DE4437595A1 - Wellenleiter-Septum-Phasenschieber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter-Septum-Phasen­ schieber. Die Erfindung wird in der Regel in einem Mikro­ wellennetzwerk zur Phasen- und Polarisationsbearbeitung und Verschiebung von beliebig polarisierten Signalen einge­ setzt.

Aus der US 4,100,514 ist ein Breitband-Mikrowellen-Polari­ sator bekannt. Dieser Polarisator verwendet ein Paar von sich gegenüberstehenden Reihen von Pinnen und ein Paar von sich gegenüberstehenden Erhebungen auf zwei orthogonalen Ebenen der inneren Oberflächenbereiche des Wellenleiters. Durch diese Kombination wird ein relativ konstanter Wert für die differentielle Phasenverschiebung in einem weiten Frequenzband erreicht. Um eine hohe differentielle Phasen­ konstanz in einem breiten Frequenzband zu erreichen, muß man die unterschiedlichen Phasenantwortfrequenzcharakte­ ristiken der Polarisatorkomponenten berücksichtigen. Diese Unterschiede begrenzen die Frequenzbandweite dieser Vor­ richtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Wellenleiter-Phasenschieber zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildun­ gen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

In vorteilhafter Weise wird durch diese Erfindung ein neu­ artiger Phasenschieber geschaffen, der eine konstante dif­ ferentielle Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen zwei linear orthogonal polarisierten Signalen über einen weiten Frequenzbereich gewährleistet. Man spricht hier auch von einem Polarisationsrotator. Weiterhin wird mit der Erfin­ dung ein Zwei- oder Mehrkanalphasenschieber geschaffen, der als Phaseninverter für linear und beliebig polarisierte Si­ gnale arbeiten kann.

Die vorliegende Erfindung weist mindestens einen Wellen­ leiterkörper mit einem Eingangsport, der auch Anschluß ge­ nannt wird, zum Empfangen orthogonal polarisierter Kompo­ nenten eines Signals und einen Ausgabeport auf. Außerdem ist ein longitudinales Septum, das als eine Art Trennwand beschrieben werden kann, im Inneren des Wellenleiterkör­ pers angeordnet und besteht aus einem zentralen Abschnitt von konstanter Höhe, die der Höhe des Wellenleiterkörpers entspricht, und in Kombination mit dem Wellenleiterkörper einen dualen Portbereich und zwei andere Bereiche an jeder Seite des zentralen Abschnitts ergibt, die sukzessive durch Stufen, Abschrägungen oder Verjüngungen in der Höhe redu­ ziert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Septum eine transversale Spiegelsymmetrieebene auf, die durch die Mitte des zentralen Abschnitts des Septums verläuft. Ebenso ist eine bevorzugte Ausführungsform ein Septum, das eine Punkt­ symmetrie bezüglich des zentralen Punkts des Septums auf­ weist. Eine andere günstige Ausgestaltung des Septums ist die Gestaltung des Septums mit einer Gleitsymmetrieebene, die sich durch die Mitte des zentralen Septumabschnitts er­ streckt. Unter Gleitsymmetrie (glide symmetry) versteht man auch eine Art von Reflexionstranslation. Es wird hierzu auf "Consequences of symmetry in periodic structures" von Crepeau P.J. und Mc. Isaac P.R. in Proc. IEEE, v. 52, S. 33-43 verwiesen.

Diese unterschiedlichen Ausführungsformen können jede für sich oder in einer Kombination in orthogonalen longitudi­ nalen Symmetrieebenen des Wellenleiters angeordnet werden, um so zu einer besonders vorteilhaften Kombination der Ei­ genschaften zu führen. Wenn Kopplungsbereiche mit der glei­ chen Geometrie der Phasenschieber in einem Wellenlei­ terkörper in zwei orthogonal longitudinalen Wellenleiter­ symmetrieebenen angeordnet sind, kann so eine nicht disper­ sive Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen den orthogo­ nalen linear polarisierten Komponenten der Signale in einem großen Frequenzbereich erreicht werden. Man spricht hier auch von einem Polarisationsrotator.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kopplungsbe­ reiche mit der gleichen Geometrie in einem geschalteten oder umschaltbaren Zweikanalsystem angeordnet, um eine Phasen­ verschiebung von 180 Grad zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiterausgangsport zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform spricht man von einem Phaseninverter für linear polarisierte Signale.

In einer anderen Weiterbildung sind zwei Septum-Phasen­ schieber in einem Wellenleiterkörper kombiniert und weisen dabei dieselbe Geometrie in den Kopplungsbereichen auf. Da­ bei sind die Phasenschieber in orthogonalen Ebenen angeord­ net und bilden in diesem geschalteten Zweikanalsystem einen Phaseninverter für beliebig polarisierte Signale, wobei ei­ ne Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiterausgangsport erzeugt wird.

In einer anderen Weiterbildung ist eine Kombination der verschiedenen Septum-Phasenschieber in einem Zwei- oder Mehrkanalsystem möglich, um eine vorher bestimmte Phasenver­ schiebung oder eine Polarisationskonversion zu erreichen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung wei­ ter erläutert. Im einzelnen zeigen die schematischen Dar­ stellungen in:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Wellenleiter-Septum-Phasenschiebers gemäß der Er­ findung;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Wellenleiter-Septum-Phasenschiebers mit einer zweiten Ausführungsform des Septums;

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wellenleiter-Septum-Phasen­ schiebers mit zwei Septen;

Fig. 4 eine Ausschnittsansicht in der Ebene des Septums 4 gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Septumform mit einer Gleitsymmetrieebene;

Fig. 6 eine Septumform mit einer Spiegelsymmetrieebene; und

Fig. 7 eine symbolische Darstellung eines Zweikanal- Wellenleiter-Septum-Phasenschiebers gemäß der Er­ findung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Wellen­ leiter-Septum-Phasenschieber, der aus einem Wellenlei­ terkörper 1 mit einem Eingangsport 2 zum Empfangen orthogo­ nal polarisierter Komponenten eines Signals und aus einem Ausgangsport 3 besteht. Ein longitudinales Septum 4 in Fig. 1 bzw. 5 in Fig. 2 ist im Inneren des Wellenleiterkörpers 1 angeordnet und weist einen zentralen Abschnitt 6 mit kon­ stanter Höhe, die der Höhe des Wellenleiterkörpers ent­ spricht, auf und bildet in Kombination mit dem Wellenlei­ terkörper 1 einen dualen Portbereich. Zwei andere Teile 7 und 8, die an jeder Seite des zentralen Teils 6 sukzessive stufenweise in der Höhe reduziert werden, bilden in Kombi­ nation mit dem Wellenleiterkörper zwei Kopplungsbereiche. Der Wellenleiter-Septum-Phasenschieber, der in Fig. 1 ge­ zeigt wird, benutzt ein Septum 4 mit einer Gleitsymmetrie­ ebene, die sich durch die Mitte des zentralen Septumab­ schnitts 6 erstreckt.

Der Wellenleiter-Septum-Phasenschieber, der in Fig. 2 ge­ zeigt ist, benutzt ein Septum 5, das eine transversale Spiegelsymmetrieebene, die sich durch die Mitte des zentra­ len Septumabschnitts 6 erstreckt, aufweist. Das longitudi­ nale Septum 5 führt eine differentielle Phasenverschiebung zwischen den linear orthogonal polarisierten Signalen in der Ebene des Septums und in der Ebene, die orthogonal zu dem Septum liegt, durch.

Es ist von Bedeutung, daß der Septum-Phasenschieber gemäß der Fig. 1 eine räumliche Rotation von 180 Grad der Si­ gnalkomponente, die linear polarisiert in der Septumebene liegt, wegen der Gleitsymmetrieebene des Septums 4 durchführt. Währenddessen wird die Polarisation der Signal­ komponente, die linear polarisiert in der Septumebene liegt und den Septum-Phasenschieber gemäß der Fig. 2 passiert, we­ gen der Spiegelsymmetrieebene des Septums 5 nicht verändert. Dieses und weitere Merkmale der Erfindung werden bei der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungs­ form noch weiter erklärt.

Als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird ein Wellenleiter-Septum-Phasenschieber beschrieben, der eine differentielle Phasenverschiebung zwischen den linear orthogonal polarisierten Signalkomponenten von exakt 180 Grad in einem großen, vorher bestimmten Frequenzbereich einführt. Der Phasenschieber, der schematische in Fig. 3 dargestellt ist, weist einen rechtwinkligen, insbesondere quadratischen Wellenleiterkörper 1 auf, der durch zwei zen­ trale dünne metallische Septen 4 und 5, die beabstandet in orthogonalen Symmetrieebenen des Wellenleiters angeordnet sind, getrennt wird. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, kreuzen sich die Vorsprünge der Septen in der Wellenleitersymme­ trieachse. Dadurch hat der Phasenschieber zwei duale Port­ abschnitte und vier Septumkopplungsabschnitte, die integral in einer Einheit ausgebildet sind.

Diese Formen der Septen sind in den Fig. 5 und 6 ge­ zeigt. Die Kopplungsabschnitte der Septen 4, 5 bestehen in der bevorzugten Ausführungsform aus drei Stufen 10, 11 und 12. Das Septum 4, das in Fig. 5 dargestellt ist, hat eine Gleitsymmetrieebene, die durch die Mitte des zentralen Sep­ tumabschnitts 6 reicht. Ebenfalls kann man hier von einer Punktsymmetrie bezüglich des Mittelpunkts des zentralen Septumabschnitts sprechen. Das Septum 5, das in Fig. 6 dar­ gestellt ist, hat eine Spiegelsymmetrieebene, die sich dur­ ch die Mitte des zentralen Septumabschnitts erstreckt.

Die Arbeitsweise der bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung wird im folgenden beschrieben. Ein beliebig polari­ siertes Signal kann in eine erste und eine zweite orthogo­ nale Komponente zerlegt werden, die linear in den Wellen­ leitersymmetrieebenen polarisiert sind. Nach dem Passieren des Septums 4 wird die erste Komponente, die linear polari­ siert in der Ebene des Septums 4 ist, wegen der Gleitsymme­ trieebene des Septums 4 um 180 Grad gedreht. Darüber hinaus entstehen bei dieser Komponente einige dispersive Phasen­ verzögerungen wegen der abgestuften Kopplungsbereiche.

Die zweite Komponente passiert das dünne Septum 4 ohne oder fast ohne Veränderungen. Nach dem Passieren des Septums 5 erfährt die zweite Komponente dieselben dispersiven Phasen­ verzögerungen wie die erste Komponente am Septum 4 wegen der gleichen Septumstufenanordnung. Die Polarisation der zweiten Komponente ist wegen der Spiegelsymmetrieebene des Septums 5 nicht verändert. Die erste Komponente passiert das dünne Septum 5 ohne oder fast ohne Veränderungen. Im Ergebnis wird eine nichtdispersive differentielle Phasen­ verschiebung von 180 Grad zwischen der ersten und der zweiten Komponente eingeführt.

Die gemessen Leistungskennwerte der bevorzugten Aus­ führungsform sind: Stehwellenverhältnis (VSWR) - besser als 1,15, differentielle Phasenverschiebung - 180 Grad über 20% des Frequenzbands. Querschnittsabmessungen in Einhei­ ten der Durchschnittswellenlänge - 0,6 × 0,6.

Die Abmessungen der bevorzugten Ausführungsform, die im Frequenzbereich von 7,2 GHz bis 8,9 GHz arbeitet, sind in den Fig. 4 bis 6 gezeigt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein geschalteter Zweikanal-Wellenleiter-Septum-Phasenschieber (Phaseninverter), der schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Ein erster Kanal 13 ist entsprechend der Fig. 1 realisiert und ein zweiter Kanal 14 ist entsprechend der Fig. 2 realisiert. Diese beiden Kanäle sind mit Schaltern 15 und 16 umschaltbar verbunden. Diese Vorrichtung erzeugt eine nichtdispersive Phasenverschiebung von 180 Grad zwi­ schen den Ausgangssignalen der linear polarisierten Kanäle. Diese Vorrichtung kann in einem Phasenmanipulationssystem verwendet werden. Durch gleichzeitiges Schalten der Kanäle auf Eingabe und auf Ausgabe kann man für linear polari­ sierte Signale eine Phaseninversion erzielen.

Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein geschalteter Wellenleiter-Septum-Phasenschieber, ähnlich dem in Fig. 7 beschriebenen, in dem der erste Kanal zwei Septen entsprechend der Fig. 5 enthält, die in orthogo­ nalen Wellenleitersymmetrieebenen mit Zwischenraum ange­ ordnet sind, und der zweite Kanal zwei Septem entsprechend der Fig. 6 aufweist, die in der gleichen Art wie die Sep­ ten in dem ersten Kanal mit Zwischenraum in dem gleichen Wellenleiter angeordnet sind. Diese Vorrichtung erzeugt eine nichtdispersive Phasenverschiebung von 180 Grad zwi­ schen den beliebig polarisierten Ausgangssignalen der Ka­ näle. Diese Vorrichtung kann in Phasenmanipulationssyste­ men für beliebig polarisierte Signale verwendet werden.

Eine große Anzahl von Ausführungsformen eines Wellenleiter- Septum-Phasenschiebers gemäß der Erfindung kann durch Viel­ kanalkombinationen realisiert werden. Wenn nichtdispersive Merkmale nicht benötigt werden, kann ein Septum-Phasen­ schieber gemäß der Erfindung mit einer von 180 Grad ab­ weichenden Phasenverschiebung erzeugt werden. Das Septum kann von beliebiger Form sein, um eine benötigte Phasenver­ schiebung in einem großen Frequenzbereich zu erzeugen. Darüber hinaus kann sowohl die Dicke des Septums als auch der Querschnittsbereich des Wellenleiters variieren.

Claims (10)

1. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber mit mindestens einem Wellenleiterkörper (1), der einen Eingangsport (2) zum Empfangen von orthogonal polarisierten Kompo­ nenten eines Signals und einen Ausgangsport (3) auf­ weist, einem longitudinalen Septum (4, 5), das innerhalb des Wellenleiterkörpers angeordnet ist und einen zentralen Abschnitt (6) von konstanter Höhe, die der Höhe des Wellenleiterkörpers (1) gleicht, aufweist, wobei das Septum mit dem Wellenleiterkörper (1) in einem dualen Portbereich kombiniert ist und zwei andere Ab­ schnitte (7, 8) des Septums (4, 5) an jeder Seite des zentralen Abschnitts (6) sukzessive in der Höhe reduziert werden und in Kombination mit dem Wellen­ leiterkörper (1) zwei Kopplungsbereiche bilden.

2. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Septum (5) eine Spiegelsymmetrieebene aufweist, die durch die Mitte des zentralen Septumabschnitts (6) verläuft.

3. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Septum (4) eine Gleitsymmetrieebene aufweist, die durch die Mitte des zentralen Abschnitts (6) des Septums (4) verläuft.

4. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wellenleiter-Septum-Phasenschieber (5) mit einer Spiegelsymmetrieebene in einem Wellenleiterkör­ per in zwei orthogonal longitudinalen Wellenleiter­ symmetrieebenen angeordnet sind.

5. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wellenleiter-Septum-Phasenschieber (4) mit Gleitsymmetrieebene in einem Wellenleiterkörper (1) in zwei orthogonalen longitudinalen Wellenleitersymme­ trieebenen angeordnet sind.

6. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter-Septum-Phasenschieber (5) mit Spiegelsymmetrieebene und ein Wellenleiter-Septum- Phasenschieber (4) mit Gleitsymmetrieebene mit der gleichen Kopplungsabschnittsgeometrie der Phasenschie­ ber in einem Wellenleiterkörper (1) in zwei orthogo­ nal longitudinalen Wellenleitersymmetrieebenen ange­ ordnet sind, um eine nichtdispersive Phasenverschie­ bung von 180 Grad zwischen linear orthogonal polari­ sierten Komponenten der Signale in einem großen Fre­ quenzband zu erzeugen (Polarisationsrotator).

7. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Septum-Phasenschieber (5) mit Spiegelsymme­ trie und ein Septum-Phasenschieber (4) mit Gleit­ symmetrie mit der gleichen Kopplungsabschnittsgeometrie in einem geschalteten Zweikanalsystem kombiniert sind, um eine Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen dem ersten und zweiten Wellenleiterausgangsport zu erzeu­ gen (Phaseninverter für linear polarisierte Signale).

8. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Septum-Phasenschieber (5) mit Spiegelsymme­ trieebenen in orthogonalen longitudinalen Wellenlei­ tersymmetrieebenen angeordnet sind und
daß zwei Wellenleiter-Septum-Phasenschieber (4) mit Gleitsymmetrieebenen in zwei orthogonalen longitudinalen Wellenleitersymmetrieebenen angeordnet sind,
daß die Kopplungsbereiche die gleiche Geometrie auf­ weisen, und
daß diese Phasenschieber in einem geschalteten Zwei­ kanalsystem miteinander kombiniert sind, um eine Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen dem ersten und zweiten Wellenleiterausgangsport zu erzeugen (Phaseninverter für beliebig polarisierte Signale).

9. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Septum-Phasenschieber, insbeson­ dere die in den Ansprüchen 2 bis 6 beschriebenen, in Zwei- oder Mehrkanalsystemen miteinander verbunden sind, um eine vorher bestimmte Phasenverschiebung oder eine Polarisationskonversion zu erzeugen.

10. Wellenleiter-Septum-Phasenschieber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Septums (4, 5) sukzessive durch Stufen, Abschrägungen oder Verjüngungen reduziert ist.