DE2443166B2 - Systemweiche zur trennung zweier signale, die aus je zwei doppelt polarisierten frequenzbaendern bestehen - Google Patents

Systemweiche zur trennung zweier signale, die aus je zwei doppelt polarisierten frequenzbaendern bestehen

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Description

Die vorliegende F.rfindung befaßt sich mit einei Systemweiche zur Trennung zweier Signale, die aus je zwei doppelt polarisierten Frequenzbändern unterschiedlicher Frequenz bestehen, zusammengefügt aus einem ersten Hohiieiicrabschnitt, in dem beide Frequenzbänder mit ihren doppelten Polarisationen existent sind, einem zweiten Hohlleiterabschnitt mit frequenzbandselekliven Ausbreitungseigenschaften und einem dritten Hohlleiterabschnitt, in dem nur das /weite Frequenzband existent ist, an dem eine Polarisationsweiche angeschlossen ist. an deren Ausgängen die beiden Signale der Polarisationen des zweiten Frequenzbandes verfügbar sind.
Der Aufbau stark vermaschter Richtfunknetze und die durch örtliche Gegebenheiten begrenzte Stellfläche auf den Antennenplattformen von Richtfunktürmen lassen es wünschenswert erscheinen, Breitbandantennen in mindestens zwei Frequenzbändern in zwei Polarisationen auszunutzen. Als besonders günstig erweist sich eine Breitbandantenne (z. B. Hornparabol, Cassegrain- oder Muschel-Antenne) in Verbindung mit einer entsprechend ausgebildeten Weiche. Solche Weichen wurden bisher meist mit selektiven O-dB-Kopplern aufgebaut, deren Hauptnachteil in der großen Baulänge, den Koppelverlusten und in der Anregung von höheren unerwünschten Wellentypen /u sehen ist.
In der DT-OS 15 91428 ist eine Anordnung zur selektiven Auskopplung einer elektromagnetischen Welle aus einem Übertragungshohlleitet für sehr kurze elektromechanische Wellen beschrieben. Bei dieser Anordnung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einem Übertragungshohlleiter selektiv eine elektromechanische Welle auszukoppeln. Durch eine Querschnittsverengung des Hohlleiters wird für die auszukoppelnde Welle ein Leitungsresonator gebildet, wobei an diesen Leit'.ingsresonator unmittelbar ein weiterer Resonator angekoppelt ist, dem die auszukoppelnde Welle über ein weiteres Koppelorgan entnommen wird. Eine solche Anordnung ist dazu geeignet, lediglich eine selektive Welle auszukoppeln, wobei eine Polarisation der ankommenden Welle unbeachtet geblieben ist.
Aus diesen genannten Nachteilen, zu große Baulänge, Koppelverluste in den O-dB-Kopplern und die Entstehung höherer Wellentypen, ergibt sich die Aufgabenstellung, eine Systemweiche zu schaffen, die eine kurze Baulänge hat, die Koppelverluste vermindert und die Entstehung höherer Weüentypen vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der zweite Hohlleiterabschnitt so bemessen ist, daß das erste Frequenzband stehende Wellen bildet, wobei der zweite Hohlleiterabschnitt für jede Polarisation in den Wänden jewe'ls gegenüberliegende Koppelmittel
aufweist und die Koppelmittel mit zugeordneten Leitungen und Selektionsmitteln als Durchlaß für das ■^rste Frequenzband verbunden sind, deren elektrisch wirksame Refiexionsebene für das zweite gesperrte Frequenzband eine Totalreflexion bewirkt und über Hybridschaltungen derart miteinander verschaltet sind, daß an getrennten Ausgängen jede Polarisation des ersten Frequenzbandes einzeln verfügbar ist.
Eine solche Weiche ist ein passives Element und somit auch reziprok zu betreiben. Die in dieser Weiche verwendeten Koppelmittel werden zweckmäßigerweise durch Längs- oder Querschlitze, induktive Koppelmittel oder als Längsbalkenkopplungen ausgebildet. Die erforderlichen Selektionsmittel können in Hohlleitertechnik, koaxialer Leitungstechnik oder auch als is Streifenleitertechnik ausgeführt sein. In dem ersten Hohlleiterabschnitt werden vorteilhafterweise Kompensationsmittel, vorzugsweise Stifte, unter einem Winkel von 45° zu den Polarisatioiorichtungen angeordnet, um die beiden Frequenzbänder unabhängig voneinander korrigieren oder anpassen zu können. Weiter ist es vorteilhaft, den zweiten Hohlleiterabschnitt mit einer kontinuierlichen Querschnittsveränderung oder mit einer Sperrstruktur zu versehen.
Diese Systemweiche hat eine sehr kleine Ausführungsform, vermeidet die Koppelverluste und die Entstehung höherer Wellentypen. Ferner können diese Weichen durch andere Verschaltungsmaßnahmen oder durch Einschalten eines Zirkularpolarisators zur Erzeugung von rechts- und linksdrehenden zirkularpolaris'srten Wellen (Dualpolarisation) in mehreren Frequenzbändern verwendet werden. Auch ist eine Hintereinanderschaltung von mehreren Weichen dieser Art möglich. Weiter wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme das Problem gelöst, bei kleinen Reflexionsfaktoren einen Hohlleiter oder eine Antenne entkoppelt in zwei Polarisauonsrichtungen mit mindestens zwei Frequenzbändern zu beschälten.
Die Realisierung der Erfindung erfolgt durch drei getrennte Maßnahmen:
Die erste Maßnahme besteht in der Erzeugung von Totalreflexion für die Wellen des unteren Frequenzbandes durch Verändern des Hohlleiterquerschnitts oder durch Einfügen von Filterelementen. Die zweite Maßnahme besteht im Auskoppeln der stehenden Welle durch symmetrisch angeordnete Koppelelemente, die sowohl in Hohlleuertechnik als auch in koaxialer oder in Dünnfilmtechnik ausgeführt sein können. Die dritte Maßnahme besteht darin, den Koppelelementen selbst oder den nachgeschalteten Leitungen Filtereigenschaften zu verleihen. Dadurch wird ein Auskoppeln der oberen Frequenzbänder im durchgehenden Kanal verhindert oder der ausgekoppelte Energieanteil dieser Bänder so reflektiert, daß die reflexionsmäßige Rückwirkung zu einem Minimum wird.
Eindeutige Ausgänge für die ausgekoppelten Polarisationen Pl, P2, PZ, PA erhält man durch paarweises Zusammenschalten der Auskopplungen mit einem Netzwerk. Durch Verschalten der beiden, den einzelnen Polarisationen Pl, P2, P3, P 4 zugeordneten Ausgänge mit einem weiteren Netzwerk, werden Ausgänge für rechts- und linksdrehende Zirkularpolarisation oder für nachführbare Linearpolarisation gewonnen.
Anhand einiger Ausführungsbeispiele wird in den Figuren der Zeichnung der Erfindungsgedanke näher erläutert. Im einzelnen sind dargestellt
in der F i g. 1 die erfindungsgemäße Systemweiche in einem PrinziDschema.
in der F i g. 2 der Längsschnitt der Systemweiche und zwar der Teil für das untere Frequenzband und
in der Fig.3 die Ansicht der Hohlleiterabschnitte 1 und 2 von vorn, sowie schematisch das nachfolgende Netzwerk im Prinzipschaltbild.
In der F i g. 1 ist schematisch die erfindungsgemäße Systemweiche für den 4- und 6-GHz-Bereich dargestellt. Der erste Hohlleiterabschnitt 1 ist zur Übertragung beider Frequenzbänder bestimmt und kann für das untere Übertragungsband als eindeutiger quadratischer oder runder Hohlleiter ausgebildet sein. Er kann für den Fall der Anwendung der Systemweiche in Verbindung mit einer Hornparabolantenne oder einer anderen horngespeisten Antenne pyramidisch bzw. konisch sein.
Der zweite Hohlleiterabschnitt 2 bildet den Übergang vom ersten Hohlleiterabschnitt 1 zum dritten Hohlleiterabschnitt 3, in dem sich die Wellen des unteren Frequenzbandes aufgrund der Bemessung des Hohlleiterquerschnittes nicht ausbreiten können.
Der Steigungswinkel λ des zweiten Hoh.'.'citerabschnittes kann je nach der relativen Breite des zu übertragenden Bandes zwischen 0 und 90c gewählt werden. Je größer die geforderte Bandbreite ist, desto größer muß der Winkel λ gewählt werden. Beispielsweise ist für eine relative Bandbreite von 13% ein Steigungswinkel von λ= 12,5° ausreichend.
Die Hochpaßeigenschaft des dritten Hohlleiterabschnittes 3 bewirkt im ersten Hohlleiterabschnitt 1 und im vorderen Teil des zweiten Hohlleiterabschnittes 2 stehende Wellen im unteren Frequenzband (4 GHz). Dieses wird mit vier doppelt symmetrisch angeordneten Koppelelementen Kl, K 2, K 3, K 4 ausgekoppelt. Die doppelte Symmetrie ist erforderlich, da sonst für das obere Frequenzband höhere Hohlleiterwellentypen angeregt werden könnten. Die Koppelelemente K 1, K 2, K 3, K 4 (vergleiche F i g. 2) ir. dem zweiten Hohlleiterabschnitt 2 werden vorteilhaft als Koaxialeinkopplungen ausgebildet. Jedoch sind auch Hohlleiterauskopplungen möglich, die aber in dem oberen Frequenzbereich schwieriger zu beherrschen sind. Besonders günstige Eigenschaften hat die sogenannte Längsbalkenauskopplung wegen ihrer Breitbandeigenschaft, die hier verwendet wird. Für jede der beiden 4-GHz-Polarisationen Pl und P2 sind zwei gegenüberliegende Koppelelemente Kt, K3 und K 2, K4 vorgesehen. Selbstverständlich werden auch Anteile des oberen Frequenzbandes ausgekoppelt. Bei der 4-GHz-Längsbalkenauskopplung beträgt die 6-GHz-Koppeldämpfung ca. 1OdB. Dies stellt schon eine recht gute Vorselektion dar.
Die dritte Maßnahme besteht darin, den Koppelelementen selbst oder den nachgeschalteten Leitungen Filtereigenschaften zu verleihen. Dadurch wird nun der ausgekoppelte höherfrequente Energieanteil zur reflexionsmäßigen Kompensation der durch die Auskopplung verursachten Störung des durchgehenden höherfrequenten Kanals herangezogen. Dies geschieht durch Einfügen von Filtern Fl, F2, F3, F4 in die den Koppelelementen nachgeschalteten Leitungen Ll, L 2, L 3, L4. Diese Filter Fl, F2, F3, F4 müssen das obere Frequenzband sperren und das untere Frequenzband durchlassen.
Die Sperrwirkung veursacht Totalreflexion, die durch eine fiktive Kurzschlußebene nachgebildet werden kann. Die Transformationslänge zwischen Kurzschlußebene des Filters für das obere Frequenzband und zugehörigem Koppelelement läßt sich außerordentlich wirksam als Kompensationsmittel für
die Reflexion des durchgehenden Kanals verwenden. Diese Reflexion wird durch die Geometrie der Koppelelemente und des zweiten Hohlleiters hervorgerufen. Die Kompensationswirkung ist sehr ausgeprägt und wiederholt sich bei Veränderung der Kompensationslänge jeweils um λ/2. Die beste Breitbandwirkung wird bei möglichst kleiner Länge erreicht.
Die Filter Fl, F2, F3, F4 können als Tiefpässe, Bandsperren oder als Bandpässe ausgebildet sein. Für den Fall der Verwendung von Koaxialleitungen L 1, L 2, L 3, L 4 eignen sich besonders gut koaxiale Tiefpässe oder Radialkreissperren. Diese Filter bringen je nach Dimensionierung die gewünschte Selektion zwischen dem oberen und dem unteren Frequenzband. Die Leitungen Li, L2, L3, LA müssen paarweise über gleiche elektrische Längen mit je einem 180°-Hybrid Hl, H2 zusammengeschaltet werden. An den Summenausgängen Σ\,Σ2 ist dann die Energie von je einer Polarisation Pi, P2 verfügbar. Die Differenzausgänge 4 1,42 werden mit Absorbern abgeschlossen. Die Ausgänge für horizontale und vertikale Polarisation können zusätzlich mit einem 3-dBKoppler RK (vergleiche F i g. 3) verschaltet werden. Damit lassen sich Ausgänge für den Betrieb der Weiche mit rechts- und linksdrehend zirkularpolarisierten Signalen /?Zund Z-Zgewinnen.
Der dritte Hohlleiterabschnitt 3 für den oberen Frequenzbereich wird zur Trennung von horizontaler und vertikaler Polarisation P3 und P4 mit einer Polarisationsweiche P versehen. Soll auch dieses Band mit Zirkularpolarisation betrieben werden, so muß zwischen dem dritten Hohlleiterabschnitt 3 und der Polarisationsweiche P ein Zirkularpolarisator (nicht abgebildet) eingefügt werden. Die beiden Ausgänge der Polarisationsweiche Zustellen in diesem Fall die Tore für die rechts- und linksdrehend zirkularpolarisierten Signale dar.
Statt mit dem Polarisator kann die Zirkularpolarisation durch Verschalten der beiden Ausgänge der Polarisationsweiche P mit einem 3-dB-Koppler (nicht dargestellt) erfolgen (vergleiche Fig.3 entsprechend dem unteren Frequenzband). Die unterschiedlichen elektrischen Längen der beiden Ausgänge können mit einem Phasenausgleich in einer Verschaltung korrigiert werden.
Es besteht die Möglichkeit Korrekturstifte in diagonaler Anordnung im ersten oder zweiten Hohlleiterabschnitt in den Ecken, also unter 45°, zu den Hohlleiterwänden anzuordnen. Dadurch kann man jeweils nur ein Frequenzband der beiden Frequenzbänder beeinflussen bzw. korrigieren hinsichtlich ihrer Anpassung. Diese Korrekturstifte müssen selbstverständlich in einer vorher bestimmten Querschnittsebene in doppelter Symmetrie des betreffenden Hohlleiterabschnittes angeordnet werden. Die doppelte Symmetrie ist deshalb erforderlich, weil sonst die Polarisationskopplung und die Unterdrückung der höheren Wellentypen nicht mehr gewährleistet ist. Die 45°-Anordnung ist deshalb notwendig, weil die Anpassung der beiden Frequenzbänder nicht gleich gut ist. Auf diese Weise ist es möglich, das in seiner Anpassung schlechtere Frequenzband unabhängig von dem besser angepaßten in seiner Anpassung zu korrigieren.
Die Anordnung nach der Fig. 1 ordnet dem durchgehenden Hohlleiterkanal das obere Frequenzband und den ausgekoppelten Wellen das untere Frequenzband zu. Es ist aber auch der umgekehrte Fall möglich, bei dem die stehenden Wellen nicht mehr mittels einer Querschnittsveränderung eines doppell polarisierbaren zweiten Hohlleiterabschnittes erzeugt werden. Dabei muß in diesem ersten Hohlleiterabschnitt eine in zwei Polarisationen gleichartig wirksame Sperrstruktur für die oberen Frequenzbänder vorgesehen werden, die die stehenden Wellen erzeugt und die dann in ähnlicher Weise wie in dem ersten Beispiel mittels paarweise angeordneten Koppelmitteln ausgekoppelt werden. Hier bringen Hohlleiterauskopplungen Vorteile, da die Hochpaßeigenschaft der Hohlleiterauskopplungen bereits die dem erfindungsgernäßen Beispiel angeführten Selektionsmittel darstellen.
Eine sehr wesentliche Erweiterung der erfindungsgemäßen Systemweiche ergibt sich durch die Hintereinanderschaltung von mehreren Systemweichen, insbesondere von solchen der ersten hier beschriebenen Art.
Bei der Hintereinanderschaltung von Hohlleiterabschnitten gemäß der Fig. 1, die unterschiedlichen Frequenzbändern zugeordnet sind, tritt das Problem auf, daß die Längsausdehnung der Koppelelemente keine beliebig enge Nachbarschaft von zwei Frequenzbändern zuläßt. Der hierdurch festgelegte Abstand der Mittenfrequenzen fm i und fm 2 der beiden Frequenzbänder liegt bei etwa /m2«l,5 · fm 1. Diese Grenze läßt sich mit der Verwendung von Rundhohlleitern umgehen, indem die Einkopplungen zweier benachbarter Frequenzbänder im ersten konischen Hohlleiterabschnitt 1 erstens axial und zweitens radial um 45" zueinander versetzt angeordnet werden. Die entsprechenden Koppelelemente K 11. K 12, K 13, K 14 sind in dem unteren Frequenzband und die weiteren Koppelelemente K 21, K 22. K 23. K 24 dem benachbarten oberen Frequenzband zugeordnet. Der zweite Hohlleiterabschnitt 2 ist als Übergang von konischem auf zylindrischen Hohlleiter ausgebildet und dient der Übertragung weiterer Frequenzbänder f> fm 2. Den Auskopplungen AfIl, Af 12, K13, Af 14 sind die Radialkreissperren F11.F12, F13, F14 zugeordnet, die das Frequenzband fm 2 sperren.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:
1. System weiche zur Trennung zweier Signale, die aus je zwei doppelt polarisierten Frequenzbändern unterschiedlicher Frequenz bestehen, zusammengefügt aus einem ersten Hohlleiterabschnitt, in dem beide Frequenzbänder mit ihren doppelten Polarisationen existent sind, einem zweiten Hohlleiterabschnitt mit frequenzbandselektiven Ausbreitungseigenschaften und einem dritten Hohlleiierabschnitt, in dem nur das zweite Frequenzband existent ist, an dem eine Polarisationsweiche angeschlossen ist, an deren Ausgängen die beiden Signale der Polarisationen des zweiten Frequenzbandes verfügbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hohlleiterabschnitt (2) so bemessen ist, daß das erste Frequenzband (/Ί) stehende Wellen bildet, wobei der zweite Hohlleiterabschnitt für jede Polarisation (Pl, P2) in den Wänden jeweils gegenüberliegende Koppelmittel (Ki, K 2, K 3. K 4) aufweist und die Koppelmittel (K 1, K 2, K 3, K 4) mit zugeordneten Leitungen (Z. 1, L 2, L 3. L4) und Selektionsmitteln (Fl, F2, F3, F4) als Durchlaß für das erste Frequenzband (/"I) verbunden sind, deren elektronisch wirksame Reflexionsebene für das zweite gesperrte Frequenzband (f2) eine Totalreflexion bewirkt und über Hybridschaltungen (Hl, H2) derart miteinander verschaltet sind, daß an getrennten Ausgängen jede Polarisation (Pl, P2)des ersten Frequenzbandes einzeln verfügbar ist.
2. Systemweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Frequenzband den tieferen Frequenzen zugeordnet ist.
3. Systemweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Frequenzband den höheren Frequenzen zugeordnet ist.
4. Systemweiche nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelmittel (K 1, K 2, K 3, K 4) als Filter(F 1, F2, F3, F4) wirksam sind.
5. Systemweiche nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Ausgänge der Systemweiche reziprok sind.
6. Systeinweiche nach einem der Ansprüche 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelmittel (K 1, K 2, K 3, K 4) durch Längs- oder Querschlitze gebildet werden.
7. Systemweiche nach einem der Ansprüche 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelmittel (K 1, K 2, K 3, K 4) induktive Kopplungen sind.
8. Systemweiche nach einem der Ansprüche 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelmittel aus Längsbalkenkopplungen bestehen.
9. Systemweiche nach einem der Ansprüche 1 —8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (L 1, L 2, i.3, L 4) und/oder die Selektionsmittel (Fl, F2, F3, F 4) in Hohlleitertechnik ausgeführt sind.
10 Systemweiche nach einem der Ansprüche 1 —3, 5—8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (Ll, L 2, L 3, L 4) und/oder die Selektionsmittel (Fl, F2, F3, F4) in koaxialer Leitungstechnik ausgeführt sind.
11. Systemweiche nach einem der Ansprüche 1 —3, 5—8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (L 1, L 2, L 3, L 4) und/oder die Selektionsmittel (Fl, F2, F3, F4) in Streifenleitertechnik ausgeführt sind.
12. Systemweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten oder zweiten Hohlleiterabschnitt (1, 2 Kompensationsmittel, vorzugsweise Stifte (KOi KO2, KO3, KO4), unter einem Winkel von 45° zi den Polarisationsrichtungen angeordnet sind.
13. Systemweiche nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hohlleiterabsehnii (2) eine kontinuierliche Querschnittsveränderuni hat.
14. Systemweiche nach Anspruch 1, dadurcf gekennzeichnet, daß der zweite Hohlleiterabschniti (2) mit einer Sperrstruktur versehen ist.
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