DE1027260B

DE1027260B - Trichterantenne

Info

Publication number: DE1027260B
Application number: DED24754A
Authority: DE
Inventors: Boynton Glenn Hagaman
Original assignee: DEVELOPMENTAL ENGINEERING CORP
Current assignee: DEVELOPMENTAL ENGINEERING CORP
Priority date: 1956-06-28
Filing date: 1957-01-25
Publication date: 1958-04-03
Also published as: US2851686A; CH350333A; FR1179261A; GB835540A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Horn- oder Trichterantennen. Trichterartige elektromagnetische Hornstrahler verschiedener Querschnittsformen sind bisher schon zur Ausstrahlung von gerichteten Strahlen sehr kurzer Wellenlänge benutzt worden. Die Trichter können dabei rechteckigen Querschnitt aufweisen und sich nur in einer Richtung erweitern. In diesem Fall werden sie Sektortrichter genannt; sie können sich aber auch in beiden Richtungen erweitern und werden dann gewöhnlich als Pyramidentrichter bezeichnet. Die Trichterantenne wird im allgemeinen von einem Hohlleiter gespeist, der mit ihrem engen Ende verbunden ist, während das weite Ende des Trichters offen ist und die Strahlungsöffnung bildet. Die Ebene, die rechtwinklig zu dem elektrischen Vektor liegt, wird im folgenden als if-Ebene bezeichnet, während die parallel zu dem elektrischen Vektor liegende Ebene als ii-Ebene bezeichnet wird.

Trichterantennen haben zwar im allgemeinen die gewünschten Eigenschaften, weisen jedoch noch einige Mängel auf. Ein Fehler der üblichen Trichterantenne ist der, daß außer der ausgestrahlten Hauptstrahlungskeule noch Nebenzipfel auftreten. Eine weitere unerwünschte Eigenschaft der gebräuchlichen Trichterantennen ist die, daß das Strahlungsdiagramm sich mit der Frequenz erheblich ändern kann. Eine weitere Schwierigkeit bei den üblichen Trichterantennen besteht darin, daß der Trichter nur eine ziemlich schwache Erweiterung haben darf und eine große Länge und Öffnung aufweisen muß, um einen scharf gebündelten Strahl zu erhalten. Infolge dieser zuletzt genannten Eigenschaften sind Trichterantennen nur für sehr kurze Wellenlängen verwendet worden. Bei längeren Wellen sind die Größe und die Konstruktionsprobleme bisher ein Hindernis gewesen, die Trichterantennen anzuwenden.

Die genannten Mängel werden gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß eine elektromagnetische Trichterantenne geschaffen wird, die eine Anzahl von in Richtung der Längsachse auseinanderlaufenden Wandungen aufweist, die eine Öffnung bilden, welche zur Aufnahme oder Ausstrahlung von elektrischen Transversalwellen geeignet ist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die senkrecht zum elektrischen Vektor verlaufende Abmessung der Öffnung von der Mitte der Öffnung bis zum Rande hin abnimmt.

Zur näheren Erläuterung des Erfmdungsgegen-Standes wird im folgenden auf Ausführungsbeispiele eingegangen, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem die Weite des Trichters in der Richtung des elektrischen Vektors sich in einzelnen Stufen ändert;

Anmelder:

Developmental Engineering Corporation, Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M.-Eschersheim, Lichtenbergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Juni 1956

Boynton Glenn Hagaman, Alexandria, Va. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Fig. 2 bis 6 zeigen weitere Ausführungsformen gemäß der Erfindung;

Fig. 7 bis 12 zeigen Strahlungsdiagramme einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Antenne dargestellt, die einen elektromagnetischen Trichter 11 enthält, dessen enges Ende 12 an einen rechteckigen Hohlleiter 10 angeschlossen ist. Zur Vereinfachung der Beschreibung sei angenommen, daß der Hohlleiter mit einer primären transversalen Schwingungsform, z. B. der TE₀₁-Welle, betrieben wird und dem Trichter 11 elektromagnetische Wellen zuführt, die in der durch den Pfeil E gekennzeichneten Richtung polarisiert sind. Es ist klar, daß die elektromagnetischen Wellen dem Trichter 11 auch auf anderem Wege zugeführt werden können und daß der Hohlleiter 10 mit einem kleinen Strahler versehen sein kann oder zu einer geeigneten Quelle von Wellen führen kann. Der Trichter 11 hat einen abgestuften Aufbau, so daß seine Höhe an der Öffnung 13 nicht konstant ist, sondern von einem größten Wert bei 19-20 in diskreten Stufen 16, 15, 14 auf einen Minimalwert an den Stellen 17-17 abnimmt. Die Stufenkonstruktion des Trichters kann sich von der Öffnung 13 über die ganze Länge bis zum Hohlleiter 10 erstrecken, oder sie kann sich auch nur über einen Teil der Strecke bis zum Hohlleiter 10 erstrecken.

Es ist klar, daß der in Fig. 1 dargestellte und oben beschriebene Trichter eine größere Strahlungsintensität im mittleren Abstand 19-20 und kleinere Strahlungsintensitäten an den Stellen 16-16,15-15 und 14-14 aufweisen wird. Die Breite, Tiefe und Anzahl der Stufen kann verändert werden, um die gewünschte

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ters steht er mit einem rechteckigen Hohlleiter 10 in Verbindung. Der Trichter hat vier im wesentlichen ebene Wandungen 63, 64, 65 und 66. Die öffnung 62 hat ihre größte Höhe an der Achse des Trichters, d. h. S zwischen den Rändern 69 und 70, und nimmt an den beiden Seiten 67 und 68 der öffnung auf Null ab. Die Strahlung ist daher im mittleren Abschnitt der öffnung zwischen den Rändern 69 und 70 am größten und nimmt nach den Seiten 68 und 67 hin ab. Infolge

kann. Es wurde gefunden, daß durch geeignete Abänderung der Form der Öffnung die Richtwirkung des Trichters verbessert werden kann, während gleichzeitig die Nebenzipfel praktisch beseitigt werden.

Fig. 2 zeigt einen rechteckigen Hohlleiter 10., der au das enge Ende 24 eines Trichters 25 angeschlossen ist. Der Trichter hat im wesentlichen vier ebene Wandungen 26, 27, 28 und 29. Mindestens die Wandungen

schmalen Seiten des Hohlleiters 10. Die maximale Breite der Öffnung 87 in der zum E-Vektor senkrechten Richtung ist der Abstand zwischen dem Punkt 87

effektive Flächenausleuchtung zu erhalten und um das Strahlungsdiagramm in der ZI-Ebene zu beeinflussen. Im allgemeinen wird es vorgezogen, die Abmessungen der Stufen so zu wählen, daß die Nebenzipfel, die gewöhnlich bei Strahlungsdiagrammen von Trichterantennen auftreten, stark vermindert oder praktisch beseitigt werden. Es ist klar, daß zwar nur drei Stufen 14, 15 und 16 aus Bequemlichkeitsgründen dargestellt worden sind, daß aber im allgemeinen eine größere

Anzahl von Stufen je nach der Größe der Öffnung, der io dieses Aufbaues wird die Bündelungsschärfe des ausWellenlänge und anderen Parametern vorgesehen sein gesendeten Richtstrahles erhöht, und die normalerweise auftretenden Nebenzipfel werden erheblich vermindert oder praktisch beseitigt. Es wurde auch festgestellt, daß bei einer Öffnung gegebener Flächen-15 größe eine Zunahme des Verhältnisses von Gewinn zu Flächengröße erhalten wird.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem der rechteckige Hohlleiter 10 mit einem Trichter verbunden ist, der fünf

26, 28 und 29 erweitern sich nach außen von dem 20 Seitenwände 81 bis 85 aufweist. Der Vektor des elek-Ende 24 in Richtung auf die öffnung 30. Der Hohllei- frischen Feldes liegt im wesentlichen parallel zu den ter kann so angeregt werden, daß die Wellen in der
Richtung E polarisiert sind. Die Höhe der öffnung,
die senkrecht auf der £-Richtung steht, nimmt von

einem Maximalwert an der Wandung 26 auf einen 25 und der Wandung 83. Die Breite der Öffnung nimmt Minimalwert an den Ecken 33, 34 der öffnung ab. Die von der Mitte des Trichters nach den äußeren Rändern Strahlung des Trichters 25 ändert sich von einem 90 und 91 hin ab. Der Trichter der Fig. 6 kann als Maximum im mittleren Teil auf ein Minimum an dreieckiger Trichter aufgefaßt werden, bei dem die den Enden der öffnung 33-34. Durch geeignete Ein- beiden äußeren Ecken durch die Wandungen 82 und stellung der Winkel, unter denen die Seiten 31 und 32 30 84 abgeschnitten worden sind. Durch Verwendung der der Öffnung 30 gegeneinander geneigt sind, kann ein Wandungen 82 und 84 wird besonders in den Fällen optimales Strahlungsdiagramm mit minimalen Neben- eine beträchtliche Materialersparnis erzielt, wenn die zipfeln erhalten werden. Antenne im Hochfrequenzbereich z.B.von2bis30MHz

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß verwendet wird, wobei die Abmessungen von Höhe und der Erfindung, bei dem der rechteckige Hohlleiter 10 35 Länge bei einigen 100 Fuß (in der Größenordnung von an das enge Ende 41 einer Trichterantenne 40 ange- 100 m) liegen, das heißt z. B. zwei Wellenlängen schlossen ist. Der Trichter hat eine Öffnung 42, die im hoch und etwa fünf Wellenlängen lang sind. Die Anwesentlichen dreieckige Form aufweist. Auch hier ist tenne kann aus Drähten Nummer 6 (von 4 bis 11 mm zur Vereinfachung angenommen, daß der Hohlleiter Durchmesser) hergestellt werden, die einen Abstand 10 nur mit Wellen gespeist wird, die in der is-Rich- 40 von etwa V10 Wellenlänge haben. Durch Veränderung tung polarisiert sind. Der Trichter 40 hat zwei par- der Drahtdurchmesser und Abstände kann ein fester allele Wandungen 43 und 44 und zwei geneigte Sei- Leiter nachgebildet werden.

tenwandungen 45 und 46. Die Wandung 43 kann über Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines

ihre ganze Länge die gleiche Breite aufweisen, die der zweiten Paares von schrägen Wandungen nach Art Schmalseite 47 des Wellenleiters 10 entspricht. Auch 45 der Wandungen 82 und 84 ist der, daß die vertikal hier ist ersichtlich, daß die Höhe der Öffnung 42, in polarisierte Strahlung vermindert wird. Das elektrisenkrechter Richtung zum E-Vektor gemessen, von sehe Feld zwischen den Wandungen 81 und 85 ist einem Maximalwert in der Nähe der Wandung 43 auf leicht gekrümmt, wie dies durch die Linien 89 angeeinen Minimalwert an den Ecken 48 und 49 abnimmt deutet ist, so daß eine vertikal polarisierte Kompound daß die Antenne in der Lage ist, ein Strahlungs- 50 nente des elektrischen Feldes \Orhanden ist. Das sich diagramm hoher Richtwirkung, das praktisch frei von zwischen den Wandungen 82 und 84 ausbildende Feld Nebenzipfeln ist, zu erzeugen. ist, wie aus den Linien 88 hervorgeht, entgegengesetzt

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel ge- gekrümmt wie das Feld 89. Die vertikal polarisierten maß der Erfindung, bei dem der rechteckige Hohlleiter Komponenten der Linien 88 und 89 haben daher das 10 mit einem sich erweiternden elektromagnetischen 55 Bestreben, sich gegenseitig aufzuheben. Infolge dieser Trichter 50 in Form einer dreieckigen Pyramide ver- Formgebung ist die von der öffnung 87 ausgehende bunden ist, die durch die Wandungen 51, 52 und 53 Strahlung derart ausgebildet, daß ein Strahlungsdiagebildet wird. Auch hier wird angenommen, daß der gramm entsteht, welches frei von Nebenzipfeln ist. Die Strahler so· gespeist wird, daß der elektrische Vektor Verbesserung der Strahlungsdiagramme und der in der ^-Richtung verläuft. Es ist ersichtlich, daß die 60 Breitband-Frequenzeigenschaften der Antennen dieser Höhe der Öffnung 54 vom Maximalwert am Punkt 55 Bauart sind in Fig. 7 bis 12 dargestellt. Die in diesen

Figuren wiedergegebenen Strahlungsdiagramme wurden mit einem Trichter der Ausführung nach Fig. 4 erhalten, der über einer Erd- oder reflektierenden 65 Fläche betrieben wurde, die parallel zur Wandung 53 des Trichters 50 lag. Fig. 7 zeigt das Strahlungsdiagramm in der ff-Ebene, das bei einer Frequenz von 2300 MHz erhalten wurde. Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieses Strahlungsdiagramms ist das Feh-

im wesentlichen auf Null an den Enden 56, 57 der
öffnung abnimmt. Das Strahlungsdiagramm einer
Antenne dieser Ausführung nach Fig. 4 wird weiter
unten beschrieben.

Wenn eine unendliche große Zahl von diskreten
Stufen bei einem Trichter der Fig. 1 benutzt wird, ergibt sich ein Trichter von der in Fig. 5 dargestellten
Form. Der Trichter 60 hat hier die Gestalt einer recht

winkligen Pyramide. Am schmalen Ende 61 des Trich- 70 len von irgendwelchen Nebenzipfeln.

Fig. 8 zeigt das Strahlungsdiagramm in der £-Ebene derselben Antenne bei 2300 MHz. Aus diesem Diagramm geht hervor, daß auch in der .G-Ebene keine nennenswerten Zipfel vorhanden sind.

Fig. 9 zeigt ein Strahlungsdiagramm der gleichen Antenne in der if-Ebene bei 4160 MHz, d.h. bei nahezu der doppelten Frequenz, bei der die Strahlungsdiagramme der Fig. 7 und 8 aufgenommen wurden. Es ist ersichtlich, daß selbst bei dieser stark abweichenden Frequenz die Antenne ihre gewünschte Strahlungs-Charakteristik beibehält.

Fig. 10 zeigt ein Strahlungsdiagramm der gleichen Antenne bei 4160 MHz in der £-Ebene. Es ist ersichtlich, daß dieses Strahlungsdiagramm praktisch frei von Nebenzipfeln ist.

Fig. 11 und 12 zeigen die Strahlungsdiagramme des Trichters der Fig. 4 in der E- und if-Ebene bei einer noch höheren Frequenz von 4800 MHz. Auch diese Diagramme zeigen, daß sowohl in der E- als auch in der ii-Ebene keine Nebenzipfel auftreten.

Die Wandungen des Trichters sind in ebener Form dargestellt worden, sie können jedoch auch nach außen gekrümmt sein oder so geformt sein, daß die Weite der öffnung sich ungleichförmig ändert.

Claims

Patentansprüche:

1. Trichterantenne mit einer Anzahl von Wandungen, die in Richtung der Längsachse zu einer Öffnung auseinanderlaufen, die geeignet ist, elektrische Transversalwellen aufzunehmen oder auszustrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer zu dem elektrischen Vektor senkrechten Richtung verlaufende Abmessung der öffnung von der Mitte der Öffnung nach den Seiten derselben abnimmt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Wandungen gegeneinander in der Ebene der Öffnung geneigt sind und daß der Abstand zwischen den geneigten Wandungen in einer zu dem elektrischen Vektor der Wellen parallelen Richtung auf einen Minimalwert an dem einen Rand der Öffnung abnimmt.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der öffnung in der Längsachse der Antenne am größten ist und nach den gegenüberliegenden Seiten der öffnung hin abnimmt.

4. Antenne nach Anspruch I₁ 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein rechteckiger Hohlleiter an dem Hals oder der Spitze der Antenne vorgesehen ist, der die elektromagnetischen Wellen an die Antenne abgibt oder sie von ihr aufnimmt.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rechteckige Hohlleiter mit seiner schmalen Abmessung parallel zum elektrischen Vektor in der Antenne liegt.

6. Antenne nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittfläche der Wandungen mit einer zur Längsachse der Antenne senkrechten Ebene ein Trapez ist.

7. Antenne nach Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der trapezförmigen Antenne je nur eine Wandung des rechteckigen Hohlleiters schneiden und daß die Wandungen, welche die parallelen Seiten des Trapezes bilden, nur die Schmalseiten des Hohlleiters schneiden.

8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Wandungen, welche die parallelen Seiten des Trapezes bilden, eine konstante Breite der Schmalseite des Hohlleiters ist.

9. Antenne nach Ansprüchen 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß vier Wandungen vorhanden sind, die alle gegenüber der Richtung des elektrischen Vektors geneigt sind.

10. Antenne nach Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Wandungen der Antenne eine rechteckige Öffnung bilden, wobei die Wandungen so angeordnet sind, daß die Seiten der öffnung in Richtungen verlaufen, die schräg zu den Seiten des Hohlleiters stehen.

11. Antenne nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen eine dreieckige Pyramide bilden.

12. Antenne nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der öffnung in der zu dem elektrischen Vektor senkrechten Richtung in diskreten Stufen von der Mitte der Öffnung zum Rand derselben abnimmt.

13. Antenne nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Antenne eine solche Form haben, daß die senkrecht zu dem elektrischen Vektor verlaufende Abmessung der Öffnung von der Mitte der öffnung nach den gegenüberliegenden Seiten derselben in verschiedenem Maße abnehmen.

14. Antenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zu dem elektrischen Vektor verlaufende Abmessung der öffnung im ganzen mittleren Teil der öffnung gleichförmig in bestimmtem Verhältnis abnimmt und an den Enden der öffnung in stärkerem Verhältnis abnimmt.

15. Antenne nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Antenne eine fünfeckige Öffnung bilden.

16. Antenne nach Ansprüchen 1 bis 15. dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen aus Drähten gebildet werden, die einen Abstand von etwa V10 Wellenlänge haben, und daß 1>ei Wellen mit einer Frequenz von etwa 30 MHz oder weniger die Abmessungen der öffnung größer sind als eine Wellenlänge.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen