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Einrichtung zur Erzeugung und/oder Empfang von aufeinander rechtwinkelig polarisierten elektromagnetischen Richtstrahlungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung und/oder Empfang von aufeinander rechtwinkelig polarisierten elektromagnetischen Richtstrahlungen.
Die Mikrowellen-Strahlungssysteme erzeugen fast ausschliesslich in guter Annäherung linear polarisierte elektromagnetische Wellen. Mitunter ist es aber notwendig, zwei voneinander unabhängige elektromagnetische Wellen, die orthogonal polarisiert sind, mittels einer einzigen Mikrowellenantenne
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"horizontal" undzirkular polarisierten Strahlenbündel arbeiten. Derartige Strahlenbündel werden so erzeugt, dass dasselbe Signal in beiden Polarisationsebenen ausgestrahlt wird, wobei jedoch die Phasen in den beiden Polarisationsebenen gegeneinander um 900 verschoben sind.
Auch für Mikrowellenfernmeldesysteme werden Antennen benötigt, welche doppelt polarisierte Strahlenbündel erzeugen. Hiebei werden die beiden Polarisationen dazu verwendet, auf zwei verschiedenen Kanälen gleichzeitig senden und bzw. oder empfangen zu können. Es werden z. B. in der einen Polarisationsebene die Signale des Sendekanals ausgestrahlt, wogegen in der andern Polarisationsebene die Informationen des Empfangskanals empfangen werden. Derartige Einrichtungen erübrigen bzw. vereinfachen die zwischen dem Sender und dem Empfänger eingebauten Filterweichen.
Der einfachste Vorschlag für eine Antenne mit Doppelpolarisation besteht darin, zwei voneinander unabhängige Antennen vorzusehen, von welchen die eine ein vertikal polarisiertes, die andere hingegen ein horizontal polarisiertes Strahlenbündel sendet bzw. empfängt. Diese Lösung ist aber mit einem hohen Kostenaufwand verbunden, wobei auch die Justierung schwierig ist. Diese Lösung wird daher in der Praxis nur selten verwendet.
Bei den mit optischen Methoden arbeitenden Mikrowellenrichtantennen ist es bekannt, einen Primärstrahler mit doppelter Polarisation anzuwenden, welcher einen symmetrischen Sekundärstrahler anstrahlt. Im höheren Frequenzbereich des Mikrowellenfrequenzbandes, z. B. oberhalb etwa 5-6 GHz, werden im allgemeinen hiefür Trichterstrahler mit quadratischem oder Kreisquerschnitt für die Erzeugung von vertikal und horizontal polarisierten Primärbündeln verwendet. Werden derartige Trichterstrahler entsprechend erregt, so entstehen in ihnen die beiden Primärstrahlenbündel mit verschiedener Polarisation. Diese Methode kann aber bei niedrigeren Frequenzen als etwa 4 GHz in den zumeist vorwiegenden praktischen Fällen, in welchen der Sekundärstrahler ein Drehparabololdspiegel ist, nicht verwendet werden.
In diesem Fall ist nämlich die Abmessung eines Trichterstrahlers mit entsprechender Richtwirkung so gross, dass er einen bedeutenden Teil des Paraboloidspiegels üblicher Abmessung abdeckt und als Folge davon der Antennengewinn in unzulässiger Weise herabgesetzt wird.
Es werden daher in diesem Frequenzband ebenso wie bei Antennen mit einfacher Polarisation zumeist Dipole oder Dipolsysteme als Primärstrahler verwendet, welche fast ausschliesslich über Koaxial-
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leitungen angespeist werden. Hiebei werden zumeist zwei einfach polarisierte Dipolstrahler nebenein- ander gesetzt, wobei durch den einen Dipol ein horizontal polarisiertes Strahlenbündel, durch den an- dem Dipol hingegen ein vertikal polarisiertes Strahlenbündel erzeugt wird.. Die Zuleitung besteht bei einer häufig verwendeten Konstruktion aus drei zueinander koaxialen Röhren, welche zwei Koaxialleitungen bilden, die zu den beiden Dipolen führen. Die beiden Dipole sind längs der Achse dieser Koaxialleitungen gegeneinander versetzt angeordnet.
Die erwähnten Konstruktionen und auch deren Varianten weisen den Nachteil auf, dass die Strahlungszentren der beiden Dipole nicht zusammenfallen. Demzufolge stimmen die beiden Strahlungszentren der Primärstrahler mit dem Brennpunkt des Paraboloidspiegels nicht überein. Dadurch entsteht in der Beleuchtung der Apertur ein Phasenfehler, wodurch der Antennengewinn herabgesetzt wird.
Eine Verbesserung lässt sich bei einer weiteren bekannten Konstruktion dadurch erzielen, dass ein aufeinander senkrecht stehendes Dipolpaar mit im Brennpunkt des Drehparabololds gelegenen gemeinsamen Strahlungsmittelpunkt angeordnet ist, das mittels miteinander gekoppelter Lecherleitungen mit aufeinander rechtwinkelig angeordneten Symmetrieebenen angespeist wird. Bei einem derartigen System treten aber im Mikrowellengebiet dadurch Schwierigkeiten auf, dass auf den vier Leitungen der beiden Lecherleitungen vier verschiedene Wellenformen entstehen können, deren Feldverteilungen voneinander bedeutend abweichen. Im Mikrowellengebiet können diese Wellenformen einander erregen, wodurch das Leitungssystem instabil wird und die Dämpfung zwischen den beiden Polarisationsebenen vermindert wird.
Die Erfindung geht nun von der letztgenannten Konstruktion aus, welche in an sich bekannter Weise mit einer Hybridverzweigung zur Ankopplung der unsymmetrischen, zumeist als Koaxialleitung ausgebildeten Ein- bzw. Ausgangsleitung an die symmetrische Lecherleitung versehen ist. Hiebei sind die Lecherleitungen an je zwei Anschlusszweige der beiden in der Richtung der Achse der Lecherleitungen gegeneinander beliebig weit versetzten, zur Ebene der Lecherleitungen rechtwinkelig angeordneten, ringförmigen Hybride von je 3/2 X Länge angeschlossen, welche beiden Anschlusszweige jedes Hybrids voneinander in der elektrischen Entfernung X/2 angeordnet sind, worin X die Wellenlänge in der Mitte des Betriebsfrequenzbandes bedeutet.
Je ein weiterer Zweig jedes Hybrids, der von einem der beiden Anschlusszweige 1/4 X und von dem andern derselben 3/4 X weit angeordnet ist, ist an die gegen Erde asymmetrische Ein- bzw. Ausgangsleitung angeschlossen und je noch ein Zweig jedes Hybrids, welcher sich von den Anschlusszweigen des Hybrids in gleicher Entfernung befindet, ist angepasst abgeschlossen.
Ausgehend hievon besteht nun die Erfindung im wesentlichen darin, dass zwischen die Lecherleitungen in dem gekoppelten Abschnitt derselben ein oder mehrere experimentell geeignet gewählte, das elektromagnetische Feld störende Elemente, zweckmässig in Form einer in einem längs der Achse der Lecherleitungen verschiebbar angeordneten Isolierstück befestigten Abstimmschraube, vorgesehen sind, deren Lage solange geändert wird, bis die Kopplung zwischen den Lecherleitungen auf ein Minimum herabgesetzt wird. Dadurch gelingt es, die Dämpfung zwischen den beiden Polarisationsebenen in
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Wert, etwa 35 dB, zu halten. In einem verhältnismässig schmalen Band von etwa i : ils der Mittenfrequenz kann sogar eine Dämpfung von 60-65 dB und mehr erzielt werden.
Durch die Lage und Grösse des das elektromagnetische Feld des Vierleitersystems störenden Elementes können die optimalen Verhältnisse eingestellt werden.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, dass die Länge der miteinander gekoppelten Lecherleitungsabschnitte, welche vorzugsweise zwischen den Dipolen und dem diesen näherliegenden Ringhybrid liegen, derart gewählt wird, dass die äquivalente elektrische Länge die Hälfte der in der Mitte des Betriebsbandes gemessenen Wellenlänge ist. Dadurch lassen sich die günstigsten Verhältnisse erzielen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
Fig. l zeigt eine in erfindungsgemässer Weise ausgebildete Antenne, während Fig. 2 eine Ausführungsform des Primärstrahlers der Antenne nach Fig. l in Seitenansicht zeigt. Fig. 3 ist eine Ansicht von der einen Stirnseite der Fig. 2, während Fig. 4 die Konstruktion nach Fig. 2 von der andern Stirnseite her gesehen zeigt. Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 2. Die Fig. 6 und 7 zeigen in Ansicht bzw. im Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Bei der Anordnung nach Fig. l ist an dem den Sekundärstrahler 1 bildenden Drehparaboloid mittels den Stäben 7, 8 ein Primärstrahler 2 mit doppelter Polarisation befestigt. Der Primärstrahler 2 weist hiebei zwei Dipolhälftenpaare 3,4 bzw. 5,6 auf, deren gemeinsamer Strahlungsmittelpunkt im Brennpunkt des Drehparaboloids liegt. Die Dipolhälften 3, 4 erzeugen ein vertikal pola-
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risiertes Strahlenbündel und werden durch eine aus zylindrischen Stäben 9,10 gebildete symmetrische Lecherleitung angespeist. Die Dipolhälften 5,6 erzeugen ein horizontal polarisiertes Strahlenbündel und werden über eine aus zylindrischen Stäben 11,12 gebildete symmetrische Lecherleitung erregt.
Wie Fig. 2 zeigt, sind die den beiden Polarisationsebenen zugeordneten Kanäle über Koaxialleitungsanschlüsse 13 bzw. 14 an den Primärstrahler 2 angeschlossen. An die Übergänge 15 bzw. 16 zwischen den Koaxialleitungsanschlüssen 13 bzw. 14 und den Lecherleitungen 9,10 bzw. 11,12 sind als Bandleitungen ausgebildete ringförmige Hybridstromkreise 17 bzw. 25 angeschlossen, die je 3/2 X lang sind, wobei X die Wellenlänge in der Mitte des Betriebsfrequenzbandes bedeutet. Der Hybridstromkreis 17 wird von einer Platte 22 getragen und weist die Anschlusszweige 18,19, 20, 21 (Fig. 4) auf. Die Wellenwiderstände dieser als Bandleitungen ausgebildeten Zweige sind untereinander gleich und auch gleich dem Wellenwiderstand der Koaxialleitung 14.
Die über den Anschlusszweig 18 eingespeiste Energie tritt, in gleichem Verhältnis geteilt, an den Anschlusszweigen 19, 20 auf, wo-
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ZweigSpannungen einander entgegengesetzt sind. Da die Länge der beiden Zweige 19,20 gleich ist, sind auch die Phasen der an den andern Enden dieser Zweige auftretenden Spannungen einander entgegenge- setzt. Werden daher an die Zweige 19,20 Spannungen mit gleicher Amplitude und Phase gegeben, so gelangt die Summe derselben an den Zweig 21.
An die inneren Enden der Anschlusszweige 19,20 sind die zu den Dipolhälften 3,4 bzw. 5,6 (Fig. 2) führenden Lecherleitungen 9,10 bzw. 11,12 angeschlossen. Der Wellenwiderstand dieser Le- cherleitungen ist doppelt so gross wie der Wellenwiderstand der angeschlossenen Koaxialleitung. Der
Zweig 21 wird durch einen z. B. aus Hochfrequenzeisen hergestellten Abschluss 23 angepasst ab- geschlossen.
Durch die beschriebene Anschlussweise ergibt sich eine Transformation der gegen Erde asymmetrischen Eingangsspannung an der Koaxialleitung auf eine gegen Erde symmetrische Spannung an der Lecherleitung 9,10. Hiebei stören gegebenenfalls entstehende schädliche Wellenformen nicht. Da näm- lich der Wellenwiderstand der Lecherleitung 9,10 doppelt so gross ist wie der Wellenwiderstand der asymmetrischen Eingangsleitung, entsteht in den Übergängen keine Reflexion. Die infolge von Diskontinuitäten auftretenden geringen Reflexionen können durch entsprechende Ausbildung der ovalen Bohrungen 24 (Fig. 4) der Platte 22 breitbandig kompensiert werden. Die Form dieser Bohrungen 24 kann experimentell gewählt werden, wobei eine symmetrische Bohrungsform erzielbar ist.
Der Grund für die Beseitigung des Einflusses von Störwellen liegt darin, dass das Potential dieser Störwellen, bezogen auf die Leitungen 9,10, gleich ist. Wenn daher aus irgendeinem Grund Störwellen entstehen, die sich in Richtung auf den Dipol 5, 6 hin oder in der entgegengesetzten Richtung ausbreiten, so bedingt die erwähnte Potentialverteilung bzw. die Polarität der Lecherleitung 9,10, dass die vom Dipol 5,6 weglaufenden Störwellen an den Zweig 21 gelangen und im angepassten Abschluss 23 vernichtet werden. Da der Reflexionsfaktor des Dipols 5,6 in bezug auf die Störwellen sehr hoch ist, werden auf den Dipol 5, 6 zulaufende Wellen vom Dipol 5,6 reflektiert und ebenfalls im angepassten Abschluss 23 vernichtet.
In analoger Weise erfolgt der Anschluss des Dipols 3, 4 über die Lecherleitung 11,12. Es ist hiebei ein von einer Platte 30 (Fig. 5) getragener Hybridring 25 vorgesehen, welcher die Anschlusszweige 26, 27, 28,29 aufweist. Der Zweig 29 ist durch einen angepassten Abschluss 31 abgeschlossen, während die Zweige 27,28 an die Lecherleitung 11,12 angeschlossen sind. Der Zweig 26 ist an den Übergang 15 zum Koaxialleitungsanschluss 13 angeschlossen. Die an den Diskontinuitäten auftretenden Reflexionen werden in analoger Weise, wie dies oben beschrieben wurde, durch entsprechende Formgebung der Bohrung 32 der Platte 30 kompensiert.
Die angepassten Abschlüsse 23, 31 können z. B. durch Klebung oder Anschraubung an den Platten 22 bzw. 30 befestigt werden. Die Lecherleitungen 9,10 bzw. 11,12 sind an die entsprechenden Hybridanschlusszweige angelötet.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass sich der Durchmesser der Lecherleitung 9,10 in der Ebene des Hybridringes 25 sprunghaft ändert, so dass die Lecherleitung 11,12 an dieser Stelle ihren Wellen-
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widerstand verändert. Die Schutzhaube 33 dient zur Abschirmung der Hybridstromkreise 17, 25 und der an diese angeschlossenen Leitungen.
Durch Veränderung der Lage einer Reflektorplatte 34 (Fig. 2, 3) relativ zu den Dipolen 3, 4 bzw. 5,6 kann die Richtcharakteristik des Sekundärstrahlers verändert werden. Die Reflektorplatte 34
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vom Paraboloidspiegel entfernt.
Die Lecherleitungen 9, 10 und 11,12 sind längs des Abschnittes a miteinander gekoppelt. Diese Kopplungslänge ist derart gewählt, dass ihre elektrische Länge genau Radiant beträgt. Dadurch entsteht zwischen den beiden Lecherleitungen 9,10 und 11,12 und dadurch auch zwischen demhorizontal und dem vertikal polarisierten Kanal nur eine minimale Kopplung.
Gemäss der Weiterbildung nach den Fig. 6 und 7 ist auf den Stäben 37, 38 aus Isoliermaterial eine ebenfalls aus Isoliermaterial bestehende Scheibe 36 verschiebbar gelagert. In der Scheibe 36 ist eine vorzugsweise aus Metall bestehende Schraube 39 angeordnet. Durch Änderung der Eintauchtiefe der Schraube 39 und der Lage der Scheibe 36 kann die Kopplung zwischen den Lecherleitungen 9, 10 und 11, 12 in einem verhältnismässig schmalen Frequenzband auf einen sehr geringen Wert eingestellt werden. Ein solches das elektromagnetische Feld der Lecherleitungen 9,10 und 11,12 störendes Element ist auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 1-5 vorgesehen, jedoch dort der Einfachheit halber nicht dargestellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erzeugung und/oder Empfang von aufeinander rechtwinkelig polarisierten elektromagnetischen Richtstrahlungen mit einer im Brennpunkt eines Drehparaboloidspiegels angeordneten Strahlungseinrichtung, welche Wellen mit aufeinander rechtwinkeligen Polarisationen erzeugt und in welcher ein aufeinander senkrecht stehendes Dipolpaar mit im Brennpunkt des Drehparaboloides gelegenem gemeinsamen Strahlungsmittelpunkt angeordnet ist, das mittels miteinander gekoppelter Lecherleitungen mit aufeinander rechtwinkelig angeordneten Symmetrieebenen angespeist wird, welche Lecherleitungen an je zwei Anschlusszweige zweier in der Richtung der Achse der Lecherleitungen gegeneinander beliebig weit versetzte, zur Ebene der Lecherleitungen rechtwinkelig angeordnete,
ringförmige Hybride von je 3/2 À Länge angeschlossen sind. welche beiden Anschlusszweige jeder Hybride voneinander in der elektrischen Entfernung X/2 angeordnet sind, worin X die Wellenlänge in der Mitte des Betriebsfrequenzbandes bedeutet, wobei je ein weiterer Zweig jedes Hybrids, der von einem der beiden Anschlusszweige 1/4 À und von dem andern derselben 3/4 X weit angeordnet ist, an eine gegen Erde asymmetrische Ein-und/oder Ausgangsleitung angeschlossen ist und wobei noch je ein von den eine symmetrische Ausgangsspannung aufweisenden Anschlusszweigen in gleicher Entfernung befindlicher Zweig jedes Hybrids angepasst abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Lecherleitungen (9,10, 11,12)
in dem gekoppelten Abschnitt derselben ein oder mehrere experimentell geeignet gewählte, das elektromagnetische Feld störende Elemente, zweckmässig in Form einer in einem längs der Achse der Lecherleitungen (9,10, 11,12) verschiebbar angeordneten Isolierstück (36) befestigten Abstimmschraube (39), vorgesehen sind, deren Lage solange geändert wird, bis die Kopplung zwischen den Lecherleitungen (9, 10 bzw. 11,12) auf ein Minimum herabgesetzt ist.
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