DE1591489C3 - Aus zwei gekreuzten runden Hohlleitern bestehende Anordnung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine aus zwei gekreuzten runden Hohlleitern bestehende Anordnung, bei der im Kreuzungsquerschnitt eine gegen die Hohlleiterachsen um 45° geneigte teildurchlässige Reflexionsplatte bzw. -folie eingebaut ist, welche die in dem Eingangshohlleiter ankommende elektromagnetische Welle vom Typ der Hoi-Welle zum größten Teil in den im rechten Winkel zu diesem Hohlleiter angesetzten Hohlleiter umlenkt und Durchbrechungen von einer solchen Form und Größe und/oder eine Dicke von solcher Größe aufweisen, daß die teildurchlässige Reflexionsplatte elektromagnetische Filtereigenschaften in bezug auf die Auskopplung von Wellenenergie aus der im Hohlleiter ankommenden Energie annimmt.

Aus der DT-AS 12 09 623 ist ein quasi-optischer Verzweigungsverbinder bekannt, der aus einem ersten und einem zweiten sich in der Form eines Kreuzes schneidenden Hohlleiter besteht, in deren Kreuzungsstelle ein ebenflächiger Reflektor angeordnet ist. Der Reflektor schließt mit den Achsen der Hohlleiter einen Winkel von 45° ein. Er bewirkt eine Energieaufteilung in zwei Hohlleiterarme, die eine kleinere Grenzfrequenz besitzen als der Eingangshohlleiter und daher als Hochpaßfilter wirken. Wenn also die aufgeteilte Hochfrequenzenergie auf diese Hochpaßfilter trifft, werden diejenigen Wellen, deren Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz der Filterleitungen liegen, zu der Verzweigung zurückgeworfen. In dieser Verzweigung vereinigen sich die beiden reflektierten Energieanteile wieder und treten so im vierten Arm des Hohlleiterkreuzes aus. Als ebenflächiger Reflektor für die frequenzunabhängige Energieaufteilung kann eine Folie aus dielektrischem Material, ein Kupfermaschengitter oder eine perforierte Metallplatte benutzt werden. Bei dieser bekannten Hohlleiterverzweigervorrichtung werden die Filtereigenschaften, z. B. zum Zwecke einer Aufteilung eines Frequenzbandes in mehrere Teilbänder, nur durch zusätzliche Filter, z. B. durch abgestimmte Leitungen, erreicht. Ganz bewußt wurde daher auf eine frequenzunabhängige Durchlässigkeit der teildurchlässigen Schichten abgezielt.

Es ist ferner aus der US-Patentschrift 26 36 125 ein frequenzselektives Übertragungssystem für elektromagnetische Wellen bekannt, bei dem eine Platte aus elektrisch leitendem Material verwendet wird, in der eng benachbarte Öffnungen vorgesehen sind. Es entsteht dadurch ein in der Art von Wabenkaminen ausgebildeter Spiegel, der einen Teil der ankommenden elektromagnetischen Energie reflektiert, während ein weiterer Teil durch den Spiegel hindurchtritt, so daß sich eine Aufteilung eines breiten Frequenzbandes in zwei schmalere Teilbänder erreichen läßt. Abgesehen davon, daß sich eine derartige Anordnung mit der im Bereich der Mikrowellen erforderlichen Genauigkeit fertigungstechnisch verhältnismäßig schwer beherrschen läßt, tritt für die durchzulassende Welle an den Oberflächen des Spiegels ein Wellenwiderstandssprung auf, da der Wellenwiderstand der Wabenkamine unterschiedlich ist vom Wellenwiderstand der die elektromagnetische Welle führenden Leitung. Derartige Wellenwiderstandssprünge haben jedoch zusätzliche Reflexionen und damit zusätzliche Leistungsminderung der durchzulassenden Welle zur Folge. Es ist daher auch bereits vorgeschlagen worden, die Wabenkamine mit einem verlustarmen dielektrischen Material zu füllen. Solche Anordnungen zur Aufteilung extrem breiter Frequenzbänder im Mikrowellenbereich in schmalere Teilbänder sind natürlich sehr aufwendig und deshalb in vielen Fällen nicht einsetzbar.

Bei der Übertragung der Hoi-Welle über Hohlleiterstrecken besteht der Bedarf, direkt aus der Übertragungsleitung mehr oder weniger schmale Bänder auszukoppeln. Dieses Problem tritt z. B. bei der Überwachung von Hohlleiterstrecken durch Pilotsignale auf. Hier koppelt man an mehreren Stellen der Strecke mit schmalbandigen Filtern Pilotträger aus. Zu diesem Zweck ist es bisher notwendig, schmalbandige Auskoppelelemente zu schaffen. Diese sollen imstande sein, ohne nennenswerte Beeinflussung des gesamten Übertragungsbandes an verschiedenen Stellen der Hohlleiterstrecke die Pilotträger auszufiltern. Extrem schmalbandig ausgelegte Schwebungskoppler oder Schlitzkoppler können hierfür verwendet werden. Der Nachteil dieser Koppler liegt für den Fall der Pilotauskopplung in der Notwendigkeit, vom großen Querschnitt der Übertragungshohlleiter zu kleinen Querschnitten überzugehen. Die Verwendung sogenannter Wabenkamine als Filter ist natürlich sehr aufwendig.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, schmalbandige Filter für Hohlkabelstrecken zu schaffen, bei denen die Filterung im großen Querschnitt des Übertragungshohlleiters erfolgt und einfache teildurchlässige Spiegel verwendet werden können. Bei einer solchen Anordnung fallen die bis zu mehreren Metern langen, teueren galvanoplastischen Hohlleiterübergänge weg, die für das gesamte Band konversionsarm ausgelegt werden müssen.

Die Anordnung nach der Erfindung der eingangs geschilderten Art ist nun dadurch gekennzeichnet, daß von dem Eingangshohlleiter aus betrachtet hinter der

teildurchlässigen Reflexionsplatte bzw. -folie ein Resonator in Form des verlängerten Hohlleiters selbst angeordnet ist. Auf diese Weise werden die sonst in der Hohlleitertechnik nur schwer lösbaren Probleme der schmalbandigen Ausfilterung von Wellenenergie mit sehr geringem Aufwand und gutem Gesamtwirkungsgrad gelöst. Die Abstimmung kann in einfacher Weise erfolgen, nämlich durch die bekannten Abstimmöglichkeiten der Resonatoren, ohne daß irgendwelche Veränderungen an dem teildurchlässigen Spiegel vorgenommen werden müssen. Die teildurchlässige Reflexionsplatte kann aus Isolierstoff, aus Metall oder aus einer Kombination aus Metall und Isolierstoff bestehen. In vorteilhafter Weise kann man die teildurchlässige Platte aus einer nur stellenweise mit Metall bedampften Folie oder aus einer metallenen Loch- oder Schlitzblende herstellen.

Zur Filterung wird also ein um einen Winkel von 45° gegen die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen vom Hoi-Typ geneigter, teildurchlässiger Spiegel verwendet, der infolge seiner Gestaltung bereits eine breitbandige Filterung bewirkt. Die Wirkungsweise dieser teildurchlässigen Platten oder Folien kann auf folgende Weise erklärt werden: Die Bandfilterung erfolgt im Vielwellenbereich des Übertragungshohlleiters großen Querschnitts. Es ist hier jedoch die Möglichkeit der Wellenumwandlung bei jeder Art der Störung im Hohlleiter gegeben. Eine Beeinflussung der Hoi-Welle vom Hohlleiterrand her ist wegen der geringen Feldstärke im wandnahen Bereich nur durch eine relativ große Hohlleiterstörung möglich, die meist zu größeren Wellenkonversionen führt. Bei einem um 45° gegen die Ausbreitungsrichtung der Wellen geneigten Spiegel aber wird im großen Hohlleiterquerschnitt eine relativ dämpfungsarme Umlenkung der 35-Hoi-Welle ermöglicht. Dabei erscheinen die Bereiche der maximalen H01-Feldstärken bei der Reflexionsplatte an Stellen, für die eine Beeinflussung der Welle von außen gegeben ist. Durch eine teildurchlässige Reflexionsplatte, z. B. mit Koppellöchern, Koppelschlitzen, Koppelleitungen usw., kann Wellenenergie in ein anderes Hohlleitersystem abgezweigt werden und zwar frequenzabhängig von den Abmessungen der Durchbrechungen und Materialdicken sowie von den Materialeigenschaften.

Diese breitbandige Ausfilterung kann man nun in vorteilhafter Weise dadurch ergänzen, daß man, von der Übertragungshohlleitung aus betrachtet, hinter der teildurchlässigen Platte einen Resonator anordnet, z. B. in Form der über die teildurchlässigen Platten hinaus verlängerten Hohlleiter, aus denen man dann die entsprechenden ausgefilterten Wellen auskoppeln kann. Diese zweite Filterung ist gemäß der Natur der Hohlleiterresonanzen sehr schmalbandig. Die Periodizität der Hohlleiterresonanzen kann dadurch vermieden werden, daß der Kurzschluß der als Resonatoren wirkenden Hohlleiter spezielle Reflexionseigenschaften aufweist. Durch eine weitere teildurchlässige Hohlleiterblende kann die gewünschte Welle, z. B. ein Pilotträger für Überwachungszwecke, aus dem Resonanzraum ausgekoppelt werden. Die übrigen Signalbänder werden durch die Art der Ankopplung in Gebieten außerhalb der Hohlleiterresonanz praktisch nicht beeinflußt. Es ist mit Hilfe dieser Anordnung aber nicht nur die Auskopplung von Pilotträgern, sondern grundsätzlich auch die Auskopplung von Signalübertragungsbändern direkt aus dem Hohlleiter möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Ein kombiniertes Filter ist in der F i g. 1 dargestellt. Bei diesem bilden der Eingangshohlleiter 1 und der im rechten Winkel zu diesem angesetzte Hohlleiter 2 den Übertragungshohlleiter, in welchem die elektromagnetischen Wellen mittels des teildurchlässigen Spiegels 3 umgelenkt werden. Die Figur läßt erkennen, daß der z. B. metallene Spiegel 3 mit Löchern versehen ist. Die Verlängerungen 4 und 5 dieser Hohlleiter 1 und 2 über den Kreuzungsquerschnitt hinaus bilden einen Resonator 6. Gelangt nun über den Hohlleiter 1 eine elektromagnetische Welle vom Typ der Hoi-Welle auf die um 45° geneigte teildurchlässige Platte 3, so wird sie um 90° in den Hohlleiter 2 umgelenkt. Die teildurchlässige Platte 3 koppelt jedoch frequenzabhängig H_Oi -Wellenenergie in den hinter diesem Element 3 liegenden Resonanzraum 6 über, der seinerseits durch ein Reflexionselement 7 und ein Reflexionselement 8 begrenzt wird. Durch die Einschaltung von Reflexionselementen im an die teildurchlässige Platte anschließenden Hohlleiterteil ist eine Transformation von äußeren Widerständen, z. B. von Verbrauchern, insbesondere Empfängern, Signalempfängern oder dergleichen, an die Stelle der teildurchlässigen Platte 3 möglich. Hierdurch kann der Anteil der ausgekoppelten Energie gesteuert werden. Das Reflexionselement 8 weist jedoch noch eine Koppelmöglichkeit mit einer vom Resonator wegführenden Leitung auf. In diesem Zusammenhang wird auf die Abbildung der F i g. 2 verwiesen, in der eine perspektivische Darstellung der Anordnung nach F i g. 1 gezeigt ist. Man findet in dieser Figur wieder die Bezeichnungen 1 bis 8. An das Reflexionselement 8 mit Auskoppeleigenschaften schließt sich der Übergangstrichter 9 an, über den der aus der Übertragungsleitung 1 und 2 ausgekoppelte geringe Energieanteil der Hoi-Welle, für welche Resonanz im abgewinkelten Resonator 6 besteht, einem Modenwandler 10 zugeführt wird. In einfacher Weise kann der Resonanzraum auch dadurch geschaffen werden, daß die beiden Hohlleiteransätze 4 und 5 eine eigene teildurchlässige Platte aufweisen und mit dieser Platte Rücken an Rücken an die an der Übertragungsleitung 1 und 2 befindliche teildurchlässige Platte gelegt werden. Der eine Hohlleiterarm wird mit einem Kurzschluß, der andere mit einer Koppelblende versehen. Der Resonanzraum wird auf eine gewünschte Frequenz, z. B. auf eine Pilotfrequenz, abgestimmt. Durch die geringe Bandbreite der Hohlleiterresonanz ist eine frequenzselektive Auskopplung gewährleistet. Der Resonanzraum hat eine Länge, die durch die Summe der Strecken vom Mittelpunkt der teildurchlässigen Reflexionsplatte 3 bis zur Abschlußebene in dem einen Hohlleiterarm 5 und bis zur Auskoppelblende 8 im anderen Hohlleiterarm 4 gebildet wird. Die minimale Resonanzlänge ist gleich dem Hohlleiterdurchmesser D. Hierfür ergibt sich eine periodische Wiederholung der Resonanzfrequenz f« mit einem Frequenzabstand Af \on 15 GHz/D[cm]. Für eine Resonanzlänge Ir — (D + 0,5) cm = 7,5 cm erhält man einen Frequenzabstand von 2 GHz. Legt man z. B. die Pilotfrequenz so, daß sie im Frequenzplan eines Hohlkabel-Übertragungssystems zwischen zwei Frequenzgruppen fällt, so ergibt sich wegen der 2-GHz-Periodizität keine Störung der Übertragungskanäle. Eine breitbandige Frequenzselektion der Reflexionsspiegel kann z. B. mit Hilfe von radial angeordneten Schlitzen oder Resonanzlöchern erreicht werden. Wenn man Pilotfrequenzen im oberen Übertragungsband verwendet, ist eine breitbandige Selektion durch den Hochpaß-

Charakter von Reflexionsspiegeln mit Koppellöchern möglich. Die periodische schmalbandige Hohlleiterresonanz hinter dem Reflexionsspiegel sowie das breitbandige Resonanzverhalten bzw. Hochpaßverhalten des Spiegels bewirken eine Pilotfrequenzauskopplung ohne Rückwirkung auf die Signalbänder.

Die verschiedenen Ausführungsformen teildurchlässiger Platten sind beispielsweise in den F i g. 3 bis 8 dargestellt. Lochdurchmesser und Schlitzbreite richten sich nach der auszukoppelnden Frequenz. Außer der Form der Durchbrechungen oder Unstetigkeitsstellen sind in vorteilhafter Weise noch Kombinationen verschiedenartiger Platten möglich. So zeigt F i g. 9 im Querschnitt eine dünne Metallfolie, während die Fig. 10 den Querschnitt einer dicken Metallplatte erkennen läßt. Fig-11 stellt den Querschnitt der Kombination einer Isolierschicht 11 mit einer Metallfolie 12 dar; Fig. 12.zeigt die Verwendung eines Schichtaufbaues, der aus den beiden Metallplatten bzw. Folien 13 und der Isolierschicht 14 besteht. Um die frequenzabhängige Durchlässigkeit der in einer Anordnung nach der Erfindung benutzten teildurchlässigen Platten zu zeigen, ist in Fig. 13 die Reflexionsdämpfung in Abhängigkeit vom Lochdurchmesser d einer Platte nach Fig.6 in einem geraden Hohlleiter mit dem Durchmesser D, also in einer Anordnung nach Fig. 14 dargestellt. Die Frequenz ist als Parameter angegeben. Man erkennt hieraus den typischen Hochpaßcharakter von Lochblenden mit dem Durchmesser d Die Lochplatte nach F i g. 7 hat dagegen ein resonanzartiges Koppelverhalten. Die Dicke der Blenden ist ebenfalls für die Selektionseigenschaften von großer Bedeutung. Unterschiedliches Frequenzverhalten zeigen dicke und dünne Metallschichten mit und ohne zwischengeschaltetem Dielektrikum.

Eine weitere Möglichkeit für eine Frequenzselektion und Auskopplung von Energie wird durch ein frequenzabhängiges Refiexionselement 7 bzw.8(Fig. 1 und 2) geschaffen. Hierzu eignen sich die sogenannten Folienfilter, die aus einer Hintereinanderschaltung von mehreren achsensenkrechten dielektrischen Folien oder Platten 15 bestehen. Fig. 15 zeigt den Aufbau eines solchen Filters. Für ein Filter aus 47 im Abstand 1 hintereinander angeordneten Folien ist der Reflexionsfaktor r in Abhängigkeit von der Frequenz /in F ig. Ib dargestellt. Diese Folienfilter haben die Eigenschaft, nur bei bestimmten Frequenzen Kurzschlußverhalten zu zeigen und zwar im Abstand einer Oktave.

Die Selektionswirkung der Anordnung nach der Erfindung läßt sich näherungsweise über eine Ersatzschaltung dadurch erklären, daß man die Koppeleigenschaften von teildurchlässigen Metallschichten durch einen Transformator darstellt. Die Frequenzabhängigkeit kann durch einen speziellen Funktionsverlauf der Kopplung beschrieben werden In Fig. 17 wird die Funktionsweise einer Pilotauskopplung dargestellt. Die Nachrichtenkanäle Sund der Pilotträger /^werden beim Durchlaufen eines gegen die Wellenausbreitungsrichtung um 45° geneigten Spiegels geringfügig gedämpft. Die Verluste charakterisiert der Parallelwiderstand R. Durch einen parallelliegenden Transformator wird im resonanzfreien Fall des angekoppelten Kreises 16 der Leitungswiderstand Rl hochtransformiert, so daß kaum eine Beeinflussung in der Hauptübertragungsleitung 17 durch den sehr hohen Eingangswiderstand R₀ des Transformators vorhanden ist. Im Resonanzfall ist der Eingangswiderstand des Kreises 16 Rl sehr niedrig, so daß auch der Widerstand R_e klein bleibt und somit ein Teil der Energie der Hauptleitung 17 abgezweigt wird. Statt der Kurzschlußleitung 18 am Ausgang 16' des Kreises 16 kann auch ein passiver Zweipol 19 angeschlossen sein, der z. B. die Eigenschaften eines Folienfilters darstellt. Hierbei wird der Eingangswiderstand des Zweipols im resonanzfreien Betrieb gleich dem Leitungsabschlußwiderstand 20 und nur bei Resonanz entsteht ein Kurzschluß. Für die verschiedenen Arten der Kopplung ist in den Fig. 18 bis 20 die Lage des Pilotträgers relativ zu den Übertragungskanälen einer Frequenzobergruppe gezeigt.

Im Falle der Auskopplung mit Folienfilter oder mit ähnlich wirkenden Filtern ist der Pilotträger nach Fig. 18 zwischen zwei Gruppen in einem 0,5GHz breiten Leerband gelegen. Koppelspiegel mit naturgemäß breitbandigem Resonanzcharakter (Schlitzkopplung, kombinierte Lochschlitzkoppler oder geschichtete Koppelspiegel) weisen nach Fig. 19 mehrere Nebenpilotträger auf, die aber rechts und links vom Hauptträger P mehr öder weniger stark gedämpft werden. Ohne besondere Maßnahmen funktioniert die Hochpaßkopplung. Hier muß die Pilotträgerfrequenz nach der Darstellung in Fig.20 möglichst am oberen Übertragungsband sein, damit die Koppelmöglichkeit über mehrere Obergruppen vermieden wird. In Fig.21 sind Messungen über die Selektionsschärfe der Frequenzfilterung eingetragen. Die Amplitude b des gefilterten Meßsignais ist bei dem in F i g. 22 gezeigten Meßaufbau um 7 dB gegenüber dem Eingangssignal gedämpft. Dieser Wert kann durch die Koppelgröße, z. B. Lochdurchmesser der Reflexionsspiegel, beliebig eingestellt werden. Die gesamte Bandbreite beträgt 20,35 MHz. Die Bandbreite kann durch den Reflexionsspiegel 3, durch die Koppelblende 8 und durch einen verlustbehafteten Kurzschluß 21 verändert werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Aus zwei gekreuzten runden Hohlleitern bestehende Anordnung, bei der im Kreuzungsquerschnitt eine gegen die Hohlleiterachsen um 45° geneigte teildurchlässige Reflexionsplatte bzw. -folie eingebaut ist, weiche die in dem Eingangshohlleiter ankommenden elektromagnetischen Wellen vom Typ der Hoi-Welle zum größten Teil in den im rechten Winkel zu diesem Hohlleiter angesetzten Hohlleiter umlenkt und Durchbrechungen von einer solchen Form und Größe und/oder eine Dicke von solcher Größe aufweisen, daß die teildurchlässige Reflexionsplatte elektromagnetische Filtereigenschäften in bezug auf die Auskopplung von Wellenenergie aus der im Hohlleiter ankommenden Energie annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Eingangshohlleiter aus betrachtet, hinter der teildurchlässigen Reflexionsplatte bzw. -folie ein Resonator in Form des verlängerten Hohlleiters angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus den beiden im rechten Winkel zueinander stehenden Hohlleiter-Verlängerungen besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hohlleiterverlängerung mit einem Reflexionselement und die andere Hohlleiterverlängerung mit einem Auskoppelelemente aufweisenden Reflexionselement abgeschlossen sind.