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Hohlleiterb auelement Die Erfindung betrifft Hohlleiterbauelemente,
die aus einem Hohlleiterabschnitt mit einem Schlitz bestehen, der wenigstens annähernd
in Längsrichtung in einer Wandung dieses Hohlleiters verläuft.
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Hohlleiter der obigen Art haben den Nachteil, daß ein Teil der fortgepflanzten
elektromagnetischen Energie aus dem Schlitz abgestrahlt wird und auf diese Weise
verlorengeht. Ver,schiedene Rohleiterbauelemente sind vorgeschlagen worden, in denen
ein Hauptteil aus Ferritmaterial innerhalb eines Hohlleiters mit kreisrundem Querschnitt
angeordnet ist, wobei der Ferritlçörper einem magnetischen Feld in einer zur Längsachse
des Hohlleiters parallelen Richtung unterworfen ist. Einige solcher Bauelemente,
z. B. Dämpfungselemente und Gyratoren, hängen für ihren Betrieb von der Faradayschen
Drehung der Polarisationsebene der elektromagnetischen Welle innerhalb des Hohlleiters
ab. Dieses magnetische Feld wird gewöhnlich von einer Spule erzeugt, die den Hohlleiter
im Bereich des Ferritkörpers umgibt, und die Übertragungseigenschaften des Hohl
leiterbauelementes können dadurch geändert werden, daß der von der Spule geführte
Strom geändert wird. Falls das Hohlleiterbauelement zwei untersclliedliche Ubertragungsbedingungen
periodisch und abwechselnd darstellen soll, so kann dies dadurch geschehen; daß
ein geeignetes elektrisches Signal an die Spule geliefert wird. In einigen Anwendungsfällen,
beispielsweise in einem Radarsystem zum Zwecke des Umschaltens zwischen Sende- und
Empfangszustand des Systems, ist es erwünscht, wenn man zwischen diesen beiden Betriebszuständen
sehr schnell itnd häufig wechseln kann, und der an die Spule gelieferte Strom enthält
dann eine Komponente verhältnismäßig hoher Frequenz. Da jedoch die Wandung des kreisrunden
Hohlleiters wirkungsgemäß eine Kurzschluß windung bildet, in der Leistung nutzlos
verbraucht wird, wobei sich diese nachteilige Wirkung der kurzgeschlossenen Windung
mit der Frequenz vergrößert, müssen Maßnahmen getroffen werden, um die Leistung
herabzusetzen, die sonst zur Erregung der Spule erforderlich sein würde. Ein dafür
vorgeschlagener Weg besteht darin, die Dicke der Hohlleiterwandung zu vermindern,
so daß deren Widerstand bei der Schaltfrequenz erhöht wird. Jedoch ist eine Grenze
hinsichtlich der Größe der Wandstärke des Wellenleiters vorhanden, auf welche man
heruntergehen kann, ohne eine Streuung der elektromagnetischen Energie hervorzurufen,
die sich durch den Hohlleiter fortpflanzt.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Hohlleiterbauelementes
der obigen Art, bei dem die vorgenannten Nachteile beseitigt sind und kein merklicher
Teil der elektromagnetischen Energie über einen breiten Wellenlängenbereich in
dem
Hohlleiter durch den Schlitz hindurch verlorengeht.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Schlitz in der
Hohlleiterwandung so angeordnet und bemessen ist, daß durch den Schlitz Energie
verlorengehen würde, falls keine Maßnahme zur Verhinderung eines solchen Verlustes
getroffen wäre, wenn sich eine elektromagnetïsche Welle entlang dem Hohlleiter ausbreitet,
und daß eine leitende Fläche so angeordnet ist, daß sie außerhalb des Hohlleiters
und angrenzend an den Schlitz liegt, so daß diese Fläche und die Hohlleiterwandung
zusammen eine Übertragungsleitung bilden, wobei der Abstand der Fläche von der Hohlleiterwandung
so klein bemessen und die dielektrischen Stoffe im Hohlleiter und in der Übertragungsleitung
derart gewählt sind, daß bei der Frequenz einer sich entlang dem Hohlleiter ausbreitenden
elektromagnetischen Welle die Eigenwellenlänge einer Welle in der Übertragungsleitung
größer als die Eigenwellenlänge in dem Hohlleiter ist, derart, daß die tXbertragungsleitung-
einer aperiodisch abklingenden oder räumlich gedämpften Schwingungsform erregt wird.
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Die Wirkungsweise eines Hohlieiterbauelemeiites nach der Erfindung
wird nun an Hand der schematischen Fig. 1 der Zeichnung erörtert, die einen Qierschnitt
eines Hohlleiterabschnitts zeigt, der sehr lang
sein kann. Der Hohlleiterabschnitt
1 hat gleichmäßigen Kreisquerschnitt über seine Gesamtlänge und ist mit einem homogenen
verlustlosen Material gefüllt, wobei die Brechungszahl dieses Materials gegenüber
elektromagnetischen Wellen N, ist. Ein Schlitz 2 ist in der Wandung 3 des Hohlleiterabschnitts
1 in einer parallelen Richtung zu der Längsachse des Hohlleiters vorgesehen, wobei
auch dieser Schlitz sehr lang sein kann, während außerhalb des Hohlleiterabschnitts
l und angrenzend an den Schlitz 2 über dessen Gesamtlänge ein bogenförmiges Metallelement
4 vorgesehen ist. Dieses Metallelement 4 liegt gleichmäßig auf jeder Seite des Schlitzes
2, und die benachbarten Oberflächen 5 und 6 der Hohlleiterwandung 3 und des Elementes
4 sind in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet. Das Material in dem Raum
7 zwischen dem Element 4 und der Hohlleiterwandung 3 hat die Brechungszahl N2.
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Wenn sich nun eine elektromagnetische Welle, die zirkulär in der
dominierenden Hl,-Schwingungsform polarisiert ist, längs des Hohlleiterabschnitts
1 ausbreitet, ist es zweckmäßig, eine solche Welle so zu betrachten, als ob sie
aus zwei linear- oder flächenpolarisierten Wellen aufgebaut ist, die zeitlich und
räumlich um 900 verschoben sind, wobei eine dieser Komponentenwellen in der Ebene
des Schlitzes 2, d. h. parallel zu dem Pfeil 8, linear polarisiert ist, während
die andere Komponente in einer zu der Schlitzebene senkrechten Ebene, d. h. parallel
zu dem Pfeil 9, polarisiert ist. Von diesen beiden Komponenten ist nur die Komponente,
die in der zu dem Pfeil 9 parallelen Ebene polarisiert ist, durch den Schlitz 2
an die Parallelpi atten-Übertragungsleitung gekoppelt, die von dem Element 4 und
der Hohlleiterwandung 3 gebildet ist. Die Amplitude dieser Kopplung ändert sich
sinusförmig entlang dem Schlitz, und das Erregungsdiagramm in der Übertragungsleitung
bewegt sich in paralleler Richtung zu der Längsachse des Hohlleiterabschnitts, d.
h. rechtwinklig zu der Ebene der Fig. 1, mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der
Welle in dem Hohlleiterabschnitt 1.
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Das wandernde Erregungsdiagramm in der von dem Element 4 und der
Hohlleiterwandung 3 gebildeten Übertragungsleitung kann als die Resultierende der
beiden Diagramme der stehenden Wellen betrachtet werden, die gleiche Amplitude und
einen Abstand von einer Viertelwellenlänge zueinander haben und um 900 phasenverschoben
sind. Da jedoch die Faktoren, welche die Ausbreitung in dieser Übertragungsleitung
beeinflussen, die sich aus jedem dieser Diagramme der stehenden Wellen ergibt, gleich
sind, ist es nur erforderlich, die Ausbreitung zu betrachten, die sich aus einem
einzigen stehenden Erregungsdiagramm ergibt.
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Da vorausgesetzt wird, daß der Abstand des Elementes 4 und der Hohlleiterwandung3
genügend klein ist, um zu gewährleisten, daß Erregungsmodi, die elektrische Feldkomponenten
in zu den Leitern der tfibertragungsleitung parallelen Richtungen einschließen,
nicht fortgepflanzt werden können, folgt daraus, daß die allein mögliche, von diesem
besonderen stehenden Wellendiagramm erregte Ausbreitung in solcher Schwingungsform
erfolgt, daß die elektrischen Feldlinien zwischen den beiden Leitern so verlaufen,
daß sie senkrecht zu den Oberflächen 5 und 6 liegen, während die magnetischen Feldlinien
orthogonal zu den elektrischen Feldlinien liegen und Schleifen bilden, die in aufeinanderfolgenden
Reihen angeordnet sind, wobei jede dieser Reihen parallel zu dem Schlitz 2 in einer
zu der Ebene der Fig. 1 senkrechten Richtung verläuft.
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Die Übertragungsleitung ist (wie im folgenden beschrieben ist) so
angeordnet, daß, falls sie eine Welle in der im letzten Absatz erörterten Schwingungsform
fortpflanzen soll, die Wellenlänge dieser Welle in der Übertragungsleitung größer
sein würde als die Wellenlänge der erregenden Welle in dem Hohlleiter 1.
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Dies ist naturgemäß nicht möglich mit dem Ergebnis, daß die Übertragungsleitung
nicht in der erörterten Schwingungsform erregt werden kann, um eine Welle auszubreiten,
so daß sie daher in einer aperiodisch abklingenden oder räumlich gedämpften Schwingungsform
erregt wird. Somit wird jede in die Übertragungsleitung durch den Schlitz 2 gekoppelte
Welle sehr schnell gedämpft und erreicht nicht die offenen Enden 10 und 11 der Leitung.
Infolgedessen geht im wesentlichen keine Energie durch den Schlitz 2 verloren.
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Die von dem Element 4 und der Hohlleiterwandung3 gebildete Ubertragungsleitung
wird in einer aperiodisch abklingenden oder räumlich gedämpften Schwingungsform,
wie zuvor erwähnt wurde, erregt, falls der folgenden Ungleichung genügt wird: N2
Ag < AoX (l) wobei Ag die in dem Hohlleiter in Längsrichtung gemessene Länge
der durch den Hohlleiter 1 fortgepflanzten elektromagnetischen Welle ist und 20
die Länge dieser Welle im freien Raum ist. Mit anderen Worten, Ag muß kleiner sein
als die Eigenwellenlänge (Ao)/N2 einer Welle in der Übertragungsleitung, welche
dieselbe Frequenz hat wie die Welle in dem Hohlleiter 1.
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Durch Umformung der Ungleichung (l) kann gezeigt werden, daß die
Übertragungsleitung in einer unendlich kleinen oder abklingenden Schwingungsform
erregt wird, falls N,2 -N22)(AOl;lc)2 (2) ist, wobei Ae die Sperrwellenlänge für
den Hohlleiter 1 in der Hii-Schwingungsform ist.
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Obgleich sich die obige Erörterung auf die Annahme stützt, daß der
Hohlleiter 1 mit einem homogenen Material der Brechungszahl N1 gefüllt ist, ist
die Ungleichung (1) noch gültig, wenn der Hohlleiter 1 teilweise mit einem Körper,
wie beispielsweise einem Ferritstab (mit gestrichelter Umrißlinie 12 dargestellt),
gefüllt ist, der eine Brechungszahl hat, während der übrige Teil des Hohlleiters
mit einem Material gefüllt ist, das eine andere Brechungszahl hat.
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Obgleich außerdem bei der obigen Erörterung angenommen wurde, daß
durch den Hohlleiter 1 eine elektromagnetische Welle hindurchgeht, die zirkulär
polarisiert ist, ist er gleichermaßen für eine linear polarisierte Welle anwendbar,
die eine in Ausbreitungsrichtung kontinuierlich rotierende Polarisationsebene haben
kann, da eine linear polarisierte Welle so betrachtet werden kann, als ob sie aus
zwei zirkulär polarisierten Wellen gleicher Amplitude und entgegengesetzten Umlaufsinns
gebildet ist.
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Eine beispielhafte Konstruktion eines Hohlleiterbauelementes nach
der Erfindung wird nun an Hand der Fig. 2 der Zeichnung beschrieben, die eine isometrische
Ansicht des Bauteiles zeigt. Um den Aufbau des Bauelementes zu veranschaulichen,
ist Fig. 2 teilweise auseinandergezogen und teilweise unter Entfernung äußerer Schichten
geschnitten dargestellt.
v In Fig. 2 besitzt das Bauelement einen
Hohlleiterabschnitt 13 mit kreisrundem Querschnitt, in dem ein Ferritstab gelagert
ist, der aus einer Anzahl gleichartiger Hauptteile 14a und zwei gleicher Endteile
14b hergestellt ist, wobei der übrige Teil des Hohlleiters mit Polystyrol gefüllt
ist. Tatsächlich wird der Hohlleiterabschnitt 13 dadurch hergestellt, daß die Außenfläche
eines Polystyrolrohres 16 mit einem geeigneten chemischen Verfahren versilbert und
dann die Silberschicht galvanisiert wird, so daß die Hohlleiterwandung 15 entweder
mit Silber oder Kupfer auf eine Stärke von angenähert 0,13 mm aufgebaut wird.
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Die Teile 14a des Ferritstabes haben gleichmäßigen Durchmesser, der
etwas kleiner als der Innendurchmesser des Polystyrolrohres 16 ist, während die
Endteile 14 b verjüngt sind, um in bekannter Weise die von dem Stab 14 hervorgerufenen
Impedanzungleichmäßigkeiten auf ein Minimum zu verringern. Während der Herstellung
wird der Stab in die Stellung innerhalb des Rohres 16 gestoßen, und jedes Ende dieses
Rohres wird mit einem Formelement aus Polystvrol stopfenartig verschlossen. Wenn
der Zusammenbau in dieser Weise erfolgt ist, ist das Ende 18 des Elementes mit dem
Ende 19 des Polystyrolrohres 16 bündig. Ein Schlitz 20, der parallel zu der Längsachse
21 des Hohlleiters verläuft, ist in der Hohlleiterwandung vorgesehen und endigt
angenähert zusammen mit dem Ferritstab 14. Dieser Schlitz wird während der Herstellung
des Hohlleiters dadurch gebildet, daß ein Draht oder Faden (nicht dargestellt) entlang
dem Polystyrolrohr 16 während des Versilherungsvorganges angeklebt und dann vor
dem Galvanisieren abgestreift wird. In gleicher Weise sind zwei Umfangsschlitze
(von denen in Fig.2 nur der Schlitz 22 dargestellt ist) in der Hohlleiterwandung
15 an jedem Ende des Längsschlitzes 20 vorgesehen, so daß der den Ferritstab umschließende
Teil der Hohlleiterwandung 15 keine Kurzschlußwindung bildet. Der Umfangsschlitz
22 beispielsweise liegt in der die Kante 23 enthaltenden Ebene.
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Eine rechteckige Metallplatte25, die bogenförmig gebogen ist, ist
iiber dem Längsschlitz 20 angeordnet.
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Der Abstand zwischen den benachbarten Flächen der Platte 24 und der
Hohlleiterwandung 15 ist gleichmäßig, und das dadurch in der Übertragungsleitung
gebildete Dielektrikum ist in der Hauptsache Luft.
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Die Platte 24 ist tatsächlich in Abstand von der Hohlleiterwandung
15 durch dünne Streifen 25 aus einem geeigneten festen dielektrischen Stoff, wie
etwa Polyäthylen, angeordnet, wobei diese Streifen den Hohlleiter 15 teilweise umschließen.
Es können aber auch in anderer Weise zu diesem Zweck mit Polyäthylenstreifen Schleifen
gebildet werden, die den Hohlleiter 13 vollständig umschließen oder um den Hohlleiter
in Schraubenlinienform herumgewickelt sind. Die Platte 24 wird an ihrem Platz gegen
diese Streifen 25 durch Bänder26 festgehalten, die um die Platte 24 und den Hohlleiter
13 zusammen herumgewickelt sind.
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Das magnetische Polarisationsfeld, in welchem der Ferritstab während
der Verwendung des beschriebenen Bauelementes liegt, wird von einer Spule 27 geliefert.
Die Spule27 ist zwischen Seitenwänden 28 über der Kombination des Hohlleiters 13
und der Platte 24 gewickelt. Die Spule 27 kann auf einen Spulenkörper (nicht dargestellt)
gewickelt werden, der sich iiber der vorgenannten Anordnung befindet.
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Metallische Kopplungsflansche 29 sind an jedem Ende des Hohlleiterabschnitts
13 vorgesehen und mit der Hohlleiterwandung 15 elektrisch verbunden.
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Beispielsweise Abmessungen des Hohlleiterbauelementes und die zugehörigen
Parameter der Materialien sind folgende: Innendurchmesser des Hohlleiters 13 13,5
mm Durchmesser des Ferritstabes ..... 6,4 mm Länge des Ferritstabes (unter Vernachlässigung
der verjüngten Enden) ...... . 76,2 mm Brechungszahl des Polystyrols ..... 1,6 Brechungszahl
des Ferritmaterials (bei dem magnetischen Feld Null) 3,1 Länge des Längsschlitzes
20 .. 76,2 mm Länge der Platte 24 ...... .. ....... 76,2 mm Bogenbreite der Platte
24 ......... 20,3 mm Abstand zwischen Platte und Hohlleiterwandung 15 ... . . 0,254
mm Die Länge des Stabes und somit des Schlitzes 20 und der Platte 24 ist natürlich
nicht kritisch, soweit es die Erfindung betrifft, und wird so gewählt, daß das Bauelement
die gewünschten elektrischen Kennwerte erhält.
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Das Hohlleiterbauelement kann ein Gyrator sein, und in diesem Falle
wird die Spule 27 während der Anwendung so erregt, daß eine durch den Hohlleiterabschnitt
13 in einer Richtung hindurchgehende Welle einer Phasenverschiebung von 1800 unterworfen
wird, wogegen eine in der entgegengesetzten Richtung hindurch verlaufende Welle
keine Phasenverschiebung erfährt. Die Phasenverschiebungen, der durch den Hohlleiterabschnitt
13 in beiden Richtungen hindurchverlaufende Wellen unterworfen sind, können durch
Umkehren des Flusses des Erregungsstromes durch die Spule27 geändert werden. Zu
diesem Zweck sind Schaltvorrichtungen (nicht dargestellt) in einen Stromkreis mit
der Spule 27 geschaltet.
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Es wird bemerkt, daß in dem oben beschriebenen Hohlleiterbauelement
die Wellenlänge eine Funktion der Amplitude des von der Spule 27 hervorgerufenen
magnetischen Feldes ist und daher die Ungleichung (1) für den größten Wert dieser
Wellenlänge über den gewünschten Amplitudenbereich des magnetischen Feldes befriedigt
wird. Da sich jedoch die Wellenlänge in dieser Weise ändert, wird bemerkt, daß es
nicht möglich sein würde, Abstrahlung aus dem Längsschlitz 20 in der Hohlleiterwandung
15 mittels einer üblichen Resonanzdrosselanordnung zu verhindem. Eine solche Strahlung
wird jedoch dadurch verhindert, daß die Übertragungsleitung vorgesehen wird, die
von dem Element 24 und der Hohlleiterwandung 15 gebildet ist und in einer unendlich
kleinen oder abklingenden Schwingungsform gemäß einem Merkmal der Erfindung erregt
wird.
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Falls das Bauelement in einem Hohlleitersystem verwendet werden soll,
das hauptsächlich aus Hohlleitern mit rechteckigem Querschnitt besteht, kann jeweils
ein Längs stück des Hohlleiters zum Übergang von kreisrunden auf rechteckigen Querschnitt
mit jedem Ende des Hohlleiterabschnitts 13 verbunden werden.
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Zur Verbesserung der Symmetrie kann es in einigen Fällen zweckmäßig
sein, mehr als einen Längsschlitz in der Hohlleiterwandung 15 vorzusehen, und es
können beispielsweise vier Schlitze in gleichem Abstand angeordnet werden, wobei
jeder dieser Schlitze seine zugeordnete Übertragungsleitung hat, die anordnungsgemäß
in
unendlich kleiner oder abklingender Schwingungsform erregt wird.
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PATENTANSPROCHE-1. Hohlleiterbauelement, bestehend aus einem Hohlleiterabschnitt
mit einem Schlitz, der wenigstens annähernd in Längsrichtung in einer Wandung dieses
Hohlleiters verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz in der Hohlleiterwandung
so angeordnet und bemessen ist, daß durch den Schlitz Energie verlorengehen würde,
falls keine Maßnahme zur Verhinderung eines solchen Verlustes getroffen wäre, wenn
sich eine elektromagnetische Welle entlang dem Hohlleiter ausbreitet, und daß eine
leitende Fläche so angeordnet ist, daß sie außerhalb des Hohlleiters und angrenzend
an den Schlitz liegt, so daß diese Fläche und die Hohlleiterwandung zusammen eine
Übertragungsleitung bilden, wobei der Abstand der Fläche von der Hohlleiterwandung
so klein bemessen und die dielektrischen Stoffe im Hohlleiter und in der Übertragungsleitung
derart gewählt sind, daß bei der Frequenz einer sich entlang dem Hohlleiter ausbreitenden
elektromagnetischen Welle die Eigenwellenlänge einer Welle in der Übertragungsleitung
größer als die Eigenwellenlänge in dem Hohlleiter ist, derart, daß die Übertragungsleitung
in einer aperiodisch abklingenden oder räumlich gedämpften Schwingungsform erregt
wird.