DE68902886T2 - Kopplungsvorrichtung fuer einen wellenleiter. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Kopplungsvorrichtung und, insbesondere, auf eine Vorrichtung zur Kopplung von Energie zwischen je zwei Übertragungsleitungen und einem Wellenleiter.
• Die Kopplung von Energie zwischen einer Übertragungsleitung und einem Wellenleiter wird üblicherweise durch die Verwendung von einer oder mehreren Drahtsonden oder Drahtschleifen erreicht, die durch die Wand des Wellenleiters in den Wellenleiterhohlraum eingeführt sind, wobei die Sonden quer zur Achse des Wellenleiters liegen. Für den Fall eines Wellenleiters, der Zirkularpolarisation oder , abweichend davon, zwei unabhängige orthogonale Polarisationen akkomodieren soll, werden zwei dieser Sonden benötigt, die zueinander orthogonal innerhalb des Hohlraums und um eine Halbwellenlänge (in der Richtung der Achse) voneinander getrennt sein müssen, wenn eine hohe Entkopplung und gute Echodämpfung erreicht werden sollen. Die erste Sonde wäre im allgemeinen um eine Viertelwellenlänge vom Kurzschlußende des Wellenleiters entfernt. Eine derartige Anordnung hat zwei Nachteile: erstens haben die Sonden nicht das gleiche Frequenzverhalten, da die vom Kurzschluß weiter entfernte Sonde eine verminderte Bandbreite hat; und zweitens sind die Sonden nicht koplanar und damit nicht geeignet zur Direktverbindung mit einer einzigen Nikrostreifenleitungsschaltungsplatte. Die Entkopplung zwischen den beiden orthogonalen Polarisationen wird verbessert, wenn der Aufbau wohl überlegt dadurch verstimmt wird, daß die erste Sonde dichter an das Kurzschlußende des Wellenleiters verlegt wird. Bei einem Dualsondenaufbau führt allerdings eine solche Verstimmung zu einer beträchtlich schlechteren Echodämpfung, weil die Sonden nicht mehr auf den Hohlraum abgestimmt sind.
• Ein Ziel der Erfindung ist es daher, eine Wellenleiterkopplungsvorrichtung vorzusehen, mit der sowohl eine hohe Entkopplung als auch eine gute Echodämpfung für orthogonale Polarisationen gleichzeitig erreicht werden kann.
• Eine Wellenleiterkopplungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Patentdokument EP-A2-0 071 069 bekannt. Das Ziel der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
• Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in Ansprüchen 2 bis 8 beansprucht.
• Eine Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung wird nachstehend beispielshalber unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
• FIG. 1(a) eine Stirnansicht und FIG. 1(b) eine geschnittene Seitenansicht einer Wellenleiterkopplungsvorrichtung,
• FIG. 2 ein 90º-Hybridnetzwerk zur Verwendung bei der Erzeugung einer Zirkularpolarisation in einer beliebigen der beiden Richtungen in der Vorrichtung nach FIG. 1, und
• FIG. 3 ein alternatives Speisenetzwerk zum Erzeugen einer Zirkularpolarisation in einer Richtung.
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen stellen FIG. 1(a) und 1(b) einen standardisierten Wellenleiteraufbau in Form eines leitenden Rohres 1 mit einem Kreisquerschnitt und einem Resonanzhohlraum 2 dar. Ein leitendes Feld 3, wie es üblicherweise in Mikrowellenantennen benutzt wird, ist innerhalb des Hohlraums 2 abgestützt, und zwar quer zur Achse des Wellenleiters 1 mit Hilfe eines dielektrischen Substrats 8. Zwei Streifenleitungsabschnitte 5 sind auf das Substrat 8 gedruckt. Jeder Streifenleitungsabschnitt 5 ist an einem Ende in der Breite auf eine schmale leitende Streifensonde 4 vermindert, wobei das Ende der Sonde einem Rand des Feldes 3 benachbart ist, jedoch nicht in elektrischem Kontakt mit ihm steht. Die beiden Streifensonden 4 und ihre zugehörigen Streifenleitungsabschnitte 5 liegen orthogonal zueinander, und beide liegen koplanar mit dem Feld 3. Das Substrat 8 erstreckt sich durch den gesamten Umfang der Wellenleiterwand, d.h. es ist sandwichartig zwischen zwei Abschnitten des leitenden Rohres 1 angeordnet. Die Streifenleitungsabschnitte 5 sind vom Rohr 1 dadurch getrennt, daß die benachbarte Stirnfläche des Rohres lokal ausgespart ist, wie es durch das Bezugszeichen 6 in FIG. 1 angedeutet ist. Als Alternative kann man eine Isolierscheibe zwischen der Stirnfläche des Rohres 1 und derjenigen Seite des Substrates 8 vorsehen, die die Streifenleitungsabschnitte 5 trägt. Das Substrat 8 hat eine leitende Grundebene 7 auf der den Streifenleitungen 5 entgegengesetzten Seite. Die Grundebene 7 steht in Kontakt mit der Wellenleiterwand, erstreckt sich jedoch nicht in das Innere des Hohlraumes 2. Obgleich in FIG. 1 die Grundebene 7 auf derjenigen Seite des Substrates 8 vorgesehen ist, die dem Kurzschlußende 11 des Wellenleiterrohres 1 am nächsten liegt, kann die Grundebene 7 gleichermaßen auf der entgegengesetzten Seite des Substrates 8 vorgesehen sein, und das Feld 3 und die Streifenleitungsabschnitte 5 sind dann auf derjenigen Seite ausgebildet, die dem Kurzschluß 11 am nächsten kommt. Das Substrat 8 stellt eine bequeme gedruckte Schaltungsplatte zum Montieren von Schaltungen dar, die dem Wellenleiter zugeordnet sind. Aus diesem Grunde können sich das Substrat 8 und seine Grundebene 7 beträchtlich über den Rand des Wellenleiters hinaus erstrecken.
• Die Wandstärke T des Wellenleiterrohres 1 beträgt eine Viertelwellenlänge bei der Betriebsfrequenz (d.h. bei der abgestimmten Frequenz). Bei der Diskontinuität aufgrund des Substrates 8 bildet der Außenrand 9 des Rohres 1 einen offenen Stromkreis (oder zumindest einen sehr hohen Widerstand) bezüglich Energie, die sich durch das Substrat 8 ausbreitet. Dadurch daß T eine Viertelwellenlänge ist, wird dieser offene Stromkreis in einen wirksamen Kurzschluß am Innenrand 10 des Rohres 1 transformiert. Bei der abgestimmten Frequenz erscheint somit der Innenrand 10 der Wellenleiterwand gegenüber der Signalenergie kontinuierlich, und die Wand sieht eine Drossel vor, die es dem Substrat gestattet, die Wellenleiterwand wirksam zu unterbrechen, jedoch ohne Nachteil für die Wellenleiterfunktion.
• Der Spalt zwischen dem Ende der Streifensonde 4 und dem Rand des Feldes 3 sieht eine kapazitive Kopplung von Signalenergie von dem Streifenleitungsabschnitt 5 zum Feld 3 vor. Die Streifehleitungsabschnitte 5, zusammen mit ihren zugehörigen Streifensonden 4, sind in der Lage, Signale zum Wellenleiter getrennt zu koppeln, um unabhängige orthogonale Polarisationen mit einem hohen Grad an Entkopplung vorzusehen. Wenn zwei solcher unabhängiger Signale innerhalb des Wellenleiters akkomodiert werden sollen, benötigt jeder Streifenleitungsabschnitt 5 seine eigene Übertragungsleitung (nicht gezeigt), bei der es sich um eine kontinuierliche Verlängerung des Streifenleitungsabschnitts 5 in Form einer gedruckten Leiterbahn auf dem Substrat 8 handeln kann. Alternativ können die Übertragungsleitungen Koaxialkabel enthalten, in welchem Fall ein Verbinder beim Übergang von der Streifenleitung zum Kabel erforderlich ist. Der Verbinder kann so dicht wie erwünscht am Wellenleiter montiert werden, und zwar unter der Voraussetzung, daß der Außenschirm des Kabels den ausgesparten Abschnitt 6 des Wellenleiterrohres nicht überbrückt. Der Außenschirm des Kabels ist mit der Grundebene 7 des Substrates 8 verbunden.
• Die Verwendung des leitfähigen Feldes 3 als Kopplungselement stellt einen niedrigen Verlust und eine hohe Entkopplung oder Trennung zwischen den beiden Polarisationen sicher. Der Verlust wird so klein wie möglich gehalten, weil die Energieausbreitung längs der Streifensonden 4, wenn einmal innerhalb des Wellenleiters, hauptsächlich in der Luft erfolgt, d.h. nicht mehr zwischen dem Streifenleiter und der Grundebene eingefangen ist. Dies bedeutet, daß das meiste an Verlusten in den Streifenleitungen 5 auftritt, die die Streifensonden 4 speisen. Das Substrat 8 innerhalb des Wellenleiters dient lediglich zur Abstützung des Feldes 3 und der Streifenleiter 5 und sollte deshalb so dünn sein, wie es vom praktischen Standpunkt aus möglich ist, um die Verluste weiter zu minimieren.
• Das Substrat 8 ist um eine Strecke L (will sagen ein Achtel einer Wellenlänge) vom Kurzschlußende 11 des Wellenleiters 1 entfernt, um mit Bedacht den Aufbau zu verstimmen (FIG. 1(b)). Diese Verstimmung verbessert die Entkopplung zwischen den orthogonalen Polarisationen. Die Einfügung des Feldes 3 zwischen die Streifensonden 4 hält eine gute Echodämpfung aufrecht, selbst wenn der Hohlraum verstimmt ist. Somit kann man eine hohe Entkopplung oder Trennung und gleichzeitig eine gute Echodämpfung erreichen.
• Andere orthogonale Polarisationen, wie eine Zirkularpolarisation, können innerhalb des Wellenleiters unter Verwendung des in FIG. 1 gezeigten Aufbaus erzeugt werden. Um eine Zirkularpolarisation zu erhalten, müssen die an die Streifensonden 4 gelegten Signale zusätzlich zu ihrer Orthogonalität im Raum eine Quadraturphasendifferenz haben. Eine solche Phasendifferenz kann man auf verschiedene Art und Weise erzielen. FIG. 2 zeigt im Umriß ein Verfahren zum Erzielen einer zirkularen Polarisation unter Verwendung eines 90º-Hybridnetzwerks 12 zwischen den Streifenleitungsabschnitten 5 und einer einzigen Übertragungsleitung (nicht gezeigt), die an einen Punkt B oder an einen Punkt C angeschlossen sein kann. Das Hybridnetzwerk besteht aus einer einfachen Anordnung von Signalpfaden, bei denen es sich um Leiterbahnen handeln kann, die auf demselben Substrat 8 ausgebildet sind, das das Feld 3 trägt, jedoch außerhalb des Wellenleiters. Ein am Punkt B oder am Punkt C durch die Übertragungsleitung angelegtes Signal erreicht die Streifensonden 4 über zwei getrennte Pfade unterschiedlicher Länge. Die Differenz in den Pfadlängen ist derart, daß eine 90º-Phasendifferenz zwischen den Signalen auftritt, die von den beiden Streifensonden 4 zum Feld 3 gekoppelt werden. Die Richtung der erzeugten Zirkularpolarisation hängt davon ab, ob das Signal entweder an den Punkt B oder an den Punkt C angelegt wird.
• Ein alternatives Verfahren zum Erzeugen einer Zirkularpolarisation nur einer Richtung ist in FIG. 3 dargestellt. Hier ist eine einzige Mikrostreifenübertragungsleitung 13 in zwei Streifenleitungen 5 unterteilt, die unterschiedliche Längen haben, um die erforderlichen Phasenbedingungen hervorzurufen. Die Richtung der Zirkularpolarisation ist bestimmt durch die Streifenleitung, die den längeren Signalpfad vorsieht.
• Obgleich die obige Beschreibung der Ausführungsbeispiele im allgemeinen auf Anwendungen Bezug nimmt, bei denen der Wellenleiter als strahlendes Element verwendet wird, das von einer oder zwei Übertragungsleitungen gespeist wird, sind die Kopplungsvorrichtungen gleichermaßen für Konfigurationen zum Empfang polarisierter Signale geeignet. Eine derartige Anwendung ist ein DBS- Satelliten-Fernseh-Empfangssystem (DBS = Fernsehsatellit für Direktempfang), bei dem zwei Empfangssignale, die einen gemeinsamen Frequenzkanal teilen, aufgrund ihrer unabhängigen orthgonalen Polarisationen voneinander entkoppelt oder getrennt werden können. Die Programmauswahl kann dann ohne Einstellung der Antenne dadurch erfolgen, daß die Übertragungsleitung umgeschaltet wird, die das gewünschte Signal zum Empfängereingang führt.

Claims (8)

1. Kopplungsvorrichtung für einen Wellenleiter zur Kopplung von Energie zwischen je zwei Übertragungsleitungen (5) und einem Wellenleiter (1), wobei die Übertragungsleitungen (5) auf einem Substrat (8) getragen sind, das bezüglich der Wellenleiterachse senkrecht angeordnet ist und von einem Kurzschlußende (11) des Wellenleiters (1) beabstandet ist, und wobei die beiden Übertragungsleitungen (5) zueinander rechtwinklige Streifenleiter (5) enthalten, die sich quer durch die Wand des Wellenleiters (1) erstrecken, welche Kopplungsvorrichtung gekennzeichnet ist durch ein leitendes Feld (3), das auf dem Substrat (8) so angeordnet ist, daß die Streifenleiter (5) bei jeweiligen Positionen enden, die benachbart zu, jedoch nicht in Kontakt mit dem Feld (3) sind, zur Kopplung jeweiliger orthogonaler planpolarisierter Signale.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifenleiter (5) in einem Abschnitt verminderter Breite (4) endet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleiter (5) bei einer Verbindung mit einer gemeinsamen Übertragungsleitung (13) verbunden sind und gekennzeichnet durch Mittel (12) zum Einführen einer Rechtwinkelphasendifferenz zwischen den Signalen, um ein zirkularpolarisiertes Signal zwischen dem Wellenleiter (1) und der gemeinsamen Übertragungsleitung (13) zu koppeln.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechtwinkelphasendifferenz dadurch erreicht ist, daß die Streifenleiter (5) eine unterschiedliche Länge haben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einführen einer Rechtwinkelphasendifferenz ein in die Verbindung einbezogenes Hybridnetzwerk (12) enthalten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Hybridnetzwerk (12) auf dem Substrat (8) getragen ist.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleiter (5) und das leitende Feld (3) als Streifenleitung auf einer Mikrostreifenleitungsschaltungsplatte ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Wellenleiter (1) zwei die Schaltungsplatte sandwichartig beschichtende Abschnitte enthält, welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wellenleiterwand (1) eine Dicke hat, die einer Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz der Vorrichtung äquivalent ist, so daß es der Schaltungsplatte gestattet ist, die Wand ohne Nachteil bezüglich der Wellenleiterfunktion zu unterbrechen.