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Modenkoppler
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Die Erfindung betrifft einen Modenkoppler zur Gewinnung eines für
eine selbsttätige Antennennachführung erforderlichen Fehlersignales, welches aus
von einem Satelliten abgestrahlten Peilsignalen abgeleitet ist und als Kriterium
für die Winkelabweichung des angepeilten Satelliten von der Antennenachse dient,
wobei die Antenne als konischer Hornstrahlerausgebildet ist, dessen an das Speisehorn
sich anschließende Rundhohlleiter in einer senkrecht zur Rundhohlleiterlängsachse
liegenden Querschnittsebene mit vier Auskoppelöffnungen versehen ist, von denengweils
zwei diametral gegenUberliegend angeordnete Auskoppelöffnungen über Hohlleiterbauelemente
in Jeweils einer Hohlleiter-Verzweigung zusammengeführt sind, deren Ausgänge in
einem Leistungsteiler zusammengefaßt sind.
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Ein derartiger Modenkoppler zur selbsttätigen Nachsteuerung einer
Antenne in die Richtung von empfangenen Hochfrequenzschwingungen, bei der die Bildung
des Fehlersignales
aufgrund eines gleichzeitig mit der H11 Nutzwelle
auftretenden H21-Wellentyps erfolgt, ist beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift
1 280 991 bekannt. Diese Anordnung ist Jedoch vorwiegend für lineare Polarisation
geeignet und soll insbesondere sicherstellen, daß für Jede Polarisationsrichtung
der empfangenen Welle ein ausreichendes Fehlersignal gebildet werden kann.
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Bei derartigen Modenkopplern wird aus dem Empfangssignal ein für die
Antennennachführung notwendiges Fehlersignal, das Aufschluß über Richtung und Größe
einer Ablage des Satelliten von der Antennenachse gibt, gewonnen. Der Satellit sendet
hierfür in der Regel ein eigenes Bakensignal aus. In diesem Zusammenhang ist es
auch bekannt, daß eine BrdeSunkstelle eines Satellitennaehrichw tenübertragungssystems,
die zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen ausstrahlt, als Antenne einen
kegelstumpfförmigen Hornatrahler mit einem Kreisabschnitt aufweisen kann, der sowohl
für die Verfolgung des Satelliten als auch für die Aussendung der durch den Satelliten
zu übertragenden Informationen und den Empfang der vom Satelliten ausgestrahlten
Informationen dienen kann.
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Bekannt ist weiterhin, daß sich in dem Antennenhohlleiter zirkular
polarisierte Wellen des H11-Typs ausbilden, wenn die Ebenen der Öffnung des Hornstrahlers
und der Wellenfront einer vom Satelliten ausgestrahlten ebenen Welle zusammenfallen.
Eine zusätzliche E01-Welle wird immer dann erregt, wenn die einfallende Wellenfront
nicht parallel zur Antennenapertur auftritt, was dann der Fall ist, wenn sich der
Satellit nicht exakt in Richtung der Antennenachse befindet. In diesem Fall treten
im Speisehorn der Antenne außer der 301-Welle noch weitere Wellenformen, beispielsweise
die H21- und die
H01-Welle auf, die ebenfalls wegen der scharfen
Richtcharakteristik ihres Strahlungsdiagrammes zur Peilung herangezogen werden können.
Noch höhere, gleichzeitig auftretende Wellenformen werden in der Regel zur Peilung
nicht herangezogen. Die rotationssymmetrisch im Speisehorn bzw. im darauffolgenden
Rundhohlleiter auftretende E01-Welle weist ein Strahlungsdiagramm auf, das in Richtung
der Antennenachse ein scharfes Minimum zeigt, was auf eine scharfe Richtcharakteristik
des Strahlungsdiagrammes hinweist und auf eine hohe Peilgenauigkeit sciJiessen läßt.
Unabhängig von der Wahl des aus dem Speisehorn zur Gewinnung des Fehlersignales
auszukoppelnden Wellentyps soll eine Auskoppel-Anordnung im allgemeinen stets so
ausgebildet sein, daß das Nachrichtensignal im Speisehorn möglichst wenig gestört
wird.
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Anhand der Fig. 1 soll nachstehend das Prinzipschaltbild eines Modenkopplers
kurz erläutert werden. Der mit dem Speisehorn verbundene Rundhohlleiter 1 ist bei
einer solchen Anordnung an diametral gegenüberliegenden Stellen mit Auskoppelanordnungen
2 zur Auskopplung des zur Bildung des Fehlersignales ausgewählten, bei Ablage der
Antenne von der Satellitenrichtung auftretenden Wellentyps versehen. Die so ausgekoppelten
Wellen+ypen werden Uber Koppelleiter 3 in einer Verzweigung 4 zusammengefügt, die
ausgangsseitig mit dem Ausgang 5 des Modenkopplers in Verbindung steht. Je nach
Symmetrie des zur Bildung des Fehlersignales vorgesehenen, auszukoppelnden Wellentyps
wird in den Koppelleitern 3 am Ort ihres Zusammentreffens in der Verzweigung 4 ein
Kurzschluß oder ein Leerlauf ftir die ebenfalls mit ausgekoppelte H11-Nutzwelle
erzeugt. Dieser Kurzschluß bzw. Leerlauf transformiert sich über die Koppelleiter
3 entsprechend ihrer Länge an den Ort 2 der Auskopplung und stellt dort eine die
Nutzwelle störende Reaktanz dar. Zur Gewährleistung
einer ausreichend
geringen Störung ist es im allgemeinen erforderlich, die Koppelleiter 3 extrem niederohmig
auszuführen. Bei einer Verwendung von Rechteck-Hohlleitern für die Koppelleiter
ist das mit sehr kleinen Hohlleiter-Schmalseiten verbunden, bei der Verwendung von
Koaxialleitungen mit einem sehr geringen Abstand zwischen Innen- und Außenleiter.
In beiden Fällen ist dies mit einer unerwünscht großen Toleranz-Empfindlichkeit
und einer geringen Spannungsfestigkeit für die Nutzwelle verbunden.
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Es stellt sich deshalb die Aufgabe unter Gewährleistung der geforderten
Niederohmigkeit und einer ausreichenden Toleranz-Unempfindlichkeit der Koppelleiter,
deren Spannungsfestigkeit zu verbessern. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden,
daß auch bei großen Bandbreiten eine hinreichend kleine Störung des Nachrichtensignales
gewährleistet ist.
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Ausgehend von einem Modenkoppler zur Gewinnung eines für eine selbsttätige
Antennennachfuhrung erforderlichen Fehlersignales, welches aus von einem Satelliten
abgestrahlten Peilsignalen abgeleitet ist und als Kriterium für die Winkelabweichung
des angepeilten Satelliten von der Antennenachse dient, wobei die Antenne als konischer
Hornstrahler ausgebildet ist, dessen an das Speisehorn sich anschließende Rundhohlleiter
in einer senkrecht zur Rundhohlleiterlängsachse liegenden Querschnittsebene mit
vier Auskoppelöffnungen versehen ist, von denen Jeweils zwei diametral gegenüberliegend
angeordnete Auskoppelöffnungen über Hohlleiterbauelemente in Jeweils einer Hohlleiter-Verzweigung
zusammengeführt sind, deren Ausgänge in einem Leistungsteiler zusammengefaßt sind,
wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der
Rundhohlleiter
für die Ausnutzung der E01-Welle zur Bildung des Fehlersignales mit einer die E01-Welle
aperiodisch dämpfenden konischen Querschnitts-Verringerung versehen ist, daß die
Auskoppelöffnungen im Bereich des ersten Maximums der H-Komponente der sich ausbildenden
stehenden E01-Welle angeordnet und als mit ihrer Längsachse in einer gemeinsamen
Querschnittsebene des Rundhohlleiters verlaufende Koppelschlitze ausgebildet sind,
daß sich an Jeweils zwei diametral gegenüberliegende Auskoppelöffnungen untereinander
aufbausymmetrische Rechteck-Verbindungshohlleiter anschließen, welche in Jeweils
einer der Hohlleiter-Verzweigungen zusammengeführt sind, daß beide Hohlleiter-Verzweigungen
koaxiale Ausgänge für das Differenzsignal E01 aufweisen, welche über untereinander
gleich lange Koaxialleitungen in dem Leistungsteiler zusammengeführt sind, daß die
Länge der Rechteck-Verbindungshohlleiter bei der Ausbildung eines Kurzschlusses
für die Nutzwelle in den Hohlleiter-Verzweigungen als ein geradzahliges Vielfaches
bzw. bei der Ausbildung eines Leerlaufes für die Nutzwelle als ein ungeradzahliges
Vielfaches von einem Viertel der Betriebswellenlänge A gewählt ist und daß die Rechteck-Verbindungshohlleiter
hinsichtlich ihres Wellenwiderstandes in Abständen von V4 derart gestuft sind, daß
der in den Hohlleiter-Verzweigungen auftretende Kurzschluß oder Leerlauf für die
Nutzwelle über die Rechteck-Verbindungshohlleiter an den Ort der Auskoppelöffnungen
zu ausreichend niedrigen Reaktanzwerten transformiert ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eirns Ausführungsbeispieles
noch näher erläutert.
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Es zeigen in den Zeichnungen Fig. 1 ein bereits erläutertes Prinzipschaltbild
eines Modenkoppl ers
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines 301-Nodenkopplers
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für die H11-Welle Fig. 4 ein Ersatzschaltbild für die
E01-Welle.
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Beim Ausführungsbeispiel eines E01-Modenkopplersnach Fig. 2 wird die
zur Bildung des Fehlersignales verwendete E01-Welle an vier Jeweils um 900 versetzte
und in einer Querschnittsebene des Rundhohlleiters 1 angeordnete Koppelstellen ausgekoppelt.
Dadurch weist diese Anordnung im Idealfall, d.h. abgesehen von mechanischen Toleanzen,
in zwei orthogonalen Ebenen gleich elektrische Eigenschaften auf und regt keine
orthogonale Hn omponente an, was im Hinblick auf eine Frequenz-Doppelausnutzung
von Bedeutung ist. Der Rundnohlleiter 1 ist mit einer in der Fig. 2 verdeckten Querschnittsverringerung
versehen, durch die die auszukoppelnde E01-Welle total reflektiert und in dem weiterleitenden
Rundhohlleiterabschnitt aperiodisch gedämpft wird. Dieser Übergang von einem für
die H11- und E01-Welle auf einen nur für die H11-Welle ausbreitungsfähigen Querschnitt
kann für sich allein, also ohne die Auskoppelanordnung, in Bezug auf Reflexionund
E11-Anregung für die gesamte Bandbreite optimal ausgelegt sein.
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Die Auskoppelöffnungen für die E01-Wellen sind in dem Rundhohlleiterbereich
angeordnet, in dem sich eine stehende E01-Welle ausbildet, vorzugsweise im Bereich
des ersten Maximums der H -Komponente der stehenden E01-Welle, bezogen auf die Querschnittsverringerung.
Die Ausappoldffnungon sind als vier 1s900 versetzte, mit ihrer Längsachse in einer
gemeinsamen Querschnittsebene des Rundhohlleiters verlaufende Koppelachlitze ausgebildet,
durch
die die E01-Welle und die H11-Welle ausgekoppelt wird. Die E01-Welle regt die an
den gegenüberliegenden Koppelschlitzen Jeweils angeschlossenen Hohlleiter gleichphasig
an, während durch die H11-Welle diese Hohlleiter gegenphasig angeregt werden. Die
Weiterleitung der ausgekoppelten Energie erfolgt in den mit ihrem vollen Querschnitt
an den Rundhohlleiter angeschlossenen Rechteck-Verbindungshohlleitern, von denen
Jeweils zwei - von diametral gegenüberliegenden Auskoppelstellen kommend -in einer
Hohlleiterverzweigung 41 bzw. 48 mit Jeweils einem Ausgang für das Differenz-Signal
E01 zusammengeführt sind. Diese Hohlleiterverzweigungen besitzen keinen Ausgang
für das jummensignal H11, so daß die aus dem Rundhohlleiter 1 ausgekoppelten gegenphasigen
Signaltanteile H11 in der Hohlleiterverzweigung total reflektiert werden.
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FUr die Dimensionierung der den Wellenwiderstand der Rechteck-Verbindungshohlleiter
bestimmenden Hohlleiter-Schmalseiten muß einerseits beachtet werden, daß zur Vermeidung
von Reflexionen im Rundhohlleiter eine möglichst schwache Ankopplung an die H11-Welle
erforderlich ist und andererseits eine möglichst gute Anpassung in der Auskopplung
für die E01-Welle erzielt werden soll.
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Eine Anpassung in der Auskopplung für die E01-Welle kann dadurch erzielt
werden, daß der Wellenwiderstand ZH10 des Rechteckhohlleiterquerschnittes etwa gleich
groß ist wie der Wellenwiderstand 01 des Rundhohlleiterquerschnittes; die Bedingung
einer schwachen Ankopplung an die H11-Welle kann durch die Wahl eines gegenüber
dem Wellenwiderstand ZH10 des Rechteckhohlleiters wesentlich größeren Wellenwiderstandes
ZHl1 des Rundhohlleiters erfüllt werden.
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In der Praxis zeigt sich Jedoch, daß man von der Anpassungsbedingung
relativ weit abgehen und dementsprechend hohe Koppeldämpfungen zulassen muß, um
ausreichend geringe Reflexionen im Rundhohlleiter zu erhalten.
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Dies hat Jedoch extrem flache Rechteck-Hohlleiterquerschnitte mit
Hohlleigrschmalseiten in der Größenordnung von beispielsweise 0,5 mm zur Folge,
die eine starke Toleranz-Empfindlichkeit und eine geringe Spannungsfestigkeit aufweisen.
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Zur Behebung dieser Schwierigkeiten und zur Vermeidung von derart
kleinen Hohlleiterschmalseiten sind gemäß der Erfindung die Rechteck-Verbindungshohlleiter
hinsichtlich ihres Wellenwiderstandes in Abständen von derart gestuft, daß der in
den Hohlleiter-Verzweigungen für die Mtzwelle auftretende Kurzschluß oder Leerlauf
an den Ort der Auskoppelöffnungen des Rundhohlleiters zu ausreichend niedrigen Reaktanzwerten
transformiert wird.
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Im Falle eines Kurzschlusses'für die Nutzwelle, der beim Ausführungabeispiel
deshalb angenommen werden kann, weil die H11-Welle,die jeweils an den gegenüberliegenden
Koppelschlitnn angeordneten Rechteckhohlleiter gegenphasig anregt, was zur Folge
hat, daß die sich fortpflanzenden Wellen an der Hohlleiterverzwe igung sich aufheben,
wird die Transformation über eine geradzahlige Anzahl, im Falle eines Leerlaufes
über eine ungeradzahlige Anzahl von k/4-Stufen vorgenommen. Beim AusfUhrungsbeispiel
sind die Rechteck-Verbindungshohlleiter dementsprechend in vier k/4-Abschnitte 31
bis 34 unterschiedlichen Wellenwiderstandes unterteilt.
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Zum besseren Verständnis sind in den Fig. 3 und 4 Ersatzschaltbilder
der erfindungsgemaßen Anordnung Jeweils für die H11-Welle und die E01-Welle angegeben.
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In dem Ersatzschaltbild für die H11-Welle nach Fig. 3 ist der Rundhohlleiter
durch den Wellenwiderstand ZH11 gekennzeichnet. Die vom Rundhohlleiter abgehenden
Rechteck-Verbindungshohlleiter sind in vier Abschnitte unterteilt, die abwechselnd
den Wellenwiderstand Z1 und Z2 aufweisen. Das Ende des Rechteck-Verbindungshohlleiters
ist mit einem Kurzschluß für die Nutzwelle abgeschlossen, dessen Kurzschlußreaktanz
Zk wie folgt durch den Rechteck-Verbindungshohlleiter transformiert wird. Durch
den an den Kurzschlußort sich anschließenden /4-Verbindungshohlleiterabschnitt des
Wellenwiderstandes Z2 wird nun die Kurzschlußreaktanz gemäß der folgenden Beziehung
in die Reaktanz Z21=z2/zk transformiert. Der sich anschließende A/4-Abschnitt mit
einem gegenüber dem Wellenwiderstand Z2 kleinerem Wellenwiderstand Z1 weist nun
für die H11-Welle eine Eingangsreaktanz ZE2 gemäß der folgenden Beziehung
auf. Durch die nachfolgenden Transformationen der folgenden zwei Abschnitte mit
den Wellenwiderständen Z2 und Z1 ergibt sich die Größe der Reduzierung der an die
Auskoppelstelle des Rundhohlleiters transformierten Kurzschlußreaktanz Zk gemäß
der folgenden Beziehung
Da Z1 kleiner als Z2 gewählt ist, ergibt sich die weitere Beziehung
ZE4« Zk, deren praktische Bedeutung sich dadurch zeigt, daß bei einer Messung der
am Ort der Auskoppelöffnung auftretenden Impedanz sich bei den vorstehend gestuften
Verbindungshohlleitern eine um den Faktor (Zl/z2)4 niedrigere Impedanz ergibt, als
bei ungestuften Verbindungshohlleitern. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn
die Länge der Verbindungshohlleiter geringfügig von einem Vielfachen von A/4 abweicht,
wodurch sich im ungestuften Fall eine unerwünscht hohe Impedanz an der Auskoppelstelle
des Rundhohlleiters ergibt, während sich im Fall der gestuften Verbindungshohlleiter
noch eine ausreichend geringe Impedanz einstellt.
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In dem Ersatzschaltbild für die E01-Welle nach Fig. 4 ist der Rundhohlleiter
durch den Wellenwiderstand zE01 gekennzeichnet und durch einen hinsichtlich seiner
Lage frequenzabhängigen Kurzschluß infolge des Querschnittsprunges abgeschlossen.
Die vom Rundhohlleiter abgehenden Rechteck-Verbindungshohlleiter sind wiederum in
vier Abschnitte unterteilt, die abwechselnd den Wellenwiderstand Z1 und Z2 aufweisen.
Das Ende des Rechteck-Verbindungshohlleiters ist mit einer Impedanz R abgeschlossen,
die der in der Hohlleiterverzweigung auftretenden Impedanz einer Auskoppelsonde
für die E01-Welle entspricht.
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Bei einer Anzahl von vier A/4-Ab.«chnitten ergibt sich die Größe der
Reduzierung der an d> Aukoppelstelle des Rundhohlleiters transformierten Impedanz
der Sonde zur
Auskopplung der E01 -Welle durch den Faktor
Im Ausführungsbeispiel für die Frequenzbereiche 4-6GHz konnte für eine noch beherrschbar
klein gewählte Schmalseite b1 der dem Verzweigungsort benachbarten ersten Stufe
von 2mm und einem Stufenverhältnis von
ein ausreichend gutes Reflexionsverhalten der H11-Welle im Rundhohlleiter erzielt
werden.
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Im folgenden soll das für Erdefunkstellen des Frequenzbereiches 4-6GHz
vorgesehene Ausfifhrungsbeispiel eines E01-Modenkopplers ohne Summenauskopplung
nach Fig. 2, bei dem die E01-Welle im Bereich 3,7 bis 4,2GHz über vier Schlitzkopplungen
in einzelne Rechteck-Verbindungshohlleiter ausgekoppelt wird, noch näher beschrieben
werden. Die Zusammenführung Jeweils zweier, an diametral gegenüberliegenden Schlitzkopplungen
des Rundhohlleiters angekoppelter Rechteck-Verbindungshohlleiter in der Hohlleiterverzweigung
41 bedingt eine dreifache Krümmung Jedes einzelnen der vier Jeweils aus den vier
Abschnitten 31 bis 34 gestuften Wellenwiderstandes und der Länge A/4 zusammengesetzten
Rechteck-Verbindungshohlleiter.
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Der erste Abschnitt ist hierbei ein mittels eines Flansches 21 mit
seinem vollen Querschnitt an eine Auskoppelöffnung des Rundhohlleiters angeschlossener,
huber seine Breitseite in Richtung der Längsachse des Rundhohlleiters 1 abgewinkelter
90 0-E-Krümmer 31. Der sich daran anschließende zweite Abschnitt ist als über seine
Schmalseite abgewinkelter 900-H-Kriimmer 32 ausgeführt, an den
sich
als dritter Abschnitt ein über seine Breitseite abgewinkelter 900-E-Krürmer 33 anschließt.
Der vierte Abschnitt des Rechteck-Verbindungshohlleiters schließt sich als gerader
Hohlleiterabschnitt 34 an den 900 -E-Krümmer 33 an und mündet in die Hohlleiterverzweigung
41, die weiterhin mit dem vierten Abschnitt 34' des von der diametral gegenüberliegenden
Auskoppelstelle ausgehenden, gleich aufgebauten Rechteck-Verbindungshohlleiters
in Verbindung steht. Die Hohlleiterverzweigung 41 ist in der Stoßebene von Je zwei
zusammenkommenden vierten Abschnitten 34, 34' der Rechteck-Verbindungshohlleiter
mit einer kapazitiv koppelnden koaxialen Sonde zur Auskopplung der E01-Welle versehen.
In dieser Ebene erfolgt auch die Auslöschung der von der H11-Welle herrührenden
gegenphasigen Feldkomponenten.
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Die weiteren zwei, vom Rundhohlleiter gegenüber den vorstehend beschriebenen
Hohlleiterbauelementen Jeweils um 90° versetzt ausgehenden Rechteck-Verbindungshohlleiter
46 und 47 sind mit diesen aufbaugleich und in einer zweiten Hohlleiterverzweigung
48 zusammengefaßt.
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Der einzige, aus topologischen Gründen erforderliche Unterschied ergibt
sich durch einen entgegengesetzten KrUmmungssinnder den ersten Abschnitt bildenden,
über die Breitseite abgewinkelten 900-E-Krürmer 49. Bedingt durch diesen unterschiedlichen
Krümmungssinn ist die koaxiale Sonde der Hohlleiterverzweigungen 41 bzw. 48 an entgegengesetzten
Seiten, einmal innen und einmal außen bezogen auf den Rundhohlleiter 1 angebracht.
Die koaxialen Ausgänge der beiden Hohlleiterverzweigungen 41 und 48 führen über
gleichlange, als Semirigid-Kabel ausgeführte Koaxialleitungen 45, 45' zu einem für
die weitere Aufsummierung vorgesehenen koaxial angepaßten Leistungsteiler 51.
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Es besteht auch die Möglichkeit, den koaxialen Leistungsteiler 51
durch ein 180°-Hybrid mit einem Summen- und
einem Differenz-Ausgang
zu ersetzen. In diesem Fall können die koaxialen Sonden der Hohlleiterverzweigungen
41 und 48 bezüglich des Rundhohlleiters an übereinstimmenden Seiten angebratht werden.
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In der Praxis ergibt sich eine größtmögliche Auskoppel-Bandbreite
dann, wenn die in einer gemeinsamen Querschnittsebene des Rundhohlleiters verlaufenden
Koppelschlitze in das bezüglich der Querschnittsverringerung erste Maximum der Hp-Komponente
der stehenden E01-Welle gelegt wird. Mit kleiner werdendem Querschnitt wird der
Rundhohlleiter 1 niederohmiger für die E01-Welle, was in Bezug auf die Widerstands-Anpassung
an die sehr niederohmigen Rechteck-Verbindungshohlleiter und damit für die Koppeldämpfung
von Vorteil ist. Bei einem realisierten Ausführungsbeispiel zeigt sich weiterhin,
daß die Auskoppelstelle auch in Bereiche des Reflexionskegels hineinverlegt werden
kann, in denen nach der Theorie für die tiefste zu übertragende Frequenz bereits
eine aperiodische Ausbreitung für die E01-Welle beginnt.
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4 Patentansprüche 4 Figuren
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