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Polarisationsweiche
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Die Erfindung betrifft eine Polarisationsweiche zur Trennung bzw.
zur Zusammenfügung zweier aufeinander senkrecht stehender magnetischer Grundwellentypen
in quadratischen oder runden Hohlleitern.
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Bekanntlich ist durch Doppelausnutzung der Frequenzbänder mit Hilfe
von orthogonaler Polarisation eine Steigerung der Übertragungskapazität von Richtfunkstrecken
um den Faktor zwei möglich. Deshalb werden z.B. neue Satellitensysteme mit Dualpolarisation
ausgerüstet. Die Voraussetzung für die immer mehr verbreitete doppelte Ausnutzung
von Antennenanlagen von Frequenzen durch zwei Polarisationen (frequency-reuse) sind
Polarisationsweichen. Eine Polarisationsweiche trennt z.B. die über einen einzigen
Hohlleiter von der Antenne kommenden orthogonalen Polarisationen und führt sie getrennten
Ausgängen zu, ist also ein 3-Tor. Die bekannten Polarisationsweichen sind oft sehr
kompliziert und umfangreich, weil sehr breitbandig, oder die Lage der Anschlußhohlleiter
ist ungünstig, Beispielsweise für die kommende TV-Satellitenübertragung wird aber
eine einfache kompakte und billig herstellbare Polarisationsweiche benötigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die vorstehend genannten
Anwendungsformen eine Polarisationsweiche anzugeben, die einfach ist in der Herstellung
und die trotzdem die erforderliche Breitbandigkeit aufweist. Darüber hinaus soll
sie auch einfach zusammenschaltbar sein mit kostengünstigen Fin-tine-Komponenten,
wie z.B. Mischer und Filter.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von den einleitend genannten Polarisationsweiche
in der Weise gelöst, daß an dem Hohlleiter, der beide Wellentypen führt, ein Rechteckhohlleiter
derart aufgesetzt ist, daß seine Schmalseiten senkrecht stehen zur Längsachse des
beide Wellentypen führenden Hohlleiters, und daß eine kapazitive Koppelsonde dem
Rechteckhohlleiter gegenüberliegend derart angeordnet ist, daß ihre gedachte Mittelachse
im Bereich des einmündenden Rechteckhohlleiters in die Mitte der Hohlleiterschmalseite
trifft.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die ErSindung noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig. 1 eine Ausführungsform mit einem
runden Hohlleiter (H11vert, H11hor; H10 # H11hor, TEM # H11vert), Fig. 2 eine Ausführungsform
mit einem quadratischen Hohlleiter
Fig. 3 eine Ausführungsform, bei der weitere Hohlleiter angeschlossen werden können,
Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der die kapazitive Koppelsonde durch eine Scheibe
erweitert ist, Fig. 5 eine Ausführungsform, die Resonanzcharakter hat, Fig. 6 eine
Ausfühungsform, bei der Resonatoren außen angeschlossen sind, Fig. 7 eine Ausgestaltung
zur Frequenzweiche, Fig. 8 eine Ausführungsform unter Verwendung eines an sich bekannten
Richtungskopplers.
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Das Prinzip der neuen Polarisationsweiche wird anhand von Fig. 1 beschrieben.
In einen Rundhohlleiter 1 mündet vorzugsweise senkrecht ein mit seiner Breitseite
parallel
zur Rundhohlleiterachse stehender Rechteckhohlleiter 2. Bei Einspeisung der H10-Welle
in den Rechteekhohlleiter 2 entsteht im Rundhohlleiter eine H11-Welle mit horizontaler
Polarisation des elektrischen Feldes. Der Durchmesser D des Rundhohlleiters darf
dabei nicht so groß sein, daß sich auch die unerwünschte H21-Welle ausbreiten kann
(D ( #/1,01).
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Wenn sich die entstehende H11-Welle im Rundhohlleiter nur in einer
Richtung ausbreiten soll, endet der Rundhohlleiter rückwärts an einer empirisch
zu erfassenden Stelle in einer Kurzschlußplatte 3. Der Einkoppelstelle des Rechteckhohlleiters
2 diametral gegenüber befindet sich die kapazitive Einkoppelsonde 4, die z.B. durch
Fortführung des Innenleiters der Koaxialleitung 5 gebildet wird. Die Verlängerung
der Koaxialleitungsmittelachse zeigt genau in die Mitte der Hohlleiterschmalseite
b und vorzugs- aber nicht notwendigerweise in die Mitte der Hohlleiterbreite a.
Bei Einspeisung der TEM-Welle in die Koaxialleitung 5 entsteht im Rundhohlleiter
1 eine H11-Welle mit vertikaler Polarisation des elektrischen Feldes. Die Ausbreitung
der ebenfalls angeregten E01-Welle kann verhindert werden, indem der Rundhohlleiterdurchmesser
D entsprechend klein gewählt wird (D < #/1,31). Mit dieser Durchmesserforderung
ist die weiter oben gestellte Forderung (H21 Freiheit) automatisch erfüllt. Es läßt
sich Jetzt auch die maximal erreichbare Bandbreite angeben. Die höchste Betriebsfrequenz
+ verhält sich zur tiefsten Betriebsfrequenz fu wie die Grenzwellenlängen von H11-
und E01-Welle.
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fo/fu = #gH11/#gE01 = 1,71 D/1,31 D = 1,31 Da ein Hohlleiter sehr
knapp über seiner Grenzfrequenz nur mit Schwierigkeiten betrieben werden kann, ist
der obige Faktor nicht voll nutzbar. Trotzdem ergeben sich
auch
mit ca. 20 % verbleibender Bandbreite viele Anwendungen für die neue Polarisationsweiche.
Der Rundhohlleiterdurchmess- D darf in angemessenem Abstand von der Einkoppelsonde
4 wegen des Abklingens des aperiodischen E01-Feldes natürlich erweitert werden.
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Mit der Anordnung von Fig. 1 kann eine praktisch frequenzunabhängige
hohe Entkopplung zwischen den orthogonalen linear polarisierten H11-Wellen im Rundhohlleiter
erreicht werden. In ursächlichem Zusammenhang damit steht die gute Entkopplung des
Rechteckhohlleiters 2 von der Koaxialleitung 5. Um diese gute Entkopplung zu erreichen,
sind lediglich einige Punkte zu beachten.
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Es sollte die mechanische Genauigkeit, vor allem die Symmetrie möglichst
eingehalten werden. Die Koaxialleitung 5 sollte im Querschnitt klein gehalten werden,
da sonst bekanntlich Hohlle itermoden zusätzlich auftreten.
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Die Koaxialleitung 5 sollte mit einer gewissen Mindestlänge ausgestattet
werden, damit unerwünschte angekoppelte Wellen (z.B. H11-koaxial) bis zum Ausgang
der Koaxialleitung 5 aperiodisch genügend gedämpft sind.
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Schließlich sollte man auch den Rechteckhohlleiter 2 im Eindeutigkeitsbereich
für die H10-Welle betreiben und es sollte auch der Rechteckhohlleiter 2 mit einer
gewissen Mindestlänge ausgestattet werden, damit unerwünschte Wellen (z.B. E11-Welle)
bis zum Ausgang des Rechteckhohlleiters 2 aperiodisch genügend gedämpft sind.
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Eine etwas breitbandigers erfindungsgemäße Polarisationsweiche erhält
man durch Verwendung eines quadratischen Hohlleiters anstatt des Rundhohlleiters.
Fig. 2 zeigt eine solche Anordnung. Der Quadrathohlleiter führt die beiden Wellentypen
H10 und H01. Der Querschnitt des Quadrathohlleiters 6 muß hier so klein
bleiben,
daß sich die E11-Welle nicht ausbreiten kann.
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Hochste zu niedrigste Betriebsfrequenz verhalten sich dann wie
womit sich ca. 30 % praktisch nutzbare Bandbreite ergeben. Die Polarisationsweiche
von Fig. 2 weist im Quadrathohlleiter 6 beispielsweise eine Kurzschlußplatte 3 mit
einem keilförmigen Teil 7 auf. Diese keilförmige Abschrägung 7 kann auch bei Fig.
1 verwendet werden. Das ergibt den Vorteil, daß die Kurzschlußebenen für die H10-
und H01-Welle bis zu einem gewissen Grad verschieden eingestellt werden können;
sowohl der Ort der Kurzschlußplatte wie die Keilgröße können variiert werden. Das
ist für Anpassungszwecke bei den beschriebenen Polarisationsweichen vorteilhaft,
da die Einkoppelarten in den Rund- oder Quadrathohlleiter durch Verwendung eines
Rechteckhohlleiters einerseits und einer Koaxialleitung andererseits verschieden
sind.
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In Fig. 3 ist gezeigt, wie es mit der neuen Polarisationsweiche (nach
Fig. 1 oder 2) in einfacher Weise möglich ist, zwei parallele Rechteckhohlleiterausgänge
zu schaffen, die zusammen in ihrer stromlosen Ebene T-T geteilt werden können: An
die Koaxialleitung 5 schließt sich ein Ubergang 12 auf einen Rechteckhohlleiter
13 an.
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Der Rechteckhohlleiter 2 wird über einen reflexionsarmen Knick 8 in
den Rechteckhohlleiter 9 geführt. Die Kurzschlußplatte 3 ist im Beispiel mit einem
Steg 11 versehen, der hier für die horizontale Polarisation eine Vorverlagerung
der Kurzschlußene ergibt. Der Zweck ist wieder die getrennte Möglichkeit der Anpassung
für die beiden Polarisationen. Es kann natürlich
sein, daß ein vertikaler
Steg zweckmäßiger ist. Auch können mehrere Stege 11 oder Rippen verwendet werden.
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Es ist auch möglich, aus Fig. 1 (oder 2) eine Anordnung mit zwei parallelen
Koaxialausgängen zu schaffen, siehe Fig. 4. Dazu erhalt der Hohlleiter 2 einen Übergang
14 auf Koaxialleitung 15 und Koaxialleitung 5 einen Knick 16. Die kapazitive Einkoppelsonde
4 ist mit einer Scheibe 17 ausgestattet. Zur Anpassung werden die Blenden 18 und
19 verwendet, die für die vertikale Polarisation kapazitiv und für die horizontale
Polarisation induktiv wirken und somit wieder getrennte Einstellmöglichkeiten ergeben.
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Wenn keine allzu großen Bandbreiten gefordert werden, kann es - beispielsweise
aus Anpassung oder Selektivgründen - von Vorteil sein, die Polarisationsweiche als
Resonanzübergang auszuführen. Fig. 5 zeigt eine solche Resonanzpolarisationsweiche.
Der Resonanzraum 20 wird hier durch die Ringblende 21, die Kurzschlußplatte 3 und
die Rundhohlleiterwand gebildet. Dieser Raum stellt beispielsweise einen H111-Resonator
für die beiden H11-Polarisationen dar. Die Ankopplung an den Rechteckhohlleiter
2 geschieht über die Blende 22, die Ankopplung an die Koaxialleitung 5 über den
Stift 4, der hier kleiner ist als bei den Polarisationsweichen ohne Resonanzüberhöhung.
Um für beide H Polarisationen die gleiche Resonanzfrequenz zu erreichen, ist wieder
der Steg 11 vorgesehen. Durch Wahl der Blenden- bzw.
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Stiftgrößen kann in bekannter Weise die Bandbreite eingestellt werden.
Eine weitere Polarisationsweiche mit Resonanzübergang zeigt Fig. 6, diesmal nicht
perspektivisch, sondern in Längs- und Querschnitt, um eine Vorstellung von der Herstellungsmöglichkeit
zu geben.
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Die Polarisationsweiche besteht aus zwei Hälften 24 und 25, deren
Trennungsebene vorzugsweise durch die
Mitte der Rechteckhohlleiterbreitseiten,
die Ja eine stromlose Ebene T-T darstellt, verlauft. Die beiden Hälften können durch
Fräsen oder in Druckgußtechnik hergestellt werden. Dieser Vorteil gilt für alle
aufgeführten Polarisationsweichen.
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Bei der in Fig. 6 gezeigten Polarisationsweiche sind unmittelbar anschließend
an den Rundhohlleiter Resonatoren angebaut. Der Rechteckhohlleiter 2 wird durch
die Blenden 22 und 23 zum H101-Resonator 28. Die Koaxialleitung 5 wird dadurch zum
Resonator 29, daß ihre Länge etwa A/2 und ihre kapazitiven Stifte entsprechend kurz
gemacht werden. Die Halterung des Koaxialinnenleiters geschieht zweckmäßig in der
Gegend des Spannungsknotens wegen der Verluste des Dielektrikums.
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Durch Wahl der Blenden- und Stiftgrößen kann man die Bandbreite einstellen,
und durch Resonatordimensionierung gleiche Resonanzfrequenzen erhalten. Die Resonatoren
können abstimmbar ausgeführt werden. Zur Erhöhung der Selektion können noch weitere
Resonatoren folgen.
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Ein zweikreisiges Verhalten kann z.B. auch dadurch erreicht werden,
daß die Resonanzanordnungen von Fig. 5 und 6 kombiniert werden.
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Will man orthogonale Polarisationen in zwei oder mehreren Frequenzbereichen
trennen oder erzeugen, so ist das mit zwei bzw. mehreren Polarisationsweichen nach
Fig. 6 möglich, bei denen Rundhohlleiter an Rundhohlleiter stößt. Fig. 7 zeigt eine
schematische Anordnung für drei Frequenzbereiche F1, F2 und F3. H11-Wellen beider
Polarisationen im tiefsten Frequenzbereich F1, die z.B. in den Rundhohlleiter 26
mit dem Durchmesser D1 von links eintreten, finden an der Sprungstelle zum Hohlleiter
27 mit dem kleineren Durchmesser D2 (D2 < < #1/1,71) einen Kurzschluß, ähnlich
der Kurz-
schlußplatte 3 vor und werden durch die auf F1 abgestimmten
Resonatoren 28 bzw. 29 ausgekoppelt. H11-Wellen des mittleren Frequenzbereichs F2
sind im Rundhohlleiter 27 mit dem Durchmesser D2 ausbreitungsfähig und gelangen
an die Sprungstelle zum Hohlleiter 30 mit dem noch klein rein Durchmesser D3 und
werden durch die auf F2 abgestimmten Resonatoren 31 bzw. 32 ausgekoppelt.
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Die Resonatoren 28 und 19 sprechen auf F2 nicht an.
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Der höchste Frequenzbereich F3 gelangt in den Hohlleiter 30, der mit
der Kurzschlußplatte 3 endet, und wird über die Resonatoren 33 bzw. 34 oder direkt
ausgekoppelt.
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Polarisationsweichen für zwei Frequenzbereiche werden z.B. im Satellitenfunk
eingesetzt. Dort werden beispielsweise Frequenzbereiche von 4 und 6 GHz und 14 GHz,
20 und 30 GHz verwendet.
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Die gezeigten neuen Polarisationsweichen erzeugen oder trennen zwei
in der Polarisationsebene aufeinander senkrecht stehende linear polarisierte Wellen,
z.B.
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H11 hor und H11 vert bzw H10 und H01. Man kann, ausgehend von einer
Polarisationsweiche für linear polarisierte Wellen, bekanntlich auch zirkular polarisierte
Wellen erzeugen oder trennen, wenn man zusätzlich entweder einen Polarisator, z.B.
einen #/4-Polarisator mit dielektrischer Platte, in die beiden Polarisationen führenden
Hohlleiter mit rundem bzw. quadratischem Querschnitt einschaltet, (solche Polarisatoren
sind für sich aus der Literaturstelle Meinke/Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik",
Springer Verlag, 1968, insbes. Seiten 435 bis 437, Abb. 13.3., bekannt), oder einen
3-dB-Koppler an die nach Polarisationen getrennten Anschlüsse (Rechteckhohlleiter
nach Fig. 3 und 6, Koaxialleitungen nach Fig. 4) ansetzt.
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Ein Beispiel zeigt Fig. 8. An die Rechteckhohlleiter der Polarisationsweiche,
Ebene B-B, schließt sich zweckmäßigerweise ein 3-dB-Koppler 35-in Hohlleitertechnik
an, der hier als mehrstufiger Branch-Guide-Koppler durchgebildet ist. Solche Koppler
sind für sich aus der Literaturstelle Matthaei/Young/Jones: "Microwave Filters,
Impedanz-Matching-Networks and Coupling Structures", McGraw-Hill-Book Company, 1964,
Seiten 833 bis 842 bekannt.
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Die Rechteckhohlleiter 36 und 37 bilden j Jetzt die nach Polarisationen
getrennten Anschlüsse (linkadrehend und rechtsdrehend zirkular). Die Koaxialleitung
5 ist hier der Einfachheit halber mit quadratischem Außenleiter ausgeführt. Voraussetzung
dabei ist allerdings, daß von der Anschlußebene A-A des Rundhohlleiters bis zur
Anschlußebene B-B des 3-dB-Richtkopplers gleiche Phasengänge für die beiden Polarisationen
erreicht werden. Das ist nicht von vornherein gegeben, da in einem Weg ein Stück
Koaxialleitung liegt, womit die elektrischen Leitungslängen und die Dispersionen
verschieden sind. Durch geeignete Wahl der Hohlleiterbreiten und -längen kann der
Phasengleichlauf über eine kleinere Bandbreite und bis zu einem gewissen Grad erreicht
werden. Die Anordnung nach Fig. 8 wurde deswegen gezeigt, weil sie mechanisch gut
teilbar ist und billig in der Herstellung.
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Der Vorteil der hier gezeigten Polarisationsweichen ist ihre einfache
Herstellbarkeit und damit Billigkeit. Die Rechteckhohlleiter haben eine günstige
parallele Lage mit einander zugewandten Breitseiten, denn die Polarisationsweiche
kann - evtl. zusammen mit einer anschließenden Schaltung - in der stromlosen Ebene
der Rechteckhohlleiter in zwei Hälften geteilt
hergestellt werden.
Damit ist eine einfache Spritzgußtechnik möglich. Zwischen die Hohlleiterhälften
können kostengünstige Fin-Line-Komponenten wie z.B. Mischer, Filter, in einfacher
Weise eingesetzt werden. Die Baugröße der neuen Polarisationsweiche beträgt nur
etwa 4 x 4 x 8 cm bei 12 GHz Betriebsfrequenz.
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12 Patentansprüche 8 Figuren