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Polarisationsweiche
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Die Erfindung betrifft eine Polarisationsweiche für Einrichtungen
der Höchstfrequenztechnik, insbesondere für Antennenspeisesysteme, z.B. im Richt-
und Satellitenfunk mit Hohlleiterabschnitten rechteckigen und/oder runden Querschnitts,
mit einer symmetrisch aufgebauten fünfarmigen Verzweigung (Doppelverzweigung), welche
einen in der Längsachse der Anordnung liegenden ersten Arm zum Anschluß eines weiterführenden
Hohlleiters runden oder quadratischen Querschnitts und vier gleichartig ausgebildete
Teilarme rechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis von wenigstens annähernd
1:2 enthält, die um Jeweils 900 gegeneinander gedreht angeordnet sind und unter
Jeweils gleichem Winkel gegenüber der Längsachse der Anordnung, in entgegengesetzter
Richtung zum ersten Arm verlaufen und von denen Jeweils zwei gegenüberliegende Teilarme
über untereinander gleiche Weichenarmabschnitte mit den Teilarmen Jeweils einer
von zwei gleichartig ausgebildeten Serienverzweigungen verbunden sind.
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Ein wesentliches Anwendungsgebiet derartiger, beispeilsweise aus der
DT-OS 25 21 956 bekannter Polarisationsweichen ist der Satellitenfunk, bei dem die
verfügbaren Sende- und Empfangsfrequenzbänder mit Doppelpolarisation belegt sind
und so bei gleicher Bandbreite zweifach genutzt werden können. In einem dazu geeigneten,
doppelpolarisationsfähigen
Antennespeisesystem wird eine Polarisationsweiche gefordert, deren beide Durchgangswege
im Sende- und im Empfangsband reflexionsarm sein müssen und in Phasengleichlauf
sein sollen. Durch die DT-OS 25 21 956 ist nun die hierbei auftretende Aufgabe bereits
gelöst, für beide Durchgangswege einer Polarisationsweiche bei allen Frequenzen
zweier relativ weit voneinander entfernter Nutzfrequenzbereiche stets eine übereinstimmende
elektrische Länge zu gewährleisten.
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Bei den bisherigen Konzepten phasensymmetrischer Polarisationsweichen,
wie beispielsweise auch nach der DT-OS 25 21 956, schlie-Ben die Achsen der als
Serienverzweigungen ausgebildeten Rechteckhohlleiterzugänge der Weiche stets untereinander
einen bestimmten Winkel ein, der beispielsweise zwischen 60° und 900 liegt. Aus
diesem Grunde können die Flanschflächen der Rechteckhohlleiterzugänge bei diesen
Weichen nicht in einer Ebene liegen.
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Diese bisher unvermeidliche räumliche Konfiguration erfordert bei
der Anwendung solcher Weichen in Schaltungen, bei denen die beiden Rechteckhohlleiterzugänge
der Weiche über phasensymmetrische Leitungen beispielsweise an den Doppeleingang
eines Hohlleiterrichtungskopplers anzuschließen sind, einen relativ hohen Aufwand
bei einer solchen phasensymmetrischen Zusammenführung. Die hierfür notwendigen Zusammenführungsleitungen,
die in diesem Fall beispielsweise aus einem Verdrallstück und Je zwei Hohlleiterbögen
bestehen, erfordern im allgemeinen eine Gesamtlänge von wenigstens 10 Wellenlängen
und weisen einen dementsprechend hohen Dämpfungsbeitrag auf.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für eine
Polarisationsweiche anzugeben, durch die gewährleistet ist, daß die Achsen der Rechteckhohlleiterzugänge
zueinander parallel sind und daß die zwischen den Serienverzweigungen un den Rechteckhohlleiterzugängen
erforderlichen Flanschflächen in der gleichen Ebene liegen.
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Ausgehend von einer Polarisationsweiche für Einrichtungen der Höchstfrequenztechnik,
insbesondere für Antennespeisesysteme, z.B. im Richt- und Satellitenfunk mit Hohlleiterabschnitten
rechteckigen und/oder runden Querschnitts, mit einer symmetrisch aufgebauten fünfarmigen
Verzweigung (Doppelverzweigung), welche einen in der Längsachse der Anordnung liegenden
ersten Arm zum Anschluß eines weiterführenden Hohlleiters runden oder quadratischen
Querschnitts und vier gleichartig ausgebildete Teilarme rechteckigen Querschnitt
mit einem Seitenverhältnis von wenigstens annähernd 1:2 enthält, die um Jeweils
900 gegeneinander gedreht angeordnet sind und unter Jeweils gleichem Winkel gegenüber
der Längsachse der Anordnung, in entgegengesetzter Richtung zum ersten Arm verlaufen
und von denen Jeweils zwei gegenüberliegende Teilarme über untereinander gleiche
Weichenarmabschnitte mit den Teilarmen Jeweils einer von zwei gleichartig ausgebildeten
Serienverzweigungen verbunden sind, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß Jeweils zwei zwischen den gegenüberliegenden Teilarmen der Doppelverzweigung
und den Teilarmen der Serienverzweigungenliegende Weichenarmabschnitte einerseits
als E-Versatzstücke und andererseits als H-Versatzstücke ausgeführt sind, daß die
E-Versatzstücke Jeweils als beidseitig mit einem Hohlleiterkrümmer versehene gerade
Rechteckhohlleiterstücke ausgebildet und durch die Hohlleiterkrümmer beidseitig
in entgegengesetzten Richtungen Jeweils über die Hohlleiterbreitseite geknickt sind,
daß beide E-Versatzstücke mit ihren geraden Abschnitten 10 hinsichtlich ihrer schmalen
Seiten schräg zur Längsachse der Anordnung ausgerichtet sind und dabei parallel
zueinander verlaufen, daß die H-Versatzstücke Jeweils als beidseitig mit einem Hohlleiterkrümmer
versehene gerade Rechteckhohlleiterstücke ausgebildet und durch die Hohlleiterkrümmer
beidseitig in entgegengesetzten Richtungen Jeweils über die Hohlleiterschmalseite
geknickt sind, und daß eines der E-Versatzstücke zwischen den H-Versatzstücken aufgenommen
ist, derart, daß die mit den E-Versatzstücken und den H-Versatzstücke verbundenen
Serienverzweigungen hinsichtlich ihrer Teilarme durchdringungsfrei verlaufen.
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Durch die Erfindung. wird es ermöglicht, die Polarisationsweiche über
sehr kurze Leitungen mit einem 3-dB-Koppler einfacher Bauart zu verbinden, der als
Breitwandkoppler ausgebildet ist oder bei dem die Hohlleiterquerschnitte in L oder
T-Form angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die hohe Leistungsbelastbarkeit
für beide Durchgangswege der Polarisationsweiche, wie sie insbesondere beim Satellitenfunk
gefordert ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist
es vorgesehen, daß die Knickwinkel der Hohlleiterkrümmer der E-Versatzstücke gleich
groß sind, daß die Knickwinkel der Hohlleiterkrü mer der H-Versatzstücke gleich
sind, und daß bei der Verwendung eines H-Versatzstückes mit Normalprofil die Hohlleiterbreitseite
des E-Versatzstückes gegenüber einem Normalprofil-E-Versatz geringfügig verkleinert
ist, oder daß bei der Verwendung eines E-Versatzstückes mit Normalprofil die Hohlleiterbreitseite
des H-Versatzstückes gegenüber einem Normalprofil-H-Versatz geringfügig vergrößert
ist.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, daß zur Erhaltung des Normalprofilleitungswellenwiderstandes
die Breitseitenkorrektur durch entsprechende Schmalseitenkorrekturen kompensiert
sind.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine Polarisationsweiche gemäß der Erfindung Fig.
2 ein E-Versatzstück einer Polarisationsweiche gemäß Fig. 1 Fig. 3 ein H-Versatzstück
einer Polarisationsweiche gemäß Fig. 1.
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Zur Veranschaulichung des Aufbaus des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.
1 soll zuerst die im rechten Teil der Fig. 1 dargestellte symmetrisch aufgebaute
fünfarmige Verzweigung, im folgenden Doppelverzweigung DV genannt, betrachtet werden.
Eine solche Doppelverzweigung ist als Bestandteil der Polarisationsweiche gemaß
der DT-OS 25 21 956 bereits bekannt und besteht aus einem in der Längsachse der
Anordnung liegenden ersten Arm 1, der beim Ausführungsbeispiels zylindrisch ausgeführt
ist und zum Anschluß eines weiterführenden Hohlleiters runden oder quadratischen
Querschnitts vorgesehen ist, sowie aus vier gleichartig ausgebildeten Teilarmen
2 bis 5, die um Jeweils 900 gegeneinander gedreht angeordnet sind und unter Jeweils
gleichem Winkel gegenüber der Längsachse der Anordnung in entgegengesetzter Richtung
zum ersten Arm 1 verlaufen. Im Ausführungsbeispiel weisen diese Teilarme der Doppelverzweigung
einen rechteckigen Querschnitt auf, und es sind die Jeweils gegenüberliegenden Rechteckhohlleiterpaare
2 und 4, sowie 3 und 5 völlig symmetrisch. In der Darstellung nach Fig. 1 sind die
Teilarme 4 und 5 durch die Teilarme 2 und 3 teilweise verdeckt und daher aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht eigens dargestellt. Man kann sich diese Doppelverzweigung
DV auch dadurch vorgestellt denken, daß in einem Quader unter einheitlichem Winkel
gegen seine Mittelachse vier gleiche rechteckige Durchbrüche eingebracht werden,
die gegeneinander in Bezug auf die Symmetrieachse der Anordnung (identisch mit der
Achse des Ausgangshohlleiters) um Jeweils 900 gedreht sind.
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Die beiden, einander Jeweils gegenüberliegenden Teilarme 2 und 4 bzw.
3 und 5 der Doppelverzweigung sind paarweise über nachstehend noch näher erläuterte
Weichenarmabschnitte mit den Teilarmen 6 und 7 (7 in der Fig. 1 nicht sichtbar)
bzw. 8 und 9 Jeweils einer, ebenfalls aus der DT-OS 25 21 956 im Zusammenhang mit
einer Polarisationsweiche bekannten, untereinander gleichartig ausgebildeten Serienverzweigung
m verbunden. Eine solche Einfachverzweigung besteht im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 aus zwei ursprünglich an ihren Breitseiten aufeinanderliegenden Rechteckhohlleitern,
die an der Stelle, an der das Trennblech beginnt,
symmetrisch auseinandergeknickt
sind. Hierdurch entsteht an der Knickstelle eine kleine induktive Reaktanz, die
biespielsweise für einen Winkel von jeweils 35° einen Reflexionsfaktor von ca.
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3% ergibt, der durch eine entsprechend kleine Kapazität der Knickstelle
Jedoch breitbandig kompensierbar ist. Die vier Teilarme der fünfarmigen Verzweigung
sind paarweise, d.h. Jeweils die gegenüberliegenden Teilarme 2, 4 bzw. 3, 5 über
als E-Versatzstückke 10, 11 ausgebildete Weichenarmabschnitte einerseits und über
als H-Verssatzstücke 12, 13 (13 in der Fig. 1 nicht sichtbar) ausgebildete weitere
Weichenarmabschnitte andererseits mit den Teilarmen 8, 9 bzw. 6, 7 der Serienverzweigungen
verbunden. Die in der Fig. 1 übereinander dargestellten E-Versatzstücke bestehen
aus Jeweils einem beidseitig mit einem Hohlleiterkrümmer 14, 14' bzw. 15, 15' versehenen
Rechteckhohlleiterstück, das durch die Hohlleiterkrümmer beidseitig in entgegengesetzten
Richtungen über die Breitseite geknickt ist. Beide E-Versatzstücke 10, 11 verlaufen
zueinander parallel und sind mit ihren Jeweils zwischen zwei Knicken gelegenen geraden
Abschnitten schräg zur Längsachse der Anordnung ausgerichtet, so daß sich ihre den
Teilarmen 8, 9 der Serienverzweigung zugewandten Endquerschnitte nicht mehr symmetrisch
zur Längsachse der Anordnung befinden, sondern um einen bestimmten Abstand gegenüber
der Längsachse nach oben versetzt sind.
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Die im anderen Durchgangsweg der Polarisationsweiche vorgesehenen
Weichenarmabschnitte sind als H-Versatzstücke 12,13 ausgebildet und bestehen aus
Jeweils einem beidseitig mit einem Hohlleiterkrümmer versehenen Rechteckhohlleiterstück,
das durch die Hohlleiterkrümmer beidseitig in entgegengesetzten Richtungen über
die Schmalseite geknickt ist. Das Prinzip des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht
also darin, daß die beiden übereinanderliegenden, rechteckigen Zugangsquerschnitte
der Doppelverzweigung so weit nach oben versetzt sind, und die Querschnitte des
horizontalen Hohlleiterpaares so weit nach unten versetzt sind, daß die versetzten
Querschnitte paarweise mit zwei gleichen, sich gegenseitig nicht durchdringenden
Serienverzweigungen zusammengefaßt werden können.
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Ein E-Versatz besteht im einzelnen nach Fig. 2 aus zwei E-Hohlleiterkrümmern
14, 14', die in gewissem Abstand mit entgegengesetzter Knickrichtung aneinander
gesetzt sind, so daß die Ein- und Ausgangsachsen parallel sind, die Zugangsquerschnitte
aber in Richtung der E-Linien um den Abstand Ve gegeneinander versetzt sind. Ein
einzelner E-Knick kann als einstufiger, mit der Abflachung 20 entsprechend Fig.
2 kompensierter Knick oder für sehr reflexionsarme Ausführung auch mehrstufig gestaltet
werden. Auch die Verwendung kreisbogenförmiger Krümmer ist denkbar, Jedoch wegen
relativ hoher Reflexion nicht in allen Fällen geeignet. Dagegen ist es vorteilhaft,
den in Fig. 2 dargestellten E-Versatz einerseits durch eine optimale Knickabflachung
20 in einem Frequenzband sehr reflexionsarm zu machen und in einem zweiten Frequenzband,
dessen Lage von der des ersten unabhängig ist, durch richtige Länge (#H/4, 3#H/4....)
des schrägen Hohlleiterstückes 10 ebenfalls sehr kleine Reflexionen zu erreichen.
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Entsprechend der Darstellung nach Fig. 1 findet das untere der beiden
E-Versatzstücke 11 Platz zwischen den beiden nebeneinanderliegenden H-Versatzstücken
12, (13), mit denen das horizontale Hohlleiterpaar 2, 4 der Doppelverzweigung DV
nach unten versetzt ist.
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Entsprechend Fig. 3 besteht ein H-Versatzstück aus zwei Hohlleiterkrümmern
121, 121', die in gewissem Abstand mit entgegengesetzter Krümmungsrichtung aneinander
gesetzt sind. Die Zugangsquerschnitte sind achsenparallel und um einen Abstand VH
in Richtung des magnetischen Querfeldes gegeneinander versetzt. Der H-Versatz wird
im übrigen analog zu dem vorstehend beschriebenen E-Versatz gestaltet.
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Es besteht auch die Möglichkeit, ein E-Versatzstückpaar in einem Durchgangsweg
der Weiche mit einem Paar Hohlleiterkrümmer im anderen Durchgangsweg zu kombinieren,
wodurch eine besonders geringe Baulänge und Dämpfungsarmut der Polarisationsweiche
mit gleichzeitiger Breitbandigkeit des anschließenden mit der Polarisationsweiche
kombinierbaren
E01-Modenkopplers erreicht wird.
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Hinsichtlich der Phasensymmetrie zwischen E- und H-Versatz ist es
bekannt, daß ein reflexionsarmer E-Knick und ein ebensolcher H-Knick bei gleichem
Knickwinkel gleichartigen Phasenfrequenzgang aufweisen. Ein E-Versatz ist daher
als E-Doppelknick mit einem aus zwei H-Knicken bestehenden H-Versatz bei gleichen
Knickwinkeln und gleichen Hohlleiterbreiten aE bzw. aH von vornherein besser im
Phasengleichlauf als beispielsweise die bisher bekannte Kombination von H-Krümmern
mit geraden Hohlleitern. Ein optimaler Phasengleichlauf zwischen einem E- und H-Knick
ergibt sich dann, wenn der Knickwinkel des E-Knicks um einen bestimmten kleinen
Betrag größer ist als der Knickwinkel des H-Knicks. Auf den E-und H-Versatz angewandt,
bedeutet dies, daß ein E-Versatz dann mit einem H-Versatz in optimalem Phasengleichlauf
steht, wenn die Knickwinkel des E-Versatzes um einen bestimmten Betrag größer sind
als dieJenigen des H-Versatzes. Damit wird Jedoch bei Phasensymmetrie der E-Versatz
VE entsprechend Fig. 2 größer als der H-Versatz VH entsprechend Fig. 3, und die
mechanische Länge des E-Versatzes kleiner als diejenige des H-Versatzes. Die Flanschflächen
der rechteckigen Zugangsquerschnitte einer Polarisationsweiche mit solchermaßen
phasensymmetrierten E- und H-Versatzstücken liegen somit nicht in einer Ebene.
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Es ist deshalb vorzuziehen, mit gleichen Knickwinkeln der E- und H-Einzelknicke
bei E- und H-Versatzstücken den Abstand VE gleich dem Abstand VH zu machen, so daß
sich gleiche mechanische Längen für die E- und die H-Versatzsrücke ergeben. Die
mit einer solchen Dimensionierung evtl. verbleibende, restliche Phasenunsymmetrie
kann dadurch beseitigt werden, daß die Hohlleiterbreitseite aE des E-Versatzes um
den Betrag # aE verkleinert wird, bis Phasengleichlauf mit dem Normalprofil-H-Versatz
hergestellt ist. Umgekehrt kann auch ein Normalprofil-E-Versatz mit einem H-Versatz
durch eine um den Betrag # aH vergrößerte Breitseite aH des H-Versatzes in Phasengleichlauf
gebracht werden. Diese Breitseitenkorrekturen sind mit Sicherheit weniger aufwendig
als dieJenigen Korrekturen, die notwendig sind, um beispielsweise einen G-Krümmer
mit einem geraden Hohlleiter in Phasengleichlauf zu bringen.
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Um den Wellenwiderstand eines Normalprofilleiters zu erhalten, werden
die Breitseitenkorrekturen zweckmäßig mit entsprechenden Schmalseitenkorrekturen
kompensiert, so daß das Normalprofilseitenverhältnis b:a = bE:aE im E- und im H-Versatz
erhalten bleibt.
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Es besteht auch die Möglichkeit, eine positive # #aH-Korrektur durch
eine negative # aE-Korrektur zu kombinieren. Dadurch verringern sich die Querschnittsänderungen
gegenüber einer separaten Korrektur von #aH bzw. von äaE. Die Streureaktanzen an
den Querschnittsprungstellen werden hierdurch besonders klein.
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Voraussetzung für das gewünschte Zusammenwirken der Einzelknicke ist,
daß bei der Dimensionierung der Polarisationsweiche aufeinanderfolgende E-Knicke
z.B. entsprechend Fig. 1 in den vertikal übereinanderliegenden Weichenarmabschnitten
einen solchen Abstand voneinander erhalten, daß sie noch als getrennte Störungen
wirken. Hierzu ist es erforderlich, das von einem E-Knick erzeugte E11-Störfeld
in einem zwischengeschalteten, weiteren geraden Hohlleiterabschnitt soweit aperiodisch
abzudämpfen, daß es am Ort des zweiten E-Knickes gegenüber dessen E11-Störfeld vernachlässigbar
ist. Diese Trennung der Einzelknicke und ihre getrennte Kompensation ist bereits
deshalb erforderlich, weil entsprechend Fig. 1 beispielsweise in dem übereinanderliegenden
Hohlleiterpaar die Knickrichtung am Ausgang der Doppelverzweigung im unteren Hohlleiterarm
nicht wechselt, während sie im oberen Arm wechselt. Rücken sich also hier die benachbarten
E-Knicke zu nahe, dann addieren sie sich im unteren Hohlleiterarm auf mehr als das
Doppelte des Einzelknickes, während sie sich im oberen Hohlleiterarm in Folge der
Entstehung eines nahezu geraden Hohlleiterzuges aufheben. Eine solche unterschiedliche
Uberlagerung ergäbe hinsichtlich Reflexion und Phase eine Unsymmetrie innerhalb
eines Hohlleiterpaares mit der Folge einer unerwünschten E01-Ströwellenanregung
am runden Weichenausgang. Weiterhin ist zu beachten, daß die oben angegebene Kompensation
beider E- und H-Knicke innerhalb eines E- bzw.
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H-Versatzes nur dann in erwünschter Weise funktioniert, wenn die Einzelknicke
nicht durch den Ubergriff der Störfelder von anderen gleichartigen Knickstellen
verschwimmen. Die zur Entkopplung beispielsweise zweier E-Knicke erforderliche Länge
des zwischen diesen Knicken gelegenen Hohlleiterabschnittes ergibt sich aus der
auch von des Hohlleiterhöhe b abhängigen, aperiodischen E11-Dämpfung dieses Abschnittes.
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Im Gegensatz zur Aufeinanderfolge gleichartiger Knicke, z.B.
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zweier E-Knicke, bei der die vorstehend angegebene Gefahr der Störfeldverschmelzung
besteht, ist ein E-Knick in Verbindung mit einem H-Knick unkritisch, weil das E11-Störfeld
eines E-Knickes mit dem H20-Störfeld eines H-Knickes nicht überlagetrungsfähig ist.
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Zur erforderlichen Wellenwiderstandanpassung des antennenseitigen
Rund- oder Quadrathohlleiters 1 der Weiche entsprechend Fig. 1 an die Rechteckzugänge
der Serienverzweigungen (mit dem Normalprofilseitenverhältnis a:b=2:1) sind eigene
Wellenwiderstandtransformatoren mit einem Wellenwiderstandssprung von etwa 2:1 erfoderlich.
Hierfür haben sich für eine ausgezeichnete Anpassung in zwei relativ weit voneinander
entfernten Frequenzbereichen zwei ineinander geschobene, zweistufige Transformatoren
mit einer Gesamtlänge von etwa 3#H/4 bewährt. In der Darstellung nach Fig. 1 sind
diese Transformatoren in der Form von stetigen Ubergängen in den geraden Abschnitten
der E- bzw. H-Versatzstücks angedeutet.
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Für Stufenübertrager, die den stetigen Übergängen hinsichtlich Baukürze
und Reflexionsarmut überlegen sind, gibt es bei der vorliegenden Polarisationsweiche
grundsätzlich fünf verschiedene Plazierungsmöglichkeiten. Eine solche Möglichkeit
besteht darin, die Transformatoren in den geraden Teilarmen 6 bis 9 der Serienverzweigungen
SV der Weiche entsprechend Fig. 1 vorzusehen. Eine weitere Möglichkeit besteht aber
auch darin, die Transformatoren in den geraden Hohlleiterabschnitten der E- bzw.
H-Versatzstücke anzuordnen, wobei der Versatz gleich mit einem geänderten Wellenwiderstand
durch eine Änderung der b-Seite als erste Stufe
des Transformators
beginnen oder enden kann. Weiterhin können die Transformatoren auch in den geraden
Weichenteilarmen 2 bis 5 der Doppelverzweigung untergebracht werden. Eine solche
Anordnung hat den Vorteil, daß die Restreflexionen des Transformators und der Doppelverzweigung
wegen ihres geringen Abstandes besser zu superponieren sind als bei der zuerst genannten
Möglichkeit mit großem Abstand der Restreflexionen.
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Es besteht ferner auch die Möglichkeit, einen Teil des Transformators
in die geraden Teilarme der Doppelverzweigung und die restlichen Transformatorstufen
in die geraden Teile der Versatzstücke zu verlegen, oder schließlich die Transformatorstufen
auf das Versatzstück und den nach Fig. 1 Jeweils anschlie-Benden Teilarm der Serienverzweigung
zu verteilen.
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12 Patentansprüche 3 Figuren
L e e r s e i t e