DE2054583B2 - Eigenwellenselektiver Richtkoppler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem eigenwellenselektiven Richtkoppler, bestehend aus zwei parallelen Hohlleitern, die durch Löcher in der gemeinsamen Wand miteinander verkoppelt sind, von denen nur eine Eigenwelle des zweiten Hohlleiters mit der Grundwelle des ersten Hohlleiters richtungsabhängig verkoppelt sind, wobei der erste Hohlleiter rechteckigen Querschnitt hat und mit einem zweiten Hohlleiter von rundem Querschnitt verkoppelt ist.

Unter dem Begriff »Richtkoppler« versteht man Anordnungen, die gestatten, einer Energieleitung Leistung zu entnehmen, die je nach Einbaurichtung proportional den auftretenden vor- bzw. rücklauf enden Leiterwellen sind. Aus dem Vergleich zweier solcher Leistungen läßt sich dann unmittelbar der Reflexionsfaktor angeben. Zur Kennzeichnung der Leistungsfähigkeit eines Richtkopplers dient das Richtverhältnis, d. h. der Quotient aus vor- und rücklaufender Spannung bei völlig reflexionsfreiem Abschluß der Energieleitung. Er wird im allgemeinen in dB angegeben und gestattet eine Aussage darüber, welcher kleinste Reflexionskoeffizient noch mit Sicherheit gemessen werden kann. Die »Auskoppeldämpfung« kennzeichnet die Größe der zur Verfügung stehenden ausgekoppelten Leistung.

Im allgemeinen ist man bestrebt, Richtkoppler möglichst breitbandig zu erstellen, um einen großen Frequenzumfang zu erfassen. Speziell aber werden insbesondere im GHz-Bereich selektive Richtkoppler benötigt, wobei eine Energieleitung nur für eine Frequenz ausgelegt ist.

Auch diese sogenannten eigenwellenselektiven Richtkoppler bestehen aus zwei parallel angeordnete.n Hohlleitern, die hier in diesem Fall durch Löcher in der gemeinsamen Wand verkoppelt sind (vgl. Fig. 1 der Zeichnung). Hierbei soll im Arbeitsfrequenzbereich in einem der beiden Hohlleiter 1 nur die Grundwelle ausbreitungsfähig sein, während im anderen Hohlleiter 2 mehrere Eigenwellen ausbreitungsfähig sind, von denen aber nur eine - die Nutzwelle des Hohlleiters 2 - mit der Grund- oder Nutzwelle des Hohlleiters 1 verkoppelt sein soll. Auf Grund dieser Eigenschaft ist ein eigenwellenselektiver Richtkoppler zur richtungsabhängigen Anregung bzw. Auskopplung einer ganz bestimmten Eigenwelle im Hohlleiter 2, für die der Koppler dimensioniert ist, zu verwenden, während andere Eigenwellen des Hohlleiters 2 durch den Koppler im allgemeinen nur ic schwach gestört werden.

Um eine optimale Kopplung zwischen den beiden Nutzwellen zu erhalten, muß

a) die Gesamtkopplung aller Löcher einen bestimmten Betrag haben (für vollständige Um-Wandlung der Leistung der einen Nutzwellen in

die andere über der gesamten Koppellänge wird eine Gesamtkopplung von V₂ benötigt,
und außerdem müssen

b) die effektiven Phasengeschwindigkeiten der beiden Nutzwellen gleich sein.

Da an jedem einzelnen Loch für die Hohlleitereigenwelien ein Phasensprung auftritt, setzt sich die effektive Phasengeschwindigkeit einer Eigenwelle aus der ungestörten Phasengeschwindigkeit auf Grund der Hoh'leiierabmessungen und einer Störung als Folge der Lochwirkung zusammen.

Die Forderung, daß die Grundwelle des Hohlleiters 1 nicht mit den anderen Eigenwellcn des Hohlleiters 2 ve^rkoppelt sein soll, läßt sich für bestimmte Ei-

Jo genwellen des Hohlleiters 2 häufig durch geschickte Wahl der Ankopplung (Anordnung der Löcher) verwirklichen. Diese Möglichkeit besteht aber für einige »Störwellen« nicht. Zur Verwirklichung der obigen Forderung für diese Störwellen läßt sich die Tatsache

!5 ausnutzen, daß die Phasengeschwindigkeiten dieser Störwellen und der Nutzwelle etwas verschieden sind; darum ergibt sich

c) die benötigte minimale Koppellänge des Richtkopplers, um eine bestimmte Selektivität des Kopplers gegenüber Störwellen zu erhalten.

Von den drei Dimensionierungsbedingungen a), b) und c) ist die Bedingung b) am schwierigsten zu erfüllen. Da die normierten Feldstärken der beiden Nutzwellen an der Stelle der Löcher im allgemeinen stark unterschiedlich sind, ist auch die Beeinflussung der effektiven Phasengeschwindigkeiten der beiden Nutzwellen durch die Löcher verschieden stark. Außerdem ist diese Beeinflussung wegen der Größe der benötigten Löcher nur sehr ungenau zu berechnen, während die Verkopplung zwischen den Nutzwellen noch relativ exakt berechnet werden kann. Es ist deshalb praktisch unmöglich, die Richtkoppler von vornherein so zu dimensionieren, daß die Bedingung b) erfüllt ist; es müssen also Abstimmögiichkeiten zur nachträglichen Änderung der Phasengeschwindigkeit einer der Nutzwellen vorgesehen werden. Dazu wurden bisher dielektrische Einsätze verwendet, die nachträglich in den Rechteckhohlleiter 1 eingeschoben werden. Diese Methode ist bei allen Kopplerarten nach Fig. 1 anwendbar; es scheint aber sehr schwierig zu sein, diese Einsätze stetig verschiebbar, stabil und reflexionsfrei herzustellen und anzuwenden.

Es besteht deshalb die Aufgabe, diesen erkannten Mangel zu beseitigen und eine Abstimmöglichkeit zur

nachträglichen Änderung der Phasengeschwindigkeit einer der Nutzwellen zu schaffen.'Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, daß die der Koppelseite gegenüberliegende Wand des rechteckigen Hohllei-

ters membranartig ausgebildet und die Durchbiegung dieser Wand einstellbar ist. Dabei kann man den Rechteckhohlleiter mit seiner schmalen oder breiten Seite an den zweiten Hohlleiter ankoppeln. Für bestimmte Wellentypen ist die Ankopplung mit der breiten Hohlleiterseite unbedingt erforderlich.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der Fig. 1 sind Ausführungsformen von eigenwellenselektiven Richtkopplern im Querschnitt abgebildet;

und oie Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Abgleich an einem im Querschnitt dargestellten Richtkoppler.

In der Fig. 1 sind verschiedene Querschnittsformen von eigenwellenselektiven Richtkopplern abgebildet. In den Hohlleitern 1 der Fig. a, b, c sind nur die Grundwellen ausbreitungsfähig, während in den Hohlleitern 2 dieser Figur mehrere Eigenwellen ausbreitungsfähig sind. Aber nur eine, nämlich die Nutzwelle des Hohlleiters 2, soll mit der Grundwelle oder Nutzwelle des Hohlleiters 1 verkoppelbar sein. Auf Grund dieser Bedingung ist ein eigenwellenselektiver Richtkoppler zur richtungsabhängigen Anregung bzw. Auskopplung einer ganz bestimmten Eigenwelle im Hohlleiter 2, für die der der Koppler dimensioniert ist, zu verwenden. Die drei Fig. a, b, c sind als Richtkoppler ganz bestimmten Wellenformen zugeordnet.

In der Fig. a dient der Richtkoppler zur Ein- und Auskopplung von Η-Wellen im Rundhohlleiter,

in der Fig. b findet eine Ein- bzw. Auskopplung von Ε-Wellen statt und

in der Fig. c ist eine Anordnung wiedergegeben, die die Ein- bzw. Auskopplung der H₁₂-WeIIe iin Rundhohlleiter gestattet. Durch die gleichphasige Einkopplung unter 45° wird die H^₁-WeIIe, die mit der H₁₂-WeIIe nahezu entartet ist, im Rundhohlleiter unterdrückt

Für H-Koppler (zur Anregung von Η-Wellen im Rundhohlleiter) entsprechend Fig. la bzw. 1 c wurde deshalb hier ein Verfahren gefunden, das beim sonst endgültig fertigen Koppler eine kontinuierliche Änderung der Rechteckhohlleiterbreite und damit der Phasengeschwindigkeit der Rechteckhohlleiterwelle gestattet. Dazu wird die Schmalseitenwand des Rechteckhohlleiters gegenüber der Lochreihe als dünne Bronzefolie ausgebildet, die über einen steifen Stahldraht mit Hilfe von mehreren, über die Kopplerlänge verteilten Schrauben in den Hohlleiter hineingedrückt werden kann (siehe Fig. 2).

Auf diese Weise wurden verschiedene Richtkoppler hergestellt, von denen hier ein Breitband-Koppler zur Anregung und Auskopplung der H₀₂-WeIIe im Rundhohlleiter genauer beschrieben werden soll, weil daran die Notwendigkeit eines guten'Abstimmverfahrens verdeutlich werden kann. Die endgültigen Abmessungen und Eigenschaften dieses Kopplers sind aus Fig. 2 zu ersehen.

Mit Position 1 ist der Rundhohlleiter der Fig. 2 bezeichnet, dessen Wandstärke so bemessen ist, daß er dfcn Rechteckhohlleiter 2 mitaufzunehmen vermag.

Zwischen beiden Hohlleitern 1 und 2 ist die Lochkopplung 3 angeordnet, die aus mehreren, in senkrecht zur Bildebene angeordneten Löchern besteht, deren Größe und Abstand koppelbestimmend für den Richtkoppler ist. Die den Koppellöchern gegenüberliegende Hohlleiterseite 4 ist membranartig ausgebildet und besteht aus einer federnden Folie, die vorzugsweise aus Bronze hergestellt ist. Über die Hohlleiterseite 4 ist ein Deckel 5 gelegt, der mit rneh-

iü reren Halteschrauben 6 mit dem Rundhohlleiter 1 verschraubt ist. Die Abstimmung selbst geschieht mittels Abstimmschrauben 7, die über einen Stahldraht 8 gegen die membranartige Hohlleiterseite 4 drücken und damit die effektive Breite des Hohlleiters 2 verändern. Durch diese Veränderung ist eine breitbandige Anpassung der effektiven Phasengeschwindigkeiten der Grundwelle des Rechteckhohlleiters und der Nutzwelle des Rundhohlleiters möglich.
Der Koppler sollte im Frequenzbereich von 27 bis 38 GHz mit möglichst konstanter Koppeldämpfung zwischen den Nutzwellen arbeiten. Um eine einigermaßen gute Selektivität zur H°₂₂-Weile (kritische Störwelle) zu erhalten, mußte eine relativ lange Koppelstrecke gewählt werden. Diese Selektivität ließ sich noch etwas verbessern dadurch, daß die Differenz der Phasengeschwindigkeit von der Rechteckhohlleiterwelle und der H°₂₂-Welle möglichst vergrößert wurde. Dann konnten aber die Phasengeschwindigkeiten der beiden Nutzwellen nicht mehr genau gleich sein, wodurch eine starke Frequenzabhängigkeit der Verkopplung zwischen den Nutzwellen bewirkt wird, die jedoch durch die entgegengesetzte Frequenzabhängigkeit der Kopplung der Einzellöcher wieder kompensiert werden konnte. Diese Betriebsart setzte voraus, daß die Phasengeschwindigkeit der Rechteckhohlleiterwelle sehr genau eingestellt werden mußte. Nach einer sehr einfachen Rechnung hätte die Toleranz der Rechteckhohlleiterbreite bei der Fertigung weniger als 0,05 mm betragen müssen, wenn nicht die

■ίο nachträgliche Abstimmung vorgesehen wäre. Die optimale Rechteckhohlleiterbreite ist außerdem von dem Lochdurchmesser abhängig, und weil zur Erzielung guter Selektivität Löcher verschiedener Durchmesser verwendet werden mußten, mußte die Rechteckhohlleiterbreite als Funktion der Längskoordinate des Kopplers verändert werden.

Da ferner der Einfluß der relativ großen Koppellöcher auf die effektive Phasengeschwindigkeit nur mit einer Genauigkeit bestimmt werden konnte, die eine Berechnung der erforderlichen Rechteckhohlleiterbreite nur mit einer Ungenauigkeit von etwa 0,2 mm ermöglichte, konnte dieser Koppler mit seinen guten Eigenschaften nur erstellt werden mit Hilfe der beschriebenen Abgleichvorrichtung.

Die Anwendung dieses Verfahrens ermöglicht die Herstellung von breitwandijen Kopplern mit geringer, frequenzkonstanter Koppeldämpfung zwischen der Grundwelle des Rechteckhohlleiters und der Nutzwelle des Rundhohlleiters sowie mit hoher Kop-

bo peldämpfung zwischen den beiden Nutzwellen und den Störwellen des Rundhohlleiters (hohe Selektivität).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Eigenwellenselektiver Richtkoppler, bestehend aus zwei parallelen Hohlleitern, die durch Löcher in der gemeinsamen Wand miteinander verkoppelt sind, von denen nur eine Eigenwelle des zweiten Hohlleiters mit der Grundwelle des ersten Hohlleiters richtungsabhängig verkoppelt sind, wobei der erste Hohlleiter rechteckigen Querschnitt hat und mit einem zweiten Hohlleiter von rundem Querschnitt verkoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die der Koppelseite gegenüberliegende Wand (4) des rechteckigen Hohlleiters (2) membranartig ausgebildet und die Durchbiegung dieser Wand (4) einstellbar ist.

2. Eigenwellenselektiver Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hohiieiter (1) mit seiner schmalen Seite an den zweiten Hohlleiter (2) angekoppelt ist.

3. Eigenwellenselektiver Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hohlleiter (1) mit seiner breiten Seite an den zweiten Hohlleiter (2) angekoppelt ist.