DE2054583B2 - Natural wave selective waveguide coupler - has membrane wall of rectangular hollow waveguide with adjustable flexure to allow optimum coupling of useful waves - Google Patents
Natural wave selective waveguide coupler - has membrane wall of rectangular hollow waveguide with adjustable flexure to allow optimum coupling of useful wavesInfo
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Abstract
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.The present invention is concerned with an eigenwave selective directional coupler consisting of two parallel waveguides, which are coupled to one another through holes in the common wall, of only one natural wave of the second waveguide with the fundamental wave of the first waveguide depending on the direction are coupled, wherein the first waveguide has a rectangular cross section and with a second Waveguide is coupled with a round cross-section.
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.The term »directional coupler« is understood to mean arrangements that allow energy to be conducted Power can be taken which, depending on the installation direction, ends in proportion to the forward or reverse that occurs Ladder waves are. The reflection factor can then be obtained directly from the comparison of two such performances indicate. The directional ratio is used to characterize the performance of a directional coupler, d. H. the quotient of the forward and backward voltage with a completely reflection-free termination of the Power line. It is generally given in dB and allows a statement to be made about which smallest reflection coefficient can still be measured with certainty. The »decoupling attenuation« indicates the size of the available decoupled power.
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.In general, efforts are made to create directional couplers as broadband as possible in order to have a large one To record the frequency range. In particular, however, selective directional couplers are used, particularly in the GHz range required, whereby a power line is only designed for one frequency.
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.These so-called eigenwave-selective directional couplers also consist of two parallel arranged Waveguides, which in this case are coupled through holes in the common wall (see Fig. 1 the drawing). In this case, only the fundamental wave should be used in one of the two waveguides 1 in the working frequency range Be capable of propagation, while in the other waveguide 2 several natural waves capable of propagation are, of which only one - the useful wave of the waveguide 2 - with the fundamental or useful wave of the Waveguide 1 should be coupled. Due to this property is an eigenwave-selective directional coupler for direction-dependent excitation or decoupling of a very specific natural wave in the waveguide 2, for which the coupler is dimensioned to use, while other eigenwaves of the waveguide 2 are generally only weakly disturbed by the coupler.
Um eine optimale Kopplung zwischen den beiden Nutzwellen zu erhalten, mußIn order to obtain an optimal coupling between the two useful waves, must
a) die Gesamtkopplung aller Löcher einen bestimmten Betrag haben (für vollständige Um-Wandlung der Leistung der einen Nutzwellen ina) the total coupling of all holes have a certain amount (for complete conversion the power of one of the useful waves in
die andere über der gesamten Koppellänge wird eine Gesamtkopplung von V2 benötigt,
und außerdem müssenthe other over the entire coupling length a total coupling of V 2 is required,
and also have to
b) die effektiven Phasengeschwindigkeiten der beiden Nutzwellen gleich sein.b) the effective phase velocities of the two useful waves are the same.
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.Since there is a phase jump at every single hole for the waveguide natural waves, the effective phase velocity of a natural wave from the undisturbed phase velocity due to the Hollow out dimensions and a disturbance as a result the hole effect together.
Die Forderung, daß die Grundwelle des Hohlleiters 1 nicht mit den anderen Eigenwellcn des Hohlleiters 2 verkoppelt sein soll, läßt sich für bestimmte Ei-The requirement that the fundamental wave of the waveguide 1 is not 2 ve r should be coupled with the other Eigenwellcn of the waveguide can be for certain egg
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 TatsacheJo gene waves of the waveguide 2 often realize through a clever choice of coupling (arrangement of holes). However, this possibility does not exist for some "interfering waves". To achieve the above Requirement for these interference waves can be the fact
!5 ausnutzen, daß die Phasengeschwindigkeiten dieser Störwellen und der Nutzwelle etwas verschieden sind; darum ergibt sich! 5 take advantage of the fact that the phase velocities of these Interfering waves and the useful wave are somewhat different; therefore it arises
c) die benötigte minimale Koppellänge des Richtkopplers, um eine bestimmte Selektivität des Kopplers gegenüber Störwellen zu erhalten.c) the required minimum coupling length of the directional coupler to achieve a certain selectivity of the Coupler to get against interfering waves.
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.Of the three dimensioning conditions a), b) and c), condition b) is the most difficult to meet. Since the normalized field strengths of the two useful waves at the location of the holes are generally strong are different, is also the influence on the effective phase velocities of the two useful waves different strength through the holes. In addition, this influence is due to the size of the required Holes can only be calculated very imprecisely, while the coupling between the useful waves is still relatively can be calculated exactly. It is therefore practically impossible to use the directional coupler in the first place to dimension that condition b) is met; So there must be coordination options for subsequent Change in the phase velocity of one of the useful waves can be provided. These have been so far dielectric inserts are used, which are subsequently inserted into the rectangular waveguide 1. This method can be used with all types of coupler according to FIG. 1; but it seems to be very difficult to manufacture and use these inserts so that they can be moved continuously, are stable and free of reflections.
Es besteht deshalb die Aufgabe, diesen erkannten Mangel zu beseitigen und eine Abstimmöglichkeit zurThere is therefore the task of eliminating this recognized deficiency and providing an opportunity for coordination
nachträglichen Änderung der Phasengeschwindigkeit einer der Nutzwellen zu schaffen.'Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, daß die der Koppelseite gegenüberliegende Wand des rechteckigen Hohllei-subsequent change in the phase velocity of one of the useful waves. 'According to the invention it is therefore proposed that the wall of the rectangular hollow line opposite the coupling side
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.ters membrane-like and the deflection of this wall is adjustable. You can use the Connect the rectangular waveguide with its narrow or wide side to the second waveguide. For certain For wave types, coupling with the wide waveguide side is essential.
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.Based on the drawing, the invention is based on a Embodiment explained in more detail.
In der Fig. 1 sind Ausführungsformen von eigenwellenselektiven Richtkopplern im Querschnitt abgebildet; In Fig. 1, embodiments of eigenwave-selective directional couplers are shown in cross section;
und oie Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Abgleich an einem im Querschnitt dargestellten Richtkoppler. and FIG. 2 shows the adjustment according to the invention on a directional coupler shown in cross section.
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 Fig. 1, different cross-sectional shapes of eigenwave-selective directional couplers are shown. In the waveguides 1 of FIGS. A, b, c only the fundamental waves are capable of propagation, while in the Waveguides 2 of this figure are capable of propagating several natural waves. But only one, namely the useful wave of the waveguide 2 should be able to be coupled to the fundamental wave or useful wave of the waveguide 1. on The reason for this condition is an eigenwave-selective directional coupler for direction-dependent excitation or Decoupling of a very specific natural wave in the waveguide 2, for which the coupler is dimensioned is to use. The three Fig. A, b, c are as directional couplers assigned to specific waveforms.
In der Fig. a dient der Richtkoppler zur Ein- und Auskopplung von Η-Wellen im Rundhohlleiter,In Fig. A, the directional coupler is used to couple Η waves in and out in the circular waveguide,
in der Fig. b findet eine Ein- bzw. Auskopplung von Ε-Wellen statt undin Fig. b there is a coupling in and out of Ε waves and
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 unterdrücktFIG. c shows an arrangement which allows the H 12 -WeIIe to be coupled in and out in a circular waveguide. Due to the in-phase coupling at 45 °, the H ^ 1 wave, which is almost degenerate with the H 12 wave, is suppressed in the circular waveguide
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).For H-couplers (for the excitation of Η-waves in the circular waveguide) according to Fig. 1a and 1c, respectively Therefore, a process has been found here that results in a continuous change in the otherwise final coupler the rectangular waveguide width and thus the phase velocity of the rectangular waveguide wave allowed. For this purpose, the narrow side wall of the rectangular waveguide opposite the row of holes is as thin bronze foil formed over a stiff steel wire with the help of several, over the coupler length distributed screws can be pressed into the waveguide (see 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.In this way, various directional couplers were produced, of which a broadband coupler for the excitation and decoupling of the H 02 wave in the circular waveguide is to be described in more detail here, because it illustrates the need for a good tuning process. The final dimensions and properties of this coupler can be seen in FIG.
Mit Position 1 ist der Rundhohlleiter der Fig. 2 bezeichnet, dessen Wandstärke so bemessen ist, daß er dfcn Rechteckhohlleiter 2 mitaufzunehmen vermag.The circular waveguide of FIG. 2 is designated with position 1, whose wall thickness is so dimensioned that it can also accommodate the rectangular waveguide 2.
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-Between the two waveguides 1 and 2, the hole coupling 3 is arranged, which consists of several, in perpendicular to the image plane arranged holes, the size and distance of which determines the coupling for the Directional coupler is. The waveguide side 4 opposite the coupling holes is designed like a membrane and consists of a resilient foil, which is preferably made of bronze. About the Waveguide side 4, a cover 5 is placed, which with 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 dieiü reren retaining screws 6 is screwed to the circular waveguide 1. The tuning itself takes place by means of tuning screws 7, which press against the membrane-like waveguide side 4 via a steel wire 8 and thus change the effective width of the waveguide 2. This change enables broadband adaptation of the effective phase velocities of the fundamental wave of the rectangular waveguide and the useful wave of the circular waveguide.
The coupler should work in the frequency range from 27 to 38 GHz with a coupling attenuation between the useful waves that is as constant as possible. In order to obtain a reasonably good selectivity for the H ° 22 wave (critical interfering wave), a relatively long coupling path had to be chosen. This selectivity could be improved somewhat by increasing the difference in phase velocity between the rectangular waveguide wave and the H ° 22 wave as much as possible. But then the phase velocities of the two useful waves could no longer be exactly the same, which resulted in a strong frequency dependency of the coupling between the useful waves, which could, however, be compensated for by the opposite frequency dependence of the coupling of the individual holes. This mode of operation required that the phase velocity of the rectangular waveguide wave had to be set very precisely. According to a very simple calculation, the tolerance of the rectangular waveguide width during manufacture should have been less than 0.05 mm, if not the
■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.■ ίο retrospective voting would be foreseen. The optimal one Rectangular waveguide width is also dependent on the hole diameter, and because to achieve Good selectivity holes of different diameters had to be used, the rectangular waveguide width had to be used can be changed as a function of the longitudinal coordinate of the coupler.
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.Furthermore, since the influence of the relatively large coupling holes on the effective phase velocity only with An accuracy could be determined that a calculation of the required rectangular waveguide width only possible with an inaccuracy of about 0.2 mm, this coupler could with its good Properties can only be created with the help of the calibration device described.
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-The application of this process enables the production of wide-wall couplers with low, constant frequency coupling attenuation between the fundamental wave of the rectangular waveguide and the Useful wave of the circular waveguide as well as with high head
bo peldämpfung zwischen den beiden Nutzwellen und den Störwellen des Rundhohlleiters (hohe Selektivität). bo peld attenuation between the two useful waves and the interfering waves of the circular waveguide (high selectivity).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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ID=5787294
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Cited By (1)
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1970
- 1970-11-06 DE DE19702054583 patent/DE2054583C3/en not_active Expired
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Legal Events
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| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| EI | Miscellaneous see part 3 | ||
| EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |