DE3785811T2 - Kurzschlitz-hybridkoppler grosser bandbreite. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Koppeleinrichtungen, die bei Mikrowellenfrequenzen betreibbar sind, und insbesondere auf verbesserte Breitband-Kurzschlitz-Koppler.
• Hybridkoppler werden in Mikrowellenschaltungen in breitem Umfang zum Koppeln eines Anteils der elektromagnetischen Energie in einem Wellenleiter zu einem anderen Wellenleiter eingesetzt. In einigen Fällen ist das Koppelverhältnis 1/2, um eine gleiche Aufteilung der Leistung zwischen den beiden Wellenleitern zu erzeugen. In anderen Fällen kann ein kleinerer Anteil der Leistung wie etwa 1/4 oder 1/10 der Leistung von einem Wellenleiter zum zweiten Wellenleiter gekoppelt werden. Bei einer üblichen Form eines Kopplers, die als Hybridkoppler bekannt ist, werden die beiden Wellenleiter aneinander angrenzend und in paralleler Beziehung angeordnet, so daß sie eine gemeinsame Wand teilen. Eine Öffnung oder ein Schlitz in der gemeinsamen Wand stellt die Kopplung der elektromagnetischen Energie bereit.
• Während derartige Koppler zufriedenstellend in relativ engen Frequenzbandbreiten, beispielsweise im Bereich von 5 bis 15% Bandbreiten bei 3dB-Kopplern im X-Band-Bereich, arbeiten, ist das Leistungsverhalten bei relativ breiten Bandbreiten nicht zufriedenstellend.
• Es würde daher einen Fortschritt des Standes der Technik daßstellen, einen breitbandigen, kompakten Hybridkoppler zu schaffen, der bei Mikrowellenfrequenzen betreibbar ist.
• Es wird ein Breitband-Kurzschlitz-Wellenleiter-Hybridkoppler geschaffen, bei dem zwei Wellenleiter in Seite-an-Seite-Beziehung bzw. seitlich nebeneinander angeordnet sind, wobei jeder der Wellenleiter aus metallischen Wänden und mit einem rechtwinkligen Querschnitt mit zwei Längswänden, die durch zwei Seitenwände verbunden sind, gebildet ist. Die beiden Wellenleiter teilen bzw. benutzen eine gemeinsame Seitenwand. Eine Koppelöffnung ist innerhalb der gemeinsamen Seitenwand angeordnet, um die hybride Kopplung zu schaffen. Durch die Hybridkopplung der elektromagnetischen Energie von dem ersten Wellenleiter zu dem zweiten Wellenleiter über die Öffnung in der gemeinsamen Wand wird inhärent eine Phasenverschiebung von -90º eingeführt. Ein Eingangsanschluß des Kopplers ist im ersten Wellenleiter an einer Seite der Koppelöffnung angeordnet. Zwei Ausgangsanschlüsse sind für den Hybridkoppler vorgesehen, wobei diese Ausgangsanschlüsse durch eine in dem ersten Wellenleiter angeordnete Durchgangsöffnung (through port) und eine gekoppelte Öffnung bzw. einen gekoppelten Anschluß, die bzw. der im zweiten Wellenleiter an einer Seite der Koppelöffnung entfernt von dem Eingangsanschluß angeordnet ist, gebildet sind.
• Gemäß der Erfindung ist ein Breitband-Wellenleiter-Hybridkoppler geschaffen, der aufweist: erste und zweite Wellenleiter mit rechteckförmigen Querschnitten, die jeweilige Längswände und Seitenwände enthalten und in aneinander angrenzender Beziehung angeordnet sind sowie eine Seitenwand als eine gemeinsame unterteilende Wand teilen; und einer Koppeleinrichtung zum Koppeln elektromagnetischer Energie innerhalb eines breiten Frequenzbands zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter; wobei die Koppeleinrichtung eine Öffnung in der gemeinsamen Wand und Kopplungsverstärkungsabschnitte aufweist, die mit einer Seitenwand jedes Wellenleiters in Eingriff stehen; dadurch gekennzeichnet, daß: jeder Kopplungsverstärkungsabschnitt so abgestimmt ist, daß eine Frequenzantwort in einem besonderen Frequenz-Unterband innerhalb des Breitbands mit niedriger Dämpfung geschaffen wird; daß jeder Kopplungsverstärkungsabschnitt eine Einrichtung zum Verringern des Querschnitts jedes des ersten und zweiten Wellenleiters bei der Koppeleinrichtung zur Verstärkung der Kopplung der elektromagnetischen Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter aufweist, wobei die Verringerungseinrichtung ein Paar von gestuften vorspringenden Teilen besitzt, die an jeweiligen äußeren Seitenwänden des ersten und des zweiten Wellenleiters, der Koppelöffnung gegenüberliegend, angeordnet sind; und daß die Kopplungsverstärkungsabschnitte Abmessungen besitzen, die so ausgewählt sind, daß eine versetzt abgestimmte, zusammengesetzte Frequenzantwort geschaffen ist.
• Ein Hybridkoppler gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 ist aus dem Patent DE-B-1 192 713 bekannt.
• Vorzugsweise weisen die gestuften vorspringenden Abschnitte einen Mehr-Lagen-Aufbau aus Anstiegen bzw. Stufenvorderseiten und Tritten bzw. Stufenoberseiten auf, deren Abmessungen so gewählt sind, daß die Frequenzantwort des Kopplers gegeneinander verstimmt bzw. gestaffelt abgestimmt ist. Ein Satz von Stufen bewirkt eine Spitzenbildung der Frequenzantwort über einem Frequenz-Unterband und andere Sätze von Stufen rufen Spitzen der Frequenzantwort über benachbarten Frequenz-Unterbändern hervor. Die zusammengesetzte Amplitudenfrequenz-Antwort, die durch die gegeneinander verstimmte Abstimmung erzielt wird, ist verhältnismäßig breitbandig.
• Die vorstehend genannten Aspekte und weitere Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Erläuterung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen durchgehend entsprechende Teile bezeichnen.
• Fig. 1 zeigt eine Endansicht des kompensierten Kopplers gemäß der Erfindung;
• Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Koppler, der entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 geschnitten ist.
• Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht des Kopplers, die entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 aufgenommen ist.
• Fig. 4 zeigt eine Längs-Schnittansicht des Kopplers, die entlang der Linie 4-4 in Fig. 1 aufgenommen ist.
• Fig. 5 ist eine Endansicht des breitbandigen, nichtphasenkompensierten Kopplers gemäß der Erfindung.
• Fig. 6 ist eine Draufsicht auf den Koppler gemäß Fig. 5, der entlang der Linie 7-7 in Fig. 5 geschnitten ist.
• Fig. 7 zeigt eine Längs-Schnittansicht des Kopplers gemäß Fig. 5, die entlang der Linie 8-8 in Fig. 5 aufgenommen ist.
• Fig. 8 zeigt eine Längs-Schnittansicht des Kopplers gemäß Fig. 5, die entlang der Linie 9-9 in Fig. 5 aufgenommen ist.
• Fig. 9 zeigt eine qualitative Darstellung der Amplituden-Frequenz-Antwort von bestimmten abgestimmten Abschnitten des Kopplers gemäß Fig. 5.
• Fig. 10 zeigt eine qualitative Darstellung der zusammengesetzten Amplituden-Frequenz-Antwort des Kopplers gemäß Fig. 5.
• Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 ist ein Hybridkoppler 10 in Übereinstimmung mit der Erfindung für die Kopplung von elektromagnetischer Energie aufgebaut. Der Koppler 10 ist aus einem ersten Wellenleiter 12 und einem zweiten Wellenleiter 14 gebildet, von denen jeder rechteckige Querschnittsformen mit einem Verhältnis zwischen einer langen Wand und einer kurzen Wand von 2:1 besitzt. Für den Betrieb bei einer Mikrowellenfrequenz von 12 GHz (giga-hertz) wird ein Wellenleiter vom Typ WR-75 eingesetzt. Jeder der Wellenleiter besitzt zwei lange Wände, nämlich eine obere Wand 16 und eine Bodenwand 18, die durch kurze Wände verbunden sind, nämlich durch äußere Seitenwände 20 und eine gemeinsame Wand 22, die als eine innere Seitenwand für jeden der beiden Wellenleiter 12 und 14 dient. Der Koppler 10 ist ein sehr breitbandiges Bauelement, das beim bevorzugtem Ausführüngsbeispiel der Erfindung einen Betriebsbereich besitzt, der von 11,7 GHz bis 14,5 GHz reicht.
• Die Kopplung der elektromagnetischen Energie wird durch ein Tor 24 erreicht, das in der gemeinsamen Wand 22 angeordnet ist. Für eine Kopplung von 3dB (Decibel) ist das Tor 24 stets geöffnet und besitzt eine feste Länge, die ungefähr gleich groß ist wie eine Wellenlänge der elektromagnetischen Energie im freien Raum, gemessen entlang einer Längsachse jedes Wellenleiters 12 oder 14. Für kleinere Beträge der Kopplung wird die Länge des Tors 24 verringert, beispielsweise auf 0,8 Wellenlängen für ein Kopplung von 6dB.
• Der Koppler 10 besitzt zwei Ausgangsanschlüsse, die als eine Durchgangsöffnung 26 und eine gekoppelte Öffnung bzw. ein gekoppelter Anschluß 28 gezeigt und jeweils an den Enden der Wellenleiter 12 bzw. 14 angeordnet sind. Der Koppler 10 besitzt weiterhin einen Eingangsanschluß bzw. eine Eingangsöffnung, die an einem Ende des ersten Wellenleiters 12, der Durchgangsöffnung 26 gegenüberliegend, angeordnet ist, sowie einen Isolationsanschluß bzw. einen Isolationsausgang 32, der an einem Ende des zweiten Wellenleiters, dem gekoppelten Anschluß 28 gegenüberliegend, angeordnet ist. Der Isolationsausgang 32 ist als schematisch init einem Widerstand 34 verbunden daßgestellt, der eine nicht reflektierende Last mit einer Impedanz repräsentiert, die an diejenige des zweiten Wellenleiters 14 angepaßt ist. Eine derartige Last (nicht gezeigt) ist typischerweise in der Form eines wohlbekannten Keils aufgebaut, der elektromagnetische Energie bei der Betriebsfrequenz des Kopplers 10 absorbiert und herkömmlicherweise innerhalb eines Abschnitts des Wellenleiters (nicht gezeigt) montiert ist, derart, daß er mit dem Isolationsausgang 32 durch nicht gezeigte Flansche verbunden ist. Im Einsatz könnte der Koppler 10 mit Komponenten einer nicht gezeigten Mikrowellenschaltung verbunden sein; derartige Komponentenkönnen Wellenleiter-Passungen enthalten, die in herkömmlicher Weise, wie etwa durch nicht gezeigte Flansche, mit den Anschlüssen 26, 28 und 30 des Kopplers 10 verbunden würden.
• Die Anordnung des koppelnden Tors 24 in der gemeinsamen Seitenwand 22 der beiden Wellenleiter 12 und 14 schafft die Konfiguration eines Quadratur-Seitenwand-Kurzschlitz-Hybridkopplers. Mikrowellensignale, die zwischen den beiden Wellenleitern über das Tor 24 gekoppelt werden, unterliegen einer nacheilenden Phasenverschiebung von 90º. Diese Phasenverschiebung ist dem bekannten Betrieb eines Quadratur-Seitenwand-Kurzschlitz-Hybridkopplers inhärent.
• Um den Koppler 10 in gewissen Situationen benutzen zu können, wie etwa beim Einsatz als Mikrowellenschaltung, die eine Zwei-Richtungs-Kommunikation über eine durch einen Satelliten getragene Antenne handhabt, ist es wünschenswert, den Koppler 10 mit einer Bandbreite zu versehen, die breit genug ist, um einen Sendekanal und einen Empfangskanal unterzubringen, die in der Frequenzdomäne durch ein leeres Band getrennt sind, das ein Übersprechen zwischen den beiden Kanälen verhindert. Die erhöhte Bandbreite des Kopplers 10 wird durch Einsatz von gestuften Anschlägen bzw. vorspringenden Teilen 44 erhalten, die an den äußeren Seitenwänden 20 auf einer Mittellinie des Tors 24 angeordnet sind. Die vorspringenden Teile 44 reduzieren die Breite der Wellenleiter 12 und 14 beim Tor 24, um die Kopplung von Strahlungsenergie über das Tor 24 zu erhöhen.
• Jedes der vorspringenden Teile 44 ist aus drei Schichten mit Tritten bzw. Stufen 46A-E und Stufenvorderseiten 48A-E gebildet. Die Abmessungen eines vorspringenden Teils 44 können zur Erzielung einer gewünschten Bandbreite eingestellt werden. Typische Abmessungen in Ausdrücken der Wellenlänge im freien Raum sind wie folgt. Die Gesamtlänge beträgt 1 1/4 Wellenlängen, der Tritt 46C 1/2 Wellenlänge, die Tritte 46B und 46D jeweils 1/4 Wellenlänge und die Tritte 46A und 46E jeweils 1/8 Wellenlänge. Die Stufenvorderseiten 48A und 48E betragen jeweils 0,050 Zoll, die Stufenvorderseiten 48B und 48D haben jeweils 0,045 Zoll und die Stufenvorderseiten 48C auf beiden Seiten des Tritts bzw. der Stufenoberseite 46C haben jeweils 0,060 Zoll. Es ist anzumerken, daß jede der Stufenvorderseiten kleiner als 1/10 einer Wellenlänge ist, um Reflektionen von den vorspringenden Teilen 44 zu minimieren.
• Andere Abmessungen des Kopplers 10 sind wie folgt. Der dem Eingangsanschluß 30 benachbarte Abschnitt der gemeinsamen Wand 22 mag 0,7 Zoll. Der Abstand zwischen den Seitenwänden 20 und 22 bei jedem der Wellenleiter 12 und 14 beträgt 0,75 Zoll, was ungefähr 3/4 Wellenlängen entspricht. Die Gesamtlänge des Kopplers 10 beträgt 3,6 Zoll.
• Beim Aufbau des Kopplers 10 wird Messing oder Aluminium bei der Herstellung sowohl der Wellenleiter-Wände als auch der vorspringenden Teile 44 eingesetzt. Beide Metalle stellen angemessene elektrische Leitfähigkeit bereit, wobei Aluminium eingesetzt wird, wenn es gewünscht ist, das Gewicht zu verringern. Die vorspringenden Teile 44 erstrecken sich über den vollen Abstand zwischen der oberen Wand 16 und der Bodenwand 18. Um die Erfindung noch weiter zu erläutern, zeigt der Hybridkoppler 100 gemäß den Figuren 5 bis 8 die erhöhte Bandbreite, die zuvor für den in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Koppler 10 beschrieben wurde, benutzt aber keine Phasenschieber 40 und 42. Der spezifische Aufbau des Kopplers 100 ist identisch mit dem des Kopplers 10, mit der Ausnahme, daß keine Phasenkompensationselemente 36 und 38 eingesetzt werden, was eine entsprechende Verringerung der Länge der Wellenleiter ermöglicht. Damit sind bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel die beiden Wellenleiter rechteckförmige Wellenleiter des Typs WR-75, die durch die gemeinsame Wand 22 miteinander verbunden sind. Der Koppler ist 44,45 mm (1,75 Zoll) breit und 57,15 mm (2,25 Zoll) lang und die Breite des koppelnden Tors 24 ist dazu ausgelegt, eine gleiche Leistungsaufteilung (3dB- Kopplung) der einfallenden Energie zwischen der durchgehenden Öffnung bzw. dem durchgehenden Anschluß und der gekoppelten Öffnung bzw. dem gekoppelten Anschluß zu schaffen.
• Im Betrieb pflanzt sich die an der Eingangsöffnung 30 des Hybridkopplers 100 einfallende elektromagnetische Energie im TE&sub1;&sub0;-Modus entlang des rechteckförmigen Wellenleiters 12 in Richtung zum ersten Bereich reduzierter Wellenleiterdicke zwischen dem Tor 24 und der Stufenvorderseite 48A und der Stufenoberseite 46A des vorspringenden Teils 44 fort. Die Position des maximalen E-Felds der sich fortpflanzenden Energie wird durch den vorspringenden Teil 44 näher in Richtung zum koppelnden Tor 24 gezwängt und ein Querfeldstrom beginnt durch das koppelnde Tor 24 zu fließen. Als Ergebnis wird die elektromagnetische Energie des TE&sub1;&sub0;-Modus entlang des Hilfswellenleiters 14 erregt und pflanzt sich in Richtung zur gekoppelten Öffnung 28 fort.
• In gleichartiger Weise wie zuvor bezüglich der Stufenvorderseite 48A und der Stufenoberseite 46a beschrieben, tragen die nachfolgenden Abschnitt der Stufenvorderseiten und Stufenoberseiten 48B und 46B, 48C und 46C, 48D und 46D sowie 48E und 46E jeweils zur Kopplung der elektromagnetischen Energie bei, auch wenn jeder Abschnitt unterschiedliche Beträge der Kopplung und bei unterschiedlichen Frequenzen bereitstellt. Der gesamte Betrag der Kopplung ist hauptsächlich durch die Länge des koppelnden Tors 24 und die Breite des jeweiligen vorspringenden Abschnitts einschließlich einer Stufenvorderseite und einer Stufenoberseite, d.h. der Breite jeder Stufenvorderseite 48A bis 48E, gesteuert. Die Länge jedes Abschnitts, d.h. die Länge jeder Stufe 46A-E ist ein wichtiger Faktor bei der Erzielung einer breitbandigen Frequenzantwort. Daher ist der Koppler versetzt abgestimmt, um eine breitbandige Frequenzantwort zu erhalten.
• Um die Technik der versetzten Abstimmung zu veranschaulichen, zeigen die Figuren 9 und 10 verallgemeinerte, qualitative Darstellungen der Signalamplitude des Ausgangssignals der gekoppelten Öffnung als eine Funktion der Frequenz. In Fig. 9 bezeichnet der Bezugspfeil 101 die Amplitudenantwort, die aus der Stufe 46C und der Stufenvorderseite 48C resultiert. Die Antwort 101 besitzt ein Spitzenmaximum bei einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz. Ein Bezugspfeil 102 bezeichnet die Frequenzantwort, die aus den jeweiligen Stufenvorderseiten- und Stufenoberseiten-Abschnitten 46A und 48A, 46B und 48B, 46D und 48D sowie 46E und 48E resultiert. Die Antwort 102 besitzt ein Spitzenmaximum bei einer Frequenz, die verhältnismäßig höher als die durch den Bezugspfeil 101 bezeichnete ist. Die zusammengesetzte Antwort aller Abschnitte ist durch die qualitative Antwortkurve 103 daßgestellt, die in Fig. 10 gezeigt ist. Die zusammengesetzte Antwort ist hinsichtlich ihrer Bandbreite verhältnismäßig breiter als die jeweiligen einzelnen Antworten, die in Fig. 9 gezeigt sind.
• Mit Ausnahme der Länge der Wellenleiter 12 und 14 besitzt jedes der den Koppler 100 bildenden Elemente gleichartige typische Abmessungen, wie sie zuvor bezüglich der entsprechenden Elemente des Kopplers 10 beschrieben wurden. Ein solches Ausführungsbeispiel wurde getestet und sein Leistungsverhalten ist allgemein durch die Daten bezeichnet, die in Tabelle I gezeigt sind. Tabelle 1 FREQUENZ AMPLITUDEN-ABWEICHUNG PHASE (GEKOPPELT-DURCHGANG) RÜCKKEHRVERLUST ISOLATION
• Der Koppler 100 stellt einen nicht frequenz-gestreuten (non-frequency dispersive) Betrieb über das relativ breite, interessierende Frequenzband von 11,6 bis 14,6 GHz bereit.

Claims (6)

1. Breitbandiger Wellenleiter-Hybridkoppler (10) mit:

ersten und zweiten Wellenleitern (12, 14), die rechteckförmige Querschnitte besitzen und jeweilige Längswände und Seitenwände aufweisen, wobei die Wellenleiter in eng aneinander angrenzender Beziehung angeordnet sind und eine Seitenwand als eine gemeinsame trennende Wand (22) teilen, und

einer Koppeleinrichtung zum Koppeln elektromagnetischer Energie innerhalb eines breiten Frequenzbands zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter, wobei die Koppeleinrichtung eine Öffnung (24) in der gemeinsamen Wand (22) und Kopplungsverstärkungsabschnitte besitzt, die mit einer Seitenwand jedes Wellenleiters in Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Kopplungsverstärkungsabschnitt so abgestimmt ist, daß eine Frequenzantwort in einem speziellen Frequenz-Unterband innerhalb des breiten Bands mit niedriger Dämpfung geschaffen wird,

daß jeder Kopplungsverstärkungsabschnitt eine Einrichtung zum Verringern des Querschnitts jedes der ersten und zweiten Wellenleiter bei der Kopplungseinrichtung besitzt, um die Kopplung von elektromagnetischer Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter zu fördern, wobei die Verringerungseinrichtung ein Paar von gestuften vorspringenden Teilen (44) besitzt, die an jeweiligen äußeren Seitenwänden (20) des ersten und zweiten Wellenleiters, der koppelnden Öffnung (24) gegenüberliegend, angeordnet sind, und

daß die Kopplungsverstärkungsabschnitte Abmessungen haben, die so gewählt sind, daß eine versetzt abgestimmte, zusammengesetzte Frequenzantwort erzielt wird.

2. Koppler nach Anspruch 1, der weiterhin jeweilige Eingangs- und Ausgangsanschlüsse (26, 28, 30), die an jeweiligen ersten und zweiten Enden des ersten Wellenleiters angeordnet sind, und einen gekoppelten Anschluß (28) aufweist, der an einem zweiten Ende des zweiten Wellenleiters angeordnet ist, wobei das erste Ende des zweiten Wellenleiters mit einer angepaßten Last abgeschlossen ist.

3. Koppler nach Anspruch 2, bei dem die Größe der koppelnden Öffnung für die Kopplung von ungefähr einer Hälfte der an dem Eingangsanschluß einfallenden elektromagnetischen Energie in den zweiten Wellenleiter ausgelegt ist.

4. Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die vorspringenden Teile (44) mehrere Lagen aus Stufen (46A bis E) aufweisen, die durch Stufenvorderseiten (48A bis E) getrennt sind.

5. Koppler nach Anspruch 4, bei dem die Treppenvorderseiten sich für jeweils weniger als 1/10 einer Wellenlänge in Richtung zur gemeinsamen unterteilenden Wand (22) erstrecken, um elektromagnetische Reflektionen von diesen zu minimieren.

6. Koppler nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem jedes der vorspringenden Teile (44) drei Lagen aus Stufen bzw. Stufenoberseiten umfaßt, die in Ebenen angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zur gemeinsamen unterteilenden Wand verlaufen, wobei die erste, der koppelnden Öffnung am nächsten benachbarte Lage eine erste Stufenoberseite mit einer Länge von ungefähr 1/2 Wellenlänge besitzt, die zweite Lage zweite und dritte Stufenoberseiten umfaßt, von denen jeweils eine auf jeweils einer Seite der ersten Stufenoberseite angeordnet ist und die jeweils eine Länge von ungefähr 1/4 Wellenlängen besitzen, und die dritte Lage vierte und fünfte Stufen bzw. Stufenoberseiten besitzen, die nach außen von der ersten Stufe wegweisend außerhalb der jeweiligen zweiten und dritten Stufen angeordnet sind, wobei die vierte und die fünfte Stufe jeweils eine Länge von ungefähr 1/4 Wellenlänge besitzen.