DE1616714B1

DE1616714B1 - Surface radiator with circular aperture

Info

Publication number: DE1616714B1
Application number: DE19621616714D
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr-Ing Koch
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1962-06-26
Filing date: 1962-06-26
Publication date: 1972-06-29

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Flächenstrahler mit kreisförmiger Apertur und einheitlicher Polarisation.The invention relates to a surface radiator with a circular Aperture and uniform polarization.

Während es in der Richtfanktechnik mit erdgebundenen Stationen hauptsächlich aufkleine Nebenmaxima in einer Ebene (parallel zur Erdoberfläche) ankommt, und bei den Radarantennen die Nebenmaxima einen bestimmten Betrag - vor allem in dem Bereich um die Hauptkeule - nicht überschreiten dürfen, sind in neuerer Zeit in der Radio-Astronomie und der Nachrichtenübertragung über Erdsatelliten Aufgabengebiete für Richtantennen erwachsen, bei denen in erster Linie der Anteil der Nebenmaxima an der Gesamtstrahlung von Bedeutung ist. Das außerordentlich geringe Nutzsignal wird in der Hauptstrahlung der Antenne empfangen, während aus allen übrigen Richtungen Störsignale einfallen. Da die moderne Empfängert#chnik wegen der geringen Rauschzahlen der parametrischen Verstärker und der MASER es erlaubt, noch sehr kleine Signale mit genügendem Störabstand zu verstärken, ist der Störabstand der Antenne in den Vordergrund der Betrachtung getreten- Dieser wird neben der räumlichen Verteilung der Störquelle wesentlich durch das Antennendiagramm bestimmt. Sieht man von einer extrem ungünstigen Verteilung und größeren Störquellen im Bereich der Hauptkeule ab, so kann für das Signal-Rausch-Verhältnis in den Antennen als Maßstab generell der Anteil der Nebenmaxima an der Gesamtstrahlung angesehen werden.While the topping-out fan technology with earth-based stations mainly depends on small secondary maxima in a plane (parallel to the surface of the earth), and with radar antennas the secondary maxima must not exceed a certain amount - especially in the area around the main lobe - are more recently in the Radio astronomy and the transmission of messages via earth satellites are task areas for directional antennas, in which primarily the proportion of secondary maxima in the total radiation is important. The extremely low useful signal is received in the main radiation from the antenna, while interference signals come in from all other directions. Since the modern receiver technology, due to the low noise figure of the parametric amplifier and the MASER, allows very small signals to be amplified with a sufficient signal-to-noise ratio, the signal-to-noise ratio of the antenna has come to the fore - this is essential in addition to the spatial distribution of the source of interference determined by the antenna diagram. If one disregards an extremely unfavorable distribution and larger sources of interference in the area of the main lobe, the proportion of secondary maxima in the total radiation can generally be viewed as a benchmark for the signal-to-noise ratio in the antennas.

Die ideale Form der Strahlungscharakteristik ist für diese Anwendungsgebiete von Antennen die, welche nur aus einem Kugelsektor besteht (F i g. 1). The ideal form of the radiation pattern for these areas of application of antennas is that which only consists of a spherical sector (FIG . 1).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flächenstrahler mit einer derartigen Strahlungscharakteristik aufzuzeigen.The object of the invention is to provide a surface radiator with such a To show radiation characteristics.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß zur Erzielung einer rotationssymmetrischen und innerhalb der Hauptkeule vom Abstrahlungswinkel nahezu unabhängigen Strahlung und zur rotationssymmetrischen Verminderung der Nebenmaxima die elektrische Belegutig -im wesentlichen gemäß der Funktion verläuft, wobei mit JI die. Besselfunktion erster Ordnung mit den Nullstellen jl"", mit C eine Konstante, welche die Anzahl m der Nulldurchgänge entlang eines Radiusstrahles der Apertur bestimmt und gleich oder größer als i,.2 = 7,02 ist, und mit das Verhältnis der in Richtung des Radiusstrahls der Apertur weisenden Polarkoordinate o zum Radius a der Apertur bezeichnet ist.The invention solves this problem in that in order to achieve a rotationally symmetrical radiation that is almost independent of the radiation angle within the main lobe and to reduce the secondary maxima in a rotationally symmetrical manner, the electrical evidence - essentially according to the function runs, with JI the. Bessel function of the first order with the zeros jl "", with C a constant which determines the number m of zero crossings along a radius beam of the aperture and is equal to or greater than i, .2 = 7.02 , and with the ratio of the polar coordinate o pointing in the direction of the radial beam of the aperture to the radius a of the aperture is designated.

Durch die »akustischen Beihefte« zur Zeitschrift »Acustica«, Heft 1, 1951, S. AB 9 bis AB 11, ist es bekannt, daß zwar eine gegebene Aperturbelegungsfunktion eindeutig zu einer bestimmten Richtcharakteristik führt, jedoch nicht umgekehrt eine gegebene Richtcharakteristik eindeutig nur durch eine einzige Aperturbelegung erzeugt werden kann.From the "acoustic supplements" to the magazine "Acustica", No. 1, 1951, pp. AB 9 to AB 11, it is known that a given aperture function clearly leads to a certain directional characteristic, but not the other way around a single aperture occupancy can be generated.

Ferner sind Möglichkeiten zur Realisierung rotationssymmetrischer Belegungen - der aus, der französischen Patentschrift 895 737 bzw. 886 341 für eine Ebene der Strahlungscharakteristik bekannten Art - durch S i 1 v e r, »Microwave Antenna Theory and Design«, erschienen 1949 in der McGraw-Hill Book Company, S. 476 und 477, und aus der deutschen Auslegeschrift 1065 478 bekannt. In dem Buch von S i 1 v e r ist auf Seite 476 letzter und auf Seite 477 erster Absatz, sowie in der F i g. 13.11 ein angeschnittener, also nicht kreisförmiger Paraboloidreflektor beschrieben, der in einer Ebene, die in der Bildebene der F i g. 13.11 liegt, ein sektorföriniges Diagramm aufweist. Auch aus dem Anspruch 14 der deutschen Auslegeschrift 1065 478 ist es bekannt, zur Erzielung eines Sektordiagrammes gegenphasige Strahlungszonen zu verwenden, man vergleiche hierzu Spalte 2, Zeile 22 bis 41, wo rotationssymmetrische Realisierungsmöglichkeiten angegeben sind.Furthermore, there are possibilities for realizing rotationally symmetrical assignments - of the type known from French patent specification 895 737 or 886 341 for a level of radiation characteristics - by S i 1 ver, "Microwave Antenna Theory and Design", published in 1949 in the McGraw-Hill Book Company, pp. 476 and 477, and from the German Auslegeschrift 1065 478 known. In the book by S i 1 ver is on page 476 the last paragraph and on page 477 first paragraph, as well as in FIG. 13.11 describes a cut, so non-circular parabolic reflector, which is located in a plane which is in the image plane of FIG. 13.11 is a sector diagram. It is also known from claim 14 of German Auslegeschrift 1065 478 to use antiphase radiation zones to achieve a sector diagram; compare column 2, lines 22 to 41, where rotationally symmetrical implementation options are given.

Die Richtigkeit der erfindungsgemäßen technischen Lehre wird im folgenden näher begründet. Für die rotationssymmetrische, sektorförmige Hauptkeule (d. h. für eine Hauptkeule in Form eines Kreisausschnittes) ohne Nebenmaxima Rihrt das Problem zu folgender Integralgleichung Dabei bedeutet: Jo die Besselfunktion nullter Ordnung, a den Radius der kreisförmigen Apertur, den Abstand eines Integrationspunktes, vom Mittelpunkt der Kreisapertur, h (r) die gesuchte Belegungsfunktion für die kreisförmige Apertur, wobei z9 der gegen die Normale der Apertur gemessene Abstrahlwinkel ist.The correctness of the technical teaching according to the invention is explained in more detail below. For the rotationally symmetrical, sector-shaped main lobe (i.e. for a main lobe in the form of a section of a circle) without secondary maxima, the problem leads to the following integral equation Here: Jo means the zero order Bessel function, a the radius of the circular aperture, the distance of an integration point from the center point of the circular aperture, h (r) the required occupancy function for the circular aperture, where z9 is the radiation angle measured against the normal of the aperture.

Weiter bedeutet 2191 bzw. 2u, die Nullwertbreite der geforderten Hauptkeule (F i g. 1). Für die obige Integralgleichung ergibt der folgende Ansatz eine Lösung Die Forderung nach einer rotationssymmetrischen Hauptkeule in Form eines Kreisausschnittes ohne Nebenmaxima führt also zu der vorstehend angegebenen Belegung bei Unendlich ausgedehnter, kreisförmiger Strahlerfläche. Die Bedingung des unendlichen Strahlers ist notwendig, da die für die Lösung der Integralgleichung erforderliche Hankel-Transformation nur für unendliche Grenzen gilt. Bei einem endlichen Strahler kann die gewünschte Hauptkeulenform in sehr befriedigender Weise angenähert werden. Für die Beleizunz wird der Ansatz gemacht, wobei C eine Konstante darstellt, welche die Anzahl der Oszillationen der elektrischen Belegung angibt. Für den Fall von C = jl, , wobei jl"" die Nullstellen der ersten Besselfunktion darstellt, liegt eine Nullstelle am Rand der Apertur. Die der oben angegebenen Belegungsformeln für m = 5 entsprechende Belegung zeigt die F i g. 2, dabei istjj,., = 16,47.Furthermore, 2191 or 2u means the zero value width of the required main lobe (FIG . 1). The following approach yields a solution for the above integral equation The requirement for a rotationally symmetrical main lobe in the form of a section of a circle without secondary maxima thus leads to the above-specified occupancy for an infinitely extended, circular radiator surface. The condition of the infinite radiator is necessary because the Hankel transformation required for the solution of the integral equation is only valid for infinite limits. In the case of a finite radiator, the desired main lobe shape can be approximated in a very satisfactory manner. For the Beleizunz the approach made, where C represents a constant which indicates the number of oscillations of the electrical occupancy. For the case of C = ks, wherein ks "" represents the zeros of the first Bessel function is a zero at the edge of the aperture. The occupancy corresponding to the occupancy formulas given above for m = 5 is shown in FIG. 2, where yy,., = 16.47.

Das Ergebnis der numerischen Auswertung ist in F i g. 3 wiedergegeben. In diesem Diagramm ist die von dem Flächenstrahler abgestrahlte Leistung in Abhängigkeit von für die Parameter m = 1 bis 6 wiedergegeben. Die Darstellung in Abhängigkeit von u ist gewählt, um die Systematik der Strahlungsdiagramme in bezug auf die Parameter m und zu zeigen.The result of the numerical evaluation is shown in FIG. 3 reproduced. In this diagram, the power emitted by the surface radiator is a function of for the parameters m = 1 to 6 . The representation as a function of u is chosen in order to understand the systematics of the radiation diagrams in relation to the parameters m and to show.

Die endliche Strahlerabmessung bewirkt also eine gewisse Welligkeit der Hauptkeule und das Auftreten kleiner Nebenmaxima. Diese Nebenmaxima wirken sich jedoch um so weniger aus, je größer m ist, d. h. je höher die Ordnung der Nullstelle der Besselfunktion, d. h. je größer die Anzahl der Oszillationen der Belegung ist. Nun kann man zeigen, daß mit zunehmendem m die Größe der Nebenmaxima von einem bestimmten m-Wert an praktisch konstant bleibt. Da andererseits aber mit zunehmender Strahlergröße die Winkelbreite der Nebenmaxima abnimmt, hat man es durch die Dünensionierung des Strahlers in der Hand, den Anteil der Nebenmaxima an der Gesamtstrahlung zu beeinflussen. Dies ist in F i g. 4 deutlich zu erkennen. Hier ist für m = 19 das Strahlungsdiagramm in Abhängigkeit von Winkel 0 aufgetragen. Man erkennt die Annäherung an die gewünschte »rechteckige« Form der Hauptkeule, und man sieht weiter, daß der Anteil der Nebenmaxima an der Gesamtstrahlung nur verschwindend klein ist.The finite radiator dimension therefore causes a certain waviness of the main lobe and the occurrence of small secondary maxima. However, these secondary maxima affect the less from, the larger m, d. H. the higher the order of the zero of the Bessel function, d. H. the greater the number of oscillations in the occupancy. Now it can be shown that with increasing m the size of the secondary maxima remains practically constant from a certain m value on. On the other hand, since the angular width of the secondary maxima decreases with increasing emitter size, it is possible to influence the proportion of secondary maxima in the total radiation by making the emitter thin. This is in FIG. 4 clearly visible. Here, for m = 19, the radiation diagram is plotted as a function of angle 0. One recognizes the approximation to the desired "rectangular" shape of the main lobe, and one also sees that the proportion of the secondary maxima in the total radiation is only negligibly small.

Claims

Claim: surface emitter with circular aperture and uniform polarization, d a d urch g e - indicates that to achieve a rotationally symmetrical and within the main lobe of the radiation angle almost independent radiation and to rotationally symmetrical reduction of the secondary maxima, the electrical assignment essentially according to the function runs, where with J, the Bessel function of the first order with the zeros jl "" with C a constant which determines the number m of zero crossings along a radius beam of the aperture and is equal to or greater than j, .2 = 7.02 , and with the ratio of the polar coordinate e pointing in the direction of the radius beam of the aperture to the radius a of the aperture is designated.