DE853915C - Ultrahochfrequenz-Sperrvorrichtung in Hohlwellenleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kopplung von Ultrahochfrequenzsystemen mit dem Zweck, die selbsttätige Sperrung eines Hohlrohrwellenleiters bei übergroßer Energie der darin laufenden Ultrahochfrequenzwellen zu bewirken. In Ultrahochfrequenzsystemen, bei welchen ein Sende- und Empfangsgerät verwendet wird, welche an dieselbe Antenne angeschlossen sind und bei denen die Antenne ein Signal des Senders von

ίο hoher Intensität ausstrählt sowie ein verhältnismäßig schwaches, von einem angestrahlten Objekt zurückgestrahltes Signal empfängt, besteht seit langem das Problem, das Empfangsgerät vom Sender während der Signalaussendung zu entkoppeln, um die verhältnismäßig empfindlichen Empfangsgeräte und Empfangskreise zu schützen.

Die Notwendigkeit dieses Schutzes liegt insbesondere bei solchen Hochfrequenzsystemen vor, bei denen ein Magnetron als Quelle der Hochfrequenzsignale verwendet wird und das Magnetron wieder- ao holt über eine Funkenstrecke hochgetastet wird. Bisher hat man bei diesen Einrichtungen Gasschaltröhren verwendet, um den Empfänger während der Sendezeiten zu schützen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß ein impulsgesteuertes Magnetron dieser Art Schwingungen etwas anderer Frequenz abgibt, als diejenigen, auf welche die hochselektiven Gasschaltröhren abgestimmt sind. Infolgedessen werden empfindliche Einzelteile im Empfänger, z. B. Kristalldetektoren, durch Signale von unerwünschter Frequenz, die im Impulsmagnetron entstehen, beschädigt.

Ein spezieller Zweck der Erfindung bestellt daher darin, eine neue und verbesserte Entkopplungsvorric'htung für ein Breitbandsignal zu schaffen, die das Empfangsgerät gegen ein Ultrahochfrequenzsendesystem der genannten Art während der Sendezeiten abschließt.

Die Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung soll dabei die Eigenschaften besitzen, daß sie für Ultrahochfrequenzenergie unterhalb eines bestimmten Energiewertes (Energieschwelle) reflexionsfrei arbeitet, aber oberhalb dieses Schwellenwertes die auf sie auftreffende Hochfrequenzenergie genügend abschwächt, so daß diese hohe auftreffende Energie praktisch verschluckt wird.

Die Erfindung besteht in der Benutzung einer Entkopplungsvorrichtung oder einer in den Hohlrohrwellenleiter des Ultrahochfrequenzsystems eingebauten Sperrzelle, die eine Breitbandkennlinie hat, die also nicht nur für gewünschte Frequenzen, sondern auch für parasitäre oder unerwünschte Frequenzen wirkt. Zweckmäßig arbeitet sie in Verbindung mit einer üblichen Gasschaltröhre mit Steuerelektrode, die die Empfangsapparatur von as der Sendeapparatur während der Sendezeiten isoliert. Die Sperrzelle ist so aufgebaut, daß sie den Wellenleiter (Wellenführer) praktisch kurzschließt und ist beispielsweise bezüglich der Kreise der Empfangseinrichtung so angeordnet, daß sie die Empfängergeräte während der Sendezeiten isoliert und doch während der Empfangszeiten die Empfangsenergie ungeschwächt dem Empfänger zuleitet. Die Sperrzelle enthält zwei transversal angeordnete und mit öffnungen versehene metallisehe Wände, deren öffnungen eine beträchtliche Erstredkung senkrecht zur elektrischen Komponente der auftreffenden Wellen besitzen und mit glasartigen Fenstern in der Ebene der Wände luftdicht verschmolzen sind; die öffnungen, sind auf die Frequenz der Wellen abgestimmt, und der Widerstand quer zu den öffnungen schlägt beim Auftreten übergroßer Energie durch.

In Fig. ι ist ein Ultrahochfrequenzsystem dargestellt, in dem eine Kopplungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, während Fig. 2 eine perspektivische und teilweise geschnitten gezeichnete Ansicht der Kopplungsvorrichtung nach Fig. 1 ist.

Das Ultrahochfrequenzsystem nach Fig. 1 kann zu Hochfrequenzsendung, -abstrählung und -empfang benutzt werden. Der Sender 1 enthält einen Ultrahochfrequenzgenerator 2, beispielsweise ein Magnetron, welcher periodisch mittels der im Impulsgenerator 3, der beispielsweise eine Funkenstrecke enthalten möge, erzeugten Impulse hochgetastet wird. Der Sender 1 ist an einen dielektrischen Wellenleiter 4 angeschlossen, der an seinem anderen Ende in ein trichterförmiges Horn (konisches Horn) ausläuft, das seinerseits die Antenne 5 bildet. An den Wellenleiter 4 ist ferner über eine Zweigleitung ein Empfänger 6 angeschlossen. Der Empfangskreis besteht aus einer Koaxialleitung 7, welche in eine Kopplungsschleife 8 ausläuft, die ihrerseits in einen Resonanzhohlraum 9 hineinragt. Der Resonanzhohlraum 9 enthält die übliche Gasschältröhre 10, die in der Mitte des Hohlraumes angeordnet ist. Die Eingangsseite des Resonanzhohlraumes ist an den Wellenleiter 4 angekoppelt, und zwar über die verbesserte Kopplungsvorrichtung 11.

Die Kopplungsvorrichtung oder Sperrzelle ist in Fig. 2 teilweise im Schnitt vergrößert und perspektivisch dargestellt und besteht aus einem Stück einer metallischen Wellenleitung von ungefähr einem Viertel der Wellenlänge mit metallischen Seitenwänden 12 bis 15, die an ihren beiden Enden mit inneren und äußeren Schultern 16 und 17 (Auflageflächen) versehen sind. Auf den Flächen 17 und mit ihnen z. B. durch Löten oder Schweißen verbunden liegen zwei Metallwände 18, 19, wobei die Wand 18 auf der Fläche 17 aufliegt und die Wand 19 die Abschlußwand auf der Unterseite bildet. Die transversalen Wände 18 und 19 sind mit öffnungen 20 versehen, die eine erhebliche Abmessung transversal zur Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen durch den Wellenleiter besitzen. Wenn der Wellenleiter durch elektromagnetische Wellen von der üblicherweise mit TE₀₁ bezeichneten Art erregt wird, bildet die öffnung oder der Schnitt 20 eine Hauptdimension transversal zu der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes und bewirkt eine Konzentration des Potentials wegen der quer zu den Kanten des Schlitzes parallel mit den Wänden !3, 15 verlaufenden Welle. Diese Verstärkung bzw. Betonung oder Konzentration des Potentials durch die Welle tritt teilweise deshalb ein, weil der Schlitz auf die Frequenz der erregenden Wellen abgestimmt ist, d. h. eine geringe Reflexion der elektromagnetischen Wellen dieser Frequenz ^l°° bewirkt, und teilweise durch Verminderung der Entfernung, über die das Potential wirken muß. Dieser letztere Grund bedeutet, daß der Schlitz eine kleine Abmessung parallel zum elektrischen Vektor besitzt, und zwar eine kleinere als der i°5 Wellenleiter allein. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Resonanzöffnung von rechteckiger Gestalt, man kann aber gewünschtenfälls auch andere Formen von Resonanzschlitzen verwenden. Die öffnungen 20 an den entgegengesetzten Enden der Vorrichtungn sind mittels dielektrischer Fenster 21, 22 verschlossen, die aus einem geeigneten glasähnlichen Stoff, beispielsweise aus Borsilikatglas, bestehen können. Bei der praktischen Ausführung der Fenster ist ein Metallrahmen oder eine Quer- "5 wand 18 erforderlich, die so steif sein muß, daß, sie ein Brechen des dielektrischen Fensters 21 während des Einbaues oder einer sonstigen Handhabung verhindert und gleichzeitig an dem Wellenleiter durch Löten oder Schweißen befestigt werden kann. Außerdem muß das Fenster eine Abstimmung in denjenigen Fällen erlauben, in denen die Fabrikationstoleranzen so groß- sind, daß das Fenster nicht zuverlässig bei der gewünschten Frequenz in Resonanz sein wird. Der Rahmen oder ^ia5 die Querwand 18 können aus einer geeigneten

Legierung gefertigt sein, beispielsweise einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, in welche die öffnung maschinell eingearbeitet ist und wobei am Rahmen ferner noch eine Leiste 23 vorgesehen ist, deren Breite ungefähr gleich der Metalldicke ist. Das Glasfenster 21 wird auf die öffnung aufgekittet oder aufgeschmolzen, und die zusammengebaute Zelle wird zur Abstimmung geschliffen und nötigenfalls chemisch entoxydiert sowie durch Anlöten befestigt.

Zur Verbesserung der Gleichförmigkeit der Verbindung zwischen dem Fenster 21 und dem Rahmen 18 wird ein Überzug von pulverisiertem Glas vorgesehen, der festgebrannt wird, um auf diese Weise eine Glasur 24 zu bilden, welche sich über diejenigen Teile der Wände 18, 19 erstreckt, die unmittelbar an die Fenster 21, 22 abschließen. Die Glasur 24 wird nur auf den Innenseiten der Fenster 21,22 angebracht, um die Zerstäubung von Metall auf der Glasoberfläche durch die elektrodenlose Entladung zu vermindern oder ganz zu vermeiden, die auf der Innenseite der Fenster auftreten kann. Diese elektrodenlose Entladung ist eine Entladungsform, welche vermöge der elek-

s5 trischen Feldstärke auftritt, wenn diese Feldstärke groß genug ist, um eine Ionisation auch ohne Vorhandensein von Elektroden hervorzurufen. Die elektrodenlose Entladung tritt an den Glasfenstern 21, 22 auf ihrer Niederdruckseite auf. Die Glasur oder die Glasschicht 24 hat eine minimale Dicke und erstreckt sich über die Innenflächen der Querwände 18, 19 und die benachbarten Teile der Wände 12 bis 15 des Wellenleiters.

Zur Evakuierung der Vorrichtung 11 dient ein Röhrchen 25, welches sich in der Wand 12 befindet. Das Röhrchen 25 dient gleichzeitig zum Einlaß eines geeigneten leicht ionisierbaren Gases, z. B. von Argon oder Wasserstoff von niedrigem Druck, sowie zum Abschmelzen der Vorrichtung nach Einführung des Füllgases.

In Fig. ι ist die Kopplungsvorrichtung 11 innerhalb eines umgebenden metallischen Gehäuses 26 angebracht, wobei ein elektrischer Anschluß an das Gehäuse mittels zweier Bandfedern 27 und 28 hergestellt wird. Diese Federn liegen auf den Schultern 16 auf und die Feder 27 steht in Berührung mit der Leiste 29 an der Verbindungsstelle des Gehäuses 26 und des Wellenleiters 4. Die Feder 27 liegt ferner an einem Kopplungsteil (Kopplungsstück) des Wellenleiters am entgegengesetzten Ende der Vorrichtung 11 an, das mit dem Resonanzhohlraum 9 mittels einer kleinen öffnung 30' gekoppelt ist. Die Vorrichtung 11 ist so in der Metallwand bzw. dem Metallgehäuse 26 angeordnet, daß die Außenfläche des Fensters 22 mit der Innenfläche der oberen Begrenzungswand des Wellenleiters 4 abschließt.

Die Gasschaltröhre 10 enthält ein zylindrisches Gefäß 31 aus dielektrischem glasartigem Material, in welchem zwei konische Metallrohre 32, 33 befestigt sind, die in entgegengesetzter Richtung verlaufen und deren große Öffnungen voneinander abgewendet sind. Innerhalb des einen Rohres 33 ist eine Steuerelektrode 34 axial angeordnet, die bis zum Spalt 35 zwischen den beiden Konusrohren reicht. Die Steuerelektrode 34 ist gegenüber dem Konus 33 negativ vorgespannt, so daß in dem gasgefüllten Gefäß 31 ein kleiner Entladungsstrom aufrechterhalten wird, der zwischen dem konischen Rohr 33 und der Elektrode 34 übergeht. Die konusförmigen Rohre 32, 33 laufen durch das Glasgefäß 31 hindurch und stehen mit den Wänden des Resonanzraumes 9 in Berührung und bilden einen Teil der Begrenzung des Resonanzraumes. Der Schalter 10 wird in dem etwa toroidförmigen Resonanzraum 9 mittels eines Ringes 36 in seiner Lage gehalten, der an dem äußeren Teil des Konus 33 anliegt und der diesen Konus an die zugehörige Wand des Resonanzraumes 9 andrückt.

Beim Betrieb desjenigen Teils des Ultrahochfrequenzsignalsystems, das an Hand der Fig. 1 bisher beschrieben wurde, strahlt der Sender 1 elektromagnetische Wellen hoher Intensität in den Wellenleiter 4 ein, die durch die Antenne 5 ausgestrahlt werden sollen. Aus dem Raum werden nach Reflexion an einem Objekt, auf welches die Strahlen auftreffen, Signale geringerer Intensität mittels des Horns 5 empfangen und über die Kopplungsvorrichtung 11, den Abzweigwellenleiter 30, den Hohlraumresonator 9 und die koaxiale Leitung 7 auf den Empfänger 6 gegeben. Die einander gegenüberliegenden konusförmigen Teile 32, 33 des Schalters 10 bewirken eine Konzentration der Feldintensität des Potentials innerhalb des Resonanzraumes 9 und rufen einen Durchschlag der Funkenstrecke 35 beim Vorhandensein von Wellen hoher Intensität hervor, so daß die Resonanzbedingung des Resonanzraumes 9 zerstört wird und keine Sendeenergie der Resonanzfrequenz an den Empfänger 9 gelangt. Die Steuerelektrode 34 wirkt im Sinne der Herstellung einer stets vorhandenen Ionenquelle in der Nachbarschaft dieser Durchschlagsstrecke in der Gasschaltröhre 10. Die Gasschaltröhre 10 innerhalb des Resonanzraumes 9 hat daher die Wirkung, große Energiebeträge der Resonanzfrequenz vom Empfänger 6 fernzuhalten. Wie oben bereits bemerkt, kann jedoch, wenn das Magnetron mittels eines eine Funkenstrecke enthaltenden Systems impulsgetastet wird, Energie von unerwünschten Frequenzen und von Frequenzen, die von der Resonanzfrequenz des Resonanzraumes 9 abweichen, erzeugt werden und die empfindlichen Bestandteile des Empfängers beschädigen. Ein Empfänger dieser Art enthält nämlich normalerweise sehr empfindliche Kristalle oder andere Gleichrichter, die durch größere Energiemengen, welche den Resonator 9 passieren würden, sehr ernstlich beschädigt werden können.

Die Fenster 21,22 besitzen vorzugsweise eine Breite von weniger als einem Zwanzigstel der Wellenlänge des Wellenleiters, quer zu dessen Längsrichtung sie angebracht sind, und besitzen einen gegenseitigen Abstand von einem Viertel der Wellenlänge. Bei dieser Anordnung wird ein Durchschlag quer zur Wellenleiterlängsrichtung bei sehr großen Energien, die sich über einen weiten Frequenzbereich

erstrecken können, ermöglicht. Die Spannung oder Potentialdifferenz zwischen den Kanten der öffnung 20 neben den Wänden 13 und 15 bewirkt eine Konzentration des elektrischen Feldes in der öffnung 20 und dem Fenster 22. Wenn diese Potentialdifferenz zunimmt, findet längs des Fensters 22 eine elektrodenlose Entladung statt, und zwar auf der Innenseite des Fensters. Beim Betrieb wurde festgestellt, daß eine derartige Kopplungsvorrichtung Leistungen in der Größenordnung von 1000 kW sperren kann, wenn die Wiederholungsfrequenz weniger als 10 000 pro Sekunde beträgt. Am Fenster 22 findet der Durchschlag in ungefähr 0,01 Mikrosekunden statt und verhindert einen Durchtritt einer nennenswerten Energiemenge durch die Vorrichtung! 11. Außerdem wurde gefunden, daß alle störenden und unerwünschten Frequenzen am Fenster 22 reflektiert werden und daß keine von ihnen den Gleichrichterkristall des ao Empfängers 6 erreichen kann, so daß also ein wirksamer Schutz zustande kommt. Wenn keine große Energie vorhanden ist, wird das Fenster 22 innerhalb einiger Mikrosekunden fast vollständig entionisiert und die Vorrichtung 11 arbeitet wie eine «5 einfache Viertelwellenlängenleitung, d. h. verhält sich gegenüber Signalen niedrigerer Energie wie eine einfache Viertelwellenlängenleitung.

Um eine Absorption von ankommenden Signalen geringer Energie in den einen hohen Q-Wert, d. h. eine geringe Dämpfung, besitzenden Kreisen des Magnetrons 2 zu verhindern, ist ein Stromresonanzelement 37 an den Wellenleiter 4 angebaut. Das Element 37, welches eine Aufzehrung der ankommenden Energie in den einen hohen Q-Wert besitzenden Kreisen des Senders verhindert, ist an den Wellenleiter 4 zwischen dem Anschlußpunkt des Senders und der Kopplungsvorrichtung angebracht, und zwar an einem Punkte, der von der Kopplungsvorrichtung eine Viertelwellenlänge entfernt ist, bezogen auf die Mittelfrequenz des Frequenzbandes. Das Element 37 besteht aus einem Wellenleiter, dessen Länge etwa eine Viertelwellenlänge, bezogen auf die Mittelfrequenz des im Betrieb auftretenden Frequenzbandes, beträgt. Dieser Wellenleiter ist an seinem vom Wellenleiter 4 abgewendeten Ende durch eine metallische Querwand 38 abgeschlossen und ist an der Anschlußstelle an den Wellenleiter 4 mittels einer metallischen Querwand 39 befestigt, in der sich ein durch ein Glasfenster 40 ausgefüllter Resonanzschlitz befindet. Die Konstruktion der Wand 39 und des Fensters 40 ist dieselbe wie die der oben beschriebenen Wand 18 und des Fensters 21. Das Stromresonanzelement 37 kann durch ein Röhrchen 41 hindurch evakuiert und anschließend mit einem Gas von geeignetem Druck gefüllt werden.

Beim Betrieb dieses Teiles des Stromkreises nach Fig. ι wird, da die öffnung in der Wand 39 durch ein Fenster 40 in der Form eines Resonanzschlitzes verschlossen ist, die Spannung oder 6· Potentialdifferenz, die zwischen den Kanten dieser öffnung auftritt, durch den Resonanzcharakter des Schlitzes beeinflußt, und die Größe dieser Spannung nimmt mit der Amplitude der elektromagnetischen Wellen innerhalb des Wellenleiters 4 zu. Das dielektrische Fenster 40 schlägt durch, wenn die Amplitude dieser Wellen einen bestimmten Betrag überschreitet und die Spannungsdifferenz groß genug ist, um eine Ionisation des Gases auf der inneren Oberfläche des Fensters 40 hervorzurufen, so daß eine elektrische Entladung längs dieser Oberfläche stattfindet. Als Ergebnis tritt, wenn Wellen sehr großer Intensität vom Sender 1 über den Wellenleiter 4 übertragen werden, eine sehr geringe Reflexion am Element 37 auf. Wenn jedoch Wellen geringer Intensität durch den Wellenleiter 4 hindurc'hlaufen, z. B. ankommende Signale, findet 'keine Entladung quer zum Resonanzschlitz statt, und der Kurzschluß, der durch die Abschlußwand 38 gebildet wird, da diese Abschlußwand nämlich im Abstand einer halben Wellenlänge von der Vorrichtung 11 an gerechnet liegt, wirkt wie ein elektrischer Kurzschluß des Wellenleiters 4 an diesem Punkte und leitet die ganze ankommende Energie über den Wellenleiter 30 und den Resonanzhohlraum 9 an den Empfänger 6.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur selbsttätigen Sperrung eines Ho'hlrohrwellenleiters bei übergroßer go Energie der darin laufenden Ultrahochfrequenzwellen, dadurch gekennzeichnet, daß eine eingebaute Sperrzelle zwei transversal angeordnete und mit öffnungen versehene metallische Wände enthält, deren Öffnungen eine beträchtlic'he Erstreckung senkrecht zur elektrischen Komponente der auftreffenden Wellen besitzen und mit glasartigen Fenstern in der Ebene der Wände luftdicht verschmolzen sind, und daß die öffnungen auf die Frequenz der Wellen abgestimmt sind und der Widerstand quer zu den öffnungen beim Auftreten von Wellen übergroßer Energie durchschlägt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand durch Füllung der Sperrzelle mit einem leicht ionisierbaren Gas, z. B. Argon oder Wasserstoff von niedrigem Druck, gebildet wird, derart, daß bei Ionisation des Gases der Widerstand längs der Fenster zusammenbricht. no
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrzelle eine Länge längs des Wellenleiters von annähernd einem Viertel der Wellenlänge besitzt und die öffnungen und Fenster eine Breite von weniger als einem Zwanzigstel der Wellenlänge besitzen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   Q 5432 10.