DE1466365C - Breitband Zirkularpolansator fur sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Breitband-Zirkularpolarisator für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei dem ein durch Quetschung eines Hohlleiterabschnittes kreisförmigen Querschnitts erzeugter Hohlleiterabschnitt elliptischen Querschnitts mit extrem geringer Exzentrizität vorgesehen ist.

Entsprechend der derzeit angewandten Technik empfangen und senden gegen die Erde umlaufende Nachrichtensatelliten zirkulär polarisierte elektromagnetisch«. Wellen, wodurch eine Nachdrehung der Sende- und Empfangspolarisationsebene in Abhängigkeit von der Spinachse des Satelliten vermieden wird. Weiterhin werden zirkulär 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 zirkulär polarisierte Wellen und umgekehrt erforderlich sind. Derartige Vorrichtungen werden als Zirkularpolarisatoren bezeichnet. Eine zirkulär 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 90° 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 Iinear polarisierte Welle in Richtung der Diagonalen ein, oder man benutzt einen elliptischen Hohlleiter geringer Exzentrizität und speist unter einem Winkel von 45° zu den beiden Ellipsenhauptsachen 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 4,2GHz 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 elliptischen Quer-Schnitts in Kette geschaltet wird, wobei der Rundhohlleiter eine aus dielektrischem 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. Darüber hinaus wird durch die erforderliche Flanschverbindung zwischen dem Rundhohlleiter und dem elliptischen Hohlleiter der Reflexionsfaktor erhöht.

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. 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. Darüber hinaus müssen die zur Herstellung der Galvanoplastik be-

nutzten 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. Darüber hinaus 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.

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 Breitbandigkeit gestellten Anforderungen in vollem Umfang gerecht wird.

Von einem Breitband-Zirkularpolarisator für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei dem ein durch Quetschung eines Hohlleiterabschnittes 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 Länge 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.

Als vorteilhaft erweist es sich ferner, daß der dielektrische Quersteg in der durch die Hohlleiterlängsachse und die kleine Ellipsenachse bestimmten Ebene angeordnet und durch radial verlaufende Verankerungsstifte aus dielektrischem Material in seiner Lage gehalten ist.
Für die Praxis ist es daher günstig, wenn die Quetsch-!

manschette 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 Abgleich des elliptischen Innenquerschnitts auf den erforderlichen Wert vorgesehen sind.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

In den Figuren 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, das heißt 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, das heißt 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 Satellitenfunktechnik realisierten Zirkularpolarisator hat sich eine Durchmesserdifferenz zwischen großer und kleiner Ellipsenachse von etwa 2% 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 Abdeckschrauben 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 Querschnittsbild der Fig. 2 eindeutig zu entnehmen ist, liegt die aus dielektrischem 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, daß 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 dielektrischem Material beste-

henden 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, schraubenkopfartigen 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 Weise 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 schraubenkopfartigen Ansätze in den Einsenkungen mit einem Kleber 16 zu vergießen.

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 Xg, wenn X_g die zu einer mittleren Betriebsfrequenz des zu übertragenden Frequenzbereiches gehörende Hohlleiterwellenlänge ist

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 zwischen dem Flanschanfang 11 des Rundhohlleiters und der Stelle, an der der elliptisch deformierte Hohlleiter die volle Elliptizität hat, gleich der Hohlleiterwellenlänge X_g ist. Dadurch entsteht ein kontinuierlicher Übergang vom Rundhohlleiter auf den elliptischen Hohlleiter, wodurch sich wiederum ein geringer Reflexionsfaktor des Übergangsstückes zwischen Rundhohlleiter und elliptischem Hohlleiter erreichen läßt. Zweckmäßig ist die Quetschmanschette μη den Enden verrundet, um eine Einkerbung des Hohlleiters in den Randzonen der Quetschmanschette zu vermeiden.

Die elektrische Wirkungsweise einer derartigen Anordnung läßt sich folgendermaßen erklären.

Eine unter 45° zu den Ellipsenhauptachsen einfallende elektrische Welle wird in zwei aufeinander senkrecht stehende Komponenten gleicher Amplituden zerlegt. Der Vektor des elektrischen 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, das heißt ihre Wellenphase bleibt relativ zu der der anderen Komponente zurück. Bei einer geeigneten Länge der dielektrischen Platte 5, die im wesentliehen 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 90° gegenüber der anderen Komponente aufweist. Nach Durchlaufen der Gesamtordnung sind somit zwei Wellenkomponenten gleicher Amplitude vorhanden, die aufeinander senkrecht stehen und die eine um 90° unterschiedliche Phasenlage haben. Diese beiden Wellenkomponenten bilden im anschließenden Rundhohlleiter eine zirkulär polarisierte Welle. Eine derartige Anordnung ist reziprok, das heißt, eine einfallende zirkulär polarisierte Welle wird in eine linear polarisierte Welle umgewandelt.

In der Fig. 3 sind das Achsenverhältnis AR der Polarisationsellipse sowie der Phasenwinkel φ in Abhängigkeit von der Frequenz /für ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das für die Anwendung im Rahmen von Satellitenverbindungen bestimmt ist. Die Nulldurchgänge liegen etwa bei den Frequenzen 4170MHz und 6390MHz. (Auf die Frequenz 4170MHz ist im Ausführungsbeispiel auch die Hohlleiterwellenlänge X_g bezogen). Diese Nulldurchgänge lassen sich durch eine geringfügige Änderung der Exzentrizität des elliptisch verformten Hohlleiters und eine geringfügige Anderung 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 den Reflexionsfaktor für den Betriebsfall, daß nämlich die linear polarisierte Welle unter einem Winkel von 45° zu den Ellipsenhauptachsen eingespeist wird. Die gestrichelt gezeichnete Kurve zeigt den Reflexionsfaktor für den Fall, daß die linear polarisierte Welle unter einem Winkel von Null Grad zur kleineren Ellipsenachse eingespeist wird, das heißt, daß der elektrische Feldvektor der linear polarisierten Welle in der Richtung der dielektrischen Platte 5 liegt. Die punktierte Kurve zeigt den Reflexionsfaktor für den Fall, daß die linear polarisierte Welle unter einem Winkel von 90° in den Zirkularpolarisator eingespeist wird, das heißt, 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, das heißt bei der Umwandlung einer zirkulär polarisierten in eine linear polarisierte Welle, ein Maß für den Reflexionsfaktor beim Einspeisen einer zirkulär polarisierten Welle darstellen.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Breitband-Zirkularpolarisator für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei dem ein durch Quetschung eines Hohlleiterabschnittes kreisförmigen Querschnitts erzeugter Hohlleiterabschnitt elliptischerTQüerscHnitts mit extrem geringer Exzentrizität vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale

a) die Quetschung des Hohlleiterabschnittes kreisförmigen Querschnitts erfolgt durch eine Quetschmanschette (2, 3), deren Länge 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 (5) angeordnet;

• c) der elliptisch verformte Hohlleiter ist über die iEnden der Quetschmanschette (2, 3) hinaus fortgesetzt und in diesen Bereichen jeweils als Übergangsstück auf einen Hohlleiter mit exaktem Kreisquerschnitt ausgebildet.

2. Breitband-Zirkularpolarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Quersteg (5) in der durch die Hohlleiterlängsachse und die kleine Ellipsenachse bestimmten Ebene angeordnet und durch radial verlaufende Verankerungsstifte (6) aus dielektrischem Material in seiner Lage gehalten ist.

3. Breitband-Zirkularpolarisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quetschmanschette (2, 3) entlang einer Mittelebene in zwei Haibschaien (2 und 3) unterteilt und in Richtung der kleineren Ellipsenachse für einen engeren Querschnitt als erforderlich dimensioniert ist, und daß Zwischenlagen zum mechanischen Abgleich es elliptischen Innenquerschnittes auf den erforderlichen Wert vorgesehen sind.