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2025-03-06T04:34:17Z

HC: Entferne Kategorie:Hochfrequenzbauelement; Ergänze Kategorie:Hohlleiterkomponente

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Ein '''Orthomode Transducer''' (OMT), manchmal auch '''Orthomodenkoppler''' genannt, ist ein passives Bauelement der [[Mikrowellen]]technik. Er spaltet zirkular polarisierte Wellen auf bzw. fügt orthogonal polarisierte Wellen zusammen. Haupteinsatzgebiet sind einfache [[Very Small Aperture Terminal|VSAT]]-Antennenanlagen. Dort übernimmt er die Aufgabe eines [[Diplexer]]s bzw. [[Zirkulator]]s, wenn Empfangs- und Sendesignal orthogonal polarisiert sind, und leitet beide Signale gemeinsam über eine Antenne. Die Übersprechdämpfung zwischen Empfangs- und Sendesignal ist typischerweise besser als 40 dB.
[[Bild:Orthomode transducer.jpg|mini|Orthomode Transducer als Hohlleiterabschnitt]]
[[Bild:Orthomode transducer.JPG|mini|Satellitenfunkantenne mit einem [[Rillenhornstrahler]] und einem Orthomode Transducer]]
Der Begriff setzt sich aus den folgenden Teilen zusammen:
*[[Orthogonalität|orthogonal]]: senkrecht (''im Sinne von'' rechtwinklig),
*[[Schwingungsmode|Mode]]: Ausbildungsform der Welle, ''siehe auch'' [[Hohlleiter#Moden|Moden in Rechteck-Hohlleitern]],
*Transducer: englisch für Umsetzer oder Strahler.


== Systembeschreibung des OMT ==
Der Orthomode Transducer (OMT) zur Trennung bzw. Zusammenführung orthogonal linear [[Polarisation|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.

[[Bild:OMT Bild8 Viertor klein.JPG|Systemdarstellung des OMT als Viertordarstellung]]

Tor1 ist das „gemeinsame Tor“. Es setzt sich elektrisch betrachtet aus dem Tor1a für die vertikal polarisierte Welle (<math>H_{10}</math>-) und dem Tor1b für die horizontal polarisierte Welle (<math>H_{01}</math>-) 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 [[Streuparameter|Streumatrix]] eines idealen OMT beschreibt das gewünschte Systemverhalten.

:<math>S_{OMT}=\begin{pmatrix}0&0&e^{j\phi_1}&0 \\ 0&0&0&e^{j\phi_2} \\ e^{j\phi_1}&0&0&0 \\ 0&e^{j\phi_2}&0&0 \end{pmatrix}</math>

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 ([[Antennentechnik#Reziprozität|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 [[Anpassung (Elektrotechnik)|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 [[Reflexion (Physik)|reflektiert]]. Diese reflektierte Energie wird als Reflexionsverlust (Return Loss) bezeichnet und in [[Bel (Einheit)|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 [[Schnittstelle]]n (nachfolgender Hohlleiterquerschnitt) geschaffen.
Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau eines OMT. Die Anpassnetzwerke bestehen aus Hohlleiterübergängen.

[[Bild:OMT Bild10 Schema.JPG|Schematischer Aufbau eines OMT]]

=== 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 −25 dB für eine relative Bandbreite von 10 % geeignet. Die [[relative Bandbreite]] ist das Verhältnis der absoluten Bandbreite zur [[Mittenfrequenz]].

Ein OMT besteht im einfachsten Fall also aus einem durchgehenden Hohlleiterstück und einem seitlich im [[Rechter Winkel|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.

[[Bild:OMT Bild11 Grundgeometrien.JPG|Grundgeometrien einfacher OMT]]

==== Taper bzw. Branching ====
Die erste Variante ist der Taper- bzw. 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 bzw. Branching ====
Bei der zweiten Variante, dem Septum- bzw. 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 [[Elektrischer Kurzschluss|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 [[Monolith|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.

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

[[Kategorie:Antenne]]
[[Kategorie:Wellen]]
[[Kategorie:Hohlleiterkomponente]]

Orthomode Transducer - Versionsgeschichte

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