190065. lajstromszámú szabadalom • Módustranszformátor nagy frekvenciás elektromágneses terekhez
3 190065 4 A találmány tárgya módustranszformátor nagyfrekvenciás elektromágneses terekhez, a vezetett nagyfrakvenciás elektromágneses tér, előnyösen antennában és sugárzásgátló szerkezetben, például fojtóban végződő, lassitóvonalas például helix típusú tápvonalrendszeren kialakuló tér terjedési módjának transzverzális elektromos és mágneses módra (TEM) és fordítva való átalakítására, például haladóhullámúcsöves erősítő nagyfrekvenciás jelének hozzá- illetve elvezetésére, vagy más alkalmazási területen hasonló feladat megoldására. A nagyfrekvenciás, különösen a mikrohullámú technikai eszközök esetében az elektromágneses energia többféle módon, azaz különböző módusokban képes terjedni. A gyakorlatban fontos esetekben azonban általában csak egy, legfeljebb néhány terjedési mód jöhet szóba, mint pl. a koaxiális kábelen, vagy .kétvezetékes' rendszereken kialakuló tranzverzális elektromos és mágneses, ún. TEM módus, négyszögletes csőtápvonalon terjedő speciális transzverzális elektromos, az ún. TEio módus, stb. Vezetett hullámokat hasznosító eszközök esetében, amelyekben az elektromágneses energia terjedésének irányát és módját alkalmasan megválasztott fém-dielektrikum struktúrák hozzák létre, gyakran van szükség arra, hogy a hullám terjedési módja(i)t előírt célnak éB szükségszerűségnek megfelelően alakítsuk ki. Amennyiben a felhasználási cél egymást követően, különböző hullámvezető struktúrában különféle hullámterjedési módot ir elő, elkerülhetetlen, hogy a különböző módusok váltásához, ill. kialakításához megfelelő, a kívánt módust gerjesztő módustranszformátort alkalmazzuk. Ilyen feladat áll elő pl. abban a relatíve egyszerű esetben, amikor a koaxiális tápvonalon kialakuló, jellegzetes TEM hullámformában terjedő elektromágneses energiát négyszögletes hullámvezetőben TEio módusú hullámalakban kívánjuk továbbvezetni. Ekkor a kétféle tápvonal (koaxiális tápvonal, illetve négyszögletes hullámvezető) közé megfelelően méretezett, ún. koaxiális-hullámvezető átmenetet, azaz koaxiális-hullámvezetős módustranszformátort kell beiktatni, amely az egyik módus konfigurációból a másikat előállítja. (TEM-ből TEio-át és viszont.) Általában elmondható, hogy egyazon módustranszformálási célra több, egymással többé-kevésbé equivalens módustranszformátor kivitel tervezhető. Komplex és speciális módustranszformálási feladat lép fel a helix típusú lassítóvonalak hullámterjedési módusának gerjesztésekor. A helix típusú lassitóvonal többek között az ún. helix típusú haladóhullámú (továbbiakban hh) cső igen fontos részegysége. A haladóhullámú csöves erősítők nagyfrekvenciás, főleg mikrohullámú jelek erősítésére szolgálnak. Az erősítés a hh csőben egy kölcsönhatási folyamat eredményeként jön létre. Az energetikai kölcsönhatás a csőbe bevezetett mikrohullámú jel és a csőben kialakított hosszú elektronnyaláb között keletkezik, melynek eredményeként az elektronnyaláb egyenáramú energiájának csökkenése árán a cső nagyfrekvenciás kimenetén a bemenetre betápláltnál nagyobb kimenő teljesítményt nyerhetünk. Az energetikai kölcsönhatás létrehozásához a csőben terjedő nagyfrekvenciás tér haladási sebessége és a térrel csatolásban levő elektronnyaláb elektronja’nak haladási sebessége egyirányú és közel azonos kell, hogy legyen. Ismeretes, hogy dielektrikummal nem terhelt több vezetékes rendszereken, vagy szabad térben az elektromágneses energia fénysebességgel terjed. Amennyiben az elektronok felgyorsításához nem kívánunk extra nagy gyorsító feszültségeket alkalmazni, a gyakorlatban elérhető elektronsebességek a fénysebesség 1/10-1/10-e között lehetnek (néhány száz, illetőleg néhány ezer volt gyorsító feszültség mellett). Ez azt jelenti, hogy a fenti kölcsönhatási feltétel megteremtéséhez a felerősítésre szánt nagyfrekvenciás jel csőtengely menti terjedési sebességét az eredetinek tört részére kell lecsökkenteni. Erre a célra a hh csőben egy speciális hullámvezető tápvonal, a lassitóvonal szolgál, amely az esetek jelentős részében spirál (helikus) kiképzésű, s amelyet valamilyen alkalmas kialakítású dielektronos kitámasztó rendszer merevít. A lassítóvonal középvonala mentén a nagyfrekvenciás jel energetikai kölcsönhatásba lép az elektronnyalábbal, amelyet egy speciális elektronágyú állít elő, a kölcsönhatásból kilépő elektronokat pedig egy ún. kollektor elektróda gyűjti össze. A cső egyenáramú működtetéséhez megfelelő tápegység, az elektronnyaláb együtt tartásához előirt tengelymenti mágnestér, a cső begerjedésének (önoszcillációjának) meggátlására a lassítóvonal be- és kimeneti szakasza közé kis mikrohullámú reflexiójú csillapító réteg bevitele szükséges. A hh csőhöz történő nagyfrekvenciás jel hozzá- és elvezetést szinte minden gyakorlati esetben vagy valamilyen koaxiális csatlakozó (amelyen a nagyfrekvenciás energia transzverzális elektromos és mágneses módban terjed), vagy megfelelő méretű négyszögletes csőtápvonal (transzverzális elektromos módusú jelterjedéssel) képezi. Az erősítést lényegileg befolyásoló helix laEsitóvonalon az elektromágneses jel .kévé rt* transzverzális elektromos és transzverzális mágneses módban terjed. Ily módon a ih csöves erősítő kell, hogy rendelkezzék olyan szerkezettel, amely a csatlakozó tápvona ban kialakított hullámterjedési módon a lel ető legtökéletesebben, minimális reflexióval alakítja ét a helix hullámformájává, más szóvá’ annak a lehető legjobb gerjesztését biztof it ja. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
