Einführung in die Mikrowellenphysik

290 Pages·1967·8.928 MB·German

by  Prof. Dr. Gerhard Klages (auth.)

WISSENSCHAFTLICHE FüRS CHUNGSB ERICHTE
WISSENSCHAFTLICHE FORSCHUNGSBERICHTE
NATURWISSENSCHAFTLICHE REIHE
Herausgegeben von
DR. W. BRÜGEL und PROF. DR. R. JÄGER
Ludwigshafen/Rh. Bad Hornburg v. d. H.
Band 64
EINFÜHRUNG IN DIE MIKROWELLENPHYSIK
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
EINFÜHRUNG IN DIE
MIKROWELLENPHYSIK
Von
PRoF. DR. GERHARD KLAG ES
Physikalisches Institut der Universität Mainz
2. Auflage
Mit 135 Abbildungen in 160 Einzeldarstellungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
ISBN 978-3-642-53341-9 ISBN 978-3-642-53381-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-53381-5
Alle Rechte vorbehalten
Kein Tell dleses Buches darf In irgendeiner Form (durch Photokopie, lllikroftlm oder irgendein
anderes Verfahren) ohne schrlftliche Genehmigung des Verlages reproduzlert werden.
© 1 9 6 7 b y Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Urspriinglich erschienen bei Dr.Dietrich SteinkopffVerlag, Darmstadt 1967
Zweck und Ziel der Sammlung
Als RAPHAEL EDUARD LIESEGANG am 13. November 1947 starb, lagen
57 Bände der Sammlung vor, die er gegründet und mehr als ein Viertel
jahrhundert lang herausgegeben hatte.
Brücken zu schlagen zwischen den einzelnen Teilgebieten von Natur
wissenschaft und Medizin, ist das Ziel der "Wissenschaftlichen For
schungsberichte". Schon unter LIESEGANGS Herausgeberschaft wandelten
und erweiterten sich Charakter und Absichten der Sammlung. Die ersten
Bände erfaßten in Form kritischer Sammalreferate die Literatur einzelner
Disziplinen aus der Zeit des ersten Weltkriegs. Später folgten monographi
sche Darstellungen junger, inzwischen selbständig gewordener Zweig-e der
Wissenschaft und neuer Methoden, die auf vielen Teilgebieten natur
wissenschaftlicher Forschung allgemeine Bedeutung erlangt hatten.
Verlag und Herausgeber bemühen sich, die "Wissenschaftlichen For
schungsberichte" im Geiste LIESEGANGs weiterzuführen, und sie sind
überzeugt, daß der Sinn dieser Tradition gerade darin besteht, die Samm
lung so lebendig und wandlungsfähig zu erhalten, daß sie die Forderungen
des Tages zu erfüllen vermag.
:Chysikalische Maßmethoden werden heute auf vielen weit auseinander
liegenden Teilgebieten der Naturwissenschaft, der Medizin und der Bio
logie angewandt. Wo gemessen wird, da ist Physik. Die Brücken, die die
Einzeldisziplinen verbinden, sind heute zu einem guten Teil die allgemein
angewandten physikalischen Methoden. Sie sollen in künftigen Bänden
unserer Sammlung so dargestellt werden, daß der Physiker findet, was er
braucht, also theoretische Grundlagen, Kenntnis der apparativen Hilfs
mittel und eine Übersicht über die wichtigste Literatur. Der Nicht-Physi
ker soll aber so viel über die Grundlagen, Anwendungsmöglichkeiten und
Grenzen finden, daß er die Maßergebnisse der Physiker interpretieren und
für seine Wissenschaft verwenden kann.
April 1956.
Die Herausgeber:
WERNER BRÜGEL RoLFJÄGER
LudwigshafenfRhein Institut für Kolloidforschung
der Johann Wolfgang Goethe-Universltät
Frankfurt a. M.
Bad Romburg v. d. H.
Vorwort zur ersten Auflage
Lange Zeit haben die Mikrowellen lediglich in der reinen Physik die
Rolle eines vielzitierten Übergangsgebietes zwischen Radio- und Licht
wellen gespielt, das zwar nicht ohne wissenschaftlichen Reiz war, dem
aber Verwendungsmöglichkeiten für physikalische oder chemisch-ana
lytische Untersuchungen bzw. für die Technik fehlten. Diese Situation
hat sich in den letzten 20 Jahren grundlegend geändert, in denen, von
der Kernphysik abgesehen, sich kaum ein anderes Teilgebiet der Physik
so stürmisch entwickelte. So ist heute der Kreis der daran Interessierten
weit über diejenigen Physiker gewachsen, die darin ihr Spezialgebiet ge
funden haben, und reicht von Physikern aller Arbeitsrichtungen über
Chemiker bis zu Biologen und Medizinern, die alle in steigendem Maße
die Anwendbarkeit der Mikrowellen bei Problemstellungen ihrer Gebiete
entdecken. Nicht zuletzt sind es Hoch- und Höchstfrequenztechniker,
die sie heute handhaben. Ihrer Arbeit ist auch in erster Linie die Perfek·
tion der Mikrowellengeräte und die Geschwindigkeit zu danken, mit der
sich die Entwicklung vollzog.
An diesen ganzen Kreis will sich der vorliegende Band wenden, in
dem er versucht, in die grundsätzlichen Betrachtungsweisen, Gesetz
mäßigkeiten und Meßmethoden der Mikrowellenphysik einzuführen, um
ihm einen gut fundierten Überblick zu geben und ihn in die Lage zu ver
setzen, jede spezielle Anwendung prinzipiell zu durchschauen. Diese Ziel
setzung und die dazu erforderliche Beschränkung im Umfang verbieten
auf die ganze Fülle der Einzelheiten einzugehen, sei es in apparativer
Hinsicht, sei es in der theoretischen Behandlung, die ein Handbuch
füllen und dabei die Einsicht in das Prinzipielle gefährden würden.
Dem Charakter einer Einführung entsprechend, arbeitet die Darstel
lung vornehmlich mit der Anschauung und stellt spezifisch physikalische
Überlegungen in den Mittelpunkt. Dabei ist die Kenntnis der Grund
elemente der Physik, insbesondere der elektromagnetischen Felder, vor
ausgesetzt, da ihre einleitende Behandlung nur den Buchumfang be
lasten würde und zudem auf den damit Vertrauten leicht abschreckend
wirken kann. Eine möglichst anschauliche Behandlung schließt weder
Exaktheit noch Rechnungen und mathematische Formulierungen aus;
diese sind aber so einfach wie möglich und fast durchweg elementar ge
halten, indem die Probleme für die Rechnung nötigenfalls so spezialisiert
sind, daß dem Leser mathematische Schwierigkeiten erspart werden, die
im Rahmen dieser Einführung höchstel).S geeignet wären, ihm den physi
kalischen Inhalt zu verhüllen.
VIII Vorwort
Die Kennzeichen eines Übergangsgebietes haben die Mikrowellen in
sofern behalten, als die Betrachtungsweisen der Elektrotechnik und der
Optik gleichzeitig anwendbar bleiben. Beide fußen zwar auf denselben
beiden MAxwELLsehen Gleichungen, haben aber jede für sich eine ge
trennte Begriffswelt entwickelt. Für welche man sich in einem speziellen
Falle entscheidet, läßt sich nicht im voraus verbindlich festlegen. Wie
stets ist auch hier Einseitigkeit vom Übel: Die Physiker könnten sich oft
durch Verwendung der Leitungstheorie unnötige Mühen ersparen, und
die Hochfrequenztechniker würden in der Wellenoptik zuweilen will
kommene Hilfen finden. Es ist daher notwendig, beide Arten der Be
handlung von Mikrowellenproblemen nebeneinander zu verfolgen und
damit ihre Gesetzmäßigkeiten recht fest mit denen von analogen Er
scheinungen in den anderen Frequenzgebieten zu verknüpf~n. Dann er
schließt sich über die Formalismen hinausgehend der physikalische ln
halt der Begriffe und erlaubt, für jede einzelne Anordnung sofort die
günstigste Betrachtungsweise zu finqen. Und das zu erreichen, sollte das
Ziel einer Einführung in die Mikrowellen-"Physik" sein.
Die didaktischen Gesichtspunkte für die Darstellung ergaben sich bei
Vorlesungen und in Seminaren an der Universität Mainz und nicht zu
letzt bei der "Anleitung zu wissenschaftlichen Arbeiten". Allen, die hier
zu durch Diskussionen beigetragen haben, sei an dieser Stelle gedankt.
Mein besonderer Dank gilt dabei Herrn Dr. G. KREMMLING, jetzt Sie
mens & Halske AG. München, für viele Hinweise und Ratschläge und die
freundliche Unterstützung beim Lesen der Korrekturen. Dem Dr. DIET
RICH STEINKOPFF-Verlag und dem neuen Mitherausgeber dieser Samm
lung habe ich für die Ermunterung zu dieser Arbeit und ihr verständnis
volles Eingehen auf alle Wünsche und Anregungen zu danken.
Mainz, Aprill956. G. KLAGES
Vorwort zur zweiten Auflage
Da der Band vornehmlich das Ziel verfolgt, eine elementare Ein
führung in die grundsätzlichen physikalischen Betrachtungsweisen für
das experimentelle Arbeiten mit Mikrowellen zu vermitteln, erschien es
möglich, von einer Erweiterung des Textes abzusehen. Dem Dr. DIETRICH
STEINKOPFF-VERLAG möchte ich sehr dafür danken, daß es seinen Be
mühungen gelungen ist, diese Auflage unter günstigen Bedingungen den
Interessenten zur Verfügung zu stellen.
Mainz, Dezember 1966 G. KLAGES
Inhaltsverzeichnis
Zweck und Ziel der Sammlung................................. V
Vorwort zur ersten Auflage.................................... VII
Vorwort zur zweiten Auflage .................................. VIII
I. Leitungswellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Stromstärke und Spannung auf homogenen Leitungen . . . . . . 1
2. Fortpfianzungskonstante, W ellenwiderstand, Widerstand längs
der Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3. Das Schmidtsche Kreisdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4. Leitungsanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
a) Viertelwellenlängen-Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
b) Blindwertkompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5. Leitungsvierpole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6. Transformatorsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7. Gedämpfte homogene Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
8. Breitbandanpassung und Exponentialleitung . . . . . . . . . . . . . . 33
9. Spezielle Leitungsausführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
10. Reflexionsfreier Leitungsabschluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
ll. Hohlrohrwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1. Quasioptische Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2. Rechteckhohlrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3. Hohlrohre mit kreisförmigem Querschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4. Dämpfung der Hohlrohrwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
a) Wandströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
b) Sperrbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
c) Dielektrische Füllung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5. Höhere Wellentypen der konzentrischen Leitung . . . . . . . . . . 68
6. Dielektrische Wellenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7. Feldwellenwiderstand von Planwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8. Hohlrohre als Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9. Polarisation von Hohlrohrwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
III. Resonanzkreise ....... ...................................... 96
1. Eigenschwingungen und Feldverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
a) Leitungsresonanzkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
b) Topfkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
X Inhaltsverzeichnis
2. Dämpfung von Topfkreisen ......................... 104
o •• o
3. Topfkreise mit dielektrischer Füllung 108
o • o 0 o • 0 0 0 • 0 0 0 • 0 0 0 0 0 0 0
4. Die Resonanzkurve . 110
o o o o o o o •• o. o. o o o o. o o o o o. o o 0 o •• 0 0 0 0 0
5. Quasioptische Betrachtungen zum Resonanzverhalten von
Topfkreisen 113
o ••• o o o o o 0 • 0 • 0 0 o • 0 0 o 0 • 0 0 o o • 0 0 o 0 0 0 0 • 0 0 0 • 0 0
6. Resonanzkreise als Schaltungselemente ...... 118
0 o •• 0 0. 0 0 0 o ••
7. Resonanzverfahren für Impedanzmessungen 122
o o o o o o o o o o o o o o o
8. Anpassung eines Generators an eine Leitung 124
o o o •• o o o o o o o o. o
IV. Erzeugung und Nachweis 128
0 •••••••• 0 •• 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
l. Funkensender 128
o ••• o •• o o o •• o o o • o o o o o •• o • o o o o •• o o o o o o o o o •
2. Trioden . 131
o o ••• o. o. o o o o. o o o •• o. o. o o o o o o o o o. o o o •• o o o o o o o
3. Reflexklystron 136
o • o • 0 o o 0 • o o ••• o • o •• o o •• o o ••• o • o •• o • o • o o o
4. Wanderfeldröhren 144
0 •••••••• 0 0 •• 0 •• o. 0. o o. 0 0. o •• 0 •• o 0 o. 0
5. Die Bremsfeldmethode zur Schwingungserzeugung. . 149
0 o o o. o o o
6. Magnetron .... 150
o •••• o ••• o o o •• o o o •• o o o o o o o o o o o o o o • o o o •• o
7. Thermische Nachweismethoden ... 158
0 0 o 0. 0 o o o •• o o ••• o o o o o o o
8. Kristalldetektoren 161
o • o o o o • o o o o • o o o o o o o o ••• o o •••• o • o o • o • o
9. Frequenzvervielfachung 168
o. o o o o o o o o o. o o o. o. o o. o o o o o. o o o o.
10. Inkohärente Strahlung und Rauschen 171
o o o o o •• o o o o o o o ••••• o o
V. Meßgeräte und -methoden 177
0 ••• 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 • o 0 0 0 • 0 0 0 ••• 0 ••• 0 0 0 • •
l. Reflexionsfreie Bauelemente für Wellenleiter .. 177
o o o •• o o o o • o o
a) Verlustlose Stoßstellen in homogener Leitung 177
o o o o o o o o o o.
b) Sprungstellen des Wellenwiderstandes 180
o •• o. o •• o o o. o. o o o.
c) Leitungsstücke mit stetiger Veränderung des W ellenwider-
standes 182
o ••• o o o • o o o o o o •• o o •• o o o •• o o • o •• o • o • o o •• o o o • •
2. Bewegliche Kontakte 184
o o o o o • o o o •• o o o •• o o o •• o o o • o o o o • o o o o •
3. Ausmessung von stehenden Weilen 187
o o • o • o o • o • o o o • o o • o o o • o o
a) Meßleitung 187
o •• o o o. o •• o •• o o. o. o. o. o •• o. o o o o. o o. o o o o o o
b) Quetschleitung 192
o o o. o o o o o o o o o o o o o o. o. o o. o o o o o o o o o o. 0 o 0
4. Mikrowellenbrücken . 194
o o. o o o o o o o. o o o •• o o o o o o o o o o •• o o •• 0. 0
a) Symmetrische Leitungsverzweigungen . 194
o. o o o o o •• o o o o o ••
b) Übertragungseigenschaften des magischen T 196
o o ••••• o • o o o
c) Meßfehler bei Unsymmetrie 200
o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o 0 0. 0 0 0 0. 0
d) Weitere Anwendungen des magischen T 203
o o. o. o •••• o o. o o 0
5. Richtkoppler . 204
o • o o o • o • o o o •• o •• o • o • o o o •• o o o •• o • o o o o o o • o •
6. Widerstandstransformatoren 209
0 0 0 0 0 • 0 0 •• 0 0 • o • 0 0 0 0 0 • 0 0 0 0 • 0 •
7. Phasenschieber und Dämpfer 213
o. o o •• o ••• o. o •• o. o o o. o o o •• o.
8. Wellenmesser . 218
0 •• 0 o o o o o o ••••••••• o. o. o. o o. o o o o. o. o. 0 o.