DE819701C

DE819701C - Switching element for shafts, preferably extremely short shaft lengths

Info

Publication number: DE819701C
Application number: DEP9813D
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr Rasch
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens Corp
Priority date: 1948-10-02
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1951-11-05

Description

Schaltelement für Wellen, vorzugsweise extrem kurzer Wellenlänge Die Verwendung geschlossener Räume (beispiels-Nveise Hohlräume oder mit Dielektriüm ausgefüllter Hohlräume) als Resonanzschaltelemente in der Technik extrem hoher Frequenzen, und zwar bei elektromagnetischen Schwingungen ebenso wie bei akustischen, findet eine Grenze in der Schwierigkeit, brauchbare Abmessungen einer Viertel- oder Halbwellenlänge herzustellen; auch werden die Räume mit steigender Frequenz immer kleiner und kiinnen daher nur mit geringen Leistungen betrieben werden. 1m folgenden kann unter Hohlraum auch ein von einem anderen als gasförmigen Dielektrium erfüllter Raum, gegebenenfalls also auch ein fester Körper, verstanden werden, wenn er elektrisch oder akustisch einem Hohlraum äquivalent ist.Switching element for waves, preferably extremely short wavelengths Use of closed spaces (e.g. cavities or with dielectric filled cavities) as resonance switching elements in the technology of extremely high frequencies, namely with electromagnetic vibrations as well as with acoustic ones a limit in the difficulty of finding useful quarter or half wavelength dimensions to manufacture; the rooms are also getting smaller and smaller with increasing frequency therefore can only be operated with low power. 1m following can under cavity also a space filled with a dielectric other than gaseous, if necessary thus also a solid body, can be understood if it is electrical or acoustic is equivalent to a cavity.

Die 1?rfindung löst die Aufgabe, für sehr hohe Frequenzen größere, also hinsichtlich der Leistung günstigere .Abmessungen solcher Schaltelemente zu erhalten, durch die enge gegenseitige Kopplung mehrerer Hohlräume, d.ie für eine Welle verschiedene Laufzeiten aufweisen. Die Kopplung der Hohlräume kann elektrisch und/oder magnetisch oder auch akustisch erfolgen, die Zahl der gekoppelten Hohlräume wird zweckmäßig zu zwei- gewählt.The invention solves the problem of creating larger, So in terms of performance more favorable .Dimensions of such switching elements obtained by the close mutual coupling of several cavities, i.e. those for one Wave have different running times. The coupling of the cavities can be electrical and / or take place magnetically or acoustically, the number of coupled cavities is expediently elected to two.

Ein :Hohlraum kann als Zweiwegesystem mit gegebener Laufzeit aufgefaßt werden. Er hat ein Leitwertdiagramm, das dem einer kurzgeschlossenen Leitung völlig gleicht und schematisch in Fig. i dargestellt ist. Mit wachsender Frequenz durchläuft der das Leitwerk darstellende Strahl 0i den Kreis g, dessen Mittelpunkt auf der reellen Achse g liegt.A: cavity can be viewed as a two-way system with a given running time will. It has a conductance diagram that resembles that of a shorted line entirely is the same and is shown schematically in Fig. i. Passes through with increasing frequency the ray 0i representing the tail unit the circle g, the center of which is on the real axis g lies.

Für die Frequenzwerte , wobei n eine ganze Zahl und t die Laufzeit der Leitung bzw. des Hohltaumes ist, wird der Leitwert jeweils reell, der Vektor e fällt in die .reelle Achse und weist eine maximale oder minimale Länge auf. Physikalisch ist dies daraus zu erklären, daß bei .diesen Frequenzwerten die erregende und die reflektierte Welle so zur Interferenz kommen, daß sie sich entweder voll verstärken oder ganz auslöschen. Ist ferner 1 die Länge des Raumes, so wird bei unigeraden Werten von n, also für der Leitwert 4) - gmin während für gerades n, also das Gegenteil eintritt und @=gmax wird. Der Endpunkt P des Leitwertstrahles (5 fällt im ersten Fall in den Punkt A, im zweiten in den Punkt B.For the frequency values , where n is an integer and t is the transit time of the line or the hollow space, the conductance is real, the vector e falls on the real axis and has a maximum or minimum length. Physically, this can be explained by the fact that at these frequency values the exciting and the reflected waves interfere in such a way that they either fully amplify or completely cancel each other out. If, furthermore, 1 is the length of the space, then with uneven values of n, i.e. for the conductance 4) - gmin while for even n, i.e. the opposite occurs and becomes @ = gmax. The end point P of the conductance beam (5 falls in the first case in point A, in the second in point B.

Wird der Hohlraum zur Schwingungserzeugung verwendet, so erregt sich vorzugsweise die niedrigste von allen jenen Frequenzen, für die der Resonanzwiderstand am größten ist, d. h. der kleinste der Werte von f, für die ß = g min ist. Dies ist erstmalig bei der Fall. Will man diese Resonanzfrequenz erhöhen, so muß die Laufzeit T des Hohlraums verkleinert, d. h. seine Abmessungen verringert werden.If the cavity is used to generate vibrations, the lowest of all those frequencies for which the resonance resistance is greatest, ie the smallest of the values of f for which β = g min, is preferably excited. This is the first time that this is the case. Do you want this resonance frequency increase, the transit time T of the cavity must be reduced, that is, its dimensions must be reduced.

Bei Verwendung des Hohlraumes als Frequenzfilter verhalten sich, wie aus,dem Vorstehenden zu entnehmen ist, diese Grundfrequenz und alle ihre Oberwellen völlig gleich. Für sie alle just der Widerstand des Hohlraums annähernd gleich groß oder gleich klein, je nachdem, ob man im Punkt A oder 'B arbeitet.When using the cavity as a frequency filter, as can be seen from the above, this fundamental frequency and all of its harmonics behave in exactly the same way. For all of them, the resistance of the cavity is approximately the same or equally small, depending on whether you are working in point A or 'B.

In Fig. 2 ist demgegenüber das Diagramm eines Zweikammerhohlraumes gemäß der Erfindung gezeigt. Es ist angenommen, daß die beiden Räume im allgemeinen gleiche Eigenschaften haben, insbesondere gleichen Wellenwiderstand und gleiche Verluste. Die beiden Kreise g1 und 9z für die Räume sind also gleich groß und liegen an der gleichen Stelle auf der reellen Achse g, d. h. sie .decken sich vollkommen. Dagegen sollen sie verschiedene Laufzeiten haben, und zwar soll die Laufzeit T1 kleiner sein als die Laufzeit T=. Der erste Durchgang des Leitwertvektors ($qfindet mit wachsender Frequenz beim Wert statt, der erste Durchgang des Leitwertvektors ß1 bei der Frequenz In der zeichnerischen Darstellung wirkt sich das so aus, daß für einen bestimmten Frequenzwert f der Punkt P, dem Punkt P1 vorausgee.ilt erscheint. Der vorauseilende Punkt P, ,überholt bei jedem Umlauf an einer bestimmten Stelle den Punkt P1, und je nach Bemessung des Laufzeitverhältnisses verschiebt sich diese Überholungsstelle auf dem Kreis mehr oder weniger.In contrast, FIG. 2 shows the diagram of a two-chamber cavity according to the invention. It is assumed that the two spaces generally have the same properties, in particular the same wave resistance and the same losses. The two circles g1 and 9z for the spaces are therefore the same size and lie at the same point on the real axis g, that is, they completely coincide. On the other hand, they should have different running times, namely the running time T1 should be shorter than the running time T =. The first pass of the conductance vector ($ q is found at the value with increasing frequency instead, the first pass of the conductance vector ß1 at the frequency In the graphic representation, this has the effect that for a certain frequency value f, point P appears ahead of point P1. The leading point P,, overtakes the point P1 at a certain point with each revolution, and depending on the dimensioning of the running time ratio, this overtaking point shifts more or less on the circle.

Soll ein solches System als Schwingungserzeuger benutzt werden, so ist für die Resonanz erforderlich, daß die Resonanzwiderstände beider Räume gleichzeitig maximal werden, d. h. daß sich die Punkte P, und P1 im Punkt A treffen. Dies ist bei bestimmten Verhältnissender Laufzeitwerte nur für wenige Frequenzen überhaupt möglich. Die erste der dafür zu erfüllenden Bedingungen läßt sich durch folgende Gleichungen darstellen: weil für beide Frequenzen im Punkt A die Forderung erfüllt sein muß, daß n eine ungerade ganze Zahl ist.If such a system is to be used as a vibration generator, then it is necessary for the resonance that the resonance resistances of both rooms are maximal at the same time, ie that the points P and P1 meet at point A. Given certain ratios of the transit time values, this is only possible at all for a few frequencies. The first of the conditions to be fulfilled for this can be represented by the following equations: because for both frequencies in point A the requirement must be met that n is an odd integer.

Das Verhältnis .der Laufzeiten sei nun so daß man also z. B. setzen kann Beachtet man, daß für das Zusammentreffen im Punkte A außerdem die Bedingung erfüllt sein muß, so erhält man als Resonanzfrequenz des Zweikammerraumes Für einen Hohlraum der Laufzeit a1 ist die Resonanzfrequenz - : koppelt man mit ihm aber einen zweiten Hohlraum der Laufzeit (für = 4 und q = 3 also: ), so liegt die Eigenresonanz der Gesamtanordnung um (2¢ -f- i)mal höher (im Rechnungsbeispiel ) . Diese Gesamtanordnung läßt sich -also für eine um eine Größenordnung höhere Frequenz benutzen als der Einzelraum, ohne daß dessen Größe und damit seine Belastbarkeit entsprechend herabgesetzt werden müssen.The relationship between the running times is now so that one z. B. can put Note that for the coincidence in point A, the condition must be fulfilled, one obtains the resonance frequency of the two-chamber space For a cavity with transit time a1 is the resonance frequency -: but if you couple a second cavity of the running time with it (for = 4 and q = 3 so: ), the natural resonance of the overall arrangement is (2 ¢ -f- i) times higher (in the calculation example). This overall arrangement can be used for Use a frequency that is an order of magnitude higher than the individual room without having to reduce its size and thus its load capacity accordingly.

Ähnlich liegen die Verhältnisse, wenn man den Hohlraum als ;Filter für bestimmte Frequenzen verwenden will. Es wurde bereits erwähnt, daß für ein Hohlraumfilter die Grundwelle und die Oberwelle etwa gleichwertig erscheinen. Der Frequenzgang der Dämpfung b eines solchen Hohlraumfilters -ist in Fig.3 dargestellt. Wie daraus zu entnehmen, wird die Dämpfung für alle Frequenzen ein Minimum, während sie für die dazwischenliegenden Werte ein Maximum wird. Dies gilt für Anschluß des Raumes an einen Generator reit hohem Innenwiderstand. Die Minimalwerte der Dämpfung, theoretisch vom Wert Null, sind in Wirklichkeit infolge der nicht idealen übertragungseigenschaften der Gesamtanordnung nicht ganz gleich groß, immerhin besteht zum mindesten theoretisch keine Bevorzugung einer dieser Frequenzen.The situation is similar if one wants to use the cavity as a filter for certain frequencies. It has already been mentioned that for a cavity filter the fundamental and the harmonic appear to be approximately equivalent. The frequency response of the attenuation b of such a cavity filter is shown in FIG. As can be seen from this, the attenuation becomes for all frequencies a minimum, while it becomes a maximum for the values in between. This applies to connection of the room to a generator rides high internal resistance. The minimum values of the attenuation, theoretically zero, are in reality not exactly the same size due to the non-ideal transmission properties of the overall arrangement, at least in theory there is no preference for one of these frequencies.

Anders wird dies wieder bei einer Anordnung mit Mehrkammerräumen. In der gleichen Weise wie beim als Schwingungserzeuger verwendeten Mehrkammerraum bildet sich in Abhängigkeit vom Laufzeitverhältnis der Räume eine bestimmte Mindestdämpfung für gewisse Oberwellen ;der Grundfrequenzen der Einzelräume heraus. Dabei tritt auch hier diese Mindestdämpfung beim gleichen Vielfachen der Grundfrequenz eines der Räume auf wie die Eigenresonanz im Fall der Verwendung der Anordnung zur Schwingungserzeugung. Der Frequenzgang dieser Anordnung ist in Fi:g. 4 für ein Laufzeitverhältnis , d. h. für und dargestellt. Wie man sieht, liegt das Dämpfungsminimum bei einer fünfmal höheren als der Grundfrequenz wesentlich tiefer als das Minimum dieser und ihrer dreifachen, siebenfachen usw. Frequenz. Wählt man das Laufzeitverhältnis noch höher, etwa P=5, q=4, also -, so tritt dieses erste Dämpfungsminimum erst bei der elffachen Grundfrequenz auf. Die Form der Dämpfungskurven läßt sich im Rahmen des Ausgeführten durch geeignete Wahl von x, zi, Generatorwi.derstand usw. weitgehend variieren.This is different again in an arrangement with multi-chamber spaces. In the same way as with the multi-chamber room used as a vibration generator, a certain minimum attenuation for certain harmonics, the basic frequencies of the individual rooms, is created depending on the running time ratio of the rooms. Here, too, this minimum damping occurs at the same multiple of the fundamental frequency of one of the rooms as the natural resonance when the arrangement is used to generate vibrations. The frequency response of this arrangement is shown in FIG. 4 for a term ratio , ie for and shown. As can be seen, the attenuation minimum at a frequency that is five times higher than the fundamental frequency is considerably lower than the minimum of this frequency and its three, seven, etc. frequency. If the runtime ratio is chosen to be even higher, for example P = 5, q = 4, that is -, this first minimum attenuation only occurs at eleven times the fundamental frequency. The shape of the damping curves can be largely varied within the scope of what has been explained by a suitable choice of x, zi, generator resistance, etc.

Bei der praktischen Ausführung einer Anordnung gemäß der Erfindung kann man die Hohlräume alle einzeln an die anschließenden Schaltelemente (Leitungen) ankoppeln, es genügt aber, auch die Ankopplung nur in einem der Räume ivorzunehmen, wenn die anderen ihrerseits eng m-it diesem gekoppelt sind. Als Ankoppelelemente können die in der Technik der kürzesten Wellen oder in der Ultraschalltechnik üblichen Bauteile, Antennen, Koppelschleifen oder beides, verwendet werden, je nachdem die Kopplung elektrisch oder magnetisch sein soll. Auch die Ankopplung durch einen modulierten Elektronenstrahl ist denkbar, ferner durch elektroakustische Wandler. Eine Anordnung gemäß der Erfindung kann außer als Resonanzkreis auch als Schwingkreis zur Schwingungserzeugung verwendet werden. Im akustischen Gebiet kann der eine der Hohlräume selbst als akustischer Schwinger ausgebildet sein, z. B. als magnetostriktiver oder pizoelektrischer Schwinger. Eine weitere wichtige Anwendungsmöglichkeit der Anordnungen nach der Erfindung ergibt sich, wenn man sie nicht als Zweipole, sondern als Vierpole ausführt. In dieser Form sind sie nämlich als Übertrager mit Anpassung an beliebige Widerstandswerte verwendbar, wobei auch hier die An-oder Auskopplung nur in einem der Räume vorgenommen zu werden braucht, wenn die Räume selber eng genug miteinander gekoppelt sind.In practicing an arrangement according to the invention the cavities can all be individually connected to the connected switching elements (lines) connect, but it is sufficient to only connect to one of the rooms when the others in turn are closely linked to it. As coupling elements can be the ones commonly used in shortest wave technology or in ultrasound technology Components, antennas, coupling loops, or both, can be used, depending on the Coupling should be electrical or magnetic. Also the coupling through a modulated Electron beam is conceivable, furthermore through electroacoustic transducers. An arrangement According to the invention, in addition to a resonance circuit, it can also be used as an oscillating circuit for generating oscillations be used. In the acoustic field, the one of the cavities itself can be called acoustic Be designed vibrators, z. B. as a magnetostrictive or pizoelectric transducer. Another important possible application of the arrangements according to the invention results if it is not designed as a two-pole, but as a four-pole. In this They are in shape as transformers with adaptation to any resistance value can be used, although the coupling or decoupling is only carried out in one of the rooms needs to be when the rooms themselves are closely enough coupled with one another.

Durch die Ausführung ,wenigstens des einen Raumes in der Weise, daß seine Laufzeit verändert werden kann, kann man stetig veränderbare Übersetzungsverhältnisse erzielen. Am einfachsten erreicht man dies durch eine als Kolben ausgebildete Rückwand des zu verändernden Raumes. In bestimmten Fällen genügt auch bereits eine elastisch verdrückbare Wand, namentlich wenn der Arbeitspunkt in der Nähe des Punktes des größtmöglichen Resonanzwiderstandes liegt, wo eine ganz geringfügige Veränderung der Abmessungen den größten Einfluß auf die elektrischen Daten der Anordnungen hat.By executing at least one room in such a way that its running time can be changed, one can continuously change gear ratios achieve. The easiest way to do this is to use a rear wall designed as a piston of the room to be changed. In certain cases an elastic is sufficient compressible wall, especially if the working point is near the point of the greatest possible resonance resistance is where a very slight change the dimensions has the greatest influence on the electrical data of the arrangements.

Zur Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses kann man auch noch den Ankoppelteilen verschiedene Größen geben.You can also increase the transmission ratio give the coupling parts different sizes.

Die Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Die beiden Räume E und F sind durch die Koppelschleife G an eine Zuleitung L angekoppelt.Fig. 5 shows schematically an embodiment of the invention Arrangement. The two rooms E and F are connected to a feed line through the coupling loop G L coupled.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Cavity resonance system for waves, preferably extremely short wavelengths, characterized in that, in order to increase the load capacity, at least two cavities are coupled to one another in such a way that a wave has different transit times in them.

2. Switching element according to claim i, characterized in that that the coupling to other switching elements, especially lines, only in one the cavities is made.

3. Switching element according to claim i or 2, characterized characterized in that the coupling takes place electrically through an antenna (dipoles).

4. Switching element according to claim i or 2, characterized in that the coupling magnetically through a coupling loop.

5. Switching element according to claim i or 2, characterized in that the coupling is by a modulated electron beam he follows.

6. Switching element according to claim i or 2, characterized in that the Coupling takes place through an electroacoustic transducer.

7. Switching element after Claim i or 2, characterized in that one of the rooms itself is an acoustic Schwinger is running. B.

Switching element according to one of Claims i to 7, characterized characterized in that it is used as an oscillating circuit for generating oscillations. G.

Switching element according to one of claims i up to 7, characterized that it is used as a filter to filter out certain frequency areas. ok

Switching element according to one of claims i to 7, characterized in that it acts as a transformer used to match switching elements of different resistance values to one another is. i i.

Switching element according to one of the preceding claims, characterized in that that the dimensions of at least one of the rooms can be changed.

12. Switching element according to claim i i, characterized in that a displaceable piston for changing the dimensions are provided.

13. Switching element according to claim 12, characterized in that that the walls of the cavities are at least partially designed to be elastically compressible are.

14. Switching element according to one of the preceding claims, characterized in that that the coupling elements used for coupling to other switching elements are different Have dimensions.