DE2163881C3 - Durch eine strahlende öffnung am Ende eines Haupthohlleiters für mehrere Wellenformen gebildete Antenne - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine durch eine strahlende öffnung am Ende eines Haupthohlleiters für mehrere Wellenformen gebildete Antenne, wobei sich im Haupthohlleiter Wellen der Grundwellenform und höherer Wellenformen in definierten Anteilen unter phasen- und amplitudenmiißiger Überlagerung zur Erzielung eines vorbestimmten Strahlungsdiagramms ausbreiten und der Haupthohlleiter von einem oder mehreren Erregungshohlleitern in der Grundwellenform gespeist ist und stufenförmige Unstetigkeiten aufweist, deren Höhe von dem Anteil der am Ort jeder Stufe zu erzeugenden höheren Welienformen abhängt

Antennen dieser Art, die beispielsweise aus der FR-PS 15 37 063 und der Zusatzpatentschrift 93 116 zu dieser französischen Patentschrift bekannt sind, beruhen auf dem Prinzip, daß die Grundwellenform und die durch die Unstetigkeiten erzeugten höheren Wellenformen, die sich zusammen im Haupthohlleiter ausbreiten, in der strahlenden öffnung eine bestimmte Amplituden- und Phasenlage haben, wodurch das gewünschte Strahlungsdiagramm erhalten wird. Diese gegenseitige Amplituden- und Phasenlage ist für eine bestimmte Frequenz durch die Lilnge des Haupihohlleiters bestimmt, gilt aber nicht !für andere Frequenzen. Das eewünschte Strahlungsdiagramm kann daher nur für ein

schmales Frequenzband erhalten werden.

Aus der DT-OS lftO4 594 ist es bei einer Antenne dieser Art bekannt, mehrere nach Art einer Schneide ausgebildete metallische Vorsprünge im Durchmessereindeutigkeitsbereich eines Wellentyps anzuordnen, um den Frequenzgang des Anregungskoeffizienten und den Reflexionsfaktor und damit auch das Strahlungsdiagramm der Antenne zu beeinflussen. Das Problem der durch die feste Länge des HaupthohUeiters bedingten geringen Bandbreite wird dadurch aber nicht gelöst

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Actenne der eingangs angegebenen Art, die eine große Bandbreite aufweist

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei aufeinanderfolgende Unstetigkeiten so bemessen sind, daß sie im Betriebsfrequenzbereich die gleichen höheren Wellenformen erzeugen, und daß der zwischen diesen beiden Unstetigkeiten liegende Hohlleiterabschnitt so bemessen ist daß die am Ort der ersten Unstetigkeit erzeugten höheren Wellenformen bei den niedrigen Frequenzen des Betriebsfrequenzbereichs gesperrt sind und bei den höheren Frequenzen des Betriebsfrequenzbereichs sich in dem Hohlleiterabschnitt ausbreiten.

Die Antenne nach der Erfindung ergibt folgende Wirkung: Bei den niedrigen Frequenzen des Betriebsfrequenzbereichs können nur die von der zweiten Unstetigkeit erzeugten höheren Wellenformen sich im Haupthohlleiter ausbreiten und in der strahlenden öffnung der Grundwellenform zur Bildung des Strahlungsdiagramms überlagern, während die von der ersten Unstetigkeit erzeugten höheren Wellenformen im Zwischenhohlleiterabschnitt abklingen, bevor sie zur zweiten Unstetigkeit gelangen. Die Länge des Haupthohlleiters ist so bemessen, daß sich bei diesen niedrigen Frequenzen in der strahlenden öffnung eine dem gewünschten Strahlungsdiagramm entsprechende gegenseitige Amplituden- und Phasenlage der Grundweilenform und der von der zweiten Unstetigkeit stammenden höheren WeUenformen ergibt Mit ansteigender Frequenz gelangt dann ein zunehmender Anteil der von der ersten Unstetigkeit stammenden höheren Wellenformen zur zweiten Unstetigkeit wo er sich den dort erzeugten höheren Wellenformen überlagert Im Haupthohlleiter breitet sich dann eine Summenwelle der höheren Wellenformen aus, deren Ursprung in einer Ebene zu Hegen scheint die sich zwischen den beiden Unstetigkeiten befindet und um so näher bei der ersten Unstetigkeit liegt, je höher die Frequenz ist Für diese Summenwelle weist die Hohlleiterstruktur somit eine äquivalente Länge auf, die mit ansteigender Frequenz zunimmt Dadurch wird die Frequenzabhängigkeit der Hohlleiterstruktur kompensiert und die für das gewünschte Strahlungsdiagramm erforderliche Amplituden- und Phasenbedingung in einem breiteren Frequenzband aufrechterhalten.

Mit einer Antenne nach der Erfindung, die zwei Unstetigkeiten mit der angegebenen Bemessung aufweist, kann eine Bandbreite in der Größenordnung von 20% erreicht werden, wobei die Phasenfehler in der strahlenden öffnung 6° nicht überschreiten. Dies ergibt eine Verdoppelung der Bandbreite gegenüber vergleichbaren Antennen nach dem Stand der Technik, mit denen unter gleichen Bedingungen eine Bandbreite von etwa 10% erhalten werden kann. Die Antenne nach der Erfindung wird dadurch für Anwendungsfälle, wie Weltraum-Nachrichtenverbindungen, geeignet, bei denen Bandbreiten bis zu 18% gefordert werden.

. Ausführungsbeispiele der Erfindung sird in der Zeichnung dargestellt Darin zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Antenne nach der Erfindung,

Fi g. 2 eine schematische Schmttansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise der Antenne von F i g. 1 und

Fig.3 eine ichematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsfonn der Antenne nach der Erfindung.

Die in Fig.l dargestellte Antenne hat einen Haupthohlleiter 1, der am einen Ende eine strahlende öffnung 2 aufweist und am entgegengesetzten Ende durch eine Stirnwand 3 verschlossen ist, in die Erregungshohlleiter 4,4a münden. Die Erregungshohlleiter speisen den Haupthohlleiter 1 jeweils in einer Grundwellenform, und da die Einmündung in der Stirnwand 3 eine Unstetigkeit darstellt, entstehen an dieser Stelle höhere Wellenformen, die sich zusammen mit der Grundwelle in dem Haupthohlleiter ausbreiten. Die verschiedenen durch den Haupthohlleiter 1 übertragenen Wellenformen vereinigen sich in der strahlenden öffnung 2 nach Phase und Amplitude zur Erzielung eines bestimmten Strahlungsdiagramms.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Erregungshohlleiter 4 eine Rechteckhohlleiterstruktur. Er weist zwei Speisehohlleiter 5 und 6 auf, die in der Stirnwand 7 eines Zwischenhohlleiters 8 von größerem Querschnitt münden. Die Einmündungen jedes Speisehohlleiters 5 und 6 in die Stirnwand 7 des Zwischenhohlleiters 8 ergibt jeweils eine Unstetigkeit, die in einem bestimmten Abstand vor der Unstetigkeit liegt, die durch die Einmündung des Zwischenhohlleiters 8 in die Stirnwand 3 des Haupthohlleiters 1 gebildet ist. Die beiden Spe=sehohlleiter 5 und 6 werden in der Grundwellenform H10 gespeist, und zwar gleichphasig oder gegenphasig, je nachdem, ob in dem Zwischenhohlleiter 8, dessen Abmessungen entsprechend gewählt sind, geradzahlige oder ungeradzahlige Wellenformen erzeugt werden sollen.

Der zweite Erregungshohlleiter 4a vom Horntyp weist gleichfalls einen Zwischenhohlleiter 9 auf, in dessen Stirnwand 10 ein Speisehohlleiter It mündet. Diese Einmündung bildet wiederum eine Unstetigkeit, die im Abstand vor der Unstetigkeit liegt, die durch die Einmündung des Zwischenhohlleiters 9 in die Stirnwand 3 des Haupthohlleiters 1 gebildet ist. Jeder der beiden dargestellten Erregungshohlleiiter 4 und 4a weist somit zwei aufeinanderfolgende Unstetigkeiten auf, die jeweils in der Verbindungsebene von zwei Hohlleitern unterschiedlicher Abmessungen liegen.

Die Wirkungsweise dieser Struktur soll an Hand von F i g. 2 für den Erregungshoh!leiter 4 erläutert werden. Dabei sind in Fig.2 die Eintrittsebene 12 der Speisehohlleiter 5 und 6, die erste Unstetigkeitsebene 13, die zweite Unstetigkeitsebene 14 und die Ebene 15 der strahlenden öffnung 2 angedeutet.

Es wird angenommen, daß die Speisehohlleiter 5 und 6 in der Grundwellenform //10 gespeist werden und daß in den Unstetigkeitsebenen 13 und 14 Wellenformen der Typen Hu und £12 erzeugt werden, die beide die gleiche Phasengeschwindigkeit haben. Diese beiden Wellenformen vereinigen sich und lassen die gemischte Wellenform EMi 2 entstehen. Die Grundwellenform Hi 0 und die gemischte höhere Wellenform EMi 2 sind in den Unstetigkeitsebenen gleichphasig und breiten sich jeweils mit ihren eigenen Phasengeschwindigkeiten aus. Wenn man erreichen will, daß die in der Unstetigkeitsebene 14 erzeugte höhere Wellenform £Λίι 2 sich am Pnrip Ηρς HauothoWleiters 1 in der strahlenden öffnung

2 wieder in Phase mit der Grundwellenform H10 befindet, muß die Länge L des Haupthohlleiters 1 die folgende Bedingung erfüllen:

2.7 -~- = 27

(D

Darin sind Xg\ und Xg. die Wellenlängen der btiden betreffenden Wellenformen im Hohlleiter.

Durch geeignete Bemessung des Zwischenhohlleiters 8 und des Haupthohlleiters 1 wird erreicht, daß bei den niedrigen Frequenzen des zu übertragenden Frequenzbereichs die gemischte höhere Wellenform EMn in dem Zwischenhohlleiter 8 gesperrt ist und sich erst jenseits der zweiten Unstetigkeitsebene 14 auszubreiten beginnt Bei diesen niedrigen Frequenzen arbeitet die Anordnung so, als ob nur die einzige Unstetigkeitsebene 14 vorhanden wäre. Mit wachsender Frequenz können die in der ersten Unstetigkeitsebene 13 erzeugten Wellen der gemischten höheren Wellenform EMu in zunehmendem Maße durch den Zwischenhohlleiter 8 bis zu der zweiten Unstetigkeitsebene 14 übertragen werden und sich dort nach Amplitude und Phase mit der in der zweiten Unstetigkeitsebene 14 erzeugten gemischten höheren Wellenform EMi 2 vereinigen.

Die beiden Anteile der gemischten höheren Wellenform EMi 2, die sich in der zweiten Unstetigkeitsebene 14 vereinigen, haben nicht die gleiche Phase, so daß das Phasenzentrum der gemischten höheren Wellenform nur dann in der Unstetigkeitsebene 14 Hegt, wenn die in dieser Unstetigkeitsebene 14 erzeugte gemischte höhere Wellenform allein vorhanden ist, also bei den niedrigen Frequenzen des Übertragungsbereichs. Wenn dagegen die sich im Haupthohlleiter 1 ausbreitende gemischte höhere Wellenform die Summe von Anteilen ist, die in den Unstetigkeitsebenen 13 und 14 erzeugt werden, Hegt das Phasenzentrum dieser Summenwelle in einer Ebene 16, die zwischen den beiden Unstetigkeitsebeneu 13 und 14 liegt, und zwar um so näher bei der Unstetigkeitsebene 13, je größer der Anteil der von dieser Unstetigkeitsebene stammenden höheren Wellenform ist. Bei der unteren Grenze des Frequenzbereichs liegt somit die Ebene 16 der Erzeugung der gemischten höheren Wellenform an der Stelle der zweiten Unstetigkeitsebene 14, und mit wachsender Betriebsfrequenz bewegt sich diese Erzeugungsebene 16 in zunehmendem Maße von der zweiten Unstetig keitsebene 14 weg und zu der ersten Unstetigkeitsebene 13 hin. Die äquivalente Länge L' der Struktur wächst also mit steigender Frequenz, wobei die mechanische Länge L des Haupthohlleiters 1 so bemessen ist, daß die zuvor angegebene Gleichung (1) für die niedrigste Frequenz des Frequenzbereichs bemessen ist

Unter diesen Bedingungen kann eine Bandbreite in der Größenordnung von 10% erreicht werden, wobei die Phasenfehler an der strahlenden öffnung 2 einen Wert von 6° nicht überschreiten.

Fig.4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Antenne für mehrere Wellenformen, bei der das zuvor beschriebene Prinzip erweitert ist Es ist wieder ein Erregungshohlleiter 20 der in F i g. 2 erläuterter. Art mit Speisehohlleitern 21 und 22 und einem Zwischenhohlleiter 23 vorhanden, und es sind wieder die Unstetigkeitsebenen 13 und 14 sowie die Ebene 15 der strahlenden öffnung 2 und die Ebene 16 der scheinbaren Erzeugung der gemischten höheren Wellenform dargestellt

Bei dieser Ausführungsform münden auf der Höhe der zweiten Unstetigkeitsebene 14 in den Haupthohllei-

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ter 1 zusätzliche Erregungshohlleiter 18 und 19, die für die Erzeugung ungeradzahliger Wellenformen, beispielsweise vom Typ Hu, bestimmt sind. Diese zusätzlichen Erregungshohlleiter 18 und 19 werden in der Grundwellenform gegenphasig erregt. Eine solche Ausbildung ermöglicht die Durchführung von Entfernungsmessungen bei einem Monopulssystem durch Bildung von Differenzkanälen. Die Wirkungsweise dieser Struktur ist derjenigen von F i g. 2 ähnlich. Bei den niedrigen Frequenzen des zu übertragenden Frequenzbandes klingen die in der ersten Unstetigkeitsebene 13 erzeugten höheren Wellenformen ab, bevor sie die Ebene 14 erreichen, so daß sich im Haupthohlleiter 1 nur die in der zweiten Unstetigkeitsebene 14 erzeugten höheren Wellenformen ausbreiten. Mit wachsender Frequenz gelangt ein zunehmender Anteil der in der ersten Unstetigkeitsebene 13 erzeugten höheren Wellenform zu der zweiten Unstetigkeitsebene 14, wo er sich der dort erzeugten höheren Wellenform überlagert, so daß alles so abläuft, als ob die im Haupthohlleiter 1 erhaltene resultierende höhere Wellenform in einer Ebene 16 erzeugt würde, die sich in dem Zwischenhohlleiter 23 mit ansteigender Frequenz von der zweiten Unstetigkeitsebene 14 nach hinten zur ersten Unstetigkeitsebene 13 hin bewegt Bei der Ausführungsform von F i g. 3 sind hinter der zweiten Unstetigkeitsebene 14 im Haupthohlleiter 1 Einrichtungen vorgesehen, die eine theoretisch vollkommene Entkopplung zwischen den zusätzlicher Erregungshohlleitern 18,19 und dem Erregungshohllei ter 20 für die geradzahligen Wellenformen ergeben Diese Einrichtungen bestehen aus Metallplättchen 2A und 25, die quer zu dem elektrischen Feld dei Grundwellenform liegen.

Die Höhe der Stufen in den Unstetigkeitsebenen 13 und 14 muß natürlich entsprechend den Anteilen dei höherem Wellenformen bemessen werden, die an dieser Stellen erzeugt werden müssen, damit in der strahlen den Öffnung 2 das gewünschte Strahlungsdiagramm erhalten wird.

Die Anzahl der vorgesehenen Unstetigkeiten häng von der gewünschten Bandbreite ab. Das beschriebene Prinzip bleibt auch dann gültig, wenn mehr als zwe Unstetigkeiten für jeden Erregungshohlleiter vorgese hen werden.

Die Erläuterungen von F i g. 2 und 3 galten jeweils fü; den Fall eines Erregungshohlleiters, der auf Grund eine; //-Wellenform eine E-Wellenform entstehen läßt, docl gilt das gleiche Prinzip auch für Erregungshohlleiter, dii auf Grund einer E-Wellenform eine f/-Wellenforn entstehen lassen, und es ist auch möglich, beide Ariel von Erregungshohlleitern zusammenzufassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   : 1. Durch eine strahlende öffnung am Ende eines , ..HaupthohUeiters für mehrere Wellenformen gebildete Antenne, wobei sich im Haupthohlleiter Wellen 'der Grundwellenform und höherer Wellenform in , definierten Anteilen unter phasen- und amplitudenmäßiger Oberlagerung zur Erzielung eines vorbe- - stimmten Strahlungsdiagramms ausbreiten und der Haupthohlleiter von einem oder mehreren Erregungshohlleitern in der Grundwellenform gespeist ist und stufenförmige Unstetigkeiten aufweist, deren Höh« von dem Anteil der am Ort jeder Stufe zu erzeugenden höheren Wellenformen abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinanderfolgende Unstetigkeiten (13, 14) so bemessen sind, daß sie im Betriebsfrequenzbereich die gleichen höheren Wellenformen erzeugen, und daß der zwischen diesen beiden Unstetigkeiten (13, 14) liegende Hohlleiterabschnitt (8) so bemessen ist, daß die am Ort der ersten Unstetigkeit (13) erzeugten höheren Wellenformen bei den niedrigen Frequenzen des Betriebsfrequenzbereichs gesperrt sind und bei den höheren Frequenzen des Betriebsfrequenzbereichs sich in dem Hohlleiterabschnitt (8) ausbreiten.
2. 2. Antenne nach Anspruch 1 zur Verwendung als Monopulsantenne, gekennzeichnet durch zusätzliche Erregungshohlleiter (18,19), die gegenphasig in einer Grundwellenform gespeist sind und auf der Höhe der zweiten Unstetigkeit (14) derart in den Haupthohlleiter (1) münden, daß ungeradzahlige höhere Wellenformen entstehen.

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