DE2449106B2

DE2449106B2 - Breitband-Hornreflektorstrahler

Info

Publication number: DE2449106B2
Application number: DE19742449106
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. Leupelt; Helmuth Dipl.-Ing. Thiere
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1974-10-15
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2449106C3; DE2449106A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Breitband-Hornreflektorstrahler, bestehend aus einem Speisehorn mit regelmäßigem Querschnitt und einem mit dem Speisehorn zu einer Baueinheit vereinigten, die Strahlung umlenkenden und zugleich bündelnden Spiegel, der die Formgebung eines Ausschnitts eines Rotationsellipsoids hat, dessen Brennpunkte auf der Symmetrieachse des Speisehorns und der Antennenstrahlachse liegen.

Strahler dieser Art finden, wie die US-PS 31 95 137 zeigt, u. a. als Erreger für rotationssymmetrische Spiegelantennen Verwendung. Dabei ist es von Nachteil, daß das Diagramm eines solchen Strahlers in den beiden orthogonalen Hauptebenen voneinander abweichende Strahlungsverteilungen aufweist. Neben einer Verringerung des Antennengewinns durch ungleichmäßige Spiegelausleuchtung ist vor allem die Verschlechterung der Kreuzpolarisationseigenschaften und die unterschiedliche Überstrahlung an den Reflektoren zu nennen. Aber auch bei der unmittelbaren Anwendung solcher Strahler als Breitbandantennen können sich die unterschiedlichen Strahlungsverteilun-^σεη in den beiden Hauⁿtcbenen des Fernfclddiii

nachteilig auswirken. Das trifft insbesondere dann zu, wenn die Antenne für einen Betrieb mit sogenannter Frequenzdoppelausnutzung vorgesehen werden soll, da hier die Kreuzpolarisationskomponente möglichst niedrig sein muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Breitband-Hornreflektorstrahler der einleitend beschriebenen Art eine Lösung anzugeben, die ein Fernfelddiagramm des Strahlers ermöglicht, bei dem die Strahlungsverteilungen in den beiden orthogonalen Hauptebenen annähernd miteinander übereinstimmend.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Abschnitt des Speisehorns in an sich bekannter Weise zu wenigstens einem von Störstellen begrenzten Phasenlaufraum ausgestaltet ist, dessen Querschnitt die Ausbreitung einer Vielzahl höherer Wellentypen zuläßt und der so bemessen ist, daß die Überlagerung der Grundwelle und der an den Störstellen angeregten höheren Wellentypen in der Aperturebene der Antenne, unter Berücksichtigung der Ellipsoid-Konfiguration des Spiegels, eine rotationssymmetrische oder zumindest eine in den zueinander orthogonalen Hauptebenen gleiche Feldverteilung ergibt.

Bei der Erfindung wird von der an sich bekannten Maßnahme Gebrauch gemacht, durch Schaffung von Störstellen im Strahler an geeigneten Stellen zusätzlich zum Grundwellentyp einen Wellentyp höherer Ordnung bzw, eine Kombination höherer Wellentypen anzuregen, die die Aperturverteilung und damit die Strahlungsdiagramme in der gewünschten Weise verbessern. Beispielsweise ist es bereits durch die DE-OS 21 41 142 oder die US-PS 36 62 393 bekannt, bei einem Hornstrahler durch partielle Ausgestaltung des Speisehorns zu wenigstens einem von Störstellen begrenzten Phasenlaufraum die Strahlungsverteilung im Fernfeld im Hinblick auf die Erzielung gleicher Strahlbreiien in den beiden zueinander orthogonalen Hauptebenen zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich derartige Maßnahmen auch bei Breitband-Hornreflektorstrahlcrn erfolgreich zur Anwendung bringen lassen, da auch der Einfluß des die Strahlung umlenkenden und zugleich bündelnden Spiegels auf die Feldverteilung bei der Dimensionierung des Phasenlaufraumes und der ihn begrenzenden Störstellen in außerordentlich vorteilhafter Weise berücksichtigt werden kann.

Zweckmäßig ist der Phasenlaufraum ein Leitungsabschnitt mit gleichbleibendem Querschnitt. Dabei sind die Störstellen durch die knickförmigen Übergänge zwischen dem Leitungsabschnitt und den sich hieran auf beiden Seiten anschließenden konischen Abschnitten des Speisehorns gebildet.

Mit Vorteil kann der Erfindungsgegenstand als Erreger für eine Antenne oder ein Wellenleitersystem mit zwei und mehr passiven Reflektoren zur Anwendunggelangen.

Von besonderer Bedeutung ist es, daß sich die gewünschte Übereinstimmung der Strahlungsverteilung in den beiden zueinander orthogonalen Hauptebenen nicht nur bei quadratischem Querschnitt des Hornstrahlers, sondern auch bei kreisförmigem Querschnitt ohne besondere zusätzliche Maßnahmen erzielen läßt. Somit eignet sich der Breitband-Hornreflektorstrahler nach der Erfindung besonders als Erreger für drehsymmetrische Antennen, beispielsweise Cassegrain-Antennen.

Anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, soll die Erfindung im

folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Breitband-Hornreflektorstrahlers nach der Erfindung,

Fig.2 eine Cassegrain-Antenne mit einem Breitband-Hornreflektorstrahler nach der Erfindung,

F i g. 3 bis 6 Feldlinienbilder im Rundhohlleiterquerschnitt,

F i g. 7 und 8 Amplitudendiagramme der Feldverteilung übe·:" den Aperturquerschnitt eines normalen Breitband-Hornparabols bzw. des Breitband-Hornreflektorstrahlers nach F i g. 1.

Der Breitband-Kornreflektorstrahler nach F i g. 1 besteht aus einem Speisehorn mit einem ersten konischen Abschnitt 1, einem sich daran anschließenden Phasenlaufraum 2 in Gestalt eines Leitungsabschnitts mit gleichbleibendem Querschnitt, einem zweiten konischen Abschnitt 3, einem die Strahlung umlenkenden und zugleich bündelnden Spiegel L/5 und einem Strahlerabschnitt 4 mit der Apertur A. Das Speisehorn SH einschließlich des Strahlerabschnitts 4 kann sowohl einen quadratischen als auch einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

Der Lauffeldraum 2 ist in einem Abschnitt des ■> Speisehorns SH angeordnet, in dem er bereits einen Querschnitt aufweist, in dem neben der G rund welle auch eine Vielzahl höherer Wellentypen ausbrt itungsfähig ist. Die Knickstellen 2a und 2b an den Übergängen des Phasenlaufraums 2 zum ersten und zweiten konischen Abschnitt 1 und 3 des Speisehorns stellen die Störungsstellen dar, an denen ein Teil der Energie der Grundwelle in Wellen höheren Wellentyps umgewandelt wird. Bei geeigneter Bemessung des Phasenlaufraumes und der Knickstellen überlagern sich diese höheren Wellenanteile mit der Grundwelle in der Aperturebene A des Strahlers im Sinne der gewünschten Übereinstimmung der Strahlungsdiagramme in den beiden zueinander orthogonalen Hauptebenen.

Der Spiegel L/Shat die Form eines Ausschnittes eines Rotationsellipsoids, dessen Brennpunkte auf der Symmetrieachse des Speisehorns SH und der hierzu senkrecht verlaufenden Antennenstrahlachse liegen. Aufgrund der Ellipsoidform des Spiegels US wird die Strahlung leicht fokussiert und die Störstellen darstellenden Übergänge zwischen dem Spiegel US, dem Speisehorn SW und dem Strahlerabschnitt 4 werden nur in vermindertem Umfange wirksam.

F i g. 2 zeigt eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne mit dem Hauptreflektor HR und dem Fangreflektor FR, die von einem Breitband-Hornreflektorstrahier nach Fig. 1 als Erreger Gebrauch macht. Der Hornreflektorstrahler hat hier einen kreisförmigen Querschnitt und ist damit an die Rotationssymmetrie der Cassegrain-Antenne angepaßt.

Zur besseren Erläuterung der Wirkungsweise der durch den Phasenlaufraum 2 und die Störstellen 2a und 2b bewirkten Verbesserung der Strahlungscharakteristik sind zunächst in den F i g. 3 bis 6 die Feldlinienbilder des elektrischen Feldes der Hw-, der Ew- und der Hi2-Welle im runden Querschnitt der Apertur A des Hornreflektorstrahlers angegeben. Die elektrischen Feldlinien sind mit Pfeilen dargestellt und mit e bezeichnet Die Ebene parallel zu den Feldlinien e ist, wie F i g. 3 angibt, als £-Ebene bezeichnet, während die Ebene senkrecht zum Verlauf der elektrischen Feldlinien eals //-Ebene bezeichnet ist

Die Störstellen sind bei den Ausführungsformen des Speisehorns SH nach den F i g. 1 und 2 durch Knickstellen 2a und 2b, d.h. durch Änderungen des Homöffnungswinkels realisiert. Wie sich zeigen läßt, können aufgrund der Orthogonalitätsbeziehungen an den Knickstellen ausschließlich höhere Wellentypen der Ordnung Hi_n und E\„ angeregt werden. Dies gilt unter der hier gegebenen Voraussetzung, da die Knickstellen achssymmetrisch sind. Dabei ist die erste bestimmte Größe für die Anregung höherer Wellentypen zur Feldsymmetrierung die Änderung des Homöffnungswinkels, die zweite der Ort der Störstelle, d. h. der Durchmesser des den Phasenlaufraum 2 darstellenden Rundhohlleiterabschnitts.

Die Knickwinkel, in Verbindung mit geeignetem Durchmesser des Phasenlaufraumes 2, bestimmen die Größe der jeweiligen Anregungskoeffizienten für die höheren Wellentypen, d. h. den Anteil der Energie der Grundwelle, der in Wellen von höherem Wellentyp umgewandelt wird. Sie ist entscheidend für den Grad der erreichbaren Diagrammsymmetrie der Feldverteilung. Der Durchmesser am Ort der Knickstellen 2a und 2b entscheidet wesentlich über die Bandbreite, die mit diesen Maßnahmen erreicht werden kann.

Die für die Symmetrierung wirksamen höheren Wellentypen sind im wesentlichen die E_n- und die λ/12-Welle, deren Feldlinienbild in den F i g. 4 und 5 dargestellt ist und die der Grundwelle Hw überlagert werden. An den Knickstellen werden zwar auch Wellen noch höherer Ordnung angeregt, doch ist diese Anregung so schwach, daß sie in erster Näherung vernachlässigt werden kann. Das Feldlinienbild der in der Apertur A gleichphasig überlagerten Wellen, und zwar der Grundwelle Hu mit den Wellen Eu und Hu ist in Fig. 6 angegeben. Dabei verhalten sich die Anregungsamplituden der Wellen für typische, nach dem angegebenen Konzept verbesserte Strahler etwa wie

Hw: Ew. H₁₂ 1 : (0_r4 bis 0,5): 0,05.

Die durch diese Maßnahme erreichte Verbesserung der Symmetrie der Feldverteilung macht der Vergleich zwischen den Amplitudendiagrammen der F i g. 7 und 8 deutlich. Gezeigt ist die Nahfeldverteilung eines Primärstrahlers für eine Cassegrain-Antenne nach F i g. 2, gemessen in einer Ebene parallel zur Apertur A am Ort des Fangreflektors FR. In den Fig. 7 und 8 ist der Abfall der Feldstärke in dB, ausgehend von der Strahlerachse, für die E- und //-Ebene angegeben, und zwar in F i g. 7 für einen normalen Breitband-Hornpara bolstrahler und in Fig.8 für einen Breitband-Hornreflektorstrahler nach der Erfindung. Wie sich zeigt, wird beim Erfindungsgegenstand nicht nur eine sehr gute Übereinstimmung des Feldverlaufs in der H- und der Ε-Ebene erreicht, sondern auch eine erhebliche Absenkung der Nebenzipfel.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Breitband-Hornreflelctorstrahler, bestehend aus einem Speisehorn mit regelmäßigem Querschnitt und einem mit dem Speisehorn zu einer Baueinheit vereinigten, die Strahlung umlenkenden und zugleich bündelnden Spiegel, der die Formgebung eines Ausschnitts eines Rotationsellipsoids hat, dessen Brennpunkte auf der Symmetrieachse des Speisehorns und der Antennenstrahlachse liegen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des: Speisehorns (SH) in an sich bekannter Weise zu wenigstens einem von Störstellen (2a, 2b) begrenzten Phasenlaufraum (2) ausgestaltet ist, dessen Querschnitt die Ausbreitung einer Vielzahl höherer V/ellentypen zuläßt und der so bemessen ist, daß die Überlagerung der Grundwelle und der an den Störstellen angeregten höheren Wellentypen in der Aperturebene (A) der Antenne, unter Berücksichtigung der Ellipsoid-Konfiguration des Spiegels (US), eine rotationssymmetrische oder zumindest eine in den zueinander orthogonalen Hauptebenen gleiche Feldverteilung ergibt.

2. Breitband-Hornreflektorstrahler nach An-Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenlaufraum (2) ein Leitungsabschnitt mit gleichbleibendem Querschnitt ist und daß die Störstellen (2a, 2b) durch die knickförmigen Übergänge zwischen dem Leitungsabschnitt und den sich hieran auf beiden Seiten anschließenden konischen Abschnitten (1, 3) des Speisehorns fSWJgebildet sind.

3. Breitband-Hornrefleklorstrahler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung als Erreger für eine Antenne oder ein Wellenleitersystem mit zwei und mehr passiven Refiektoren (HR. FR).

4. Breitband-Hornreflekto. strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Speisehorns (SH) einschließlich des Phasenlaufraumes (2) kreisförmig ist.