DE1466308B2 - Hohlleiterstrahler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlleiterstrahler für insbesondere senkrecht zueinander polarisierte, elektromagnetische Wellen, der in der Mündungsebene einen sich rund um die Mündung erstreckenden Flansch mit maximalen Querabmessungen gleich oder kleiner als drei mittlere Betriebswellenlängen Am hat.

Solche Hohlleiterstrahler werden im allgemeinen zur Ausleuchtung eines Spiegels, beispielsweise eines Parabolspiegels, benutzt. 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 Antennengewinns gleichmäßig auszuleuchten. Nach einer bekannten Forderung soll die Feldbelegung des Spiegels, von der Mitte der strahlenden Fläche aus gerechnet, etwa wie verlaufen,

wenn χ die radiale Entfernung vom Strahlungszentrum ist.

Es wird ferner von einem solchen Strahler gefordert, daß sein Strahlungsdiagramm in der E- und der Η-Ebene wenigstens annähernd gleich wird.

Die letztere Forderung erfüllen auch Strahler, wie sie beispielsweise in den deutschen Auslegeschriften 1018 482 und 1 118 281 enthalten sind. Bei der erstgenannten liegt ein Rechteckhohlleiterstrahler vor, dessen Breitseiten an der Mündung durch trapezförmige Ansätze fortgesetzt sind. Ferner sind an den Breitseiten zwei senkrecht zu diesen verlaufende Ansätze vorgesehen, und die beiden trapezförmigen Ansätze sind nächst ihren freien Enden miteinander über ein leitendes Teil verbunden. Durch diese Gestaltung des rechteckigen Hohlleiterstrahlers wird ein weitgehendes Annähern der beiden Diagramme in E- und ίί-Ebene erreicht, jedoch kein sektorförmiges Richtdiagramm.

Ein ähnlicher Diagrammverlauf wird bei der deutschen Auslegeschrift 1 118 281 bei einem Hohlleiterstrahler dadurch erreicht, daß in der Mündungsebene parallel zu den Seiten der Mündung und in gewissem Abstand von diesen Dipole vorgesehen werden. Auch hier wird eine Annäherung der beiden Diagramme erzielt, jedoch kein sektorförmiges Richtdiagramm. Ferner ist bei diesen Strahlern das erwähnte Richtdiagramm offenbar nur in einem sehr schmalen Frequenzband zu erreichen, worauf die abgestimmten Elemente bei beiden Ausführungen hindeuten.

Es ist andererseits auch schon bekanntgeworden, mit Hohlleiterstrahlern ein sektorförmiges Richtdiagramm in einer Ebene zu erzielen. Dies wird gemaß der Literaturstelle »Proc. of the National Electronics Conference«, Vol. IV, 1948, S. 477 bis 480, mit einem Rechteckhohlleiterstrahler erreicht, der in der Nähe seiner Mündung eine parallel zu dieser verlaufende Flanschplatte zur Vermeidung von Rückstrahlung aufweist. Bei einem gewissen Abstand dieser Flanschplatte von der Mündungsebene treten bei diesem Strahler in der iZ-Ebene sektorförmige Richtdiagramme auf.

Ferner ist aus »The Proceedings of Institution of Electrical Engineers, Part. Β«, Juli 1959, S. 422 bis 426, ein Hohlleiterstrahler bekannt, dessen Breitseiten an der Mündung durch Lappen fortgesetzt sind. Bei bestimmten Längen und gewissen Abknickwinkeln dieser Lappen nach außen sind dort in der Ε-Ebene sektorförmige Richtdiagramme erzielbar. Nach der Art der Darstellung handelt es sich bei beiden zuletzt genannten Literaturstellen nur um Messungen bei einer Frequenz oder in einem sehr

schmalen Frequenzband, und vor allen Dingen sind dort nur Diagramme für eine einzige Ebene, entweder die H- oder die Ε-Ebene, angegeben, so daß ein Schluß auf einen ähnlichen Diagrammverlauf in der jeweils anderen Ebene nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlleiterstrahler zu schaffen, der ein breitbandig sektorförmiges und in E- und Η-Ebene weitgehend gleiches Diagramm aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine gerade Anzahl von leitenden flächigen Elementen in Abstrahlrichtung maximal eine mittlere Betriebswellenlänge über dem Flansch und mit ihrer Fläche parallel zu diesem radialsymmetrisch so angeordnet ist, daß der Raum über der Mündung frei bleibt.

Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes kann man sich wie folgt vorstellen: Das sektorförmige Richtdiagramm entsteht durch die Anregung von höheren Wellentypen in der Apertur. Neben der Grundwelle entstehen vor allem der £_n-Wellentyp, der £₁₂-Wellentyp und insbesondere der H_n-Wellentyp. Die Entstehung dieser Wellentypen beruht auf den erwähnten leitenden Elementen, die über der Flanschebene angebracht sind. Man kann diese Elemente als Sekundärstrahler betrachten, die einen .Teil der Strahlungsenergie auf die Flanschebene reflektieren.

Vorteilhaft wird der Erfindungsgegenstand wie folgt weiter ausgebildet.

Vorteilhaft werden vier leitende Elemente vorgesehen, die in der E- und ίί-Ebene liegen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß die leitenden flächigen Elemente mit vorzugsweise Am/2 langen leitenden oder isolierenden Stiften auf dem Flansch befestigt sind.

Dies kann vorteilhaft auch dadurch geschehen, daß die Kombination aus leitenden Elementen und Befestigungsstiften Keulen- oder Pyramidenform aufweist.

Die insbesondere kreisförmig ausgebildeten Elemente sollten maximale Querabmessungen von etwa Am/2 aufweisen. Der Hohlleiterstrahler besteht zweckmäßig aus einem Hohlleiter, der in der Flanschebene einen Querschnitt aufweist, bei dem das Verhältnis von Grenzwellenlänge zur Betriebswellenlänge in der Mündung gleich oder kleiner als 1,25 ist.

Insbesondere für die Abstrahlung zweier senkrecht zueinander polarisierter Wellen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Flansch Achteckform aufweist und wenn vier Seiten des Achtecks senkrecht zur E- und H-Ebene der Wellen verlaufen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Hohlleiterstrahlers sind in den Ansprüchen 8 bis 10 enthalten.

Die F i g. 1 zeigt einen Hohlleiterstrahler, der aus einem kreisrunden Hohlleiter 1 besteht, um dessen Öffnung ein breiter flanschförmiger Ansatz 2 gelegt ist. Auf diesem Flansch sind, wie aus der Draufsicht links 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 3 Am erhalten soll, da eine Vergrößerung darüber hinaus keine wirksamen Verbesserungen zu ergeben scheint. Am 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 beliebige Form aufweisen, z. B. ein Vieleck oder eine Ellipse darstellen. Ebenso kann ohne Nachteil der Hohlleiterstrahler selbst eine beliebig geformte strahlende Öffnung erhalten, beispielsweise

ίο 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 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 vorzugsweise mit einer gut leitenden Schicht, z. B. 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 (1 α in der F i g. 1) erstreckt, hineinragen.

Ein derartig einfach aufgebauter Strahler nach der F i g. 1 zeigt bereits die erwünschten sektorförmigen und in der E- und Η-Ebene der elektromagnetischen Wellen annähernd gleichen Richtdiagramme. Bei der Verwendung des Hohlleiterstrahlers 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 Zusatzdämpfung 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 Werte von wenigstens 70% erzielen. Bei sogenannten kurzbrennweitigen Spiegeln mit starker Krümmung läßt sich der übliche Wert von etwa 42% auf 55 bis 65 % erhöhen. Die Änderung des sogenannten 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% aufwies, während bei Verwendung des erfindungsgemäßen Strahlers der Reflexionsfaktor unter 1,5% lag. Bei Verwendung von Parabolspiegeln mit Scheitelplatte lassen sich Reflexionsfaktoren unter 1% erreichen, während bei Verwendung üblicher Strahler kaum die 3%-Grenze unterschritten werden kann. Der geringe Reflexionsfaktor des erfindungsgemäßen Strahlers ist offenbar auf dessen z. B. in F i g. 2 dargestelltes günstiges Strahlungsdiagramm zurückzuführen. Die um den Scheitel des Parabolspiegels liegende Zone, etwa von der Größe der Scheitelplatte, wird nämlich im Gegensatz zu den Verhältnissen bei üb-

lichen Hornstrahlerausführungen hier nicht mit größerer Energie als andere Spiegelzonen angestrahlt.

Das Meßergebnis für das Diagramm eines derartigen Hohlleiterstrahlers, das also im Zusammenhang mit einem Parabolspiegel dessen Belegung angibt, ist im oberen Teil der F i g. 2 in der E- und im unteren Teil von F i g. 2 in der //-Ebene einer Welle dargestellt. Auf der Abszisse der Diagramme ist jeweils der Strahlungswinkel angegeben, während auf der Ordinate die Amplitude der elektromagnetischen Strahlung aufgetragen ist. Die Änderung der Phase 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 F i g. 1 die eingangs gestellten Forderungen weitgehend erfüllt.

Noch günstigere Ergebnisse werden erzielt, wenn die Stifte, die in der F i g. 1 mit 3 bezeichnet sind und in der Ausbreitungsrichtung der Wellen liegen, sehr dünn gewählt oder, wie in der F i g. 3 angedeutet ist, völlig weggelassen werden und lediglich die Kappen 4 beispielsweise durch eine dielektrische Halterung in kurzem Abstand vor dem Flansch über dessen Grundfläche gehalten werden. Die übrigbleibenden 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 Am nicht überschreiten.

Die leitenden Elemente, ob sie nun direkt über leitende Stäbchen mit dem Flansch verbunden werden oder über dielektrische Halterungen, sind radial symmetrisch so auf dem Flansch anzubringen, daß sie in der E- und in der fl-Ebene der elektromagnetischen Welle liegen. Besonders wichtig ist dies, wenn der Hohlleiterstrahler für die Abstrahlung von zwei senkrecht zueinander polarisierten Wellen dient.

Um die günstigen Eigenschaften des Strahlungsdiagramms nicht allzu stark zu verändern, ist es zweckmäßig, den Querschnitt der Mündungsöffnung des Strahlers, d. h. des unmittelbar vor der Mündung 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 Freiraumwellenlänge verstanden werden.

Es hat sich gezeigt, daß eine besonders günstige Form für den Flansch die Achteckform ist. Vier Seiten des Achtecks sollen dabei senkrecht zu den E- und ZZ-Ebenen der Wellen verlaufen. Es ist zweckmäßig, diese Seiten etwas länger zu bemessen als die vier übrigen Seiten und unter Umständen diese Seiten etwas abzurunden, wie dies in der F i g. 4

ίο dargestellt ist. Diese Form hat sich als besonders günstig für zwei Polarisationen erwiesen.

Insbesondere zum Zweck der Abdichtung des Strahlers gegen die Atmosphäre ist eine für Wellen transparente Abdeckhaube aus einem Dielektrikum

χ 5 auf dem Flansch des Strahlers angebracht, wie in der F i g. 5 näher dargestellt ist. Derartige Hauben 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 F i g. 5 zeigt den Hornstrahler 1 mit Flansch 2, Abdeckhaube 7 und leitenden Elementen 4. Wegen der leitenden EIemente 4 ist es günstig, den mit b bezeichneten Abstand zwischen Flanschoberfläche und Abdeckhaube ■ zu etwa einer halben mittleren Betriebswellenlänge zu bemessen. Zur Kompensation der Fehlanpassung, die durch die Abdeckhaube hervorgerufen wird, ist es zweckmäßig, eine dielektrische Scheibe 6 über einen dielektrischen Stab 5, im Abstand von etwi 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.

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 Am/4 über die Flanschebene in .Strahlungsrichtung hinausragen kann.

Für besonders strengen Forderungen an die Rückstrahlungsunterdrückung ist es zweckmäßig, um der Rand des tellerförmigen Flansches wenigstens einer koaxialen Sperrtopf anzuordnen. Der Sperrtopf sollte aus einer Am/4 tiefen Rinne bestehen, deren Spaltbreite jedoch Am/20 nicht wesentlich unterschreiten soll, um zu vermeiden, daß das Phasenverhalten de; Strahlers und die Formen der Richtdiagramme start beeinflußt werden. Es ist in manchen Fällen günstig mehrere solche Sperrtöpfe koaxial um den ersten her um anzuordnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Hohlleiterstrahler für insbesondere senkrecht zueinander polarisierte, elektromagnetische Wellen, der in der Mündungsebene einen sich rund um die Mündung erstreckenden Flansch mit maximalen Querabmessungen gleich oder kleiner als drei mittlere Betriebswellenlängen Am hat, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl von leitenden flächigen Elementen (4) in Abstrahlrichtung maximal eine mittlere Betriebswellenlänge über dem Flansch (2) und mit ihrer Fläche parallel zu diesem radialsymmetrisch so angeordnet ist, daß der Raum über der Mündung (1 a) frei bleibt.

2. Hohlleiterstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier leitende Elemente vorgesehen sind, die in der E- und ίί-Ebene liegen.

3. Hohlleiterstrahler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden flächigen Elemente (4) mit vorzugsweise Am/2 langen leitenden oder isolierenden Stiften auf dem Flansch (2) befestigt sind.

4. Hohlleiterstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus leitenden Elementen und Befestigungsstiften Keulenoder Pyramidenform aufweist.

5. Hohlleiterstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die insbesondere kreisförmig ausgebildeten Elemente (4) maximale Querabmessungen von etwa Am/2 aufweisen.

6. Hohlleiterstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihm das Verhältnis von Grenzwellenlänge zur Betriebswellenlänge in der Mündung gleich oder kleiner als 1,25 ist.

7. Hohlleiterstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch Achteckform aufweist und daß vier Seiten des Achtecks senkrecht zur E- und //-Ebene der Wellen verlaufen.

8. Hohlleiterstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Flansch (2) eine dosenförmige, dielektrische Abdeckhaube (7) mit ihrer Frontfläche im Abstand insbesondere von einer halben Wellenlänge von der Flanschebene angebracht ist, an der die leitenden Elemente (4) befestigt sind.

9. Hohlleiterstrahler nach einem der, vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um den Rand des Flansches (2) ein metallischer, zylindrischer Körper gelegt ist, der bis zu einer Länge von Am/4 über die Flanschebene hinausragt.

10. Hohlleiterstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (2) von wenigstens einem Sperrtopf umschlossen ist, dessen Spaltbreite gleich oder größer als Am/20 gewählt ist.