DE3852650T2

DE3852650T2 - Mikrowellenmultiplexer mit mehrmodenfilter.

Info

Publication number: DE3852650T2
Application number: DE3852650T
Authority: DE
Inventors: Thomas Hudspeth
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-06-08
Filing date: 1988-05-06
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2008-05-07
Also published as: WO1988010013A3; DE3852650D1; EP0423114A1; EP0423114B1; JPH01503592A; WO1988010013A2; CA1282881C; US4777459A; JPH0783202B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter für elektromagnetische Signale enthaltend:
- eine Vielzahl von in Reihe verbundenen Hohlräumen;
- Mittel zur Eingabe von Signalen;
- ein erster Resonanzhohlraum der Vielzahl, der mit dem Mittel zur Eingabe von Signalen verbunden ist;
- erste Mittel für die Erzeugung transversaler magnetischer (TM) und transversaler elektrischer (TE) Wellen innerhalb des ersten Hohlraums;
- ein letzter Resonanzhohlraum der Vielzahl;
- zweite Mittel für die Erzeugung transversaler magnetischer (TM) und transversaler elektrischer (TE) Wellen innerhalb des letzten Hohlraums;
- Kopplungsmittel zwischen den Hohlräumen, die entsprechende, aufeinanderfolgende Hohlräume der in Reihe verbundenen Hohlräume miteinander verbinden; und
- Mittel zur Ausgabe von Signalen, die mit dem letzten Hohlraum verbunden sind.
Ein Filter der vorstehend genannten Art ist aus dem Dokument CA-A-1 218 122 bekannt.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Multiplexer für elektromagnetische Signale in voneinander getrennten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, wobei der Multiplexer eine Vielzahl von Kanälen für Eingangssignale und einen gemeinsamen Ausgangskanal enthält und jeder der Eingangskanäle mit einem Filter ausgestattet ist, welcher enthält:
- eine Vielzahl von in Reihe verbundenen und jeweils auf den spektralen Bereich eines der Kanäle abgestimmte Hohlräume;
- Mittel zur Eingabe von Signalen;
- ein erster Resonanzhohlraum der Vielzahl, der mit dem Mittel zur Eingabe von Signalen verbunden ist;
- erste Mittel für die Erzeugung transversaler magnetischer (TM) und transversaler elektrischer (TE) Wellen innerhalb des ersten Hohlraums;
- ein letzter Resonanzhohlraum der Vielzahl;
- zweite Mittel für die Erzeugung transversaler magnetischer (TM) und transversaler elektrischer (TE) Wellen innerhalb des letzten Hohlraums;
- Kopplungsmittel zwischen den Hohlräumen, die entsprechende, aufeinanderfolgende Hohlräume der in Reihe verbundenen Hohlräume miteinander verbinden; und
- Mittel zur Ausgabe von Signalen, die mit dem letzten Hohlraum verbunden sind.
Ein Multiplexer der vorstehend genannten Art ist aus dem Dokument US-A-4 614 920 bekannt.
In besonderer Weise betrifft die Erfindung Multiplexer von elektromagnetischen Mikrowellensignalen unterschiedlicher Frequenz, und insbesondere dabei einen Multiplexer, der eine Vielzahl von Kanälen aufweist, die auf bestimmte Frequenzen abgestimmt sind, wobei jeder Kanal einen Filter enthält, der sowohl transversale elektrische (TE) als auch transversale magnetische (TM) Wellen miteinander koppelt, um eine Bandpaß Charakteristik mit steileren Rändern zu formen, um dadurch einen engeren Abstand aufeinanderfolgender Signalbänder zu ermöglichen.
Mikrowellenmultiplexer werden in einer Vielzahl von Kommunikationssystemen, die von Radar bis Telemetrie reichen, verwendet. Beispielsweise werden im Falle eines Satelliten, der zwei Antennen hoher Richtkraft für den Empfang zweier Signale in verschiedenen Frequenzbändern enthält, die beiden von den zugehörigen Antennen empfangenen Signale vorteilhafter Weise mittels eines Mikrowellenmultiplexers miteinander kombiniert. Der Multiplexer gibt die zwei Signale in einem gemeinsamen Kanal größerer Bandbreite aus. Dadurch erhält ein einziger Mikrowellenkanal beide Signale. Ein solcher Multiplexer kann in seiner Betriebsweise in der Art reziprok sein, daß ein mehrbandiges Signal, welches den Multiplexer in umgekehrter Richtung durchläuft, in zwei getrennte Signale, von denen jedes sein eigenes spektrales Übertragungsband hat, aufgeteilt werden kann. Wenn gewünscht, können solche Multiplexer so konstruiert sein, daß sie mehr als zwei spektrale Bänder bedienen. Es ist vorteilhaft, wenn die verschiedenen Bänder so eng wie möglich nebeneinander angeordnet werden, um dadurch die notwendige Bandbreite des gemeinsamen Ausgangskanals des Multiplexers zu reduzieren.
In der Vergangenheit entstand ein Problem dadurch, daß die Charakteristik des Bandpasses der Resonanzstruktur in jedem der Kanäle des Multiplexers weitere Ränder als gewünscht aufwies. Die zusätzliche Breite der Ränder erfordert zusätzlichen Abstand zwischen aufeinander folgenden Signalbändern, um die erforderliche Trennung der Kanäle sicher zu stellen. Dies vermindert die Zahl der getrennten Signalkanäle, die in einem einzigen Ausgangskanal vorgeschriebener Bandbreite vereint werden können.
Aus dem Dokument CA-A-1 218 122 ist ein Filter mit vier Moden bekannt. Dieses bekannte Filter wird aus zwei zylindrischen Hohlräumen gebildet, die miteinander über eine leitende zylindrische Scheibe, die mit einem länglichen Schlitz entlang eines Durchmessers der Scheibe versehen ist, gekoppelt sind. Die zwei zylindrischen Hohlräume sind in ihrer Konstruktion zueinander symmetrisch. In radialer Richtung sind sie mittels eines rechteckigen Wellenleiters gekoppelt, der in einem Oberflächenbereich des Hohlraums endet, welcher mit einem länglichen Kopplungsschlitz versehen ist.
Jeder der beiden Hohlräume ist mit jeweils zehn Anpassungsschrauben versehen, nämlich vier Kopplungsschrauben, vier Abstimmungsschrauben und zwei Entkopplungsschrauben, wodurch insgesamt zehn Anpassungsschrauben für jeden der beiden Hohlräume vorgesehen sind.
Wenn diese zwanzig Schrauben richtig abgestimmt sind, können beide Hohlräume in vier Arten bzw. Moden von Schwingungen oszillieren, nämlich TE&sub1;&sub1;&sub3;, TM&sub1;&sub1;&sub0;, TM&sub1;&sub1;&sub0;, TE&sub1;&sub1;&sub3;, wobei jeweils zwei dieser Moden rechtwinklig zueinander schwingen. Auf diese Weise wird ein Bandpaßfilter erzielt, welches im 12 GHz Bereich steile Filterflanken hat.
Dokument US-A-4 614 920 beschreibt einen Multiplexer von der Art des mehrfach gefalteten Wellenleiters mit dreifach Moden Filtern. Der Multiplexer ist für die Benutzung in Satelliten- Kommunikationssystemen bestimmt und weist eine Vielzahl von Bandpaßfiltern auf, die durch E-Ebenen oder H-Ebenen T-Verbindungen mit einem mehrfach gefalteten Welleneiter gekoppelt sind. Die Bandpaßfilter sind ähnlich denen gestaltet, die in Dokument CA-A-1 218 122 beschrieben sind.
Generell ist für die Benutzung in Satelliten sowohl eine Reduktion von Größe und Gewicht gewünscht, als auch die Möglichkeit der Einrichtung von Kopplungskoeffizienten in den verwendeten Filtern, um die Abstimmung der Filter zu ermöglichen, damit die Form der Charakteristik des Bandpasses in einem Signalkanal optimiert wird.
Bei einem Filter und bei einem Multiplexer, wie sie zu Beginn beschrieben sind, wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
- daß die ersten Mittel zur Erzeugung Mittel zur Aufteilung der Eingangsleistung enthält, mit denen getrennte Signale in den ersten Hohlraum eingekoppelt werden;
- daß die zweiten Mittel zur Erzeugung Mittel zur Vereinigung der Ausgangsleistung enthält, mit denen getrennte Signale aus dem letzten Hohlraum ausgekoppelt werden;
- daß die TE und TM Wellen zirkular polarisierte Wellen sind; und
- daß die Kopplungsmittel zwischen den Hohlräumen ein TE Kopplungsmittel und ein TM Kopplungsmittel enthält, welche unabhängig voneinander konfiguriert sind, um Kopplungskoeffizienten der TE und der TM Wellen zwischen dem ersten und dem letzten Hohlraum zu bilden.
Daher werden die oben genannten Probleme durch einen Multiplexer überwunden und andere Vorteile erzielt, der einen Satz individuell abgestimmter Eingangskanäle hat, wobei die Abstimmung jedes Kanals durch eine Resonanzstruktur bewirkt wird, die aus einer Vielzahl von Kammern bzw. Hohlräumen zusammengesetzt ist. Gemäß der Erfindung ist jede Kammer mit einer Kopplungsstruktur versehen, die sowohl TE als auch TM Moden von elektromagnetischer Wellenfortpflanzung anregt. Die daraus sich ergebende Resonanzstruktur für jeden Kanal hat eine Charakteristik des Bandpasses, die durch eine Reduzierung der Breite der Flanken gekennzeichnet ist, d. h., die Flanken sind steiler, und somit ist eine engere Anordnung der aufeinander folgenden Kanäle ermöglicht unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung ausreichender Trennung zwischen den Signalen aufeinander folgender Kanäle.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Beginn der TE und TM Wellen durch einen 3 dB (Dezibel) Koppler bewirkt, welcher aus aneinander liegenden Wellenleitern, die eine gemeinsame Wand teilen, gebildet ist, und wobei Kopplungssonden in jedem der Wellenleiter angeordnet sind. Dadurch wird eine 90º Phasenverschiebung zwischen die beiden Sonden eingeführt. Die beiden Sonden durchdringen eine erste Kammer des Filters an dessen Abschlußwand, wo eine metallische Scheibe an der Abschlußwand entlang der beiden Sonden angeordnet ist. Zusätzlich sind zwei Abstimmstifte auf entgegengesetzten Seiten der Scheibe parallel zu den Sonden angeordnet, wobei die beiden Abstimmstifte und die beiden Sonden gleichmäßig einheitlich auf der Scheibe ausgerichtet angeordnet sind. Die Sonden regen TM Wellen in der Kammer an und die Scheibe arbeitet mit den TM Wellen interaktiv so zusammen, daß eine TE Welle in der Kammer angeregt wird.
Die Kopplung elektromagnetischer Energie zwischen aufeinander folgenden Kammern innerhalb eines Kanals wird durch eine zusammengesetzte Kopplungsstruktur erreicht, wovon ein Teil die Kopplung der TM Wellen und ein Teil die Kopplung der TE Wellen besorgt. Die zusammengesetzte Kopplungsstruktur ist in einer gemeinsamen Abschlußwand zwischen aneinander grenzenden Kammern plaziert. Ein Satz von vier Kreissegmentschlitzen koppelt die TE Wellen, während ein Satz von Sonden, die durch die gemeinsame Abschlußwand hindurch ragen und in die beiden Kammern hinein ragen, koppeln die TM Wellen. Die vier Sonden sind in den entsprechenden vier Schlitzen zentriert angeordnet.
Die 3 dB Kopplungsstruktur wird auf die Kammern an beiden Enden der Resonanzstruktur angewandt, ein 3 dB Koppler ist am Eingang und der andere 3 dB Koppler an einer Seitenwand eines gemeinsamen Ausgangswellenleiters, welcher die einzelnen Resonanzstrukturen der entsprechenden Kanäle verbindet, angeordnet. Ein Merkmal dieser Struktur besteht darin, daß eine Gruppe von Mikrowellensignalen unterschiedlicher Frequenzen, die sich durch den gemeinsamen Ausgangswellenleiter fortpflanzt und auf einzelne der Ausgangskoppler trifft, mit den Kopplern in einer Weise reagiert, die von der Resonanzfrequenz der entsprechenden Kanäle abhängt. Signale mit Frequenzen, die von der Resonanzfrequenz des betreffenden Kanals verschieden sind, bleiben im wesentlichen unbeeinflußt durch die Anwesenheit des Kanals und können sich dementsprechend ohne Interferenz mit anderen Kanälen durch den Ausgangswellenleiter fortpflanzen. Andererseits wird ein Mikrowellensignal, welches auf den Koppler eines Kanals auftrifft, der mit der Frequenz des Mikrowellensignals in Resonanz schwingt, in die Resonanzstruktur eingekoppelt, um sich durch diese Kanalstruktur fortzupflanzen. Reziproke Fortpflanzung wird in der Struktur des Multiplexers dadurch erzielt, daß für die Zusammenführung eines Satzes von Signalen diese sich von Eingängen zu einem gemeinsamen Ausgang fortpflanzen können, und daß für die Trennung der Signale einer Gruppe von Mikrowellensignalen diese sich von einem gemeinsamen Ausgang zu dem Satz von Eingängen fortpflanzen können.
Die Resonanzstruktur in jedem der Kanäle kann als ein Filter angesehen werden, welches das Signal eines besonderen Kanals durchläßt, während es Signale anderer Kanäle sperrt. Die einzelnen Kammern bzw. Hohlräume in jeder der Resonanzstrukturen können als Filterabschnitte angesehen werden, die für eine schärfere Abstimmung der Durchlaßbereiche der entsprechenden Filter sorgen. Koeffizienten für die Kopplung der Mikrowellenenergie zwischen den Kammern einer Resonanzstruktur können in Übereinstimmung mit der Filtertheorie entsprechend gewählt werden, um die Charakteristik des Bandpasses zu formen. Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Kopplungsstruktur zwischen aufeinander folgenden Kammern eine zusammengesetzte Struktur für die Kopplung von TE und TM Wellen ist, werden deren Schlitze für das Koppeln der TE Wellen in einem solchen radialen Abstand von der Mitte der gemeinsamen Wand angeordnet, an welchem kein transversaler Strom von einer TM Welle vorhanden ist. Die in der Mitte der Schlitze angeordneten Sonden erstrecken sich um eine ausreichende Entfernung von der gemeinsamen Wand, so daß sie mit den TM Wellen in Interaktion treten. Dadurch ist die zusammengesetzte Kopplungsstruktur fähig, sowohl TE als auch TM Wellen zu verarbeiten. Zusätzlich werden, durch Wahl eines Abstands zu den Sonden und eines Abstands zu den Schlitzen, auf einfache Weise Kopplungskoeffizienten geschaffen, um die Form der Charakteristik des Bandpasses in einem Signalkanal zu optimieren. Die Struktur des Filters eines einzelnen Kanals kann auch für die Verarbeitung von Signale in der Mikrowellentechnik verwendet werden, die nicht Multiplexer betrifft.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die vorstehenden Gesichtspunkte und weitere Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert, in der:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Multiplexers gemäß der Erfindung zeigt, welches zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Multiplexer darstellt, wobei die Ansicht von Fig. 2 teilweise im Schnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 gezeigt ist, um die innere Konstruktion einer Eingangswellenleiteranordnung eines ersten Signalkanals und die innere Konstruktion einer Ausgangswellenleiteranordnung eines zweiten Eingangssignalkanal zu zeigen;
Fig. 3 eine Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Multiplexers zeigt, wobei die Ansicht in Fig. 3 teilweise geschnitten ist, um die transversale elektrische und die transversale magnetische Kopplungsstruktur innerhalb eines Filters eines Signalkanals zu zeigen;
Fig. 4 eine diagrammartige isometrische Ansicht des Filters gemäß Fig. 3 zeigt; und
Fig. 5 die Charakteristik des Bandpasses des Filters gemäß Fig. 4 zeigt, betrieben sowohl mit den transversalen elektrischen als auch den transversalen magnetischen Moden entsprechend der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Unter Bezugnahme auf die Figuren ist ein Mikrowellen-Multiplexer 20 dargestellt, der einen Wellenleiter 22 mit einem Ausgang 24 enthält. Eine Vielzahl von Eingängen 26, von denen zwei in den Figuren dargestellt sind, sind innerhalb von Eingangswellenleiteranordnungen 28 und 30 gebildet, wobei letztere über zylindrische Filter 32 und 34 mit dem Wellenleiter 22 gekoppelt sind. Eingangssignale in der Form von elektromagnetischen Wellen werden an den Eingängen 26 eingegeben, um durch den Multiplexer 20 kombiniert zu werden, wobei die Summe der Ausgangssignale (zwei Eingangssignale in Fig. 1) am Ausgang 24 ausgegeben wird.
Jedes der Filter 32 und 34 enthält eine Vielzahl von Resonanzhohlräumen bzw. -kammern 36 und 38. Obwohl nur zwei der Kammern 36, 38 in jedem der Filter 32 und 34 dargestellt sind, versteht es sich, daß drei oder mehr solcher Resonanzkammern verwendet werden können, wenn dies gewünscht ist. Es ist gut bekannt, daß die Resonanzfrequenz jeder der Resonanzkammern 36 und 38 von den Abmessungen der Kammern 36 und 38 abhängig ist. Jede der Kammern ist als ein gerader zylindrischer Abschnitt mit vorgeschriebenem Durchmesser und vorgeschriebener Höhe gebildet. Durchmesser und Höhe sind so ausgewählt, daß sie die gewünschte Resonanzfrequenz elektromagnetischer Wellen abgeben, die in den Kammern 36 und 38 angeregt werden von Eingangssignalen, welche an den Eingängen 26 zugeführt werden. Dadurch werden die Filter 32 und 34 auf ihre entsprechenden Kanalfrequenzen abgestimmt.
Eine nützliche Eigenschaft der Filter 32 und 34 wird an der Ankopplungsstelle jedes der Filter 32 und 34 an den Wellenleiter 22 offenbar. Ein Mikrowellensignal, welches sich im Wellenleiter 22 fortpflanzt, wird dann in ein Filter 32, 34 eingekoppelt, wenn der Bandpaß des Filters die Frequenz des Mikrowellensignals enthält. Wenn jedoch die Resonanzfrequenz des Filters 32, 34 unterschiedlich von der Frequenz des Mikrowellensignals ist, dann wird das Mikrowellensignal durch die Filter 32, 34 zurückgewiesen und fährt fort, sich durch den Wellenleiter 22 fortzupflanzen ohne wesentliche Interaktion mit den Filtern 32, 34. Ähnliche Ausführungen treffen auf jeden anderen (nicht dargestellten) Filter zu, der an den Wellenleiter 22 angekoppelt sein kann. Diese Eigenschaft ist höchst nützlich für die Zusammenfügung von mehreren Eingangssignalen, weil ein Eingangssignal oder eine Summe von Eingangssignalen, die in den Wellenleiter 22 hineingegeben wurden, damit fort fahren kann, ohne Beeinträchtigung durch andere Filter, durch den Wellenleiter 22 zu wandern. Es ist klar, daß bei der Konstruktion des Multiplexers 20 alle Filter so gebaut sind, daß sie bei verschiedenen Frequenzen in Resonanz schwingen. Dadurch wird das Multiplexen von Signalen verschiedener Frequenzen ermöglicht, um ein Summensignal am Ausgang 24 zur Verfügung zu stellen.
Es sei auch bemerkt, daß die Betriebsweise des Multiplexers 20 reziprok ist, so daß ein Signal, welches aus einer Summe einer Vielzahl von Signalen verschiedener Frequenzen besteht, am Ausgang 24 eingegeben werden kann, woraufhin dann jedes der Mikrowellensignale an entsprechenden Eingängen 26 herauskommt, wobei jede Komponente der Mikrowellensignale in Übereinstimmung mit den Frequenzen der entsprechenden Mikrowellensignale getrennt worden ist.
Bei der Verwendung des Multiplexers 20 zum Multiplexen eines Satzes von Signalen, die verschiedene Teile des Mikrowellenspektrums besetzten, ist anzumerken, daß ein Satz von Eingangssignalen ein Eingangsband von Signalen bildet, in dem jedes der Mikrowellensignale einen Teil des Bandes besetzt. Obwohl ideal gesehen, jeder Teil des Bandes, der einem spezifischen Mikrowellensignal zugeteilt ist, angrenzend an den Teil ist, der dem nächsten Mikrowellensignal zugeteilt ist, so sind in der Praxis doch die Bandteile durch Stoppbänder getrennt, um Raum für Flanken von Bandpaßcharakteristiken der entsprechenden Filter zu gewähren, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind. Der Anteil des Raums, der für die Flanken bestimmt ist, begrenzt die Effizienz der Nutzung des Bandes. Schärfere Ränder ermöglichen es jedem der nutzbaren Teile des Bandes, enger aneinander angeordnet zu werden, um somit eine Vergeudung von Frequenzraum im Band zu vermeiden. Wie es ja bekannt ist, beeinflußt die Zahl der Resonatoren in einer Kammer, und die Zahl der in jedem Filter verwendeten Kammern, die Charakteristik des Bandpasses, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Obgleich die Flanken durch Erhöhung der Zahl von Kammern, über die zwei Kammern 36 und 38 wie im Beispiel der Erfindung gezeigt hinaus, steiler gemacht werden können, erhöhen solche zusätzlichen Kammern die Komplexität der Struktur. Eine solche Struktur ist schwieriger abzustimmen als die relativ einfache Struktur der Filter 32 und 34.
Gemäß der Erfindung werden durch Kopplung einer Vielzahl von elektromagnetischen Übertragungsmoden durch die Filter 32 und 34, die Flanken der Bandpaßcharakteristik jedes der Filter steiler gemacht, um eine engere Beabstandung aneinander angrenzender Signalteile des Spektrums zu erreichen. Ein einzelner Modus einer elektromagnetischen Welle ist mit breiteren Flanken verbunden, während die Verwendung einer Kopplungsstruktur in den Filtern, welche die Fortpflanzung vieler Moden, sowohl transversaler elektrischer (TE) als auch transversaler magnetischer (TM), von elektromagnetischen Wellen ermöglicht, die gewünschte Verengung der Flanken der einzelnen Filterbandpässe bringt.
Die Erfindung koppelt sowohl TE als auch TM Wellen innerhalb jeden Filters 32 und 34. Beide Arten bzw. Moden dieser Wellen transportieren Energie in der Richtung der zentralen Achse in jedem der Filter 32 und 34. Da beide Filter 32 und 34 und beide Eingangswellenleiteranordnungen 28 und 30 dieselbe Form haben, ausgenommen ihre jeweilige physische Größe, in der sie sich unterscheiden, wird nur das Filter 32 im Detail beschrieben, wobei es sich von selbst versteht, daß dieselbe Beschreibung auch auf das andere Filter 34 zutrifft.
Die TE und TM Wellen können in zylindrischen Koordinaten r, O und z beschrieben werden, wobei r der Radius einer Resonanzkammer ist, O der Winkel ist, der entlang der zylindrischen Fläche um eine zentrale zylindrische Achse gemessen wird, und z die zentrale zylindrische Achse ist. Entsprechend diesen vorstehend genannten zylindrischen Koordinaten existiert die TE Welle in einem Paar von TE&sub1;&sub1;&sub2; Moden und die TM Welle in einem Paar von TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden. Wie es aus der nachfolgenden Beschreibung der Filter 32 und 34 ersichtlich werden wird, gibt es zwei Wellenformen der TE112 Moden, die zueinander rechtwinklig polarisiert sind, und ebenso zwei Wellenformen der TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden, die zueinander rechtwinklig polarisiert sind. Resonanz tritt auf Grund der Konfiguration der Kammer in beiden Wellenformen den TE und den TM Moden bei derselben Frequenz auf. Entlang der z-Achse gibt es keine Veränderung in den TM Moden, während in jedem der TE Moden es eine volle Führungswellenlänge der elektromagnetischen Welle entlang der Z-Achse gibt. Die elektromagnetische Energie wird durch die TM Moden in die Filter 32, 34 ein- und ausgekoppelt, wobei ein Teil der Energie innerhalb der Filter 32, 34 in die TE Moden umgewandelt wird. Anschließend wird beschrieben: Das Starten der TM Moden elektromagnetischer Strahlung in die Filter 32 und 34 von den Eingangswellenleiterstrukturen her, die Umwandlung zwischen TE und TM Moden, die Extraktion der TM Moden elektromagnetischer Strahlung aus den Filtern 32 und 34 an dem Wellenleiter 22, und die Kopplung der beiden Moden elektromagnetischer Strahlung zwischen den Kammern 36 und 38 der Filter 32 und 34.
Jede der Wellenleiteranordnungen 28 und 30 besitzt dieselbe Strukturform, wobei die einzelnen Strukturen sich nur im Hinblick auf die Abmessungen der Komponenten unterscheiden, und die Abmessungen im Hinblick auf die Frequenzen der Wellen ausgewählt sind, welche zwischen den Anordnungen 28 und 30 und ihren jeweiligen Filtern 32 und 34 zu koppeln sind. Deshalb ist es ausreichend, nur die Anordnung 28 im Detail zu beschreiben, weil die Beschreibung ebenso gut auf die Anordnung 30 anwendbar ist.
Die Wellenleiteranordnung 28 ist in Form eines 3 dB (Dezibel) Kopplers 40 gebildet, der aus zwei rechteckförmigen Wellenleitern 42 und 44, die sich eine gemeinsame Seitenwand 46 teilen, besteht. Die Seitenwand 46 besitzt eine Öffnung 48 für die Kopplung elektromagnetischer Energie zwischen den zwei Wellenleitern 42 und 44. Die Wellenleiteranordnung 28 besitzt eine obere Wand 50 und eine untere Wand 52, die sich über die Wellenleiter 42 und 44 erstrecken, um als obere und untere Wände der Wellenleiter 42 und 44 zu dienen. Die obere Wand 50 und die untere Wand 52 sind durch Seitenwände 54 und 56 sowie die gemeinsame Seitenwand 46 miteinander verbunden, um die Struktur jedes der Wellenleiter 42 und 44 zu bilden. Der Querschnitt jedes der Wellenleiter 42 und 44 hat ein Seitenverhältnis von 2 : 1, wobei die Breite der oberen Wand jedes der Wellenleiter 42, 44 das Doppelte der Höhe der Seitenwand 46 beträgt. Ebenfalls enthalten sind bekannte (nicht dargestellte) Abstimmstrukturen, die an den Wänden um die Öffnung 48 herum angeordnet sind. Ein Vorderteil des Wellenleiters 42 ist verlängert, um den Eingang 26 zu bilden. Das Vorderteil des Wellenleiters 44 ist mit einer Blindlast 58 versehen.
Um die TM und TE Moden im Filter 32 anzuregen, sind zwei Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 in der gemeinsamen unteren Wand 52 der beiden Wellenleiter 42 und 44 angeordnet. Die Kopplungsvorrichtung 60 ist innerhalb des Wellenleiters 42 und die Kopplungsvorrichtung 62 ist innerhalb des Wellenleiters 44 positioniert. Jede der Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 wird aus einer runden Öffnung 64 in der unteren Wand 52 und einem Stift 66 gebildet, der einen kleineren Durchmesser als die Öffnung 64 hat und senkrecht zur unteren Wand angeordnet ist. Die Stifte 66 erstrecken sich von ihren jeweiligen Wellenleitern 42 und 44 durch die Öffnungen 64 hindurch in die obere Resonanzkammer 36. Abstimmstifte 68 und 70 sind in der Kammer 36 diametral gegenüber den Kopplungsvorrichtungen 62 und 60 angeordnet und erstrecken sich von der Wand 52 in die Kammer 36 hinein.
Jede der Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 besitzt die Form eines Adapters bzw. einer Sonde von Coax auf Wellenleiter, dimensioniert in Übereinstimmung mit bekannter Adapter- und Sondentechnologie, um die gewünschte Kopplung der TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden zwischen den Wellenleitern 42 und 44 und der oberen Kammer 36 herzustellen. Die Breite und Höhe jedes der Abstimmstifte 68 und 70 ist so angepaßt, um jede direkte Kopplung elektromagnetischer Energie zwischen den Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 aus zuschließen.
In Übereinstimmung mit einem Merkmal der Erfindung teilt der Koppler 40 die Energie eines Eingangssignals am Eingang 26 gleichmäßig zwischen den Wellenleitern 42 und 44 auf. Ein Merkmal des Kopplers 40 ist die Tatsache, daß eine elektromagnetische Welle, die in den Wellenleiter 44 eingekoppelt wird, eine Phasenverschiebung von 90º gegenüber der Phase der Welle im Wellenleiter 42 erfährt. Im Ergebnis sind somit elektromagnetische Wellen, die durch die Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 gekoppelt werden, um 90º in der Phase verschoben. Die zwei Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 sind von der gemeinsamen Seitenwand 46 etwa um ein Drittel der Breite der entsprechenden Wellenleiter 42 und 44 beabstandet. Die zwei Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 erregen die orthogonalen TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden in der Kammer 36.
Gemäß der Erfindung ist eine obere Kopplungsscheibe 72 aus einem Metall wie z. B. Kupfer, am oberen Ende der Kammer 36 benachbart zu den beiden Stiften 66 angebracht. Die Scheibe 72 ist auf der Unterseite der unteren Wand 52 gesichert. Die Scheibe 72 arbeitet mit den TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden interaktiv zusammen, um die TE&sub1;&sub1;&sub2; Moden entsprechender Polarisation anzuregen. Dadurch wird erreicht, daß beide TE und TM Moden in der Kammer 36 vorhanden sind.
Die Konstruktion des Multiplexers 20, der Anordnungen 28 und 30, der Filter 32 und 34 und der Wellenleiter 22 besteht aus Metall, wie z. B. Kupfer, wie es allgemeine Praxis bei der Herstellung von Wellenleitern und ähnlichen Mikrowellenbauteilen ist. Gleichfalls bestehen die Abstimmstifte 68 und 70 aus Metall, wie z. B. Kupfer. Um die Stifte 66 zentriert innerhalb ihrer zugehörigen Öffnungen 64 zu halten, ist ein Stöpsel 74 aus elektrisch isolierendem dielektrischem Material, welches Keramik wie Aluminium sein kann, innerhalb jeder der Öffnungen 64 vorgesehen. Die Stöpsel 74 sind für die elektromagnetische Strahlung durchlässig. Die Scheibe 72 kann durch Löten an der Unterseite der unteren Wand 52 befestigt sein.
Die beiden Kammern 36 und 38 sind durch eine Wand 76 getrennt, die sich diametral durch den zylindrischen Raum des Filters 32, der durch eine zylindrische Wand 78 bestimmt ist, erstreckt. Die Wand 76 wird durch die zylindrische Wand 78 gehalten.
In Übereinstimmung mit einem Merkmal der Erfindung sind vier Kopplungsvorrichtungen 80, 82, 84 und 86 in der Wand 76 vorgesehen und einheitlich um die Mitte der Wand 76 angeordnet. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der durch die Wand 78 gebildete Zylinder ein gerader runder Zylinder, und die Kopplungsvorrichtungen 80, 82, 84 und 86 sind in einem Abstand von jeweils 90º um die Mitte der Wand 76 angeordnet. Jede der Kopplungsvorrichtungen 80-86 besitzt einen Schlitz 88, der die Form eines Kreissegments hat, und einen Stift 90, der sich rechtwinklig zur Wand 76 durch den Schlitz 88 erstreckt. Jeder der Stifte 90 ist an der Wand 76 mittels eines Lagers 92 aus elektrisch isolierendem, dielektrischem Material, das für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, befestigt. Jeder der Schlitze 88 erstreckt sich für etwa 60º in Umfangsrichtung, wobei der genaue Betrag experimentell ermittelt wird. Die Länge und Breite jedes der Schlitze 88 und die Länge der Stifte 90 werden so angepaßt, daß die gewünschten Kopplungskoeffizienten zwischen den entsprechenden Moden in den Kammern 36 und 38 zu Stande kommen. Die Schlitze 88 sind auf demselben Kreis angeordnet, derart, daß, entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die vier Stifte 90 mit den entsprechenden der beiden Stifte 66 sowie den beiden Stiften 68 und 70 ausgerichtet sind. Die Schlitze 88 sorgen ausschließlich für die Kopplung der TE&sub1;&sub1;&sub2; Moden, und die Stifte 90 sorgen ausschließlich für die Kopplung der TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden in den Kammern 36 und 38. Die Unabhängigkeit der Kopplung wird durch den Radius der Schlitze 88 bestimmt, weil dort keine radiale Komponente des Stroms in der Wand 76 auf Grund der TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden am Ort der Schlitze 88 vorhanden ist. Wegen der TE&sub1;&sub1;&sub2; Moden ist kein axialer Strom in den Stiften 90 vorhanden.
Der Wellenleiter 22 enthält eine obere Wand 94 und eine untere Wand 96, die durch Seitenwände 98 und 100 miteinander verbunden sind. Wie im Querschnitt erkennbar ist, bilden die obere und die untere Wand 94 und 94 breite Wände des Wellenleiters 22 und die Seitenwände 98 und 100 bilden schmale Wände des Wellenleiters 22.
Die Kopplung von elektromagnetischer Energie mittels der TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden zwischen dem Wellenleiter 22 und den Filtern 32 und 34 wird durch Wellenleiteranordnungen 102 und 104, die sich von der Seitenwand 100 aus erstrecken, bewerkstelligt. Die zwei Anordnungen 102 und 104 sind entsprechend mit den Filtern 32 und 34 verbunden, für das Koppeln elektromagnetischer Energie, die von den Filtern 32 und 34 zum Wellenleiter 22 hin ausgegeben wird. Obwohl nur zwei Ausgabewellenleiteranordnungen 102 und 104 in den Figuren dargestellt sind, ist es klar, daß bei der Konstruktion des Multiplexers 20 zusätzliche dieser Anordnungen entsprechend der Anzahl der Filter und Eingänge 26 vorzusehen sind.
Die Konstruktion der Ausgabewellenleiteranordnungen 102 und 104 entspricht derjenigen der Eingangswellenleiteranordnungen 28 und 30. Jede der Ausgangswellenleiteranordnungen 102 und 104 enthält einen 3 dB Koppler 106 mit zwei Wellenleitern 108 und 110 von rechteckförmigem Querschnitt. Die zwei Wellenleiter 108 und 110 teilen sich eine gemeinsame Seitenwand 112, in der eine Öffnung 114 für die Kopplung von Energie zwischen den zwei Wellenleitern 108 und 110 vorgesehen ist. Die obere Wand 94 und die untere Wand 96 erstrecken sich über die Wellenleiteranordnungen 102 und 104, um damit die oberen und die unteren Wände der Wellenleiter 108 und 110 zu bilden. Seitenwände 116 und 118 und die gemeinsame Seitenwand 112 in jeder der Anordnungen 102 und 104 verbinden die oberen und unteren Wände der Anordnungen 102 und 104, um die Wellenleiter 108 und 110 zu bilden. Die Abmessungen der Öffnung 114 und die Anbringung bekannter (nicht dargestellter) Abstimmvorrichtungen, die in den Wänden um die Öffnung herum angeordnet sind, stellen eine gleichmäßige Energieaufteilung und eine 900 Phasenverschiebung zwischen elektromagnetischen Wellen in den zwei Wellenleitern 108 und 110 sicher. Kopplungsvorrichtungen 120 und 122 sind in der oberen Wand 94 jedes Wellenleiters 108 und 110 angebracht und erstrecken sich durch die obere Wand 94, um elektromagnetische Energie zwischen der unteren Kammer 38 und dem Wellenleiter 22 zu koppeln. Jede der Kopplungsvorrichtungen 120 und 122 wird aus einem Abschnitt eines Koaxialleiters mit einem inneren Leiter 124 und einem äußeren Leiter 126 gebildet, die zur Kopplung der Energie der TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden zwischen der Kammer 38 und dem Wellenleiter 22 durch die obere Wand 94 hindurch ragen. Der äußere Leiter 126 wird auf einfache Weise durch die Wände einer Öffnung in der oberen Wand 94 gebildet. Ein ringförmiger dielektrischer Stöpsel 128 hält den inneren Leiter 124 innerhalb des äußeren Leiters 126. Abstimmstifte 130 und 132 erstrecken sich von der oberen Wand 94 in die Kammer 38 hinein, wobei der Zugang zur Einstellung ihrer Höhe über die Wellenleiter 108 und 110 erfolgt ist. Die Abstimmstifte 130 und 132 können Schrauben sein, welche durch Drehung in die Kammer 38 vorschiebbar sind, wodurch die Kammer 38 auf die elektromagnetische Strahlung abstimmbar ist. Die Abstimmstifte 130 und 132 sind so positioniert, daß sie mit den Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 einer Eingangswellenanordnung ausgerichtet sind, und die Kopplungsvorrichtungen 120 und 122 sind so positioniert, daß sie mit den Abstimmstiften 68 und 70 einer Eingangswellenleiteranordnung ausgerichtet sind. Der Multiplexer 20 kann auch dann betrieben werden, wenn die Positionen der Abstimmstifte 130 und 132 mit denen der Kopplungsvorrichtungen 120 und 122 getauscht werden, da Symmetrie in der Generierung elektromagnetischer Wellen durch die Kopplungsvorrichtungen 80-86 in der Wand 76 gegeben ist.
Gemäß des Aufbaus der Wellenleiteranordnungen 102 und 104 erstreckt sich die gemeinsame Seitenwand 112, mit Ausnahme der Öffnung 114, über die gesamte Strecke von der Seitenwand 98 bis zum gegenüberliegenden Ende einer Ausgangswellenleiteranordnung 102, 104. Es sei auch darauf hin gewiesen, daß die Wellenleiteranordnungen 102 und 104 keine Blindlast enthalten wie dies die Eingangswellenleiteranordnungen 28 und 30 tun. Das Fehlen der Blindlast und deren Ersetzung durch eine reflektierende Endwand, ermöglicht bei Fortpflanzung der Energie entlang des Wellenleiters 22 das Passieren durch die Öffnung 114 des Kopplers 106 und die weitere Fortpflanzung entlang des Wellenleiters 22 zum Ausgang 24 hin ohne Abschwächung.
Ein Merkmal der Erfindung besteht, wie bereits weiter oben beschrieben, in der Tatsache, daß die einzelnen Filter 32 und 34 in Zusammenarbeit mit ihren zugehörigen Kopplungsvorrichtungen 120 und 122 im wesentlichen für keine Interaktion mit elektromagnetischen Signalen sorgen, die entlang des Wellenleiters 22 wandern und zwar in Frequenzbändern , die sich von den Bandpässen der entsprechenden Filter 32 und 34 unterscheiden. Nur im Fall einer elektromagnetische Welle, welche die Frequenz besitzt, auf die ein Filter abgestimmt ist, ist ein Filter, wie das Filter 32, interaktiv mit der elektromagnetische Welle, um einen Durchlaß zu schaffen für die Fortpflanzung zwischen dem Wellenleiter 22 und einem Eingang 26.
Zur Erleichterung der Abstimmung der Filter 32 und 34 ist die obere Kammer 36 mit vier Abstimmschrauben 134 (von denen drei in Fig. 4 dargestellt sind) versehen. Ebenso ist die untere Kammer 38 mit vier Abstimmschrauben 136 (von denen drei in Fig. 4 dargestellt sind) versehen. Die Abstimmschrauben 134 und 136 sind in der zylindrischen Wand 78 angebracht und entlang eines Durchmessers der zylindrischen Wand nach innen gerichtet. Die vier Abstimmschrauben 134 sind gleichmäßig um 90º versetzt um eine zylindrische Längsachse der Kammer 36 angeordnet, und in ähnlicher Weise sind die vier Abstimmschrauben 136 gleichmäßig um eine zylindrische Längsachse der Kammer 38 angeordnet. Jede der Kammer 36 und 38 hat eine axiale Länge von einer Führungswellenlänge des TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus entlang der zentralen zylindrischen Achse. Die vier Abstimmschrauben 134 sind etwa um ein Viertel der Führungswellenlänge des TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus von der Wand 76 entfernt angeordnet, und die vier Abstimmschrauben 136 sind etwa um ein Viertel der Führungswellenlänge des TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus von der gegenüberliegenden Seite der Wand 76 entfernt angeordnet. Den Abstimmschrauben 134 und 136 entsprechende Schrauben sind in gemeinsamen senkrechten Ebenen, die durch die zylindrische Achse gehen, angeordnet. Die Abstimmschrauben 134 und 136 bestimmen die Resonanzfrequenzen der TE&sub1;&sub1;&sub2; Wellen. Die Drehung einer Schraube 134, 136 paßt den Betrag des Eindringens der Schraube in die entsprechende Kammer 36 und 38 für die Abstimmung des TE Modus der Fortpflanzung innerhalb dieser Kammern an. Es kann auch wünschenswert sein, eine Abstimmung für den TM&sub1;&sub1;&sub0; Modus vorzusehen, wozu isolierte, elektrisch leitende Stifte (nicht dargestellt) innerhalb jeder Kammer 36 und 38 positioniert und parallel zur zylindrischen Achse in jeder der Kammern 36 und 38 ausgerichtet sind. Signale, die an den Eingängen eingegeben werden und über die Filter 32 und 34 auf den Wellenleiter 22 gekoppelt werden, werden durch die Wirkung jedes Ausgangskoppler 106 angeregt, im wesentlichen sich in einer Richtung fortzupflanzen, auf den Ausgang 24 zu, wobei die Wellen in den Wellenleitern 108 und 110 aufsummiert werden zu einer resultierenden, sich auf den Ausgang 24 hin fortpflanzenden Welle. Eine Last 138 (Fig. 1) verschluckt elektromagnetische Energie, die in einer dem Ausgang 24 entgegengesetzten Richtung fließt, wodurch Reflexionen von Signalen am Ende des Wellenleiters 22 vermieden werden. Elektrische Feldvektoren für die TE&sub1;&sub1;&sub2; und TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden sind in Fig. 4 dargestellt, wobei der elektrische Feldvektor durch die mit E(TE) und E(TM) bezeichneten Pfeile für die TE und TM Moden gekennzeichnet ist.
Der untere Teil der Kammer 38 und der obere Teil der Kammer 36 weisen hinsichtlich der Mikrowellenkomponenten die gleiche Konstruktion auf, um die Konversion eines Teils der elektromagnetischen Energie zwischen den TM und den TE Moden und das Koppeln elektromagnetischer Energie durch die TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden der elektromagnetischen Wellen in die Filter 32 und 34 hinein und aus diesen heraus zu ermöglichen. Eine Scheibe 140 ist am unteren Teil der Kammer 38 angeordnet und an der oberen Wand 94 befestigt. Die Scheibe 140 hat dieselbe Konfiguration wie die Scheibe 72, die am oberen Ende der oberen Kammer 36 angeordnet ist. Beide Scheiben 72 und 140 sind auf der zylindrischen Achse des Filters 32 sowie zwischen ihren zugehörigen Kopplungsvorrichtungen und Abstimmstiften zentriert. Somit sind die beiden Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 und die zwei Abstimmstifte 68 und 70 in gleichen radialen Abständen von der Mitte der Scheibe 72 angeordnet. In gleicher Weise sind die beiden Kopplungsvorrichtungen 120 und 122 und die zwei Abstimmstifte 130 und 132 in gleichen radialen Abständen von der Mitte der Scheibe 140 angeordnet.
Der vorstehend beschriebene Aufbau des Multiplexers 20 mit den beiden Filtern 32 und 34 kann im Betrieb als ein Filter mit Eigenschaften betrachtet werden, die besonders geeignet sind für einen Multiplexer mit aneinander angrenzenden Kanälen. Jeder der Filter 32 und 34 enthält einen Satz zylindrischer Hohlräume (Kammern 36 und 38), die so proportioniert sind, daß vier Moden elektromagnetischer Wellen in jedem Hohlraum möglich sind, und die Hohlräume bei den Kanalfrequenzen in Resonanz schwingen. Die Moden beinhalten vertikal polarisierte TM&sub1;&sub1;&sub0; und TE&sub1;&sub1;&sub2;, die miteinander gekoppelt sind, und die entsprechenden horizontal polarisierten TM und TE Moden. Die vertikale und die horizontale Polarisation sieht gleiche und voneinander unabhängige Pfade durch den Filter (Filter 32 und 34) vor, wodurch die Fortpflanzung eines zirkular polarisierten Signals möglich ist.
Die Kopplung zwischen benachbarten Kammern 36 und 38 für TE&sub1;&sub1;&sub2; Typ Moden und für TM&sub1;&sub1;&sub0; Typ Moden dient als eine Brückenschaltung zur Erzeugung von Transmissionsnullen. Die vorstehend beschriebenen Kopplungsvorrichtungen und die Kopplungsscheiben 72 und 140 führen die Charakteristik eines komplementären Typs eines gerichteten Bandpaßfilters ein, geeignet für einen Multiplexer mit aneinander angrenzenden Kanälen.
Die vorstehend beschriebene Mikrowellen-Konstruktion des Multiplexers 20 ergibt die Charakteristik eines Filters, welches zwei Transmissionspole pro Hohlraum für zwei Polarisationen hat, was der doppelten Anzahl von Transmissionspolen entspricht, die früher erzielbar waren. Als Resultat davon können die Filter 32 und 34 mit einer verminderten Anzahl von Kammern aufgebaut werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind nur die beiden Kammern 36 und 38 vorgesehen. Es sei jedoch klar darauf hin gewiesen, daß zusätzliche Kammern in anderen Ausführungen gemäß der Erfindung vorgesehen werden können, für die weitere Steuerung der Charakteristik des Bandpasses in jedem der Filter. Durch die Brückenkopplung an den Kopplungsvorrichtungen 80-86 in der Wand 76 können die Transmissionsnullen so angepaßt werden, daß steilere Flanken in der Übertragungs- bzw. Transmissionscharakteristik entstehen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die vorstehend beschriebene Konfiguration stellt eine verbesserte Art von komplementärem Filter für einen Multiplexer mit aneinander angrenzenden Kanälen zur Verfügung.
Die Reduzierung von Größe und Gewicht ist besonders wünschenswert bei Einsatz in Satelliten, die verschobene Richtantennen haben, um ein nahezu optimales Antennen- und Einspeisesystem zu erreichen. Konstruktionsdetails von Filtern und Kopplungsvorrichtungen sind beschrieben in dem Buch "MICROWAVE IMPEDANCE MATCHING NETWORKS" von G. Mattaei, L. Young und E. M. F. Jones, und ebenso in dem Buch "FIELDS AND WAVES IN MODERN RADIO" von S. Ramo und J. R. Whinnery. Als Beispiel für die Verbesserung durch vorliegenden Erfindung wird auf ein Filter verwiesen, das in Kapitel 14 des Buchs von Mattaei und anderen beschrieben ist und das zwei Polarisationen mit einem Transmissionspol und keiner Transmissionsnull pro Hohlraum aufweist. Die zusätzlichen Moden, Pole und Nullen, die durch die Struktur gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt werden, gestatten die Erzielung einer nützlicheren Charakteristik des Bandpasses bei reduziertem Gewicht und Aufwand von Mikrowellenkomponenten.
Was die Betriebsweise des Multiplexers 20 angeht, so führen in der oberen Kammer 36 die Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 in Zusammenarbeit mit der Scheibe 72 und den Abstimmstiften 68 und 70 zwei unabhängige TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden ein, welche für zirkular polarisierte Wellen in der Kammer 36 sorgen. Gleiche Reflexion in den koaxialen Strukturen der Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 geben Energie zur Blindlast 58 zurück. Die Radien, welche die Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 und die Abstimmstifte um die Scheibe 72 herum lokalisieren, sind um 900 voneinander entfernt orientiert. Der radiale Abstand jedes Schlitzes 88 ist geringfügig weniger als die Hälfte des Radiusses der Kammer 36, nämlich 0,480 mal dem Kammerradius. An diesen Punkten ist die z Komponente des elektrischen Feldes maximal und die Umfangskomponente des magnetischen Feldes ist Null. Das Paar von Stiften 68 und 70 balanciert auf Grund ihrer Anordnung diametral gegenüber den Stiften 66, eine direkte Kopplung zwischen den Kopplungsvorrichtungen 60 und 62 aus. Ähnliche Ausführungen treffen auf die Kopplungsvorrichtungen 120 und 122 am unteren Teil der Kammer 38 zu.
Die Scheiben 72 und 140 sind im Vergleich mit einer Führungswellenlänge relativ dünn. Die Dicke der Scheiben beträgt weniger als etwa ein Zehntel der Führungswellenlänge. Wenn gewünscht, kann die Scheibe durch einen dünnen Ring (nicht dargestellt) entlang des äußeren Umfangs der Abschlußwand der Kammer ersetzt werden. Die Kopplungen elektromagnetischer Energie erfolgt für die Scheibe im umgekehrten Sinn als beim Ring, weil der radiale Strom in der Abschlußwand reversiert wird bei den vorstehend genannten Werten des Radius (auf Grund der Lokalisierung der Abstimmstifte 68 und 70) von der Mitte für den TM&sub1;&sub1;&sub0; Modus, während es für den TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus keine radiale Reversierung des Stroms gibt. Für den Fall, daß konvexe oder konkave Abschlußwände anstelle der Scheiben oder Ringe verwendet würden, würden die konvexen und konkaven Wände die Kopplung von TM&sub1;&sub1;&sub0; zu TE&sub1;&sub1;&sub2; in entgegengesetzter Polarität erzeugen, was auf grobe Weise der genannten Scheibe und Ring ähnlich wäre.
Die Schlitze 88 erlauben das Koppeln von TE&sub1;&sub1;&sub2; Moden von einer Kammer 36 zu der anderen Kammer 38, ohne ein Koppeln von TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden. Die durch die Schlitze 88 hindurch reichenden Stifte 90 bewirken die Kopplung der TM&sub1;&sub1;&sub0; Moden zwischen den Kammern 36 und 38, wobei diese Kopplung des TM&sub1;&sub1;&sub0; Modus unabhängig von der Kopplung der TE&sub1;&sub1;&sub2; Moden erzielt wird. Sondenkopplung, durch die Stifte 90, ist dadurch von Lochkopplung, durch die Schlitze 88, unabhängig, daß die Lochkopplung nur auf die TE Moden zutrifft, während die Sondenkopplung nur auf die TM Moden zutrifft. Die kombinatorische Struktur der Schlitze 88 und ihrer Stifte 90 erlaubt die unabhängige Anpassung der Kopplungskoeffizienten der TE und der TM Moden.
Die Reduktion der verschiedenen Kopplungskoeffizienten resultiert in einer verengten Charakteristik des Bandpasses, und vermehrt zusätzlich die Fortpflanzungszeit eines Signals durch die Filter 32, 24. Ein Vergrößerung der Kopplungskoeffizienten hat den umgekehrten Effekt. Die vorstehend beschriebene Struktur ist dadurch höchst anpassungsfähig, daß eine unabhängige Steuerung der Kopplung von sowohl TE als auch TM Wellen, die beide Signalenergie transportieren, ermöglicht ist. Das Ergebnis ist eine engere Beabstandung von aneinander angrenzender Signalspektren, um mehr Signale in einer gegebenen Bandbreite eines Multiplexers zu ermöglichen, während gleichzeitig das Gewicht und der Aufwand für den Multiplexer reduziert ist.

Claims

1. Filter für elektromagnetische Signale enthaltend:

- eine Vielzahl von in Reihe verbundenen Hohlräumen (36, 38);

- Mittel zur Eingabe (26) von Signalen;

- ein erster Resonanzhohlraum (36) der Vielzahl, der mit dem Mitte zur Eingabe (26) von Signalen verbunden ist;

- erste Mittel für die Erzeugung transversaler magnetischer (TM) und transversaler elektrischer (TE) Wellen innerhalb des ersten Hohlraums (36);

- ein letzter Resonanzhohlraum (38) der Vielzahl;

- zweite Mittel für die Erzeugung transversaler magnetischer (TM) und transversaler elektrischer (TE) Wellen innerhalb des letzten Hohlraums (38);

- Kopplungsmittel (80-86) zwischen den Hohlräumen, die entsprechende, aufeinanderfolgende Hohlräume (36, 38) der in Reihe verbundenen Hohlräume (36, 38) miteinander verbinden; und

- Mittel zur Ausgabe (24) von Signalen, die mit dem letzten Hohlraum (38) verbunden sind;

dadurch gekennzeichnet, - daß die ersten Mittel zur Erzeugung Mittel zur Aufteilung (28, 30) der Eingangsleistung enthält, mit denen getrennte Signale in den ersten Hohlraum (36) eingekoppelt werden;

- daß die zweiten Mittel zur Erzeugung Mittel zur Vereinigung (102, 104) der Ausgangsleistung enthält, mit denen getrennte Signale aus dem letzten Hohlraum (38) ausgekoppelt werden;

- daß die TE und TM Wellen zirkular polarisierte Wellen sind; und

- daß die Kopplungsmittel (80-86) zwischen den Hohlräumen ein TE Kopplungsmittel und ein TM Kopplungsmittel enthält, welche unabhängig voneinander konfiguriert sind, um Kopplungskoeffizienten der TE und der TM Wellen zwischen dem ersten Hohlraum (36) und dem letzten Hohlraum (38) zu bilden.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Aufteilung (28, 30) der Leistung mit dem ersten Hohlraum (36) verbunden sind und zwei aufeinander folgende Wellenleiter (42, 44) enthalten, die sich eine gemeinsame Seitenwand (46) mit einer Öffnung (48) darin teilen für die Kopplung elektromagnetischer Energie zwischen den beiden Wellenleitern (42, 44), der erste der Wellenleiter (42) an einem ersten Ende offen für den Empfang eines Eingangssignals ist, der erste Hohlraum (36) ein gerader Kreiszylinder mit einer Abschlußwand (52) im rechten Winkel zur gemeinsamen Seitenwand (46) ist, wobei eine Scheibe (72) auf der Abschlußwand (52) angeordnet und auf der gemeinsamen Seitenwand (46) zentriert ist, ein zweites Ende des ersten Wellenleiters (42) und ein entsprechendes zweites Ende des zweiten Wellenleiters (44) mit Sonden (66) versehen sind, welche die Form von Stiften haben und sich von jedem der Wellenleiter (42, 44) aus in den ersten Zylinder hinein außerhalb von und benachbart zu der Scheibe (72) erstrecken, ein Paar von Stiften (68, 70), die sich parallel zu den beiden Sonden (66) auf der gegenüber liegenden Seite der Scheibe (72) erstrecken, vorgesehen ist, sowie eine Abschlußlast (58) in einem ersten Ende des zweiten Wellenleiters (44), wobei durch die Konfiguration der beiden Wellenleiter (42, 44) und der Öffnung (48) eine 90º Phasenverschiebung zwischen elektromagnetischer Energie, die zwischen einer Sonde (66) des ersten Wellenleiters (42) und einer Sonde (66) des zweiten Wellenleiters (44) gekoppelt ist, eingeführt wird, die zwei Sonden (66) TM Wellen in den ersten Hohlraum (36) hinein starten in einem TM&sub1;&sub1;&sub0; Modus, in zylindrischen Koordinaten, die Scheibe (72) interaktiv mit den genannten TM Wellen zusammenarbeitet, um einen Teil der von den Sonden (66) geführten elektromagnetischen Energie in TE Wellen zu konvertieren, die in zylindrischen Koordinaten einen TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus haben, und wobei jede der Sonden (66) von ihrem zugehörigen Wellenleiter (42, 44) und von der Abschlußwand (52) der ersten Hohlraum (36) durch zylindrische dielektrische Elemente (74) isoliert ist.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Vereinigung von Leistung (102, 104) mit dem letzten (38) der Hohlräume verbunden sind und zwei aufeinander folgende Wellenleiter (108, 110) enthalten, die sich eine gemeinsame Seitenwand (112) mit einer Öffnung (114) darin teilen für die Kopplung elektromagnetischer Energie zwischen den beiden Wellenleitern (108, 110), der erste der Wellenleiter (108) an einem ersten Ende offen ist für die Ausgabe eines Ausgangssignals, der letzte Hohlraum (38) ein gerader Kreiszylinder mit einer Abschluß wand (94) im rechten Winkel zur gemeinsamen Seitenwand (112) ist, wobei eine Scheibe (140) auf der Abschlußwand (94) angeordnet und auf einer Ebene der gemeinsamen Seitenwand (112) zentriert ist, ein zweites Ende des ersten Wellenleiters (110) und ein entsprechendes zweites Ende des zweiten Wellenleiters (108) mit Sonden (124) versehen sind, welche die Form von Stiften haben und sich von jedem der Wellenleiter (108, 110) aus in den ersten Zylinder hinein außerhalb von und benachbart zu der Scheibe (140) erstrecken, ein Paar von Stiften (130, 132), die sich parallel zu den beiden Sonden (124) auf der gegenüber liegenden Seite der Scheibe (140) erstrecken, vorgesehen ist, sowie eine Abschlußlast (58,138) in einem zweiten Ende des zweiten Wellenleiters (44' 108), wobei durch die Konfiguration der beiden Wellenleiter (108, 110) und der Öffnung (114) eine 900 Phasenverschiebung zwischen elektromagnetischer Energie, die zwischen einer Sonde (124) des ersten Wellenleiters (108) und einer Sonde (124) des zweiten Wellenleiters (110) gekoppelt ist, eingeführt wird, die zwei Sonden (124) TM Wellen in den letzte Hohlraum (38) hinein starten in einem TM&sub1;&sub1;&sub0; Modus, in zylindrischen Koordinaten, die Scheibe (140) interaktiv mit den genannten TM Wellen zusammenarbeitet, um einen Teil der von den Sonden (124) geführten elektromagnetischen Energie in TE Wellen zu konvertieren, die in zylindrischen Koordinaten einen TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus haben, und wobei jede der Sonden (124) von ihrem zugehörigen Wellenleiter (108, 110) und von der Abschlußwand (94) der letzten Hohlraum (38) durch zylindrische dielektrische Elemente (74, 126) isoliert ist, und eine reflektierende Wand in dem zweiten Ende des zweiten Wellenleiters (110) in den Mitteln zur Vereinigung von Leistung (102, 104) vorgesehen ist.

4. Multiplexer für elektromagnetische Signale in voneinander getrennten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, wobei der Multiplexer (20) eine Vielzahl von Kanälen für Eingangssignale und einen gemeinsamen Ausgangskanal enthält und jeder der Eingangskanäle mit einem Filter ausgestattet ist, welcher enthält:

- eine Vielzahl von in Reihe verbundenen und jeweils auf den spektralen Bereich eines der Kanäle abgestimmten Hohlräumen (36, 38); Mittel zur Eingabe (26) von Signalen;

- einen ersten Resonanzhohlraum (36) der Vielzahl, der mit dem Mittel zur Eingabe (26) von Signalen verbunden ist;

- einen letzten Resonanzhohlraum (38) der Vielzahl;

- daß die TE und TM Wellen zirkular polarisierte Wellen sind; und

5. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Leistung durch die Mittel zur Aufteilung (28, 30) der Leistung durch einen Koppler (40) am Eingang erfolgt' der mit dem ersten Hohlraum (36) verbunden ist, und daß die Vereinigung der Leistung durch die Mittel zur Vereinigung (102, 104) durch einen Koppler (106) am Ausgang erfolgt, der mit dem letzten Hohlraum (38) verbunden ist.

6. Multiplexer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskoppler (40) und der Eingangskoppler (106) in einem der Eingangskanäle jeweils enthält:

- eine Pforte für die gesamte Leistung, eine erste Pforte für die halbe Leistung und eine zweite Pforte für die halbe Leistung; und

- Mittel für die Übertragung gleicher Leistungsanteile zwischen der Pforte für die gesamte Leistung und jeder Pforte für die halbe Leistung, wobei das Mittel für die Übertragung eine 90º Phasenverschiebung zwischen die Signale der ersten Pforte für die halbe Leistung und der zweiten Pforte für die halbe Leistung einfügt, wobei sich die Pforten für die halbe Leistung des Kopplers am Eingang in den ersten Hohlraum (36) hinein erstrecken, die Pforten für die halbe Leistung des Kopplers am Ausgang in den letzten Hohlraum (38) hinein erstrecken, jeder der Pforten für die halbe Leistung einen Modus der Fortpflanzung verursacht; und wobei

- der erste und der letzte Hohlraum (36, 38) jeweils Umwandlungsmittel enthält, die Teil der entsprechenden Koppler (40) am Eingang und Koppler (106) am Ausgang sind, wobei die Umwandlungsmittel mit den Pforten für die halbe Leistung der zugehörigen Koppler (40, 106) verbunden sind für die Umwandlung eines Teils der elektromagnetischen Energie in einen anderen Modus der Fortpflanzung, einer dieser Moden ist transversal magnetisch und ein anderer dieser Moden ist transversal elektrisch.

7. Multiplexer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Pforten für die halbe Leistung eine Sonde (66, 124) enthält, die sich für die Kopplung eines transversal magnetischen Modus der Fortpflanzung in einen der Hohlräume (36, 38) hinein erstreckt.

8. Multiplexer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungsmittel in jedem des ersten Hohlraums (36) und des letzten Hohlraums (38) eine Scheibe (72, 140) ist, die benachbart zu den Sonden (66, 124) der Pforten für die halbe Leistung angeordnet ist zur Erzeugung einer Umwandlung zwischen transversal magnetischen und transversal elektrischen Moden der Fortpflanzung.

9. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das transversal elektrische Kopplungsmittel der interaktiven Kopplungsmittel (80-86) einen Satz von kreissegmentförmigen Schlitzen (88) in einer gemeinsamen Wand (76) zwischen den aufeinander folgenden Hohlräumen (36, 38) enthält.

10. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das transversal magnetische Kopplungsmittel der interaktiven Kopplungsmittel (80-86) einen Satz von Stiften (90) enthält, die durch die gemeinsame Wand (76) hindurch ragen.

11. Multiplexer nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (90) in entsprechenden der kreissegmentförmigen Schlitze (88) angeordnet und von der Wand (76) isoliert sind, wobei die Schlitze (88) an Stellen der gemeinsamen Wand (76) angeordnet sind, an denen durch die elektromagnetischen Felder in den Hohlräumen (36, 38) minimaler radialer Strom induziert wird.

12. Multiplexer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der kreissegmentförmigen Schlitze (88) denselben Radius aufweist.

13. Multiplexer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der kreissegmentförmigen Schlitze (88) und der Stifte (90) der interaktiven Kopplungsmittel (80-86) so ausgewählt sind, daß ein gewünschter Kopplungskoeffizient elektromagnetischer Energie zwischen den aufeinander folgenden Hohlräumen (36, 38) entsteht, um dadurch eine gewünschte Form der Charakteristik des Bandpasses für einen Kanal des Multiplexers (20) zu bilden.

14. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Hohlräume (36, 38) die Form eines geraden Kreiszylinders aufweist, der gemeinsame Ausgangskanal als ein Wellenleiter (22) mit rechteckförmigem Querschnitt gebildet ist, und wobei der transversale elektrische Modus ein TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus, gemessen in zylindrischen Koordinaten, und der transversale magnetische Modus ein TM&sub1;&sub1;&sub0; Modus, gemessen in zylindrischen Koordinaten, ist.

15. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Eingangskanäle die Mittel zur Aufteilung (28, 30) der Leistung mit dem ersten Hohlraum (36) verbunden sind und zwei aufeinander folgende Wellenleiter (42, 44) enthalten, die sich eine gemeinsame Seitenwand (46) mit einer Öffnung (48) darin teilen für die Kopplung elektromagnetischer Energie zwischen den beiden Wellenleitern (42, 44), der erste der Wellenleiter (42) an einem ersten Ende offen für den Empfang eines Eingangssignals ist, der erste Hohlraum (36) ein gerader Kreiszylinder mit einer Abschlußwand (52) im rechten Winkel zur gemeinsamen Seitenwand (46) ist, wobei eine Scheibe (72) auf der Abschlußwand (52) angeordnet und auf der gemeinsamen Seitenwand (46) zentriert ist, ein zweites Ende des ersten Wellenleiters (42) und ein entsprechendes zweites Ende des zweiten Wellenleiters (44) mit Sonden (66) versehen sind, welche die Form von Stiften haben und sich von jedem der Wellenleiter (42, 44) aus in den ersten Zylinder (36) hinein außerhalb von und benachbart zu der Scheibe (72) erstrecken, ein Paar von Stiften (68, 70), die sich parallel zu den beiden Sonden (66) auf der gegenüber liegenden Seite der Scheibe (72) erstrecken, vorgesehen ist, sowie eine Abschlußlast (58) in einem ersten Ende des zweiten Wellenleiters (44), wobei durch die Konfiguration der beiden Wellenleiter (42, 44) und der Öffnung (48) eine 900 Phasenverschiebung zwischen elektromagnetischer Energie, die zwischen einer Sonde (66) des ersten Wellenleiters (42) und einer Sonde (66) des zweiten Wellenleiters (44) gekoppelt ist, eingeführt wird, die zwei Sonden (66) TM Wellen in die erste Hohlraum (36) hinein starten in einem TM&sub1;&sub1;&sub0; Modus, in zylindrischen Koordinaten, die Scheibe (72) interaktiv mit den genannten TM Wellen zusammenarbeitet, um einen Teil der von den Sonden (66) geführten elektromagnetischen Energie in TE Wellen zu konvertieren, die in zylindrischen Koordinaten einen TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus haben, und wobei jede der Sonden (66) von ihrem zugehörigen Wellenleiter (42, 44) und von der Abschlußwand (52) des ersten Hohlraums (36) durch zylindrische dielektrische Elemente (74) isoliert ist.

16. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß in jedem der Eingangskanäle, ein zweiter der aufeinander folgenden Hohlräume (38) ein gerader Kreiszylinder ist, der eine gemeinsame Abschlußwand (76) mit einem ersten der aufeinander folgenden Hohlräume (36) teilt, und die interaktiven Kopplungsmittel (80-86) einen Satz von vier kreissegmentförmigen Schlitzen (88) enthält, die in gleichem radialen Abstand auf der gemeinsamen Abschlußwand (76) um eine gemeinsame zylindrische Achse des ersten und des zweiten aufeinander folgenden Hohlraums (36, 38) angeordnet sind, die interaktiven Kopplungsmittel (80-86) weiterhin einen Satz von vier Sonden (90) enthält, die sich als Stifte senkrecht zu der gemeinsamen Abschlußwand (76) des ersten und des zweiten aufeinander folgenden Hohlraums (36, 38) erstrecken, wobei die Sonden (90) der interaktiven Kopplungsmittel (80-86) in den Zentren der entsprechenden der Schlitze (88) angeordnet und von der gemeinsamen Abschlußwand (76) isoliert sind; und wobei die Längen der Stifte (90) und der kreissegmentförmigen Schlitze (88) der interaktiven Kopplung so auswählbar sind, daß Kopplungskoeffizienten für die Kopplung von TM und TE Wellen zwischen dem ersten und dem letzten aufeinander folgenden Hohlraum (36, 38) entstehen, für die Formung einer Charakteristik des Bandpasses für den Kanal.

17. Multiplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ausgangskanal die Mittel zur Vereinigung von Leistung (102, 104) mit dem letzten (38) der Hohlräume verbunden sind und die Mittel zur Vereinigung von Leistung (102, 104) zwei aufeinander folgende Wellenleiter (108, 110) enthalten, die sich eine gemeinsame Seitenwand (112) mit einer Öffnung (114) darin teilen für die Kopplung elektromagnetischer Energie zwischen den beiden Wellenleitern (108, 110), der erste der Wellenleiter (108) an einem ersten Ende offen ist für die Ausgabe eines Ausgangssignals, der letzte Hohlraum (38) ein gerader Kreiszylinder mit einer Abschlußwand (94) im rechten Winkel zur gemeinsamen Seitenwand (112) ist, wobei eine Scheibe (140) auf der Abschlußwand (94) angeordnet und auf einer Ebene der gemeinsamen Seitenwand (112) zentriert ist, ein zweites Ende des ersten Wellenleiters (110) und ein entsprechendes zweites Ende des zweiten Wellenleiters (108) mit Sonden (124) versehen sind, welche die Form von Stiften haben und sich von jedem der Wellenleiter (108, 110) aus in den letzten Zylinder (38) hinein außerhalb von und benachbart zu der Scheibe (140) erstrecken, ein Paar von Stiften (130, 132), die sich parallel zu den beiden Sonden (124) auf der gegenüber liegenden Seite der Scheibe (140) erstrecken, vorgesehen ist, sowie eine Abschlußlast (58, 138) in einem zweiten Ende des zweiten Wellenleiters (44, 108), wobei durch die Konfiguration der beiden Wellenleiter (108, 110) und der Öffnung (114) eine 90 Phasenverschiebung zwischen elektromagnetischer Energie, die zwischen einer Sonde (124) des ersten Wellenleiters (108) und einer Sonde (124) des zweiten Wellenleiters (110) gekoppelt ist, eingeführt wird, die zwei Sonden (124) TM Wellen in den letzten Hohlraum (38) hinein starten in einem TM&sub1;&sub1;&sub0; Modus, in zylindrischen Koordinaten, die Scheibe (140) interaktiv mit den genannten TM Wellen zusammenarbeitet, um einen Teil der von den TM Wellen geführten elektromagnetischen Energie in TE Wellen zu konvertieren, die in zylindrischen Koordinaten einen TE&sub1;&sub1;&sub2; Modus haben, und wobei jede der Sonden (124) von ihrem zugehörigen Wellenleiter (108, 110) und von der Abschlußwand (94) des letzten Hohlraums (38) durch zylindrische dielektrische Elemente (126) isoliert ist; und worin eine reflektierende Wand in einem ersten Ende des zweiten Wellenleiters (108) in den Mitteln zur Vereinigung von Leistung (102, 104) vorgesehen ist; der gemeinsame Ausgangskanal ein Wellenleiter (22) besitzt, die zweiten Enden des ersten und des zweiten Wellenleiters (108, 110) der Mittel zur Vereinigung von Leistung (102, 104) in jedem der Eingangskanäle sich für die Aufsummierung der Signale der entsprechenden Eingangskanäle in die Seitenwand (100) des Ausgangskanals hin öffnen.