DE2612789A1 - MULTIPLE COUPLER FOR MICROWAVES - Google Patents

Description

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MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOWMANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den P/3/Co-M 3Π 7Munich, the P / 3 / Co-M 3Π 7

MARCONI COMPANY LIMITED Marconi House, New Street Chelmsford, Essex CM1 1PLMARCONI COMPANY LIMITED Marconi House, New Street Chelmsford, Essex CM1 1PL

Mehrfachkoppler für MikrowellenMultiple coupler for microwaves

Die Erfindung betrifft Mehrfachkoppler für Mikrowellen, d.h. eine Einrichtung zum Koppeln zweier oder mehrerer elektromagnetischer Mikrowellensignale von unterschiedlicher Frequenz auf eine einzelne Übertragungsleitung für elektromagnetische Wellen. Da ein Mehrfachkoppler eine reciproke Einrichtung ist, ist es klar ersichtlich, daß er in ähnlicher Weise zum Trennen elektromagnetischer Mikrowellensignale unterschiedlicher Frequenzen benutzt werden kann.The invention relates to multiple couplers for microwaves, i.e. a device for coupling two or more electromagnetic ones Microwave signals of different frequencies on a single electromagnetic wave transmission line. As a multiple coupler is a reciprocal device, it can be clearly seen that it is used in a similar manner for separating microwave electromagnetic signals different frequencies can be used.

Eine bekannte Type von Mehrfachkopplern, normalerweise als Zweifachkoppler oder Diplexer bezeichnet, da sie nur zwei verschiedene Frequenzen verbinden oder trennen kann, benutzt Hybrid-Koppler.A well-known type of multiple coupler, usually a dual coupler or diplexer, because it can only connect or separate two different frequencies, uses hybrid couplers.

Ein Hybrid-Koppler ist im wesentlichen ein verlustlos arbeitendes Gerät, dessen vier Anschlußstücke so in zwei Paaren angeordnet sind, daß, wenn die vier Arme vollständig abgestimmt sind, kein Leistungsfluß stattfindet zwischen den Armen eines Paares. A hybrid coupler is essentially a lossless device, the four connecting pieces of which are arranged in two pairs, that when the four arms are fully tuned there is no flow of power between the arms of a pair.

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DR. G. MANITZ · DIPU-ING. M. FINSTERWALD DIP L.-IN G. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKENDR. G. MANITZ · DIPU-ING. M. FINSTERWALD DIP L.-IN G. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. FOLK BANKS

β MÖNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-N UMMER 7 2 70β MÖNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. ACCOUNT NUMBER 7 2 70

TEL. (0891 22 42 II. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/25. TEL.(0711)56 72 61 POSTSCHECK: MÜNCHEN 770 62 - 80STEL. (0891 22 42 II. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/25. TEL. (0711) 56 72 61 POST CHECK: MUNICH 770 62 - 80S

Ein derartiges Arrapäar wird im nachfolgenden als 'konjugiertes Armpaar bezeichnet. Eine weitere Eigenschaft eines Hybrid-Kopplers ist es, daß er so eingerichtet werden kann, daß die an einem konjugierten Armpaar eintretende Leistung im Verhältnis 1:1 oder in einem anderen vorbestimmten Verhältnis geteilt zu den Armen des anderen konjugierten Paares herausfließt; die relativen Phasenwinkel der beiden Ausgänge hängen von der Art der benutzten Hybridverbindung ab. Solche Koppler, wie z.B. der "Magic Tee"-Koppler oder der sogenannte 3dB Riblet-Koppler sind Stand der Technik. Die bekannte hier besprochene Art von Vielfachkopplern umfaßt zwei Hybrid-Koppler mit vier Anschlüssen, wobei jeweils ein konjugiertes Armpaar jedes Kopplers durch verschieden lange Wellenleiterabschnitte eino?übertragungsleitung mit dem konjugierten Paar des anderen Kopplers verbunden ist. Die Länge der Wellenleiterabschnitte bestimmt die zwei Frequenzen, die verbunden oder getrennt werden können, und der Längenunterschied der Wellenleiterabschnitte der übertragungsleitung muß ein geradzahliges Vielfaches der übertragenen Wellenlängen bei der einen Frequenz sein und ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge der anderen Frequenz, wodurch die Bandbreite jeder der zwei zusammengekoppelten Frequenzen bestimmt wird. Die Bandbreite ist so eine Funktion der Weglänge zwischen den beiden Hybrid-Kopplern und je größer der Unterschied der Weglängen ist, umso größer ist die Phasenempfindlichkeit zwischen den beiden ttbertragungsleitungsabschnitten als Funktion der Frequenz, und umso kleiner ist die Betriebsbandbreite.Such an arrapair is hereinafter referred to as a conjugated arm pair designated. Another property of a hybrid coupler is that it can be arranged in such a way that the power occurring on one conjugated arm pair is in the ratio 1: 1 or in another predetermined ratio flows out divided to the arms of the other conjugated pair; the relative phase angles of the two outputs depend on the type of hybrid connection used. Such couplers, such as the "Magic Tee" coupler or the so-called 3 dB riblet coupler are state of the art. The known type of multiplexers discussed herein include two hybrid couplers with four connections, each with a conjugate pair of arms of each coupler by different lengths Waveguide sections a transmission line with the conjugate Pair of the other coupler is connected. The length of the waveguide sections determines the two frequencies that are connected or can be separated, and the difference in length of the waveguide sections of the transmission line must be an even number Multiples of the transmitted wavelengths at one frequency and an odd multiple of half the wavelength the other frequency, thereby determining the bandwidth of each of the two frequencies coupled together. The bandwidth is such a function of the path length between the two hybrid couplers and the greater the difference in the path lengths, the greater the phase sensitivity between the two transmission line sections as a function of frequency, and the smaller the operating bandwidth.

Normalerweise wird der Mehrfachkoppler aus einem massiven Materialblock hergestellt, siehe GB Patentschrift. Nr. Ϊ j>Zf5' 537.Wird jedoch bei einer solchen Konstruktion ein Hochleistungssignal angelegt, so macht sich eine Tendenz zum Abwandern der Mittelfrequenz bemerkbar. War, zum Beispiel, der Zweifachkoppler ausUsually the multiple coupler is made from a solid block of material manufactured, see GB patent specification. No. Ϊ j> Zf5 '537.Will however, with such a construction, when a high power signal is applied, the center frequency tends to drift noticeable. For example, the dual coupler was off

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einem Aluminiumblock gefertigt und hatte sechs Signalfrequenzkanäle, jeder für eine Bandbreite von kO MHz mit Mittelfrequenzen in der Gegend von 6 GHz ausgelegt, so wurde bei einem 3 Kw-Leistungseingang ein Abwandern der Mittelfrequenzen nach unten um 13 MHz festgestellt. Es ist leicht einzusehen, daß eine derart große Änderung der Mittelfrequenz im Vergleich zur Frequenzbandbreite eine beträchtliche Abnahme der nutzbaren Betriebsbandbreite jedes Kanals ergibt.made of an aluminum block and had six signal frequency channels, each designed for a bandwidth of kO MHz with medium frequencies in the region of 6 GHz, a drift of the medium frequencies down by 13 MHz was found with a 3 kW power input. It is easy to see that such a large change in center frequency compared to frequency bandwidth results in a significant decrease in the usable operating bandwidth of each channel.

Ziel der Erfindung ist es, einen Vielfachkoppler zu schaffen, bei dem der eben erwähnte Nachteil wesentlich reduziert ist.The aim of the invention is to create a multiple coupler in which the above-mentioned disadvantage is significantly reduced.

Nach der Erfindung umfaßt ein Mikrowellenfrequenzmehrfachkoppler mindestens zwei Hybrid-Koppler mit vier Anschlüssen, deren konjugierte Armpaare jeweils mit zwei Wellenleiterabschnitten verschiedener Länge verbunden sind, wobei die Ausdehnungskoeffizienten der Wellenleiterabschnitte sich umgekehrt proportional wie die Längen der Abschnitte verhalten.According to the invention, a microwave frequency multiplexer comprises at least two hybrid couplers with four connections, their conjugate Pairs of arms are each connected to two waveguide sections of different lengths, the expansion coefficient of the waveguide sections are inversely proportional to the lengths of the sections.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnisj daß der vorher erwähnte Frequenzwechsel von der unterschiedlichen absoluten Ausdehnung der beiden Ubertragungsleitungs-Welenleiterabschnitte herrührteοThe invention is based on the knowledge that the previous mentioned frequency change from the different absolute dimensions of the two transmission line wave conductor sections originated o

Durch Auswahl von Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten für die Wellenleiterabschnitte kann ein Mehrfachkoppler geschaffen werden, der vergleichsweise unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen ist.By choosing materials with different expansion coefficients A multiple coupler can be created for the waveguide sections, which is comparatively insensitive to this Temperature fluctuations is.

In einer bevorzugten Ausführung, bei der jeder Kanal mit einem 3 Kw-Signal von kO MHz Bandbreite, bei etwa 6 GHz Mittenfrequenz, gespeist wurde, besteht der eine Abschnitt aus einem Kupfermaterial und der andere Abschnitt aus einem Aluminiummaterial.In a preferred embodiment, in which each channel was fed with a 3 Kw signal of kO MHz bandwidth, at about 6 GHz center frequency, one section consists of a copper material and the other section of an aluminum material.

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Im folgenden wird die Erfindung an einem Beispiel mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; die Zeichnung zeigt eine Bauform eines erfindungsgemäßen Zweifachkopplers.In the following the invention is explained in more detail using an example with reference to the drawing; the drawing shows a design of a dual coupler according to the invention.

Der in der Zeichnung gezeigte Zweifachkoppler ist ein Multipoltyp und umfaßt zwei Hybrid-Koppler 1, 2 mit vier Anschlüssen, deren konjugierte Armpaare mit weiteren Hybrid-Kopplern mit vier Anschlüssen 3, k verbunden sind, wobei sich an konjugierte Armpaare der Koppler 3, k tJbertragungsleitungswellenleiterabschnitte 5, 6 anschließen. Die Wellenleiterabschnitte 5> 6 wirken als Ubertragungsleitungen und sind an ihren jeweiligen von den Kopplern 3 oder k abgewandten Enden kurzgeschlossen; in die Abschnitte 5> 6 können Induktivstäbe zur Abstimmung durch "Abschneiden" (squaring off) der sich darin fortpflanzenden Signale montiert werden. Der Koppler 1 besitzt ein konjugiertes Armpaar, das jeweils mit einem Paar von Eingangsanschlüssen 7 verbunden ist und der Koppler 2 hat ein konjugiertes Armpaar, das an einem Arm mit einer Last 8 und am anderen Arm mit einem Ausgangsanschluß 9 verbunden ist.The double coupler shown in the drawing is a multipole type and comprises two hybrid couplers 1, 2 with four connections, the conjugate arm pairs of which are connected to further hybrid couplers with four connections 3, k , the coupler 3, k being connected to conjugate arm pairs with transmission line waveguide sections Connect 5, 6. The waveguide sections 5> 6 act as transmission lines and are short-circuited at their respective ends facing away from the couplers 3 or k; Inductive rods can be mounted in sections 5> 6 for tuning by "cutting off" (squaring off) the signals propagating in them. The coupler 1 has a pair of conjugate arms each connected to a pair of input ports 7, and the coupler 2 has a pair of conjugate arms connected to a load 8 on one arm and an output port 9 on the other arm.

Nun wird die Länge der Wellenleiterabschnitte 5, 6 zwischen den angeschlossenen Kopplern 3, ^f bis zu den Kurzschlüssen, die mit den Abschnitten 5» 6 verbunden sind, berechnet. Die erforderlichen Bedingungen für die Betriebsfrequenzen werden durch passende Dimensionierung der Längen L,, Lp der Abschnitte 5> 6 zusammen mit ihrer jeweils mit A bezeichneten Breit_enabmessung des rechteckigen Wellenleiters erhalten. Während des Betriebs mit einem Leistungsfluß durch diese Wellenleiterabschnitte 5, 6 tritt eine Zunahme in den Längen und Breiten der Abschnitte 5> infolge Erwärmung auf. Sie werden jeweils als Δ L₁ , ^L bzw'.AA.. , ΔAp bezeichnet. Wenn keine Maßnahmen zur Verhütung der Frequenzänderung ergriffen werden, d.h. wenn die Abschnitte 5» 6 aus einem zusammenhängenden Materialblock gefertigt wurden und wennNow the length of the waveguide sections 5, 6 between the connected couplers 3, ^ f up to the short circuits that are connected to the sections 5 »6 is calculated. The necessary conditions for the operating frequencies are obtained by suitable dimensioning of the lengths L 1, L p of the sections 5> 6 together with their width dimension of the rectangular waveguide, each designated by A. During operation with a power flow through these waveguide sections 5, 6, an increase in the lengths and widths of the sections 5> occurs due to heating. They are each referred to as Δ L ₁ , ^ L or .AA .., ΔAp. If no measures are taken to prevent the frequency change, ie if the sections 5 »6 were made from a coherent block of material and if

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die Länge L₁ zweimal die Länge L_? beträgt, woraus folgt, daß _A L₁ annähernd zweimal Δ L₂ ist, werden die mit A bezeichneten Abmessungen des Wellenleiters gleich, anwachsen und die Abweichung in der Mittenfrequenz eines jeden Kanals,^f, kann in folgender Weise ausgedrückt werden:the length L ₁ twice the length L _? from which it follows that _A L _{1 is} approximately twice Δ L ₂ , the dimensions of the waveguide denoted by A will be the same, increasing and the deviation in the center frequency of each channel, ^ f, can be expressed in the following way:

\f ■ f jf \ f ■ f jf

^{f =} JXT ^{AL +} ^ ' *^1L1 ⁺ "fc^ ' ^ΛΐΟ2. ⁺ .AfC₁ ' ^/Vfc1 ^{f =} JXT ^{AL +} ^ '* ^1L 1 ⁺ "fc ^' ^ΛΐΟ 2. ⁺ .AfC ₁ ' ^{/ Vfc} 1

wobei /IfC₁ = - , A&-. und ~fc_P = ..ΛΑ ¹ ^ ' ^d ^ where / IfC ₁ = -, A & -. and ~ fc _P = ..ΛΑ ¹ ^ ' ^d ^

fc. die Grenzfrequenz des Abschnitts 5> ic- die Grenzfrequenz des Abschnitts 6,fc. the cutoff frequency of section 5> ic- the cutoff frequency of section 6,

A₁ die innere Abmessung der längeren Wandung des rechteckigen Wellenleiters des Abschnitts 5,A _{1 is} the inner dimension of the longer wall of the rectangular waveguide of section 5,

Ap die innere Abmessung der längeren Wandung des rechteckigen Wellenleiters des Abschnitts 6, undAp is the inner dimension of the longer wall of the rectangular one Section 6 waveguide, and

c die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum ist.c is the speed of light in empty space.

Die Erfindung sieht vor, daß die Wellenleiterabschnitte 5 und körperlich aus so ausgewählten verschiedenen Materialien gebildet sind, daß im ganzen ohne Rücksicht auf die Längenänderungen der Abschnitte 5 und 6 (AL^, ^L^) und auf die Änderung in der inneren Abmessung der längeren Wand (δΑ, , ΔΑ ) der Zweifachkoppler im wesentlichen eine Nullabweichung von den geforderten Mittenfrequenzen der Kanäle hervorruft. Es wurde festgestellt, daß die Auswahl eines Kupfermaterials für die größere Länge (L₁) und eines Aluminiummaterials für die geringere Länge (Lp) imThe invention provides that the waveguide sections 5 and 6 are formed physically from different materials selected so that, on the whole, regardless of the changes in length of sections 5 and 6 (AL ^, ^ L ^) and the change in the inner dimension of the longer Wall (δΑ,, ΔΑ) of the dual coupler causes essentially a zero deviation from the required center frequencies of the channels. It has been found that selecting a copper material for the greater length (L ₁ ) and an aluminum material for the shorter length (Lp) im

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wesentlichen eine Nullabweichung der Kanalmittenfrequenz
erzeugt, wenn jeder von sechs Kanälen mit einem 3 Kw-Signal von ZfO MHz Bandbreite bei einer Mittenfrequenz in der Gegend von 6 GHz gespeist wird. Das für die Abschnitte 5j 6 erforderliche Material wird unter Beachtung des Umstandes, daß
ihre Ausdehnungskoeffizienten sich umgekehrt proportional wie die Längen der Abschnitte verhalten, ausgewählt.essentially a zero deviation of the channel center frequency
generated when each of six channels is fed with a 3 Kw signal of ZfO MHz bandwidth at a center frequency in the region of 6 GHz. The material required for the sections 5j 6, taking into account the fact that
their expansion coefficients are inversely proportional to the length of the selected sections.

- Patentansprüche -- patent claims -

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Claims (2)

PatentansprücheClaims Mikrowellenfrequenz-Mehrfachkoppler mit mindestens zwei Hybrid-Kopplern mit vier Anschlüssen, deren konjugierte Armpaare durch zwei verschieden lange Wellenleiterabschnitte verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungskoeffizienten der Wellenleiterabschnitte (5» 6) sich umgekehrt proportional zu den Längen dieser Abschnitte verhalten.Microwave frequency multiple couplers with at least two hybrid couplers with four connections, their conjugate Pairs of arms are connected by two waveguide sections of different lengths, characterized in that that the expansion coefficients of the waveguide sections (5 »6) are inversely proportional to the lengths behave in these sections. 2. Mikrowellenfrequenz-Mehrfachkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der längere Abschnitt (5) aus einem Kupfermaterial und der kürzere Abschnitt (6) aus einem Aluminiummaterial besteht.2. microwave frequency multiple coupler according to claim 1, characterized in that the longer section (5) is made of a copper material and the shorter Section (6) consists of an aluminum material. 709830/0593 ORIGINAL INSPECTED709830/0593 ORIGINAL INSPECTED