EP1961070B1 - Hollow-conductor injection and transmission apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Hohlleiter-Einkopplungs- und Übertragungsvorrichtung für elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikrowellen, umfassend einen mit einer Antenneneinlassöffnung versehenen Einkopplungshohlraum, einen Zirkulator, eine Lastaufnahmeeinrichtung, eine Ausgangsöffnung, einen ersten Transmissionskanal zwischen dem Einkopplungshohlraum und dem Zirkulator, einen zweiten Transmissionskanal zwischen dem Zirkulator und der Ausgangsöffnung und einen dritten Transmissionskanal zwischen dem Zirkulator und der Lastaufnahmeeinrichtung.The invention relates to a waveguide coupling and transmission device for electromagnetic waves, in particular microwaves, comprising a coupling cavity provided with an antenna inlet opening, a circulator, a load receiving device, an output port, a first transmission channel between the injection cavity and the circulator, a second transmission channel between the circulator and the output port and a third transmission channel between the circulator and the load receiving device.
Hochfrequenzgeneratoren werden in vielfältigen Anwendungen verwendet. Gängige Hochfrequenz-(HF)-generatoren für den Frequenzbereich oberhalb einiger hundert MHz sind Magnetrons. Diese stellen HF-Leistung üblicherweise an einer Antenne zur Verfügung, die im montierten Zustand in einen Hohlleiter eintaucht und das von der Antenne erzeugte elektromagnetische Wechselfeld dort einkoppelt. Die Hohlleiter-Einkoppeleinheit wird auch als "Launcher" bezeichnen. Solche Hohlleiter-Einköppeleinheiten passen den Innenwiderstand des Magnetrons optimal an den Wellenwiderstand des verwendeten Hohlleiters an.High frequency generators are used in a variety of applications. Common radio frequency (RF) generators for the frequency range above a few hundred MHz are magnetrons. These usually provide RF power to an antenna which, when mounted, dips into a waveguide and couples in the alternating electromagnetic field generated by the antenna there. The waveguide coupling unit will also be called a "launcher". Such waveguide Einköppeleinheiten fit the internal resistance of the magnetron optimally to the characteristic impedance of the waveguide used.
Bei Hochfrequenzsystemen wird im Allgemeinen jeweils ein Kompromiss bezüglich der Kosten, des Wirkungsgrads, des Raumbedarfs und der Signalqualität getroffen. Voraussetzung für einen optimalen Betrieb einer Hochfrequenzquelle ist eine korrekte Anpassung des Innenwiderstands des Hochfrequenzgenerators an den jeweiligen Verbraucher. Mit derartigen leistungsangepassten Systemen werden hohe Systemwirkungsgrade und Lebensdauern erzielt.High frequency systems generally compromise on cost, efficiency, space and signal quality. The prerequisite for optimum operation of a high-frequency source is correct adaptation of the internal resistance of the high-frequency generator to the respective consumer. Such performance-matched systems achieve high system efficiencies and lifetimes.
In der Praxis variieren die Verbrauchereigenschaften, so dass sich selten der optimale Betriebszustand einstellt. Dabei ist der Innenwiderstand des Hochfrequenzgenerators meistens nicht hinreichend veränderbar, um die Anpassung an den jeweiligen Verbraucher herbeizuführen. Um Lastreflexionen, die durch Fehlanpassungen oder Veränderungen des Widerstands bzw. der Eingangsimpedanz des Verbrauchers verursacht werden, von der Antenne des Hochfrequenzgenerators fernzuhalten, wird in Richtung des Verbrauchers ein zusätzlicher Richtungsleiter zwischengeschaltet, der die Reflexionsleistung absorbiert.In practice, the consumer characteristics vary, so that rarely sets the optimal operating condition. In this case, the internal resistance of the high frequency generator is usually not sufficiently changed to bring about the adaptation to the respective consumer. In order to keep load reflections caused by mismatches or changes in the resistance or the input impedance of the consumer from the antenna of the high-frequency generator, an additional directional conductor is in the direction of the consumer, which absorbs the reflection power.
Bei einem Richtungsleiter handelt es sich in der Regel ebenfalls um ein Hohlleiterbauelement, das üblicherweise mittels eines Flansches formschlüssig mit einem Launcher verbunden wird. Da die Eigenschaften üblicher Richtungsleiter durch ein vergleichsweise schwaches statisches inneres Magnetfeld festgelegt werden, müssen von einem HF-Generator ausgehende magnetische Streufelder hinreichend abgeschwächt sein, um den Richtungsleiter nicht zu verstimmen. Darum sind Launcher und Richtungsleiter üblicherweise relativ weit beabstandet und die entsprechenden Bauteile groß, so dass Verstimmungen durch Streufelder vernachlässigbar sind.In a directional ladder is usually also a waveguide component, which is usually connected by means of a flange form-fitting with a launcher. Since the characteristics of conventional directional conductors are determined by a comparatively weak static internal magnetic field, stray magnetic fields emanating from an HF generator must be adequately attenuated so as not to detune the directional conductor. Therefore launcher and director are usually relatively far away and the corresponding components are large, so that moods caused by stray fields are negligible.
Ein Beispiel für einen Richtungsleiter ist ein Zirkulator. Der üblicherweise annähernd zylindrische Zirkulator weist drei Ports und wenigstens eine Mikrowellen-Ferritscheibe auf, die durch ein äußeres Magnetfeld magnetisiert wird. Die Ports sind in Winkelabständen von 120° voneinander am Umfang des Zirkulators angeordnet. Das Magnetfeld des Zirkulators wird so eingestellt, dass eine an einem ersten Port eingespeiste Leistung geringfügig gedämpft an einen zweiten Port weitergeleitet wird, während der dritte Port vom ersten Port weitgehend entkoppelt ist. Eine am zweiten Port eingespeiste Reflexionsleistung wird an den dritten Port weitergeleitet. An diesen Port wird beispielsweise ein Lastwiderstand angeschlossen, der reflektierte Leistung aufnimmt. Diese Leistung wird dann nicht mehr zum ersten Port und somit zur Einkopplungsantenne des HF-Generators zurückgeleitet.An example of a directional leader is a circulator. The usually approximately cylindrical circulator has three ports and at least one microwave ferrite disc which is magnetized by an external magnetic field. The ports are arranged at angular intervals of 120 ° from each other on the circumference of the circulator. The magnetic field of the circulator is adjusted so that a power fed in at a first port is slightly attenuated to a second port while the third port is largely decoupled from the first port. A reflection power fed in at the second port is forwarded to the third port. For example, a load resistor that receives reflected power is connected to this port. This power is then no longer returned to the first port and thus to the coupling antenna of the RF generator.
In
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Hohlleiter-Einkopplungs- und Übertragungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei kompakter und einfacher Bauweise eine möglichst verlustfreie Übertragung von elektromagnetischen Wellen und eine effektive Isolierung des Generators von reflektierter Leistung ermöglicht, wobei die jeweiligen Leistungszustände mit wenig Aufwand reproduzierbar messbar sein sollen.The object underlying the invention is to provide a waveguide coupling and transmission device available that enables a lossless transmission of electromagnetic waves and effective isolation of the generator of reflected power in a compact and simple design, the respective power states with little effort should be measurable reproducible.
Diese Aufgabe wird bei einer Hohlleiter-Einkopplungs- und Übertragungsvorrichtung für elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikrowellen, umfassend einen mit einer Antenneneinlassöffnung versehen Einkopplungshohlraum, einen Zirkulator, eine Lastaufnahmeeinrichtung, eine Ausgangsöffnung, einen ersten Transmissionskanal zwischen dem Einkopplungshohlraum und dem Zirkulator, einen zweiten Transmissionskanal zwischen dem Zirkulator und der Ausgangsöffnung und einen dritten Transmissionskanal zwischen dem Zirkulator und der Lastaufnahmeeinrichtung, dadurch gelöst, dass die Lastaufnahmeeinrichtung wenigstens zwei Lastaufnahmevorrichtungen aufweist, wobei zwischen den wenigstens zwei Lastaufnahmevorrichtungen eine Leistungsteilungsvorrichtung vorgesehen ist, wobei die wenigstens zwei Lastaufnahmevorrichtungen durch einen Hohlleiter verbunden sind, wobei die geometrischen Abmessungen des Hohlleiters und die Anordnung der Lastaufnahmevorrichtungen bei Einkopplung von elektromagnetischen Wellen eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 90° bezogen auf die Wellenlänge des Hohlleiters zwischen den Lastaufnahmevorrichtungen ergeben.This object is achieved in an electromagnetic wave waveguide coupling and transmission device, in particular microwaves, comprising a coupling cavity provided with an antenna inlet opening, a circulator, a load receiving device, an output port, a first transmission channel between the coupling cavity and the circulator, a second transmission channel between the circulator and the outlet opening and a third transmission channel between the circulator and the load receiving device, achieved in that the load receiving device has at least two load receiving devices, wherein between the at least two load receiving devices, a power splitting device is provided the at least two load receiving devices are connected by a waveguide, wherein the geometric dimensions of the waveguide and the arrangement of the load receiving devices upon injection of electromagnetic waves result in a phase shift of substantially 90 ° relative to the wavelength of the waveguide between the load receiving devices.
Unter dem Begriff Zirkulator werden im Rahmen der Erfindung auch andere nichtreziproke Bauteile, etwa optische Elemente, wie beispielsweise halbdurchlässige Spiegel, verstanden. Diese sind gerade bei sehr hohen Frequenzen anstelle von Hohlleiter-Zirkulatoren einsetzbar.The term circulator in the context of the invention, other non-reciprocal components, such as optical elements, such as semipermeable mirrors understood. These can be used at very high frequencies instead of waveguide circulators.
Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass eine Lastaufnahmeeinrichtung mit wenigstens zwei räumlich entkoppelten bzw. räumlich getrennten Lasten eine vom Verbraucher reflektierte Leistung auf effektivere Weise aufnehmen kann als eine einzelne Last. Dies führt auch zu einer guten Entkopplung des Hochfrequenzgenerators von reflektierter Leistung mittels des Zirkulators. Dies wird umso besser erreicht, je genauer die zu der Lastaufnahmeeinrichtung hinführenden Transmissionskanäle in ihrer Geometrie so dimensioniert sind, dass ihre Eingangsimpedanzen am Zirkulator dem konjugiert komplexen des Ausgangswiderstands des Zirkulators entsprechen.A basic idea of the invention is that a load receiving device with at least two spatially decoupled or spatially separated loads can absorb a power reflected by the consumer in a more effective manner than a single load. This also leads to a good decoupling of the high-frequency generator from reflected power by means of the circulator. This is achieved the better, the more accurately the transmission channels leading to the load receiving device are dimensioned in their geometry so that their input impedances at the circulator correspond to the complex conjugate of the output resistance of the circulator.
Mit nur einer Lastaufnahmevorrichtung wird das Ziel einer guten Entkopplung nur eingeschränkt und über eine geringe Frequenzbandbreite erreicht. Bei Verwendung von zwei oder mehr Lasten ist hingegen eine flexible und unabhängige Einstellung des Real- und Imaginärteiles des am Ausgang des Zirkulators wirkenden Eingangsimpedanz einstellbar, da für jede Last die zu ihr hinführende Hohlleitersektion individuell dimensioniert werden kann.With only one load handling device, the goal of good decoupling is limited and achieved over a low frequency bandwidth. By contrast, when using two or more loads, a flexible and independent adjustment of the real and imaginary parts of the input impedance acting at the output of the circulator can be set since the waveguide section leading to it can be individually dimensioned for each load.
So kann durch geeignete Dimensionierung der zu den Lasten hinführenden Hohlleiter eine beliebige geeignete Phasenverschiebung zwischen den beiden Hohlleitern gewählt werden. Mittels der Phasenverschiebung ist eine sehr effektive Absorption der zu den Lasten geführten Leistung möglich, auch wenn der Wellenwiderstand an eine einzelne Last nicht optimal abgestimmt wäre. Vorzugsweise weisen die wenigstens zwei Lasten die gleiche Kapazität zur Leistungsaufnahme auf. Dazu sind sie gleich dimensioniert und/oder vom gleichen Typus.Thus, by suitable dimensioning of the waveguide leading to the loads, any suitable phase shift between the two waveguides can be selected. By means of the phase shift, a very effective absorption of the power carried to the loads is possible, even if the characteristic impedance would not be optimally matched to a single load. Preferably, the at least two loads have the same capacity for power consumption. For this they are the same size and / or of the same type.
Da erfindungsgemäß die wenigstens zwei Lastaufnahmevorrichtungen durch einen Hohlleiter verbunden sind, ist eine Auswahl der Phasenverschiebung zwischen den Lastaufnahmevorrichtungen einfach zu treffen.Since, according to the invention, the at least two load-receiving devices are connected by a waveguide, a selection of the phase shift between the load-receiving devices is easy to make.
Eine besonders effektive Absorption zurückreflektierter Leistung ist erfindungsgemäß möglich, da die geometrischen Abmessungen des Hohlleiters und die Anordnung der Lastaufnahmevorrichtungen eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 90° bezogen auf die Wellenlänge des Hohlleiters zwischen den Lastaufnahmevorrichtungen ergeben. Eine Phasenverschiebung von 90° ergibt sich in einfacher Weise, wenn der Hohlleiter eine Länge von λ/4 hat.A particularly effective absorption of back-reflected power is inventively possible because the geometric dimensions of the waveguide and the arrangement of the load receiving devices result in a phase shift of substantially 90 ° relative to the wavelength of the waveguide between the load receiving devices. A phase shift of 90 ° results in a simple manner when the waveguide has a length of λ / 4.
Dabei berechnet sich die Wellenlänge λ des Hohlleiters zum einen aus der kritischen oder cut-off-Wellenlänge λc, die sich aus den inneren Ausmaßen des Hohlleiters, beispielsweise der breiteren Seite eines rechteckigen Hohlleiters, ergibt, und andererseits aus der Wellenlänge λL der eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung im freien Raum (Freiraumwellenlänge) gemäß der Formel
In Bezug auf die danach berechnete Wellenlänge λ hat der Hohlleiter vorzugsweise eine Länge von λ/4. Im Rahmen der Erfindung ist mit einem Hohlleiter mit einer Länge von λ/4 auch ein Hohlleiter-mit einer Länge von einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von λ/4, also 3λ/4, 5λ/4, 7λ/4 usw., gemeint, da sich in jedem Fall eine Phasenverschiebung von effektiv 90° einstellt.With respect to the wavelength λ calculated thereafter, the waveguide preferably has a length of λ / 4. In the context of the invention, with a waveguide with a length of λ / 4, a waveguide with a length of an odd integer multiple of λ / 4, ie 3λ / 4, 5λ / 4, 7λ / 4, etc., meant that In any case, a phase shift of effectively 90 ° sets.
Wenn die Phasenverschiebung 90° beträgt und gleichartige Lasten verwendet werden, kompensieren sich die imaginären Impedanzanteile der Lasten, während die Realteile gemittelt werden. Die Bandbreite, für die diese Bedingung annähernd erfüllt wird, ist bei der Benutzung von wenigstens zwei Lasten größer als bei nur einer Last.When the phase shift is 90 ° and similar loads are used, the imaginary impedance components of the loads compensate each other while the real parts are averaged. The bandwidth for which this condition is approximately met is greater with the use of at least two loads than with only one load.
Üblicherweise sind die Hohlleiter-Einkopplungs- und Übertragungsvorrichtungen für einen bestimmten Wellenlängenbereich ausgelegt, so dass sich die Angaben über die Phasenverschiebungen auf diesen Wellenlängenbereich beziehen. Die konkrete Dimensionierung von Hohlleitern für bestimmte bzw. vorbestimmte Wellenlängen ist dem Fachmann geläufig.Usually, the waveguide coupling and transmission devices are designed for a specific wavelength range, so that the information about the phase shifts relate to this wavelength range. The specific dimensioning of waveguides for specific or predetermined wavelengths is familiar to the expert.
Bei einer Reflexion von Leistung an den Lastaufnahmevorrichtungen wird jeweils der Hohlleiter, der zu den Lastaufnahmevorrichtungen führt, ein zweites Mal durchquert. Dadurch verdoppelt sich für die von den Lasten reflektierte Leistung die zurückgelegte Wegstrecke. Bei einer Wahl der Länge des Hohlleiters als λ/4 (und ungradzahlige Vielfachen hiervon) ergibt sich eine Differenz von λ/2 bzw. im Wesentlichen 180° zwischen den von den jeweiligen Lasten reflektierten Wellen. Durch diese Phasenverschiebung entsteht an einem Summierpunkt der Wellen eine destruktive Interferenz zwischen den beiden Anteilen. Die restliche von den Lasten jeweils reflektierte Leistung löscht sich somit gegenseitig aus. Auf diese Weise wird nur extrem wenig Leistung durch den Zirkulator an den Generator zurückgeleitet. Dies erhöht die Lebensdauer des Generators.In the case of a reflection of power at the load-receiving devices, the waveguide leading to the load-receiving devices is crossed a second time in each case. This doubles the distance traveled by the power reflected by the loads. In a choice of the length of the waveguide as λ / 4 (and odd-numbered multiples thereof) results in a difference of λ / 2 or substantially 180 ° between the waves reflected by the respective loads. This phase shift produces a destructive interference between the two components at a summing point of the waves. The remaining power reflected by the loads thus cancel each other out. In this way, only extremely little power is returned by the circulator to the generator. This increases the life of the generator.
Erfindungsgemäß ist zwischen den wenigstens zwei Lastaufnahmevorrichtungen eine Leistungsteilungsvorrichtung vorgesehen. Dies führt dann dazu, dass die Reflexionsleistung, die durch den Zirkulator vom zweiten an den dritten Port weitergeleitet wird, durch den dritten Transmissionskanal zu einem Leistungsteiler geführt wird. Der Leistungsteiler hat beispielsweise die Form einer in den Hohlleiter ragenden Blende, von der in zwei Richtungen zwei Hohlleiter abzweigen. Die Hohlleiter haben beispielsweise gleiche geometrische Innenmaße, aber eine um λ/4 verschiedene Länge.According to the invention, a power dividing device is provided between the at least two load receiving devices. This then results in that the reflection power, which is forwarded by the circulator from the second to the third port, is guided through the third transmission channel to a power divider. The power divider has, for example, the shape of a protruding into the waveguide aperture, branch off from the two waveguides in two directions. For example, the waveguides have the same geometric inner dimensions, but a length that is different by λ / 4.
Die jeweils in die beiden Hohlleiter eingespeisten Leistungen ergeben sich nach der von der Blende aufgeteilten Flächen des Hohlleiterquerschnitts. Ist beispielsweise die Blende mittig im Hohlleiter angeordnet, wird an beide nachfolgenden Hohlleiter vorteilhafterweise jeweils 50 % der Leistung eingekoppelt. Diese Lösung hat den weiteren Vorteil, dass die Leistung vollständig an die darin angeordneten Lasten geführt wird. Eine breitbandige Impedanzanpassung wird über die Form und Eintauchtiefe der Blende erzielt.The respective powers fed into the two waveguides result according to the areas of the waveguide cross-section divided by the diaphragm. If, for example, the diaphragm is arranged centrally in the waveguide, in each case 50% of the power is coupled to both subsequent waveguides. This solution has the further advantage that the power is completely guided to the loads arranged therein. A broadband impedance matching is achieved via the shape and depth of the diaphragm.
Um eine Optimierung der Absorption der vom Verbraucher reflektierten Leistung zu erreichen, ist vorteilhafterweise ein vorbestimmter Abstand der wenigstens zwei Lastaufnahmevorrichtungen oder ein vorbestimmter Abstand zwischen wenigstens einer Lastaufnahmevorrichtung und der Leistungsteilungsvorrichtung, insbesondere mittels eines Phasenstellglieds, einstetibar. Diese Variabilität bewirkt, dass die relative Position der beiden Lasten im Phasenraum des Wellenwiderstandes zueinander veränderbar ist, um einen Phasenwinkel von 90° möglichst genau einzustellen. Das Phasenstellglied kann auch selber die Phasenverschiebung von etwa 90° bewirken.In order to achieve an optimization of the absorption of the power reflected by the load, advantageously a predetermined distance of the at least two load receiving devices or a predetermined distance between at least one load receiving device and the power splitting device, in particular by means of a phase actuator, einstetibar. This variability causes the relative position of the two loads in the phase space of the characteristic impedance to each other can be changed in order to adjust a phase angle of 90 ° as accurately as possible. The phase actuator can also cause the phase shift of about 90 ° itself.
Das Phasenstellglied ist in einfachster Form ein λ/4- oder ähnlich langes Hohlleiterelement. Als Phasenstellglieder sind im Rahmen der Erfindung auch Pfosten und/oder Blenden, die in den Hohlleiter hinein gefahren werden, vorgesehen, die abhängig von ihrer Lage und Länge im Hohlleiter und von ihrem Material eine Phasenverschiebung von beispielsweise λ/4 oder λ/8 bewirken.The phase actuator is in the simplest form a λ / 4 or similar long waveguide element. In the context of the invention, post and / or diaphragms which are driven into the waveguide are provided as phase actuators which, depending on their position and length in the waveguide and their material, cause a phase shift of, for example, λ / 4 or λ / 8.
Vorzugsweise ist wenigstens eine der Lastaufnahmevorrichtungen eine Wasserlast oder eine Last auf Basis einer anderen elektromagnetische Felder absorbierenden Flüssigkeit, die insbesondere durch ein Rohr aus einem elektrisch isolierenden Stoff, vorzugsweise Quarzglas, geführt wird. Mit dieser Ausbildung ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau, der eine effektive Leistungsabfuhr erlaubt. In einer alternativen Ausbildung besteht das Rohr aus Mikrowellen absorbierendem Material und ist im Inneren des Rohres eine kühlende und/oder Mikrowellen absorbierende Flüssigkeit durchleitbar.Preferably, at least one of the load-receiving devices is a water load or a load based on another electromagnetic-field-absorbing liquid, which is guided in particular through a tube made of an electrically insulating material, preferably quartz glass. With this training results in a particularly simple structure that allows effective power dissipation. In an alternative embodiment, the tube consists of microwave-absorbing material and a cooling and / or microwave-absorbing liquid can be conducted inside the tube.
Eine besonders kompakte Bauweise der Vorrichtung bzw, des Launchers ist vorteilhafterweise möglich, wenn im Zirkulator bei Einspeisung eines elektromagnetischen Feldes in die Vorrichtung ein stationäres Magnetfeld herrscht, das im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der E-Feldkomponente des elektromagnetischen Feldes in den Transmissionskanälen ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung der Magnetfelder erlaubt es, die Krümmungsrichtungen der Transmissionskanäle und die Ausdehnung des Zirkulators in einer Ebene anzuordnen, wodurch eine besonders flache Bauweise möglich wird. Außerdem liegt somit die Richtung des Magnetfelds im Zirkulator senkrecht zum Magnetfeld, das üblicherweise aus einem HF-Generator, beispielsweise einem Magnetron, in den Einkoppelhohlraum einstrahlt. Dieses Stör-Magnetfeld aus dem Magnetron ist somit vom Magnetfeld im Zirkulator entkoppelt. Da der Zirkulator als Richtungsleiter kaum verstimmt wird, kann der Abstand zwischen Zirkulator und Einkoppelhohlraum wesentlich verkleinert werden, wodurch eine noch kompaktere Bauform erreicht wird.A particularly compact design of the device or of the launcher is advantageously possible if in the circulator when supplying an electromagnetic field in the device, a stationary magnetic field prevails, which is aligned substantially perpendicular to the direction of the E field component of the electromagnetic field in the transmission channels. This orientation of the magnetic fields allows the curvature directions of the To arrange transmission channels and the expansion of the circulator in a plane, whereby a particularly flat design is possible. In addition, therefore, the direction of the magnetic field in the circulator is perpendicular to the magnetic field, which usually radiates from an RF generator, such as a magnetron, in the coupling cavity. This interference magnetic field from the magnetron is thus decoupled from the magnetic field in the circulator. Since the circulator is hardly detuned as a directional conductor, the distance between the circulator and Einkoppelhohlraum can be significantly reduced, creating an even more compact design is achieved.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Hohlleiter-Einkoppluhgs- und Übertragungsvorrichtung für elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikrowellen, umfassend einen mit einer Antenneneinlassöffnung versehenen Einkopplungshohlraum, einen Zirkulator, eine Lastaufnahmeeinrichtung, eine Ausgangsöffnung, einen ersten Transmissionskanal zwischen dem Einkopplungshohlraum und dem Zirkulator, einen zweiten Transmissionskanal zwischen dem Zirkulator und der Ausgangsöffnung und einen dritten Transmissionskanal zwischen dem Zirkulator und der Lastaufnahmeeinrichtung, die dadurch weitergebildet ist, dass der Einkopplungshohlraum, der erste Transmissionskanal, der Zirkulator und der zweite Transmissionskanal in einem, vorzugsweise gemeinsamen, Gehäuse angeordnet sind.The object underlying the invention is also achieved by a waveguide Einkoppluhgs- and transmitting device for electromagnetic waves, in particular microwaves, comprising a provided with an antenna inlet opening Einkopplungshohlraum, a circulator, a load receiving device, an output port, a first transmission channel between the coupling cavity and the circulator , a second transmission channel between the circulator and the output port and a third transmission channel between the circulator and the load receiving device, which is further formed by the coupling cavity, the first transmission channel, the circulator and the second transmission channel are arranged in a, preferably common, housing.
Durch die Unterbringung der Komponenten in einem, insbesondere gemeinsamen, gesamten Gehäuse als Baueinheit wird vermieden, verschiedene Komponenten aufeinander passend zu fertigen und die Komponenten miteinander zu verbinden. Dadurch entfallen Verbindungsflansche, die deutlich größer als die Querschnittsdimensionen des Hohlleiters sind. Es wird auch kein Raum mehr für den Zugang zu den Verbindungsflanschen benötigt, so dass insgesamt ein kompakter Aufbau erzielt wird. Mit den Flanschverbindungen werden auch durch Übergangswiderstände verursachte Leistungsverluste vermieden. Überdies wird die Neigung zu Spannungsüberschlägen an Stoßstellen und das Risiko, bei Undichtigkeit HF-Leistung nach außen abzustrahlen, verringert bzw. vermieden.By accommodating the components in a, in particular common, entire housing as a unit is avoided to manufacture different components matching each other and to connect the components together. This eliminates connecting flanges, which are significantly larger than the cross-sectional dimensions of the waveguide. There is also no space needed for access to the connecting flanges, so that a total of compact construction is achieved. The flange connections also avoid power losses caused by contact resistances. Moreover, the tendency to flash over at joints and the risk of emitting RF power to the outside in the event of leakage are reduced or avoided.
Besonders einfach herzustellen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, wenn das Gehäuse vorteilhafterweise zwei Gehäuseformkörper umfasst. Jeder Gehäuseformkörper, beispielsweise in Form einer Halbschale, wird auf herkömmliche Weise bearbeitet und weist entsprechende Vertiefungen auf, die im zusammengesetzten Zustand des Gehäuses die Hohlleiter und Kammern bilden. Die elektrischen Felder in der Einkoppelsektion und in den Lasten liegen dabei in der gleichen Ebene. Da keine Querströme durch die Grenzflächen fließen, ist es möglich, die komplette Einheit in einer zweischaligen Bauweise aufzubauen und gleichzeitig sehr geringe bauliche Abstände zuzulassen. Dabei bleiben die einzelnen Räume entkoppelt. Die Hochfrequenzdichtigkeit nach außen ist dabei gewährleistet.Particularly easy to manufacture is the device according to the invention, when the housing advantageously comprises two housing moldings. Each housing molding, for example in the form of a half-shell, is machined in a conventional manner and has corresponding recesses which form the waveguides and chambers in the assembled state of the housing. The electric fields in the coupling-in section and in the loads lie in the same plane. Since no cross-currents flow through the interfaces, it is possible to build the complete unit in a two-shell design while allowing very small structural distances. The individual rooms remain decoupled. The high frequency density to the outside is guaranteed.
Insbesondere sind die Gehäuseformkörper im Wesentlichen spiegelsymmetrisch und somit form- und funktionskomplementär. Dabei liegt die Grenzfläche zwischen den Gehäusen in der Mitte der Hohlleiter, vorzugsweise verläuft sie durch die breiten Seiten der Hohlleiter. Im Wesentlichen spiegelsymmetrisch bedeutet, dass beispielsweise in einem Gehäuseformkörper Öffnungen für Leistungsmonitore vorgesehen sind, im anderen aber nicht. Dies ändert aber nichts an der grundsätzlich gleichartigen Dimensionierung der Hohlleiterhälften. Vorteilhafterweise wird eine breite Seite des Hohlleiters geschnitten. Es findet dann keine Stromübertragung durch Ströme statt, die parallel zur Schnittkante fließen.In particular, the housing moldings are substantially mirror-symmetrical and thus complementary in terms of shape and function. In this case, the interface between the housings in the middle of the waveguide, preferably, it passes through the wide sides of the waveguide. Essentially mirror-symmetrical means that openings are provided for power monitors, for example in a housing mold body, but not in the other. However, this does not change the fundamentally similar dimensioning of the waveguide halves. Advantageously, a wide side of the waveguide is cut. There is then no current transmission through currents that flow parallel to the cutting edge.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe besteht bei einer eingangs genannten Vorrichtung darin, dass in oder an wenigstens einem der Transmissionskanäle wenigstens eine Leistungsmessvorrichtung angeordnet ist oder anbringbar ist, die einen Koaxialleiter und eine Gehäuseöffnung zum Transmissionskanal umfasst, wobei die Seele des Koaxialleiters mit dem Innenumfang der Gehäuseöffnung leitend verbunden ist. Diese Art eines Leistungsmonitors oder einer Leistungsmessvorrichtung bildet eine einfach herzustellende, genaue und reproduzierbare Messvorrichtung für die in einem Transmissionskanal geführte Leistung.A further solution of the object underlying the invention consists in a device mentioned in the fact that in or at least one of the transmission channels at least one power measuring device is arranged or attachable, which comprises a coaxial conductor and a housing opening to the transmission channel, wherein the soul of the coaxial with the inner circumference of the housing opening is conductively connected. This type of power monitor or power meter provides an easily manufactured, accurate and reproducible measuring device for the power conducted in a transmission channel.
Die Öffnung ist insbesondere als Langloch oder als Oval ausgeführt, an den die Seele eines üblichen Hochfrequenz-Koaxialkabels angeschlossen wird. Dieser Aufbau ersetzt eine übliche Sonde für einen Leistungsmonitor, bei dem eine Drahtschleife in den Hohlleiter eingeführt wird. Bei solchen Sonden, die aufwändig und teuer in der Herstellung sind, sind die Orientierung und die Position der Drahtschleife im Hohlleiter nicht exakt reproduzierbar.The opening is designed in particular as a slot or as an oval, to which the soul of a conventional high-frequency coaxial cable is connected. This design replaces a conventional probe for a performance monitor in which a wire loop is inserted into the waveguide. With such probes, which are complicated and expensive to manufacture, the orientation and the position of the wire loop in the waveguide are not exactly reproducible.
Bei der erfindungsgemäßen Leistungsmessvorrichtung wird ein Teil des Gehäuses als Schleife bzw. Antenne benutzt, so dass konsistente Messergebnisse garantiert sind. Auf diese Weise ist es möglich, an die Langlöcher oder Ovallöcher oder an gegebenenfalls mit diesen schon leitend verbundene Adapter oder Konnektoren lediglich noch Messkabel anzuschließen, anstatt in aufwändiger Weise weitere Messvorrichtungen und deren Aufsätze vorzusehen, die in die Transmissionskanäle einzuführen sind. Durch diese Maßnahme ergibt sich neben einer Erhöhung der Messgenauigkeit eine Ersparnis in der Komplexität und dem Aufwand beim Bau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.In the power measuring device according to the invention, a part of the housing is used as a loop or antenna, so that consistent measurement results are guaranteed. In this way, it is possible to connect to the slots or oval holes or optionally with this already conductively connected adapter or connectors only measuring cable, rather than consuming to provide more measuring devices and their essays, which are to be inserted into the transmission channels. As a result of this measure, in addition to an increase in the measuring accuracy, there is a saving in the complexity and complexity of constructing the device according to the invention.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Schnittdarstellung,
- Fig. 2
- eine perspektivische schematische Darstellung eines Gehäuseformkörpers der erfindungsgemäßen Vorrich- tung,
- Fig. 3
- eine perspektivische schematische Darstellung der Vor- richtung im zusammengesetzten Zustand mit HF- Generator,
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung eines bekannten Leis- tungssensors mit einer Koppelschleife und
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä- ßen Leistungssensors.
- Fig. 1
- a device according to the invention in a schematic sectional view,
- Fig. 2
- a perspective schematic representation of a housing shaped body of the device according to the invention,
- Fig. 3
- a perspective schematic representation of the device in the assembled state with RF generator,
- Fig. 4
- a schematic representation of a known power sensor with a coupling loop and
- Fig. 5
- a schematic representation of a power sensor according to the invention.
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente bzw. entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird.In the following figures, identical or similar elements or corresponding parts are provided with the same reference numerals, so that a corresponding renewed idea is dispensed with.
Vom Einkopplungshohlraum 3 führt ein geschwungener bzw. S-förmiger Hohlleiter als Transmissionskanal 5 zu einem ersten Port 8 eines Zirkulators 6 mit drei im Winkelabstand von 120° zueinander angeordneten Ports 8, 9, 12. Vom zweiten Port 9 führt ein weiterer bzw. geschwungener S-förmiger Transmissionskanal 10 zu einer Ausgangsöffnung 11, an die ein (hier nicht dargestellter) Verbraucher angeschlossen werden kann. Der erste und zweite Transmissionskanal 5, 10 hat jeweils vorzugsweise eine Länge von etwa λ/4, so dass eine rein reelle Wellenwiderstandstransformation durch die Hohlleiter 5, 10 eingestellt wird. Dieses führt zu einer optimalen Anpassung der Impedanzen des Hohlleiters 10 an den Wellenwiderstand des Verbrauchers bzw. des Hohlleiters 5 an den Wellenwiderstand des Einkoppelhohlraums 3.From the
Vom dritten Port 12 des Zirkulators 6 führt ein dritter Transmissionskanal 13 zu einem mittig angeordneten Leistungsteiler 14 in Form einer Blende 14a, die mittig in die Querschnittsfläche des Transmissionskanals 13 hineinragt. Das darin beaufschlagte elektromagnetische Feld wird durch eine im Leistungsteiler 14 angeordnete Blende 14a in zwei gleiche Anteile aufgespaltet und über zwei seitlich angeordnete Transmissionskanäle 15, 16 zu zwei Wasserlasten 17, 18 geführt.From the
Der Zirkulator 6 weist flache zylindrische Mikrowellen-Ferrite 7 auf. Das Magnetfeld der Ferrite 7 und des Zirkulators 6 weisen in die Bildebene hinein. Aufgrund dieser Bauweise bzw. Anordnung liegen die schmalen Seiten der Transmissionskanäle 5, 10, 13 und der Zirkulator 6 in einer gemeinsamen Ebene.The
Elektromagnetische Wellen, die aus einem Magnetron 28 in den Einkoppelhohlraum 3 eingestrahlt werden, gelangen über den S-förmigen Transmissionskanal 5, der als Widerstandstransformator zur Impedanzanpassung eine Länge von λ/4 hat, zum ersten Port 8 des Zirkulators 6. Im Zirkulator 6 werden die elektromagnetischen Wellen unter geringen Verlusten vom ersten Port 8 um 60° zum zweiten Port 9 abgelenkt und gelangen über den sich daran anschließenden S-förmigen Transmissionskanal 10 und die Ausgangsöffnung 11 zu einem nicht dargestellten Verbraucher.Electromagnetic waves coming from a
Falls wegen einer Fehlanpassung oder einer Änderung der Leistungsaufnahme des Verbrauchers die Impedanzanpassung nicht optimal ist, wird ein Teil der Leistung zum Zirkulator 6 zurück reflektiert. Diese Leistung wird um 60° von der geradlinigen Fortpflanzungsrichtung zum dritten Port 12 abgelenkt, wo sie über den Transmissionskanal 13 zum Leistungsteiler 14 und den Transmissionskanälen 15, 16 zu den Wasserlasten 17, 18 geleitet werden.If, due to a mismatch or a change in the power consumption of the load, the impedance matching is not optimal, some of the power is reflected back to the
Die Längen und die weiteren Dimensionen der Transmissionskanäle 15 und 16 sind so gewählt bzw. bestimmt, dass zwischen den beiden Wasserlasten 17, 18 eine Phasenverschiebung von 90° bzw. eine Längenverschiebung von λ/4 (oder ein ungerades ganzzahliges Vielfaches davon) auftritt, um die Reflexionsleistung optimal abzuführen. Möglicherweise von den Wasserlasten 17, 18 reflektierte Wellen durchlaufen wiederum die Transmissionskanäle 15, 16. Am Summierpunkt, dem Leistungsteiler 14, haben die reflektierten Wellen eine Phasenverschiebung von insgesamt 180°, so dass sie sich gegenseitig auslöschen.The lengths and the further dimensions of the
In die ersten, zweiten, dritten Transmissionskanäle 5, 10 und 13 sind jeweils in die Seitenwand eines Gehäuseformkörpers Langlöcher 19, 20, 21 von Leistungsmonitoren 22, 23, 24 eingelassen.In the first, second,
Im Zirkulator 6 ist das Magnetfeld senkrecht zur Zeichenebene angeordnet. Üblicherweise ist die Richtung des Magnetfelds, das aus einem Magnetron 28 (vgl.
Zusätzlich zu der Schnittdarstellung von
In die Wände der Transmissionskanäle 5, 10, 13 sind jeweils Öffnungen in Form von Langlöchern 19, 20, 21 für Leistungsmonitore 22, 23, 24 eingelassen. Jeweils mittig an einer der langen Innenseiten der Langlöcher 19, 20, 21 sind Kontakte 25, 26, 27 für Sensor-Anschlüsse 25a, 26a, 27a leitend angebracht, an die jeweils eine Leitung eines Koaxialkabels angeschlossen wird. Die Langlöcher 19, 20, 21 sind mit ihrer längeren Ausdehnung jeweils in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen angeordnet. In dieser Ausrichtung der Langlöcher 19, 20, 21 wird bei gegebenen geometrischen Abmessungen der Transmissionskanäle 5, 10, 13 der jeweils maximale Kopplungskoeffizient erzielt.Openings in the form of
An den Seitenwänden der Vorrichtung 1 befinden sich Aussparungen an den Orten der Leistungsmonitore 22, 23, 24, in denen die Anschlüsse 25a, 26a, 27a für die Sensoren gezeigt sind. Ebenfalls sichtbar sind Anschlüsse 17b, 18b für die Wasserlasten 17, 18.On the side walls of the
In
Die zeitliche Veränderung des magnetischen Feldes induziert einen Stromfluss im Koaxialkabel 29. Die Stärke des Induktionsstromes hängt von der Größe der umschlossenen Fläche, der Geschwindigkeit der zeitlichen Änderung, der Stärke des elektromagnetischen Wechselfeldes und von der relativen Orientierung der umschlossenen Fläche und des elektromagnetischen Wechselfeldes ab. Darum wird üblicherweise durch Drehung des Koaxialkabels 29 bzw. dessen Innenrohr 30 die Ausrichtung der umschlossenen Fläche auf die lokale Ausrichtung des Feldes angepasst. Die kleinste Abschwächung wird erreicht, wenn die Feldvektoren des Wechselfeldes an der Stelle der Schleife senkrecht auf die umschlossene Fläche stehen. Der Abschwächungsfaktor hängt empfindlich von der Ausrichtung der Innenleitung 30 ab.The change in the magnetic field over time induces a current flow in the
Im Gegensatz dazu besteht die in
In der gezeigten Anordnung sind Innenleitung 30 und Abschirmung 32 des Koaxialkabels 29 beispielsweise als Adapter oder Konnektor fest an der Öffnung 19 angeordnet, so dass jeweils reproduzierbare Leistungsmessungen möglich sind. Die Herstellung von Langlöchern ist mit sehr geringem Aufwand in einfacher Frästechnik möglich. Im Gegensatz zur in
Mit der erfindungsgemäßen Hohlleiter-Einkoppel- und Übertragungsvorrichtung 1 wird der für eine Magnetron-Antenne wirksame Eingangswiderstand ohne zusätzliche Komponenten bei allen vorkommenden Anpassverhältnissen annähernd konstant gehalten. Mit dem integrierten Zirkulator wird ein baulich kompakter Launcher erzielt. Stromübertragende mechanische Verbindungsstellen entfallen vollständig, wodurch eine ausgezeichnete Hochfrequenzdichtigkeit ohne Löt- oder Schweißverbindungen auch ohne Einteiligkeit des Gehäuses erzielt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für Frequenzen oberhalb einiger hundert MHz bis einige GHz geeignet. Der maximale Leistungsbereich ist abhängig von der Betriebsfrequenz bis zu 100 kW im Dauerstrichbetrieb. Die maximal zulässige pulsleistung kann um ein Vielfaches höher liegen.With the waveguide coupling and
- 11
- Hohlleiter-Einkopplungs- und ÜbertragungsvorrichtungWaveguide coupling and transmission device
- 22
- Gehäusecasing
- 2a, 2b2a, 2b
- GehäuseformkörperHousing moldings
- 33
- Mikrowellen-EinkopplungshohlraumMicrowave Einkopplungshohlraum
- 44
- Öffnung für AntenneOpening for antenna
- 55
- Transmissionskanaltransmission channel
- 66
- Zirkulatorcirculator
- 77
- Ferritferrite
- 8, 98, 9
- erster und zweiter Zirkulator-Portfirst and second circulator port
- 1010
- Transmissionskanaltransmission channel
- 1111
- Ausgangsöffnung zum VerbraucherExit opening to the consumer
- 1212
- dritter Zirkulator-Portthird circulator port
- 1313
- Transmissionskanaltransmission channel
- 1414
- Leistungsteilerpower splitter
- 14a14a
- Blendecover
- 15, 1615, 16
- Transmissionskanäletransmission channels
- 17, 1817, 18
- Wasserlastenwater loads
- 17a, 18a17a, 18a
- Rohre und WasserlastenPipes and water loads
- 17b, 18b17b, 18b
- Anschlüsse für die WasserlastenConnections for the water loads
- 19, 20, 2119, 20, 21
- Öffnungen für LeistungsmonitoreOpenings for power monitors
- 22, 23, 2422, 23, 24
- Leistungsmonitoreperformance monitors
- 25; 26, 2725; 26, 27
- Kontaktstellen für SensorenContact points for sensors
- 25a, 26a, 27a25a, 26a, 27a
- Sensor-AnschlüsseSensor ports
- 2828
- Magnetronmagnetron
- 2929
- Koaxialkabelcoaxial
- 3030
- Innenleitunginside line
- 3131
- Isolierschichtinsulating
- 3232
- leitende Abschirmungconductive shielding
Claims (12)
- A hollow-conductor injection and transmission apparatus (1) for electromagnetic waves, particularly microwaves, including an injection cavity (2) provided with an antenna inlet opening (4), a circulator (6), a load-receiving arrangement (14, 15, 16, 17, 17a, 17b, 18, 18a, 18b), an outlet opening (11), a first transmission passage (5) between the injection cavity (3) and the circulator (6), a second transmission passage (10) between the circulator (6) and the outlet opening (11) and a third transmission passage (13) between the circulator (6) and the load-receiving arrangement (14, 15, 16, 17, 17a, 17b, 18, 18a, 18b), characterised in that the load-receiving arrangement (14, 15, 16, 17, 17a, 17b, 18, 18a, 18b) has at least two load-receiving devices (17, 18), wherein provided between the at least two load-receiving devices (17, 18) there is a power splitting device (14), wherein the at least two load-receiving devices, (17, 18) are connected by a hollow conductor (15, 16), wherein the geometrical dimensions of the hollow conductor (15, 16) and the arrangement of the load-receiving devices (17, 18) result, during the injection of electromagnetic waves, in a phase shift of 90° with respect to the wavelength of the hollow conductor (15, 16) between the load-receiving devices (17, 18).
- Apparatus (1) as claimed in claim 1, characterised in that the at least two load-receiving devices (17, 18) have the same capacity for absorbing power.
- Apparatus (1) as claimed in claim 1 or 2, characterised in that a predetermined spacing of the two load-receiving devices (17, 18) or a predetermined distance between at least one load-receiving device (17, 18) and the power splitting device (14) is adjustable, particularly by means of a phase adjustment element.
- Apparatus (1) as claimed in one of claims 1 to 3, characterised in that at least one of the load-receiving devices (17, 18) is a water load or a load based on another fluid which absorbs electromagnetic fields, which in particular is passed through a tube (17a, 18a) of an electrically insulating material, preferably quartz glass.
- Apparatus (1) as claimed in one of claims 1 to 4, characterised in that at least one of the load-receiving devices (17, 18) includes a tube (17a, 18a) of material which absorbs microwaves, through the interior of which a cooling fluid and/or a fluid which absorbs microwaves may be conducted.
- Apparatus (1) in accordance with the preamble of claim 1 or as claimed in one of claims 1 to 5, characterised in that when feeding an electromagnetic field into the apparatus (1) a stationary magnetic field prevails in the circulator (6) which is orientated substantially perpendicular to the direction of the E-field component of the electromagnetic field in the transmission passages (5, 10, 13).
- Apparatus (1) in accordance with the preamble of claim 1 or as claimed in one of claims 1 to 6, characterised in that the injection cavity (3), the first transmission passage (5), the circulator (6) and the second transmission passage (10) are arranged in a, preferably common, housing (2).
- Apparatus (1) as claimed in claim 7, characterized in that the third transmission passage (13) and the load-receiving arrangement (14, 15, 16, 17, 17a, 17b, 18, 18a, 18b) are additionally arranged in the housing (2).
- Apparatus (1) as claimed in claim 7 or 8, characterised in that the housing (2) includes two shaped housing bodies (2a, 2b).
- Apparatus (1) as claimed in claim 9, characterised in that the shaped housing bodies (2a, 2b) are substantially mirror symmetrical.
- Apparatus (1) as claimed in claim 9 or 10, characterised in that a boundary surface of the shaped housing bodies (2a, 2b) extends through a wide side of the transmission passages (5, 10, 13).
- Apparatus (1) as claimed in the preamble of claim 1 or as claimed in one of claims 1 to 11, characterised in that arranged or mountable in or on at least one of the transmission passages (5, 10, 13) is at least one power measuring device (19, 20, 21), which includes a coaxial conductor (29) and a housing opening (22, 23, 24) to the transmission passage (5, 10, 13), wherein the core (30) of the coaxial conductor (29) is conductively connected to the internal periphery of the housing opening (22, 23, 24).
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