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Das Strahlungsdiagramm eines Flächenstrahlers wird bekanntlich durch
seine Belegung bestimmt. Die Erfindung betrifft einen Flächenstrahler, mit welchem
sich auf Grund eines geforderten Strahlungsdiagramms notwendige Belegungsfunktionen
annähern lassen.
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Es ist bereits bekannt, zu diesem Zwecke die Apertur eines rotationssymmetrisch
aufgebauten Flächenstrahlers durch konzentrisch zueinander angeordnete Leitflächen
zu unterteilen (USA.-Patentschrift 2 928 092): Es ist darüber hinaus bekannt, einen
Hornstrahler durch sich in Ausbreitungsrichtung der Wellen in dem Hornstrahler erstreckende
metallische Leitflächen, die bis zur Speiseleitung fortgeführt sind, zu unterteilen
(deutsche Auslegeschrift 1010 123).
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Bei beiden bekannten Strahleranordnungen erfolgt die Speisung durch
einen gemeinsamen Koaxialleiter bzw. Hohlleiter. Will man in den einzelnen Abschnitten
der in konzentrischen Ringzonen unterteilten kreisförmigen Apertur von der Mitte
zum Rand der Apertur hin stark abfallende Amplituden verwirklichen, so ist dies
bei einer gemeinsamen Speisung aller Abschnitte schwierig.
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Die vorbekannten Flächenstrahler mit in konzentrische Ringzonen unterteilter
Apertur unterliegen deshalb Beschränkungen hinsichtlich der erreichbaren Belegungsfunktion.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Flächenstrahler mit
in konzentrischen Ringzonen unterteilter kreisförmiger Apertur so zu erregen, daß
auch Beiegungsfunktionen mit von der Mitte zum Rand der Apertur hin stark abfallender
und in benachbarten Ringzonen unterschiedliche Vorzeichen aufweisender Amplitude
erzielt werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Flächenstrahler
mit in konzentrische Ringzonen unterteilter kreisförmiger Apertur, der aus einem
inneren Hohlleiter kreisförmigen Querschnitts und diesen koaxial umgebenden Mantelleitern
ebenfalls kreisförmigen Querschnitts besteht, von denen jeder mit dem nächst inneren
Mantelleiter bzw. dem inneren Hohlleiter eine Koaxialleitung bildet, wobei alle
Leitungen jeweils getrennt herausgeführt, mit derselben Frequenz gespeist und jeweils
derart erregt und/oder mit die Wellenausbreitung beeinflussenden Mitteln versehen
sind, daß in jeder Ringzone sich ein wenigstens nahezu homogenes und wenigstens
nahezu in einer Richtung polarisiertes Feld ergibt (deutsche Auslegesehrift 1051
342). Die vorbekannte Anordnung wurde unter anderem zum Betrieb mit verschiedenen
polarisierten Feldern in den einzelnen Leitungen verwendet. Zur Lösung der neuen
Aufgabe wandelt die Erfindung diese Anordnung in zweckentsprechender Weise ab.
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Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß die Polarisationsrichtung
in allen Teilaperturen wenigstens nahezu gleich ist, daß die Leitungen mit derartiger
Amplitude und Phase gespeist sind, daß eine von der Mitte der Apertur nach dem Rand
hin mit abnehmender Amplitude oszillierende, rotaiionssymmetrische Belegungsfunktion
angenähert ist, wobei die Hohlleiterwand und die Mantelleiter solche Abmessungen
besitzen, daß sie in der Apertur auf den konzentrischen Kreisen liegen, auf denen
die Belegungsfunktion den Wert Null hat.
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Mit einem solcherart der neuen Aufgabe angepaßten Flächenstrahler
mit in konzentrischen Ringzonen unterteilter kreisförmiger Apertur läßt sich ein
Strahlungsdiagramm in der Form eines sphärischen Sektors genügend annähern.
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Im folgenden wird an Hand eines Ausführungsbeispiels für die Belegungsfunktion
die Erfindung näher erläutert.
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Zur Verdeutlichung dienen mehrere Figuren. Es zeigt F i g. 1 die Belegungsfunktion
des Ausführungsbeispiels, F i g. 2 das zugehörige Strahlungsdiagramm, F i g. 3 einen
Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Flächenstrahlers, F i g. 4 eine andere
Ausführungsform mit einem Abstand der verschiedenen koaxialen Leiter voneinander
von 0,625 2,
F i g. 5 eine Ausführungsform ohne die trichterförmige Erweiterung
der F i g. 3 und 4, F i g. 6 verschiedene Feldkonfigurationen in Koaxialleitungen,
wie sie für die Speisung der einzelnen Strahlerabschnitte verwendet werden, F i
g. 7 ein Wellentypfilter für die HU-Welle, F i g. 8 ein anderes Wellentypfilter.
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Eine Strahlungscharakteristik in Form eines sphärischen Sektors wird
sehr gut durch die Belegungsfunktion
angenähert. Hierbei bedeutet C = eine beliebige Konstante, die die Anzahl m der
Oszillationen der Belegung bestimmt, r - g/a, t@ = die Polarkoordinate in
der kreisförmigen Apertur mit dem Radius a, J1 (Cr) = die Besselfunktion erster
Ordnung, 172 = 1, 2, 3, ...
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In F i g. 1 ist die Belegung nach Gleichung (1) für m = 6 wiedergegeben.
Die Belegungsfunktion lautet dann
Das zugehörige Strahlungsdiagramm mit 2 00 = 140° zeigt F i g. 2, wobei z9,
die Nullwertsbreite der Hauptkeule ist.
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Die F i g. 3 zeigt im Schnitt den inneren Hohlleiter und die ihn umgebenden
koaxialen Leitungen. Die Durchmesser der verschiedenen Leitungen am Einspeisungsende
sind mit 2 a1 bis 2 a" die entsprechenden Durchmesser an der Apertur mit 2A1 bis
2A, bezeichnet. Die zunächst mit konstantem Durchmesser verlaufenden Leitungen sind
gegen die Apertur hin trichterförmig erweitert.
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Bezeichnet man die Nulldurchgänge der Belegungsfunktion mit jl,j2,j3,
. . .,j, und mit Al, A2, A3,.. ., A", .
die
Radien des kreis- bzw. der ringförmigen Strahlerabschnitte in der Apertur, dann
müssen diese Radien folgendermaßen bemessen werden:
USW.
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Der Durchmesser des Gesamtstrahlers 2A. hängt von der gewünschten
Breite der Hauptkeule 200 und von der Belegungsfunktion h(r) ab.
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Für die im Ausführungsbeispiel gewählte Belegungsfunktion
in der j1.", die m-te Nullstelle der Besselfunktion erster Ordnung ist, wird mit
guter Näherung
gemacht. In der Apertur des Strahlers soll das Feld möglichst weitgehend linear
polarisiert sein, zu diesem Zweck wird man den inneren Hohlleiter mit der HU-Welle
erregen, wobei der Hohlleiter in bekannter Weise so dimensioniert werden muß, daß
sein Durchmesser 2a1 der Bedingung
entspricht. In den koaxialen Leitungen ist die normalerweise verwendete EH-Welle
(normale Koaxialwelle) nicht brauchbar, da ein so erregter Kreisringstrahler wegen
des radial gerichteten Feldes dieser Welle in axialer Richtung nicht strahlt. Um
das zu erreichen, kann man in an sich bekannter Weise in die Apertur einen geeignet
bemessenen Halbring aus Dielektrikum setzen, dessen Dielektrizitätskonstante sich
wesentlich von der der Koaxialleitungen unterscheidet und eine Phasenumkehr des
Feldes von 180° bewirkt.
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Macht man die lichte Weite der Koaxialleitungen größer, als es mit
Rücksicht auf die Eindeutigkeit der HU-Welle erlaubt wäre, so treten zwangläufig
eine Reihe anderer Wellentypen auf: Um die Erregung dieser störenden Wellentypen
zu unterbinden, ist es zweckmäßig, entsprechende Wellentypfilter in die Koaxialleitungen
und/oder in die anschließenden Trichter einzubauen. Als ein solches Wellentypfilter
kann z. B. ein Gitter aus Drähten oder metallischen Bändern benutzt werden, dessen
Drähte oder Bänder senkrecht zu der Richtung des in der F i g. 6 dargestellten elektrischen
Feldvektors verlaufen.
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Die F i g. 7 zeigt eines der vorstehend erwähnten Wellentypfilter,
welches lediglich die HU-Welle durchläßt. Dieses Wellentypfilter besteht in jeder
Koaxialleitung aus mehreren, zueinander konzentrischen, aus Drähten oder Metallbändern
gebildeten, im wesentlichen einen Kreis bildenden Bügelpaaren 2, 2; deren Einzelbügel
halbkreisförmig sind und in der zum elektrischen Vektor senkrechten ,.Symmetrieebene
3-4 aneinander und am äußeren Mantelleiter befestigt sind. Das Feldbild kommt aber
dem der linearen Polarisation weit näher, wenn in dem inneren Hohlleiter und in
den Koaxialleitungen nicht nur die HU-Welle (F i g. 6 linke Abbildung), sondern
zusätzlich auch noch mit geeigneter Amplitude und Phase die H12-Welle (F i g. 6,
mittlere Abbildung) erregt wird (F i g. 6, rechte Abbildung). Die Bedingung für
die Existenz-Fähigkeit dieser H12-Welle lautet für den kreisförmigen Hohlleiter
für die Koaxialleitungen -
Das bedeutet, daß der Abstand der verschiedenen Koaxialleiter größer als eine halbe
Wellenlänge sein muß. Wird der Strahler so dimensioniert (F i g. 4), so ist eine
sehr große Zahl weiterer Wellentypen möglich. Diese müssen ähnlich, wie oben beschrieben,
durch entsprechende Wellentypfilter unterdrückt werden. F i g. 4 zeigt einen Strahler,
bei dem der Abstand der einzelnen Koaxialleiter 0,625 Ä. beträgt und daher die trichterförmigen
Erweiterungen mit Rücksicht auf die vorgegebenen Aperturmaße nur noch einen sehr
kleinen Uffnungswinkel besitzen. Man kann deshalb in einem solchen Falle auch auf
die trichterförmigen Ansätze verzichten und die Existenzfähigkeit von noch einigen
weiteren Wellentypen in Kauf nehmen, indem man den Koaxialleitungen bereits am Einspeisungsende
die in der Apertur geforderten , Durchmesser gibt (F i g. 5).
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Die F i g. 8 zeigt ein Wellentypfilter, welches zur Erzielung einer
möglichst linearen Polarisation, beispielsweise bei einer gemeinsamen Erregung der
H,1-Welle und H12-Welle, eingesetzt wird. Es besteht einfach aus einem Gitter paralleler
Drähte oder Metallbänder 5, welches den gesamten Querschnitt der koakialen Leitungen
bedeckt. Wird auch im inneren Hohlleiter die gleiche Wellentypkombination erregt,
so bedeckt das Drahtgitter auch den Querschnitt des inneren Hohlleiters.