Breitbandige Polarisationsweiche

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine breitbandige, kompakt in Frästech­nik herstellbare Polarisationsweiche mit einem zwei orthogonale Linearpolarisationen führenden Wellenleiter (4), von dem über eine erste, symmetrisch mit zwei Teilarmen (20, 21) ausgelegte Hohlleitergabel ein erster, an seinem Ende axial zum die beiden orthogonalen Polarisationen führenden Wellenleiter verlaufender Rechteck-Hohlleiterarm (1) abgezweigt ist und von dem in Axial­richtung ein zweiter Hohlleiterarm (2) ausgeht, der mit Recht­eckquerschnitt über einen E-Knick (12) seitlich aus dem Raum zwischen den Hohlleitergabel-Teilarmen (20, 21) herausgeführt ist und in dessen Übergangszone zum die beiden orthogonalen Polarisationen führenden Wellenleiter eine über seine gesamte Breitseitenabmessung (a) reichende Mittelplatte (8) verankert ist, die etwa halb so breit wie seine Schmalseite (b₁) ist und ihn somit in dieser Übergangszone gabelartig in zwei Teilarme (14, 15) unter Berücksichtigung einer genauen Konstanthaltung der Wellenwiderstände aufteilt. Eine gemäß Erfindung auf­gebaute, breitbandige Polarisationsweiche läßt sich bei Satelli­ten und Richtfunk-Antennen verwenden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einebreitbandige. Polarisations­weiche für Mikrowellen mit einem einen zwei orthogonal lineare Polarisationen führenden Wellenleiter, von dem an sich gegenü­berleigenden Stellen unter einem spitzen Winkel zwei eine sym­metrische Hohlleitergabel bildende Teilarme abgezweigt sind, die über jeweils einen ersten E-Knick, jeweils einen Bereich mit zueinander parallel verlaufender Führung, jeweils einen zweiten E-Knick und eine Serienverzweigung in einen ersten, hinsichtlich seiner Längsachse mit dem die beiden orthogonalen Polarisationen führenden Wellenleiter fluchtenden Hohleiterarm rechteckförmigen Querschnitts übergeführt sind, und von dem in Axialrichtung ein zweiter Hohlleiterarm ausgeht, der mit recht­eckförmigem Querschnitt über einen E-Knick seitlich aus dem Raum zwischen den beiden Teilarmen herausgeführt ist.

[0002] Eine derartige Polarisationsweiche ist aus der DE-OS 33 45 689 bekannt. Diese bekannte Polarisationsweiche hat jedoch eine verhältnismäßig große Baulänge und ist auch konstruktiv nicht so ausgelegt, daß sie sich mit wenig aufwendigen Herstellungs­methoden, z.B. mit einfachen numerisch gesteuerten Fräsautomaten, produzieren läßt.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, eine sehr breitbandig arbeitende Polarisationsweiche der eingangs genannten Art zu schaffen, die aber so gestaltet ist, daß sie mit einfachen Methoden ko­stengüngstig herstellen läßt und dabei hinsichtlich ihrer Quer­abmessungen und Baulänge besonders klein ausgelegt werden kann.

[0004] Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem mit einem rechwinkligen E-Knick versehenen zweiten Hohl­leiterarm in seiner Übergangzone zum die beiden orthogonalen Polarisationen führenden Wellenleiter eine über seine gesamte Breitseitenabmessung reichende Mittelplatte verankert ist, die etwa halb so breit wie seine Schmalseitenabmessung ist und ihn somit in dieser Übergangszone gabelartig in zwei symmetrische Teilarme unter Berücksichtigung einer genauen Konstanthaltung der Wellenwiderstände aufteilt.

[0005] Die Polarisationsweiche nach der Erfindung läßt sich in zwei mit Ausnahme des Zugangs des zweiten, einen Rechteckquerschnitt aufweisenden Hohlleiterarms spiegelbildlich gleichen Teilen ausbilden, wobei die Spielgelebene durch die querstromfreie Mittelbene der beiden Teilarme der Hohlleitergabel des ersten Hohlleiterarms gebildet wird. Diese beiden Teile können durch Fräsersteuerung in einer einzigen Ebene hergestellt werden. Für die Polarisationsweiche nach der Erfindung kann somit ein we­sentlicher kommerzieller Wert darin gesehen werden, daß sie aus nur zwei, weitgehend spiegelgleichen Hauptteilen besteht, die mit einfachen numerisch gesteuerten Fräsautomaten sehr kosten­günstig herzustellen sind.

[0006] Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sowie Ausge­staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrie­ben.

[0007] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in zwei Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung:

FIG 1 eine Breitband-Polarisationsweiche nach der Erfindung in Draufsicht,

FIG 2 die Breitband-Polarisationsweiche der FIG 1 in einer Seitenansicht.

[0008] Die in den Figuren 1 und 2 in Drauf-bzw. Seitenansicht gezeig­te Breitband-Polarisationsweiche weist einen ersten Hohlleiter­arm 1 rechteckigen Querschnitts mit den Seitenlängen a und b₁ auf. Dieser Hohlleiterarm 1 wird, wie in FIG 1 dargestellt ist, mit einer angepaßten Serienverzweigung 22, die aus zwei spiegelsymmetrisch aneinander gesetzten Schmalprofil E-Knicken besteht ,in zwei Teilarme 20, 21 mit halbierter Hohlleiter­höhe b_T=b₁=a/4 aufgeteilt. In FIG 1 sind die Rechteckhohl­leiterarme 1 und 2 mit den Seitenabmessungen a=2b₁ gezeichnet. Sie können aber auch mit b₁< a/2 ausgeführt werden. An jedem der Teilarme 20, 21 ist im Abstand 1_K von E-Knicken der Serienverzweigung 22 ein E-Knick 23 bzw. 24 mit glei­chem Knickwinkel, allerdings in entgegengesetzter Knickrich­tung, angeschlossen. Der Abstand 1_K ist so gewählt, daß zwischen den innenleigenden Breitseitenwänden der durch die beiden Teilarme 20 und 21 gebildeten Hohlleitergabel der andere Rechteckhohlleiterarm 2 Platz hat. Die parallel zuein­aner verlaufenden Bereiche der beiden Teilarme 20 und 21 werden dann durch je einen weiteren E-Knick 5 bzw. 5ʹ spiegel­symmetrisch zur Längsachse der Polarisationsweiche hin abge­winkelt. In den Querschnitten 3, 3ʹ beginnt die Durchdringung mit dem Hohlleiterarm 2. Vom Zugang des Hohlleiterarms 1 bis zu diesen Querschnitten 3, 3ʹ ist die Hohlleitergabel exakt wel­lenwiderstandshomogen. Im Querschnitt 6 münden die Teilarme 20 und 21 in einen aus einem Innenleiter 10 kreisrunden Quer­schnitts und einem Außenleiter 11 runden Querschnitts beste­henden Koaxialwellenleiter 4, dessen Wellenwiderstand an den Wellenwiderstand der beiden in Serie geschalteten Teilarme 20 und 21 angeglichen ist. Die hinsichtlich des Wellenwider­stands inhomogene Zone ist also bei dieser Polarisations­weiche auf einen sehr kurzen Bereich zwischen den Querschnit­ten 3, 3ʹ einerseits und 6 andererseits reduziert, was eine Anpassungsarbeit wesentlich erleichtert.

[0009] Der zweite Hohlleiterarm 2 rechteckigen Querschnitts wird mit einem Normalprofil-E-Knick 12 in Längsrichtung abgewinkelt, wobei der E-Knick 12 statt mit einer schrägen Außenecke zur Fertigungserleichterung mit einem 90°-Eckvorsprung 7 aus­gebildet ist. Weiterhin wird der Hohlleiterarm 2 mit einer Mittelplatte 8, die gesamte Breitseitenabmessung a reicht und die eine Dickenabmessung von etwa b₁/2 aufweist, in zwei Teilarme 14 und 15 geteilt, wobei die Wellenwiderstände genau konstant gehalten werden. Der Abgleich des Seitenver­satzes erfolgt durch eine Optimierung des Abstandes bʹ zwischen der Vorderstirnfläche 17 der Mittelplatte 8 und der Ebene einer Abstufung 16. Durch die Teilung in zwei Teilarme 14 und 15 wird erreicht, daß die Reaktanz an der Übergangsstelle 6 zum wellen­widerstandsangepaßten, aus dem Innenleiter 10 und dem Außen­leiter 11 bestehenden Koaxialwellenleiter 4 kleiner und daher besser kompensierbar wird. Außerdem wird an der Platte 8, die in den Schmalseitenwänden des Hohlleiterarms 2 mittels zweier Flächen 9, 9ʹ fest verankert ist, der Innenleiter 10 an deren hinteren Stirnfläche 18 befestigt. Diese Art der Anbringung und Halterung eines Innenleiters ist auch viele andere bekannte Polarisationsweichen nutzbringend zu übertragen.

[0010] Nach FIG 2 ist die Polarisationsweiche nach der Erfindung durch die Teilungsebene 13 in zwei mit Ausnahme des Weichenzugangs am Hohlleiterarm 2 spiegelsymmetrische Teile geteilt, die durch Fräsersteuerung in einer einzigen Ebene hergestellt werden können.

[0011] Wie in FIG 1 und 2 unten dargestellt ist, kann der Koaxial­wellenleiter 4 mit dem Innenleiter 10 und dem Außenleiter 11 nach dem Querschnitt 6 längshomogen bis zu einem nachfolgenden Verbraucher, z.B. einem Hornstrahler, weitergeführt werden. Soll dagegen der Innenleiter 10 verschwinden¸ so kann dies mit einem stetigen oder gestuften Übergang bewerkstelligt werden. In den FIG 1 und 2 ist ein zweitstufiger, rotations­symmetrischer Viertelwellenlängen-Transformator mit einem gestuften Innenlieter 19 und einem gegenläufig gestuften Außen­leiter 25 (konstante H₁₁-Grenzfrequenz, frequenzunabhängige Wellenwiderstandsstufen) gestrichelt eingezeichnet. Es ist auch möglich, den Transformator weiter in die Gabelungszone der Polarisationsweiche - in den Figuren 1 und 2 nach oben - ­zu schieben¸ so daß nur noch die unterste Transformatorstufe als Koaxialwellenleiter ausgebildet ist.

[0012] Durch die Verwendung des Innenleiters 10, wird es ermöglicht, die störenden Wellenwiderstandssprünge entlang den beiden Druchgängen der Polarisationsweiche zu reduzieren oder ganz zu eliminieren. Während die Leitungswellenwiderstände der rechteckigen Polarisationsweichen-Hohlleiterarme 1 und 2 mit ihren Seitenverhältnissen a≈2b₁ fest vorgegeben sind, ist der Leitungswellenwiderstand der Rundhohlleiters 11 nicht festgelegt und daher frei wählbar. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Leitungswellenwiderstand des Rund­hohlleiters 11 abzusenken und damit an die Leitungswellen­widerstände der Rechteckhohlleiterarme 1 und 2 anzunähern. Ideale Anpassungsbedingungen herrschen, wenn die Leitungs­wellenwiderstände des Rundhohlleiters 11 an diejenigen der Rechteckhohlleiterarme 1 und 2 breitbandig angeglichen sind.

[0013] Dies Angleichung der Wellenwiderstände wird über sehr große Bandbreiten erreicht, wenn folgende zwei Bedingungen erfüllt sind, nämlich zum einen die Angleichung der Querschnittsfak­toren in den Wellenwiderstandsgleichungen der aneinander an­zupassenden Hohlleiter und zum anderen die Angleichung der Grenzfrequenzen der ineinander überzuführenden Wellentypen, wobei dann die noch verbleibenden Reaktanzsprünge in den Hohlleitern durch nur kurze Baulängen erfordernde Transforma­tionsmaßnahmen angepaßt werden können. Es ergibt sich bei Verwendung dieses Prinzips eine wesentlich vergrößerte Band­breite der Reflektionsarmut.

[0014] Durch die Verwendung des Innenleiters 10 wird neben der angestrebten Wellenwiderstandssenkung zusätzlich eine wesentliche Ausweitung des Eindeutigkeitsbereichs beim Koaxialwelllenleiter 4 erreicht. Für noch breiters Ein­deutigkeitsbereiche sind andere Querschnittsformen des Innenleiters 10 möglich z.B. ein kreuzförmiger oder ein vierkantförmiger Querschnitt. Der Innenleiter 10 bewirkt sehr geringe Zusatzverluste und bringt eine Reihe von weiteren Vorteilen. Der über die Polarisationsweiche hinaus verlängerte Innenleiter 10 eignet sich dazu, das Verhalten eines an die Polarisationsweiche angeschlossenen Verbrauchers zu verbessern, so z.B. die Bandbreite der Reflektionsarmut eines Rillenhorns und seine Kreuzpola­risationseigenschaften gegenüber der Hornspeisung. Dabei kann der Innenleiter 10 im Hornhals, im Rillenbereich oder außerhalb der Hornapertur stetig, gestuft oder sprung­haft enden. Ferner kann in einem hohl gestalteten Innenleiter 10 Raum geschaffen werden für Wellen gleicher oder anderer Art mit gleicher oder anderer Frequenz wie diejenigen außerhalb des Innenleiters 10 bereits vorhandenen Wellen. Dazu kann der Innenraum des Innenleiters 10 in geeigneter Weise mit leitendem Material oder mit Dielektrikum versehen werden. Im Innenraum des Innenleiters 10 und/oder nahe seiner Ober­fläche können ferner Koppeleinrichtungen für Wellen angeord­net werden, die aus dem Raum außerhalb des Innenleiters 10 in sein Inneres und umgekehrt gekoppelt werden.

Ansprüche

1. Breitbandige Polarisationsweiche für Mikrowellen mit einem zwei orthogonal linears Polarisationen führenden Wellenleiter, von dem an sich gegenüberliegenden Stellen unter einem spitzen Winkel zwei eine symmetrische Hohlleitergabel bildende Teilarme abgezweigt sind, die über jeweils einen ersten E-Knick, jeweils einen Bereich mit zueinander parallel verlaufender Führung, je­weils einen zweiten E-Knick und eine Serienverzweigung in einen ersten, hinsichtlich seiner Längsachse mit dem die beiden ortho­gonalen Polarisationen führenden Wellenleiter fluchtenden Hohl­leiterarm rechteckförmigen Querschnitts übergeführt sind, und von dem in Axialrichtung eine zweiter Hohlleiterarm ausgeht, der mit rechteckförmigem Querschnitt über einen E-Knick seitlich aus dem Raum zwischen den beiden Teilarmen herausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit einem rechtwinkligen E-Knick (12) versehen zweiten Hohllei­terarm (2) in seiner Übergangszone zum die beiden orthogonalen Polarisationen führenden Wellenleiter (4) eine über seine ge­samte Breitseitenabmessung (a) reichende Mittelplatte (8) ver­ankert ist, die etwa halb so breit wie seine Schmalseitenabmes­sung (b₁) ist und ihn somit in dieser Übergangszone gabelartig in zwei symmetrische Teilarme (14,15) unter Berücksichtigung einer genauen Konstanthaltung der Wellenwiderstände aufteilt.

2. Polarisationsweiche nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß bei räumlich symmetrischer Anregung beider Linearpolarisationen mit je einer elektrisch symmetrischen Rechteckhohlleitergabel die Gabelteilarme (20, 21 und 14, 15) mit der Hälfte der Schmalseitenabmessung (b₁) der äußeren Zugänge zu den Rechteckhohlleiterarmen (1, 2) und mit unveränderter Breitseite (a) in den die beiden Orthogonal­polarisationen führenden Wellenleiter (4) münden.

3. Polarisationsweiche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalseitenabmessung (b₁) des zweiten Hohlleiterarmes (2) zwischen dem Mittelplatten­ende und dem rechtwinkligen E-Knick (12) eine Abstufung (16) aufweist und daß der Abgleich des Seitenversatzes durch eine Optimierung des Abstandes (bʹ) zwischen der Vorderstirnfläche (17) der Mittelplatte (8) und der Ebene der Abstufung (16) erfolgt.

4. Polarisationsweiche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­durch gekennzeichnet, daß der rechtwinklige E-Knick (12) des zweiten Hohlleiterarms (2) mit einem ins In­nere gerichteten 90°-Eckvorsprung (7) der Außenecke versehen ist.

5. Polarisationsweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der hin­teren Stirnfläche (18) der Mittelplatte (8) ein Innenleiter (10) für den einen runden bzw. quadratischen Außenleiter (11) aufweisenden, die beiden orthogonalen Polarisationen führenden Wellenleiter befestigt ist, so daß ein Koaxialwellenleiter (4) gebildet wird, wobei dieser Innenleiter so bemessen ist, daß der ursprünglich etwa doppelt so große Leitungswellenwiderstand des runden bzw. quadratischen Hohlleiters an die in sich glei­chen Leitungswellenwiderstände der beiden Rechteckhohlleiter­arme (1, 2) angeglichen wird, wozu zwei Bedingungen zu erfüllen sind, nämlich zum einen die Angleichung der Querschnittsfaktoren in den Wellenwiderstandsgleichungen der aneinander anzupassenden Wellenleiter und zum anderen die Angleichung der Grenzfrequenzen der ineinander überzuführenden Wellentypen, wobei verbleibende Reaktanzen in den Wellenleitern durch nur kurze Baulängen er­fordernde Transformationsmaßnahmen angepaßt werden.

6. Polarisationsweiche nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der hinteren Stirnfläche (18) der Mittelplatte (8) im einen runden oder quadratischen Außenleiter aufweisenden, die beiden orthogonalen Polarisationen führenden Wellenleiter ein Innenleiter (19) befestigt ist, der stetig oder gestuft aus­läuft und dabei Teil eines Viertelwellenlängentransformators ist, dessen Außenleiter (25), der durch den kreisrunden oder quadratischen Außenleiter (11) gebildet wird, gegenläufig stetig bzw. stufenartig geformt ist.

7. Polarisationsweiche nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugänge zu den beiden Rechteckhohlleiterarmen (1, 2) mit gegenüber der Normalschmal­seitenabmessung b₁ = a/2 wesentlich reduzierter Schmalseiten­abmessung ausgeführt sind und daß der Leitungswellenwiderstand dieser bezüglich der Hohlleiterschmalseitenabmessung reduzier­ten Rechteckhohlleiterarmzugänge durch verstärke kapazitive Belastung mittels dickerem Innenleiter (10 bzw. 19) im die bei­den orthogonalen Polarisationen führenden Wellenleiter (4) und/oder mit Metallängsstegen innen an dessen Außenwand ausge­glichen ist.

8. Polarisationsweiche nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (10) längsho­mogen über den eigentlichen Polarisationsweichenbereich hinaus bis an einen Verbraucher, z.B. einen Hornstrahler, weiterge­führt ist.

9. Polarisationsweiche nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen­leiter (10, 19) einen kreisrunden Querschnitt aufweist.

10. Polarisationsweiche nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen­leiter (10, 19) einen kreuzförmigen oder einen vierkantigen Querschnitt aufweist.

11. Polarisationsweiche nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen­ leiter (10, 19) einen kreisrunden Querschnitt mit symme­trisch angeordneten Längsstegen aufweist.

12. Polarisationsweiche nach einem der vorhergehenden An­sprüche, gekennzeichnet durch, eine Aus­bildung in zwei mit Ausnahme des Zugangs des zweiten Hohl­leiterarmes (2) spiegelbildlich gleichen Teilen, wobei die Spiegelebene durch die querstromfreie Mittelebene (13) der zwei symmetrische Teilarme (20, 21) aufweisenden Hohllei­tergabel für den ersten Hohlleiterarm (1) gebildet wird.

13. Polarisationsweiche nach einem der vorhergehenden An­sprüche, gekennzeichnet durch, eine Her­stellung in Frästechnik, wobei die vorzugsweise numerische Fräsersteuerung in einer einzigen Ebene erfolgt.

14. Polarisationsweiche nach einem der vorhergehenden An­sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden polarisationsselektiven Rechteckhohlleiterarme (1, 2) je eine Frequenzweiche über jeweils eine lange Leitung angeschossen ist, die als mit entsprechenden Übergängen ver­sehene, übermodierte Rechteckhohlleitung ausgebildet ist.

Zeichnung