<Desc/Clms Page number 1>
Flächenstrahler zur Ausstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen mehrerer weit auseinanderliegender Frequenzbänder
Die Erfindung befasst sich mit einem Flächenstrahler zur Ausstrahlumg und zum Empfang elektromagnetischer Wellen mehrerer weit auseinanderliegender Frequenzbänder, bei welchen die Phase der Aperturbelegung des Flächenstrahlers eine Frequenzabhängigkeit aufweist.
Bei den Richtfunkstrecken geht die Tendenz dahin, über eine Antenne bzw. über einen Umlenkspiegel mehrere weit auseinanderliegende Frequenzbänder, z. B. im Bereich von 2000, 4000 und 6000 MHz, zu schicken.
Die Bündelung der Richtantennen kann mit Rücksicht auf die Ausbreitungsbedingungen und die mechanischen Schwankungen der Antennenträger nicht beliebig scharf gemacht werden.
Als untere (allerdings nicht sehr scharfe) Grenze für die Halbwertsbreite der Strahlungscharakteristik wird im allgemeinen ein mittlerer Wert von etwa 1 (d. h. 0 Min 20) angenommen (in der Vertikalebene etwas weniger, in der Horizontalebene etwas mehr). Die Bündelung einer Antenne (Flächenstrahler) ist umso schärfer, je grösser die Dimensionen der Antenne, gemessen in Wellenlängen, sind. Die Bündelung einer bestimmten Antenne nimmt also mit steigender Frequenz zu bzw. die Halbwertsbreite ab. Vorausgesetzt ist dabei, dass sich die Belegung mit der Frequenz nicht wesentlich ändert.
Dies wird im allgemeinen bei Linsenantennen, Hornparabolen und Umlenkspiegeln zutreffen.
Bei den Parabolantennen hat man es leichter in der Hand, durch eine Belegung mit entsprechender Frequenzabhängigkeit der Amplitude eine zu scharfe Bündelung bei höheren Frequenzen zu vermeiden, während dies bei den Linsenantennen, Hornparabolen und Umlenkspiegeln schwieriger zu erreichen ist. Ist eine solche Antenne z. B. so dimensioniert, dass ihre Strahlungscharakteristik bei 2000 MHz etwa die noch zulässige Grösse der Halbwertsbreite von 20 besitzt, so wird sie bei 4000 MHz nur noch 1 und bei 6000 MHz 0, 66 betragen (Fig. 1). D. h. also, dass bei den höheren Frequenzbändern (4000 und 6000 MHz) die Bündelung dieser Antenne weit über das zulässige Mass hinausgeht.
Gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, bei einem Flächenstrahler zur Ausstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen mehrerer weit auseinanderliegender Frequenz- bänder, bei welchem die Phase der Aperturbelegung des Flächenstrahlers eine Frequenzabhängigkeit aufweist, die Grösse der Apertur des Flächenstrahlers so zu wählen, dass bei der tiefsten Betriebsfrequenz bei konphaser Belegung die Breite der Hauptkeule etwa den zulässigen Minimalwert hat, und die minimale Phasenabweichung am Rand der Apertur gegenüber der Mitte bei der Höchstbetriebsfrequenz so zu wählen, dass die Breite der Hauptkeule die zulässige Minimalbreite nicht unterschreitet.
Bei einer nicht-konphasen Belegung ist die Halbwertsbreite der Strahlungscharakteristik grö- sser als bei der konphasen Belegung, u. zw. ist der Unterschied umso grösser, je stärker die Abweichung von der konphasen Belegung ist.
In Fig. 2 ist als Beispiel die Hauptkeule der Strahlungscharakteristik einer homogen belegten rechteckigen Apertur bei konstanter Frequenz für konphase und verschiedene nicht-konphase Belegungen gezeichnet. Dabei verläuft die Phase
EMI1.1
EMI1.2
EMI1.3
in der Apertur und ss die maximale Phasenabweichung am Rand der Apertur. Man erkennt hieraus, dass mit zunehmender Phasenabweichung die Halbwertsbreite grösser wird. Strahlt nun eine solche Apertur mit den Frequenzen 2000, 4000 und 6000 MHz und richtet man es so ein, dass bei 2000 MHz die maximale Phasenabweichung am Rand etwa- 0, 6 7t, bei 4000 MHz etwa 1, 2 tic und bei 6000 MHz etwa 1, 87t beträgt, so erhält man eine mit zunehmender Frequenz annähernd konstante Breite der Hauptkeule (Fig. 3).
Die Form der Hauptkeule hängt ausser von der Phasenfunktion auch noch von der Belegung (Amplitude) und der Aperturform des Flächenstrahlers ab. Man kann daher durch eine geeignet gewählte Phasenfunktion der Hauptkeule der Strahlungscharakteristik eine solche Form geben, dass sie der Funktion (8) = const.
EMI1.4
EMI1.5
<Desc/Clms Page number 2>
angenähert. Es können nur solche Phasenfunktionen zugelassen werden, die eine zu den Symmetrieachsen der Apertur (Vertikale und Horizontale) symmetrische Phasenabweichung erzeugen, da sich sonst eine frequenzabhängige Hauptabstrahlungsrichtung ergeben würde. Die Phasenfunktion muss dann allgemein die Form
EMI2.1
haben.
Ist die Aperturform und die Amplitudenbelegung gegeben, so kann man solche Koeffizienten S 2, 4,... aussuchen, bei denen sich eine möglichst günstige Form der Hauptkeule ergibt. Aus diesen Koeffizienten bestimmt sich dann rein geometrisch die Oberfläche des Reflektors bzw. die Form der Linse. Man kann nämlich die gewünschte Phasenabweichung entweder durch eine entsprechende Verformung des Reflektors oder durch eine entsprechende Vorsatzlinse erreichen. Bei Linsenantennen wird man zweckmässigerweise die Linse von vornherein so wählen, dass sich bei der höchsten Betriebsfrequenz die gewünschte Phasenabweichung ergibt. Es wird sich dann im Gegensatz zu der bisher üblichen Dimensionierung bei keiner Betriebsfrequenz eine konphase Belegung ergeben.
Will man bereits vorhandene Antennen nachträglich zum Betrieb für mehrere weit auseinanderliegende Bänder umrüsten, so ist kein grosser Aufwand notwendig, wie es beispielsweise die Verformung eines Reflektors darstellen würde. Man kann dann die Phasenabweichungen in der Apertur durch entsprechend angesetzte Stufen oder Knicke am Reflektor oder einen entsprechend gewählten stufenförmigen Vorsatz aus phasenverzögerndem oder phasenbeschleunigendem Material erzeugen. Die Grösse der Richtantennen wird man im allgemeinen so wählen, dass bei der tiefsten Betriebsfrequenz bei konphaser Belegung die Breite der Hauptkeule etwa den zulässigen Minimalwert hat.
Wird dann die maximale Phasenabweichung bei der höchsten Betriebsfrequenz so gross gewählt, dass die Breite der Hauptkeule den zulässigen Minimalwert nicht überschreitet, so wird die Breite der Hauptkeule dann bei der tiefsten Frequenz nur wenig von dem Wert abweichen, den sie bei konphaser Belegung hat.
Hat der Flächenstrahler eine solche Aperturform und Belegung, dass sich eine annähernd rotationssymmetrische Hauptkeule ergibt, so ist u. U. (je nach dem Verhältnis der tatsächlichen Halbwertbreite zur zulässigen Minimalbreite) nur in der Vertikalebene eine Phasenabweichung vorzusehen, da die Schwankungen der Abstrahlund Eingangswinkel in dieser Ebene stärker sind. Eventuell genügt es auch, die Phasenabweichungen in der Horizontalebene kleiner als in der Vertikalebene zu machen. Ist jedoch der Flächenstrahler, wie heute oft üblich, in der horizontalen Ausdehnung grösser als in der vertikalen und hat er bei der tiefsten Betriebsfrequenz in der Horizontalen und Vertikalen bereits die zulässige Minimalbreite der Hauptkeule, so wird man eine in beiden Richtungen annähernd gleich grosse Phasenabweichung vorsehen.
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele für die Richtantenne nach der Erfindung dargestellt. Die Fig. 4 zeigt einen quadratischen Umlenkspiegel nach der Erfindung, welcher eine in einer Richtung (z. B. der vertikalen) gekrümmte Oberfläche hat. Ein quadratischer Umlenkspiegel, welcher eine in beiden Richtungen gekrümmte Oberfläche aufweist, ist in der Fig. 5 wiedergegeben. Dabei kann die Krümmung in beiden Richtungen gleich oder verschieden stark sein. Es ist auch möglich, dem quadratischen Umlenkspiegel eine
EMI2.2
ist die Oberfläche in einer Richtung (z. B. der Vertikalen) geknickt, während bei dem Umlenkspiegel nach Fig. 7 in beiden Richtungen eine gleich stark geknickte Oberfläche vorgesehen ist. Nach Fig. 8 ist der Knickwinkel bei dem quadratischen Umlenkspiegel in der Vertikalen stärker.
Es ist auch möglich, bei einem quadratischen Umlenkspiegel die Aussenzonen der Oberfläche anzuwinkeln, wie es in der Fig. 9 gezeigt ist.
Ferner können gegebenenfalls die Aussenzonen der Oberfläche des quadratischen Umlenkspiegels durch einen stufenförmigen Absatz gebildet werden (Fig. 10).
Die Anwendung der Erfindung kann nicht nur bei quadratischen Umlenkspiegeln durchgeführt werden, sondern es ist durchaus zweckmässig, das Prinzip der Erfindung auch bei rhombischen Umlenkspiegeln anzuwenden, wie sie in den Fig. 11 bis 15 enthalten sind. Bei der Fig. 11 handelt es sich um einen rhombischen Umlenkspiegel, dessen Oberfläche in einer Richtung, z. B. der vertikalen, gekrümmt ist, während nach Fig. 12 die Oberfläche in beiden Richtungen gekrümmt ist. Auch hier kann die Krümmung derart bemessen werden, dass sich in horizontaler und vertikaler Richtung gleiche oder verschieden grosse Phasenabweichungen ergeben. Während die Oberfläche des Umlenkspiegels nach Fig. 13 in einer Richtung geknickt ist, sind bei dem Umlenkspiegel nach Fig. 14 die Aussenzonen angewinkelt.
Die Fig. 15 enthält eine weitere Ausführungsform eines rhombischen Umlenkspiegels, bei dem die Aussenzonen durch einen stufenförmigen Absatz gebildet werden.
Der runde Umlenkspiegel nach Fig. 16 hat eine kegelförmige Oberfläche. Dieser Spiegel weist eine streng rotationssymmetrische Strahlungscharakteristik auf.
Der Gegenstand der Erfindung kann ferner auchbeiHornparabolantennen angewendet werden. In den Fig. 17-19 sind hiefür Ausführungsformen angegeben. Bei der Hornparabolantenne nach Fig. 17 hat der Reflektor eine entsprechende Abweichung von der Parabolform. Gemäss Fig. 18 ist auf die Hornparabolantenne eine Schicht
<Desc/Clms Page number 3>
von phasenverzögerndem oder phasenbeschleunigendem Material mit entsprechender Krümmung aufgesetzt. Gegebenenfalls kann auch ein stufenförmiger Aufsatz aus phasenverzögerndem oder phasenbeschleunigendem Material aufgebracht werden, wie es in der Fig. 19 wiedergegeben ist.
Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht nur auf die angeführten Ausführungsbeispiele, sondern die gewünschte Phasenabweichung kann entweder durch eine entsprechende Verformung des Reflektors oder durch eine entsprechende Vorsatzlinse erreicht werden.
Bei Linsenantennen wird man zweckmässigerweise die Linse von vornherein so wählen, dass sich bei der höchsten Betriebsfrequenz die gewünschte Phasenabweichung ergibt. Es wird sich dann im Gegensatz zu der bisher üblichen Dimensionierung bei keiner Betriebsfrequenz eine konphase Belegung ergeben. Will man bereits vorhandene Antennen nachträglich zum Betrieb für mehrere weit auseinanderliegende Bänder umrüsten, so ist kein grosser Aufwand notwendig, wie es beispielsweise die Verformung eines Reflektors darstellen würde. Man kann dann die Phasenabweichungen in der Apertur durch entsprechend angesetzte Stufen oder Knicke am Reflektor oder einen entsprechend gewählten stufenförmigen Vorsatz aus phasenverzögerndem oder phasenbeschleunigendem Material erzeugen.
Die Grösse der Richtantennen wird man im allgemeinen so wählen, dass bei der tiefsten Betriebsfrequenz bei konphaser Belegung die Breite der Hauptkeule etwa den zulässigen Minimalwert hat. Wird dann die maximale Phasenabweichung bei der höchsten Betriebsfrequenz so gross gewählt, dass die Breite der Hauptkeule den zulässigen Minimalwert nicht unterschreitet, so wird die Breite der Hauptkeule dann bei der tiefsten Frequenz nur wenig von dem Wert abweichen, den sie bei konphaser Belegung hat.
Hat der Flächenstrahler eine solche Aperturform und Belegung, dass sich eine annähernd rotationssymmetrische Hauptkeule ergibt, so ist u. U. (je nach dem Verhältnis der tatsächlichen Halbwertsbreite zur zulässigen Minimalbreite) nur in der Vertikalebene eine Phasenabweichung vorzusehen, da die Schwankungen der Abstrahlund Eingangswinkel in dieser Ebene stärker sind. Eventuell genügt es auch, die Phasenabweichungen in der Horizontalebene kleiner als in der Vertikalebene zu machen. Ist jedoch der Flächenstrahler, wie heute oft üblich, in der horizontalen Ausdehnung grösser als in der vertikalen und hat bei der tiefsten Betriebsfrequenz in der Horizontalen und Vertikalen bereits die zulässige Minimalbreite der Hauptkeule, so wird man in beiden Richtungen annähernd gleich grosse Phasenabweichungen vorsehen.
Geht man davon aus, dass bei der Strahlungscharakteristik bezüglich des Betrages der abgestrahlten Feldstärke gleichgültig ist, ob die Belegung der Apertur die Phasenfunktion p (xy) oder-p (xy) aufweist, wenn die Apertur in bezug auf zwei zueinander senkrecht stehenden Achsen (z. B. x, y-Achsen) symmetrisch ist, so ist lediglich der absolute Betrag der Phase massgebend, die ein Aperturpunkt in bezug auf die Aperturmitte hat. Es kann daher als Oberflächenform des Flächenstrahlers eine Komplementäre zu einer der in den Fig. 4-19 dargestellten Formen verwendet werden. Es wird also die Erkenntnis ausgenutzt, dass dieselbe Strahlungscharakteristik mit jeweils zwei komplementären Phasenfunktionen erzielbar ist.
Besteht eine geringe Abweichung von der Symmetrie-wie es z. B. bei der Hornparabolantenne bezüglich der Horizontalachse der Fall sein kann-so kann man zwar nicht genau die komplementäre Oberflächenform verwenden, um dieselbe Hauptkeule der Strahlungscharakteristik zu erzeugen, der Unterschied ist jedoch wegen der geringen Abweichung von der Symmetrie nur unbedeutend.
Die Fig. 20-23 zeigen Beispiele komplementärer Formen. Wenn beispielsweise der Reflektor gemäss Fig. 20 ausgebildet ist, dann kann im Sinne der Erfindung auch die komplementäre Form nach Fig. 21 zur Anwendung kommen.
In entsprechender Weise kann eine im Sinne der Fig. 22 geformte dielektrische Schicht auch durch die Schicht nach Fig. 23 ausgetauscht werden, da beide dieselbe Strahlungscharakteristik haben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Flächenstrahler zur Ausstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen mehrerer weit auseinanderliegender Frequenzbänder, bei welchem die Phase der Aperturbelegung des Flächenstrahlers eine Frequenzabhängigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Apertur des Flächenstrahlers so gewählt ist, dass bei der tiefsten Betriebsfrequenz bei konphaser Belegung die Breite der Hauptkeule etwa den zulässigen Minimalwert hat, und die maximale Phasenabweichung am Rande der Apertur gegenüber der Mitte bei der Höchstbetriebsfrequenz so gewählt ist, dass die Breite der Hauptkeule die zulässige Minimalbreite nicht unterschreitet.