NO166747B - Mottakningsanordning for hf-signaler. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en mottagningsanordning for høy-frekvenssignaler, omfattende et hulrombølgelederfilter dannet av hulrombølgelederresonatorer anordnet i kaskade og en SHF-signalinnretning som omfatter en mikrobåndbølgelederkrets dannet av et ledermønster som er tilveiebragt på et substrat og en mikrobånd-til-hulrombølgeleder filterovergang anordnet 1 en hosliggende enderesonator av hulrombølgelederfilteret og forbundet via en apertur i hulrombølgelederfilterets endeflate som avgrenser nevnte resonator til et parti av SHF-signalinnretningen som er plassert utenfor hulrombølgeleder-f ilteret.

Fra europeisk patentsøknad nr. 0059927 er det kjent mottagningsanordning av den innledningsvis nevnte type. Denne kjente anordning omfatter en overgang fra mikrobånd til hulrombølgelederfilter tilveiebragt i en av enderesonatorene 1 hulrombølgelederfilteret. Dette vedrører imidlertid et filter i form av en sirkulær bølgeleder som har en mikrobåndkrets tilveiebragt perpendikulært på den aksielle retning, idet overgangen mellom mikrobånd og bølgelederfilter realiseres ved hjelp av en flerhet av koplingssonder som er anbragt perpendikulært på mikrobåndkretsen og som hver har aksielle og radielle utspring for bredbåndstilpasning. En slik konstruksjon er ikke bare komplisert, men kan dessuten ikke masseproduseres på en rimelig måte, og med en til-strekkelig nøyaktig reproduserbarhet.

Fra britisk patent nr. 731,498 er det i og for seg kjent å tilpasse impedansen for en enderesonator i et bølgeleder-filter med impedansen for en bølgeleder ved å endre dens lengde. Imidlertid vedrører denne patentpublikasjon ikke en mottagningsanordning for HF-signaler, og heller ikke omfatter den en mikrobåndkrets, men vedrører kun et mikrobølgefilter i form av en sirkulær bølgeleder som har to identiske bølge-ledere som hver har form av en koaksial linje, idet hver er forbundet med en annen enderesonator i mikrobølgefilteret.

En anordning av den innledningsvis nevnte type fremgår også delvis av hollandsk patentsøknad nr. 7700230. I kombinasjon' med en polarisasjonsomformer danner mottagningsanordningen som er kjent fra den nevnte patentsøknad en utstråler som i kombinasjon med en reflektor danner en antenneinnretning. Denne antenneinnretning anvendes til å motta SHF-signaler, f.eks. f jernsynssignaler , som har en baeref rekvens av 12 GHz, og som sendes av bl.a. satelitter. Denne tidligere kjente mottagningsanordning har en rektangulær bølgelederkonstruk-sjon forsynt med et horn i en ende. Ved enden derav er det anbragt et gjennomsiktig vindu ved fokalpunktet for reflek-toren og forutgås av en polarisasjonsomformer for ut-filtrering av en kanal som kjennetegnes ved en bestemt polarisasjon. Ved den andre enden har bølgelederkonstruk-sjonen en overgang mellom mikrobåndet og sirkulære bølge-ledere og er anbragt mellom en mikrobåndkrets og bølgeleder-konstruksj onen.

En slik mottagningsanordning kan også anvendes i kombinasjon med ytterligere typer av polarisasjonsomformere, nærmere bestemt i en utstråler i hvilken to slike mottagningsanordninger samvirker med en polarisasjonsomformer. Polarisasjonsomformeren omdanner en venstre rettet sirkulært polarisert bølge til en første lineært polariserte bølge, som tilføres en av mottagningsanordningene, mens polarisasjonsomformeren omdanner en hyrerettet sirkulært polarisert bølge til en lineært polarisert bølge som er ortogonal på den første bølgen og tilføres den andre mottagningsanordningen. Man har imidlertid funnet at når den tidligere kjente mottagningsanordningen anvendes i kombinasjon med slike polarisasjonsomformere, er kanalseparasjonen ikke tilstrek-kelig for praktiske formål.

Japansk patentpublikasjon JP 52-10656 omhandler en omformer som kombinerer en båndlinje og et bølgeledende rør ved å kombinere en mikrobølgeintegrert krets og en bølgelederkrets. Denne omformer omfatter dog ikke et bølgelederfilter dannet av bølgelederresonatorer anordnet i kaskade, og publikasjonen hverken nevner tilpasningen av mikrobølgeintegrertkretsen eller bølgelederkretsen ved å dimensjonere bølgelederkretsen eller nevner dimensjoneringen ved å endre lengden av denne bølgelederkrets.

Det er et formål ved oppfinnelsen å utvide bruken av mottagningsanordninger for SHF-signaler ved å gjøre mottagningsanordningen egnet for samvirke med andre typer av polarisasjonsomformere og å realisere en slik mottagningsanordning med lave tap på en enkel, rimelig og nøyaktig reproduserbar og mer kompakt måte.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes den innledningsvise definerte mottagningsanordning ved at hulrombølgeleder-filteret er rektangulært i tverrsnitt, at hele mikrobånd-til-hulrombølgeleder-filterovergangen er utelukkende i form av et ledermønster tilveiebragt på substratet, at hoved-overflatene av substratet er parallelle med den langsgående aksen av hulrombølgelederfilteret, og at mikrobånd-til-hulrombølgeleder-filterovergangen og den hosliggende enderesonatoren er tilpasset ved dimensjonering av den hosliggende enderesonatoren.

Oppfinnelsen tilveiebringer en mottagningsanordning som p.g.a. sin lave refleksjon bl.a. gjøres egnet for bruk I en utstråler i hvilken to mottagningsanordninger samvirker med en polarisasjonsomformer. Dette forbedrer kanalseparasjonen for en slik utstråler. Selv med utstrålere i hvilke kun en enkelt mottagningsanordning samvirker med en polarisasjonsomformer, medfører disse tiltak en lav refleksjon og forbedret transmisjon. En ytterligere fordel er at ved montering av overgangen mellom mikrobånd og bølgeleder i bølgelederfIlteret, kreves ikke tilpasning, i tillegg til det faktum at egenskapene for overgangen mellom mikrobåndet og bølgelederfilter allerede er Innbefattet i utformingen, idet disse egenskaper dessuten er nøyaktig reproduserbare på en måte som er egnet for masseproduksjon. I tillegg kan en mer kompakt konstruksjon for en mottagningsanordning realiseres ettersom en separat overgang mellom mikrobåndet og bølge-leder sammen med en separat overgang fra bølgeleder til filter unngås.

Det for oppfinnelsen kjennetegnende trekk fremgår av de etterfølgende patentkrav, samt av den etterfølgende beskrivelse under henvisning til de vedlagte tegninger.

Utførelsesformer av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet 1 eksempelform med henvisning til en utførelsesf orm vist :l figurene, idet tilsvarende komponenter i de forskjellige figurer er blitt gitt de samme henvisningstallene. Figur 1 er en skjematisk fremstilling av en antenneinnretning omfattende to mottagningsanordninger ifølge oppfinnelsen. Figur 2 er et tverrsnittriss av en mottagningsanordning ifølge oppfinnelsen. Figur 3 er et vertikalt og delvis tverrsnittriss av en mottagningsanordning Ifølge oppfinnelsen. Figur 4 er et frontriss av en del av en SHF-signalinnretning for anvendelse I en mottagningsanordning ifølge oppfinnelsen. Figur 1 viser en antenneinnretning som omfatter en reflektor 1, som er vist delvis, og en utstråler 2 anbragt ved reflektorens 1 fokalpunkt. Antenninnretningen av denne type anvendes til å fange og dessuten behandle sirkulært polariserte SHF-signaler som utsendes av bl.a. satelitter. Den blokkskjematisk viste utstråler 2 omfatter et horn 9 og polarisasjonsomformer 3 som er forbundet med denne. En slik polarisasjonsomformer er kjent fra bl.a. en artikkel av C. Gandy, med tittel "A circularly polarized aerial for satellite reception", Eng. Res. Rep. BBC-RD-1976/21, Aug. 1976. Polarisasjonsomformeren 3 er anordnet til å omdanne på en kjent måte signaler som mottas i form av sirkulært polariserte bølger i to innbyrdes ortogonale, lineært polariserte bølger. En av disse bølger tilføres en første mottagningsanordning 4-1 og den andre bølgen til en andre mottagningsanordning 4-2 som er identisk med den første. Mottagningsanordningene 4-1 og 4-2 omfatter hver et bølge-lederf ilter 5 og en SHF-signalinnretning 6. Mottagningsanordningene 4-1 og 4-2 er respektive forbundet via deres respektive utganger 7 og 8 til utstyret (ikke vist) for ytterligere behandling av de mottatte signaler. Utstråleren kan alternativt omfatte en polarisasjonsomformer som beskrevet i den tidligere nevnte Hollandske patentsøknad nr. 7700230, 1 hvilken sirkulært polariserte bølger omdannes i kun en type av lineært polariserte bølger. En slik utstråler ville omfatte kun en mottagningsanordning 4-1. Mottagningsanordningene av denne type vil bli beskrevet i nærmere detalj med henvisning til figurene 2, 3 og 4. Figur 2 er et langsgående tverrsnittriss av en mottagningsanordning 4-1, egnet til bruk i antenneinnretningen vist i figur 1. Mottagningsanordningene 4-1 omfatter et sylindrisk hylster 12 i hvilket et bølgelederf ilter 5 og en SHF-signal innretning 6 er anbragt. Det sylindriske hylsteret 12 er hermetisk lukket i en ende ved hjelp av en tett-passende bølgelederflens 13 som har en apertur 14. Frontenden av det rektangulære bølgelederfilteret 5 er plassert i aperturen 14, hvilken apertur posisjonerer denne enden. Den bakre enden av bølgelederfilteret 5 er plassert i aperturen 14, hvilken apertur posisjonerer denne enden. Den bakre enden av bølgelederfilteret 5, og også SHF-signalinnretningen 6 som er vist i to deler, holdes i deres stillinger ved hjelp av en bærer 16 som er anbragt i det sylindriske hylsteret 12. Ved sin frontende er bølgelederfilteret 5 hermetisk avtettet ved hjelp av et vindu 15, laget eksempelvis av glass eller mica, som har til formål å hindre forurensninger slik som støv, gass og fuktighet i å trenge inn i mottagningsanordningen 4-1. Den bakre enden av det sylindriske hylsteret 12 er hermetisk, avtettet på en måte som ikke er ytterligere vist.-Ved hjelp av bølgelederflensen 13 er bølgelederfilteret 5 forbundet med en delvis vist polarisasjonsomformer 3. I denne utførelsesform omfatter bølgelederfIlteret 5 fem par av skillevegger 11-1 til 11-5, som deler filteret inn i fire resonatorer 10-1 til 10-4, Formene av skilleveggene 11-1 til 11-4 realiserer induktive reaktanser, som delvis bestemmer filterfunksjonen for bølgelederfilteret 5. Skilleveggen 11-1 er plassert ved bølgelederfilterets 5 frontende umiddelbart bak nevnte vindu 15. Skilleveggen 11-5 er tilveiebragt i endeflaten ved den bakre enden av bølgelederfilteret 5. En del av SHF-signalinnretningen 6 er anbragt i enderesonatoren 10-4 og er forbundet med en annen del av denne SHF-signalinnretning 6 plassert utenfor bølgelederfIlteret 5.

Figur 3 viser ved hjelp av et vertikalt detaljert oppriss hvorledes dette er blitt realisert. denne figuren viser at bølgelederfilteret 5 er sammenstillet av to halvdeler. Separasjonsplanet mellom de to halvdelene dannes av to langsgående symmetriplan som skiller de brede veggene i det rektangulære filteret. Hver skillevegg av de fire par av skillevegger 11-1 til 11-4 har et V-formet hakk 18. Når de to halvdelene av bølgelederfilteret sammenføyes, dannes koplingsaperturer mellom skilleveggene av korresponderende par, slik det er vist for paret av skillevegger 11-4. Koplingsaperturene i skilleveggene 11-1 til 11-3 realiseres på tilsvarende måte. Resonatorene 10-1 til 10-4 er forbundet ved hjelp av koplingsaperturene og anbragt 1 kaskade ved hjelp av parene av skillevegger 11-2 til 11-4. V-formen av hakkene tilveiebringer bl.a. muligheten for å lage de to halvdelene på en enkel måte og med en stor grad av nøy-aktighet ved hjelp av støtekstrudering, som beskrevet i søkerens hollandske patentsøknad nr. 8302439.

I begge halvdeler av skilleveggen 11-5 er det laget en fordypning som i denne sammenstilte tilstand av begge halvdeler danner en apertur 19 som i denne utførelsesform har et rektangulært tverrsnitt. En del av SHF-signalinnretningen 6 innføres i enderesonatoren gjennom denne apertur 19, i det den gjenværende del strekker seg fra bølgelederfilteret 5. Kortsiden av aperturen 19 kan betegnes som dens høyde. En del, betegnet med k i figur 3, av denne høyde av aperturen 19 bør ha en gitt minimumsstørrelse, som er diktert av kravet om at E.M. feltet for SHF-innretningen 6 må forstyrres så lite som mulig av den ledende endeflaten. På den annen side bestemmes maksimumsstørrelsen av høyden indikert ved k ved det faktum at det er uønsket for bølgelederfilteret 5 å utstråle gjennom aperturen 19.. Konstruksjonen av SHF-innretningen 6 er vist i større detalj i figur 4. Denne innretning har et felles substrat 20 som er forsynt med en første hovedoverflate, i dette tilfellet den bakre overflaten, med et ledende lag som dekker del av denne overflate og er indikert ved det skraverte partiet i figur 4, og danner et jordplan. Et første ledermønster 26 til 31 er tilveiebragt på den motsatte, andre hovedoverflaten, i dette tilfellet frontoverflaten. Sammen med det ledende laget på den bakre overflaten og substratet 20 derimellom, danner dette ledermønsteret en del av en mikrobåndkrets 24 i SHF-signal innretningen 6. For den gjenværende del som er vist, er substratet 20 tilveiebragt kun på dens frontoverflate med et balansert andre ledermønster omfattende en antenne 22, og paret av smale ledere 23 virkende som antennematelinje som danner en overgang 21 mellom mikrobåndet og bølgeleder-filteret. Av SHF-signalInnretningen 6 er i det minste overgangen 21 fullstendig innlemmet i resonatoren 10-4 i bølgelederfilteret 5, og den ubalanserte mikrobåndkretsen 24 er plassert utenfor dette.

En balansert-til-ubalansert transformator 25,fremstilt i mikrobåndteknikk, vist ved en linje 1 figur 4, forbinder det balanserte ledermønsteret som er forbundet med en side av transformatoren 25 til den ubalanserte delen av mikrobåndkretsen 24. I dette eksempel er transformatoren 25 tilveiebragt på substratet 20 og har form av en X/2 trans-misjonslinje. En mikrobåndleder 26 er forbundet med den siden av transformatoren 25 som er forbundet med mikrobåndkretsen 24. Mikrobåndlederen 26 er forbundet med en Y-sirkulator 27 som har form av en direktiv isolator. for dette formål er substratet 20 laget av ferritt. Kun den sentrale lederdelen hos Y-sirkulatoren er vist. den sentrale lederen har tre forbindelsesporter 28, 29 og 30, idet sirkulasjonsretningen er fra port 28 til 30 og fra port 30 til 29, etc. Mikrobåndlederen 26 er forbundet med porten 28 hos sirkulatoren 27, som et resultat av hvilket signaler som kommer fra bølgelederfilteret 4 formidles via overgangen 21 til en ytterligere del av SHF-innretningen 6 som er forbundet med porten 30. Signaler som mottas fra den ytterligere delen av SHF-signalinnretningen 6 oppbrukes fullstendig i en avslutningsimpedans 31, hvilken er laget av motstands-materiale.

Bølgelederfilteret 5, med resonatorene 10-1 til 10-4, deleveggene 11-1 til 11-5 og koplingsaperturene dannet av de tilsvarende par av skillevegger, er i denne utførelsesform konstruert som et båndpassfilter som har et pass-frekvens-område fra 11,7 til 12,5 GHz, med en pulsasjon mindre enn 0,1 dB. For å realisere dette båndpassfilter kan man gjøre bruk av grunnleggende teknikker slik som de som er beskrevet i boken "Microwave Filters, Impedance-matching Networks, and Coupling Structures", G- Matthaei, L. Young og E.M.T. Jones, publisert av Artech House Inc., 1980.

For å sikre adekvat drift av mottagningsanordningen, må impedanskarakteristikkene for antennen 22 og for bølgeleder-filteret 5 tilpasses over i det minste det ønskete passfrekvensområdet. Slik det er kjent fra ovennevnte bok, må resonatorene i et filter bl.a. ha en bestemt reaktanshelning eller subseptanshelning som en funksjon av en frekvens. I denne utførelsesform oppnås dette valget av dimensjonene av de fire par av reaktive skillevegger 11-1 til 11-4 og ved riktig dimensjonering av antenne 22. I filterteorien som er kjent fra den nevnte bok, utfører denne antennen funksjonen for et reaktivt element som er i form av en impedanstransformator og er anbragt ved en ende av filteret. Realisering av dette reaktive element med en antenne medfører at den reelle del av impedansen for antennen må ha en bestemt konstant verdi over i det minste filterets passbånd. Samtidig må antennen hå en lineær reaktansoppførsel som en funksjon av frekvensen i det minste over passbåndet. Den reaktive oppførsel for antennen påvirker både reaktanshelningen og resonansfrekvensen for resonatoren som er koplet til antennen. Ved passende dimensjonering av resonatoren 10-4 og et reaktive elementet 11-4, kan denne innflytelse kompenseres. I denne utførelsesform velges en antenne 22 i form av en dipol som, i passfrekvensområdet kan representeres ved en serieanordning av en reaktans og en motstand som varierer lineært med frekvens. Den målte resistansverdi for antennen 22 med paret av forskjellige ledere 23 som er koplet til denne og den del av SHF-signal innretningen 6 som er forbundet med dette paret av ledere 23 er blitt valgt til å være lik den reelle sluttimpedans for resonatoren 10-4, hvilket har den fordel at bruken av en impedanstransformator i filteret unngås. P.-g.a. det faktum at overgangen 21 mellom mikrobåndet og bølgelederfilteret er anbragt i enderesonatoren iO-4, påvirker reaktansen for antennen 22, både resonansfrekvens og reaktanshelningen for enderesonatoren 10-4. P.g.a. passende dimensjonering, er innflytelsen av reaktansen for antennen 22 slik at resonansfrekvensen og reaktanshelningen oppnår deres opprinnelige verdier på ny. Denne dimensjonering kan nærmere bestemt realiseres ved valg av størrelsen i den aksielle retning av enderesonatoren 10-4, ettersom reaktansen for enderesonatoren kan endres dermed. Ettersom koplingsaperturene som er dannet ved paret av skillevegger 11-4 representerer induktanser, er det alternativt mulig å utføre tilpasning ved dimensjonering av minst disse koplingsaperturer. Det vil være klart at kombinasjon av de tidligere nevnte dimensjoneringsmåter også kan anvendes. følgelig kreves ingen justering ved montering av SHF-signalinnretningen 6 i bølgelederfilteret 5. Dette er særlig av betydning når mottagningsanordningen 4-1 er masseprodusert. P.g.a. den gode tilpasning av overgangen 21 mellom mikrobånd og bølgelederfilter til bølgelederfilteret 5, har mottagningsanordningen 4-1 en meget lav refleksjons-koeffisient, hvilket uttrykkes i et realisert VSWR lik 1,35 mot en teoretisk optimal verdi av 1,2 med et filter som har-10 dB punkter ved 11,5 og 12,85 GHz og har ovennevnte passbånd mellom -3 dB punktene. Følgelig er mottagningsanordningen 4-1 meget egnet for bruk i utstrålere i hvilket to mottagningsanordninger samvirker med en polarisasjonsomformer .

Montering av bølgelederfilterovergangen 21 direkte i bølgelederfilteret 5 oppfyller i tillegg en kompakt struktur for mottagningsanordningen 4-1. Vanligvis er konstruksjonen av utstråleren 2 ikke begrenset til bruk av en mottagningsanordning 4-1 med den viste antennen 22, men alle antenner har en lineær reaktansoppførsel og en konstant reell del kan anvendes.

I denne utførelsesform er resonatorene 10-1 til 10-4 av serieresonanstypen. Det samme prinsippet kan anvendes når filteret sammenstilles av parallell-resonansresonatorer.

Claims (5)

1. Mottagningsanordning (4-1;4-2) for høyfrekvenssignaler, omfattende et hulrombølgelederfilter (5) dannet av hulrom-bølgelederresonatorer (10-1 ... 10-4) anordnet i kaskade og en SHF-signalinnretning (6) som omfatter en mikrobåndbølge-lederkrets (24) dannet av et ledermønster som er tilveiebragt på et substrat (20) og en mikrobånd-til-hulrombølgeleder filterovergang (21) anordnet i en hosliggende enderesonator (10-4) av hulrombølgelederfilteret og forbundet via en apertur (19) i hulrombølgelederfilterets endeflate (11-5) som avgrenser nevnte resonator til et parti (24) av SHF-signalinnretningen som er plassert utenfor hulrombølgeleder-filteret, karakterisert ved at hulrombølge-lederf ilteret (5) er rektangulært i tverrsnitt, at hele mikrobånd-til-hulrombølgeleder-filterovergangen (21) er utelukkende i form av et ledermønster tilveiebragt på substratet (20), at hovedoverflåtene av substratet er parallelle med den langsgående aksen av hulrombølgeleder-filteret (5) og at mikrobånd-til-hulrombølgeleder-filterover-gangen (21) og den hosliggende enderesonatoren (10-4) er tilpasset ved dimensjonering av den hosliggende enderesonatoren .

2. Mottagningsanordning som angitt i krav 1, der mikrobånd-til-hulrombølgeleder-filterovergangen (21) omfatter en antenne (22) som har en kompleks impedans hvis reelle del er lik avslutningsimpedansen for den hosliggende enderesonator (10-4),karakterisert ved at tilpasning av den imaginære del av impedansen for antennen (22) til impedansen for hulrombølgelederfilteret (5) realiseres ved valget av lengden av den hosliggende enderesonator (10-4) i retningen av den langsgående aksen for den resonatoren.

3. Mottagningsanordning som angitt i krav 1, der mlkrobånd-til-hulrombølgeleder-filterovergangen (21) omfatter en antenne (22) som har en kompleks Impedans hvis reelle del er lik avslutningsimpedansen for den hosliggende enderesonatorer (10-4), karakterisert ved at tilpasning av den imaginære delen av impedansen for antennen (22) til impedansen av hulrombølgelederfilteret (5) realiseres ved valget av dimensjonene av koplingsaperturen for den hosliggende enderesonatoren (10-4), ved hjelp av hvilken sistnevnte er koblet til den neste resonatoren (10-3) i filteret.

4. Mottagningsanordning som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at en del av substratet er tilveiebragt på en første hovedoverflate med et ledende lag og på den motsatte, andre hovedoverflaten med et første ledermønster (26-31) som sammen med det ledende laget danner minst en del av mikrobåndbølgelederkretsen (24), og at den gjenværende del av substratet er tilveiebragt kun på den andre hovedoverflaten med et andre ledermønster (22, 23) som omfatter en dipolantenne (22) som del av mikrobånd-til-hulrombølgelederfilterovergangen (21), hvilken antenne (22) er koblet til mikrobåndbølgelederkretsen via en balansert-til-ubalansert transformator (25).

5. Rektangulært hulrombølgelederfilter (5) for bruk i en mottagningsanordning (4-1; 4-2) som angitt i krav 1, sammenstilt fra kaskaderesonatorer (10-1... 10-4), karakterisert ved at filteret ved hjelp av det langsgående symmetriplanet derav er delt i to halvdeler, og at filteret I minst en endeflate (11-5) er forsynt med en apertur (19) som har form av en slisse med et rektangulært tverrsnitt og anordnet på en slik måte at slissen lengdevis skjæres av filterets (5) langsgående symmetriplan.