Orthomode Transducer

Ein Orthomode Transducer (OMT) ist ein Bauelement der Mikrowellentechnik, welches in Sende- und Empfangsanlagen von Richtfunk- und Satellitenempfangsanlagen verwendet wird um mehr Informationen in einem begrenzten Frequenzbereich übertragen zu können. Die ungebräuchliche deutsche Übersetzung ist Orthomodenkoppler.   Der Begriff setzt sich aus den folgenden Teilen zusammen:

• orthogonal: senkrecht (im Sinne von rechtwinklig)
• Mode: Ausbildungsform der Welle, siehe auch Moden in Rechteck-Hohlleitern
• Transducer: englisch für Umsetzer oder Strahler

Ein OMT ist eine Polarisationsweiche für orthogonal polarisierte elektromagnetische Wellen. Er dient zur Trennung bzw. Vereinigung von zwei Wellen mit linearer Polarisation, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander stehen. So werden zwei verschiedene Signale auf Trägerwellen gleicher Frequenz, aber unterschiedlicher Polarisation aufmoduliert und als Überlagerung über denselben Nachrichtenkanal übertragen. In der Sendeeinheit dient der OMT dabei der Überlagerung der beiden Wellen, in der Empfangseinheit zur Trennung. OMT in Sende- und Empfangseinheit sind dabei im einfachsten Fall identisch.

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Grundlagen

Bedeutung / Anwendung von Polarisationsweichen

Aus der modernen Telekommunikation sind Nachrichtensatelliten nicht mehr wegzudenken. Neben Fernseh- und Rundfunkprogrammen werden zunehmend auch Dienste der multimedialen Welt satellitengestützt übertragen. Die leitungsgebundenen Übertragungssysteme werden so nicht nur effektiv ergänzt, sondern es wird auch umfangreiche Fernübertragung ermöglicht. Neben den Telekommunikationssatelliten gewinnen die Navigationssatelliten an Bedeutung. Die Möglichkeiten, die die exakte Postitionsbestimmung eröffnet, sind vielfältig und reichen von der Navigation privater PKW über den Einsatz bei polizeilichen Organisationen bis hin zur militärischen Überwachung.

Satelliten übernehmen immer mehr und immer vielfältigere Aufgaben. Der Datenverkehr, der permanent zwischen Erdoberfläche und verschiedenen Satelliten stattfindet, wird auch in Zukunft weiter zunehmen.

Der resultierende Bedarf an Übertragungskapazität kann nicht beliebig durch zusätzliche Satelliten bzw. eine größere Anzahl an Antennensystemen auf einem Satelliten gedeckt werden. Zum einen sind der Bau und die Positionierung von Satelliten in der Umlaufbahn sehr teuer. Zum anderen ist der Frequenzbereich, der für den Datenfluss zur Verfügung steht, begrenzt und bereits weitgehend ausgelastet.

Eine Möglichkeit, die Übertragungskapazität ohne eine Vergrößerung der Bandbreite zu erhöhen, ist die Mehrfachnutzung von Frequenzen. Der OMT ist ein integraler Bestandteil von Antennensystemen, bei denen Frequenzen mehrfach belegt werden sollen.

Die Satellitentechnik macht sich die Tatsache zunutze, dass elektromagnetische Wellen mit verschiedenen Polarisationsrichtungen eindeutig voneinander unterschieden werden können. Außerdem lassen sich Wellen verschiedener Polarisationsrichtungen eindeutig voneinander trennen. So können zwei Signale bei gleicher Frequenz in zwei entkoppelten Wellen übertragen werden. In Hohlleitern mit rechteckigem Querschnitt wird mit linear polarisierten Wellen gearbeitet, während in Hohlleitern mit rundem oder elliptischen Querschnitt auch zirkular polarisierte Wellen vorliegen können.

Polarisation

Betrachtet wird eine elektromagnetische Freiraumwelle im dreidimensionalen kartesischen Raum. Ausbreitungsrichtung sei die z Richtung.

Die Polarisation wird entsprechend der Ausrichtung der Feldstärke des elektrischen Felds bestimmt. Von linearer Polarisation wird gesprochen, wenn die Vektorspitze des elektrischen Feldes wie in der Abbildung auf einer Ebene senkrecht zur z-Achse schwingt.

Bekanntlich existieren beliebig viele, auf der z-Achse senkrecht stehende Ebenen. Es existieren demnach auch beliebig viele lineare Polarisationsrichtungen für eine Ausbreitungsrichtung. Die verschiedenen Polarisationsrichtungen sind dabei um einen beliebigen Winkel α verschoben.

In technischen Anwendungen haben im Allgemeinen nur zueinander senkrecht stehende Polarisationsrichtungen Bedeutung. Für eine Entkopplung der unabhängigen Signale ist dieser Sonderfall notwendig. Dementsprechend kann ein Koordinatensystem gewählt werden, in dem eine Polarisationsrichtung unter dem Winkel 0° liegt, die andere unter dem Winkel 90°. Man spricht von orthogonal polarisierten Wellen.

Die unter einem Winkel von 0° liegende Polarisationsrichtung bezeichnet man als vertikale Polarisation, die um 90° gedrehte Polarisationsrichtung als horizontale Polarisationsrichtung.

Wellenausbreitung im Hohlleiter

Hohlleiter

Hohlleiter sind Wellenleiter. Sie bestehen aus einem metallischen, im Idealfall beliebig gut leitfähigen Metallgehäuse, das von einem Dielektrikum, üblicherweise Atmosphäre (Luft), gefüllt ist. Für Satellitenanwendungen wird als Dielektrikum das Vakuum betrachtet. In einem Hohlleiter können sich elektromagnetische Wellen ausbreiten.

Allgemein sind diese elektromagnetischen Wellen als Überlagerung schräg einfallender, fortlaufend an den Wänden des Hohlleiters reflektierter linear polarisierter Freiraumwellen vorstellbar. Die Feldverteilung im Hohlleiter ergibt sich aus der Berechnung der Wellengleichungen unter Berücksichtigung der Randbedingungen an den metallischen Wänden. So hat das elektrische Feld nur senkrechte Komponenten auf der metallischen Oberfläche, das magnetische nur tangentiale. Während Wellen im freien Raum nur Feldkomponenten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung besitzen, zeichnen sich Wellen im geschlossenen Raum durch Feldkomponenten senkrecht und längs zur Ausbreitungsrichtung aus.

Moden

Die Lösung der Wellengleichungen ist nicht eindeutig. In einem Hohlleiter führt eine elektromagnetische Welle fester Frequenz zur Ausprägung unterschiedlicher Wellenbilder. Ein Wellenbild beschreibt die Verteilung von elektrischer und magnetischer Feldstärke in den drei Raumrichtungen innerhalb des Hohlleiters. Diese verschiedenen Wellenbilder bezeichnet man als Moden der elektromagnetischen Welle. Moden werden allgemein mit X_nm bezeichnet. Die drei Platzhalter entsprechen drei Kriterien für das Wellenbild. Als Breite eines Rechteckhohlleiters wird die längere Kantenlänge bezeichnet. Die zweite Kantenlänge heißt Höhe des Hohlleiters.

E-/H-Moden

Elektrisches und magnetisches Feld stehen bei elektromagnetischen Wellen immer senkrecht aufeinander. Damit die Welle sich in einer Raumrichtung fortpflanzen kann, müssen Wellenkomponenten in diese Raumrichtung existieren. Zeigt das elektrische Feld in Ausbreitungsrichtung, spricht man von E Moden. Zeigt das magnetische Feld in Ausbreitungsrichtung, spricht man von H Moden. Die Abbildung zeigt einen Längsschnitt durch einen Hohlleiter (z-Richtung).

Die Feldlinien des elektrischen Feldes stehen immer senkrecht auf dem Außenleiter und verlaufen von einer Wandseite zur anderen. Je nachdem, wie viele Maxima der Feldverlauf über die gesamte Breite des Hohlleiters aufweist, erhält die Modenbezeichnung ihren ersten Index. Die Breite eines Hohlleiters wird mit a bezeichnet. Bei einem Maximum, der Mindestanzahl für die elektrische Feldverteilung, spricht man also von einer H_1m- bzw. E_1m Welle.

Analog bezeichnet die Anzahl an Maxima im Feldverlauf des elektrischen Felds über die gesamte Höhe des Hohlleiters den zweiten Index. Die Höhe eines Hohlleiters wird mit b bezeichnet. Die Feldstärke kann über die gesamte Hohlleiterhöhe konstant bleiben (es muss also kein Maximum geben), man spricht dann von einer H_n0 bzw. E_n0 Welle.

Die Feldlinien des magnetischen Feldes verlaufen immer parallel zur Außenwand und sind in sich geschlossen. Die Feldverteilung des magnetischen Felds ergibt sich aus der des elektrischen Felds.

Hohlleiterwellenlänge und Grenzfrequenz

Während der Abstand der Maxima der Feldverteilung in x- bzw. y-Richtung von der Freiraumwellenlänge der Welle abhängt, ist für den Abstand der Maxima in z-Richtung, also in Ausbreitungsrichtung, die Hohlleiterwellenlänge entscheidend.

Die Hohlleiterwellenlänge λ_H,nm ist gemäß der Gleichung von der Freiraumwellenlänge λ₀, der Breite a des Hohlleiters und der Höhe b und dem jeweiligen Mode abhängig. Die Hohlleiterwellenlänge ist immer größer als die Freiraumwellenlänge gleicher Frequenz. Es gibt keinen Unterschied zwischen der Hohlleiterwellenlänge des H_nm, -Modes und des entsprechenden E_nm, -Modes.

Die Hohlleiterwellenlänge hängt nicht-linear von der Freiraumwellenlänge ab. Es existiert eine Wellenlänge, für die die Hohlleiterwellenlänge gegen unendlich geht.

Eine unendlich große Hohlleiterwellenlänge bedeutet, dass die Welle nicht ausbreitungsfähig ist. Da die Hohlleiterwellenlänge für einen Mode einer bestimmten Frequenz von den Abmessungen des Hohlleiters abhängt, sind in einem Hohlleiter nicht beliebige Moden ausbreitungsfähig. Je höherwertig ein Mode ist, desto größer ist seine Grenzfrequenz, bzw. desto kleiner ist die Grenzwellenlänge λ_grenz,nm.

Die Grenzfrequenz teilt den Frequenzbereich in zwei Bereiche, den Dämpfungsbereich und den Ausbreitungsbereich. Entscheidend ist hierbei das Verhalten des Ausbreitungskoeffizienten γ über der Frequenz.

Im Dämpfungsbereich ist die Welle nicht ausbreitungsfähig. Der Ausbreitungskoeffizient ist als α_max rein reell. Die Welle wird demnach aperiodisch gedämpft. Nicht ausbreitungsfähige Moden können angeregt werden und zumindest zeitweilig einen Teil der Wellenenergie binden. Ist die Frequenz der Welle gleich der Grenzfrequenz, so ist der Ausbreitungskoeffizient gleich Null. Die Welle wird im rechten Winkel zwischen den Seiten des Hohlleiters reflektiert, ohne dass ein Energietransport stattfindet.

Für Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz ist die Welle ausbreitungsfähig. Der Ausbreitungskoeffizient ist im Idealfall und damit rein imaginär. Die Welle wird demnach nicht gedämpft, sondern breitet sich im Hohlleiter mit einer frequenzabhängigen Phasenverschiebung aus. Im realen Hohlleiter wird auch eine ausbreitungsfähige Welle gedämpft. Dazu tragen vor allem Verluste in der nur endlich leitfähigen Hohlleiterwand und durch Oberflächenströme bei.

Der Wellenwiderstand verknüpft die Amplituden der elektrischen und magnetischen Feldstärken einer elektromagnetischen Welle. Dabei gilt analog zum Ohm’schen Gesetz.

Grundmode

Unter Grundmode versteht man den ersten ausbreitungsfähigen Mode in einem gegebenen Hohlleiter. Das meint den Mode mit der niedrigsten unteren Grenzfrequenz.

Im Rechteckhohlleiter ist der Grundmode der H10-Mode. Der linke Teil der Abbildung zeigt die Feldverteilung für das elektrische Feld bei der Draufsicht auf den Hohlleiterquerschnitt. Über die Breite des Hohlleiters folgt die Feldstärke einer Sinushalbwelle. Die Feldlinien verlaufen von einer Seite des Hohlleiters zur anderen. Die rechte Seite der Abbildung zeigt die Feldverteilung des magnetischen Feldes bei der Draufsicht auf den Hohlleiterquerschnitt. Über die Höhe des Hohlleiters bleibt die Feldstärke konstant. Die Feldlinien verlaufen tangential zu den Hohlleiterwänden.

In technischen Anwendungen werden Hohlleiter nach Möglichkeit so dimensioniert, dass nur der eindeutige Grundmode ausbreitungsfähig ist. So ist das Wellenverhalten im Hohlleiter vorhersagbar und die gesamte Wellenenergie ist im nutzbaren Grundmode gebunden.

In einem Hohlleiter mit quadratischem Querschnitt existieren zwei gleichberechtigte Grundmoden. Erst durch die Festlegung eines Koordinatensystems und der damit verbundenen Zuordnung von Breite und Höhe werden die Modenbezeichnungen eindeutig.

Die vertikal polarisierte Welle entspricht dem H₁₀-Mode, die horizontal polarisierte Welle entspricht dem H₀₁--Mode.

Systembeschreibung des OMT

Wie bereits erläutert, dient der Orthomode Transducer (OMT) zur Trennung bzw. Zusammenführung orthogonal linear polarisierter elektromagnetischer Wellen. Der OMT bildet in einem Antennensystem die letzte Stufe vor der eigentlichen Antenne.

Viertordarstellung

Der OMT ist elektrisch gesehen ein Viertor. Der physikalische Aufbau entspricht allerdings dem eines Dreitors, da das physikalisch gemeinsame Tor die beiden elektrisch unabhängigen Polarisationsrichtungen zusammenfasst.

Tor1 ist das „gemeinsame Tor“. Es setzt sich elektrisch betrachtet aus dem Tor1a für die vertikal polarisierte Welle (H₁₀-) und dem Tor1b für die horizontal polarisierte Welle (H₀₁-) zusammen. Das Tor, in das die vertikal polarisierte Welle ein- bzw. ausgekoppelt wird heißt Tor2 oder „Durchgangstor“. Das Tor, in das die horizontal polarisierte Welle ein- bzw. ausgekoppelt wird heißt Tor3 oder „Seitentor“. Diese Namensgebung nimmt die Wahl des Grunddesigns für den OMT vorweg.

Streumatrix

Die Streumatrix eines idealen OMT beschreibt das gewünschte Systemverhalten.

Entsprechend der Streumatrix ergeben sich die folgenden Eigenschaften des Systemverhaltens.

• Der ideale OMT ist ein verlustloses System.
• Der OMT ist ein passives und damit umkehrbares (reziprokes) System. Das bedeutet, dass ein OMT sowohl im Sendezweig eines Antennensystems, als auch im Empfangszweig eines Antennensystems eingesetzt werden kann.
• Der ideale OMT ist an allen Toren angepasst. Aus dieser Eigenschaft des idealen OMT ergibt sich eine wichtige Forderung an das Design eines realen OMT. Bei einer schlechten Anpassung der Tore über der betrachteten Bandbreite wird ein Großteil der Energie in das einkoppelnde Tor reflektiert. Diese reflektierte Energie wird als Reflexionsverlust (Return Loss) bezeichnet und in dB als Verhältnis zur eingekoppelten Energie angegeben.
• Tor1a und Tor3 sind ebenso entkoppelt wie Tor1b und Tor2 und Tor2 und Tor3. Darin spiegelt sich die eigentliche Funktionsweise des OMT als Polarisationsweiche wider. Diese Eigenschaft muss das Design eines realen OMT ebenfalls möglichst gut nachbilden.
• Der OMT ist ein frequenzabhängiges System. Deshalb sind alle Elemente der Streumatrix Funktionen der Frequenz der betrachteten elektromagnetischen Welle.
• Das Systemverhalten des OMT ist frequenzabhängig. Deshalb ist die Angabe des geforderten Frequenzbereichs elementar für die Beschreibung des OMT.

Geometrie eines OMT

Allgemein

Kernstück des einfachen allgemeinen Grunddesigns ist ein gemeinsamer Verzweigungsbereich, in dem die beiden Polarisationsrichtungen getrennt bzw. zusammengeführt werden.

Daneben besitzt jedes Tor ein Anpassnetzwerk, das zwei Aufgaben erfüllt. Zum einen wird so die gute breitbandige Anpassung des Tors sichergestellt. Zum anderen wird der Übergang auf die vorgegebenen geometrischen Schnittstellen (nachfolgender Hohlleiterquerschnitt) geschaffen. Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau eines OMT. Die Anpassnetzwerke bestehen aus Hohlleiterübergängen.

Einfache Grundgeometrien

Wie die Bezeichnung der Tore bereits vorwegnimmt, entspricht die ursprüngliche Geometrie des OMT einem T-Stück. Diese Grundgeometrien sind bei einer Anpassung an allen Toren von -25dB für eine relative Bandbreite von 10% geeignet. Die relative Bandbreite ist das Verhältnis der Mittenfrequenz zur absoluten Bandbreite.

Ein OMT besteht im einfachsten Fall also aus einem durchgehenden Hohlleiterstück und einem seitlich im rechten Winkel aufgesetzten Seitentor. Der Verzweigungsbereich ist dabei so aufgebaut, dass er von der vertikal polarisierten Welle möglichst ungehindert passiert werden kann. Die horizontal polarisierte Welle wird dagegen reflektiert und in das Seitentor ausgekoppelt werden. Dabei wird nach der Methode unterschieden, mittels der die horizontal polarisierten Welle reflektiert wird.

Taper/Branching

Die erste Variante ist der Taper/Branching-OMT. Hier wird der Hohlleiterquerschnitt des durchgehenden Hohlleiterstücks in der Höhe so verringert, dass die horizontal polarisierte Welle wegen Unterschreitung der unteren Grenzfrequenz nicht mehr ausbreitungsfähig ist. Für die vertikal polarisierte Welle stellt der Verzweigungsbereich prinzipiell nur einen Übergang vom Querschnitt des Hohlleiters an Tor1 zu dem des Hohlleiters an Tor2 dar. Dieser Übergang kann gestuft oder kontinuierlich sein.

Septum/Branching

Bei der zweiten Variante, dem Septum/Branching-OMT wird die Reflexion der horizontal polarisierten Welle durch ein Septum im Verzweigungsbereich erreicht. Ein Septum ist eine dünne Metallplatte, die in diesem Fall waagrecht mittig in den gemeinsamen Hohlleiter eingebracht wird.

Auf die vertikal polarisierte Welle, deren elektrische Feldkomponenten senkrecht auf der Metallplatte stehen, hat das Septum im Idealfall ohne ausgedehnte Höhe keinen Einfluss. Die elektrischen Feldkomponenten der horizontal polarisierten Welle verlaufen tangential zur Ebene des Septums. Das Septum stellt somit einen Kurzschluss für die horizontal polarisierte Welle dar. Die Welle wird reflektiert und in das Seitentor ausgekoppelt.

Beiden Varianten ist gemein, dass die Reflexion der horizontal polarisierten Welle frequenzabhängig ist. Prinzipiell ist die zweite Variante für breitbandige Anwendungen eher geeignet, da das Septum, und damit die Reflexionsstelle, direkt am Ort der Seitenauskopplung wirken.

Symmetrische Geometrien

Gerade im Verzweigungsbereich eines OMT, in dem die beiden verschieden polarisierten Wellen getrennt bzw. zusammengeführt werden, werden viele höhere Moden angeregt. Um dies zu verringern, werden Strukturen entwickelt, die für beide Polarisationsrichtungen symmetrisch sind. Diese Strukturen sind allerdings sehr komplex und deshalb mit einem sehr großen Entwicklungsaufwand und großen Fertigungskosten verbunden.

Obwohl eine monolithische Fertigung sehr teuer ist, bringt sie doch den Vorteil, dass die gefertigte Struktur keine Naht- oder Spaltstellen aufweist. Nur so ist mit Blick auf Effekte der passiven Intermodulation ein optimales Verhalten erreichbar.

Siehe auch

Polarisation, Tor (Elektrotechnik), Antennentechnik

Literatur

• Marcuvitz, N.: “Waveguide Handbook“. Dover Publications, Inc., New York 1965
• Uhler, J., Bornemann, J., Rosenberg, U.:“Waveguids Components for Antenna Feed Systems. Theory and CAD.” Artech House, Inc., Norwood 1993, ISBN 0-89006-582-9
• Neske, J.-K.: „Homogene Wellenleiter (Fortsetzung). Lehrbriefe für das Hochschulfernstudium. 1.Auflage, 2.Ausgabe. Dresden 1985
• Kummer, M.: „Grundlagen der Mikrowellentechnik“. 1.Auflage. VEB Verlag Technik, Berlin 1986. ISBN 3-341-00088-7
• Lehner, G.: „Elektromagnetische Feldtheorie für Ingenieure und Physiker“. 3. Auflage. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1996. ISBN 3-540-60373-5
• Schwab, A.J.: „Begriffswelt der Feldtheorie“. 6.Auflage. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2002. ISBN 3-540-42018-5
• Bøifot, A.M. u.a.: ”Simple and broadband orthomode transducers”. IEEE proceedings, Vol. 137, Pt. H, No. 6, December 1990
• Greene, K.J., James, G.L.: “An extended bandwidth feed sub-system for earth station applications”. Chapter 2.1 Orthogonal Mode Transducers.