DE1257304B - Frequenzweiche fuer elektromagnetische Wellen - Google Patents
Frequenzweiche fuer elektromagnetische WellenInfo
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Description
AUSLEGESCHRIFT
Deutsche Kl.: 21 g - 34
Nummer: 1257 304
Aktenzeichen: W 24912IX d/21 g
J 257 304 Anmeldetag: 27. Januar 1959
Auslegetag: 28. Dezember 1967
Die Erfindung bezieht sich auf eine Frequenzweiche zum Aufteilen von elektromagnetischen Wellen eines
breiten Frequenzbandes in zwei Frequenzbänder, bei der ein Eingangshohlleiter die ankommenden Wellen
in einen sich verjüngenden Hohlleiterabschnitt einkoppelt, der seinerseits mit Mitteln versehen ist, mit
deren Hilfe die Wellen des einen Frequenzbandes unter Drehung ihrer Polarisationsrichtung um 90°
reflektiert und die Wellen des anderen Frequenzbandes durchgelassen werden, und bei dem die reflektierten
und in der Polarisationsrichtung gedrehten Wellen die Frequenzweiche über eine Einrichtung
verlassen, die durch einen entsprechend angeordneten Abzweighohlleiter sowie durch eine Trennwand zum
Überführen der reflektierten Wellen in den Abzweighohlleiter gebildet ist. Eine solche Frequenzweiche
findet Verwendung in vielkanaligen Hochfrequenz-, Mikrowellen- und Millimeterwellen-Übertragungssystemen und dient zum Ausfiltern, Abzweigen oder
Wiederzusammenführen der verschiedenen Kanäle oder Breitbandsignale, aus denen die zu übertragende,
zu empfangende, zu verstärkende oder anderweitig zu verarbeitende Information besteht.
Mit dem Zug zu höheren Frequenzen und größeren Bandbreiten in Mikrowellen-Übertragungssystemen
wurde es erforderlich, mehr und mehr klassische Filterbestandteile in den zur Trennung einer Frequenzgruppe
von anderen Frequenzgruppen benutzten Vorrichtungen wegzulassen. Filter mit konzentrierten
Schaltungselementen sind in der Bandbreite bekanntlieh zu beschränkt, und auch die vielfach benutzten
Netzwerke, die von den relativ breitbandigen Eigenschaften der Viertelwellenlängen-HohHeiterabschnitten
Gebrauch machen, haben entweder eine zu kleine Bandbreite oder zu schlechte Trenneigenschaften.
Bei einer bekannten Frequenzweiche der eingangs beschriebenen Art ist ein sich verjüngender Abschnitt
vorgesehen, der die abzutrennenden Frequenzen ohne Änderung der ursprünglichen Polarisationsrichtung
reflektiert. Zur Erzeugung der notwendigen Drehung der Polarisationsrichtung sind daher zusätzliche Einrichtungen
vorgesehen, mit deren Hilfe eine Umwandlung in zirkulär polarisierte Wellen, gefolgt
von einer Rückumwandlung, die erforderliche 90°- Drehung der Polarisationsrichtung, erzeugt wird. Der
äußere Zirkularpolarisator arbeitet ausschließlich oberhalb der Abschneidegrenze und kann daher verschiedene
Phasenverschiebungen der Frequenz zwischen zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen
nicht wirksam kompensieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, insbesondere diese Nachteile zu beseitigen und eine Frequenz-Frequenzweiche
für elektromagnetische Wellen
Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21
Als Erfinder benannt:
Edward Allen Ohm, Red Bank, N. J. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. März 1958 (724 684)
weiche der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der auch bandbreitenverengende Einbauten im
die Reflexion und Drehung der Polarisationsrichtung erzeugenden Frequenzweichenteil vermieden sind.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe für die eingangs beschriebene Frequenzweiche dadurch gelöst,
daß der verjüngte Abschnitt eine Hohlleiteranordnung mit einem rechteckigen Querschnitt ist,
bei welchem die Verjüngung der oberen und unteren Flächen und die Verjüngung der seitlichen Flächen
zwei zueinander orthogonale Querdimensionen ergeben, die je unter etwa 45° zur Polarisationsrichtung
der Wellen im Eingangshohlleiter orientiert sind, und die Polarisation der ankommenden Wellen in orthogonale
Komponenten längs der entsprechenden Querdimensionen auflösen, daß jede der Querdimensionen
derart verjüngt ist, daß die Reflexion des einen Bandes in Form einer individuellen Reflexion der orthogonalen
Komponenten von verschiedenen, innerhalb des sich verjüngenden Abschnitts gelegenen Stellen
aus zur Eingangsseite hin erfolgt, und daß der Längsabstand zwischen entsprechenden Reflexionsstellen
der entsprechenden Querdimensionen für jede Frequenz so gewählt ist, daß die reflektierten orthogonalen
Komponenten etwa um 180° phasenverschoben sind, wenn sie aus dem sich verjüngenden
Abschnitt austreten.
Es wird demnach der sich verjüngende Hohlleiterabschnitt so ausgebildet, daß er selbst in der Lage
ist, die Wellen des abzutrennenden Frequenzbandes unter gleichzeitiger Drehung der Polarisationsrichtung
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zu reflektieren. Diese Doppelfunktion ist dabei innerhalb des gewünschten Bandes praktisch frequenzunempfindlich.
Die dem erfindungsgemäß ausgebildeten, sich verjüngenden Hohlleiterabschnitt vorgelagerte
Trennwand dient nur zur adäquaten Auskopplung und ist daher nicht Bestandteil des die Reflexion
und Polarisationsdrehung erzeugenden Hohlleiterabschnitts.
Mit anderen Worten werden zwei bekannte und voneinander unabhängige Phänomente in neuartiger
Weise kombiniert, nämlich: die frequenzselektiven Reflexionseigenschaften eines leitend begrenzten
Hohlleiters, der in Querrichtung zum cut-off bei aufeinanderfolgenden Frequenzen verjüngt ist, mit der
Eigenschaft eines 180°-Phasenschiebers, die Polarisationsebene zu drehen. So wird linear polarisierte
vielfrequente Wellenenergie mit gleichen horizontalen und vertikalen Komponenten auf einen sich verjüngenden,
in unterschiedlichen Phasen reflektierenden Abschnitt gegeben, der jede Frequenz eines
Bandes in der vertikalen Komponente 90° früher als die gleiche Frequenz in der horizontalen Komponente
reflektiert. Die reflektierten Komponenten kehren daher mit insgesamt 180° Phasendifferenz hierzwischen
zurück, so daß nach ihrer Kombination eine linear polarisierte Welle mit um 90° gegenüber der
Eingangswelle gedrehter Polarisationsebene entsteht, die vom Eingang getrennt werden kann. Frequenzen
der anderen Bänder gehen ohne Drehung ihrer Polarisationsebene durch den sich verjüngenden Abschnitt
hindurch. Da jede Frequenz des abgezweigten Bandes im Effekt getrennt behandelt wird, d. h. daß der
Reflexionspunkt für jede Frequenz getrennt bestimmt wird, um die durch Reflexion erzeugte 180°-Phasendifferenz
zu gewährleisten, ist keine die Bandbreite begrenzende Frequenzselektivität vorhanden. Deshalb
können Kanäle beliebiger Bandbreite voneinander getrennt werden. Ferner, da die Diskrimination
zwischen Bändern von der präzisen und genau definierten cut-off-Bedingung eines leitend begrenzten
Hohlleiters bestimmt ist, ist die Diskrimination hoch, und der Abstand zwischen Bändern kann beliebig
sein.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 die Phasendrehung in Abhängigkeit von der Frequenz in der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 die vektorielle Drehung der Eingangspolarisationsebene zu der durch Reflexion erzielten
Ausgangspolarisationsebene und
F i g. 4 und 4 a eine verbesserte Ausführung eines Teils der Anordnung nach Fig. J im Längsmittelschnitt
bzw. im Querschnitt.
In F i g. 1 ist eine Frequenzweiche gezeigt, mit der ein Kanal oder ein Breitbandsignal mit der Mittenfrequenz
Z1 von anderen Breitbandsignalen mit den aufeinanderfolgend höheren Mittenfrequenzen Z2
und f„ abgezweigt werden kann. Die Bandbreite jedes Kanals oder die Trennung zwischen Kanälen oder
beides kann jede beliebige Anzahl von Frequenzen sein. Unter den verschiedenen Bauteilen der Frequenzweiche
ist ein mit Phasendifferenz reflektierender, sich verjüngender Hohlleiterabschnitt 10 (im
folgenden kurz »Keil« genannt) vorgesehen, der die vertikal und horizontal polarisierten Komponenten
(im folgenden kurz »Vertikal- bzw. Horizontalkom-
ponenten« genannt) der Breitbandsignale/2 und f„
durchläßt, aber die Vertikalkomponenten aufeinanderfolgender Frequenzen innerhalb des Breitbandsignals
Z1 an Stellen reflektiert, die je eine Viertelwellenlänge vom entsprechenden Reflexionspunkt der
Horizontalkomponente dieser selben Frequenz entfernt liegen.
Der Keil 10 wird von einem Übertrager 11 gespeist, der so ausgelegt ist, daß er linear polarisierte Wellenenergie
in einer Polarisationsebene, die 45° gegen die vertikale bzw. horizontale Polarisationsebene im Keil
10 geneigt ist, auf den Keil gibt sowie die vom Keil 10 reflektierte und rechtwinklig zur Polarisation der
Eingangswelle polarisierte Wellenenergie des Bandes Z1 empfängt. Dem Keil 10 folgt eine Phasenkorrektur 12.
Übergangsteile 13 und 14 zur Kopplung zwischen runden Hohlleitern und quadratischen Hohlleitern
sind zwischen dem Übertrager 11 und Keil 10 und zwischen Keil 10 und Phasenkorrektur 12 eingeschaltet.
Aufbau und Zweck dieser Teile werden später erläutert.
Das Herz der Anordnung ist der mit Phasendifferenz reflektierende Keil 10, der in Form eines langgestreckten,
leitend begrenzten Hohlleiters mit rechteckigem Querschnitt vorliegt. Bei Schnitt Λ-/1 ist der
Querschnitt des Keils 10 quadratisch, dort sind seine Abmessungen groß genug, daß die Grenzfrequenz
unterhalb der niedrigsten Frequenz des untersten Bandes Z1 liegt. Am anderen Ende, bei SchnittD-Dj
ist der Querschnitt ebenfalls quadratisch und hat solche Abmessungen, daß die Grenzfrequenz oberhalb
der höchsten Frequenz im untersten Band Z1 und oberhalb aller anderen Frequenzen in den Bändern Z2
und Zn Hegt. Vom Schnitt A-A bis zum Schnitt B-B
verlaufen die obere und die untere Hohlleiterwand für ein Viertel der mittleren Wellenlänge bei Z1 parallel
zueinander (Wandabschnitte 17 und 18) und konvergieren von da ab bis zum Schnitt D-D (Wandabschnitte
19 und 20). Die vertikale Querdimension nimmt also gleichmäßig vom Schnitt bei B-B bis
zum Schnitt bei D-D ab. Die Hohlleiterseitenwände konvergieren vom Schnittt -A bis zum Schnitt C-C
(Seitenwandabschnitte 21 und 22), und zwar im wesentlichen mit der gleichen Neigung wie die Wandabschnitte
19 und 20, und verringern so die horizontale Querdimension vom Schnitt bei A-A bis zum
Schnitt bei C-C Vom SchnittC-C bis zum Schnitt D-D verlaufen die Seitenwände wieder für eine
Viertelwellenlänge parallel zueinander (Seitenwandabschnitte 23, 24). Ein kurzes Hohlleiterstück 28 mit
gleichmäßig quadratischem Querschnitt verläuft vom Schnitt D-D bis zum Schnitt E-E. Es dient dazu, die
höchste Frequenz des Bandes Z1 sicher abzuschneiden. Im Ergebnis liegt innerhalb des Keils 10 die Reflexionsstelle
für die horizontale Komponente um eine Viertelwellenlänge vor der Reflexionsstelle für die
Vertikalkomponente bei jeder speziell betrachteten Frequenz innerhalb des Bandes Z1. Da die Welle vom
Schnitt A-A aus in den Keil eintritt, bis eine einer bestimmten Wellenlänge zugeordnete Refiexionsstelle
erreicht und diese Wellenlänge dort reflektiert wird, ergibt sich für diese Wellenlänge, wie für jede Wellenlänge
innerhalb des Bandes Z1, eine Phasenverschiebung von 180° zwischen der Horizontalkomponente
und der Vertikalkomponente bei voreilender Horizontalkomponente. Dies ist in F i g. 2 wiedergegeben,
wo die Phasenverschiebung der reflektierten Komponenten in Abhängigkeit von der Frequenz gezeigt ist.
Die durchgezogene Kennlinie 31 stellt die Phasenverschiebung der Horizontalkomponente dar, wenn
die Seitenwandabschnitte 21 und 22 linear konvergieren. Die durchgezogene Kennlinie 32 zeigt die
Phasenverschiebung der Vertikalkomponente, wenn die Wandabschnitte 19 und 20 ebenfalls linear konvergieren.
Bei der Mittenfrequenz Z1 kann die Phasenverschiebung zwischen beiden Komponenten genau
auf 180° abgeglichen werden. Bei höheren Frequenzen ist die Verschiebung etwas größer, bei niedrigeren
Frequenzen etwas geringer. Ein verbesserter Keil mit genauer 180°-Verschiebung über einen größeren
Bereich ergeben die gestrichelten Kennlinien 33 und 34. Die Kennlinie 33 erhält man, wenn der mittlere
Abstand der Seitenwandabschnitte 21 und 22 beispielsweise durch Zusammendrücken des Keils 10 an
einer geeigneten Stelle zwischen den Schnitten A-A und D-D, jedoch in größerer Nähe zu Schnitt A-A,
etwas verringert wird. Durch diese Breitenverminderung wird die Reflexionsstelle für Vertikalkomponenten
der unteren Frequenzen des Bandes näher zum Schnitt A-A verlegt und die Phasenverschiebung
vermindert.
Auf die höheren Frequenzen hat diese Maßnahme praktisch keinen Einfluß, da deren Reflexionsstellen
von diesem deformierten Bereich recht weit entfernt liegen. Die Kennlinie 34 wird dadurch erzielt, daß in
der oben beschriebenen Weise die Wandabschnitte 19 und 20 an einer näher an Schnitt D-D als an Schnitt
A-A gelegenen Stelle zusammengedrückt werden, so daß die Phasenverschiebung der Horizontalkomponenten
höherer Frequenzen vermindert wird. Beide Deformierungen vergrößern den Frequenzbereich, in
dem genau 180° Phasenverschiebung zwischen Vertikal- und Horizontalkomponente gewährleistet
ist. Wenn ein sehr breites Band benötigt wird, können beide Keilflächen vorgeformt werden, oder es kann
an mehreren Punkten gedrückt werden.
Die Wellenenergie wird dem Keil 10 über den Übertrager 11 zugeführt, der an sich von beliebiger
Art sein kann, vorausgesetzt, daß er die Wellenenergie in je einer der beiden zueinander senkrechten Polarisationsebenen
zum Keil hin bzw. vom Keil weg überträgt, wobei in einer der beiden Übertragungsrichtungen
Wellenenergie in nur einer Polarisationsebene übertragen wird. Der Übertrager 11 kann nach Art
eines Richtungskopplers ausgeführt sein, als Breitband-T-Glied od. dgl. Wie dargestellt, besteht der
Übertrager 11 aus einem Hohlleiterabschnitt 25 mit kreisförmigem Querschnitt, einem hierzu parallelgeschalteten
Abzweighohlleiter 26 mit rechteckigem Querschnitt und einer Trennwand 27. Die gegebenenfalls
noch erforderlichen Abgleichglieder sind nicht eingezeichnet. Der Übertrager 11 ist an den Keil 10
beim Querschnitt^-^ mit der vom Abzweighohlleiter bestimmten Polarisationsrichtung so angeschlossen,
daß diese Polarisationsrichtung um 45° gegenüber den oben betrachteten, im Keil 10 entstehenden
Vertikal- und Horizontalkomponenten gedreht ist. Der Anschluß erfolgt dabei mit Hilfe eines Übergangsgliedes
13, das allmählich vom runden zum quadratischen Querschnitt überleitet.
Die zu trennenden BreitbandsignaleZ1, /, und /„ werden dem Hohlleiter 25 in derjenigen linear polarisierten
Form zugeführt, wie diese durch den Vektor 37 in Fig. 1 oder durch den Vektor36 in Fig. 3
angegeben ist. Diese Polarisation wird von der Trennwand 27 und vom Abzweighohlleiter 26 praktisch
nicht beeinflußt und tritt demzufolge in den Keil 10 beim Schnitt A-A mit gleichen Vertikal- und Horizontalkomponenten
ein, wie diese von den durchgezogenen Vektoren Ev und Eh in F i g. 3 angedeutet
sind. Die Komponenten in den Bändern Z2 und /„ laufen zum Schnitt D-D weiter. Die Komponenten
des Bandes Z1 werden mit 180° Phasenverschiebung zueinander unter je entsprechend verschiedenen
Eindringtiefen im Keil 10 reflektiert. Diese Phasenumkehr ist von dem gestrichelt gezeichneten Vektor
Eff in F i g. 3 angedeutet. Die Vektorsumme von En und Ev ergibt eine Drehung der Polarisationsebene
der Resultierenden um 90°, die durch den Vektor35 in Fig. 3 oder durch den Vektor38 in
Fig. 1 dargestellt ist. Wellenenergie in dieser Polarisationsebene wird an der Trennwand 27 reflektiert
und über den Abzweighohlleiter 26 ausgekoppelt. Es sind also die Komponenten des Bandes mit der
Mittenfrequenz Z1 von den Bändern Z2 und /„ getrennt.
Eine gewisse Frequenzdispersion hat bei den Komponenten des Bandes Z1 stattgefunden, d. h., die
höheren Frequenzen sind gegenüber den niedrigeren Frequenzen wegen der größeren Eindringtiefe in den
Keil 10 etwas stärker verzögert worden. Es soll jedoch erwähnt werden, daß diese Dispersion komplementär
ist zu der von anderen Hohlleiterkomponenten des Übertragungssystems erzeugten. Sie ist deshalb
nicht unbedingt von Nachteil. Sie kann vielmehr dazu benutzt werden, die an anderen Stellen eingetretene
Dispersion zu kompensieren. Ist dies nicht gewünscht, so kann die vom Keil 10 verursachte Dispersion einfach
dadurch ausgeglichen werden, daß das Band Z1 durch einen Hohlleiter geeigneter Länge geschickt
wird, dessen Grenzfrequenz nahe der untersten Frequenz des Bandes liegt. Die unteren Frequenzen
werden dann etwas stärker verzögert als die oberen, und es wird deshalb ein Ausgleich stattfinden.
Die Frequenzkomponenten in den Bändern Z2 und Z k treten am Schnitt D-D oder E-E als elliptisch
polarisierte Wellen aus, deren Vertikalkomponenten den Horizontalkomponenten voreilen. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß die Abmessung eines Hohlleiters in der magnetischen Ebene (Η-Ebene) dessen Grenzfrequenz
bestimmt, die ihrerseits die Phasengeschwindigkeit der durchlaufenden Welle bestimmt. Kleinere
Abmessungen in der H-Ebene ergeben eine höhere Grenzfrequenz, wodurch die Grenzfrequenz näher an
die Betriebsfrequenz gelegt wird, sowie eine Phasengeschwindigkeit, die größer als die Phasengeschwindigkeit
in Leitern mit größeren Abmessungen in der H-Ebene ist. Die Phasenlage der Vertikalkomponente
ist jetzt durch die Summe der Phasenverschiebungen bestimmt, die durch den Keil von Schnitt
A-A bis Schnitt C-C und den Abschnitt kleinerer Abmessungen von C-C bis D-D verursacht sind. Auf
der anderen Seite ist die Phasenlage der Horizontalkomponente durch die Summe der Phasenverschiebungen
bestimmt, die vom Keil 10 von B-B bis D-D und vom Abschnitt A-A bis B-B größerer Abmessung
in der H-Ebene verursacht sind. Da die Phasenkonstanten im Keil für beide Polarisationsrichtungen
gleich sind, ergibt sich die Netto-Phasendifferenz aus der höheren Grenzfrequenz und größeren Phasengeschwindigkeit
im Abschnitt C-C bis D-D, der die Vertikalkomponente beeinflußte, gegenüber der
kleineren Grenzfrequenz und kleineren Phasengeschwindigkeit im Abschnitt bis B-B, der die
Horizontalkomponente beeinflußte. Es ist deshalb
Claims (1)
1. Frequenzweiche zum Aufteilen von elektromagnetischen Wellen eines breiten Frequenzbandes
in zwei Frequenzbänder, bei der ein Eingangshohlleiter die ankommenden Wellen in einen
sich verjüngenden Hohlleiterabschnitt einkoppelt, der seinerseits mit Mitteln versehen ist, mit deren
Hilfe die Wellen des einen Frequenzbandes unter Drehung ihrer Polarisationsrichtung um 90°
reflektiert und die Wellen des anderen Frequenzbandes durchgelassen werden, und bei dem die
reflektierten und in der Polarisationsrichtung gedrehten Wellen die Frequenzweiche über eine
Einrichtung verlassen, die durch einen entsprechend angeordneten Abzweighohlleiter sowie
durch eine Trennwand zum Überführen der reflektierten Wellen in den Abzweighohlleiter gebildet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der verjüngte Abschnitt eine Hohlleiteranordnung (10)
mit einem rechteckigen Querschnitt ist, bei welchem die Verjüngung der oberen und unteren
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