DE1115798B - Coupling arrangement with a phase directional coupler and application for measuring purposes - Google Patents

Description

INTERNAT. KL. H Ol PINTERNAT. KL. H Ol P

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

N16707 IXd/21a⁴ N16707 IXd / 21a ⁴

ANMELDETAG: 12. MAI 1959REGISTRATION DATE: MAY 12, 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 26. OKTOBER 1961NOTICE THE REGISTRATION AND ISSUE OF THE EDITORIAL: OCTOBER 26, 1961

Die Erfindung betrifft eine Kopplungsanordnung mit einem Phasenrichtkoppler, bei der eine breitbandige Kopplung erzielt wird und die insbesondere für ein Meßgerät zur breitbandigen Impedanzmessung und direkten Anzeige der Impedanz geeignet ist.The invention relates to a coupling arrangement with a phase directional coupler, in which a broadband Coupling is achieved and in particular for a measuring device for broadband impedance measurement and direct display of the impedance is suitable.

Die bekannten Phasenrichtkoppler bestehen aus zwei sich kreuzenden Wellenleitern, die über ein Koppelloch miteinander gekoppelt sind. Es ist bei Hohlraumresonatoren bereits bekanntgeworden, die Rückkopplungsschleife aus zwei nebeneinanderliegenden, eine gemeinsame Wand aufweisenden Wellenleitern aufzubauen, wobei zwischen diesen Wellenleitern in der gemeinsamen Wandung ein Koppelloch angeordnet ist, das durch eine drehbare Segmentscheibe bezüglich seiner Größe geändert werden kann. Durch die Bewegung der Scheibe wird der Kopplungsgrad geändert, so daß die Rückkopplung von Hand einstellbar und damit die Selbsterregung aufrechterhaltbar ist. Bei dem bekannten Hohlraumresonator handelt es sich um die Kopplung einer einzigen bestimmten Frequenz. Eine breitbandige Kopplung ist bei diesem bekannten Resonator nicht zu erzielen.The known phase directional couplers consist of two intersecting waveguides that have a Coupling hole are coupled together. It has already become known in cavity resonators that Feedback loop made up of two waveguides lying next to one another and having a common wall build, with a coupling hole between these waveguides in the common wall is arranged, which can be changed in size by a rotatable segment disc. The degree of coupling is changed by the movement of the disk, so that the feedback is manual adjustable and thus self-excitation can be maintained. In the known cavity resonator it is the coupling of a single specific frequency. A broadband coupling is cannot be achieved with this known resonator.

Die Erfindung kann insbesondere dazu dienen, bei zwei sich kreuzenden, durch ein Koppelloch miteinander gekoppelten Wellenleitern die Ausgangsspannung des zweiten Wellenleiters proportional dem an dem ersten Wellenleiter zwischen der Hochfrequenzquelle und dem Meßobjekt vorhandenen Reflexionsfaktor zu halten. In diesem Fall kann nämlich die Ausgangsspannung direkt als Maß für den Reflexionsfaktor dienen, so daß durch Messung und Anzeige der Ausgangsspannung der Reflexionsfaktor direkt abgelesen werden kann.In particular, the invention can be used for two intersecting one another through a coupling hole coupled waveguides, the output voltage of the second waveguide is proportional to the the first waveguide between the high frequency source and the object to be measured reflection factor to keep. In this case, the output voltage can be used directly as a measure of the reflection factor serve so that by measuring and displaying the output voltage, the reflection factor directly can be read.

Bei den bisher verwendeten Methoden zur direkten Anzeige und Messung der komplexen Impedanz eines Wellenleiters im Mikrowellenbereich zwischen 1000 und 20000 Mikrometern auf der Smithschen Ebene wird entweder ein rein elektrisches oder ein elektromagnetisches Prinzip angewendet. Bei der elektromagnetischen Methode werden elektrische und mechanische Methoden in Kombination angewendet. Während die erstgenannte Methode wegen ihres umfangreichen Aufbaus für tragbare Geräte nicht geeignet ist, hat die letztere den Nachteil größerer Schwierigkeiten in ihrem Servo- und Umdrehungssystem. Die beiden Methoden lassen wegen ihrer Meßungenauigkeit und ihres schmalen Frequenzbereiches noch viel zu wünschen übrig. Eine direkte, genaue Impedanzanzeige durch Zeitablenkung (in einem gewissen Frequenzbereich) mittels eines Wobbeloszillators ist bei den bisher bekannten Methoden nicht möglich. Erfindungsgemäß wird bei einer Kopplungsanord-Kopplungsanordnung With the methods used so far for the direct display and measurement of the complex impedance of a Waveguide in the microwave range between 1000 and 20,000 micrometers on the Smith's plane either a purely electrical or an electromagnetic principle applied. With the electromagnetic Method, electrical and mechanical methods are used in combination. While the the former method is not suitable for portable devices because of its extensive structure the latter has the disadvantage of greater difficulty in its servo and rotation system. The two Because of their measurement inaccuracy and their narrow frequency range, methods still permit a great deal to be desired. A direct, accurate impedance display through time deflection (in a certain frequency range) using a wobble oscillator is not possible with the previously known methods. According to the invention in a coupling arrangement coupling arrangement

mit einem Phasenrichtkopplerwith a phase directional coupler

und Anwendung für Meßzweckeand use for measurement purposes

Anmelder:Applicant:

NipponNippon

Telegraph & Telephone Public Corporation, TokioTelegraph & Telephone Public Corporation, Tokyo

Vertreter: Dipl.-Ing. A. BoshartRepresentative: Dipl.-Ing. A. Boshart

und Dipl.-Ing. W. Jackisch, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. W. Jackisch, patent attorneys,

Stuttgart N, Am Kräherwald 93Stuttgart N, Am Kräherwald 93

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Japan vom 13. Mai (Nr. SH. 033-13095/58) und 10. Dezember 1958 (Nr. SH. 033-35287/58)Japan May 13 (No. SH. 033-13095 / 58) and December 10, 1958 (No. SH. 033-35287 / 58)

Shoji Tsuchiya, Tokio, ist als Erfinder genannt wordenShoji Tsuchiya, Tokyo, has been named as the inventor

nung der eingangs erwähnten Art in dem Koppelloch eine um die Mittelachse des Koppelloches rotierende Koppelscheibe oder -schleife angeordnet und an einer Seite des Ausgangswellenleiters ein Bandfilter angeschlossen, während die andere Seite des Ausgangswellenleiters reflexionsfrei abgeschlossen ist und die Mittelfrequenz des Bandfilters ist gleich der doppelten Umdrehungsfrequenz der Koppelscheibe bzw. -schleife.tion of the type mentioned in the coupling hole rotating around the central axis of the coupling hole Coupling disk or loop arranged and a band filter connected to one side of the output waveguide, while the other side of the output waveguide is closed reflection-free and the The center frequency of the band filter is equal to twice the frequency of rotation of the coupling disc or loop.

Das Koppelloch kann in Form eines Schlitzes oder hanteiförmig ausgebildet sein.The coupling hole can be designed in the form of a slot or in the shape of a dumbbell.

Bei Anwendung dieser Kopplungsanordnung zur breitbandigen Messung und Anzeige der Impedanz ist dem Bandfilter ein Detektor vorgeordnet und diesem ein Entzerrer vorgeschaltet. Die Ausgangsspannung des Bandfilters wird auf einen Oszillographen gegeben. Vorzugsweise ist der reflexionsfreie Abschluß mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz bewegbar. When using this coupling arrangement for broadband measurement and display of the impedance there is a detector upstream of the band filter and an equalizer upstream of it. The output voltage of the band filter is applied to an oscilloscope. Preferably the anechoic closure movable with a certain amplitude and frequency.

109 710/373109 710/373

Der Kopplungskoeffizient dieser Anordnung ist frequenzunabhängig und weist das Merkmal auf, daß bei der Detektion von stehenden Wellen in einem breiten Band kein Frequenzfehler auftritt. Hierdurch wird die Verwendung eines Wobbeloszillators ermöglicht. Der Frequenzbereich des Gerätes beträgt etwa ±10% der Mittelfrequenz, wobei die Meßungenauigkeit des Reflexionsfaktors und der Phase unter ±0,3 % bleibt.The coupling coefficient of this arrangement is frequency-independent and has the feature that no frequency error occurs in the detection of standing waves in a broad band. Through this the use of a wobble oscillator is made possible. The frequency range of the device is approximately ± 10% of the center frequency, with the measurement inaccuracy of the reflection factor and the phase below ± 0.3% remain.

Die vorgehend erwähnten Kopplungsanordnungen haben folgende Vorteile:The coupling arrangements mentioned above have the following advantages:

1. Das Koppelloch kann so gebaut werden, daß es für die Umdrehung mit einer hohen Geschwindigkeit geeignet ist.1. The coupling hole can be built so that it can rotate at a high speed suitable is.

2. Der Detektor ist mit dem Wellenleiter fest verbunden, und eine Fehlanzeige durch die Fehlanpassung tritt nicht auf.2. The detector is firmly connected to the waveguide, and a false indication due to the mismatch does not occur.

3. Es werden nur geringe Störungen im Stromkreis erzeugt.3. Only minor disturbances are generated in the circuit.

4. Die Regelung ist nicht kritisch.4. The scheme is not critical.

5. Die Anordnung ist kompakt und leicht aufzubauen. 5. The arrangement is compact and easy to assemble.

An Hand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Koppelloch in Form eines Schlitzes mit abgerundeten Ecken;Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the invention with a coupling hole in the form of a slot with rounded corners;

Fig. 2 stellt die Vergrößerung des in Fig. 1 gezeigten Wellenleiterteiles dar;Fig. 2 shows the enlargement of the waveguide part shown in Fig. 1;

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Richtkopplers mit einer hanteiförmigen Form des Koppelloches;Fig. 3 shows an embodiment of an inventive Directional coupler with a dumbbell-shaped coupling hole;

Fig. 4 stellt eine Vergrößerung eines Ausschnittes der Fig. 3 dar;FIG. 4 shows an enlargement of a section of FIG. 3;

Fig. 5 zeigt ein hanteiförmiges Koppelloch.Fig. 5 shows a dumbbell-shaped coupling hole.

Der primäre Wellenleiter 1 in Fig. 1 ist mit einer Hochfrequenzquelle auf einer Seite und dem Meßobjekt auf der anderen Seite versehen. Der sekundäre Wellenleiter 2 kreuzt sich mit dem Wellenleiter 1 rechtwinklig, wobei die Oberflächen der beiden Wellenleiter sich berühren. Das Koppelloch 3 zwischen den beiden Flächen befindet sich auf der Diagonale der einander berührenden gemeinsamen Flächen. Das Loch ist so gebohrt, daß sich die hier eingesetzte Scheibenkupplung um die Achse des Loches drehen kann. Diese Scheibenkupplung wird durch einen Motor mit einer gewissen konstanten Geschwindigkeit getrieben. Die reflexionsfreie Endung 4 dient der Absorption der Reflexionswellen, die aus den nicht gewünschten Wellen bestehen und durch die Fehlanpassung erzeugt werden. Das Verhältnis der stehenden Wellen des Detektors ist dadurch so gering, daß es kaum Bedeutung hat. Das Dämpfungsglied 5 dient zur Verbesserung des Frequenzganges des Koppelkoeffizienten. Da der Kopplungsgrad wegen der durch die Resonanz und die Wanddicke des Koppelloches bestimmten Dämpfung etwa frequenzabhängig ist (der Kopplungsgrad wächst mit zunehmender Frequenz), wird die Dämpfung mit wachsender Frequenz größer, um eine Änderung des Kopplungsgrades zu vermeiden. Der quadratische Detektor 6 dient zur Messung der Ausgangsleistung. Er kann durch einen Metalldetektor oder Baretter, Thermitter u. dgl. ersetzt werden. Die Mittelfrequenz des Bandfilters 7 ist doppelt so groß wie die Drehzahl des Koppelloches. Durch dieses Filter werden die Fehler, die durch die Kopplung von elektrischen Feldern der primären und sekundären Wellenleiter verursacht werden, und die Fehler, die durch die quadratische Kennlinie des Detektors entstehen, sowie die auf die Breitbandigkeit zurückzuführenden Fehler eliminiert. Der Wechselstromverstärker 8 ist linear. Mit 9 ist der Oszillograph der Braunschen Röhre bezeichnet. Die Impedanz wird auf dem Bildschirm dargestellt, so daß sie direkt abgelesen werden kann. An die vertikalen Ablenkplatten des Oszillographen wird die Ausgangsleistung des Verstärkers 8 direkt, an die horizontalen Ablenkplatten die um 90° phasenverschobene Ausgangsleistung angelegt. Die Steuergitter erhalten kurze positive Impulse mit gleichmäßigem Abstand. Die Impulse sind mit der doppelten Umdrehungsfrequenz des Koppelloches synchronisiert zur Helligkeitsmodulation, die auf dem Bildschirm als helle Punkte erscheint.The primary waveguide 1 in Fig. 1 is with a high frequency source on one side and the measurement object provided on the other side. The secondary waveguide 2 intersects with the waveguide 1 at right angles, with the surfaces of the two waveguides touching. The coupling hole 3 between the two surfaces is on the diagonal of the mutually touching common surfaces. That The hole is drilled in such a way that the disc coupling used here rotates around the axis of the hole can. This disc clutch is driven by a motor with a certain constant speed driven. The reflection-free ending 4 is used to absorb the reflection waves that come from the not desired waves exist and are generated by the mismatch. The ratio of the standing The detector waves are so small that it is of little importance. The attenuator 5 serves to improve the frequency response of the coupling coefficient. Since the degree of coupling is due to the attenuation determined by the resonance and the wall thickness of the coupling hole is approximately frequency-dependent (the degree of coupling increases with increasing frequency), the attenuation increases with increasing frequency, in order to change the To avoid degree of coupling. The square detector 6 is used to measure the output power. It can be replaced by a metal detector or beret, thermostat and the like. The center frequency of the band filter 7 is twice as large as the speed of the coupling hole. With this filter, the Errors caused by the coupling of electrical fields of the primary and secondary waveguides and the errors caused by the quadratic characteristic of the detector, as well as eliminates the errors due to the broadband. The AC amplifier 8 is linear. The oscilloscope of the Braun tube is designated by 9. The impedance is shown on the screen shown so that it can be read directly. To the vertical deflection plates of the oscilloscope the output power of the amplifier 8 is direct, to the horizontal baffles the 90 ° phase shifted Output power applied. The control grids receive short positive impulses with a steady flow Distance. The pulses are synchronized with twice the rotational frequency of the coupling hole for brightness modulation, which appears on the screen as bright points.

Als Form des Koppelloches 3 ist ein abgerundeter oder hanteiförmiger Schlitz vorgesehen, um die kleinste Kopplung des elektrischen Feldes zu erreichen, indem nur eine magnetische Kopplung verwendet wird.As the shape of the coupling hole 3, a rounded or dumbbell-shaped slot is provided around the Achieve smallest coupling of the electric field by using only one magnetic coupling will.

Nachstehend wird erläutert, wie diese Anordnung als direktes Impedanzanzeigeinstrument mit möglichst geringen Fehlern innerhalb eines breiten Frequenzbandes arbeitet.The following explains how this arrangement can be used as a direct impedance display instrument with as possible small errors within a wide frequency band.

An Hand der Zeichnungen wird zuerst die Wirkungsweise des Koppelteiles der Spezialwellenleiter, des wichtigsten Teiles der Erfindung, erklärt. In Fig. 2 sind die längere und die kürzere Seite der beiden Wellenleiter jeweils mit 2a bzw. 2b angegeben (einfachheitshalber werden die gleichen Maße für die beiden Wellenleiter angenommen). Die beiden Wellenleiter kreuzen sich rechtwinklig, indem sich ihre Flächen mit der längeren Seite berühren, und auf ihrer gemeinsamen Diagonale befindet sich der Mittelpunkt des Koppelloches. Damit ist X₁₀ = X₂₀. Using the drawings, the mode of operation of the coupling part of the special waveguide, the most important part of the invention, is first explained. In Fig. 2, the longer and the shorter side of the two waveguides are each indicated by 2a and 2b (for the sake of simplicity, the same dimensions are assumed for the two waveguides). The two waveguides cross at right angles in that their surfaces touch with the longer side, and the center of the coupling hole is located on their common diagonal. So X ₁₀ = X ₂₀ .

Dann wird der Wert des elektromagnetischen Feldes in der Mitte des Koppelloches von der Welle H₀₁ innerhalb des primären Wellenleiters wie folgt:Then the value of the electromagnetic field in the center of the coupling hole from the wave H ₀₁ inside the primary waveguide is as follows:

E_Z1 = -j E _Z1 = -j

Hx₁=JHx ₁ = J

^2a2a

^2a2a

der Leitung, die dieser entspricht, Xg₀ ist, gilt folgende nung als [<5|³ gegen 1 vernachlässigt wird, dann ist Formel:the line that corresponds to this is Xg ₀ , the following statement applies as [<5 | ³ versus 1 is neglected, then the formula is:

AaAa

dabei istis there

außerdemaside from that

lala

Xn ^1(1 Xn ^ 1 (1

(J)(J)

Aa 2aAa 2a

Aa π (x₀ + a) Aa π (x ₀ + a)

φ 1-0+ <5². (9)φ 1-0 + <5 ² . (9)

10 — ^Λ20 510 - ^Λ 20 5

Δ XgΔ Xg

(8) Wenn in die Formel (6) die Formel (9) eingesetzt wird, bekommt man das folgende Ergebnis (es wird (8) If the formula (9) is substituted into the formula (6), the following result is obtained (it becomes

dabei der Ausdruck von höherem Grad als ^~ gegen 1thereby the expression of a higher degree than ^ ~ against 1

Wenn <5j <0,15 und der Ausdruck höherer Ord- 15 vernachlässigt):If <5j <0.15 and the term higher order 15 is neglected):

P₂ = K \ -J[I + R e-'^2e -J6' sin 2 <9]]² P₁, P₃,' = K -j (10) P ₂ = K \ -J [I + R e- ' ^2e -J6' sin 2 <9]] ² P ₁ , P ₃ , '= K -j (10)

wobei δ' = δ(ΐ ΛΓ ist der Kopplungsgrad des Koppellocheswhere δ '= δ (ΐ ΛΓ is the degree of coupling of the coupling hole

π Μ sin π Μ sin

π X₀ π X ₀

10 Ig₁₀ # = 20Ig₁ 10 Ig ₁₀ # = 20 Ig ₁

(db). (11) Da dieser Ausdruck die Frequenz nicht enthält, ist es klar, daß K ungeachtet der Frequenz immer konstant ist.(db). (11) Since this term does not include frequency, it is clear that K is always constant regardless of frequency.

Weiter sei i? = \R\ e?». Wenn das Betragsquadrat der Formel (10) berechnet wird, erweist es sich, daß P₂, P₂' denselben Wert haben (wobei der AusdruckFurther be i? = \ R \ e? ». When the square of the magnitude of the formula (10) is calculated, it turns out that P ₂ , P ₂ 'have the same value (where the expression

höheren Grades als ^L~~ gegen 1 vernachlässigt ist) :higher degree than ^L ~~ is neglected against 1):

= P₂ = K[I = P ₂ = K [I.

R\² + 2\R cos (i/-20) + δ' i?:cos5?-<5' i?[ cos (i? - 40)] P₁. R \ ² + 2 \ R cos (i / -20) + δ ' i?: Cos5? - <5' i? [Cos (i? - 40)] P ₁ .

(12)(12)

Wenn der Übertragungsfaktor des Detektors, der an den sekundären Wellenleiter gekoppelt ist, als quadratisch anzunehmen ist, dann nimmt die Ausgangsspannung die gleiche Form wie die gemäß Formel (12) an. Daher ist die AusgangsspannungIf the transfer factor of the detector coupled to the secondary waveguide is than is to be assumed quadratically, then the output voltage takes the same form as that according to Formula (12). Hence the output voltage

= k P, = k = k P, = k

2 ■> 2 ■>

(13)(13)

wobei k die Proportionalitätskonstante ist.where k is the constant of proportionality.

Es kann also weiterhin die Formel (12) diskutiert werden. Die Quantität, die jetzt erörtert wird, ist nur der dritte Ausdruck der Formel (12). Der erste, zweite, vierte und fünfte Ausdruck, die ö' enthalten und leicht zu Fehlern führen, sind nicht nötig und können vernachlässigt werden.The formula (12) can therefore still be discussed. The quantity now discussed is only the third expression of formula (12). The first, second, fourth and fifth expressions, which contain ö ' and which are easy to lead to errors, are not necessary and can be neglected.

Wenn das Koppelloch mit einer gewissen Geschwindigkeit gedreht wird, beispielsweise mit ρ U/sec, dann istIf the coupling hole is rotated at a certain speed, for example with ρ rev / sec, then is

45 frequenz gewobbelt und die Periode der Wobbelung n je Sekunde ist, dann werden: 45 frequency swept and the period of the sweep is n per second, then:

der erste Ausdruck .... Gleichstromkomponente the first term .... DC component

der zweite und viertethe second and fourth

Ausdruck Wechselstromkomponente mit der Periode von n und seinen harmonischen WellenTerm alternating current component with the period of n and its harmonic waves

der dritte Ausdruck ... Wechselstromkomponente mit der Mittelfrequenz von 2p the third term ... AC component with the center frequency of 2p

der fünfte Ausdruck ... Wechselstromkomponente mit der Mittelfrequenz von Ap und seinen harmonischen Wellen als ihren Seitenbändernthe fifth term ... AC component with the center frequency of Ap and its harmonic waves as their sidebands

55 Also wenn55 So if

Θ = 2npt. Θ = 2npt.

(H) (15) (H) (15)

Wenn die Bedingungen der Formel (14) in die Formel (12) eingesetzt werden, ergibt sich:If the conditions of formula (14) are substituted into formula (12), we get:

n-^p (15) n- ^ p (15)

und wenn die Hochfrequenz nicht gewobbelt ist, werden die Ausdrücke 1, 2 und 4 der Formel (12) zur Gleichstromkomponente, und der dritte und fünfte geben jeweils die Wechselstromkomponente mit der Frequenz von 2p und Ap an. Wenn dagegen die Hoch- und wenn man die Ausgangsleistung an dem Bandfilter abnimmt, dessen mittlere Frequenz 2p und die Breite des Bandes beispielsweise ±5« ist, dann kann man auf alle Fälle lediglich den dritten Ausdruck der Formel (12) herausziehen, und deshalb können alle Fehler eliminiert werden. Wenn die Ausgangsleistung mit F bezeichnet wird, dann istand when the high frequency is not swept, the expressions 1, 2 and 4 of the formula (12) become the DC component, and the third and fifth respectively indicate the AC component having the frequency of 2p and Ap . If, on the other hand, the high power and the output power are decreased at the band filter, the mean frequency of which is 2p and the width of the band is, for example, ± 5 ”, then in any case only the third expression of the formula (12) can be extracted, and therefore can all errors are eliminated. If the output power is denoted by F, then is

F₀ = k K2 \R\ cos(i? — 2π· 2Pt)P₁. (16)F ₀ = k K2 \ R \ cos (i? - 2π · 2Pt) P ₁ . (16)

Durch die Verwendung eines Bandfilters kann man den mit dem δ' verbundenen Ausdruck, der die FehlerBy using a band filter one can obtain the expression associated with the δ ' which gives the error

wobei P₁ = elektrische Kraft der fortschreitendenwhere P ₁ = electrical force of the advancing

Wellen in dem primären Wellenleiter,
μ = Kapazität der magnetischen Induktion, ω — 2 π f, f = Frequenz,Waves in the primary waveguide,
μ = capacity of magnetic induction, ω - 2 π f, f = frequency,

s Xg = Wellenlänge im Rohr gegen /, s Xg = wavelength in the pipe against /,

R = Reflexionsfaktor der Spannung der Belastung am Mittelpunkt des Koppelloches und R = R e'". R = reflection factor of the voltage of the load at the center of the coupling hole and R = R e '".

In der Ausführung wird nur die elektromagnetische Kopplung durch H_X1, H₂ in Betracht gezogen, da die Kopplung von elektrischen Feldern im Vergleich zu der elektromagnetischen Kopplung sehr klein und ungeachtet des unten zu nennenden Winkels Θ immer konstant ist und sich daher nach der Detektion durch das Bandfilter leicht eliminieren und deshalb vernachlässigen läßt, wenn ein Koppelloch mit schmaler Breite und genügender Wanddicke verwendet wird. Weiter wird nur die Polarisation des Koppelloches in der längeren Achse der Betrachtung zugrunde gelegt.In the implementation, only the electromagnetic coupling through H _X1 , H _{2 is taken} into account, since the coupling of electric fields is very small compared to the electromagnetic coupling and is always constant regardless of the angle Θ mentioned below and therefore continues after detection the band filter can easily be eliminated and therefore neglected if a coupling hole with a narrow width and sufficient wall thickness is used. Furthermore, only the polarization of the coupling hole in the longer axis is used as a basis for consideration.

Es werden folgende Voraussetzungen gemacht:The following requirements are made:

Die magnetische Polarisabüität des Koppelloches M The magnetic polarization of the coupling hole M

Der Winkel zwischen der längeren Achse und der Achse Z₁ Θ The angle between the longer axis and the Z ₁ Θ axis

(Die Länge der längeren Achse ist dabei relativ(The length of the longer axis is relative

kurz).short).

Das primäre Magnetfeld H₁, das auf das Koppelloch wirkt, kann wie folgt dargestellt werden:The primary magnetic field H ₁ that acts on the coupling hole can be represented as follows:

H = H_X1 sm Θ + H_zx ■ cos Θ. (2) H = H _X1 sm Θ + H _zx ■ cos Θ . (2)

Daher ist die Stärke des magnetischen Dipols m_x Hence the strength of the magnetic dipole is m _x

Ui₁=-MH. (3) Ui ₁ = -MH. (3)

Um das elektromagnetische Feld, das innerhalb des sekundären Wellenleiters durch dieses W₁ erzeugt wird, zu suchen, ist zuerst die Komponente von m_x in den Richtungen der Achsen X₂ und Z₂ zu bestimmen (diese werden mit m_Xi, m_z% bezeichnet):To find the electromagnetic field generated within the secondary waveguide by this W ₁ , first determine the component of m _x in the directions of the axes X ₂ and Z ₂ (these are denoted by m _Xi , m _z% ):

m_X2 = -Th₁ cos Θ — M (Η_χχ sin Θ + H_Z1 cos Θ) cos Θ, m_Z2 = m_x sin Θ — M (H_X1 sin Θ + H_zx cos Θ) sin Θ. m _X2 = -Th ₁ cos Θ - M (Η _χχ sin Θ + H _Z1 cos Θ) cos Θ, m _Z2 = m _x sin Θ - M (H _X1 sin Θ + H _zx cos Θ) sin Θ.

Daher können das elektrische Feld und die Strah- die Funktion g sucht, die in der Funktion ψ eingelungsleistung, die durch den magnetischen Dipol 30 schlossen ist, die die Grundwelle bestimmt. Der Wert erzeugt werden, dadurch ermittelt werden, daß man der Funktiong ist in diesem Fall wie folgt:Therefore, the electric field and the radiation can look for the function g , which in the function ψ input power, which is closed by the magnetic dipole 30, which determines the fundamental wave. The value generated can be determined by taking the function g in this case as follows:

g — m_Z2 (ω² ε μ — β²) ψ_Χ20 ± j β ήι_Χ2 g - m _Z2 (ω ² ε μ - β ² ) ψ _Χ20 ± j β ήι _Χ2

δψδψ

Jx₂ Jx ₂

ψ = COS ψ = COS

π (jc₂ + a) Ύα π (jc ₂ + a) Ύα

ω"ω "

ψχζο = cos ψχζο = cos

2α2α

δψ\δψ \

\2β\ 2β

ψ =ψ =

2j β μ D(V)2j β μ D (V)

Dabei gibt das positive Vorzeichen die Welle an, die in der positiven Richtung von z₂, und das negative Vorzeichen die Welle, die in negativer Richtung von z₂ übertragen wird. Wenn danach die Leistungen, die innerhalb des sekundären Wellenleiters abgestrahlt werden, jeweils mit P₂, P₂ bezeichnet werden, erhält man folgende Formel:The positive sign indicates the wave that is transmitted in the positive direction of z ₂ , and the negative sign the wave that is transmitted in the negative direction of z _2. If the powers that are radiated within the secondary waveguide are then designated as P ₂ , P ₂ , the following formula is obtained:

(6)(6)

-a -b-away

Wenn man in die Formel (6) die Formeln (4) und (5) einsetzt, lassen sich P₂, P₂' berechnen. Um die Rechnung zu vereinfachen und die Frequenzeigenschaften dx₂dy₂ = 2ab [ —| \2a) If the formulas (4) and (5) are inserted into the formula (6), P ₂ , P ₂ 'can be calculated. To simplify the calculation and the frequency properties dx ₂ dy ₂ = 2ab [- | \ 2a)

von P₂, P₂ zu erklären, werden die nachstehenden Werte eingeführt.
Wenn die Mittelfrequenz /₀ und die Wellenlänge inof P ₂ , P ₂ , the following values are introduced.
If the center frequency / ₀ and the wavelength in

angibt, eliminieren, und gleichzeitig werden die durch die Kopplung der elektrischen Felder entstehenden Fehler und die Fehler, die aus der quadratischen Kennlinie des Detektors resultieren, entfernt. Weil die Fehler aus der Kopplung der elektrischen Felder, ungeachtet des Θ, konstant bleiben, werden sie nach der Detektion zur Gleichstromkomponente, und die zeitliche Verschiebung wegen der quadratischen Kennlinie erzeugt 2p, und die Komponenten höherer Harmonischen werden durch das Filter unterdrückt.and at the same time the errors resulting from the coupling of the electric fields and the errors resulting from the quadratic characteristic of the detector are removed. Because the errors from the coupling of the electric fields remain constant regardless of the Θ, they become the direct current component after the detection, and the time shift due to the quadratic characteristic is generated 2p, and the higher harmonic components are suppressed by the filter.

Wie den Formeln (U), (16) entnommen werden kann, enthält die Formel von V₀ nicht die Frequenz /. Deshalb gilt die Formel (16) ungeachtet der Frequenz/ der Mikrowellen (wobei j δ < 0,15 und «<gp vorausgesetzt sind). Dieses ist der Grund dafür, daß das erfindungsmäßige Gerät für ein breites Frequenzband verwendet werden kann. Wenn man nun V₀ den vertikalen Ablenkplatten der Braunschen Röhre zuführt und, um 90° phasenverschoben, den horizontalen Ablenkplatten, nachdem man das V₀ mittels eines linearen Verstärkers verstärkt hat, bilden die hellen Punkte einen Kreis auf dem Bildschirm, dessen Radius dem Reflexionsfaktor \R\ proportional ist. Wenn ferner ein kurzer positiver Impuls bei den Werten des Winkels Θ von 0 und π auf das Steuergitter der Braunschen Röhre gegeben wird, um die Helligkeit zu modulieren, kann die Zeit η = 2 π · 2 ρ · t ermittelt werden, zu derAs can be seen from the formulas (U), (16), the formula of V ₀ does not contain the frequency /. Therefore, the formula (16) applies regardless of the frequency / the microwaves (where j δ <0.15 and «<gp are assumed). This is the reason why the device according to the invention can be used for a wide frequency band. _{If V 0} is now fed to the vertical deflection plates of the Braun tube and, with a phase shift of 90 °, the horizontal deflection plates, after the V ₀ has been amplified by means of a linear amplifier, the bright points form a circle on the screen, the radius of which corresponds to the reflection factor \ R \ is proportional. Further, if a short positive pulse is given to the control grid of the Braun tube at the values of the angle Θ of 0 and π to modulate the brightness, the time η = 2π · 2 ρ · t can be found at which

cos {η — 2 π · Ip · t) cos {η - 2 π · Ip · t)

30 am größten wird. Da sich auf diese Weise R\ und η genau ermitteln lassen, kann das Gerät als Präzisionsgerät zur direkten Anzeige der Impedanz dienen, und zwar arbeitet es in einem breiten Frequenzband nahezu fehlerfrei. 30 becomes the largest. Since R \ and η can be determined precisely in this way, the device can serve as a precision device for the direct display of the impedance, and it works in a wide frequency band with almost no errors.

Ein anderes Merkmal des Richtkopplers gemäß der Erfindung ist, wie der Formel (10) zu entnehmen ist, daß die Phase der Mikrowellen auf der Seite P₂ im Falle von R = O konstant ist (wobei Θ vernachlässigt ist), da sie 90° gegenüber der Phase der primären Seite verzögert ist. Die Phase der Mikrowellen auf der P'_a-Seite nimmt dagegen um 90° gegenüber der Phase der Primärseite zu und kann sich weiter mitAnother feature of the directional coupler according to the invention is, as can be seen from formula (10), that the phase of the microwaves on the P ₂ side is constant in the case of R = O (where Θ is neglected), since it is 90 ° opposite the phase of the primary side is delayed. In contrast, the phase of the microwaves on the P 'side _a decrease by 90 ° relative to the phase of the primary page, and may continue with

2Θ = 2π·(2ρ)ί2Θ = 2π (2ρ) ί

drehen. Dabei ist die Amplitude konstant und hat keinen Frequenzgang in bezug auf die Phasendrehung. Wenn die Za-Seite des primären Wellenleiters reflexionsfrei abgeschlossen ist und an der P'₂-Seite Mikrowellen abgenommen werden, bekommt man einen vollkommenen mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Mikrowellen-Phasenkoppler, der nicht von der Aussteuerung der Amplitude beeinflußt wird und von allen Frequenzgangfehlern absolut frei ist. Da der wesentliche Teil des Kopplungsfaktors durch die Formel (11) bestimmt wird, ist er tatsächlich von der Resonanzerscheinung und der Wanddicke des Koppelloches abhängig und hat etwas Frequenzabhängigkeit. Wenn man diese zwei Faktoren in Betracht zieht, ergibt sich der Kopplungsfaktor folgendermaßen:turn. The amplitude is constant and has no frequency response with regard to the phase rotation. When the Za-side of the primary waveguide is finished reflective, ₂ side microwaves are taken at the P ', to get a perfect rotating at a high speed microwave phase coupler, which is not affected by the modulation of the amplitude and absolutely free of all frequency response errors is. Since the essential part of the coupling factor is determined by the formula (11), it is actually dependent on the resonance phenomenon and the wall thickness of the coupling hole and has some frequency dependence. Taking these two factors into account, the coupling factor is as follows:

4040

K'=K '=

wobei λγ = 2 / = 0,546 d, where λγ = 2 / = 0.546 d,

I = Länge des Koppelloches,
d = Breite des Koppelloches,
τ = Wanddicke des Koppelloches. I = length of the coupling hole,
d = width of the coupling hole,
τ = wall thickness of the coupling hole.

Bei der Formel (17) sind die Ausdrücke 2 und 3 in •der Praxis etwa ein Zwanzigstel bis ein Dreißigstel des ersten Ausdruckes und liegen im Bereich von λ >> λγ. Ihr Wert ist der Abnahme von λ proportional und wird monoton kleiner, so daß sie durch die Verwendung eines Dämpfungsgliedes mit gegenläufigem Frequenzgang vollkommen ausgeglichen werden können. Das Dämpfungsglied ist in der Fig. 1 mit 5 bezeichnet. Der Anschluß des Detektors an jede Seite des sekundären Wellenleiters liefert jeweils das gleiche Ergebnis. Er wird daher in der Ausführung von Fig. 1 an die iY-Seite gekoppelt, während an die andere Seite der reflexionsfreie Abschluß 4 gekoppelt ist, um P₂ zu absorbieren. Auch die Reflexionswellen aus dem Detektor werden absorbiert.In the case of formula (17), the expressions 2 and 3 are • in practice about one twentieth to one thirtieth of the first expression and are in the range of λ >> λγ. Their value is proportional to the decrease in λ and becomes monotonically smaller, so that they can be completely compensated for by using an attenuator with an opposing frequency response. The attenuator is denoted by 5 in FIG. 1. Connecting the detector to either side of the secondary waveguide gives the same result. It is therefore coupled to the iY side in the embodiment of FIG. 1, while the reflection-free closure 4 is coupled to the other side in order to absorb _{P 2.} The reflection waves from the detector are also absorbed.

Es können folgende Maßnahmen getroffen werden:The following measures can be taken:

1. Der primäre und der sekundäre Wellenleiter können voneinander verschiedene Abmessungen haben.1. The primary and secondary waveguides can have different dimensions from each other to have.

2. Das Gerät kann mit einem Koppelloch auf der oberen Fläche oder Koppellöchern auf den beiden oberen und unteren Flächen zur Vergrößerung des Koppelgrades und zur Verbesserung von bleibenden, stehenden Wellen versehen sein. Die Ausgangsleistung kann gleichzeitig den Achsen X und Y entnommen werden, und es kann als (17)2. The device can be provided with a coupling hole on the upper surface or coupling holes on the two upper and lower surfaces to increase the coupling degree and to improve permanent, standing waves. The output power can be taken from the X and Y axes at the same time, and it can be used as (17)

Richtkoppler sowohl mit Koppelschleifen als auch mit Koppellöchern versehen sein. Die Koppellöcher können aus magnetischem Material bestehen.Directional couplers can be provided with both coupling loops and coupling holes. the Coupling holes can consist of magnetic material.

3. Das Gerät kann zwei nicht ganz rechtwinklig kreuzende Wellenleiter enthalten.3. The device may contain two waveguides that do not cross at right angles.

4. Bei dem Gerät können der primäre und sekundäre Wellenleiter getrennt und durch Wellenleiter, koaxiale Kabel oder Kavitätsresonator gekoppelt sein. Diese Wellenleiter können drehbar sein.4. In the device, the primary and secondary waveguides can be separated and replaced by waveguides, be coupled coaxial cables or cavity resonator. These waveguides can be rotatable.

Die Erfindung hat also folgende Vorteile:The invention therefore has the following advantages:

1. Die Kopplungsanordnung kann als Standard-Impedanzmeßgerät dienen, da sie in einem breiten Frequenzband fehlerfrei anzeigt.1. The coupling arrangement can serve as a standard impedance measuring device because it is in a wide range Shows the frequency band without errors.

2. Da der Detektor an dem Wellenleiter angeordnet ist, entsteht durch die Fehlanpassung und die quadratische Kennlinie kein Fehler.2. Since the detector is arranged on the waveguide, the mismatch and the quadratic characteristic no error.

3. Es entsteht kein Fehler infolge der Kopplung von elektrischen Feldern. Daher ist die Richtwirkung einwandfrei.3. There is no error due to the coupling of electric fields. Hence the directivity perfect.

4. Das Gerät eignet sich für hohe Geschwindigkeiten der Umdrehung.4. The device is suitable for high speeds of rotation.

5. Das Gerät verursacht nur geringe Störungen im Stromkreis, seine Bauart ist'einfach, die Regelung ist nicht kritisch, sein Volumen ist klein, und es ist daher leicht tragbar.5. The device causes only minor disturbances in the circuit, its construction is simple, the regulation is not critical, its volume is small and therefore it is easily portable.

6. Die Erfindung kann auf alle Arten von Hohlleitern, und zwar mit kreisförmigem, elliptischem und allen anderen Querschnitten angewendet werden.6. The invention can be applied to all types of waveguides, namely circular, elliptical and all other cross-sections can be used.

109 710/373109 710/373

7. Das Gerät kann als ideales Breitbandfilter verwendet werden.7. The device can be used as an ideal broadband filter.

8. Es kann als eine Einrichtung zur direkten Anzeige des Übertragungsfaktors gebraucht werden.8. It can be used as a device to directly display the transfer factor.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Kopplungsanordnung mit einem Phasenrichtkopplei, der mehrere, vorzugsweise zwei, sich kreuzende und an den Kreuzungsstellen miteinander verbundene Wellenleiter enthält, die mit einem oder mehreren mit ihrem Mittelpunkt auf der Diagonale der sich kreuzenden Wellenleiter angeordneten Koppellöchern versehen sind, da- durch gekennzeichnet, daß in dem Koppelloch (3) eine um die Mittelachse des Koppelloches rotierende Koppelscheibe oder -schleife angeordnet und an eine Seite des Ausgangs-Wellenleiters (2) ein Bandfilter (7) angeschlossen ist, während die andere Seite des Ausgangs-Wellenleiters reflexionsfrei abgeschlossen ist, und daß die Mittelfrequenz des Bandfilters (7) gleich der doppelten Umdrehungsfrequenz der Koppelscheibe bzw. -schleife ist. 1. Coupling arrangement with a Phasenrichtkopplei that several, preferably two, intersecting and contains at the intersections of interconnected waveguides labeled with one or more with its center on the diagonal of the intersecting waveguides arranged coupling holes are provided DA, by that In the coupling hole (3) a coupling disk or loop rotating around the central axis of the coupling hole is arranged and a band filter (7) is connected to one side of the output waveguide (2), while the other side of the output waveguide is closed without reflection, and that the center frequency of the band filter (7) is equal to twice the frequency of rotation of the coupling disc or loop. 2. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelloch die Form eines Schlitzes mit abgerundeten Ecken hat.2. Coupling arrangement according to claim 1, characterized in that the coupling hole the Has the shape of a slot with rounded corners. 3. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelloch hanteiförmig ausgebildet ist.3. Coupling arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the coupling hole Is dumbbell-shaped. 4. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich kreuzenden Wellenleiter mit weiteren Wellenleitern oder koaxialen Kabeln gekoppelt sind.4. Coupling arrangement according to claim 1, characterized in that the intersecting Waveguides are coupled to other waveguides or coaxial cables. 5. Anwendung einer Kopplungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 zur breitbandigen Messung und Anzeige der Impedanz, wobei dem Bandfilter (7) ein Entzerrer (5) und ein Detektor (6) vorgeschaltet und ein Oszillograph nachgeschaltet sind.5. Application of a coupling arrangement according to one or more of claims 1 to 4 for broadband measurement and display of the impedance, the band filter (7) an equalizer (5) and a Detector (6) are connected upstream and an oscilloscope is connected downstream. 6. Anwendung der Kopplungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4 zur Messung und Anzeige des Reflexionsfaktors, wobei der reflexionsfreie Abschluß mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz bewegbar ist und dem Bandfilter ein Entzerrer und ein Detektor vorgeschaltet sowie ein linearer Verstärker und ein Oszillograph nachgeschaltet sind.6. Application of the coupling arrangement according to claim 1 or one or more of the claims 2 to 4 for measuring and displaying the reflection factor, with the reflection-free termination can be moved with a certain amplitude and frequency and the bandpass filter is an equalizer and a detector upstream and a linear amplifier and an oscilloscope downstream are. 7. Kopplungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den vertikalen Ablenkplatten eines Oszillographen die Ausgangsspannung direkt und an dessen horizontalen Ablenkplatten die Ausgangsspannung mit einer Phasenverschiebung von 90° angelegt ist.7. Coupling arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the vertical Deflection plates of an oscilloscope direct the output voltage and at its horizontal deflection plates the output voltage is applied with a phase shift of 90 °. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 837 130;
britische Patentschrift Nr. 645 081;
USA.-Patentschrift Nr. 2 284405.Considered publications:
German Patent No. 837 130;
British Patent No. 645 081;
U.S. Patent No. 2,284,405. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 109 710/373 10.61 © 109 710/373 10.61