DE68918426T2

DE68918426T2 - Doppelfrequenz strahlende Vorrichtung.

Info

Publication number: DE68918426T2
Application number: DE68918426T
Authority: DE
Inventors: Thierry Dusseux; Philippe Lepeltier; Didier Rene; Michel Salvan
Original assignee: Alcatel Espace Industries SA
Current assignee: Alcatel Espace Industries SA
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2009-12-16
Also published as: US5001444A; JPH02222203A; EP0377155A1; CA2006291A1; EP0377155B1; CA2006291C; FR2641133B1; DE68918426D1; FR2641133A1; JP2953721B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine strahlende Einrichtung, die gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Frequenzbändern arbeitet. Diese Einrichtung kann in jedem Frequenzband zwei zueinander senkrecht stehende, lineare oder zirkulare Polarisationen erzeugen.
Der Vorteil dieser Einrichtung liegt in ihrem sehr kompakten Aufbau. Sie kann insbesondere in einer Zweiband- Mehrfachquellenantenne verwendet werden, die gegebenenfalls in zwei Polarisationen arbeitet.
Sie kann weiter in jedem strahlenden Element einer Wellenleiteranordnung verwendet werden, die ein Betrieb bei zwei getrennten Frequenzen und eine kompakte Anregung aus einer TEM-Leitung (zum Beispiel Koaxialleitung, Dreischichtenleitung oder Mikrostreifenleitung) erfordert.
Die bekannten Systeme mit zwei Frequenzen erfordern im allgemeinen
- entweder die Verwendung von Filtern, die ein Frequenzband wirksam gegenüber dem anderen sperren,
- oder die Kombination von zwei Arten von strahlenden Elementen, die je in einem Frequenzband arbeiten.
In diesem letzteren Fall ist es schwer für die beiden Frequenzbänder zu einer gleichen äquivalenten Oberfläche zu gelangen, was den ordentlichen Betrieb einer Mehrfachquelle beeinträchtigt.
Eine aus dem französischen Patent FR 2 598 034 (Anmeldung 86 06 127 vom 28.04.1986) bekannte Einrichtung betrifft eine Mikrowellen-Drehdichtung mit einem kreisförmigen Hauptwellenleiter, der aus zwei hintereinanderliegenden und gegeneinander um ihre Symmetrieachse drehbaren Teilen besteht. Jeder dieser Teile besitzt zwei zu dieser Achse und zueinander senkrechte Zugänge, die an die Ausgänge eines ersten Hybridkopplers über zwei Wellenleiter gekoppelt sind. Außerdem sind ein cut-off-Wellenleiter mit zwei dazu orthogonalen und zueinander orthogonalen Zugängen und ein Hybridkoppler vorgesehen, der an den Eingang dieser beiden Wellenleiter angeschlossen ist.
Aus der Druckschrift FR-A-2 603 742 ist eine Einrichtung zur Anregung einer Zweifrequenzantenne bekannt, die einen kreisförmigen Hauptwellenleiter mit zwei Teilen unterschiedlicher Durchmesser besitzt, von denen der eine in der Verlängerung des anderen liegt. Jeder Teil des Hauptwellenleiters enthält zwei zum Wellenleiter und zueinander orthogonale Zugänge. Diese Zugänge sind Wellenleiter, die von orthogonalen linearen Polarisationen in einem ersten Frequenzband hinsichtlich des ersten Teils und in einem zweiten Frequenzband hinsichtlich des zweiten Teils gespeist werden. Mehrere Lösungen werden vorgeschlagen, um die Entkopplung der vier an der Anregungseinrichtung ankommenden Wellen zu verbessern, zum Beispiel Kurzschlußschirme und/oder Abstandsstücke an bestimmten Stellen der Anregungseinrichtung als Ersatz oder Ergänzung der Schirme oder übliche Abstimmelemente. Diese Druckschrift offenbart den Aufbau einer passiven Einrichtung zur Anregung einer Antenne mit Wellen, die über We1lenleiter geliefert werden und damit alle dem Fachmann wohlbekannten Probleme der Mikrowellenleitungstechnik mit sich bringen.
Diese verschiedenen Einrichtungen sind raumaufwendig und mit einer Verwendung als Vielfachquelle nicht vereinbar.
Die erfindungsgemäße Einrichtung soll diese Mängel beheben.
Die erfindungsgemäße Einrichtung schlägt hierzu eine in zwei Frequenzbereichen strahlende Einrichtung vor, mit zwei strahlenden Elementen und einer Diskontinuität, wobei das erste strahlende Element ein Wellenleiter ist, der in einem ersten Frequenz band angeregt wird und in das zweite strahlende Element mündet, das gemäß einem zweiten Frequenzband angeregt wird, wobei diese beiden strahlenden Elemente die gleiche Symmetrieachse besitzen und eine gemeinsame strahlende Öffnung und wobei das erste Frequenzband höher als das zweite Frequenzband liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das erste strahlende Element jenseits des cut-off gegenüber dem zweiten Frequenzband betrieben wird, um die Entkopplung zwischen den von diesen beiden Elementen abgestrahlten Signalen zu gewährleisten, und daß das strahlende Element weiter eine erste und eine zweite Quelle aufweist, wobei das erste strahlende Element ein von der ersten Quelle in Form einer Resonanzplatte angeregter Wellenleiter ist, während das zweite strahlende Element ein von der zweiten Quelle in Form eines Resonanzringes angeregter Wellenleiter ist, wobei der zentrale Bereich dieses Resonanzrings mit dem ersten Wellenleiter elektrisch verbunden ist, der Resonanzring einen Rand des ersten Wellenleiters bildet und die Polarisation linear oder zirkular ist.
Vorzugsweise besitzt ein solches Element die folgenden Eigenschaften:
- es ist extrem kompakt aufgebaut;
- die Zirkularpolarisation wird hier unmittelbar ausgehend von einer TEM-Leitung über eine Länge unterhalb einer Wellenlänge erzeugt;
- das Element besitzt rückwärtige Längszugänge, so daß diese Zugänge ohne zusätzliche Koaxialkabel an einen TEM-Leistungsverteiler in Sende- und/oder Empfangsrichtung gekoppelt werden können, der parallel zum Querschnitt des Wellenleiters liegt, wobei an diese Stelle auch die Hybridkoppler zur Erzeugung der Quadraturlage liegen können;
- das Element ist an jeder Antenne mit Zirkularpolarisation verwendbar, bei der sich ein Problem des Raumaufwands für die Polarisationseinrichtung ergibt;
- die äquivalenten Oberflächen sind in jedem Frequenzband identisch, da es sich um im Grundmodus gespeiste Wellenleiter handelt.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden nicht begrenzend zu verstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen hervor.
Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Einrichtung im Längsschnitt, bzw. im Querschnitt gemäß der Ebenen II-II und III-III, die in Figur 1 angedeutet sind.
Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen eine erste Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung im Längsschnitt, bzw. im Querschnitt entlang der Ebenen V-V und VI-VI, die in Figur 4 eingezeichnet sind.
Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung im Längsschnitt, bzw. im Querschnitt entlang der Ebenen VIII-VIII und IX-IX, die in Figur 7 eingezeichnet sind.
Figur 10 zeigt im Längsschnitt eine dritte erfindungsgemäße Variante.
Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß den Figuren 1 bis 3 besteht aus zwei strahlenden Elementen, beispielsweise zwei Wellenleitern 10 und 11 gleicher Längsachse. Jeder Wellenleiter wird von einer gedruckten Antenne mit linearer oder zirkularer Polarisation angeregt.
Der erste Wellenleiter 10 wird mit der höheren Frequenz angeregt und ist gegenüber der niedrigeren Frequenz gesperrt, die unmittelbar in dem zweiten Wellenleiter 11 erzeugt wird. In diesem ersten Wellenleiter 10 wird die Welle von einer plattenförmigen oder gedruckten Antenne 12, beispielsweise einer Resonanzplatte, angeregt.
Der zweite Wellenleiter 11 wird bei der niedrigeren Frequenz von einer flachen ringförmigen Antenne 13 angeregt, die elektrisch (z.B. durch Lötung) in ihrem zentralen Bereich mit dem ersten Wellenleiter 10 verbunden ist. Diese flache ringförmige Antenne 13, auch Resonanzring genannt, bildet also gewissermaßen einen ringförmigen Rand des ersten Wellenleiters 10.
Jede der Antennen 12 und 13 wird von koaxialen Leiterstücken 14, 15, 16, 17, gespeist. Will man eine Zirkularpolarisation in jedem der beiden Frequenzbänder erzeugen, dann wird jede Antenne von zwei koaxialen Leiterstücken 14 und 15 für die höheren Frequenzen, bzw. 16 und 17 für die niedrigeren Frequenzen angeregt. Für jede Antenne liegen die angepaßten koaxialen Leiterstücke um 90º bezüglich des Zentrums der Wellenleiter gegeneinander versetzt. Jedes koaxiale Leiterstück wird in Phasenquadratur durch einen Hybridkoppler gespeist (Koppler 18 für die hohen Frequenzen und Koppler 19 für die niedrigen Frequenzen). Man kann beispielsweise einen Hybridkoppler mit Zweigen verwenden.
Um die elliptische Form der Welle zu verbessern (im Fall einer Zirkularpolarisation), können die Hybridkoppler amplitudenmäßig unterschiedlich abgeglichen sein.
Die Hybridkoppler können auch durch T-Glieder ersetzt werden, wobei ein Kanal des T um eine elektrische Länge von 90º verlängert ist.
Wie Figur 3 zeigt, liegen die koaxialen Leiterstücke 16 und 17 des zweiten Wellenleiters 11 der niedrigeren Frequenz außerhalb des Umrisses des ersten Wellenleiters 10. Die gedruckte Antenne für die höheren Frequenzen 12 ist durch ein Dielektrikum 20 vom Boden des zugeordneten Wellenleiters 10 getrennt. Die Antenne für niedrigere Frequenzen 13 ist gegenüber dem Boden des zugeordneten Wellenleiters 11 durch ein Dielektrikum 21 getrennt. Die Abmessung des ersten Wellenleiters 10 ist so berechnet, daß nur der Grundmodus mit der höheren Frequenz übertragen werden kann, während der Grundmodus mit der niedrigeren Frequenz sich nicht ausbreiten kann. Daher ist die Isolierung zwischen den Zugängen im unteren Frequenzband vorzüglich.
Die Abmessung des zweiten Wellenleiters 11 ist so berechnet, daß
- bei den niedrigeren Frequenzen sich nur der Grundmodus ausbreiten kann,
- bei den höheren Frequenzen nur die nicht anregbaren Modi sich ausbreiten können. So liegt beispielsweise im Fall eines zylindrischen Wellenleiters der Modus TM 11 unter dem cut-off für die höheren Frequenzen im zweiten Wellenleiter 11 und stört somit nicht die Abstrahlung an der Öffnung dieses Wellenleiters. Der Modus TM 01 kann sich zwar ausbreiten, aber er läßt sich aufgrund der rotationssymmetrischen Form der Diskontinuitäten nicht anregen.
Daher nehmen in jedem Frequenzband nur die Grundmodi an der Abstrahlung der Öffnung des zweiten Wellenleiters 11 teil.
Man kann die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Figur 1 mit folgenden Dimensionen verwenden:
a) für das bei den höheren Frequenzen strahlende Element:
- Abstand zwischen jedem der koaxialen Leiterstücke 14 und 15 und dem Zentrum des kreisförmigen Resonators 12: etwa 11,5 mm;
- Dicke des Dielektrikums 20: ungefähr 3 mm,
- Dicke des Resonators 12: ungefähr 0,5 mm,
- Durchmesser des kreisförmigen Resonators 12: ungefähr 24 mm,
- Durchmesser des zylindrischen Wellenleiters: ungefähr 35 mm,
- Abstand zwischen den Böden der Wellenleiter : ungefähr 40 mm.
b) Für das bei den niedrigeren Frequenzen strahlende Element:
- Abstand zwischen jedem der koaxialen Leiterstücke 16 und 17 und dem Zentrum des kreisförmigen Resonators 13: ungefähr 22 mm,
- Dicke des Dielektrikums 21: ungefähr 3,3 mm,
- Dicke des Resonators 13: ungefähr 0,6 mm,
- Durchmesser des Resonators 13 in Form eines Kreisrings: ungefähr 52 mm für den Außendurchmesser und ungefähr 25 mm für den Innendurchmesser,
- Durchmesser des zylindrischen Wellenleiters 11: ungefähr 53,5 mm.
Man erhält damit folgende Leistungsmerkmale:
a) für das bei den höheren Frequenzen strahlende Element:
- Frequenzband 1,5 % (z.B. 6400 bis 6500 MHz),
- Stehwellenanpassung in diesem Band < 1,2,
- Entkopplung der koaxialen Leiterstücke < -20 dB,
- elliptische Form mit einem geeigneten Hybridkoppler < 0,5 dB;
b) für das bei den niedrigeren Frequenzen strahlende Element:
- Frequenzband 1,9 % (z.B. 4160 bis 4240 MHz),
- Stehwellenanpassung in diesem Band < 1,2,
- Entkopplung der koaxialen Leiterstücke < - 20 dB,
- elliptische Form mit einem geeigneten Hybridkoppler < 0,5 dB.
Wie die Figuren 4, 5 und 6 zeigen, bestehen eine oder die andere oder beide Antennen aus einem doppelten Resonator, wodurch das Durchlaßband der Einrichtung vergrößert wird.
Der erste Wellenleiter 10 wird bei den höheren Frequenzen durch zwei konzentrische Scheiben 12 und 22 angeregt, die durch ein Dielektrikum 22 auf Abstand gehalten werden.
Der zweite Wellenleiter 11 wird bei den niedrigeren Frequenzen durch zwei konzentrische Ringe 13 und 24 angeregt. Da die beiden Ringe Bestandteil des Wellenleiters sind, wird für deren Abstandshalterung kein Dielektrikum benötigt.
Wie die Figuren 7, 8 und 9 zeigen, bestehen die eine, die andere oder beide Antennen aus einem einfachen Resonator, der durch vier koaxiale Leiterstücke angeregt wird. Diese Leiterstücke werden in Quadratur (0º, ±90º, ±180º, ±270º) von einer Vorrichtung gespeist, die aus einem Hybridkoppler 34 und zwei "Laufringen" (im englischen rat race) oder Hybridringen oder aus einem Hybridkoppler und zwei angepaßten T-Gliedern besteht. Jeder Hybridkoppler, jeder Laufring oder jedes T-Glied ist abgeglichen (3dB-Koppler) und erzeugt so im Wellenleiter Zirkularpolarisationen. Der Hybridkoppler erzeugt die für die Zirkularpolarisation notwendige Phasenquadratur. Die Laufringe oder T-Glieder, die in Wirklichkeit Symmetriervorrichtungen bilden, können außerdem durch andere Typen von Abgleichsystemen (im englischen balun oder balance unit) ersetzt werden.
Es gibt vier koaxiale Leiterstücke 25, 26, 27 und 28 und eine Anregungsvorrichtung 29 für die Antenne mit den höheren Frequenzen, vier koaxiale Leiterstücke 30, 31, 32, 33 und eine Anregungsvorrichtung 34 für die Antenne mit den niedrigeren Frequenzen.
Wie Figur 10 zeigt, kann der zweite Wellenleiter 11 auch aus einem ebenen Netz 40 bestehen.
Natürlich wurde die Erfindung nur anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Einrichtung können durch gleichwirkende Elemente ersetzt werden, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann einen Resonator für jedes Frequenzband besitzen, wie dies in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigt ist, zwei Resonatoren für jedes Band, wie dies in den Figuren 4, 5 und 6 gezeigt ist, einen Resonator mit vier koaxialen Leiterstücken und eine geeignete Anregung für jedes Frequenzband, wie dies in den Figuren 7, 8 und 9 gezeigt ist, aber es könnten auch mehr als zwei Resonatoren, nämlich drei oder vier usw. für jedes Band vorhanden sein.
Diese Resonatoren müssen nicht unbedingt kreisförmig sein, sie können vielmehr beliebig geformt sein, kreisförmig, quadratisch, hexagonal oder unsymmetrische Einschnitte oder Vorsprünge besitzen. Sie können auch Aussparungen beliebiger Form (nicht metallisierte Oberflächen) innerhalb ihres Umrisses besitzen.
So können die dielektrischen Schichten 20, 21 und 23, die diese Resonatoren 12, 13, 22 und 24 tragen, teilweise oder ganz durch andere Tragelemente (Stege, Säulen) aus einem beliebigen Material (leitend oder isolierend) ersetzt sein, wie dies dem Fachmann bekannt ist.
So können diese Resonatoren außerhalb ihrer Ebene oder in ihrer Ebene durch metallische Bauteile verlängert sein, die mit der Wand des Wellenleiters in elektrischem Kontakt stehen oder auch nicht. Ebenso können die verwendeten Wellenleiter einen kreisförmigen, quadratischen, aber auch hexagonalen, polygonalen, elliptischen oder anderen Querschnitt besitzen. Sie können Vorsprünge, wie z.B. Überdicken oder Rillen in waagrechter, schräger oder transversaler Richtung aufweisen, oder örtliche Störstellen, wie z. B. Höcker, Öffnungen oder Schlitze. Sie können auch insgesamt oder örtlich erweitert oder eingeengt sein, oder beides zugleich z.B. gemäß einem vorgegebenen Gesetz.
So kann die erfindungsgemäße Einrichtung von zwei, vier oder noch mehr Zugängen gespeist werden, die an die ersten Resonatoren 12 und 13 angeschlossen werden können, aber auch an die anderen Resonatoren 22, 24 usw.

Claims

1. In zwei Frequenzbereichen strahlende Einrichtung mit zwei strahlenden Elementen (10, 11) und einer Diskontinuität, wobei das erste strahlende Element (10) ein Wellenleiter (10) ist, der in einem ersten Frequenzband angeregt wird und in das zweite strahlende Element (11) mündet, das gemäß einem zweiten Frequenzband angeregt wird, wobei diese beiden strahlenden Elemente (10, 11) die gleiche Symmetrieachse besitzen und eine gemeinsame strahlende Öffnung und wobei das erste Frequenzband höher als das zweite Frequenzband liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das erste strahlende Element (10) jenseits des cut-off gegenüber dem zweiten Frequenzband betrieben wird, um die Entkopplung zwischen den von diesen beiden Elementen (10, 11) abgestrahlten Signalen zu gewährleisten, und daß das strahlende Element weiter eine erste und eine zweite Quelle (12, 13) aufweist, wobei das erste strahlende Element (10) ein von der ersten Quelle in Form einer Resonanzplatte (12) angeregter Wellenleiter ist, während das zweite strahlende Element (11) ein von der zweiten Quelle in Form eines Resonanzringes (13) angeregter Wellenleiter ist, wobei der zentrale Bereich dieses Resonanz rings mit dem ersten Wellenleiter (10) elektrisch verbunden ist, der Resonanzring (13) einen Rand des ersten Wellenleiters (10) bildet und die Polarisation linear oder zirkular ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Resonanzplatte (12) bzw. dem Resonanzring (13) gebildeten Antennen von koaxialen Leiterstücken (14, 15, 16, 17) gespeist werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Antenne (12, 13) die angepaßten koaxialen Leiterstücke (14, 15; 16, 17) zueinander bezüglich des Zentrums der Wellenleiter um 90º versetzt sind, wobei jedes koaxiale Leiterstück in Phasenquadratur von einem Hybridkoppler (18, 19) gespeist wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (12) für die höheren Frequenzen gegenüber dem Boden des ihm zugeordneten Wellenleiters (10) durch ein Dielektrikum (20) getrennt ist und daß die Antenne (13) für die niedrigeren Frequenzen gegenüber dem Boden des ihr zugeordneten Wellenleiters (11) durch ein Dielektrikum (21) getrennt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennen aus einem doppelten Resonator bestehen, wodurch das Durchlaßband der Einrichtung vergrößert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wellenleiter (10) für die höheren Frequenzen über zwei konzentrische Scheiben (12 und 22) angeregt wird, die durch ein Dielektrikum (23) auf Abstand gehalten werden, und daß der zweite Wellenleiter (10) für die niedrigeren Frequenzen durch zwei konzentrische Ringe (13 und 24) angeregt wird, die Teile des Wellenleiters sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Antennen aus einem einfachen Resonator besteht, der von vier in Quadratur gespeisten koaxialen Leiterstücken (25, 26, 27, 28; 30, 31, 32, 33) angeregt wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite strahlende Element ein ebenes Netz (40) ist.

9. In zwei Frequenzbereichen arbeitendes Antennennetz, bestehend aus einer Mehrzahl von in zwei Frequenzbereichen arbeitenden strahlenden Einrichtungen gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche.