DE3111106C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Polarisationsweiche nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Eine derartige Polarisationsweiche ist z. B. bekannt aus dem "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 3. Aufl., S 435, Abb. 13.1.

Bekanntlich ist durch Doppelausnutzung der Frequenzbänder der mit Hilfe von orthogonaler Polarisation eine Steigerung der Übertragungskapazität von Richtfunkstrecken um den Faktor zwei möglich. Deshalb werden z. B. neue Satellitensysteme mit Dualpolarisation ausgerüstet. Die Voraussetzung für die immer mehr verbreitete doppelte Ausnutzung von Antennenanlagen von Frequenzen durch zwei Polarisationen sind Polarisationsweichen. Eine Polarisationsweiche trennt z. B. die über einen einzigen Hohlleiter von der Antenne kommenden orthogonalen Polarisationen und führt sie getrennten Ausgängen zu, ist also ein 3-Tor. Die bekannten Polarisationsweichen sind oft sehr kompliziert und umfangreich, weil sehr breitbandig, oder die Lage der Anschlußhohlleiter ist ungünstig. Beispielsweise für die TV- Satellitenübertragung wird aber eine einfache kompakte und billig herstellbare Polarisationsweiche benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die vorstehend genannten Anwendungsformen eine Polarisationsweiche anzugeben, die einfach ist in der Herstellung und die trotzdem die erforderliche Breitbandigkeit aufweist. Darüber hinaus soll sie auch einfach zusammenschaltbar sein mit kostengünstigen Fin-Line- Komponenten, wie z. B. Mischer und Filter.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der einleitend genannten Polarisationsweiche mit den im ersten Patentanspruch angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt in der Zeichnung

Fig. 1 eine Ausführungsform mit einem runden Hohlleiter

Fig. 2 eine Ausführungform mit einem quadratischen Hohlleiter

Fig. 3 eine Ausführungsform, bei der weitere Hohlleiter angeschlossen werden können.

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der die kapazitive Koppelsonde durch eine Scheibe erweitert ist,

Fig. 5 eine Ausführungsform, die Resonanzcharakter hat,

Fig. 6 eine Ausführungsform, bei der Resonatoren außen angeschlossen sind,

Fig. 7 eine Ausgestaltung zur Frequenzweiche,

Fig. 8 eine Ausführungsform unter Verwendung eines an sich bekannten Richtungskopplers.

Das Prinzip der neuen Polarisationsweiche wird anhand von Fig. 1 beschrieben. In einen Rundhohlleiter 1 mündet vorzugsweise senkrecht ein mit seiner Breitseite parallel zur Rundhohlleiterachse stehender Rechteckhohlleiter 2. Bei Einspeisung der H₁₀-Welle in den Rechteckhohlleiter 2 entsteht im Rundhohlleiter eine H₁₁-Welle mit horizontaler Polarisation des elektrischen Feldes. Der Durchmesser D des Rundhohlleiters darf dabei nicht so groß sein, daß sich auch die unerwünschte H₂₁-Welle ausbreiten kann (D < λ/1,01). Wenn sich die entstehende H₁₁-Welle im Rundhohlleiter nur in einer Richtung ausbreiten soll, endet der Rundhohlleiter rückwärts an einer empirisch zu erfassenden Stelle in einer Kurzschlußplatte 3. Der Einkoppelstelle des Rechteckhohlleiters 2 diametral gegenüber befindet sich die kapazitive Einkoppelsonde 4, die z. B. durch Fortführung des Innenleiters der Koaxialleitung 5 gebildet wird. Die Verlängerung der Koaxialleitungsmittelachse zeigt genau in der Mitte der Hohlleiterschmalseite b und vorzugs-, aber nicht notwendigerweise in die Mitte der Hohlleiterbreite a. Bei Einspeisung der TEM-Welle in die Koaxialleitung 5 entsteht im Rundhohlleiter 1 eine H₁₁-Welle mit vertikaler Polarisation des elektrischen Feldes. Die Ausbreitung der ebenfalls angeregten E₀₁-Welle kann verhindert werden, indem der Rundhohlleiterdurchmesser D entsprechend klein gewählt wird (D < g/1,31). Mit dieser Durchmesserforderung ist die weiter oben gestellte Forderung (H₂₁- Freiheit) automatisch erfüllt. Es läßt sich jetzt auch die maximal erreichbare Bandbreite angeben. Die höchste Betriebsfrequenz f₀ verhält sich zur tiefsten Betriebsfrequenz f _u wie die Grenzwellenlängen von H₁₁- und E₀₁-Welle.

f _o /f _u = λ _g H₁₁/λ _g E₀₁ = 1,71 D/1,31 D = 1,31

Da ein Hohlleiter sehr knapp über seiner Grenzfrequenz nur mit Schwierigkeiten betrieben werden kann, ist der obige Faktor nicht voll nutzbar. Trotzdem ergeben sich auch mit ca. 20% verbleibender Bandbreite viele Anwendungen für die neue Polarisationsweiche. Der Rundhohlleiterdurchmesser D darf in angemessenem Abstand von der Einkoppelsonde 4 wegen des Abklingens des aperiodischen E₀₁-Feldes natürlich erweitert werden.

Mit der Anordnung von Fig. 1 kann eine praktisch frequenzunabhängige hohe Entkopplung zwischen den orthogonalen linear polarisierten H₁₁-Wellen im Rundhohlleiter erreicht werden. In ursächlichem Zusammenhang damit steht die gute Entkopplung des Rechteckhohlleiters 2 von der Koaxialleitung 5. Um diese gute Entkopplung zu erreichen, sind lediglich einige Punkte zu beachten.

Es sollte die mechanische Genauigkeit, vor allem die Symmetrie möglichst eingehalten werden. Die Koaxialleitung 5 sollte im Querschnitt klein gehalten werden, da sonst bekanntlich Hohlleitermoden zusätzlich auftreten. Die Koaxialleitung 5 sollte mit einer gewissen Mindestlänge ausgestattet werden, damit unerwünschte angekoppelte Wellen (z. B. H₁₁-koaxial) bis zum Ausgang der Koaxialleitung 5 aperiodisch genügend gedämpft sind. Schließlich sollte man auch den Rechteckhohlleiter 2 im Eindeutigkeitsbereich für die H₁₀-Welle betreiben, und es sollte auch der Rechteckhohlleiter 2 mit einer gewissen Mindestlänge ausgestattet werden, damit unerwünschte Wellen (z. B. E₁₁-Welle) bis zum Ausgang des Rechteckhohlleiters 2 aperiodisch genügend gedämpft sind.

Eine etwas breitbandigere erfindungsgemäße Polarisationsweiche erhält man durch Verwendung eines quadratischen Hohlleiters anstatt des Rundhohlleiters. Fig. 2 zeigt eine solche Anordnung. Der Quadrathohlleiter führt die beiden Wellentypen H₁₀ und H₀₁. Der Querschnitt des Quadrathohlleiters 6 muß hier so klein bleiben, daß sich die E₁₁-Welle nicht ausbreiten kann. Höchste zu niedrigste Betriebsfrequenz verhalten sich dann wie

f _o /f _u = λ _g H₁₀/λ _g E₁₁ = 2a/ = 1,41

womit sich ca. 30% praktisch nutzbare Bandbreite ergeben. Die Polarisationsweiche von Fig. 2 weist im Quadrathohlleiter 6 beispielsweise eine Kurzschlußplatte 3 mit einem keilförmigen Teil 7 auf. Diese keilförmige Abschrägung 7 kann auch bei Fig. 1 verwendet werden. Das ergibt den Vorteil, daß die Kurzschlußebenen für die H₁₀- und H₀₁-Welle bis zu einem gewissen Grad verschieden eingestellt werden können; sowohl der Ort der Kurzschlußplatte wie die Keilgröße können variiert werden. Das ist für Anpassungszwecke bei den beschriebenen Polarisationsweichen vorteilhaft, da die Einkoppelarten in den Rund- oder Quadrathohlleiter durch Verwendung eines Rechteckhohlleiters einerseits und einer Koaxialleitung andererseits verschieden sind.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie es mit der neuen Polarisationsweiche (nach Fig. 1 oder 2) in einfacher Weise möglich ist, zwei parallele Rechteckhohlleiterausgänge zu schaffen, die zusammen in ihrer stromlosen Ebene T-T geteilt werden können: An die Koaxialleitung 5 schließt sich ein Übergang 12 auf einen Rechteckhohlleiter 13 an.

Der Rechteckhohlleiter 2 wird über einen reflexionsarmen Knick 8 in den Rechteckhohlleiter 9 geführt. Die Kurzschlußplatte 3 ist im Beispiel mit einem Steg 11 versehen, der hier für die horizontale Polarisation eine Vorverlagerung der Kurzschlußebene ergibt. Der Zweck ist wieder die getrennte Möglichkeit der Anpassung für die beiden Polarisationen. Es kann natürlich sein, daß ein vertikaler Steg zweckmäßiger ist. Auch können mehrere Stege 11 oder Rippen verwendet werden.

Es ist auch möglich, aus Fig. 1 (oder 2) eine Anordnung mit zwei parallelen Koaxialausgängen zu schaffen, siehe Fig. 4. Dazu erhält der Hohlleiter 2 einen Übergang 14 auf Koaxialleitung 15 und Koaxialleitung 5 einen Knick 16. Die kapazitive Einkoppelsonde 4 ist mit einer Scheibe 17 ausgestattet. Zur Anpassung werden die Blenden 18 und 19 verwendet, die für die vertikale Polarisation kapazitiv und für die horizontale Polarisation induktiv wirken und somit wieder getrennte Einstellmöglichkeiten ergeben.

Wenn keine allzu großen Bandbreiten gefordert werden, kann es - beispielsweise aus Anpassungs- oder Selektivgründen - von Vorteil sein, die Polarisationsweiche als Resonanzübergang auszuführen. Fig. 5 zeigt eine solche Resonanzpolarisationsweiche. Der Resonanzraum 20 wird hier durch die Ringblende 21, die Kurzschlußplatte 3 und die Rundhohlleiterwand gebildet. Dieser Raum stellt beispielsweise einen H₁₁₁-Resonator für die beiden H₁₁-Polarisationen dar. Die Ankopplung an den Rechteckhohlleiter 2 geschieht über die Blende 22, die Ankopplung an die Koaxialleitung 5 über den Stift 4, der hier kleiner ist als bei den Polarisationsweichen ohne Resonanzüberhöhung. Um für beide H₁₁-Polarisationen die gleiche Resonanzfrequenz zu erreichen, ist wieder der Steg 11 vorgesehen. Durch Wahl der Blenden- bzw. Stiftgrößen kann in bekannter Weise die Bandbreite eingestellt werden. Eine weitere Polarisationsweiche mit Resonanzübergang zeigt Fig. 6, diesmal nicht perspektivisch, sondern in Längs- und Querschnitt, um eine Vorstellung von der Herstellungsmöglichkeit zu geben. Die Polarisationsweiche besteht aus zwei Hälften 24 und 25, deren Trennungsebene vorzugsweise durch die Mitte der Rechteckhohlleiterbreitseiten, die ja eine stromlose Ebene T-T darstellt, verläuft. Die beiden Hälften können durch Fräsen oder in Druckgußtechnik hergestellt werden. Dieser Vorteil gilt für alle aufgeführten Polarisationsweichen.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Polarisationsweiche sind unmittelbar anschließend an den Rundhohlleiter Resonatoren angebaut. Der Rechteckhohlleiter 2 wird durch die Blenden 22 und 23 zum H₁₀₁-Resonator 28. Die Koaxialleitung 5 wird dadurch zum Resonator 29, daß ihre Länge etwa λ/2 und ihre kapazitiven Stifte entsprechend kurz gemacht werden. Die Halterung des Koaxialinnenleiters geschieht zweckmäßig in der Gegend des Spannungsknotens wegen der Verluste des Dielektrikums.

Durch Wahl der Blenden- und Stiftgrößen kann man die Bandbreite einstellen, und durch Resonatordimensionierung gleiche Resonanzfrequenzen erhalten. Die Resonatoren können abstimmbar ausgeführt werden. Zur Erhöhung der Selektion können noch weitere Resonatoren folgen. Ein zweikreisiges Verhalten kann z. B. auch dadurch erreicht werden, daß die Resonanzanordnungen von Fig. 5 und 6 kombiniert werden.

Will man orthogonale Polarisationen in zwei oder mehreren Frequenzbereichen trennen oder erzeugen, so ist das mit zwei bzw. mehreren Polarisationsweichen nach Fig. 6 möglich, bei denen Rundhohlleiter an Rundhohlleiter stößt. Fig. 7 zeigt eine schematische Anordnung für drei Frequenzbereiche F₁, F₂ und F₃. H₁₁-Wellen beider Polarisationen im tiefsten Frequenzbereich F₁, die z. B. in den Rundhohlleiter 26 mit dem Durchmesser D₁ von links eintreten, finden an der Sprungstelle zum Hohlleiter 27 mit dem kleineren Durchmesser D₂ (D₂<λ₁/1,71) einen Kurzschluß, ähnlich der Kurzschlußplatte 3 vor und werden durch die auf F₁ abgestimmten Resonatoren 28 bzw. 29 ausgekoppelt. H₁₁-Wellen des mittleren Frequenzbereichs F₂ sind im Rundhohlleiter 27 mit dem Durchmesser D₂ ausbreitungsfähig und gelangen an die Sprungstelle zum Hohlleiter 30 mit dem noch kleineren Durchmesser D₃ und werden durch die auf F₂ abgestimmten Resonatoren 31 bzw. 32 ausgekoppelt. Die Resonatoren 28 und 19 sprechen auf F₂ nicht an. Der höchste Frequenzbereich F₃ gelangt in den Hohlleiter 30, der mit der Kurzschlußplatte 3 endet, und wird über die Resonatoren 33 bzw. 34 oder direkt ausgekoppelt.

Polarisationsweichen für zwei Frequenzbereiche werden z. B. im Satellitenfunk eingesetzt. Dort werden beispielsweise Frequenzbereiche von 4 und 6 GHz und 14 GHz, 20 und 30 GHz verwendet.

Die gezeigten neuen Polarisationsweichen erzeugen oder trennen zwei in der Polarisationsebene aufeinander senkrecht stehende linear polarisierte Wellen, z. B. H₁₁ _hor und H₁₁ _vert bzw. H₁₀ und H₀₁. Man kann, ausgehend von einer Polarisationsweiche für linear polarisierte Wellen, bekanntlich auch zirkular polarisierte Wellen erzeugen oder trennen, wenn man zusätzlich entweder einen Polarisator, z. B. einen λ/4-Polarisator mit dielektrischer Platte, in die beiden Polarisationen führenden Hohlleiter mit rundem bzw. quadratischem Querschnitt einschaltet, (solche Polarisatoren sind für sich aus der Literaturstelle Meinke/Grundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", Springer Verlag, 1968, insbes. Seiten 435 bis 437, Abb. 13. 3., bekannt), oder einen 3-dB-Koppler an die nach Polarisationen getrennten Anschlüsse (Rechteckhohlleiter nach Fig. 3 und 6, Koaxialleitungen nach Fig. 4) ansetzt.

Ein Beispiel zeigt Fig. 8. An die Rechteckhohlleiter der Polarisationsweiche, Ebene B-B, schließt sich zweckmäßigerweise ein 3-dB-Koppler 35 in Hohlleitertechnik an, der hier als mehrstufiger Branch-Guide- Koppler durchgebildet ist. Solche Koppler sind für sich aus der Literaturstelle Matthaei/Young/Jones: "Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures", McGraw-Hill-Book Company, 1964, Seiten 833 bis 842 bekannt.

Die Rechteckhohlleiter 36 und 37 bilden jetzt die nach Polarisationen getrennten Anschlüsse (linksdrehend und rechtsdrehend zirkular). Die Koaxialleitung 5 ist hier der Einfachheit halber mit quadratischem Außenleiter ausgeführt. Voraussetzung dabei ist allerdings, daß von der Anschlußebene A-A des Rundhohlleiters bis zur Anschlußebene B-B des 3-dB-Richtkopplers gleiche Phasengänge für die beiden Polarisationen erreicht werden. Das ist nicht von vornherein gegeben, da in einem Weg ein Stück Koaxialleitung liegt, womit die elektrischen Leitungslängen und die Dispersionen verschieden sind. Durch geeignete Wahl der Hohleiterbreiten und -längen kann der Phasengleichlauf über eine kleinere Bandbreite und bis zu einem gewissen Grad erreicht werden. Die Anordnung nach Fig. 8 wurde deswegen gezeigt, weil sie mechanisch gut teilbar ist und billig in der Herstellung.

Der Vorteil der hier gezeigten Polarisationsweichen ist ihre einfache Herstellbarkeit und damit Billigkeit. Die Rechteckhohlleiter haben eine günstige parallele Lage mit einander zugewandten Breitseiten, denn die Polarisationsweiche kann - evtl. zusammen mit einer anschließenden Schaltung - in der stromlosen Ebene der Rechteckhohlleiter in zwei Hälften geteilt hergestellt werden. Damit ist eine einfache Spritzgußtechnik möglich. Zwischen die Hohlleiterhälften können kostengünstige Fin-Line-Komponenten wie z. B. Mischer, Filter, in einfacher Weise eingesetzt werden. Die Baugröße der neuen Polarisationsweiche beträgt nur etwa 4×4×8 cm bei 12 GHz Betriebsfrequenz.

Claims (9)

1. Polarisationsweiche zum Trennen oder zum Zusammenführen zweier zueinander senkrecht polarisierter magnetischer Grundwellentypen in quadratischen (6) oder runden (1) Hohlleitern, bei der an dem Hohlleiter (1, 6) der beide Wellentypen (H₁₁ _vert , H₁₁ _hor ; H₁₀, H₀₁) führt, ein Rechteckhohlleiter (2) derart aufgesetzt ist, daß seine Schmalseiten (b) senkrecht stehen zur Längsachse des beide Wellentypen führenden Hohlleiters (1, 6), dadurch gekennzeichnet, daß eine kapazitive Koppelsonde (4) dem Rechteckhohlleiter (2) gegenüberliegend derart angeordnet ist, daß ihre gedachte Mittelachse im Bereich des einmündenden Rechteckhohlleiters (2) in die Mitte der Hohlleiterschmalseite (b) trifft, daß in dem die senkrecht aufeinander stehenden Wellentypen führenden Hohlleiter (1, 6) eine Kurzschlußplatte (3) angeordnet ist und daß durch eine zusätzliche Ringblende (21) ein Resonator (20) zusammen mit der Kurzschlußplatte (3) gebildet ist.

2. Polarisationsweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußplatte (3) wenigstens einen Steg (11) trägt.

3. Polarisationsweiche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußplatte (3) mit einer Abschrägung (7) versehen ist.

4. Polarisationsweiche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gedachte Mitte der kapazitiven Koppelsonde (4) zugleich in die Mitte der Hohlleiterbreitseite (a) trifft.

5. Polarisationsweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelsonde (4) zu einer Koaxialleitung (4, 5) ergänzt ist.

6. Polarisationsweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelsonde (4) durch eine Scheibe (17) gebildet ist.

7. Polarisationsweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Sonde bzw. Koaxialleitung (4, 5) selbst in einen weiteren Rechteckhohlleiter (13) einmündet.

8. Polarisationsweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Resonatoren (28, 29) zwischen den beiden Hohlleiterwellentypen führenden Hohlleiter (1, 6) und die Anschlußleitungen (9, 13) geschaltet sind (Fig. 6).

9. Polarisationsweiche nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der beide Hohlleiterwellentypen führende Hohlleiter (1, 6) im Querschnitt (z. B. D₁, D₂ . . .) gestuft ist (Fig. 7).