DE3238004C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenverstärker mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1. Mikro­ wellenverstärker dieser Art sind aus der US-Patentschrift 42 83 685 bekannt. Sie enthalten etwa innerhalb eines hohl­ zylindrischen Raumes umfangsmäßig verteilt in Axialrichtung verlaufende, über ebenfalls axial verlaufende Umfangsabstände getrennte Leiter als Bestandteile von Eingangs- und Aus­ gangs-Wellenleitungen zu den Verstärkerelementen der Ver­ stärkeruntereinheiten, die jeweils in sich in Umfangsrich­ tung und in Axialrichtung erstreckenden Nischen umfangs­ mäßig benachbarter Leiter untergebracht und zwischen je­ weils zwei benachbarte Leiter geschaltet sind.

Das mikrowellenabsorbierende Material hat bei den bekannten Mikrowellenverstärkern der soeben genannten Art die Gestalt von einer den Innenraum des hohlzylindrischen Teiles des Verstärkers einnehmenden mikrowellenabsorbierenden Füllung bzw. eines, das erwähnte hohlzylindrische Gebilde umgebenden mikrowellenabsorbierenden Mantels.

Nachteilig ist bei dem bekannten Mikrowellenverstärker, daß sich im Betrieb das dem Betriebsschwingungsmodus entsprechende elektrische Feld zwischen den benachbarten, umfangsmäßig beabstandeten Leitern der Anschlußwellenleitungen der Verstärkerelemente auch in das mikrowellenabsorbierende Material hineinerstreckt und dadurch der Wirkungsgrad des Verstärkers herabgesetzt wird.

Aus der US-Patentschrift 42 34 854 ist es ferner bekannt, bei einem Mikrowellenverstärker mit einer Mehrzahl von auf einem Zylindermantel angeordneten Verstärker-Untereinheiten die Leistungaufteilung auf der Eingangsseite und die Lei­ stungskombination auf der Ausgangsseite mittels sternförmig von einem gemeinsamen Zentrum ausgehender, sich radial er­ streckender Leiterelemente vorzunehmen, wobei zwischen diesen Leiterelementen mikrowellenabsorbierendes Material vorgesehen ist. Auch hier erstreckt sich das elektrische Feld entsprechend dem gewünschten Betriebsschwingungsmodus in das mikrowellenabsorbierende Material hinein und bewirkt einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der bekannten An­ ordnung.

Es sei noch erwähnt, daß es aus der US-Patentschrift 42 83 685 an sich bekannt ist, sowohl auf der Eingangs­ seite als auch auf der Ausgangsseite der Verstärker-Unter­ einheiten durch Abstufung oder Abtreppung der Leiter der zum Anschluß der parallel geschalteten Verstärkerelemente die­ nenden Wellenleitungen Impedanzanpassungstransformatoren zu bilden.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Mikrowellenverstärker mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 so auszugestalten, daß ein hoher Wirkungs­ grad bei großer Stabilität erzielt wird und bei einem Schadhaftwerden einzelner Verstärkerelemente die Einrich­ tung betriebsfähig bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die zuvor erwähnten Schwierigkeiten werden bei dem hier vor­ geschlagenen Verstärker vermieden und weitere Vorteile erreicht, indem eine zylinderförmige oder umfangsmäßig verteilt angeord­ nete Schaltung zur Leistungsaufteilung und Leistungskombination gewählt wird, bei der die Feldverteilungen und die Elektroden­ geometrie so ausgebildet sind, daß keine Felder bei Normal­ betrieb auf die zur Isolation dienenden Widerstände einwirken. Die Isolationswiderstände liegen wirkungsmäßig außerhalb der Schaltung, außer, es herrscht eine Fehlanpassung an einem oder mehreren Anschlüssen der Verstärker. In diesem Falle werden die Isolationswiderstände durch die resultierenden Felder angekoppelt und verhindern dadurch die Ausbildung eines Resonanzkreises hoher Güte, welcher zu einer Beschädigung der aktiven Elemente führen würde. Die Isolationswiderstände sind verlaufend ausgebildet, um die Reflexion von Energie der durch die Fehlanpassung erzeug­ ten Schwingungszustände zu vermindern, indem eine angepaßte Belastung zur Wirkung gebracht wird.

Die eine Leistungsaufteilung und Leistungskombination vornehmende Verstärkerschaltung vereinigt die Ausgangsleistungen von mehr als einem Festkörperverstärkerelement, wobei die einzelnen Verstärker­ elemente am Umfang eines Zylinders angeordnet sind. Der Zylin­ der hat einen Eingangsanschluß, welcher mittels einer in Sektoren unterteilten Koaxialleitung die eingegebene, zu verstärkende Energie in Parallelkanäle aufteilt. Die Energien in den einzel­ nen Kanälen werden jeweils mit einem an sich bekannten Transistor, welcher entweder ein Feldeffekttransistor oder ein Bipolartran­ sistor ist, verstärkt und nach der Verstärkung erfolgt eine Kombination vermittels einer in Sektoren unterteilten Koaxial­ leitung, derart, daß die Ausgangsleistungen der einzelnen Tran­ sistoren kombiniert an einem Ausgangsanschluß zur Verfügung stehen. Die am Umfang verteilt angeordneten Kanäle werden durch in Längsrichtung geschlitzte, zueinander koaxiale, elektrisch leitfähige Innen- und Außenzylinder gebildet. Jeder Kanal wirkt als Mikrowellenleitung, welche mit dem Eingang und dem Ausgang jedes Verstärkerelementes verbunden ist und die Mikrowellen­ energie im Normalbetrieb auf dem von der Wellenleitung gebil­ deten Längskanal weiterleitet. Der Innenleiter und der Außen­ leiter der Wellenleitung erstrecken sich in Radialrichtung und auch in Längsrichtung entlang der Zylinderanordnung und jeder Leiter hat von dem entsprechenden Nachbarleiter in Umfangsrich­ tung bestimmten Abstand, so daß sich auch Wellenleitungen in Radialrichtung ergeben, welche mit Bezug auf den Normalbetrieb unterhalb der Grenzfrequenz liegen. Im Falle eines Fehlers an einem Verstärkerelement oder an mehreren Verstärkerelementen gestattet die radial verlaufende Wellenleitung, daß sich durch den Fehler verursachte Schwingungszustände in Radialrichtung nach einwärts und nach auswärts zu mikrowellenabsorbierendem Material bzw. zu den Isolationsisolatoren hin ausbreitet, wo eine Absorption stattfindet, um eine Reflexion zurück in den Längskanal zu vermeiden, wodurch praktisch der Fehler isoliert wird und sich eine allmähliche Verschlechterung der Eigen­ schaften der Verstärkeranordnung bei Fehlern an einzelnen Ver­ stärkerelementen einstellt. Der gesamte Aufbau sieht auch von der in Sektoren unterteilten Koaxialleitung gebildete Impedanz­ anpassungselemente an den Enden der Längskanäle vor, um die Eingangsleistung vom Eingangsanschluß an den jeweiligen Beginn der einzelnen Kanäle anzukoppeln und um ferner die Ausgangs­ leistung von den Ausgängen der Längskanäle an den Ausgangs­ anschluß anzukoppeln.

Der hier vorgeschlagene Mehrfach-Verstärker kann also dazu verwendet werden, höhere Ausgangsleistungen zu erzeugen, als sie von einzelnen Schaltungselementen abnehmbar sind, wobei sich eine gemessene Verschlechterung der Betriebseigenschaften des Systems einstellt, wenn einzelne Schaltungselemente fehler­ haft werden. Ein schonender Betrieb der einzelnen Schaltungs­ elemente bewirkt eine Verlängerung der Lebensdauer des gesamten Systems.

Mikrowellenverstärker der vorliegend angegebenen Art erzielen durch die Kombination der Leistungen mehrerer Transistoren eine höhere Ausgangsleistung und stellen daher eine Alternative zu den Leistungsverstärkerröhren dar, wie sie bisher in diesem Frequenzbereich verwendet wurden. Der angegebene Mikrowellen­ verstärker besitzt geringe Baugröße und geringes Gewicht, wobei die Herstellungskosten niedrig gehalten sind. Eine Verwirklichung des angegebenen Mikrowellenverstärkers ist mit bereits erhält­ lichen Hochfrequenztransistoren begrenzter Leistung möglich. Der Mikrowellenverstärker bedingt geringe Verluste und kann in einem Frequenzband von 8 bis 20 GHz bei einer Bandbreite von mindestens 20% arbeiten. Zwischen Eingang und Ausgang wird eine hohe Iso­ lation erzielt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des in Anspruch 1 angegebenen Mikrowellenverstärkers sind Gegenstand der anliegen­ den Unteransprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. Nachfolgend wird ein Ausführungs­ beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise im Schnitt gezeichnete Darstellung eines Mikrowellenverstärkers mit mehreren Parallelkanälen,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Mikrowellen­ verstärker nach Fig. 1 entsprechend der in dieser Zeichnung angedeuteten Schnittlinie 2-2, wobei Teile in Explosionsdarstellung wiedergegeben sind,

Fig. 3 die Darsellung eines Transistors und der Transistorhalterung für jeden Kanal des Verstärkers nach Fig. 1, entsprechend der in Fig. 2 angedeuteten Blickrichtung 3-3 und

Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch den Verstärker nach Fig. 1 entsprechend der in dieser Zeichnung angedeuteten Schnittebene 4-4.

Die Verstärker-Schaltungsanordnung 10 zur umfangsmäßigen Lei­ stungsaufteilung und Leistungskombination nach den Fig. 1, 2 und 4 stellt ein neues Konzept der Leistungskombination für Tran­ sistorverstärker dar, welches die Probleme beseitigt, die sich in Verbindung mit der Betriebsdämpfung, der Bandbreite und den Iso­ lationseigenschaften ergeben, die für andere Arten von Leistungs­ kombinierern charakteristisch sind. Ein wichtiges Merkmal der hier angegebenen Schaltungsanordnung 10 zur umfangsmäßigen Lei­ stungsaufteilung und Leistungskombination ist die geometrische Konfiguration der koaxialen Transformatorabschnitte 241 und 242, welche aus Kupfer gebildete Absatzflächen 240 enthalten, um die Leitungsverluste klein zu halten und eine große Bandbreite zu erzielen. Diese zylindrische Konstruktion in Verbindung mit den äußeren Dämpfungswiderständen 14 stellt sicher, daß die Über­ lastungsprobleme und die Stabilitätsprobleme bei der aus einer Mehrzahl von Verstärkerelementen gebildeten Schaltungsanordnung nicht über das hinausgehen, was bezüglich der einzelnen Verstär­ kerelemente gilt.

Außer der Lösung der elektrischen Probleme bietet die hier vorgeschlagene Schaltungsanordnung zur Leistungskombination die Möglichkeit einer besseren Kühlung der Transistorverstärker. Bei Schaltungsanordnungen zur Leistungsaufteilung und Leistungs­ kombination ist die Grenze der Leistung im allgemeinen durch die Möglichkeit gegeben, die Temperaturen der Schaltungsanord­ nung und ihrer Schaltungselemente zu beherrschen.

Die Zeichnungen zeigen eine Version der Schaltungsanordnung 10 zur umfangsmäßigen Leistungsaufteilung und Leistungskombination, bei der zehn Parallelkanäle vorgesehen sind. Die Schaltungs­ anordnung 10 kann als aufgespaltener vierstufiger Koaxialtrans­ formator 241 im Leistungsaufteilungsabschnitt und daran an­ schließender aufgespaltener vierstufiger Koaxialtransformator 242 im Leistungskombinationsabschnitt angesehen werden. Der zylindrische Innenleiter 26 und der zylindrische koaxiale Außen­ leiter 24 sind in zehn Sektoren aufgeschnitten, so daß sich eine gewünschte Eigenschaft bezüglich der Fortleitung von Schwingungen und der Isolation ergibt. Die mittleren Abschnitte 243 und 244 sind in zehn Parallelplatten-Übertragungsleitungen 12 von 50 Ohm aufgeteilt, und haben bestimmten Abstand voneinander, wobei in den Zwischenraum Verstärker 17 von jeweils 50 Ohm eingesetzt sind. Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Ver­ stärker 17 an dem Außenleiter 24 der Übertragungsleitung 33 nach einwärts gerichtet befestigt, wodurch eine hervorragende Kühlung erreicht wird. Die Länge der vom Außenleiter der Übertragungs­ leitung 33 gebildeten Kupfer-Wärmesenke ist auf die Anpassungs­ elemente 34, 43 und auf den Transistorverstärker 17 abgestimmt. Die von dem Außenleiter der Übertragungsleitung 33 gebildete Wärmesenke, an der der Transistorverstärker 17 gehaltert ist, kann durch Lösen von Schrauben 20 und 21 ausgebaut werden und es kann dann ein anderer Leistungsverstärker im Austausch ein­ gesetzt werden, wenn einer der Verstärker schadhaft geworden ist. Zusätzlich zu den Transistorverstärkern können an dem Außenleiter der Übertragungsleitung 33 andere Transistorelemente und Impatt- Dioden befestigt und mit der Schaltungsanordnung 10 verbunden sein.

Die Beherrschung hoher Leistungen in der Schaltungsanordnung 10 mit umfangsmäßiger Leistungaufteilung und Leistungskombination ist zusammen mit den elektrischen Eigenschaften einer großen Bandbreite, geringer Verluste und hoher Isolation zu erwähnen. Die Anordnung besitzt keine einzelnen Isolationswiderstände. Vielmehr wird die Isolation durch einen inneren Belastungswider­ stand 32 und einen dazu koaxialen äußeren Belastungswiderstand 14 erreicht, die sehr hohe Leistungen aufnehmen können. Die genannten Belastungswiderstände liegen wirkungsmäßig außerhalb der Schaltung, außer, es herrscht eine Fehlanpassung an einem oder an mehreren der Transistoranschlüsse.

Eine Bauart der hier vorgeschlagenen Schaltungsanordnung mit zehn Parallelkanälen ist bereits gebaut und praktisch unter­ sucht worden. Eine größere Anzahl von Kanälen, welche hier all­ gemein mit N bezeichnet sei, läßt sich jedoch ohne weiteres ver­ wirklichen. Jedenfalls wird hierzu die Eingangskoaxialleitung in N Umfangssektoren aufgespalten. Es herrscht Kontinuität von Innenleiter und Außenleiter. Wenn jeder Verstärker bei einem Impedanzpegel gleich der Koaxialleitungsimpedanz arbeitet, so ergibt die Parallelschaltung eine Impedanz-Fehlanpassung von N : 1. Aus diesem Grunde ist es notwendig, einen breitbandigen, abgestuften oder abgeschrägten Anpassungsabschnitt vorzusehen.

Nachdem die gesamte Konstruktion zu der Achse 27 symmetrisch ist, erweist es sich als zweckmäßig, anstelle einzelner Verstärker­ verbindungen als Anschlüsse einen Satz symmetrischer Anschlüsse zu verwenden, nachdem jeder Schwingungszustand eine symmetrische Spannungsverteilung rund um die Ringanordnung bedingt. In einem solchen System wird die Streumatrix der Anordnung zur umfangs­ mäßigen Leistungsaufteilung durch eine Matrixtransformation er­ halten, welche anzeigt, daß jedwede symmetrische Wellenvertei­ lung, die in dem Leistungsaufteiler mit Ausnahme der gewünschten Welle angeregt wird, durch nicht reflektierende Dämpfungswider­ stände zu absorbieren ist (Übertragung wegen Symmetrie unmöglich). Wenn derartige angepaßte Abschlüsse vorgesehen werden, ist die Wirkungsweise der Anordnung zur Leistungsaufteilung ideal.

Die angepaßten Schaltungsanschlüsse, welche von den Widerstän­ den 14 und 32 gebildet werden, sehen eine gewisse Abstufung oder Abschrägung bzw. Verjüngung der jeweiligen Widerstände vor. Die Ausbildung der Abschlüsse ist bezüglich des inneren Wider­ standes 32 oder äußeren Widerstandes 14 oder bezüglich beider Widerstände beispielsweise aus Fig. 2 zu ersehen. Wenn die Widerstände nur auf einer Seite der von den Parallelplattenlei­ tungen 12 gebildeten Kanäle vorgesehen sind, kann die andere Seite zusammengeschaltet werden, ohne daß Schlitze 13 bzw. 28 vorgesehen sind, derart, daß eine Erdungsebene entsteht. Eine derartige Ausführungsform mit Erdungsebene ist in den Zeichnun­ gen nicht gezeigt, da der Fachmann eine solche Ausbildung auf­ grund der hier beschriebenen Ausführungsform durch Abwandlung gewinnen kann. Die beschriebene und gezeigte Ausführungsform besitzt im übrigen vermutlich eine bessere Wirkungsweise.

Es sei nun auf die Fig. 1 bis 4 der Reihe nach Bezug genom­ men. Die Schaltungsanordnung 10 der vorliegend angegebenen Art besitzt einen zylindrischen Aufbau 11, der eine Mehrzahl von durch Parallelplattenleitungen 12 gebildeten Kanälen aufweist, die zur Mikrowellenverstärkung dienen. Im folgenden seien diese Kanäle ebenfalls mit 12 bezeichnet. Die Kanäle 12 sind durch Luftschlitze 13 voneinander getrennt, die die elektromagnetische Energie auf die jeweiligen Kanäle 12 begrenzen. Der äußere Teil Der Kanäle 12 und die Schlitze 13 sind von einem Hohlzylinder aus mikrowellenabsorbierendem Material umschlossen, wobei dieser Hohlzylinder den oben bereits erwähnten Widerstand 14 bildet. der Hohlzylinder besteht beispielsweise aus kohlenstoffversetztem Epoxyharz. Der Eingangsanschluß 15 der Schaltungsanordnung 10 befindet sich an einem Ende des zylindrischen Aufbaus 11, während der Ausgangsanschluß 16 auf der gegenüberliegenden Seite der Schaltungsanordnung 10 gelegen ist. In den Fig. 1 bis 3 sind die einzelnen Verstärkerelemente oder Verstärker-Untereinheiten 17 dargestellt, welche Anschlüsse 18 und 19 aufweisen, über die Leistung den Verstärkerelementen bzw. den Verstärker-Untereinheiten 17 zugeführt wird. Die Verstärker-Untereinheiten 17 sind in den jeweils zugehörigen Kanälen 12 durch Einspannung befestigt, welche von den Schrauben 20 und 21 erzeugt wird. Gebräuchliche elektrische Leitungen oder Verbinder (nicht dargestellt) dienen zum Anschluß einer Energiequelle, so daß den Anschlüssen 18 und 19 eines Transistors 46 der Verstärker-Untereinheit 17 aus­ reichend Leistung zugeführt werden kann. Der zylindrische Ab­ sorptionswiderstand 14 wird aus zwei Halbzylinderschalen 14′ und 14′′ zusammengesetzt, die längs der Fuge 142 aneinander­ gefügt sind und Bohrungen 141 ausreichenden Durchmessers aufweisen, um die Anschlußleiter der Anschlüsse 18 und 19 ohne weiteres durchtreten zu lassen, wenn die zylindrischen Halbschalen über die Verstärker-Untereinheiten 17 und den zylindrischen Aufbau 11 gelegt sind. Wie bereits erwähnt, können zehn Verstärker-Unter­ einheiten 17 gleichförmig am Umfang des zylindrischen Aufbaus 11 verteilt sein.

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung 10 nach Fig. 1 in Seiten­ ansicht, teilweise im Schnitt entsprechend der in Fig. 1 ange­ gebenen Schnittebene 2-2 und teilweise in Explosionsdarstellung. Der Mikrowellen-Eingangsanschluß 15 ist an einem zylindrischen Block 22′ befestigt, der mittels Schrauben 23 an den zylindri­ schen Außenleiter 24′ angeschlossen ist. Der zylindrische Außen­ leiter oder zylindrische Körper 24′ enthält die Radialschlitze 13, die sich in Längsrichtung entlang der Achse 27 erstrecken. Die Schlitze 13 in dem zylindrischen Außenleiter oder zylindri­ schen Körper 24′ beginnen bei 29 in geringem Abstand von der Trennfläche 221 und teilen die Kanäle 12 voneinander ab. Der zylindrische Körper 24′ ist über den zylindrischen Block 22′ mit dem Außenleiter des Mikrowellen-Eingangsanschlusses 15 ver­ bunden. Der Innenleiter 25 des Eingangsanschlusses 15 erstreckt sich in Längsrichtung nach einwärts in Richtung auf die Mitte der Schaltungsanordnung 10, wo ein elektrischer Kontakt mit dem abgesetzten elektrisch leitenden zylindrischen Körpern 26′ her­ gestellt ist, der koaxial zur Achse 27 der Schaltungsanordnung 10 gelegen ist. Der mit Absätzen versehene Innenleiter 26′ weist Schlitze 28 auf, die den Schlitzen 13 des abgesetzten Außenlei­ ters 24 entsprechen und mit diesen Schlitzen in Radialrichtung fluchten. Die Teile der innen bzw. außen gelegenen abgesetzten Leiter 24′ bzw. 26′ zwischen den einander entsprechenden Schlitzen 13 und 28 bilden eine abgestufte koaxiale Wellenleitung zur Fort­ leitung von elektromagnetischer Energie, welche am Eingangsanschluß 15 eingeleitet wurde, innerhalb des Raumes 36′. Die Anfangs­ punkte 29 bzw. 31 am Beginn der Schlitze 13 bzw. 28 bestimmen, an welchem Ort der abgestuften Koaxialleitung 36′ die eingegebene Mikrowellenenergie beginnt, auf die voneinander getrennten Kanäle 12 aufgeteilt zu werden. Die Schlitze 28 des abgestuften zylin­ drischen Innenleiters 26 beginnen an einer Stelle 31, welche näher an der Mitte der Schaltungsanordnung 10 mit Bezug auf die Längs­ richtung gelegen ist, als dies bei den Schlitzen 13 der Fall ist. Die Schlitze 28 erstrecken sich in Radialrichtung in Richtung auf die Achse 27 der Schaltungsanordnung 10 nach einwärts. Durch den Beginn der Schlitze 28 und 13 an jeweils verschiedenen Stel­ len mit Bezug auf die Axialrichtung wird ein allmählicher Über­ gang von der ungeschlitzten Koaxialleitung 25 nahe der Trennfläche 221′ bzw. 221′′ zu den Kanälen 12 erreicht, wodurch die Im­ pedanz-Fehlanpassung in diesem Übergangsbereich verringert wird. Die Radien und die Axiallängen der Absätze der abgetreppten oder abgesetzten Innenleiter 26 und Außenleiter 24 sind so ge­ wählt, daß sich eine breitbandige Impedanzanpassung zwischen der Impedanz der Koaxialleitung 25 am Eingangsanschluß 15 und am Ausgangsanschluß 16 einerseits und den Eingangs- bzw. Aus­ gangsleitungen 37 und 38 andererseits ergibt, welche an den Emitter bzw. die Basis des Transistor-Verstärkerelementes 46 angeschlossen sind. Die Basis des Transistor-Verstärkerelementes 46 hat Verbindung mit dem Leitungselement 33.

Im Inneren des abgestuften Innenleiters 26′ bzw. des abgestuf­ ten Innenleiters 26′′ befindet sich ein entsprechend abgestuf­ ter, zylindrischer Mikrowellenabsorber 32, der sich in Längs­ richtung zwischen den genannten Leiterteilen erstreckt und cha­ rakteristischerweise aus kohlenstoffversetztem Epoxyharz gefer­ tigt ist. Der Mikrowellenabsorber absorbiert die Mikrowellen­ energie, welche durch die Schlitze 28 des abgesetzten Innenlei­ ters 26′ bzw. 26′′ hindurchtritt.

Die abgesetzten Außenleiter 24′ bzw. 24′′ sind mittels der Schrau­ ben 23, wie bereits erwähnt wurde, an den zylindrischen Blöcken 22′ bzw. 22′′ festgeschraubt. Der eingangsseitige abgestufte Außen­ leiter 24′ und der ausgangsseitige abgestufte Außenleiter 24′′ sind mit dem Eingangsanschluß 15 bzw. dem Ausgangsanschluß 16 in der aus Fig. 2 ersichtlichen Art und Weise verbunden. Die Ver­ stärker-Untereinheiten 17 sind mittels der Schrauben 20 und 21 an dem abgestuften Innenleiter 26′ bzw. 26′′ und an dem abgestuf­ ten Außenleiter 24′ bzw. 24′′ befestigt, so daß sich die Anord­ nung paralleler Kanäle 12 ergibt.

Die Verstärker-Untereinheit 17 weist, wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, jeweils das bereits erwähnte äußere Leiterteil 33 auf, das elektrisch mit den abgestuften Außenleitern 24′ und 24′′ in Verbindung steht. Die Verstärker-Untereinheit 17 besitzt auch innere Leiterteile 34′ und 34′′, an die der Eingangsanschluß bzw. der Ausgangsanschluß des Transistors 46 elektrisch angeschlossen ist. Die Leiterteile 33 und 34 haben praktisch dieselbe Breite wie die an den Leitern 24′ und 24′′ sowie 26′ und 26′′ aus­ gebildeten Kanäle 12. Aufgrund der Symmetrie der Schaltungsanordnung 10 ist der zur Leistungskombination dienende Abschnitt, der mit dem Ausgangsanschluß 16 Verbindung hat, im wesentlichen identisch zu dem der Leistungsaufteilung dienenden Abschnitt der Schaltungs­ anordnung 10, wobei dieser Abschnitt Verbindung mit dem Ein­ gangsanschluß 15 hat.

Der untere Teil von Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung 10 im Querschnitt in vollständig zusammengebautem Zustand. Ein ein­ treffendes elektrisches Signal wird über den Eingangsanschluß 15 eingegeben und tritt zur Impedanzanpassung in den abgestuf­ ten Koaxialwellenleitungsabschnitt 36′ ein, wo die Aufteilung des Signals auf die Kanäle 12 erfolgt, die von den Schlitzen 13 und 28 zwischen den Leitern 24′ bzw. 26′ abgeteilt werden. Das Signal in jedem Kanal 12 wird längs des Kanalraumes 361 zu einem Keramikkörper 43′ übertragen, der an den innenliegenden und außenliegenden Leiterteilen 34 bzw. 33 festgekittet ist. Ein Querschnitt entsprechend der Schnittlinie 4-4 von Fig. 1 ist in Fig. 4 gezeigt. Die elektrischen Feldlinien 50 bei der sich im Betrieb ausbildenden TEM-Welle konzentrieren sich in dem Raum 361 bei radialer Feldlinienrichtung zwischen dem je­ weiligen Außenleiterteil 24 und dem jeweiligen Innenleiterteil 26 in jedem Kanal 12. Die radialgerichteten Schlitze 13 und 28 zwischen den Leiterteilen 24 bzw. 26 bilden Wellenleitungen mit einer Charakteristik unterhalb des Sperrbereiches, wobei diese Wellenleitungen das elektrische Feld des Betriebsschwin­ gungsmodus von den Absorbern 13 und 32 jeweils isolieren. Es ist eine Isolation von mindestens 30 db wünschenswert und die Breite und radiale Erstreckung der Spalten 13 und 28 sind so gewählt, daß sich mindestens dieser Grad der Isolation durch reaktive Dämpfung der Sperr-Wellenleitungen ergibt. Die Leiter­ teile 24 erfüllen auch die Aufgabe von Wärmeleitern für die durch die Transistoren 46 erzeugten Wärmemengen zu den Zylin­ derblöcken 22′ bzw. 22′′ hin, wo die Wärme abgegeben wird. Diejenigen Wellen, welche angeregt werden, wenn ein Transi­ stor ausfällt, breiten sich durch die Spalten 13 und 28 aus und werden jeweils in den Absorberteilen 14 bzw. 32 absorbiert.

Die Mikrowellenenergie erreicht den Eingangsanschluß eines den Transistor 46 bildenden, im Handel erhältlichen Hochfrequenz- Feldeffekttransistors, der eine Mikrostreifenleitung 37 auf­ weist, die auf einem Träger 35 gebildet ist. Die Mikrowellen­ energie wird in dem Transistor 46 verstärkt, wobei die Aus­ gangsleistung des Transistors auf einer Mikrostreifenleitung 38 dargeboten wird, von wo aus sich die Energie in das kerami­ sche Abstandshalterteil 43′′ ausbreitet. Von hier aus läuft das verstärkte Signal weiter durch die Räume 36′′ der abge­ stuften, die Koaxialleitung bildenden Leiterteile 24′′ und 26′′ zu dem Koaxialleitungsabschnitt in der Nachbarschaft der Trennfläche 221′′, wo sich die Ausgangssignale sämtlicher Transistoren 46 kombinieren, bevor sie den Ausgangsanschluß 16 erreichen.

Eine Aufsicht auf die Verstärker-Untereinheit 17 ist in Fig. 3 gezeigt, welche in Einzelheiten den Aufbau erkennen läßt, der es ermöglicht, die Hochfrequenzenergie auf die gewünschten Be­ reiche zu konzentrieren und Impedanzfehlanpassungen minimal zu halten. Der Leiter 33 der Verstärker-Untereinheit 17 besitzt konstante Breite und bildet eine Fortsetzung des äußeren Teiles jedes Leitungskanals 12. Der Innenleiter 34′ bzw. 34′′ hat im Bereich seiner Enden 340 zunächst konstante Breite und verjüngt sich dann nach einwärts in Richtung auf die Mittellinie 41 der Verstärker-Untereinheit 17. Beispielsweise verjüngt sich der Teil 341 des Innenleiters 34′ bzw. 34′′ von einer Breite von zunächst 7,6 mm auf eine Breite von 2,5 mm, wobei diese Breite immer noch erheblich größer ist als diejenige der Mikrostreifen­ leitung 37 des Transistors 46. Fig. 2 läßt erkennen, daß der Innenleiter 34′ bzw. 34′′ sich im Bereich 342 auch in radialer Richtung verjüngt und geringste Dicke an seinem Ende nahe dem Transistor 46 hat, um die notwendige Länge der daran befestigten, leitfähigen Feder 40 zu verringern, welche den Zwischenraum zwi­ schen den Leiterteilen 34′ bzw. 34′′ und den Mikrostreifenleitungen 37 und 38 überbrückt und jeweils federnden Kontakt zu den Mikrostreifenleitungen herstellt. In dem Raum zwischen den sich verjüngenden Teilen 341 der Leiterteile 34′ bzw. 34′′ und dem Außenleiter 33 befindet sich jeweils ein sich verjüngendes keramisches Bauteil 43, welches zuvor schon erwähnt wurde, und welches symmetrisch zur Mittellinie 41 der Verstärker-Unterein­ heit 17 gelegen ist. Die Breite des keramischen Bauteils 43 ist an der Stelle 44, an der die Verjüngung des Leiterteils 34 be­ ginnt, gering und nimmt linear in Axialrichtung auf das Ende 45 des Leiterteiles 34 zu, so daß die Breite des keramischen Bau­ teiles 43 hier im wesentlichen gleich der Breite der Mikro­ streifenleitung 37 bzw. 38 ist. Die Zusammenwirkung des Verjün­ gungsbereiches 341 der Leiterteile 34′ bzw. 34′′ mit dem umgekehrt sich verjüngenden Keramikteil 43 bewirkt, daß die sich über den gesamten Bereich zwischen den Leiterteilen 33 und 34 ausbreitende Energie in dem Keramikteil 43 zwischen den ge­ nannten Leiterteilen auf das Ende 45 des Leiterabschnittes 341 konzentriert wird, während Diskontinuitäten der Impedanz minimal gehalten werden. Die Konzentration der Energie in dem Keramikteil beruht auf der höheren Dielektrizitätskonstante des Keramik­ teiles 43 im Vergleich zu dem umgebenden Luftraum. Die Breite des Keramikteiles 43 nahe der Stelle 44 ist gering, um das Kera­ mikmaterial zwischen den Leiterteilen 33 und 34 gleichsam all­ mählich mit einer minimalen Impedanz-Fehlanpassungswirkung ein­ zuführen. Beispielsweise beträgt die Breite des Keramikteiles 43 an der Stelle 44 nur 0,25 mm, während die Breite am anderen Ende 45 des sich verjüngenden Leiterabschnittes 341 auf 1,27 mm an­ steigt. Dies ist im wesentlichen die Breite der Mikrostreifenlei­ tungen 37 und 38, welche die elektrische Verbindung zu dem Ein­ gangsanschluß bzw. dem Ausgangsanschluß des Transistors 46 her­ stellen. Die Basis des Transistors 46 ist, wie bereits erwähnt, elektrisch und thermisch mit dem die Erdungsebene bildenden Lei­ ter 33 verbunden. Der Emitter und der Kollektor des Transistors 46 sind mit den Leistungsanschlüssen 18 und 19 verbunden, an die zur Leistungszufuhr eine Stromquelle gelegt ist. Der Träger 35 des Transistors ist ein wärmeleitfähiges Keramikteil, auf welchem die Mikrostreifenleitungen 37 und 38 gebildet sind, so daß in Zusammenwirkung mit dem die Erdungsebene bildenden Leiter 33 jeweils eine Mikrostreifenübertragungsleitung ent­ steht. Der Transistor 46 ist charakteristischerweise ein im Handel erhältlicher Hochfrequenz-Feldeffekttransistor. Auch ein Bipolartransistor ist geeignet. Die Leiterteile 33 und 34 der Verstärker-Untereinheit 17 stehen elektrisch mit den jeweils einem Leitungskanal zugeordneten Bereichen der abgetreppten Leiter 24 und 26 aufgrund einer Einspannung in Verbindung, welche mittels durch Bohrungen 48 geführter Schrauben 20 und 21 er­ reicht wird. Durch einen Schlitz 343 in dem Leiterteil 34 wird ein Bereich 344 des Leiterteiles 34 geschaffen, der verhältnis­ mäßig flexibel ist, ohne die elektrischen Eigenschaften wesent­ lich zu verändern, so daß die Schrauben 20 festgezogen werden können, ohne daß die Gefahr eines Bruches der Verstärker-Unter­ einheit 17 besteht.

Der zuvor schon erwähnte abgestufte oder abgesetzte zylindrische Körper 32 füllt den Raum innerhalb der abgesetzten oder abgestuften Leiterteile 26′ und 26′′ sowie den Bereich aus, der von den Verstärker-Untereinheiten 17 umgrenzt wird. Der zylin­ drische Körper 32 besteht beispielsweise aus einem mit Kohlen­ stoff versetzten Epoxyharz oder aus einem verlustbehafteten Keramikmaterial, beispielsweise einem Titanat, und wirkt als Mikrowellenabsorber, der solche Mikrowellenenergie absorbiert, die aus den Leitungskanälen 12 durch die Schlitze 28 der Lei­ terteile 26′ und 26′′ entweicht oder welche von den Verstärker- Untereinheiten 17 mit den Transistoren 46 ausgeht. Die mikro­ wellenabsorbierenden zylindrischen Halbschalen 14′ und 14′′, welche beispielsweise aus demselben Material wie der zylindrische Körper 32 bestehen, umgeben vollständig den Raum außerhalb der Verstärker-Untereinheiten 17 und der abgestuften zylindrischen Leiterteile 24′ und 24′′ und dienen ebenso als Mikrowellenabsor­ ber, um Mikrowellenenergie zu absorbieren, welche durch die Schlitze 13 zwischen den Kanälen 12 entweicht oder von dort aus gestreut wird. Der spezifische Widerstand der Mikrowellenabsor­ ber 14 und 32 kann in Abstufung vorgesehen sein, um niedrigeren spezifischen Widerstand in der unmittelbaren Nachbarschaft der Schlitze 13 und 28 zu vermeiden, so daß Reflexionen von Mikro­ wellenenergie der unerwünschten Schwingungsmoden, welche sich durch die Schlitze 13 und 28 fortpflanzen, minimal gehalten wer­ den. Der spezifische Widerstand der Mikrowellenabsorber kann auch abgestuft oder veränderlich in Richtung der Achse 27 ge­ wählt werden, was in Abhängigkeit von der Feldverteilung der unerwünschten Wellen in Axialrichtung geschieht.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die am Eingang einge­ speiste Mikrowellenenergie zunächst auf eine Mehrzahl von­ einander getrennter Kanäle in einer geschlitzten, abgestuften Übertragungsleitung 361 aufgeteilt und in einen Hochfrequenz- Impedanzübergangsbereich 39 eingegeben wird, wo die Hochfre­ quenzenergie jeweils auf einen schmalen Bereich konzentriert wird, um die Energie über die Mikrostreifenleiter 37 dem Tran­ sistor 46 zuzuführen und von dort mittels des Mikrostreifenlei­ ters 38 wieder abzuführen. Die Ausgangsleistungen der einzelnen Transistoren werden über den eingangsseitigen Mikrowellenlei­ tungen entsprechende ausgangsseitige Mikrowellenleitungen kombi­ niert und am Ausgangsanschluß 16 abgegeben.

Die zylindrische Schaltungsanordnung 10 zur Leistungsaufteilung und -kombination ist so ausgebildet, daß die durch Reflexion auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden, wenn ein Transi­ stor 46 ausfällt, indem die einzelnen Einheiten voneinander praktisch isoliert werden. Die Streumatrix für die zylindrische Schaltungsanordnung zur Leistungsaufteilung und -kombination mit N parallelen Kanälen lauten folgendermaßen:

Hierin ist das Anschlußpaar 1 der äußere Anschluß und die ande­ ren N Anschlußpaare sind die Verbindungen zu den einzelnen Ein­ heiten. Wenn sämtliche Anschlüsse mit angepaßten Einheiten ab­ geschlossen sind, spaltet sich die Leistung gleichmäßig auf. Etwa reflektierte Leistung aufgrund einer Fehlanpassung einer Einheit erreicht die anderen Einheiten nicht unmittelbar, son­ dern nur über die Reflexion des 1/N-ten der reflektierten Lei­ stung aus der Quellenfehlanpassung. Um die Nullen der Streu­ matrix zu erreichen, welche eine vollständige Entkopplung unter den Elementen repräsentieren, müssen sämtliche Wellen der Schal­ tungsanordnung 10 mit Ausnahme der Betriebswelle bei Blickrich­ tung von den Verstärkereinheiten weg eine Anpassung sehen. Zu diesem Zwecke sind die Isolationselemente verjüngt. Die Isola­ tionselemente bestehen in zylindrischen Dämpfungswiderständen in den Absorbern 14 und 32, welche von der Betriebswelle nicht be­ aufschlagt sind.

Aus Fig. 4 ist die Geometrie der Schaltungsanordnung 10 zur Leistungsaufteilung und -kombination mit Bezug auf eine Radial­ ebene erkennbar. Es herrscht eine Rotationssymmetrie. Wenn sämtliche Einheiten identisch sind, ist die Spannung an allen Segmenten aus Symmetriegründen identisch.

Ein wesentlicher Unterschied eines Mikrowellenverstärkers der vorliegend angegebenen Art gegenüber entsprechenden bekannten Geräten besteht darin, daß die stabilisierenden Dämpfungsbela­ stungswiderstände 14 und 32 von der Betriebswelle isoliert ge­ halten werden, so daß der Mikrowellenverstärker mit höherem Wir­ kungsgrad arbeitet als dies bei bekannten Geräten der Fall ist, bei denen verlusterzeugende Elemente in Gestalt einer Reihe von Isolationswiderständen vorgesehen sind, die zwischen jeweils be­ nachbarte Sektoren eingeschaltet sind, so daß aufgrund von Streukapazitäten in den Isolationswiderständen auch bei dem Normalbetrieb Leistungsverluste entstehen.

Praktische Messungen an einer Schaltungsanordnung 10 zur um­ fangsmäßigen Leistungsaufteilung und -kombination mit zehn Ka­ nälen haben gezeigt, daß die Bandbreite 70% betrug und der Verlust der Aufteiler 241-/Kombinator 242-Anordnung 0,2 dB ausmachte. Das bedeutet, daß die bedeutsamere Größe, nämlich die äquivalenten Verluste für eine Kombinationseinrichtung allein, etwa 0,1 dB beträgt. Die Messungen zeigten, daß die innen und außen vorgesehenen Dämpfungswiderstände keine Verluste bezüglich der gewünschten Welle einführten. Weitere Unter­ suchungen an der Schaltungsanordnung 10 mit zehn Kanälen zeig­ ten ein niedriges Spannungsstehwellenverhältnis über ein Durch­ laßband von 1,5 Oktaven von 4,0 bis 12,0 GHz.

Claims (10)

1. Mikrowellenverstärker mit einer Anzahl einander unmittel­ bar benachbarter Verstärker-Untereinheiten (17), die jeweils an Wellenleitungen (24′, 26′, 24′′, 26′′) angeschlossen und parallel geschaltet sind, und mit nahe den Wellenleitungen und den Verstärker-Untereinheiten vorgesehenem, mikrowellen­ absorbierendem Material zur Dämpfung unerwünschter Schwingungs­ zustände, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den auf­ grund der Parallelschaltung zusammengeschlossenen Leitern (24′, 26′, 24′′, 26′′) der Wellenleitungen weitere Wellen­ leitungen (13, 28) gebildet sind, die jeweils auf das mikro­ wellenabsorbierende Material als mikrowellenabsorbierendem Abschluß (14, 32) hinführen und welche für Mikrowellenener­ gie des Betriebsschwingungsmodus in den erstgenannten Wellenleitungen sperrend wirken, unerwünschte Schwingungs­ zustände jedoch zum mikrowellenabsorbierenden Abschluß (14, 32) übertragen.

2. Mikrowellenverstärker nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Eingangsanschluß (15) vorgesehen ist, von dem aus Mikrowellenenergie zu gleichen Teilen auf die er­ sten Wellenleitungen (24′, 26′) und auf die Verstärker-Unterein­ heiten (17) aufgeteilt wird und daß Mittel (24′′, 26′′) zur Kom­ bination der Ausgangsleistungen der Verstärker-Untereinheiten (17) dienen, so daß die kombinierte Leistung an einem Ausgangs­ anschluß (16) abnehmbar ist.

3. Mikrowellenverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung der am Eingangsanschluß (15) eingegebenen Mikrowellenleistung ein Impedanztransformator in Gestalt einer in Radialrichtung abgestuften Koaxialleitung (24′, 26′, 36′, 240) dient, welcher zueinander koaxiale innere und äußere Lei­ stenteile aufweist, welche jeweils mit einer Anzahl sich in Längsrichtung der Koaxialleitung erstreckender Schlitze (13, 28) versehen sind, wobei die Schlitze im inneren und im äußeren Lei­ terteil in Radialrichtung fluchten und die durch die Schlitze voneinander abgeteilten Bereiche des inneren und des äußeren Leiterteils die genannten ersten Wellenleitungen (12) bilden, während die Schlitze jeweils die zweiten Wellenleitungen dar­ stellen.

4. Mikrowellenverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verstärker-Untereinheiten (17) jeweils eine Mikro­ wellenübertragungsleitung aus zwei im Abstand voneinander ge­ führten Leitern (33, 34′, 34′′) enthalten, die mindestens be­ reichsweise dieselbe Breite wie die durch Schlitze abgeteilten Bereiche des inneren und des äußeren Leiters (24′, 26′) der ab­ gestuften Koaxialleitung haben und an diesen abgeteilten Be­ reichen jeweils befestigt (20, 21) sind, daß ferner einer (34′, 34′′) der beiden im Abstand voneinander verlaufenden Leiterteile (33, 34′, 34′′) der Verstärker-Untereinheiten eine Unterbrechung aufweist und daß in dieser Unterbrechung jeweils ein Verstärker­ element (46) mit seinem Eingangsanschluß und seinem Ausgangs­ anschluß an die benachbarten Enden des unterbrochenen Leiter­ teiles angeschlossen angeordnet ist.

5. Mikrowellenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die die ersten Wellenleitungen (12) jeweils begrenzenden Leiterteile (24′, 26′, 33, 34′, 34′′, 24′′, 26′′) in Richtung des Abstandes zwischen den die ersten Wellen­ leitungen begrenzenden Leiterteilen solche Dicke haben, daß die einander über den Abstand zwischen benachbarten ersten Wellen­ leitungen gegenüberstehenden Leiterwände als die zweiten Wellen­ leitungen (13, 28) wirksam sind, die zu den am Ende dieser zwei­ ten Wellenleitungen befindlichen mikrowellenabsorbierenden Ab­ schlüssen (14, 32) führen.

6. Mikrowellenverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die ersten Wellenleitungen (12) und die Verstärker- Untereinheiten (17) auf einem Zylindermantel gelegen sind und sich parallel zur Zylinderachse erstrecken, wobei die den Wel­ lenausbreitungsweg begrenzenden Leiterteile radialen Abstand voneinander haben, daß eingangsseitig die bzw. eine Koaxiallei­ tung (25, 24′, 26′) mit insbesondere stufenförmig zunehmendem Durchmesser ihrer Leiter und Radialschlitzen (13, 28) im Be­ reich größeren Durchmessers der Leiter in die Zylinderanord­ nung der Verstärker-Untereinheiten (17) übergeht und daß aus­ gangsseitig die bzw. eine Koaxialleitung mit vorzugsweise stu­ fenförmig abnehmendem Durchmesser ihres Innen- und Außenlei­ ters (24′′, 26′′) und Radialschlitzen im Bereich des größeren Durchmessers ihrer Leiter von der Zylinderanordnung der Ver­ stärker-Untereinheiten (17) wegführt.

7. Mikrowellenverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß ein radial innerer Bereich innerhalb der Innenleiter (26′, 26′′) der eingangsseitigen und der ausgangsseitigen Koaxialleitung und innerhalb der Zylinderanordnung der Verstär­ ker-Untereinheiten (17) sowie ein äußerer Bereich außerhalb der Außenleiter (24′, 24′′) der eingangsseitigen und der aus­ gangsseitigen Koaxialleitungen sowie außerhalb der Zylinder­ anordnung der Verstärker-Untereinheiten (17) jeweils von mikrowellenabsorbierendem Material (32, 14) eingenommen wird, auf welches hin die jeweils zweiten Wellenleitungen bzw. die Zwischenräume in Umfangsrichtung zwischen den jeweils ersten Wellenleitungen hinmünden.

8. Mikrowellenverstärker nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die eingangsseitige und/oder die ausgangsseitige Koaxialleitung (24′, 26′, 24′′, 26′′) mit Innenleiter und Außen­ leiter mehrfach abgestuft ist bzw. sind.

9. Mikrowellenverstärker nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das radial innenliegende mikrowellenabsorbierende Material (32) in dem Bereich, in dem es radial innerhalb der mit Schlitzen (28) versehenen Teile der inneren Leiter der Koaxial­ leitungen gelegen ist, eine vorzugsweise mehrfache Abstufung seiner Zylinderform aufweist.

10. Mikrowellenverstärker nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des mikro­ wellenabsorbierenden Materials (14, 32) nahe der jeweils benach­ barten Ausmündung der umfangsmäßigen Zwischenräume oder Schlitze (13, 28) zwischen den jeweils ersten Wellenleitungen geringer ist, als in größerem Abstand hiervon, so daß Reflexionen von Mikrowellenenergie, welche aus den genannten Abständen oder Spal­ ten an dem mikrowellenabsorbierenden Material eintrifft, gering gehalten werden.