DE2307452A1 - Vielwellige breitbandweiche - Google Patents

Description

• Vielwellige Breitbandweiche Unter dem Titel "Band-splitting filter" wird von Marcatili und Bisbee im Bell System Technical Journal, Vol. 40 (1961), 197 - 212, eine Weiche nach dem Prinzip des Michelson-Interferometers vorgeschlagen, mit der breite Frequenzbänder im Millimeter-Wellen-Gebiet voneinander getrennt werden können.
• Diese Weiche ist in der Fig. 1 der Zeichnung im Schema wiedergegeben und arbeitet mit quasioptischen Rundhohlleiterbauelementen, die die H010-Welle führen. Sie besteht aus zwei Richtkopplern A und B, die je vier Anschlussklemmen 1 bis 4 besitzen und über zwei Seitenarme I und II miteinander verbunden sind. In diesen Seitenarmen sind je ein Hochpass HP und ein Umlenkspiegel Sp zwischengeschaltet. Ein ankommendes Hochfrequenzsignal, das an der Klemme 1 des Richtkopplers A anliegt, wird zu gleichen Teilen auf die Klemmen 2 und 3 aufgeteilt. Signale, deren Frequenzen fu unterhalb der Grenzfrequenz der zwischengeschalteten Hochpässe liegen, werden reflektiert und addieren sich phasenrichtig an Klemme 4 und können an dieser Klemme abgenommen werden.
• Signale der Frequenzen fo oberhalb der Grenzfrequenz der zugeschalteten Hochpässe gelangen zum zweiten Richtkoppler B und erscheinen an dessen Klemme 3, wenn der Phasengang der Seitenarme I und II gleich ist. Innerhalb dieser Leitungsführung werden die Signale an je einem Umlenkspiegel in jeden Seitenarm umgelenkt. Eine Bandweiche dieser Art arbeitet zufriedenstellend, wenn Unterband und Oberband zusammen einen Frequenzbereich von ungefähr einer Oktave nicht wesentlich überschreiten.
• Diese vorbekannte Weiche in Rundhohlleiterbauweise hat folgende Nachteile: 1. Wegen der für geringe H02°-Störwellenanregung bemessenen sehr langen Hohlleiterübergänge wird die Baulänge der Gesamtweiche sehr gross.
• 2. Die Dämpfung durch die Störwellenanregung in den halbdurchlässigen Spiegeln der Richtkoppler wird recht gross.
• Dies erklärt sich dadurch, dass die HOl°-Welle als aus Wellenteilen bestehend betrachtet werden kann, die teilweise parallel und teilweise senkrecht zur Einfalls ebene am halbdurchlässigen Spiegel polarisiert sind. Nach optischen Gesetzen werden diese beiden Polarisationen verschieden stark reflektiert bzw. durch den Spiegel hindurchgelassen. Nach erfolgter Berechnung können diese somit nicht mehr zu einer vollständigen H01°-Welle rekombinieren.
• 3. Zur Erzielung einer grossen Bandbreite muss die Dielektrizitätskonstante mindestens eines der halbdurchlässigen Spiegel um £ r =7 liegen. In diesem Bereich ist aber die Beschaffung hinreichend verlustfreier und mechanisch stabiler Materialien schwierig.
• 4. Im Verlaufe des Filternetzwerks sind meist sehr viele Ubergänge auf Rechteckhohlleiterquerschnitt notwendig.
• Diese Wellentypwandler von der im Rundhohlleiter geführt 0 ten HOl-Welle - im folgenden kurz H01 -Welle bezeichnet -auf die HtO-Welle im Rechteckhohlleiter - im folgenden kurz H10° -Welle bezeichnet - vergrössern zusätzlich die Baulänge des Filternetzwerkes.
• Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Weichenanordnung aufzuzeigen, welche mit wesentlich verkürzter Baulänge und verbesserten elektrischen Eigenschaften herstellbar ist.
• Gelöst wird dies durch die im Hauptanspruch angegebene Weise.
• Die Unteransprüche 2 bis 6 beschreiben eine zweckmässige Ausgestaltung der Richtkoppler in der Weiche.
• Die Unteransprüche 7 bis 9 beinhalten eine zweckmässige Ausgestaltung der im Zuge der Weiche angeordneten Umlenkspiegel Sp.
• Die Unteransprüche 10 und 11 betreffen in die Seitenarme oder in die Weichenzugänge zu schaltende Störwellenfilter.
• Eine Weiterführung der Erfindung gemäss den Unteransprüchen 12 und 13 trifft schliesslich eine besonders günstige Ausbildung der im Zuge der Weiche angeordneten, als Hochpässe dimensionierten Weichenfilter.
• Anhand der Figuren 2 bis 4 soll im folgenden die Erfindung näher erläutert werden.
• Die erfindungsgemäss ausgeführte Weichenanordnung ist durch Verwendung von vielwelligen Hohlleitern gekennzeichnet, die einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt haben und die die H10°-Welle führen.
• Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, sollen im folgenden die Hohlleiterseitenwände, die parallel zur Richtung des elektrischen Feldes der H, O-Welle verlaufen, als E-parallele 10 Seiten bezeichnet werden und die dazu senkrechten Seitenwände als H-parallele Seiten. Desgleichen werden Hohlleiterecken, bei denen die Ebene der elektrischen Feldlinien der H1OO-Welle ungeknickt bleibt, als E-Ecken und diejenigen, bei 10 denen die Ebene der magnetischen Feldlinien ungeknickt bleibt, als H-Ecken bezeichnet.
• Die Abmessungen der Hohlleiter, aus denen die Weiche aufgebaut wird, sollten möglichst gross sein, um die Verluste gering zu halten. Andererseits steigt mit den Abmessungen die Zahl der ausbreitungsfähigen Störwellen. Im Interesse einer guten Wellentypbeherrschung kann es deshalb sinnvoll sein, die Abmessungen nur einer Art von Seitenwänden gross gegen die Wellenlänge der geführten Schwingung zu machen. Als Ausführungsbeispiel können die H-parallelen Seiten z.B. ungefähr gleich dem halben Durchmesser des Rundhohlleiters gewählt werden, über den die breitbandige Weitverkehrsübertragung erfolgt. Dies entspricht z.B. bei einem Rundhohlleiterdurchmesser von 70 mm einem Rechteckhohlleiter R 70 für die Weiche.
• Trotz vergleichbarer Vielwelligkeit der Hohlieiter bringt diese Bemessung den Vorteil, dass die Gesamtanordnung erheblich kleiner wird. Verglichen mit einer Ausführung in Rundhohlleiterbauweise ist bei dieser Grössenbemessung die mittlere Beugungsdämpfung an H-Ecken etwas kleiner als bei Rundhohlleiterecken. Für geringe Beugungsdämpfung sollte der Rechteckhohlleiterzug mit H-Ecken ausgeführt werden, jedoch ist auch eine Ausführung mit E-Ecken möglich.
• Der bereits eingangs erwähnte Wellentypwandler von H01° auf 1110 ist nur einmal im gesamten Filternetzwerk notwendig, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeutet. Da dieser Wellentypwandler vor die erste Weiche geschaltet wird, kann er direkt in die Hohlleiterübertragungsstrecke eingefügt werden, ohne die Baulänge des Filternetzwerkes zu vergrössern.
• Es ist bekannt, dass beim Aufbau des Richtkopplers mit H-Ecken für genaue 3dB-Leistungsteilung die Dielektrizitätszahl halbdurchlässiger Spiegel bei c, r = 3,41 liegen muss.
• Zur Erzielung einer grossen Bandbreite der gesamten Weiche sollte jedoch das wirksame Produkt von Dielektrizitätszahl cr und Permeabilitätszahl tor, çr mindestens eines der halbdurchlässigen Spiegel in den Richtkopplern beim Aufbau der Weiche mit H-Ecken um µr.cr = 3,8 und beim Aufbau mit E-Ecken um .cr = 12,9 liegen. Je nach der geforderten Bandbreite oder dem zulässigen Reflexionsfaktor, der für die angegebenen Werte ca. -20dB beträgt, sind grössere oder kleinere Abweichungen von diesen Werten möglich. Beim Aufbau der Weiche mit H-Ecken können deshalb für die halbdurchlässigen Spiegel sehr vorteilhaft Scheiben aus dem sehr verlustarmen und mechanisch stabilen amorphen Quarz eingesetzt werden.
• Es ist bekanat, dass sich bei der Weiche in Rundhohlleiterbauweise die Bandbreite etwas erhöhen lässt, wenn im Gegensatz zu Marcatili's Vorschlag die beiden Richtkoppler nicht identisch ausgeführt werden, sondern wenn für den halbdurchlässigen Spiegel in dem hinter den Hochpassfiltern angeordneten Richtkoppler ein Dielektrikum verwendet wird mit c im Bereich um Cr = 9 ... 10.
• Neu ist jedoch, dass auch in der hier vorgeschlagenen Rechteckhohlleiterbauweise ein solcher Effekt möglich ist, wenn für den halbdurchlässigen Spiegel in dem hinter den Hochpassfiltern angeordneten Richtkoppler ein Material verwendet wird, bei dem das Produkt Brcr beim Aufbau mit H-Ecken um Br.tr = 4,8 und beim Aufbau mit E-Ecken um r.cr = 15 ... 16,5 liegt.
• Die Einfügung der halbdurchlässigen Spiegel in die Richtkoppler sollte so erfolgen, dass von ihnen der Stromfluss zumindest in den H-parallelen Seiten nicht unterbrochen wird. In diesen Seiten fliessen die hauptsächlichen Wandströme; werden sie nicht unterbrochen, so werden die Verluste entscheidend verringert. Die Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel eines solchen Richtkopplers mit H-Ecken. Er wird aus zwei Rechteckhohlleitern 111 und H2 gebildet, die sich überkreuzen. In der treuzungsebene ist eine geeignet dimensionierte metallische Zwischenscheibe S angeflanscht, deren Aussparung mit einem Dielektrikum D versehen ist.
• Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht darin, dass die Dämpfung durch Störwellenanregung in den halbdurchlässigen Spiegeln sehr stark zurückgeht, da die H10°-Welle z.B. bei H-Ecken vor und nach der Reflexion nur aus Wellenteilen besteht, die senkrecht zur Einfalls ebene verlaufen. Bei E-Ecken ist entsprechend nur die parallele Polarisation zu berücksichtigen.
• Besonders vorteilhaft ist es, die H-parallelen Seiten der Hohlleiterübergänge und Hochpassfilter symmetrisch zu verkleinern, weil dadurch eine erhebliche Verkürzung der Gesamtbaulänge möglich ist. In diesem Fall werden keine H20° -Wellen angeregt, sondern nur in entsprechend schwächerem Masse 11 30 Wellen.
• Lässt man im Verlauf der Hohlleiterübergänge und Hochpassfilter die E-parallelen Seiten gross gegen das überlicherweise verwendete Viertel der Grenzwellenlänge im Hochpassquerschnitt oder belässt man sie einfach auf der ursprünglichen Grösse, so ergibt sich eine erhebliche Dämpfungsverminderung gegenüber dem Fall, dass man auch diese Seiten soweit verjüngt, bis der Hochpassquerschnitt einwellig ist. In der Fig. 3 ist diese Ausgestaltung schematisch dargestellt. Der ursprüngliche Rechteckquerschnitt habe hierbei die H-parallele Breitseite a und die Schmalseite b. Dieser Querschnitt wird in sich bekannter Weise mittels eines Hohlleiterüberganges HÜ entsprechend verjüngt. Die Ausgangsseiten des dabei entstehenden Hochpassfilters HP bilden dabei einen Querschnitt, bei dem die eingangsseitige Hohlleiterbreitseite b der Hohlleiterschmalseite a' des Ausgangshohlleiters entspricht.
• Die erwähnten Hochpassfilter HP sind für verschiedene Störwellen durchlässig geworden, welche eine elektrische Feldkomponente parallel zur Seite a bzw. a' aufweisen. Diese Störwellen können nun gemäss einer Weiterbildung der Erfindung in den Ecken sehr leicht und dadurch unterdrückt werden, dass als Spiegel Sp eine teildurchlässige Anordnung Verwendung findet, welche die störenden Wellentypen ungehindert hindurchgehen lässt oder diese stark dämpft.
• Dies kann beispielsweise so verwirklicht werden, dass der Spiegel als Polarisationsgitter aus Metalldrähten oder -streifen hergestellt wird, die parallel zu den elektrischen Feldlinien der 1110 -Welle verlaufen. In der Fig. 4 ist dies schematisch angedeutet. Der Aufbau eines solchen Gitters kann dabei auch so erfolgen, dass es aus einer Metallschicht herausgeätzt wird, die auf einer dünnen dielektrischen Unterlage vorzugsweise niedriger Dielektrizitätskonstante aufgebracht ist.
• Ferner ist es möglich, den Spiegel mit dünnen Dämpfungsstreifen senkrecht zu den elektrischen Feldlinien der Hlo -Welle zu versehen. Es ist natürlich auch möglich, bei Ausbildung des teildurchlässigen Spiegels Sp mit Metallgittern in einer Entfernung von einigen Wellenlängen vom Gitter ausserhalb der Weiche geeignete Dämpfungsplatten anzubringen, um die durch das Polarisationsgitter hindurchgetretenen störenden Wellentypen so zu bedämpfen, dass eine störende Reflexion unterbleibt.
• Ebenfalls als Wellentypfilter wirken Gitter aus Metall oder Dämpfungsstreifen, die im Zuge des Hohlleiters, vorzugsweise vor den Hohlleiterübergängen, angeordnet werden. Ein Metallgitter muss hierbei senkrecht zu den elektrischen Feldlinien der 1110 -Welle verlaufen. Beim vorbekannten Gitter aus Dämpfungsstreifen senkrecht zu den elektrischen Feldlinien der H1O-Welle werden die Störwellen absorbiert; beim Metallgitter werden sie reflektiert und können z.B. nochmals über die Umlenkspiegel mit Gitter geführt werden. Dadurch ist eine mehrfache Störwellenunterdrückung möglich.
• Durch die beschriebene erfindungsgemässe Ausbildung der Weichenanordnung wird es somit möglich, diese bei verbesserten elektrischen Eigenschaften mit wesentlich verkleinertem Bauvolumen herzustellen.

Claims (13)

Patentansprüche

1. Im Zuge einer Breitbandübertragung über Rundhohlleiter eingefügte vielnellige Breitbandweiche mit mindestens einem Hochfrequenzeingang und mindestens einem Hochfrequenzausgang, wobei Eingang und Ausgang über je einen vierarmigen, symmetrischen Signal spannung verzweigenden Richtkoppler so miteinander verbunden sind, dass zwischen den Richtkopplern zwei mechanisch gleich lange, mit je einem Umlenkspiegel versehene Seitenarme angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Weichen aus vielwelligen Hohlleitern mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt aufgebaut sind und dass der ersten Weiche ein Wellentypwandler von H01 -Welle auf die H1o-Welle vorgeschaltet ist.

2. Weiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wirksame Produkt aus Dielektrizitätszahl c und Permeabilitätszahl zur mindestens eines der halbdurchlässigen Spiegel in den Richtkopplern beim Aufbau der Weiche mit H-Ecken UM Cr 1Lr = 3,8 liegt.

3. Weiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wirksame Produkt aus Dielektrizitätszahl cr und Permeabilitätszahl r mindestens eines der halbdurchlässigen Spiegel in den Richtkopplern beim Aufbau der Weiche mit E-Ecken um Cr .>r = 12,9 liegt.

4. Weiche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wirksame Produkt aus Dielektrizitätszahl t und Permeabilitätszahl r beim zweiten halbdurchlässigen Spiegel um c .Ir = 4,8 liegt.

5.Weiche nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wirksame Produkt aus Dielektrizitätszahl t und Permeabilitätszahl r beim zweiten halbdurchlässigen Spiegel um cr-Br = 15 ... 16,5 liegt.

6. Weiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einfügung der halbdurchlässigen Spiegel in die Richtkoppler von ihnen der Stromfluss zumindest in den H-parallelen Seiten nicht unterbrochen wird.

7. Weiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Umlenkspiegel als teildurchlässiger Spiegel derart ausgebildet ist, dass störende Wellentypen, die eine elektrische Feldkomponente senkrecht zum elektrischen Feld der H =-Welle besitzen, 10 teilweise hindruchgelassen und/oder gedämpft werden.

8. Weiche nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel als Polarisationsgitter ausgebildet ist mit parallel zu den elektrischen Feldlinien der 1110 -Welle verlaufenden Metalldrähten oder -streifen.

9. Weiche nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel mit Dämpfungsstreifen senkrecht zu den elektrischen Feldlinien der 10° - Welle versehen ist.

10. Weiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Seitenarmen und/oder in den Weichenzugängen mindestens ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass störende Wellentypen, die eine elektrische Feldkomponente senkrecht zum elektrischen Feldder H10°-Welle besitzen, teilweise reflektiert werden.

11. Weiche nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel als Polarisationsgitter ausgebildet ist mit senkrecht zu den elektrischen Feldlinien der H10°-Welle verlaufenden Metalldrähten oder -streifen.

12. Weiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Seitenarmen angeordnete Hohlleiterübergänge und Hochpässe derart verwirklicht werden, dass dabei die E-parallelen Hohlleiterseiten gross gegen ein Viertel der Grenzwellenlänge des Hochpassquerschnittes sind.

13. Weiche nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verjüngung zum Hochpassquerschnitt die E-parallelen Hohlleiterseiten in ihrer Grösse unverändert bleiben.

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