DE964882C

DE964882C - Vorrichtung zur Richtungsaenderung von Oberflaechenwellenleitungen

Info

Publication number: DE964882C
Application number: DES44846A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Herbert Larsen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1955-07-23
Filing date: 1955-07-23
Publication date: 1957-05-29

Description

AUSGEGEBEN AM 29. MAI 1957

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ist als Erfinder genannt worden

Zur Fortleitung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen sind Leitungsgebilde bekannt, die sich dadurch auszeichnen, daß bei ihnen der Ausbreitungsvorgang im wesentlichen in der äußeren Umgebung der Leiteroberfläche stattfindet und die Energie durch Oberflächenwellen, fortgeleitet wird. Dementsprechend werden derartige Leitungsgebilde auch als Obernächenwelletileitung bezeichnet.

Als Beispiel für eine Oberflächenwellenleitung sei der besonders einfach gebaute und daher auch in der Theorie und Praxis stark bevorzugte sogenannte Drahtwellenleiter angeführt, der gemäß seiner Bezeichnung aus einem einfachen Draht aufgebaut ist. Der Draht kann dabei sowohl aus Metall als auch aus einem Dielektrikum bestehen. Eine besonders günstige Ausführungsform eines Drahtwellenleiters, oder auch allgemeiner einer Oberflächenwellenleitung, ergibt sich, wenn über einen metallischen Kern oder Träger eine Schicht aus Isolierstoff aufgebracht ist. Die Isolierschicht dient bevorzugt dem Zweck, die Phasengeschwindigkeit der Wellen zu vermindern und damit das elektromagnetische Wellenfeld stärker auf die Umgebung des Leiters zu konzentrieren. Dieselbe Wirkung kann bei einem Drahtwellenleiter aber auch durch

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ein in die Oberfläche des Metalldrahtes eingeschnittenes Gewinde erzielt werden.

Es ist auf Grund der Tatsache, daß der Übertragungsvorgang bei der Oberflächenweilenleitung im freien Außenraum stattfindet, erklärbar, daß bei diesen Wellenleitungen an Unregelmäßigkeiten in; der Leitungsführung, wie Krümmungen, leicht eine Aufspaltung des elektromagnetischen Feldes in einen Oberflächen- und einen, abgestrahlten Wellentypus erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch besondere Vorkehrungen die Abstrahlung in Krümmungen von Oberflächenwellenleitungem zu vermindern bzw. zu beseitigen und damit auch die durch die Abstrahlung bedingten Verluste der Nutzenergie zu verringern. Hierzu ist bereits vorgeschlagen worden, in den Krümmungen der Oberflächenweilenleitung diese so zu modifizieren, daß sie eine anisotrope Leitfähigkeit mit einer in zirkularer Richtung verminderten Leitfähigkeitskomponente besitzt. Hierdurch wird erreicht, daß die zirkulären Stromkomponenten als Quellen des Strahlungsfeldes stark gedämpft werden. Auch könnte bed Oberflächenwellenleitungen mit dielektrischer Außenschicht oder mit wendeiförmigen. Vertiefungen am Metalldraht eine Strahlungsvermiriderung dadurch erreicht werden, daß in den, Krümmungen die dielektrische Außenschicht verstärkt bzw. die Ganghöhe der Wendel verkleinert wird, da dann das elektromagnetische Wellenfeld tiefer in die Oberflächenweilenleitung eindringt und sich stärker um sie konzentriert. Alle diese Maßnahmen können zwar bei kleinen Krümmungen der Oberfiächenwellenleitung hinsichtlich der Abstrahlung als ausreichend angesehen werden, führen aber dann nicht zum vollen Erfolg, wenn sehr große Richtungsänderungen auf engem Raum, d. h. sehr starke Krümmungen ausgeführt werden sollen. Außerdem ist bei diesen Maßnahmen zu berücksichtigen, daß die Herabsetzung der Abstrahlungeine erhöhte Leitungsdämpfung zur Folge hat, da nämlich bei Erhöhung der Konzentration bzw. bei Verminderung des Grenzradius des Wellenfeldes um die Oberflächenwellenleitung die Leitungsdämpfung steigt. Die Verminderung des Grenzradius hat außerdem noch einen niedrigeren Wellenwiderstand der Oberflächenwellenleitung zur Folge, so daß unerwünschte Reflexionsstellen auftreten, die sich nur in einem schmalen Frequenzbereich kompensieren lassen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Richtungsänderung von Oberflächenwellenleitungen lassen sich wesentlich bessere Ergebnisse erzielen. Die Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung aus einem Abschnitt einer geschirmten Leitung besteht, der den gewünschten Krümmungsverlauf aufweist, und in dessen Enden die Oberflächenwellenleitungen derart konzentrisch eingeführt werden, daß eine Umwandlung der Oberflächenwellen in, einen Wellentyp, den die geschirmte Leitung durch die Krümmung hindurch fortzuleiten vermag, und eine entsprechende Rückumwandlung erfolgen. Als praktische Ausführungsformen einer geschirmten Leitung können sowohl koaxiale Leitungen als auch Hohlleitungen in Frage kommen, die winkel- oder bogenförmig ausgebildet sind.

Die Fig. 1 und 2 zeigen hierfür je ein Ausführungsbeispiel. Die Oberflächenwellenleitung besteht in, beiden Figuren aus einem Drahtkern 1 und einer darüber angeordneten, dielektrischen Schicht 2.

Bei der in. der Fig. 1 als koaxiale Leitung dargestellten, geschirmten Leitung ist mit 3 der Innenleiter und mit 4 der Außenleiter bezeichnet. Der Innenleiter 3 schließt sich unmittelbar an die Oberflächenwellenleitung i, 2 an und ist mittels zweier dielektrischer Scheiben 5 zentriert zum Außenleiter in einem geeigneten Abstand gehalten, Dieser Abstand kann einerseits so eng gewählt sein, daß die Oberflächenwelle in die koaxiale Hauptwelle der koaxialen Leitung umgewandelt wird, d. h. in einen Wellentyp, bei dem im wesentlichen nur ein radiales elektrisches Feld und ein zirkuläres magnetisches Feld existieren. Andererseits kann aber der Abstand von. Innen- und Außenleiter so weit sein, daß sich in dem ringförmigen Hohlraum zwischen Innen- und Außenleiter eine rotationssymmetrische elektrische Welle anregt. Bei diesem Wellentyp tritt zum Unterschied gegenüber der koaxialen Hauptwelle neben- der radialen Komponente des elektrischen Feldes noch eine longitudinale Koniponenie auf, und außerdem wechseln, bei ihm sowohl die radiale Komponente des elektrischen Feldes als auch die als einzige vorhandene zirkuläre Komponente des magnetischen Feldes ein oder mehrmals ihre Richtung in bestimmten, radialen Abständen vom Innenleiter. Der Außenleiter 4 ist an seinen beiden Enden trichterförmig erweitert. Diese Ausbildung der Außenleiterenden als Ankopplungstrichter 6 dient in bekannter Weise dem Zweck, die infolge der Wellenumwandlungen entstehenden Umwandlungs- oder Kopplungsverluste möglichst gering zu halten.

Bei der in. der Fig. 1 dargestellten Umlenkvorrichtung sind die zu beiden Seiten der Knickstelle gelegenen Teile symmetrisch zueinander ausgebildet. Hierdurch ergibt sich für die örtlich sich ändernde Reflexionsdichte etwf- der in der Fig. 3 dargestellte symmetrische Verlauf. Mit χ ist in dieser Figur der Abstand eines Ortes vom Eingang (x = O) der Umlenkvorrichtung von der Länge / no und mit r (x) die diesem Ort zugeordnete Reflexionsdichte bezeichnet. Im mittleren Bereich, d. h. dort, wo bei der koaxialen Leitung der Inneiiun.d Außenleiter einen gleichbleibenden Abstand einnehmen oder das Verhältnis vom Außen- zum Innendurchmesser konstant ist, hat die Reflexionsdichte infolge des hier konstanten Wellenwiderstandes den, Wert Null. Die vom Längenelement dx am Ort χ der Umlenkvorrichtung mit der Reflexionsdichte r (x) hervorgerufene Teilreflexion am Eingang der Umlenkvorrichtung ergibt sich durch Transformation von r(x)dx auf den Eingang zu:

r [χ) β dx ■ -

125 mit ß als Phasenmaß.

Hieraus erhält man durch Integration über die gesamte Länge / der Umlenkvorrichtung die resultierende Gesamtreflexion am Eingang der Umlenkvorrichtung :

R=Jr(X)

— 2 j J X

dx.

Dadurch, daß die Reflexionsdichte in der vorderen Hälfte der Umlenkvorrichtung negativ, in der hinteren Hälfte dagegen positiv ist. kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Gesamtreflexion R durch geeignete Wahl von. r (x) bzw. der lokalen Wellenwiderstand«, d. h. durch geeignete Wahl der Ouerschnittserweiterung oder Querschnittsverjüngung, breitban.dig zu einem Minimum gemacht werden.

Dies bedeutet aber einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung gegenüber den eingangs genannten Anordnungen, zur Verminderung der Abstrahlungsverluste, bei denen in den Krümmungen der Obernächenwellenleitung jeweils ein Teilstück höherer Feldkonzentration, d. h. niedrigeren Wellenwiderstandes, vorgesehen ist. Bei diesen Anordnungen tritt nämlich nur für diskrete Wellenlängen eine Kompensation der reflektierten. Wellen auf, nämlich für

T'

wobei k eine ganze. Zahl bedeutet.

In der Fig. 2 ist als Beispiel für eine geschirmte Leitung eine Hohlleitung in Form eines zylindrischen Rohres 7 dargestellt, welches entsprechend der vorgesehenen Krümmung gebogen ist. Die Enden S dieses Rohres sind ebenso wie bei dem Außenleiter bei der Umlenkvorrichtung gemäß der Fig. τ in Form von Ankopplungstrichtern erweitert. Die freien Enden, der beispielsweise wiederum aus einem Metallkern. 1 und einer dielektrischen Außenschicht 2 zusammengesetzten Obernächenwellenleitung sind am Ein- und Ausgang der Krümmung durch dielektrische Scheiben 9 zentriert zum Hohlrohr 7 gehalten. Der Rohr durchmesser ist vorzugsweise so eng, daß die Oberflächenwelle in eine £₀;-Welle umgewandelt wird. Dieser Wellentyp kann bekanntlich in gewissem Sinne in. Analogie zu der koaxialen Hauptwelle bei der koaxialen Leitung gemäß der Fig. 1 gesetzt werden. Es besteht hier lediglich der Unterschied, daß infolge des Fehlens eines Innenleiters statt des auf der Oberfläche des Innenleiters begrenzten, Leitungsstromes ein über den Querschnitt des Rohres verteilter dielektrischer Strom fließt, also noch eine longitudinale Komponente des elektrischen Feldes auftritt. Im übrigen kann auch wiederum durch geeignete Formgebung der Ankopplungstrichter¹8 die resultierende Gesamtreflexion am Eingang der Umlenkvorrichtung breitbandig zu, einem Minimum gemacht werden,

Die Umwandlungsverluste der erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtung mit an den Enden angeordneten Ankopplungstrichtern, liegen in der Größeil·- ordriung von 0,6 db. Dieser Betrag liegt weit unter den durch Abstrahlung verursachten. Verlusten.

Die Erfindung ist nicht auf die in. den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Diese· können, vielmehr im Rahmen der Erfindung noch manchen Änderungen unterworfen, werden. So ist es beispielsweise möglich und für den verfolgten Zweck auch vorteilhaft, in an sich bekannter Weise an den Trichteröffnungen dielektrische Kegel anzubringen, da hierdurch die Umwandlungsdämpfung noch weiter herabgesetzt wird. Gleichzeitig damit übernehmen die dielektrischen Kegel noch die Funktion eines den Innenraum der Leitung abdichtenden mechanischen. Verschlusses. Auch braucht im Rahmen der Erfindung die zwischen, den Ankopplungstrichtern angeordnete Koaxialleitung bzw. Hohlleitung nicht in einem so starken Maße ausgeprägt zu sein, wie sie in den Fig. 1 und 2 jeweils dargestellt ist. Die?e kann im Extremfall auch auf die Länge 0 zusammenschrumpfen, so daß beide Ankopplungstrichter sich mit ihren Verengungen unmittelbar aneinander anschließen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ι. Vorrichtung zur Richtungsänderung von OberflächenwellenleituDgen unter Vermeidung von Ahstrahlungsverlusten, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Abschnitt einer geschirmten Leitung besteht, der den gewünschten Krümmungsverlauf aufweist, und in dessen Enden, die Oberßächenwellenleitungen derart konzentrisch eingeführt werden., daß eine Umwandlung der Oberflächenwellen in einen, ir.u Wellentyp, den die geschirmte Leitung durch die Krümmung hindurch fortzuleiten vermag, und eine entsprechende Riickumwandlung erfolgen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschirmte Leitung einen ortsabhängigen Wellenwiderstand besitzt, wobei die lokalen Wellenwiderstände so bestimm;: sind, daß die resultierende Gesamtrefiexion air Eingang der geschirmten Leitung über ein breites Frequenzband ein Minimum hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschirmte Leitung als koaxiale Leitung ausgebildet ist, deren Innenleiter sich unmittelbar an die Oberflächenwellenleitung anschließt und deren Außenleiter an seinen Enden trichterförmig erweitert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der koaxialen Leitung so eng gewählt ist, daß die Oberflächenwelle in die koaxiale Hauptwelle der koaxialen Leitung umgewandelt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der koaxiale 1 Leitung so groß gewählt ist, daß die Oberflächenwelle in eine rotationssymmetriscbe eJek-

trische Welle des ringförmigen Hohlraumes zwischen Innen- und Außenleiter der koaxialen Leitung umgewandelt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung als Hohlleitung ausgebildet ist, deren Enden trichterförmig erweitert sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleitung aus einem zvlindrischen Rohr besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rohres so gewählt ist, daß die Oberflächenwelle in eine £_oi-Welle umgewandelt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Trichteröffnungen zur Verminderung der Umwandlungsdämpfung dielektrische Kegel angebracht sind, welche gleichzeitig als den Innenraum der Leitung abdichtende Verschlüsse dienen.. 20·

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