DE2460552A1

DE2460552A1 - Hornstrahler mit anordnung zur entnahme von der ablagemessung dienenden wellentypen

Info

Publication number: DE2460552A1
Application number: DE19742460552
Authority: DE
Inventors: Serge Drabowitch
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-12-20
Publication date: 1975-07-03
Also published as: GB1487238A; NL168086C; NL168086B; NL7416667A; JPS5094854A; DE2460552B2; JPS5739563B2; US3964070A; FR2255716A1; DE2460552C3; FR2255716B1

Description

PATENTANWÄLTE

dietrich Lewinsky 2A60552

HlMZ-JOACHiHHUBER

RE₁NER PRlETSCH 20.12.197*»

MÜNCHEN 21 8l6o-IV/He.

GOTTHARDSTR. 81

Thomson - CSP, Paris 8, BId. Haussmann 173 (Prankreich)

"Hornstrahler mit Anordnung zur Entnahme von der j Ablagemessung dienenden Wellentypen"

Priorität vom 20. Dezember 1973 aus der französischen Patentanmeldung 73 45822

Die Erfindung betrifft einen Hornstrahler mit Anordnung zur Entnahme von der Ablagemessung dienen Wellentypen und mit quer zur Strahlungsrichtung verlaufenden Nuten in seiner Wandung, deren Tiefe etwa eine Viertelwellenlänge und deren Abstand einen Bruchteil einer Wellenlänge betragen und in welchem sich ein hybrider Grundwellentyp fortpflanzt.

Bei den für Punkverbindungen mit Raumfahrtfahrzeugen und/oder in Radaranlagen verwendeten Antennen wird das Ablagesignal in folgender Weise erhalten: Ein Bündelungssystem, das aus einem oder mehreren Reflektoren oder Linsen, die meist rotationssymmetrische Oberflächen besitzen, gebildet ist, umfaßt eine Primärquelle, meist einen Hornstrahler. Wenn die radioelektrische Achse oder HauptStrahlrichtung der Antenne nicht genau mit der Richtung auf das betreffende strahlende Objekt zusammenfällt, erregt die Bündelungsanordnung den primären Hornstrahler unsymmetrisch und erzeugt dort neben dem Nutz-Grundwellentyp

- 2 509827/0675 ^:

Wellentypen mit antisymmetrischer Charakteristik, deren Amplituden und deren Phasen in bezug auf den Grundwellentyp die gesuchte Richtung kennzeichnen und zur Gewinnung der Ablagesignale verwendet werden können. Insbesondere auf dem Gebiet der Punkverbindungen mit Raumfahrzeugen ist es jedoch zur Vermeidung von auf Fehlanpassung zurückgehenden Verlusten wünschenswert j daß der Informationsübertragungskanal, d.h. der Summenkanal, nicht etwa über ein verzeigtes Netz von Kopplern führt, wie dies häufig bei Monopulsquellen der Fall ist, sondern unmittelbar zur Verfügung steht, wobei die Ablagekanäle, oder Differenzkanäle durch Koppler erzeugt werden. Zu diesem Zweck werden Sondenanordnungen verwendet, die die durch die verschiedenen Wellentypen erzeugten Signale entnehmen. Diese Sonden können zunächst beliebigen Typs, also Monopole, Schlitze, Schleifen u.s.w. sein und sollen die folgenden Eigenschaften besitzen, um ihren Zweck bestmöglich zu erfüllen:

a) Zunächst sollen diese Sonden eine geringe Kopplung von beispielsweise weniger als 20 oder 30 dB mit dem verwendeten Grundwellentyp besitzen;

b) In dem zu überdeckenden Frequenzband soll ihre Anpassung hinreichend gut sein, so daß das Stehwellenverhältnis kleiner als 2 oder 3 ist.

Weiterhin sind Bedingungen zu berücksichtigen, die den Gewinnfaktor und dementsprechend die Strahlungstemperatur in dem Empfangskanal für den Nutz-Grundwellentyp beeinflussen:

Die Strahlungsdiagramme sollen eine Amplitude und eine Phase besitzen, die so nahe als möglich in der elektrischen und der magnetischen Ebene liegen, wobei angenommen ist, daß der Hornstrahler mit linearer Polarisation erregt wird. Wenn der Hornstrahler Kreisquerschnitt besitzt, hat unter diesen Umständen das Diagramm eine rotationssymmetrische Form, die insbesondere einem rotationssymmetrischen Bündelungssystem angepaßt ist.

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— j —

Außerdem kann man zeigen, daß dann der Kreuzpolarisationspegel im gesamten Raum theoretisch gleich Null ist.

Die Diagramme sollen nach Amplitude und nach Phase einen Verlauf haben, der so konstant als möglich im gesamten überdeckenden Frequenzbereich ist und außerdem soll die Strahlung am Rand des Bündelungssystems vorbei so gering als möglich sein. Die letztere Eigenschaft ist gleichbedeutend mit einem kleinstmöglichen Pegel der Nebenzipfel.

Diese letzteren Bedingungen unterstreichen das an der Verwendung von genuteten Hornstrahlern bestehende Interesse, da die Diagramme dieser genuteten Hornstrahler praktisch rotationssymmetrisch sind, sehr schwache Nebenzipfel aufweisen und einen stabilen Phasen- und Amplitudenverlauf innerhalb eines nur wenig unter eine Oktave liegenden Frequenzbereiches aufwei sen.

Jedoch stößt bei einem genuteten Raumstrahler die Bildung oder Gewinnung der Verfolgungskanäle oder Ablagemeßkanäle durch Kopplung auf den Hauptkanal auf große Schwierigkeiten wegen der theoretisch unendlichen Oberflächenreaktanz der Wandungen. Tatsächlich wird bei vielen Anwendungsfällen die gewünschte Oberflächenreaktanz mittels schmaler und dicht aufeinanderfolgender Quernuten oder Rillen mit einer Tiefe von etwa einer Viertelwellenlänge nachgeahmt. Die Erfahrung hat jedoch nunmehr gezeigt, daß es möglich ist, die Nuten in einem gegenseitigen Abstand anzuordnen, der annähernd die Hälfte der minimalen zu übertragenden Wellenlänge erreichen kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Hornstrahler der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der eine Entnahme der der Ablagemessung dienenden Wellentypen in be-

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ι sonders einfacher und zugleich den Nutz-Grundwellenfcyp prak- ! tisch nicht beeinflussender Art und Weise gestattet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist ein Hornstrahler nach der Erfindung anhand beispielsweise gewählter Ausführungsformen und erläuternder Diagramme schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 den Verlauf der Feldlinien und des Stromes in einem Hornstrahler mit Kreisquerschnitt und schmalen, dicht beieinanderliegenden Nuten,

Fig. 2 Die Verteilung der elektrischen Felder in einem solchen Hornstrahler,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Hornstrahlers mit in größerem Abstand voneinander angeordneten Nuten und koaxialen Sonden,

Fig. 4 eine Darstellung der in dem Hornstrahler nach Fig. 3 erregten radialen TM₀₁-WeIIe,

Fig. 5 eine Darstellung des in dem Hornstrahler nach Fig. 3 erregten TEp₁-Wellentyps,

Fig. 6 eine andere Ausführungsform des Hornstrahlers nach der Erfindung,

Fig. 7 und 8 eine Schnittdarstellung und eine Aufsicht auf einen Nuten-Hornstrahler, dessen Kopplungsvorrichtung aus Schlitzen besteht.

Fig. 1 zeigt schematisch den Verlauf der Feldlinien und des Stromes entsprechend dem betrachteten Hybrid-Wellentyp in einem Hornstrahler mit Kreisquerschnitte und schmalen, eng beieinander

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~ ο ~ ι

liegenden Nuten. Das elektrische Feld ist in durchgezogenen j

Strichen dargestellt, während das magnetische Feld durch die \

gestrichelten Linien veranschaulicht wird. Die Kreise mit ";·

Punkt veranschaulichen "Quellen", die Kreise mit Kreuz veran- \

schaulichen "Senken" und u, ν stellen die Einheitsvektoren i,

in der horizontalen bzw. der vertikalen Richtung dar. i

Man erkennt aus dieser Darstellung, daß !

a) die Querkomponenten der Felder E und H stets aufeinander j

senkrecht stehen und dieselbe "rotationssymmetrische" Vertei- j

i lungsgesetzmäßigkeit über den gesamten, rechtwinklig zur Achse

verlaufenden Querschnitt haben,

b) das magnetische Feld und das elektrische Feld auf der Wandung longitudinal verläuft oder Null ist und

dementsprechend der elektrische Strom in Querrichtung verläuft oder Null ist.

In einer Axialebene parallel zum Feld E kann beispielsweise
die Verteilung der Feldlinien des elektrischen Feldes angegeben werden. Aus Fig. 2 erkennt man, daß es sich dabei um geschlossene Schleifen handelt, die abwechselnd gegensinnig
orientiert sind und sich mit einem gegenseitigen Abstand von
ψ* mit der Phasengeschwindigkeit des Wellentyps fortpflanzen
(Ag = Wellenlänge der geführten oder Hohlleiterwelle). Für das
magnetische Feld würden sich identische Linien ergeben. In
dieser Figur sind mit 1 die Wandungen der Nuten des Hornstrahlers und mit 2 die Nuten selbst bezeichnet. Bei dieser Anordnung ist es jedoch nicht zweckmäßig,Sonden in den Hornstrahler
einzuführen, da diese eine unannehmbare Fehlanpassung besitzen würden.

Ein Hornstrahler mit Kreisquerschnitt oder Rechteckquerschnitt nach der Erfindung besitzt jedoch in gegenseitigem
Abstand angeordnete Nuten, wie dies stark schematisch in Fig.3 angegeben ist.

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An der Wandung 4 des Hornstrahlers ist das elektrische Feld stets gleich Null oder steht senkrecht zu der Oberfläche und die Nuten werden von einem Resonanzwellentyp durchflossen. Die Nuten spielen sozusagen die Rolle von "Fallen" die die Längsströme "blockieren".

In einem gewissen Abstand von der Wandung findet man die Schleifen der elektrischen Felder 3 wieder, die charakteristisch für den Hybrid-Wellentyp HE₁₁ sind.

Nach der Erfindung werden in der Wandung in hierzu vorgesehenen öffnungen Sonden angeordnet, ohne daß hierdurch der Hybrid-Grundwellentyp HE.. gestört wird.

Fig. 3 zeigt, daß eine koaxiale Sonde 5 radial in einer Nut 2 angeordnet ist und einen Bruchteil einer Wellenlänge ins Innere des Hornstrahlers ragt. In dieser Stellung kann die Sonde ein Feld aufnehmen bzw. abstrahlen, wobei sie praktisch nicht mit dem HE^-Typ gekoppelt ist.

Der symmetrische Charakter des koaxialen Wellentyps beispielsweise in der Nut 2 sorgt nämlich dafür, daß keinerlei Kopplung mit dem Resonanztyp entsprechend dem normalen Arbeiten dieser Nut, die die Rolle einer Falle spielt, möglich ist. Weiterhin stellt man fest, daß in dem in dem Hornstrahler liegenden Teil das elektrische Feld noch praktisch vollständig longitudinal ist: Es verläuft folglich orthogonal zu der Sonde und ist im Prinzip mit dieser nicht gekoppelt. Andererseits arbeitet die koaxiale Sonde 5 mit einer annehmbaren Anpassung, da sie sich annähernd wie ein strahlender Unipol über einem reflektierenden Flächenelement mit einer Breite, die eine Wellenlänge erreichen kann, verhält, wobei das Flächenelement von der Wandung 4 gebildet wird und der Abstand zwischen den Nuten eine halbe Wellenlänge der Welle erreichen kann. Die Verwendung von in relativ großem Abstand voneinander angeordneten

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Nuten ist es, die die Einführung einer hinreichend an die übertragungsleitung angepaßten Sonde ermöglicht. Wenn eine j Anzahl, beispielsweise zwei oder vier Sonden 5, 6, 7, 8 radial und symmetrisch über den Umfang einer Nut angeordnet j

wird und wenn der Durchmesser dieser Nut so gewählt ist, daß ! der gewünschte Wellentyp sich unter Ausschluß von parasitären | Wellentypen fortpflanzen kann und wenn diese Sonden gleich- ! phasig erregt werden, kann der "radiale" Wellentyp TM₀₁ angeregt werden. Das erhaltene, in Fig. 4 dargestellte Diagramm ist symmetrisch und besitzt radiale Polarisation. In der Nähe der Achse hat das Diagramm des elektrischen Feldes die folgende Form:

d" (ά,Ψ^Α sin ^ (It cos Λ + \^sin«O ) (1)

worin «C und f die sphärischen Koordinaten einer beliebigen Richtung in bezug auf die Achse des Systems sind. In dem Ausdruck (1) ist A eine Konstante und u, ν sind die Einheitsvektoren in der Horizontalen und der Vertikalen.

In einer beliebigen Durchmesserebene erhält man ein Diagramm mit ungerader Charakteristik, das auf der Achse gleich Null ist und die Steigung A besitzt. Wenn die empfangene Welle zirkuläre Polarisation besitzt, ergibt das unter Beteiligung einer festen Bezugsgröße (des Grundwellentyps HE₁₁) demodulierte Diagramm die gesuchten Winkeläblagen in bekannter Art und Weise, die hier nicht näher erläutert zu werden braucht,

Für die Ablagebestimmung können andere Diagrammtypen beispielsweise durch abwechselnd gleichphasige und gegenphasige Kombination der vier Radialsonden 5 bis 8 verwendet werden. In der Nähe der Achse führt der erhaltene und in Fig. 5 dargestellte Typ TE₂₁ zu folgender Beziehung

d*¹ (öC,f) = A sin '9(u cos«C - v*sin<£ ) (2)

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ο 2^60552

— ο —

!•"an kann aeigen., daß die gleichzeitige Verwendung der zwei Diagramme d" und d"' die Bestimmung der gesuchten Winkelablagen (&» und 9) unabhängig von der Polarisation der ankommenden Welle gestattet. Diese Ablagen können durch Rechnung bestimmt werden.

Wenn die vier (oder^ zwei) koaxialen Sonden durch Schleifen ersetzt werden, findet ein Austausch der elektrischen und der magnetischen Felder statt und der erhaltene Wellentyp ist der "tangentiale^!iTyp TE«. ₃ der den Vorteil besitzt, in einem Nutenhornstrahler dieselbe Phasengeschwindigkeit und dieselbe Grenzfrequenz wie der Typ T^₀₁ aufzuweisen.

Vorstehend wurde gezeigt, daß eine oder mehrere Ablagemeßsonden ₃ die über eine einzige Hut in den Nutenhornstrahler hineinragen., verwendet v/erden können.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können S orden in mehreren Nuten angeordnet werden. Fig. 6 zeigt in schematischer Forin diese Ausführungsform., bezogen auf eine axiale Schnittebene. In ein und derselben Axialebene sind mehrere Sonden 9 und 10 beispielsweise in mehreren aufeinanderfolgenden Nuten 11 und 12 angeordnet. Diese Sonden werden mit unterschiedlicher Amplitude und wachsender Phase gemäß der bekannten Richtkopplertechnik angeregt. Die Sonden, die somit die Ablagemeßsignale entnehmen, sind mit ein und derselben übertragungsleitung 13 verbunden, von der ein Ende 14 kurzgeschlossen ist und das andere Ende 15 mit einem Koppler (T-Koppler₃ Hybrid-Koppler u.s.w.) verbunden ist, der die Entnahme des Nutzsignales gestattet. Diese Anordnung kann in mehreren Axialebenen (beispielsweise 4), die symmetrisch verteilt sind, getroffen werden, um die Nutz-Wellentypen zu entnehmen. In diesem Fall sind die Leiter 13 in den verschiedenen Axialebenen miteinander verbunden, um ein Richtstrahlernetz zu bilden.

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Die Vorteile einer solchen Anordnung sind folgende:

a) Die Anpassung der Ablagemeßkanäle ist um so besser, je höher die Zahl der Sonden" ist (jede derselben ist um so weniger stark gekoppelt),

b) die Anregung des Nutzwellentypes ist günstig, da das Gitter Richtwirkung hat und keine Wellentypen in Richtung auf den Speiseleitungsanschluß des Hornstrahlers anregt oder auf den Empfang bezogen, genauer gesagt nicht empfindlich ist für einen Ablagewellentyp, der am Boden des Hornstrahlers ' reflektiert und zur Strahlungsöffnung zurückläuft.

Der geringe Teil des Grundwellentyps 'HE.., der in das Strahlergitter eingekoppelt wird, findet sich an dem nicht verwendeten Ausgang 1^4 des Kopplers wieder, der kurzgeschlossen sein kann. Diese Kopplung führt demzufolge nicht zu einer Erhöhung der Rauschtemperatur. Der entsprechende Resonanzzustand ist wenig selektiv, wenn die Länge des Kopplers gering ist.

Es wurde bereits gesagt, daß man in erster Näherung annehmen kann,, daß die Nuten die Rolle von Fallen spielen, die die Längsströme blockieren. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nuten hat der Hornstrahler folglich eine glatte Wandung; er wird durch Wellentypen angeregt₅ deren Phasengeschwindigkeiten verschieden sind, aber da der· Abstand zwischen zwei Nuten gering ist (im allgemeinen unter einer halben Wellenlänge liegt), kann der aus diesen Phasenunterschieden resultierende Längsstrom keinen erheblichen Wert annehmen, sondern bleibt praktisch gleich Null.

Es ist daher auch möglich, in die Wandung zwischen zwei Nuten Querschiltze einzubringen, ohne praktisch die Strompfade zu unterbrechen, d.h. ohne die Portpflanzung und die Strahlung des Grundwellentyps HE.. zu stören. Dementsprechend

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erzeugt dieser Wellentyp sehr wenig Energie durch Kopplung in diesen Schlitzen. Diese Überlegung wird durch die Erfahrung bestätigt. Es ist folglich möglich; zur Entnahme der für die Ablage wichtigen Wellentypen die Sonden durch Schlitze zu ersetzen. Die Fig. 7 und 8 zeigen schematisch im Schnitt und in der Aufsicht einen Hornstrahler, dessen Wandungen mit Schlitzen versehen sind.

Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nuten 2, 20, 21, 22 sind mehrere Schlitze (beispielsweise vier) 16, 17, 18, 19 symmetrisch angeordnet und gestatten die Entnahme der für. die Ablagemessung verwendbaren Wellentypen, beispielsweise der Typen TM₀₁ und TEp. der Gleichungen (1) und (2) oder beliebiger anderer, untereinander orthogonaler Kombinationen.

Da der Längsstrom im Prinzip Null ist, unterbrechen die Schlitze A_s B, C, D keine Strompfade. Um den Typ TE_Q1 zu entnehmen, müssen Längsschlitze vorgesehen werden, was zu einer gewissen Kopplung mit den Querkomponenten führt.

Vorstehend wurde ein Primärstrahler beschrieben, der einen Hornstrahler mit in relativ großem gegenseitigem Abstand angeordneten Nuten oder Rillen umfaßt und in dessen Wandungen Anordnungen zur Entnahme von Signalen für die Ablagemessung angebracht sind. Diese Kopplungsanordnungen sind entweder radial im Inneren einiger Rillen (oder Nuten) angeordnete Sonden oder Schlitze, die quer zur Portpflanzungsrichtung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rillen vorgesehen sind. Diese Sonden oder Schlitze können symmetrisch über einen oder mehrere rechtwinklige Schnitte des Hornstrahlers verteilt angeordnet und miteinander über Koppler zur Erzeugung der gewünschten Diagramme verbunden sein.

Wenn die doppelte Bedingung erfüllt ist, daß einerseits der glatte Teil der Wandung zu beiden Seiten der Kopplungs-

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vorrichtung größer als λ M und andererseits der Abstand der Nuten kleiner als λ/2 ist, kann auch ein Anregungsschlitz ins Innere einer Nut münden, ohne daß dadurch eine Störung hervorgerufen wird.

Der in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildete und mit Kopplungsvorrichtungen ausgestattete Hornstrahler besitzt folgende Vorteile: Geringe Kopplung mit dem Grundwellentyp des Nuten-Hornstrahlers, dementsprechend vernachlässigbare Störung dieses Wellentypes und Möglichkeit der Kombination der mittels der Sonden erhaltenen Signale durch einfache Koppler. Hieraus ergibt sich, daß derartige Hornstrahler sich insbesondere auch.als Monopulsquellen für Verfolgungsradaranlagen eignen.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DIETRICH LEWINSKY 246055?

H-IiNZ-JOACHlMHUBER ^τ*

REINER PRIETSCH

MÖNCHEN 2 1 8l6o-lV/He.

GOTTHARDSTR. 81 20.12.197¹I

Thomson - CSP

Patentansprüche:

( 1.)Hörnstrahler mit Anordnung zur Entnahme von der Ablagemes- ^-^ sung dienenden Wellentypen und mit quer zur Strahlungsrichtung verlaufenden Nuten in seiner Wandung, deren Tiefe etwa eine Viertelwellenlänge und deren Abstand einen Bruchteil einer Wellenlänge betragen und in welchem sich ein hybrider Grundwellentyp fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Nuten bis zu einer halben Wellenlänge beträgt und in der Hornstrahlerwandung (4) eine Kopplungsvorrichtung mit sehr geringer Kopplung mit dem Grundwellentyp zur Entnahme der der Ablagemessung dienenden Wellentypen angeordnet ist.
2. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtung eine Koaxialsonde ist, die radial in einer Nut (2) angeordnet ist und einen Bruchteil einer Wellenlänge in den Innenraum des Hornstrahler ragt.
3. Hornstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere radiale Sonden (5 bis ^symmetrisch über den Umfang einer Nut verteilt sind.
4. Hornstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Sonden paarweise in mehreren aufeinanderfolgenden Nuten angeordnet sind.

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5. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtung aus in der Wandung des Hornstrahlers zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nuten quer zur Wellenfortpflanzungsrichtung angeordneten Schlitzen (A, B, C, D) besteht.
6. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtung eine Schleife ist.
7. Hornstrahler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sonden (9, 10) in mehreren aufeinanderfolgenden Nuten in einer Axialebene des Hornstrahlers angeordnet, mit unterschiedlicher Amplitude und wachsender Phase erregbar und mit der gleichen übertragungsleitung (15) verbunden sind, deren eines Ende (I¹J) kurzgeschlossen und deren anderes Ende (15) mit einem Koppler verbunden ist. ,
8. Hornstrahler nach Anspruch J₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen (13) in unterschiedlichen Axialebenen angeordnet und miteinander verbunden sind und ein Richtstrahlergitter bilden.
9. Hornstrahler nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Querschlitze zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nuten vorgesehen und paarweise symmetrisch angeordnet sind.
10. Hornstrahler nach Anspruch 1, 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der glatte Teil der Hornstrahlerwandung zu beiden Seiten einer Nut· breiter als eine Viertelwellenlänge ist und der (die) Querschiltz(e) in eine Nut mündet(en).

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