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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Polarisationsweiche zur Trennung/Kombination von in einem Hohlleiter geführten, orthogonal polarisierten Hochfrequenzwellen, die für eine extrem grosse Bandbreite einsetzbar ist, und insbesondere eine Polarisationsweiche der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Eine derartige Polarisationsweiche ist in der
DE 26 51 935 B2 beschrieben.
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Für die Kombination und Trennung von orthogonal polarisierten Signalen sind verschiedene Ausführungsformen bekannt. Ein Überblick über Bauformen solcher Polarisationsweichen beziehungsweise – kombinierer wird in ”Waveguide Components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD”, Artech House, 1993, Seiten 377 ff. gegeben.
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Da sich Polarisationsweichen und -kombinierer nicht in ihren Bauformen, sondern lediglich in der Richtung, in der sie von den elektromagnetischen Wellen durchlaufen werden, unterscheiden, wird im folgenden der Begriff ”Polarisationsweiche” für beides gebraucht.
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Einfache Bauformen ergeben sich, wenn in dem gemeinsamen Anschlusshohlleiter, an dem die Polarisationsweiche montiert wird, nur die Grundwellentypen H10 und H01 ausbreitungsfähig sind. Diese Beschränkung begrenzt das Nutzfrequenzband solcher Ausführungsformen auf ca. 25%.
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Polarisationsweichen mit einer Bandbreite von mehr als 30% erfordern aufwendigere Konstruktionen, bei denen aufgrund von Symmetrie im Verzweigungsbereich der Weiche die Ankopplung von im Anschlusshohlleiter ausbreitungsfähigen höheren Wellentypen unterbunden ist. Auf Seite 397 der oben genannten Literaturstelle ist eine Polarisationsweiche mit einem solchen symmetrischen Aufbau abgebildet, die einen Eingangsabschnitt, in dem zueinander orthogonal polarisierte Wellentypen ausbreitungsfähig sind, zwei sich in Verlängerung des Eingangsabschnitts erstreckende, durch ein Septum getrennte erste Ausgangsabschnitte für einen ersten der Wellentypen und zwei sich in der Ebene des Septums seitwärts erstreckende zweite Ausgangsabschnitte für den zweiten Wellentyp aufweisen. Dieser Aufbau entspricht einer Fünftor-Hohlleiterverzweigung mit zwei symmetrischen Hohlleiterpaaren, die den ersten beziehungsweise zweiten Ausgangsabschnitten entsprechen, wobei der Grundwellentyp jedes dieser Ausgangsabschnitte an die Hälfte der Signalenergie der zugeordneten Polarisation des Eingangsabschnitts ankoppelt. Erste und zweite Ausgangsabschnitte sind voneinander entkoppelt. Die ersten beziehungsweise zweiten Ausgangsabschnitte können durch geeignete Mittel wie Verzweigungen, ein magisches T etc. zusammengeführt werden, so dass die zwei orthogonalen Polarisationen an jeweils einem Anschluss abgegriffen oder – bei Verwendung der Polarisationsweiche zum Kombinieren von zwei orthogonalen Polarisationen in einem Anschlusshohlleiter – eingespeist werden können.
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Die maximal erreichbare Nutzbandbreite ist bei dieser bekannten. Polarisationsweiche auf ca. 50% begrenzt. Der Grund dafür ist, dass innerhalb der paarweise symmetrischen Anschlussabschnitte die Wellentypen, deren elektromagnetische Felder orthogonal zu den jeweiligen Grundwellentypen orientiert sind, ausbreitungsfähig werden, wenn die Frequenz der Welle das Zweifache der Grenzfrequenz des betreffenden Anschlussabschnitts überschreitet. Wenn aber die Anschlusshohlleiter in der Lage sind, die jeweils orthogonale Polarisation zu übertragen, ist dieses Prinzip nicht mehr anwendbar, da die für die Wellentypen erforderlichen Kurzschlussebenen in der Verzweigungszone nicht mehr vorhanden sind.
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Aus
GB 2 175 145 ist eine Polarisationsweiche bekannt, die an den Innenflächen ihres Eingangsabschnitts und an vier sich in Verlängerung der Innenwände erstreckenden Anschlussabschnitten Stege aufweist. Der Aufbau dieser Polarisationsweiche ist aufwendig, außerdem macht die Tatsache, dass alle vier Ausgangsabschnitte die gleiche Orientierung parallel zur Achse des Eingangsabschnitts aufweisen, die Verwendung von komplizierten, in mehreren Ebenen geschwungenen Anschlussleitern erforderlich, um die an jeweils zwei Ausgangsabschnitten anliegenden orthogonalen Polarisationskomponenten zu vereinigen.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine Polarisationsweiche geschaffen, mit der die orthogonalen Wellentypen eines an einen Eingangsabschnitt der Polarisationsweiche angeschlossenen gemeinsamen Hohlleiters in einem sehr breiten Frequenzband unabhängig angekoppelt werden können. Die Breite des Frequenzbands kann 56% und mehr betragen.
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Dieser Vorteil wird bei einer Polarisationsweiche gemäß Anspruch 1 mit einem Eingangsabschnitt, in dem zueinander orthogonal polarisierte Wellentypen ausbreitungsfähig sind, zwei sich in Verlängerung des Eingangsabschnitts erstreckenden, durch ein Septum getrennten ersten Ausgangsabschnitten für einen ersten der Wellentypen und zwei sich in einer Ebene des Septums seitwärts erstreckenden zweiten Ausgangsabschnitten für den zweiten Wellentyp dadurch erreicht, dass die zweiten Ausgangsabschnitte als Koaxialleiter ausgebildet sind, wobei der Eingangsabschnitt an seinen Wänden mit einwärts vorspringenden, in Längsrichtung orientierten Stegen versehen ist. Das Septum bewirkt, dass von zwei orthogonal polarisierten Wellentypen H10, H01, die in dem Eingangsabschnitt ausbreitungsfähig sind, derjenige mit zur Orientierung des Septums parallelem E-Feld reflektiert wird. Somit entsteht für diesen Wellentyp eine Kurzschlussebene, so dass im entsprechenden Feldstärkemaximum vor dem Septum eine Koaxialleiterankopplung durchgeführt wird. Indem der Eingangsabschnitt an seinen Wänden mit einwärts vorspringenden, in Längsrichtung orientierte Stegen versehen ist, wird der Eindeutigkeitsbereich der Polarisationsweiche vergrößert. Um eine möglichst reflexionsarme Ankopplung des Wellentyps mit zum Septum senkrechtem E-Feld an die ersten Ausgangsabschnitte zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn das Septum einen sich in den Eingangsabschnitt hinein verjüngenden Vorderabschnitt aufweist. Die zweiten Ausgangsabschnitte münden dann zweckmäßigerweise zwischen der Spitze und der Basis des Vorderabschnitts in den Eingangsabschnitt.
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Die Stege sind zweckmäßigerweise an denjenigen Wänden des Eingangsabschnitts, an denen die zweiten Ausgangsabschnitt nicht einmünden, in die ersten Ausgangsabschnitte hinein verlängert, um auch deren Eindeutigkeitsbereich zu vergrößern.
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Ein mit derartigen Stegen versehener Hohlleiter hat eine tiefere Grenzfrequenz als ein Hohlleiter ohne Stege mit entsprechenden Abmessungen. Deshalb ist der Eindeutigkeitsbereich des Hohlleiters mit Stegen grösser.
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Wenn der Eingangsabschnitt keine Stege aufweist, die ersten Ausgangsabschnitte aber aufgrund der großen Bandbreite mit Stegen ausgeführt sind, ist es zweckmäßig, am Übergang zwischen dem Eingangsabschnitt und den ersten Ausgangsabschnitten eine Stufe vorzusehen, wobei sich die Stege von der Stufe aus nur über einen Teil der Länge des Eingangsabschnitts erstrecken. Die Querschnitte können dann zweckmäßigerweise so bemessen sein, dass die Grenzfrequenzen von sich entsprechenden Wellentypen des steglosen Teils des Eingangsabschnitts und der ersten Ausgangsabschnitte gleich sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
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Figuren
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Die 1 bis 3 zeigen jeweils perspektivische Ansichten von verschiedenen Ausgestaltungen von Polarisationsweichen. Die 2 und 3 stellen hierbei Ausgestaltungen gemäß der Erfindung dar.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine erste, nicht von der Erfindung umfasste Ausgestaltung einer Polarisationsweiche 1. Die Polarisationsweiche hat einen quaderförmigen Körper mit einem Eingangsabschnitt 2 mit quadratischem Querschnitt, in dem die Wellentypen H10 und H01 ausbreitungsfähig sind, und zwei daran anschliessenden ersten Ausgangsabschnitten 3, 3', die durch eine Trennwand oder ein Septum 4 getrennt sind, das aus dem gleichen leitfähigen Material wie die Wände der Polarisationsweiche bestehen kann. In den ersten Ausgangsabschnitten 3, 3' ist jeweils nur der Wellentyp H10 ausbreitungsfähig. Die Querschnitte der zwei ersten Ausgangsabschnitte sind identisch, so dass die Energie einer in den Eingangsabschnitt 2 eintretenden H10-Welle zu gleichen Teilen auf diese zwei Ausgangsabschnitte 3, 3' aufgeteilt wird. Der H01-Wellentyp hingegen wird am Septum 4 reflektiert.
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Um Reflexionen bei der Auskopplung des H10-Wellentyps an die ersten Ausgangsabschnitte 3, 3' möglichst gering zu halten, ist das Septum 4 mit einem Vorderabschnitt 5 versehen, der sich spitz zulaufend in den Eingangsabschnitt 2 hinein erstreckt. Zweite Ausgangsabschnitte 6 in Form von Koaxialleitern sind an den durch das Septum verbundenen Wänden der Polarisationsweiche angeordnet und erstrecken sich symmetrisch senkrecht zur Längsrichtung der Polarisationsweiche, das heißt zur x-Richtung des in der Figur dargestellten Koordinatensystems. Der Bereich des Septums, der mit den Seitenwänden kontaktiert ist, bewirkt für den H01-Wellentyp einen Kurzschluss. Das auftretende elektrische Feldstärkemaximum, das von den Koaxialleitern 6 angekoppelt wird, liegt im Bereich der Septumspitze 19. Durch geeignete Formgebung der Spitze kann die Ankoppelfunktion für den breiten Frequenzbereich optimiert werden.
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Die Koaxialleiter 6 koppeln kapazitiv an den Eingangsabschnitt 2 mit Hilfe von ins Innere des Eingangsabschnitts 2 vorstehenden Enden ihrer Innenleiter 7. Diese Enden erreichen nicht den Vorderabschnitt 5 des Septums. Um ihre Auskopplung zu verbessern, ist an den freistehenden Enden der Innenleiter 7 jeweils eine Perle oder Verdickung 8 aus einem leitfähigen Material vorgesehen. Die genaue Form der Perle 8 ist in Verbindung mit der Septumkontur für die breitbandige Auskopplung entscheidend, sie kann zum Beispiel sphärisch, flachzylindrisch oder scheibenförmig sein, und ihr Durchmesser ist typischerweise wesentlich grösser als der des Innenleiters, aber kleiner als der des gesamten Koaxialleiters.
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Gegenüber der zum Beispiel aus
GB 2 175 145 A bekannten Lösung mit ausschließlich verzweigenden Hohlleitertoren hat diese Lösung den Vorteil, dass die Koaxialtore der zweiten Ausgangsabschnitte
6 nur unwesentliche Rückwirkungen auf die Auslegung der axialen Hohlleiterverzweigung der ersten Ausgangsabschnitte
3,
3' haben.
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Aufgrund der Symmetrie der vorgeschlagenen Anordnung kann die Polarisationsweiche auch noch oberhalb der Grenzfrequenz der H20/H02-Wellentypen des Eingangsabschnitts beziehungsweise eines daran angeschlossenen Hohlleiters verwendet werden. Voraussetzung hierfür ist, dass in den ersten Ausgangsabschnitten keine höheren Wellentypen ausbreitungsfähig sind, an die der orthogonale Wellentyp H01 des Eingangsabschnitts ankoppeln kann.
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In 2 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Polarisationsweiche dargestellt, bei der der Eingangsabschnitt 2 an allen vier Wänden mittig angeordnete, in Längsrichtung orientierte Stege 10, 11, 12, 13 aufweist. Die Stege 10, 11, die sich von der unteren beziehungsweise oberen Wand ins Innere der Polarisationsweiche erstrecken, setzen sich über den Eingangsabschnitt 2 hinaus in die durch das Septum 4 definierten ersten Ausgangsabschnitte 3, 3' fort. Diese Stege bewirken daher sowohl im Eingangsabschnitt 2 als auch in den ersten Ausgangsabschnitten eine Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereichs. Die Stege 12, 13, die sich an den seitlichen Wänden der Polarisationsweiche in der Ebene des Septums 4 erstrecken, enden jeweils im Bereich der Einmündungen der Koaxialleiter 6, 6'. Die Kontur des Vorderabschnitts 5 des Septums 4 und die Stege 12, 13 ermöglichen auch hier eine Ankopplung der Koaxialleiter 6, 6' über einen sehr breiten Frequenzbereich, wobei in diesem Beispiel eine galvanische Auskopplung dargestellt ist, das heißt die Innenleiter 7 der Koaxialleiter sind leitend mit dem Vorderabschnitt 5 des Septums 4 verbunden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Eingangsabschnitt 2 zunächst quadratisch und ohne Stege ausgeführt ist, wobei sich Stege 14, 15 lediglich an den oberen und unteren Enden des Eingangsabschnitts etwa in Höhe des Vorderabschnitts 5 des Septums beziehungsweise der Einmündungen der Koaxialleiter 6, 6' in den Eingangsabschnitt erstrecken.
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Zu den Stegen 14, 15 parallele Stege 16, 17 sind an jeweils einer Außenwand der sich in Fortsetzung des Eingangsabschnitts erstreckenden ersten Ausgangsabschnitte 3, 3' ausgebildet. Da bei gleicher Grenzfrequenz Steghohlleiter geringere Querschnittsabmessungen aufweisen als ungestörte Rechteckhohlleiter, können die ersten Ausgangsabschnitte 3, 3' beim Ausführungsbeispiel der 3 mit einem kleineren Querschnitt ausgebildet werden als bei der 1, die die Stege nicht aufweist. Die ersten Ausgangsabschnitte 3, 3' und der Eingangsabschnitt 2 treffen an einer Stufe 18 aufeinander, die in Höhe der Basis 20 des Vorderabschnitts 5 des Septums liegt, das heißt dort, wo die Seitenkanten des Vorderabschnitts die Wände erreichen. Die sich von der Schulter 18 aus in den Eingangsabschnitt 2 hinein erstreckenden Stegabschnitte 14, 15 dienen einer allmählichen, möglichst reflexionsarmen Ankopplung des H10-Wellentyps des Eingangsabschnitts 2 an die ersten Ausgangsabschnitte.
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Alternativ können auch mehrere Schultern im Übergangsbereich zwischen Eingangsabschnitt und ersten Ausgangsabschnitten vorgesehen sein, und sie können sich auch über den Anschlussbereich der Koaxialleiter 6, 6' hinaus in Richtung eines an den Eingangsabschnitt 2 angeschlossenen Quadrathohlleiters erstrecken.
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Der Verlauf des Vorderabschnitts des Septums kann sowohl kontinuierlich, wie in den 1 bis 3 gezeigt, als auch gestuft sein. Es ist ferner möglich, dass das Septum auf seiner Unter- und Oberseite einen Steg aufweist, so dass zum Beispiel bei den 2 und 3 die ersten Ausgangsabschnitte jeweils an beiden Breitseiten einen Steg aufweisen würden. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, den Steg im Bereich des Vorderabschnitts ebenfalls mit in Richtung der Spitze 19 des Vorderabschnitts abnehmenden Abmessungen, zum Beispiel mit kontinuierlich abnehmender Höhe oder gestuft, auszubilden, um eine möglichst reflexionsarme Verzweigung zu erreichen.
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Die ersten und zweiten Ausgangsabschnitte können nun sehr einfach durch geeignete Mittel in der Weise verschaltet werden, dass die Signalanteile jeder Polarisation kombiniert und an einer zugeordneten Schnittstelle abgegriffen oder, bei Verwendung der Polarisationsweiche als Kombinierer eingespeist werden können.
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Für die sich in axialer Richtung der Polarisationsweiche erstreckenden ersten Ausgangsabschnitte kann dies einfach durch Verwendung einer E-Ebenen-Verzweigung oder durch ein gefaltetes magisches T am Ende des Septums erfolgen. Vorteilhaft ist es, wenn dazu im Bereich des Septums die Schmalseiten der ersten Ausgangsabschnitte reduziert werden, um einen eindeutigen Querschnitt im Bereich der Verzweigung beziehungsweise des magischen T zu erreichen und so eine Beeinträchtigung durch höhere Wellentypen auszuschließen.
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Die Koaxialleiter können über koaxiale Koppelmittel zusammengefasst werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Koaxialleiter mit geeigneten Hohlleiterübergängen zu verbinden, so dass die Signale über eine E-Ebenen-Verzweigung oder ein magisches T kombiniert werden können. Im Gegensatz zu einer ausschließlichen Lösung in Hohlleitertechnik gemäß dem Stand der Technik werden hier sehr lange Hohlleitertransformatoren zur Reduktion des Querschnitts vermieden, da bei den Koaxialleiterübergängen ein entsprechend reduzierter Querschnitt für die Verzweigung berücksichtigt werden kann. Damit ergibt sich für eine Polarisationsweichenanordnung ein sehr kompakter Aufbau.
