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Einführung in die Technik der Mikrowellen mit Beschreibung eines Transceivers für 10 GHz
Ein Vortrag, den Dr. Dain Evans, G3RPE, auf der Münchner VHF-UHF-Tagung 1976 in München gehalten hat, regte eine Reihe von Amateuren aus dem Süddeutschen Raum dazu an, eigene Versuche auf 10 GHz zu machen. Die Technik des Mikrowellenbereiches ist einerseits außerordentlich interessant, andererseits recht einfach zu handhaben; schwierige Klempnerarbeiten fallen nicht oder nur sehr selten an. Wie G3RPE sagte: "Eine Ständerbohrmaschine genügt"! Wir wollen daher versuchen, nach einer allgemeinen Einführung in die Technik der Hohlleiter eine nachbaubare Beschreibung unseres 10-GHz-Transceivers vorzustellen, um noch mehr Amateure zum Arbeiten in diesem Amateurband (10,0 bis 10,5 GHz 3 cm) anzuregen.
1. Allgemeine Grundlagen
1.1. Hohlleiter
Im Frequenzbereicji von 10 GHz kommen zur Fortleitung der Energie praktisch nur Hohlleiter in Frage, da koaxiale Leitungen sehr hohe Dämpfungen haben und Schwierigkeiten durch Wellentyp-Umwandlungen machen können. Für den Amateur kommen aus verschiedenen Gründen nur rechteckige Hohlleiter vom Typ WR90(1) in Frage. Die Funktion eines Hohlleiters kann man sich einfach folgendermaßen erklären:
Ein Hohlleiter besteht aus einem rechteckigen (möglicherweise auch runden, elliptischen oder sonstwie gestalteten) Rohr mit metallischen, also leitfähigen Wänden. Bild 1 zeigt einen rechteckigen Hohlleiter mit den wichtigen Abmessungen. Um festzustellen, was in einem Hohlleiter vorgeht, bringt man versuchsweise einen metallischen Stift oder eine kleine Metallkugel in die Mitte der Hohlleiteröffnung und legt daran eine Gleichspannung, deren Gegenpol an der Hohlleiterwand liegt (Bild 2). Im Hohlleiter entstehen nun elektrische Feldlinien, die aus physikalischen Gründen immer senkrecht von einer Fläche ausgehen und senkrecht auf einer anderen Fläche auftreffen müssen. Längs einer solchen Feldlinie nimmt die Spannung stetig ab, bis sie an der Hohlleiterwand Null wird. In Richtung der Hohlleiterachse wird die elektrische Feldstärke ebenfalls schwächer und schwächer, die Linien gleichen Potentials (oder gleicher Spannung, die sogenannten Äquipotentiallinien) in Bild 2 zeigen dies deutlich. Legt man nun statt der Gleichspannung eine Wechselspannung zwischen Kugel und Hohlleiterwand an, so wird sich das elektrische Feld im Rhythmus der Frequenz ändern. Dabei entstehen nach dem Durchflutungsgesetz magnetische Feldlinien, die so verlaufen, wie es in Bild 3 gezeigt ist.
Bild 1: Rechteck-Hohlleiter
Bild 2: Elektrische Feldlinien im Hohlleiter bei angelegter Gleichspannung
Bild 3: Elektrische und magnetische Felder im Hohlleiter bei angelegter Wechselspannung
Da die so entstandenen Magnetfelder sich natürlich ebenfalls zeitlich ändern, entstehen nach dem Induktionsgesetz neue, zusätzliche elektrische Feldlinien, die dazu führen, daß sich das elektrische Feld in der Hohlleiterachse konzentriert und sich damit weiter in den Hohlleiter hinein erstrecken kann. Vergleicht man Bild 2 und Bild 3 miteinander, so kann man dies deutlich sehen. Steigert man die Frequenz, so wird der Effekt immer stärker, das Feld erstreckt sich immer weiter in den Hohlleiter hinein - aber immer noch als quasistationäres Feld, das nur Blindleistung umsetzt und keine Energie transportieren kann. Erhöht man die Frequenz immer weiter, so erreicht-man schließlich einen Punkt, bei dem sich das Feld bis ins Unendliche erstrecken würde; den zu diesem Punkt gehörenden Wert der Frequenz nennt man die Grenzfrequenz des Hohlleiters. Eine geringfügig weitere Frequenzerhöhung führt dann dazu, daß sich das Feld von der anregenden Kugel ablöst, jetzt als Welle den Hohlleiter entlangläuft und Energie transportieren kann. Jeder denkbare Hohlleiter hat eine solche (untere) Grenzfrequenz, die von seiner Gestalt und seinen Abmessungen abhängt und unterhalb derer er keine Welle transportieren kann; man kann also sagen, daß ein Hohlleiter so etwas ähnliches wie Hochpaßverhalten hat.
Da es sehr viele Hohlleiterformen gibt und noch mehr Möglichkeiten über verschieden gestaltete Einkopplungen Wellen anzuregen, und dies noch dazu bei beliebig vielen Betriebsfrequenzen, gibt es in der Praxis auch beliebig viele Wellenformen im Hohlleiter. Um eindeutige Betriebszustände zu erhalten, ist es daher notwendig für jeden Frequenzbereich einen passenden Hohlleiter zu verwenden. In der Amateurtechnik ist dies ein rechteckiger Hohlleiter, der mit der Wellenform H10 (gesprochen: H-eins-null) betrieben wird. Dies ist eine sehr stabile Wellenform, deren Aussehen in Bild 4 gezeigt ist. Die elektrischen Feldlinien laufen hier von einer Breitseite der Hohlleiterwand zur gegenüberliegenden, während die magnetischen Feldlinien in sich geschlossene Kurven parallel zu den Hohlleiterbreitseiten sind. Die Grenzwellenlänge liegt hier bei λ = 2a. Im Bereich von λ = 2a bis etwa λ = a ist die H10 Welle die einzige Wellenform, die in diesem Hohlleiter existieren kann. Damit erhält man auch eindeutige Betriebszustände.
Bild 4: Felder der H10-Welle im Rechteck-Hohlleiter
Macht man a > λ, so kann sich die H10-Welle an irgend einer Störung im Hohlleiterzug (schlechter Flansch, Filter, Auskopplung etc.) in eine andere Wellenform umwandeln, wodurch die Funktion der ganzen Anlage gestört wird. Die H10-Welle im Hohlleiter hat eine Wellenlänge von
Sie ist also größer als die Wellenlänge in Luft. Der Wellenwiderstand eines Hohlleiters ist frequenz- und wellenformabhängig; für die H10-Welle beträgt er:
Da im Hohlleiter Wandströme fließen (siehe Bild 4), soll der Hohlleiter aus gut leitendem, möglichst glatten Material bestehen. Einzelne Hohlleiterelemente werden durch Flansche miteinander verbunden, die stets sauber und glatt gehalten werden müssen, da sonst sofort beträchtliche Verluste entstehen. Ein Verkanten beim Montieren muß aus dem gleichen Grund vermieden werden. Bild 5 zeigt solche Flansche, und Bild 6 ihre Normabmessungen für das 10-GHz-Band.
Bild 5: Verschiedene Hohlleiter mit Flansch
Bild 6: Normflansch für rechteckige 10-GHz-Hohlleiter
Richtungsänderungen im Hohlleiterzug dürfen nie abrupt erfolgen, dies würde zu starken Reflexionen führen. Üblich sind daher gebogene Krümmer oder doppelt geknickte - sogenannte kompensierte - Winkel. Dabei muß immer die glatte Innenwand erhalten bleiben, das heißt es dürfen innen keine Lötwülste oder Spalten entstehen. Bild 7 zeigt einige Winkelstücke.
Bild 7: Krümmer und Winkel
Das Anregen einer Welle geschieht sehr einfach dadurch, daß man eine Komponente des Feldes - also entweder die elektrische auf kapazitivem Wege oder die magnetische auf induktivem Wege - anregt. Bild 8 zeigt solche Übergänge. Der Vorgang kann umgekehrt werden, man kann also auf die selbe Art die Energie wieder aus dem Hohlleiter auskoppeln.
Bild 8: Hohlleiter-KoaxialÜbergänge zur Anregung der H10-Welle
Da sich die Welle nach beiden Seiten im Hohlleiter ausbreitet, muß auf einer Seite ein Kurzschluß angebracht werden. Dieser muß sich λH/4 von der Anregungsstelle befinden, damit die am Kurzschluß reflektierte Welle phasenrichtig zum Anregungspunkt zurückkommt. Dies ist zur optimalen Leistungs-Ein- beziehungsweise -Auskopplung sehr wichtig und ein etwas kritischer Punkt. Häufig wird zur exakten Anpassung der Abschluß als verschiebbarer Kurzschlußkolben ausgeführt. Die Anregungsstelle selbst soll eine möglichst reflexionsfreie Anpassung zum Beispiel auf den Wellenwiderstand des Koaxialkabels darstellen. Durch Verändern der Dicke des anregenden Drahtes oder des Durchmessers und der Eintauchtiefe der kapazitiven Platte läßt sich Anpassung herstellen, eventuell auch durch Überschieben eines Röhrchens aus verlustarmem Kunststoff.
1.3. Hornstrahler
Schließlich noch ein Wort über den Übergang vom Hohlleiter in den freien Raum, also über Antennen. Da der Wellenwiderstand des Hohlleiters und der des freien Raumes nicht übereinstimmen, würde man starke Reflexionen bekommen, wenn man den Hohlleiter einfach offen enden lassen würde. Deswegen schäfft man einen langsamen Übergang durch Aufweiten der Hohlleiterwände - dies führt automatisch zum Hornstrahler. Je langsamer man aufweitet und je länger die Aufweitstrecke ist, desto störungsfreier ist der Übergang der Welle in den freien Raum und desto höher ist der Gewinn. Bild 9 zeigt verschiedene Hornstrahler und aus Tabelle 1 kann man praktische Abmessungen für Hornstrahler nach Bild 10 entnehmen.
Bild 9: Verschiedene Hornstrahler-Typen
Bild 10: Hornstrahler
| Hornlänge L cm | Seitenlänge A cm | Seitenlänge B cm | Gewinn dB |
|---|---|---|---|
| 2,62 | 6,82 | 5,05 | 14 |
| 3,65 | 7,65 | 5,67 | 15 |
| 4,98 | 8,58 | 6,36 | 16 |
| 6,67 | 9,63 | 7,13 | 17 |
| 8,85 | 10,81 | 8,00 | 18 |
| 11,62 | 12,12 | 8,98 | 19 |
| 15,16 | 13,60 | 10,08 | 20 |
| 19,66 | 15,26 | 11,31 | 21 |
| 25,37 | 17,13 | 12,69 | 22 |
| 32,62 | 19,22 | 14,43 | 23 |
| 41,81 | 21,56 | 15,97 | 24 |
| 53,45 | 24,19 | 17,92 | 25 |
1.4. Literatur zu Teil 1
- Lentz, R.: Bezeichnung der Mikrowellen-Bänder und -Hohlleiter, UKW-Berichte 16 (1976) Heft 2, Seite 118
- Meinke, H. und Gundlach, F.W.: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer-Verlag Berlin 1968
DC5CX, B. Heubusch, DC0MT, Dr. Ing. A. Hock und DC5CY, H. Knauf.
Hinweise - Verbesserungen - Änderungen
Die vom Verlag gelieferten Gunn-Elemente des Typs DGB-6844 A haben die Anode am Kühlkörper (Flansch). Diese Seite muß mit dem Minuspol der Spannungsversorgung verbunden werden. Wenn der Modulator über einen Transformator gekoppelt ist wie bei DC 0 MT, ist es kein Problem diese oder anders herum gepolte Gunn-Elemente zu verwenden.
DL3WR.
Messing-Profilrohr vierkant, nahtlos, scharfkantig, in den genauen WR 90-Abmessungen (12,7 x 25,4 x 1,27 Wanddicke) ist erhältlich bei: Fa. Max Cochius GmbH, Postfach 190 480, 6000 Frankfurt. 50 cm Zuschnitt kosteten im Januar 1977: DM 11,85 + MWSt.
DK1IS
Hohlleiter roh und im Endzustand sind erhältlich bei:
Fa. Roßmann (Herr Seidel), 011enhauerstraße 97, 1 Berlin 52, Telefon (030) 412 3021
DC7EP.