DE1023097B - Anordnung zur Umwandlung einer elliptisch polarisierten Welle hoher Frequenz in einem Hohlleiter in eine linear polarisierte Welle - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Hohlleiter zum Übertragen polarisierter elektromagnetischer Wellen hoher Frequenz.

Elektromagnetische cm- und mm-Wellen mit linearer Polarisation finden üblicherweise in Mikrowellensystemen Verwendung, und häufig wird ein metallisches Hohlleitersystem benutzt zum Fortleiten der Wellen, das aus einem· symmetrischen Leiter besteht, der mit einem rechteckigen Leiter gekoppelt ist, der eine polarisierte Eingangs- oder Ausgangseinrichtung darstellt (der Ausdruck »symmetrischer Leiter« bedeutet hier einen Leiter mit kreisförmigem, quadratischem oder anderem Querschnitt, der Wellen der gleichen Frequenz führen kann, die in mehr als einer Ebene polarisiert sind). Häufig muß auch ein symmetrischer Leiter mit einem Längsschlitz oder einem Seitenzweig od. dgl. zum Abtrennen von in einer bestimmten Ebene polarisierten Wellen versehen werden. In solchen Fällen ist es vielfach wichtig, daß die Wellen genau linear polarisiert sind, d. h., daß sie frei von »Elliptizität« oder Komponenten sind, die räumlich um, 90° gegenüber der Komponente in der gewünschten Ebene verschoben sind; dies ist nicht nur deshalb vorteilhaft, um eine maximale Abtrennung von Energie in einem gewünschten Kanal zu erzielen, sondern auch um den Abfluß von Energie zu einem unerwünschten Kanal auf ein Mindestmaß zu beschränken, der sonst infolge der Elliptizität erfolgen könnte.

Eine elliptisch polarisierte Welle kann dadurch in eine linear polarisierte Welle umgewandelt werden, daß die Energie der ungewünschten Komponente absorbiert wird, aber es verdient den Vorzug, wenn möglich, die ungewünschte Komponente in der Phase zu verschieben, so daß sie gleichphasig mit der gewünschten Komponente wird. Dies kann mit Hilfe von phasenverschiebenden reaktiven Mitteln erfolgen, die beispielsweise in Form von diametralen Platten oder Stäben im Leiter gestaltet sind. Selbstverständlich führt ein Phasenverschiebungsglied nur eine richtige Phasenverschiebung für eine einzige Frequenz durch, obgleich es für andere Frequenzen eine Verbesserung herbeiführen kann. Deshalb· können derartige Phasenverschiebungsverfahren nur bei Systemen mit verhältnismäßig engen Bändern oder einem einzigen Kanal zur Anwendung kommen, beispielsweise bei Radarsystemen; andererseits sind diese Verfahren ideal in den Fällen, daß ein sehr stabiler Oszillator erforderlich ist und infolgedessen eine gute Isolierung in bezug auf Belastungsänderungen notwendig ist.

Zum Korrigieren von Elliptizität können solche Phasenverschiebungsmittel senkrecht zur gewünschten Ebene angeordnet werden, aber dies hat den Anordnung zur Umwandlung

einer elliptisch polarisierten Welle

hoher Frequenz in einem Hohlleiter

in eine linear polarisierte Welle

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 8. August 1955

Frederick Warren Smith, London,
ist als Erfinder genannt worden

Nachteil, daß Beseitigung der Elliptizität eine Drehung der Vorzugsebene der Welle zur Folge hat. Dies ist lästig bei Vorrichtungen wie Zirkulatoren oder Gyratoren, die Faraday-Drehung benutzen, denn solche Vorrichtungen müssen gegebenenfalls mehrmals nachgestellt werden, um eine Welle zu erzielen, die genau in einer gewünschten Ebene polarisiert ist.

Wenn dabei die Elliptizität korrigiert werden, muß, wird die Einstellung gestört und müssen die vorhergehenden Regelungen geändert werden, und dies kann seinerseits wieder Elliptizität einführen.

Ein Beispiel dieser Schwierigkeit wird nachstehend an Hand der Fig. 1 und 2 der schematischen Zeichnung näher erläutert, in denen an Hand der Vektoren A und B das bekannteste Verfahren zum Zerlegen einer elliptisch polarisierten Welle in zwei virtuelle Komponenten dargestellt ist. Bei diesem Verfahren werden die virtuellen Komponenten A und B so gewählt, daß sie räumlich einen rechten Winkel einschließen, verschiedene Amplitude besitzen und zeitlich durch einen Phasenunterschied von 90° voneinander getrennt sind (letzteres wird in der Zeichnung durch die Bezeichnungen Θ — 0 und Θ = 90° dargestellt). Infolgedessen stellt es sich heraus-, daß diese Komponenten mit der Hauptachse und der Nebenachse der Ellipse zusammenfallen. Unter diesen Umständen kann die Phase der Komponente B um

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90° verschoben werden, so daß sie gleichphasig mit nenten D und E' eine linear polarisierte Welle in

der Komponente A wird, wodurch eine lineare Polari- einer die ursprüngliche Hauptachse der Ellipse ent-

sation erhalten wird. Dies wird in Fig¹. 2 durch einen haltenden Ebene, und eine derartige Welle wird in

neuen Vektor B' (Θ = 0) dargestellt. Dabei ergibt Fig. 4 als ein Vektor F dargestellt. Diese Korrektion sich jedoch eine lineare Polarisation in der Ebene 5 kann erfindungsgemäß mit Hilfe von einem oder

des resultierenden Vektors C, der einen Winkel Φ mehreren reaktiven Phasen verschiebungsgliedern P

mit der Hauptachse der ursprünglichen Ellipse ein- und P' (Fig. 3) durchgeführt werden, die einen

schließt. Winkel von 45^U mit der Hauptachse bilden. Das

Die Erfindung bezweckt, verbesserte Mittel zum Maß der gewünschten Korrektion ist in der Praxis

Ausgleich der Elliptizität in der Polarisation eines io klein im Verhältnis zu dem Verfahren der Fig. 1

Hohlleiters zu schaffen, ohne die Achsen der ent- und 2. da im letzteren Fall die Phasenabweichung

sprechenden Ellipse zu drehen. stets 90° ist, wie gering die Elliptizität auch sein

Bei einer Anordnung zur Umwandlung einer ellip- mag, während in den Fig. 3 und 4 die Phasenabtisch polarisierten elektromagnetischen Welle hoher weichung χ von dem Wert der Elliptizität abhängig Frequenz in einem Hohlleiter in eine linear polari- 15 'St, d. h., daß sie in manchen praktischen Fällen sierte Welle, die aus einem symmetrischen Leiter und etwa von der Größenordnung von wenigen Graden ist zugehörigen Reaktanzmitteln besteht, die sich in einer oder sogar nur einen Bruchteil eines Grades beträgt. Ebene durch die Längsachse des Leiters erstrecken. Angenommen, daß die dargestellten Vektoren in übschließt erfindungsgemäß die Hauptachse der ent- lieber Weise die elektrischen Vektoren der elektrosprechenden Ellipse einen Winkel von etwa 45° mit 20 magnetischen Welle im Hohlleiter sind, wobei der der erwähnten Ebene dieser Reaktanzmittel ein. Vektor E in der Phase gegenüber dem Vektor D vor-

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Er- eilt (d. h.. daß χ positiv ist), so kann eine Korrektion

findung ist der symmetrische Leiter mit einem recht- mittels eines induktiven Elementes P'. das den

eckigen Leiter gekoppelt, und die Reaktanzmittel Vektor E beeinflußt, oder mittels eines kapazitiven

liegen in einer Ebene, die durch die Längsachse des 25 Elementes P, das den Vektor D beeinflußt, oder durch

symmetrischen Leiters geht und einen Winkel von Korrektion an beiden Stellen durchgeführt werden.

45° mit der Hauptachse und Nebenachse des Quer- Wenn χ negativ ist, sind umgekehrte Reaktanzen er-

schnittes des erwähnten rechteckigen Leiters ein- forderlich,

schließt. Diese phasenverschiebende Korrektion erfolgt vor-

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungs- 30 zugsweise mit Hilfe eines diametralen, stabförmigen,

form der Erfindung sind Zweigkopplungsmittel elektrisch leitenden Eintauchgliedes bei P oder P',

vorhanden, z. B. eine Öffnung oder eine Sonde, wobei die in den Hohlleiter hineinragende Länge des

deren Achse in einer Ebene durch die Längsachse Eintauchgliedes bestimmt, ob eine positive oder nega-

liegt, und die Reaktanzmittel liegen in einer Ebene, tive Reaktanz erzeugt wird und welchen Wert sie hat.

die einen Winkel von etwa 45° mit der erwähnten 35 Es können jedoch auch andere reaktive Mittel Ver-

Ebene der Zweigkopplungsmittel einschließt. Wendung finden. Es kann beispielsweise eine leitende

Die Erfindung gründet sich auf die Tatsache, daß oder dielektrische Trennwand zum Erzeugen reakein anderes und weniger gut bekanntes Verfahren tiver Effekte beider Polaritäten Anwendung finden, zum Zerlegen einer Ellipse benutzt werden kann, bei oder man kann eine \~ertiefung oder einen Längsdem die beiden virtuellen Komponenten so gewählt 40 schlitz in der Wand des Leiters verwenden. Auch sind, daß sie zwar auch räumlich senkrecht auf- kann gemäß einer abgeänderten Ausführungsform der einander stehen, aber die gleiche Amplitude aufweisen Erfindung der symmetrische Leiter auf an sich be- und zeitlich durch einen Phasenwinkel 0 voneinander kannte Weise biegsame Wände aufweisen, wobei getrennt sind, der in einer gewissen Beziehung zur äußere Mittel zum Verformen dieser Wände vorge-Elliptizität steht. Bei diesem Zerlegungsverfahren 45 sehen sind, so daß ein kreisförmiger Leiter an. einer stellt sich heraus, daß die zwei Komponenten je bestimmten Stelle einen elliptischen oder ovalen Querräumlich einen Winkel von 45° mit den beiden schnitt erhalten kann, dessen Achsen einen Winkel Achsen der Ellipse einschließen. Da jede Ellipse so von nahezu 45^C mit der gewünschten Polarisationsdargestellt werden kann, bei geeigneten Werten der el>ene einschließen.

Phasendifferenz 0, ergibt sich die Folgerung, daß 50 Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung der Phasenwinkel einer oder beider Komponenten wird nachstehend an Hand der Fig. 5 und 6 näher ergeändert werden kann, ohne daß die Orientierung der läutert, in denen ein Zirkulator mit vier Zweigen und Achsen der Ellipse verschoben wird. Durch dieses einem aus Ferrit bestehenden Faraday-Drehelement Verfahren kann die Elliptizität auf den extremen dargestellt ist, wobei Fig. 5 ein Axialschnitt und Fall zurückgeführt werden, daß die Welle in einer 55 Fig. 6 eine Draufsicht auf das Ausgangsende ist.
die ursprüngliche Hauptachse enthaltenden Ebene Der dargestellte Zirkulator besteht aus einem kreislinear polarisiert ist. förmigen zweiteiligen Leiter 1. der aus zwei zylin-

Dies wird in. den Fig. 3 und 4 näher erläutert. drischen Teilen zusammengesetzt ist. die in der Mitte Fig. 3 zeigt eine Ellipse, die in zwei Vektorkompo- der Vorrichtung aneinander anliegen. Ein irisförmiger nenten D und E gleicher Amplitude zerlegt ist, die 60 Übergang 2. dessen Hauptachse senkrecht verläuft, beiderseits der Hauptachse der Ellipse liegen und bildet einen Eingang zum Anschluß an einen rechteinen Winkel von 45°mit dieser Achse einschließen. eckigen Leiter, und ein zweiter irisförmiger ÜberWenn der Vektor D als Bezugswert genommen wird. gang 3 bildet einen Ausgang und kann an einen rechtwie dies durch die Bezeichnung 0=0 dargestellt wird, eckigen Ausgangsleiter angeschlossen werden, dessen kann die Elliptizität durch die Bezeichnung 65 Hauptachse einen Winkel von 45° mit dem Eingangs-0 = + χ in bezug auf den Vektor E ausgedrückt leiter einschließt. Ein erster Seitenzweig 5, der als werden. Es braucht nur die Komponente E in der ein Anschluß des Systems dient, ist in der Nähe des Phase in der geeigneten Richtung verschoben zu Überganges 2 derart angebracht, daß er in der Ebene werden, so daß χ auf Null reduziert wird. Wenn von dessen Hauptachse liegt. Der andere Seitenzweig, dies erfolgt ist, wird die Resultierende der Kompo- 70 der auch als Anschluß dient, ist bei 6 angegelven und

liegt in der gleichen Ebene wie die Hauptachse des Ausgangsüberganges 3 nahe bei diesem Übergang.

Ein beiderseitig kegelförmiger Ferritrotator 8 mit kreisförmigem Querschnitt ist koaxial im Leiter 1 angebracht und wird von zwei Scheidewänden 9 aus Isoliermaterial, z. B. Schaumpolythen, abgestützt. Diese Scheidewände sind in einer Metallbuchse 10 angeordnet, die axial zwischen zwei Schultern auf den beiden Hälften des Leiters 1 durch eine Reihe von auf dem Umfang von angebrachten Spannschlossern 12 festgeklemmt ist.

Für den Betrieb mit verhältnismäßig hohen Leistungswerten sind Mittel zum Kühlen des Ferritelementes 8 vorgesehen, die unter anderem eine Zuführöffnung 13 und Abfuhr öffnungen 14 enthalten, durch die ein Kühlmittel, beispielsweise Preßluft, umlaufen kann. In den Trägern 9 sind drei Nuten 15 um den Rotator 8 herum vorgesehen, so daß das Kühlmittel von der einen zur anderen Seite der Träger fließen kann. Um das Kühlmittel zu beschränken, sind Scheiben 11 aus Glimmer oder einem anderen dielektrischen Material bei jedem Ende des Ferritrotators angebracht, z. B. in der dargestellten Weise, indem die Scheiben zwischen den Enden der Buchse 10 und den entsprechenden Schaltern der beiden Teile des Leiters 1 geklemmt sind.

Das Magnetfeld wird durch den Leiter 1 umgebenden Spulen 16 und 17 erzeugt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei reaktive Phaseiiversehiebungsglieder 18 und 19, die kurz genug sind, um kapazitiv zu sein, für experimentelle Zwecke unter einem Winkel von 90° zueinander \-orgesehen, obgleich, wie es einleuchtend sein dürfte, nur eins dieser Glieder erforderlich ist, wenn die Phase der ungewünschten Polarisationskomponente bekannt ist. Beide Glieder sind hier zylindrische Eintauchglieder, die durch kreisförmige Öffnungen in der Wand des Leiters 1 hindurchgeführt sind, und jedes Eintauchglied kanu durch Schrauben, die eine Verlängerung des Eintauchgliedes bilden, von außen hereingestellt werden. Die beiden Glieder 18 und 19 liegen in einer gemeinsamen Ebene zwischen einem Ende des Ferritrotators 8 und dem zweiten Seitenzweig 6.

Die dargestellte Ausführungsform eignet sich zum Betrieb in dem X-Frequenzband. Weil es sich um einen Zirkulator handelt, kann die Vorrichtung auch als Isolator'benutzt werden; wenn die Zweige 5 und 6 mit ihren Wellenwiderständen abgeschlossen sind, wirkt die Vorrichtung als ein Isolator zwischen ihren Enden 2 und 3. Obgleich zwei Phasenverschiebungsglieder 18 und 19 in einer Querebene zwischen dem Zweig 6 und dem Ferritrotator dargestellt sind, kann ein einziges Phasenverschiebungsglied entweder zwischen dem Zweig 5 und dem Rotator oder zwischen dem Rotator und dem Zweig 6 vorgesehen sein, und seine Orientierung (unter einem Winkel von 45° auf der einen oder anderen Seite des benachbarten Zweigs 5 oder 6) würde vom der Drehrichtung der ungewünschten Ellipse und. von der Tatsache abhängig sein, ob das Phasenverschiebungsglied eine Phasenvoreilung oder Phasennacheilung in bezug auf die Poilarisationskotnponente in seiner Ebene einführen würde. Die Tatsache, daß das Phasenverschiebungsglied oder Gliederpaar entweder auf der einen oder auf der anderen. Seite des Ferritrotators angeordnet sein kann, ist vorteilhaft und geht aus der folgenden Erwägung hervor. Bei einem Faraday-Rotator, der (wie üblich bei Zirkulatoren und Isolatoren) eine Drehung um 45° herbeiführt, ist, da die Elliptizität durch differentielle Dämpfung der zwei kreisförmig polarisierten Komponenten einer linear polarisierten Welle herbeigeführt wird, eine an einem Ende des Rotators durchgeführte Korrektion von gleicher Wirksamkeit für beide Übertragungsrichtungen, Während die Elliptizität in der einen Richtung unmittelbar auf den Wert 0 herabgesetzt wird, führen in der anderen Richtung die reaktiven Mittel eine Elliptizität ein, die gleich und entgegengesetzt derjenigen ist, die durch den Rotator herbeigeführt wird, so daß sie sich aufheben.

Die Erfindung ist in bezug auf nicht reziproke Vorrichtungen mit gyromagnetischen Gliedern beschrieben worden. Sie kann auch bei reziproken Vorrichtungen mit derartigen Gliedern angewandt werden. Auch kann die Erfindung bei gyromagnetischen Gliedern Anwendung finden, die andere Prinzipien als dasjenige der Faraday-Drehung verwenden, das ein axiales polarisierendes Magnetfeld verwendet. Es können z. B. polarisierende Ouermagnetfelder Anwendung finden zum Erzielen gyromagnetischer Effekte. In diese letztere Kategorie fallen die Cotton-Mouton-Effelrte, die reziproke Doppelbrechung zur Folge haben. Auch resonante und nicht resonante Querfeldeffekte sind mit eingeschlossen, die bei nicht reziproken Vorrichtungen der Gyrator- und Zirkulatorart Anwendung finden können. Eine weitere Ausbildung eines gyromagnetischen Gliedes führt nicht reziproke Doppelbrechung herbei, und obgleich es sich stark von. dem Faraday-Drehungsglied unterscheidet, kann es für den gleichen Zweck Anwendung finden. Bei all diesen anderen Vorrichtungen kann das Auftreten unerwünschter elliptischer Polarisation dadurch überwunden werden, daß Reaktanzmittel gemäß der Erfindung vorgesehen werden.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Umwandlung einer elliptisch polarisierten elektromagnetischen Welle hoher Frequenz in einem Hohlleiter in eine linear polarisierte Welle, die aus einem symmetrischen Leiter und Reaktanzmitteln besteht, die sich in einer Ebene durch seine Längsachse erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Ebene der Reaktanzmittel mit der Hauptachse der entsprechenden Ellipse einen Winkel von etwa 45° einschließt. (Ein symmetrischer Leiter ist ein Hohlleiter, der Wellen der gleichen Frequenz führen kann, die in mehr als einer Ebene polarisiert sind.)

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der symmetrische Leiter mit einem rechteckigen Leiter gekoppelt ist und' die Reaktanzmittel einen W^Tinkel von etwa 45° mit der Hauptachse und Nebenachse des Querschnittes dieses rechteckigen Leiters einschließen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zweigkopplungsmittel vorhanden sind, wie eine Öffnung oder eine Sonde, deren Achse in einer Ebene durch die Längsachse liegt, und daß die Reaktanzmittel einen Winkel von etwa 45° mit der' erwähnten Ebene der Zweigkopplungsmittel einschließen.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem gyromagnetischen Glied zum Beeinflussen der Übertragung der Wellen.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen. Zirkulator oder Isolator bildet und aus dem symmetrischen Leiter, Eingangs- und Ausgangsanschlüssen für diesen

Leiter, einem Faraday-Rotator zum Drehen der Welle um einen Winkel von etwa 45°, der koaxial innerhalb dieses Leiters in der Übertragungsstrecke der Welle zwischen den erwähnten Eingangs- und Ausgangsanschlüssen angebracht ist, und den Reaktanzmitteln, besteht, die zwischen einem Ende des Rotators und einem benachbarten Anschluß in einer Ebene durch die Längsachse des Leiters und unter ,einem. Winkel von etwa 45° zu diesem letzteren Anschluß angeordnet sind.

6. Hohlleiteranordnung nach einem der νοτ-stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanzmittel aus einem stabförmigen elektrischleitenden Eintauchglied bestehen, das in radialer Richtung angebracht ist.

7. Hohlleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Reaktanz Mittel vorgesehen sind zum Verformen des Querschnittes eines bestimmten Teiles des symmetrischen Leiters.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen