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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen koaxialen Diplexer und Signalkopplungseinrichtung, insbesondere zur Verwendung in der Hochfrequenztechnik.
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Stand der Technik
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Dem Prinzip nach liegt einem koaxialen Diplexer ein Rundhohlleiter zu Grunde, der in der Technik bekannt ist. 1 ist ein Auszug aus ”Selected modes” durch Spinningspark auf WikipediaTM und zeigt als typische Kenngröße des Rundhohlleiters den Transversal-Elektrisch-(TE)-Mode 11, kurz TE11-Mode (der/die TE11-Mode), wobei die gestrichelten Linien das Magnetfeld im Querschnitt des Rundhohlleiters und die durchgezogenen Linien das elektrische Feld im Querschnitt des Rundhohlleiters zeigen.
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Grundsätzlich zielen nun koaxiale Diplexer auf eine Vereinigung eines ersten Signals in einem ersten, z. B. oberen, Frequenzband und eines zweiten Signals in einem zweiten, z. B. unteren, Frequenzband in einem gemeinsamen Wellenleiter ab, wobei das erste Frequenzband von dem zweiten Frequenzband verschieden ist. Auch der umgekehrte Effekt ist möglich, d. h. eine Aufteilung des ersten und zweiten Signals auf zwei separate Wellenleiter. Demnach sind koaxiale Diplexer den Multiplexern zuzurechnen, wobei in diesem Fall zwei Signale in zwei Frequenzbändern jeweils über einen inneren bzw. äußeren Rundhohlleiter übertragen werden.
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In diesem Zusammenhang offenbart das Patent
US 3 922 621 B (das „Gruner”-Patent) einen koaxialen Diplexer, der Rillen in einer zylinderringförmigen Ausbuchtung verwendet, wobei die Rillen als sogenannte TM
11-Resonatoren ausgelegt sind, um höhere Moden anzuregen. Die Ausgestaltung der Rillen als entsprechende Resonatoren zur Trennung des ersten und zweiten Signals wird durch eine entsprechende Geometrie der Rillen durch gegenseitigen Rillenabstand und Rillentiefe realisiert.
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DE 10 2010 010 299 A1 beschreibt einen Diplexer (
1) für eine Reflektorantenne zur Übertragung von Mikrowellensignalen. Der Diplexer (
1) umfasst einen gemeinsamen, kreisförmigen Signalhohlleiter (
2) zur Übertragung eines Sendesignals und eines Empfangssignals, wobei der Signalhohlleiter (
1) ein erstes Ende (
3) und ein zweites Ende (
4) umfasst. An dem ersten Ende (
3) ist ein gemeinsames Tor ausgebildet. Der Diplexer (
1) weist weiterhin eine Hohlleiteranordnung (
5) auf, die im Bereich des zweiten Endes des Signalhohlleiters (
2) koaxial zu dem Signalhohlleiter (
2) angeordnet ist, sowie einen zylinderförmigen Koppelabschnitt (
6), der zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Signalhohlleiters (
2) angeordnet ist und die Hohlleiteranordnung mit dem gemeinsamen Signalhohlleiter verbindet. Die Hohlleiteranordnung (
5) umfasst zur Ausbildung eines ersten und eines zweiten koaxialen Hohlleitertors (
21,
22) einen ersten, kreisförmigen Hohlleiter (
7), in dem sich im Betrieb des Diplexers (
1) ein erstes Signal ausbreiten kann, wobei im Inneren des ersten Hohlleiters ein Innenleiter (
8) angeordnet ist, und einen zweiten, kreisförmigen Hohlleiter (
9), in dem sich im Betrieb des Diplexers (
1) ein zweites Signal mit einer geringeren Frequenz als das erste Signal ausbreiten kann, wobei der zweite Hohlleiter (
9) den ersten Hohlleiter (
7) umgibt.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung trachtet nach einem verbesserten koaxialen Diplexer und einer entsprechenden Signalkopplungseinrichtung. Wie nachstehend deutlich werden wird, ist der koaxiale Diplexer und die Signalkopplungseinrichtung insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass sie – durch Ersetzen der Resonatoren durch Noppen – robust gegenüber Fertigungstoleranzen sind und eine hohe Bandbreite realisieren. Darüber hinaus führt der Verzicht auf eine Rillenstruktur zu einem geringeren Außendurchmesser der Gesamtstruktur.
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In einem ersten Aspekt wird eine Signalkopplungseinrichtung zur Vereinigung eines ersten Signals in einem ersten Frequenzband und eines zweiten Signals in einem zweiten Frequenzband in einem gemeinsamen Wellenleiter und zur Aufteilung des ersten und zweiten Signals auf zwei separate Wellenleiter bereitgestellt, wobei das erste Frequenzband von dem zweiten Frequenzband verschieden ist. Die Signalkopplungseinrichtung umfasst einen ersten Rundhohlleiter mit konstantem Innendurchmesser und zylindrischem Innenraum, und einen zweiten Rundhohlleiter, der innerhalb des zylindrischen Innenraums des ersten Rundhohlleiters koaxial zu dem ersten Rundhohlleiter derart angeordnet ist, dass ein erster Bereich, in dem der erste und der zweite Rundhohlleiter gemeinsam koaxial vorliegen, und zweiter Bereich vorliegt, in dem lediglich der erste Rundhohlleiter vorliegt, wobei der erste Rundhohlleiter eine Vielzahl von Überständen umfasst, die auf dem Innenumfang des ersten Rundhohlleiters in dem zweiten Bereich angeordnet ist, radial einwärts von dem Innenumfang des ersten Rundhohlleiters übersteht, und höhere Moden aus einer Grundmode anregt, und der erste Rundhohlleiter, der zweite Rundhohlleiter und die Vielzahl von Überständen derart ausgelegt sind, dass die Überlagerung der Grundmode und der höheren Moden eine Wellenfront erzeugt, die i) lediglich in einem Bereich eines Zylinderrings zwischen dem Außenumfang des zweiten Rundhohlleiters und dem Innenumfang des ersten Rundhohlleiters Feldanteile im ersten Frequenzband aufweist und ii) lediglich in einem zylindrischen Innenraum des zweiten Rundhohlleiters Feldanteile im zweiten Frequenzband aufweist.
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Bei dem ersten Frequenzband kann es sich um ein unteres oder oberes Frequenzband handeln. Entsprechend kann es sich bei dem zweiten Frequenzband um ein oberes oder unteres Frequenzband handeln.
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In einer ersten Ausgestaltung des ersten Aspekts wird jeder der Vielzahl von Überständen vorzugsweise durch eine Noppe ausgebildet wird. In diesem Fall ist die Form der Noppe vorzugsweise durch zumindest ein Element einer Gruppe definiert ist, die Quaderform oder Würfelform, Zylinderform, Halbkugelform, Halbellipsoidform, Prismenform, Kegelform oder Kegelstumpfform, Pyramidenform oder Pyramidenstumpfform oder eine Kombination aus diesen Geometrien umfasst. Des Weiteren sind die Abmessungen der Noppen vorzugsweise gleich; als Alternative sind vorzugsweise die Abmessungen zumindest einer der Noppen von den Abmessungen der verbleibenden Noppen verschieden. Zusätzlich ist die Vielzahl der Noppen vorzugsweise auf zumindest einem gedachten Ring entlang des Innenumfangs des ersten Rundhohlleiters angeordnet, wobei der zumindest eine gedachte Ring in einer Ebene liegt, die lotrecht auf einer gemeinsamen Längsachse des ersten und zweiten Rundhohlleiters steht.
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In einer zweiten Ausgestaltung des ersten Aspekts ist der zweite Rundhohlleiter vorzugsweise ein Koaxialleiter.
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In einer dritten Ausgestaltung des ersten Aspekts definiert der erste Bereich vorzugsweise den ersten und den zweiten Rundhohlleiter als Teil der zwei separaten Wellenleiter. Zusätzlich oder als Alternative definiert vorzugsweise der zweite Bereich den ersten Rundhohlleiter als Teil des gemeinsamen Wellenleiters.
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In einer vierten Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die Grundmode (auch: der Grundmode) vorzugsweise eine TE11-Grundmode (auch: ein TE11-Grundmode). Alternativ oder zusätzlich sind die höheren Moden vorzugsweise der TM11-Mode.
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In einem zweiten Aspekt wird ein koaxialer Diplexer vorgesehen, der eine Signalkopplungseinrichtung gemäß dem ersten Aspekt, einen ersten Übergang zwischen den zwei getrennten Wellenleitern und dem ersten Bereich und einen zweiten Übergang zwischen dem gemeinsamen Wellenleiter und dem zweiten Bereich umfasst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die die vorliegende Erfindung jedoch in keiner Weise einzuschränken ist. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben oder ähnliche bildende Elemente. Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung von einzelnen bildenden Elementen nicht die Möglichkeit ausschließt, dass die jeweilige zu Grunde liegende Funktionalität in mehreren Elementen zu implementieren sein kann. Es zeigen:
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1 als typische Kenngröße des Rundhohlleiters die/den TE11-Mode;
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2A eine perspektivische Ansicht einer Signalkopplungsvorrichtung bzw. eines koaxialen Diplexers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2B eine Aufrissansicht der Signalkopplungsvorrichtung bzw. des koaxialen Diplexers auf die Ebene II-II in 2A, wobei die Ebene die Längsachse des Gesamtsystems enthält;
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3A eine perspektivische Ansicht einer Signalkopplungsvorrichtung bzw. eines koaxialen Diplexers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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3B eine Aufrissansicht der Signalkopplungsvorrichtung bzw. des koaxialen Diplexers auf die Ebene IV-IV in 3A, wobei die Ebene die Längsachse des Gesamtsystems enthält.
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Detaillierte Beschreibung
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In der nachstehenden Beschreibung werden, zum Zwecke der Erklärung nicht aber der Einschränkung, spezifische Details beschrieben, um ein grundlegendes Verständnis der hier vorgestellten Technik zu gewährleisten. Es ist für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass die vorliegende Technik in anderen Ausführungsbeispielen verwirklicht werden kann, die von diesen spezifischen Details abweichen.
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2A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Signalkopplungsvorrichtung bzw. eines koaxialen Diplexers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und 2B zeigt eine Aufrissansicht der Signalkopplungsvorrichtung bzw. des koaxialen Diplexers auf die Ebene II-II in 2A, wobei die Ebene die Längsachse des Gesamtsystems enthält.
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Wie in 2A und 2B gezeigt ist, umfasst ein koaxialer Diplexer 1 eine Signalkopplungseinrichtung 10, (einen Abschnitt von) zwei getrennte(n) Wellenleiter(n) 11 und einen (Abschnitt eines) gemeinsamen Wellenleiter(s) 12. Die Signalkopplungseinrichtung 10 wiederum umfasst einen ersten Bereich 10a, in dem ein erster Rundhohlleiter 100 und ein zweiter Rundhohlleiter 200 gemeinsam koaxial vorliegen, und einen zweiten Bereich 10b, in dem lediglich der erste Rundhohlleiter 100 vorliegt.
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Der erste Rundhohlleiter 100 weist einen konstantem Innendurchmesser D sowie einen zylindrischen Innenraum 101 auf. Im Gegenzug befindet sich der zweite Rundhohlleiter 200 innerhalb des zylindrischen Innenraums des ersten Rundhohlleiters derart, dass er koaxial zu dem ersten Rundhohlleiter 100 angeordnet ist. Obwohl dies in den Figuren nicht explizit gezeigt ist, kann zwischen dem ersten Rundhohlleiter 100 und dem zweiten Rundhohlleiter 200 auch ein Dielektrikum vorliegen, dessen Dielektrizitätskonstante 1 (Luft) betragen kann oder von 1 verschieden sein kann.
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In diesem Zusammenhang umfasst der erste Rundhohlleiter 100 eine Vielzahl von Überständen 102a bis 108a, 102b bis 180b und 102c bis 108c. Die Überstände sind auf dem Innenumfang 120 des ersten Rundhohlleiters 100 in dem zweiten Bereich 10b angeordnet, stehen radial einwärts von dem Innenumfang 120 des ersten Rundhohlleiters 100 über, und regen im Betrieb höhere Moden aus einer/einem Grundmode an. In der gezeigten Darstellung der Figuren sind die Überstände bzw. Noppen in gedachten 3 Ringen a, b und c angeordnet, wobei zumindest ein gedachter Ring entlang des Innenumfangs 120 des ersten Rundhohlleiters 100 angeordnet ist und wobei der zumindest eine gedachte Ring in einer Ebene liegt, die lotrecht auf einer gemeinsamen Längsachse des ersten und zweiten Rundhohlleiters 100, 200 steht. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, es können mehr oder weniger gedachte Ringe zur Anordnung verwendet werden. Darüber hinaus zeigen die Figuren die Überstände/Noppen 102 bis 108 in gleichen gegenseitigen Distanzen entlang der gedachten Ringe und auf Achsen liegend, die parallel zu der Längsachse des koaxialen Diplexers verlaufen; dies schließt weder aus, dass die gegenseitigen Distanzen entlang der gedachten Ringe nicht gleich sind, noch dass die Überstände von Ring zu Ring gegenseitig versetzt sind. Es kommt auch eine Anordnung der Überstände entlang einer gedachten Helixlinie oder auf schrägen Ebenen in Betracht.
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Die Anordnung der Überstände/Noppen 102 bis 108 ist nur hinsichtlich ihrer Eignung beschränkt, dass der erste Rundhohlleiter, der zweite Rundhohlleiter und die Vielzahl von Überständen derart ausgelegt sind, dass die Überlagerung der Grundmode und der höheren Moden eine Wellenfront erzeugt, die i) lediglich in einem Bereich eines Zylinderrings zwischen dem Außenumfang 210 des zweiten Rundhohlleiters 200 und dem Innenumfang 120 des ersten Rundhohlleiters 100 Feldanteile im ersten Frequenzband aufweist und ii) lediglich in einem zylindrischen Innenraum 220 des zweiten Rundhohlleiters 200 Feldanteile im zweiten Frequenzband aufweist.
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Dies gilt auch für die Form der Überstände/Noppen, wobei die Form der Noppe durch zumindest ein Element einer Gruppe definiert sein kann, die Quaderform oder Würfelform, Zylinderform, Halbkugelform, Halbellipsoidform, Prismenform, Kegelform oder Kegelstumpfform, Pyramidenform oder Pyramidenstumpfform, oder Kombinationen aus diesen Geometrien umfasst. In diesem Zusammenhang können die Abmessungen der Noppen gleich sein, oder können die Abmessungen zumindest einer der Noppen von den Abmessungen der verbleibenden Noppen verschieden sein.
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Schließlich kann die/der Grundmode eine/ein TE11-Grundmode sein, und es können die höheren Moden sein. Es sei darauf hingewiesen, dass die Betrachtung der/des TE11-Grundmode lediglich eine Sichtweise auf das Signal darstellt und jede andere Sichtweise gewählt werden kann, solange die zwei Signale in den zwei unterschiedlichen Frequenzbereich zuverlässig jeweils in die zwei separaten Wellen einkoppeln bzw. geeignet in dem gemeinsamen Wellenleiter kombiniert werden.
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Wie vorstehend beschrieben, umfasst der koaxiale Diplexer 1 die Signalkopplungseinrichtung 10 in einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen Varianten. Außerdem umfasst der koaxiale Diplexer 1 einen ersten Übergang zwischen den zwei getrennten Wellenleitern 11 und dem ersten Bereich 10a, und einen zweiten Übergang zwischen dem gemeinsamen Wellenleiter 12 und dem zweiten Bereich 10b. Wie in den Figuren gezeigt, kann einer oder können beide der Übergänge durch eine einstückige Ausgestaltung der Signalkopplungseinrichtung 10 und des koaxialen Diplexers 1 realisiert werden; dies schließt jedoch nicht aus, dass einer oder beider der Übergänge z. B. durch eine lösbare Verbindung ausgestaltet wird, wie eine Kombination aus Innengewinde und Außengewinde oder eine Steckverbindung zwischen gemeinsamem Wellenleiter 11/den zwei separaten Wellenleitern 12 und der Signalkopplungseinrichtung, oder durch eine nicht-lösbare Verbindung, wie eine Lötverbindung.
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3A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Signalkopplungsvorrichtung bzw. eines koaxialen Diplexers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und 3B zeigt eine Aufrissansicht der Signalkopplungsvorrichtung bzw. des koaxialen Diplexers auf die Ebene IV-IV in 3A, wobei die Ebene die Längsachse des Gesamtsystems enthält. In dem zweiten Ausführungsbeispiel bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente hinsichtlich des ersten Ausführungsbeispiels, deren Beschreibung ausgelassen ist.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der zweite Rundhohlleiter 200' vorzugsweise als ein (eigener) Koaxialleiter 200' ausgebildet, der einen Innenleiter 230' und einen Außenumfang 210' aufweist. Außerdem weist die Signalkopplungseinrichtung 10 eine größere Anzahl von Überständen 102a bis 110a, 102b bis 110b und 102c bis 110c auf, ohne hierauf beschränkt zu sein.
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Durch die koaxiale Struktur wird die Grenzfrequenz des Wellenleiters insgesamt verringert, weshalb niedrigere Frequenzen das System aus Koaxialleiter 200' und Innenleiter 230' passieren können.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit lässt sich die Erfindung wie folgt zusammenfassen.
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Der Diplexer hat die Aufgabe, die Signale in einem oberen und einem unteren Frequenzband in einem gemeinsamen Wellenleiter zu vereinigen oder auf zwei separate Wellenleiter aufzuteilen.
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Der gemeinsame Wellenleiter ist ein Rundhohlleiter. Der Wellenleiter für das untere Frequenzband ist ein Koaxialleiter. Der Wellenleiter für das obere Frequenzband ist ein Rundhohlleiter, der gleichzeitig auch als Innenleiter des Koaxialleiters für das untere Frequenzband dient. Alternativ kann auch der Wellenleiter für das obere Frequenzband als Koaxialleiter ausgeführt werden.
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In der Erfindung werden Noppen statt Resonatoren verwendet. Diese können als Quader, Zylinder, Halbkugeln, Halbellipsoide, Prismen, Kegel oder Kegelstümpfe, Pyramiden oder Pyramidenstümpfe oder beliebige andere Geometrien ausgeführt werden. Die Noppen werden in mehreren Ringen angeordnet. Die Anzahl der Ringe und die Anzahl der Noppen pro Ring können beliebig gewählt/optimiert werden. Die Abmessungen der einzelnen Noppen können gleich oder unterschiedlich sein.
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Der gemeinsame Wellenleiter führt die/den Grundmode TE11. Durch die Noppen werden zusätzlich höhere Moden angeregt. Der Diplexer einschließlich Noppen ist nun so auszulegen, dass die Überlagerung aller Moden im unteren Frequenzband eine Wellenfront erzeugt, die nur im Bereich des Koaxialleiters für das untere (bzw. alternativ für das obere) Frequenzband Feldanteile besitzt und im oberen (bzw. alternativ für das obere) Frequenzband nur im Bereich des Rundhohlleiters Feldanteile besitzt.
