Die Mikrowellenschalter als Mehrpole

50 Pages·1960·2.237 MB·German

by  Dipl.-Phys. Alfons Jansen (auth.)

DK 621.396.67
FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr. 915
Dipl.-Phys. Alfons Jansen
Gesellschaft zur Förderung der astrophysikalischen Forschung e. V" Rolandseck
Die Mikrowellenschalter als Mehrpole
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1960
ISBN 978-3-663-03465-0 ISBN 978-3-663-04654-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04654-7
G 1 i e der u n g
1. Der Begriff des Schalters S.
2. Vierpolschalter S. 6
2. 1 In beiden Stellungen reziproke Schalter S. 7
2. 11 Ein mechanischer Vierpolschalter S. 9
2. 12 Der Cutoff-Schalter S 13
2. 13 Der Faraday-Rotator als Vierpolschalter s. 17
2. 14 Reziproke und nichtreziproke veränderliche
s.
Dämpfungsglieder als Schalter ..••• 19
s.
2. 2 In beiden Stellungen nichtreziproke Schalter 20
2. 21 Umschaltbare Richtungsleitungen S. 22
2. 3 In der einen Stellung reziproke und in der anderen
Stellung nichtreziproke Schalter . • •••. S. 22
3. Sechspolschalter S. 23
3. 1 Schalter mit IS~vl= ISvll1 S. 27
3. 11 Ein mechanischer Schalter S. 28
3. 12 Der Faraday-Rotator als Sechspolschalter • s. 33
3. 13 Ein Schalter mit zwei veränderlichen
nichtreziproken Phasenschiebern und magischem T. S. 35
3. 14 Ein Schalter mit zwei reziproken
Phasenschie~ern
s.
und einem 3 db-Richtkoppler • • • • • • • . 37
3. 2 Schalter mit IS121 + IS211 s. 39
4. Schaltzeiten und Leistungsbegrenzung S. 42
Anhang I .• S. 44
Anhang 11 s. 46
Zusammenfassung s. 48
.... .
Literaturverzeichnis • S. 49
Seite 3
1. Der Begriff des Schalters
Schalter sind passive Mehrpole, die sich wahlweise auf einen von mehre
ren möglichen diskreten Zuständen einstellen lassen, wobei die diskre
ten Zustände durch je eine Streumatrix definiert sind, deren Elemente
die Übertragungseigenschaften des Mehrpols in der jeweiligen Stellung
eindeutig beschreiben [1J. Dabei müssen die diskreten Schalterstellun
gen gewissen, dem Verwendungs zweck der Schalter entsprechenden idealen
Bedingungen möglichst nahekommen. Gebilde, die derartigen idealen Be
dingungen genügen, werden im folgenden als ideale Schalter bezeichnet.
Die Übertregungseigenschaften und damit die Matrixelemente eines Mehr
pols hängen von der Frequenz ab und lassen sich nur innerhalb eines
endlichen Frequenzbereiches den idealen Bedingungen annähern. Jeder
Frequenz innerhalb dieses Bereiches ist eine bestimmte Streumatrix zu
zuordnen.
Die schaltbaren Vier- und Sechspole zeigen bereits alle typischen Ei
genschaften der Schalter, so daß die Behandlung nur dieser einfachen
Fälle in der vorliegenden Arbeit keine wesentliche Einschränkung der
Allgemeinheit bedeutet. Es ist zu unterscheiden zwischen den einem me
chanischen Schalter analogen reziproken Schaltern, die in jeder Stel
lung reziprokes Verhalten zeigen, und den für jede Stellung nichtrezi
proken Schaltern. Daneben gibt es Schalter, die in der einen Stellung
reziprok, in der anderen dagegen nichtreziprok sind. Die Schalter mit
nichtreziproken Eigenschaften haben kein mechanisches Analogon, lassen
sich aber unter Verwendung von nichtreziproken Bauelementen, insbeson
dere auf Ferritbasis, realisieren. In der vorliegenden Arbeit werden
bevorzugt die mit Ferriten aufgebauten Schalter behandelt. Während die
Wirkungsweise der mechanischen Schalter auf der Umstellung von beweg
lichen Teilen zwischen den Schalteranschlüssen beruht, werden die Fer
ritschalter durch sprunghafte Änderung eines statischen Magnetfeldes
geschaltet, wodurch die Übertragungseigenschaften der Ferrite geeignet
verändert werden. Die Ferritschalter haben also keine beweglichen, der
Abnutzung unterliegenden Teile und zeichnen sich den mechanischen Schal
tern gegenüber durch sehr kurze Schaltzeiten aus.
5
Seite
2. Vierpolschalter
Unter einem Vierpolschalter soll ein zwischen zwei diskreten Stellungen
beliebig veränderlicher passiver Vierpol verstanden werden, der inner
halb eines begrenzten Frequenzbereiches durch die beiden Eigenschaften
gekennzeichnet ist:
1. in der einen Stellung möglichst niedrige Übertragungsdämpfung
zwischen den beiden Anschlüssen in mindestens einer Richtung
(Stellung 1),
2. in der anderen Stellung möglichst große Sperrdämpfung in
dieser Richtung (Stellung 2).
Ein idealer Vierpolschalter soll hiernach ein solches Gebilde sein, das
unabhängig von der Frequenz in Stellung 1 in mindestens einer Richtung
keine und in Stellung 2 in dieser Richtung unendlich große Dämpfung be
sitzt. Die idealen Schalter sind zwar nicht zu realisieren, doch zei
gen sie wegen der Forderung an die realen Schalter, den idealen Eigen
schaften möglichst nahe zu kommen, die typischen Schaltereigenschaften,
so daß ihre Betrachtung im Interesse einer übersichtlichen Einteilung
der Vierpolschalter zweckmäßig ist.
Den Vierpolschaltern kann die Streumatrix
S(~~(1- ~)
y= 8(~~(1- ~)
( 1 )
zugeordnet werden, wobei die Stellung 1 (Durchgang) durch ~ = 0 und
die Stellung 2 (Sperrung) durch ~ = 1 gekennzeichnet ist. Im Übertra
gungsfall ist der Einfachheit halber die Anpassung des Schalters in der
von Anschluß 1 nach 2 weisenden Übertragungsrichtung vorausgesetzt:
S(~~ = O. Diese Anpassung läßt sich stets in einem gewissen Frequenz
bereich ohne Schwierigkeit erreichen.
Auf Grund der möglichen Symmetrieeigenschaften der Matrix (1) lassen
sich die Vierpolschalter in drei Gruppen einteilen:
1. In beiden Stellungen reziproke Schalter:
die genannten Eigenschaften 1 und 2 gelten in beiden Richtun
gen.
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2. In beiden Stellungen nichtreziproke Schalter:
die Eigenschaften 1 und 2 gelten nur in ein und derselben
Richtung.
3. Schalter, die in der einen Stellung reziprok, in der anderen
dagegen nichtreziprok sind: die für die eine Schalterstellung
charakteristische Eigenschaft gilt für beide Richtungen, die
für die andere Schalterstellung dagegen nur für eine Richtung.
Bei den nichtreziproken Schaltern soll insbesondere auch IS121+IS21/
sein.
Diese Einteilung der Vierpolschalter auf Grund ihrer Symmetrieeigen
schaften liegt den folgenden drei Abschnitten zugrunde, in denen unter
Bezugnahme auf die idealen Schalter die möglichen Typen von Vierpol
schaltern diskutiert und Aussagen über deren Matrixelemente gewonnen
werden. In einigen Unterabschnitten werden zu den Ausführungen ent
spechende Beispiele angeführt.
2. 1 In beiden Stellungen reziproke Schalter
Im Übertragungsfall (~= 0) läßt sich die Anpassung des Schalters auch
in der von der Anschlußleitung 2 nach 1 weisenden Richtung realisieren,
so daß der Einfachheit halber auch
S (1) - 0
22 -
vorausgesetzt werden kann. Im Sperrfall ( ~ = r) dagegen kann die An
passung nicht angenommen werden. Der praktische Schalter liegt zwischen
den beiden Grenzfällen der totalen Reflexion mit
und der vollständigen Absorption mit
S (2) = S (2) 0
11 22
der dem Schalter zugeführten Energie. Bei Annährung an den ersten Grenz
fall überwiegt die reflektierte Energie gegenüber dem Energieverlust
(Reflexionstyp), während bei Annährung an den zweiten Grenzfall der
Energieverlust überwiegt (Absorptionstyp) und eine von der Schalter
stellung unabhängige Anpassung des Schalters gegeben ist.
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Für die übrigen Matrixelemente gilt im Falle des idealen Schalters
Is ( 1 ) I I ( 1 ) I
12 = S 21 = 1
und
S (2) S (2) = o.
12 21
Im praktischen Fall lassen sich die Beträge dieser Elemente auf die
Übertragungs- und Sperrdämpfung zurückführen, die als Verhältnis der
über die eine der beiden Anschlußleitungen zugeführten Leistung zu der
an der anderen Anschlußleitung austretenden Leistung zu definieren sind.
Bezeichnet man gemäß der Matrizengleichung
b =Y·Q (2)
mit a , a , die über die Anschlußleitungen 1 und 2 des Schalters ein
1 2
tretenden und mit b , b , die dort austretenden Wellen, so gilt für
1 2
die Übertragungs- und Sperrdämpfung in der Richtung von Anschlußleitung
1· nach 2
1
Für die Dämpfung in der umgekehrten Richtung sind die Indizes 1 und 2
miteinander zu vertauschen. Im allgemeinen wird die Dämpfung in db ge
messen; dabei bleiben die Phasen der Matrixelemente unberücksichtigt.
Die Definition der Sperrdämpfung nach Gleichung (3) ist unabhängig von
der Anpassung der Anschlußleitung 1. Unter Berücksichtigung dieser An
passung erhält man statt (3) für die Dämpfung in Richtung von Anschluß
1 nach 2:
2 -lb 2
la 1 1
1 1
2
jb21
Dieses Verhältnis aus der über die Anschlußleitung in den Vierpol ein
tretenden Leistung zu der über die Anschlußleitung 2 austretenden Lei
stung ist ein Maß für die ohmschen Verluste bei der Übertragung durch
den Vierpol. Bei Anpassung der Anschlußleitung 1 mit S11 = 0 geht (4)
in (3) über.
Der mit S12 = S21 reziproke Schalter umfaßt neben den mechanischen Vier
polschaltern auch solche auf Ferritbasis. Als Beispiele werden im fol-
Sei te 8
genden ein mechanischer Schalter, dann der sogenannte Cutoff-Schalter
und der Faraday-Rotator als Vierpolschalter beschrieben. Anschließend
wird noch auf die veränderlichen reziproken und nichtreziproken Dämp
fungsglieder eingegangen und auf deren Verwendbarkeit als Schalter hin
gewiesen.
Weitere Beispiele erhält man aus dem in 3. 1 beschriebenen Sechspol
schalter durch Kurzschließer bzw. reflexionsfreies Abschließen des An
schlusses 2 oder 3.
2. 11 Ein mechanischer Vierpolschalter
Der vorliegende mechanische Vierpolschalter besteht aus einer T-förmi
gen Hohlleiterverzweigung (E-Verzweigung), deren Nebenarm B (Abb. 1)
an seinem Ende kurzgeschlossen ist. Hierdurch wird für eine der Länge Q
des Nebenarmes entsprechenden FreQuenz in den Übergang zum Hauptarm A
innerhalb eines begrenzten FreQuenzbereiches ein Kurzschluß transfor
miert, so daß sich eine Hohlleiterwelle, deren FreQuenz innerhalb die
ses Bereiches liegt, durch den Hauptarm fortpflanzen kann (Schalter
steIlung 1). Durch Einschieben einer Kurzschlußplatte C in den Nebenarm
K
A
______T 2
c
A b b i I dun g 1
Mechanischer Vierpolschalter, dargestellt in Stellung 1.
K bezeichnet die Kurzschlußebene in Stellung 2 des Schalters.
in einem der vorgegebenen FreQuenz entsprechenden Abstand p vom Haupt
arm wird in diesen ein Kurzschluß transformiert, so daß die in den
Hauptarm einlaufende Welle reflektiert wird (SchaltersteIlung 2).
Um das Einschieben der Kurzschlußplatte in den Seitenarm zu ermögli
chen, ist dieser an der hierfür vorgesehenen Stelle durchgeschnitten.
9
Seite
Die beiden voneinander getrennten Teile des Nebenarmes sind durch eine
in [2] beschriebene Kupplung elektrisch miteinander verbunden. Die Ab
bildung 1 zeigt diese Kupplung in einem Schnitt senkrecht zu den Breit
seiten des Hohlleiters. Der Reflexionsfaktor der Kupplung mit den Maßen
1 11 mm
d 7mm
x 1,6 mm
y 0,1 mm
e = 1 mm
liegt in dem Frequenzbereich von 9000 bis 9800 MHz dem Betrage nach
unterhalb 5 %( Abb. 2).
/
.,/
'o "-
~ 003
....
tI ' ~ ~
CcI:)
.~ 0,0 2
~
~
CI.
Cl: 0.01
o
9000 9200 91,00 9600 9800
{(MHz)
A b b i 1 dun g 2
Reflexionsfaktor der Kupplung zwischen
den beiden Teilen des Seitenarmes.
Die Abstände p und q der in den beiden SchaltersteIlungen wirksamen
Kurzschlußebenen vom Hauptarm A wurden experimentell bestimmt. Für die
beim Bau des Schalters zugrunde gelegte Frequenz von 9380 MHz ist
p = 9,3 mm,
gemessen von der dem Hauptarm zugekehrten Oberfläche der Kurzschluß
platte C, und
q 20,6 mm.
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Tab e I I e
Die Matrixelemente des mechanischen Vierpolschalters
in Abhängigkeit von der Frequenz
f
(MHz) IsWI=ls~1JI Is~VI=ls~n IsNI =IS~11 ö(~{ (db) Is(~n =lsWI ÖR(2e)s (db)
9000 0,107 0,994 0,95 19 0,11 9
9100 0,074 0,997 0,96 23 0,07 12
9200 0,043 0,999 0,98 31 0,03 16
9300 0,020 1,000 0,98 40 0,01 26
9380 0,010 1,000 0,97 29 0,04 16
9400 0,010 1,000 0,97 26 0,05 14
9500 0,034 0,999 0,96 21 0,09 10
9600 0,057 0,998 0,95 18 0,13 8
9700 0,080 0,997 0,91 14 0,19 8
9800 0,103 0,995 0,85 12 0,25 7
In Tabelle 1 sind für heide SchaltersteIlungen die Beträge der Matrix
elemente in Abhängigkeit von der Frequenz in dem Bereich von 9000 bis
9800 MHz zusammengestellt. Dabei ist aus Symmetriegründen IS111 = IS221
und IS121= IS211 gesetzt. Unter Vernachlässigung der Verluste des
Vierpolschalters in Stellung 1 sind aus den gemessenen Werten der
I
S (~~ die zugehörigen I S (~~ I nach S (~~12 + 1S (~~12 = 1 berechnet.
Is
(~~I
Diese Gleichung kann zur Berechnung der nicht mehr herangezogen
werden, da die T-Verzweigung nach Einschieben der Kurzschlußplatte ei
nen fehlangepaßten Resonanzkreis mit nicht vernachlässigbaren Verlusten
Is
darstellt, so daß IS (~~12 + (~~12 < 1 gilt. Da die Verluste zunächst
Is
unbekannt sind, wurden die (~~I durch Messung der Sperrdämpfung
nach Gleichung (3) bestimmt. Zur Messung der Sperrdämpfung ö(;~ wurde
die Anschlußleitung 1 des Schalters möglichst schwach an einen Genera
tor angekoppelt und die Ausgangsspannung an der Anschlußleitung 2 in
Sperrstellung des Schalters ermittelt. Der Schalter wurde dann durch ein
in db geeichtes variables Dämpfungsglied ersetzt und dieses auf die
gleiche Ausgangsspannung eingestellt. Die Sperrdämpfung konnte so un
mittelbar in db angegeben werden.
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