DE1903869C3

DE1903869C3 - Wandler für elektromagnetische Wellen

Info

Publication number: DE1903869C3
Application number: DE1903869A
Authority: DE
Inventors: Norman Ralph Allentown Pa. Dietrich
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-01-31
Filing date: 1969-01-27
Publication date: 1981-04-16
Also published as: NL163906C; NL163906B; DE1903869A1; SE335561B; FR1600026A; DE1903869B2; BE727538A; NL6901302A; US3483489A; GB1247235A

Description

Die Erfindung geht aus von einem Wandler für elektromagnetische Wehen mit einem leitend begrenzten Rechteckhohlleiter und einer Parallelleiterübertragungsleilung, die als Bandleitung mit einem Bandmittelleiter in paralleler Anordnung zu wenigstens einer leitenden Erdungsebene ausgebildet ist und von der sich ein mit einer der beiden Breitseitenwände des Hohlleiters leitend verbundener Leiter in den Hohlleiter erstreckt, wobei der Wandler einen Bandleitungsabschnitt, einen Übertragungsabschnitt und einen Hohlleiterabschnitt in der angegebenen Reihenfolge aufweist, die Breitseitenwände des Hohlleiters parallel zii einer leitenden Erdungsebene verlaufen und der Übergangsabschnitt auf einer Breiiseite durch eine vom Hohlleiterabschnitt aus verlängerte Hohlleiterbreitseiter.wand begrenzt ist.

Solche Wandler sind akut geworden, weil gemischte Mikrowellenschaltungen, die teilweise in Form von Rechteckhohlleitern und teilweise in Form von solchen Bandleitungen vorliegen, mit der Entwicklung integrierter Mikrowellenschaltungsmethoden zunehmend beliebter geworden sind. Bei solchen Schaltungen ist es allgemein notwendig, die Energie ein- oder mehrmals zwischen den Wellenleitern dieser verschiedenen Typen zu übertragen. Die Technologie der gedruckten Schaltungen und der Dünnschichtschaltungen ermöglicht integrierte Mikrowellenschaltungen, bei denen viele Mikrowellenfunktionen in einem einzigen Paket integriert sind, in welchem Bandleitungen als das einzige Übertragungsmedium durch das ganze Paket benutzt werden. Es sind jedoch einige Schaltungskomponenten nicht für einen direkten Bandleitungsanschluß brauchbar und müssen deshalb an Hohlleiter angeschlossen werden. Ein solche Komponenten enthaltendes System muß uaher Verbindungsstellen zwischen Bandleitungen und Hohlleitern, also Wandler der einleitend beschriebenen Art, aufweisen.

In vielen Fällen ist es bequem, den Hohlleiter und die Bandloilung Ende an Ende zu verbinden, speziell wenn das System Komponenten aufweist, die sich für eine solche Ende-an-Ende-Verbindung anbieten. In diesen Situationen ist diese Verbindung auch ein mechanisches Hilfsmittel, um die konstruktiven Schwierigkeiten einer Winkclverbindung zu vermeiden.

Die konstruktiv-mechanische Verbindung ist dabei relativ einfach zu erreichen, aber die elektrische Kopplung bereitet Schwierigkeiten; denn es muß ein angepaßter Übergang zwischen der Bandleitungshauptschwingungsform TEM und der dominanten Schwingungsfonn Tliio im Rechteckhohlleiter geschaffen werden. So besitzen zwar Bandleitung und Rechteckhohlleiter strukturelle Ähnlichkeiten, sind aber physikalisch vcschieden und haben deshalb unterschiedliche Wellenwiderstände. Es sind daher Mittel erforderlich, um eine gute Impedanzanpassung zwischen diesen beiden Wcllenleiterformen zu erhalten.

Ein Wandler der eingangs beschriebenen Art ist aus der US-PS 29 79 676 bekannt. Der Übergangsabschnilt weist gegenüber der verlängerten Hohlleiterbreiiseitenwand ein metallisches Übergangsstück auf. das die Form eines zur verlängerten Hohlleiterbreitseitenwand hin offenen Hohlleiterstücks aufweist, das sich von der Breite des Hohlleiters bis auf die Breite des Bandleiters verjüngt und mit dem breiten Ende am Hohlleiter angeschlossen und mit dem schmalen Ende auf den Bandleiter aufgesetzt ist. In dem sich verjüngenden Übergangsstück ist eine Rippe erforderlich, um die Mikrowellenenergie auf die Bandleiterbreite einzuschränken. Dieser bekannte Wandler hat nicht nur einen relativ komplizierten Aufbau und vergleichsweise große Baulänge, sondern ihm haftet auch der Nachteil an, daß MikrowellenenergiL' aus der öffnung zwischen dem nach unten offenen Übergangsstück und der verlängerten Hohlleilerbreitseitenwand abstrahlt. An den Längsseiten der verlängerten Hohlleiterbreitseitenwand nach oben weisende und zum Hohlleiter hin höher werdende Schirmwände können diese Abstrahlung zwar verringern, nicht aber ausschalten. Da der Übergangsteil des bekannten Wandlers sich teilweise wie eine offene.

abstrahlende Leitung verhält, sind nicht nur Impedanzfehianpassungen und damit verbundene schädliche Reflexionen bedingt, sondern auch Abstrahlverluste, die sich einerseits als unerwünschte Energieverluste, andererseits als Störsirahlungsqueilen bemerkbar machen können

Aus der DE-PS 10 75 690 sind Wellenformwandler zur Kopplung von Hohlleitern mit unsymmetrischen Bandleitungen bekannt, bei denen der Leitungsleiter der Bandleitungen mit einem abgestuften Stegleiter innerhalb des Hohlleiters leitend verbunden ist und die dielektrische Schicht der Bandleitungen im Inneren des Hohlleiters dem Querschnitt nach mit den Stufen des Stegleiters fluchtend ebenfalls abgestuft ist. Diese Lösung stellt eine Modifikation der aus der US-PS 29 79 676 bekannten Anordnung dar. Das Problem, Mikrowellenenergie von einer Streifenleitung in einen RechteckhohHeiter einzuspeisen und dabei Reflexionen und Verluste sowie eine Impedanzfehl-jipassung so gering wie möglich zu halten, wird bei dieser bekannten Anordnung jedoch auch nur in wenig zufriedenstellendem Maße gelöst. Die Stufen des Stegleiters bei der bekannten Anordnung haben einen Abstand, der einer Viertelwellenlänge entspricht. Je langer und je allmählicher der Übergang ist, um so geringer sind die auftretenden Reflexionen. Dies bedeutet für einen stufenweisen Übergang: Je größer die Anzahl der Stufen ist, um so größer ist die übertragene Bandbreite und um so besser ist die Impedanzanpassung. Will man also bei der bekannten Anordnung eine gute Impedanzanpassung erhalten, so muß eine sehr große Anzahl von leicht abgestuften Übergängen vorhanden sein, so daß die Gesamlbaulänge der Anordnung unvernünftig groß wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Wandler der einleitend beschriebenen Art bereitzustellen, mit dem in einfacher und direkter Weise ein glatter Übergang von einer Bandleitung auf einen Rechteckhohlleiter, oder umgekehrt, bei guter gegenseitiger Impedanzanpassung bewerkstelligt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Wandler der einleitend angegebenen Ausbildung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Bandleitung mit zwei leitenden Erdungsebenen die Breitseitenwände des Hohlleiters wenigstens gegen die eine der leitenden Erdungsebenen des Bandleitungsabschnittes versetzt verlaufen, der Übergangsabschnitt auf der Breitseite, die der durch die verlängerte Hohlleiterbreitseitenwand gebildeten Breitseite gegenüberliegt, durch diese vom Bandleitungsabschnitt aus verlängerte leitende Eidungsebene begrenzt ist und der Bandmittelleiter sich aus dem Bandleitungsabschnitt in den Übt-Tgangsabschnitt erstreckt und dort mit der den Übergangsabschnitt begrenzenden Hohlleiterbreitseiienwand leitend verbunden ist.

Es bilden also Bauelemente sowohl der Bandleitung als auch des Hohlleiters den Übergangsabschnitt in der vorstehend angegebenen Weise; und innerhalb dieses Übergangsabschnitles werden die Feldmuster sowohl der TEM-Bandleitungsschw. j-.'ngsforni als auch der TEio-Hohlleiterschwingungstorm nebeneinander geführt.

Im Übergangsabschnitt, wo die Feldmuster beider Übertragungsmedien nebeneinander existieren, kann also eine glatte Kopplung stattfinden; und der Mittelleitcr ist beispielsweise mit Hilfe eines Abstimmschraubenmechanismus mi¹, der zugeordneten Hohlleiterbreitseitenwand leitend verbunden, so daß auf einfachste Weise eine Impedanzanpassung möglich ist.

Gegenüber den oben erläuterten bekannten Wandlern, wie sie in der US-PS 29 79 676 und der DE-PS 10 75 690 beschrieben sind, hat der erfindungsgemäße Wandler den Vorteil, daß eine gute Impedanzanpassung erfolgt und daß sich der Wandler dennoch durch einen kompakten und einfachen Aufbau auszeichnet, der sich gut für die Massenproduktion eignet.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet, und an Hand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben; es zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Schräganskht eines erfindungsgemaß ausgebildeten End-Ankopplung-Hohlleiter-Bandleilungs-Wandlers,

V i g. 2 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht des Wandlers nach F i g. 1 und

F i g. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in F i g. 2.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines End-Ankopplungsüberganges zwischen einem Rechteckhohlleiter und einer Parallelleiter-Bandleitung dargestellt. Der Übergang /wischen der TEM-Schwingungsform in der Bandleitung 11 und der TEm-Schwiii gungsform im Hohlleiter 10 tritt im Übergangsbereich auf.

Der Kanal des Hohlleiters 10 ist durch eine obere Wand 19 und eine hierzu parallele untere Wand 20. ferner durch parallele Schmalseitenwände 35 und 36 und durch eine Stirnwand 21 definiert, die in einen Körper 15 eingeschnitten sind. Der Hohlleiter 10 ist zum Anschluß an weitere Hohlleiterstrecken (nicht dargestellt) vorgesehen. Bei der dargestellten Ausführungsform kann ein zusatzliches Hohlleiterstück an den Hohlleiter 10 mit Hilfe von Schraubenbolzen befestigt werden, die durch Bohrungen 32 im Flansch 31 und durch entsprechende Bohrungen in einem entsprechenden Flansch des anzuschließenden Hohlleiierilückes hindurchgcsteckt werden. Die Bandleitung 11 ist als längs den Linien 14 und 14' abgeschnitten dargestellt und weist einen dünnen Bandmittelleiter 12 auf, der zwischen einem Paar Erdungsebenen 16 und 17 liegt. Der Bandleiie-12 hat einen fixierten Abstand a von der Erdungsebene 16 und einen fixierten Abstand ώνοη der Erdungsebene !7. Der Bandleiter 12 ist typischerweise dadurch abgestützt, daß er durch ein auf eine Stüt/unterlage 18 aus hochdielektrischem Material aufplattiertes oder aufgedrucktes leitendes Material gebildet ist. Die Erfindung kann auch in Verbindung mit Bandleitungen verwendet werden, die selbsttragende Mittelleiter besitzen, oder in Verbindung mit Leitungen, bei denen die Erdungsebenen in der vertrauten Sandwich-Konstruktion miteinander oder mit plattierten Oberflächen verbunden sind.

Entsprechend der Erfindung sind die konstruktiven Glieder sowohl der Bandleitung 11 als auch des Hohlleiters 10 innerhalb eines Übergangsbereichs koextensiv zueinander. Ein Teil der Bandleilung 11 ist in den Hohlleiter i0 durch eine Öffnung in der Stirnwand 21 eingesetzt. Der Bandmittelleiter 12 und seine Stützunterlage 18 erstrecken sich in den Hohlleiter 10 um die Entfernung düber die Stirnwand 21 hinaus. Die leitende Erdungsebene 17, die bei der dargestellten Ausführungsform eine Breite ν wesentlich kleiner als die Breite g des Hohlleiters 10 hat, erstreckt sich in den Hohlleiter 10 auf eine Entfernung e über die Stirnwand 21 hinaus. Die Erdungsebene 16 hört an der Stirnwand 21 auf.

Im Übergangsbereich ist der Bandleiter 12 im Wege einer Kurzschlußverbindung an die obere Wand 19 des Hohlleiters 10 mil Hilfe eines leitenden Kontaklzapfens 22 angeschlossen, der in einer zylindrischen Bohrung einer Schraube 23 unter dem Druck einer Feder 24 geführt isl. Der vom Zapfen 22 auf den Bandleiter 12 ausgeübte Druck kann durch entsprechendes Verdrehen der Schraube 23 eingestellt werden, die zu diesem Zweck in einer die Wand 19 durchsetzenden Gewindebohrung im Körper 15 geführt ist. Die Federkonstante der Feder 24 und die Einstellung der Schraube 23 sind so gewählt, daß elektrischer Kontakt zwischen der Hohlleiterwand und dem Leiter 12 aufrechterhalten wird, ohne daß der Bandleiter 12 oder die Stülzunlerlage 18 brechen.

Der durch den Zapfen 22 solcherart gebildete Kurzschluß koppelt die TEM-SchwingungsfcrmMröme in ein Magnetfeld, das den Kurzschlußmechanismus umgibt und in der Ebene des Magnetfeldes der TEni-Schwingungsform des Hohlleiters 10 liegt. Um die Feldmuster der TEm- und der TEM-Schwingungsformen in einem Übergangsbereich koextensiv zueinander zu machen und um einen glatten Übergang der Energie zwischen diesen Schwingungsformen zu erhalten, muß sich der Hohlleiterkanal durch den ganzen Übergangsbereich erstrecken, um die TEm-Schwingungsform zu führen, und müssen die Erdungsebene 17 und der Bandleiter 12 so angeordnet werden, daß sie TEM-Fortpflan/ung durch den ganzen Bereich liefern. Die Ebene 17 und der Leiter 12 müssen sich über die Kurzschlußsteile hinaus erstrecken, um unerwünschte Effekte auf das TEM-Schwingungsformleld im Bereich des Kurzschlusses zu vermeiden. Die Erdungsebene 16 ist an der Stirnwand 21 abgeschlossen, um einen Kurzschluß zwischen dem Leiter 12 und der Ebene 16 zu vermeiden, der das TEM-Schwingungsformfeld beeinträchtigen würde. Die Wand 19 erstreckt sich über die Kurzschlußschraube hinaus, um unerwünschte Einwirkungen auf das TEiirSchwingungsformfeld im Bereich des Kurzschlusses zu vermeiden.

E-"s wird angenommen, daß die beste Impedanzanpassung erhalten wird, wenn der Bandmitteileiter 12 in der Ebene der unteren Wand 20 liegt, jedoch erhält man auch guten Betrieb, wenn der Abstand zwischen der Ebene des Leiters 12 und der Ebene der Wand 20 klein ist im Vergleich zur Höhe h des Hohlleiters 10. Auch vereinfacht ein kleiner Abstand die mechanische Stützung des Leiters 12 im Übergangsbereich. Der Leiter 12 ist als in einer Ebene liegend dargestellt, die um die Dicke der Stützunterlage 18 oberhalb der Ebene der Wand 20 verläuft. Die Stützunterlage 18 liegt auf der Wand 20 innerhalb des Übergangsbereichs auf sowie niif Kanälen 37 und 38. die so eingearbeitet sind, daß sie mit der Oberfläche 20 auf der Bandleitungsseite des Übergangsbereichs fluchten. Da es empfehlenswert isl, daß der Leiter 12 so dicht wie möglich bei der Ebene der Wand 20 liegt, wird eine Änderung im Abstand f zwischen den Erdungsebenen 16 und 17 der Bandleitung 11 automatisch den Versetzungsbetrag c ändern, und eine Änderung in der Höhe h des Hohlleiters 10 wird bei der Versetzungsstufe k kompensiert. Daher können für Bandleitungen und Hohlleiter beliebiger Größe die Mittellinien der Bandleitung und des Hohlleiters, die

ίο jeweils in der Ebene zwischen den Erdungsebenen der Bandleilung bzw. in der Mitte zwischen den Breitseilenwänden des Hohlleiters liegen, aufrechterhalten werden. Selbst wenn die Höhe /i und der Abstand /"gleich sind, wird noch eine Versetzung existieren.

Es wurde gefunden, daß eine feineinstellung der Impedanzanpassung erhalten werden kann durch Anordnen eine¹- konzentrierten Blindwiderstandes, beispielsweise 41, am Bandleilungsmitlelleitcr in bc stimmler Entfernung vom IJbergangsbereich. Die Verwendung solcher konzentrierter Blindwiderstände isi allgemein bekannt. Eine zusätzliche Hinstellmöglichkeil kann erhallen werden durch eine kapazitive Kopplung des Leiters 12 an die verlängerte Erdungsebene 17 innerhalb des Übergangsbereichs. Eine der zahlreichen Möglichkeiten hierfür ist in der Zeichnung dargestellt. Eine Schraube 42 ist in einer entsprechenden Gewindebohriing im Körper 15 koaxial zur Schraube 23 eingesetzt. Die Schraube 42 durchsetzt die Erdungsebene 17 und hebt effektiv einen Teil der lirdungsebene 17

ju an oder senkt diesen ab. um die Kopplung zwischen der Erdungsebene 17 und dem Mittelleiler 12 zu ändern.

Als spezielles Beispiel ist ein End-Ankopplungsübergang mil guter Impedanzanpassung zur Kopplung eines Hohlleiters 10 mit einer Bandleitung 11 gebaut worden, wobei die Bandleitung 11 einen infinitesimal dicken Bandmittelleiter 12 der Breite w = 2,89 mm aufwies, der auf eine Unterlage 18 einer Dicke von 0.609 mm aufplattiert war. sowie Erdungsebenen 16 und 17 mit Breiten von ν = 15,25 mm aufwies, die vom Bandleiter 12 die Entfernungen a = 1,27 mm bzw. b = 1.904 mm halten. Die Höhe h zwischen den Breitseitenwänden 19 und 20 des Hohlleiters 10 betrug Z54 mm, und die Breite der Breitseitenwände 19 und 20 betrug ^r = 40.3 mm. Die Erdungsebene 17 erstreckte sich in den Hohlleiter 10 um die Entfernung c = 11,8 mm vor, und zwar bei einer Versetzung c = 1,27 mm gegenüber der Fluchtung mit der Wand 20. Die Unterlage 18 und der Bandleiter 12 erstreckten sich in den Übergangsbereich und die Entfernung d = 7.62 mm vor, wo der Bandleiter 12 mit der Wand 19 mit Hilfe einer Schraube kurzgeschlossen war, deren Achse 4,74 mm von der Stirnwand 21 entfernt war. Die resultierende Versetzung der Mittellinien war s = 0,964 mm.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wandler für elektromagnetische Wellen mit einem leitend begrenzten Rechteckhohlleiter und einer Parallelleiterübertragungsleitung.die als Bandleitung mit einem Bandmittelleiter in paralleler Anordnung zu wenigstens einer leitenden Erdungsebene ausgebildet ist und von der sich ein mit einer der beiden Breitseitenwände des Hohlleiters leitend verbundener Leiter in den Hohlleiter erstreckt, wobei der Wandler einen Bandleitungsabschnitt, einen Obergangsabschnitt und einen Hohlleiterabschnitt in der angegebenen Reihenfolge aufweist, die Breitseitenwände des Hohlleiters parallel zu einer leitenden Erdungsebene verlaufen und der Übergangsabschnitt auf einer Breitseite durch e;ne vom Kohlleiterabschnitt aus verlängerte Hohlleiierbreitseitenwand begrenzt ist, dadurch gekennzeichne!, daß bei einer Bandleitung mit zwei leitenden Erdungsebenen (16, 17) die Breilseitenwände (19, 20) des Hohlleiters wenigstens gegen die eine (17) der leitenden Erdungsebenen des Bandleitungsabschnittes versetzt verlaufen, der Übergangsabschnitt auf der Breitseite, die der durch die verlängerte Hohlleiterbreitseitenwand (19) gebildeten Breitseite gegenüberliegt, durch diese vom Bandleitungsabschnitt (11) aus verlängerte leitende Erdungsebene (17) begrenzt ist und der Bandmiltelleiter (12) sich aus dem Bandleitungsabschnilt in den Übergangsabschnilt erstreckt und dort mit der den Übergangsabschnitt begrenzenden Hohlleiterbrciiseitenwand (19) leitend verbunden ist.

2 Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene des Bandmittelleiters (12) gegen die Ebene der anderen (20) der Hohlleiterbreitseitenwände um einen Betrag versetzt ist, der klein ist im Vergleich zum Abstand zwischen den beiden Hohlleiterbreitseitenwänden (19,20).

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandmittelleiter (12) auf der einen Seite einer .Stützunterlage (18) befestigt ist, die ihrerseits so angeordnet ist, daß ihre andere, parallel zur ersten Seite verlaufende Seite in der Ebene der anderen Hohlleiterbreitseilenwand (20) liegt.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Erdungsbene (17) wesentlich schmaler als die Hohlleiterbreitseitenwand ist und sich in den Übergangsabschnitt als die Bodenfläche einer in der anderen Hohlleiterbreitseitenwand (20) vorgesehenen Vertiefung hinein erstreckt.