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Verfahren und Antenne zum Senden und Empfangen von Strahlen elektromagnetischer
Energie Die Erfinsung betrifft ein Verfahren und eine Antenne zum Senden und Empfangen
eines Strahls elektromagnetischer Energie und im besonderen ein Antennenhorn in
einer besseren Ausfuehrung sowie ein Verfahren zum Verbessern der Öffnungsverteilung
in der E-Ebene eines pyramiden- oder kegelförmigen Horns (d.h.
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eines Horns, das in der gesamten Längserstreckung einen rechteckigen
oder kreisrunden Querschnitt aufweist)0 Der Einfachheit halber wird in der nachstehenden
Beschreibung ein Horn mit einer dieser Querschnitte als ein Horn mit einem regelmäßigen
Querschnitt bezeichnet. Es kann im besonderen, jedoch nicht ausschließlich als Speisehorn
für einen parabolischen Reflektor verwendet werden.
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Es wurde seit längerer Zeit versucht, bei der Verwendung von pyramidenförmigen
sowie kegelförmigen Speisehörnern zum Ausstrahlen von elektromagnetischer Energie
von einem Wellenführer
aus in den freien Raum Strahlen mit niedrigen
Seitenflügeln und gleicher Strahlbreite in den E- und H-Ebenen zu erzeugen. Um diese
erwünschten Eigenschaften in einem Horn zu erhalten, wurden verschiedene Vorschläge
gemacht, von denen einige ziemlich erfolgreich waren. Alle diese Versuche wiesen
jedoch gewinne Mängel auf, z.B. Beschränkungen auf schmale Bandbreiten, hohe Reflexionsverluste,
geringe Leistungsfähigkeit, Beschränkungen auf besondere Polarisationen, hohe Herstellungskosten
oder einen zu komplizierten Aufbau.
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Die Verwendung von Ausbreitungswinkeländerungen zum Induzieren höherer
Modi zum Verbessern des Öffnungsmusters wurde bereits beschrieben; jedoch war die
Anwendung dieses Verfahrens begrenzt durch den Mangel an Verständnis der wirksamen
Prinzipien und durch die Annahme, dass Änderungen an den kleinstmöglichen Abmessungen
erfolgen sollten, um Modi höherer Ordnung zu unterdrücken. Infolgedessen war die
Ausführung solcher Einrichtungen auf rudimentäre und wenig vielseitige Ausbildungen
beschränkt und daher nur in schmalen Bandbreiten für begrenzte Zwecke von Nutzen.
Diese Ausführungen waren daher für die meisten Zwecke nicht verwendbar und besonders
dann nicht, wenn dasselbe Horn Sende- und Empfangsfunktionen ausführen sollte.
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Die Erfindung sieht eine Antennenanlage vor, mit der ein Strahl elektromagnetischer
Wellenenergie ausgesendet oder empfangen werden kann, und die aufweist eine Eingangsübertragungsleitung,
die so proportioniert ist, dass sie die Energie der elektromagnetischen Welle innerhalb
mindestens eines Prequenzbandes in einem vorherrschenden Modus weiterleitet, ein
an die über tragungsleitung angeschlossenes Horn und Mittel im genannten Horn, die
einen Teil des vorherrschenden Modus in einen Modus höherer Ordnung umwandeln, welche
genannten Mittel aus mindestens einer Unstetigkeit im Horn an einer großen Querschnittsabmessung
des Horns bestehen.
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Ein nach der Erfindung hergestelltes Horn weist vorzugsweise einen
regelmäßigen Querschnitt auf, so dass eine kreisrunde oder eine lineare Polarisation
möglich ist. Das erfindungsgemäße Horn weist einen einfachen und übersichtlichen
Aufbau auf und kann daher wirtschaftlich angefertigt werden. Das Horn weist
ferner
eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringsten Verlusten und einen niedrigen VSWR auf.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in einem
Horn mit einem regelmäßigen Querschnitt ein gewünscht es spitz zulauf endes Öffnungsfeld
in der E-Ebene vorgesehen durch Induzieren von Modi höherer Ordnung im Horn mit
Hilfe kleiner Änderungen des Aufweitungswinkels an einer oder mehreren Stellen im
Horn. Die Änderungen des Aufweitungswinkels befinden sich an den großen Querschnittsabmessungen
des Horns. Der in bezug auf die Ängerungen des Aufweitungswinkels gebrauchte Ausdruck
"klein" soll eine Änerung von wenigen Graden, d.h. bis zu ungefähr 150 bedeuten
Wie später noch ausführlich beschrieben wird, können diese Änderungen positiv oder
negativ sein. Der in bezug auf die Abmessungen, an denen sich die Änderungen befinden,
gebrauchte Ausdruck "groß" soll eine Weite oder Breite von mindestens dem Drei-
oder Vierfachen der Breite des kleinsten Wellenführers mit demselben regelmäßigen
Querschnitt wie das Horn bedeutet, welcher Wellenführer einen vom Horn beeinflussten
vorherrschenden modus eines Frequenzbandes unterstützt. Oder anders ausgedrückt,
obwohl bei den bisher bekanntgewordenen Antennenanlagen mit rechteckigen oder kreisrunden
Querschnitten zum Fortpflanzen von TE12 oder TM11 Modi Weiten erforderlich waren,
die größer als die Wellenlängen im freien Raum sind, so mussten jedoch ziemlich
große Unstetigkeiten oder Unterbrechungen vorgesehen werden; wie Stufen oder große
Änderungen des Aufweitungswinkels, um bei Abmessungen von weniger als 1,5 Wellenlängen
Modi höherer Ordnung induzieren zu können. Die nach der Erfindung vorgesehenen Unstetigkeiten
sind an Abmessungen vorgesehen, die wesentlich größer als 1,5 Wellenlängen sind.
Aufweitungswinkeländerungen können auch bei kleineren Abmessungen benutzt werden;
jedoch wird der größte Teil der Energie im Modus höherer Ordnung von Aufweitungswinkeländerungen
bei großen Querschnittsabmessungen induziert.
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Der Einfachheit halber wird die Arbeitsweise des Horn nach der Erfindung
beschrieben beim Aussenden von Wellenenergie aus einer Sendeleitung, die die Energie
dem Hals des Horns zuführt, durch durch das Horn weitergeleitet und aus der Mündung
ausgesendet
wird. Die Arbeitsweise des Horns ist selbstverständlich
auch umkehrbar. Bei einem Frequenzband, für das die Änderungen des Aufweitungswinkels
wirksam sein sollen, weist das Horn die gleichen Vorzüge sowohl beim Senden als
auch beim Empfang auf.
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Wie später noch ausführlich beschrieben wird, sind bei der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung die aufgeweiteten Abschnitte so proportioniert, dass
sie die geringste kumulative Wirkung auf die Wellenenergie in einem Sendeband ausüben
und nur auf die Wellenenergie in einem eine niedrigere Frequenz aufweisenden Empfangsband
einwirken. Im Hals des Horns sind gesonderte Mittel vorgesehen, die im Sendeband
odi höherer Ordnung stimulieren.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt
das Horn ein Speisehorn für eine Cassegrain-Antenne dar, die am Hals über einen
Wellenführer gespeist wird, der denselben regelmäßigen Querschnitt aufweist wie
das Horn. Bei dieser Ausführungsform sind an mindestens einem Teil des Horns zwei
gleiche Aufweitungswinkeländerungen vorgesehen, wobei die Länge des Abschnittes
zwischen den Änderungen so proportioniert ist, dass noch höhere Modi als der vorherrschende
Modus ausgelöscht werden, der vom Wellenführer begünstigt wird, oder als der Modus
einer ersten höheren Ordnung, der von den Aufweitungswinkeländerungen induziert
wird. Bei der genannten bevorzugten Ausführungsform ist der regelmäßige Querschnitt
quadratisch, wobei der vorherrschende Modus im Wellenführer TE10 ist, während der
Modus der von den Aufweitungswinkeländerungen induzierten ersten höheren Ordnung
TE/TM12 ist. Mit dem Ausdruck TE/TM12 soll eine lineare Überlagerung der Amplituden
der Modi TE12 und TM12 in einer solchen Amplitudenbeziehung bezeichnet werden, bei
der querpolarisierte E-Feldkomponenten ausgelöscht werden.
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Bei kleinen Aufweitungswinkeländerungen ist die Wirkung mehrerer
Änderungen additiv. Mehrfache Änderungen des Aufweitungswinkels können daher benutzt
werden, um bei dem Modus höherer Ordnung eine zum Ausgleichen der Strahlbreiten
in der E- und der H-Ebene beispielsweise ausreichende Amplitude zu erzeugen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, nach dem bei einer Hornantenne
ein besseres Öffnungsmuter in der E-Ebene erzeugt werden kann, welche Antenne Wellenenergie
in einem
vorherbestimmten Frequenzband nach einem vorherrschenden
Modus überträgt, wobei in der Hornantenne ein Modus höherer Ordnung bei einer Querschnittsweite
induziert wird, die wesentlich größer ist als 1,5 Wellenlängen des genannten Frequenzbandes.
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Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den beiliegenden
Zeichnungen ist die Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Antenneneinrichtung, Fig.2 ein Ausschnitt aus einer Schnittzeichnung, die die theoretischen
Phasenfrontbeziehungen bei einer Aufweitungswinkeländerung (Verkleinerung des Aufweitungswinkels)
am Hornteil der Antenne nach der Erfindung zeigt, Fig.3 eine der Fig.2 entsprechende
Darstellung der Phasenfront~ beziehungen (theoretisch) bei einer Vergrößerung des
Aufweitungswinkels, Fig. 4 ein Ausschnitt aus einer Schnittzeichnung; die eine Anwendung
der Erfindung bei einem Hornteil der in der Fig. 1 dargestellten Antenneneinrichtung
zeigt, Fig. 5 ein Ausschnitt aus einer Schnittzeichnung, die einen Wellenführerteil
der in der Fig. 1 dargestellten Antenneneinrichtung zeigt, Fig.6 eine schematische
Darstellung der Antenne nach der Fig. 1 als in Kaskade geschalteten Richtungskoppler
und die Fig.7 eine Gruppe graphischer Darstellungen, die die Öffnungsverteilung
in der E- und H-Ebene des Empfangsbandes zeigen.
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Die Fig. 1 zeigt eine als Ganzes mit 1 bezeichnete Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung zum Aussenden oder Empfangen eines Strahls
elektromagnetischer Wellenenergie.
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Die Antenneneinrichtung 1 weist auf einen Eingangsübertragungsleitungsteil
3 in Form eines Wellenführers 31 und einen Hornteil 5. Der Querschnitt des Wellenführers
31 ist quadratisch und so proportioniert, dass eine elektromagnetisch Wellenfortpflanzung
nach dem TE10-Modus sowohl in einem 3,7 - 4,2 GHz-Empfangsband
als
auch in einem 5,925 - 6,425 GHz-Sendeband begünstigt wird.
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Diese Frequenzen entsprechen Wellenlängen in der Größenordnung von
7,62 cm bezw. 5,08 cm. Im Wellenführer sind Mittel 35 vorgesehen, die im Sendeband
Modi höherer Ordnung induzieren. Der Wellenführer 31 ist so proportioniert, dass
sowohl im Empfangsband als auch im Sendeband ein vorherrschender Modus aufrechterhalten
wird, wobei jedoch nur im Sendeband höherer Frequenz der von den Mitteln 35 induzierte
hohere Modus aufrechterhalten wird.
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Der Hornteil 5 ist pyramidenförmig ausgestaltet, d.h. in der gesamten
Längserstreckung mit einem quadratischen Querschnitt versehen. Der Hornteil 5 besteht
aus einer Reihe von mit einander vereinigten Abschnitten 51, 53, 55, 57 und 59,
deren Aufweitungswinkel sich an den Stellen 61, 63, 65 bezw. 67 ändert. Das Eingangsende
des ersten Abschnittes 51 steht mit dem Ausgangsende des Wellenführerteiles 3 in
Verbindung, an welcher Stelle 33 der Aufweitungswinkel sich ändert. Das Ausgangsende
des Wellenführers und aller Abschnitte ist dem betreffenden Eingangsende des nächstfolgenden
Abschnittes entsprechend bemessen, so dass die Stellen der Aufweitungswinkeländerungen
im Hornteil Übergangsstellen, jedoch keine Absätze oder Stufen bilden. Jeder Abschnitt
weist einen Aufweitungswinkel # auf, der aus dem Winkel besteht, den die Seiten
des Abschnittes mit einer in der Mitte gelegenen Symmetrieachse der Antenne bilden.
Der erste, sich aufweitende Abschnitt 51 weist eine Eingangs abmessung al und einen
positiven Aufweitungswinkel #1 auf, während der zweite Abschnitt 53 eine Eingangsabmessung
a2 und einen Aufweitungswinkel #2 aufweist, der kleiner als #1 ist. Der dritte Abschnitt
55 verläuft gerade bei einer Querschnittsabmessung a3 und einem Aufweitungswinkel
der der gleich Null ist, während der dritte Abschnitt 57 eine Eingangsabmessung
a4 aufweist, die gleich a3 ist, sowie einen positiven Aufweitungswinkel #4 Der Ausgangsabschnitt
59 weist eine Eingangsabmessung a5 und einen positiven Aufweitungswinkel auf der
größer als #4 ist. Der Ausgangs abschnitt 59 weist an der Antennenöffnung 52 die
Ausgangsabmessung a6 auf. Die zwischen dem ersten Abschnitt 51 und dem Ausgangsabschnitt
59 gelegenen Abschnitte können als Verbindungsglieder angesehen werden.
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Die Antenne 1 bildet einen Teil einer Antennenanlage mit signalerzeugenden
und signalempfangenden Einrichtungen, die nicht dargestellt sind. Die Antenne nach
der Fig. 1 ist besonders gut geeignet für die Verwendung in einer Cassegrain-Antenne
mit einem einen Durchmesser von 29,5 m aufweisenden parabolischen Reflektor für
Nachrichtensateilliten. Cassegrain-Antennenanlagen sind an sich gut bekannt und
daher nicht dargestellt.
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Eine solche Anlage erfordert ferner eine Sende-Empfangs-Umschaltungseinrichtung,
eine Zirkulpolarisierungseinrichtung und Differenzmuster-Koppler, welche genannten
kittel aus den herkömmlichen Ausführungen bestehen können und nicht dargestellt
sind.
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Zum Erläutern der Einzelheiten der Ausgestaltung der Antenne 1 werden
nachstehend die Prinzipien analysiert, die bei dem Entwurd einer solchen Antenne
anzuwenden sind.
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Die nachstehende Analyse der Auswirkungen der Aufweitungswinkeländerungen
und der Abschnittslängen auf die relativen Phasenamplituden, auf die relativen Phasenwinkel
und auf die Öffnungsverteilung erfordert eine Reihe von Ahnäherungen, ist jedoch
trotzdem genügend genau, um Formeln für den Entwurf einer solchen Antenne ableiten
zu können.
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Die Fig.2 zeigt einen Antennenabschnitt 71 mit einem Auf weitungswinkel
#a, der mit einem Abschnitt 73 vereinigt ist, der einen Aufweitungswinkel #b = 0
aufweist. Die Phasenfronten d und e gelten für die beiden betreffenden Hornabschnitte
71 und 73 und schneiden sich an ob er der Aufweitungswinkeländerungsstelle 75 mit
dem Querschnittsdurchmesser aO Die größte Entfernung zwischen diesen Phasenfronten
beträgt:
Ist #a kleiner als ungefäger 0,4 rad (23°), so kann #z angenähert dargestellt werden
durch
Weichen ferner beide Werte für #a und #b von Null ab, wie in der Fig. 3 dargestellt,
so beträgt der Abstand der Phasenfronten von einander:
Die dem Wert von fl z entsprechende Phasendifferenz bei dem TE10-Modus ist
wobei #g die Führerwellenlänge des TE10 Hornmodus und - a -die E-Ebenenhöhe an der
Aufweitungswinkelländerungsstelle 75 ist.
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Bei kleinen Werten von #a und #b und bei einer Breite der H-Ebene
von mehr als ungefähr zwei Wellenlängen wird #g ungefähr gleich #.
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Es sei nunmehr angenommen, dass das Horn sich abschnittsweise in
der E-Ebene aufweitet, während die Breite in der H-Ebene konstant bleibt. Bei einer
kleinen Aufweitungswinkelländerung ergibt eine von links ankommende TE10-Welle an
der rechten Seite vorwiegend einen TE10-Modus mit kleinen Amplituden von TE/TM12,
TE/TM14 usw. In den verschiedenen Modi sind reflektierte Wellen verhältnismäßig
viel kleiner und bleiben unberücksichtigt. Bei der Darstellung in der Fig. 2 liegt
die y-Achse in einer Phasenfront vom #b - 0 Hornabschnitt 73. Dieser Fall trifft
für die Analyse genügend allgemein zu, da die Gleichung (4) zeigt, dass der Phesenfrontübergang
von #a - #b bestimmt wird und nicht von #a oder #b allein. Die Phasendifferenz #
als Funktion von y ist ein Kreisbogen.
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Als eine Annäherung für #a mit einem kleinen Wert entspricht die
Summe der TE10-Wellen und der höherer Ordnung rechts von der Übergangsstelle der
einfallenden TE10-Welle sowohl der Amplitude als auch der Phase nach. Bei einem
kleinen Wert von #a ist 'Ey' konstant von y = -a/2 bis a/2, während Ez vernachlässigt
werden kann. Die Summe der Wellen auf der rechten Seite den #(y) und #Ey(y)# Funktionen
entsprechen:
wobei A2n komplexe Amplituden der Modi TE/TM12, TE/TM14 usw.
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darstellt. Bis zu einer ersten Ordnung, bei der A2, A4 ....#A0 ist
kann der Gleichung (5) genügt werden durch
Die Komponenten TE/TM12, TE/TM14 .... sind daher imaginär und weisen eine Phasenverschiebung
von 90° in Bezug auf die übertragene TE10-Komponente auf.
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Die Gleichung (6) stellt eine Fourierreihe in der Periode Y = -a/2
bis a/2 dar. Zum Vereinfachen des Ergebnisses soll #(y) angenähert einer halben
Sinuswelle gleichgesetzt werden0 Die Fourierkoeffizienten ergeben dann die folgenden
TE/TM1 ,2n-Modus-Amplituden für den TE10-Modus:
Diese Amplituden treten auf in dem rechts von der Übergangsstelle gelegenen Bezirk.
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bei einem pyramidenförmigen anstelle eines aus Abschnitten bestehenden
Horns sind die Phasenfronten sphärisch, so dass TE30, TE50, TE/TM32 usw. Modi benötigt
werden, un der Gleichung
Ey(x) = sin (x/a) und # - #(x) zu genügen.
Jedoch führt die halbsinuswellenförmige Variation von Ey(x) zu einer außerordentlich
raschen Konvergenz des Fourierausruckes für [sin(x/a)].
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eJ#(x) und Modi höherer Ordnung vereinigen sich dann in der H-Ebene
und können bei der Verwirklichung vernachlässigt werden.
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Die Formel für die Amplitude A2 des TE-TM12-Modus nach der Gleichung
(7) kann für die Bestimmung der ersten Aufweitungswinkeländerung benutzt werden,
die ein erwünschtes Verhältnis der TE/TM12-Amplitude zur TE10-Amplitude ergibt.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Phasenwinkel von A2 dem Phasenwinkel von A0
um 900 nacheilt wenn #a -#b kleiner als ull ist. Es besteht daher bei der Länge
des Horns zwischen der kufweitungswinkeländerung und der Öffnung eine Phadenverschiebung
von 90° zwischen den TE10 und den TE/TM12 Modi, die an der Mitte der Öffnung die
gleiche Phase aufweisen. Das Gleiche gilt; wenn bei #a - #b größer als Null. eine
Phasenverschiebung von 270° erforderlich ist. Auf die Verkleinerung des Aufweitungswinkels
in der Fig. 2 soll daher vone Phasenverschiebung von 270° folgen und bei einer Vergrößerung
dieses WInkels nach der Fig. 3 eine Phasenverschiebung von 90°.
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Die Phasenverschiebung #n bei den TE1n und TM 1n -Modi in einem quadratischen
pyramidenförmigen Horn wird bestimmt in Radianten nach der folgenden Gleichung:
wobei a1 die Öffnungshöhe und Breite an der Linken Seite, a2 die Öffnungshöhe und
Breite an der rechten Seite und # der Aufweitungswinkel ist. Diese Formel stellt
eine Annäherung
dar, die für kleine und mäßig große Aufweitungswinkel
gültig ist.
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Die axiale Länge ist
Bei # = 0 und A1 = a2 wird #n einfach
Die Gleichung 8 oder 10 wird, wenn n gleich 0 und 2 eingesetzt wird, benutzt zum
Berechnen der Phasenverschiebung #0 - #2 für die Modi TE10 und TE/TM12.
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Die Parameter a1, a2, # und L sollen durch Versuche so bestimmt werden,
dass sie die gewünschten A2-Werte mit den erforderlichen Phasenverschiebungen von
90° oder 270° bei zulässigen Abmessungen ergeben. Wenn für A2 ein ausreichender
Wert durch eine einzige Ausweitungswinkelveränderung nicht erreicht werden kann,
so können zwei Ausweitungswinkelveränderungen vorgesehen werden.Kleine Werte für
A2 wirken sich direkt bei der ersten Ordnung an der Öffnung aus. Die Frequenzempfindlichkeit
ist jedoch größer als bei einer einzigen Ausweitungswinkelveränderung bei 90° Phasenabstand
von der Öffnung.
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Aus der Gleichung 7 ist zu ersehen, dass die Amplituden A2, A4 ...
progressiv rasch absinken. Die Anwesenheit in der Öffnung der Komponenten mit einer
höheren Ordnung als A2 beeinflussen das Strahlungsmuster nur geringfügig. Jedoch
können die Amplituden dieser Modi nach dem in der Fig. 4 dargestellten Verfahren
ausgelöscht werden wobei die Ausweitungswinkeländerung #a -#b in zwei Schritten
erfolgt #a - #b und #e - #b, die von einander durch einen Zwischenabschnitt 77 mit
der axialen Länge M getrennt sind. Die Länge M wird so gewählt, dass die Phasenverschiebung
#0 - #4 zwischen den Modi TE10 und TE/TM14 180° beträgt. Um die bei jeder Stufe
erzeugten TE/TM14-Amplituden einander gleich zu machen, werden die Größen der Stufen
#a - #e und #e - #b so gewählt, dass das Produkt der Ausweitungswinkeländerung #a
- #e mal der Querschnittsabmesung aa an der ersten Stufe
ungefähr
gleich dem Produkt aus #a a ~ #e und ab an der zweiten Stufe ist. Da die abmessung
a häufig für jede Stufe die Gleiche ist, so sind die Winkeländerungen im allgemeinen
ungefähr die gleichen. Dann wird die an der ersten Übergangsstelle erregte TE/TM14-Komponente
von der an der zweiten Übergangsstelle erregten Komponente ausgelöscht.
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Aufgrund der vorstehenden theoretischen Erwägungen kann nunmehr die
in der Fig.1 dargestellte Antenne ausführlich beschrieben werden. Die allgemeine
Annäherung bei dem Entwurf dieser Antenne sah zwei Hauptänderungen bei den Aufweitungswinkeln
vor, die dur ch einen einstellbaren geraden Abschnitt mit einander verbunden sind,
wobei eine additive Umwandlung des TE10-Modus in den TE/TM12-Modus erfolgt. Jede
Hauptwinkeländerung wurde dann in zwei ungefähr gleiche Winkeländerungen zum Auslöschen
höherer Modi unterteilt. Die genauen Proportionen wurden dann so bemessen, dass
die zu erwartende günstigste Leistung erreicht wurde, wonach ein endgültiges Modell
gebaut und untersucht wurde.
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Der Aufweitungswinkel #1 des ersten Abschnittes 51 wird so gewählt,
dass bei einem zulässigen Querschnitt a3 eine gewünschte Amplitude des TE/TM12-Modus
erzeugt wird. Die Abmessung a3 soll das Mehrfache der Breite des Eingangswellenführers
31 betragen und kann in der Größenordnung von zwei Dritteln der gewünschten Ausgangsmündung
liegen. Der gerade verlaufende Abschnitt 55 ermöglicht die Einregulierung der gesamten
Länge des Horns zum Verbessern des Experimentalmusters und ermöglicht, für die Modi
TE/TM12 eine wesentliche Länge vorzusehen, so dass in bezug auf den TE10-Modus die
ordnungsgemäße Phasenbeziehung hergestellt werden kann. Die beiden Ausweitungswinkeländerung
zwischen den Abschnitten 55 und 59 erzeugen eine zusätzliche TE/2M12-Amplitude.
Der Aufweitungswinkel am Ausgangsabschnitt 59 wird bestimmt von der Differenz zwischen
der Abmessung a3 und der gewünschten Öffnungsabmessung a2 und von der Länge/Aufweitungswinkel-Kombination,
die bei diesen Parametern eine Phasenverschiebung von ungefähr 900 bewirkt.
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Die Ausweitungswinkelränderung zwischen dem ersten Abschnitt 51 und
dem geraden Verbindungsabschnitt 55 wird unterteilt in zwei ungefähr gleiche Winkeländerungen
bei 61 und 62 durch
einen Zwischenabschnitt 53. In der gleichen
Weise wird die Aufweitungswinkeländerung zwischen dem Verbindungsabschnitt 55 und
dem Ausgangsabschnitt 59 unterteilt in zwei ungefähr gleiche Winkeländerungen bei
65 und 67 durch einen Zwischenabschnitt 570 Wie bereits ausgeführt, sind die Zwischenabschnitte
53 und 57 so proportioniert, dass sie in deren Längserstreckung eine Phasenverschiebung
von 1800 bei der Bandbreitenmitte zwischen den TE10 unf TE/TM14 Modi bewirken.
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Für eine erste Annäherung erfordern die Kriterien des Entwurfs eine
Strecke, bei der eine Phasenverschiebung von 2700 (zwischen TE10 und TE/TM12) zwischen
der Mitte des Abschnittes 53 und der Zündung 52 und eine Phasenverschiebung von
900 zwischen der Mitte des Abschnittes 57 und der Mündung 52 bewirkt wird. Die Amplituden
des Modus TE/TM12, die bei jeder Aufweitungswinkeländerung erregt werden, können
addiert werden, und es kann die gewünschte kumulative Amplitude in bezug auf die
des TE10-Modus gewählt werden. Ein Verhältnis von TE/TM12 zu TE10 von 0,66 an der
Mündung würde gleiche E- und H-Ebenen-Strahlbreiten an den 10db-Punkten ergeben.
Bei einem Verhältnis von 0,84 würde zu einer besten Unterdrücken der Seitenflügel
führen. Die Modellausführung wurde entwickelt und verwirklicht unter Anwendung der
vorstehend beschriebenen Theorie, wobei ein Verhältnis nahe dem ersten dieser Werte
zum Erzeugengleicher Strahlbreiten vorgesehen wurde. Die Längen wurden berechnet,
um eine gute Annäherung an eine ebene Phasenfront in der Mündung zu erreichen und
um TE/TM14~Komponenten zu unterdrUcken.
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Bei dem Entwurr einer Horns gleich der in der Fig.1 dargestellten
Ausführung müssen außer den bereits genannten aktoren noch drei weitere Faktoren
berücksichtigt werden.
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Bei der Berechnung der Amplituden der induzierten Modi höherer Ordnung
muss der Umstand berücksichtigt werden, dass die Verwendung von auf einander folgenden
ungefähr einen halben Winkel umfassenden Änderungen des Aufweitungswinkels zum Auslöschen
von Modi höherer Ordnung eine relative Phasenverschiebung verursacht zwischen dem
Teil der Energie des TE/TM12-Modus, die an der ersten Ausweitungswinkeländerung
umgewandelt wird, und derjenigen
die an der zweiten Ausweitungswinkeländerung
erzeugt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform bewirkt die Länge des Zwischenabschnittes
eine relative Phasenverschiebung von ungefähr 420 zwischen dem TE10-Modus und dem
TE/TM12-Modus, so dass die Gesamtamplitude der beiden gleichen TE/TM10-Modi durch
den Faktor cos (42°/2) = 0,934 an jedem Ende des geraden Abschnittes 55 reduziert
wird im Vergleich zu einer einzelnen Ausweitungswinkeländerung an jedem Ende dieses
Abschnittes.
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Der zweite Faktor besteht darin, dass der Aufweitungswinkel des Ausgangsabschnittes
59 eine Bhas enfrontkrümmung an der Mündung erzeugt. Der Phasenkrümmungsfehler ist
gleichwertig einer Aufweitungswinkeländerung vom Ausgangsabschnitt aus bis zu einem
imaginären # = 0-Abschnitt an der Mündung. Die von der Aufweitungswinkeländerung
erzeugte TE/TM12-Komponente weist eine Phasenverschiebung von 90° zu einfallenden
TE10-Komponente auf.
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Der einfachste Weg zum Korrigieren dieses Effektes und zum Erreichen
einer ungefähr ebenen Phasenfront besteht darin, die Länge des geraden Abschnittes
55 so zu bemessen, dass die die Mündung erreichende TE/TM12-Welle eine Komponente
aufweist, die die gleiche Amplitude jedoch eine Phasenverschiebung von 1800 aufweist
wie die an der Mündung erzeugte Komponente.
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Als dritter Faktor muss nicht nur die Verminderung im TE10-Modus
bei jeder folgenden Aufweitungswinkeländerung berücksichzeigt werden sondern auch
die Wirkung der Anwesenheit anderer Komponenten, besonders von TE/TM12 in der einfallenden
Welle.
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Eine weit bessere quantitative Analyse der relativen Modulsamplituden
und damit der Mündungsmuster eines sich mehrfach aufweitenden Horns kann durchgeführt
werden dadurch, dass die Aufweitungs winkeländerungen als in Kaskade zusammengeschalteten
Richtungs kopplern nach der Fig. 6 gleichwertig angesehen werden. Obwohl bei der
Entwicklung der Ausführungsform nach der A!igo1 dieses Verfahren nicht; angewendet
wurde, so ermöglicht dieses Verfahren jedoch die Vorausbestimmung von Werten, die
sehr nahe bei den experimentell Werten für diese Ausführungsform liegen.
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Die Formeln für die Richtungskoppler können direkt angewendet werden,
wenn das Verhältnis der Eingangsamplitude des einen Modus zur Ausgansamplitude eines
zweiten Modus =
= 2/3 . a/# . (#a -#b) rad ist, wobei #n der Gleichung
(8) oder (10) entnommen werden kann. Wie sich gezeigt hat, können sehr viel genauere
Resultate erreicht werden, wenn die Mündung 52 behandelt wird als eine Aufweitungswinkeländerung
von Ausgangs abschnitt 59 aus bis zu einem imaginären Abschnitt mit einem Aufweitungswinkel
von 0°.
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Das Induzieren höherer Modi im Sendeband (5,925 bis 6.425 GHz) kann
durch Verwenden einer der bekannten kittel durchgeführt werden z.B. mittels einer
Unterbrechung 35 im Hald der Einrichtung (d.H. im Bezirk der Übergangs stelle zwischen
dem Wellenführer 31 und des Horns 5) und zwar über eine kurze Strecke innerhalb
des Wellenführers 31. Die Sperrfrequenz des TE/TM12-Modus im Wellenführer beträgt
5,32 GHze Die Unterbrechung 35 und die erste Aufweitungswinkeländerung 61 üben daher
im Empfangen band keine Wirkung aus, so dass unabhängig die günstigsten Werte für
die beste Amplitude und die relative Phasierung im Sendeband gewählt werden können.
Experimentell ermittelte Muster im Sende band gleichen den Mustern nach der Fig.
7b. Wie zu erwarten war, bewirkte die Unterbrechung 35 keine Änderung bei den Empfangsbandmustern.
Im Sendeband erzeugten Aufweitungswinkeländerungen bei der dargestellten Ausführung
des Horns eine Reihe von TE:TM12-Komponenten, deren Phasensumme fast Null beträgt.
Dies wird experimentell bestätigt durch ein E-Ebenen-Muster ohne Unterbrechnung
35, das dem Muster einer reinen TE10-Verteilung in der Strahlbreite und den Seitenflügeln
sehr nahe kommt. Bei jedem Entwurf sollte die Wirkung kleiner Aufweitungswinkelän-Änderungen
auf ein höheres Frequenzband berechnet werden, bevor die Parameter gesonderter Mittel
zum Erzeugen höherer Modi in diesem Frequenzband und für diese Ausführung berechnet
werden.
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Nachstehend sind die Abmessungen der Antenne nach der Fig.1 zusammengestellt
B r e i t e a1 7,11 cm a2 31,0 cm a3 35,6 cm a4 35,6 cm a5 39,0 cm a6 56,1 cm
Länge
51 80,7 cm 53 33,6 cm 55 127,5 cm 57 43,0 cm 59 10800 cm Aufweitungswinkel #1 8,40°
#2 3,90° #3 0 ° #4 2,34° #5 4,54° Die in der Fig. 1 dargestellte Antenne wurde gebaut
und überprüft. Bei der Länge des geraden Abschnittes 55 war nur eine experimentell
bestimmte Änderung von weniger als 10% erforderlich, um die besten Muster im Rahmen
des Möglichen innerhalb der gesamten bandbreite von 3,7 bis 4,2 GHz zu erzeugen.
Die erhaltenen E- und H-Ebenen-Muster für 3,7 - 3,95 und 4,2 GHz sind in den Figuren
7a, 7b und 7c dargestellt. Wie aus der Fig. 7 zu ersehen ist, zeigen die E- und
H-Ebenenmuster am Empfangsband, dass mit der Ausführung die angestrebten Ziele erreicht
worden sind und zwar sind die Strahlbreiten in der E- und der H-Ebene annähernd
einander gleich, die Muster in der H-Ebene werden von der Aufweitungswinkeländerungen
kaum beeinflusst, und ferner werden die Seitenflügel in der E- und H-Ebene stark
unterdrückt.
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Im Vergleich hierzu stehen die theoretischen Strahlbreiten des H-
und des E-Ebenen-Musters einer Mündung mit einem reinen, ebenen TE10-Feld im Verhältnis
von 1,35 : 1, während die theoretischen Seitenflügelpegel 23 db bezug. 13 db betragen.
Als größter Eingang VSWR wurde 1,02 oder weniger gemessen sowohl im Empfangsband
als auch im Sendeband.
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An der vorstehend beschriebenen besonderen Ausführungsform der Erfindung
können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens selbstverständlich Änderungen,
Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann das Auslöschen
von Modi höherer Ordnung durchgeführt werden mittels Kombinationen
von
Aufweitungswinkeländerungen außer den beiden auf einander folgenden und ungefähr
gleichen Änderungen bei einer Phasenverschiebung von 180°. Im Horn können sowohl
positive als auch negative Aufweitungswinkeländerungen vorgesehen werden Es können
auch andere Modi als die genannten benutzt werden. Die Mittel zum Induzieren von
Modi höherer Ordnung im höheren Prequenzband können aus einer oder mehreren Aufweitungswinkeländerungen
zwischen dem Wellenführer und dem ersten Aufweitungsabschnitt bei einer Querschnittsabmessung
bestehen 9 die kleiner ist als die großen Abmessungen,, bei denen der Hauptteil
der Modi höherer Ordnung im niedrigeren Frequenzband induziert wird Diese Angaben
stellen lediglich Beispiele dar.
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Patentansprüche