DE3617143C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Polarisationswandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der GB 6 63 889 bekannt ist.

Polarisationswandler gewinnen zunehmende Bedeutung im Zusammen­ hang mit der Satelliten-Kommunikation. So werden den installier­ ten Satelliten die Fernsehprogramme z. B. in Form von zirkular polarisierten Signalen zugeführt, und die Satelliten strahlen diese Signale ebenfalls in zirkularer Polarisation ab. Dazu sind auf der Erde sender- wie empfängerseitig Polarisationswandler erforderlich.

Die von den Polarisationswandlern zu verarbeitenden Signale lie­ gen innerhalb eines bestimmten Nutzfrequenzbandes (für die Fern­ sehsignale z. B. im Bereich 11,7 bis 12,5 GHz). Innerhalb dieses Nutzfrequenzbandes muß eine Vielzahl von Kanälen, die sich je­ weils durch den Frequenzbereich unterscheiden, einwandfrei über­ tragen werden können. Für die Polarisationswandler bedeutet dies, daß die Phasendifferenz zwischen den beiden orthogonalen Komponenten der einfallenden Welle über das gesamte Nutzfre­ quenzband möglichst konstant 90 Grad betragen soll. Bei den bis­ her bekannten Bauarten verändert sich die Phasendifferenz jedoch mit wachsender Frequenz, d. h. der Phasenwinkel zwischen zwei linear polarisierten Wellen wird mit wachsender Frequenz klei­ ner. Damit liegt für die Kanäle am Anfang des Nutzfrequenzbandes eine größere Phasendifferenz als für die Kanäle am Ende des Nutzfrequenzbandes vor. Wenn man die gewünschte Phasenverschie­ bung von 90 Grad genau in die Mitte des Nutzfrequenzbandes legt, so erhält man Qualitätsverschlechterungen durch Übersprechen bei Frequenzdoppelausnutzung für die Kanäle am Anfang und am Ende des Nutzfrequenzbandes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Polarisations­ wandler mit einer geringen Eingangsreflexion zu schaffen, der für eine gewünschte Phasendifferenz über eine möglichst große Nutzbandbreite einen annähernd konstanten Verlauf der Phasendif­ ferenz ermöglicht, so daß eine geringe Eingangsreflexion und eine hohe Kreuzpolarisations-Entkopplung über eine große Band­ breite gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Eine Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.

Die Anregung einer höheren Eigenwelle verändert den Phasengang der Grundwelle (H _{d 1}). Eine Resonanzstelle oberhalb des Nutzfre­ quenzbands bewirkt, daß der frequenzabhängige Phasendifferenz- Verlauf nunmehr im Bereich des Nutzfrequenzbandes konstant oder annähernd konstant ist. Die Resonanzstelle kommt dadurch zustan­ de, daß die durch die besondere Kontur der Zunge angeregte höhe­ re Welle nur in einem bestimmten Bereich der Zunge ausbreitungs­ fähig ist. Wie Versuche gezeigt haben, ist die angeregte höhere Welle im wesentlichen im Bereich der maximalen Eintauchtiefe der Zunge ausbreitungsfähig. Der Phasengang ist der Verlauf der Pha­ sendifferenz, die sich zwischen den beiden orthogonalen Kompo­ nenten (d ₁ und d ₂) der einfallenden Welle nach Durchlauf durch den Polarisationswandler ergibt. Die Zunge hat, ausgehend von ihrer Basis an einer Innenwandung des Polarisationswandlers, in Eintauchrichtung einen Mittelbereich mit einer maximalen Er­ streckung zur Basis und beiderseits davon identische Seitenbe­ reiche mit kontinuierlich abfallenden Konturen. Eine derartig gestaltete Zunge hat einen definierten Bereich, mit dem sie maximal in den Innenraum des Hohlleiters eintaucht. Je nach Aus­ bildung dieses definierten Maximalbereiches kann die Lage der Resonanzstelle gewählt werden. Wie Versuche gezeigt haben, sind für die genaue Bestimmung des Resonanzpunktes insbesondere zwei Werte des Mittelbereiches der Zunge maßgebend: die maximale Er­ streckung in Eintauchrichtung und die maximale Erstreckung in Längsrichtung des Polarisationswandlers.

Besonders gute Werte werden dadurch erreicht, daß der Mittelbe­ reich der Zunge gegenüber den Seitenbereichen stufig abgesetzt und mit einer parallel zur Grundlinie verlaufenden Kante verse­ hen ist, und daß die Kanten der kontinuierlich abfallenden Sei­ tenbereiche gekrümmt und die Seitenbereiche an den Enden recht­ winklig zur Grundlinie der Zunge abgesetzt sind. Durch die kon­ vex gekrümmten Kanten der Seitenbereiche wird eine geringe Ein­ gangsreflexion bei kurzer Baulänge erreicht. Ferner ist duch Verändern der Erstreckung des Mittelbereiches in Längsrichtung und der Eintauchtiefe eine genaue Anpassung an die gewünschten Werte möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt des Polarisationswandlers,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Polarisationswandlers,

Fig. 3 eine Zunge für den Polarisationswandler,

Fig. 4 ein zugehöriges Koordinatensystem,

Fig. 5a den Verlauf der durch Versuche ermittelten Grenzfre­ quenzen der relevanten Eigenwellen in Abhängigkeit von der Erstreckung der Zunge in Eintauchrichtung,

Fig. 5b den der Messung zugrunde gelegten Polarisationswandler,

Fig. 6 den Verlauf der Phasendifferenz in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 7 den Verlauf der berechneten und der gemessenen Isolation in Abhängigkeit von der Frequenz und

Fig. 8 den berechneten und gemessenen Verlauf der Rückfluß­ dämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz.

Gemäß Fig. 1 und 2 hat der Polarisationswandler 10 einen quadra­ tischen Querschnitt mit der Kantenlänge 11 und eine Gesamtlänge 12. Mit 13 ist der Innenraum des Polarisationswandlers 10 be­ zeichnet. Gemäß Fig. 1 ragt in den Innenraum 13 von einer Ecke aus eine metallische Zunge 14, die an ihrer Basis 15 im Eckbereich befestigt ist und mit den benachbarten Wänden einen Winkel von 45 Grad bildet. Die Zunge 14 besitzt einen Mittel­ bereich 16 und zwei Seitenbereiche 17. Der Mittelbereich 16 hat eine parallel zur Basis 15 verlaufende Kante 18, und die beiden Seitenbereiche 17 haben konvex gekrümmte Kanten 19. Mit 1 ist die maximale Erstreckung des Mittelbereiches in z-Richtung be­ zeichnet. Mit s(z) ist die sich in z-Richtung ändernde Ein­ tauchtiefe der Zunge 14 bezeichnet. Mit s _max ist die größte Ein­ tauchtiefe der Zunge 14 im Mittelbereich 16 bezeichnet.

Die Zunge 14 nach Fig. 3 hat ausgeprägte Absätze 20 zwischen dem Mittelbereich 16′ und den Seitenbereichen 17′, und die Kanten 19′ fallen im Endbereich der Zunge 14′ rechtwinklig gegen die Basis 15′ ab.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Polarisationswandler zur Umbildung von zirkular polari­ sierten Signalen in horizontal und vertikal polarisierte Signa­ le und umgekehrt. Die Fig. 1 bis 3 zeigen den prinzipiellen Auf­ bau des Polarisationswandlers mit einer schräg angeordneten me­ tallischen Zunge. Einfallende Grundwellen mit entgegengesetzter zirkularer Polarisation werden in in x- und in y-Richtung linear polarisierte Wellen umgewandelt, d. h. in H ₀₁- und H ₁₀-Wellen. Die H _{d 1}-Welle, die eine in d ₁-Richtung lineare Kombination der H ₁₀- und H ₀₁-Welle ist, sollte im Idealfall entlang der Zunge 14/14′ einen Phasenunterschied von -90 Grad gegenüber der H _{d 2}- Welle erhalten, die in ihrer Phasenkonstante fast nicht gestört ist.

Fig. 5a zeigt den Verlauf der experimentell ermittelten unteren Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Erstreckung der Zunge 14/14′ in Eintauchrichtung. Bei s = 0 hat die Grundwelle mit ihren Komponenten H _{d 1} und H _{d 2} eine Grenzfrequenz von etwa 9,4 GHz, während die höhere Welle H ₂ eine Grenzfrequenz von etwa 18,8 GHz aufweist. Mit wachsender Eintauchtiefe der Zunge 14/14′, d. h. bei wachsendem s, sinkt die Grenzfrequenz der höhe­ ren Welle H ₂ und der Komponente H _{d 1} der Grundwelle, während sich die Grundfrequenz der H _{d 1}-Welle nicht ändert. In Fig. 5b ist schematisch der Polarisationswandler angedeutet, der den expe­ rimentell ermittelten Werten zugrunde gelegt wurde. Dabei hat die Kantenlänge einen Wert von 15,5 mm. Mit s ist die Erstrec­ kung der Zunge im Innenraum 13 bezeichnet.

Die höhere Eigenwelle H ₂ wird durch eine bestimmte Bemessung und Eintauchtiefe der Zunge 14/14′ angeregt, so daß oberhalb eines Nutzfrequenzbandes 21 (siehe Fig. 6) eine Resonanzstelle bei der Frequenz f _r auftritt. Die Resonanzstelle kommt dadurch zustande, daß die höhere Welle H ₂ nur im Bereich und in der näheren Umge­ bung der maximalen Eintauchtiefe der Zunge 14/14′ ausbreitungs­ fähig ist und somit dort eine Resonanz verursacht. In Fig. 6 ist der Verlauf der Phasendifferenz in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen. Mit den Buchstaben a, b, c ist der berechnete Ver­ lauf der Phasendifferenz bezeichnet, wobei keine Anregung der höheren Welle H ₂ berücksichtigt wurde. Dabei sind den Buchstaben a, b und c jeweils unterschiedliche, mit der Buchstabenfolge wachsende Werte der Länge l des Mittelbereiches 16/16′ der Zun­ ge 14/14′ zugeordnet; der Mittelbereich ist der Bereich, über den sich die maximale Eintauchtiefe der Zunge 14/14′ in Längs­ richtung des Polarisationswandlers 10 erstreckt. Der Wert s _max ist gemäß Fig. 6 z. B. so gewählt, daß alle Kurven a, b und c bei 12 GHz den gleichen Wert haben. Bei einer bestimmten Größe von s _max und l, d. h. bei einer bestimmten Eintauchtiefe und bei einer bestimmten Längserstreckung dieser Eintauchtiefe, wird je­ doch die höhere Welle H ₂ angeregt, und es bildet sich oberhalb des Nutzfrequenzbandes 21 eine Resonanzstelle f _r , so daß sich der Verlauf der Phasendifferenz im gewünschten Sinn ändert und nunmehr bei Berücksichtigung der Anregung den mit den Großbuch­ staben A, B und C bezeichneten Verlauf aufweist. Dabei sind den mit A, B und C bezeichneten Kurven wieder verschiedene, in dieser Reihenfolge wachsende Werte von l zugeordnet.

Daraus ist zu erkennen, daß der Verlauf der Phasendifferenz nun­ mehr in dem Nutzfrequenzband 21 praktisch konstant ist. Damit ergibt sich bei einer konstanten Phasendifferenz von 90 Grad eine hohe Kreuzpolarisations-Entkopplung über eine große Band­ breite. In erster Linie maßgebend für ein derartiges Verhalten ist eine bestimmte Bemessung der maximalen Eintauchtiefe s _max und der Länge l des s _max -Bereiches in Längserstreckung des Pola­ risationswandlers. Dieser konstante Bereich der Phasendifferenz im Verlauf der mit A, B und C bezeichneten Kurven kann innerhalb des Nutzfrequenzbandes 21 nach oben und unten verschoben werden, d. h. für verschiedene Phasenwinkel eingestellt werden.

In Fig. 7 ist die berechnete und die gemessene Entkopplung a _K in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Im Bereich des Nutz­ frequenzbandes 21 zeigen sich die gewünschten Verläufe.

Gemäß Fig. 8a ist, ebenfalls in Abhängigkeit von der Frequenz, der Verlauf der berechneten und der gemessenen Rückflußdämpfung a _R (Reflexionsdämpfung, Anpassung) dargestellt. Auch hier zeigen sich im Bereich des Nutzfrequenzbandes 21 die gewünschten Werte.

Claims (2)

1. Polarisationswandler zum Umwandeln von linear polarisierten in zirkular polarisierte Wellen und umgekehrt,
der aus einem Hohlleiter besteht, in den in Achsrichtung eine Zunge (14/14′) in Gestalt eines Blechteils mit in Achsrich­ tung definierter Kontur ragt,
und die Eintauchrichtung der Zunge (14/14′) ist gleich der Winkelhalbierenden der Polarisationsrichtungen der beiden linear polarisierten Grundwellen im Hohlleiter, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Kontur der Zunge (14/14′) in Wellen-Ausbrei­ tungsrichtung aus drei Abschnitten (19/19′, 18/18′ und 19/19′) derart zusammensetzt, daß zum Glätten der Frequenz- Charakteristik im Nutzfrequenzbereich eine höhere Eigenwelle H ₂ nacheinander angeregt, dann in einer Frequenz oberhalb des Nutzfrequenzbereichs in Resonanz gehalten und dann rückgewan­ delt wird, indem
der mittlere Abschnitt (18/18′) über eine Länge l eine kon­ stante Eintauchtiefe hat,
die Eintauchtiefe der beiden Seitenabschnitte (19/19′) gemäß einer Kurve mit konvexer Krümmung vom Mittelbereich zu den beiden Enden hin abnimmt, und
die Zungenenden und die Übergänge von den Seitenabschnit­ ten (19/19′) zum mittleren Abschnitt (18/18′) gestuft sind.

2. Polarisationswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (14/14′) in einem Schlitz oder einer Stoßfuge des Gehäuses des Polarisationswandlers (10) formschlüssig fi­ xiert und gehalten ist.