DE2736757A1

DE2736757A1 - Konischer hornstrahler

Info

Publication number: DE2736757A1
Application number: DE19772736757
Authority: DE
Inventors: Charles J Brandt; Mon Nom Wong
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1976-09-16
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1978-03-23
Also published as: DE2736757C2; FR2365220A1; FR2365220B1; US4141015A; GB1531110A; JPS5336449A; JPS575363B2

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 10. August 1977

Hughes Aircraft Company P 3409 S/kg Centinela Avenue and Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth Pat e nt anwälte
Hohentwielatraße 41 7000 Stuttgart 1

Konischer Hornstrahler

Die Erfindung betrifft einen konischen Hornstrahler mit einer in seinem Inneren angeordneten Einrichtung zum Anregen höherer ?/ellentypen, die sich in der öffnung des Hornes zu einer resultierenden V/elle mit gewünschter Konfiguration überlagern.

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Konische Hornstrahler, in denen Einrichtungen zum Anregen von Wellentypen höherer Ordnung angeordnet sind, um deren Eigenschaften zu verbessern, sind bekannt· Eine Methode zum Anregen von Wellentypen höherer Ordnung und Erzeugen verbesserter Phasenbeziehungen zwischen den Wellentypen besteht darin, in Längsrichtung innerhalb des Hornstrahlers symmetrisch Reflektorstäbe anzuordnen. Die Reflektorstäbe können Scheiben aufweisen, die längs der Stäbe verstellbar sind, um dadurch die Impedanz des Hornstrahlers zu verändern· Die Länge, der Durchmesser und die Stellung der Reflektorstäbe innerhalb des Hornstrahlers sind sehr kritisch, da Wellentypen höherer Ordnung mit dem dominanten Wellentyp innerhalb des Hornstrahlers in Phase sein müssen· Weiterhin muß der Hornstrahler eine größere Länge haben, wenn eine Reflektorstab-Anordnung benutzt wird, und es ergeben solche Einrichtungen eine schlechte Polarisations-Reinheit· Eine konische Hornantenne, die von Reflektorstäben Gebrauch macht, ist in der DT-PS 1 953 083 beschrieben.

Eine andere Methode zum Anregen von Wellentypen höherer Ordnung in einer Antenne und zur Erzeugung symmetrischer Wellen besteht in der Anwendung eines konischen Hornstrahlers, der auf seiner reflektierenden Oberfläche gewellt oder geriffelt ist. Diese Methode erfordert die Anwendung eines Hornstrahlers mit relativ großer Öffnung oder Apertur· Allgemein wird ein gewellter oder geriffelter Hornstrahler aus massivem Metall gefertigt, was eine relativ schwere Antennenstruktur zur Folge hat· Weiterhin

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sind die Herstellungskosten für einen solchen Hornstrahler sehr hoch, da sehr hohe Bearbeitungskosten anfallen. Weiterhin muß bei einem solchen Hornstrahler die Riffelung oder Wellung mit sehr großer Genauigkeit hergestellt sein, damit die höheren V/ellentypen mit richtiger Amplitude und Phase angeregt werden.

Es ist weiterhin bekannt, Rippen oder Stege zu benutzen, um eine Gleichheit der E- und Η-Felder in der Öffnung herzustellen, indem eine Phasenkompensation des E-Feldes des einen, aber nicht des anderen Wellentyp3 stattfindet· Gewöhnlich werden zwei Sätze Rippen oder Stege im wesentlichen einander diametral gegenüberstehend angeordnet, um den Hornstrahler zu symmetrieren. Die Größe, Anzahl und Stellung der Stege ist sehr kritisch, damit sie die gewünschte Phasenkompensation bewirken. Die Stege ermöglichen jedoch kaum eine Isolierung zueinander orthogonaler Wellen.

Ein mit zwei V/ellentypen arbeitender Hornstrahler, der eine gute Rotationssymmetrie und kleine Nebenzipfel aufweist, ist in einem Aufsatz: "Dielectric-Loaded Horn Antenna" von Tashio Satoh in IE. Transactions on Antennas and

Propagation, März 1972, beschrieben. Bei dieser bekannten Antenne ist ein konisches dielektrisches Band innerhalb des konischen Hornstrahlers zur Anregung des TM^-Wellentypee angeordnet. Bei dem dielektrischen Band handelt es eich um einen dünnen konischen Abschnitt aus Teflon (Tetrafluoräthylen), das an einer vorbestimmten Stellung innerhalb des Hornstrahlers angeordnet ist. Die Anordnung von Satoh führt zu einer Verbesserung der Rotationssymmetrie

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und der Bandbreite gegenüber einem gleichen Hornstrahler ohne ein solches dielektrisches Band. Hierauf wird im einzelnen noch eingegangen· Ein dielektrisches Band, wie es von Satoh verwendet wird, hat jedoch eine begrenzte Bandbreite.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen konischen Hornstrahler der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß er bei einfachem Aufbau und geringem Gewicht in einem breiten Frequenzband eine gute Isolation zwischen den sich im Hornstrahler ausbreitenden Wellentypen gewährleistet und eine verbesserte Impedanzanpassung ermöglicht· Weiterhin soll der Hornstrahler bei der Verwendung für zirkularpolarisierte Wellen in bezug auf eine sich drehende lineare Quelle eine verminderte Elliptizität aufweisen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß an der Innenseite des Hornstrahler ein äußeres konisches Band bestimmter Länge und Dicke, das aus einem dielektrischen Werkstoff besteht, mit seiner Außenseite dicht anliegt, und innerhalb des äußeren konischen Bandes ein inneres konisches Band bestimmter Länge und Dicke angeordnet ist, das ebenfalls aus einem dielektrischen Werkstoff besteht und mit seiner Außenseite an dem äußeren konischen Band dicht anliegt, derart, daß ausgehend von Birkularpolarisierten Wellen des dominanten Wellentype Wellentypen höherer Ordnung angeregt werden, die in der öffnung des Homes mit dem dominanten Wellentyp gleichphasig sind.

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Bei einer solchen Antenne ist die Länge des äußeren dielektrischen Bandes durch die Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz bestimmt. Die Länge des inneren dielektrischen Bandes beträgt vorzugsweise etwa die Hälfte der Länge des äußeren dielektrischen Bandes» Die Dicke beider dielektrischer Bänder ist durch die Wellenlänge bei der abgestrahlten Frequenz bestimmt.

Ein dem Hornstrahler zugeführter dominanter Wellentyp regt beim Passieren der beiden dielektrischen Bänder eine Reihe Wellentypen höherer Ordnung an, An der Apertur der Antenne sind der dominante Wellentyp und die Wellentypen höherer Ordnung annähernd in Phase und addieren sich vektoriell.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt einen konischen Hornstrahler nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Vektordiagramm des dominanten Wellentyps, eines höheren Wellentyps und der daraus resultierenden, von dem Hornstrahler nach Fig. 1 abgestrahlten Welle und

Fig. 3 ein Diagramm der axialen Verhältnisse bei bekannten konischen Hornstrahlern und dem erfindungsgemäßen konischen Hornstrahler nach Fig. 1.

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Die in Pig. 1 dargestellte Antenne 10 umfaßt eine Polarisator-Verzweigung 12, an die ein konischer Hornstrahler 14 angeschlossen ist, in dem sich die Einrichtung 16 zur Anregung höherer Vieilentypen befindet. Die Polarisator-Verzweigung 12 empfängt zwei zueinander senkrechte, linear polarisierte Signale an zwei Eingängen 18 und 19. Sie erzeugt ihrerseits in Abhängigkeit von den beiden EingangsSignalen zwei zirkulär polarisierte Signale mit einander entgegengesetztem Drehsinn. Beispielsweise kann das erste Eingangssignal in ein im Uhrzeigersinne umlaufendes oder rechtsdrehendes zirkulär polarisiertes Signal und das zweite Eingangssignal in ein im Gegenuhrzeigersinn umlaufendes oder linksdrehend zirkulär polarisiertes Signal transformiert werden. Die Polarisator-Verzweigung 12 kann ein Viertelwellen-Polarisationsplättchen enthalten, das in Längsrichtung im zylindrischen Abschnitt der Polarisator-Verzweigung 12 zwischen deren Eingang und Ausgang angeordnet ist. Die Wirkungsweise eines Viertelwellenplättchens ist bekannt und braucht daher hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden» Statt dessen kann auch Jede andere Methode zur Erzeugung einer Zirkularpolarisation ausgehend von einem linear polarisierten Signal verwendet werden.

Der Ausgang der Polarisator-Verzweigung 12 wird von einem im (Juerschnitt kreisförmigen Hohlleiter gebildet, an den eich der Eingang des Hornstrahlers 14 anschließt. Dieser Eingang des Hornstrahler wird auch als Halsabschnitt 21 bezeichnet. Der Halsabschnitt 21 hat bei einer 4 GHz-Antenne einen Durchmesser von 7»25 cm. An den Halsabschnitt 21 schließt sich ein konischer Abschnitt 22 an.

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Der konische Abschnitt 22 kann einen öffnungswinkel von 10,7° aufweisen und eine längs der Wandung gemessene Länge von 52,5 cm haben. Der öffnungswinkel ist durch verschiedene Paktoren bestimmt, einschließlich der llittenfrequenz des Arbeits-Frequenzbereiches. Die öffnung 23 des Hornstrahlers 14 hat einen Durchmesser von 26,5 cm· ^z^r Herstellung des Hornstrahlers 14 kann jedes geeignete Material verwendet werden. Für die Anwendung im Kaum ist ein Material mit geringem Gewicht besonders geeignet, wie beispielsweise ein mit Glasfasern verstärkter Kunststoff (fiberglass). In diesem Fall ist die Innenfläche des Hornstrahlers mit einer reflektierenden Beschichtung wie beispielsweise Silber oder Aluminium beschichtet· Die beiden zirkularpolarisierten Wellen wandern durch den Halsabschnitt 21 in den konischen Abschnitt 22· Wenn die Wellen die Einrichtung 16 zum Anregen höherer Wellentypen passieren, werden in der nachfolgend beschriebenen Weise Wellentypen höherer Ordnung erzeugt·

Die Einrichtung 16 enthält ein inneres und ein äußeres dielektrisches Band 25 bzw. 26. Diese Bänder sind im konischen Abschnitt 22 des Hornstrahlers angeordnet.

Das äußere Band 25 hat eine konische Gestalt und ist an der inneren reflektierenden Oberfläche des Hornstrahlers 14 befestigt. Die Länge des äußeren dielektrischen Bandes 25 beträgt etwa eine Wellenlänge bei einer bestimmten Frequenz, die von dem Hornstrahler 14 übertragen wird. Die Dicke des dielektrischen Bandes beträgt beispielsweise etwa 0,05 Wellenlängen. Das Band 25 kann

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aus jedem dielektrischen Material bestehen, dessen Dielektrizitätskonstante ausreichend groß ist, wie beispielsweise einem warmaushärtenden vernetzten Styrol-Copolymer. Ein solches, unter Wärme aushärtendes Copolymer ist das von der Firma American Enka Corporation hergestellte Rexolite, das eine Dielektrizitätskonstante von 2,6 aufweist und mit Erfolg in mehreren Antennen für den 4GHz- und den 6 GHz-Bereich eingesetzt wurde«

Das innere dielektrische Band 26 hat ebenfalls eine konische Gestalt und eine Länge, die beispielsweise der halben Wellenlänge bei der vorbestimmten Mittenfrequenz gleich ist. Die Dicke des inneren Bandes 26 beträgt wiederum etwa 0,05 Wellenlängen. Weiterhin besteht auch das innere Band 26 aus dem gleichen dielektrischen Werkstoff wie das äußere Band 25. Das innere dielektrische Band 26 ist über dem äußeren dielektrischen Band 25 zentriert und daran befestigt. Die beiden dielektrischen Bänder 25 und 26 können der Einfachheit halber auch aus einem Materialteil hergestellt werden. Die Stellung der Einrichtung 16 innerhalb des Hornstrahler wird allgemein empirisch bestimmt und ist von der Länge dee Hornstrahlers 14, der Mittenfrequenz und dem öffnungswinkel abhängig. Die Stellung wird so gewählt, daß der dominierende Wellentyp und die höheren Wellentypen, die eich in dem Hornstrahler 14 ausbreiten, an dessen Öffnung vektioriell addieren· Es wurde gefunden, daß bei einem Hornstrahler 14 für ein Signal von 4 GHz die Einrichtung in einer Entfernung von etwa 0,42 Wellenlängen bei der interessierenden Frequenz vom Halsabschnitt 21 des Hornstrahlers 14 entfernt war.

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AO

Die Vektor-Diagramme nach Fig· 2 veranschaulichen die Wellentypen, die sich in dem Hornstrahler 14· ausbreiten. Fig. 2a veranschaulicht zwei dominante Wellentypen, nämlich eine rechtsdrehend zirkularpolariaierte Welle und eine linksdrehend zirkulatpolarisierte Welle des Έ&**- Wellentypa, Die dominanten Wellentypen werden in den Halsabschnitt 21 des Hornstrahlers eingeleitet und durchlaufen den Hornstrahler 14 bis zur Öffnung 23. Fig. 2b zeigt einen von mehreren Wellentypen höherer Ordnung, nämlich den TII₁^-Wellentyp, der von dem TE..-Wellentyp angeregt wird, wenn dieser die Einrichtung 16 zur Anregung höherer Wellentypen durchläuft. Fig. 2b veranschaulicht sowohl die rechtsdrehend als auch die linksdrehend zirkularpolarisierten Wellentypen höherer Ordnung· Während die dominanten und höheren Wellentypen den konischen Abschnitt 22 von der Einrichtung 16 aus durchlaufen, führen sie eine Drehung aus. In der öffnung 2? sind die dominanten und höheren Wellentypen in Phase, so daß sich ihre Felder vektoriell zu dem in Fig. 2c dargestellten resultierenden Feld addieren und dadurch eine ebene Wellenfront bilden.

Um die Eigenschaften eines Antennensystems zu bestimmen, wird von einer ersten Antenne, der Sendeantenne, ein lineares Signal in Richtung auf eine zweite Antenne, die Empfangsantenne, abgestrahlt. Die Sendeantenne und die Empfangsantenne werden zunächst mit ihren Strahlachsen aufeinander ausgerichtet. Dann wird die Sendeantenne im Azimut oder in der Elevation um 8,5° verschwenkt, um die Eigenschaften einer sich im Kaum befindenden Satelliten-Antenne außerhalb der Strahlachse

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zu simulieren. Beispielsweise erstreckt sich bei manchen Nachrichten-Satelliten die Erde über einen Winkel von 17° im Strahlungsdiagramm der Antenne. Um die Eigenschaften außerhalb der Strahlachse oder die Elliptizität der Sendeantenne festzustellen, wird ein lineares Signal der Sendeantenne zugeführt und es wird der Hornstrahler um seine Achse gedreht, um auf diese Weise eine zirkularpolarisierte Welle zu simulieren. Die Empfangsantenne wird an einen Schreiber angeschlossen, der das Maximum und das Minimum der empfangenen Energie in db aufzeichnet, während das lineare Signal die gewünschte Bandbreite durchläuft. Da die Sendeantenne gedreht wird, bewirkt die Elliptizität der Antenne, daß ein von der Empfangsantenne empfangenes lineares Signal zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert variiert. Auf diese Weise kann das Achsverhältnis bestimmt werden. Die Eigenschaften verschiedener Hornstrahler sind in Fig. 3 veranschaulicht.

In Fig. 3a ist das Achsverhältnis eines Hornstrahlers dargestellt. Die Ordinate entspricht der Frequenz, die von 3»7 GHz bis 4,2 GHz variiert wird, während die Abszisse so kalibriert ist, daß 2,5 cm einem keistungsverhältnis von 1 db entsprechen. Das Diagramm ist für einen Hornstrahler ohne Einrichtung zum Anregen höherer Wellentypen charakteristisch. Es ist zu bemerken, daß das Achsverhältnis über der Bandbreite stark schwankt. Das Achsverhältnis steht in unmittelbarer Beziehung zur Elliptizität und ist infolgedessen ein direktes Maß für die Leistungsfähigkeit· Es ist daher aus Fig.3a ersichtlich, daß die Elliptizität einer Antenne, die keine

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Einrichtung zum Anregen höherer Wellentypen aufweist, etwa 1,5 db beträgt.

Fig. 3b zeigt das Achsverhältnis eines Hornstrahler, der nach Satoh eine Einrichtung zum Anregen höherer Wellentypen in Form eines einzigen dielektrischen Bandes enthält. Das für diesen Versuch verwendete dielektrische Band war aus Rexolite hergestellt. Es ist ersichtlich, daß die Elliptizität gegenüber der Antenne ohne Einrichtung zum Anregen höherer Wellentypen vermindert ist.

Fig. 3c veranschaulicht das bedeutend verbesserte Achsverhältnis bei einem konischen Hornstrahler, der eine Einrichtung zum Anregen höherer Wellentypen nach der Erfindung aufweist. Es ist zu bemerken, daß die Elliptizität der Antenne erheblich vermindert ist, was bedeutet, daß die Amplitude des empfangenen Signals unabhängig von der Drehung der Sendeantenne fast konstant ist. Demgemäß beträgt die Elliptizität eines Hornstrahler nach der Erfindung 0,7 db. Dabei wird eine Isolation zwischen den beiden orthogonalen EingangsSignalen von mehr als -30 db über einer erhöhten Bandbreite von 12% erzielt. Bei einer Bandbreite von % beträgt die Isolation -4-0 db. Das Spannungs-Stehwellenverhältnis am Eingang des Hora- strahlers ist besser als 1,08:1.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, daß dem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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eerseite

Claims

Patentansprüche

M. »Konischer Hornstrahler mit einer in seinem Inneren angeordneten Einrichtung zum Anregen höherer Wellentypen, die sich in der öffnung des Homes zu einer resultierenden Welle mit gewünschter Konfiguration überlagern, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Hornstrahlers (14) ein äußeres konisches Band (25) bestimmter Länge und Dicke, das aus einem dielektrischen Werkstoff besteht, mit seiner Außenseite dicht anliegt, und innerhalb des äußeren konischen Bandes (25) ein inneres konisches Band (26) bestimmter Länge und Dicke angeordnet ist, das ebenfalls aus einem dielektrischen Werkstoff besteht und mit seiner Außenseite an dem äußeren konischen Band (25) dicht anliegt, derart, daß ausgehend von zirkularpolarisierten Wellen des dominanten Wellentyps Wellentypen höherer Ordnung angeregt werden, die in der öffnung des Homes mit dem dominanten Wellentyp gleichphasig sind·
2. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des äußeren konischen Bandes (25) gleich der ganzen Wellenlänge und die Länge des inneren konischen Bandes (26) gleich der halben Wellenlänge des dominanten Wellentyps im Hornstrahler (14) ist und das innere Band (26) zu dem äußeren Band (25) zentrisch angeordnet ist«

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