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Breitband-Zirkularpolarisator für sehr kurze elektromagnetische Wellen
Die Erfindung betrifft einen Breitband-Zirkularpolarisator für sehr kurze elektromagnetisohe
Wellen, bei dem ein durch Quetschung eines Hohlleiterabschnittes kreisförmigen Querschnitts
erzeugter Hohlleiterabschnitt elliptischen Querschnitts mit extrem geringer Exzentrizität
vorgesehen ist.
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Entsprechend der derzeit angewandten Technik empfangen und senden
gegen die Erde umlaufende Nachrichtensatelliten zirkular polarisierte elektromagnetische
Wellen, wodurch eine Nachdrehung der Sende- und Empfangspolarisationsebene in Abhängigkeit
von der Spinachse des Satelliten vermieden wird. Weiterhin werden zirkular polarisierte
Wellen beispielsweise bei der Radartechnik zur Unterdrückung von Regenechos angewendet.
Die Sende- und Empfangseinrichtungen der Bodenstationen arbeiten jedoch in der bekannten
Hohlleitertechnik, bei der die elektromagnetische Energie zunächst in Form linear
polarisierter Wellen auftritt, so daß beispielsweise für die vorerwähnten Nachrichtensysteme
Vorrichtungen zur Umformung der linear polarisierten in zirkular polarisierte Wellen
und umgekehrt erforderlich sind. Derartige Vorrichtungen werden als Zirkularpolarisatoren
bezeichnet.
Eine zirkular polarisierte Welle läßt sich aus einer
linear polarisierten Welle dadurch erzeugen, daß die linear polarisierte Welle in
zwei aufeinander senkrecht stehende Komponenten gleicher Amplitude aufgespalten
wird und die Phase der einen Komponente gegenüber der der anderen um 90o verzögert
wird. Diese Verzögerung läßt sich durch eine Reduzierung der Phasengeschwindigkeit
einer Wellenkomponente erzielen. Bei Hohlleitern sind hierfür zwei Verfahren üblich.
In einem Hohlleiter mit quadratischem Querschnitt verkleinert man geringfügig eine
Seite und speist die linear polarisierte Welle in Richtung der Diagonalen ein, oder
man benutzt einen elliptischen Hohlleiter geringer Exzentrizität und speist unter
einem Winkel von 450 zu den beiden Ellipsenhauptachsen ein. Das zweite Verfahren
beruht darauf, in einen quadratischen oder kreisrunden Hohlleiter ein Dielektrikum
in der Weise einzufügen, daß die wirksame Dielektrizitätskonstante für zwei aufeinander
senkrecht stehende Wellen unterschiedlich wird. Mit jedem dieser beiden Verfahren
läßt sich eine linear polarisierte Welle umwandeln, jedoch nur über einen verhältnismäßig
schmalen Frequenzbereich. Braucht man diese Umwandlung über einen größeren Frequenzbereich,
wie z.B. in den beiden derzeit für die Satellitenfunktechnik vorgesehenen Bereichen
von 3,7 bis 4,2 GHz und von 5,925 bis 6,425 GHz, so können in an sich bekannter
Weise die beiden vorerwähnten Verfahren miteinander kombiniert werden, weil nämlich
beim erstgenannten Verfahren die Phasendifferenz der beiden linear polarisierten,
aufeinander senkrecht stehenden Komponenten mit steigender Frequenz abnimmt, während
beim zweiten Verfahren diese Phasendifferenz zunimmt. Diese Möglichkeit wird in
einem bekannten Zirkularpolarisator in der Weise ausgenutzt, daß ein Rundhohlleiter
mit einem Hohlleiter elliptisehen
Querschnitts in Kette geschaltet
wird, wobei der Rundhohlleiter eine aus dielektrisahem Material bestehende Platte
enthält. Diese Anordnung wird durch die Kettenschaltung der beiden Abschnitte verhältnismäßig
lang, wodurch gleichzeitig die Dämpfung und damit auch die dadurch erzeugte Rauschtemperatur
entsprechend groß werden. Darüberhinaus wird durch die erforderliche Flansehverbindung
zwischen dem Rundhohlleiter und dem elliptischen Hohlleiter der Reflexionsfaktor
erhöht.
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Es ist ferner ein Zirkularpolarisator bekannt geworden, der aus einem
Übergang von einem@Rundhohlleiter auf einen Hohlleiter mit nahezu quadratischem
Querschnitt besteht. An diesen Übergang schließt sich ein Rechteckhohlleiter mit
dem gleichen, nahezu quadratischen Querschnitt an und anschließend wird dieser Rechteckhohlleiter
durch einen weiteren Übergang wieder auf einen Hohlleiter kreisrunden Querschnitts
übergeführt.
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Die Übergänge vom kreisrunden auf den fast quadratischen Querschnitt
sind dabei mit Hilfe einer Galvanoplastik hergestellt. Symmetrisch zur Mitte dieser
gesamten Hohlleiterschaltung liegt eine aus dielektrischem Material bestehende Platte,
deren Enden zur Verbesserung der Anpassung derart angespitzt sind, daß die Spitzen
in der Querschnittsmitte der Hohlleiter liegen. Diese Anordnung ist ebenfalls verhältnismäßig
lang, wodurch wiederum eine verhältnismäßig hohe Dämpfung bedingt ist. Darüberhinaus
müssen die zur Herstellung der Galvanoplastik benutzten Kerne, die zunächst mit
großer Genauigkeit angefertigt werden müssen, nach dem Galvanisieren zerstört werden.
Eine weitere Schwierigkeit ist insbesondere in der exakten Zentrierung der an der
Platte dielektrischen Materials vorgesehenen Spitzen in der Querschnittsmitte der
Hohlleiter zu sehen.
In der Zeitschrift "Frequenz", Band 16, 1962,
Nr.4, Seiten 117 bis 120, sind in überwiegend theoretischer Form Polarisationswandler
in Hohlleitern behandelt und es ist darauf hingewiesen, daß die erforderliche Phasenverzögerung
durch eine Kombination eines dielektrischen Einsatzes und einer Querschnittsverformung
möglichst frequenzunabhängig gemacht werden kann. Hinweise darüber, in welcher besonderen
Weise der dielektrische Einsatz relativ zur Querschnittsverformung vorgesehen werden
soll, lassen sich dieser Arbeit jedoch nicht ohne weiteres entnehmen. Durch die
USA-Patentschrift 2 607 849 ist ferner ein Zirkularpolarisator bekannt geworden,
bei dem zur Erzielung des elliptischen Querschnitts ein Rundhohlleiter mit Hilfe
von Klammern gequetscht wird. Es ist dort zwar darauf hingewiesen, daß die verwendeten
Klammern so eingerichtet werden können, daß sie über eine größere Länge des Rohres
wirksam sind, jedoch haben einzelne Klammern zur Folge, daß der elliptische Querschnitt
nicht über die gesamte geforderte Länge in der in diesem Frequenzgebiet erforderlichen
Genauigkeit konstant bleibt, wodurch zusätzliche Fehler im Anpassungsverhalten des
Polarisators auftreten können. Darüberhinaus ist es bei dieser bekannten Anordnung
noch schwierig, den Hohlleiterabschnitt elliptischen Querschnitts wiederum kontinuierlich
in Hohlleiter kreisförmigen Querschnitts umzuformen, ohne daß gleichzeitig Störstellen
entstehen, an denen die an sich unerwünschte Anregung höherer Wellentypen erfolgen
kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen. Unter anderem soll ein Weg zur Schaffung
eines Zirkularpolarisators gezeigt werden, der trotz verhältnismäßig kurzer Baulänge
und damit auch geringer Dämpfung den hinsichtlich der 8reitbandigkeit gestellten
Anforderungen in vollem Umfang gerecht wird.
Von einem Breitband-Zirkularpolarisator
für sehr kurze elektromagnetisohe Wellen, bei dem ein durch Quetschung eines Hohlleiterabsehnittes
kreisförmigen Querschnitts erzeugter Hohlleiterabschnitt elliptischen Querschnitts
mit extrem geringer Exzentrizität vorgesehen ist, ausgehend, wird diese Aufgabe
gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gelöst: a) die Quetschung
des Hohlleiterabschnittes kreisförmigen Querschnitts erfolgt durch eine Quetschmanschette,
deren hänge etwa der Länge des Hohlleiterabschnittes mit elliptischem Querschnitt
entspricht; b) im Hohlleiterabschnitt elliptischen Querschnitts ist in der Ebene
der kleineren Ellipsenachse ein aus einem dielektrischen Material bestehender Quersteg
angeordnet; c) der elliptisch verformte Hohlleiter ist über die Enden der Quetschmanschette
hinaus fortgesetzt und in diesen Bereichen jeweils als Übergangsstück auf einen
Hohlleiter mit exaktem Kreisquerschnitt ausgebildet.
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Als vorteilhaft erweist es sich ferner, daß der dielektrisehe Quersteg
in der durch die Hohlleiterlängsachse und die kleine Ellipsenachse bestimmten Ebene
angeordnet und durch radial verlaufende Verankerungsstifte aus dielektrischem Material
in seiner Zage gehalten ist.
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Für die Praxis-'ist es dabei günstig, wenn die Quetschmanschette entlang
einer Mittelebene in zwei Halbschalen unterteilt und in Richtung der kleineren Ellipsenachse
für einen engeren Querschnitt als erforderlich dimensioniert ist, und
wenn
Zwischenlagen zum mechanischen Abgleieh des elliptischen Innenquerschnitts auf den
erforderlichen Wert vorgesehen sind. Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend
die Erfindung noch näher erläutert.
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In den Fig.1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Zirkularpolarisator dargestellt,
und zwar zeigt die Fig.1 einen Längsschnitt entlang einer Mittelebene und die Fig.2
einen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-B von Fig.1. Zur besseren Übersicht
ist der in der Fig.2 gezeichnete Querschnitt gegenüber der Fig.1 vergrößert dargestellt.
Der Zirkularpolarisator besteht aus einem Hohlleiter 1 kreisförmigen Querschnitts,
der zweckmäßigerweise durch Drehen aus einem einzigen Stück angefertigt wird. Der
Rundhohlleiter 1 ist in eine Quetschmanschette eingespannt, die ebenfalls aus einem
einzigen Teil hergestellt sein kann, das entlang einer Mittelebene durchgesägt wird
und somit in eine Halbschale 2 und eine Halbschale 3 zerfällt. Mit Hilfe der aus
den beiden Halbschalen 2 und 3 bestehenden Quetschmanschette läßt sich durch die
Schrauben 4 der Rundhohlleiter 1 zu einem Hohlleiter mit elliptischem Querschnitt
deformieren. Der Grad der Elliptizität, d.h. also die erforderliche Exzentrizität,
läßt sich durch entsprechendes Abarbeiten der Schnittflächen der Halbschalen 2,
3 in einfacher Weise einstellen. Insbesondere hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
an den Schnittflächen der beiden Halbschalen beispielsweise durch spanabhebende
Bearbeitung so viel Material zu beseitigen, daß der Querschnitt der Quetschmanschette
in Richtung der kleineren Ellipsenachse auf einen engeren elliptischen Querschnitt
als erforderlich dimensioniert ist. Die Einstellung der Exzentrizität, d.h. also
der mechanische Abgleich des Innenquerschnitts des im Bereich der Quetschmanschette
elliptisch
verformten Rundhohlleiters 1, kann dann durch Zwischenlagen
dünner Folien vorgenommen werden. Für einen im Frequenzbereich der Satellitenfunkteohnik
realisierten Zirkularpolarisator hat eich eine Durchmesserdifferenz zwischen großer
und kleiner Ellipsenachse von etwa 2 gb als günstig erwiesen. Im Hohlleiter 1 ist
eine aus einem dielektrischen Material bestehende Platte 5 vorgesehen, die durch
radial verlaufende Verankerungsstifte 6 gehalten wird. In der Quetschmanschette
2, 3 sind die Abdecksehrauben 7 vorgesehen, durch die die der Befestigung der Platte
5 dienenden Stifte 6 und die damit im Rundhohlleiter 1 erforderlichen Bohrungen
gegenüber dem Außenraum abgedeckt werden. Wie dem Quereehnittsbild der Fig.2 eindeutig
zu entnehmen ist, liegt die aus dielektrisehem Material bestehende Platte 5 entlang
der von der kleineren Ellipsenachse gebildeten Ebene. Ferner ist der Durchmesser
der in der Quetschmanschette 2, 3 vorgesehenen Bohrung derart größer gewählt als
der Durchmesser des Rundhohlleiters 1, daB sich der Rundhohlleiter 1 beim Zusammenpressen
der beiden Halbschalen 2 und 3 in Richtung der größeren Ellipsenachse frei bewegen
kann, wodurch unerwünschte Druckspannungen und damit unerwünschte Verformungen des
Rundhohlleiters 1 vermieden werden. Die Dicke der aus dielektrisehem Material bestehenden
Platte ist so gewählt, daß höhere Wellentypen innerhalb des elliptisch verformten
Bereiches nicht angeregt werden können. Die der Befestigung der Platte 5 dienenden
Stifte 6 bestehen zweckmäßig aus dem gleichen Material wie die Platte 5 selbst,
wodurch sich eine Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften des Polarisators
vermeiden läßt. Die Stifte 6 sind mit einem kegeligen, achraubenkopfartigen Ansatz
6' versehen und werden zweckmäßig in geeignete Bohrungen, die in der Platte 5 vorgesehen
sind, eingepreßt. Zur Aufnahme der Ansätze 6' sind an der äußeren Oberfläche des
Hohlleiters 1 stumpf abgesetzte Einsenkungen angebracht.
Um in einfacher
Weine eine genaue mittige Einstellung der Platte 5 vornehmen zu können, ist es zweckmäßig,
den Durchmesser der für die Durchführung der Stifte 6 im Hohlleiter 1 vorgesehenen
Bohrungen sowie den Durchmesser der Einsenkungen geringfügig größer als erforderlich
zu wählen und nach der mittigen Einstellung der Platte 5 die achraubenkopfartigen
Ansätze in den Einsenkungen mit einem Kleber 16 zu vergießen.
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Zur Verbesserung des Reflexionsfaktors ist die aus dielektrischem
Material bestehende Platte 5 mit spitz zulaufenden Einschnitten 10 versehen, deren
Spitzen aufeinander zuweisen. Die Tiefe der Einschnitte beträgt etwa X.9, wenn 7g
die zu einer mittleren Betriebsfrequenz des zu übertragenden Frequenzbereiches gehörende
Hohlleiterwellenlänge ist.
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Die Quetschmanschette 2, 3 ist relativ zum Hohlleiter 1 so angeordnet,
daß der Hohlleiter 1 über die Enden der Quetschmanschette hinaus fortgesetzt ist,
und daß der Abstand zwisohen dem Flanschanfang 11 des Rundhohlleiters und der Stelle,
an der der elliptisch deformierte Hohlleiter die volle Elliptizität hat, gleich
der Hohlleiterwellenlänge )g ist. Dadurch entsteht ein kontinuierlicher Übergang
vom Rundhohlleiter auf den elliptisohen Hohlleiter, wodurch sich wiederum ein geringer
Reflexionsfaktor des Übergangsstückes zwischen Rundhohlleiter und elliptischem Hohlleiter
erreichen läßt. Zweckmäßig ist die Quetschmanschette an den Enden verrundet, um
eine Einkerbung des Hohlleiters in den Randzonen der Quetschmanschette zu vermeiden.
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Die elektrische Wirkungeweine einer derartigen Anordnung läßt eich
folgendermaßen erklären.
Eine unter 450 zu den Ellipeenhauptachsen
einfallende elek-trische Welle wird in zwei aufeinander senkrecht stehende
Komponenten
gleicher Amplituden zerlegt. Der Vektor des elek-
trischen Feldes der einen Komponente
liegt dabei in der Ebene der dielektrischen Platte 5, während der Vektor des elektrischen
Feldes der anderen Komponente senkrecht zu dieser Ebene liegt. Durch das Dielektrikum
und die elliptische Verformung des Hohlleiters wird die eine Komponente verzögert,
d.h. ihre Wellenphase bleibt relativ zu der der anderen Komponente zurück. Bei einer
geeigneten Länge der dielektrischen Platte 5,@die im wesentlichen durch deren Dicke
und deren Dielektrizitätskonstante bestimmt wird, und bei einer geeigneten Länge
des elliptisch verformten Hohlleiters läßt sich erreichen, daß die eine Komponente
eine Phasenverzögerung von etwa 900 gegenüber der anderen Komponente aufweist.
Nach Durchlaufen der Gesamtanordnung sind somit zwei Wellenkomponenten gleicher
Amplitude vorhanden, die aufeinander senkrecht stehen und die eine um
900 unterschiedliche Phasenlage haben. Diese beiden Wellenkomponenten bilden
im anschließenden Rundhohlleiter eine zirkular polarisierte Welle. Eine derartige
Anordnung ist reziprok, d.h. eine einfallende zirkular polarisierte Welle wird in
eine linear polarisierte Welle umgewandelt.
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In der Fig.3 sind das Achsenverhältnis AR der Polarisationsellipse
sowie der Phasenwinkel 9 in Abhängigkeit von der Frequenz f für ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, das für die Anwendung im Rahmen von Satellitenverbindungen bestimmt
ist. Die Nulldurchgänge liegen etwa bei den Frequenzen 4170 MHz und 6390 MHz. (Auf
die Frequenz 4170 MHz ist im Ausführungsbeispiel auch die Hohlleiterwellenlänge
X9 bezogen). Diese
Nulldurchgänge lassen sich durch eine geringfügige
Änderung der Exzentrizität des elliptisch verformten Hohlleiters und eine geringfügige
Änderung der Länge der dielektrischen Platte 5 in verhältnismäßig weiten Grenzen
frei wählen. In der Fig.4 ist noch der Reflexionsfaktor r für das gleiche Versuchsmodell
in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen. Dabei zeigt die ausgezogene Kurve
12 den Reflexionsfaktor für den Betriebsfall, daß nämlich die linear polarisierte
Welle unter einem Winkel von 450 zu den Ellipsenhauptachsen eingespeist wird. Die
gestrichelt gezeichnete Kurve 13 zeigt den Reflexionsfaktor für den Fall, daß die
linear polarisierte Welle unter einem Winkel von Null Grad zur kleineren Ellipsenachse
eingespeist wird, d.h. daß der elektrische Feldvektor der linear polarisierten Welle
in der Richtung der dielektrisehen Platte 5 liegt. Die punktierte Kurve 14 zeigt
den Reflexionsfaktor für den Fall, daß die linear polarisierte Welle unter einem
Winkel von 900 in den Zirkularpolarisator eingespeist wird, d.h., daß ihr
elektrischer Feldvektor senkrecht zur dielektrischen Platte 5 liegt. Die Kurven
13 und 14 sind insofern von Bedeutung, als sie wegen der Reziprozität der Anordnung,
d.h. bei der Umwandlung einer zirkular polarisierten in eine linear polarisierte
Welle, ein Maß für den Reflexionsfaktor beim Einspeisen einer zirkular polarisierten
Welle darstellen.