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Verfahren zur steuerbaren Strahl schwenkung bei Reflektor-
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antennen Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren
zur steuerbaren Strahlechwenkung bei Reflektorantennen zum Ausgleich von Pegel schwankungen
im Funkfeld mit Hilfe der Nachregelung der Antennencharakteristik in der Höchstfrequenztechnik.
Die elektrisch gesteuerte Strahlschwenkung bei Reflektorantennen ist aus der Radartecknik
oder der Radioastronomie bekannt. Hier wird bei feststehendem Reflektor eine Keulenschwenkung
auf elektrischem Wege durchgeführt. Eine solche Anordnung ist aus der DT-OS 1 591
412 bekannt. In der Brennfläche eines Reflektors sind mehrere, voneinander unabhängige
Erreger angeordnet. Diese Anordnung stellt einen großen Aufwand dar.
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Hierbei geht es darum, große Schwenkwinkel, die ein Mehrfaches
einer
3 dB-Keulenbreite zulassen, zu erreichen. Kennzeichnend für diese Anordnungen ist
ein sehr aufwendiges Speisesystem, das aus einer Vielzahl von Einzelerregern besteht.
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In der Richtfunktechnik sind es vor allem zwei Anwendungsbereiche,
bei denen eine elektrisch steuerbare Strahlschwenkung Vorteile bringt. An erster
Stelle sind die Überreichweitenverbindungen zu nennen, bei denen aufgrund der zeiteichen
Änderungen im Ausbreitungsmedium starke Empfangsschwankungen auftreten, die durch
Nachregelung der Sende-bzw. der Empfangskeule oder beider bei der Antenne einen
gewissen Ausgleich ermöglichen.
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Eine zweite Anwendungsmöglichkeit ergibt sich beim Einsatz stark bündelnder
Antennen auf sehr hohen Masten, bei denen die Windbedingungen Winkelauslenkungen
in der Größenordnung der 3 dB-Keulenbreite des Antennendiagrammes liegen. Die hierdurch
hervorgerufenen Empfangsverschlechterungen können ebenfalls durch eine Strahlsohwenkung
gemindert werden.
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Aus der Tatsache der großen Vorteile einer Strahl schwenkung heraus
besteht die Aufgabe, ein Verfahren zur Strahlschwenkung zu finden, das mit einem
wesentlich geringeren Aufwand ausko-t und vor allem einen absolut sicheren Betrieb
und
und minimale Eingenverluste und optimalen Antennengewinn gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine aus einer
Hohlleitergrundwelle erzeugte Welle höheren Wellentyps mit der Grundwelle in der
Erregerapertur so überlagert wird, daß eine die Schwenkung der Antennenkeule bewirkende
Auslenkung des Feldstärkemaximums der erregenden Quelle aus der Mittelachse des
Erregers erfolgt, wobei die Schwenkung der Antennenkeule durch die Amplitudenverteilung
zwischen dem Grundwellentyp und dem höheren Wellentyp bestimmt ist.
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Ein einfaches Beispiel zur Durchführung des Verfahrens besteht darin,
daß das in einem Rechteckhohlleiter sich ausbreitende Signal vom H10-Wellentyp in
zwei folgenden, durch eine symmetrisch angeordnete Trennwand und mit Je einem veränderbaren
Phasenschieber versehenen Hohlleitern verzweigt wird und daß der am Ende der Trennwand
entstehende höhere zweite Wellentyp nach Durchlaufen eines Laufraumes sich mit der
H10-Welle so überlagert, daß in der Erregerapertur eine zur Erregermittelachse unsymmetrische
Feldverteilung entsteht, wobei die Schwenkung der Antennenkeule Je nach Anordnung
der Trennwand entweder in der H- (H20-Welle) oder in der E-Ebene (EH11E11-Welle)
möglioh ist Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht in der
Einspeisung
über eine koaxiale Leitung, wobei das in einer Koaxialleitung sich fortpflanzende
Signal in einer Koaxialverzweigung verzweigt und in den beiden folgenden, mit je
einem veränderbaren Phasenschieber versehenen Koaxialleitungen in seiner Phase so
gedreht wird, daß am Ende eines folgenden, durch eine Trennwand geteilten Hohlleiter
ein neben dem in Je einem Übergang angeregten H10-Wellentyp weiterer höherer Wellentyp
entsteht, der sich nach Durchlaufen eines Laufraumes mit der H10-Welle so überlagert,
daß in der Erregerapertur eine zur Erregermittelachse unsymmetrische Feldverteilung
entsteht. Eine Weiterbildung zur Schwenkung der Antennenkeule besteht in der Kombination
von Azimut- und Elevationsauslenkung gleichzeitig, wobei das über einen Vierfachleistungsteiler
einen über-und untereinander angeordneten und mit je einem veränderbaren Phasenschieber
versehenen Vierfachhohlleiter zugeführte Signal eines Grundwellentyps in seiner
Phase Jeweils so gedreht wird, daß am Ende der dem Vierfachhohlleitersystem folgenden
und senkrecht aufeinanderstehenden Trennwände zwei vom Grundwellentyp abgeleitete
und um 900 in ihrer Phase gegen die Grundwelle gedrehte, höhere Wellentypen entstehen,
die in einem bestimmten, folgenden Laufraum so gegeneinander in ihrer Phase gedreht
sind, daß in der Erregerapertur zwischen Grundwelle und den höheren Wellentypen
ein Phasenunterschied von O oder 1800 besteht und wobei Jedem Einzelhohlleiter des
Vierfachhohlleiters
eine Einkopplung zugeordnet ist, die über
einen Vierfachleistungateiler miteinander verbunden sind, über deren Eingang ein
Signal mit wählbarer Polarisation zugeführt wird. Das Signal kann hierbei am Eingang
des Vierfachleistungsteilers eine wählbar Polarisation haben. Es ist vorteilhaft,
wenn der veränderbare Phasenschieber elektrisch stausrbar ist.
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Um eine Schwenkung in der H-Ebene (E-Ebene) zu erreichen, ist es zweckmäßig,
wenn die Trennwand senkrecht zur Hohlleiterwand in der E-Ebene (H-Ebene) angeordnet
ist. Zur Realisierung des Erfindungsgedankens bei Richtfunkverbindungen wird weiter
vorgeschlagen, daß die auf der Empfangsseite, daß Signal beeinflussonden Pegelschwankungen
rücknärts den Sender derart steuern, daß eine senderseitige Auslenkung des Feldstärkemaximums
zum empfangsseitigen Ausgleich der Pegelschwankung erfolgt.
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Der große Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß es allein auf
elektrischem Wege durch eine Beeinflussung der Feldkonfiguration des Hohlleiter
durch die Verwendung höherer Wellentypen möglich geworden ist, Veränderungen des
Funkfeldes auszugleichen. Auch die Realisierung dieser Erfindung ist auf einfache
Weise durchführbar und gewährleistet einen sicheren Betrieb. Ein weiterer entscheidender
Vorteil besteht darin, daß bei ungeschwenktem Antennendiagramm
ein
optimal er Strahlungsgewinn erreicht wirdr, während bei dem eingangs zitierten Mehrhornsystem
mit Gewinneinbußen zu rechnen ist. Außerdem ist die erfindungsgemäße Anordnung besonders
Dämpfungsarm.
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Anhand der Zeichnung soll der Erfindungsgedanke noch näher beschrieben
wurden. In den Figuren der Zeichnung sind im einzelnen dargestellt: In der Fig.
1 die elektrische Feldverteilung in der Erregerapertur, in der Fig. 2 die Ejntstehung
der Strahlschwenkung aus den beiden überlagerten Wellentypen anhand eines Antennendiagrammes,
in der Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit der Trennwand in der E-Ebene, in der Fig.
4 ein Ausführungsbeispiel mit der Trennwand in der H-Ebens, in der Fig. 5 das Prinzip
einer Kombination aus horizontaler und vertikaler Schwenkung gleichzeitig anhand
eines Ausführungsbeispieles, in der Fig. 6 ein Anwendungsbeispiel mit Rückwärtssteuerung
der Sendeantennenkeule vom Empfänger aus, in der Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel
mit koaxialer Einspeisung über eine Leitungsverzweigung,
in der
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit Rillenerreger (co@ugated-horn).
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In der Fig. 1 ist die elektrische Feldverteilung in der Erregerapertur
dargestellt. Die Kurve 1 stellt die Feldverteilung der H10-Welle dar mit der Strukturfunktion
EH10~cos X.X/a. Diesem H10-Feld wird die erzeugte H20-Welle, Kurve 2, mit der Strukturfunktion
EH20~sin 2*X/a überlagert. Aus dieser Überlagerung der beiden Wellen ergibt sich
eine neue elektrische Feldverteilung, die in der Kurve 3 angedeutet ist. Sie stellt
das Summenfeld dar.
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Man sieht deutlich, daß dieses Summenfeld links ein Maximum hat und
im rechten Teil des Hohlleiters eine angenäherte Auslöschung in der Feldverteilung.
Durch diese Maßnahme kann man also das Feldmaximum der ursprünglichen H10-Welle
aus der Achsenmitte in den linken Teil oder auch den rechten Teil des Hohlleiters
hinein auslenken.
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Diese Auslenkung kann man durch die Amplitudenanteile der H20-Welle
verändern.
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Durch Veränderung des elektrischen Phasenwinkels ##bzw. + (vgl. Fig.
3, 4) mit Hilfe eines Phasenschiebern wird die Amplitudenverteilung des Grundwellentyps
und des höheren Wellentyps gesteuert und die Überlagerung beider ergibt eine geänderte
Amplitudenverteilung, die ihrerseits wieder den Schwenkwinkel der Antennenkeule
bestimmt.
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E. wird also eine AmplitudenYnderung durch die Phasenbeziehung erzeugt.
Eine direkte Beeinflussung der Amplituden ist ebenfalls denkbar, die aber wegen
eines zu hohen Aufwandes an Schaltmitteln nicht von Interesse ist. Voraussetzung
für die Funktion dieses Verfahrens ist, daß in der Aperturebene die Phasenbeziehungen
stimmen, d.h.
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in dieser Ebene müssen die Phasen der beiden Wellen, der Grundwelle
und der erzeugten Wolle vom höheren Wellentyp, 0° oder 1800 betragen.
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In der Fig. 2 ist das Strahldiagramm einer Antenne wiedergegeben,
das aus der Überlagerung der beiden Wellentypen hervorgeht. Die Kurve 1, strichpunktiert
gezeichnet, zeigt das ungeschwenkts' Diagramm der H10-Welle in der Antenne.
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Das ist das normale Antennendiagramm, wenn der Antennenerreger mit
der H10-Welle beaufschlagt wird. Das Diagramm der H2O-Welle 2, gestrichelt gezeichnet,
hat eine Nullstelle, u.zw. dort, wo die abgestrahlte Energie der Grund-H10-Welle
ihr Maximum hat. Die H20-Welle hat also somit zwei Maxima, die entgegengesetzt gepolt,
also gegenphasig sind. Dieses Diagramm der H20-Welle sagt weiter aue, daß eine solche
Antenne mit zwei Maxima in der Lage ist, Signale aus zwei Richtungen zu empfangen,
u-zw. gegenphasig.
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Durch Überlagern beider Wellentypen, der H10-Welle mit der H20-Welle,
ergibt sich das Diagramm 3, ausgezogen gezeichnet.
Man erhält also
bei einer Überlagerung beider Wellen ein verzerrtes Feld, wobei diese Verzerrung
zu einer Schwenkung des Antennenstrahles führt. Das Antennendiagramm hat sich also
seitlich verschoben.
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Eine Anordnung, die dieses Verfahren realisiert, ist in der Fig. 3
wiedergegeben. In dem in der H-Ebene geschnittenen Hohlleiter 1, dessen große Seite
a hier gezeichnet ist, breitet sich die H10-Welle aus. Diese H10-Welle wird in dem
folgenden symmetrischen Hohlleiter 2,3 durch eine Trennwand T verzweigt. In diesen
beiden Teilhohlleitern 2 und 3 sind steuerbare Phassenschieber'angeordnet. Diese
können auch elektrisch steuerbar ausgebildet sein. Die Phasenschieber haben die
Aufgabe, die Phase + ## der jeweiligen Welle um bis zu + 900 zu drehen. Als Phasenschieber
könnte man beispielsweise DiodenL oder Ferrit-Phasenschieber verwenden. Letztere
sind in der Lage, auch höhere Sendeleistungen bei kleineren Eigenverlusten zu übertragen.
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Die Trennwand T endet an einer vorbestimmten Stelle. Die Teilhohlleiter
2 und 3 münden in einen gemeinsamen Mehrmodenhohlleiter 4. An der Stelle, an der
die Trennwand endet, entsteht die höhere Welle vom H20-Wellentyp. Sie ist gegenüber
der H10-Welle, die ebenfalls noch existent ist, um 900 in ihrer Phase gedreht. Die
Feldstärks-Amplttude
EH10 der H10-Welle ist proportional cos Llp
und die Amplitude der $H20-Welle der angeregten H20-Welle ist proportional in ##
Höhere Wellentypen werden durch eine geeignete Wahl der Abmessungen des Hohlleiters
4 unterdrückt.
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Gemäß der Fig. 1 besteht jedoch die Bedingung, daß in der Erregerapertur
die Phasenbeziehung 0° oder 1800 betragen muß. Um diese Phasenbeziehung zu erfüllen,
folgt dem Teilhohlleiter 2 und 3 der Hohlleiter 4, der die Funktion eines Laufraumes
L hat. Seine Länge ist so bemessen, daß der anregungsbedingte Phasenunterschied
von 90° zwischen den beiden Wellen, der H10- und H20-Welle, auf 0° oder 1800 verändert
wird.
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Am Ende dieser Anordnung der Fig. 3, etwa in der Erregeraperturebene,
ist die zu dieser Anordnung gehörende Feldverteilung graphisch dargestellt. Die
Kurve 1 stellt den Feidverlauf der H10-Welle dar. Sie hat die mathematische' Beziehung
EH10~cos@#. cos##,die Welle 2 vom hohen Wellentyp, die H20-Welle hat die mathematische
Beziehung EH20 N sin 2##. sin . Diese beiden Wellen, H10 und H20 ergeben überlagert
die Summe EH10, EH20 und werden durch die Kurve 3 dargestellt.
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Die in der Fig. 3 beschriebene Anordnung ermöglicht eine
Auslenkung
des antennenstrahles in der H-Ebene der Felder.
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Die Trennwand T zwischen den beiden Teilhohlleitern 2 und 3 steht
senkrecht hierzu, d.h. in der E-Richtung. Die Auslenkung des Strahles wird durch
die Überlagerung der H10-Welle, als Grundwelle, und ihres höheren Wellentyps vom
H20-Typ bewirkt. Die Phasenrelation der beiden Teilhohlleiter 2 und 3 beträgt 2##
Um eine Auslenkung in der vertikalen Ebene zu ermöglichen, ist eine entsprechende
Anordnung der Fig. 4 zu wählen. Bei dieser Anordnung steht die Trennwand T+ zwischen
den beiden Teilhohlleitern in der H-Richtung. Die beiden Teilhlleiter 2+ und 3+
gehen über in den Hohlleiter 4+. Ihre Phasenrelation ist hier z##. Die Trennwand
T+ endet in der Ebene E+. Hier entsteht jetzt eine Welle vom EH11+E11-Typ.
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die als Grundwelle wieder die H10-Welle hat. Auch die Phase dieser
E11~E11-Welle hat wieder eine Phasendifferenz zwischen Grundwellentyp, der H10-Welle
von 900. Es bietet sich auch hier für diese Wellentypen ein Laufraum an, dessen
Länge so bemessen ist, daß in der Erregerapertur die Phasenbeziehung zwischen der
H10- und der EH11+E11-Welle von 0° oder 180° besteht.
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Am Ende dießer Antrdnung der Fig. 4, die die Erregerapertur darstellt,
ist das zu dieser Anordnung gehörende Felddiagramm abgebildet. Ausgehend von der
Grundwelle, der
H10-Welle (Kurve i), -
- ergibt sich der zugehörende höhere Wellentyp, EHIi+ElI (Kurve 2),
sin ##- Das Summenfeld (Kurve 3) ist die Überlagerung dieser beiden Kurven 1 und
2. Es hat die Bezeichnung ##H11+E11' H10 Man kann also auf diese Weise die beiden
Ebenen des abgestrahlten Feldes, sowohl in der H-Ebene, als auch in der E-Ebene
eine Schwenkung der Antennenkeule erzeugen. Diese beiden Systeme sind einzeln anwendbar,
sofern man nur in einer Ebene schwenken muß.
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Besteht aber die Forderung, in beiden Ebenen, also z.B.
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der H- und E-Ebene gleichzeitig zu schwenken, so müssen beide Verfahren
kombiniert werden. Ein solches Kombinationsapeisesystem ist in der Fig 5 seiem Prinzip
nach dargestellt.
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Diese Anordnung besteht aus vier nebeneinander und übereinander angeordneten
Teilhohlleitern 1, 2, 3, 4. Vom Eingang E1 aus werden diese vier Teilhohlleiter
1, 2, 3, 4 über einen Vierfachleistungeverteiler LT1 gespeist. In jedem Teilhohlleiter
1, 2, 3, 4 sind Je zwei Phasenschieber Jeweils für die Beeinflussung des Diagramms
in der H-Ebene (##) und in der E-Ebene (##) angeordnet. Diese können elektrisch
steuerbar ausgebildet sein.
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1. In dem Teilhohlleiter 1 sind die Phasenschieber ## + 2. in dem
Teilhohlleiter 2 die Phasenschieber ## -3. in dem Teilhohlleiter 3 die Phasenschieber
- ## + 4. in dem Teilhohlleiter 4 die Phasenschieber - -angeordnet.
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Diese Teilhohlleiter 1, 2, 3, 4 gehen mit dem Ende der Trennwände,
die in E-Richtung T und in H-Richtung T+ angeordnet sind, in den Laufraum L, L+
über. Die Länge dieses Laufraumes L bzw. L+ hat die Aufgabe, die Phasendifferenz
von 900 zwischen dem Grundwellentyp H10 und den am Ende der Trennwand entstehenden
höheren Wellentypen zu beseitigen. Es besteht wieder die Bedingung, daß in der Erregerapertur
die Phasendifferenz 0° oder 1800 betragen muß.
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Da aber die Laufzeit der beiden höheren Wellentypen, H20 bzw. EH11+E11'
unterschiedlich sind, muß auch die zu dem jeweiligen Wellentyp gehörende Trennwand
eine entsprechende Länge haben. Da zwischen der H10- und der H11, E11-Welle eine
kleinere Phasendrehung in einer bestimmten Hohlleiterlänge erfolgt, muß auch die
Trennwand T+ entsprechend kürzer sein, d.h. der Laufraum L+ wird länger.
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Durch die Wahl des Hohlleiterquerschnittes, das Verhältnis der Seiten
a zu b r 3, erreicht man gleiche Grenzfrequenzen für H20- und die H11,E11-Welle.
Dann können die Trennwände
T und T+ in einer Ebene enden. Diese
Dimensionierung ist Jedoch nur vertretbar, wenn nur eine Polarisationsrichtung vom
Erreger abgestrahlt oder empfangen werden soll.
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Die Anordnung der Fig. 5 läßt noch weitere Anwendudngzmöglichkeiten
offen. So ist hier bei diesem Ausführungzbeispiel davon ausgegangen worden, daß
am Eingang E1 mit einer vertikalen Polarisation eingespeist wird. Speist man also
da beispielsweise mit einer H10-Welle vertikaler Polarisation ein, so kann man über
die Einkopplungen Al, A2, A3, A4 die am Anfang des Laufraumes angeordnet sind, eine
Einkopplung einer weiteren Welle vom H10-Typ mit horizontaler Polarisation vornehmen.
Man hat dann die Möglichkeit, die vertikale Polarisationsebene in beiden Richtungen,
Azimut und Elevation, zu schwenken. Bei der zusätzllch vorgenommenen Einspeisung
über die Einkopplungen Al, A2, A3, A4 besteht eine Schwenkmöglichkeit der Antennenkeule
Jedoch nicht Die Einkopplungen Al, A2, A3, A4 sind wieder über einen Vierfachleistungsteiler
LT2 miteinander verbunden und werden vom Eingang E2 eingespeist.
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In der Fig. 6 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel wiedergegeben. Das
in einem Sender S der Station I erzeugte und mit der Nachrichteninformation beaufschlagte
Signal wird über eine Weiche W durch die Antenne A ausgestrahlt. Der Erreger Er
der Antenne A ist mit einer steuerbaren Strahlschwenkung versehen. Tritt nun durch
atmosphärische Einflüsse eine
Schwächung des Eingangssignales auf
der Empfangsseite II mit dem Empfänger E ein, so meldet diese über einen eigenen
Sender S+, der über eine Weiche W+ mit der Antenne A+ verbunden ist, dieses Pegelkriterium
über Funk zurück an die Sendestelle 1. Dieses Signal wird über die Weiche W an den
zugehörigen Empfänger E+ zurückgemeldet. Eine Strahl schwenkung wird über ein Steuersystem
St eingeleitet und eine entsprechende Strahlschwenkung steuert so lang dis Auslenkung
des Feldstärkemaximums des Antennendiagramms nach, bis eine Verbesserung des Empfangs
auf der Empfangsseite E erfolgt ist.
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Die Fig. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel, bei dem die Einspeisung über
eine koaxiale Leitung K vorgenommen wird.
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Über eine Leistungsverzweigung V wird das Signal in zwei Phasenschieber#
## und über folgende Koaxial-Hohlleiterübergänge Üi und ü2 in einen Hohlleiter H
geleitet. Dieser Hohlleiter ist durch eine Trennwand T in zwei Teilhohlleiter 1
und 2 geteilt. Am Ende der Trennwand T wird, wie in den obengenannten Ausführungsbeispielen,
der höhere Wellentyp erzeugt. Grundwelle und Welle höheren Wellentyps werden wieder
in einen Laufraum L in ihrer Phase so überlagert, daß in der Erregerapertur die
Phasenbezièhung 0° oder 1800 besteht.
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In der Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Bei
diesem Beispiel ist der Erreger als Rillenhorn (corrugated-horn) ausgebildet. Als
Grundtyp wird der Hybridmode vom HE11-Typ verwendet. Die Schwenkung in der H-Ebene
(##) wird durch den höheren Wellentyp der HE21-Welle und die Schwenkung in der E-Ebens
(##) durch den höheren Wellentyp der HE12-Welle vorgenommen. Bei diesen beiden höheren
Wellentypen HE21 und HE12 können die Trennwände T bzw. T+ in der gleichen Ebene
enden, da beide Wellentypen die gleiche Grenzfrequenz und somit die gleiche Lauflänge
L für die erforderliche Phasenbedingung haben. Mit Ausnahme der Struktur des Erregerhorns
und der für beide Trennwände T und T gleichen Länge L ist die Anordnung von Fig.
8 identisch mit der von Fig; 7. Die Lamellenstruktur auf den Innenwänden des Erregerhorns
wird dem Stand der Technik gemaß so dimensioniert, daß die Fallentiefe zwischen
einer viertel und einer halben Wellenlänge liegt, während der Abstand S2 der Fallen
dem Stande der Technik gemäß gewählt wird.
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Die Anwendung eines Rillenhorns bietet zudem noch die Möglichkeit,
die Antennendiagramme beider Polarisationsrichtungen unabhängig voneinander zu schwenken.
In diesem Falle müssen den HoHlleiteraugängen A1, A2, A3, A4 , wie in Fig. 5 dargestellt,
weitere vier Phasenschieber zugeordnet werden.