DE1253772B

DE1253772B - Hohlleiterstrahler fuer zwei voneinander getrennte Frequenzbaender

Info

Publication number: DE1253772B
Application number: DEW37899A
Authority: DE
Inventors: Richard Herbert Turrin
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1963-12-05
Filing date: 1964-11-03
Publication date: 1967-11-09
Also published as: GB1080546A; US3268902A; BE656440A; NL6412590A; SE312157B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIq

Deutsche Kl.: 21 a4 - 46/02

Nummer: 1253 772

Aktenzeichen: W 37899IX d/21 a4

Anmeldetag: 3. November 1964

Auslegetag: 9. November 1967

Die Erfindung betrifft Hohlleiterstrahler für zwei voneinander getrennte Frequenzbänder, bestehend aus einem kreiszylindrischen, an seinem elektrisch offenen Ende strahlenden Hohlleiter, der im Bereich des offenen Endes derart belastet ist, daß sich in beiden Frequenzbändern etwa das gleiche Strahlungsdiagramm ergibt.

Bei dem Versuch, zwei voneinander getrennte Frequenzen von einem Hohlleiter direkt oder auf einen großen Reflektor abzustrahlen, tritt die grundsätzliche Schwierigkeit auf, daß das Strahlungsdiagramm für die beiden Frequenzen verschieden ist. Im allgemeinen wird bei einem Hohlleiterstrahler das Strahlungsdiagramm schmaler, wenn die Frequenz der abgestrahlten Energie höher wird. Dieser Unterschied der Strahlungsdiagramme bei zwei Frequenzen ist unerwünscht.

Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei der wenigstens ein leitender Hohlzylinder koaxial nahe am Ende in einen sich erweiternden kreiszylindrisehen Hohlleiter eingesetzt ist. Die Zylinder teilen den Hohlleiter im wesentlichen in eine Vielzahl von Koaxialleitungen auf, die jeweils den Hjj-Wellentyp mit verschiedener Phasengeschwindigkeit führen. Gewisse Teile der Phasenfront, die normalerweise aus dem ungestörten Hohlleiter austritt, werden dann derart beschleunigt oder verzögert, daß Änderungen des Strahlungsdiagramms beseitigt werden. Durch diese Störung der Wellenfront wird die Tendenz der gleichphasigen Energieflächen, bei größer werdenden elektrischen Abmessungen der abstrahlenden Öffnung des Hohlleiters zunehmend flach zu werden, kompensiert und damit auch die Tendenz beseitigt, daß das Strahlungsdiagramm mit zunehmender Betriebsfrequenz schmaler wird.

Die bekannte Anordnung weist den Nachteil auf, daß die Anzahl, Gestalt und gegenseitige Kopplung der konzentrischen Leitungen den Aufbau, die Herstellung und die Justierung eines solchen Strahlers schwierig machen. Ferner beeinflußt jede Betriebsänderung bei einer Frequenz wegen der gegenseitigen Kopplung der Leitungen die Wirkungsweise bei allen anderen Frequenzen eines Frequenzbandes.

Die Erfindung will diese Nachteile bei einem Hohlleiterstrahler der eingangs genannten Art beseitigen. Sie empfiehlt, daß der Hohlleiter so bemessen ist, daß er den H₁₁-Wellentyp in beiden Frequenzbändern und den E_u-Wellentyp nur im höheren Frequenzband führt, daß der Hohlleiter an dem dem offenen Ende abgewendeten Ende in beiden Frequenzbändern im H_u-Wellentyp erregt ist, daß die Belastung aus einem koaxial, im wesentlichen inner-Hohlleiterstrahler

für zwei voneinander getrennte Frequenzbänder

Anmelder:

Western Electric Company,

Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
Richard Herbert Turrin,
Monmouth County, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. Dezember 1963
(328 401)

halb des Hohlleiters in der Nähe des offenen Endes angeordneten dielektrischen Stab mit wesentlich kleinerem Querschnitt und einer wesentlich größeren Dielektrizitätskonstanten als der Hohlleiter besteht und daß der dielektrische Stab so bemessen ist, daß der durch ihn im höheren Frequenzband in den E_n-Wellentyp umgewandelte Teil der H₁₁-WeIlCnenergie im zentralen Teil des Hohlleiters in der Nähe des offenen Endes eine solche Amplitude und Phase aufweist, daß er dort die H₁₁-Wellenenergie verstärkt. Auf diese Weise läßt sich das Strahlungsdiagramm im höheren Frequenzband korrigieren, ohne das Strahlungsdiagramm im niedrigeren Frequenzband zu beeinflussen. Durch die Verstärkung der Hjj-Wellenenergie im zentralen Teil des Hohlleiters in der Nähe des offenen Endes und eine entsprechende Schwächung in der Nähe der Hohlleiterwand wird die wirksame Fläche der Öffnung im höheren Frequenzband im Verhältnis zu derjenigen im niedrigeren Frequenzband herabgesetzt und damit das Strahlungsdiagramm im höheren Frequenzband verbreitert.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand der Zeichnungen noch näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

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Fig. 2A einen Querschnitt eines kreisförmigen die Frequenz der abgestrahlen Wellenenergie erhöht

Hohlleiters mit den elektrischen Feldlinien des H₁₁- wird, wird das Diagramm entsprechend den ge-

Wellentyps, strichelten Kurven 32 und 33 in F i g. 3 schmaler.

Fig. 2B einen Querschnitt eines kreisförmigen Es ergibt sich nun das Probolem, wie man ein

Hohlleiters mit den elektrischen Feldlinien des E₁₁- 5 Strahlungsdiagramm für die höhere Frequenz er-

Wellentyps, halten kann, das im wesentlichen dieselbe Form und

Fig. 2C einen Querschnitt eines kreisförmigen Breite wie das Diagramm für die niedrigere Fre-

Hohlleiters mit den elektrischen Feldlinien der korn- quenz hat. Offenbar läßt sich dies erreichen, indem

binierten H₁₁- und E_1]L-Wellentypen, die Größe der Hohlleiteröflnung für höhere Fre-

F i g. 3 eine graphische Darstellung des Strahlungs- 10 quenz proportional verkleinert wird. In den meisten

diagramms einer unbelasteten kreisförmigen Hohl- Fällen ist es jedoch nicht möglich, die physikalischen

leiteröflnung für zwei Frequenzen, Abmessungen der Öffnung zu verändern, insbeson-

F i g. 4 eine graphische Darstellung des Strahlungs- dere weil eine derartige Anordnung im allgemeinen

diagramms der Ausführung nach F i g. 1 bei den- auf der Spitze eines hohen Turms oder an einem an-

selben zwei Frequenzen, 15 deren unzugänglichen Ort angeordnet ist.

F i g. 5 graphisch die Auswirkung einer Durch- Erfindungsgemäß wird eine äquivalente Verklei-

messeränderung des Stabes 10 nach F i g. 1 auf das nerung der Öffnung durch eine Wellentypumwand-

Strahlungsdiagramm, lung erreicht, ohne die Größe der öffnung des Hohl-

Fig. 6 graphisch die Auswirkung der Lage des leiters tatsächlich zu verändern. In Fig. 2A ist der

Stabes 10 nach Fig. 1 auf das Strahlungsdiagramm, 20 Querschnitt eines kreiszylindrischen Hohlleiters,z.B.

F i g. 7 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des des Leiters 11 der F i g. 1, dargestellt. Die Pfeile

Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, das als Primär- stellen das elektrische Feld im Leiter für den H₁₁-

strahler für eine Parabol-Reflektorantenne verwen- Wellentyp dar.

det wird. Fig. 2B zeigt einen Querschnitt des gleichen

F i g. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel 25 kreiszylindrischen Hohlleiters, der den E₁₁-Weilender Erfindung. Ein zylindrischer dielektrischer Stab typ führt. Wieder stellen die Pfeile das elektrische 10 mit dem Durchmesser d_r und der Länge I ist ko- Feld dar. Wenn die beiden Feldbilder überlagert axial in einem leitend begrenzten kreiszylindrischen werden, entsteht ein Feld gemäß dem mit starken Hohlleiter 11 mit dem Innendurchmesserd_g angeord- Linien gezeichneten Feldlinienbild der Fig. 2C.
net. Die Dielektrizitätskonstante des Stabes 10 ist 30 Wie die Fig. 2C zeigt, löschen sich die elektriwesentlich größer als diejenige des den Leiter 11 sehen Felder für die beiden Wellentypen teilweise in ausfüllenden Mediums. Wenn dieses Medium z. B. der Nähe der Hohlleiterwand aus und verstärken Luft mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von sich im zentralen Bereich des Leiters. Der Grad der etwa 1 ist, wird der Stab 10 vorzugsweise aus einem Auslöschung und der Verstärkung hängt selbstver-Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante 35 ständlich von der relativen Feldstärke und Phase der von 2 oder mehr hergestellt. Der Stab 10 wird durch beiden Wellentypen ab. Das Ergebnis besteht jedoch ein ringförmiges Teil 12 aus Schaumstoff oder aus darin, daß die Wellenenergie im wesentlichen auf die einem anderen verlustarmen dielektrischen Material Mitte des Leiters konzentriert wird, so als ob die in seiner Lage gehalten. Die Dielektrizitätskonstante öffnung selbst verkleinert worden wäre. Durch Eindes Teils 12 ist im wesentlichen gleich derjenigen des 40 stellen der Phase und Amplitude der E_n-Wellen-Mediums, das den Rest des Leiters 11 ausfüllt. Sie energie kann das Strahlungsdiagramm des Hohlbeträgt im vorliegenden Beispiel also etwa 1. Der leiters viel breiter gemacht werden.
Stab 10 ist an seinem in den Leiter 11 führenden Die teilweise Umwandlung der H_n-Wellenenergie Ende zugespitzt. Das andere Ende des Stabes 10 ist in die E_n-Wellenenergie wird durch einen dielekstumpf und ragt eine Strecke s aus dem Ende des 45 irischen Stab 10 erreicht. Wie unten eingehender erLeiters 11 heraus. Wie eingehender unten beschrie- läutert wird, bestimmen die Abmessungen und die ben wird, ist die Strecke s im allgemeinen sehr klein Lage des Stabes 10 im Leiter 11 die Phase und gegen die Gesamtlänge I. Amplitude der E₁ ^Wellenenergie und damit die

Bei Verwendung als Sendeantenne wird elektro- Form des Strahlungsdiagramms. Da für einen kreismagnetische Wellenenergie von einer Quelle 13, die 50 zylindrischen Hohlleiter mit gegebenem Durchmesschematisch als Block dargestellt ist, in das vom Stab ser die Grenzfrequenz der E₁₁-Wellenenergie mehr 10 entfernte Ende des Leiters 11 im H_u-Wellentyp also doppelt so hoch liegt wie die der H_n-Welleneingespeist. Wenn andererseits die Anordnung als energie, ist es einfach, den Hohlleiterdurchmesser so Empfangsantenne benutzt wird, kann die empfangene zu wählen, daß die Energie nur für die höhere und Energie dem Ende des Leiters 11 entnommen und 55 nicht auch die niedrigere Frequenz als E_n-Wellendem Eingang des Empfängers zugeführt werden. typ geführt wird. Dann wird das Strahlungsdiagramm

Zweckmäßig wird jetzt zunächst das Strahlungs- für die niedrige Frequenz durch den Stab 10 nicht

diagramm eines unbelasteten offenen kreiszylindri- beeinflußt, dagegen durch ihn das Diagramm für die

sehen Hohlleiters (d. h. eines Hohlleiters ohne di- hohe Frequenz verbreitert.

elektrischen Stab) betrachtet. Wenn ein derartiger 60 Die obige Erläuterung wurde an Hand der elek-Hohlleiter als Strahler für Wellenenergie dient, die trischen Felder innerhalb eines kreiszylindrischen im Strahler mit dem Grundwellentyp H₁₁ geführt Hohlleiters gegeben. Entsprechendes gilt jedoch auch wird, ergeben sich die Strahlungsdiagramme gemäß für die magnetischen Felder, d. h., die magnetischen F i g. 3. Wenn die Frequenz der abgestrahlen Energie Felder des H₁₁-und E_n-Wellentyps löschen sich ebenetwas oberhalb der Grenzfrequenz des Leiters für 65 falls in der Nähe der Hohlleiterwand aus und addieden H_u-Wellentyp liegt, ergibt sich das durch die ren sich im zentralen Bereich des Leiters. Dies erKurven 30 und 31 dargestellte Diagramm in der gibt eine Verbreiterung des Strahlungsdiagramms in elektrischen bzw. der magnetischen Ebene. Wenn der magnetischen Ebene oder Η-Ebene für die hohe

Frequenz, das so beeinflußt werden kann, daß es dem Diagramm für die niedrige Frequenz entspricht.

Es wurden verschiedene Versuchmuster des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 gebaut und betrieben. Diese Muster waren für eine niedrige Frequenz von 6,75 GHz und eine hohe Frequenz von 11,2 GHz bemessen. Der Innendurchmesser d_g des Hohlleiters betrug 4,45 cm. Das Strahlungsdiagramm für einen unbelasteten, d. h. ohne dielektrischen Stab ausgeführten offenen, kreiszylindrischen Hohlleiter der genannten Abmessung für den H_u-Wellentyp ist in F i g. 3 gezeigt. Die ausgezogene Kurve 30 stellt das gemessene Diagramm in der Ε-Ebene und die Kurve 31 das Diagramm in der Η-Ebene jeweils bei der niedrigen Frequenz dar. Die Kurve 32 stellt das Diagramm in der Ε-Ebene und die Kurve 33 das Diagramm in der Η-Ebene jeweils für die hohe Frequenz dar. Es ist leicht erkennbar, daß die Diagramme für die hohe Frequenz beträchtlich schmaler als für die niedrigere Frequenz sind.

In der F i g. 3 wie auch den F i g. 4, 5 und 6 sind die Kurven mit normalisiertem Maßstab gezeigt, wobei die maximale Abstrahlungsintensität gleich 0 db ist.

Um die Strahlungsdiagramme für die hohe Frequenz zu verbreitern, ohne dabei die Diagramme für die niedrige Frequenz wesentlich zu beeinflussen, wurde der dielektrische Stab 10 in der an Hand der F i g. 1 beschriebenen Weise innerhalb des Leiters 11 angeordnet. Es wurde ein dielektrischer Stab mit einem Durchmesser d_r von 1,3 cm, einer Länge Z von 7,62 cm und einer Zuspitzung von 3,3 cm verwendet. Dieser Stab bestand aus einem Kunststoff, der eine Dielektrizitätskonstante von etwa 2,0 in dem Betriebsfrequenzbereich aufweist. Das ringförmige Abstandsteil 12 wurde aus Schaumstoff hergestellt, der eine Dielektrizitätskonstante von etwa 1 aufweist. Es wurde festgestellt, daß dieser Stab, wenn er in den Hohlleiter 11 so eingesetzt war, daß s gleich 0,64 cm ist, ein Strahlungsdiagramm für die hohe Frequenz ergibt, das im wesentlichen gleich demjenigen des unbelasteten Hohlleiters bei der niedrigen Frequenz ist. Es wurde ferner festgestellt, daß der Stab 10 im Leiter 11 das Diagramm für die niedrige Frequenz nicht wesentlich ändert.

F i g. 4 zeigt graphisch die oben angegebenen Ergebnisse. Die Kurven 30 und 31 stellen wiederum das Strahlungsdiagramm für die niedrige Frequenz in der E- bzw. Η-Ebene dar, während die Kurven 40 und 41 das Diagramm für die hohe Frequenz in der E- bzw. Η-Ebene zeigen.

Offensichtlich gibt es bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 mehrere veränderliche Parameter. Zunächst kann der Durchmesser des Stabes 10 verändert werden, um das Strahlungsdiagramm zu ändern. Im allgemeinen bleibt das Diagramm für die niedrige Frequenz bei Vorhandensein eines dielektrischen Stabes mit beliebigem Durchmesser im wesentlichen ungeändert. Andererseits zeigt das Diagramm für die hohe Frequenz im allgemeinen eine Verbreiterung bei zunehmendem Stabdurchmesser. F i g. 5 zeigt die gemessenen Strahlungsdiagramme für die hohe Frequenz bei verschiedenen Stabdurchmessern. In allen Fällen war der Abstand s gleich 0,64 cm. Die Kurven 50 und 51 stellen das Diagramm für den unbelasteten Hohlleiter dar. Die Kurven 52 und 53 gelten bei Verwendung eines Stabes mit einem Durchmesser von 0.64 cm, die Kurven 54 und 55 bzw. 40 und 41 bzw.

56 und 57 gelten für einen Stab mit einem Durchmesser von 0,95 bzw. 1,27 bzw. 1,9 cm, wobei die jeweils an erster Stelle genannte Kurve das Diagramm in der Ε-Ebene, die an zweiter Stelle genannte das Diagramm in der Η-Ebene zeigt.

Aus den Kurven 40, 41, 56 und 57 ist ersichtlich, daß das Strahlungsdiagramm in der Ε-Ebene für den Stab mit 1,27 cm Durchmesser etwas schmaler als das Diagramm für den Stab mit 1,9 cm Durchmesser

ίο ist, während der Stab mit 1,9 cm Durchmesser in der Η-Ebene das schmalere Diagramm hervorbringt.

Durch Veränderung des Parameters 5 läßt sich das

Strahlungsdiagramm ebenfalls beeinflussen. F i g. 6 zeigt das Strahlungsdiagramm des Ausführungsbeispiels der Fi g. 1 mit einem Stab von 1,27 cm Durchmesser. Die Kurve 40 stellt das Diagramm in der Ε-Ebene für 5=0,64 cm dar. Die Kurve 41 gilt für die Η-Ebene bei demselben Wert von s. Die Kurven 60 und 61 zeigen die Diagramme für 5=0 in der E-

ao bzw. Η-Ebene. Wenn der Stab 10 mehr und mehr in den Hohlleiter 11 hineinbewegt wird, so daß s immer kleiner wird, verbreitert sich das Strahlungsdiagramm.

Zusätzlich zur Veränderung des Durchmessers und

der Lage des Stabes 10 kann man auch seine Länge I und die Länge der Zuspitzung verändern. Im allgemeinen hat die Länge der Zuspitzung im Verhältnis zur Gesamtlänge I des Stabes keine wesentliche Wirkung auf die Strahlungsdiagramme. Die Länge / des Stabes beeinflußt aber die Strahlungsdiagramme für die hohe Frequenz. Es wurde festgestellt, daß ein Stab von 16,3 cm Länge bei der hohen Frequenz ein um mehrere Prozent schmaleres Diagramm als ein Stab von 7,6 cm Länge liefert.

Der Hohlleiterstrahler nach F i g. 1 kann auch als Primärstrahler für reflektierende oder brechende Antennen großer öffnung verwendet werden. F i g. 7 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Ansicht einer Paraboloid-Reflektorantenne bekannter Art. Der Paraboloid-Reflektor 70 wird durch den Hohlleiterstrahler ausgeleuchtet. Entsprechende Bauelemente weisen die gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 auf. Die Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 7 entspricht im wesentlichen der anderer Paraboloid-Reflektorantennen bekannter Art, abgesehen davon, daß die zur Speisung der Antenne verwendeten Mittel die gleiche Ausleuchtung des Reflektors für zwei getrennte Frequenzbänder ermöglichen. Hierdurch ergibt sich für die Antenne großer Öffnung ein erhöhter Gewinn bei der hohen Frequenz.

Claims

Patentanspruch:

Hohlleiterstrahler für zwei voneinander getrennte Frequenzbänder, bestehend aus einem kreiszylindrischen, an seinem elektrisch offenen Ende strahlenden Hohlleiter, der im Bereich des offenen Endes derart belastet ist, daß sich in beiden Frequenzbändern etwa das gleiche Strahlungsdiagramm ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (11) so bemessen ist, daß er den H₁₁-Wellentyp in beiden Frequenzbändern und den E_n-Wellentyp nur im höheren Frequenzband führt, daß der Hohlleiter (11) an dem dem offenen Ende abgewendeten Ende in beiden Frequenzbändern im H_u-Wellentyp erregt ist, daß die Belastung aus einem koaxial im wesentlichen innerhalb des Hohlleiters (11) in der Nähe des offenen Endes angeordneten dielek-

trischen Stab (10) mit wesentlich kleinerem Querschnitt und einer wesentlich größeren Dielektrizitätskonstanten als der Hohlleiter (11) besteht, und daß der dielektrische Stab (10) so bemessen ist, daß der durch ihn im höheren Frequenzband

in den E_n-Wellentyp umgewandelte Teil der H_u-Wellenenergie im zentralen Teil des Hohlleiters in der Nähe des offenen Endes eine solche Amplitude und Phase aufweist, daß er dort die H_u-Wellenenergie verstärkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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