DE1466308C3

DE1466308C3 - Hohlleiterstrahler

Info

Publication number: DE1466308C3
Application number: DE19641466308
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Thust
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-12-29
Filing date: 1964-12-29
Publication date: 1974-01-31
Also published as: DE1466308A1; DE1466308B2

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 ^m 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 //-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 trapezför-. trüge 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 //-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 //-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 besserungen zu ergeben scheint. ;.m ist hierbei die dort nur Diagramme für eine einzige Ebene, ent- mittlere Wellenlänge des Betriebsübertragungsfreweder die H- oder die Ε-Ebene, angegeben, so daß quenzbandes, in dem der Strahler betrieben wird. Sie ein Schluß auf einen ähnlichen Diagrammverlauf in wird im folgenden Text cinfachheitshalber mit »Weider jeweils anderen Ebene nicht möglich ist. 5 lenlange« bezeichnet. Der Flansch selbst kann an

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sich eine beliebige Form aufweisen, z. B. ein Vieleck

Hohlleiterstrahler zu schaffen, der ein breitbandig oder eine. Ellipse darstellen. Ebenso kann ohne

sektorförmiges und in E- und //-Ebene weitgehend Nachteil der Hohlleiterstrahler selbst eine beliebig

gleiches Diagramm aufweist. . geformte strahlende Öffnung erhalten, beispielsweise

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der ein- io einen quadratischen, rechteckigen oder vieleckigen

gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch ge- Querschnitt in der Mündungsebene aufweisen, jedoch

löst, daß eine gerade Anzahl von leitenden flächigen ist für die Übertragung zweier Polarisationen, wie an

Elementen in Abstrahlrichtung maximal eine mittlere sich bekannt, eine symmetrische Form am günstig-

Betriebswellenlänge über dem Flansch und mit ihrer sten. Die leitenden Elemente 3 sollen auf dem Flansch

Fläche parallel zu diesem radialsymmetrisch so ange- 15 angebracht sein und nicht weiter als eine Wellenlänge

ordnet ist, daß der Raum über der Mündung frei über die Flanschoberfläche in Strahllingsrichtung

bleibt. · hinausragen. Bevorzugte Ausführungen dieser EIe-

Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes mente sind die Pilzform, die Keulenform oder die

kann man sich wie folgt vorstellen: Das sektorförmige Pyramidenform. Die Elemente bestehen vorteilhaft

Richtdiagramm entsteht durch die Anregung von 20 völlig' aus Metalf, das vorzugsweise mit einer gut

höheren Wellentypen in der Apertur. Neben der leitenden Schicht, z.B. Silber, überzogen ist. Die

Grundwelle entstehen vor allem der £_U-Wellentyp, Köpfe dieser Elemente, die breiter ausgeführt sein

der E₁₂-Wellentyp und insbesondere der H₁.,-Wellen- können als die stabförmigen Träger, dürfen jedoch

typ. Die Entstehung dieser Wellentypen beruht auf nicht in den Bereich der sich senkrecht über der

den erwähnten leitenden "Elementen, die über der 35 Hohlleiteröffnung (la in der Fig. 1) erstreckt, hin-Flanschebene angebracht sind. Man kann diese EIe- 'einragen. '

mente als Sekundärstrahler betrachten, die einen Teil Ein derartig einfach aufgebauter Strahler nach der

der Strahlungsenergie auf die Flanschebene refiek- Fig. 1 zeigt bereits die erwünschten sektorförmigen

tieren. ' ~ und in der E- und //-Ebene der elektromagnetischen

Vorteilhaft wird der Erfindungsgegenstand wie 30 Wellen annähernd gleichen Richtdiagramme. Bei der folgt weiter ausgebildet. Verwendung des Hohlleiterstrahlers als Primärstrah-Vorteilhaft werden vier leitende Elemente vorge- ler für eine Spiegelantenne sollen die Diagramme sehen, die in der E- und //-Ebene liegen. nämlich zum Spiegelrand zu, zunächst etwas anstei-

Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht dar- gende Pegel zeigen und am Rand dann möglichst

in, daß die leitenden flächigen Elemente mit Vorzugs- 35 steil abfallen. Das ist besonders bei Parabolspiegeln

weise /.m/2 langen leitenden oder isolierenden Stiften . mit kurzer Brennweite wichtig. Liegt nämlich der

auf dem Flansch befestigt sind. Brennpunkt in der Öffnungsfläche des Parabols, so

Dies kann vorteilhaft auch dadurch geschehen, tritt in Richtung des Spiegelrandes eine Zusatzdämp-

daß die Kombination aus leitenden Elementen und fung von etwa 6 db auf. Mit dem erfindungsgemäßen

Befestigungsstiften Keulen- oder Pyramidenform 40 Strahler lassen sich sehr hohe Flächenwirkungsgrade

aufweist. ■ erreichen. Im Zusammenhang mit flachen Parabol-

Die insbesondere kreisförmig ausgebildeten EIe- spiegeln, bei denen normalerweise Flächenwirkungsmente sollten maximale Querabmessungen von etwa grade von etwa· 55".» erreicht werden, lassen sich /m/2 aufweisen. Der Hohlleiterstrahler besteht Werte von wenigstens 70⁰Zo erzielen. Bei sogenannzweckmäßig aus einem Hohlleiter, der in der Flansch- 45 ten kurzbrennweitigen Spiegeln mit starker Krümebene einen Querschnitt aufweist, bei dem das Ver- mung läßt sich der übliche Wert von etwa 42% auf hältnis von Grenzwellenlänge zur Betriebswellen- 55 bis.65 % erhöhen. Die Änderung des sogenannten länge'in der Mündung gleich oder kleiner als 1,25 ist. Phasenzentrums' bleibt dabei in einem sehr breiten

Insbesondere für die Abstrahlung zweier senk- Frequenzband (beispielsweise zwischen 5,9 und

recht zueinander polarisierter Wellen hat es sich als 50 6,4 GHz) äußerst gering.

vorteilhaft erwiesen, wenn der Flansch Achteckform Der erfindungsgemäße Strahler hat ferner den

aufweist und wenn vier Seiten des Achtecks senkrecht Vorteil, daß er, eingebaut in einem Parabolspiegel,

zur E- und Η-Ebene der Wellen verlaufen. · einen sehr geringen Reflexionsfaktor hat. Es zeigte

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Hohl- sich, daß die Parabolspiegelantenne, versehen mit

leiterstrahlers sind in den Ansprüchen 8 bis 10 ent- 55 üblichen Hornstrahlerausführungen, Reflexionsfak-

halten. . toren in der Größenordnung von 5% aufwies, wäh-

Die F i g. 1 zeigt einen Hohlleiterstrahler, der aus rend bei Verwendung des erfindungsgemäßen Straheinem kreisrunden Hohlleiter 1 besteht, um dessen lers der Reflexionsfaktor unter 1,5."/« lag. Bei VerÖffnung ein breiter flanschförmiger Ansatz 2 gelegt wendung von Parabolspiegeln mit Scheitelplatte lasist. Auf diesem Flansch sind, wie aus der Draufsicht 60 sen sich Reflexionsfaktoren unter 1¹Vu erreichen, links in der Figur besser hervorgeht, symmetrisch . während bei Verwendung üblicher Strahler kaum vier pilzförmige, leitende Elemente 3 angeordnet, die die 3°/o-Grenze unterschritten werden kann. Der gekreisrunde Kappen 4 aufweisen. Die vier Elemente ringe Reflexionsfaktor des erfindungsgemäßen Strahkönnen im einfachsten Fall durch Schrauben ver- lers ist offenbar auf dessen z. B. in F i g. 2 dargestellwirklicht sein. Durch Versuche im Rahmen der Er- 65 tes günstiges Strahlungsdiagramm zurückzuführen, findung hat sich gezeigt, daß der Flansch höchstens Die um den Scheitel des Parabolspiegels liegende einen Durchmesser von 3 /m erhalten soll, da eine Zone, etwa von der Größe der Scheitelplatte, wird Vergrößerung darüber hinaus keine wirksamen Ver- nämlich im Gegensatz zu den Verhältnissen bei üb-

5 6

lichen Hornstrahlerausführangen hier nicht mit grö- als 1,25 bleibt. Unter Betriebswellenlänge soll hierbei

ßerer Energie als andere Spiegelzonen angestrahlt. die Freiraumwellenlänge verstanden werden.

Das Mcßergcbnis für das Diagramm eines derarti- Es hat sich gezeigt, daß eine besonders günstige gen Hohlleiterstrahlers, das also im Zusammenhang Form für den Flansch die Achteckform ist. Vier Seimit einem Parabolspiegel dessen Belegung angibt, ist 5 ten des Achtecks sollen dabei senkrecht zu den E-im oberen Teil der F i g. 2 in der E- und im unteren und //-Ebenen der Wellen verlaufen. Es ist zweck-Teil von F i g. 2 in der //-Ebene einer Welle darge- mäßig, diese Seiten etwas länger zu bemessen als stellt. Auf der Abszisse der Diagramme ist jeweils die vier übrigen Seiten und unter Umständen diese der Strahlungswinkcl angegeben, während auf der Seiten etwas abzurunden, wie dies in der Fig. 4 Ordinate die Amplitude der elektromagnetischen io dargestellt ist. Diese Form hat sich als besonders Strahlung aufgetragen ist. Die Änderung der Phase günstig für zwei Polarisationen erwiesen, mit der Strahlrichtung ist in diese Diagramme mit Insbesondere zum Zweck der Abdichtung des eingezeichnet und auf einer weiteren Ordinate, die Strahlers gegen die Atmosphäre ist eine für Wellen mit »Phase« bezeichnet ist, aufgetragen. Es zeigt transparente Abdeckhaube aus einem Dielektrikum sich, daß bereits ein derart einfach aufgebauter Strah- 15 auf dem Flansch des Strahlers angebracht, wie in ler nach Fig. ! die eingangs gestellten Forderungen der Fig. 5 näher dargestellt ist. Derartige Hauben weitgehend erfüllt. sind zwar bekannt, ihre Verwendung hat sich aber . Noch günstigere Ergebnisse werden erzielt, wenn für den erfindungsgemäßen Strahler als besonders die Stifte, die in der F i g. 1 mit 3 bezeichnet sind günstig deshalb erwiesen, weil gleichzeitig an ihrer. und in der Ausbreitungsrichtung der Wellen liegen, 20 Frontfläche, zweckmäßig auf der Innenseite, die besehr dünn gewählt oder, wie in der F i g. 3 angedeu- reits erwähnten leitenden Elemente befestigt werden tet ist. völlig weggelassen werden und lediglich die können. Die Darstellung nach Fig. 5 zeigt den Kappen 4 beispielsweise durch eine dielektrische Hornstrahler 1 mit Flansch 2, Abdeckhaube .7 und Halterung in kurzem Abstand vor dem Flansch über leitenden Elementen 4. Wegen der leitenden EIedessen Grundfläche gehalten weiden. Die Übrigblei- 25 mente 4 ist es günstig, den mit b bezeichneten Abbenden Plättchen (in der Figur mit 4 bezeichnet) stand zwischen Flanschoberfläche und Abdeckhaube können schließlich sehr dünn gemacht werden. Ihr zu etwa einer halben mittleren Betriebswellenlänge Durchmesser sollte jedoch nicht größer als eine halbe zu bemessen. Zur Kompensation der Fehlanpassung, Wellenlänge sein. Es zeigte sich, daß diese Plättchen die durch die Abdeckhaube hervorgerufen wird, ist nicht imbedingt Kreisform besitzen müssen, sondern 30 es zweckmäßig, eine dielektrische Scheibe 6 über auch eine beliebige andere Form aufweisen können, einen dielektrischen Stab 5, im Abstand von etwa z. B. dipolähnlichc Elemente darstellen können. Diese einem Viertel der mittleren Betriebswellenlänge gedipolähnlichen Elemente können beispielsweise auch gen die Strahleröffnung zu, zu befestigen. Die EIekleine Kreuze darstellen. Hire maximalen Quer- mente 5 und 6 sind ihrer Größe nach so gewählt, daß abmessungen sollten jedoch eine halbe Wellenlänge 35 sich eine optimale Reflexionskompensation ergibt. ).m nicht überschreiten. - Eine weitere, für manche Anwendungsfälle gün-Die leitenden Elemente, ob sie nun direkt über stige Anordnung besteht darin, daß um den Rand des leitende Stäbchen mit dem Flansch verbunden wer- Flansches ein metallischer Zylinder gelegt ist, der bis den oder über dielektrische Halterungen, sind radial zu einer Länge von /m'4 über die Flanschebene in symmetrisch so auf dem Flansch anzubringen, daß 40 Strahlungsrichtung hinausragen kann, sie in der E- und in der //-Ebene der elektromagne- ■ Für besonders strengen Forderungen an die Rücktischen Welle liegen. Besonders wichtig ist dies, wenn Strahlungsunterdrückung ist es zweckmäßig, um den der Hohlleiterstrahler für die Abstrahlung von zwei Rand des tellerförmigen Flansches wenigstens einen senkrecht zueinander polarisierten Wellen dient. koaxialen Sperrtopf anzuordnen. Der Sperrtopf sollte Um die günstigen Eigenschaften des Strahlungs- 45 aus einer /.m'4 tiefen Rinne bestehen, deren Spaltdiagramms nicht allzu stark zu verändern, ist es breite jedoch /m 20 nicht wesentlich unterschreiten zweckmäßig, den Querschnitt der Mündungsöffnung soll, um zu vermeiden, daß das Phasenverhalten des des Strahlers, d. h. des unmittelbar vor der Mündung Strahlers und die Formen der Richtdiagramme stark befindlichen Hohlleiterabschnitts, so zu bemessen, beeinflußt werden. Es ist in manchen Fällen günstig, daß bei ihm das Verhältnis von Grenzwellenlänge 50 mehrere solche Sperrtöpfe koaxial um den ersten herfür die Grundwelle zur Betriebswellenlänge kleiner um anzuordnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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 /m 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 (la) frei bleibt.

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

3. Hohlleiterstrahler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden flächigen Elemente (4) mit vorzugsweise XmIl 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 Äm/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 /!m/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 ;.m/20 gewählt ist.