DE2737923A1

DE2737923A1 - BRANCHING NETWORK, IN PARTICULAR OF MICROWAVE TECHNOLOGY

Info

Publication number: DE2737923A1
Application number: DE19772737923
Authority: DE
Inventors: Colin Dr Hamilton; Manfred Uhlmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1977-08-23
Filing date: 1977-08-23
Publication date: 1979-03-08

Description

Beschreibungdescription

Verzweigungsnetzwerk insbesondere der Mikrowellentechnik Die Erfindung bezieht sich auf ein Netzwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Strahlergruppe mit einem beispielsweise eine ganze Oktave umfassenden Arbeitsfrequenzbereich benutzbar.Branch network, in particular of microwave technology. The invention relates to a network according to the preamble of claim 1 and is particularly advantageous in connection with a radiator group with one, for example an entire octave working frequency range can be used.

Bei Strahlergruppen, die für den Betrieb über ein größeres Frequenzband, z. B. eine Oktave, ausgelegt werden, stellt sich in vielen Fällen als Problem, daß die Halbwertsbreite der Strahlungskeule bei der oberen und unteren Band-Eckfrequenz sehr stark unterschiedlich ist. Bei Betrieb über eine Oktave ist z. B. bei der unteren Bandgrenze die Strahlungskeule doppelt so breit wie bei der oberen Bandgrenze. Bei manchen Anwendungen, insbesondere bei Richtantennen für Peilsysteme, zeigt sich diese starke Frequenzabhängiykeit der Keulenbreite als großer Nachteil, so daß Methoden und Verfahrenfahren zur Diagramm-Stabilisierung (Angleichung) bereits verschiedentlich untersucht und entwickelt worden sind.In the case of radiator groups that are intended for operation over a larger frequency band, z. B. an octave, is in many cases a problem that the half width of the radiation lobe at the upper and lower band corner frequency is very different. When operating over an octave z. B. the lower Band limit the radiation lobe twice as wide as in the upper band limit. at some applications, especially in directional antennas for direction finding systems, is evident this strong frequency dependence of the beam width as a great disadvantage, so that methods and procedures for diagram stabilization (adjustment) already on various occasions have been studied and developed.

Ein bekanntes Verfahren (DT-OS 25 41 569) zur Diagramm-Angleichung bei der oberen und unteren Band-Eckfrequenz besteht darin, daß man frequenzabhängige Dämpfungsglieder in die Zuleitungen zu den äußeren Strahlerelementen einer Strahlergruppe zwischenschaltet. Die Wirkungsweise dieser Maßnahme besteht darin, daß bei den oberen Frequenzen des Betriebsbandes das Dämpfungsmaß dieser Dämpfungsglieder größer ist als bei den tieferen Frequenzen und somit am oberen Bandende die äußeren Elemente der Strahlergruppe verstärkt bedämpft werden. Dies bewirkt eine Verkleinerung der effektiven Aperturgröße der Strahlergruppe und somit eine Verbreiterung der Strahlungskeule. Am unteren Bandende wird die Bedämpfung auf einem möglichst kleinen Wert gehalten, um hier die geometrisch vorgegebene Aperturgröße der Strahlergruppe voll ausnützen zu können. Aus der Praxis ist bekannt, daß durch die Zwischenschaltung von dergestalt wirkenden frequenzabhängigen Dämpfungsgliedern (Taper-Gliedern) bei Betrieb über eine Frequenz-Oktave eine Verringerung der Keulenbreite auf 10 ... 30 X erreicht werden kann.A well-known method (DT-OS 25 41 569) for the alignment of diagrams at the upper and lower band corner frequencies is that one frequency-dependent Attenuators in the supply lines to the outer radiator elements of a radiator group intervenes. The mode of action of this measure is that in the upper Frequencies of the operating band, the degree of attenuation of these attenuators is greater than with the lower frequencies and thus the outer elements at the upper end of the band of the radiator group are attenuated to a greater extent. This causes a reduction in the size of the effective aperture size of the radiator group and thus a broadening of the radiation lobe. At the lower end of the band, the damping is kept as low as possible, in order to fully utilize the geometrically predetermined aperture size of the radiator group here to be able to. It is known from practice that the interposition of such acting frequency-dependent attenuators (taper elements) during operation one frequency octave achieves a reduction of the beam width to 10 ... 30 X can be.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines bekannten frequenzabhängigen Dämpfungsgliedes schematisch dargestellt. Das Dämpfungsglied besteht aus überbrückten T-Gliedern mit konzentrierten Bauelementen, wobei durch geeignete Auswahl der R-, C- und L-Komponenten der Dämpfungsverlauf dem vorgesehenen Betriebs-Frequenzband angepaßt werden kann.In Fig. 1 is the structure of a known frequency-dependent attenuator shown schematically. The attenuator consists of bridged T-links with concentrated components, whereby by suitable selection of the R, C and L components the attenuation curve can be adapted to the intended operating frequency band.

Wohrcnd diese Ausführungsart vorzugsweise auf Frequenzen unterhalb von 500 MHz beschränkt bleibt, ist für Frequenzbereiche darüber der in Yig. 2 gezeigte Netzwerksaufbau zu empfehlen. Hier sind die konzentrierten Bauelemente durch definierte Leitungslängen ersetzt.Where this embodiment is preferred at frequencies below of 500 MHz, the one in Yig is used for frequency ranges above this. 2 shown Network structure to be recommended. Here the concentrated components are defined by Line lengths replaced.

Bei der Verwendung beider vorgenannten Ausführungsformen ist jedoch zu beachten, daß die frequenzabhängige Steuerung der Strahlergruppen-Apertur durch eine resistive Dämpfung in den beschriebenen Dämpfungsgliedern erfolgt. Dies bedeutet in der Praxis, daß die Diagramm-Angleichung durch Wnpfungsverluste erkauft werden muß, was eine Verringerung des effektiven Antennengewinnes zur Folge hat. Dies macht sich vor allem bei Frequenzen oberhalb von 200 MHz nachteilig bemerkbar, weil dann die durch die Verluste verursachte Empfindlichkeitsverminderung gegenüber dem Einfluß des äußeren Rauschens nicht mehr vernachlässigt werden kann.However, when using both of the aforementioned embodiments note that the frequency-dependent control of the radiator group aperture by resistive attenuation takes place in the attenuators described. this means in practice that the adjustment of the diagram is bought at the expense of losses must, which results in a reduction in the effective antenna gain. This makes especially at frequencies above 200 MHz disadvantageously noticeable, because then the reduction in sensitivity to the loss caused by the losses the influence of external noise can no longer be neglected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verzweigungsnetzwerk für eine frequenzabhängige Leistungsaufteilung anzugeben, bei dessen Einsatz in der vorbeschriebenen Weise in Verbindung mit einer Strahlergruppe die durch die resistiven frequenzabhängigen Dämpfungsglieder bewirkten Systemverluste umgangen sind, ohne daß die gewünschte Eigenschaft der Diagramm-Angleichung über das vorgegebene Frequenzband beeinträchtigt wird.The invention is based on the object of a branching network to be specified for a frequency-dependent power distribution, when used in the manner described above in connection with a group of radiators by the Resistive frequency-dependent attenuators bypassed system losses are without the desired property of the diagram approximation beyond the given Frequency band is affected.

Diese Aufgabe läßt sich prinzipiell dadurch lösen, daß man für die Speisung der Strahlelemente einer Strahlergruppe ein Verzweigungsnetzwerk mit einer frequenzabhängigen Leistungsaufteilung einführt, bei welchem die frequenzabhängige Steuerung der Leistungsaufteilung ausschließlich durch reaktive Elemente erfolgt, so daß das Verzweigungsnetzwerk demnach theoretisch verlustfrei bleibt.This task can be solved in principle that one for the Feeding the radiating elements of a radiator group a branching network with a introduces frequency-dependent power distribution, in which the frequency-dependent The power distribution is controlled exclusively by reactive elements, so that the branching network remains theoretically loss-free.

Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen sind insbesondere den Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung entnehmbar.The invention and its developments are in particular the claims and can be found in the following description.

Bei der Erfindung läßt sich eine frequenzabhängige Steuerung der Leistungsaufteilung in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, daß man als Basis-Verzweigungselement eine T-Verzweigung wählt, wobei in einen Arm dieser T-Verzweigung in geeignetem Abstand (vorzugsweise eine Viertelwellenlänge) eine reaktive Impedanz-Komponente zugeschaltet wird. Eine bequeme Möglichkeit, eine steuerbare bzw.With the invention, a frequency-dependent control of the power distribution can be achieved achieve in an advantageous manner that one as a base branching element selects a T-junction, with one arm of this T-junction in a suitable Spacing (preferably a quarter wavelength) a reactive impedance component is switched on. A convenient way to have a controllable resp.

frequenzabhängige Leistungsaufteilung der beschriebenen Art zu realisieren, ergibt sich dann, wenn das Verzweigungselement in der Technik der Streifenleiter ausgeführt wird.to implement frequency-dependent power distribution of the type described, arises when the branching element in the technology of the stripline is performed.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt.An embodiment of the invention is shown in FIG.

Es besitzt einen Eingang E und zwei Ausgangsanschlüsse A1 und A2 für die Ausgangsleistungen P1 bzw. P2. Mit 1 und 2 sind die Verzweigungsarme der T-Verzweigung bezeichnet, mit 3 eine Stichleitung, mit 1 Längenmaße und mit Z Impedanzwerte. An den Verzweigungsarm 2 ist die Stichleitung 3 angesetzt, welche die für die Steuerung des Aufteilungsverhältnisses nötige Reaktanz liefert.It has an input E and two output connections A1 and A2 for the output powers P1 and P2. With 1 and 2 are the branch arms of the T-branch denotes a stub line with 3, length measurements with 1 and impedance values with Z. At the branching arm 2, the branch line 3 is attached, which is the one for the control of the distribution ratio supplies the necessary reactance.

Aus der Position der Stichleitung mit einer Entfernung 12 von angenähert einer Viertelwellenlänge bei der oberen Band-Eckfrequenz resultiert, daß eine sehr starke Reduzierung des Energieflusses zum Anschluß 2 erreicht wird, falls die Länge 1 der Stichleitung eine Viertelwellenlänge beträgt. In diesem Fall wird im Verzweigungsarm 2 in die Ebene des Verzweigungspunktes eine Serion-Impedanz Z2oo transformiert, d. h. der Verzweigunqsarm 2 elektrisch abgetrennt. Bei tieferen Frequenzen wirkt die Stichleitung als mehr oder weniger starke kapazitive Belastung des Verzweigungsarmes 2 und verringert hierbei ihre sperrende" Funktion mit abfallender Frequenz.From the position of the stub at a distance 12 of approximated of a quarter wavelength at the upper band corner frequency results in a very strong reduction of the energy flow to connection 2 is achieved if the length 1 of the branch line is a quarter wavelength. In this case, in the branching arm 2 transforms a serion impedance Z2oo into the level of the branch point, d. H. the branch arm 2 is electrically separated. Works at lower frequencies the branch line as a more or less strong capacitive load on the branching arm 2 and reduces its blocking "function as the frequency falls.

Das Leistungs-Aufteilungsverhältnis P1/P2 an den Anschlüssen 1 bzw. 2 ist umgekehrt proportional dem Impedanzverhältnis Z1/Z2.The power distribution ratio P1 / P2 at ports 1 or 2 is inversely proportional to the impedance ratio Z1 / Z2.

Die Größen Z1 bzw. Z2 sind dabei die Impedanzwerte, die vom Verzweigungspunkt aus in Richtung zu den Anschlüssen 1 bzw. 2 gesehen werden.The variables Z1 and Z2 are the impedance values from the branch point can be seen from in the direction of connections 1 and 2, respectively.

In bezug auf das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel läßt sich ableiten, daß für die transformierte Impedanz Z2 folgende Beziehung resultiert: in dem Diagramm in Fig. 4 ist der typische Pegelverlauf von P und P2 an den Anschlüssen 1 und 2 über einen Frequenzbereich tu . f von 1 : 2 skizziert. Die Länge Ist der Stichleitung 3 0 beträgt hierbei ca. eine Viertelwellenlänge bei der oberen Eckfrequenz fO, der Abstand 12 der Stichleitung vom Verzweigungspunkt eine Viertelwellenlänge bei der Bandmittenfrequenz fM = fo/#2. Als wesentliches Ergebnis ist zu verzeichnen, daß bei der oberen Eckfrequenz eine Abschwächung des Pegels in Zweig 2 auf ca. -20 dB erscheint, während am unteren Bandende (bei 0,5 fO) die Pegeldifferenz zwischen den Zweigen 1 und 2 lediglich 1 dB beträgt. Dies zeigt, daß bei Verwendung des Verzweigungselementes nach Fig. 3 für die Speisung einer Strahlergruppe mit N = 3 Elementen eine wirkungsvolle Diagramm-Angleichung erreichbar ist.With reference to the embodiment shown in FIG. 3, it can be deduced that the following relationship results for the transformed impedance Z2: The diagram in FIG. 4 shows the typical level profile of P and P2 at the connections 1 and 2 over a frequency range tu. f outlined from 1: 2. The length Ist of the stub line 30 is here approximately a quarter wavelength at the upper corner frequency f0, the distance 12 of the stub line from the branch point is a quarter wavelength at the band center frequency fM = fo / # 2. The main result is that at the upper corner frequency, the level in branch 2 is attenuated to approx. -20 dB, while at the lower end of the band (at 0.5 fO) the level difference between branches 1 and 2 is only 1 dB . This shows that when the branching element according to FIG. 3 is used to feed a radiator group with N = 3 elements, an effective diagram adjustment can be achieved.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit M = beträgt z. B. der Unterschied der Keulenbreite bei Betrieb über eine Frequenz-Oktave nur ca. 25 %.In the embodiment of the invention shown in FIG. 5 with M = is e.g. B. the difference in the beam width when operating over an octave frequency only about 25%.

In Fig. 5 sind mit 4 bis 7 die vier Strahler, mit 8 und 9 im Sinne der Erfindung frequenzabhängige Leistungsteiler, mit 10 ein 1 : 2-Leistungsteiler und mit S der Speiseanschluß bezeichnet.In Fig. 5 with 4 to 7 are the four radiators, with 8 and 9 in the sense of the invention frequency-dependent power divider, with 10 a 1: 2 power divider and S denotes the feed connection.

Die Steuerung der Leistungsaufteilung durch eine Reaktanz-Komponente in einem Zweig verursacht eine Veränderung der Impedanz im Verzweigungspunkt bzw. eine Veränderung der Anpassung am Verzweigungseingang. Das hieraus resultierende Stehwellenverhältnis bleibt jedoch theoretisch unter einem Wert von 1,5, wenn man am Verzweigungseingang eine Transformation auf einen gemittelten Impedanzwert vornimmt. Setzt man z. B. als Extrem-Wert für den Zweig 2 bei der oberen Band-Eckfrequenz eine völlige Sperrung voraus und bei der unteren Eckfrequenz einen ungestörten Durchgang, so schwankt die Impedanz im Verzweigungspunkt zwischen Ro und 0,5 Ro. Transformiert man die Eingangs-Impedanz auf ZE g 0,707 Ro, so beträgt das max.The control of the power distribution through a reactance component in a branch causes a change in the impedance at the branch point or a change in the adaptation at the branch input. The resulting However, the standing wave ratio theoretically remains below a value of 1.5 if one carries out a transformation to an averaged impedance value at the branch input. If you put z. B. as an extreme value for branch 2 at the upper band corner frequency a complete blocking ahead and an undisturbed passage at the lower corner frequency, so the impedance at the branch point fluctuates between Ro and 0.5 Ro. Transformed if the input impedance is set to ZE g 0.707 Ro, the max.

Stehwellenverhältnis theoretisch 1 : 1,41. Dieses Stehwellenverhältnis bewirkt Transmissionsverluste von lediglich 0,15 dB.The theoretical standing wave ratio is 1: 1.41. This standing wave ratio causes transmission losses of only 0.15 dB.

Durch die Einwirkung der Stichleitungs-Reaktanz tritt eine Veränderung der Transmissionsphase im Zweig 2 auf. Gemäß Meßergebnissen und einer rechnerischen Nachprüfung zeigt sich, daß diese Phasenveränderung kleiner als A# = 30° über einen Frequenzbereich von 1 : 2 gehalten werden kann, so daß die dadurch verursachte Beeinträchtigung der Strahlungscharakteristik (Erhöhung des Nebenwellenkeulenpegels) bei vielen Anwendungsfällen vernachlässigt werden kann. Diese Annahme ist z. B. beim Aufbau von Richtstrahl-Antennen für Peil-Systeme gerechtfertigt, bei denen in der Regel im Hinblick auf die Nebenkeulendämpfung grönere Zugeständnisse gemacht werden können als zum Beispiel beim Richtfunk.A change occurs as a result of the effect of the stub line reactance the transmission phase in branch 2. According to measurement results and a computational Verification shows that this phase change is less than A # = 30 ° over a Frequency range of 1: 2 can be kept, so that the impairment caused thereby the radiation pattern (increase in the side wave lobe level) in many applications can be neglected. This assumption is z. B. in the construction of directional antennae justified for DF systems, where usually with regard to the sidelobe attenuation Larger concessions can be made than, for example, with directional radio.

Es ist beim Erfindungsgegenstand besonders zweckmäßig, die reaktive Steuerung des Aufteilungsverhältnisses einer T-Verzweigung nach Fig. 3 durch schaltbare Stichleitungselemente elektronisch steuerbar auszulegen. Dies erfolgt - wie in Fig. 6 skizziert - vorteilhaft z. B. durch die Zwischenschaltung von steuerbaren PIN-Dioden.It is particularly useful in the subject matter of the invention, the reactive Control of the distribution ratio of a T-branch according to FIG. 3 by switchable Design stub elements electronically controllable. This takes place - as in Fig. 6 outlined - advantageous z. B. by interposing controllable PIN diodes.

Hier ist mit 11 der PIN-Dioden-Schalter bezeichnet.Here, the PIN diode switch is designated with 11.

Claims

Claims 1. Branch network for a frequency-dependent Distribution of power in particular for microwave technology, characterized in that that at a predetermined distance from the branch point in at least one of the branch arms one or more frequency-dependent reactance components connected in parallel or in series are (Fig. 3).

2. Network according to claim 1, characterized in that the branch is designed in the form of a stripline or coaxial T-junction and that the frequency-dependent reactance through a stripline or coaxial stub (3) is realized.

3. Network according to claim 2, characterized in that to achieve Several stub lines are connected to achieve a desired frequency response.

4. Network according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the frequency-dependent reactance component to control the power distribution is switchable, z. B. by PIN diode switch (11).

5. Network according to one of claims 1 to 4 in a radiator group, characterized by its multiple application in such a way that the connecting lines to the outer radiators of the radiator group with the reactance-connected arms of the individual branch networks are connected.