DE3786458T2

DE3786458T2 - Mit koppelstift versehene wellenleitermultiplexvorrichtung.

Info

Publication number: DE3786458T2
Application number: DE87907854T
Authority: DE
Inventors: Joseph Elliott; Rolf Kich
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1987-10-15
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2007-10-16
Also published as: DE3786458D1; EP0293419B1; WO1988003711A1; US4780693A; CA1278115C; EP0293419A1; JPH01501750A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenleiter-Multiplexer mit einer Wellenleiter-Sammelleitung, ersten und zweiten Wellenleitern mit darin befindlichen Hohlräumen, einer ersten Koppelsonde, um den ersten Wellenleiter an die Wellenleiter- Sammelleitung zu koppeln, und einer zweiten Koppelsonde, um den zweiten Wellenleiter an die Wellenleiter-Sammelleitung zu koppeln.
In Kommunikationssystemen auf Mikrowellenbasis ist es nicht unüblich, mehrere Kanäle von Sprache oder Daten über eine einzige Antennenversorgung auszusenden oder zu empfangen. In derartigen Systemen liefert jeder Kanal eine getrennte Kommunikationsverbindung. Es ist daher sehr erwünscht, das Übersprechen zwischen den Kanälen zu minimieren. Zu diesem Zweck verstärken und filtern viele Systeme jeden Kanal einzeln, bevor die Kanäle über Wellenleiter-Multiplexer per Multiplexing in die einzige Versorgung gelangen. Wellenleiter-Multiplexer bestehen üblicherweise aus einem gemeinsamen Mikrowellen-Wellenleiter (Sammelleitung), in welchen die einzelnen Kanäle über einen Schlitz gekoppelt werden (siehe Fig. 1). Wo zum Beispiel vor dem Multiplexing ein Filtern erwünscht ist, werden die Kanäle zuerst über eine übliche Koaxialleitung oder einen Schlitz (Iris) in eine abgestimmte Kavität oder ein Resonanzfilter eingegeben. Jedes Filter ist an seinem Ausgangsende zum Beispiel über einen Schlitz in dem breiten Wand mit einer rechtwinkligen Wellenleiter- Sammelleitung verbunden, was zu einem in Reihe geschalteten Multiplexer führt. Die Fig. 1 und 2 zeigen diese spezielle Verbindungsanordnung. Wie in dem Strahlungsmuster aus Fig. 3 gezeigt, koppeln und strahlen die Schlitze in der oberen Wand unglücklicherweise stark in Richtung der breiten Seite. Bei Verwendung der Lehren auf diesem Gebiet der Technik erzwingt dies eine Designbeschränkung. Das bedeutet, daß das Koppeln der Schlitze in Richtung der breiten Seite es verhindert, daß zwei Filter in derselben Ebene angeordnet werden (eines koppelt durch einen Schlitz in der oberen Wand, während das andere durch einen Schlitz direkt gegenüber in der unteren Wand koppelt), da die gegenseitige Interferenz zwischen diesen maximal sein würde. Darüber hinaus stellt jeder Schlitz eine Diskontinuität dar, welche die Felder stört, was Moden hoher Ordnung hervorruft. Zwei oder mehr solcher Diskontinuitäten in dichter Nähe können zu Resonanzen und destruktiven Wechselwirkungen führen, was die Funktion eines jeden Filters ungünstig beeinflußt. Es ist daher übliche Praxis, derartige Diskontinuitäten wenn möglich durch ein Minimum von einer viertel Wellenlänge voneinander zu trennen. Dies sorgt für einen hinreichenden Abstand, innerhalb dessen sich Moden hoher Ordnung abschwächen können. In Übereinstimmung mit der Praxis in der Technik der Beabstandung von Multiplexer-Filtern in Intervallen von halben Wellenlängen, befindet sich folglich der nächste in Serie geschaltete Knoten typischerweise in einem Abstand von einer halben Wellenlänge stromabwärts der Sammelleitung.
Ein Multiplexer, der diesem Ansatz aus dem Stand der Technik ganz ähnlich ist, ist zum Beispiel in der US 4,614,920 beschrieben.
Obwohl die Konstruktionen mit Schlitzkopplung für eine gewisse Zeit erfolgreich benutzt worden sind, haben die steigenden Anforderungen von modernen Mikrowellen-Kommunikationssystemen zahlreiche Probleme aufgeworfen. Das ist so, weil moderne Systeme mehr und mehr Kommunikationskanäle erfordern. Wenn die Anzahl der Kanäle jedoch steigt, so steigt auch die Zahl der Filter. Wegen des Erfordernisses, die Filter zu beabstanden, führt die Zunahme der Kanäle zu einer Zunahme in der Länge der Sammelleitung. Da die Sammelleitung typischerweise aus einem Leiter (z. B. Aluminium) gefertigt ist, wird eine Zunahme in der Länge von einer Zunahme in dem Gewicht und in den zugeordneten Kosten begleitet. Dies gilt insbesondere für Satelliten-Kommunikationssysteme.
Längere Sammelleitungen erzeugen ebenfalls größere Aufschaltungsverluste, d. h. solche Verluste, die mit der Einfügung einer Komponente in eine Übertragungsleitung verbunden sind.
Zusätzlich zu den Problemen des Gewichtes und des Aufschaltungsverlustes haben Fachleute beobachtet, daß die länger werdende Sammelleitung anfälliger für unerwünschte interferierende Resonanzen in dem Durchlaßband wird, welche aus der gegenseitigen Kopplung der einzelnen Schlitze resultieren.
Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Tatsache, daß der erhöhte Abstand zwischen Filtern dazu führt, daß die außerhalb des Bandes liegenden Impedanzen dispers werden. Dispersion kann zu einer Verschlechterung der Wirksamkeit führen.
Längere Sammelleitungen sind daher empfindlicher und schwierig abzustimmen. Schließlich sind längere Sammelleitungen empfindlicher gegenüber Funktionsverschlechterungen wegen mechanischer Biegungen.
Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Länge der Multiplexer-Sammelleitung zu minimieren.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die erste Koppelsonde und die zweite Koppelsonde in zumindest teilweise kolinearer Beziehung zueinander montiert sind, daß der erste Wellenleiter und der zweite Wellenleiter in koplanarer Beziehung zueinander montiert sind, und daß der erste Wellenleiter und der zweite Wellenleiter längs einer quer gerichteten Achse der Wellenleiter- Sammelleitung montiert sind. Dadurch wird es möglich, den ersten und den zweiten Wellenleiter einander diametral gegenüber anzuordnen, was wiederum verglichen mit den Stand der Technik eine Reduzierung der Gesamtlänge der Sammelleitung um 50% ermöglicht.
Der Beitrag der vorliegenden Erfindung liegt darin, einige spezifische Eigenschaften der Koppelsonden zu verwenden:
Das mit der über Koppelsonden gekoppelten Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung verbundene Strahlungsmuster unterscheidet sich wesentlich von dem des über Schlitze gekoppelten Entwurf es auf diesem Gebiet. Während der Schlitz maximal in Richtung auf die gegenüberliegende Wand koppelt, ist das über eine Koppelsonde gekoppelte Strahlungsmuster um 90º gedreht und ist maximal längs der Länge der Sammelleitung. In Richtung der breiten Seite gibt es eine Strahlungsnull, was die Stärke der Moden hoher Ordnung in Richtung der breiten Seite reduziert. Eine wesentliche Reduzierung in der gegenseitigen Kopplung kann erreicht werden, was es erlaubt, zwei Filter einander direkt gegenüber mit minimaler Interferenz anzuordnen. Die gesamte Länge der Sammelleitung kann ungefähr halb so groß sein, wie die bei dem Entwurf aus dem Stand der Technik erforderliche Länge.
Es ist zu bemerken, daß Koppelsonden zum Koppeln von Wellenleiten als solche im Stand der Technik bekannt sind, siehe zum Beispiel US-A-2 686 902, welche eine Anordnung zur Mikrowellenverzweigung mit zwei Stichleitungen beschreibt, die an dieselbe Wand des Hauptwellenleiters gekoppelt sind, oder US-A-2 852 752, welche eine Vielzahl von Koppelsonden zum Koppeln von zwei parallelen Wellenleitern verwendet, oder US-A-2 795 763, welche die Verwendung von Koppelsonden in einer hybriden Verbindungsanordnung für elektromagnetische Wellen lehrt, sowie GB-A-811 662, welche die Kopplung in einem Richtungskoppler zeigt. Keine dieser Referenzen erwähnt jedoch die spezifischen Eigenschaften des von einer solchen Koppelsonde erzeugten Feldes, was wiederum gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um Wellenleiter einander diametral gegenüber anzuordnen und dadurch die erforderliche Länge der Wellenleiter-Sammelleitung zu reduzieren.
Weitere vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Insbesondere sind der erste und der zweite Wellenleiter typische Filter.
Die Erfindung wird nun im Rahmen eines nicht begrenzenden Beispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 einen Multiplexer zeigt, der in Übereinstimmung mit der Lehre aus dem Stand der Technik aufgebaut ist,
Fig. 2 eine Teilansicht der über einen Schlitz koppelnden Anordnung zwischen Filter und Sammelleitung bei einem Multiplexer ist, der in Übereinstimmung mit der Lehre aus dem Stand der Technik konstruiert ist,
Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht der über einen Schlitz koppelnden Anordnung zwischen Filter und Sammelleitung bei einem in Übereinstimmung mit der Lehre aus dem Stand der Technik konstruierten Multiplexer ist,
Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht eines über eine Koppelsonde gekoppelten Wellenleiters ist, der in Übereinstimmung mit der Lehre gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist,
Fig. 5 eine geschnittene Endansicht eines über eine Koppelsonde gekoppelten Wellenleiters ist, der in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung konstruiert ist,
Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht der Sammelleitung aus Fig. 5 ist,
Fig. 7 eine typische Multiplexer-Anordnung zeigt, welche gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung erzielbar ist, und
Fig. 8 eine Enddarstellung der Multiplexer-Konfiguration aus Fig. 7 zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird sehr deutlich beschrieben, indem zunächst der über einen Schlitz gekoppelte Multiplexerentwurf gemäß dem Stand der Technik betrachtet wird. Fig. 1 zeigt einen typischen Multiplexer 10', welcher in Übereinstimmung mit der Lehre aus dem Stand der Technik konstruiert ist. Er umfaßt eine längliche Sammelleitung 12', an welcher eine Vielzahl von Filtern 14', 16', 18', 20' und 22' im Sinne einer Serienkopplung in Abständen von einer halben Wellenlänge über Schlitze längs der breiten Wand gekoppelt sind. Die Sammelleitung 12' ist typischerweise aus Aluminium oder einem anderen geeigneten leitenden Material gefertigt. Die Filter 14', 16', 18', 20' und 22' sind typischerweise rechtwinklige, quadratische oder runde Gehäuse, von denen jedes eine Vielzahl von Hohlräumen 31' umfaßt, welche so abgestimmt sind, daß sie bei einer bestimmten Frequenz Resonanz aufweisen. Die Filter sind über Flansche 28' miteinander verbunden. Ein Filter 14' ist im Schnitt gezeigt und ein zweiter Filter 16' ist im Viertelschnitt gezeigt, um die innere und die äußere Konstruktion der Filter 14', 16', 18', 20' und 22' zu illustrieren.
Eine Vielzahl von Abstimmschrauben 26' sind als ein Verfahren gezeigt, um für die Frequenzabstimmung der Filter 14', 16', 18', 20' und 22' und damit des Multiplexers 10' zu sorgen. Energie wird üblicherweise über Koaxialverbinder-Koppelsonden 60' in die Filter und aus diesen gekoppelt. Schlitze werden zu diesem Zweck ebenfalls oft verwendet. In Fig. 1 ist das offene Ende der Sammelleitung 27' als ein Ausgang ausgelegt. Das gegenüberliegende Ende 29' ist typischerweise ein Kurzschluß. Der Kurzschluß sorgt für eine stehende Welle innerhalb des Filterbereiches der Sammelleitung und ermöglicht den Anschluß von mehreren Filtern an jedem Leerlaufknoten, oder wie in dem gezeigten Beispiel, an jedem Kurzschlußknoten.
Zu bemerken ist die Beabstandung der Filter 14', 16', 18', 20' und 22' längs der Sammelleitung 12' um Vielfache der halben Wellenlänge. Die Beabstandung erfordert eine längere Sammelleitung und ist wegen der Möglichkeit der destruktiven Wechselwirkung bei den Schlitzen 24' erforderlich. Die über Schlitze gekoppelte Anordnung aus dem Stand der Technik ist in der teilweise geschnittenen perspektivischen Darstellung aus Fig. 2 dargestellt, in der die Sammelleitung 12' mit einem um 900 im Uhrzeigersinn aus seiner üblichen Position verdrehten Filter 14' gezeigt ist. Der Schlitz 24' ist in die Sammelleitung 12' eingeschnitten und wirkt derart, daß er Energie aus dem Filter 14' in das Innere 30' der Sammelleitung oder in umgekehrter Richtung koppelt. Die übrigen Schlitze koppeln gleichfalls Energie aus dem entsprechenden Filter in das Innere der Sammelleitung und/oder aus der Sammelleitung in den Filter.
Die Konstruktion der Sammelleitung 12' ist optimiert, um bestimmte Grundtypen der Ausbreitung längs ihrer Länge ohne wesentliche Abschwächung zu führen. Dementsprechend erfahren Moden, die nicht vom Grundtyp oder höherer Ordnung sind, eine merkliche Abschwächung. Aus diesem Grund sind Moden höherer Ordnung typischerweise an dem Ausgang des Multiplexers nicht vorhanden. Wie in dem Strahlungsmuster 32' in der geschnittenen Seitenansicht aus Fig. 3 dargestellt ist, koppeln die an jedem Schlitz oder jeder Diskontinuität 24' erzeugten Moden höherer Ordnung unglücklicherweise stark zu der gegenüberliegenden Wand 13' in dem Bereich des Punktes A in der unmittelbaren Nähe des Schlitzes. Um die durch diese Moden höherer Ordnung hervorgerufene Interferenz zu vermeiden, muß das nächste Filter an dem nächsten Knoten der stehenden Welle angeordnet werden, was in diesem Falle der nächste Kurzschlußpunkt stromabwärts der Sammelleitung 12' von dem Punkt A ist, also zum Beispiel der Punkt B. Aus demselben Grund müssen darauffolgende Filter so zueinander angeordnet werden. Sie können alle an derselben Wand sein, solange es keine mechanischen Gründe gibt, um sie auf gegenüberliegenden Seiten der Sammelleitung zu plazieren. Auf diese Weise ist die Länge der Multiplexer-Sammelleitung in Übereinstimmung mit den Lehren aus dem Stand der Technik bestimmt.
Fig. 4 zeigt eine entsprechende geschnittene Seitenansicht eines über eine Koppelsonde gekoppelten Multiplexers 10, welcher die Lehren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Er umfaßt eine Sammelleitung 12 mit einer Längsachse x-x und einer Vielzahl von quer gerichteten Achsen y-y. Zwei Filter 14 und 20 sind in koplanarer Beziehung längs einer gemeinsamen, quer gerichteten Achse y-y der Sammelleitung 12 gezeigt. Die Sammelleitung 12 und die Filter 14 sowie 20 sind im wesentlichen die gleichen wie die Sammelleitung 12' und die Filter 14', 16', 18', 20' und 22' aus dem Stand der Technik, mit der Ausnahme, daß die Filter 14 und 20 über Koppelsonden 15 bzw. 17 an die Sammelleitung gekoppelt sind. Es ist zu bemerken, daß die über Koppelsonden gekoppelte Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung es ermöglicht, daß die Kopplungen der Filter 14 und 20 in Form von Koppelsonden 15 und 17 ohne weiteres in kolinearer Beziehung zueinander anstatt in Abständen von einer halben Wellenlänge angeordnet werden können. Dies ermöglicht eine Reduzierung in der gesamten Länge der Sammelleitung um bis zu 50% und erlaubt ebenfalls alternative mechanische Anordnungen, um den erforderlichen Montageplatz auf dem Gestell zu reduzieren.
Diese koplanare Verbindung der Filter ist durch die Strahlungsmuster 19 und 21 möglich, welche den Koppelsonden 15 bzw. 17 zugeordnet sind. Es ist zu bemerken, daß jede Koppelsonde in einer isolierenden Buchse 25 aufgenommen ist und in Längsrichtung längs der x-Achse der Sammelleitung 12 und nicht stark zu der gegenüberliegenden Wand koppelt. Da kein Teil einer Koppelsonde auf Erdpotential ist, gibt es ebenfalls nur minimale kapazitive Kopplung zwischen den Koppelsonden. Es sollte bemerkt werden, daß die gezeigten Muster nur der Darstellung dienen. Das aktuelle Strahlungsmuster kann für jede Mode variieren. Das Einzige, was zum Zwecke der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, ist, daß die Kopplung zwischen den Koppelsonden 15 und 17 schwach ist, was zu minimaler Wechselwirkung zwischen Moden höherer Ordnung und der damit verbundenen Isolation führt.
Die Koppelsonden 15 und 17 sind Leiter, welche Mikrowellenenergie in die Filterkavitäten 31 und den Sammelleitungs-Wellenleiter 30 hinein und aus diesen heraus koppeln. Größe und Form der Koppelsonde sowie die Kopplungsabhängigkeit sind auf eine Weise ausgewählt, die dem Fachmann bekannt ist, um die für eine bestimmte Anwendung gewünschten Kopplungswerte und Verlustwert zu erreichen.
Die Endansicht von Fig. 4 wird von Fig. 5 geliefert, welche die obere Wand 40, untere Wand 42 und Seitenwände 44 und 46 der Sammelleitung 12 eines Multiplexers 10 in einer von mehreren mechanischen Filteranordnungen zeigt, welche durch die vorliegende Erfindung möglich sind. Die Schnittdarstellung aus Fig. 6 zeigt das Innere der oberen Wand 40 der Sammelleitung 12, durch welche sich die Koppelsonde 14 erstreckt. Die Koppelsonde 15 ist zentrisch innerhalb eines Isolators 25 montiert, um sie gegenüber der leitenden Wand 40 der Sammelleitung 12 zu isolieren.
Fig. 7 zeigt die Reduzierung in der Länge der Sammelleitung, welche durch die erfindungsgemäße Lehre der Kopplung über Koppelsonden möglich ist. Während die Filteranordnung beispielhaft ist, sollte bemerkt werden, daß mehr Filter auf einer Sammelleitung montiert werden können, die kürzer ist als jene, die gemäß der Lehre aus dem Stand der Technik erforderlich ist. Fig. 8 zeigt die Enddarstellung des Multiplexers 10 aus Fig. 7.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 7 werden im Betrieb die Eingaben (oder Ausgaben) für die Filter 14, 16, 18, 20, 22 und 52 über Eingangs-Koppelsonden 60 bereitgestellt. Mikrowellenenergie bei der Resonanzfrequenz eines jeden Filters wird durch eine Koppelsonde 15 aus der Filterkavität 31 in den Sammelleitungs-Wellenleiter 30 geleitet. Energie, welche sich in Richtung auf das kurzgeschlossene Ende der Sammelleitung 29 ausbreitet, wird in Richtung auf das offene Ende 27 der Sammelleitung 12 zurückreflektiert und schließlich aus dieser heraus reflektiert.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein illustrierendes Ausführungsbeispiel und eine spezielle Anwendung beschrieben wurde, ist es doch zu verstehen, daß die Erfindung nicht darauf begrenzt ist.
Die vorliegende Erfindung ist zum Beispiel nicht auf Multiplexer beschränkt. Statt dessen kann sie überall dort verwendet werden, wo es wünschenswert ist, zwischen Wellenleitern zu kommunizieren, während der Abstand dazwischen minimiert werden soll, z. B. bei Mikrowellen-Verteilern, Kopplern, Diplexern usw. Zusätzlich erlaubt die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Systemkonfigurationen, bei denen Wellenleiter gekoppelt werden. Es ist ebenfalls zu bemerken, daß Energie sich ebenfalls entgegengesetzt zu der oben beschriebenen Richtung ausbreiten kann. Das bedeutet, daß das Ende 27 der Sammelleitung der Eingang sein kann und die Koaxialverbinder 60 der Ausgang. Falls gewünscht, können gleichzeitige Sende- und Empfangsfunktionen von dem Multiplexer 10 ausgeführt werden.

Claims

1. Wellenleiter-Multiplexer (10), mit:

(1.1) einer Wellenleiter-Sammelleitung (12);

(1.2) ersten und zweiten Wellenleitern (14, 20) mit darin befindlichen Hohlräumen;

(1.3) einer ersten Koppelsonde (15), um den ersten Wellenleiter (14) an die Wellenleiter-Sammelleitung (12) zu koppeln;

(1.4) einer zweiten Koppelsonde (17), um den zweiten Wellenleiter (20) an die Wellenleiter-Sammelleitung (12) zu koppeln;

dadurch gekennzeichnet, daß

(1.5) die erste Koppelsonde (15) und die zweite Koppelsonde (17) in zumindest teilweise kollinearer Beziehung zueinander montiert sind;

(1.6) der erste Wellenleiter (14) und der zweite Wellenleiter (20) in koplanarer Beziehung zueinander montiert sind,

(1.7) der erste Wellenleiter (14) und der zweite Wellenleiter (20) längs einer quer gerichteten Achse der Wellenleiter-Sammelleitung (12) montiert sind.

2. Wellenleiter-Multiplexer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wellenleiter (14, 20) ein erstes bzw. ein zweites abgestimmtes Resonanzfilter sind.

3. Wellenleiter-Multiplexer (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Sammelleitung (12) eine obere Wand (40), eine untere Wand (42) sowie eine erste und zweite Seitenwand (44, 46) aufweist.

4. Wellenleiter-Multiplexer (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Wellenleiter (14, 20) durch die erste bzw. zweite Koppelsonde (15, 17) an die obere bzw. untere Wand (40, 42) der Wellenleiter- Sammelleitung (12) gekoppelt sind.

5. Wellenleiter-Multiplexer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Koppelsonde (15, 17) kapazitive Koppelsonden sind.

6. Verfahren zum Ankoppeln eines ersten und eines zweiten Wellenleiters (14, 20), vorzugsweise eines ersten und zweiten abgestimmten Resonanzfilters, mittels einer ersten und einer zweiten Koppelsonde (15, 17) an eine Wellenleiter- Sammelleitung (12), gekennzeichnet durch die Schritte

(6.1) Montieren der ersten Koppelsonde (15) und der zweiten Koppelsonde (17) in zumindest teilweise kollinearer Beziehung zueinander;

(6.2) Montieren des ersten Wellenleiters (14) und des zweiten Wellenleiters (20) in koplanarer Beziehung zueinander längs einer quer gerichteten Achse der Wellenleiter-Sammelleitung (12).