EP2897213B1

EP2897213B1 - Breitband-Signalverzweigung mit Summensignalabsorption

Info

Publication number: EP2897213B1
Application number: EP15000068.5A
Authority: EP
Inventors: Philipp Dr. Kohl
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2019-05-01
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: EP2897213A1; US9559403B2; DE102014000438B4; DE102014000438A1; ES2731354T3; CA2877154A1; US20150207201A1; CA2877154C

Description

Die Erfindung betrifft eine (BSmS) zur Übertragung von Signalen über eine vorgegebene Bandbreite, die der maximalen Bandbreite einer konventionellen T-Verzweigung entspricht.
Eine solche (BSmS), umfasst einen gemeinsamen Hohlleiter mit einem ersten vorgegebenen Querschnitt und vier Seitenarmhohlleiter mit vorgegebenem zweiten Querschnitt. Zwei erste, gegenüberliegende Seitenarmhohlleiter erstrecken sich entlang einer ersten Achse. Zwei zweite, gegenüberliegende Seitenarmhohlleiter erstrecken sich entlang einer zweiten Achse, wobei die erste und zweite Achse orthogonal zueinander angeordnet liegen. Die gemeinsame Ebene verläuft orthogonal zu einer Hauptachse des gemeinsamen Hohlleiters.
Ein Orthomodenkoppler (Orthomode Transducer, OMT) ist ein passives Bauelement der Mikrowellentechnik. Er findet Verwendung zur Trennung bzw. Zusammenführung orthogonal polarisierter elektromagnetischer Wellen. Derzeitig aktuelle Kommunikationssysteme bestehen aus einem Satellitenempfänger und -sender mit Antennen für satellitengestützte Kommunikation. Dort übernimmt der Orthomodenkoppler die Aufgabe eines Diplexers bzw. Zirkulators, wenn Empfangs- und Sendesignale orthogonal polarisiert sind, und leitet beide Signale gemeinsam über eine Antenne.
Auf Grund von Fertigungsungenauigkeiten können minimale unsymmetrische Diskontinuitäten auftreten. Dadurch kommt es zu Phasendifferenzen der verschiedenen elektromagnetischen Wellen und letztendlich beim Zusammenführen der individuellen Wellen zu unerwünschten Störsignalen. Beim Zusammenführen der Signale, weicht die relative Phasenverschiebung in den einzelnen Ausbreitungswegen der elektromagnetischen Wellen geringfügig von einem Sollwert von 180° ab. Subtrahiert man nun zwei Signale voneinander, verbleibt ein gewisser Summenanteil, dessen Amplitude von der Abweichung der Phase vom Sollwert abhängt.
Durch das Verwenden einer konventionellen T-Verzweigung (eine sog. Tee Junction) als Signalverzweigung, wie diese in Fig. 4 dargestellt ist, entstehen durch die Fertigungstoleranz solche Summensignale. Die Summensignale resonieren aufgrund der hohen Güte des Orthomodenkopplers im Inneren eines Antennenspeisenetzwerkes und können aufgrund eines fehlenden Summensignal-Hohlleiters (Ports) nicht absorbiert werden. Dadurch entstehen unerwünschte Resonanzspitzen in den Streuparametern.
Ein Vorteil der konventionellen T-Verzweigung, wie in Fig. 4 gezeigt, ist, dass diese die maximale Hohlleiterbandbreite übertragbarer Frequenzen abdeckt. Wird ein Signal am mit 1 bezeichneten sog. Delta Port der symmetrischen T-Verzweigung eingespeist, teilt es sich zu jeweils -3dB der Leistung mit einem Phasenversatz von idealerweise 180° auf die beiden kollinearen Seitenarme 2, 3 auf, wobei der Phasenversatz, wie oben beschrieben, in Abhängigkeit von der Fertigungstoleranz in ungünstiger Weise von 180° abweichen kann.
Zur Dämpfung der Resonanz-Spitzen wird statt der konventionellen T-Verzweigung üblicherweise eine sog. magische T-Verzweigung als Signalverzweigung zum Koppeln eines Signales verwendet. Die Summensignale, die durch eine relative Phasenverschiebung entstehen, werden bei diesem Orthomodenkoppler im Material des Hohlleiterabsorbers absorbiert.
Als magische T-Verzweigung, Hybrid Tee bezeichnet man in der Hochfrequenztechnik einen Hybrid- oder 3dB-Koppler. In der Praxis findet dieses Bauteil Anwendung in Mikrowellenkomponenten. Es ist eine leistungsfestere Alternative zu einem, in Mikrostreifenleitungstechnik verwendeten, Rat-Race-Koppler. Das magische Tee (sog. Magic Tee) ist eine Kombination aus einer E-Ebenen- und einer H-Ebenen-T-Verzweigung. Um eine korrekte Funktionsweise garantieren zu können, ist im Inneren der magischen T-Verzweigung eine sogenannte Anpass-Struktur (Matching-Struktur) vorgesehen. Die magische T-Verzweigung arbeitet nur in einem bestimmten Frequenzbereich und das Übertragungsverhalten variiert sehr stark mit der Geometrie der Anpass-Struktur.
Der Name magische T-Verzweigung ist aus dem elektrischen Leistungsfluss im Inneren der Verzweigung abgeleitet. Eine beispielhafte magische T-Verzweigung ist in Fig. 5 dargestellt. Ein Signal, das am Summentor 8 eingespeist wird, teilt sich zu gleicher Amplitude und Phasenlage auf die kollinearen Seitenarme 6, 7 auf.
Im Gegensatz dazu wird ein Signal, welches am Differenztor 5 der magischen T-Verzweigung eingespeist wird, zu gleicher Amplitude, aber mit einem Phasenversatz von 180° auf die Seitenarme 6, 7 aufgeteilt. Das elektrische Feld des dominanten Feldwellentyps in jedem Tor ist lotrecht zur Breitseite des Hohlleiters. So-mit sind die Signale 5S, 8S im E-Ebenen-Tor (Differenztor 5) und im H-Ebenen-Tor (Summentor 8) orthogonal zueinander polarisiert. Wie beschrieben, ist diese Variante in nachteiliger Weise in der Bandbreite auf ca. 40% gegenüber der Bandbreite der konventionellen T-Verzweigung beschränkt.
US 2005/0200430 A1 offenbart einen Wellenleiterorthomodenkoppler zur Verwendung in VHF, UHF, Mikrowellenband und Mikrometerwellenband. Ein Koppler ist auch aus M.A. Meyer, et al, "Applications of the Turnstile Junction", IRE Transactions on Microwave Theoy and Techniques, IEEE, 1955 bekannt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellenleiter-Signalverzweigung anzugeben, der bei großer Bandbreite, insbesondere einer Bandbreite die der Bandbreite einer konventionellen T-Verzweigung entspricht, unerwünschte Resonanzspitzen in den Streuparametern unterdrückt.
Diese Aufgabe wird durch eine Wellenleiter-Signalverzweigung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es wird eine Wellenleiter-Signalverzweigung zur Übertragung von Signalen vorgeschlagen, die einen gemeinsamen Hohlleiter mit einem ersten vorgegebenen Querschnitt und vier Seitenarmhohlleiter mit vorgegebenem Querschnitt umfasst. Die Querschnitte der Seitenarmhohleiter können auch unterschiedlich sein. Zwei erste, gegenüberliegende Seitenarmhohlleiter der vier Seitenarmhohlleiter erstrecken sich entlang einer ersten Achse. Zwei zweite, gegenüberliegende Seitenarmhohlleiter erstrecken sich entlang einer zweiten Achse. Die erste und die zweite Achse sind orthogonal zueinander angeordnet. Die (BSmS) zeichnet sich dadurch aus, dass die zwei ersten Seitenarmhohlleiter mit einem Hohlleiterabsorber abgeschlossen sind.
Mit der (BSmS) lassen sich Orthomodenkoppler entwerfen, die eine Steigerung der Bandbreite und eine starke Bedämpfung der durch Fertigungstoleranzen entstehenden Resonanz-Spitzen in den Streuparametern ermöglichen. Insbesondere ist die erfindungsgemäße (BSmS) in der Lage mit einer Bandbreite betrieben zu werden, die der Bandbreite einer konventionellen T-Verzweigung entspricht, wie diese beispielhaft in Fig. 4 dargestellt ist. Die Energie der Summensignale wird in die Seitenarmhohlleiter, die mit dem Hohlleiterabsorber abgeschlossen sind, ausgekoppelt und in den Hohlleiterabsorbern absorbiert.
Der erste vorgegebene Querschnitt des gemeinsamen Hohlleiters kann rechteckig sein. Der erste vorgegebene Querschnitt des gemeinsamen Hohlleiters kann quadratisch sein. Der erste vorgegebene Querschnitt des gemeinsamen Hohlleiters kann elliptisch sein. Der erste vorgegebene Querschnitt des gemeinsamen Hohlleiters kann rund sein. Der erste vorgegebene Querschnitt des gemeinsamen Hohlleiters kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
Der zweite vorgegebene Querschnitt der vier Seitenarmhohlleiter kann rechteckig sein. Der zweite vorgegebene Querschnitt der vier Seitenarmhohlleiter kann quadratisch sein. Der zweite vorgegebene Querschnitt der vier Seitenarmhohlleiter kann elliptisch sein. Der zweite vorgegebene Querschnitt der vier Seitenarmhohlleiter kann rund sein. Der zweite vorgegebene Querschnitt der vier Seitenarmhohlleiter kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können die zwei zweiten Seitenarmhohlleiter kollinear angeordnet und/oder ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die vier Seitenarmhohlleiter aus der gemeinsamen Ebene heraus versetzt angeordnet und/oder ausgebildet sind, so dass z.B. jeweils zwei der Seitenarmhohlleiter in einer jeweiligen gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei die beiden Ebenen unterschiedlich sind. Diese beiden Ebenen können parallel zueinander angeordnet sein oder auch nicht.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass im Inneren der (BSmS), insbesondere im Inneren des gemeinsamen Hohlleiters, eine Anpass-Struktur vorgesehen ist, deren Geometrie an ein gewünschtes Übertragungsverhalten angepasst ist. Beispielsweise ist die Anpass-Struktur analog zu einer magischen T-Verzweigung ausgebildet.
Die erfindungsgemäße (BSmS) zeichnet sich in einer weiteren Ausgestaltung dadurch aus, dass Signale über eine Gesamtbandbreite mit einem Phasenversatz von 180° aufteilbar oder koppelbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine bekannte Signalkette mit für einen Telekommunikationssatelliten typischen Komponenten;
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Nutzung von benachbarten Frequenzbändern für die Übertragung von Sende- und Empfangssignalen:
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines typischen Orthomodenkopplers;
Fig. 4: eine bekannte konventionelle T-Verzweigung;
Fig. 5: eine bekannte magische T-Verzweigung;
Fig. 6: eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption;
Fig. 7: eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption aus Fig. 6;
Fig. 8: eine Aufsicht der erfindungsgemäßen Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption aus Fig. 6; und
Fig. 9: einen Vergleich von Rückflussdämpfungsparametern (Return-Loss-Parameter) der erfindungsgemäßen Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption und einer magischen T-Verzweigung.

Das Antennen-Design einer heutzutage üblichen Telekommunikationsnutzlast eines Satelliten wird in Abhängigkeit von elektromagnetischen, thermomechanischen, technologischen sowie designtechnischen Randbedingungen entwickelt. Das Hauptziel beim Design der Antennen einer Telekommunikationsnutzlast ist die Verstärkung der elektromagnetischen Wellen über einer komplex geformten geografischen Zone zu maximieren. Weiter wird eine hohe nutzbare Bandbreite angestrebt. Hierzu wird eine den Fachmann bekannte Mehrfachausnutzung von Frequenz und Polarisation genutzt. Ein weiteres Erfordernis ist eine hohe Leistungsfestigkeit.
Zur Ansteuerung von heute verfügbaren Hornantennen (sog. Feed Horn) mit Zweifachpolarisationsausnutzung wird ein Antennenspeisenetzwerk (sog. Feedchain) eingesetzt, die das Zusammenführen bzw. das Trennen von je zwei linear oder zirkular polarisierten orthogonalen Signalen, die der Satellit empfängt und sendet, erlaubt.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen Signalkette eines Telekommunikations-Satelliten. Das System kann sowohl im Sende- (Tx) als auch im Empfangsband (Rx) Signale mit orthogonaler Polarisation verarbeiten. Ein vertikal polarisiertes Sendesignal ist mit VTx bezeichnet und mit einem vertikalen Pfeil mit durchgezogener Linie dargestellt. Ein horizontal polarisiertes Sendesignal ist mit HTx bezeichnet und mit einem horizontalen Pfeil mit durchbrochener Linie dargestellt. Ein vertikal polarisiertes Empfangssignal ist mit VRx bezeichnet und mit einem vertikalen Pfeil mit durchgezogener Linie dargestellt. Ein horizontal polarisiertes Empfangssignal ist mit HRx und mit einem horizontalen Pfeil mit durchbrochener Linie dargestellt. Die Sendesignale VTx, HTx sind darüber hinaus mit einer Schraffur versehen.
Die Schnittstelle zwischen einer Antenne ANT und der Nutzlast (Payload), d.h. dem Antennenspeisenetzwerk, wird von einem Orthomodenkoppler (Orthomode Transducer) OMT gebildet. Der Orthomodenkoppler OMT trennt im Empfangsfall die Antennen-Signale VRx, HRx breitbandig gemäß ihrer Polarisation (vertikal (V) oder horizontal (H)) in die orthogonalen Anteile auf, bevor diese in einem zugeordneten Sende-/Empfangs-Diplexer DV, DH frequenzmäßig in das Sende- (Tx) und Empfangsband (Rx) getrennt werden. Umgekehrt führt der Orthomodenkoppler OMT im Sendefall die von den Diplexern DV, DH ihm zugeführten vertikal und horizontal polarisierten Signale VTx, HTx zusammen und führt diese der Antenne ANT zum Aussenden zu. Auf diese Weise ist der Satellit in der Lage vier voneinander unabhängige Signale zu verarbeiten. Die bekannte Aufteilung eines Frequenzbereichs f in ein Frequenzband für Sendesignale (Tx-Band) und Empfangssignale (Rx-Band) ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.
Das Kernstück des Antennenspeisenetzwerks ist somit der Orthomodenkoppler OMT, der die Antennensignale gemäß ihrer Polarisation in die orthogonalen Komponenten aufteilt. Um die Übertragungskapazität weiterhin zu maximieren, nutzt man breitbandig angepasste Strukturen, mit denen eine größere bzw. größtmögliche Frequenzbereichsnutzung realisiert werden kann.
Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, umfasst ein herkömmlicher Orthomodenkoppler OMT, einen Hohlleiter 1 mit kreisförmigem oder quadratischem Querschnitt, der mit der Antenne ANT (vgl. Fig. 1) verbunden ist. Jeweils ein rechteckförmiger Hohlleiter 2, 3 ist mit dem Diplexer DV für vertikal polarisierte Signale und dem Diplexer DH für horizontal polarisierte Signale verbunden. Wie einleitend in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 beschrieben, kann ein solcher Orthomodenkoppler durch eine konventionelle oder eine magische T-Verzweigung gebildet werden, wobei die konventionelle T-Verzweigung aufgrund von nicht zu vermeidenden Fertigungstoleranzen unerwünschte Resonanzspitzen in den Streuparametern aufweist und die magische T-Verzweigung den Nachteil einer im Vergleich kleineren Bandbreite aufweist.
Die vorgeschlagene (BSmS), der in den Fig. 6 bis 8 dargestellt ist, vermeidet diese Nachteile und ermöglicht gleichzeitig eine Steigerung der Bandbreite sowie eine starke Bedämpfung der durch Fertigungstoleranzen entstehenden Resonanz-Spitzen in den Streuparametern.
Die über die gesamte Rechteckhohlleiter-Bandbreite angepasste (BSmS) umfasst vier Seitenarmhohlleiter (Seitentore) 21, 22, 23, 24 mit rechteckigem, elliptischem oder irgendeinem anderen beliebigen Querschnitt, wobei die Seitenarmhohlleiter 21, 22, 23, 24 symmetrisch angeordnet in einer Ebene liegen. Dabei erstrecken sich die gegenüberliegenden Seitenarmhohlleiter 21, 23 entlang einer ersten Achse 27 und die gegenüberliegenden Seitenarmhohlleiter 22, 24 entlang einer zweiten Achse 28. Die erste und die zweite Achse 27, 28 sind orthogonal zueinander angeordnet und liegen in einer gemeinsamen Ebene. Die gemeinsame Ebene verläuft orthogonal zu einer Hauptachse (longitudinale Achse) 30 eines gemeinsamen Hohlleiters 11. Der gemeinsame Hohlleiter 11 kann ein quadratischer, elliptischer, ein Rundhohlleiter oder ein Hohlleiter einer beliebigen anderen Form sein. In der vorliegenden Beschreibung ist er als Rundhohlleiter ausgeführt.
Die gegenüberliegenden Seitenarmhohlleiter 21, 23 sind symmetrisch mit einem Hohlleiterabsorber 25, 26 abgeschlossen. Die Hohlleiterabsorber 25, 26 sind nach Art einer Kappe über die Seitenarmhohlleiter 21, 23 geschoben oder befinden sich im inneren der Seitenarmhohlleiter. Die Hohlleiterabsorber 25, 26 bestehen aus einem elektrisch und oder magnetisch verlustbehafteten Material (z.B ECCOSORB).
Im Inneren der Hohlleiteranordnung kann eine nicht näher dargestellte Anpass-Struktur vorgesehen sein, deren Geometrie an ein gewünschtes Übertragungsverhalten angepasst ist.
Die (BSmS) fasst vier symmetrisch angeordnete Rechteckhohlleiter 21, 22, 23, 24 (oder Hohlleiter einer beliebigen anderen Form) mit einem gemeinsamen Hohlleiter 11 zusammen. Dieses mechanische 5-Tor verbindet die Funktion einer konventionellen T-Verzweigung mit der Funktion einer magischen T-Verzweigung in einem Antennenspeisenetzwerk. Sende- und Empfangssignale können somit wie bei einer konventionellen T-Verzweigung über die gesamte Hohlleiterbandbreite mit einem Phasenversatz von 180° aufgeteilt bzw. gekoppelt werden.
Die durch die Fertigungsungenauigkeit entstehenden Summensignale, welche im Inneren des Orthomodenkopplers resonieren, werden in den beiden Hohlleiterabsorbern 25, 26 des Orthomodenkopplers absorbiert.
Einen Vergleich der Rückflussdämpfungs (Return-Loss)-Parameter zwischen einer magischen T-Verzweigung und einer Breitbandverzweigung zeigt Fig. 9. In dieser ist der Frequenzbereich normiert dargestellt. Typische Werte für die geforderten Return-Loss-Parameter sind üblicherweise bei etwa -30dB (Kurve K1). Die Kurve K2 zeigt den Verlauf der Return-Loss-Parameter für die magische T-Verzweigung. Die Kurve der Return-Loss Parameter für die erfindungsgemäße (BSmS) ist mit K3 gekennzeichnet. In Fig. 9 ist gut zu erkennen, dass mit der symmetrischen (BSmS) die sog. Return-Loss-Parameter über einen relativen Frequenzbereich von ca. 60% besser als -30dB sind. Im Gegensatz dazu erreicht man mit der magischen T-Verzweigung lediglich ca. 40%.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: gemeinsamer Hohlleiter, kreisförmig oder quadratisch
2: Seitenarmhohlleiter, rechteckförmig
3: Seitenarmhohlleiter, rechteckförmig
5: Summentor einer magischen T-Verzweigung
6: Seitenarm einer magischen T-Verzweigung
7: Seitenarm einer magischen T-Verzweigung
8: Differenztor einer magischen T-Verzweigung
10: Wellenleiter-Orthomodenkoppler
11: gemeinsamer Hohlleiter
21: Seitenarmhohlleiter
22: Seitenarmhohlleiter
23: Seitenarmhohlleiter
24: Seitenarmhohlleiter
25: Hohlleiterabsorber
26: Hohlleiterabsorber
27: erste Achse
28: zweite Achse
30: Hauptachse (longitudinale Achse)
OMT: Orthomodenkoppler
ANT: Antenne
DH: Diplexer
DV: Diplexer
VRx: vertikal polarisiertes Empfangssignal
HRx: horizontal polarisiertes Empfangssignal
VTx: vertikal polarisiertes Sendesignal
HTx: horizontal polarisiertes Sendesignal

Claims

Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption (10) zur Übertragung von Signalen, umfassend:
- einen gemeinsamen Hohlleiter (11) mit einem ersten vorgegebenen Querschnitt; und

- vier in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Seitenarmhohlleiter (21, 22, 23, 24) mit vorgegebenem Querschnitt, wobei sich zwei erste, gegenüberliegende Seitenarmhohlleiter (21, 23) entlang einer ersten Achse erstrecken und zwei zweite, gegenüberliegende Seitenarmhohlleiter (22, 24) entlang einer zweiten Achse erstrecken, wobei die erste und zweite Achse orthogonal zueinander angeordnet in der gemeinsamen Ebene liegen, und wobei die gemeinsame Ebene orthogonal zu einer Hauptachse des gemeinsamen Hohlleiters (11) verläuft;
dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei ersten Seitenarmhohlleiter (21, 23) mit jeweils einem Hohlleiterabsorber (25, 26) abgeschlossen sind.
Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach Anspruch 1, bei dem der erste vorgegebene Querschnitt des gemeinsamen Hohlleiters (10) rechteckig, quadratisch, elliptisch oder rund ist.
Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der vorgegebene Querschnitt der vier Seitenarmhohlleiter (21, 22, 23, 24) jeweils rechteckig, quadratisch, elliptisch oder rund ist.
Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zwei zweiten Seitenarmhohlleiter (22, 24) kollinear angeordnet und/oder ausgebildet sind.
Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vier Seitenarmhohlleiter (21, 22, 23, 24) aus der gemeinsamen Ebene versetzt angeordnet und/oder ausgebildet sind.
Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Inneren eine Anpass-Struktur vorgesehen ist, deren Geometrie an ein gewünschtes Übertragungsverhalten angepasst ist.
Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Signale über eine Gesamtbandbreite mit einem Phasenversatz von 180° aufteilbar oder koppelbar sind.