DE3486443T2

DE3486443T2 - Rechteckig-elliptischer Übergangshohlleiter

Info

Publication number: DE3486443T2
Application number: DE3486443T
Authority: DE
Inventors: Michael Saad Saad
Original assignee: Andrew LLC
Current assignee: Commscope Technologies LLC
Priority date: 1983-11-22
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2004-11-10
Also published as: AU3358984A; JPS60134501A; EP0145292A3; EP0145292B1; AU565551B2; CA1221751A; EP0145292A2; BR8405846A; US4540959A; DE3486443D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen inhomogenen Wellenleiter(-Verbinder) mit einem Wandler zum Schaffen einer Verbindung zwischen einem rechteckigen Wellenleiter und einem elliptischen Wellenleiter gemaß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein "inhomogener" Wellenleiter-Verbinder ist ein solcher zum Verbinden von Wellenleitern mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen.
Aus US-A 2 767 380 und DE-B-12 61 569 ist ein Transformator zum Verbinden von Rechteck-Wellenleitern mit unterschiedlichen Querabmessungen bekannt. Diese Dokumente des Standes der Technik lehren, die Horizontal- und Vertikal-Innenabmessungen des Wandlers zu erhöhen, wahrend man in Langsrichtung fortschreitet.
Aus US-A 2 960 671 ist ein Wandler zum Koppeln eines Rechteck- Wellenleiters mit einem Kreis-Wellenleiter bekannt. Um die Wellenleiter mit großen Impedanzdifferenzen zu koppeln, umfaßt der Wandler Übertragungssektionen, die gleichzeitig in den breiten und schmalen Abmessungen gestuft sind. Die Stufungen werden in entgegengesetzten Richtungen vorgenommen, so daß die Stufe in der breiten Abmessung eine induktive Nebenschluß- Suszeptanz erzeugt, die im wesentlichen der Größe der durch die Stufe der schmalen Abmessung erzeugten kapazitiven Nebenschluß- Suszeptanz entspricht und deshalb diese ausgleicht.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Ziel ist das Schaffen eines verbesserten inhomogenen Wellenleiters zum Verbinden eines Rechteck-Wellenleiters mit einem elliptischen Wellenleiter, der eine niedrige Rücklaufdämpfung über einen breiten Bandbreitenbereich ergibt und relativ leicht herzustellen ist.
Dieses Ziel wird erreicht durch einen Wellenleiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bevorzugte Ausführungen sind verschiedenen abhängigen Ansprüchen zugeordnet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Wellenleiterverbindung;
Fig. 2 ist ein Schnitt allgemein nach Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Schnitt allgemein nach Linie 3-3 in Fig. 1;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht, allgemein nach Linie 4-4 in Fig. 1 genommen;
Fig. 5 ist ein allgemein nach Linie 5-5 in Fig. 4 genommener Schnitt; und
Fig. 6 ist ein allgemein nach Linie 6-6 in Fig. 4 genommener Schnitt.
Wendet man sich nun den Zeichnungen zu und bezieht sich zuerst auf Fig. 1, so ist da ein Verbinder 10 zum Verbinden eines Rechteck-Wellenleiters 11 mit einem elliptischen Wellenleiter 12 gezeigt. Die Querschnittsformen des Rechteck-Wellenleiters 11 und des elliptischen Wellenleiters 12 sind jeweils in Fig. 2 bzw. 3 gezeigt, und die Quer- und Längsschnitte des Verbinders 10 sind in Fig. 4 bis 6 gezeigt. Der Verbinder 10, der Rechteck-Wellenleiter 11 und der elliptische Wellenleiter 12 besitzen alle längliche Querschnittsformen, die um die zueinander senkrechten Haupt- und Nebenquerachsen x bzw. y symmetrisch sind.
Der Rechteck-Wellenleiter 11 besitzt längs der x-Achse eine Breite ar und längs der y-Achse eine Höhe br, während der elliptische Wellenleiter 12 eine maximale Breite ae und eine maximale Höhe be längs der gleichen Achsen besitzt. Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannt ist, werden die Größen von ar, br und ae, be entsprechend dem bestimmten Frequenzband gewählt, in welchem der Wellenleiter eingesetzt wird. Diese Abmessungen bestimmen wiederum die charakteristische Impedanz zc und die Grenzfrequenz fc der jeweiligen Wellenleiter 11 bzw. 12. Beispielsweise besitzt ein Rechteck-Wellenleiter vom Typ WR137 eine Grenzfrequenz fc von 4,30 GHz, und ein elliptischer Wellenleiter vom Typ EW52 besitzt eine Grenzfrequenz fc von 3,57 GHz. Entsprechende Grenzfrequenzwerte für andere Wellenleiter-Standardformen, sowohl rechtwinklige wie elliptische, sind dem Fachmann wohl bekannt.
Wie in Fig. 4 bis 6 gesehen werden kann, enthält der Verbinder 10 einen gestuften Wandler, um den Übergang zwischen den beiden unterschiedlichen Querschnittsformen der Wellenleiter 11 und 12 zu bewirken. Bei der besonderen dargestellten Ausführung enthält der gestufte Wandler vier Stufen 21, 22, 23 und 24, die drei Sektionen 31, 32 bzw. 33 zugeordnet sind, obwohl es einzusehen ist, daß eine größere oder kleinere Anzahl von Stufen bei unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden kann. Jede der drei Sektionen 31-33 besitzt Querabmessungen, die groß genug sind, um den gewünschten Modus dadurch fortzupflanzen, jedoch klein genug, um den ersten anregbaren Modus höherer Ordnung abzuschneiden. Bei irgendeiner bestimmten Querschnittsgestaltung kann die obere Grenze für die zum Abschneiden von Modi höherer Ordnung erforderlichen Querabmessungen errechnet weden durch das numerische Verfahren, das beschrieben ist in dem Aufsatz von R.M. Bulley, "Analysis of the Arbitrarily Shaped Waveguide by Polynomial Approximation", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Band MTT- 18, Nr. 12, Dezember 1970, Seiten 1022-1028.
Die Querabmessungen ac und bc der aufeinanderfolgenden Sektionen 31-33 des Wandlers, wie auch die Längen 1c der jeweiligen Sektionen in Längsrichtung werden ebenfalls so gewählt, daß die Reflexionen am Eingangsende des Verbinders 10 über einem vorgegebenen Frequenzband minimalisiert werden. Die bestimmten zum Erreichen dieser minimalen Reflexion erforderlichen Abmessungen können empirisch oder durch Computer-Optimierungsverfahren wie das Scharfgrat-Suchverfahren (J.W. Bandler, "Computer Optimization of Inhomogeneous Waveguide Transformers," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Bd. MTT-17, Nr. 8, August 1969, Seiten 563-571) bestimmt werden durch Auflösen der bekannten Reflexionsgleichung: Reflexionskoeffizient = (Yco - Yin + jB&sub1;)/(Yco + Yin + jBY&sub1;) . Wenn gewünscht, können die Mehrfachsektionen 31-33 alle die gleiche elektrische Längserstreckung besitzen.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt der inhomogene gestufte Wandler bei dem Rechteck/Elliptisch- Übergangswellenleiter einen allgemein rechtwinkligen Querschnitt, der fortschreitend von Schritt zu Schritt in Längsrichtung des Wandlers zunimmt und zwar in Richtung sowohl der x- wie der y-Achse, so daß sowohl die Grenzfrequenz wie die Impedanz des Wandlers sich in Längsrichtung des Wandlers monoton ändern. So besitzen bei der in Fig. 4-6 dargestellten bestimmten Ausführung die Sektionen 31-33 rechtwinklige Querschnitte der Breite ac und der Höhe bc, die beide fortschreitend von Stufe 21 zu Stufe 22, von Stufe 22 zu Stufe 23 und von Stufe 23 zu Stufe 24 zunehmen. Die Stufe 24 wird gebildet durch die Differenz zwischen den Querabmessungen des elliptischen Wellenleiters 12 und des benachbarten Endes des Verbinders 10, wie in Fig. 5 gesehen werden kann.
An dem Ende des Verbinders, an dem der rechteckige Wellenleiter anschließt, sind die Breite ar und die Höhe br des Verbinders 10 praktisch gleich der Breite ar bzw. der Höhe br des rechteckigen-Wellenleiters. An der Stufe 24, die das an dem elliptischen Wellenleiter anschließende Ende des Verbinders ist, sind die Breite ac und die Höhe bc des Verbinders 10 geringer als die maximale Breite ae bzw. die maximale Höhe be des elliptischen Wellenleiters, und zwar um eine Zuwachsgröße, die den Zuwachsschritten von ac bzw. bc an den Stufen 21, 22 und 23 vegleichbar ist.
Wie in Fig. 4 gesehen werden kann, besitzen die rechtwinkligen Querschnitte des gestuften Wandlers gerundete Ecken. Zwar ist der Eckenradius an dieser Stelle relativ klein, doch kann er, wenn gewünscht, bis etwa zur Hälfte der Höhe bc des Rechteck- Querschnittes erhöht werden.
Um das Frequenzband zu dehnen oder zu verschieben, über dem der erfindungsgemäße Verbinder eine verbesserte Rücklaufdämpfung ergibt, kann eine kapazitive oder induktive (Iris)-Blende an dem Ende des Verbinders, an dem der elliptische Wellenleiter anschließt, vorgesehen werden.
Durch Erhöhen der inneren Querabmessungen der aufeinanderfolgenden Sektionen des inhomogenen Wandlers längs sowohl der Haupt- wie der Nebenachse x bzw. y verändern sich sowohl die Grenzfrequenz fc wie auch die Impedanz Zc monoton in Längsrichtung des Wandlers. Das ergibt eine gute Impedanzanpassung des Wandlers und der verschiedenen durch ihn verbundenen Wellenleiter, wodurch sich eine erwünschte niedrige Rücklaufdämpfung (VSWR) über einem relativ breiten Frequenzband ergibt. Beispielsweise wurde eine Rücklaufdämpfung von -36 dB über einem Frequenzband von 5,6 bis 7,4 GHz erhalten bei einem WR137/EW52-Verbinder mit drei Viertelwellen-Sektionen längs eines Wandlers mit einer Länge von 5,08 cm (2 inch) und einer kapazitiven Iris mit einer Höhe von 2,03 cm (0,8 inch) an dem Ende des elliptischen Wellenleiters. Noch geringere Rücklaufdämpfungen können mit längeren Verbindern erreicht werden, die mehr Stufen besitzen.
Diese Erfindung kontrastiert mit rechteckig/elliptischen Wellenleiterverbindern unter Benutzung von inhomogenen gestuften Wandlern, bei denen die Querabmessung nur längs der Neben- Querachse verändert wurde. Bei einem derartigen Wandler verläuft die Veränderung der Grenzfrequenz in Längsrichtung des Wandlers nicht monoton, sondern sie steigt bei einer oder mehreren Stufen des Wandlers an und nimmt bei einer oder mehreren Stufen ab, was zu relativ hohen Rücklaufdämpfungen führt. Gestufte Wandler mit rechteckigen Querschnitten, die sich längs beider Querachsen verändern, wurden ebenfalls beim Stand der Technik eingesetzt, jedoch nicht zum Verbinden elliptischer Wellenleiter mit Rechteck-Wellenleitern. Es ist überraschend, daß ein Verbinder mit einem rechteckigen Querschnitt ein derartiges ausgezeichnetes Verhalten ergibt, wenn er mit einem Wellenleiter mit elliptischem Querschnitt verbunden wird mit einer Grenzfrequenz, die sich von dem des rechteckigen Wellenleiters unterscheidet, an dem er angeschlossen wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Ausführung nach Fig. 4-6 unter Benutzung eines Dreisektionen-Wandlers, der zum Verbinden eines rechteckigen Wellenleiters vom Typ WR137 mit einem gewellten elliptischen Wellenleiter vom Typ EW52 ausgelegt ist, besaß der Verbinder einen konstanten Eckenradius von 0,318 cm (0,125 inch) und mit den folgenden Abmessungen in cm (in Klammern in inch): Der Rechteck-Wellenleiter vom Typ WR137 ist ausgelegt für ein Betriebsfrequenzband von 5,85 bis 8,20 GHz und besitzt eine Breite ar von 3,48 cm (1,372 inch) und eine Höhe br von 1,58 cm (0,622 inch). Der elliptische gewellte Wellenleiter EW52 ist zum Betrieb in einem Frequenzband von 4,6 bis 6,425 GHz ausgelegt und besitzt eine Hauptabmessung ae von 5,00 cm (1,971 inch) und eine Nebenabmessung be von 2,60 cm (1,025 inch) (ae und be sind unter Mittelung der Wellungstiefe gemessen). Bei einem Ausführungsversuch erzeugte dieser bestimmte Verbinder eine Rücklaufdämpfung, die im Frequenzband von 5,6 bis 7,6 GHz (30% Bandbreite) besser als -28 dB war und im Frequenzband von 6,15 bis 7,25 GHz (16% Bandbreite) besser als -34 dB. Obwohl dieser Verbinder niedrige Rücklaufdämpfungen über einem breiten Frequenzband schafft, wird er im praktischen Betrieb nur in dem Frequenzband von etwa 5,6 bis 6,4 GHz benutzt, da über 6,48 GHz Modi höherer Ordnung erzeugt werden.
Bei einem anderen Beispiel der in Fig. 4-6 gezeigten Ausführung wurde der gestufte Wandler ausgelegt mit vier Sektionen, wiederum zur Verwendung bei der Verbindung eines Rechteck- Wellenleiters vom Typ WR137 mit einem elliptischen Wellenleiter vom Typ EW52. Dieser Vierstufen-Verbinder besaß einen konstanten Eckenradius von 0,32 cm (0,125 inch) und die folgenden Abmessungen in cm (inch in Klammern): Bei einem Ausführungsversuch dieses zuletzt genannten Wandlers wurde eine Rücklaufdämpfung besser als -40 dB über einem Frequenzband von 6,05-6,55 GHz erzielt, das mit einer kapazitiven Iris von 2,18 cm (0,86 inch) auf 5,9-6,65GHz gedehnt war.
Wie aus der vorangehenden detaillierten Beschreibung zu ersehen ist, benutzt diese Erfindung einen Wellenleiter-Verbinder zum Verbinden von rechteckigen Wellenleitern mit elliptischen Wellenleitern unter Schaffung einer niedrigen Rücklaufdämpfung über einem breiten Bandbereich. Dieser Verbinder ist relativ leicht durch Bearbeiten herzustellen, so daß er wirksam und wirtschaftlich mit feinen Toleranzen gefertigt werden kann ohne kostentreibende Herstellverfahren wie Elektroformen oder dergleichen. Da der Verbinder einen gestuften Wandler benutzt, nimmt die Rücklaufdämpfung ab, wenn die Stufenzahl erhöht wird, so daß der Verbinder auf minimale Länge oder minimale Rücklaufdämpfung optimiert werden kann oder auf irgendeine gewünschte Kombination dieser beiden, in Abhängigkeit von den Anforderungen bei jeder bestimmten praktischen Anwendung.

Claims

1. Wellenleiter zum Bereitstellen einer verbindung zwischen einem rechteckigen Wellenleiter (11) und einem elliptischen Wellenleiter (12), der eine Grenzfrequenz und eine Impedanz besitzt, die verschieden von derjenigen des rechteckigen Wellenleiters (11) ist, umfassend:

einen inhomogen abgestuften Transformator (10), der den rechteckigen Wellenleiter (11) mit dem elliptischen Wellenleiter (12) verbindet, wobei der Transformator (10) eine Vielzahl von Abschnitten (31, 32, 33) aufweist, die alle Innenabmessungen besitzen, die klein genug sind, um den ersten anregbaren Modus höherer Ordnung in einem vorgewählten Frequenzband abzuschneiden,

wobei jeder Abschnitt (31, 32, 33) des Transformators (10) einen im wesentlichen rechteckigen Längsquerschnitt aufweist, der symmetrisch um zwei zueinander senkrecht stehende Hauptachsen (X, Y) ist, die denen des rechteckigen (11) und elliptischen (12) Wellenleiters gemeinsam sind,

wobei die Innenabmessungen des Längsquerschnitts in Richtung beider Hauptachsen (X, Y) von Schritt zu Schritt in allen vier Quadranten entlang der Länge des Transformators (10) zunehmen und zwar von seinem einen Ende (21), welches mit dem rechteckigen Wellenleiter (11) verbunden ist zu seinem anderen Ende (24), welches mit dem elliptischen Wellenleiter (12) verbunden ist, so daß sich sowohl die Grenzfrequenz als auch die Impedanz des Transformators (10) monoton entlang der Länge des Transformators (10) verändert,

die rechteckigen Querschnittsabmessungen (ar, br) des Abschnitts an einem Ende des Transformators (10), der mit dem rechteckigen Wellenleiter verbunden ist, im wesentlichen gleich den Abmessungen des rechteckigen Wellenleiters (11) sind, dadurch gekennzeichnet, daß

die rechteckigen Querschnittsabmessungen (ac, bc) des Abschnitts (24) am anderen Ende des Transformators (10), der mit dem elliptischen Wellenleiter (12) verbunden ist, geringer sind als die größere und kleinere Abmessungen des elliptischen Wellenleiters, wobei der Unterschied in der kleineren axialen Richtung um einen Betrag vergleichbar ist mit der Veränderung an jedem Schritt des Transformators in der entsprechenden axialen Querrichtung.

2. Wellenleiter nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Transformators (10) von dem Wellenleiter (11, 12) mit der niedrigeren Grenzfrequenz zunehmend ansteigt in Richtung des Wellenleiters (11, 12) mit der höheren Grenzfrequenz.

3. Wellenleiter nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz des Transformators (10) von dem Wellenleiter (11, 12) mit der niedrigeren Impedanz zunehmend ansteigtin Richtung des Wellenleiters (11, 12) mit der höheren Impedanz.

4. Wellenleiter nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine kapazitive oder induktive Blende an dem elliptischen Wellenleiterende des Transformators (10) angeordnet ist.