DE1025954B - Dielektrischer Wellenleiter zur UEbertragung von elektromagnetischen Wellen des H-Typs - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Mikrowellenübertragungssysteme und bezieht sich insbesondere auf die Übertragung von elektromagnetischer Wellenenergie mit Wellenlängen von einigen Millimetern über dielektrische Übertragungsleitungen ohne leitenden Mantel.

Elektromagnetische Wellenenergie kann über ein Übertragungsmittel geleitet werden, das nur aus dielektrischem Material besteht, mit anderen Worten, über voll dielektrische Mittel, im Gegensatz zu den bekannteren Übertragungsmitteln, bei denen entweder in Längsrichtung ein leitender Mantel angebracht ist, der das dielektrische Material umgibt, oder ein leitender axialer Kern innerhalb des dielektrischen Materials vorgesehen ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß man den leitenden Effekt auch erhält, wenn man einen sehr dünnen dielektrischen Stab verwendet, dessen Durchmesser nur einen Bruchteil einer Wellenlänge beträgt. Ein großer Teil der Energie, die man einem solchen Stab mit der richtigen Wellenform aufdrückt, wird in einem das dielektrische Material umgebenden Feld fortgeleitet und ist daher nicht dessen Verlusten ausgesetzt. Aus diesem Grunde kann die Übertragungsdämpfung eines dünnen, voll dielektrischen Leiters sehr klein gemacht werden. Jedoch waren die Anwendungen dieser Leiter für Übertragungen wegen der mangelnden mechanischen Festigkeit des den Leiter bildenden Materials im wesentlichen auf Versuchsinstallationen beschränkt. Es entstehen nicht nur Brüche durch scharfe Krümmungen oder Schleifen oder durch plötzliche Beanspruchungsänderungen, es kann sogar eine konstante angelegte Kraft, z. B. infolge des Gewichts eines selbsttragenden senkrechten Leiterstücks, dazu führen, daß sich der Leiter streckt oder deformiert. Diese Deformierung kann die Wellenformentartung und die Strahlungsverluste erhöhen. Starre Stützen zum Halten des Leiters beseitigen die Beschränkung in gewissem Ausmaß, doch vernichten derartige Stützen die Beweglichkeit und die Einfachheit des mantellosen Übertragungssystems, die zu dessen nützlichsten Eigenschaften gehören.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einem mantellosen dielektrischen Übertragungsmittel Festigkeit zu verleihen, wobei seine Beweglichkeit und Einfachheit erhalten bleibt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gewünschte Wellenform über ein mantelloses Übertragungsmittel zu übertragen, wobei das Mittel gleichzeitig unerwünschte Wellenform dämpft und deren Übertragung verhindert.

Diese Aufgaben werden durch einen dielektrischen Wellenleiter zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen des Η-Typs gelöst, der erfindungsgemäß zur Vermeidung des Entstehens von Wellen des

zur Übertragung von elektromagnetischen

Wellen des H-Typs

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. August 1954

Arthur Gardner Fox, Rumson, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Ε-Typs sowie zur Erzielung einer ausreichenden Längsfestigkeit im Innern einen Draht aus Widerstandsmaterial enthält.

Es sind bereits Wellenleiter, insbesondere Hohlleiter mit Metallhülle, bekanntgeworden, bei denen durch Verwendung leitender Drähte im Innern der hohlen Leiter unerwünschte Wellenformen unterdrückt werden, indem deren axiale elektrische Felder kurzgeschlossen werden und damit ihre Ausbildung verhindert wird. Es ist auch bereits angegeben worden, einen oder mehrere der leitenden Drähte durch Widerstandsdraht zu ersetzen. Allerdings wurde der Widerstandsdraht benutzt, um eine Heiz- oder Trockenwirkung zu erhalten, wobei eine besondere Heizspannung erforderlich war.

Im Gegensatz hierzu dient der Widerstandsdraht bei der vorliegenden Erfindung dazu, die Längskomponente unerwünschter Wellenformen zu dämpfen. Bei dielektrischen Wellenleitern, also Leitern ohne Metallhülle, würde die Anwendung gut leitender Drähte im Innern, wie sie bei Hohlleitern zum Kurzschließen un-

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erwünschter Wellenformen mit Erfolg benutzt wur- hat der Wellenleiter 14 einen rechteckigen Querschnitt

den, das Entstehen unerwünschter Oberflächenwellen mit einer Ouerabmessung, die mehrere Al ate langer als

des Ε-Typs gerade begünstigen. Erst durch die erfin- die kürzere Ouermessung ist. Jedoch können auch

dungsgemäße Ausbildung des Drahtes als Wider- längliche oder elliptische Querschnitte, wie der in der

standsdraht wird bei dielektrischen Wellenleitern 5 alternativen Ouerschnitisansieht der Fig. 2 dargestellte

ohne Metallhülle die Ausbildung dieser unerwünsch- Querschnitt des Leiters 30, verwendet werden, wenn

ten Wellen vermieden. die Längen der größeren Achsen verschieden sind.

Diese und andere Aufgaben, die Natur der Erfin- Lange dünne Leiter mit den letztgenannten Ouer-

dung sowie ihre Vorteile und Merkmale werden bei schnitten lassen sich mit Hilfe von derzeit bekannten

Betrachtung mehrerer nachfolgend in Zusammen- io Herstellungsverfahren, z. B. Kaltpressen, leichter fer-

hang mit den Zeichnungen beschriebener Ausführungs- tigen.

beispiele besser verständlich werden. Der Kern 15 besteht aus einem axial eingebetteten

Fig. 1 ist eine bildliche Darstellung eines Mikro- drahtartigen Teil, das von dem Dielektrikum umgeben

wellensystems in Millinieterwellenlängenbereich, bei oder innerhalb desselben eingeschlossen ist und sich

dem zwei elektromagnetische Welleneinrichtungen 15 im wesentlichen über die ganze Länge des Wellenlei-

über einen gekrümmten \Veg durch den neuen Wellen- ters 14 erstreckt. Der Kern 15 kann als »dämpfender

leiter mit Widerstandskern miteinander verbunden sind;

Fig. 2 zeigt einen anderen Querschnitt für den Wellenleiter der Fig. 1;

Fig. 3 und 3 A zeigen das elektrische Feldbild der gewünschten Übertragungswellenform des neuen Wellenleiters ;

Fig. 4 und 4A zeigen das elektrische Feldbild einer

Leiter« bezeichnet werden und ist aus Material mit hohem Widerstand hergestellt. Für die vorliegende Erfindung bedeutet der gewöhnlich relative Ausdruck 20 »hoher Widerstand'.; speziell den Widerstand eines Materials, das einen spezifischen Widerstand von mehr als 15-10~ⁱ³ Ohmzentimeter bei 20" C hat. Zu dieser Kategorie gehören die handelsüblich erhältlichen Widerstandsdrähte, die gewöhnlich als Heiz-

Nebenwelle, die durch den neuen Wellenleiter ge- 25 elemente bei elekirisehen Einrichtungen verwendet

dämpft wird.

Fig. 1 erläutert, wie der neue dielektrische Leiter verwendet wird, um zwei elektromagnetische Welleneinrichtungen 12 und 13, die eine Quelle und eine Be-

werden, wie die Legierungen aus Nickel und Chrom sowie Zink mit Kupfer. Zu dieser Kategorie gehören auch die leitenden Materialien Wismut. Bronze, Kupfer-Mangan, Gallium, Neusilber, Monelmecall, Os-

lastung sein können, zu verbinden. Diese Verbindung 30 mium und die meisten Legierungsstähle. Im Gegenkann so beschaffen sein, daß ein gekrümmter Weg und satz zu dieser Gruppe der Materialien mit hohem Wivielleieht eine gewisse Bewegungsfreiheit zwischen den derstaud stehen die Materialien mit »kleinem WiderEinrichtungen 12 und 13 erforderlich ist. Bei niedrige- stan«, die gewöhnlich als gute Leiter der elektrischen ren Frequenzen würde eine solche Verbindung durch Energie bezeichnet werden und die einen spezifischen eine übliche koaxiale Leitung oder durch eine der be- 35 Widerstand von weniger als 15-ΙΟ-" Ohmzentimeter kannten flexiblen Wellenleiterverbindungen hergestellt bei 20'-' C haben. Diese Gruppe umfaßt Materialien, werden, jedoch sind diese bekannten Verbindungsein- wie Kupfer, Messing. Aluminium, Gold, Silber, Kadrichtungen unzureichend, da das vorliegende Gerät im mium, Chrom. Eisen, Molybdän und Zink. Wellenlängenbereich von einigen Millimetern arbeiten Um die Wellenenergie aus der Einrichtung 12 aussoll. Diese Verbindung wird daher durch einen dielek- 40 zukoppeln und in der richtigen Wellenform dem Leitrischen Wellenleiter 14 hergestellt, der einen metalli- ter 14 aufzudrücken, wird eine Übertragungseinrichtung aus leitend begrenzten Bestandteilen verwendet. Diese Übertragungseinrichtung besteht aus einem rechteckigen Wellenleiter 16, dessen eines Ende nach 45 dem üblichen Verfahren mit der Einrichtung 12 gekoppelt ist, so daß eine magnetische Grundform oder

sehen Kern 15 aus einem Material mit hohem Widerstand aufweist, der sich im wesentlichen über die Länge des Teils 14 erstreckt, ferner hat der Wellenleiter keinen äußeren leitenden Mantel.

Der Körper des Wellenleiters 14 besteht aus einem nichtleitenden Material mit einer Dielektrizitätskonstante, die von derjenigen der umgebenden Atmosphäre, welche Luft, irgendein anderes Gas oder

H_lfl-Form innerhalb des Leiters 16 erregt wird. Das andere Ende des Leiters 16 verbreitert sich zu einem rechteckigen Horn 17, dessen breite und schmale AbVakuum sein kann, wesentlich verschieden ist und bei 5° messungen der Öffnung parallel zu den breiten und der das Material eine Phasengeschwindigkeit für die schmalen Abmessungen des Leiters 16 liegen. Das eine Wellenenergie aufweist, die von der Phasengeschwin- Ende des Leiters 14 ist durch das Horn geführt, so digkeit der Wellenenergie in der Atmosphäre .wesent- daß es sich mehrere Wellenlängen in dem Leiter 16 lieh verschieden ist. Beispielsweise haben sich die erstreckt. Die Anpassung zwischen dem Leiter 14 und synthetischen plastischen Stoffe Polystyrol, Poly- 55 dem Leiter 16 ist durch eine angebrachte Abschrääthylen, Polytetrafluoroäthylen und geschichtetes gung 18 verbessert, die sich über mehrere Wellenlän-Polyfiex als geeignet erwiesen, um nur einige spezielle gen des Leiterteils 14 in dem Leiter 16 erstreckt. Eine Stoffe zu nennen. gleiche Anordnung, bestehend aus dem Horn 19 und

Der Querschnitt des Wellenleiters 14 ist eiförmig, dem rechteckigen Leiter 20, die dem Horn 17 und dem d. h., er hat in jedem gegebenen Querschnitt verschie- 60 Leiter 16 gleichen können, ist am anderen Ende des dene zueinander senkrechte Abmessungen, so daß die Leiters 14 vorgesehen, um diesen mit der Einrichtung -Phasengeschwindigkeit der parallel zu einer der Ab- 13 zu koppeln. Somit wird die H₁₀-Grundform im messungen polarisierten Grundwellenenergie wesent- Leiter 16 als Grundform dem dielektrischen Leiter 14 lieh- verschieden von der Phasengeschwindigkeit der aufgedrückt. Diese Welle ist die elektromagnetische senkrecht hierzu polarisierten Grundwellenenergie ist. 65 Welle niedrigster Ordnung, die vom dielektrischen -Man. hat gefunden, daß diese Art Querschnitt die Leiter geführt werden kann und die ein elektrisches Polarisation der aufgedrückten Welle aufrechterhält Feldbild hat, das dem Feldbild der H-Grundwelle in und wesentlich dazu beiträgt, die Neigung zur Ent- einem hohen Metallröhrenwellenleiter sehr ähnelt, artung in andere Wellenformen zu verringern. Wie Das elektrische Feldbild einer solchen Welle, ist in

mit Hilfe des speziellen Beispiels in Fig. 1 gezeigt ist, 70 den Fig. 3 und 3 A dargestellt, die später eingehend

behandelt werden. Für die gegenwärtige Erläuterung wird diese Welle als »elektromagnetische Grundform« bezeichnet, die mit »HEM^-Form« abgekürzt wird. Da die Querschnittsabmessungen des dielektrischen Leiters verringert sind, wird ein größerer Teil der Wellenenergie dieser Form in den umgebenden Raum gedrängt. Um die Dämpfung für diese Form klein zu halten, ist es daher günstig, einen sehr dünnen dielektrischen Teil für den Leiter 14 zu benutzen, so daß die größte Ouerschnittsabmessung einen kleinen Bruchteil einer Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Freqenz beträgt.

Jede Unstetigkeit auf dem Leiter 14 ergibt für die HEMj-Form eine Tendenz, mit einer anderen Wellenform auf dem Leiter 14 gekoppelt zu werden und in diese zu entarten. Diese neue Wellenform ähnelt sowohl derjenigen Wellenform in einer koaxialen Übertragungsleitung als auch der E₁₀-Form in einem hohlen runden metallischen Wellenleiter und hat vorherrschend quer liegende magnetische Kraftlinien und radiale elektrische Kraftlinien in einem gegebenen Querschnitt. Dieses Feldbild wird später in Zusammenhang mit den Fig. 4 und 4 A eingehender geschildert. Für die gegenwärtige Erläuterung wird diese neue Form des Ε-Typs als »elektrische Welle niedrigster Ordnung« oder »TMj-Form« bezeichnet. Ihre Natur ist in einem Aufsatz mit der Überschrift »Single-Conductor Surface-Wave Transmission Lines« von Georg C ο u b a u in den »Proceedings of the Institute of Radio Ingineers«, Bd. 39, Nr. 6, Juni 1951, S. 619 bis 624, vollständig beschrieben.

In den Fig. 3 und 3 A sowie 4 und 4 A sind die elektrischen Feldbilder der HEM₁- und TMj-Formen dargestellt. Um die Darstellung der Feldbilder und den Vergleich zwischen ihnen zu vereinfachen, ist das Übertragungsmittel der Fig. 3 und 4 so gezeichnet, als ob es aus einem dielektrischen Teil 31 und einem Widerstandskern 32 mit rundem Querschnitt bestünder obwohl es — wie oben festgestellt — vorzuziehen ist, einen eiförmigen Querschnitt zu verwenden. Jedoch weichen die Feldbilder auf den eiförmigen Querschnitten qualitativ nicht von den in den Fig. 3, 3 A, 4 und 4 A gezeichneten ab.

Den Fig. 3 und 3 A ist zu entnehmen, daß das elektrische Feld der HEMj-Form geschlossene Schleifen bildet, die im wesentlichen auf gekrümmten Flächen liegen, welche in der Nähe des dielektrischen Teiles 31 vorbeigehen. Diese Flächen liegen im wesentlichen senkrecht zur gleichen Ebene durch die Leitungsachse (dargestellt durch die Ebene A-A in Fig. 3) und breiten sich in dem von der Leitungsachse am weitesten entfernten Raum fächerartig aus. In der Nähe des Kerns 32 haben diese Schleifen keine Komponente parallel zur Längsachse des Kerns, sondern verlaufen vielmehr quer zum Kern. Also werden keine Längs-Stromkomponenten erzeugt, die im Kern 32 fließen könnten. Diese besondere Form wird nur durch den dielektrischen Teil 31 geleitet, ohne· wesentliche Störung durch den Kern 32. Messungen haben gezeigt, daß das Vorhandensein des Kerns die HEMj-Form nur geringfügig stört und nur sehr wenig zu deren elektrischen Verlusten beiträgt. Somit verleiht das Vorhandensein des Kerns dem dielektrischen Leiter mechanische Festigkeit, gestattet ferner, daß er selbsttragend verwendet wird, und erlaubt schließlich, daß er sanft und mit leichter Beweglichkeit um schwache Krümmungen gebogen wird.

Den Fig. 4 und 4 A ist zu entnehmen, daß das elektrische Feld der TM₁-FoOn radiale Schleifen bildet, die jeweils auf dem Kern 32 enden. Um die Kontinuitat jeder Schleife zu erhalten, müssen im Kern 32 längs gerichtete Rückströme i fließen. Diese Ströme verursachen einen Energieveriust durch das Widerstandsmaterial des Kerns, mit dem Ergebnis, daß die TM₁-FoHn und alle anderen Wellenformen, die in ähnlicher Weise im wesentlichen längs gerichtete Ströme erzeugen, schnell gedämpft werden. Da es ein Grundsatz gekoppelter Übertragungslekungen ist, daß eine Welle nicht leicht mit einer zweiten Welle gekoppelt wird oder in sie entartet, wenn diese stark gedämpft ist, wird damit die Tendenz der HEM₁-FoHn, in die TM₁-FoHn zu entarten, wesentlich verringert.

Bei Verwendung in der vorliegenden Erläuterung und in den Ansprüchen ist der Ausdruck »Mantel« darauf beschränkt, daß er die leitende Begrenzung eines Wellenübertragungsweges bezeichnet, der tatsächlich einen Teil der Fortpflanzungsmittel bildet und die fortgepflanzte Welle wesentlich beeinflußt. In diesem Sinn umfaßt er den leitenden Teil des üblichen hohlen Röhrenwellenleiters. Daher sollen die Ausdrücke »dielektrischer Wellenleiter« oder »mantelloser Leiter« einen Stab oder eine Stange aus einem Material bedeuten, das eine andere und im allgemeinen größere Dielektrizitätskonstante hat als ihre unmittelbare Umgebung, die nicht von einem leitenden Mantel eng umgeben ist. Jedoch sollen diese Ausdrücke selbstverständlich nicht Anordnungen ausschließen, die mit einer leitenden oder anderweitigen Begrenzung versehen sind, welche in einem so großen Abstand von der Grenze zwischen den Stoffen mit hoher und niedriger Elektrizitätskonstante angeordnet sind, daß sie geringen oder keinen Einfluß auf die Fortpflanzung der gewünschten Welle auf dem dielektrischen Teil des Leiters haben.

In allen Fällen sind selbstverständlich die oben beschriebenen Anordnungen nur Beispiele für die zahlreichen möglichen Ausführungen, die Anwendungen der Erfindung darstellen können. Zahlreiche und abgeänderte andere Anordnungen können nach den genannten Prinzipien vom mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann vorgeschlagen werden, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Dielektrischer Wellenleiter zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen des Η-Typs, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Vermeidung des Entstehens von Wellen des Ε-Typs sowie zur Erzielung einer ausreichenden Längsfestigkeit im Innern einen Draht aus Widerstandsmaterial enthält.

2. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in an sich bekannter Weise verschiedene senkrecht zueinander liegende Ouerabmessungen in jedem gegebenen Querschnitt hat, wobei der Draht aus Widerstandsmaterial im wesentlichen durch die Mitte des Querschnitts geführt ist.

3. Dielektrischer Wellenleiter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Dielektrizitätskonstante in an sich bekannter Weise wesentlich verschieden von derjenigen der Atmosphäre ist, der die äußere Oberfläche des Wellenleiters ausgesetzt ist.

4. Dielektrischer Wellenleiter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Dielektrizitätskonstante in an sich be-

kannter Weise wesentlich größer als Eins ist, daß ferner der Draht aus Widerstandsmaterial einen spezifischen Widerstand größer als 15 · 10"° Ohmzentimeter hat und daß schließlich die maximale Querabmessung des Wellenleiters in an sich bekannter Weise einen kleinen Bruchteil der Wellen-

länge der durch den Wellenleiter zu übertragenden Welle mit der höchsten Frequenz beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 888 530; britische Patentschrift Nr. 420 447.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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