DE3537354A1

DE3537354A1 - Anordnung zur drehung der polarisationsebene elektromagnetischer wellen

Info

Publication number: DE3537354A1
Application number: DE19853537354
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Ing Rust
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-10-19
Filing date: 1985-10-19
Publication date: 1987-04-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Will man die Polarisationsebene beim Rechteckhohlleiter beispielsweise der H₁₀-Welle drehen, so kann man bekannt lich den gesamten Hohlleiter stetig um seine Längsachse verbiegen (Twistform) und bekommt dann im wesentlichen keine Stoßstelle, wenn die Länge der verdrehten Strecke ein Vielfaches von der halben Betriebswellenlänge λ beträgt oder wesentlich größer als einige λ ist.

Die Verdrehung der Polarisationsebene ist bei der Kombina tion von verschiedenen Arten von Signalleitungen, insbeson dere im Mikrowellenbereich, oft unvermeidlich.

Aus Kopplungsgründen muß die Polarisationsebene der Welle vom einen Hohlleiter, beispielsweise um 90° gedreht wer den, damit zum einen eine Signalübertragung vom einen Hohlleiter zu einer Mikrostripleitung und zum anderen gleichzeitig zu einem weiteren beispielsweise einen Zirku lator enthaltenden Hohlleiter stattfinden kann.

Jedoch bei der heutigen in der Herstellung relativ einfa chen und kostengünstigen koplanaren Hohlleitertechnik ist eine solche Twistanordnung, wie sie oben beschrieben ist, ungeeignet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige innerhalb der Hohlleitertechnik kompatible Anordnung zur Drehung der Polarisationsebene von sich im Hohlleiter ausbreitenden elektromagnetischer Wellen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in vorteilhafter Weise gelöst.

Weitere vorteilhafte Anordnungen und Weiterbildungen sind aus den Unteransprüchen entnehmbar. Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1A Prinzipielle Anordnung (räumlich)

Fig. 1B Lage zweier Hohlleiter zueinander

Fig. 1C, 1D Verteilung der Feldwellenvektoren in den Hohlleitern 2 und 3 einer H₁₀-Welle;

Fig. 2A Kopplung zweier um ihre gemeinsame Längsachse Z um 90° gedrehten Rechteckhohlleitern (schema tisch);

Fig. 2B Lage der Feldwellenvektoren in den Hohlleitern von H₁₀-Wellen (Momentanbild);

Fig. 2C Polarisationsblende - prinzipielle Funktion;

Fig. 3 Polarisationsblende

Fig. 3A in Form einer Metallblende

Fig. 3B aus teilweise metallisiertem dielektrischem Substrat;

Fig. 4 Dopplersensor in koplanarer Technik (schema tisch, Draufsicht).

In den Fig. 1A und 1B ist die prinzipielle Anordnung der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt.

Zwischen den beiden Hohlleitern 2, 3 liegt vorzugsweise eine Polarisationsblende 1, innerhalb der die im Hohllei ter 2 beispielsweise vorgegebene Polarisationsebene der elektromagnetischen Welle derart gedreht wird, daß eine Fortführung dieser elektromagnetischen Welle im benachbar ten aber um die gemeinsame Hohlleiterachse Z gedrehten Hohlleiter 3 mit möglichst geringen Störmodeanregungen erfolgt.

In den Fig. 1C und 1D sind beispielsweise die elektrischen Feldwellenvektoren ξ₁, ξ₂ einer H₁₀-Welle für die beiden um den Winkel α gedreht zueinander liegenden Hohlleiter 2, 3 schematisch dargestellt.

Vorzugsweise ist dann erfindungsgemäß die durch die Pola risationsblende 1 verursachte Drehung ϕ der Polarisations ebene so zu wählen, daß eine entsprechend vorgegebene Transmission T des Signals vom einen Hohlleiter 2 zum anderen 3 möglich ist. Damit eine möglichst große Trans mission T sich ergibt, ist vorzugsweise der elektrische Vektor ξ des an der Polarisationsblende austretenden elektromagnetischen Signals so gewählt, daß er zwischen den beiden Feldwellenvektoren ξ₁, ξ₂ der beiden in den Hohlleitern 2, 3 auftretenden H₁₀-Wellen liegt.

In Fig. 2A ist der Fall einer mit der Polarisationsblende 1 B versehene Hohlleiterverbindung dargestellt, in der die Hohlleiter 2 A 3 A senkrecht zueinander stehen, d. h. die Hohlleiterbreite B und die Hohlleiterschmalseite H sind miteinander vertauscht. In einer solchen Hohlleiterkonfi guration ist jedoch die direkte Einkopplung der elektroma gnetischen Energie beispielsweise von H₁₀-Wellen vom Hohlleiter 2 A zum Hohlleiter 3 A ohne Polarisationsblende 1 B bekanntlich nicht möglich, da die elektrischen Feld wellenvektoren ξ₁, ξ₂ der H₁₀-Wellen in den beiden Hohl leitern 2 A, 3 A senkrecht zueinander stehen.

Um auch hier eine Einkopplung zu ermöglichen, wird vor zugsweise eine Polarisationsblende 1 B quer zum Signalweg, bzw. zur Hohlleiterlängsachse Z, wie in Fig. 2 gezeigt, zwischen die beiden Hohlleiter 2 A, 3 A eingefügt.

Vorzugsweise besteht die Polarisationsblende 1 B aus einer Metallfolie F, die so geformt ist, daß sie die eine Hälfte der Dreiecksfläche des rechteckigen Querschnitts des Hohlleiters 2 A einnimmt (siehe Fig. 2C und 3A).

Dadurch, daß die Kontur der Blende zu keiner der Seiten der beiden Hohlleiter 2 A, 3 A parallel verläuft, liegt der aus dem HF-Strom i in der schrägen Blendenkontur resultie rende magnetische Dipol ebenfalls entsprechend in den beiden Hohlleitern gemeinsamen Fläche, woraus sich Kompo nenten der elektrischen und magnetischen Feldstärke ablei ten lassen, welche in beiden Hohlleitern Wellen anregen (siehe Fig. 2C).

In Fig. 2C ist die Entstehung der Induzierung dieses HF- Stromes i aus dem momentan wirksamen elektrischen Feld ξ₁ der H₁₀-Welle innerhalb eines als Sekundärstrahler wirken den Elements in der schrägen Blendenkontur schematisch dargestellt.

Aus U = ∫ ξ₁ (s) ds entlang einer parallel zur Höhe des Hohlleiters 2 A verlaufenden Linie ergibt sich die dazuge hörige Spannungsdifferenz U(A) - U(B) = Δ U entlang der schräg zur Kante (Sekundärstrahler) der Rechteckhohlleiter 2 A, 3 A auftretenden Kontur, die die Ursache für den HF- Strom i in der Blendenkontur ist. Der parallel dazu lie gende elektrische Vektor besitzt eine für die Anregung der H₁₀-Welle im Hohlleiter 3 A notwendige Komponente. Dieser Anteil kann dann eine H₁₀-Welle mit dem Feldwellenvektor ξ₂ im Hohlleiter 3 A anregen (siehe Fig. 2B, 2C).

Da im offenen Bereich des Hohlleiters 2 A die elektromagne tische Welle die Richtung ihres Feldwellenvektors ξ₁ beibehält, kann dieser Anteil der Welle nicht in den um 90° gedrehten anderen Hohlleiter 3 A eingekoppelt werden.

Annähernd 50% der Gesamtenergie kann mit der erfindungsge mäßen Anordnung in die im Hohlleiter 3 A sich ausbreitenden Welle umgewandelt werden.

Die Stärke der Blende sollte möglichst kleiner sein als 1/10 der Wellenlänge λ in Luft, damit möglicherweise auftretende Phasengänge vernachlässigbar werden. Damit der Einsatz dieser erfindungsgemäßen Anordnungen sich auch für hohe Frequenzen »20 GHz eignet, wird vor zugsweise die Blende auf ein dielektrisches Substrat 1 C mit geringem Verlustfaktor in Form eines dünnen Metallbe lags M aufgebracht (siehe Fig. 3B). Das Substrat 1 C ist beispielsweise so groß gewählt, daß die Querschnittsflä che des einen Hohlleiters 2 A abgedeckt ist, mindestens aber so groß, daß der Metallbelag M eine dem vorgegebenen Transmissionsfaktor T entsprechende Substratfläche einneh men kann.

Vorzugsweise wird die gewünschte Blendenkontur und die Größe der Blendenfläche nach Maßgabe des gewünschten Transmissionsfaktors T beispeilsweise mittels bekannter Ätzverfahren erzeugt.

Damit im wesentlichen keine Störmodenanregung stattfinden kann, sowie durch das Substrat 1 C eine Einengung der Bandbreite verursacht wird, ist ein Substratmaterial mit geringer Dispersion sowie möglichst kleiner Dielektrizi tätskonstante einzusetzen, beispielsweise auf Quarz oder Materialien auf Teflon- oder Keramikbasis.

Fig. 4 zeigt eine praktische Anwendung der Erfindung, bei der die Impedanz-Anpassung an einen Verbraucher inner halb eines Dopplersensors in sehr einfacher Weise ohne Schwierigkeiten möglich ist und mit der mit Hilfe der gängigen Frästechnik Hohlleitersysteme in Kombination mit den in der mm-Wellentechnik bekannten Leitungsarten in Planar-Technik eine kostengünstige und raumsparende Her stellung gelingt.

Der Dopplersensor, bestehend aus einer Sende- und Emp fangseinheit, enthält einen Sendeoszillator mit Sende- bzw. Empfangsantenne Ao und einen Mischer 11.

Das Sendesignal S der Sendeeinheit wird vorzugsweise über einen in Hohlleitertechnik ausgebildeten Zirkulator 10 über die Antenne Ao abgestrahlt. Ein Teil des Sendesignals S des Sendeoszillators (in Fig. 4 ist der Oszillator nicht dargestellt) wird über die in den Hohlleiter 2 B eintau chende Empfangssonde A 1 an den Eingang eines Gegentakt mischers 11 gegeben.

Am anderen Eingang des Gegentaktmischers 11 liegt das über die Antenne Ao (Empfangsbetrieb) und Zirkulator 10 im Hohlleiter 4 A zugeführte Eingangssignal.

Der Mischer 11, bevorzugt ein Gegentaktmischer in koplana rer Technik, ist quer im Hohlleiter 4 A integriert. Um die Signalleistung vom Hohlleiter 2 B in den anderen bevorzugt den Zirkulator 10 enthaltenden Hohlleiter 3 B, der um 90° dazu gedreht angeordnet ist, einkoppeln zu können, wird vorzugsweise eine Polarisationsblende 1 C zwischen diesen beiden Hohlleitern 2 B, 3 B eingefügt.

Die in den einen Hohlleitern 2 B eintauchende Empfangssonde A 1 ist vorzugsweise in einem solchen Abstand 1 anzuordnen, daß die von der Polarisationsblende 1 C reflektierte Lei stung zur Kompensation der am Ort des Verbrauchers (Emp fangssonde A 1) auftretenden Blindleistung dient.

Von dieser um 90° gedrehten Rechteckhohlleiter-Anordnung (2 B, 3 B) kann gleichzeitig zum einen sehr einfach über eine auf einem dielektrischen Substrat aufgebauten Emp fangssonde A 1 ein Teil der Leistung für die Mischung ohne Impedanzprobleme aus dem Hohlleiter 2 B entnommen werden und zum anderen der andere Leistungsteil über die Polari sationsblende 1 C in den anderen um 90° um die Hohlleiter achse Z gedrehten Hohlleiter 3 B mit dem darin integrierten Zirkulator 10 beispielsweise eingekoppelt werden.

In Fig. 4 ist diese Anordnung in Draufsicht dargestellt.

Vom Sendeoszillator (nur angedeutet) wird innerhalb des Hohlleiters 2 B mit der Höhe H (liegt in der Ebene) eine H₁₀-Welle in Richtung der Hohlleiterachse Z fortgeleitet. Innerhalb der gemeinsamen Kontaktfläche der Hohlleiter 2 B, 3 B liegt die erfindungsgemäße Polarisationsblende 1 C, die die Polarisationsebene der elektromagnetischen Wellen im einen Hohlleiter 2 B (in der Figur ist der elektrische Feldwellenvektor ξ₁ für den Hohlleiter 2 B eingezeichnet) dreht und dadurch die Einkopplung eines gewissen Energie anteils der elektromagnetischen Welle mit dem Vektor ξ₁ in den anderen um 90° gedrehten Hohlleiter 3 B möglich macht (elektrischer Feldwellenvektor der im Hohlleiter 3 B sich ausbreitenden H₁₀-Welle mit ξ₂ gekennzeichnet).

Gleichzeitig taucht eine vorzugsweise in Planar-Technik aufgebaute Empfangssonde A 1 in den Hohlleiter 2 B ein, die vorzugsweise in einem Abstand 1 zur Polarisationsblende 1 C angeordnet ist, die ungefähr einem Viertel der Betriebs wellenlänge im Hohlleiter entspricht.

Der Anteil des im anderen Hohlleiter 3 B sich fortpflanzen den Signals wird über den Zirkulator 10 einem Verbraucher, beispielsweise der Antenne Ao (Sendebetrieb), zugeführt.

Die über diese Antenne Ao empfangenen Echosignale werden über den Zirkulator 10 dann vorzugsweise innerhalb eines Hohlleiters 4 A ebenfalls dem Mischer 11 zugeführt.

Vorzugsweise ist der Mischer 11 auf einem dielektrischen Substrat in Koplanar-Technik als Gegentaktmischer 11 ausgeführt.

Der Gegentakt-Mischer liegt in einer Querschnittsebene des Hohlleiters 4 A, so daß die elektrische Feldwellenvektoren ξ₃ beispielsweise der H₁₀-Wellen parallel zur Substrat- Oberfläche und zur Längsrichtung der Mischerdioden liegen.

Das ZF-Signal ZF vom Sende und Echosignal kann dann über die auf einem dielektrischen Substrat 12 aufgebrachte Streifenleitung 13, vorzugsweise am gegenüberliegenden Ende der Empfangssonde A 1, abgegriffen werden.

Obwohl in einer solchen schematisch angedeuteten Sende- Empfangseinheit (siehe Fig. 4) eine 90°-Drehung der Pola risationsebene notwendig ist, ist mit Hilfe der erfin dungsgemäßen Anordnung und eine technisch einfache Lösung möglich.

Claims

1. Anordnung zur Drehung der Polarisationsebene von innerhalb von Hohlleitern sich ausbreitenden elektromagne tischen Wellen, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Polarisationsblende (1) zwischen zwei um einen vorgegebenen Winkel α um ihre gemeinsame Hohl leiterachse (Z) gedrehten rechteckigen Hohlleitern (2, 3) eingefügt ist,
- daß die Polarisationsblende (1) zwischen den End flächen der beiden Hohlleitern (2, 3) quer zur Hohl leiterachse (Z) liegt,
- daß die Polarisationsblende (1) die Polarisationsebe ne eines vorgegebenen Leistungsanteils der im einen Hohlleiter (2) in Z-Richtung sich ausbreitenden Welle um einen vorgegebenen Winkelwert ϕ dreht,
- daß die Öffnung der Polarisationsblende (1) nach Maßgabe des Transmissionsfaktors T der vom einen Hohlleiter (2) zum anderen Hohlleiter (3) sich ausbreiten den Welle gewählt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Polarisationsblende (1) in Abhängigkeit der gewünschten Drehung ϕ der Polarisationsebene der ein fallenden elektromagnetischen Welle gewählt ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsblende (1) eine gegenüber der in Luft auftretenden Wellenlänge wesentlich kleinere Dicke (d) besitzt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsblende (1) in Form einer metallischen Blende (1 B) ausgebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsblende (1, 1 B) in Form eines dielektrischen einseitig oder beidseitig mit einem Metallbelag (M) versehenen Substrats (1 C) realisiert ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1 C) zumindest für den Betriebsfrequenzbe reich im wesentlichen einen vernachlässigbaren Verlustfak tor besitzt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat (1 C) der Polarisationsblende (1, 1 B) die gesamte von beiden Hohl leitern (2, 3) gemeinsame Fläche einnimmt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur 90°-Drehung der Polarisationsebene der elektromagnetischen Wellen zwischen zwei um 90° zur gemeinsamen Hohlleiterachse (Z) gedrehte rechteckige Hohlleiter (2 A, 3 A) die Polarisationsblende (1, 1 B) einge fügt ist,
daß die die elektromagnetische Welle beeinflussende Kontur des Metallbelags (M) nach Maßgabe des Transmissionsfaktors T des von einem Hohlleiter (2 A) zum anderen Hohlleiter (3 A) oder umgekehrt überführten Leistung gewählt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur des aufgebrachten Metallbelags (M) durch die eine Diagonale der Querschnittsfläche des Hohlleiters (2 A) sowie der Breit- und Höhenseite (B, H) dieses Hohl leiters (2 A) vorgegeben ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht zu den Hohlleiterseiten parallele Teil der Kontur des Metallbelages (M) mit der Breite (B) des einen Hohlleiters (2 A) einen nach Maßgabe des Transmissionsfak tors T der von dem einen Hohlleiter (2 A) zum anderen Hohlleiter (3 A) überführten Leistung gewählten Winkel ϕ einnimmt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsblende (1 C) in einer Sende-Empfangseinheit, die einen koplanaren Mischer (11), Zirkulator (10) und eine Sende- bzw. Empfangsantenne (Ao) enthält, integriert ist,
daß vor der Polarisationsblende (1 C) in einem vorgegebenen Abstand 1 eine Empfangssonde (A 1) in einen rechteckigen Hohlleiter (2 B) eingefügt ist,
daß nach der Polarisationsblende (1 C) sich ein anderer um 90° zur gemeinsamen Hohlleiterachse (Z) gedrehter Hohl leiter (3 B) anschließt,
daß über den Zirkulator (10) die weitere Fortleitung der im anderen Hohlleiter (3 B) sich ausbreitenden Welle er folgt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssonde (A 1) in planarer Technik ausgebildet ist und mit dem koplanaren Mischer (11) elektrisch ver bunden ist, und daß die weitere am Ausgang des Zirkulators (10) angeordne te Sende- bzw. Empfangsantenne (Ao) das Empfangssignal über den Zirkulator (10) dem Mischer (11) zuführt.