaxial line according to the invention enables such a minimal microwave attenuation a simultaneous maximum thermal resistance.
  • the performance and thus the weight of the Cooling unit can be significantly reduced.

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  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)

Abstract

Bei einer Mikrowellen-Koaxialleitung für gekühlte Mikrowellensysteme mit einem Innenleiter (1) und einem Außenleiter (2) ist zur Verringerung der thermischen Leitfähigkeit der Koaxialleitung die thermisch wirksame Länge des Innenleiters (1) und/oder des Außenleiters (2) unter Beibehaltung der elektrisch wirksamen Länge vergrößert und/oder der thermisch wirksame Querschnitt des Innenleiters (1) unter Beibehaltung des elektrisch wirksamen Querschnitts verkleinert. Die Koaxialleitung weist eine minimale Dämpfung bei gleichzeitig maximalem Wärmewiderstand auf. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Koaxialleitung für gekühlte Mikrowellensysteme beispielsweise für Raumfahrtanwendungen.
Stand der Technik
Durch Kühlung lassen sich die Eigenschaften von Mikrowellensystemen wesentlich verbessern beziehungsweise das Gewicht bei gleichen elektromagnetischen Eigenschaften wesentlich reduzieren. Bei Mikrowellensystemen für Raumfahrtanwendungen ist es bekannt, Hochtemperatursupraleiter einzusetzen, welche beispielsweise mittels flüssigen Stickstoffs auf unter 90° K abgekühlt werden müssen. Da die Temperatur einer Satellitenplattform im allgemeinen zwischen -35° C und +85° C und damit wesentlich höher liegt, ist es notwendig, den gekühlten Bereich des Mikrowellensystems über geeignete Mikrowellenleitungen mit der ungekühlten Satellitenplattform zu verbinden. Ein wesentlicher Gesichtspunkt dabei ist, daß ein möglichst kleiner Wärmeanteil über die Mikrowellenleitungen von der Plattform in den Bereich des gekühlten Systems transportiert wird. Je größer die Wärmeleitung über die Leitungen ist, desto größer und schwerer muß das Kühlsystem ausgelegt werden, wobei Gewicht für Weltraumanwendungen der wesentliche Kostenfaktor ist.
Daher müssen die Mikrowellenleitungen über einen möglichst großen Wärmewiderstand verfügen. Dazu ist es bekannt, Leitungen aus dünnwandigem, schlecht wärmeleitendem Material oder Leitungen genügender Länge zu verwenden. In beiden Fällen hat dies den Nachteil, daß die Dämpfung der Mikrowellensignale stark zunimmt. Je größer die Leistung der über die Leitungen zu transportierenden Mikrowellen ist, desto stärker werden die Leitungen durch diese Verluste aufgeheizt, welche zusätzliche Wärme auch durch das Kühlsystem abgeführt werden muß. Die beste bekannte Lösung besteht darin, Koaxialleitungen mit stark abgedünntem Außenleiter zu verwenden und den Außenleiter innen zu versilbern sowie den Innenleiter zu versilbern. Im Extremfall bleibt vom Außenleiter nur eine dünne Silberschicht übrig. In diesem Extremfall ist jedoch aus Stabilitätsgründen ein Dielektrikum notwendig. Für Mikrowellensysteme mit Leistungen von wenigen Watt sind diese Leitungen brauchbar, da sie dann entsprechend lang ausgeführt werden können und einen hohen Wärmewiderstand aufweisen. Bei geringen Mikrowellenleistungen kann die durch die relativ große Dämpfung erzeugte Heizleistung in der Leitung von einigen mW toleriert werden. Bei größeren Leistungen, ab etwa 10 Watt, wird die Aufheizung der langen Leitungen jedoch unerwünscht groß. Bei verkürzten Leitungen ist andererseits der Wärmewiderstand zu klein. In jedem Fall muß ein schweres Kühlsystem mit großer Kühlleistung verwendet werden.
Die durch die Kühlung des Mikrowellensystems erzielten Vorteile werden bei höheren Leistungen daher mit einem größeren und schwereren Kühlaggregat erkauft, was gekühlte Hochleistungs-Mikrowellensysteme für die Raumfahrttechnik wirtschaftlich uninteressant macht.
Vorteile der Erfindung
Bei der durch Anspruch 1 definierten Mikrowellen-Koaxialleitung für gekühlte Mikrowellensysteme ist zur Verringerung der thermischen Leitfähigkeit der einen Innenleiter und einen Außenleiter aufweisenden Koaxialleitung die thermisch wirksame Länge des Innenleiters und/oder Außenleiters unter Beibehaltung der elektrisch wirksamen Länge vergrößert und der thermisch wirksame Querschnitt des Innenleiters unter Beibehaltung des elektrisch wirksamen Querschnitts verkleinert. Die Koaxialleitung erlaubt eine minimale Dämpfung der Mikrowellen bei gleichzeitiger Maximierung des Wärmewiderstandes. Die durch die Mikrowellen-Koaxialleitung verursachten Wärmeverluste sind daher minimiert, wodurch ein kleineres und leichteres Kühlaggregat eingesetzt werden kann. Dadurch verringern sich die Transportkosten in den Weltraum erheblich.
Bei der Mikrowellen-Koaxialleitung kann am Außenleiter und/oder Innenleiter eine Verlängerungsleitung bestehend aus wenigstens einem Paar ineinanderliegender, an einem Ende kurzgeschlossener Hohlleiter angebracht sein. Vorzugsweise beträgt die Länge der Hohlleiter von der Abzweigung am Innenleiter beziehungsweise Außenleiter der Koaxialleitung zu dem Kurzschlußende ungefähr ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Wellenlänge λ der Koaxialleitung. Durch eine derartige Verlängerungsleitung wird die mechanische und damit thermisch wirksame Leiterlänge vergrößert. Da die Länge der Hohlleiter einem ganzzahligen Vielfachen der halben Nenn-Wellenlänge der Koaxialleitung entspricht, bildet sich an dem Hohlleiterpaar eine stehende Welle aus und der Kurzschluß am Kurzschlußende wird zum Außenleiter beziehungsweise Innenleiter der Koaxialleitung transformiert. Die Verlängerungsleitung ist damit elektromagnetisch unwirksam. Dadurch hat die Koaxialleitung die elektrischen Verluste einer kurzen Leitung, aber den thermischen Widerstand einer langen Leitung.
Um die elektrisch wirksame Länge des Koaxialleiters weiter zu verkürzen, können die Hohlleiter umgefaltet sein.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung weist die Verlängerungsleitung einen mit dem Hohlleiterpaar verbundenen weiteren Hohlleiter auf, der an einem der Abzweigung des ersten Hohlleiters (5-1) gegenüberliegenden Ende vom Innenleiter (1) beziehungsweise Außenleiter (2) abzweigt, wobei der Innenleiter (1) beziehungsweise Außenleiter (2) im Bereich der Verlängerungsleitung mit der gekühlten Seite der Koaxialleitung verbunden ist. Dadurch bildet sich ein Temperaturgradient an den drei Hohlleitern der Verlängerungsleitung aus, während der Innenleiter beziehungsweise Außenleiter, an dem die Verlängerungsleitung angebracht ist, vom Wärmefluß abgekoppelt ist und daher auf der niedrigen Temperatur verbleibt. Für das Mikrowellensignal ist jedoch im wesentlichen dieser Innen- beziehungsweise Außenleiter
Figure 00050001
sichtbar". Aufgrund der besseren Leitfähigkeit des Materials bei niedrigerer Temperatur liegt der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels darin, daß das Mikrowellensignal auf der gesamten Länge der Verlängerungsleitung durch einen auf niedriger Temperatur befindlichen Innenleiter beziehungsweise Außenleiter geführt wird und die Leitungsverluste daher minimiert sind.
Die Mikrowellen-Koaxialleitung kann zwei Verlängerungsleitungen in axialer Richtung hintereinander aufweisen, die eine unterschiedliche Länge haben können. Der Vorteil liegt darin, daß die thermisch wirksame Länge weiter vergrößert wird und durch die unterschiedlichen Längen eine größere Bandbreite der Durchlaßcharakteristik der Koaxialleitung ermöglicht wird.
Zur Vergrößerung der Übertragungsbandbreite können die Verlängerungsleitungs-Hohlleiter der Koaxialleitung auch einen sich in Ausbreitungsrichtung verändernden Abstand voneinander haben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Innenleiter massiv sein und zur Verringerung des thermisch wirksamen Innenquerschnitts eine axiale Ausnehmung aufweisen, deren Länge ungefähr einem ganzzahligen Vielfachen der halben Nenn-Wellenlänge der Koaxialleitung entspricht. Diese Ausnehmung führt zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung der Übertragungscharakteristik der Mikrowellen in der Nähe der Nenn-Wellenlänge. Der thermische Widerstand vergrößert sich jedoch beispielsweise bei einer Halbierung des wirksamen Durchmessers auf das Vierfache. Auch mit dieser Maßnahme läßt sich daher eine Vergrößerung des Wärmewiderstandes bei Beibehaltung eines geringen elektrischen Wellenwiderstandes erreichen. Um eine weitere Verringerung des thermischen Innenquerschnitts zu erreichen, kann die axiale Ausnehmung auch wenigstens einmal umgefaltet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung sind Innenleiter und Außenleiter vorzugsweise jeweils aus einem Stück oder durch Verlötung der jeweiligen Einzelteile gefertigt. Dies verleiht der Koaxialleitung eine große Stabilität, die insbesondere für Weltraumanwendungen wegen der dort beim Startvorgang auftretenden großen Beschleunigungskräfte erforderlich ist.
Zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften sind Innenleiter und/oder Außenleiter vorzugsweise mit einer Silberbeschichtung versehen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung liegt darin, daß diese vollständig metallisch umschlossen ist und so keine Probleme bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) zu erwarten sind.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
  • Figur 1 eine mögliche Anwendung der Erfindung schematisch illustriert;
  • Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt;
  • Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt;
  • Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt;
  • Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt;
  • Figur 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt;
  • Figur 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt;
  • Figur 8 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt; und
  • Figur 9 ein Diagramm ist, das Einfügungsdämpfung und Anpassung einer Mikrowellen-Koaxialleitung gemäß der Erfindung zeigt.
  • Figur 10 ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt; und
  • Figur 11 ein neuntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung zeigt.
    • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
    Figur 1 zeigt schematisch ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung. Auf einer Satellitenplattform 12, deren Temperatur je nach Sonneneinstrahlung zwischen +85° und -35° C schwankt, ist ein gekühltes Mikrowellensystem 11 untergebracht, das nur schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Dabei kann es sich um ein Mikrowellensystem mit Hochtemperatursupraleiter-Komponenten handeln. Das gekühlte Mikrowellensystem 11 wird über ein nicht dargestelltes Kühlaggregat auf einer konstanten niedrigen Temperatur gehalten, im Falle der Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel auf 77K.
    Um die von dem gekühlten Mikrowellensystem 11 erzeugten Mikrowellen für Anwendung auf der Satellitenplattform 12, beispielsweise zur Satellitenkommunikation, zur Verfügung zu stellen, sind Mikrowellenleitungen 10 erforderlich. Diese sollen eine möglichst geringe Mikrowellendämpfung und gleichzeitig einen maximalen Wärmewiderstand aufweisen, so daß der Leistungsbedarf des Kühlaggregats minimiert ist.
    Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung ist in Figur 2 dargestellt. Zwischen zwei Anschlußbuchsen 3,4 sind ein Innenleiter 1 und ein Außenleiter 2 auf an sich bekannte Art und Weise angeordnet. Eine der beiden Anschlußbuchsen, beispielsweise die Anschlußbuchse 3 auf der rechten Seite ist mit dem gekühlten Mikrowellensystem verbunden, während die andere Anschlußbuchse mit der warmen" Satellitenplattform verbunden ist. Zur Erhöhung des Wärmewiderstandes weist die erfindungsgemäße Mikrowellen-Koaxialleitung 10 eine Verlängerungsleitung 5 bestehend aus einem Paar ineinanderliegender, an einem Kurzschlußende 7 kurzgeschlossener Hohlleiter auf. Es sei erwähnt, daß in der Zeichnung Außenleiter 2 sowie die Hohlleiter 5-1 und 5-2 nur durch eine einfache schwarze Linie dargestellt sind. Die Wärmeleitung erfolgt daher von der wärmeren" linken Seite über die Verzweigung 6 entlang dem äußeren Hohlleiter 5-1 zum Kurzschlußende 7 über den inneren Hohlleiter 5-2 zurück zur Verzweigung 6 und entlang des Außenleiters 2 zur kalten Anschlußbuchse 3. Die Länge der Verlängerungsleitung 5 von der Verzweigung 6 zum Kurzschlußende 7 entspricht ungefähr der Hälfte der Nenn-Wellenlänge λ der Koaxialleitung oder ein ganzzahliges Vielfaches davon. Werden durch die Mikrowellen-Koaxialleitung 10 Mikrowellen im Bereich der Nenn-Wellenlänge durchgeleitet, so ergibt sich in der Verlängerungsleitung 5 eine stehende Welle mit Wellenknoten an der Verzweigung 6 und am Kurzschlußende 7. Der Kurzschluß wird an die Verzweigung 6 am Außenleiter 2 der Koaxialleitung transformiert. Der elektrische Mikrowellen-Wellenwiderstand wird daher durch die Verlängerungsleitung 5 nur unwesentlich beeinträchtigt. Für die Wärmeleitung ergibt sich jedoch eine zusätzliche effektive Leiterlänge von ungefähr einer Wellenlänge, so daß bei minimaler Dämpfung der Mikrowelle ein deutlich vergrößerter Wärmewiderstand vorliegt.
    Figur 9 zeigt beispielhaft Ergebnisse von Simulationsrechnungen der Einfügungsdämpfung T-1 (T=Transmission) und Anpassungsdämpfung einer wie in Figur 2 dargestellten Koaxialleitung in Abhängigkeit von der Mikrowellenfrequenz. Die Einfügungsdämpfung T-1 weicht in dem dargestellten Maßstab über den gesamten Frequenzbereich von 3 GHz bis 5 GHz nicht merklich von dem Idealwert 0dB ab (fette durchgezogene Linie am oberen Rand des Diagramms). Bei der Anpassungsdämpfung D(f) an der Mikrowellen-Koaxialleitung erkennt man daher ein ausgeprägtes Minimum bei einer Frequenz von ungefähr 3,9 GHz. Das Minimum wird dann erreicht, wenn die Nenn-Wellenlänge der Mikrowelle gerade dem Zweifachen der Länge des Verlängerungsabschnitts 5 entspricht. Man erkennt, daß mit der erfindungsgemäßen Koaxialleitung im Bereich der Nennfrequenz sehr geringe Mikrowellendämpfungen und dadurch verursachte Heizleistungen erreichbar sind.
    Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung. Um eine weitere Verkürzung der Leitung zu erreichen, wird die Verlängerungsleitung einmal umgefaltet, ebenso wie bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel. Bei letzterem weist jedoch nicht nur der Außenleiter 2, sondern auch der Innenleiter 1, der als Hohlleiter ausgebildet ist, eine derartige Verlängerungsleitung 5 auf.
    Figur 5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung. An dem Außenleiter 2 sind zwei Verlängerungsleitungen 5 hintereinander angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß die Wärmeleitung über den Außenleiter 2 weiter verringert wird. Es ist dann auch möglich, die beiden Verlängerungsleitungen 5 unterschiedlich lang zu machen. Dadurch erreicht man, daß die Übertragungsbandbreite vergröBert wird. Die Anpassungsdämpfung hat dann nicht mehr das wie in Figur 9 dargestellte schmale Minimum, sondern einen breiteren Frequenzbereich, indem die Dämpfung unter einem akzeptablen Wert wie beispielsweise -30 dB liegt.
    Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung einer breiteren Durchgangsbandbreite der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung kann dadurch realisiert werden, daß der Abstand der beiden Hohlleiter 5-1,5-2 der Verlängerungsleitung 5 inhomogen ist, wie in Figur 11 dargestellt ist. Auch der Außenleiter 2 kann variablen Durchmesser aufweisen.
    Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 6 dargestellt, das sich insbesondere für sehr klein dimensionierte Koaxialleitungen eignet. Der Innenleiter 1 ist massiv ausgebildet und mit einer umlaufenden axialen Ausnehmung 8 versehen, deren Länge wiederum die Hälfte der Nenn-Wellenlänge λ der Koaxialleitung oder ein ganzzahliges Vielfaches davon beträgt. Die Ausnehmung 8 bewirkt wiederum keine wesentliche Beeinträchtigung der Wellenleitung, da der Kurzschluß am Ende der kurzgeschlossenen Leitung wiederum an die Verbindungsstelle zum Innenleiter transformiert wird. Der thermische Widerstand vergrößert sich bei Halbierung des Durchmessers jedoch auf das Vierfache. Wie in Figur 6 gezeigt ist, läßt sich die Ausnehmung 8 im Innenleiter mit einer Verlängerungsleitung 5 im Außenleiter kombinieren.
    Zur weiteren Verringerung des thermisch wirksamen Querschnitts ist die Ausnehmung 8 bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Mikrowellen-Koaxialleitung einmal umgefaltet. Eine Verringerung des wirksamen Querschnitts auf beispielsweise ein Viertel erhöht den thermischen Widerstand auf das 16-fache.
    Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koaxialleitung ist in Figur 8 und Figur 10 dargestellt. Die Verlängerungsleitung 5 weist am Kurzschlußende 7 kurzgeschlossene erste und zweite Hohlleiter 5-1 und 5-2 sowie einen daran angeschlossenen weiteren Hohlleiter 5-3 auf. Dadurch bildet sich an den äußeren drei Hohlleitern 5-1,5-2 und 5-3 ein Temperaturgradient aus, während am innersten" Außenleiter 2 kein Wärmefluß auftritt. Dieser ist mit der gekühlten Seite verbunden und liegt daher auf der kalten Temperatur entsprechend der rechten Anschlußbuchse 3. Aufgrund der besseren Leitfähigkeit des Materials des Außenleiters bei niedrigen Temperaturen hat dieses Ausführungsbeispiel den Vorteil einer geringeren Dämpfung des Mikrowellensignals, da dieses auf seiner gesamten Länge durch einen auf niedriger Temperatur befindlichen Außenleiter 2 geführt wird.
    Um eine hohe Stabilität zu gewährleisten, sind Innenleiter 1 und Außenleiter 2 vorzugsweise jeweils aus einem Stück gefertigt oder durch Verlötung ihrer jeweiligen Einzelteile gebildet. Zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften sind Innenleiter und Außenleiter vorzugsweise mit einer Silberbeschichtung versehen.
    Die erfindungsgemäße Mikrowellen-Koaxialleitung ermöglicht so eine minimale Mikrowellendämpfung bei einem gleichzeitigen maximalen Wärmewiderstand. Dadurch kann beim Einsatz von gekühlten Hochleistungs-Mikrowellensystemen in der Raumfahrttechnik die Leistungsfähigkeit und damit das Gewicht des Kühlaggregats wesentlich verringert werden. Wird beispielsweise bei einem Mikrowellengerät mit einem Gewicht von 50 kg dieses um 20% reduziert, so erzielt man bei Transportkosten von 50 US$ pro g Nutzlast eine Ersparnis von 500.000,- US$.

    Claims (11)

    1. Mikrowellen-Koaxialleitung für gekühlte Mikrowellensysteme mit einem Innenleiter (1) und einem Außenleiter (2), dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der thermischen Leitfähigkeit der Koaxialleitung
      unter Beibehaltung der elektrisch wirksamen Länge die thermisch wirksame Länge des Innenleiters (1) und/oder Außenleiters (2) vergrößert ist und/oder unter Beibehaltung des elektrisch wirksamen Querschnitts der thermisch wirksame Querschnitt des Innenleiters (1) verkleinert ist.
    2. Mikrowellen-Koaxialleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Innenleiter (1) und/oder Außenleiter (2) eine Verlängerungsleitung (5) bestehend aus wenigstens einem Paar ineinanderliegenger,an einem Ende kurzgeschlossener Hohlleiter (5-1, 5-2) angebracht ist.
    3. Mikrowellen-Koaxialleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Hohlleiter (5-1,5-2) von einer Abzweigung (6) am Innenleiter (1) und/oder Außenleiter (2) zu einem Kurzschlußende (7) ungefähr ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Wellenlänge λ der Koaxialleitung beträgt.
    4. Mikrowellen-Koaxialleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter (5-1,5-2) wenigstens einmal umgefaltet sind.
    5. Mikrowellen-Koaxialleitung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsleitung (5) einen mit den beiden Hohlleitern (5-1,5-2) verbundenen weiteren Hohlleiter (5-3) aufweist, der an einem der Abzweigung des ersten Hohlleiters (5-1) gegenüberliegenden Ende vom Innenleiter (1) beziehungsweise Außenleiter (2) abzweigt, wobei der Innenleiter (1) beziehungsweise Außenleiter (2) im Bereich der Verlängerungsleitung mit der gekühlten Seite der Koaxialleitung verbunden ist.
    6. Mikrowellen-Koaxialleitung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Verlängerungsleitungen (5) in axialer Richtung der Koaxialleitung hintereinander angeordnet sind, die eine unterschiedliche Länge aufweisen.
    7. Mikrowellen-Koaxialleitung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter (5-1,5-2) voneinander einen sich in Ausbreitungsrichtung verändernden Abstand zur Vergrö-ßerung der Übertragungsbandbreite der Koaxialleitung aufweisen.
    8. Mikrowellen-Koaxialleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (1) massiv ist und zur Verringerung des thermisch wirksamen Innnenleiterquerschnitts eine axiale Ausnehmung (8) aufweist, deren Länge ungefähr dem ganzzahligen Vielfachen der halben Nenn-Wellenlänge λ der Koaxialleitung entspricht.
    9. Mikrowellen-Koaxialleitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausnehmung (8) zur weiteren Verringerung des thermisch wirksamen Innenleiterquerschnitts wenigstens einmal umgefaltet ist.
    10. Mikrowellen-Koaxialleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Innenleiter (1) und Außenleiter (2) jeweils aus einem Stück oder durch feste Verbindung der Einzelteile gefertigt sind.
    11. Mikrowellen-Koaxialleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Innenleiter (1) und/oder Außenleiter (2) mit einer Silberbeschichtung versehen sind.
    EP99115212A 1998-12-04 1999-07-31 Mikrowellen-Koaxialleitung für gekühlte Mikrowellensysteme Withdrawn EP1006604A3 (de)

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