DE1051342B - Strahleranordnung fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Soll eine Parabolantenne mit verschiedenen weit auseinanderliegenden Frequenzbändern (z. B. im Verhältnis 1 : 1, 5 : 2) betrieben werden, so kann eine für die richtige Ausleuchtung des Parabolspiegels notwendige Strahlungscharakteristik für die weit auseinanderliegenden Frequenzbänder mit einem Erreger der üblichen Bauart nicht erzeugt werden. Wird der Erreger (bei höheren Frequenzen) über einen Hohlleiter gespeist, so ist außerdem die Übertragung der weit auseinanderliegenden Frequenzbänder durch störende Wellentypen beeinträchtigt. Nebeneinander angeordnete Erreger sind nicht zu verwenden, da sie in verschiedene Richtungen weisende Hauptstrahlungen ergeben.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, insbesondere für die Ausleuchtung von Parabolspiegeln geeignete Erregercharakteristiken mit gleichen Wellenzentren für mindestens zwei weit auseinanderliegende Frequenzbänder im Zentimeter- und/oder Dezimeterwellenbereich zu erzeugen.

Dies geschieht nach der Erfindung dadurch, daß ein in seiner Öffnung in einem ersten Frequenzband erregter Hohlleiter von einem oder mehreren Mantelleitern konzentrisch umgeben ist, derart, daß jeweils der innere Hohl- oder Mantelleiter mit dem nächsten ihn umgebenden Mantelleiter eine in je einem weiteren Frequenzband zu erregende konzentrische Leitung bildet. Die zur Abstrahlung notwendige Feldverteilung erfolgt entweder durch Anregung geeigneter Wellenformen oder durch mindestens teilweise Ausfüllung der Mantelleiterquerschnitte mit phasenverzögerndem oder -beschleunigendem Material.

Bild 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Benutzt man nach Bild 1 einen Hohlleiter oder dessen trichterförmige Erweiterung als Erreger, so kann mau eine zweite Erregercharakteristik mit gleichem Wellenzentrum durch eine konzentrische Leitung bzw. deren trichterförmige Erweiterung erzeugen,, bei der der Innenleiter von dem Hohlleiter, der Außenleiter von einem ihn umgebenden Maiitellciter gebildet wird.

Um eine für die Abstrahlung geeignete Feldverteilung im Öffnungsquerschnitt der konzentrischen Leitung zu erzielen, bestehen mehrere Möglichkeiten.

Zur Erzeugung eines linear polarisierten Feldes kann man nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die TE₁₁-WeIIe anregen und sie der Öffnung der konzentrischen Leitung zuführen.

Das Feldbild kommt dem eines linear polarisierten Feldes näher, wenn die konzentrische Leitung durch eine Kombination einer TE₁₁- und TE₁₉-WeIIe mit geeigneter Amplitude, Phase und Polarisation erregt wird. (s. Bild 2).

Die in einer konzentrischen Leitung normalerweise angeregte TEM-WeIIe ist an sich für die Abstrahlung Strahleranordnung für sehr kurze
elektromagnetische Wellen

Anmelder:

Deutsche Bundespost,

vertreten durch den Präsidenten

des Fernmeldetechnischen Zentralamts,

Darmstadt, Rheinstr. 110

Dr.-Ing. Gerhard Koch, Darmstadt,
ist als Erfinder genannt worden

nicht gegeignet, da, wie Bild 3 zeigt, der elektrische Feldvektor radial geriahtet ist, d. h., die Polarisation ist an jedem Punkt auf dem Umfang der Leitung eine andere.

Füllt man nun nach einer besonders zweckmäßigen Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens den Öffnungsquerschnitt zur Hälfte mit dielektrischem Material einer solchen Stärke aus, daß eine Phasenverschiebung einer halben Betriebswellenlänge eintritt, so wird,, wie Bild 4 zeigt, die Polarisation im oberen Teil des Öffnungsquerschnittes in geeigneter Weise gerichtet. Die Vertikalkomponenten sind, jetzt alle gleichgerichtet und so für die Abstrahlung wirksam, die Plorizontalkomponenten heben sich in Richtung der Strahlerachse ganz, in den anderen Richtungen zum großen Teil auf.

Die Polarisationsrichtung des abgestrahlten Feldes hängt daher, wie aus Bild 4 ohne weiteres ersichtlich, von der Lage des Halbrings aus dielektrischem Material ab.

Ordnet man gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung den Halbring drehbar an, so kann durch dessen Drehung eine Drehung der Polarisationsebene erzielt werden.

Sollen auf der konzentrischen Leitung alle Wellentypen außer der TEM-Welle streng vermieden werden,

so ist sie so zu dimensionieren, daß — (d + D) kleiner

als die kleinste Betriebswellenlänge ist. Bei dem kurzen Stück einer trichterförmigen Erweiterung ist diese Bedingung, ähnlich wie die entsprechenden

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Grenzwellenbedingungen, bei den gebräuchlichen Trichterstrahlern nicht unbedingt einzuhalten.

Sollen für einen dritten oder vierten Kanal weitere Erregercharakteristiken erzeugt werden, oder soll für den zweiten Kanal eine Erregercharakteristik mit _i einer anderen Polarisationsrichtung erzeugt werden, so kann man eine zweite konzentrische Leitung derart anordnen, daß ihr Innenleiter durch den Außenleiter der ersten konzentrischen Leitung dargestellt wird. Es entsteht so ein mehrfach ineinandergeschachtelter Strahler, dessen verschiedene Strahlerflächen für verschiedene Frequenzkanäle und verschiedene Polarisationsarten verwendet werden können (Bild 5).

Sowohl Hohlleiter als auch die darumliegenden konzentrischen Leitungen können natürlich auch einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt besitzen (Bild.6und7).

In Fortführung des Erfindungsgedankens kann man durch die Strahlerflächen der konzentrischen Leitungen in Richtung der Strahlerachse eine zirkularpolari sierte Strahlung erzeugen, indem man die ganze Strahlerfläche mit dielektrischem Material ausfüllt, dessen Dicke derart bemessen ist, daß die durch das Dielektrikum verursachte Phasenverschiebung genau proportional dem Umfangswinkel ist. Für die Abstrahlung eines solchen Ringes in Richtung der Strahlerachse genügt es bezüglich der Polarisation, die eine Hälfte, z. B. die linke der Strahlerfläche, zu betrachten. Die ohne das Vorhandensein des Ringes aus phasenverschiebendem Material jeweils radial nach außen gerichteten Feldvektoren einer TEM-Welle werden durch die proportional mit dem Umfangswinkel erfolgenden Phasendrehung/Stets so gedreht, daß in bezug auf den um, 180° des Umfangswinkeis ver-

E_x = E_1x + E_2x

schobenen Vektor stets eine Phasenverschiebung um 180°, mithin eine Umkehrung des Vektors eintritt, d. h., die vorher radial vom Mittelpunkt nach außen gerichteten Feldvektoren der TEM-Welle haben nunmehr für jeden beliebigen Durchmesser eine sich in ihrer Wirkung addierende Richtung. Die Feldvektoren der rechten Strahlerfläche haben dann infolge der jeweils um 180° gedrehten Phase genau die gleiche Richtung wie die entsprechende linke Hälfte, z. B. der Vektor 1 und 1', 2 und 2', 3 und 3' oder 4 und 4' (Bild 8).

Der Feldvektor sei E = E₀ cos (ω t + φ). Betrachtet man den Vektor E_x im linken unteren Quadranten (Bild 9), der den Winkel α gegen die y-Achse bilden soll, und einen gegen E₁ um 90° gedrehten Vektor E₉, dann sind die X- und F-Komponenten dieser Feldvektoren

E_1x = E₁ sin a = E₀ cos (ω t + ^₁) sin α
E_2x = E₂ cos a = E₀ cos (ω t + <p₂) cos α
E_ly = E₁ cos α = E₀ cos (ω t + ^c₁) cos α
E_2y = —E₂ sin a = E₀ cos (ω t + φ₂) sin α

Bemißt man jetzt die Dicke des Dielektrikum^ so, daß die Phasenverschiebung φ proportional dem Umfangswinkel α ist, so wird

Damit wird aber

= E₀ cos (co t + α) sin α + cos j ω t -\ (- α ] cos α

= E₀ [cos co t cos α sin α — sin ω t sin² α — sin ω t cos² α — cos co t sin α cos α] = —E₀ sin co t,

E_x = E₀ cos \oit -\-

und entsprechend

= E₁, + E_n

= E₀ cos (co t -j- α) cos α — cos I ω t -\ + α) sin α

\ 2 j \

= E₀ [cos ω t cos² α — sin ω ί sin α cos α + sin ty to £ cos α sin α + cos ω t sin² α] .

E_v — E₀ cos ω t.

Die Betrachtung der für die vertikale bzw. horizontale Komponente der elektrischen Feldstärke gewonnenen Beziehungen zeigt, daß das vom Umfangswinkel α abhängige Glied herausfällt. Die beiden Gleichungen für E_x und E_y stellen also· die Verhältnisse für die Zerlegung jedes beliebig gerichteten Vektors in der linken Hälfte des Bildes 8 dar; unter Berücksichtigung der Gleichheit der linken und rechten Hälfte des Öffnungsquerschnittes in bezug auf die Feldrichtung haben die beiden Beziehungen also' für die gesamte öffnung Gültigkeit, wenn man die Abstrahlung in Richtung der Strahlerachse betrachtet.

Der resultierende elektrische Feldvektor wird dann

E_ges = t_xE₀ cos (ω t H

cos co t,

d. h., er stellt ein zirkulär polarisiertes Feld dar.

Z_x und Z_x sind die Einheitsvektoren in x- bzw. ^-Richtung.

Ein solcher, auf mehreren weit auseinanderliegenden Frequenzbändern betriebener »Simultanerreger« eignet sich besonders zur Ausleuchtung einer exzentrischen Parabolkalotte (Bild 10).

Soll der Erreger für die zentrale Speisung eines Rotationsparaboloids verwendet werden, so kann er — wie von den einfachen Erregern her bekannt — in die Form eines Stockgriffes umgebogen werden oder entsprechend dem von Cutler in »Proceedings of the I. R. Ε.«, Nov. 1947, S. 1284ff., für einen HF-Kanal angegebenen Erreger ausgeführt werden (Bild 11).

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Strahleranordnung für sehr kurze elektromagnetische Wellen zur Erzielung vony insbesondere zur Ausleuchtung von Parabolspiegeln geeignetÄErregercharakteristiken mit gleichen Wellen-Zentren für mindestens zwei weit auseinanderliegende Frequenzbänder, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seiner öffnung in einem ersten Frequenzband erregter Hohlleiter von einem oder mehreren Mantelleitern konzentrisch umgeben ist, derart, daß jeweils der innere Hohl- oder Mantelleiter mit dem nächsten ihn umgebenden Mantelleiter eine in je einem weiteren Frequenzband zu erregende konzentrische Leitung bildet, wobei die zur Abstrahlung notwendige Feldverteilung entweder durch Anregung geeigneter Wellenformen oder durch mindestens teilweise Ausfüllung der Mantelleiterquerschnitte mit phasenverzögerndem oder -beschleunigendem Material erfolgt.

2. Strahleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer für die Abstrahlung geeigneten Feldverteilung den öffnungen der konzentrischen Leitungen die TE₁₁-Welle zugeführt wird.

3. Strahleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer für die Abstrahlung geeigneten Feldverteilung den öffnungen der konzentrischen Leitungen eine Kombination der TE₁₁- mit der TE₁₂-WeIIe mit zweckmäßig gewählter Amplitude, Phase und Polarisation der einzelnen Wellenformen zugeführt wird.

4. Strahleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer für die Abstrahlung geeigneten Feldverteilung die öffnungen der konzentrischen Leiter ganz oder teilweise mit dielektrischem Material ausgefüllt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und, 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung störender Hohlleiterwellentypen die konzentrische Leitung

und die Öffnung so dimensioniert sind, daß -^- (d ~\- D)

kleiner als die kleinste Betriebswellenlänge ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die halbe Öffnung durch phasenverzögerndes oder -beschleunigendes Material ausgefüllt ist und daß dieser Halbring eine Phasenverschiebung von einer halben Betriebswellenlänge erzeugt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbring zur Drehung der Polarisationsebene drehbar angeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ganze Öffnung mit einem phasenverzögernden oder -beschleunigenden Material ausgefüllt ist, das in seiner Dicke so dimensioniert ist, daß es zur Erzielung von Zirkularpolarisation eine solche Phasenverschiebung erwirkt, die genau dem Umfangswinkel proportional ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des inneren Hohlleiters und/oder der ihn umgebenden konzentrischen Leitungen rechteckig oder quadratisch ausgeführt sind.

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen ineinandergeschachtelten S tr ahler flächen in verschiedenen z. B. weit auseinanderliegenden Frequenzbereichen arbeiten und/oder Strahlungen mit ver- I schiedenen polarisierten Feldern hervorrufen.

11. Anwendung der Strahleranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden für die Ausleuchtung einer exzentrisch ausgebildeten Parabolkalotte.

12. Anwendung der Strahleranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden für die Ausleuchtung eines zentral gespeisten Rotationsparaboloids, wobei die Erreger in Form eines Stockgriffs umgebogen sind.

13. Anwendung der Strahleranordnung nach Anspruch 1 oder folgenden für die Ausleuchtung eines zentral gespeisten Rotationsparaboloids, wobei der Erreger als Cutler-Erreger ausgeführt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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