DE2842890A1

DE2842890A1 - Koppler fuer zwei wellenleiter

Info

Publication number: DE2842890A1
Application number: DE19782842890
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Boujet; Jean Dietz
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1978-10-02
Publication date: 1979-04-12
Also published as: NL7810112A; DE2842890C2; NL179015C; GB2005923A; NL179015B; GB2005923B; FR2405559A1; FR2405559B1; JPS5927481B2; US4210880A; JPS5461446A; CA1121473A

Description

2. Okt. 1978

KOPPLER FÜR ZWEI WELLENLEITER

Die Erfindung betrifft einen Koppler für Wellenleiter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein derartiger Koppler wird dazu verwendet, zwei Rechteckwellenleiter miteinander zu verbinden, die elektromagnetische Wellen in Höchst frequenzbare ich leiten.

In der Druckschrift Montgomery Collection MIT, Bd. 2, Seiten 897 bis 905 wird ein Koppler mit zwei Kopplungsarmen oder -zweigen beschrieben, über die zwei parallele Hauptwellenleiter miteinander verbunden werden.

Später wurde ein Koppler unter Verwendung der Tscheby— schowschen Polynome berechnet (IRE TRANS M.T.T., Oktober 1958, Seiten 398 bis 403) . Eine Variante dieses Kopplers wird auch im Buch von Matthei "Microwave Filters and Coupling", MC Grawflill, Seiten 819 bis 841, untersucht.

In diesen beiden Fällen erfolgt die Kopplung zwischen zwei Rechteckwellenleitern (TE ΙΟ-Mode) durch T-förmige Verbindungen in der E-Ebene.

Die Kopplungsarme liegen senkrecht zu den Hauptwellenleitern.

Der Abstand zwischen den Achsen der Kopplungsarme and die Länge dieser Ame betragen etwa X g/4, wobei X g die mittlere Länge der geführten Welle für das zu übertragende Frequenzband ist.

Die Anzahl der erforderlichen Kopplungsarme hängt vom gewünschten Kopplungswert, vom annehmbaren Anteil von stehenden

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Wellen und von der erforderlichen Gerichtetheit und zwar in einem gegebenen Frequenzband ab.

In herkömmlicher Weise werden diese Koppler in Form zweier Halbschalen gebildet, die in einer Verbindungsebene zusammengesetzt werden, die durch die Mittellinien der großen Seiten der Hauptwellenleiter und der die Kopplungsarme bildenden Wellenleiter verläuft. Diese beiden Schalen werden aus zwei ausgehend von der Verbindungsebene ausgehöhlten Blöcken hergestellt, wobei durch die Aushöhlung die Hauptwellenleiter und die Kopplungsarme entstehen. Zunächst wird in jeden dieser Blöcke eine Hälfte eines ersten Hauptwellenleiters und eine Hälfte eines zweiten Hauptwellenleiters, der parallel zum ersten verläuft und dieselbe Breite b und Tiefe a/2 aufweist, eingeschnitten, bevor dann mehrere untereinander parallele und dieselbe Länge

λ g/4 aufweisende halbe Kopplungsarme hergestellt werden. Anschließend werden die beiden Schalen so zusammengesetzt, daß die halben Hauptwellenleiter sowie die halben Kopplungsarme sich gegenüberliegen.

Zur Erzielung guter elektrischer Leistungen und vor aIlen Dingen geringer passiver leitungsverluste muß die Verbin— dungsebene in einem Rechteckwellenleiter des (TE 10) Modes durch die Mittelpunkte der großen Seiten der Hauptwellenleiter und der die Kopplungsarme bildenden Wellenleiter, d.h. durch die Mittellinien der großen Seitenflächen verlaufen, denn in der Nähe dieser Mittellinien gibt es keinen elektromagnetischen Strom in Längsrichtung, so daß ohne nachteilige Auswirkung auf die Herstellung von perfekten mechanisch-elektrischen Kontakten

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zwischen den beiden Halbschalen verzichtet werden kann.

Aus diesem Grunde werden derartige Kopplungen technisch so hergestellt, da β zunächst zwei Halbschalen gebildet werden, wobei diese Herstellungsweise um so vorteilhafter ist, als eine grofle Anzahl von Hyperfrequenzbauteilen oft in einem Metallteil untergebracht werden sollen, das in derartigen Fällen dann gänzlich aus zwei Schalen gebildet werden kann, die nach geeigneter Bearbeitung zusammengesetzt werden.

Im Höchstfrequenzbereich, dessen Frequenzspektrum sich von einem GHz bis zu mehreren 100 GHz erstreckt, können verschiedene Herstellungsverfahren eingesetzt werden, jedoch ist ab 10 GHz die Herstellung der Kopplungshalbarme wegen der geringen Abmessung der Hauptwellenleiter schwierig. Dann kann man entweder auf die Elektroerosion oder auf einen Kammhobel zum Ausfräsen der Kopplungsarme zurückgreifen. Im ersteren Fall kann aufgrund der großen Wanddicke keine gute Reproduzierbarkeit erreicht werden, während bei Verwendung eines Kammhobels zum Ausschneiden der Kopplungsarme ein kostspieliges Werkzeug nötig ist-und die mechanische Bearbeitung lang. ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Koppler für Wellenleiter geringer Abmessungen für ein breites Frequenzband, einen geringen Stehwellenanteil und eine große Gerichtetheit anzugeben, der besonders einfach herstellbar ist, bei dem ein Standardwerkzeug zum Einsatz kommt und nur eine sehr kurze Bearbeitungszeit erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch den Koppler gemäß Anspruch 1 gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausfuhrungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

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Durch die Wahl des Winkels A ungleich 90° wird eine leichte Bearbeitung der Kopplungshalbarme mit Hilfe einer Rundfräse ermöglicht, deren Rotationsachse parallel zur Verbindungsebene oberhalb dieser Ebene und senkrecht zu den halben Kopplungsarmen liegt, ohne daß dabei die Gefahr besteht, da β die Fräse gleichzeitig die beiden großen Seitenflächen jedes der Hauptwellenleiter berührt.

Anhand der beiliegenden sieben schematischen Figuren werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Soweit in mehreren dieser Figuren gleiche Bauteile auftreten, werden sie mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Koppler für Wellenleiter bekannter Bauart.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemäßen Koppler.

Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Halbschale aus leitendem Material, die eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Kopplers bildet.

Die Figuren 4 und 5 zeigen Schnitte durch die Schale aus Fig. 3 entlang Schnittebenen IV-IV und V-V parallel zur Verbindungsebene bzw. senkrecht «dieser Verbindungsebene durch die Achse eines halben Kopplungsarms.

Fig. 6 zeigt eine Aufsicht auf eine Halbschale, die eine Hälfte eines Diplexers mit zwei erfindungsgemäten Kopplern bildet.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch die Halbschale aus Fig. 6 in einer Ebene, die senkrecht zur Ebene der Fig. 6 und durch die Achse eines Hauptwellenleiters verläuft.

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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Koppler handelt es sich um eine Variante des bekannten Kopplers aus Fig. 1 mit verzweigten Armen in Form von Rechteckwellenleitern. Der Koppler aus Fig. 2 weist im Gegensatz zu den herkömmlichen T-förraigen Kopplungsarmen stark geneigte Kopplungsarme auf (45°, 60° und mehr) , während die herkömmlichen Kopplungsarme senkrecht zu den Hauptwellenireitern 12 und 14 verlaufen. In Fig. 2 wird gestrichelt die Verbindungsebene zwischen den beiden Halbschalen angedeutet.

Dieser-.Koppler wurde hergestellt mit einem Neigungswinkel A der Kopplungsarme von 45° und einer Dämpfung von 3 dB bzw. von 30° und einer Dämpfung von 3 dB.

Störkapazitäten und Störinduktion scheinen hier geringer zu sein als bei einer herkömmlichen Kopplung mit verzweigten Armen, woraus sich βehr gute elektrische. Leistungen ergeben.

Außerdem gestattet die Neigung der Kopplungsarme eine

einfache Herstellung. Die Abstände zwischen entsprechenden Punkten der öffnungen der Arme in jeder der großen Seitenflächen der Wellenleiter betragen A g/4, während die Länge der Arme etwas unter λ g/4 liegt; die Neigung der Arme gestattet dann die Verwendung einer relativ dünnen Wandung 11 (Fig. 4 und 5) zwischen den beiden Hauptwellenleitern 12 und 14, und zwar umso dünner, je stärker die Arme geneigt sind, d.h. je kleiner der Winkel A ist. Dieses Kennzeichen ist vor allem bei niedrigen Frequenzen des Höchstfrequenzapektrums vorteilhaft, wenn man Gewicht und Volumen des Kopplers verringern möchte. Die Wanddicke beträgt etwa 0,23 *g sin A.

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Es wurde ein Hybridkoppler mit 3dB Dämpfung für ein Frequenzband von 31 bis 48 GHz hergestellt. Die Seiten a und b der Hauptwellenleiter hatten folgende Länge ι a = 7,112 mm

b = 3,556 mm

Für dieses Frequenzband ist die Bandbreite groß, d.h. etwa 40%, was die Länge der geführten Welle betrifft. Damit der Koppler mit Richtwirkung einen Stehwellenanteil von weniger als 1,05 aufweist, sind acht Kopplungsarme erforderlich. Als Neigungswinkel für die Arme wurde 60° gewählt, d.h. A = 30°.

Bei dieser Kopplungsbauart sind die Phasenebenen an den Ausgängen der beiden Hauptwellenleiter zueinander verschoben und hängen von der Neigung der Kopplungsarme ab.

Unabhängig vom Kopplungswert kann ein derartiger Koppler auf einfache Weise mit Standardwerkzeug hergestellt werden. Dies ist besonders wichtig für Frequenzen zwischen 10 GHz und 100 GHz und höher,, wo die Wellenleiter sehr klein sind.

Zur Herstellung dieses Kopplers mit schräxj liegenden Armen werden Standardfräsen beispielsweise mit 20 mm Durchmesser für einen Wellenleiter WR„_O verwendet, bei dem

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a «= 7,112 mm

b = 3,556 mm ist.

Die Figuren 4 und 5 zeigen die Stellung der Fräse 16 während des Bearbeitungsvorgangs an einem Kopplungsarm 10.

Es zeigt sich, daß aufgrund der Neigung des Arms lediglich die zentral liegende Wandung bearbeitet wird.

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Bei herkömmlichen Verzweigungskopplern ist diese Bearbeitung selbst mit kleinen Sonderfräsen nicht möglich.

Außerdem kann die Achse 18 der Fräse einen großen Durchmesser besitzen und gewährleistet dadurch eine sehr präzise Bearbeitung.

Diese Bearbeitung kann auf einer Standardpräzisionsfräse in weniger als 30 Minuten für einen in Serienfertigung hergestellten Koppler durchgeführt werden.

Wenn bei der Bearbeitung einer Kopplungsschale die Achse 18 oberhalb der Verbindungsebene liegen soll und die Halbkopplungsarme über ihre gesamte Tiefe bearbeitet werden sollen, ohne daß die der Mittelwand 11 gegenüberliegenden großen Seitenflächen der Hauptwellenleiter 12 und 14 berührt werden sollen, dann muß der Sinus A kleiner als 2 b(a-k) sein (siehe Fig. 5), denn der Sinus A muß erheblich unter diesem Wert liegen, wenn man eine Achse 18 mit großem Durchmesser verwenden will, die oberhalb der Verbindungsebene liegen soll.

Die Figuren 6 und 7 zeigen Anwendungsfälle für zwei Hybridkoppler 3dB in einem Frequenz-Diplexer.

Dieses im Prinzip gut bekannte System enthält zwei Bandfilter, jeweils eines in jedem der Hauptwellenleiter, die aus Hohlräumen 20, 22, 24 bestehen, die durch Irisblenden 26, 28, 30, 32 begrenzt werden und mit Stellschrauben wie beispielsweise 34 versehen sind, mit denen je eine Siliziumoxydstange 36 in den Hohlraum eingeführt wird. Diese beiden Filter liegen zwischen zwei Kopplern 3dB Cl und C2 der bereits beschriebenen Bauart.

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In einen Eingangskanal Vl, der einen Hauptwallenleiter bildet, gelangen zwei Frequenzbänder Bl und B2. Der Koppler Cl teilt die Energie in zwei gleiche Teile auf. Die auf Bl abgestimmten Bandfilter_sind für dieses Band Bl durchlässig, und die Energie wird mit Hilfe des Kopplers C2 wieder zusammengeführt und gelangt in den Kanal V4.

Dagegen wird das Frequenzband B2 an den Bandfiltern reflektiert, und aufgrund der Phaseneigenschaften des Kopplers Cl gelangt die Energie von B2 in den Kanal V2. Dieses System ist reziprok.

Als Neigungswinkel für die Kopplungsarme wurde 60° gewählt, d.h. A = 30°.

Die beiden Filter sind 1,42 mm verschoben zueinander, um die durch die schräg liegenden Kopplungsarme hervorgerufenen Phasenunterschiede auszugleichen; die Verschiebung der öffnungen der Arme in den Hauptwellenleitern im Verhältnis zu den entsprechenden öffnungen der Arme in dem anderen Hauptwellenleiter beträgt 2,08 mm. Die Verschiebung der Filter scheint stets kleiner sein zu müssen als die der Armöffnungen, muß jedoch dabei größer als die Hälfte sein.

Die Bandfilter können durch Hoch- oder Tiefpassfilter je nach gewünschtem System ersetzt werden.

Dieser Diplexer kann in Unterband-Filtersystemen, in Rundhohlleiterverbindungen, in Richtfunkverbindungen oder Leistungsfiltern eingesetzt werden, bei denen die Sendeenergien verschiedener Quellen einer einzigen Antenne zugeführt werden sollen.

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Die erfindungsgemäßen Koppler mit schräg liegenden Kopplungsarmen gestatten die Erzielung ausgezeichneter elektrischer Kennwerte in breiten Frequenzbändern.

Mit derartigen Kopplern kann eine Richtwirkung von mehr als 3OdB und einem Frequenzband von 32 bis 40 GHz mit einem Stehwellenanteil von weniger als 1,05 und einer Einfügungsdämpfung von weniger als 0,15dB erreicht werden.

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Claims

Po ίο 979 D 2. Okt. 1978

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COMPAGNIE INDUSTRIELLE HES TELECOMMUNICATIONS Crr-ALCATEL S.A.

12, rue de la Baume, 75008 PARIS, Frankreich

KOPPLER FÜR ZJWEI WELLENEBITBR

PATENC ANSPRÜCHE

1 4 Koppler für zwei parallel verlaufende Wellenleiter mit Rechteckquerschnitt, mit Hilfe von mehreren zueinander parallelen, zwischen je einer großen Seitenfläche der beiden Wellenleiter verlaufenden Kopplungsarmen, die ebenfalls Rechteckquerschnitt . aufweisen und deren große Seiten dieselbe Länge wie die großen Seiten der Wellenleiter besitzen und an diese anschließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptebenen der Kopplungsarme (10) mit der Hauptebene der Wellenleiter (12, 14) einen von 90° deutlich verschiedenen Winkel einschließen.

2 - Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen 25 und 50° liegt.

3 - Koppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinuswert des Winkels kleiner als 2b/(a-k) gewählt ist, wobei a und b die große bzw. kleine Seitenlänge der Wellenleiter und k die Länge der Kopplungsarme angeben.

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4 - Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei Halbschalen zusammengesetzt ist, deren Verbindungaebene durch die Mittellinien der großen Seiten der Wellenleiter und der Kopplungsarme verläuft.

5 - Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennze ichnet, da S er mit einem zweiten gleichartigen Koppler und zwei dazwischengeschalteten Filtern in je einem der beiden Wellenleiter einen Diplexer bildet, wobei der genannte Winkel in beiden Kopplern gleich ist und in gleicher Richtung verläuft und wobei die beiden Filter zueinander in Längsrichtung der Wellenleiter um einen Wert verschoben sind, der zwischen 50 und 100% der Verschiebung der öffnungen der Kopplungsarme in den beide η -.We lie nie lter η aufgrund des genannten Winkels beträgt (Fig.6).

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