Hohlleiter Vers.1.0
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Hohlleiter Version V1.0 Datum 15.03.2005 Otto LIEBMINGER Jahrgang 8ABELT Schuljahr 2004/2005 Hohlleiter Inhaltsverzeichnis 0 Zusammenfassung _____________________________________ 3 1 Abstract ______________________________________________ 3 2 Grundlagen ___________________________________________ 3 2.1 Skineffekt ____________________________________________________ 4 3 Hohlleiter _____________________________________________ 5 3.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ___________________________ 5 3.2 verschiedene Ausbreitungsmodi __________________________________ 6 3.3 Druckluft im Hohlleiter __________________________________________ 8 3.4 Einspeisung der Energie ________________________________________ 9 3.5 Hohlleiterverbindungen ________________________________________ 10 3.5.1 Die Drosselverbindung _____________________________________ 10 3.5.2 Krümmungen _____________________________________________ 11 3.5.3 Drehungen _______________________________________________ 12 3.5.4 Drehbare Verbindung ______________________________________ 13 3.6 Hohlleiterabschlüsse __________________________________________ 14 3.7 Absorber ___________________________________________________ 15 3.8 Verzweigungsschaltungen ______________________________________ 15 3.8.1 H- oder Parallelverzweigung _________________________________ 15 3.8.2 E- oder Serienverzweigung __________________________________ 16 3.8.3 Magic - T ________________________________________________ 16 3.9 Messungen am Hohlleiter ______________________________________ 17 3.10 Richtkoppler ________________________________________________ 18 3.11 Hornstrahler ________________________________________________ 18 3.12 Runde und elliptische Hohlleiter ________________________________ 19 3.12.1 Grenzfrequenz elliptischer Hohlleiter __________________________ 20 3.13 Filter im Hohlleitersystem _____________________________________ 20 3.14 -3dB-Koppler _______________________________________________ 21 3.15 Sende- Empfangsweiche mit 3 db/90° -Hohlleiterrichtkopplern _________ 22 3.16 Diplexer ___________________________________________________ 23 3.16.1 Abstimmung des Diplexers _________________________________ 24 3.17 Hohlleiter mit abstimmbarer Länge ______________________________ 25 4 Anwendungsgebiete __________________________________ 26 4.1 Parabolantennen _____________________________________________ 26 4.2 Stacked Beam Cosecans² - Antennen _____________________________ 26 5 Literaturverzeichnis ___________________________________ 27 Otto LIEBMINGER Seite 2 von 27 Hohlleiter 0 Zusammenfassung Mit dieser Arbeit soll ein Einblick in den Aufbau und Funktionsweisen einzelner Hohlleiterkomponenten, die in ein Hohlleitersystem integriert werden können, gegeben werden. Einleitend möchte ich auch einen kurzen Überblick über die Grundlagen der Hohlleitertechnik geben. Anschließend werden die einzelnen Komponenten eines Hohlleitersystems in Bezug auf deren Ausbreitungsmodi näher erklärt und beschrieben. Den Abschluss bildet noch ein kurzer Blick über Anwendungsgebiete von Hohlleitersysteme und deren Wirkungsweisen. 1 Abstract This paper should give you an insight at the structure and function of the hollow pipe. First of all I would like to give you a short view about the basic of this technology. Afterwards I will tell you something about the components of an hollow system refer to the spreading mode. Finally I will make a short view to other possibilities of user and effected areas. 2 Grundlagen Im Frequenz- Bereich über etwa 1000 MHz weisen koaxiale Leitungen bei der Übertragung von hohen Leistungen (z.B. Sendesignale) eine Reihe von erheblichen Nachteilen, wie hohe Dämpfung und geringe Überschlagsfestigkeit, auf. Sind die Nachteile bei leistungsschwachen Signalen noch akzeptabel, führen sie im Hochleistungsbereich zu nicht tolerierbaren Verlusten. Die Dämpfungsverluste entstehen durch leitungseigene Kapazitäten und Induktivitäten, sowie dem Skineffekt und nehmen mit steigender Übertragungsfrequenz erheblich zu. Die Überschlagsfestigkeit wird durch den geringen räumlichen Abstand zwischen Innen- und Außenleiter stark begrenzt. Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile, Abbildung 1: Abmessungen eines werden in Radar - Anlagen zur Übertragung Rechteckhohlleiters leistungsstarker HF - Signale sogenannte Hohlleiter eingesetzt. Hohlleiter sind metallische Rohre mit rundem, elliptischem oder rechteckigem Querschnitt, wobei der rechteckige Hohlleiter am häufigsten eingesetzt wird. Otto LIEBMINGER Seite 3 von 27 Hohlleiter Theoretisch entsteht ein Hohlleiter, indem unzählige, kurzgeschlossene λ /4 - Leitungen aneinandergereiht werden. Zwei dieser Gebilde aneinandergefügt ergeben einen Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt. Abbildung 2: Entstehung des Hohlleiters aus kurzgeschlossenen λ /4 - Leitungen Signale können sich aber erst ab einer bestimmten Frequenz im Hohlleiter ausbreiten. Diese Frequenz ist von den Abmessungen des Hohlleiters, speziell von der Seite a, abhängig. Ausbreitungsbedingungen bestehen, wenn die Welle kleiner als die sogenannte Grenzwellenlänge λ Grenz wird. Die Grenzwellenlänge rechteckförmiger Hohlleiter ergibt sich aus der Formel: λ Grenz = 2 • a λ Grenz = Grenzwellenlänge [m] a = längere Seite des Hohlleiters [m] 2.1 Skineffekt Dass sich außerhalb von stromdurchflossenen Leitern ein Magnetfeld aufbaut, ist als bekannt vorauszusetzen. Auch im Innern eines Leiters baut sich ein Magnetfeld auf und wechselt periodisch seine Richtung. Durch die Änderung des Magnetfeldes werden aber Ströme erzeugt, die das Magnetfeld ringförmig umschließen. Dadurch schwächen sie den Primärstrom im Innern des Leiters nahe der Mittelachse, während die Wirbelströme in der Nähe der Oberfläche den Primärstrom verstärken. Abbildung 3: Skineffekt Wechselströme werden durch die Bildung von Wirbelströmen im Leitungsinnern zur Leiteroberfläche verdrängt. Dieses Phänomen bezeichnet man als Skineffekt. Otto LIEBMINGER Seite 4 von 27 Hohlleiter Je höher die Frequenz ist desto stärker ist dieser Skineffekt ausgeprägt. Der Skineffekt verkleinert den effektiv genutzten Leitungsquerschnitt. Um den Skineffekt so klein wie möglich zu halten, werden in der HF- Technik Leiter mit möglichst großer Oberfläche eingesetzt ( HF- Litze, Bandleiter, usw.). Der frequenzabhängige Widerstand kann berechnet werden. Er ergibt sich zu: l ist die Drahtlänge, r dessen Radius, µ0 die magnetische Feldkonstante, µr die Permeabilität, σ die Leitfähigkeit des Materials und ω die Kreisfrequenz (ω=2πf). 3 Hohlleiter 3.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Hochfrequente Energie, die in einen Hohlleiter eingespeist wird, baut im Innern eine elektromagnetische Welle mit E- und H- Feld auf. Diese elektromagnetische Welle breitet sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in dem Hohlleiter aus. Zwischen den a- Wänden bildet sich ein E- Feld aus, das zu den b- Wänden hin abnimmt und schließlich an den Wänden kurzgeschlossen wird. Das E- Feld weist im Querschnitt einen sinusförmigen Verlauf auf. Abbildung 4: E- Feld im Hohlleiter (Querschnitt, Momentaufnahme, H10- Modus) In Längsrichtung wechselt das E- Feld periodisch mit der Frequenz seine Polarität und bildet jeweils im Abstand von λ /2 ein Maximum aus. Otto LIEBMINGER Seite 5 von 27 Hohlleiter Die Felder verharren nicht in den jeweiligen Zuständen, sondern ändern, über die Zeitachse betrachtet, ihre Intensität und Polarität im Rhythmus des Eingangsignals. Das Dämpfungsverhalten von Hohlleitern ist stark frequenzabhängig. Ein Hohlleiter, mit der Grenzfrequenz betrieben, weist noch eine relativ starke Dämpfung auf, die erst mit der Erhöhung der Frequenz ein Minimum erreicht, das über einen bestimmten Bereich fast Abbildung 5: H- Feld im Hohlleiter (Draufsicht, Momentaufnahme) konstant bleibt, um anschließend wieder anzusteigen. Ausschlaggebend für die gute Leitfähigkeit des rechteckigen Hohlleiters ist seine Abmessung (Seite „a”) in Bezug auf die zu übertragende Frequenz. Hohe Frequenzen benötigen Hohlleiter mit kleineren Abmessungen und umgekehrt. Die Durchschlagsfestigkeit eines Hohlleiters hängt von den Abständen der Hohlleiterwände ab, d.h. im Querschnitt kleine Hohlleiter (für hohe Frequenzen) weisen eine geringere Durchschlagsfestigkeit auf als Hohlleiter mit großem Querschnitt. Bei Rechteckhohlleiter ist der geringste Abstand, also die Länge der Seite b, maßgebend. Um die Durchschlagsfestigkeit bei höheren Übertragungsleistungen zu verbessern, wird im Innern des Hohlleiters ein Überdruck erzeugt, der feuchte Luft aus dem Hohlleiter drückt, bzw. nicht eindringen lässt. 3.2 verschiedene Ausbreitungsmodi Innerhalb eines Hohlleiters sind mehrere Ausbreitungsmodi möglich. Dabei ist eine unterschiedliche Grenzfrequenz für jeden Modus durch die geometrischen Abmessungen bestimmt. Ist die Frequenz des in den Hohlleiter eingespeisten Signals oberhalb der Grenzfrequenz, kann die elektromagnetische Energie durch den Hohlleiter mit minimaler Dämpfung transportiert werden. Unterhalb dieser Grenzfrequenz wird die Energie schon nach kurzer Entfernung auf einen unbedeutenden Wert abgeschwächt. Otto LIEBMINGER Seite 6 von 27 Hohlleiter Der überwiegend auftretende Modus in einem bestimmten Hohlleiter ist derjenige Modus, der die niedrigste Grenzfrequenz hat. Für einen rechteckigen Hohlleiter ist das der E10-Modus. Der E10-Modus bedeutet, dass alle elektrischen Feldlinien quer zur Ausbreitungsrichtung befinden und kein elektrisches Feld in longitudinaler Richtung existiert. Als Folge des elektrischen Feldes entsteht ein magnetisches Feld H01 in longitudinaler Richtung. Abbildung 6: Hohlleiterquerschnitte mit E-Feld bei verschiedenen Ausbreitungsmodi Die Grafik zeigt die E-Feldverteilung im Hohlleiterquerschnitt bei verschiedenen Ausbreitungsmodi. Der Index „m” gibt die Anzahl der Feldstärke-Maxima auf der breiten Seite und „n” auf der schmalen Seite an - „n” ist in den hier gezeigten Fällen Null. Es ist ratsam, die Maße des Hohlleiters so zu wählen, dass sich die Energie nur in dem gewünschten Modus ausbreiten kann. Ist der Hohlleiter z.B. so breit und die Frequenz so hoch, so dass sich die Energie schon im E20- Modus ausbreiten kann, treten eine Vielzahl von Problemen auf, da sich z. B. Ein- und Auskopplungen nun nicht mehr im Maximum des Feldes befinden. Eine andere Art weit verbreiteter Hohlleitergeometrie ist der rechteckige „double ridge” Hohlleiter. Die sich im Inneren des Hohlleiters befindlichen Verdickungen („Rücken”) steigern die Bandbreite des Hohlleiters allerdings auf Kosten der Dämpfung und der Durchschlagsfestigkeit. Abbildung 7: Double ridge Hohlleiter Von Reflexion (lat. reflectere: zurückbeugen, drehen) spricht man, wenn ein Lichtstrahl, eine elektromagnetische Welle, oder ganz allgemein, eine Welle (z. B. Schall) - von einer Oberfläche zurückgeworfen wird. Er gehorcht dabei dem Reflexionsgesetz, d. h. der Eintrittswinkel des einfallenden Strahls ist gleich dem Austrittswinkel. Die beiden Winkel werden zum Einfallslot hin gemessen. Das ist eine Gerade, die im Auftreffpunkt des Lichtstrahls senkrecht auf der Oberfläche steht. Ein Spiegel nutzt die Reflexion unter anderem, damit man sich selbst betrachten kann, oder damit man in verdeckte Bereiche blicken kann. Bei Antennen wird die Sendeleistung durch Spiegel gebündelt und eine Richtwirkung erreicht. Otto LIEBMINGER Seite 7 von 27 Hohlleiter Anwendungen nicht ebener Spiegel sind beispielsweise konkav gekrümmte Hohlspiegel als Rasierspiegel, Parabolspiegel für Satellitenantennen oder zur Lichtbündelung in Teleskopen. Konvex gekrümmte Spiegel dienen z. B. als Außenspiegel an Fahrzeugen und zeigen größere Bereiche als gleich große Planspiegel. Eine weitere Anwendung sind die so genannten Reflektoren, die im Straßenverkehr (Scheinwerfer, Rückleuchte; das auf dem Trippelspiegel-Konzept basierende Katzenauge), in der Fotografie (Blitzlicht), aber auch bei der Energiegewinnung (Sonnenkraftwerk) zum Einsatz kommen. Wird ein Teil elektromagnetischer Strahlung reflektiert bzw. transmittiert und ein Teil absorbiert, so spricht man von Remission (Optik). Reflexion in der Akustik: Gespiegelte Reflexionen, die durch Schallwellen erzeugt werden, die von nicht absorbierenden harten Oberflächen der Wände, dem Boden und der Decke abspringen können starken Nachhall erzeugen. Hierbei ist auch das unerwünschte Schlagecho von der Rückwand oder das Flutterecho von parallelen hart reflektierenden Wänden bekannt. Schallwellen, die eine Laufzeitverzögerung zum direkten Schall von mehr als 50 ms haben, können einzeln hörbare Echos erzeugen, was auch von der Impulsart und der Höhe des reflektierten Pegels bestimmt wird. Echos zerstören den Direktschall und sind für eine schlechte Sprachverständlichkeit verantwortlich. Eine Ausgewogenheit von Reflexion, Absorption und Diffusität ist wünschenswert. 3.3 Druckluft im Hohlleiter Die Durchschlagsfestigkeit und die Durchlassdämpfung eines Hohlleiters wird durch Luftfeuchtigkeit im Inneren sehr verschlechtert. Deshalb wird das gesamte Hohlleitersystem oft mit Druckluft gefüllt, die in einem Dehydrator aufwändig getrocknet wurde. Wenn irgendwo im System eine undichte Stelle ist, dann wird dort ständig Druckluft entweichen und somit das Eindringen von Feuchtigkeit verhindern. Zusätzlich kann mittels eines Druckschalters, die Verringerung des Druckes als Maß für die Dichtheit des Systems nutzend, Schutzschaltungen ausgelöst werden, um Überschläge bei eingedrungener Feuchtigkeit sicher zu verhindern. Die Höhe des Überdruckes spielt für die Wellenausbreitung im Hohlleiter praktisch keine Rolle. Die Wahl der Höhe des Überdruckes wird nur durch die Ansprechschwelle des Druckschalters bestimmt und sollte nur mindestens so hoch sein, dass bei weit verzweigten Hohlleitersystemen auch am letzten Ende noch ausreichend Druck ankommt. Abbildung 8: Dehydrator der PAR-80 Otto LIEBMINGER Seite 8 von 27 Hohlleiter Die Luft wird meist durch eine oder mehrere Trockenpatronen geleitet, die mit einem Granulat aus Silikagel gefüllt sind. Dieses Silikagel ist stark hygroskopisch und nimmt die Luftfeuchtigkeit in seinem Kristallgitter auf. Dabei verändert es seine Farbe, die somit als Indikator genutzt werden kann. Abbildung 9: Silikagel in einer verbrauchten Trockenpatrone 3.4 Einspeisung der Energie Die elektrische Energie wird mit einer Sonde eingekoppelt, die λ /4 vom geschlossenen Ende entfernt in den Hohlleiter hineinragt. Der Einspeisepunkt ist somit λ /4 vom Ende und λ/4 von den b-Seiten entfernt. Die sich von der Sonde des Kopplers ablösende Welle „sieht” an drei Seiten den unendlich hohen Widerstand der kurzgeschlossenen λ /4- Leitung. Die elektromagnetische Welle kann sich also nur in Abbildung 10: Einspeisung der Energie der verbleibenden Richtung ausbreiten. Bei der Sondenkopplung wird zuerst ein E-Feld erzeugt, welches ein H-Feld zu Folge hat. Hohlleitersonden sind prinzipiell reversibel, d.h. eine Sonde zum Einkoppeln von HFEnergie kann ebenso gut auch zum Auskoppeln von HF-Energie verwendet werden. Abbildung 11: Ausbreitungsrichtung Bei der Schleifenkopplung wird zuerst ein H-Feld erzeugt, welches ein E-Feld zu Folge hat. Die effektivste Stelle für die Installation einer Schleifenkopplung ist diejenige, bei der das H-Feld bei normaler Ausbreitung im Hohlleiter ein Maximum hat. Durch eine Leiterschleife wird eine Wechselspannung geleitet. Diese verursacht ein Magnetfeld um die Schleife. Da aber keine magnetischen Feldlinien senkrecht auf leitenden Flächen stehen, sondern parallel dazu verlaufen, nehmen die magnetischen Feldlinien die Formen des Abbildung 12: Schleifeneinkopplung Hohlleiters an und bilden geschlossene Linien. Otto LIEBMINGER Seite 9 von 27 Hohlleiter Diese Feldlinien ändern ihre Richtung im Takt der Frequenz und wandern als feste Pakete längs zum Hohlleiter in die Ausbreitungsrichtung. 3.5 Hohlleiterverbindungen Ein Hohlleitersystem wird in den seltensten Fällen aus einem Stück gefertigt. Es ist also fast immer eine Verbindung der einzelnen Elemente notwendig. Man unterscheidet hierbei drei Hauptarten: Feste Verbindung Die feste Verbindung wird bei der Fertigung vorgenommen. Die Hohlleiterabschnitte werden bis auf einige tausendstel Millimeter genau zusammengefügt und verlötet. Damit wird eine luftdicht abgeschlossene und spiegelglatte Verbindung erreicht. Halbfeste Verbindung Müssen die Hohlleiterabschnitte zur Durchführung von Wartungs- und Reparaturarbeiten demontierbar sein, so wird eine halbfeste Verbindung verwendet. Die am meisten verwendete Verbindung ist die sogenannte Drosselverbindung. Drehbare Verbindung In Fällen, in denen die Energie von einem feststehenden zu einem rotierenden Teil der Anlage (z.B. zur Antenne) übertragen werden soll, verwendet man runde Hohlleiter. Der Übergang von dem festen zum rotierenden Teil kann ebenfalls eine Drosselverbindung sein. Die Verbindungsstücke müssen einen Reflexionsfreien Übergang von einem Hohlleiterabschnitt zum anderen und damit kleinstmögliche Verluste an der Übergangsstelle gewährleisten. Kleinste Unregelmäßigkeiten an der Verbindungsstelle können erhebliche Verluste bewirken. 3.5.1 Die Drosselverbindung Die Drosselverbindung besteht aus zwei Flanschen, die zusammengeschraubt werden. In deren Mitte sind die zu verbindenden Hohlleiter angebracht. Der rechte Flansch ist flach. In den linken Flansch ist ein Schlitz mit der Tiefe von λ /4 eingedreht. Dieser Schlitz ist an seinem Ende kurzgeschlossen. Otto LIEBMINGER Seite 10 von 27 Hohlleiter Abbildung 13: Drosselverbindung Der Kreisdurchmesser des Schlitzes ist so bemessen, dass er von der Mitte der oberen bzw. unteren Wand der zu verbindenden Hohlleiter - aber auch von den Stellen, an denen im Hohlleiter die höchste Spannung auftritt - ebenfalls λ /4 entfernt liegt. Der Kurzschluss des Schlitzes liegt demnach λ /4 + λ /4 = λ /2 von den Stellen entfernt, an denen die obere bzw. die untere Wand der Hohlleiterabschnitte zusammenstoßen. Auf Grund dieser Tatsache wird ein Kurzschluss an diese Stellen transformiert. Es besteht somit eine (HF) elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Hohlleiterabschnitten. Eine galvanische Verbindung der beiden Hohlleiter bzw. der Flansche ist dabei nicht notwendig. Deshalb ist es möglich, zwischen den beiden Flanschen eine Abbildung 14: Diagramm einer Gummidichtung einzubringen, um auf diese Weise Drosselverbindung das Innere der Hohlleiter luftdicht abzuschließen. Die Bezeichnung „Drosselverbindung” für die beschriebene Flanschverbindung ist auf die Wirkung wie eine HF-Drossel zurückzuführen. Wie bei einer HF-Drossel soll die HF an der Abwanderung durch das Verbindungsstück nach außen gehindert werden. Abbildung 15: Drosselverbindung mit EKrümmung eines Hohlleiters der ASR-910 3.5.2 Krümmungen Vorraussetzung für eine reflexionsarme Fortpflanzung der Energie in einem Hohlleiter ist die konstante Größe und Form über seine gesamte Länge. Jede plötzliche Veränderung von Größe und Form verursacht Reflexionen. Otto LIEBMINGER Seite 11 von 27 Hohlleiter Sind solche unerwünscht, so muss jede Änderung von Größe und Form allmählich vorgenommen werden oder es müssen Spezialvorrichtungen verwendet werden, bei deren Konstruktion bestimmte Regeln beachtet werden. Bei allmählichen Krümmungen ist darauf zu achten, dass der Krümmungsradius größer als zwei Wellenlängen ist. Abbildung 16: H – Krümmer E - Krümmer In diesem Fall werden die Reflexionen auf ein Minimum beschränkt, und zwar gleichgültig, ob die Krümmung an der breiten oder an der schmalen Seite des Hohlleiters vorgenommen wird. Scharfe Krümmungen um 90° haben normalerweise Reflexionen zur Folge. Diese werden durch Verwendung solcher Winkelstücke vermieden. Abbildung 17: Winkelstücke 3.5.3 Drehungen Ist es erforderlich, die elektromagnetischen Felder zu drehen, so wird dies durch ein Verdrehen des Hohlleiters erreicht. Die Drehung soll allmählich verlaufen und sich über mindestens zwei Wellenlängen erstrecken. Abbildung 18: Hohlleiterdrehung Otto LIEBMINGER Seite 12 von 27 Hohlleiter Um jede Art von Krümmungen und Drehungen zu ermöglichen, werden oft flexible Hohlleiterabschnitte eingebaut. Ihr biegsamer Teil kann in jede Richtung gebogen werden. Allerdings ist die Dämpfung in solchen Hohlleitern höher als in festen Abschnitten. Abbildung 19: Flexibler Hohlleiter 3.5.4 Drehbare Verbindung Für eine drehbare Verbindung eignet sich besonders ein runder Hohlleiterabschnitt. Die im Bild gezeigte drehbare Verbindung ist die gebräuchlichste Variante. Bewegter Abschnitt Der eigentliche Übergang vom stationären Abschnitt zum bewegten Abschnitt ist wiederum eine Drosselverbindung Stationärer Abschnitt Abbildung 20: drehbare Verbindung Der runde Hohlleiterabschnitt ist so bemessen, dass er die elektromagnetischen Wellen als H0,1 Welle überträgt. Die rechteckigen Hohlleiteranschlüsse sind so angebracht, dass sie den kreisförmigen Hohlleiter daran hindern, im falschen Modus zu arbeiten. Die Länge der Resonanzstücke ist 3/4 λ, so dass eine hohe Impedanz für unerwünschte Modi erreicht wird. Otto LIEBMINGER Seite 13 von 27 Hohlleiter In Fällen, in denen die Energie von einem feststehenden zu einem rotierenden Teil der Anlage (z.B. zur Antenne) übertragen werden soll, verwendet man entweder runde Hohlleiter, oder einen kurzen koaxialen Abschnitt im Hohlleitersystem, der im Zentrum einer drehbaren Abbildung 21: rotierende Verbindung Verbindung steht. Mittels einer Sonde wird die HF-Energie vom Hohlleiter in den Koaxialabschnitt einoder ausgekoppelt. 3.6 Hohlleiterabschlüsse Soll die im Hohlleiter transportierte Energie am Hohlleiterende nicht in den freien Raum abgestrahlt werden, so muss der Hohlleiter mit einem als Wirkwiderstand arbeitenden Bauelement belastet werden (Dummy-Load). Das Hohlleiterstück ist mehrere Wellenlängen lang und mit grafitüberzogenem Sand gefüllt. Treten die Felder in den Sand ein, so fließen Ströme und die Energie wird in Wärme umgewandelt. Um diese Wärme abzuführen, muss der Hohlleiterabschluss gut gekühlt Abbildung 22: Querschnitt eines Hohlleiterabschlusses werden. Otto LIEBMINGER Seite 14 von 27 Hohlleiter 3.7 Absorber Häufig ist es notwendig, die HF-Energie im Hohlleiter abzuschwächen. So lässt sich z.B. bei Messungen eine definierte Dämpfung festlegen. Dabei darf dies jedoch keinerlei Reflexionen hervorrufen Wird parallel zum H-Feld eine sehr dünne, aus leitendem Material (z.B. kohlehaltiges Pertinax) bestehende Folie eingebracht, erfolgt eine geringe Beeinflussung des H-Feldes. Verstärkt man das Material in seiner Schicht, so erfolgt eine teilweise Absorption des H-Feldes. Abbildung 23: Absorber Die Beeinflussung der Energie ist von der Dicke der Kohleschicht und von der Länge der Platte abhängig. (Sie bestimmt die Dauer der Einwirkung auf dem Übertragungsweg.) Aus Anpassungsgründen für beide Richtungen ist die beschichtete Platte keilförmig zugeschnitten, damit ein stetiger Übergang entsteht. Bei einem stetig regelbaren Absorber (engl.: attenuator) wird die beschichtete Platte durch eine Mechanik gedreht und beeinflusst das H-Feld somit unterschiedlich. Abbildung 24: regelbarer Absorber 3.8 Verzweigungsschaltungen 3.8.1 H- oder Parallelverzweigung Oft wird die durch einen Hohlleiter transportierte Energie nicht nur an einem Verbraucher benötigt, sondern an mehreren Endgeräten. Dazu verwendet man sogenannte Hohlleiterverzweigungen. Otto LIEBMINGER Seite 15 von 27 Hohlleiter Zuerst wird der Aufbau (Abbildung 25) betrachtet. Diese Verzweigung wird H- oder Parallelverzweigung genannt. Das H-Feld erreicht die Verzweigung und teilt sich auf beide Zweige in Verhältnis der Endbelastung auf. Die E-Feldlinien wandern phasengleich in beide Richtungen. E- Feld phasengleich Abbildung 25: H-Verzweigung H- Feld Ersatzschaltbild 3.8.2 E- oder Serienverzweigung In der E- oder Serienverzweigung teilt sich der Energiefluss in beide Richtungen mit 180° Phasenunterschied auf. Das Ersatzschaltbild macht deutlich, dass diese Verzweigungsart zu gleichem Strom, aber unterschiedlichen Spannungen an den Verzweigungen führt. Abbildung 26: E-Verzweigung 3.8.3 Magic - T Die Kombination aus Serien- und Parallelverzweigung nennt man Magic –T (Hybrid - T). Wird mit Hilfe der Kompensationsschrauben die Anpassung erreicht, so kann keine Energie vom H-Eingang in den E-Eingang gelangen und umgekehrt. Die Ausgänge B und C jedoch beinhalten die Summe aus beiden Eingängen. Dieser Schaltungsbaustein wird zur Frequenzmischung und für Messzwecke verwendet. Otto LIEBMINGER Seite 16 von 27 Hohlleiter Abbildung 27: Magic-T Verzweigungen 3.9 Messungen am Hohlleiter Messungen am Hohlleiter können mit einer in der Abbildung 28 als Schnittmodell gezeigten Einrichtung vorgenommen werden. Der die Energie übertragende Hohlleiter, hat im zu messenden Bereich einen schmalen Schlitz in der Mitte der breiteren Wand. Dieser Schlitz beeinflusst die Felder im Hohlleiter nicht. Über eine durch den Schlitz zugeführte Sonde hat man Zugang zu dem in der Mitte des Hohlleiters besonders starken E-Feld. Dieses induziert in der Sonde eine Spannung. Die Sonde ist auf einem Gleitschlitten montiert und überträgt die aufgenommene Energie über einen kurzen Hohlleiter zu einer HF-Diode. Hier wird sie gleichgerichtet und kann dann einem Messgerät zugeführt werden, welches die Stärke des E-Feldes anzeigt. Abbildung 28: Schnittmodell f. Messungen Otto LIEBMINGER Seite 17 von 27 Hohlleiter Auf diese Weise kann sowohl das Stehwellenverhältnis als auch die Wellenlänge gemessen werden. Messmethoden: Der Messschlitten wird von A nach B bewegt. Das Messinstrument zeigt nacheinander Umax, Umin und wieder Umax an. Aus dem Verhältnis Umax : Umin wird das Stehwellenverhältnis berechnet. Auf der Messstrecke ist eine genaue Skala angebracht. Mit den Werten dieser Skala und den Maximal- bzw. Minimalwerten der Feldstärke kann die Wellenlänge abgelesen bzw. berechnet werden. 3.10 Richtkoppler Zwei benachbarte Hohlleiter, die durch Schlitze gekoppelt sind, können sich gegenseitig erregen. Dabei geschieht die Einkopplung der fortlaufenden Welle derart, dass nur der Teil der Wellen die Erregung bewirkt, der in eine bestimmte Richtung fließt. Die in die „falsche” Abbildung 29: Prinzip vom Richtkoppler Richtung fließenden Wellen sind durch konstruktive Maßnahmen gegenphasig und löschen sich im Messhohlleiter aus. Das ist für Messzwecke durchaus erwünscht. Durch die im Bild gezeigte Anordnung von zwei Richtkopplern kann nicht nur Leistung und Reflexionsfaktor gemessen werden. Durch den Vergleich der Phasenlage zwischen den Messpunkten kann auch eine Aussage über die Impedanz des gesamten Hohlleitersystems getroffen werden. 3.11 Hornstrahler Selbstverständlich kann man einen Hohlleiter an einem Ende einfach offen lassen, um die elektromagnetische Welle in den freien Raum abstrahlen zu lassen. Da aber der Wellenwiderstand der Luft einen anderen Wert hat, als der Hohlleiter, werden an dieser Stelle durch die Fehlanpassung schädliche Reflexionen auftreten. Deshalb werden die mechanischen Abmessungen des Hohlleiters an der Stelle des gewünschten Austritts der Elektromagnetischen Welle ausgedehnt, um einen besseren Übergang zu erreichen. Diese Konstruktion nennt man Hornstrahler. Hornstrahler haben eine gute Richtcharakteristik, die von der konstruktiven Gestaltung abhängen. Je länger die geometrischen Abmessungen des Hornstrahlers sind, desto bessere Richtcharakteristik und folglich ein höherer Gewinn sind erreichbar. Otto LIEBMINGER Seite 18 von 27 Hohlleiter Abbildung 30: Hornstrahler Die Öffnung des Hornstrahlers ist mit einem dielektrischen Material (z.B. Schaumpolystyrol) verschlossen. Wenn in dem Hohlleitersystem ein Überdruck aufgebaut wird, werden als Dichtmittel keramische Werkstoffe oder Quarzglas verwendet. 3.12 Runde und elliptische Hohlleiter Heutzutage werden Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt eher für langwelligere Anwendungen im UHF-Bereich angewendet. In höheren Frequenzbereichen werden sie oft nur noch für kurze Verbindungen eingesetzt. Runde Hohlleiter sind in höheren Frequenzbereichen günstiger, eine Verarbeitung ist aber dafür komplizierter.Im Folgenden werden elliptische Hohlleiter beschrieben. Mathematisch lassen sich runde Hohlleiter wie elliptische berechnen, wenn die Seiten a=b gesetzt werden. Die Errechnung der Grenzwellenlänge ist sehr kompliziert. Aber als visuelle Faustregel kann festgestellt werden, dass elliptische Hohlleiter in ihren Ausmaßen fast doppelt so groß wie elektrisch gleichwertige rechteckige Typen sind. Entscheidender Vorteil eines flexiblen elliptischen Hohlleiters ist, dass größere Längen davon in Rollen oder auf Kabeltrommeln transportierbar sind. Elliptische Hohlleiter lassen dabei kleinere Biegeradien zu, als rein runde Hohlleiter Abbildung 31: E-Feld im elliptischen Hohlleiter Otto LIEBMINGER Abbildung 32: Zweiseitenansicht eines elliptischen flexiblen Hohlleiters Seite 19 von 27 Hohlleiter 3.12.1 Grenzfrequenz elliptischer Hohlleiter Die Grenzwellenlängen für die verschiedenen Ausbreitungsmodi in einem elliptischen Hohlleiter können durch die parametrischen Nullstellen einer modifizierten „Mathieu'schen Funktion” (erste Ableitung) und deren Differentialquotienten für die H-Wellen, dargestellt werden. In einem elliptischen Hohlleiter können cosinus-elliptische HCm,n- als auch sinus-elliptische HSm,n-Wellen auftreten. Für die Grundwelle (HC11) errechnet sich die Grenzwellenlänge des Hohlleiters nach der Formel: In dieser Gleichung bedeutet der Ausdruck die Exzentrizität e des elliptischen Hohlleiters und QC11 ist die 1. Nullstelle der modifizierten (cosinus) „Mathieu'schen Funktion” erster Ordnung und erster Ableitung. allgemeiner Hinweis zu Hmn-Wellen: „m” gibt die Anzahl der Feldstärke-Maxima auf der breiten Seite und „n” auf der schmalen Seite an. Eine H21-Welle hat folglich zwei Feldstärke-Maxima auf der breiten und eines auf der schmalen Seite. 3.13 Filter im Hohlleitersystem Filter in einem Hohlleitersystem bestehen im Prinzip aus zwei aufeinander folgenden Leistungsteilern (- 3db- Kopplern). Betrachten wir zunächst nur die beiden in der Abb.33 durch grüne Kreise gekennzeichneten Leistungsteiler. Diese haben (noch!) gleichlange Verbindungen untereinander und arbeiten wie eine Sende- Empfangsweiche mit 3 db/90° - Hohlleiterrichtkopplern auf dem Empfangsweg und sind relativ Frequenz unabhängig. Beide Signale haben durch die gleiche Länge der Hohlleiterabschnitte zwischen den Leistungsteilern definitiv auch die gleiche Phase. Abbildung 33: Hohleiterrichtkoppler Auf dem Sendeweg (hier: rot) teilt sich die Sendeleistung im ersten Koppler in zwei gleichgroße Teile auf. In beiden Hohlleitern zwischen den Kopplern wird also je die Otto LIEBMINGER Seite 20 von 27 Hohlleiter halbe Sendeleistung (- 3dB) transportiert (Deshalb wird oft auch der Name: - 3dB Hybrid für diese Art Leistungsteiler verwendet). Der abgezweigte Teil der Leistung erhält eine Phasenverschiebung von 90°. Im zweiten Leistungsteiler wird aber nur aus dem unteren Hohlleiterabschnitt wieder die Leistung geteilt und summiert sich phasengleich im oberen Hohlleiterabschnitt und löscht sich durch gegengesetzte Phasenlage im unteren Hohlleiterabschnitt aus. Wenn jetzt aber der eine Zweig der beiden Hohlleiterabschnitte eine Umwegleitung nach Abb.34 erhält, dann stimmen die bisher betrachteten Phasenverhältnisse nur noch, wenn die Umwegleitung ein ganzzahliges Vielfaches der übertragenen Wellelänge beträgt. Alle anderen Frequenzen und somit deren abweichenden Phasenlagen werden in der gewünschten Ausbreitungsrichtung geschwächt und bewirken, dass diese Konstruktion Filtereigenschaften erhält. Bei ungleichphasigen Signalhälften am - 3dB Koppler wird die Leistung im anderen Zweig des Abbildung 34: Filter im Hohlleitersytem Kopplers weitergeleitet und hier in einem Absorber in Wärme umgewandelt. Statt dieses Absorbers kann auch eine Weiterverarbeitung der hochfrequenten Leistung erfolgen, z.B. wenn das Filter als Frequenzweiche eingesetzt wird. 3.14 -3dB-Koppler Ein -3dB-Koppler teilt die auf einem Hohlleiter ankommende Leistung in zwei gleich große Teile auf. Dabei wird die Phase des abgezweigten Hohlleiters um 90° gedreht. In der Grafik ist diese Phasendrehung durch blaue Richtungspfeile (E-Feld) angedeutet. Diese Phasendrehung wird vielen Anwendungen (z.B.: SendeEmpfangsweiche oder Diplexer/Filter) gezielt ausgenutzt. Abbildung 35: -3dB-Koppler Um die Leitungen an die im Koppler nun andere Geometrie des Querschnittes anzupassen wird an zentraler Stelle oft eine auch von außen erkennbare kegelförmige Querschnittsänderung angebracht. Der nicht benötigte Anschluss wird durch eine Blindplatte oder durch ein Dummy (sauberere Lösung!) verschlossen. Otto LIEBMINGER Seite 21 von 27 Hohlleiter 3.15 Sende- Empfangsweiche mit 3 db/90° -Hohlleiterrichtkopplern Sende- Empfangs- Umschalter, die mit λ /4- Leitungsabschnitten arbeiten, haben wegen genau dieser Frequenzabhängigkeit (λ /4) nur eine kleine Bandbreite. (Eigentlich nur eine einzige Arbeitsfrequenz!) Aus Gründen der Störsicherheit ist solche Begrenzung ungünstig. Radargeräte, die mit mehreren, relativ weit auseinanderliegenden Frequenzen arbeiten, benötigen breitbandigere Systeme, etwa den 3 db/90° Hohlleiterrichtkoppler. Dieser Sende- Empfangs- Umschalter arbeitet nach folgendem Prinzip: Abbildung 36: Sende-Empfangsweiche Die Sendeenergie teilt sich im Schlitzkoppler auf; der Anteil, der den Schlitz passiert hat, erfährt eine Phasenverschiebung um 90°; beide Leistungsanteile bringen die TR-Röhre zum Zünden; an dieser durch Kurzschluss extremen Fehlanpassung wird die Sendeenergie reflektiert; wieder teilt sich die Energie im Schlitzkoppler auf; der Anteil, der den Schlitz passiert, erfährt eine nochmalige Phasenverschiebung um 90°; beide Anteile in Richtung Sender haben nun einen Phasenunterschied von 180° und heben sich nahezu auf; beide Anteile in Richtung Antenne sind gleichphasig und summieren sich wieder zur vollen Leistung. Im Empfangsfall sind die Gasentladungsstrecken erloschen und die Empfangsenergie kann zum Empfänger geleitet werden. Nach dem Passieren der zwei Schlitzkoppler mit anschließender Summation wird die Empfangsenergie rein rechnerisch mindestens um den Anteil bedämpft, der im Abschlußwiderstand landet (1,5 dB). Otto LIEBMINGER Seite 22 von 27 Hohlleiter 3.16 Diplexer Mehrfrequenzradargeräte mit mehreren Hochleistungsoszillatoren als Sender (POTPower-Oszillator-Transmitter) benötigen zur effektiven Arbeit einen Diplexer. Der Diplexer ist eine Frequenzweiche und hat die Aufgabe, zwei Kanäle unterschiedlicher Frequenz (also zwei Sender und zwei Empfänger) so zu entkoppeln, dass diese an einer Antenne betrieben werden können. Die Sendeenergie eines jeden Senders muss zur Antenne geleitet werden und die jeweiligen Echosignale an die dazugehörigen Empfänger verteilt werden. Dabei sollen die Signale im Durchgang möglichst gering bedämpft werden und die Entkopplung zwischen beiden Kanälen sollte möglichst groß sein. Besondere Vorteile eines Diplexers aus Hohlleiterabschnitten sind einmal die hohe Leistungsfestigkeit und zum anderen ist auch ein einfacher Frequenzwechsel durch Veränderung der Längen der Umwegleitungen möglich Der Diplexer besteht im Wesentlichen aus zwei -3 dB- Kopplern und zwei verschieden langen Leitungen aus Hohlleiterstücken. Die Wegdifferenz beider Leitungen Δl = lA- lB muss so gewählt werden, dass für beide Frequenzen eine optimale Leistungsanpassung entsteht. In der Praxis werden diese Umwegleitungen Abbildung 37: Diplexer in einer ASR-910 mit einem sehr großen Vielfachen der Wellenlänge dimensioniert, da sich auch kleinere Phasendifferenzen dann vervielfachen und das Filter dadurch eine schmalere Durchlasskurve erhält. Leider wird dadurch der Diplexer aber auch für mehrere andere Frequenzen durchlässig, die, wenn sie im Spektrum der Senderöhre auftreten können, dann durch zusätzliche Filter unterdrückt werden müssen. Ein weiterer Grund für die Nutzung einer mehrfachen Wellenlänge ist, dass dadurch der installierte Frequenzabstand zwischen A- und B- Frequenz verringert wird. Dieser Frequenzabstand ist dann konstruktiv vorgegeben und lässt sich dann auch nicht mehr durch ein Abstimmen optimieren. Otto LIEBMINGER Abbildung 38: Prinzip eines Diplexers Seite 23 von 27 Hohlleiter 3.16.1 Abstimmung des Diplexers Ein Diplexer arbeitet dann am effektivsten, wenn die abstimmbare Umwegleitung folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt: 1. die Phasenverschiebung für die A-Frequenz muss 0° betragen; 2. die Phasenverschiebung für die B-Frequenz muss 180° betragen. Die Werte in der nebenstehenden Grafik sind mathematisch dadurch vorgegeben, dass die gleiche Hohlleiterlänge für die eine Frequenz ein gerades ganzzahliges Vielfache und für die zweiten Frequenz ein ungeradzahliges Vielfache von der halben Wellenlänge haben muss: fB = fA• (19 + 0,5) / 19 Zwingt man die Radarstation dann trotzdem auf einen anderen Frequenzabstand, so sind hohe Verluste im Diplexer sowohl auf dem Sende- als auch auf dem Empfangsweg zu erwarten. Abbildung 39: Frequenzdiagramm eines gegebenen Diplexers Das heißt, nur bei einer Länge der Umwegleitung von genau dem 19-fachen der Wellenlänge des A-Senders und der Arbeitsfrequenz des A-Senders von genau 2736 MHz erfüllt der Diplexer den geforderten Frequenzabstand von 72 MHz. Bei allen anderen Frequenzen arbeitet dieser Diplexer mehr oder weniger uneffektiv. Da die Sendeleistung aber erst nach dem Diplexer gemessen wird und zwei bis drei Dezibel Dämpfung im Diplexer schon durch eine Erhöhung des Magnetronstromes kompensiert werden können, fällt diese Uneffektivität meist nicht auf. Otto LIEBMINGER Seite 24 von 27 Hohlleiter Diese Dämpfung tritt aber genauso auch auf dem Empfangsweg auf! Und wenn vom Echosignal nur die Hälfte am Empfänger ankommt, wird sich die Besatzung nur wundern, dass der B-Sender aus unerklärlichen Gründen keine Reichweite erzielt. Abhilfe würde hier nur durch eine Zuweisung von Arbeitsfrequenzen geschaffen werden können, die der Diplexercharakteristik angepasst sind. Das heißt im unteren Frequenzband ein geringerer, im oberen Frequenzband ein größerer Frequenzabstand als 72 MHz. Der Hersteller trägt diesem Fakt schon dadurch Rechnung, dass in der Vorschrift zulässige Toleranzen von bis zu zwei Megahertz genannt werden. Aber die deutsche Gründlichkeit versaut dass wieder, wenn immer ein möglichst genauer (und vor allem: ein angeblich konstanter!) Frequenzabstand von 72 MHz gefordert und so auch eingestellt wird. 3.17 Hohlleiter mit abstimmbarer Länge Sicherlich könnte man sich schon vorstellen, dass man einen Hohlleiter baut, der teleskopartig in der Länge verlängert werden kann. Aber die Stoßstellen zwischen den beweglichen Hohlleiterabschnitten müssen sehr gut elektrisch leitend sein und dürfen aber trotzdem keine Veränderung in der Querschnittsgeometrie aufweisen. Da dies nur im Idealfall möglich ist, werden solche Hohlleiterverbindungen praktisch immer Reflexionen verursachen. Deshalb wird (ähnlich wie bei der SendeEmpfangsweiche mit 3 db/90° - Hohlleiterrichtkopplern aber diesmal auf dem Sendeweg) lieber ein Abbildung 39: Hohlleiter mit Kurzschlussschieber eingesetzt, dessen elektrischer abstimmbarer Länge Kontakt mit der Hohlleiterwand besser beherrschbar ist. In die Berechnung der Länge der Umwegleitung muss aber die Phasendrehung von 180° bei der Reflexion am Kurzschlussschieber mit eingehen! Otto LIEBMINGER Seite 25 von 27 Hohlleiter 4 Anwendungsgebiete 4.1 Parabolantennen Die Parabolantenne stellt von den in der Radartechnik eingesetzten Antennentypen die am häufigsten angewendete Form dar. In der Abbildung ist der Aufbau einer „normalen” (symetrischen) Parabolantenne skizziert. Der Erreger (im Brennpunkt F angeordnet) leuchtet den symetrischen Reflektor aus. Im Idealfall werden aufgrund der besonderen Eigenschaft eines Parabols, die von dem Erreger (Primärstrahler) Abbildung 40: Parabolantenne ausgehenden Strahlen im Parabol (Sekundärstrahler) in eine Richtung parallel zur Parabolachse A reflektiert. Damit weisen die Strahlen bis zu einer beliebigen Ebene senkrecht zur Parabolachse keine Wegunterschiede auf Dieser Idealfall kommt in der Praxis nicht vor. Bedingt durch herstellungstechnische Unzulänglichkeiten erfolgt die Abstrahlung eher keulenförmig. Eine Parabolantenne besitzt ein weitgehend rotationssymetrisches Richtdiagramm von hohem Gewinn, hohem Vor-/ Rückverhältnis und relativ kleinen Nebenzipfeln 4.2 Stacked Beam Cosecans² - Antennen Bei einer Stacked Beam Cosecans² - Antenne wird ein Reflektor durch mehrere übereinander angebrachte Primärstrahler angestrahlt. Otto LIEBMINGER Seite 26 von 27 Hohlleiter Jeder Primärstrahler strahlt schon gerichtet ab. Verteilt man die Sendeleistung ungleichmäßig auf die einzelnen Strahler, so nähert sich die Antennencharakteristik der Cosecans²- Charakteristik. Abbildung 41: Stacked Beam Cosecans²- Antennendiagramm Bei Verwendung mehrerer Empfangskanäle kann auch eine Höhenzuordnung erfolgen, da nun einzelne Flugziele einzelnen Beams zugeordnet werden können Abbildung 42: Strahleranordnung bei der P-40 („Long Track”) 5 Literaturverzeichnis //db0fhn.efi.fh-nuernberg.de //www.ihf.uni-stuttgart.de //wwwex.physik.uni-ulm.de //www.melifon.de/Hohlleiter //www.itnu.de/radargrundlagen/leitungen //infos.aus-germanien.de/Hohlleiter //www.hf.ruhr-uni-bochum.de Buch: Lineare Elemente der Höchstfrequenztechnik/ Autor: Werner Bächtold Unterlagen HF-Technik von Dr. Langhans Otto LIEBMINGER Seite 27 von 27
