Richtfunkantenne Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtfunkantenne
für sehr kurze und insbesondere zwei senkrecht zueinander polarisierte elektromagnetische
Wellen, mit einem Hornstrahler, der frontseitig im Bereich der strahlenden Öffnung
zumindest ein flanaehähnliehes Gebilde aufweist, vor dem sich in Abstrahlrichtung
leitende Elemente befinden. Richtfunkantennen der erwähnten Art bestehen meist aus
einem Primärstrahler, dessen Strahlung auf einen Spiegel, beispielsweise einen Parabolspiegel
gerichtet ist: Von den Primärstrahlern für solche Antennen fordert man häufig bei
genügender Breitbandigkeit ein sektorförmiges Richtdiagramm, um die Spiegelfläche,
insbesondere von Parabolspiegeln kurzer Brennweite zur Erhöhung des Antennengewinnns
gleichmäßig auszuleuchten. Nach einer bekannten Forderung soll die Feldbelegung
des Spiegels, von der Mitte der strahlenden Fläche aus gerechnet, etwa
wie
verlaufen, wenn a die radiale Entfernung vom Strahlungszentrum ist. Es sind
viele Versuche unternommen worden, um eine derartige Feldverteilung von Strahlern
für sehr hohe Frequenzen zu erreiohen, wie z.8. durch Anwendung von Dipolgruppen,
Mehrfaehhornstrahlern, Stielstrahlern und dergleichen. Den bekannten Anordnungen
haften jedoch Nachteile an, die sie insbesondere für breitbandige Richtfunkanlagen
ungeeignet machen. So zeigen manche Anordnungen bei hohem Aufwand, meist verbunden
mit
einer räumlich ausgedehnten Konstruktion eine zu geringe Bandbreite.
Ausgedehnte Aufbauten. blenden, wenn sie in Abstrahlrichtung des Sekundärstrahles
angeordnet sind, einen zu grossen Teil der am Spiegel reflektierten Strahlen aus.
Mehrere Anordnungen sind außerdem für die Abstrahlung zweier senkrecht zueinander
polarisierter Wellen wegen des unsymmetrischen Aufbaues und des unsymmetrischen
Strahlungsfeldes nicht verwendbar. Meist wird zudem bei bekannten Anordnungen eine
weitere Forderung, nämlich die, das Strahlungsdiagramm in der E- und der H-Ebene,
wenigstens annähernd gleichartig zu gestalten, in keiner 'leise erfüllt. Beispiele
hierfür, mit allerdings anderem Aufbau als bei der Erfinüung, finden sich in der
DAS 1 018 482 und in der Zeitschrift "The Proc. IEE", Part B, 1959, Seiten
422 bis 42,6. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Richtantenne anzugeben,
die die einleitend dargelegten Forderungen bei Vermeidung der den bekannten Anordnungen
dieser Art anhaftenden, geschilderten Nachteile erfüllt. Diese Aufgabe wird bei
einer Richtfunkantenne für sehr kurze insbesondere zwei senkrecht zueinander polarisierte
elektY-omagnetische Wellen, mit einem Hornstrahler, der frontseitig im Bereich der
strahlenden Üffnung zumindest ein flanschähnliches Gebilde aufweist, vor dem sich
in Abstrahlrichtung leitende Elemente befinden, erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der sich rund um den Hornstrahler erstreckende Flansch maximale Querabmessungen
(Durchmesser) kleiner als drei mittlere Betriebswellenlängen 3 Ä m hat, sich im
Bereich zwischen der strahlenden Öffnung selbst und etwa Am/4 dagegen zurückversetzt
befindet, und an dem die leitenden Elemente neben der strahlenden Öffnung radialsymmetrisch
und sich maximal bis zu einer Wellmlänge über dem Flansch
in Hauptstrahlrichtung
erhebend, so befestigt sind, daß der raun über der Grundfläche der Strahleröffnung
frei bleibt. Die .:irkungsweise des Erfindungsgegenstandes kann man sich wie folgt
vorstellen. Das sektorförmige Richtdiagramm entsteht durch die Anregung vor. höheren
'@@lellentypen in der Apertur.
Neben der Grundwelle entstehen vor allem der i311 =ellentyp, er 312-'.iellentyp
und insbesondere der H12=,ellentyp. Die Entstehung dieser .;ellentypen beruht auf
den erwähnten leitenden 3lementen, die iber r3er Flanschebene angebracht sind. 1--an
kann diese -L#,7_emente als Sekun(,ärstrahler betrachten, die einen Teil der StraUangsenergie
auf Flanschebene reflektieren. 'iwar auch bei _er @:inr fchtung gemäß der brit.
Patentschrift 7'l@@-@u> von vor einem Hohll eiterflansch liegenden :Elementen
','eile der Strahlungsenergie r eflektirrt. Dort liegt jedoch ein anderer
Sachverhalt vor, es sinc_ nämlich mehrere Hohlleiter auf c.em gleichen Flansch geführt,
von dem aus die :ibstrahlung erfolgen soll, jedoch sollen sich die überkoppelnden
2nerg-ebeiträge zur Entkopplung der einzelnen Hohlleiter durch die obige Reflexion
gegenseitig auslöschen. . Vorteilhaft wird der Erfindungsgegenstand wie folgt weiter
ausgebildet. -gis ist vorteilhaft, wenn die Zahl der Elemente zwischen zwei und
acht liegt. Insbesondere Zur Abstrahlung von zwei senkrecht zueinander polarisierten
rellen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn vier leitende Elemente angebracht
sind, die in der E- und H-Ebene liegen. Als besonders vorteilhaft haben sich außerdem
keulen-,.pyramiden-, pilzförmige oder ähnlich geformte leitende Elemente erwiesen,
die mit dem Flansch vorzugsweise unmittelbar verbunden sind. Lins bevorzugte Ausführungsform
besteht aus vorzugsweise mit tellerförmigen :öpfen versehenen, .
insbesondere
A m/2 langen Stiften, wobei X m die mittlere Betriebswellenlänge im Übertragungsfrequenzband
ist. Eine andere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß die leitenden Elemente
aus metallischen Plättchen bestehen, die vom Flansch isoliert und in einem insbesondere
/i m/2 großen Abstand in Strahlungsrichtung vor diesem befestigt sind. Die Plättchen
sollen insbesondere kreisförmigen Querschnitt aufweisen und ihre maximalen Querabmessungen
über m/2 nicht hinausgehen. Der Hornstrahler besteht zweckmäßig aus einem einfachen
Hohlleiter, dessen Speisehohlleiter in der Flansehebene einen Querschnitt aufweist,
bei dem das Verhältnis von Grenzwellenlänge zur Betriebswellenlänge gleich oder
kleiner als 1,25 ist. 'Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Antenne nach der
Erfindung sind in. den Ansprüchen 9 bis 13 enthalten. Anhand von Ausführungsbeispielen,
die zum großen Teil in den Figuren 1 bis 5 dargestellt sind, wird nachstehend die
Erfindung näher erläutert. Die Figur 1 zeigt einen Hornstrahler, der aus einem kreisrunden
Hohlleiter 1 besteht, um dessen Öffnung ein breiter flanachförmiger Ansatz 2 gelegt
ist. Auf diesem Flansch sind, wie aus der Draufsicht linke in der Figur besser hervorgeht,
symmetrisch vier pilzförmige, leitende Elemente 3 angeordnet, die kreisrunde Kappen
4 aufweisen. Die vier Elemente können im einfachsten fall durch Schrauben verwirklicht
sein. Durch Versuche im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, daß der Flansch höchstens
einen Durchmesser von etwa 3,ka erhalten
soll, da eine Vergrößerung
darüberhinaus keine wirksamen Verbesserungen zu ergeben scheint. A m ist
hierbei die mittlere Wellenlänge des Betriebsübertragungsfrequenzbandes in dem der
Strahler betrieben wird. Sie wird im folgenden Text einfachheitshalber mit "Wellenlänge"
bezeichnet. Der Flansch selbst kann an sich eine beliebig geformte Fläche aufweisen,
z.B. einen Kelch, ein Vieleck, eine Ellipse oder dergleichen darstellen. Ebenso
kann ohne Flachteil der Hornstrahler selbst eine beliebig geformte strahlende Öffnung
erhalten, beispielsweise einen quadratischen, rechteckigen oder vieleckigen Querschnitt
in der Mündungsebene aufweisen, jedoch ist für die Übertragung zweier Polarisationen,
wie an sich bekannt, eine symmetrische Form am günstigsten. Die leitenden Elemente
3 sollen auf dem tellerförmigen Flansch angebracht sein, und nicht weiter als eine
Wellenlänge über die Flanschoberfläche in Strahlungsrichtung hinausragen. Bevorzugte
Ausführungen dieser Elemente sind die Pilzform, die Keulenform oder die Pyramidenform.
Die Elemente bestehen vorteilhaft völlig aus Metall, das wenigstens mit einer gut
leitenden Schicht, z.8. Silber, überzogen ist. Die Köpfe dieser Elemente, die breiter
ausgeführt sein können als die stabförmigen Träger, dürfen jedoch nicht in den Bereich
der sich senkrecht über der Hohlleiteröffnung (1a in der Figur 1) erstreckt, hineinragen.
Ein derartig einfach aufgebauter Strahler nach der Fig. 1 zeigt bereite die erwünschten,
etwa gleichen und sektorförmigen Richtdiagramme in der E- und H-Ebene der elektromagnetischen
Wellen. Bei der Verwendung des Hornstrahlers als Primärstrahler für eine Spiegelantenne
sollen die Diagramme nämlich zum Spiegelrand zu, zunächst etwas ansteigende Pegel
zeigen und am Rand dann möglichst steil abfallen. Das ist
besonders
bei Parabolspiegeln mit kurzer Brennweite wichtig. Liegt nämlich der Brennpunkt
in der Öffnungsfläche des Parabols, so tritt in Richtung des Spiegelrandes eine
7,usatzdämpfung von etwa 6 dB auf. Mit dem erfindungsgemäßen Strahler lassen sich
sehr hohe Flächenwirkungsgrade erreichen.. Im Zusammenhang mit flachen Parabolspiegeln,
bei denen normalerweise Flächenwirkungsgrade von etwa 55,-, erreicht werden, lassen
sich 'Jerte von wenigstens 7U;erzielen. gei sogenannten kurzbrennweitigen Spiegeln
mit starker Krümmung läßt sich der übliche `.';ert von ca. 42;ö auf 55 bis 65:j
erhöhen. Die Linderung des sog. Phasenzentrums bleibt dabei in einem sehr breiten
Frequenzband (beispielsweise zwischen 5,9 und 6,4 GHz) äußerst gering. Der erfindungsgemäße
Strahler hat ferner den Vorteil, daß er, eingebaut in einem Parabolspiegel, einen
sehr geringen Reflexionsfaktor hat. Es zeigte sich, daß die Parabolspiegelantenne,
versehen mit üblichen Hornstrahlerausführungen, Reflexionsfaktoren in der Größenordnung
von 5;ö aufweisen, während bei Verwendung des erfindungsgemäßen Strahlers der :Reflexionsfaktor
unter 1,5-,; lag. Beil r Verwendung von Parabolspiegeln mit Scheitelplatte lassen
sich Reflexionsfaktoren unter 1;#i erreichen, während bei Verwendung üblicher Strahler
kaum die 30 Grenze unterschritten werden kann. Der ger nge Reflexionsfaktor des
erfindungsgemäßen Strahlers ist offenbar auf dessen, z.B. in` Figur 2 dargestelltes
günstiges Strahlungsdiagramm, zurückzuführen. Die um den Scheitel des Parabolspiegels
liegende 7one, etwa von der Größe der Scheitelplatte, wird nämlich im Gegensatz
zu den Verhältnissen bei üblichen Hornstrahlerausführungen hier nicht mit größerer
Energie als andere Spiegelzonen angestrahlt. Das Messergebnis für das Primärdiagramm
eines derartigen Hornstrahlers, das also im Zusammenhang mit einem Parabolspiegel,
dessen Belegung angibt, ist in der Figur 2 in der
L- un@ä in vier
H-Ebene einer grelle dargestellt. Auf der Abszisse der Ditigrämme ist jeweils der
Strahlungswinkel itm das Zientrum angegeben, während auf der Ordinate die Arsplitude
der elektromagnetischen Strahlung aufgetragen ist. Die Änderung des Phasenzentrums
mit der Strahlrichtung ist in diese Diagramme mit eingezeichnet und auf einer weiteren
Ordinate, die mit "Phase" bezeichnet ist, aufgetragen. Es zeigt sich, daß bereits
ein derart einfach aufgebauter Strahler nach Figur 1 die eingangs gestellten Forderungen
weitgehend erfüllt. Noch günstigere Ergebnisse werden erzielt, wenn die Bolzen,
die in der Figur 1 mit 3 bezeichnet sind und in der Ausbreitungsrichtung der Wellen
liegen, seier dünn gewählt oder,. wie in der Figur 3 angedeutet ist, völlig weggelassen
werden und lediglich die Kappen 4 beispielsweise durch eine dieelektrische Halterung
in kurzem Abstand vor dem Flansch über dessen Grundfläche gehalten werden. Die übrig
bleibenden Plättchen (in der Figur mit 4 bezeichnet), können schließlich sehr dünn
gemacht werden. Ihr Durchmesser sollte jedoch nicht größer als eine halbe Wellenlänge
sein. Es zeigte sich, daß diese Plättchen nicht unbedingt Kreisform besitzen müssen,
sondern auch eine beliebige andere Form aufweisen können, z.B. dipolähnliche Elemente
darstellen können. Diese dipolähnlichen Elemente können beispielsweise auch kleine
Kreuze darstellen. Ihre maximalen Querabmessungen sollten jedoch eine halbe Wellenlänge
a m nicht überschreiten. Die leitenden Elemente, ob sie nun direkt über leitende
Stäbchen mit dem Flansch verbunden werden oder über dielektrische Halterungen, sind
symmetrisch so auf dem Plansch anzubringen, daß sie in der E- Und in der H-Ebene
der elektromagnetiaohen
Welle liegen. Besonders wichtig ist dies,
wenn der Hornstrahler für die Abstrahlung von zwei entkoppelten Polarisationen dient.
Um die günstigen Eigenschaften des Strahlungsdiagramms nicht allzustark #,:u verändern,
ist es zweckmäßig, den Querschnitt der Mündungsöffnung des Strahlers, d.h. des unmittelbar
vor der t'ündung befindlichen Hohlleiterabschnitts so zu bemessen, daß bei ihm das
Verhältnis von Grenzwellenlänge für die Grundwelle zur Betriebswellenlänge kleiner
als 1,25 bleibt. Unter Betriebswellenlänge soll hierbei die Freiraum-Wellenlänge
verstanden werden. Es hat sich gezeigt, daß eine besonders günstige Form für den
Flansch die Achteckform ist, wie sie in der Figur 4 dargestellt ist. Vier Seiten
des Achtecks sollen dabei.senkrecht zu den E- und H=Ebenen der Wellen verlaufen.
Es ist zweckmäßig, diese Seiten etwas länger zu bemessen, als die vier übrigen Seiten
und u.U. diese Seiten etwas abzurunden. Diese Form hat sich als besonders günstig
für zwei.Polarisationen erwiesen. Insbesondere zum Zweck der Abdichtung des Strahlers
gegen die Atmosphäre ist eine für Weilen transparente Abdeckhaube aus einem Dielektrikum
auf dem Flansch des Strahlers angebracht, wie in der Figur 5 näher dargestellt ist.
Derartige Haube. sind zwar bekannt, ihre Verwendung hat sich aber für den erfindungsgemäßen
Strahler als besonders günstig deshalb erwiesen, weil gleichzeitig an ihrer Frontfläche,
zweckmäßig auf der Innenseite, die bereits erwähnten leitenden Elemente befestigt
werden können. Die Darstellung nach Figur 5 zeigt den Hornstrahler 1 mit Flansch
2, Abdeckhaube 7 und leitenden Elementen 4. Wegen
der leitenden
Elemente 4 ist es günstig, den mit b bezeichneten Abstand zwischen Flanschoberfläche
und Abdeckhaube zu etwa einer halben mittleren Betriebswellenlänge zu bemessen.
Zur Kompensation der Fehlanspannung, die durch die Abdeekhaube hervorgerufen wird,
ist es zweckmäßig, eine dielektrische Scheibe 6 über einen dielektrischen Stab 5
im Abstand von etwa einem Viertel der mittleren Betriebswellenlänge gegen die Strahleröffnung
zu, zu befestigen. Die Elemente 5 und 6 sind ihrer Größe nach so gewählt, daß sich
eine optimale Reflexionskompensation ergibt. Für manche Anwendungsfälle hat es sich
als güntig erwiesen, den Flansch, der in allen Figuren mit 2 bezeichnet ist um bis
zu X m/4 hinter die Hohlleiteröffnung zurückzusetzen. Diese Maßnahme kann,
wie die bereits vorher geschilderten Änderungen, ebenfalls bei allen geschilderten
Ausführungsformen des Strahlers angewendet werden. Eine weitere, für manche Anwendungsfälle
günstige Anordnung besteht darin, daß um den Rand des Flansches ein metallischer
Zylinder gelegt ist, der bis zu einer Länge von A m/4 über die Flansohebene in Strahlungsrichtung
hinausragen kann. Für besondere strenge Forderungen an die Rückstrahlung ist es
zweckmäßig, um den Rand des tellerförmigen Flansches wenigstens einen koaxialen
Sperrtopf anzuordnen. Der Sperrtopf sollte aus einer a m/4 tiefen Rinne bestehen,
dessen Spaltbreite jedooh %1 m/20 nicht wesentlich unterschreiten soll, um zu vermeiden,
daß das Phasenverhalten des Strahlers und die Formen der Richtdiagramme stark beeinflußt
werden. Es ist in manchen Fällen günstig, mehrere solche Sperrtöpfe koaxial um den
ersten herum anzuordnen.