DE2613592C3

DE2613592C3 - Breitbandige Polarisationsweiche

Info

Publication number: DE2613592C3
Application number: DE19762613592
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Schuegraf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-03-30
Filing date: 1976-03-30
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2613592B2; DE2613592A1

Description

Die Erfindung betrifft eine breitbandige Polarisa tionsweiche in Hohlleiterbauweise mit orthogonaler Sondeneinkopplung durch zwei zueinander rechtwink lig in den Hohlleiter mündende, kapazitiv wirkende stiftförmige Sonden, die in axialer Richtung des Hohlleiters gegeneinander versetzt angeordnet sind

Bei Polarisationsweichen wird ein besonders einfa· eher Aufbau dann erreicht, wenn "es !Möglich ist, die beiden in ihr auftretender! Polarisationen mit je einer irn HohlleiterquerschrtiK verlaufenden, kapazitiv wirkenden, sliftförmigen Sonde anzuregen. Diese Art des Aufbaues ist jedoch nur dann möglich, wenn das von dieser Sonde durch die auftretenden elektrischen Längsfeldkompanenten angeregte Störfeld im Bereich der Nutzfrequenz durch entsprechend hohe aperiodische Dämpfung im gemeinsamen Hohlleiter an der

^r, Ausbreitung gehindert werden kann; denn solche Störwellen verformen das Strahlungsdiagramm der Antenne um so mehr, je stärker sie im Vergleich zur Nutzwelle sind und verhindern somit z. B. die erstrebte scharf gebündelte Energieabstrahlung.

in Da bei einem üblichen Aufbau einer Polarisa'ionsweiche als Rundhohlleiter das dort auftretende Foj-Slörfeld nur innerhalb seines theoretischen Eindeutigkeilsbereiches, also zwischen der Grenzfrequenz fum der £öi-WelIe und der Grenzfrequenz Λ/ηι des Wn-Nutz-

I) wellentyps unterdrückt werden kann, ist die maximal nutzbare Bandbreite durch den Abstand dieser beiden Grenzfrequenzen festgelegt.

Für einen Rundhohlleiter mit einem theoretischen Eindeutigkeitsbereich von

/jf οι : /i/M ι = 1.30

ergibt sich somit eine theoretische Höchstbandbreite F₀ : f„ von i,3ö, wobei f₀ die Obergrenze und /"„ die Untergrenze des zu übertragenden Frequenzbandes ist.

r> Beim praktischen Betrieb ist die ausnutzbare Bandbreite jedoch geringer, da zusätzliche Mindestabstände zwischen der Untergrenze f_u des Übertragungsbandes und der Grenzfrequenz 4/mi der Hu-Nutzwelle einerseits und zwischen der Obergrenze A des Übertragungsban-

j(! des und der Grenzfrequenz fum der ß)i-Störwelle andererseits eingehalten werden müssen, um eine ausreichende fin-Unterdrückung, insbesondere an der Obergrenze des Übertragungsbandes, zu gewährleisten.

In der Fig. ist das elektrische Feld einer zur

η Anregung gebräuchlichen kapazitiven, stiftförmigen Sonde 5 in einem Rundhohlleiterquerschnitt des Durchmessers D dargestellt. Es ist dori die in axialer Richtung des Hohlleiters aufiretende unerwünschte elektrische Feldkomponente mit E, bezeichnet.

.»ι In den Fig. 2a bis 2c sind die Lagen der Grenzfrequenzen von verschiedenen Hohlleiterquerschnitten neben einem erwünschten Betriebsfrequenzbereich dargestellt.

In der Fig. 2a sind die oben erläuterten Grenzfre-

4-i quenz.en Λ/μι und fum für einen Rundhohllciter dargestellt, sowie als Beispiel die Frequenzen f„ und i, eines zu übertragenden Frequenzbandes der relativen Breite A : f,,= 1.2b. Die durch den Eindeutigkeitsbereich gegebene theoretische Bandbreite von 1.30 des

in Rundhohlleiiers reicht für die zu übertragende Bandbreite von 1.26 jedoch nicht aus. da die Abstände zwischen den Frequenzen f„ und Λ//11 sowie zwischen f„ und Λ/ πι nur jeweils zirka 2% betragen. Bei diesem Abstand der höchsten Betriebsfrequenz A zur Grenzfre-

ii quenz Λ/«ι der />_M.Störwelle erhält man aus der aperiodischen Dämpfung meines Hohlleiters der Länge /

mit einer (jrenzwellenlänge A₄₁ = IJI I) im Falle des /·.,; I ekk-s im Rundhuhlleiter des Durchmessers D fur die ungünstigste höchste BelriebsfrequenZ /& nur noch dieO,2fache £oi-UnterdrückUrig gegenüber dem Wert

««/in = 2 .7 //4,

bei sehr niedriger Frequenz. Für die zu übertragende

Bandbreite müßte deshalb eine als Runclbohlleiter ausgeführte Polarisationsweiche zur Gewährleistung einer ausreichenden ^-Unterdrückung sehr lang gemacht werden. Zur Unterdrückung des fin- bzw. jEu-Stönvellentyps in Frequenzbereichen, die breiter sind als der Eindeutigkeitsbereich eines Rundhohlleiters, sind jedoch aufwendige Gegentaktanregungen, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentschrift 11 83 561 beschrieben sind, erforderlich.

Im Quadrathohlleiter wird von der Sonde nach F i g. 1 als stärkster Störfeldtyp das ZTn-FeId mit einer Grenzwellenlänge von

angeregt, wobei a die .Seitenlänge des Hohlleiters ist. Für den Fall einer //lo-Nutzwelle beträgt für den Quadrathohlleiter der theoretische Eindeutigkeitsbereich

fu Ii : /Jt//iD=i/2.

Bei einem Nutzfrequenzbereich der relativen Breite 1,2b ergibt sich damit ein Frequen^abstand zu den Grenzfrequenzen futw und fu π von je 6%, wie dies in der Fig. 2b schematisch dargestellt ist, und nach (1) für die ungünstigste höchste Betriebsfrequenz f_u eine 0_r342fache £",,-Unterdrückung gegenüber dem Niederfrequenzwert a.,,,„. Es kann also bei der Verwendung eines Quadrathohlleiters als Polarisationsweiche gegenüber einem Rundhohlleiter bereits eine Verringerung der Baulänge erreicht werden.

In vielen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise in der Richtfunk- und insbesondere in der .Satellitentechnik, wird jedoch die Einsatzmöglichkeit solcher Polansationsweichen angestrebt, die bei geringer Baulänge breiter werdende Frequenzbänder — und im Satellitenfunk zwei relativ weit voneinander entfernte Frequenzbereiche — bewältigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für den Betrieb mit orthogonalen Moden unterschiedlicher Frequenzen, eine Polarisationsweiche einfacher Bauart anzugeben, deren F'indemigkci'sbereich gegenüber den bekannten Ausführungsformen als Rund- bzw. Quadrathohlleiter vergrößert und deren Baulänge dadurch weiter verringert ist.

Ausgehend von einer breitbandigen Polarisationsweiche in Hohlleiterbauweisc mit orthogonaler Sondeneinkopplung durch zwei zueinander -echtwmklig in den Hohlleiter mündende, kapazitiv v/irkende stiftförmige Sonden, die in axialer Richtung des Hohlleiters gegeneinander versetzt angeordnet sind, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hohlleiter einen Rcehteckquerschnitt aufweist und daß dessen Quersehnittsabmessungen so gewählt sind, daß die sich ergebende Grenzfrequenz fu für einen mitangeregten ersten Störwellcntyp F, höher ist als die höchste /u übertragende Frequenz f» einer Nutzwelle und gleichzeitig die sich ergebende Grenzfrequenz für die Nutzwelle tiefer ist als die tiefste /u übertragende Frequenz £,der Nutzwelle

Die Erfindung geht von der l'rkcnn'.nis aus. daß die £'n Grenzwellenlänge Aw μ eines Rechteckhohlleiters mit den Seitenlangen ,i und b entsprechend dci Beziehung

'■I- U 11 —

2 α b

von den beiden Seitenlängen a Und b abhängt, während seine Win-Grenzwellenlö'nge nur von der ninen Seitenlänge a abhängt, die senkrecht auf den elektrischen Feldlinien dieser Wi_n-WeIIe steht. Da im allgemeinen eine der beiden Polarisationen nur im höheren ^r) Frequenzbereich zu übertragen ist, kann die für die Mn-Grenzwellenlänge dieser Polarisation maßgebende Seite b des gemeinsamen Hohlleiters schmaler gemacht werden als die für die Grenzwellenlänge der dazu orthogonalen Polarisation maßgebende Breitseite a.

in Auf diese Weise kann der Eindeutigkeitsbereich des gemeinsamen Hohlleiters mit nunmehr rechteckigem Querschnitt für diejenige Polarisation, deren E-FeId parallel zur schmaleren Rechteckseite b ausgerichtet ist, erheblich erweitert werden, und zwar so weit, bis die

I) Mii-Grenzfrequenz der orthogonalen Polarisation der Untergrenze des höheren Frequenzbereiches zu nahe rückt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß die einfache Einzelsondenkopplung zur eindeutigen Anre-

-¹H gung der magnetischen Grundwelle auch für Frequenzbereiche verwendbar bleibt, die breiter sind als der Eindeutigkeitsbereich eines Rund- L».w. Quadrathohlleiters.

In der Fig. 2c sind die Grenzfrequenzen ftmo und

.'Ί fu it für einen Rechteckhohlleiter der Seitenlängen a und b dargestellt, wobei die Ε-Feldlinien parallel zur schmä'.jren Seite b verlaufen. Deutlich zu erkennen ist der vergrößerte Eindeutigkeitsbereich neben dem zwischen den Frequenzen f, und L liegenden zu

in übertragenden Nutzfrequenzband.

Eine insbesondere für Satellitenanwendungen vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Polarisationsweiche für den Betrieb mittels eines Empfangsfrequenzbandes und eines oberhalb des Empfangsfre-

i· quenzbandes gelegenen Sendefrequenzbandes, dessen Hauptkomponente in seiner Polarisationsebene mit der Polarisationsebene des Empfangsfrequenzbandes übereinstimmt, ergibt sich dadurch, daß wenigstens zwei Rechteckhohlleiterabschnitte unterschiedlicher Queren Schnittsabmessungen vorgesehen und über einen Rundhohlleiter mit einer Antenne verbunden sind, daß als gemeinsamer Weichenzugang für das Empfangsfrequen7band und die Hauptkomponente des .Sendefrequenzbandes eine erste, an der breiteren Seitenfläche

J". des ersten aniennenseitigen Hohlleiterabschnittes angeordnete Sonde vorgesehen ist. daß an der breiten Seitenfläche des ersten Hohlleiterabschnittes sich eine schmale Seitenfläche des zweiten, einen geringeren Querschnitt aufweisenden Hohlleiterabschnittes an

in schließt und daß als Weichenzugang für eine senkrecht zur Hauptkomponente polarisierte Nebenkomponente des Sendefrequeni-'bandes eine weitere Sonde an der breiten Seitenfläche des zweiten Hohlleiterabschni*'es vorgesehen ist.

>"> R esi" Anordnung ermöglicht eine Drehung der Polarisationsebene des im allgemeinen oben liegenden Sendefrequenzbaicdes mit der höchsten Frequenz {,, und damit das Ausgleichen von durch die Ionosphäre verursachten Faraday Drehungen der Polarisation des

wi Sendefrcquenzbandes

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines AusJuhrungiibeispieles, noch naher erläutert. Es zeigt in der Zeichnung
Fig. 1 das bereits erläuterte elektrische Feld einer

b-i kapazitiven stiftförmigen Sonde in einem Rundhohlleilerquerschnitt,

F i g. 2a den Eindeuiigkeitsbereich eines Rundhohlleiters zusammen mit einem zu übertragenden ßetriebsfre-

quenzbereich, wie bereits erläutert,

Fig. 2b eine Darstellung entsprechend Fig. 2a für einen Quadrahthohlleiter, wie bereits erläutert,

Fig.2c eine Darstellung entsprechend Fig. 2a für einen Rechteckhohlleiler, wie bereits erläutert,

Fig.3 defl Aufbau einer erfindungsgemäßen Polarisationsweiche.

In der Fig.3 ist eine erfindungsgemäße Polarisationsweiche für zwei Frequenzbänder dargestellt, die am oberen bzw. unteren Rand eines Frequenzbereiches mit der relativen Breite Z₀:/;,= 1,26 liegen. Der gemeinsame antennenseitige Zugang der Polarisationsweiche ist ein Rundhohlleiter 1. Die Polarisationsweiche soll mit einem Empfangsfrequenzband von 1,67 GHz bis 1,70GHz und einem Sendefrequenzband von 2,101 GHz bis 2,105 GHz betrieben werden, wobei die Polarisationsebene der Hauptkomponentc des Sendefrequenzbandes mit der Polarisationsebene des Empfangsfrequenzbandes übereinstimmen soll. Durch eine senkrecht zur Hauptkomponenle polarisierte Nebenkomponente des Sendefrequenzbandes soll innerhalb gewisser Grenzen eine Drehung der Polarisationsebene des Sendefrequenzbandes ermöglicht sein.

An dem gemeinsamen Rundhohlleiter 1 schließt sich ein erster Rechteckhohlleiterabschnitt 2 an, der als gemeinsamen Weichenzugang für das Empfangsfrequenzband und die Hauptkomponente des Sendefrequenzbandes an seiner breiten Seitenfläche eine erste rechtwinklig in den Hohlleiter mündende, kapazitiv wirkende stiftförmige Sonde 3 aufweist. Die Länge des ersten Rechteckhohlleiterabschnittes 2 ist nach (1) so bemessen, daß das von der Sonde 3 angeregte £n-Störfeld im geforderten Ausmaß unterdrückt wird. An den ersten Hohlleiterabschnitt 2 schließt sich ein zweiter, einen geringeren Querschnitt aufweisender Rechteckhohlleiterabschnitt 4 in der Weise an, daß die breite Seitenfläche des ersten Hohlleiterabschnittes 2 parallel ausgerichtet ist zur schmalen Seitenfläche des zweiten Hohlleiterabschnittes 4. Die breitere Seite des zweiten Hohlleiterabschnittes 4 ist als Weichenzugang für die Nebenkomponente des Sendefrequenzbandes mit einer weiteren kapazitiv wirkenden stiftförmigen Sonde 5 versehen. Durch entsprechende Einspeisung dieser senkrecht zur Hauptkomponente des Sendefrequenzbandes polarisierten Nebenkomponente kann die resultierende Sendepolarisation gedreht werden.

Für die zu übertragenden Frequenzbereiche ergeben sich als optimale Dimensionierungen für den gemeinsamen ersten Rechteckhohlleiterabschnitt 2 Seitenlängen von etwa a · 6 = 96 · 88 mm. Die niedrigere //io-Grenzfrequenz dieses Hohlleiterabschnittes liegt dann bei /i//in= 1,562 GHz und somit nach Fig. 2cum etwa6,9% unter der unterstell Betriebsfrequenz fu. Die Grenzfrequenz des ersten Störwellentyps En beträgt /if /; = 2,31 GHz,- der Eindeutigkeitsbereich für eine Polarisation, deren E-FeId parallel zur schmaleren Seite b verläuft, ist damit

/im : hfl ία= 1.48.

Dies ergibt entsprechend Fig.2c bei der relativen Breite des Gesamtfrequenzbereiches von 1,26 und einem Abstand von 6.9% zwischen f„ und fkii io einen für die Eii-Unterdrückung maßgebenden Abstand der obersten Nutzfrequenz ^ zur E\ ι -Grenzfrequenz von 9,9%. Der Wert der £n-Unterdrückung dieses Rechteckhohlleiterabschnittes ergibt sich damit bei der ungünstigsten höchsten Nutzfrequenz /b aus (!) als der 0,412faclle Nicderfrequchzweii a_apn und liegt somit 2,06mal höher als der entsprechende Wert für einen Rundhohlleiter. Für eine bestimmte geforderte En-Unlerdrückung kann dieser Rcchteckhohllciterabschnill demnach um den Faktor 1/2,06 kürzer gemacht werden als ein entsprechender Rundhohlleilerabschnilt. Eine beispielsweise geforderte Ει ι-Unterdrückung von 30 dB ergibt sich mit dem oben angegebenen Rechteckhohlleiterquerschniti schon bei einer Länge von 173 mm.

Die höhere Woi-Grenzfrequehz des ersten Rechteckhohlleiterabschnitles 2 für die orthogonal polarisierte und im oberen Frequenzband ab 2,101 GHz zu übertragende Nebenkomponente des Sendefrequenzbandes, deren E-Feldlinien parallel zur breiteren Seite a verlaufen, beträgt bei den gewählten Abmessungen zirka 1,708 GHz und hat damit einen ausreichenden Abstand zur unteren Frequenzgrenze des oberen Frequenzbandes.

Die /Γι ι-Unterdrückung der Nebenkomponente des Sendefrequenzbandes ist um den Anteil der aperiodischen Dämpfung des abgestuften Hohlleiterabschnittes 4 zwischen der ersten Sonde 3 und der zweiten Sonde 5 sowie um die Eu-unterdrückende Wirkung des Kurzschlußbleches 7 höher als die En-Unterdrückung der

2-3 durch die Sonde 3 eingckoppelten Hauptkomponentc des Sendefrequenzbandes.

Wegen des geringen Abstandes der tiefsten Belriebsfrequenz C₁, zur Nutzwellengrenzfrequenz /*//io tritt ein starker Frequenzgang des Reflexionsfaktors einer

jo einfachen, unkompensierten Sonde auf.

Zur Kompensation dieses Frequenzganges dient ein der unkompensierten Sonde nachgeschalteter Serienresonanzkreis 6. Durch einen solchen empirisch dimensionierten Serienresonanzkreis und eine optimale Einstellung eines hinter der Sonde 3 erforderlichen Kurzschlusses kann für beide Frequenzbänder ein Reflexionsfaktor r<2.5% erzielt werden. Dieser Kurzschluß kann durch ein im Bereich des Querschnittssprunges zwischen dem ersten und zweiten Hohlleiterabschnitl parallel zur ersten Sonde 3 in axialer Richtung verlaufendes Kurzschlußblech 7 erzeugt werden. Beim Nichtvorhandensein eines solchen Kurzschlußbleches 7 tritt wegen der gegenüber der Sonde 3 um 90° gedrehten Lage der Sonde 5 eine wesentliche Verschlechterung der Polarisationsentkopplung auf.

Für die oben angegebenen Frequenzbereiche weist der engere zweite Rechteckhohlleiterabschnitt 4 eine Dimensionierung von a' · i'=87,4 - 79,8 mm auf. Der Reflexionsabgleich für das obere Frequenzband ist wegen der frei wählbaren Einstellung des Kurzschlußbleches 7 nicht kritisch. Die relativ kleine Reflexion der Querschnittssprungstelle vom zweiten Rechteckhnhlleiterabschnitt 4 auf den ersten Rechteckhohlleiterabschnitt 2 kann wegen des verhältnismäßig geringen elektrischen Abstandes der Sonde 5 vom Querschnittssprung zusammen mit der Sonde 5 angepaßt werden.

Der Obergang von dem ersten Rechteckhohlleiterabschnitt 2 auf den am antennenseitigen Weichenzugang vorgesehenen Rundhohlleiter 1 erfolgt zur Einsparung von Baulänge sprunghaft. Der damit verbundene kleine Leitungswellenwiderstandssprung und die resultierende, ebenfalls kleine Streureaktanz an der Sprungsteife werden zusammen mit den Sonden 3, 5 durch optimale Gestaltung der Innenleiter gemeinsam kompensiert Dies ist aus Gründen der relativ geringen elektrischen Abstände der Sonden vom Querschnittssprung für die vorgesehenen Frequenzbänder realisierbar.

Hier/n 2 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Breitbandige Polarisationsweiche in Hohlleiterbauweise mit orthogonaler Sondeneinkopplung durch zwei zueinander rechtwinklig in den Hohlleiter mündende, kapazitiv wirkende stiftförmige Sonden, die in axialer Richtung des Hohlleiters gegeneinander versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter einen Rechteckquerschnitt aufweist und daß dessen Querschnittsabmessungen so gewählt sind, daß die sich ergebende Grenzfrequenz fu\ \ für einen mitangeregten ersten Störwellentyp Ew höher ist als die höchste zu übertragende Frequenz ^ einer Nutzwelle und gleichzeitig die sich ergebende Grenzfrequenz für die Nutzwelle tiefer ist als die tiefste zu übertragende Frequenz /"„der Nutzwelle.

Z Breitbandige Polarisationsweiche nach Anspruch 1, insbesondere für den Betrieb mittels eines Empfangsfrequenzbandes und eines oberhalb des Empfängst requenzbandes gelegenen Sendefrequenzbandes, dessen Hauptkomponente in seiner Polarisationsebene mit der Polarisationsebene des Empfangsfrequenzbandes übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Rechteckhohlleiterabschnitte (2, 4) unterschiedlicher Querschnittsabmessungen vorgesehen und über einen Rundhohlleiter (1) mit einer Antenne verbunden sind, daß als gemeinsamer Weichenzugang für das Empfangsfrequenzband und die Hauptkomponente des Sendefrequenzbandes eine erste, an der breiteren S. tenfläche des ersten antennenseitigen Hohlleiterabschnittes (2) angeordnete Sonde (3) vorgesehen ist, daß an die breite Seitenfläche des ersten Hohlleiterabschnittes -ich eine schmale Seitenfläche des zweiten, einen geringeren Querschnitt aufweisenden Hohlleiterabschnittes (4) anschließt und daß als Weichenzugang für eine senkrecht zur Hauptkomponente polarisierte Nebenkomponente des Sendefrequenzbandes eine weitere Sonde (5) an der breiten Seitenfläche des zweiten Hohlleiterabschnittes vorgesehen ist.

3. Polarisationsweiche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Sonde (3) ein Serienresonanzkreis (6) nachgeschaltet ist.

4. Polarisationsweiche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Querschnitts Sprunges zwischen dem ersten und zweiten Hohlleiterabschnitt ein parallel zur ersten Sonde (3) in axialer Richtung verlaufendes Kurzschlußblech (7) vorgesehen ist.