DE2736757C2 - Konischer Hornstrahler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen konischen Hornstrahler, der mit Einrichtungen zum Einspeisen zirkularpolarisierter Wellen in einem Grundwellentyp versehen ist und ein im Bereich seiner Mitte angeordnetes, an seiner Innenseite dicht anliegendes erstes konisches Band aus einem dielektrischen Werkstoff aufweist, das die Anregung von Wellentypen höherer Ordnung bewirkt, die in der öffnung des Hornes mit dem Grundwellentyp gleichphasig sind.

Ein solcher Hornstrahler ist aus der US-PS 36 24 655 und aus» Electronics and Communications in Japan«, Vol. 54-B, Nr. 9, 1971, Seiten 57 bis 63, bekannt. Bei solchen Hornantennen besteht das Problem, über die gesamte Breite der Strahlungskeule die Zirkularpolarisation so gut wie möglich aufrecht zu erhallen. Dies gelingt bei den bekannten Antennen dieser Art jedoch nur sehr unvollkommen. Vielmehr geht die abgestrahlte Welle zum Rand des Strahlungsdiagranimes in zunehmendem Maße in eine elliptisch polarisierte Welle über. Auch wenn bei der bekannten Antenne durch die Anbringung des konischen Bandes das Achsverhältnis gegenüber Antennen, die einen solchen Ring nicht aufweisen, verbessert werden konnte, so kann doch das Verhalten der bekannten Antenne noch nicht als befriedigend angesehen werden.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Achsverhältnis der von der Antenne erzeugten, zirkularpolarisierten Welle außerhalb der Strahlachse zu verbessern, d. h. möglichst wenig von dem Wert 1 abweichend zu machen, und zwar in einem gegenüber der bekannten Antenne vergrößerten Frequenzband.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß innerhalb des ersten konischen Bandes ein zweites konisches Band angeordnet ist, das ebenfalls aus einem dielektrischen Werkstoff besteht, an der Innenseite des ersten konischen Bandes dicht anliegt und eine geringere Länge aufweist als das erste konische Band.

Neben der angestrebten Verminderung der Elliptizität der zirkularpolarisierten Welle außerhalb der Strahlachse in einem vergrößerten Frequenzband wird durch die Anwendung der Erfindung auch zugleich eine Verbesserung der Impedanzanpassung in einem großen Frequenzband erzielt. Die geringe Elliptiznät der erzeugten Wellen hat auch zur Folge, daß in dem Hornstrahler angeregte, zirkularpolarisierte Wellen mit entgegengesetztem Drehsinn in hohem Maße entkoppelt sind.

Bv'i der erfindungsgemäßen Antenne ist vorzugsweise die Länge des ersten konischen Bandes gleich der ganzen Wellenlänge und die Länge des zweiten konischen Bandes gleich der halben Wellenlänge des Grundwellentyps im Hornstrahler, und es ist das zweite Band zu dem ersten Band zentrisch angeordnet

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 teilweise in Seitenansicht und teilweise im 2u Längsschnitt einen konischen Hornstrahler nach der Erfindung,

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

Fig. 3 ein Diagramm der Achsverhältnisse bei bekannten konischen Hornslrahlern und bei dem erfindungsgemäßen Hornstrahler nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Antenne 10 umfaßt eine jo Polansator-Verzweigung 12, an die ein konischer Hornstrahler 14 angeschlossen ist, in dem sich die Einrichtung 16 zur Anregung höherer Wellentypen befindet. Die Polarisator-Verzweigung 12 empfängt zwei zueinander senkrechte, linear polarisierte Signale an zwei Eingängen 18 und 19. Sie erzeug! ihrerseits in Abhängigkeit von den beiden Eingangssignalen zwei zirkulär polarisierte Signale mit einander entgegengesetztem Drehsinn. Beispielsweise kann das erste Eingangssignal in ein im Uhrzeigersinn umlaufendes

»o 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 Viertclwellen-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 ein/einen

j» beschrieben zu werden. Statt dessen kann auch jede andere Methode zur Erzeugung einer Zirkularpolarisation ausgehend von einem linear polarisierten Signa! verwendet werden.

Der Ausgang der Polarisator-Verzweigung 12 wird

'Λ von einem im Querschnitt kreisförmigen Hohlleiter gebildet, an den sich der Eingang des Hornstrahler 14 anschließt. Dieser Eingang des Hornstrahler wird auch als Halsabschnitt 21 bezeichnet. Der Halsabschnitt 21 hat bei einer 4 GHz-Antenne einen Durchmesser von

ho 7,25 cm. An den Halsabschnitt 21 schließt sich ein konischer Abschnitt 22 an.

Der konische Abschnitt 22 kann einen öffnungswinkel von 107° aufweisen und eine längs der Wandung gemessene Länge von 52,5 cm haben. Der Öffnungswin-

h5 kel ist durch verschiedene Faktoren bestimmt, einschließlich der Mittenfrequenz des Arbeits-Frequenzbereiches. Die öffnung 2.3 des Hornstrahler 14 hat einen Durchmesser von 26,5 cm. Zur Herstellung des Horn-

Strahlers 14 kann jedes geeignete Material verwendet werden. Für die Anwendung im Raum ist ein Material mit geringem Gewicht besonders geeignet, wie beispielsweise ein mit Glasfasern verstärkter Kunststoff (Fiberglas). In diesem Fall ist die Innenfläche des Hornstrahlers mit einer reflektierenden Beschichtung wie beispielsweise Silber oder Alurr nium versehen. 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 Ϊ6 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 Hornstrahiers 14 befestigt. Die Länge des äußeren dielektrischen Bandes 25 beträgt etwa eine Wellenlange 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 aus jedem dielektrischen Material bestehen, dessen Dielektrizitätskonstante ausreichend groß ist. wie beispielsweise einem warmaushärtenden vernetzten Styrol-Copolymer. Ein solches, unter Wärme aushärtendes Copolymer, das eine Dielektrizitätskonstante von 2,6 aufweist, wurde mit Erfolg in mehreren Antennen für den 4GHz- und den 6 GHz-Bereich jo eingesetzt.

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 Hornstrahlers 14 wird allgemein empirisch bestimmt und ist von der Länge des Hornstrahlers 14. der 4ί Mittenfrequenz und dem Öffnungswinkel abhängig. Die Stellung wird so gewählt, daß der Grundwellcntyp und die höheren Wellentvpen, die sich in dem Hornstrahler 14 ausbreiten, sich an dessen Öffnung gleichphasig addieren. Es wurde gefunden, daß bei einem I lornstrah- >.: ler 14 für ein Signal von 4GHz die Einrichtung 16 in einer Entfernung von etwa 0.42 Wellenlängen bei der interessierenden Frequenz vom Halsabschnitt 21 des Hornstrahlers 14 entfernt war.

Die Vektor-Diagramme nach F i g. 2 veranschauli- v, chen die Wellentypen, die sich in dein Hornstrahler 14 ausbreiten. F i g. 2a veranschaulicht zwei Grundwellentypen, nämlich eine rechtsdrehend zirkularpolarisierte Welle und eine linksdrehend zirkularpokrisierte Welle des TEii-Wellentyps. Die Grundwellentypen werden in bo den Halsabschnitt 21 des Hornstrahlers eingeleitet und durchlaufen den Hornstrahler 14 bis zur Öffnung 23. F i g. 2b zeigt einen von mehreren Wellentypen höherer Ordnung, nämlich dem TMn-Wellertyp, der von dem TEn-Wellentyp angeregt wird, wenn dieser die b^r, Einrichtung 16 zur Anregung höherer Wellentypen durchläuft. F i g. 2b veranschaulicht sowohl die rechtsdrehend als auch die linksdrehend zirkularpolarisierten Wellentypen höherer Ordnung. Während die Grundwel-Ien und die höheren Wellentypen den konischen Abschnitt 22 von der Einrichtung 16 aus durchlaufen, führen sie eine Drehung aus. In der Öffnung 23 sind die Grundwellen und die höheren Wellentypen in Phase, so daß sich ihre Felder 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 Az^;mut oder in der Elevation um 8,5° verschwenkt, um die Eigenschaften einer sich im Raum befindenden Satelliten-Antenne außerhalb der Strahlachse 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 der 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 empfangnes lineares Signal zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert variiert. Auf diese Weise kann das Achsverhältnis bestimmt werden. Die Eigenschaften verschiedener Hornstrahler sind in F i g. 3 veranschaulicht.

In F i g. 3a ist das Achsverhältnis eines Hornstrahlers dargestellt. Die Abszisse entspricht der Frequenz, die von 3,7 GHz bis 4,2GHz variiert wird, während die Ordinate das Leistungsverhältnis in db angibt. 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 Einrichtung zum Anregen höherer Wellentypen aufweist, etwa 1,5 db beträgt.

F i g. 3b zeigt das Achsverhältnis eines Hornstrahlers, der nach dem eingangs genannten Stand der Technik eine Einrichtung zum Anregen höherer Wellentypen in Form eines einzigen dielektrischen Bandes enthält. Das für diesen Versuch verwendete dielektrische Band war aus dem oben erwähnten Styrol-Copolymer hergestellt. Es ist ersichtlich, daß die Elliptizität gegenüber der Antenne ohne Einrichtung zum Anregen höherer Welientypen 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 Hornstrahlers nach der Erfindung 0,7 db. Dabei wird eine Entkopplung zwischen den beiden orthogonalen

Eingangssignalen von mehr als — 30 db über einer erhöhten Bandbreite von 12% erzielt. Bei einer Bandbreite von 5% beträgt die Entkopplung — 40 db. Das Spannungs-Stehwelienverhältnis am Eingang des Hornstrahlers ist besser als 1,08 :1.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Konischer Hornstrahler, der mit Einrichtungen zum Einspeisen zirkularpolarisierter Wellen in einem Grundwellentyp versehen ist und ein im Bereich seiner Mitte angeordnetes, an seiner Innenseite dicht anliegendes erstes konisches Band aus einem dielektrischen Werkstoff aufweist, das die Anregung von Wellentypen höherer Ordnung bewirkt, die in der Öffnung des Homes mit dem Grundwellentyp gleichphasig sind, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des ersten konischen Bandes (25) ein zweites konisches Band (26) angeordnet ist, das ebenfalls aus einem dielektrischen Werkstoff besteht, an der Innenseite des ersten konischen Bandes (25) dicht anliegt und eine geringere Länge aufweist als das erste konische Band.

2. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des ersten konischen Bandes (25) gleich der ganzen Wellenlänge und die Länge des zweiten konischen Bandes (26) gleich der halben Wellenlänge des Grundwellentyps im Hornstrahler (14) ist und das zweite Band (26) zu dem ersten Rand (25) zentrisch angeordnet ist.