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Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Drehkupplung für Rechteckhohlleiter gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
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Für die Übertragung von Energie oder Signalen ist es möglich hochfrequente Strahlung zu verwenden, insbesondere Mikrowellen.
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Mikrowellen-Drehkupplungen werden benötigt, um die in Hohlleitern geführten Mikrowellen zwischen relativ zueinander drehbaren/schwenkbaren Hochfrequenz-Geräten, z. B. zwischen Antenne und Sender oder Empfänger, weiterzuleiten. Typische Anforderungen an derartige Kupplungen, die für terrestrische Anwendungen gestellt werden, sind zwei Ein- bzw. Ausgangstore, die den Betrieb mit einer oder zwei entkoppelten linear polarisierten Wellen ermöglichen. Ferner ist ein breitbandiges Übertragungsverhalten und die Möglichkeit der Übertragung hoher elektrischer Leistung wünschenswert, wobei geringe elektrische Verluste gefordert sind, damit im Sendefall eine geringe lokale Wärmeentwicklung gewährleistet werden kann und im Empfangsfall ein gutes Signal/Rauschverhältnis erhalten bleibt. Darüber hinaus ist es wichtig, im kombinierten Sende-/Empfangsbetrieb möglichst geringe (keine) Störsignale, z. B. durch passive Intermodulation, zu erzeugen.
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Für HF-Antennen auf Satelliten oder Raumstationen, die um mindestens eine Achse drehbar sind, müssen zudem folgende Anforderungen erfüllt werden:
- • raumsparende Bauweise,
- • geringes Gewicht,
- • Ausführen unbegrenzter Drehwinkel.
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Die
US 4 757 281 A1 offenbart eine Mikrowellen-Drehkupplung, die zwei axiale Rundhohlleiterkomponenten aufweist, die relativ zueinander drehbar gelagert sind. An je eine Rundhohlleiterkomponente schließen Rechteckhohlleiter an, die orthogonal zum Rundhohlleiter und orthogonal zueinander liegen. Diese Mikrowellen-Drehkupplung erfüllt im Wesentlichen alle Anforderungen für terrestrische Anwendungen, ist aber für Raumfahrtanwendungen in den meisten Fällen ungeeignet, da die Anforderungen für Satelliten nicht oder nicht hinreichend erfüllt sind. Die in obiger Druckschrift offenbarte Drehkupplung hat den Nachteil, dass durch die notwendige Orthogonalität der Hohlleiter das Bauvolumen und damit die Masse sowohl der Drehkupplung selbst, als auch die Masse des dazu passenden Schwenkmechanismus sehr groß ist, so dass ein Einsatz auf Satelliten in den meisten Fällen nicht realisiert werden kann.
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Das Problem wird in Anbetracht eines zweiachsigen Schwenkmechanismus, um beispielsweise die Antenne in Elevation und Azimuth nachzuführen, noch deutlicher. In diesem Fall kann die resultierende Baugröße und Masse des Gesamtschwenkmechanismus besonders für kleine bis mittelgroße Antennen ein Ausschlusskriterium sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine drehbare Verbindung mit großem, vorzugsweisen unbegrenztem Drehwinkel, zwischen zwei Rechteckhohlleitern anzugeben, durch die eine hochfrequente Welle mit sehr geringen Verlusten und entsprechend geringer Wärmeentwicklung bzw. Rauschzahl breitbandig übertragen werden kann, dabei einen geringen Bauraum beansprucht und sehr geringes Gewicht aufweist.
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Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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In bekannter Weise umfasst die Drehkupplung für Rechteckhohlleiter eine Eingangs- und eine Ausgangskomponente. Jede Komponente weist einen Rundhohlleiter auf, wobei beide Komponenten derart miteinander verbunden sind, dass die Rundhohlleiter der beiden Komponenten koaxial liegen und um die gemeinsame Achse drehbar zueinander gelagert sind. Die beiden Rundhohlleiter bilden an den zueinander liegenden Stirnseiten einen Kupplungsübergang. Zudem ist an jeder Komponente entfernt vom Kupplungsübergang ein Quadratanschlussstück für einen bzw. zwei Rechteckhohlleiter vorgesehen.
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Erfindungsgemäß schließt das Anschlussstück für die Rechteckhohlleiter über einen entsprechend optimierten Übergang axial an den Rundhohlleiter an. Dies ermöglicht den Anschluss von mindestens einem Rechteckhohlleiter parallel zur Achse der Rundhohlleiter. Zwischen dem Rechteckhohlleiter und dem Rundhohlleiter bzw. im Rundhohlleiter jeder Komponente ist ferner ein Polarisator vorgesehen, der eine linear polarisierte Welle, die über einen Rechteckhohlleiter in die Drehkupplung eintritt, in eine zirkular polarisierte Welle, beziehungsweise eine durch den Rundhohlleiter laufende zirkular polarisierte Welle in eine linear polarisierte Welle wandelt, die entsprechend aus dem Rechteckanschlussstück der Ausgangskomponente austritt. An jedes Anschlussstück, das insbesondere einen quadratischen Querschnitt aufweist, sind zwei Rechteckhohlleiter anschließbar.
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Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie eine deutlich bauraum- und gewichtssparendere Ausgestaltung der Drehkupplung zulässt. Die Drehkupplung kann für beide Ausbreitungsrichtungen der Welle in ein System eingebaut werden. Durch die koaxiale Anordnung der Hohlleiter kann eine äußerst kompakte Bauform der Drehkupplung gewährleistet werden. Besonders der Bereich des Rundhohlleiters kann mit einem sehr kleinen Laufraum realisiert werden, was die Ausbildung von störenden Resonanzen reduziert.
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In besonders vorteilhafter Weise können die Rundhohlleiter der Eingangskomponente und der Ausgangskomponente am Kupplungsübergang durch Luft, Vakuum oder ein Dielektrikum getrennt sein. Die entsprechende ohmsche Trennung der beiden Komponenten reduziert das Risiko der Erzeugung unerwünschter Störsignale, wie passive Intermodulationsprodukte – PIM –·
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, ist die Drehkupplung zweikanalig ausgebildet. An das quadratische Anschlussstück der Drehkupplung schließen jeweils zwei parallel liegende Rechteckhohlleiter an. Die zweikanalige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zwei entkoppelte linear polarisierte Wellen übertragbar sind, und dadurch ein kombinierter Sende-Empfangsbetrieb in getrennten Leitungszügen möglich wird. Durch die parallele Lage der Rechteckhohlleiter ist der Bauraumbedarf deutlich reduziert. Zudem ist die Flexibilität bei einer Integration in unterschiedlichste Anwendungen gewahrt.
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Insbesondere ist der Polarisator als Septum-Polarisator im Besonderen als Septum-Orthogonalmodentransformator – Septum-OMT – ausgebildet und umfasst ein in seiner Form optimiertes Septum-Blech, das in einen Hohlleiter mit definiertem Querschnitt integriert ist.
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In vorteilhafter Weise, ist der Septum-Polarisator der Eingangskomponente im Anschluss an das Anschlussstück in einem Rechteckhohlleiter integriert. In dieser Ausführungsform schließt an den Quadrathohlleiter ein Übergangselement zum anschließenden Rundhohlleiter an. Das Übergangselement schließt direkt am Ende des Septum-Polarisators an den Quadrathohlleiter an. Der Aufbau der Ausgangskomponente ist analog zur Eingangskomponente ausgebildet. Für die Ausgangskomponente ist im Übergang zwischen Rundhohlleiter und Quadrathohlleiter ein Übergangselement vorgesehen. Anschließend an das Übergangselement ist im Rechteckhohleiter ein Septum-Polarisator integriert, der die zirkular polarisierten Wellen in linear polarisierte Wellen zurückwandelt. Insbesondere weist der Hohlleiter einen quadratischen Querschnitt auf.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass durch die Transformation der Wellen in einem Rechteckhohlleiter das Übertragungsverhalten breitbandiger als in einem Rundhohlleiter ist. In einer weiteren alternativen Ausführungsform schließt sich an das Anschlussstück ein Rundhohlleiter an, in welchem der Septum-Polarisator angeordnet ist. Die Anordnung des Septum-Polarisators im Rundhohlleiter kann zu einer weiteren Längenreduktion der Drehkupplung führen.
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Der Kupplungsübergang der beiden Komponenten kann so ausgebildet sein, dass an der Stirnseite der Wandung des Rundhohlleiters der Eingangskomponente mindestens eine, zur Drehachse konzentrische, ringförmige Anformung in axialer Erstreckung vorgesehen ist, die in mindestens eine korrespondierende ringförmige Nut an der Stirnseite des Rundhohlleiters der Ausgangskomponente eingreift. Auf diese Weise wird eine Verbindung erreicht, die dicht ist für Mikrowellen und die Drehungen in unbegrenzter Anzahl ermöglicht und dabei keine oder nur sehr geringe Drehmomente erzeugt. Nut und ringförmiger Anformung können durch Luft, Vakuum oder ein Dielektrikum getrennt sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zudem eine Drehkupplungsanordnung angegeben, die aus mehreren erfindungsgemäßen Drehkupplungen besteht, die hintereinander geschaltet werden. In dieser Anordnung liegen die Drehachsen vorzugsweise orthogonal zueinander. Dies ermöglicht ein, um mehrere Achsen schwenkbares Gelenk, mit breitbandigem Übertragungsverhalten bei geringen elektrische Verlusten. Darüber hinaus können hohe Leistungen übertragen werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Patentansprüchen und in den Zeichnungen werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeuten:
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1 eine Mikrowellen-Drehkupplung mit einem Septum-Polarisator im Rechteckhohlleiter;
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2 eine geschnittene Explosionsansicht einer Drehkupplung mit Septum-Polarisator im Rechteckhohleiter;
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3 eine Schnittansicht der beiden ineinandergreifenden Komponenten der Hohleiterkupplung;
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4 eine perspektivische Ansicht einer Drehkupplung mit Polarisator im Rundhohlleiter;
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5 eine geschnittene Explosionsansicht der Drehkupplung mit Polarisator im Rundhohlleiter; und
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6 zwei ineinander greifende Komponenten der Drehkupplung in Schnittansicht.
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1 zeigt eine Mikrowelle-Drehkupplung 10, die eine Eingangskomponente 12 und eine Ausgangskomponente 14 umfasst. An der Eingangskomponente 12 ist ein quadratisches Anschlussstück zum Anschluss von zwei Rechteckhohlleitern vorgesehen. Analog dazu, weist das quadratische Anschlussstück 18 der Ausgangskomponente ebenfalls zwei Kanäle auf, die durch den Anschluss zweier Rechteckhohlleiter genutzt werden können. An das quadratische Anschlussstück 16 schließt ein Septum-Polarisator 20 an. Dieser weist einen quadratischen Querschnitt auf. Im Anschluss an den Polarisator 20 ist Hohlleiterübergang 24 vorgesehen, der einen Übergang von der quadratischen Geometrie des Polarisators 20 in eine kreisförmige Geometrie des Rundhohlleiters 28 schafft. Ferner weist der Rundhohlleiter einen Rundleiterübergang 28 auf, der mit dem Rundhohlleiter 30 der Ausgangskomponente 14 in Eingriff steht. Die Rundhohlleiters 28, 30 sind relativ zueinander drehbar gelagert. An den Rundhohlleiter 30 der Ausgangskomponente 14 schließt ein Hohlleiterübergang 26 an, der die Querschnittsveränderung zum Polarisator im quadratischen Querschnitt 22 umsetzt.
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Die äußere Lagerung der Drehkupplung, welche die beiden Komponenten in ihrer axialen Ausrichtung festlegt und die Drehung der beiden Komponenten gegeneinander zulässt, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in dieser Figur nicht dargestellt.
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Eine in das Anschlussstück 16 eintretende linear polarisierte Welle wird im Polarisator 20 in eine zirkular polarisierte Welle gewandelt und über den Hohlleiterübergang 24 sowie die beiden zueinander drehbaren Rundhohlleiter 28, 30 und den Hohlleiterübergang 26 der Ausgangskomponente zum Polarisator 22 der Ausgangskomponente transportiert. Über diesen wird die zirkular polarisierte Welle wieder in eine linear polarisierte Welle zurückgewandelt und tritt als solche aus dem Anschlussstück 18 der Drehkupplung aus.
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Auf diese Weise sind bei geringem Bauraum die zwei Anschlussstücke und die entsprechend daran angeschlossenen Rechteckhohlleiter ohne Drehwinkelbeschränkung relativ zueinander drehbar gelagert.
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2 zeigt eine geschnittene Explosionsansicht der in 1 dargestellten Drehkupplung an der Schnittlinie A-A. Die Drehkupplung umfasst eine erste Komponente 12 und eine zweite Komponente 14. Die erste Komponente 12 weist ein quadratisches Anschlussstück 16, einen Septum-OMT – Orthogonalmodentransformator – im quadratischen Hohlleiterquerschnitt 20, einen Hohlleiterübergang 24 sowie einen Rundhohlleiter 28 auf. Die Ausgangskomponente 14 weist ebenfalls ein quadratisches Anschlussstück 18, einen Septum-OMT im quadratischen Hohlleiterquerschnitt 22, einen Hohlleiterübergang 26 und einen Rundhohlleiter 30 auf. Zudem ist die gemeinsame Achse der Rundhohlleiter 28 und 30 dargestellt. Dies ist gleichzeitig die Drehachse A, um die sich Ein- und Ausgangskomponente 12, 14 gegeneinander verdrehen. Besonders gut sieht man in dieser Darstellung die Hohlleiterübergänge 24, 26, die derart ausgebildet sind, dass stufenweise oder kontinuierlich, verlustarm der Übergang vom Hohlleiterquerschnitt des Septum-OMT 22 auf den Rundhohlleiter 28 gewährleistet wird. Zudem ist das Septum-Blech 32 des Septum-OMT dargestellt. Dieses Septum-Blech 32, das zuerst die beiden Rechteckhohlleiter trennt, wandelt im Verlauf die linear polarisierten Wellen der Eingangshohlleiter in gegenläufig zirkular polarisierte Wellen im Kupplungsübergang. Die Septum-OMTs 20, 22, ermöglichen die Wandlung zweier parallel laufender linear polarisierte Wellen in gegenläufig zirkular polarisierte Wellen, und damit die im Wesentlichen axiale Ausgestaltung der Drehkupplung 10.
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Sowohl die Eingangskomponente 12 als auch die Ausgangskomponente 14 sind jeweils symmetrisch zur Trennfläche, die die beiden Rechteckhohlleiter trennt.
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Trotz einer hier festgelegten Definition von Eingangskomponente 12 und Ausgangskomponente 14 ist die Drehkupplung 10 ohne Unterschiede in beiden Richtungen zu betreiben.
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3 zeigt eine Drehkupplung 10 in perspektivischer Schnittansicht, wobei die Eingangskomponente 12 und Ausgangskomponente 14 in Eingriff stehen. Zwischen Eingangsrundhohlleiter 28 und Ausgangsrundhohlleiter 30 ist ein Spalt vorgesehen, welcher die beiden Rundhohlleiter 28, 30 sowohl mechanisch als auch elektrisch trennt. An den Rundhohlleiter 28 schließt eine sich axial erstreckende konzentrische Anformung 36 an. Diese greift in eine entsprechende ringförmige Nut 38 des Rundhohlleiters 30 ein. Ein Spalt trennt die beiden Rundhohlleiter 30 und 28 sowohl elektrisch als auch mechanisch im Übergang entlang der Nut 38. Auf diese Weise ist ein elektrisch optimierter sogenannte „choke” realisiert. Dieser ermöglicht störungsfreie Übertragung trotz der gegeneinander drehbaren Kupplungskomponenten 12, 14.
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Entsprechend dieser Ausführungsform kann eine Komponente fest an einem Fahrzeug bzw. Satelliten integriert werden und die anderen Komponente frei mit einer Antenne verbunden werden, die dann relativ zur feststehenden Komponente drehbar gelagert ist.
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4 zeigt eine Mikrowellen-Drehkupplung 40 die zwei Komponenten 42 und 44 umfasst in perspektivischer Ansicht. Die Mikrowellen-Drehkupplung weist ein quadratisches Anschlussstück 46 auf, das fest mit einem Polarisator im runden Hohlleiterquerschnitt 52 verbunden ist. Der Polarisator 52 wiederum geht direkt in einen Rundhohlleiter 54 über. Der Rundhohlleiter 54 ist koaxial drehbar zum Rundhohlleiter 56 gelagert. An den Rundhohlleiter 56 schließt wiederum ein Polarisator im runden Hohlleiterquerschnitt 50 an, der in einen quadratischen Anschlussstück 48 endet. Diese Ausführungsform ist besonders kompakt. Die weitere Funktionsweise entspricht im Wesentlichen der in 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform.
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5 zeigt eine geschnittene Explosionsansicht der beiden Komponenten 42, 44. Die Ansicht entspricht der Schnittlinie B-B der 4. Diese Schnittlinie teilt jede Komponente 42, 44 in ihrer Symmetrieebene. Die an das quadratische Anschlussstück 46 anschließenden Hohleiter bleiben bis zum Beginn der Stufen des Septumbleches 58 getrennt und werden über die Länge des Transformators in zirkular polarisierte Wellen gewandelt. Die zirkular polarisierten Wellen werden über die Rundhohlleiter 54, 56 übertragen und im Septrum-OMT 52 wieder in linear polarisierte Wellen zurückgewandelt. Die übertragenen Wellen treten aus dem Anschlussstück 48 als linear polarisierte Wellen aus.
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6 zeigt eine Drehkupplung 40 deren beiden Komponenten 42, 44 im Eingriff stehen. An dem Rundhohlleiter 54 schließt eine sich axial erstreckende konzentrische Anformung 62 an. Diese greift in eine entsprechende ringförmige Nut 64 des Rundhohlleiter 56 ein. Ein Spalt trennt die beiden Rundhohlleiter 56 und 54 sowohl elektrisch als auch mechanisch im Übergang.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Mikrowellendrehkupplung
- 12
- Eingangskomponente
- 14
- Ausgangskomponente
- 16
- quadratisches Anschlussstück
- 18
- quadratisches Anschlussstück
- 20
- Polarisator im quadratischen Querschnitt
- 22
- Polarisator im quadratischen Querschnitt
- 24
- Hohlleiterübergang
- 26
- Hohlleiterübergang
- 28
- Rundhohlleiter
- 30
- Rundhohlleiter
- 32
- Septumblech
- 34
- Septumblech
- 36
- Anformung
- 38
- Nut
- 40
- Mikrowellendrehkupplung
- 42
- Eingangskomponente
- 44
- Ausgangskomponente
- 46
- Quadratisches Anschlussstück
- 48
- Quadratisches Anschlussstück
- 50
- Septum OMT im runden Querschnitt
- 52
- Septum OMT im runden Querschnitt
- 54
- Rundhohlleiter
- 56
- Rundhohlleiter
- 58
- Septumblech
- 60
- Septumblech
- 62
- Anformung
- 64
- Nut
- A
- Drehachse
- A-A
- Schnittlinie
- B-B
- Schnittlinie
- C-C
- Schnittlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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