DE2645294B2

DE2645294B2 - Mehrfachkoppler für eng benachbarte Frequenzkanäle

Info

Publication number: DE2645294B2
Application number: DE2645294A
Authority: DE
Inventors: Harlow C. Sepulveda Bell; Harold A. Santa Monica Rosen
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-10-22
Filing date: 1976-10-07
Publication date: 1979-06-13
Also published as: CA1078534A; JPS5251811A; DE2645294A1; US4029902A; GB1537296A; FR2329115A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrfachkoppler für eng benachbarte Frequenzkanäle eines Mikrowellen-Frequenzbandes mit je einem Richtungsfilter pro Frequenzkanal und einer Kaskadenschaltung aller dieser Richtungsfilter auf eine gemeinsame Übertragungsleitung derart, daß die Übertragungseigenschaften jedes Übertragungsweges für die Signale einen Frequenz-Kanals eine Funktion der Übertragungskoeffizienten des dem Kanal zugeordneten Richtungsfilters und der Reflexionskoeffizienten der längs der gemeinsamen Leitung aufeinanderfolgenden anderen Richtungsfilter ist.

In modernen Breitband-Übertragungssystemen isit es üblich, eine Vielzahl von Signalen zur Übertragung über große Entfernungen zu kombinieren und am Empfangsende der Übertragungsstrecke die Frequenzbänder für die anschließende Signalverarbeitung zu trennen. Die Techniken zur Kombination und Trennung solcher Signale werden gewöhnlich als Multiplex- und Demultiplexverfahi en bezeichnet. Es isu eine Vielzahl von Multiplex-Verfahren bekannt und in Gebrauch, und zwar sowohl Zeitmultiplex- als auch Frequenzmultiplex-Verfahren. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Mehrfachkoppler für Frequenzmultiplex-Verfahren.

In typischen Breitband-Übertragungssystemen wird eine Anzahl getrennter, in ihrer Bandbreite begrenzter Kanäle benutzt, um die die Information enthaltenden Signale zu erzeugen, zu verstärken und auf sonstige Weise zu verarbeiten. Die Verteilung einer Vielzahl von Signalen auf Kanäle ist aus mehreren Gründen zweckmäßig, insbesondere zur Verminderung von Wechselwirkungen und Kreuzmodulationen zwischen den verschiedenen Benutzern des Systems.

Demgemäß werden in solchen Systemen Signale, die sich über einen ersten Frequenzbereich erstrecken, durch eine Kombination von Geräten erzeugt, verstärkt und auf andere Weise verarbeitet, während eine zweite Kombination gleichartiger Geräte diejenigen Signale verarbeitet, die sich in einem zweiten Frequenzbereich befinden usw. Am Ausgang der von den Geräten gebildeten Kaskadenschaltung werden die Signale dann zur Übertragung kombiniert Die kombinierten Signale werden beispielsweise einer Sendeantenne zugeführt, um sie über eine große Strecke zu übertragen, an deren Ende sie von einer Empfangsantenne aufgenommen und für die nachfolgende Verarbeitung oder Verwendung getrennt werden.

An die zu diesem Zweck benutzten Mehrfachkoppler müssen für optimalen Betrieb mehrere wichtige Forderungen gestellt werden. Diese Forderungen betreffen die Einfügungsdämpfung, den Dämpfungsverlauf im Durchlaßband, die Gruppenlaufzeit und die Dämpfung für außerhalb des Durchlaßbandes liegende Frequenzen. Die Wechselwirkung zwischen den Filtern für die einzelnen Kanäle, die einen relativ geringen Frequenzabstand haben, hat es bisher schwierig gemacht, die gewünschte Kombination dieser Eigenschaften zu erzielen. Im Nachrichtenverkehr benutzte Mehrfachkoppler sind deshalb so ausgebildet worden, daß sie nur jeweils jeden zweiten von benachbarten Kanälen miteinander kombinieren bnctatt unmittelbar benachbarte Kanäle. Demgemäß wurde bisher ein Mehrfachkoppler dazu benutzt, die sogenannten ungeraden Kanäle zu kombinieren, während ein anderer Mehrfachkoppler zur Kombination der sogenannten geraden Kanäle benutzt wurde. Eine solche Mehrfachkopplung ermöglicht die Wahl eines minimalen Kanalabstandes und reduziert in hohem Maße unerwünschte Wechselwirkungen. Der Nachteil ist jedoch, daß die doppelte Anzahl von Antennen- oder Antennen-Betriebsarten erforderlich ist, als es sonst der Fall wäre. Bei Systemen, deren Antennen relativ kompliziert, schwer und kostspielig sind, ist die Verdoppelung ihrer Anzahl unerwünscht. Auch ist es, wenn an die Strahlungscharakteristik der Antenne spezielle Anforderungen gestellt werden, sehr schwierig, ohne erhebliche Verminderung der Qualität die Strahlungsdiagramme für zwei Betriebsarten zu erzeugen.

Es sind allerdings auch schon Mehrfachkoppler für unmittelbar aneinandergrenzer.de Frequenzkanäle bekannt, die für manche Zwecke geeignet sind. Beispielsweise ist in einem Aufsatz von Grüner und Williams: »A Low-Loss Multiplexer for Satellite Earth Terminals« in COMSAT TECHNICAL REVIEW, Bd. 5, Nr. 1 (1975), Seiten 157 bis 177, ein Mehrfachkoppler für aneinandergrenzende Kanäle Ijeschrieben.der zur Verwendung in mit Satelliten zusammenwirkenden Bodenstationen bestimmt ist. Der in diesem Aufsatz beschriebene Mehrfachkoppler

weist Eigenschaften auf, die für den vorgesehenen Zweck befriedigend sind. Er ist jedoch sehr umfangreich und schwer, so daß er für Anwendungen nicht geeignet ist, bei denen es auf geringe Größe und geringes Gewicht ankommt Weiterhin weist der bekannte Mehrfachkoppler einen unerwünscht hohen Dämpfungsgang und eine hohe Gruppenlaufzeit in allen Kanälen außer dem letzten auf. In den meisten Fällen ist es erforderlich, diese unerwünschten Übertragungseigenschaftfcrt eines solchen Mehrfachkopplers durch Ausgleichselemente zu kompensieren. Die Anwendung solcher Ausgleichselemente führt jedoch zu zusätzlichen Verlusten, einem erhöhten Gewicht und erhöhten Kosten.

Eine bekannte Methode zum Vermeiden einer Wechselwirkung zwischen einer Anzahl miteinander verbundener Filter eines Mehrfachkopplers besteht in der Anwendung von Richtungsfiltern für jeden Kanal. Zumindest in der Theorie sind Richtungsfilter für diesen Zweck ideal, weil sie für alle Frequenzen mit einem Stehwellenverhältnis von Eins hergestellt werden können, so daß eine Anzahl von ihnen in einem Mehrfachkoppler in Kaskade geschaltet werden kann. Allgemein werden Richtungsfilter aus zwei im wesentlichen identischen Filtern hergestellt, die an ihren Eingängen und Ausgängen durch einen Quadratur-Hybridkoppler miteinander verbunden sind. Der Aufbau und die Eigenschaften von Richtungsfiltern sind seit einigen Jahren bekannt, beispielsweise aus einem Aufsatz von Cohn und Coale: »Directional Channel-Separation Filters« in Proc. IRE, Bd. 44, Nr. 8 (1956), Seiten 1018 bis 1024. Wenn solche Richtungsfilter in einem Mehrfachkoppler in Kaskade geschaltet sind, wirken die Reflexionseigenschaften der folgenden Richtungsfilter mit den Übertragungseigenschafen des vorhergehenden Richtungsfilters in einem solchen Maße zusammen, daß es noch immer erforderlich war, Ausgleichselemente einzusetzen. Obwohl eine Wechselwirkung mit den Reflexionseigenschaften aller folgenden Richtungsfilter besteht, besteht nur bei den Richtungsfiltern, deren Frequenzbänder einander benachbart sind, eine erhebliche Wechselwirkung zwischen den Durchlaßbereichen der Kanäle. Insofern war es bisher nicht möglich, einen solchen Mehrfachkoppler derart auszubilden, daß die obenerwähnte Wechselwirkung ausreichend klein ist, ohne daß zu unerwünscht breiten Schutzbändern zwischen den Kanälen oder zu einer Kopplung nur zwischen ungeraden oder geraden Kanälen Zuflucht genommen wird.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Mehrfachkoppler der eingangs beschriebenen Art für unmittelbar benachbarte Kanäle zu bilden, der bei einem einfachen Aufbau solche Übertragungseigenschaften aufweist, daß die Notwendigkeit zur Verwendung kostspieliger Ausgleichsanordnungen, insbesondere zum Ausgleich der Gruppenlaufzeiten, im wesentlichen entfällt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die obere und/oder untere Grenzfrequenz aller derjenigen Richtungsfilter, denen in der Schaltungsreihenfolge des Kaskadenschaltung noch ein Richtungsfilter für den frequenzhöheren und/oder frequenzniederen Nachbarkanal folgt, derart über die Kanalgrenze hinausreichend dimensioniert ist, daß die durch die Reflexioiueigenschaften nachfolgend geschalteter Nachbarkanal-Filter bewirkten Übertragungsverluste innerhalb ues Kanal-Frequienzberei-

ches kompensiert sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Mehrfachkoppler werden also die gewünschten Übertragungseigenschaften dadurch bewirkt, daß ausgewählte Filterpaare absichtlich so abgestimmt werden, daß durch die Wechselwirkung zwischen benachbarten Kanälen eine Optimierung der Gesamt-Übertragungseigenschaften erreicht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in jedem Kanal des Mehrfachkopplers zwei im wesentlichen identische, hochselektive Filter benutzt. Die Filter jedes Paares sind an ihren Eingängen und Ausgängen durch Quadratur-Hybridschaltungen gekoppelt Bei einer Ausführungsform ist jedes der Filter, die einem bestimmten Kanal zugeordnet sind, so ausgebildet, daß seine obere Grenzfrequenz jenseits des zugeordneten Frequenzbandes und jenseits der unteren Bandkante des nächst höheren Kanals liegt. Durch Hinausrücken der oberen Grenzfrequerzder Filter der unteren Kanäle in dieser Weise findet eine beabsichtigte Wechselwirkung in der Weise stan, daß die Rückwärts-Veriu-'i-Wechseiwirkung des benachbarten Kanals höherer Frequenz kompensiert wird.

Abhängig von der Ordnung, in der die Vielzahl der Kanäle im Mehrfachkoppler angeordnet ist, ist es auch möglich, die gewünschten Multiplex-Eigenschaften dadurch zu erzielen, daß die untere Grenzfrequenz des Filters eines höheren Kanals über dessen Bandkante hinaus verlagert wird, damit in beabsichtigter Weise eine Wechselwirkung mit dem benachbarten tieferen Kanal stattfindet. In anderen Fällen, wiederum in Abhängigkeit von der Ordnung, mit der die Kanäle verteilt sind, kann die obere und die untere Grenzfrequenz des Filters eines bestimmten Kanals verschoben sein, um eine gleichzeitige Kompensation der Reflexionseigenschaften der beiden benachbarten Kanäle zu erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen. Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. la und 1 b das Diagramm eines Frequenzbandes, das gemäß dem Stand der Technik in einzelne Kanäle unterteilt worden ist,

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typischen Ausgangs-Mehrfachkopplers nach dem Stand der Technik,

Fig. 3a und 3b Diagramme der Bandpaß-Charakteristik des Ausgangs-Mehrfachkopplers nach Fig. 2,

Fig. 4 das Blockschaltbild eines Mehrfachkopplers nach der Erfindung,

Fig. Sa und 5b Diagramme, die den Kanatverlust und die Kanal-Gruppenlaufzeit für einen Kanal des Mehrfachkopplers nach Fig. 4 ohne Kompensation wiedergeben,

Fig. 6a und 6b D.agramme, welche den Gesamtverlust und die Gesamt-Gruppenlaufzeit für nichtkompensierte Einzelkanäle nach den Fig. 5a und 5b wiedergeben,

Fig. 7a und 7b Diagramme, welche den Kanalverlust und die Kanal-Gruppenlaufzeit bei einem nach den Lehren der Erfindung ausgebildeten Mehrfachkoppler wiedergeben,

Fig. 8a und 8b Diagramme, welche den Gesamt-

verlust und die Gesamt-Gruppenlaufzeit eines Mehrfachkopplers nach der Erfindung wiedergeben,

Fig. 9 die Seitenansicht eines Vierkanal-Mehrfachkopplers nach der Erfindung,

Fig. 10 eine vereinfachte Draufsicht auf einen der Eingangsabschnitte des Mehrfachkopplers nach Fig. 9,

Fig. 11 eine vereinfachte Ansicht des Mehrfachkopplers nach Fig. 9 von unten zur Veranschaulichung der Hybrid-Ausgangskopplung, und

Fig. 12 ein Diagramm der Verluste des Mehrfachkopplers nach Fig. 9 in Abhängigkeit von der Frequenz.

In Fig. la veranschaulicht die Kurve 10 ein Frequenzband, das sich von der unteren Frequenz /j bis zu einer oberen Frequenz f_h erstreckt. Wie oben erwähnt, ist es für viele Zwecke der Nachrichtenübertragung vorteilhaft, ein derart breites Frequenzband in Kanäle zu unterteilen, um eine bessere Verstärkung und/oder Signalverarbeitung zu erzielen. Gemäß Fig. Ib ist das Frequenzband zwischen /₍ und f_h in sechs Kanäle 1 bis 6 unterteilt. In der Praxis kann sich die obere Grenzfrequenz eines Kanals, beispielsweise des Kanals 1, bis zur unteren Frequenz des nächst höheren Kanals, also beispielsweise des Kanals 2, erstrecken usw. Allgemein ist es jedoch vorteilhaft, zwischen den Kanälen einen kleinen Sicherheitsabstand zu lassen. So befindet sich gemäß Fig. Ib zwischen den Kanälen 1 und 2 ein Sicherheitsband 11, zwischen den Kanälen 2 und 3 ein Sicherheitsband 12 usw. bis zum Sicherheitsband 15 zwischen den Kanälen 5 und 6. Sehr oft haben die verschiedenen Kanäle die gleiche Bandbreite. Ebenso haben gewöhnlich die Sicherheitsbänder zwischen den Kanälen die gleiche Breite. In Fig. Ib ist dagegen der allgemeinere Fall dargestellt, bei dem die Kanäle verschiedene Bandbreiten haben und auch die Breite der Sicherheitsbänder zwischen den Kanälen verschieden ist.

Wenn angenommen wird, daß jeder der in Fig. Ib dargestellten Kanäle 1 bis 6 eine Vielzahl von Informationen enthaltenden HF-Signalen repräsentieren, erhält die folgende Beschreibung mehr Sinn. Wie oben erwähnt, werden die sich innerhalb eines bestimmten Kanals befindenden Signale erzeugt, verstärkt und in anderer Weise von einer Kombination von in Kaskade geschalteten HF-Geräten verarbeitet, die alle die gleiche Arbeitsbandbreite haben wie der entsprechende Kanal. Solche Einrichtungen zur Signalverarbeitung umfassen typischerweise einen Breitbandverstärker, beispielsweise eine Wanderfeldröhre mit zugeordneten Eingangs- und Ausgangskreisen, Dämpfungsglieder zur Pegeleinstellung usw. Nachdem die Signale verarbeitet sind, werden sie in ihren entsprechenden Kanälen in einen übertragungsweg eingekoppelt, damit sie einem Empfänger zugeführt werden.

Zur Kombination der Ausgangssignale von mehreren Kanälen dient ein Ausgangs-Mehrfachkoppler. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind Mehrfachkoppler nach dem Stand der Technik zweiteilig ausgebildet. Der obere Teil 17 des Ausgangs-Mehrfachkopplers dient zur Kombination der ungeraden Kanäle 1, 3 5..., während der untere Teil 18 dss Mehrfachkopplers zur Kombination der geraden Kanäle 2,4,6... usw. dient. Die auf diese Weise kombinierten geraden und ungeraden Kanäle werden dann in üblicher Weise, beispielsweise mittels Hohlleiter oder Koaxialleitungen, den nicht dargestellten Speiseeinrichtungen einer Antenne zugeführt. Gewöhnlich werden die geraden Kanäle einer ersten und die ungeraden Kanäle einer zweiten Antenne zugeführt. In manchen Fällen ist es möglich, zwei verschiedene Polarisationen in dei Speiseeinrichtung zusammen mit einem einzigen Reflektor zu benutzen.

Bekannte Ausgangs-Mehrfachkoppler für eine Breitband-Nachrichtenübertragung werden in einer von mehreren allgemeinen Formen ausgebildet. Eine Form von Ausgangs-Mehrfachkopplern macht von einer Vielzahl Bandpaßfiltern Gebrauch, die so angeordnet sind, daß jeder der verschiedenen Frequenzen zugeordneten Kanäle durch das Bandpaßfilter in einen gemeinsamen Hohlleiter oder eine Sammelleitung eingekoppelt wird, durch den bzw. die alle Frequenzen dem Ausgang des Mehrfachkopplers zugeführt werden. Eine Teilung der Signale in jedem dei Frequenzbänder kann durch Bandsperren in dem Mehrfachkoppler verhindert werden. Wie von Grüner und Williams in ihrem obenerwähnten Artike ausgeführt, werden jedoch hochselektive Filter benötigt, um die Wechselwirkung und Abstimmprobleme klein zu halten. Hieraus resultieren hohe Leistungsverluste, zusätzliches Gewicht, zusätzliches Bauvolumen und zusätzliche Kosten. Aus diesen Gründen bestehen die bekannten Mehrfachkoppler allgemein au« zwei Teilen, wie es Fig. 2 zeigt, nämlich einem Teil zur Kombination der ungeraden und einem Teil zui Komuination der geraden Kanäle.

In Fig. 3a ist die relative Übertragungsverlust-Charakteristik des Teiles 17 für die ungeraden Kanäle des Ausgangs-Mehrfachkopplers nach Fig. 2 dargestellt. Die Kurven 21, 23 und 25 veranschaulichen die Übertragungsverluste des Teiles des Mehrfachkopplers, der den Kanälen 1,3 und5entspricht. In Fig. 3r ist die Übertragungsverlust-Charakteristik des Teile« des Mehrfachkopplers nach Fig. 2 für die gerader Kanäle dargestellt. Die Kurven 22, 24 und 26 repräsentieren die Übertragungsverluste für die Kanäle 2 4 und 6. Wegen des relativ großen Abstandes zwischer den nicht unmittelbar benachbarten ungeraden bzw den nicht unmittelbar benachbarten geraden Kanälen der auch die Sicherheitsbänder umfaßt, sind die Effekte einer Wechselwirkung vernachlässigbar. Wie oben erwähnt, erfordert das mit der Einrichtung nach Fig. 2 verwirklichte Multiplex-Verfahren entwedei zwei getrennte Sendeantennen, nämlich eine für die ungeraden Kanäle und eine für die geraden Kanäle oder zusätzliche Einrichtungen zur Erzeugung orthogonaler Moden in Verbindung mit einer einzigen Antennenanordnung. In jedem Fall werden die Möglichkeiten der Antennen und der zugeordneten Speiseeinrichtungen nicht voll ausgenutzt. Aus diesen* Grunde besteht ein erheblicher Bedarf an einen Mehrfachkoppler, der in der Lage ist, unmittelbar aneinander angrenzende Kanäle in einer einheitlicher Struktur so zu kombinieren, daß sie mit einer einziger Antenne gekoppelt werden können.

Eine derartige Kopplung von mehreren aneinandei angrenzenden Kanälen ist mit dem in Form eine; Blockschaltbildes in Fig. 4 dargestellten Mehrfach koppler möglich. Der Mehrfachkoppler nach Fig. ^l wird aus Gründen, die später verständlich werden, allgemein als Quadratur-Hybridkoppler bezeichnet Grundlegend für den Aufbau des Mehrfachkoppler! nach Fig. 4 ist die Verwendung eines Paares im wesentlichen identischer Bandpässe für jeden der zi koppelnden Kanäle. Die Bandpässe /, und /, bilder

das Filter für den Kanal 1. Die Bandpässe Λ und f₂ bilden das Filter für den Kanal 2. Die Bandpässe /, und /*, bilden das Filter für den Kanal 3 und die Bandpässe /„ und f_n bilden das Filter für den η-ten Kanal des Mehrfachkopplers. Die Eingänge der beiden jeweils das Filter eines Kanals bildenden Bandpässe sind durch eine entkoppelte Verzweigung oder Hybride miteinander verbunden. So sind die Eingänge der Bandpasre /, und /*, durch die Verzweigung 31, die Eingänge der Filter /₂ und f, durch die Verzweigung 32, die Eingänge der Filter /, und f_i durrh die Verzweigung 33 und die Eingänge der Filter f_n und f_n durch die Verzweigung 35 miteinander verbunden. In gleicher Weise sind die Ausgänge jedes Paares von Bandpässen für die Kanäle 1 bis η durch entkoppelte Verzweigungen oder Hybriden 41, 42, 43 und 45 verbunden. Die zu koppelnden Signale werden von geeigneten signalerzeugenden oder signalverarbeitenden Einrichtungen zugeführt, die in Fig. 4 durch die Verstärker A₁, A,, A₃ und A_n für die entsprechenden Kanäle veranschaulicht sind. Es versteht sich, daß die verschiedenen Verstärker nicht Teil des Mehrfachkopplers sind, sondern lediglich eine geeignete Signalquelle für die Eingänge des Mehrfachkopplers veranschaulichen. In der Praxis werden Eingangssignale gewöhnlich von vorausgehenden Stufen abgeleitet, die Breitbandverstärker enthalten, wie beispielsweise Wanderfeldröhren.

Die Wirkungsweise der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform wird leichter verständlich, wenn die Eingänge und Ausgänge der aus den beiden Bandpässen und den beiden Verzweigungen bestehenden Kombinationen bezeichnet werden.

Zu diesem Zweck werden die Eingänge mit α und h und die Ausgänge mit c und el bezeichnet. Die Ausgänge der Verstärker A₁, A₂, A_} und A_n sind mit den Eingängen α der Bandpaß-Verzweigungs-Kombinationen der Kanäle 1, 2, 3 und η verbunden. Die Eingänge b der Bandpaß-Verzweigungs-Kombinationen der einzelnen Kanäle sind durch reflexionsfreie Widerstände R, R₂, R₃ und R_n abgeschlossen.

An der Ausgangsseite ist der Ausgang c der Bandpaß-Verzweigungs-Kombination des Kanals 1 ebenfalls mit einem reflexionsfreien Widerstand 46 abgeschlossen. Der Ausgang d des Kanals 1 ist mit dem Ausgang c des Kanals 2 verbunden. Ebenso ist der Ausgang d des Kanals 2 mit dem Eingang c des Kanals 3 und der Ausgang d des Kanals 3 über mögliche zusätzliche Stufen, die durch die gestrichelte Linie angedeutet sind, mit dem Ausgang c des Kanals η verbunden. Der Ausgang d des Kanals η bildet den Ausgang des Mehrfachkopplers.

Infolge der Eigenschaften einer entkoppelten Verzweigung oder Hybride erreicht ein Signa!, welches dem Eingang α zugeführt wird, die beiden Bandpässe des Kanals mit gleicher Leistung, jedoch mit um 90° verschobener Phase (Phasenquadratur). Obwohl die beiden Signalkomponenten im wesentlichen von den Bandpässen übertragen werden, werden sie infolge unvermeidlicher Unvollkommenheiten der Kreise teilweise reflektiert. Das Verhältnis der reflektierten zur übertragenen Energie hängt dabei von der Frequenz der Signale und der Abstimmung der Bandpässe ab. Die reflektierten Komponenten der Signale addieren sich phasenrichtig am Eingang b, wo sie von dem angepaßten Anschlußwiderstand absorbiert werden, während sie sich am Eingang α gegenphasisch treffen und daher dort auslöschen. Diese Eigenschaft führt zu einer brcitbandigcn Anpassung am Eingang a der Bandpaß-Verzweigungs-Anordnung. Die Signalkomponenten, die von den beiden Bandpässen übertragen werden, löschen sich am Ausgang c aus, während sie sich am Ausgang d phasenrichtig addieren. Die auf diese Weise am Ausgang d kombinierten Signale pflanzen sich dann in Richtung auf den Ausgang c der nächsten Bandpaß-Verzweigungs-Anordnung fort.

Wenn ein Signal am Ausgang c zugeführt wird, erreicht es die beiden Bandpässe dieses Kanals mit gleicher Leistung und einer Phasenverschiebung von 90° und wird von den Bandpässen teilweise reflektiert und teilweise übertragen. Die reflektierten Komponenten addieren sich phasengleich am Ausgang d, von dem aus sie sich wiederum in Richtung auf den Ausgang c des nächsten Kanals fortpflanzen. Die von den Bandpässen übertragenen Signalkomponenten addieren sich phasengleich am Eingang b, wo sie wiederum von dem angepaßten Widerstand absorbiert werden, während sie vom Eingang α isoliert sind.

Es sei nun ein typischer Signaldurchgang durch den dem Kanal 1 zugeordneten Abschnitt des Mehrfachkopplers nach Fig. 4. betrachtet. Ein vom Ausgang des Verstärkers A, zugeführtes und sich zum Ausgang des Mehrfachkopplers fortpflanzendes Signal wird von den Durchlaßeigenschaften der Bandpässe /, und /Ί und den Reflexionseigenschaften der Bandpaßanordnungen der Kanäle 2, 3... η für außerhalb ihres Durchlaßbandes liegende Frequenzen bestimmt. Der Übertragungsverlust für dieses Signal des Kanals 1 ist durch den Ausdruck IT₁S₂S₃... S_n ^|2 gegeben, wenn T der Spannungs-Übertragungskoeffizient einer Bandpaß-Verzweigungs-Kombination und ς der Spannungs-Reflexionskoeffizient ist. Das Signal jedes folgenden Kanals sieht nur die Reflexionsverluste der nachfolgenden Kanäle höherer Frequenz, während beim Kanal η der Ubertragungsverlust sich auf I T_n\² reduziert. In der Praxis ist der Reflexionskoeffizient ς nahezu Eins bei Frequenzen, die um mehr als eine Kanalbreite von einer Bandbreite entfernt sind. Daher können die Übertragungsverluste für Signale in den Durchlaßbändern der verschiedenen Kanäle vereinfacht mit ir,s,i² für den Kanal 1, IT₂S₃I² für den Kanal 3, IT₃S₄P für den Kanal 3 und I T_n \² angegeben werden.

Die vorstehenden Ausdrücke geben wieder, was allgemein als die unerwünschte Multiplikation des Übertragungskoeffizienten mit dem Reflexionskoeffizienten des benachbarten Kanals bezeichnet worden ist. Die Diagramme nach den Fig. 5a, 5b, 6a und 6 b veranschaulichen diese Beziehungen näher. Die Kurve 50 in Fig. 5a gibt den Übertragungsverlust eines typischen Kanals 1 wieder. Die der Kurve 50 entsprechende Gruppenlaufzeit ist durch Kurve 51 in Fig. 5b über der gleichen Frequenzskala wiedergegeben. Wie ersichtlich, veranschaulichen beide Kurven 50 und 51 den Übertragungskoeffizienten 7",, der einen annehmbaren Gang des Verlustes und einen annehmbaren Verlauf der Gruppenlaufzeit hat. Wenn jedoch die Reflexionsverluste ς₂ betrachtet werden, werden der Kanalverlust und die Kanal-Gruppenlaufzeit verändert. In den Fig. 5a und 5b veranschaulichen die gestrichelten Kurven 52 und 53 die Beiträge, weiche der Spannungs-Reflexionskoeffizient des benachbarten Kanals 2 zum Kanalverlust und zur Kanal-Kurvenlaufzeit leistet.

Der resultierende Gesamtverlust und die resultie-

rende Gesamt-Gruppenlaufzeit für ein Signal des Kanals 1 bis zum Ausgang des Mehrfachkopplers werden dann durch die Kurven 54 und 55 in den Fig. 6a und 6 b wiedergegeben. Obwohl diese zusätzliche Verzögerung und die zusätzlichen Verluste an der oberen Bandkante in der obenerwähnten Weise kompensiert werden können, sind die mit einer solchen Kompensation verbundenen Effekte, nämlich zusätzliches Gewicht, zusätzlicher Leistungsverlust, vergrößertes Bauvolumen und erhöhte Kosten, unerwünscht.

Nach der Erfindung werden die oberen Grenzfrequenzen der Bandpässe Z₁ und /*, erheblich über die oberen Bandkanten des Kanals 1 hinaus verschoben. Bei relativ schmalen Schutzbändern zwischen den Kanälen kann die Verschiebung sogar bis über die untere Bandkante des Kanals 2 reichen. Die resultierenden Kurven für den Kanalverlust und die Kanal-Gruppcnlaufzcit, also für den veränderten Wert des Übertragungskoeffizienten 7", bei erweitertem Durchlaßbereich, werden durch die Kurven ÖÖ und Öi in den Fig. 7a und 7b wiedergegeben. Auch hier sind die Beiträge des Reflexionskoeffizienten des benachbarten Kanals zu dem Ubertragungsverlust und der Gruppenlaufzeit durch die gestrichelten Kurven 52 und 53 wiedergegeben. Wenn diese Beiträge multipliziert werden, wird der resultierende Gesamtverlust für das Signal des Kanals 1 durch den Mehrfachkoppler eingeengt, so daß er nun die gewünschte Charakteristik hat, welche durch die Kurve 64 in Fig. 8a wiedergegeben ist. Ebenso entspricht die Gesamt-Gruppenlaufzeit der gewünschten Charakteristik, wie es die Kurve 65 in Fig. 8b zeigt.

Es versteht sich, daß die Bandpässe /₂, f₂, /,, /', usw. ebenfalls so ausgebildet sind, daß ihre oberen Grenzfrequenzen jenseits der Bandkanten der entsprechenden Kanäle liegen. Nur die Bandpässe f_n und f_n des der höchsten Frequenz zugeordneten Kanals des Mehrfachkopplers sind so ausgebildet, daß ihre Grenzfrequenzen mit den Bandkanten des Kanals übereinstimmen, weil, wie oben erwähnt, das Signal des Kanals η nicht durch die Anwesenheit der Bandpaß-Verzweigungs-Kombination eines nächsthöheren Kanals gestört wird, weil keine existiert.

Es sei bemerkt, daß das gleiche Prinzip angewendet werden kann, um die Übertragungscharakteristik in einer anderen als in Richtung nach höheren Frequenzen auszudehnen. Wenn beispielsweise Kanal 1 des Mehrfachkopplers nach Fig. 4 der Kanal mit der höchsten und der Kanal η derjenige mit der tiefsten Frequenz wäre, dann wäre es die untere Grenzfrequenz jedes Filters, ausgenommen des Filters des Kanals n, die zu verschieben wäre. Es ist sogar möglich, sowohl die obere als auch die untere Grenzfrequenz der Bandfilter eines Kanals zu verschieben, wenn dieser Kanal im Mehrfachkoppler von rückwirkenden Kanälen gefolgt wird, die sich an beiden Seiten des Frequenzbandes anschließen.

Es ist demnach ersichtlich, daß durch eine solche Bemessung der Übertragungscharakteristik der Filter an den Bandkanten, an denen eine Wechselwirkung stattfindet, in solcher Weise, daß sich der Durchlaßbereich bis in das benachbarte Frequenzband erstreckt, die Gesamt-Übertragungseigenschaften bedeutend verbessert werden können. Hierdurch wird der Anstieg der Gruppengeschwindigkeit und der Gang der Kanalverluste, die dem Übertragungskoeffizienten zugeordnet sind, vermindert, so daß, wenn die Kombination mit dem Reflexionskoeffizienten stattfindet, die Gesamtcharakteristik symmetrisch und in der Bandbreite des Kanals genügend flach ist. Die erforderliche Dämpfung von außerhalb des Kanals liegenden Frequenzen an der beeinflußten Bandkante wird bei dieser Konstruktion teilweise von dem in Wechselwirkungtretenden Filter bewirkt, das einen Teil der außerhalb des Frequenzbandes liegenden Signale in den angepaßten Abschlußwiderstand R leitet.

Es wurde eine praktische Ausführungsform eines Mehrfachkopplers nach der Erfindung hergestellt, die in leicht vereinfachter Form in den Fig. 9 bis 11 veranschaulicht ist. Wie Fig. 9 zeigt, handelt es sich um einen Quadratur-Hybridkoppler für vier Kanäle. Um den Zusammenhang mit dem Blockschaltbild nach Fig. 4 herzustellen, wurden die Bezugszeichen aus Fig. 4 so weit wie möglich in die Fig. 9 bis 11 übernommen.

Wie Fig. 9 zeigt, sind die Bandpässe /,, /*,, /,, /*,, fi'fi'f-t ^und /*4 ^a'^s zylindrische Filter mit gekoppelten Hohlräumen ausgebildet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die verschiedenen äußeren Koppcl- und Abstimmschrauben nicht dargestellt. In der Praxis können bekannte Filter mit elliptischer oder quasi-elliptischer Funktion verwendet werden. Einzelheiten über den Aufbau solcher Filter mit gekoppelten Hohlräumen sind beispielsweise in einem Aufsatz von Atia und Williams: »Narrow-Bandpass Waveguide Filters« in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. MTT-20. Nr. 4 (1972), Seiten 258 bis 265 beschrieben.

Die Eingänge, Ausgänge und da/wischenliegende Anschlüsse für Abschlußwiderstände sind als Koaxialstecker dargestellt. Die Eingänge α und h des Kanals 1 sind mit einer entkoppelten Verzweigung 31 verbunden. Die Ausgänge der Verzweigung 31 sind durch Übergangs-Abschnitte 71 und 71' mit den Bandpässen /, und /*, verbunden. Die Ausgänge der Bandpässe sind durch Übergangs-Abschnitte 81 und 81' mit einer Quadratur-Hybride 41 verbunden. Die gleiche Anordnung ist für die Kanäle 2, 3 und 4 getroffen. Beim Kanal 4 ist die Eingangs-Verzweigung mit 34 bezeichnet. Die Übergangs-Abschr:tte72,72'. 73, 73', 74, 74' an der Eingangsseite und die Übergangs-Abschnitte 82, 82', 83, 83' und 84, 84' an der Ausgangsseite der Bandpässe der Kanäle 2, 3 und 4 entsprechen denjenigen des Kanals 1.

In Fig. 9 ist nur der äußere Abschnitt oder das Gehäuse der Eingangs- und Ausgangs-Verzweigungen dargestellt. Bei der praktischen Ausführungsform wurden sogenannte »square-ax« Übertragungsleitungen für die TEM-WeIIe benutzt, um weiterhin die Größe, das Gewicht und die Kompliziertheit des Mehrfachkopplers zu vermindern. Fig. 10 veranschaulicht die Innenleiter der Eingangs-Verzweigung 32 in einer vereinfachten Draufsicht auf Fig. 9. Die Außenleiter und Gehäuse wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit fortgelassen. Die Hybride 32 wird dabei von den dicht gekoppelten Leitungen zwischen den beiden Hohlräumen gebildet. Der Aufbau solcher Quadratur-Hybriden ist in der Technik bekannt. Die Übergangs-Abschnitte 71 und 71' dienen zur Umwandlung der Energie aus dem TEM-Wellentyp, der in der Verzweigung herrscht, in den zum Einkoppeln in die Hohlräume der Bandfilter /₂ und f₂ geeigneten Hohlleiter-Wellentypen.

Die Verwendung von Doppelleitungs-Hybriden anstelle von Hohlleiter-Hybriden führt zu einer bedeutenden Verminderung der Baugröße, die bei-

spiclivveir.e für die Anwendung solcher Mehrfachkoppler in Satelliten von hoher Bedeutung ist. Weiterhin haben diese Bauteile eine größere Bandbreite als vergleichbare Hohlleiter-Verzweigungen, wodurch die Notwendigkeit vermieden wird, Richtungsleitungen zwischen jedem der Ausgangsverstärker und dem Mehrfachkoppler vorzusehen.

Auch die Ausgangs-Verzweigungen und die sie verbindenden Übertragungsleitungen werden von einer »square-ax«-Doppelleitung gebildet. Auch in der Unteransicht des Mehrfachkopplers nach Fig. 11 sind die Außenleitungen und Gehäuse der Leitungen fortgelassen. Die Ausgangsleitungen des ersten Filterabschnittes kommen beispielsweise aus den Obergangs-Abschnitten 81 und Sl' heraus und laufen zu der Verzweigung 41. Der nach links weisende Innenleiter bildet den isolierten Ausgang des Mehrfachkopplers, der durch den nicht dargestellten Wider-

stand 46 abgeschlossen ist. Die nach links ragende Leitung tritt in die Quadratur-Hybride 42 ein usw., wie es schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Mehrfachkopplers wird am Ausgang der Verzweigung 44 abgenommen.

Fig. 12 zeigt die relativen Verluste in Abhängigkeit von der Frequenz für alle vier Kanäle des in den Fig. 9 bis 11 dargestellten Mehrfachkopplers. Die Kurve 91 veranschaulicht die relative Dämpfung in dB für den Kanal 1. Die Kurven 92, 93 und 94 veranschaulichen die relativen Verluste für die Kanäle 2, 3 und 4. Der Kanal 1 erfaßt das Frequenzband von 3,704 bis 3,7(Sl GHz. Der Kanal 2 bedeckt das Frequenzband von 3,789 bis 3,861 GHz, der Kanal 3 das Frequenzband von 3,869 bis 3,941 GHz und der Kanal 4 das rrequcnzband von 3,959 bis 4,031 GHz. Die drei dB-Punkte der Vcrlustkurven für die jeweiligen Kanäle entsprechen diesen Frequenzen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrfachkoppler für eng benachbarte Frequenzkanäle eines Mikrowellen-Frequenzbandes mit je einem Richtungsfilter pro Frequenzkannl und einer Kaskadenschaltung aller dieser Richtungsfilter auf eine gemeinsame Übertragungsleitung derart, daß die Übertragungseigenschaften jedes Übertragungsweges für die Signale eines Frequenz-Kanals eine Funktion der Übertnigungskoeffizienten des dem Kanal zugeordneten Richtungsfilters und der Reflexionskoeffizienten der längs der gemeinsamen Leitung aufeinanderfolgenden anderen Richtungsfilter ist, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und/oder untere Grenzfrequenz aller derjenigen Richtungsfilter, denen in der Schaltungsreihenfolge der Kaskadenschaltung noch ein Richtungsfilter für den frequenzhöheren und/oder frequenzniederen Nachbarke nal folgt, derart über die Kanalgrenze hinausreichend dimensioniert ist, daß die durch die Reflexionseigenschaften nachfolgend geschalteter Nachbarkanal-Filter bewirkten Ubertragungsverluste innerhalb des Kanal-Frequenzbereiches kompensiert sind.

2. Mehrfachkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Richtungsfilter aus einem Paar im wesentlichen gleicher Bandpässe besteht, deren Eingänge und Ausgänge jeweils durch eine entkoppelte Verzweigung miteinander verbunden sind.

3. Mehrfachkoppler nach .^.nspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dir Bandpässe Filter mit einer elliptischen oder quaii-ellr tischen Funktion sind.

4. Mehrfachkoppler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entkoppelten Verzweigungen aus gekoppelten Abschnitten vom Doppelleitungen bestehen.