DE1929975A1 - Hohlleiteruebertragungssystem - Google Patents

Description

• Hohlleiterübertragungssystem Die Erfindung bezieht sich auf ein Übertragungssystem für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei dem wenigstens auf einem Streckenabschnitt die Übertragung der Nachrichten über zwei gegeneinander in der Frequenz verschobene Prequenzbänder und in einen Rundhohlleiter erfolgt.
• Zur Übertragung von Hochfrequenzenergie zwischen Antennen und daran angeschlossenen Empfängern bzw. Sendern werden Energieleitungen benötigt, die in erster Linie dämpfungsarn sein sollen, um die Antennenenergie möglichst verlustlos an den Empfänger zu liefern bzw. die Sendeenergie vollkommen an die Antenne. Hierzu sind bei sehr hohen Frequenzen Hohlleitungen gut geeignet, jedoch treten bei breiten Ubertragungsfrequenzbändern, wie sie bei Richtfunksystemen wegen der vielen zu übertragenden Nachrichtenkanäle üblich sind, zusätzliche Schwierigkeiten auf, wenn hinsichtlich Gesamtlaufzeit und Laufzeitverzerrungen Begrenzungen gefordert sind. Häufig tritt dieser Fall bei Sendeempfangssystemen auf, bei denen die Sende- und Empfangsfrequenzbänder relativ/auseinander liegen und ein Band bei einer relativ tiefen Frequenz liegt. So liegen beispielsweise bein Satellitenfunk die Frequenzbänder im Gebiet von 3,5 und 7 GHz. Will man solche Frequenzbänder gleichzeitig in einer Hohlleitung übertragen, so wird bei der Übertragung mit der dämpfungsarmen H01-Welle entweder der Hohlleiter unförmig groß, was außerdem die Bildung unerwünschter höherer Wellentypen für die höchsten Übertragungsfrequenzen begünstigt, oder man muß zur Umgehung dieser Schwierigkeiten zu anderen Hilfsmitteln, wie zur Frequenzumsetzung greifen, was jedoch mit größerem Aufwand bei den Endgeräten verbunde ist und zudem den Nachteil hat, daß zusätzliche Laufzeitverzerrungen und/oder Dämpfungsverzerrungcn auftreten. Die Übertragung der zwei Frequenzbänder mit zwei gekreuzt polarisierten H11A!ellen dagegen Shrt zu höheren Leitungsdämpfungen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hohlleiterübertragungssystem, bei dem wenigstens auf einem Streckenabschnitt die Übertragung der Nachricht über zwei gegeneinander in der Frequenz verschobene Frequenzbänder und simultan in einen Hohlleiter erfolgt, die oben angeführten Schwierigkeiten weitgehend zu beseitigen.
• Diese Aufgabe wird bei einem Übertragungssystem für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei dem die Übertragung von Nachrichten über wenigstens zwei gegeneinander in der Frequenz verschobene Frequenzbänder und in einem Rundhohlleiter erfolgt, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Übertragung der Energie des frequenztieferen Prequenzbandes mittels eines H11-Wellentyps und des frequenzhöheren Frequenzbandes mittels des H01-Wellentyps in ein und demselben Rundhohlleiter erfolgt.
• Es ist hierbei vorteilhaft, wenn sich die beiden Frequenzbänder etwa um den Faktor der Grenzfrequenzen für die beiden Wellentypen im Rundhohlleiter unterscheiden.
• Insbesondere zur weiteren Herabsetzung der Möglichkeit der Wellentypwandlung ist es zweckmäßig, den Hohlleiter wie an sich bekannt auf seiner Innenfläche mit einer etwa 1 %o des Hohlleiterinnenradius starken dielektrischen Schicht zu versehen.
• Aus ähnlichen Gründen ist es vorteilhaft, wenn die Polarisation der H11-Welle so gewählt ist, daß in gegebenenfalls in Zuge der Leitung befindlichen Krümmern eine möglichst geringe Umwandlung in die störende E01-Welle auftritt.
• Zur Ein- und Auskopplung der Energie mit beiden Polarisationen ist es vorteilhaft Weichen zu benutzen, bei denen tlich in den bereits die H01-Welle führenden Rundhohlleiter an diagonal gegenüberliegenden Stellen zwei Rechteckhohlleiterabschnitte einmünden, die den Rundhohlleiter zangenförmig umgreifen und zu einem gemeinsamen in Axialrichtung des Rundhohlleiters verlaufenden Rechteckhohlleiter zusammengefasst sind, der die H11-Welle führt. Mit Vorteil können für die Ein- und Auskopplung auch H10-H01-Richtungskoppler verwendet werden.
• Zur weiteren Ausnutzung des Systems wird vorteilhaft eine Energieübertragung im gleichen Rundhohlleiter zusätzlich mit einer weiteren H11-Welle, die zur ersten senkrecht polarisiert ist, derart vorgenommen, daß zwei zangenförmige Einkoppelvorrichtungen axial und in Umfangsrichtung un 900 gegeneinander versetzt am Hohlleiterumfang angebracht sind, und daß gegen die Fortpflanzungsrichtung jeder neu eingespeisten Wellentype Sperrbleche hierfür in Hohlleiter angeordnet sind.
• Das System ist besonders vorteilhaft verwendbar bei Satellitenfunkeinrichtungen, da dort das Empfangsfrequenzband von 3,7 bis 4,2 GHz reicht und das Sendefrequenzband von etwa 5,9 bis 6,4 GHz. Für diese Verwendung ist die erfindungsgemäße Lösung auch deshalb besonders vorteilhaft, weil hierdurch sich u.U. Vor- bzw. Endverstärker an der Antenne selbst, wie sie bisher üblich sind vermeiden lassen. Solche Vor- bzw.
• Endverstärker erfordern häufig einen hohen apparativen Aufwand, der das drehbar und schwenkbar ausgeführte Antennensystem erheblich kompliziert und verteuert.
• Störende Wellentypenumwandlungen und damit verbundene Gruppenlaufzeit- und Dämpfungsschwankungen werden wegen der beim erfindungsgemäßen System erreichbaren geringen Abstände zu den einzelnen Grenzfrequenzen auch ohne äußerste Anforderungen an-dic Genauigkeit der Rundhohlleiter vermieden. Ferner lassen sich beispielsweise gegenüber einer Übertragung beider Frequenzbänder mit der H01-Welle wesentlich geringere Hohlleiterdurchmesser erzielen. Bei gegebenen Hohlleiter-Rohrdurchmesser lassen sich beim erfindungsgemäßen System zwei Frequenzbänder die en um den Faktor 2 auseinander liegen , in den zwei Wellentypen H01 und H11 mit geringsten Dämpfungen und geringsten Gruppenlaufzeitfehlern übertragen. Der Rohrquerschnitt wird damit optimal ausgenützt.
• Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
• Besonders bei den Bodenstationen von Satellitenfunksystemen ist eine Mikrowellenübertragung zwischen den Antennen der Bodenstation und einem Zentralgebäude in dem die übrigen Geräte wie Sendeempfänger u.dgl. untergebracht sind, häufig erwünscht. Bei diesen Systemen ist der Empfangsbereich von 3,7 bis 4,2 GHz und der Sendefrequenzbereich von 5,925 bis 6,425 GHz. Die Entfernung zwischen Antenne und dem Zentralgebäude beträgt meist bis zu einen Kilometer. Für die Übertragung sind folgende Forderungen gestellt : Die Gruppenlaufzeit der Ubertragungsstrecke soll ca 0,1 ns/MHz nicht überschreiten, was etwa 10 des im gesamten System zulässigen Laufzeitfrequenzganges entspricht. Die Reflexion der Strecke soll unter ca 2% liegen, während die Übertragungsdämpfung möglichst klein sein soll, also wenigstens unter etwa 10 dB, um zusätzliche Verstarker zu vermeiden.
• Der erfindungsgemäße Vorschlag geht nun dahin, als Leitung einen Rundhohlleiter zu verwenden, in dem das frequenztiefere Band von 3,7 - 4,2 GHz mittels des H11-Wellentyps übertragen wird und im gleichen Rundhohlleiter das frequenzhöhere Band von 5,9 - 6,4 GHz mittels des H01-Wellentyps.
• Die Fig. 1 zeigt das Übertragungssystem schematisch, wobei von der Antenne A das um 4 GHz gelegene Band zum Empfänger E übertragen werden soll, während das vom Sender S stammende Signal über die gleiche Leitung L zur Antenne übertragen werden soll. Das 6 GHz Signal wird in HL mittels des H01-Wellentyps übertragen, und da die vom Sender ankommende Leitung bzw. die unmittelbare Antennenzuleitung jeweils aus einem Rechteckhohlleiter RH besteht, in dem die Ubertragung mittels des H10-Wellentyps stattfindet, sind antennen-und sendeseitig die Recliteclc-Rundhohlleiterübergänge W1, W2 vorhanden. Zur sinultanen Einspeisung des 4 GHz-Signalbandes sind antennen- und empfängerseitig in den Rundhohlleiter die Ein- und Auskoppelweichen W3 und W4 vorgesehen, die dieses Signal,das antennen- und empfängerseitig über Koaxialleitungen oder über H10-Rechteckhohlleiter zugeführt wird auf dem Hohlleiter HL in den H11 Wellentyp umwandeln.
• Bei der H01-Übertragung über den Rundhohlleiter ist dabei für einen bestimmten zugelassenen Gruppenlaufzeitfehler der Abstand von der Grenzwellenlänge # CH01 = 0,82 D maßgebend. Unter gleichen Bedingungen ergibt sich für die H11-Welle der gleiche relative Abstand von der Grenzwellenlänge # CH11 = 1,71 D. Bei der erfindungsgemäßen Zuordnung ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß für den Gruppenlaufzeitfehler der H01-Welle der günstigere höhere Frequenzbereich von 6 GHz bestimmend ist. Ferner ergibt sich eine gleichmäßige Ausnutzung des Rundhohlleiters dahingehend, daß die Gruppenlaufzeitfehler für 3,7 und 5,9 GHz annähernd gleich sind. So ergeben sich beispielsweise in einen Rundhohlleiter vom Innendurchmesser D=200 mm für eine Kanalbreite von 20 NHz folgende Gruppenlaufzeitdifferenzen zwischen den extremen Frequenzen dieses Kanals : Für die H01-Welle bei 5,9 GHz 1,25 ns/km für die H11-Welle bei 3,7 GHz 1,1 ns/km. Der Unterschied zwischen beiden Bändern wäre demnach 0,15 ns/km. Bei simultaner Übertragung mittels zweier H11,-'llen in gekreuzter Polarisation ergäbe sich dagegen zwischen beiden Bändern eine Laufzeitdifferenz von.
• 0,25 ns/km. Der Laufzeitunterschied zwischen diesen beiden H11-Signalen wäre demnach größer, als bei der gemischten Übertragung mittels der H11 bzw. H01-Welle, so daß der eingangs genannte maximale Frequenzgang der Gruppenlaufzeit der Übertragungsstrecke u.U. nicht eingehalten werden könnte.
• Auch die erzielbaren Dämpfungswerte sind für die erfindungsgemäße Übertragung sehr gering, so ist z.B. für den oben genannten Hohlleiter bei 6 GHz in der Praxis eine Dämpfung non rund 0,75 dB/kitt erzielbar, während bei 4 GHz die Hn1-Welle un 2,9 dB/km gedämpft wird Durch die Verwendung nur einer Polarisation der H11-Welle sind von der Hohlleitung keine hohen Anforderungen in Bezug auf Polarisationsentkopplung zu erfüllen. Diese sind lediglich dann höher, wenn ein zusätzliolies Signal in der frequenztieferen Lage noch mit übertragen werden soll, das dann in senkrechter Polaristation zur ersten H11-Welle als drittes Signal auf der gleichen Hohlleitung übertragen werden kann.
• Beim erfindungsgemäßen System sind außerdem Frequenzweichen nicht erforderlich, denn die nötigen Wellentypwandler W1 bis W4 wirken gleichzeitig als solche.
• Der Hohlleiter HL kann außerdem besonders dann ohne Gefahr mit leichten Krümmungen verlegt werden, wenn er, wie an sich bekannt, auf der Innenfläche mit einer etwa 1%0 des Hohllciterinnenradius starken dielektrischen Schicht versehen wird.
• Wird die Hohlleitung HL mit Krümmern verlegt, so ist es zweckmäßig die Polarisation der H11-Welle so zu wählen, daß die störende E01-Welle nicht auftritt. Die Fig. 2 zeigt hierzu ein Beispiel, wobei im obeneren Teil eine Seitenansiellt, im unteren Teil eine Draufsicht auf die Leitung schematisch dargestellt ist. Die Leitung ist in mehrere Abschnitte 1 bis 3 unterteilt. 1 sind gerade Rundhohlleiterabschnitte, 2 sind Krümmer, und 3 sind Dämpfungsglieder für die gegebenenfalls in den Krümmern entstehenden unerwünschten Polarisationen der H11-Welle und anderer Wellentypen. An einzelnen Leitungsabschnitten sind in der Zeichnung Querschnitte durch die Leitung gezeichnet, in denen schematisch der Verlauf der E-Feldlinien der übertragenen Wellen angedeutet ist. Bei den Krümmern soll der E-Vektor der H11-Welle senkrecht auf der KrUmmungsebene stehen, um die Anregung der E01-Welle zu vermeiden. Besonders in den Krümmerabschnitten 2 ist es zweckmäßig eine Innenauskleidung aus einer Schicht aus Dielektrikum vorzusehen, um Umwandlungen der H01-Welle in andere Wellentypen zu vermeiden. Zweckmäßig bestehen die Dämpfungsglieder 3 aus sogenannten H01-Wellentypreinigern. Dies sind dünne metallisierte Folien die quer zum elektrischen Feldvektor der H11-Welle im Hohlleiter liegen. Solche H01-Wellentypreiniger sind z.B. in der Zeitschrift "Frequenz", 1966, Nr. 11, Seiten 373 bis 377 beschrieben. Die Lage einer solchen Dämpfungsfolie ist in den Leitungszug an der Stelle C in Form einer Querschnittsdarstellung eingetragen.
• Als Einkoppelweiche ist eine Anordnung gemäß der Fig. 3 vorteilhaft, die eine Kombination der Weichen W1 und W3 bzw.
• W4, W2 der Fig. 1 darstellt. Die einzelnen Abschnitte dieser Koppeleinrichtungen bestehen dabei aus folgenden Elementen.
• 4 ist ein stetiger Übergang von der von der Antennenleitung kommenden Rechteckhohlleitung für den 4 GHz Bereich (Wellentyp H10) auf einen Rundhohlleiter (Wellentyp H11). 5 ist eine trichterförmige Erweiterung des Rundhohlleiters mit nach rechts wachsendem Durchmesser. 6 ist ein sogenannter H10-H01-Richtungskoppler, über dessen Eingang 9 das 6 GHz Band über einen Rechteckhohlleiter $Wellentyp H10) zugeführt wird. Der Rechteckhohlleiter des H10-H01-Richtungskopplers, durch den das 6 GHz Band in den Rundhohlleiterabschnitt 10 in Form einer H01-WelIe eingekoppelt wird, ist an seinem Ende mit dem Wellenwiderstand Z abgeschlossen.
• Ausführungen solcher H10-H01-Richtungskoppler sind aus der Zeitschrift Archiv der elektrischen Übertragung", Band 12, 1958, Heft 10, Seiten 440 bis 446 bekannt geworden.
• Der an den Koppler 6 anschließenden Leitungsabschnitt 7 ist einTrichterübergang auf den Übertragungsrundhohlleiter HL mit größerem, beispielsweise 200 mm betragenden Innendurchmesser. Auch bei dieser Fig. sind an einzelnen Leitungsquerschnitten Leitungsprofile dargestellt, in die der Verlauf der E-Feldlinien der betreffenden Wellentypen schematisch eingetragen ist. Die zugehörigen Querschnittsangaben sind nur beispielhaft, um eine Vorstellung von der praktischen Ausführung eines solchen Kopplers für die eingangs erwähnten Satellitenfunkbänder zu vermitteln.
• Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Einkopplung zweier senkrecht zueinander polarisierterH11-Wellen in einem Rundhohlleiter HL der bereits die H01-Welle des H01-Welle des 6 GHz Bandes führt. Die einzelnen Abschnitte dieses Kopplers bedeuten: 11 eine Kurzschlußblende für die vertikal polarisierte H11-Welle. 12 eine Einkoppelvorrichtung für die vertikal polarisierte H11-Welle, die im H10-Wellentyp von einem Rechteckhohlleiter 18 zugeführt wird. 13 ein Kurzschlußoiech für die horizontal polarisierte H11ATelle, 14 eine Einkoppelvorrichtung für die horizontal polarisierte H11-Welle, die im H10-Wellentyp von einem weiteren Rechteckhohlleiteckhohlleiter 19 zugeführt wird und 15, der gemeinsame Ausgang für alle drei Wellenarten.
• Die Elemente 12 und 13 können dabei örtlich weitgehend zusammenfallen, und die Elemente 11 und 13 können aneinander stoßen. Die Einkoppelöffnungen von 12 liegen dann über dem Kurzschlußblech 13. Die Elemente 11 und 13 sollten etwa in ihrer Länge gleich dem Rohrdurchmesser sein. Eine ähnliche Einkoppelvorrichtung unter Verwendung nur eines der Elemente 12 oder 14 kann natürlich auch für eine einzige Polarisationsrichtung der H11-Welle Verwendung finden.
• Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, für eine @ Koppeleinrichtung zur Zuführung der einzelnen Wellentypen für die gleichzeitigc Übertragung mit zwei senkrecht zucinander polarisierten H11-Vellen und einer H01-Welle, ist in der Fig. 5 dargestellt. Diese Einkoppelvorrichtung entspricht weitgehend der nach der Fig. 3, weshalb die gegenüber dieser Fig. gleichgebliebenen Leitungsabschnitte mit den gleichen Ziffern wie dort belegt sind. Zur zusätzlichen Einkopplung einer weiteren H11-Welle ist der Leitungsabschnitt 17 zwischen die Abschnitte 4 und 5 eingeschaltet. Der Abschnitt 17 stellt eine Polarisationsweiche dar, für die Einkopplung einer in einem Rechteckhohlleiter 16 geführten H10-Welle, in den bereits eine Polarisation der H11-Welle führenden Hohlleiterabschnitt 17 dar. Am Ausgang des Hohlleiterabschnitto 17 entstehen daher, wie in den Querschnittsbildern dargestcllt, zwei senkrecht zueinander polarisierte H11-Wellentypen neben der H01-Welle. Polarisationsweichen nach Fig. 5 sind an sich bekannt und beispielsweise in der Zeitschrift "Nachrichtentechnische Fachberichte", Band 23,, 1961, Seiten 67 bis 73, insbesondere Seite 68, näher beschrieben.

Claims (8)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Übertragungssystem für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei dem die Ubertragung von Nachrichten über wenigstens zwei gegeneinander in der Frequenz verschobene Frequenzbänder und in einem Rundhohlleiter erfolgt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Übertragung der Energie des frequenztieferen Frequenzbandes mittels eines H11-Wellentyps und des frequenzhöheren Frequenzbandes mittels des H01-Wellentyps im gleichen Rundhohlleiter erfolgt.

2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nzeichnet, daß sich die beiden Frequenzbänder etwa umden Faktor der Grenzfre @@rzen für die beiden Wellentypen im Rundhohlleiter unterscheiden.

3. Ubertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Rundhohl leiter, wie an sich bekannt auf seiner Innenfläche mit einer etwa 1%0 des Hohlleiterradius starken dielektrischen Schicht versehen ist.

4. Ubertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Polarisation der H11-Welle so gewählt ist, daß in gegebenenfalls im Zuge der Leitung befindlichen Krümmern die störende E01-Welle nicht auftritt.

5. Ein- bzw. Auskoppelweiche für ein Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß scitlich in den bereits die H01-Welle führenden Rundhohlleiter an diagonal gegenüberliegenden Stollen zwei Rechteckhohlleiterabschnitte einmünden, die den Rundhohllciter zangenförmig umgreifen und zu einem gemeinsamen in Axialrichtung des Rundhohlleiters verlaufenden Rechteckhohlleiter zusammengefasst sind, der die H11-Welle führt.

6. Übertragungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zangeförmige Einkoppelvorrichtungen für die Einspeisung zweier gegeneinander senkrecht polarisierter Wellen des H11-Typs axial und in Umfangsrichtung um 900 gegeneinander versetzt am Hohlleiterumfang angebracht sind, und daß gegen die Fortpflanzungsrichtung jeder neu eingespeisten Wellentype Sperrbleche hierfür im Hohlleiter angeordnet sind.

7. Ein- und Auskoppelvorrichtung für ein Ubertragungssystem, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einspeisung der Wellen vom H01-Typ in den bereits die Wellen des H11-Typs führenden Rundhohlleiter H10-H01-Richtungskoppler verwendet sind.

8. Übertragungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei Satellitenfunksystemen bei denen der Empfangsfrequenzbereich zwischen 3,7 und 4,2 GHz und der Sendefrequenzbereich zwischen 5,925 und 6,425 GHz liegt.

L e e r s e i t e