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Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen für Fernmeldesysteme,
die mit Mikrowellen arbeiten, und betrifft speziell einen
Phasenschieber in Form eines koaxialen Wellenleiters, bestehend aus einem
Abschnitt von koaxialem Wellenleiter, mit einem zylindrischen
Außenleiter, der eine Innenfläche aufweist, und einem Innenleiter,
der eine Außenfläche aufweist, wobei beide Leiter hohl sind und
diese Flächen einander gegenüberliegen und Querschnitte haben, die
radiale Unsymmetrieen in Orthogonalrichtungen wenigstens an einigen
Punkten entlang der Wellenleiterachse aufweisen.
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Bekanntlich bestehen koaxiale Wellenleiter aus einem hohlen
zylindrischen Leiter, in den ein zweiter zylindrischer Leiter eingesetzt
ist, der ebenfalls hohl ist und zum äußeren Leiter koaxial ist.
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Diese Leiter werden immer dann verwendet, wenn ein Fortschreiten im
Modus TE11 von Signalen beabsichtigt ist, die zwei verschiedenen
Frequenzenbändern angehören, auch wenn diese sehr weit voneinander
liegen. Tatsächlich wirkt der Innenleiter als üblicher zirkularer
Wellenleiter, in dem Signale fortschreiten, die dem höheren
Frequenzband angehören, während der zwischen dem Außenleiter und dem
Innenleiter liegende Bereich als ein Wellenleiter wirkt, in dem
Signale fortschreiten, die dem niedrigeren Frequenzband angehören.
Zusätzlich weist der koaxiale Wellenleiter ein Paßband auf, das als
das zwischen der Grenzfrequenz des Modus TE11 und der Frequenz des
ersten höheren Modus eingeschlossene Band gedacht ist, wobei
letzteres breiter ist als das Band des zirkularen Wellenleiters mit dem
gleichen Durchmesser.
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Natürlich ermöglicht die Hinzufügung von einem oder mehreren äußeren
zylindrischen Leitern die Hinzufügung einer entsprechenden Anzahl
von Frequenzbändern, die im Grundmodus fortschreiten. Auf diese Art
kann eine große Zahl von Informationen übertragen werden, die
weiterhin dadurch verdoppelt werden kann, daß man Signale verwendet,
die zum selben Frequenzband gehören, jedoch unterschiedlich
Polarisation aufweisen.
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Analog zu insoweit bereits bekannten Auslegungen für Systeme
zirkularer Wellenleiter ist es auch für koaxiale Wellenleiter
notwendig, Vorrichtungen zu entwerfen und herzustellen, die das
innenseitige Fortschreiten von Mikrowellensignalen in zweckmäßiger
Weise beeinflussen können. Speziell sind
Unterscheidungsvorrichtungen erforderlich, da Signale, die zum selben Frequenzband gehören,
jedoch unterschiedliche Polarisation (nämlich orthogonal oder mit
entgegengesetzten Drehrichtungen) haben, durch den selben
Wellenleiter übertragen werden. Unter diesen Vorrichtungen benötigt man
speziell Phasenschieber, und zwar hauptsächlich solche, die es
ermöglichen, ein unterschiedliches elektrisches Verhalten bei
Vorhandensein von Signalen unterschiedlicher Polarisation zu erhalten. Mit
diesen Vorrichtungen können hochleistungsfähige
Mikrowellenkomponenten erhalten werden, wie etwa Doppelpolarisation-Multibandspeiser
für Bodenstationen oder Satellitenantennen, die in der
Telekommunikation oder im Bereich der Radioastronomie verwendet werden.
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Bei Anwendungen dieser Art kann ein Phasenschieber dazu verwendet
werden, ein zirkular polarisiertes Signal in ein linear
polarisiertes Signal umzuwandeln, so daß er als Polarisator mit einer 90º-
Phasenverschiebung arbeitet, oder die Polarisation eines linear
polarisierten Signals zu drehen, wobei die Polarisation linear
bleibt: in diesen Fall muß die eingeführte Phasenverschiebung 180º
betragen. Ein Polarisator mit einer Phasenverschiebung von 90
erlaubt auch die Trennung von zirkular polarisierten Signalen mit
entgegengesetzten Rotationsrichtungen, wobei zwei linear
polarisierte orthogonale Signale abgegeben werden, die leicht getrennt werden
können.
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Phasenschieber in rechteckigen und zirkularen Wellenleitern sind in
der Literatur bereits bekannt. Ein zirkularer
Wellenleiter-Phasenschieber ist in dem Artikel "Polarization diversity lowers antenna
feed-line noise" von Howard C. Yates und anderen, erschienen in
Microwaves, Mai 1968, beschrieben worden. Er besteht aus einem
zirkularen Wellenleiterabschnitt, in dem Irise in Kaskade angeordnet
sind, die aus zwei gleichen zirkularen Abschnitten in
Gegenüberstellung zusammengesetzt sind. Eine gesamte Phasenverschiebung von
90º oder 180º wird erhalten, indem man sie zweckmäßig auf die
verschiedenen Irise verteilt, die allgemein im Abstand von
Viertelwellenlängen der Nenn-Mittenfrequenz angeordnet sind. Bandbreiten
einer Oktav werden erhalten für Phasenverschiebungen von 90º ± 1º.
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Ein weiterer Wellenleiter-Phasenschieber ist in der US-A-4 725 795
beschrieben. Diese Vorrichtung verwendet eine periodische Struktur
von Wellungen. Sie weist deshalb große Dimensionen und eine hohe
Zahl von Irisen auf, und die Herstellungskosten sind hoch.
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Die von diesen Komponenten erwarteten Leistungen können
folgendermaßen zusammengefaßt werden:
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- eine Bandbreite von wenigstens 12% der Mittenfrequenz;
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- Rückkehrverluste niedriger als 30 dB;
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- eine differentielle Phasenverschiebung zwischen orthogonalen
Polarisationen von ± 10;
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- ein Axialverhältnis unter 1,02 im Fall der zirkularen
Polarisation.
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Für Anwendungen an Bord eines Satelliten werden auch leichte und
einen reduzierten Raumbedarf aufweisende Vorrichtungen gefordert,
was die Suche nach der Optimalzahl von Irisen, mit denen der
Phasenschieber ausgestattet ist, mit sich bringt, da die Gesamtlänge der
Vorrichtung von dieser Zahl abhängt.
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Bei den bekannten Phasenschiebern, die für Systeme mit zirkularen
Wellenleitern entworfen sind, werden die gewünschten Bandbreiten
durch Verwendung einer relativ hohen Zahl von Irisen erhalten;
hierdurch sind die erhaltenen Strukturen raumaufwendig.
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Diese Nachteile werden durch den durch die Erfindung geschaffenen
Koaxialwellenleiter-Phasenschieber überwunden, der die oben
angegebenen Leistungen erbringt, von kleinen Abmessungen ist und rigoros
durch die exakte Synthese der äquivalenten elektrischen Schaltung
entworfen werden kann. Die Vorrichtung eignet sich außerdem für den
Gebrauch an Bord eines Satelliten, da keine dielektrischen Teile
erforderlich sind, welche ein thermomechanisches Verhalten zeigen,
das aufgrund von Ausdehnungen, Alterung, Lötoperationen usw. nicht
leicht vorhersagbar ist.
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Die Erfindung schafft einen koaxialen Wellenleiter-Phasenschieber,
der dadurch gekennzeichnet ist, das die radialen Asymmetrieen
Dimensionen aufweisen, die sich entlang der Wellenleiterachse
ändern.
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Diese und andere Charakteristiken der Erfindung werden durch die
folgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
deutlicher, das als nicht-begrenzendes Beispiel angegeben wird, und durch
die anhängende Zeichnung. Es zeigen:
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Phasenschieber;
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Fig. 2 einen Querschnitt durch den Phasenschieber;
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Fig. 3 verschieden geformte Irise.
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Wie Fig. 1 zeigt, besteht der Phasenschieber aus einem koaxialen
Wellenleiterabschnitt, der sowohl einen äußeren zylindrischen Leiter
CE als auch einen inneren zylindrischen Leiter CI umfaßt, die beide
hohl sind. Der Innendurchmesser des Außenleiters und der
Außendurchmesser des Innenleiters sind D bzw. d. Am Außenleiter ist eine
bestimmte Anzahl N von Irisen I befestigt. Sie bestehen aus zwei
gegenüberliegenden Platten mit der Form von Kreissegmenten mit
zueinander parallelen geradlinigen Seiten. Die Plattendicke ist T,
die geradlinigen Seiten sind durch einen Abstand W getrennt und der
Abstand zwischen den Irisen beträgt Li.
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Das elektrische Verhalten des Phasenschiebers hängt von den obigen
mechanischen Parametern ab, nämlich speziell von W/D, D/d, T jeder
Iris und von Li und N, die bei seiner Konstruktion genau definiert
werden müssen. Bisher wurden Konstruktion und Optimierung von
rechteckigen oder zirkularen Wellenleiter-Phasenschiebern
hauptsächlich experimentell durchgeführt, und zwar nach eher langsamen und
teuren Vorgehensweisen. Außerdem ergaben sich bei der
Implementierung von Breitbandvorrichtungen Strukturen von erheblicher Länge, da
die verwendeten elektrischen Modelle keine Strukturen mit sehr nahe
beieinander stehenden Irisen wiedergeben konnten.
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Im folgenden wird ein Entwurfsverfahren beschrieben, das für die
Vermeidung dieser Nachteile zweckmäßig ist.
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Man hat zunächst folgende Größen zu definieren: Die gesamte vom
Phasenschieber einzuführende Phasenverschiebung αTOT, beispielsweise
90º oder 180º; das Frequenzband F1-F2, in dem die Vorrichtung
arbeiten soll; die Anzahl N der in den Wellenleiter einzusetzenden
Irise; und die Verteilung der jeder Iris entlang dem Wellenleiter
zugewiesenen Phasenverschiebungen αi, wobei z. B. eine Wahl zwischen
gleichförmiger, binominaler, sich erweiternder usw. Verteilung
möglich ist, in Funktion von den hinsichtlich der Rückkehrverluste
und der Bandbreite geforderten Verhaltensweisen.
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Ausgehend von einer angepaßten Belastung und von der letzten zu
erzielenden Phasenverschiebung αN, können die sich auf die letzte
Iris beziehenden Werte W/D und L unter Verwendung vorgegebener
Konstruktionsdaten erhalten werden. Zu diesem Zweck wird das
vierpolige Äquivalent der aus dem Wellenleiterabschnitt und der Iris
zusammengesetzten Zelle dadurch abgeleitet, daß die Reaktanzen
ausgedrückt werden, die sie bilden, in Funktion von den mechanischen
Charakteristiken der Iris selbst. Die erhaltenen Beziehungen
ermöglichen den Aufbau von Kurven der Phasenverschiebung αi, die
durch die Zelle eingeführt wird, in Funktion von W/D und T der Iris,
wobei die Frequenz den Parameter nachstellt. Diese Kurven können
dann entweder unmittelbar verwendet werden oder, noch besser,
computer-gespeichert und dann in der automatisierten Entwurfsphase
verwendet werden.
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Der folgende Schritt ist der, daß die Phasenverschiebung αN-1
implementiert wird, indem die beiden Zellen in Kaskade kombiniert
werden, um neue Werte W/D und L zu erhalten, die sich auf die
vorletzte Iris beziehen. Da in diesem Fall die Belastung aufgrund
des Verhandenseins der letzten Iris nicht mehr angepaßt ist, muß die
Phasenverschiebung der einzelnen Zelle unter Berücksichtigung
mehrfacher Reflexionen berechnet werden. Auch in diesem Fall ist es
möglich, die Kurven der in Funktion von der Phasenverschiebung der
isolierten Einzelzelle zu erhaltenden Phasenverschiebung aufzubauen,
wobei der Reflexionskoeffizient der Parameter ist.
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Das Vorgehen schreitet in dieser Weise bis zum Erhalten aller
Irisdaten fort.
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Die Vorrichtung kann auch Irise mit einer gegenüber der Form der
beiden gegenüberliegenden Kreissegmente unterschiedlichen Form
verwenden, soweit sie keine radiale Symmetrie aufweisen, da sie eine
Phasenverschiebung zwischen einfallenden Signalen mit orthogonalen
Polarisationen erzielen müssen.
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Figur 3 zeigt unterschiedliche Formen von Irisen. Die mit a)
bezeichnete Iris besteht aus zwei Sektoren eines Rings und die mit b)
bezeichnete Iris besteht aus zwei rechteckigen Platten. In c) ergibt
sich die Unsymmetrie daraus, daß der Innen-Wellenleiter selbst einen
rechteckigen Querschnitt aufweist, während in d) und e) die Iris aus
Platten in der Form von Kreissektoren bzw. Rechtecken besteht, die
am zirkularen Innen-Wellenleiter befestigt sind. Natürlich erfordert
das Konstruieren die der verwendeten Iris äquivalente elektrische
Schaltung.