DE1068321B - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Krümmer für Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt zur Fortpflanzung von Wellen der Schwingungsform TE₀₁, der Prismen aus dielektrischem Material enthält.

Es ist bekannt, in gekrümmten Hohlleitern Prismen aus dielektrischem Material anzuordnen, um die Ausbreitungsbedingungen der Welle zu verbessern. Zu diesem Zweck werden die Prismen in ein gebogenes Rohr eingeschoben. Die Herstellung solcher Krümmer ist aber schwierig; insbesondere läßt sich die Bildung parasitärer Wellenformen praktisch nicht vermeiden.

Es ist auch bereits bekannt, in einem gekrümmten Hohlleiter ein Material anzuordnen, dessen Dielektrizitätskonstante sich über den Querschnitt so ändert, daß die Laufzeit der Welle an den verschiedenen Stellen des Quer-Schnitts gleich ist. Auch hier besteht eine erhebliche Schwierigkeit, das dielektrische Material in ein gebogenes Rohr so einzuhängen, daß diese Bedingung genau eingehalten wird und keine parasitären Wellenformen hervorgerufen werden.

Das Ziel der Erfindung liegt in der Vermeidung dieser Schwierigkeiten durch Schaffung eines Krümmers, der nicht nur sehr einfach aufzubauen ist, sondern auch die Einhaltung der günstigsten Ausbreitungsbedingungen besser ermöglicht, so daß die Bildung parasitärer Wellenformen weitgehend vermieden wird.

Dies wird bei einem Krümmer der einleitend genannten Ausführung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Krümmer aus metallischen Sektorelementen zusammengesetzt ist, die zwei ebene, keilförmig zusammenlaufende, einen Winkel einschließende Flächen und eine kreisförmige Mittelöffnung aufweisen, daß jeweils zwischen zwei metallischen Sektorelementen eines der Prismen aus dielektrischem Material angeordnet ist und daß die Sektorelemente und die Prismen durch Befestigungselemente zusammengehalten sind.

DerAufbau aus abwechselnd angeordneten metallischen Sektorelementen und Prismen erlaubt ein leichtes und schnelles Zusammensetzen des Krümmers, wobei eine sehr genaue Anbringung der Prismen möglich ist. Auch kann die Länge des Krümmers beliebig gewählt und verändert werden. Die Krümmer sind weitgehend frei von parasitären Wellenformen und können in einem breiten Frequenzbereich betrieben werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die ebenen Flächen jedes Prismas einen Winkel einschließen, der mit dem von den Flächen des Sektorelements gebildeten Winkel durch eine solche Beziehung verknüpft ist, daß die sich in der Mittelöffnung des Sektorelements ausbreitende Welle beim Auftreffen auf das Prisma um einen Winkel abgelenkt wird, der dem von den Flächen des Sektorelements gebildeten Winkel gleich ist.

Durch einfaches Zusammensetzen der so vorgefertigten Teile werden die richtigen Ausbreitungsbedingungen stets Krümmer für Hohlleiter
mit kreisförmigem Querschnitt

Anmelder:
Georges Robert Pierre Marie, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. Ε. Prinz und Dr. rer. nat. G. Hauser,
Patentanwälte, München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
Frankreich, vom 19. Dezember 1957

Georges Robert Pierre Marie, Paris,
ist als Erfinder genannt worden

genau eingehalten, unabhängig von der Anzahl der verwendeten Einzelelemente.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der von den Flächen des Prismas gebildete Winkel gleich dem von den Flächen des Sektorelements gebildeten Winkel, und jedes Prisma besitzt eine örtlich verschiedene scheinbare Dielektrizitätskonstante, deren Wert an jeder Stelle so bemessen ist, daß die Phasenwellenlänge in dem Krümmer an jeder Stelle dem Krümmungsradius proportional ist.

Die Veränderung der Dielektrizitätskonstante läßt sich bei dieser Ausführungsform vorzugsweise dadurch erreichen, daß jedes Prisma aus homogenem Material besteht und mit exzentrisch zueinander liegenden ringförmigen Nuten von ungleichmäßigem Querschnitt versehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in Perspektive ein metallisches Sektorelement, Fig. 2 in Perspektive ein Prisma aus dielektrischem Material,

Fig. 3 im Schnitt einen Krümmer, der aus Elementen nach Art von Fig. 1 und Prismen nach Art von Fig. 2 gebildet wird,

Fig. 4 und 5 einen Längs- bzw. einen Querschnitt eines Krümmers einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 6 und 7 schematische Zeichnungen zur Erklärung der Struktur des Krümmers der Fig. 4 und 5.

Fig. 1 stellt ein metallisches Sektorelement des Krümmers des Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt dar. Dieses Element, das als Ganzes mit 1 bezeichnet ist, hat die Form eines Prismas oder eines Keils, von dem man die scharfe Kante weggelassen hat. Die ebenen Flächen 2

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und 3 konvergieren zu einer Kante 25 und bilden untereinander einen kleinen Winkelß, z.B. von der Größenordnung 5° oder weniger. Jedes Element ist von einem kreisförmigen Loch 4 durchbohrt, dessen Achse 5 senkrecht zur Mittelebene 6 des durch die Ebenen 2 und 3 gebildeten Dieder liegt. Wenn mehrere Sektorelemente aneinandergereiht werden, um den Krümmer des Wellenleiters zu bilden, dann bildet die innere Wand der Löcher 4 von den aufeinanderfolgenden Elementen die innere Wand des Hohlleiters.

Querlöcher 7, 8, 7_lt 8_X parallel zur Achse 5 sind an den vier Ecken des Elements gebohrt. In diese Löcher können gebogene metallische Stäbe 10 und 11 (Fig. 3) gesteckt werden. Die Befestigung der Elemente an den Stäben geschieht mittels Feststellschrauben 9, und der Zusammenhalt der Sektorelemente untereinander erfolgt mittels Muttern 12, wobei man als Befestigungspunkt die Flansche 13 der beiden geraden Leiterstücke 14 des Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt benutzt, die den Krümmer einschließen.

Fig. 3 stellt einen Krümmer entsprechend der Erfindung im Schnitt dar. Mehrere identische metallische Sektorelemente 15 bis 19 sind aneinandergereiht. Zwischen je zwei aneinanderliegende metallische Sektorelemente sind Prismen aus dielektrischem Material eingeschoben, die gesondert in Fig. 2 dargestellt sind. Diese Prismen haben eine scharfe Kante 21 und einen Scheitelwinkel vom Betrag a. Nahe an ihrer Basis sind sie durch eine Basis in Form einer Platte geringer Dicke 22 verlängert, die dazu bestimmt ist, zwischen zwei metallische Sektorelemente an der Seite ihrer geringsten Dicke eingeschoben zu werden. Die Prismen 20 haben Löcher 23 - 24, die den Löchern 7-8 der Sektorelemente entsprechen, durch die die Stäbe 10 hindurchführen. Das Teilstück 26, das an die Basis 22 angrenzt, hat einen geeigneten Querschnitt, um in die Löcher 4 der aneinandergrenzenden Sektorelemente eingeschoben werden zu können.

Der Winkel cc der Prismen 20 aus dielektrischem Material ist so berechnet, daß er die Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen in jedem Element des Krümmers um einen Winkel β ablenkt. Die Winkel a und β sind untereinander durch die wohlbekannte Formel der geometrischen Optik verbunden, wenn es sich um Winkel mit positiven Werten handelt:

0 = (*—l)a,

wobei η der Brechungsindex des dielektrischen Materials der Prismen 20 ist, dessen Wert durch

η =

gegeben ist. ε und μ sind die Dielektrizitätskonstante bzw. die Permeabilität des dielektrischen Materials, das die Prismen 20 bildet. Im folgenden wird μ gleich 1 angenommen.

Die Erfahrung zeigt, daß selbst bei einer Auseinanderreihung der metallischen und dielektrischen Elemente nach der Erfindung, die eine Ablenkung der elektromagnetischen Wellen um 90° erzeugt, die Ausbreitungsverhältnisse der Welle TE₀₁ erhalten bleiben und daß die Energieabschwächung der Welle sehr gering ist.

Diese Abschwächung rührt zu einem großen Teil von parasitären Wellen infolge von Reflexion an den Flächen der Prismen 20 her, die in dem Krümmer enthalten sind. Die zu diesen höheren Schwingungsformen gehörige Leistung wird im übrigen ins Äußere des Hohlleiters gestrahlt, weil diesen genannten Schwingungsformen longitudinale Ströme entsprechen, die sich nach außerhalb des Krümmers in den Zwischenräumen ausbreiten können, die mit dielektrischem Material angefüllt sind, das die metallischen Elemente voneinander trennt.

Bei dem Krümmer nach Fig. 1, 2 und 3 nimmt die Dicke der dielektrischen Prismen ab, wenn man sich von der Drehachse 25 des Torus entfernt, dessen Sektor den Krümmer der Erfindung darstellt. Mit dem Ziel, jede Reflexion am Übergang von einer dielektrischen Oberfläche und von Luft zu vermeiden, werden im Beispiel der Fig. 4 und 5 dielektrische Prismen angewendet, deren Brechungsindex sich mit der Entfernung eines Punktes des Prismas zur Achse des Torus ändert.

ίο Um die Struktur der dielektrischen Prismen zu erklären, wird in Verbindung mit Fig. 6 daran erinnert, daß, wenn man einen Raum betrachtet, der aus dielektrischen Platten mit parallelen Flächen 44 der Dicke a gebildet wird, die einander parallel mit einem Abstand b zwischen den Mittelebenen zweier aufeinanderfolgender Platten angeordenet sind, die scheinbare Dielektrizitätskonstante ε' eines solchen Raumes mit der Dielektrizitätskonstante ε der die Platten bildenden dielektrischen Substanz durch die Gleichung verbunden ist

ε' = 1+~(ε-1)
ο

für eine ebene Welle, die sich in einer Richtung 40 parallel zur Ebene der Platten 44 ausbreitet, deren elekirisches Feld parallel zu den genannten Platten liegt und deren Wellenlänge merklich größer als 2 δ ist.

Es wird nun auf Fig. 4 und 5 Bezug genommen: 27, 28, 29 stellen drei metallische Sektorelemente vom Typ der Fig. 1 dar, die mittels der Stäbe 30 aneinandergereiht sind, welche durch die Löcher 31 führen und mit Schraubenmuttern 32 befestigt sind. 33 und 34 sind zwei dielektrische Prismen mit variablem Brechungsindex. Sie haben einen Scheitelwinkel, der dem der metallischen Sektorelemente gleich ist. In Fig. 4 sind sie mit geringem gegenseitigem Abstand dargestellt, aber wenn die Schrauben 32 angezogen werden, kommen sie in Berührung längs ihrer Flächen 48 und 48·^ In den Prismen sind Nuten 35, 36, 37 eingeschnitten, deren Form weiter unten präzisiert wird; diese lassen zwischen einander ringförmige zylindrische Erhebungen 41, 42, 43 stehen. Die Tiefe der Nut ist so, daß sie eine vollständige Scheidewand 49 in der Mittelebene jedes Prismas stehenläßt. In der Praxis ist die Anzahl der Nuten und Erhebungen größer als drei, aber man hat sich mit dieser Anzahl in den Fig. 4 und 5 begnügt, um sie nicht zu überladen. Der Umfang jedes dielektrischen Prismas ist durch eine Platte geringer Dicke 38 gebildet, die dazu bestimmt ist, zwischen zwei aufeinanderfolgende metallische Sektorelemente eingeschoben zu werden. Die Stäbe 30 führen durch diese Befestigungsplatten in den Löchern 39.

Die Prismen 33 und 34 bestehen z. B. aus gegossenem Polyäthylen.

Die Nuten 35 bis 37 und die zylindrischen Erhebungen 41 bis 43 haben im allgemeinen fast Kreisform, aber von einem präziseren Gesichtspunkt aus ist diese Form komplexer, weil ihre Dicke nicht konstant ist und weil ihre Seitenwände, die sie begrenzen, nicht koaxial sind. Die Struktur der Nut und der ringförmigen Erhebungen wird im Zusammenhang mit Fig. 7 erklärt.

O sei die Mitte der dünnen Scheidewand 49, von der angenommen wird, daß sie mit den Zentren der in die Elemente 27 und 28 gebohrten kreisförmigen Löcher übereinstimmt. Diese Scheidewand 49 hegt in einer Ebene, die durch die Drehachse des Torus führt, von dem der erfindungsgemäße Krümmer einen Teil darstellt. Ox und Oy seien zwei Bezugsachsen, die in die Ebene der Scheidewand gelegt sind. Die Achse Ox verläuft senkrecht zur Achse des Torus. Die Achse Oy, senkrecht auf Ox, liegt parallel zur Achse des Torus. Eine dritte Achse 0_Z, die senkrecht zum Querschnitt des gebogenen Wellenleiters

mit kreisförmigem Querschnitt verläuft, d. h. tangential zur Mittellinie 45 des Krümmers (Fig. 4), bildet mit den beiden ersten ein Trieder mit drei rechten Winkeln.

Alle Nuten 35 bis 37 und alle Erhebungen 41 bis 43 haben die Achse Ox zur Symmetrieachse.

Es sei N die Anzahl der ringförmigen Erhebungen oder Ringe, die zum Prisma gehören, D der Durchmesser des Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt, R der Krümmungsradius des Krümmers (d. h. der Radius des durch die Mittellinie 45 festgelegten Kreises).

Die ringförmige Erhebung der Ordnung k (der Ring von der Ordnung 1 ist derjenige, der den kleinsten Durchmesser hat) ist zwischen zwei Zylindern eingeschlossen mit den Radien: I_lR_k — yj und (lt_k + yj, deren Drehachsen die Achse Ox in den Abszissenpunkten χ = e_k bzw. χ = — e_k treffen.

R_k soll »mittlerer Radius« des Ringes der Ordnung k genannt werden, p soll »mittlere Dicke« des Ringes genannt werden; p ist unabhängig von k.

Der mittlere Radius des Ringes ist durch den Ausdruck gegeben:

R_k = D²^. (2)
47V

In Fig. 7 wurde als 46 ein Kreis mit O als Zentrum und dem Radius R₁ = -r-— bezeichnet, der der mittlere Kreis des Ringes 41 ist, und als 47 und 47_x zwei Kreise

mit den ZentrenO₁ bzw. O₂ und den Radien R₁

Pk {ψ) = f— 2e_kcos<p. (3)
Mit cos φ = ~ schreibt sich die Gleichung (3):

p_k = p-2x-^- = ρ

Ne _kX

(4)

R_k ' (2k-i)D

Man sieht also, daß die verschiedenen Ringe einen Raum analog dem der Fig. 6 aufbauen, mit dem Unterschied, daß die Platten 26 durch zylindrische ringförmige Platten 41 bis 43 ersetzt sind, daß also a durch p_k und δ

durch (R_k — R _k-T.) = ersetzt ist.

Die Beziehung (1), angewandt auf die Ringe des Stückes 33, gibt

e' = 1

2Np D

(ε-ί)

16 N² e_kx
(2 k — 1) D²

1)·

(5)

Es ist zu bemerken, daß die scheinbare Dielektrizitätskonstante ε' im ganzen Querschnitt des Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt durch eine lineare Funktion von χ dargestellt wird, unter der Bedingung, daß für die Gesamtheit der Ringe aus dielektrischem Material die Größe e_k proportional zu (2 k —■l) ist.

Es sei A₀ die Vakuumwellenlänge der Welle, die sich in dem Krümmer des Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt ausbreitet. Damit die elektromagnetischen Wellen ohne Verzerrung der Krümmung folgen, muß die

Größe λ = -ß=r an einem Punkt der Achse Ox pro-]/ε' ^r

portional zu dem Abstand von diesem Punkt zur Drehachse des Torus sein, von dem die genannte Biegung einen Teil darstellt. Es folgt:

^λ = -ψ- = A (R + χ), (6)

wobei A eine Proportionalitätskonstante ist.
Die Gleichung (6) erlaubt zu schreiben:

AR

1 +

oder weiter:

λ₀

AR

2x R

3 + 2-

X*

I?

1 +

Wenn der Radius der Biegung R hinreichend groß ist gegen den Durchmesser des Hohlleiters mit kreisförmigem

Querschnitt, kann man sich auf den ersten Term in 4r

a₅ aus dem Ausdruck .(7) beschränken.

Wenn man die zweiten Glieder der Beziehungen (5) und (7) gleichsetzt, wobei diese letztere auf die erste

Ordnung in — reduziert wird, erhält man

P_

bzw. R₁+ γ. Die Punkte O₁ und O₂ liegen auf der x-Achse und haben als Abszissen e_x bew. — e_v

Wenn die Größe e_k klein ist gegen den Durchmesser D des Hohlleiters, wird die Dicke des Ringes der Ordnung k als Funktion des Azimut (gerechnet in der Ebene xOy mit der Achse Ox als Ursprungsachse) gegeben durch:

{2k —1) D 8N R(s — 1)

+ 2ρ(ε — ί)

Der Durchmesser D des Hohlleiters mit kreisförmigem g₅ Querschnitt ist im allgemeinen gegeben. Der Radius der Biegung wird hinreichend groß gewählt, damit die nichtlinearen Tenne in -I_r nicht stören.

Jx

Um ein Minimum an Verlusten im Dielektrikum der Ringe 41 bis 43 zu haben, hat man Interesse daran, diese genannten Ringe so dünn wie möglich zu wählen. Die geringste Dicke ist diejenige des ÄT-ten Ringes auf der #-Achse. Sei ^_min diese Dicke, so ist diese nach der Gleichung (3) gleich

■P=-P —2e„. (9)

rmin r N W

Dieser Minimumwert muß mit den Erfordernissen des Gießens vereinbar sein, und Gleichung (8) kombiniert mit Gleichung (9) ergibt eine Gleichung erster Ordnung in p, welche lautet:

(22V—1) D²

P ■ +

^r mtn

P =

(2N )2 (s — i)R

(2iV— 1) J
27Vi?

(10)

Die Kenntnis von p erlaubt die Errechnung von e_xv und allgemeiner der Größen e_k nach der Formel

2k — 1 P—P„

27V —1

(11)

Diese bestimmt vollständig das erfindungsgemäße Prisma aus gegossenem dielektrischem Material.

Um parasitäre Reflexionen zu vermeiden, wie sie schon im Zusammenhang mit der ersten Anordnung aus dielektrischem Material erwähnt wurden (Fig. 2), ist die prismatische Form, die dem dielektrischen System der Fig. 4 und 5 gegeben wurde, so, daß sich die Grenz-

Claims (5)

ebenen 48 und 4S1 der beiden aufeinanderfolgenden Prismen 33-34 berühren; anders ausgedrückt, die Ringe vom gleichen mittleren Durchmesser aus zwei aufeinanderfolgenden Systemen sind in Berührung. Diese Ausführung reduziert in gleicher Weise die Verluste und ist von diesem Gesichtspunkt aus vorteilhafter als die erste Prismenausführung, die im Zusammenhang mit der Fig. 2 beschrieben wurde. Zum Abschluß soll für einen einfachen Fall, ein Krümmer für einen Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt mit dem Durchmesser D = 7 cm bestimmt zur Fortleitung von elektromagnetischen Wellen der Frequenz 10 000 MHz (λ0 = 3 cm), ein Ausführungsbeispiel gegeben werden. Der Radius R der Biegung ist gleich 70 cm gewählt. Das prismatische Stück aus gegossenem Polyäthylen der Dielektrizitätskonstante ε = 2,6 enthält drei Ringe; der Abstand zwischen den Ringen ist weit kleiner als die halbe Wellenlänge, und deshalb ist ein Auftreten parasitärer Schwingungsformen nicht zu befürchten. Um ein bequemes Gießen des betrachteten prismatischen Stückes zu ermöglichen, beträgt die Dicke fimin des dritten Ringes auf der #-Achse etwa 0,5 mm. Die mittlere Dicke jedes der drei Ringe beträgt φ = 1 mm. Die Formel (11) gibt also für die Exzentrizitäten der die Ringe begrenzenden Zylinder: s1 = 0,05 mm; e% = 0,15 mm; es = 0,25 mm. Die mittleren Radien der Ringe, die zu den drei Exzentrizitäten gehören, betragen R1 = 5,83 mm; R2 = 17,5 mm; R3 = 29,16 mm. Patentansprüche:

1. Krümmer für einen Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt zur Fortpflanzung von Wellen in der Schwingungsform TE₀₁, der Prismen aus dielektrischem Material enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmer aus metallischen Sektorelementen

zusammengesetzt ist, die zwei ebene, keilförmig zusammenlaufende, einen Winkel einschließende Flächen und eine kreisförmige Mittelöffnung aufweisen, daß jeweils zwischen zwei metallischen Sektorelementen eines der Prismen aus dielektrischem Material angeordnet ist und daß die Sektorelemente und die Prismen durch Befestigungselemente zusammengehalten sind.

2. Krümmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen des Prismas einen Winkel einschließen, der mit dem von den Flächen des Sektorelements gebildeten Winkel durch eine solche Beziehung verknüpft ist, daß die sich in der Mittelöffnung des Sektorelements ausbreitende Welle beim Auftreffen auf das Prisma um einen Winkel abgelenkt wird, der dem von den Flächen des Sektorelements gebildeten Winkel gleich ist.

3. Krümmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Flächen des Prismas gebildete Winkel gleich dem von den Flächen des Sektorelements gebildeten Winkel ist und daß jedes Prisma eine örtlich verschiedene scheinbare Dielektrizitätskonstante besitzt, deren Wert an jeder Stelle so bemessen ist, daß die Phasenwellenlänge in dem Krümmer an jeder Stelle dem Krümmungsradius proportional ist.

4. Krümmer gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Prisma aus homogenem Material besteht und mit exzentrisch zueinander liegenden ringförmigen Nuten von ungleichmäßigem Querschnitt versehen ist.

5. Krümmer gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen mit ihren Seitenflächen einander berühren.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 129 712;
The Proc of the Inst, of Electr. Engineers, Part Β, xly 1957, S. 403 bis 409.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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