DE2626926C2

DE2626926C2 - Hohlleiterprimärstrahler mit rechteckigem Querschnitt für eine Reflektorantenne mit Strahlschwenkung

Info

Publication number: DE2626926C2
Application number: DE19762626926
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 7140 Ludwigsburg Mörz
Original assignee: AEG Telefunken Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1976-06-16
Filing date: 1976-06-16
Publication date: 1983-08-25
Also published as: DE2626926A1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Hohlleiterprimärstrahler mit rechteckigem Querschnitt für eine Reflektorantenne, der mit einem Grundwellentyp gespeist ist und an seinem Eingang durch eine leitende Trennwand in zwei jeweils die Grundwelle führende Teilhohlleiter aufgeteilt ist, von denen der eine einen einstellbaren Phasenschieber aufweist, während am Ausgang des Hohlleiterprimärstrahlers ein als Laufraum ausgebildeter Mehrmoden-Erregerhohlleiter vorhanden ist, in dem die angeregten Wellen des Grund- und eines höheren Wellentyps so überlagert sind, daß je nach Einstellung des Phasenschiebers eine zur Strahlschwenkung der Reflektorantenne dienende Verschiebung des Feldstärkemaxinuims aus der Mittelachse des Primärstrahlers

erfolgt

In der Richtfunktechnik sind es vor allem zwei Anwendungsbereiche, bei denen eine elektrisch steuerbare Strahlschwenkung Vorteile bringt An erster Stelle ■j sind die Oberreichweitenverbindung zu nennen, bei denen aufgrund der zeitlichen Veränderungen im Ausbreitungsmedium starke Empfangsschwankungen auftreten, die durch Nachregelung der Sende- bzw. der Empfangskeule oder beider bei der Antenne einen

ίο gewissen Ausgleich ermöglichen.

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-K.eulenbreite des Antennendiagrammes liegen. Die hierdurch hervorgerufenen Empfangsverschlechterungen können ebenfalls durch eine Strahlschwenkung gemindert werden.

Eine Anordnung zur steuerbaren Strahlschwenkung, wie sie einleitend beschrieben worden ist ist aus der US-PS 37 40 752 bekannt. Die Anordnung gemäß dieser Veröffentlichung besitzt einen aufwendigen und räumlich großen Aufbau. Dies ist bedingt durch zwei im Hohlleiter hintereinander angeordnete Trennwände, die zusätzlich noch einen Richtkoppler einschließen. In einem der durch die Trennwände entstandenen Teilhohlleiter sind zwei Phasenschieber hintereinander angeordnet.

Der Erfindung lieg? nun die Aufgabe zugrunde, einen Hohlleiterprimärstrahler mit einer steuerbaren Strahl-

jo Schwenkung der eingangs genannten Art anzugeben, der einen geringen Aufwand bei minimalen Eigenverlusten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auch der andere Teilhohlleiter einen einstellbaren

J5 Phasenschieber aufweist, daß am Ende der leitenden Trennwand unmittelbar der Mehrmoden-Erregerhohlleiter anschließt, dessen Länge so gewählt ist, daß die angeregten Wellentypen des Grund- und des höheren Wellentyps in der Apertur phasengleich oder 180°-phasenverschoben sind.

Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der große Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es allein auf elektrischem Wege durch eine Beeinflussung

•»5 der Feldkonfiguration des Hohlleiters durch die Verwendung höherer Wellentypen möglich geworden ist, Veränderungen des Funkfeldes auszugleichen. Auch die Realisierung der Erfindung ist auf einfache Weise durchführbar und gewährleistet einen sicheren Betrieb.

Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht darin, daß bei ungeschwenktem Antennendiagramm ein optimaler Strahlungsgewinn erreicht wird. Außerdem ist die erPndungsgemäße Anordnung besonders dämpfungsarm.

Anhand der Zeichnung soll der Erfindungsgedanke noch näher beschrieben werden. In den Figuren der Zeichnung sind im einzelnen dargestellt. In der

F i g. 1 die elektrische Feldverteilung in der Erregerapertur, in der

F i g. 2 die Entstehung der Strahlschwenkung aus den beiden überlagerten Wellentypen anhand eines Antennendiagrammes, in der

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel mit der Trennwand in der /f-Ebene, in der

^h5 F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel mit der Trennwand in der /-/-Ebene, in der

F i g. 5 das Prinzip einer Kombination aus horizontaler und vertikaler Schwenkung gleichzeitig anhand eines

Ausfuhrungsbeispieles und in der

F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel mit Rillenerreger.

In der Fig. 1 ist die elektrische Feldverteilung in der Erregerapertur dargestellt. Die Kurve 1 stellt die Feldverteilung der WlO-WeIIe dar mit der Strukturfunktion

_. π · χ

E,n„~ COS ,

wobei a die Breitseite des Hohlleiters ist. Diesem HlO-FeId wird die Erzeugte //20-WeIIe, Kurve 2. mit der Strukturfunktion

.. . 2 π χ

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. Man sieht deutlich, daß dieses Summenfeld links ein Maximum hat und im rechten Teil des Hohlleiters eine angenäherte Auslöschung in der Feldverteüung. Durch diese Maßnahme kann man also das Feldniaximum der ursprünglichen HlO-WeIIe aus der Achsenmitte in den linken Teil oder auch den rechten Teil des Hohlleiters hinein auslenken. Diese Auslenkung kann man durch die Amplitudenanteile der H 20-Welle verändern.

Durch Veränderung des elektrischen Phasenwinkels Δφ bzw. Δψ (vgl. F i g. 3,4) mit Hilfe eines Phasenschiebers 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 Es wird also eine Amplitudenänderung 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. in dieser Ebe;;e müssen die Phasen der beiden Wellen, der Grundwelle und der erzeugten Welle vom höheren Wellentyp, 0° oder 180° betragen.

In der Fig.2 ist das Strahldiagramm einer Antenne wiedergegeben, das aus der Überlagerung der beiden Wellentypen hervurgeht. Die Kurve Γ, strichpunktiert gezeichnet, zeigt das ungeschwe>ikte Diagramm der HlO-WeIIe in der Antenne. Das ist das normale Antennendiagramm, wem der Antennenerreger mit der HlO-WeIIe beaufschlagt wird. Das Diagramm 2' der H 20-Welle, gestrichelt gezeichnet, hat eine Nullstelle, und zwar dort, wo die abgestrahlte Energie der Grund-H 10-Welle ihr Maximum hat. Die H20-Welle hat also somit zwei Maxima, die entgegengesetzt gepolt, also gegenphasig sind. Dieses Diagramm der H 20-Welle sagt weiter aus, daß eine solche Antenne mit zwei Maxima in der Lage ist, Signale aus zwei Richtungen zu empfangen, und zwar gegenphasig.

Durch Überlagern beider Wellentypen, der HlO-WeIIe mit der H20-Welle, ergibt sich das Diagramm 3', ausgezogen gezeichnet. Man erhält also bei einer Überlagerung beider Wellen ein gegenüber der Mittelachse verschobenes Feld, wobei diese Verschiebung zu einer Schwenkung des Antennenstrahlers führt. Das Antennendiagramm hat sich also seitlich verschoben.

Eine Anordnung, die dieses Verfahren realisiert, ist in der Fig. 3 wiedergeg .ben. In dem in der H-Ebene geschnittenen Hohlleiter 4, dessen große Seite a hier gezeichnet ist, breitet sich die HlO-WeIIe aus. Diese HlO-WeIIe wird in dem folgenden symmetrischen Hohlleiter 5, 6 durch eine Trennwand T verzweigt. In

-, den hierdurch entstehenden beiden Teilhohlleitern 5 und 6 sind steuerbare Phasenschieber angeordnet Diese können auch elektrisch steuerbar ausgebildet sein. Die Phasenschieber haben die Aufgabe, die Phase ±Δφ der jeweiligen Welle um bis zu ±90° zu drehen. Als

in Phasenschieber könnte man beispielsweise Diodenoder Ferrit-Phasenschieber verwenden. Letztere sind in der Lage, auch höhere Sendeleistungen bei kleineren Eigenverlusten zu übertragen.
Die Trennhohlleiter 5 und 6 münden in einen

t--> gemeinsamen Mehrmodenhohlleiter 7. An der Stelle, an der die Trennwand endet, entsteht die höhere Welle vom H 20-Wellentyp. Sie ist gegenüber der H10-Welle, die ebenfalls noch existent ist, ur<i 90° in ihrer Phase gedreht. Die Feldstärke-Amplitude £//ioder H 10-WelIe

2" ist proportional cos4(p und die Amplitude der £//2o-Welle der angeregten W20-V.'eIle ist proportional sinnig). Höhere Weüentypen wx-rdcn durch eine geeignete Wahl der Abmessungen des Hohlleiters 7 unterdrückt.

2~> Es besteht jedoch die Bedingung, daß in der Erregerapertur die Phasenbeziehung 0° oder 180° betragen muß. Um diese Phasenbeziehung zu erfüllen, folgt dem Teilhohlleiter 5 und 6 der Hohlleiter 7, der die Funktion eines Laufraumes hat.

in Seine Länge L ist so bemessen, daR.der anregungsbedingte Phasenunterschied von 90° zwischen den beiden Wellen, der HlO- und H20-Welle, auf 0° oder 180° verändert wird.

Am Ende dieser Anordnung der Fig.3 ist die zu

Γ· dieser Anordnung" gehörende Feldverteilung graphisch dargestellt. Die Kurve 1 stellt den Feldverlauf der H10-Welle dar. Sie hat die mathematische Beziehung

ι τ- ι TtX .

I £//101 ~ COS · COSiä φ .

^α

Die Kurve 2 stellt den Feldverlauf vom höheren V-'sllentyp, der H 20-Welle, dar, welche die mathematische Beziehung

4'' I £//2o I ~ sin -sin A m

hat. Diese beiden Wellen, HlO und H20, ergeben überlagert die Summe £ £_w,o. £«2o und werden durch die Kurve3 dargestellt.

in Die in der Fig.3 gezeigte Anordnung ermöglicht eine Auslenkung des Antennenstrahles in der H-Ebene der Felder. Die Trennwand T zwischen den beiden Teilhohlleitern 5 und 6 steht senkrecht hierzu, d. h. in der £-Rirhtung. Die Auslenkung des Strahlers wird durch

>-> die Überlagerung der HlO-We'le, als Grundwelle, und ihres höheren Wellentyps vom H20-Typ, bewirkt. Die Phasenrelation der beiden Teilhohlleiter 5 und 6 beträgt

2Δφ.

Um eine Auslenkung in der vertikalen Ebene zu ermöglichen, ist ;ine der Fig.4 entsprechende Anordnung zu wählen. Bei dieser Anordnung steht die Trennwand T* zwischen den beiden Teilhoh'leitern in der Η-Richtung. Die beiden Teilhohilciter 5* und 6* gehen über in den Hohlleiter 7*. Ihre Phasenrelation ist

ή hier 2Δφ. Die Trennwand 7"*endet in der Ebene E*. Hier entsteht jetzt eint Welle vom £7vii + £n-Typ, die als Grundwelle wieder die H ΙΟ-Welle hat. Auch die Phase dieser £/ni + /rn-Welle ist wieder gegenüber dem

Grundwellentyp, der /-/ ΙΟ-Welle, um 90" verschoben. Hier ist ein Laufraum, dessen Lange /.'so bemessen ist. daß in der Rrregerapertur die Phasenbeziehung zwischen der H 10- und der £,,n * ι n-Welle von O^ oder 180° besteht.

Am Ende dieser Anordnung der Fig.4, die die Erregerapertur darstellt, ist das zu dieser Anordnung gehörende Felddiagramm abgebildet. Ausgehend von der Grundwelle, der /710-Welle (Kurve 1') mit der mathematischen Beziehung

11 ~ COS -^- ■ COS Λ If .

ergibt sich der zugehörende höhere Wellentyp, £„n .,π (Kurve 2*) mit der mathematischen Beziehung

I Elin .ι u I ~ COS-¹¹^

sin-^ ■ sin Λ ψ a b

Das .Summenfeld (Kurve 3*) ist die Überlagerung dieser beiden Kurven I* und 2*. Es hat die Bezeichnung Z₁ ElIU ^F, II. £7,10·

Man kann also auf diese Weise in beiden Ebenen des abgestrahlten Feldes, sowohl in der H-Ebene als auch in der £-Ebene. eine Schwenkung der Antennenkeule erzeugen. Diese beiden Systeme sind einzeln anwendbar, sofern man nur in einer Ebene schwenken muß.

Besteht aber die Forderung, in beiden Ebenen, also z. B. der H- und £-Ebene gleichzeitig zu schwenken, so müssen beide Verfahren kombiniert werden. Ein solches Kombinationsspeisesystem ist in der Fig. 5 seinem Prinzip nach dargestellt.

Diese Anordnung besteht aus vier nebeneinander und übereinander angeordneten Teilhohlleitern 8, 9, 10, 11. Vom Eingang E1 aus werden diese vier Teilhohlleiter 8, 9, i0. Si über einen VicrfächlcistüngsvcrtCilcr LT\ gespeist. In jedem Teilhohlleiter 8, 9, 10, 11 sind je zwei Phasenschieber jeweils für die Beeinflussung des Diagramms in der H-Ebene (Δφ) und in der E-Ebene (Δψ) angeordnet. Diese können elektrisch steuerbar ausgebildet sein.

1. In dem Teilhohlleiter 1 sind die Phasenschieber Δφ+Δψ,

2. in dem Teilhohlleiter 2 die Phasenschieber Δφ — Δψ,

3. in dem Teilhohlleiter 3 die Phasenschieber

— Δφ + Δψ.

4. in dem Teilhohüeiter 4 die Phasenschieber

— Δφ — Αψ
angeordnet.

Diese Teilhohileiter 8, 9, 10, 11 gehen mit dem Ende der Trennwände T und T* die in E- Richtung und in /Y-Richtung Z.bzw. L'angeordnetsind.inden Laufraum über. Die Länge dieses Laufraumes hat die Aufgabe, die Phasendifferenz 90° zwischen dem Grundwellentyp //10 und den am Ende der Trennwand entstehenden höheren Wellentypen zu beseitigen. Es besteht wieder die Bedingung, daß in der Erregerapertur die Phasendifferenz 0^c oder 180° betragen muß.

Da aber die Laufzeil der beiden höheren Wellentypen, /-/20 bzw. £„n , ι,, unterschiedlich sind, muß auch die zu dem jeweiligen Wellentyp gehörende 1 rennwand eine entsprechende Länge haben. Da zwischen der ' /-/10- und der Hu./πι-Welle eine kleinere Phasendrehung in einer bestimmten Hohlleiterlänge erfolgt, muß auch die Trennwand 7* entsprechend kurzer sein. d. h. die Länge £*des Laufraums wird größer.

Durch geeignete Wahl der Hohlleiterseiten ;i und b ι» mit

" - l/T

~b "

ι > erreicht man gleiche Grenzfrequenzen für die H 20- und die Hn, n-Welle. Dann können die Trennwände 7und 7* in einer Ebene enden. Diese Dimensionierung ist jedoch nur vertretbar, wenn nur eine Polarisationsrichtung vom Erreger abgestrahlt oder empfangen werden

-'» soll.

Die Anordnung der F i g. 5 läßt noch eine weitere Anwendungsniöglichkeit zu. So ist hier bei diesem Ausführungsbeispiel davon ausgegangen worden, daß am Eingang EI mit einer vertikalen Polarisation

"") eingespeist wird. Speist man also da beispielsweise mit einer H 10-Welle vertikaler Polarisation ein. so kann man über die Einkopplungen A 1. A 2. A 3. A 4 die am Anfang des Laufraumes angeordnet sind, eine Einkopplung einer weiteren Welle vom H 10-Typ mit horizonta-

Jo ler Polarisation vornehmen. Man hat dann die Möglichkeit, die vertikale Polarisationsebene in beiden Richtungen. Azimut und Elevatiot.. zu ichwenken. Bei der zusätzlich vorgenommenen Einspeisung über die Einkopplungen -4 1, A2. A3. A4 besteht eine

π Schwenkmöglichkeit der Antennenkeule jedoch nicht. Die Einkcpplungen A 1, A 2, A 3, A 4 sind wieder über einen Vierfachleisiungsteiler /.72 miteinander verbunden und werden vom Eingang £2 eingespeist.

In der Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei diesem Beispiel ist der Erreger als Rillenhorn ausgebildet. Als Grundtyp wird der Hybridmode vom W£ll-Typ verwendet. Die Schwenkung in der f/-Ebene (Δφ) wird durch den höheren Wellentyp der f/21-Welle und die Schwenkung in der £-Ebene (Δψ) durch den höheren Wellentyp der HE12-Welle vorgenommen. Bei diesen beiden höheren Wellentypen HE2\ und HE 12 können die Trennwände 7bzw. 7* in der gleichen Ebene enden, da beide Wellentypen die gleiche Grenzfrequenz und somit die gleiche Lauflänge

v) L für die erforderliche Phasenbedingung haben. Die Rillenstruktur auf den Innenwänden des Erregerhorns wird dem Stand der Technik gemäß so dimensioniert, daß die Rillentiefe Si zwischen einer viertel und einer halben Wellenlänge liegt, während der Abstand S₂ der Rillen dem Stande der Technik gemäß gewählt wird.

Die Anwendung eines Rilienhorns bietet zudem noch die Möglichkeit, die Antennendiagramme beider Polarisationsrichtungen unabhängig voneinander zu schwenken. In diesem Falle müssen den Hoh'leiterausgängen At, A 2, A3. A4, wie ein F i g. 5 dargestellt, weitere vier Phasenschieber zugeordnet werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hohlleiterprimärstrahler mit rechteckigem Querschnitt für eine Reflektorantenne, der mit einem Grundwellentyp gespeist ist und an seinem Eingang durch eine leitende Trennwand in zwei jeweils die Grundwelle führende Teilhohlleiter aufgeteilt ist, von denen der eine einen einstellbaren Phasenschieber aufweist während am Ausgang des Hohlleiterprimärstrahlers ein als Laufraum ausgebildeter Mehrmoden-Erregerhohlleiter vorhanden ist in dem die angeregten Wellen des Grund- und eines höheren Wellentyps so überlagert sind, daß je nach Einstellung des Phasenschiebers eine zur Strahlschwenkung der Reflektorantenne dienende Verschiebung des Feldstärkemaximums aus der Mittelachse des Primärstrahlers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß auch der andere Teilhohlleiter (6, 6·, 10, 11) einen einstellbaren Phasenschieber aufweist, daß am Ende der leitenden Trennwand (T, T*} unmittelbar der Mehrmoden-Erregerhohlleiter (7, 7*) anschließt, dessen Länge (L L*) so gewählt ist, daß die angeregten Wellentypen des Grund- und des höheren Wellentyps in der Apertur phasengleich oder 180°-phasenverschoben sind.

2. Hohlleiterprimärstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlschwenkung in der //-Ebene des Strahlungsfeldes die Trennwand (T) in der Ε-Ebene des Hohlleiterprimärstrahlers liegt.

3. Hohlleiterprimärstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlschwenkung in der Ε-Ebene des Strahlur-gsfelrfes die Trennwand (T*) in der E- Ebene des Hohlleiterprimärstrahlers liegt.

4. Hohlleiterprimärstrahler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlschwenkung in der H- und Ε-Ebene des Strahlungsfeldes jeweils eine Trennwand (T, T*) in der E- und //-Ebene des Hohlleiterprimärstrahlers liegt.

5. Hohlleiterprimärstrahler nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (T) in der E-Ebene und die Trennwand (T*) in der //-Ebene unterschiedliche Längen haben.

6. Hohlleiterprimärstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrmoden-Erregerhohlleiter auf seiner Innenseite mit einer Rillenstruktur versehen ist.