DE4207503A1 - Anordnung zum ein- bzw. auskoppeln zweier orthogonaler polarisationen bzw. polarisationskomponenten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Sende- und Empfangsmodule z. B. für den 11- und 12-GHz-Bereich, mit Frequenz-Zweifachnutzung, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im DE-Patent 31 29 425 und in der EP-Anmeldung 3 50 324 werden Lösungen mit der Möglichkeit der zweifachen Nutzung eines Frequenzbereichs durch Polarisationsentkopplung beschrieben. Dabei werden zwei unterschiedliche Signale gleichzeitig auf einem Frequenzband, aber mit orthogonaler linearer oder zirkularer Polarisation, gesendet oder empfangen.

In beiden Fällen ist transversal in einem Hohlleiterstrahler, vor einem Kurzschluß, eine Platine aus dielektrischem Material angeordnet, die zwei im rechten Winkel zueinander aufgedruckte Koppelsonden trägt. Die Koppelsonden dienen

• - bei DE 31 29 425 als Strahler für je eine Komponente von einer einzigen oder von gleichzeitig zwei zirkularen Polarisationen und
• - bei EP 3 50 324 als Strahler für je eine Komponente einer einzigen zirkular polarisierten Welle oder für je eine von gleichzeitig zwei orthogonalen linearen oder zirkularen Polarisationen.

Die Koppelsonden sind bei beiden Lösungen sehr schmal ausgeführt - bei EP 3 50 324 sogar noch schmaler als selbst die Speiseleitung. Diese Maßnahme ist dort erforderlich, um das Kreuzpolarisationsverhalten zu verbessern, d. h. ein Überkoppeln von Anteilen einer Polarisation oder einer Polarisations­ komponente auf die Sonde für die jeweils orthogonale Polarisation oder Polarisationskomponente zu verhindern bzw. einzuschränken.

Weitere Mittel zur besseren gegenseitigen Entkopplung der Sonden - wie auch zur besseren Anpassung und Rückflußdämpfung - sollen

• - bei der DE 31 29 425 zwei kurze Leiterenden sein, die auf dem dielektrischen Substrat diametral zu den Koppelsonden in den Hohlleiterquerschnitt ragen, und
• - bei der EP 3 50 324 eine definierte Fläche aus leitendem Material ("Patch"), die mittig zur Hohlleiterachse auf dem Substrat angeordnet ist und mit den Koppelsonden-Enden in vorzugsweise kapazitiver HF-Kopplung steht.

Zusätzliche Elemente aus leitendem Material zur Beeinflussung der Feldgeometrie, darunter besonders die mittige Leiterfläche als Strahler oder Resonanzgebilde, werden auch andernorts eingesetzt. So wird in (1) die Anwendung des Patch bei Planarantennen für Satellitenrundfunk-Empfang beschrieben.

Die Lösungen des bekannten Stands der Technik haben - wie die hier angeführten Beispiele - vor allem den Nachteil, daß die Verringerung der Sondenfläche, durch Verringerung der Breite der Koppelsonde, bisher das einzige effektivere Mittel gegen Kreuzpolarisation ist. Die schmalen Koppelsonden ergeben jedoch eine nur geringe Bandbreite des Systems. Dadurch wird der Vorteil, der mit der Frequenz-Zweifachnutzung erreicht werden soll - die Erweiterung der Übertragungskapazität mit dem geringstmöglichen technischen und Kostenaufwand - wieder aufgehoben. Breitbandigkeit läßt sich bei diesem Kopplungs­ prinzip nur durch Vergrößerung der Kopplungssonden-Fläche erzielen. Dem steht, wie erwähnt, das Problem der Kreuz­ polarisation mit Interferenzen und der Bildung von Misch­ produkten entgegen, die insgesamt zu einer Minderung des Gewinns und der Signalqualität führen. Die unerwünschten Mischprodukte treten hier vor allem in Form von elliptischen Polarisationsanteilen auf, die sich durch die Polarisations­ drehung und durch die laufzeitbedingte Phasendifferenz der übergekoppelten Anteile bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Frequenz- Zweifachnutzung im Mehrfach-GHz-Bereich, bei Kopplung über gedruckte Leiterstrukturen, mit hoher Breitbandigkeit bei geringstmöglicher Kreuzpolarisation und mit geringsten Auskopplungsverlusten und guter Anpassung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. In den Unteransprüchen werden bevorzugte Ausführungsvarianten und Details dargelegt.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in der weitgehenden Verhinderung von Kreuzpolarisation zwischen den beiden Koppel­ sonden, unabhängig von der Sondenkonfiguration. Das Feld im dielektrischen Substrat und in den umgebenden Bereichen wird durch die Querschnittssprünge an der scharfkantigen Rippung bzw. Querschnittsminderung oder dem Schlitz so wirkungsvoll gestört, daß die Verkopplungserscheinungen der Kreuz­ polarisation, die die gesendeten bzw. empfangenen Signale beeinträchtigen, unterdrückt werden. Dadurch wird gleichzeitig die Einfügungsdämpfung auf ein Minimum gesenkt.

Die Sondenflächen können beliebig gestaltet und damit optimiert werden. Die Sondenbreite, und damit der zu übertragende Frequenzbereich, kann in weiten Grenzen variiert werden, ohne daß die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Entkopplungsprinzips verringert wird.

Durch die Erfindung lassen sich endlich die Möglichkeiten und Vorteile des Prinzips der gedruckten Schaltung - vor allem die kostengünstige Ausführung beliebiger Leiterstrukturen - auch bei dem hier vorliegenden Anwendungsfall der Kopplungssonde in einem Hohlleiter - voll nutzen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung im Schnitt

Fig. 2 Ansicht der Platine nach Fig. 1, aus der Richtung des Kurzschlusses gesehen

Fig. 3 Verschiedene Koppelsonden-Flächen

Fig. 4 Schnitt durch Platinen aus dem dielektrischen Substrat mit unterschiedlichen Querschnitts-Diskontinuitäten.

Die Anordnung nach Fig. 1 besteht aus dem Hohlleiter 1, der Platine 2 aus dielektrischem Material und dem Kurzschluß 3. Die Platine ist auf ihrer der Hohlleiteröffnung zugewendeten Oberfläche mit der die Masse bildenden Metallschicht 4 versehen, die im Hohlleiterbereich entsprechend dem inneren Querschnitt des Hohlleiters ausgespart ist. Auf der Kurzschluß­ seite der Platine befinden sich die Koppelsonden 5, die über Speiseleitungen 6 mit der weiterführenden Schaltung auf der Platine verbunden sind. Die Hohlleiterwandung vor und hinter der Platine ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch Kontaktierung über Bohrungen 7 im Platinenmaterial galvanisch verbunden, und im Bereich der Leitungen 6 sind in der Hohlleiterwandung Aussparungen 8 vorgesehen. Der Abstand a zwischen der kurzschlußseitigen Oberfläche der Platine und dem Kurzschluß 3 entspricht - unter Berücksichtigung des _r- abhängigen Verkürzungsfaktors - 1/4 der mittleren Betriebs­ wellenlänge.

In Fig. 2 werden die Anordnung der Koppelsonden 5 und die Zuordnung und grundsätzliche Gestaltung der erfindungsgemäßen Dickendiskontinuität 9 sichtbar. Mit der gestrichelten Linie 10 ist der Hohlleiterquerschnitt angedeutet. Die Koppelsonden 5 haben hier einen rechteckigen Umriß mit der Breite d und mit einer wirksamen Länge D von 1/4 der mittleren Betriebs­ wellenlänge. Die Länge c der Diskontinuität 9 ist etwa 1/2 der mittleren Betriebswellenlänge, und ihre Breite b ist etwa gleich der Platinendicke.

Fig. 3 zeigt als weitere, für bestimmte Anwendungsfälle günstige Ausführungsformen der aufgedruckten Koppelsonde 5 die Trapezfläche, die in Richtung der Hohlleiterachse abgestufte Fläche und den Kreis. Der Anschluß der Speiseleitung 6 an die Sondenfläche hat einen Abstand e von der Hohlleiter- Innenwandung, und bei den beiden sich zur Hohlleiterachse verjüngenden Flächen entspricht die mittlere Breite d der Breite d im Fall der Rechteckfläche.

In Fig. 4 wird am Beispiel der Rippe (a), der Nut (b) und des Schlitzes (c) gezeigt, daß die Diskontinuitäten im Querschnitt der Platine sich durch scharf rechtwinkligen Kantenverlauf auszeichnen. Vor allem die von diesen Kanten hervorgerufenen Beugungserscheinungen im Feldverlauf sind die Ursache für die Feldstörungen, die den erfindungsgemäßen Effekt der Beseitigung der Kreuzpolarisation bedingen.

Die Diskontinuitäten müssen nicht durchgehend verlaufen. Ein gleichwertiges Ergebnis läßt sich mit in entsprechender Reihe angeordneten Bohrungen, mit mehreren Rippenabschnitten oder mit einer Kombination dieser Mittel erzielen. Der Beugungs- bzw. Störungseffekt läßt sich so in bestimmten Grenzen - zur Berücksichtigung unterschiedlicher Erfordernisse und Konstellationen - variieren.

Schon die schematischen Darstellungen zeigen deutlich, welche technischen und technologischen Möglichkeiten und Vorteile die Erfindung durch quasi-Beseitigung der Kreuzpolarisation bietet, und daß sich das neue Prinzip und die darauf aufbauenden Lösungen mit vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Mitteln verwirklichen lassen.

Literatur

(1) Ephan, N., u. a.: Flachantennen für zirkulare Polarisation. Zeitschrift Funkschau 62 (1990) H.18, S. 58 bis 61.

Claims (6)

1. Anordnung zum Ein- bzw. Auskoppeln zweier orthogonaler Polarisationen bzw. Polarisationskomponenten in bzw. aus Hohlleitern mit kreisförmigem oder quadratischem Querschnitt,
bei der vor einem Kurzschluß am Hohlleiterende die rechtwinklig zueinander, in einer Ebene transversal zum Hohlleiter stehenden Kopplungssonden für je eine Polarisation bzw. Polarisationskomponente in Drucktechnik auf einem dielektrischen Trägermaterial angeordnet sind,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - die Koppelsonden (5) sind breitflächig, mit einem Verhältnis Breite d zu Länge D von 1 zu 2 bis 1 zu 1, ausgeführt, wobei die Länge D um einen vom Verhältnis d/D abhängigen Verkürzungsfaktor kleiner als 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge im Hohlleiter ist,
• - das dielektrische Trägermaterial (2; 11) hat entlang der Symmetrieachse zwischen den Koppelsonden (5) eine vorzugsweise scharfkantige Dicken-Diskontinuität (9) in Gestalt einer schmalen Rippe oder einer Nut bzw. eines Schlitzes mit einer wirksamen Länge c von vorzugsweise 1/2 der mittleren Betriebswellenlänge im Hohlleiter.

2. Anordnung zum Auskoppeln zweier orthogonaler Polarisationen oder Polarisationskomponenten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelsonden (5) vorzugsweise auf der dem Kurzschluß (3) zugewendeten Seite einer Platine (2) aus dem dielektrischen Trägermaterial angeordnet sind und daß die Dicken-Diskontinuität auf derselben Seite oder auf der der Strahlungsrichtung des Hohlleiters zugewendeten Platinenseite angeordnet sein kann.

3. Anordnung zum Auskoppeln zweier orthogonaler Polarisationen oder Polarisationskomponenten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelsonden (5) einen rechteckigen Umriß haben.

4. Anordnung zum Auskoppeln zweier orthogonaler Polarisationen oder Polarisationskomponenten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelsonden (5) als Trapez- oder als gestufte Fläche mit einer mittleren Breite d ausgebildet sind, wobei das größere Breitenmaß d₂ der Hohlleiterwandung zugekehrt ist.

5. Anordnung zum Auskoppeln zweier orthogonaler Polarisationen oder Polarisationskomponenten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelsonden (5) als Kreisflächen mit dem Durchmesser D ausgebildet sind, der der Länge D der rechteckigen Sondenfläche entspricht.

6. Anordnung zum Auskoppeln zweier orthogonaler Polarisationen oder Polarisationskomponenten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken-Diskontinuität (9) als in ihrer Achsrichtung durchgehende oder als unterbrochene Struktur ausgebildet ist.