Hohlleiter

Abstract

 Es wird ein Hohlleiter (10) mit einer in den Hohlraum (13) eintauchenden Flosse (14) versehen, deren Profil so gewählt ist, daß eine höhere Eigenwelle angeregt wird, so daß für eine gewünschte Phasendifferenz über eine möglichst große Nutzbandbreite ein an­nähernd konstanter Verlauf der Phasendifferenz ermöglicht wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches l. Derartig ausgebildete Hohlleiter sind allgemein bekannt, z. B. in Anwendung bei einem Polarisator bzw. Polarisationswandler. Ein Polarisator bzw. Polarisationswandler ist eine Vorrich­tung, die horizontal oder vertikal polarisierte Wellen in zirkular polarisierte Wellen umsetzt oder umgekehrt.

[0002] Derartige Polarisationswandler gewinnen derzeit immer mehr an Interesse im Zusammenhang mit der Satelliten-­Kommunikation. Beispielsweise werden den installierten Satelliten die Fernsehprogramme in Form von zirkular polarisierten Signalen zugeführt und die Satelliten strahlen diese Signale ebenfalls in zirkular polari­sierter Form ab. Dazu sind auf der Senderseite einer­seits und auf der Empfängerseite andererseits auf der Erde die obengenannten Polarisatoren bzw. Polarisa­tionsumwandler erforderlich.

[0003] Die von den Polarisatoren bzw. Polarisationswandlern zu verarbeitenden Signale liegen innerhalb eines bestimmten sogenannten Nutzfrequenzbandes, das für die Fernsehsi­gnale beispielsweise im Bereich von ll,7 - l2,5 GHz liegt. Innerhalb dieses Nutzfrequenzbandes muß eine Vielzahl von Kanälen, die sich jeweils durch ihre Fre­quenz unterscheiden, einwandfrei übertragen werden kön­nen. Für die Polarisatoren bzw. Polarisationswandler be­deutet dies, daß die Phasenditferenz zwischen den beiden orthogonalen Komponenten der einfallenden Welle über das gesamte Nutzfrequenzband möglichst konstant bleiben soll, und zwar möglichst 90 Grad betragen soll. Bei den bisher bekannten Bauarten verändert sich jedoch die Phasendifferenz mit wachsender Frequenz, d. h. der Phasenwinkel zwischen zwei linear polarisierten Wellen wird mit wachsender Frequenz kleiner. Dies bedeutet, daß für die Kanäle am Anfang des Nutzfrequenzbandes eine größere Phasendifferenz als für die Kanäle am Ende des Nutzfrequenzbandes vor­liegt. Wenn man voraussetzt, daß die gewünschte Phasen­verschiebung von 90 Grad genau in der Mitte des Nutzfre­quenzbandes liegt, so führt dies zu Qualitätsverschlech­terungen durch Übersprechen bei Frequenzdoppelausnutzung für die Kanäle am Anfang und am Ende des Nutzfrequenz­bandes, was unerwünscht ist.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Hohlleiter der eingangs genannten Art mit einer geringen Eingangsreflektion zu schaffen, der für eine gewünschte Phasendifferenz über eine möglichst große Nutzbandbreite einen annähernd konstanten Verlauf der Phasendifferenz ermöglicht. Insbesondere soll bei Anwendung des Hohllei­ters für einen Polarisator oder einen Polarisationswand­ler eine geringe Eingangsreflektion und eine hohe Kreuz­polarisations-Entkopplung über eine möglichst große Bandbreite ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird bei einem Hohlleiter der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches l gelöst. Diese erfindungsgemäß vorgesehene Anregung einer höheren Ei­genwelle verändert den Phasengang der Grundwelle (H_d1). Eine Resonanzstelle oberhalb des Nutzfrequenzbandes bewirkt, daß der frequenzabhängige Phasendifferenz-­Verlauf nunmehr im Bereich des Nutzfrequenzbandes konstant bzw. annähernd konstant ist. Diese Resonanz­stelle kommt dadurch zustande, daß die durch die Zunge ermöglichte und angeregte höhere Welle nur in einem be­stimmten Bereich der Zunge ausbreitungsfähig ist. Wie Ver­suche gezeigt haben, ist diese angeregte höhere Welle im wesentlichen im Bereich der maximalen Eintauchtiefe der Zunge ausbreitungsfähig. Der Phasengang ist der Verlauf der Phasendifferenz, die sich zwischen den beiden orthogonalen Komponenten (dl und d2) der ein­fallenden Welle nach Durchlauf durch den Hohlleiter ergibt. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besitzt die Zunge, ausgehend von ihrer Basis an einer Innenwandung des Hohlleiters, in Eintauch­richtung einen Mittelbereich mit einer maximalen Erstreckung zur Basis und beiderseits davon iden­tische Seitenbereiche mit kontinuierlich abfallenden Konturen. Eine derartig gestaltete Zunge besitzt einen definierten Bereich, mit dem sie maximal in den Innenraum des Hohlleiters eintaucht. Je nach Ausbildung dieses de­finierten Maximalbereiches kann die Lage der Resonanz­stelle gewählt werden. Wie Versuche gezeigt haben, sind für die genaue Bestimmung des Resonanzpunktes insbe­sondere zwei Werte des Mittelbereiches der Zunge maß­gebend, mit dem diese in den Hohlleiter eintaucht. Bei diesen Werten handelt es sich einmal um die maximale Erstreckung des Mittelbereiches in Eintauchrichtung und zum anderen um die maximale Erstreckung des Mittel­bereiches in Längsrichtung des Hohlleiters.

[0005] Besonders gute Werte werden nach einer weiteren Ausge­staltung der Erfindung dadurch erreicht, daß der Mittel­bereich der Zunge gegenüber den Seitenbereichen stufig abgesetzt ist und mit einer parallel zur Grundlinie ver­laufenden Kante versehen ist, daß die Kanten der konti­nuierlich abfallenden Seitenbereiche gekrümmt sind, und daß die Seitenbereiche der Zunge an den Enden rechtwink­lig zur Grundlinie der Zunge abgesetzt sind. Durch die zum Innenraum des Hohlleiters gekrümmt verlaufenden Kan­ten der Seitenbereiche wird eine geringe Eingangsrefle­xion bei kurzer Baulänge erreicht. Ferner kann durch Verän­dern der Erstreckung des Mittelbereiches in Längsrichtung und Eintauchtiefe eine genaue Anpassung an die gewünschten Werte erfolgen.

[0006] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0007] In der Zeichnung ist in Fig. l - 8 ein Ausführungsbei­spiel des Gegenstandes gemäß der Erfindung nebst zugehö­rigen Diagrammen schematisch dargestellt.

Fig. l zeigt eine Stirnansicht eines quadratischen Hohl­leiters mit einer eingebrachten metallischen Zunge,

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Hohlleiters gemäß Fig. l,

Fig. 3 zeigt eine in einen Hohlleiter einsetzbare Zunge (Septum),

Fig. 4 zeigt ein zugehöriges Koordinatensystem,

Fig. 5a zeigt in einem Diagramm den Verlauf der durch Versuche ermittelten Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Erstreckung der Zunge in Eintauchrichtung,

Fig. 5b zeigt einen der Messung zugrundegelegten quadra­tischen Hohlleiter,

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Phasen­differenz in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 7 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der berechne­ten und gemessenen Isolation in Abhängigkeit von der Frequenz und

Fig. 8 zeigt den berechneten und gemessenen Verlauf der Rückflußdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz.

[0008] Gemäß Fig. l und 2 besitzt der Hohlleiter l0 eine qua­dratische Form mit einer Kantenlänge ll und einer Ge­samtlänge l2. Mit l3 ist der Innenraum des Hohlleiters l0 bezeichnet. Gemäß Fig. l ragt in den Innenraum l3 von der linken oberen Ecke aus eine metallische Zunge l4, die an ihrer Basis l5 in der Ecke des Hohlleiters l0 be­festigt ist und mit den benachbarten Wänden einen Winkel von 45 Grad einschließt. Die Zunge l4 besitzt einen Mittelbereich l6 und zwei Seitenbereiche l7. Der Mit­telbereich l6 hat eine parallel zur Basis l5 verlau­fende Kante l8, und die beiden Seitenbereiche l7 ha­ben kontinuierlich sich verjüngende Kanten l9. Mit l ist die maximale Erstreckung des Mittelbereiches in z-Richtung bezeichnet. Mit s (z) ist die sich in z-­Richtung ändernde Eintauchtiefe der Zunge l4 bezeich­net. Mit s_max ist die größte Eintauchtiefe der Zunge l4 im Mittelbereich l6 bezeichnet.

[0009] In Fig. 3 ist eine spezielle Ausgestaltung der Zunge dargestellt und mit l4ʹ bezeichnet. Diese Zunge l4ʹ unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten durch ausgeprägte Absätze 20 zwischen dem Mittelbereich l6ʹ und den Seitenbereichen l7ʹ und ferner durch nach außen gekrümmte Kanten l9ʹ, die im Endbereich der Zunge l4ʹ rechtwinklig gegen die Basis l5ʹ abfallen.

[0010] Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­spiel handelt es sich um einen Polarisationswandler zur Umwandlung von zirkular polarisierten Signalen in hori­zontal und vertikal polarisierte Signale. Die Figuren l bis 3 zeigen den prinzipiellen Aufbau eines Polarisa­tionswandlers mit einem schräg verlaufenden metallischen Septum (metallische Zunge). Einfallende zirkular polari­sierte H₁₀/H₀₁-Wellen werden in in x- und y-Richtung linear polarisierte Wellen umgewandelt, d. h. in H₀₁- und H₁₀-Wellen. Die H_d1-Welle, die eine in d₁-Richtung lineare Kombination der H₁₀- und H₀₁-Welle ist, sollte im Idealfall entlang der Zunge l4 einen Phasenunterschied von = -90 Grad gegenüber der H_d2-Welle erhalten, die in ihrer Phasenkonstante fast nicht gestört ist.

[0011] Fig. 5a zeigt den Verlauf der experimentell ermittelten unteren Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Erstrek­kung der Zunge l4, l4ʹ in Eintauchrichtung. Bei s = 0 hat die Grundwelle mit ihren Komponenten H_d1 und H_d2 eine Grenzfrequenz von etwa 9,4 GHz, während die höhere Welle H₂ eine Grenzfrequenz von etwa l8,8 GHz aufweist. Mit wachsender Eintauchtiefe der Zunge l4,l4ʹ, d. h. bei wachsendem s, sinkt die Grenzfrequenz der höheren Welle H₂ und der Komponente H_d1 der Grund­welle, während sich die Grenzfrequenz der H_d2-Welle nicht verändert. In Fig. 5b ist schematisch der Hohllei­ter angedeutet, der den experimentell ermittelten Werten zugrunde gelegt wurde. Dabei hat die Kantenlänge einen Wert von l5,5 mm. Mit s ist die Erstreckung der Zunge in Richtung des Innenraumes l3 des Hohlleiters l0 bezeich­net.

[0012] Die höhere Eigenwelle H₂ wird durch eine bestimmte Bemessung und Eintauchtiefe der Zunge l4,l4ʹ angeregt, so daß oberhalb eines Nutzfrequenzbandes 2l (s. Fig. 6) eine Resonanzstelle bei der Frequenz f_r auftritt. Diese Resonanzstelle kommt dadurch zustande, daß die höhere Welle H₂ nur im Bereich und in der näheren Umgebung der maximalen Eintauchtiefe der Zunge l4,l4ʹ ausbreitungsfähig ist und somit dort eine Resonanz verursacht. In Fig. 6 ist der Verlauf der Phasendiffe­renz in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen. Mit den Buchstaben a, b, c ist der berechnete Verlauf der Phasendifferenz aufgetragen, wobei keine Anregung der höheren Welle H₂ berücksichtigt wurde. Dabei sind den Buchstaben a, b und c jeweils unterschiedliche, mit der Buchstabenfolge wachsende Werte der Länge l des Mittelbereiches l6,l6ʹ der Zunge l4,l4ʹ zugeordnet; der Mittelbereich ist der Bereich, über den sich die maximale Eintauchtiefe der Zunge l4,l4ʹ in Längsrich­tung des Hohlleiters l0 erstreckt. s_max ist gemäß Fig. 6 z. B. so gewählt, daß alle Kurven a, b und c bei l2 GHz den gleichen Wert haben. Bei einer bestimm­ten Größe von s_max und l, d. h. bei einer bestimmten Eintauchtiefe und bei einer bestimmten Längserstreckung dieser Eintauchtiefe, wird jedoch die höhere Welle H₂ ange­regt, und es bildet sich oberhalb des Nutzfrequenzbandes 2l eine Resonanzstelle f_r, so daß sich der Verlauf der Phasen­differenz in dem gemäß der Erfindung gewünschten Sinne verändert und nunmehr bei Berücksichtigung der Anregung den mit den Großbuchstaben A, B und C bezeichneten Verlauf aufweist. Dabei sind den mit A, B und C bezeichneten Kurven wieder verschiedene, in dieser Reihenfolge wach­sende Werte von l zugeordnet. Daraus ist zu erkennen, daß der Verlauf der Phasendifferenz nunmehr in dem Nutz­frequenzband 2l praktisch konstant ist. Damit ergibt sich bei einer konstanten Phasendifferenz von 90 Grad eine hohe Kreuzpolarisations-Entkopplung über eine große Bandbreite. In erster Linie maßgebend für ein derartiges Verhalten ist eine bestimmte Bemessung der maximalen Eintauchtiefe s_max und der Länge l des s_max-Bereiches in Längserstreckung des Hohlleiters. Dieser konstante Bereich der Phasendifferenz im Verlauf der mit A, B und C bezeichneten Kurven kann innerhalb des Nutz­frequenzbandes 2l nach oben und unten verschoben werden, d. h. für verschiedene Phasenwinkel eingestellt werden.

[0013] Hinsichtlich der Bemessung kann in erster Näherung ge­sagt werden, daß bei der erfindungsgemäß bemessenen Zunge die Eintauchtiefe (s) größer und die Länge (l) kleiner ge­wählt sind als bei bisher bekannten Zungen im Hohlleiter.

[0014] In Fig. 7 ist die berechnete und gemessene Entkopplung a_K in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Im Bereich des Nutzfrequenzbandes 2l zeigen sich die ge­wünschten Verläufe.

[0015] Gemäß Fig. 8 ist, ebenfalls in Abhängigkeit von der Frequenz, der Verlauf der berechneten und gemessenen Rückflußdämpfung a_R (Reflexionsdämpfung, Anpassung) dargestellt. Auch hier zeigen sich im Bereich des Nutzfrequenzbandes 2l die gewünschten Werte.

Ansprüche

1. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) mit einer von einer Innenwandung ausgehenden und in den Innenraum eintauch­enden, längsgerichteten, mit Anpassungskonturen (l9, l9ʹ) ausgestatteten Zunge (l4, l4ʹ) (Flosse) zur Beeinflussung der Phasenlage wenigstens einer Welle (H_d1), ins­besondere zur Umwandlung von zirkular polarisierten Wellen in linear polarisierte Wellen oder umgekehrt, wo­bei die in den Innenraum eintauchende Zunge (l4, l4ʹ) (Flosse) auf der Winkelhalbierenden der Polarisations­richtungen der linear polarisierten Wellen liegt, ge­kennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das Profil (s(z)) der Zunge (l4, l4ʹ) (Flosse) ist so gewählt, daß eine höhere Eigenwelle (H₂) angeregt wird;

b) die Verkopplung, d.h. die Anregung der und Rückumwand­lung von der H₂-Welle, findet in einem (mehreren) Berei­ch(en) auf der Zunge (l4, l4ʹ) (Flosse) statt;

c) in (zwischen) diesen Bereichen wird ein Teil der ein­fallenden Leistung der Grundwelle (H_d1) durch die höhere Eigenwelle (H₂) übertragen;

d) der Frequenzgang der Phasendifferenz der Grundwellen (H_d1, H_d2) wird durch diese Verkopplung beeinflußt.

2. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) eine Resonanz der höheren Eigenwelle im Bereich der Zunge angeregt wird;

b) diese Resonanzfrequenz ober- oder unterhalb des Nutz­frequenzbandes (2l) liegt;

c) der Frequenzgang der Phasendifferenz zwischen den beiden Grundwellen (H_d1, H_d2) durch die Resonanz der höheren Eigenwelle (H₂) so beeinflußt wird, daß re­lative Minima oder Maxima auftreten;

d) die Krümmung, und damit die Bandbreite der Baugruppe nach Anspruch l, des Frequenzganges der Phasendifferenz zwischen den beiden Grundwellen (H_d1, H_d2) in den relativen Minima und Maxima durch die Stärke der An­kopplung der höheren Eigenwelle (H₂) und damit die belastete Güte des Resonators beeinflußbar ist;

e) an diesen relativen Maxima und Minima die Phasen­verschiebung annähernd konstant 90 Grad beträgt.

3. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (Flosse) (l4, l4ʹ) in Eintauchrichtung mit sich weitgehend konti­nuierlich ändernden Konturen (l8, l9; l8ʹ, l9ʹ) versehen ist.

4. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach einem der An­sprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (Flosse) (l4, l4ʹ), ausgehend von ihrer Basis (l5, l5ʹ) an einer Innenwandung des Hohlleiters (l0), in Eintauch­richtung einen Mittelbereich (l6, l6ʹ) mit einer maxi­malen Erstreckung (s_max) zur Basis (l5, l5ʹ) und beiderseits davon identische Seitenbereiche (l7, l7ʹ) mit kontinuierlich abfallenden Konturen (l9, l9ʹ) aufweist.

5. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach einem der An­sprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittel­bereich (l6ʹ) gegenüber den Seitenbereichen (l7ʹ) durch Stufen (20) abgesetzt und mit einer parallel zur Basis (l5ʹ) verlaufenden Kante (l8ʹ) versehen ist, daß die Kanten (l9ʹ) der kontinuierlich abfallenden Seitenbe­reiche (l7ʹ) zum Innenraum (l3) hin gekrümmt sind, und daß die Seitenbereiche (l7ʹ) der Zunge (l4ʹ) (Flosse) an den Enden rechtwinklig zur Basis (l5ʹ) der Zunge (Flosse) (l4ʹ) abgesetzt sind.

6. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach einem der An­sprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (Flosse) (l4) annähernd kreisabschnittförmig ausgebildet ist.

7. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach einem der An­sprüche l bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (Flosse) (l4, l4ʹ) eine glatte Oberfläche aufweist.

8. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach einem der An­sprüche l bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl­leiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) quadratischen Quer­schnitt hat und die Zunge (l4, l4ʹ) (Flosse) aus einer Ecke heraus unter 45° in den Innenraum (l3) eintaucht.

9. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (Flosse) (l4, l4ʹ) im Anschluß an die Basis (l5, l5ʹ) mit einem Ansatz ver­sehen ist und über diesen Ansatz zwischen zwei unter 45° aneinanderstoßenden Wandungsteilen (ll) des Hohl­leiters (l0) eingeklemmt bzw. eingespannt ist.

l0. Hohlleiter (l0) (Hohlleiterabschnitt) nach einem der An­sprüche l bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (l4, l4ʹ) aus einem metallischen und sehr dünnen Werkstoff besteht.

Zeichnung