DE1904130C3

DE1904130C3 - Dielektrische Hornantenne

Info

Publication number: DE1904130C3
Application number: DE19691904130
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Rebhan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-01-28
Filing date: 1969-01-28
Publication date: 1978-06-15
Also published as: DE1904130A1; DE1904130B2

Description

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Hörnernenne, bei der an einen metallischen Hohlleiter ein dielektrisches Rohr und an dieses Rohr ein dielektrisches Horn angesetzt ist.

Es ist aus der Literatur bereits bekanntgeworden, Richtantennen mit Hilfe von Strahlern aufzubauen, die ^ft° beispielsweise aus einem Rohr oder einem Stiel dielektrischen Materials bestehen. Derartige Richtantennen sind unter anderem durch die Arbeit »Dielektrische Richtstrahler« in »Fernmeldetechnische Zeitschrift«, Heft 2, Feb. 1949, Seiten 33 bis 39 und Sep. l')50, <>Seiten 325 bis 3215, bekanntgeworden. In der letztgenannten Literaturstelle ist auch auf die Möglichkeit hingewiesen, die dielektrische Antenne in der Art einer Hornantenne auszubilden, bei der an einen metallischen Hohlleiter ein kurzes dielektrisches Rohr und an dieses Rohr ein dielektrisches Horn angesetzt ist. Im Aufsatz »Die dielektrische Hornantenne-x, der in der Zeitschrift »Hochfrequenztechnik und Elektroakustik«, Bd. 68 (1959), Heft 3, Seiten 93 bis 104 erschienen ist, sind die für die Wirkungsweise einer dielektrischen Hornantenne wesentlichen physikalischen Überlegungen sowie die für die Berechnung erforderlichen Größen zusammengestellt.

Wie der Literatur zu entnehmen ist, lassen sich mit dielektrischen Antennen Richtcharakteristiken erreichen, die den Richtcharakteristiken von aus metallischem Material bestehenden Antennen durchaus nahekommen. Darüber hinaus haben aus dielektrischem Material bestehende Antennen den Vorteil, daß sie gegenüber metallischen Antennen verhältnismäßig kleine mechanische Querabmessungen und damit geringes Gewicht und geringen Raumbedarf haben. Aus diesem Grund sind dielektrische Antennen als Bordantennen von Nachrichtensatelliten von großem Interesse, da gerade dort unnötiges Gewicht und unnötiger Raumbedarf nach Möglichkeit vermieden werden sollen.

Bei den bekannten dielektrischen Hornaniennen wird das aus dielektrischem Material bestehende Horn entweder unmittelbar (vgl. die genannte Literaturstelle aus der Zeitschrift »Hochfrequenztechnik und Elektroakustik«) oder über ein kurzes dielektrisches Rohr (vgl. die genannte Literaturstelle aus der »Fernmeldetechnischen Zeitschrift«, Sept. 1950) an einen metallischen Hohlleiter angesetzt. Wie sich zeigt, weist das Antennendiagramm für eine Reihe von Anwendungsfällen noch zu starke Nebenkeulen und dadurch einen zu niedrigen Gewinn auf, was insbesondere beim Einsatz derartiger Antennen in Nachrichtensatelliten als außerordentlich störend empfunden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dielektrische Hornantenne der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß der Nebenzipfelpegel der Strahlungscharakteristik verkleinert und der Gewinn der Antenne erhöht wird.

Gemäß dor Erfindung, die sich auf eine dielektrische Hornantenne bezieht, bei der an einen metallischen Hohlleiter ein dielektrisches Rohr und an dieses Rohr ein dielektrisches Horn angesetzt ist, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im metallischen Hohlleiter ein dielektrischer Stab oder ein dielektrisches Rohr so eingesetzt ist, daß ein Abschnitt hiervon in das angesetzte dielektrische Rohr hineinragt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert. Es zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 den Gesamtaufbau einer Antenne,

Fig. 2 einen Ausschnitt bei einer speziellen Ausbildungsform.

Die in Fig. 1 dargestellte Antenne besteht aus einem metallischen Rundhohleiter 1, auf dessen einer Seite ein Anschlußflansch 9 vorgesehen ist, an den die zum Sender bzw. zum Empfänger führende Anschlußhohlleitung angeschlossen werden kann. An die der Antenne zugewandte öffnung 8 des metallischen Hohlleiters 1 schließt sich ein aus dielektrischem Material bestehendes Rohr 3 an, das beim Ausführungsbeispiel unmittelbar in das dielektrische Horn 2 übergeht. Das Rohr 3 ^l at etwa die gleichen Querschnittsabmessungen wie aer metallische Hohlleiter 1, so daß es, wie beim Ausführungsbeispiel, in den Hohlleiter 1 eingeschoben

bzw. über den Hohlleiter 1 gestülpt werden kann. Im Endbereich des metallischen Hohlleiters 1 ist ein aus dielektrischem Material bestehender Stab 4 vorgesehen, der über aus elektrisch nahezu neutralem dielektrischem Material, wie z. B. Schaummaterial, bestehende Stütz- > scheiben 11 zentrisch im Hohlleiter 1 gehaltert wird und der in das aus dielektrischem Material bestehende Rohr

3 hineinragt. Anstelle des Stabes 4 läßt sich auch ein aus dielektrischem Material bestehendes Rohr verwenden. Gegebenenfalls ist es zur Erzielung einer gleicnmäßigen ungestörten Wellentypwandlung zweckmäßig, den Stab

4 so auszubilden, daß er sich in Richtung zum Horn 2 geringfügig verjüngt.

Zur Verbesserung der Anpassung an den metallischen Hohlleiter kann der Stab 4 wenigstens auf einer Seite, beispielsweise auf der dem Anschlußflansch 9 des metallischen Hohlleiters 1 zugewandten Seite, kegelförmig ausgebildet sein, wie dies in der Zeichnung durch den Kegel 10 kenntlich gemacht ist. Der Gesamtaufbau ist so getroffen, daß bezüglich der mittleren L ängsachse 6 der Antenne Rotationssymmetrie gewährleistet ist.

Im Öffnungsbereich des aus dielektrischem Material bestehender. Hornes 2 ist weiterhin eine aus dielektrischem Material bestehende Scheibe 5 vorgesehen, deren Scheibenebene senkrecht zur mittleren Längsachse 6 der Antenne sieht. Am metallischen Hohlleiter 1 ist ferner eine aus metallischem Material bestehende Scheibe 7 aufgebracht, die etwa in einem Absta·- d von einem Viertel der mittleren Betriebswellenläng·. von der dem Horn 2 zugewandten öffnung des metallischen Hohlleiters 1 entfernt ist.

Wenn es darauf ankommt, bei geringen Nebenkeulen eine besonders hohe Richtwirkung zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, den aus dielektrischem Material bestehenden Stab 4 bzw. das ihn gegebenenfalls ersetzende Rohr, durch wenigstens ein weiteres Rohr konzentrisch zu umgeben. Eine entsprechende Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt, die lediglich einen Ausschnitt der in F i g. 1 dargestellten Antenne zeigt. In Fig. 2 sind wiederum der metallische Hohlleiter 1, das aus dielektrischem Material bestehende Rohr 3, das dielektrische Horn 2 und der von den Stützscheiben 11 konzentrisch gehaltene dielektrische Stab 4 zu erkennen. Zur Verbesserung der Wellentypwandlung ist ein weiteres, aus dielektrischem Material bestehendes Rohr 12 konzentrisch zum Stab 4 angeordnet. Erforderlichenfalls können anstelle des Rohres 12 weitere derartige Rohre, ebenfalls konzentrisch, um den Stab 4 angeordnet werden.

Die in der F i g. 1 gezeigte Ausführungsform dient der Erzeugung einer annähernd drehsymmetrischen Strahlungscharakteristik mit niedrigen Nebenzipfeln und einem, gegenüber metallischen Hornstrahlern gleicher öffnung, relativ hohen Gewinn. Durch geeignete Dimensionierung kann insbesondere eine für die 5s Anwendung als Erdbedeckungsantenne bei Synchronsatelliten günstige Bündelung der Strahlungskeule erreicht werden. Die Antenne kann mit zirkularer oder linearer Polarisation betrieben werden.

Wie die meisten dielektrischen Strahler hat, wie fto eingangs bereits erwähnt wurde, auch das dielektrische Horn bekannter Bauart hohe Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm. Der Gewinn erreicht dadurch nicht die aufgrund der Breite der Hauptkeule zu erwartende Hohe. Nach Untersuchungen verschiedener Autoren hängt dies hauptsächlich mit Störwellen zusammen, die durch die Wirkung der an Hohlleiter- und Hörnende auftretenden Unsteugkeitsstell"n erzeugt werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Antenne wird die Erzeugung solcher Störwellen vermindert und eine gleichmäßige Umwandlung der f/n-Hohlleiterwelle des metallischen Hohlleiters 1 zunächst in die sogenannte EHu- Dipol welle des dielektrischen Rohres 3 bzw. des Hornes 2 und schließlich in die angestrahlte Raumwelle erreicht.

Abgesehen vom dielektrischen Rohr 3 lassen sich durch die in Fig. 1 erkennbaren Maßnahmen noch folgende Wirkungen erzielen.

Der aus dielektrischem Material bestehende Stab 4, der von den Stützscheiben 11 aus elektrisch neutralem Schaummaterial gehalten wird, ragt teilweise in den speisenden metallischen Rundhohlleiter 1 und teilweise in das sich anschließende dielektrische Rohrstück 3 hinein. Er sorgt für eine abstrahlungsarme Umwandlung der Wu-WeIIe des Rundhohlleiters 1 in die £"//1 rDipolwelle, die im Gegensatz zur Wn-WeIIe auch elektrische Längskomponenten hat. Eine mögliche physikalische Erklärung hierfür liegt darin, daß die Energie vor allem im Innern des dielektrischen Stabes 4 läuft und damit von der strahlungsanregenden Stoßstelle am Ende des metallischen Hohlleiters 1 ferngehalten wird. Zur Verminderung des Reflexionsfaktors kann der dielektrische Stab 4 wenigstens an einem Ende in Form des Kegeis 10 spitz zulaufen. Wie bereits erwähnt, lassen sich der Reflexionsfaktor bzw. auch das Strahlungsdiagramm noch dadurch verbessern, daß der aus dielektrischem Material bestehende Stab 4 derart ausgebildet wird, daß er sich in Richtung zum Horn 2 geringfügig verjüngt. Kurz hinter der öffnung des metallischen Hohlleiters 1 ist auf dessen Außenwand die beispielsweise kreisförmige metallische Scheibe 7 angebracht. Sie soll Oberflächenwellen reflektieren, die von der Mündung 8 des metallischen Hohlleiters 1 zurücklaufen. Der Abstand der reflektierenden Scheibe 7 von der Hohlleitermündung 8 beträgt etwa ein Viertel der mittleren zu übertragenden Betriebswellenlänge. Direkte und reflektierte Welle überlagern sich dann phasengleich. In der öffnung des dielektrischen Horns 2 ist die ebenfalls aus dielektrischem Material bestehende Scheibe 5 angeordnet, die der Unterdrückung unerwünschter Reflexionen am Ende des Horns 2 und auch der Verbesserung des Aperturfeldes nach Phase und Amplitude dient. Für die Anwendung als Bordantenne eines Satelliten ist eine vom Zentrum der Apertur zum Rand hin abklingende Belegung erwünscht, die sich durch Wahl der Dielektrizitätskonstanten bzw. der Dicke der Scheibe 5 annähern läßt. Die Beeinflussung der Amplitude ist wohl dadurch erklärbar, daß die Aperturabmessungen noch nicht groß gegen die Wellenlänge sind.

Die Länge des dielektrischen Rohrstückes 3, die Dicke der Scheibe 5 sowie Länge und Eintauchtiefe des dielektrischen Stabes 4 lassen sich so wählen, daß der Antennengewinn maximal wird. Er beträgt bei einer nach Fig. 1 realisierten Ausführungsform beispielsweise 19 dBi bei der Frequenz 9,6GHz. Die Gesamtlänge des Hornes 2 einschließlich des Rohres 3 beträgt dabei 180 mm, der Aperturdurchmessei des Horns 2 etwa 60 mm. In der für die Anwendung als Bordantenne von Synchronsatelliten wichtigen 9,2°-Richtung, die sich aus der Richtung zum Erdrand ±0,6° Lagefehler zusammensj'zt, erreicht der Gewinn bei dieser Frequenz einen maximalen Wert von 16,2 dBi. Ohne Verwendung der erfindungsgemäüen Maßnahmen liegen alle Gewinne um zirka 1,5 dB niedriger. Die Bedeutung der Gewinnerhöhung Meet für die Satellitenanwendune

unter anderem darin, daß Gewicht an den für die Stromversorgung erlOrderlichen Sonnenzellen gespart werden kann, wobei zu bedenken ist, daß eine Gewinnerhöhung der Antenne von nur 1 dB bereits eine Gewichtsersparnis von 21 % erbringt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dielektrische Hornantenne, bei der an einen metallischen Hohlleiter ein dielektrisches Rohr und · an dieses Rohr ein dielektrisches Horn angesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im metallischen Hohlleiter (1) ein dielektrischer Stab (4) oder ein dielektrisches Rohr so eingesetzt ist, daß ein Abschnitt hiervon in das angesetzte dielektrische Rohr (3) hineinragt.

2. Hornantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dielektrischem Material bestehende, angesetzte Rohr (3) etwa die gleichen Querschnittsabmessungen wie der metallische Hohl- ι s leiter (1) hat.

3. Hornantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dielektrischem Material bestehende, angesetzte Rohr (3) unmittelbar in das dielektrische Horn (2) übergeht.

4. Hornantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der aus dielektrischem Material bestehende Stab (4) in Richtung zum angesetzten dielektrischen Rohr (3) verjüngt.

5. Hornantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dielektrischem Material bestehende Stab (3) wenigstens an einer Stirnseite kegelförmig (10) ausgebildet ist.

6. Hornantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Öffnungsbereich des dielektrischen Horns (2) eine aus dielektrischem Material bestehende Scheibe (5) mit senkrecht zur mittleren Längsachse (6) der Antenne stehender Scheibenebene angeordnet ist.

7. Hornantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den metallischen Hohlleiter (1) eine metallische Scheibe (7) aufgebracht ist, die etwa eine Viertelwellenlange von der dem Horn (2) zugewandten öffnung (8) des Hohlleiters (1) entfernt ist.

8. Hornantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dielektrischem Material bestehende Stab (4) bzw. das ihn ersetzende, aus dielektrischem Material bestehende, eingesetzte Rohr von wenigstens einem weiteren, konzentrisch angeordneten, ebenfalls aus dielektrischem Material bestehenden, Rohr (12) umgeben ist.