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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf inhomogenes
Wellenleiter-Verbindungsstücke zum Verbinden von im
allgemeinen rechteckigen Wellenleitern mit im allgemeinen
elliptischen Wellenleitern. Ein "inhomogenes" Wellenleiter-
Verbindungsstück ist ein Verbindungsstück zum Verbinden von
Wellenleitern, die verschiedene Grenzfrequenzen haben.
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Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein verbessertes inhomogenes Wellenleiter-Verbindungsstück
zum Verbinden eines rechteckigen Wellenleiters mit einem
elliptischen Wellenleiter zur Verfügung zu stellen, das einen
geringen Rückflußverlust über eine weite Bandbreite
gewährleistet.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein verbessertes Verbindungsstück bereitzustellen, das
mit relativ großen Schneid- bzw. Zerspanungswerkzeugen
hergestellt werden kann, wobei feine Herstellungstoleranzen
eingehalten werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Wellenleiter-Verbindungsstück zur Verfügung
zu stellen, das einen sehr geringen Rückflußverlust aufweist,
aber über keine Abstimmvorrichtungen (Schrauben, etc.)
verfügt, die die Durchgangsleistung des Verbindungsstücks
verringern.
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Die vorliegende Erfindung hat desweiteren die Aufgabe, ein
verbessertes Wellenleiter-Verbindungsstück der obengenannten
Art zur Verfügung zu stellen, das einen Stufentransformator
verwendet und durch einen Rückflußverlust, der mit steigender
Stufenzahl abnimmt, gekennzeichnet ist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein verbessertes Wellenleiter-Verbindungsstück
bereitzustellen, das relativ kurz ist.
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Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen hervor.
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Eine Wellenleiterverbindung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist aus der Druckschrift EUROPEAN MICROWAVE
CONFERENCE PROCEEDINGS, London, 8.-12.9.1969, S. 277-280,
IEE; T. LARSEN: "Superelliptic broadband transition between
rectangular and circular waveguides" bekannt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die obengenannten
Ziele realisiert, indem eine Wellenleiterverbindung
geschaffen wird, die eine Kombination der Merkmale des
Oberbegriffs von Anspruch 1 und der Merkmale seines
kennzeichnenden Teils aufweist.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht einer
Wellenleiterverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
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Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;
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Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht entlang der Linie 4-4 in
Fig. 1;
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Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4;
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Fig. 6 ist ein Querschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 4;
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Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Abmessungen der
verschiedenen Diagonaldurchmesser in dem
Wellenleiterübergang, wie er in der Verbindung gemäß Fig. 1
verwendet wird.
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Obgleich die Erfindung in verschiedenen Varianten und
alternativen Ausführungsformen eingesetzt werden kann, ist
ein spezielles Ausführungsbeispiel in den Zeichnungen
dargestellt, welches im folgenden beschrieben wird. Es
versteht sich jedoch von selbst, daß die Erfindung nicht auf
diese spezielle offenbarte Form beschränkt sein soll.
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Fig. 1 zeigt ein Verbindungsstück 10 zum Verbinden eines
rechteckigen Wellenleiters 11 mit einem elliptischen
Wellenleiter 12. Die Diagonalquerschnitte des rechteckigen
Wellenleiters 11 und des elliptischen Wellenleiters 12 sind
in Fig. 2 und 3 dargestellt; die Diagonal- und
Längsquerschnitte des Verbindungsstücks 10 sind in Fig. 4-6
gezeigt. Das Verbindungsstück 10, der rechteckige
Wellenleiter 11 und der elliptische Wellenleiter 12 haben
alle längliche Diagonalquerschnitte, die in bezug auf
zueinander senkrechte Haupt- und Nebenquerachsen und
symmetrisch sind.
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Der rechteckige Wellenleiter 11 weist eine Breite ar entlang
der x-Achse und eine Höhe br entlang der y-Achse auf, während
der elliptische Wellenleiter 12 eine maximale Breite ae und
eine maximale Höhe be entlang denselben Achsen aufweist. Wie
auf dem Gebiet der Wellenleitertechnik bekannt ist, werden
die Werte von ar, br sowie ae, be in Abhängigkeit von dem
speziellen Frequenzband, für das der Wellenleiter verwendet
werden soll, ausgewählt. Diese Abmessungen bestimmen die
charakteristische Impedanz Zc und die Grenzfrequenz fc der
Wellenleiter 11 und 12. Ein rechteckiger Wellenleiter vom Typ
WR137 hat beispielsweise eine Grenzfrequenz fc von 4,30 GHz.
Entsprechende Grenzfrequenzwerte für rechteckige Wellenleiter
in anderen Größen sind im Stand der Technik bekannt.
Elliptische Wellenleiter sind jedoch nicht universell
genormt, da die Tiefe der Rillen auch die Grenzfrequenz fc
beeinflußt; diese Tiefe wird von jedem Hersteller individuell
festgelegt.
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Wie aus Fig. 4-6 hervorgeht, weist das Verbindungsstück 10
einen Stufentransformator auf, der den Übergang zwischen den
beiden unterschiedlichen Querschnittsformen der Wellenleiter
11 und 12 bewirkt. In dem speziellen Ausführungsbeispiel nach
Fig. 4-6 weist der Transformator drei Stufen 21, 22 und 23
auf, die den beiden Abschnitten 31 und 32 zugeordnet sind,
obgleich natürlich auch eine größere oder kleinere Anzahl von
Stufen je nach Anwendungszweck verwendet werden kann. Jeder
der beiden Abschnitte 31 und 32 weist Querabmessungen auf,
die groß genug sind, um den gewünschten Modus zu übertragen,
aber klein genug, um den ersten erregbaren höherwertigen
Modus abzutrennen. Für jeden beliebigen Querschnitt kann die
Obergrenze der für die Abtrennung höherwertiger Modi
erforderlichen Querabmessungen unter Verwendung des
numerischen Verfahrens, das in "Analysis of the Arbitrarily
Shaped Waveguide by Polynomial Approximation" von R.M.
Bulley, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,
Band MTT-18, Nr. 12, Dezember 1970, S. 1022-1028, beschrieben
ist, berechnet werden.
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Die Querabmessungen ac und bc der aufeinanderfolgenden
Abschnitte 31 und 32 sowie die Länge 1c der jeweiligen
Abschnitte sind auch so gewählt, daß sie die Reflexion an dem
eingangsseitigen Ende des Verbindungsstücks 10 über das
vorgeschriebene Frequenzband, für das das Verbindungsstück 10
bestimmt ist, minimieren. Die speziellen Abmessungen, die zum
Erzielen dieser minimalen Reflexion erforderlich sind, können
empirisch oder mittels Computeroptimierungsverfahren, z. B.
dem "razor search"-Verfahren (J.W. Bandler, "Computer
Optimization of Inhomogeneous Waveguide Transformers", IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques", Band MTT-
17, Nr. 8, August 1969, S. 563-571) bestimmt werden, bei der
die Lösung auf der folgenden bekannten Reflexionsgleichung
beruht:
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Reflexionsfaktor = (yco - yin - jB&sub1;)/(yco + yin + jB&sub1;).
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Die Abschnitte 31 und 32 können die gleiche elektrische Länge
haben, obwohl dies nicht erforderlich ist.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung
weist der inhomogene Stufentransformator in dem
Verbindungsstück zwischen rechteckigem und elliptischem
Wellenleiter einen im allgemeinen superelliptischen
Innenquerschnitt auf, der sich progressiv von Stufe zu Stufe
entlang der Länge des Transformators in Richtung sowohl der
x-Achse als auch der y-Achse verändert, und der auch einen
Exponenten der folgenden Form hat:
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(2x/a)p + (2y/b)p = 1,
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wobei p ≥ 2 ist. Jeder Querschnitt variiert progressiv in der
gleichen Längsrichtung, so daß sowohl die Grenzfrequenz als
auch die Impedanz des Transformators monoton entlang der
Länge des Transformators variieren. Da jede Stufe des
Transformators einen superelliptischen Querschnitt aufweist,
ist der Exponent definitionsgemäß an jeder Stufe größer
oder gleich zwei. Der Exponent hat seinen Maximalwert an
dem mit dem rechteckigen Wellenleiter zu verbindenden Ende
des Verbindungsstücks, so daß der Diagonalquerschnitt des
Verbindungsstücks an diesem Ende am meisten einem Rechteck
nahekommt. Der Exponent hat seinen Minimalwert an dem mit
dem elliptischen Wellenleiter zu verbindenden Ende des
Verbindungsstücks, obwohl es nicht erforderlich ist, daß der
Exponent an dem elliptischen Ende auf zwei reduziert wird;
das heißt, es kann eine Stufe zwischen dem elliptischen
Wellenleiter und dem angrenzenden Ende des Verbindungsstücks
geben.
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An dem dem rechteckigen Wellenleiter zugewandten Ende des
Verbindungsstücks 10 entsprechen die Breite a&sub1; und die Höhe
b&sub1; des Verbindungsstücks der Breite ar und der Höhe br des
rechteckigen Wellenleiters 11. Bei Stufe 23 sind das dem
elliptischen Wellenleiter zugewandte Ende des
Verbindungsstücks 10, die Breite a&sub3; und die Höhe b&sub3; des
Verbindungsstücks kleiner als die Breite ae und die Höhe be
des elliptischen Wellenleiters, und zwar um Abstufungen, die
mit dem durchschnittlichen schrittweisen Anstieg von ac und
bc an den Stufen 21 und 22 vergleichbar sind.
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An dem dem elliptischen Wellenleiter zugewandten Ende des
Verbindungsstücks kann entweder eine kapazitive Irisblende 40
(wie in Durchsicht in Fig. 3 gezeigt) oder eine induktive
Irisblende (nicht gezeigt, jedoch identisch mit der
kapazitiven Iris, außer daß sie parallel zu der
Nebenquerachse y verläuft) vorgesehen sein, um die Bandbreite
zu vergrößern und/oder einen geringeren Rücklaufverlust zu
gewährleisten. Die Auswirkung einer solchen Irisblende ist im
Stand der Technik wohlbekannt; sie ist allgemein in
"Antennas", 1966, von L.V. Blake beschrieben.
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Durch Variieren der inneren Querabmessungen der
aufeinanderfolgenden Abschnitte des inhomogenen
Transformators entlang sowohl der Haupt- als auch der
Nebenquerachse x und y (ac, bc variieren gemäß den
Möglichkeiten von fc (EW) fc (WR)), während der Wert des
Exponenten p variiert wird (p verändert sich systematisch von
2 bei dem elliptischen Wellenleiter (EW) auf ∞ bei einem
rechteckigen Wellenleiter (WR)), können sowohl die
Grenzfrequenz fc und die Impedanz Zc so vorbestimmt werden,
daß sie monoton entlang der Länge des Transformators
variieren. Dies gewährleistet eine gute Impedanzanpassung
zwischen dem Transformator und den verschiedenen, verbundenen
Wellenleitern und resultiert in einem wünschenswert niedrigen
Rückflußverlust (VSWR) über einem relativ breiten
Frequenz band.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von
Verbindungsstücken zum Verbinden von rechteckigen und
elliptischen Wellenleitern nach dem Stand der Technik, die
inhomogene Stufentransformatoren verwenden, in denen der
Diagonalquerschnitt nur entlang der Nebenquerachse variiert
wurde. In einem solchen Transformator ist die Veränderung in
der Grenzfrequenz entlang der Länge des Transformators nicht
monoton, sondern steigt an einer oder mehreren Stufen des
Transformators an und nimmt an einer oder mehreren Stufen ab
und führt zu einem relativ hohen Rückflußverlust.
Superelliptische Querschnitte wurden in der Vergangenheit in
glattwandigen (nicht abgestuften) homogenen Übergängen (mit
konstanter Grenzfrequenz) zwischen rechteckigen und
kreisförmigen Wellenleitern verwendet und erzielten nur
mittelmäßige Ergebnisse (T. Larsen, "Superelliptic Broadband
Transition Between Rectangular and Circular Waveguides",
Proceedings of European Microwave Conference, 8.-12.9.1969,
S. 277-280). Es ist daher überraschend, daß der
superelliptische Querschnitt solche hervorragenden Ergebnisse
in dem abgestuften, inhomogenen Verbindungsstück zwischen
rechteckigem und elliptischem Wellenleiter gemäß der
vorliegenden Erfindung erzielt.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch eine deutliche
Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik in bezug auf das
Herstellungsverfahren dar. Bei besonders hohen Frequenzen
(z. B. 22 GHz) müssen die charakteristischen Abmessungen von
Wellenleiterverbindungsstücken (und Wellenleitern im
allgemeinen) klein sein; sie sind daher schwer herzustellen,
wenn die inneren Flächen des Verbindungsstücks kleine Radien
aufweisen. Außerdem werden bei diesen Frequenzen die
Toleranzen kritischer, da sie einen größeren Teil einer
Wellenlänge repräsentieren. Bei diesen Frequenzen wird es
daher immer schwieriger, Stufentransformatoren mit
rechteckigen Querschnitten in maschineller Bearbeitung
herzustellen, da die Fräsvorgänge notwendigerweise an jeder
Stelle, an der vertikale und horizontale Oberflächen
aufeinandertreffen, kleine Radien zurücklassen. Im Falle des
superelliptischen Querschnitts kann das Verbindungsstück
dagegen auf wirtschaftliche Weise in maschineller Bearbeitung
hergestellt werden, da keine kleinen Radien erforderlich
sind. Obgleich ein Ende des Verbindungsstücks einen
rechteckigen Querschnitt hat, kann dieser Abschnitt des
Verbindungsstücks leicht in einem einzelnen Räumvorgang
geformt werden, bevor die anderen Stufen gefräst werden.
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In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4-7, in dem ein
dreiteiliger Transformator zum Verbinden eines rechteckigen
Wellenleiters des Typs WR-75 mit einem gewellten elliptischen
Wellenleiter des Typs EW-90 verwendet wird, wiesen die beiden
Abschnitte 31 und 32 des Verbindungsstücks superelliptische
Querschnitte mit Exponenten von 2,55 und 2,45 und folgende
Abmessungen auf:
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Abschnitt 31 a&sub2; = 0,892 (2,27 cm), b&sub2; = 0,424 (1,08 cm),
l&sub2; = 0,350 (0,89 cm)
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Abschnitt 32 a&sub3; = 0,978 (2,48 cm), b&sub3; = 0,504 (1,28 cm),
13 = 0,445 (1,13 cm).
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Der rechteckige Wellenleiter vom Typ WR-75 ist für eine
Grenzfrequenz von 7,868 GHz bestimmt und hat eine Breite ar
von 0,75 Inch (1,9 cm) und eine Höhe br von 0,375 Inch (0,95
cm). Der gewellte elliptische Wellenleiter vom Typ EW-90 ist
für eine Grenzfrequenz von 6,5 GHz bestimmt und weist eine
größere Abmessung ae von 1,08 Inch (2,74 cm) und eine
kleinere Abmessung be von 0,56 Inch (1,42 cm) auf (ae und be
werden ermittelt, indem der mittlere Wert der Rillentiefe
genommen wird). In einem Test über das 10,7- bis 11,7-GHz-
Band erzeugte dieses spezielle Verbindungsstück einen
Rückflußverlust (VSWR) im Bereich von -38 dB bis -45,7 dB,
wenn ein "tab flare" (nicht gezeigt) auf dem EW90 verwendet
wurde, und einen Rückflußverlust im Bereich von -42 dB bis
-49 dB, wenn ein "tool flare" (nicht gezeigt) verwendet wurde.
Wie allgemein im Stand der Technik bekannt, weist ein "tab
flare" einen Fortsatz des elliptischen Wellenleiterendes mit
einer Mehrzahl von auswärts gebogenen Vorsprüngen ("tabs")
auf, die durch Längsschlitze voneinander getrennt sind,
während ein "tool flare" einen durchgehenden Fortsatz des
elliptischen Wellenleiterendes aufweist, der durch einen
Werkzeugmechanismus ("tool mechanism") kelchförmig
streckgezogen ist.
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Wie aus dieser detaillierten Beschreibung hervorgeht, stellt
die vorliegende Erfindung ein verbessertes
Wellenleiterverbindungsstück zum Verbinden eines rechteckigen
Wellenleiters mit einem elliptischen Wellenleiter zur
Verfügung, während gleichzeitig ein geringer Rückflußverlust
über eine weite Bandbreite gewährleistet ist. Dieses
Verbindungsstück ist relativ leicht in maschineller
Bearbeitung herzustellen; es kann in effizienter und
wirtschaftlicher Weise mit feinen Toleranzen erzeugt werden,
ohne daß teure Fertigungsverfahren, wie z. B. Elektroformen
und ähnliches nötig sind. Desweiteren gewährleistet dieses
Verbindungsstück einen geringen Rückflußverlust, ohne daß
Abstimmvorrichtungen vorgesehen sind; daher werden die große
Durchgangsleistung und die niedrigen Herstellungskosten des
Verbindungsstücks ermöglicht. Da das Verbindungsstück einen
Stufentransformator verwendet, nimmt der Rückflußverlust mit
steigender Stufenzahl ab, so daß das Verbindungsstück je nach
den Anforderungen eines praktischen Anwendungszwecks in bezug
auf eine minimale Länge oder einen minimalen Rückflußverlust
oder eine gewünschte Kombination davon optimiert werden kann.