[0001] Die Erfindung betrifft eine (BSmS) zur Übertragung von Signalen über eine vorgegebene
Bandbreite, die der maximalen Bandbreite einer konventionellen T-Verzweigung entspricht.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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. Somit 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.
[0010] 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.
[0011] Diese Aufgabe wird durch eine Wellenleiter-Signalverzweigung gemäß den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können die zwei zweiten Seitenarmhohlleiter kollinear
angeordnet und/oder ausgebildet sein.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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.
[0029] 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).
[0030] Im Inneren der Hohlleiteranordnung kann eine nicht näher dargestellte Anpass-Struktur
vorgesehen sein, deren Geometrie an ein gewünschtes Übertragungsverhalten angepasst
ist.
[0031] 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.
[0032] Die durch die Fertigungsungenauigkeit entstehenden Summensignale, welche im Inneren
des Orthomodenkopplers resonieren, werden in den beiden Hohlleiterabsorbern 25, 26
des Orthomodenkopplers absorbiert.
[0033] 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
[0034]
- 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
1. 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 einem Hohlleiterabsorber (25, 26)
abgeschlossen sind.
2. Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach Anspruch 1, bei dem der
erste vorgegebene Querschnitt des gemeinsamen Hohlleiters (10) rechteckig, quadratisch,
elliptisch, rund oder beliebiger Form ist.
3. Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach Anspruch 1 oder 2, bei
dem der vorgegebene Querschnitt der vier Seitenarmhohlleiter (21, 22, 23, 24) rechteckig,
quadratisch, elliptisch, rund oder beliebiger Form ist. Der Querschnitt der Seitenarmhohlleiter
kann auch unterschiedlich sein.
4. Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem die zwei zweiten Seitenarmhohlleiter (22, 24) kollinear angeordnet
und/oder ausgebildet sind.
5. 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.
6. 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 und beliebiger Form sein kann.
7. Breitband Signalverzweigung mit Summensignalabsorption nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem Signale über eine Gesamtbandbreite mit einem Phasenversatz von
180° aufteilbar oder koppelbar sind.