DE2736758A1

DE2736758A1 - Hornantenne fuer zirkularpolarisierte wellen

Info

Publication number: DE2736758A1
Application number: DE19772736758
Authority: DE
Inventors: Timothy A Crail; Mon Nom Wong
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1976-09-24
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1978-03-30
Also published as: US4141013A; DE2736758C2; FR2365892B1; FR2365892A1; JPS576283B2; GB1532390A; JPS5340254A

Description

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Anmelderin: Stuttgart, den 11. August 1977

Hughes Aircraft Company P 34-10 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

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

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Hornantenne für zirkularpolarisierte Wellen

Hornantennen für zirkulajbpolarisierte Wellen sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Das gleiche gilt für Zikularpolarisatoren und Kreuzpolarisations-Dämpfungsglieder_o Diese Mikrowellen-Bauteile waren bisher voneinander getrennte Einheiten, die in Serie miteinander verbunden wurden. Die Hornantennen, die für den nachrichtenverkehr mit Satelliten verwendet werden, können beispielsweise einen kreisförmigen, quadratischen oder

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sonstigen gleichseitigen Querschnitt haben. Bisher hatten Hornantennen nur die Funktion, zikularpolarisierte Wellen abzustrahlen oder zu empfangen«

Ein Zirkularpolarisator, der gewöhnlich unmittelbar dem Eingang einer Hornantenne vorgeschaltet ist, erteilt der zunächst linearpolarisierten, auszusendenden Welle eine Drehung oder Zikularpolarisation. Solche Polarisatoren bestehen gewöhnlich aus einer Viertelwellenplatte oder einem 90°-Phasenschieber, die bzw. der in einem Hohlleiterabschnitt mit zylindrischem oder quadratischem Querschnitt angeordnet ist. Das Viertelwellenplättchen kann aus einem dielektrischen oder leitenden Material bestehen. Eine andere Methode zur Erzeugung einer Zirkularpolarisation besteht in der Anwendung von leitenden Platten innerhalb eines zylindrischen oder quadratischen Hohlleiterabschnittes·

Es sind auch Dämpfungsglieder allgemein bekannt, die zur Reduzierung der Amplitude kreuzpolarieierter Wellen in einer Antenne dienen. Die Dämpfungsglieder sind gewöhnlich zwischen dem Polarisator und einer Diplex-Anordnung zum Senden und Empfangen von Mikrowellenenergie angeordnet. Bekannte Dämpfungsglieder umfassen einen Hohlleiterabschnitt, in dem sich ein keilförmiges Widerstandselement befindet. Die Spitze des Keiles ist auf die öffnung der Hornantenne gerichtet, d.h. in die Richtung, aus der unerwünschte Energie eintrifft. Die Ebene des Keiles liegt parallel zum Ε-Vektor der kreuzlinearpolarisierten Welle. Der in dieser Weise orientierte

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Keil iat für eine dazu senkrechte Eingangswelle durchlässig, bildet jedoch einen Widerstand für eine dazu parallele, kreuzpolarisierte Welle, 30 daß kreuzpolarisierte Signale gedämpft werden» Andere Methoden zur Heduzierung der Kreuzkomponenten linear-polarisierter Wellen umfassen die Anwendung von Serien-Parallel-Verzweigungen, beispielsweise einem magischen T.

Eine andere Methode zur Erzeugung zirkularpolarisxerter Wellen aus einer linearen Welle besteht in der Anordnung eines äußeren Netzes oder Gitters unmittelbar vor der öffnung der Hornantenne, die linearpolarisierte Wellen abstrahlt. Das Netz oder Gitter besteht aus einer Anzahl leitender Streifen oder Bänder, die unter einem Winkel von 4-5° zur Ausrichtung der linearpolarisierten Wellen angeordnet sind. Diese Streifen oder Bänder erzeugen aus zwei orthogonalen Signalen, die von der Hornantenne abgestrahlt werden, links- und rechtsdrehende zirkularpolarisierte Wellen. Bei einer solchen Anordnung kann ein Dämpfungsglied nicht benutzt werden, da die von der Antenne abgestrahlten oder empfangenen Signale linearpolarisiert sind und ein Dämpfungsglied, wie es oben beschrieben wurde, eines dieser Signale vollständig eliminieren würde.

Der Hauptnachteil des oben beschriebenen Systems, bei dem die Hornantenne, der Zirkularpolarisator und das Dämpfungsglied voneinander getrennte Bauteile bilden,

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besteht offensichtlich in der Länge und dem Gewicht einer aolchen Kombination. Gewicht und Länge machen die bekannten Anordnungen für die Anwendung zur Nachrichtenübertragung von Satelliten ungeeignet. Beispielsweise hat eine Hornantenne, die für Nachrichtenverbindungen mit Satelliten benutzt wird und im Frequenzband von 3»7 bis 4-,2 GHz arbeitet, eine Länge von etwa 10 cm. Der Polarisator hat eine Länge von etwa 20 cm und das Dämpfungsglied eine Länge von etwa 25 cm. Der Hohlleiter-Übergang vom Sender-Empfänger zum Eingang des Dämpfungsgliedes ist etwa 7»5 cm lang. Demnach hat die gesamte Antennenanordnung eine Länge von über 60 cm. Das Gewicht beträgt annähernd 500 g. Es ist offensichtlich, daß die Anwendung getrennter Bauteile für das Antennensystem zu einem großen Platzbedarf führt und bedeutend zum unerwünschten Gewicht eines Nachrichtensatelliten beiträgt, der in eine Umlaufbahn um die Erde gebracht werden soll.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hornantenne für zirkulafcpolarisierte Wellen zu schaffen, die unmittelbar mit linearpolarisierten Wellen gespeist werden kann und nicht die Anwendung getrennter Polarisatoren und Dämpfungsglieder erfordert.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß sich an einen Eingangsabschnitt, der einen Anschluß zum Zuführen einer linearpolarisierten Welle besitzt, die einen in einer ersten Richtung orientierten Vektor aufweist und sich in einer ersten Richtung fortpflanzt, ein

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Hornabschnitt mit vorbestimmtem Öffnungswinkel zum Senden und Empfangen zirkularpolarisierter Wellen vorbestimmter Frequenz anschließt und sich in dem Hornabschnitt eine Blendenanordnung befindet, die der linearpolarisierten Welle eine Zirkularpolarisation mit vorbestimmtem Drehsinn erteilt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Eingangeabschnitt einen gestuften Leitungatransformator umfassen, in dem sich ein gestuftes Dämpfungsglied befindet, das einer Welle, deren Vektor zum ersten Vektor senkrecht steht, eine zunehmende Dämpfung erteilt und aus einer Anzahl leitender Stufenpaare besteht.

Die erfindungsgemäße Antenne zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau, hohe Zuverlässigkeit und geringen Platzbedarf aus und erfüllt damit alle Forderungen, die an eine für den Einsatz auf Satelliten bestimmte Antenne gestellt werden müssen·

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu ent-

nehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig· 1 eine perspektivische Darstellung einer Hornantenne nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Hornantenne nach Fig. 1_t

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Fig. 3 «ine Vorderansicht der Hornantenne nach FiR. 1, Fig. 4 eine Rückansicht der Hornantenne nach Fig. 1,

Fig. 5 Diagramme, welche die Vektoren von sich in der Antenne ausbreitenden Wellen veranschaulichen und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Dämpfung des gestuften Dämpfungsgliedes der Hornantenne nach Fig. 1 ve rans c haulicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Antenne 10 weist eine Eingangsöffnung 11 auf, die sich an einem Ubergangsabschnitt 12 befindet, der seinerseits an einen sich aufweitenden Hornabschnitt 13 angeschlossen ist. In dem Ubergangaabschnitt ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, eine gestufte Dämpfungsplatte 14 angeordnet. Der Hornabschnitt 13 enthält fünf Reaktanzen bildende Blendenpaare, die in diesem Fall als Paare leitender Platten 15& und 1513» 16a und 16b, 17a und 17b, 10a und 18b sowie 19a und 19b ausgebildet sind, weiche an einander gegenüberliegenden Kanten des Hornabschnittes angebracht sind. Diese Platten bilden einen ZirkularpoJLarisator 20.

Wie der in Fig. 2 dargestellte Längsschnitt durch die Hornantenne 10 mehr im einzelnen zeigt, befindet sich die Dämpfungsplatte 14 im Bereich des Übergangsabschnittes Die Dämpfungsplatte 14 ist eben und hat eine Dicke von etwa 0,8 mm. Die Kante der Platte, welche der üingangsöffnung 11 zugewandt ist, ist geradlinig, wogegen die

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der Apertur der Homantenne 10 zugewandte Kante vier Stufenpaare aufweist. Die Stufung dient der Impedanzanpassung und der graduellen Absorption kreuzpolarisierter Signale, welche auf die Platte 14 einfallen. Jede Stufe hat in der Ausbreitungsrichtung der Welle eine Länge, die etwa einem Achtel der Wellenlänge gleich ist. Je nach der geforderten Güte der Impedanzanpassung und dem Ausmaß der gewünschten Dämpfung können mehr oder weniger Stufen in der Dämpfungsplatte 14 vorgesehen werden. Die Gesamtlänge der Dämpfungsplatte in Richtung der Wellenausbreitung ist kleiner als eine Wellenlänge. Die Dämpfungsplatte 14 kann aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen und an einer Seite mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen sein. Das leitende Material kann im Vakuum in solcher V/eise aufgebracht sein, daß die Beschichtung einen schlechten Leiter bildet, so daß sie für eine Welle, die parallel zur Ebene der Platte verläuft, einen hohen Y/iderstand bildet. Die einfallende parallele Welle trifft zunächst auf das erste Stufenpaar, so daß ein Teil der Energie dieser Welle in einen HF-Strom umgesetzt wird, der an der Oberfläche der metallisierten Dämpfungsplatte 14 entlangfließt. Da die Metallisierung einen nur schlechten Leiter bildet, treffen die HF-Ströme auf einen hohen Widerstand, der bewirkt, daß die Energie in Wärme umgesetzt wird, die dann von den Seiten der Hornantenne abgestrahlt werden kann. Je weiter sich die Welle in Richtung der Dämpfungsplatte 14 fortpflanzt, je mehr wird Energie absorbiert, ohne daß ein nennenswerter

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Betrag der Energie in den Hornabschnitt 13 der Antenne reflektiert wird. Nachdem die kre.izpolarisierte Welle die Dämpfungaplatte 14 durchlaufen hat, trifft sie auf einen Teil des Ubergangsabschnittes 12, dessen Querschnitt eine Grenzfrequenz aufweist, die über der Frequenz der kreuzpolarisierten V/elle liegt. An dieser Stelle wird die Welle zurück über die Dämpfungsplatte reflektiert, welche die reflektierte Welle weiter dämpft, Eg ist erkennbar, daß die kreuzpolarisierte Welle auf der geringen Länge der Dämpfungsplatte zweimal gedämpft wird. Versuche haben gezeigt, daß ohne einen unter der Grenzfrequenz liegenden Querschnitt an einem Ende der Dämpfungsplatte reflektierte Energie an der öffnung des Hornabachnittes 13 gemessen werden konnte. Durch Anordnung eines unterhalb der Grenzfrequenz liegenden Querschnittes an einer Seite der Dämpfungsplatte 14 konnte die Energie der reflektierten, kreuzpolarisierten Welle wesentlich reduziert werden.

Jedes Paar der Blenden oder leitenden Platten des Zirkularpolarisators 20, der sich im Hornabschnitt 13 befindet, erteilt einer jedes Blendenpaar passierenden linearpolarisierten Welle eine Drehung oder Zirkularpolarisation. Wie leicht erkennbar, bilden die Ränder der Platten einen Winkel von 45° mit dem Ε-Vektor der einfallenden linearpolarisierten Welle und verursachen eine solche Störung im Weg einer sich fortpflanzenden Welle, daß eine Komponente der Vektoren der linearpolarisierten Welle verzögert und die andere Komponente

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beschleunigt wird. Die Platten sind in einander gegenüberliegenden Ecken des Hornabschnittes 13 angeordnet und haben einen Abstand, der etwa gleich einem Viertel der Wellenlänge ist. Aus der Zeichnung geht hervor, daß der Abstand zwischen den Platten nicht gleichförmig ist. Diese Tatsache ist auf andere Parameter zurückzuführen, beispielsweise auf den öffnungswinkel des Homabschnittes und die Erfordernisse der Impedanzanpassung. Die Strecke, um welche jede Platte in den Hornabschnitt hineinragt, ist durch die Frequenzen, den öffnungswinkel des Homabschnittes und die Impedanz bestimmt. Das erste Plattenpaar 15a, 1i?b ist nahe dem Eingang des Ilornabschnittes 13 angeordnet. Das letzte Plattenpaar 19a, 19b befindet sich etwa im Abstand eines Viertels einer Wellenlänge von der Apertur· Die benutzte Anzahl der Platten hängt von der Bandbreite der benutzten Signale ab. Bei einer sehr kleinen Bandbreite kann ein einziges Plattenpaar ausreichen, während für eine Bandbreite von 3,7 bis 4,2 GHz fünf Plattenpaare benötigt werden· Wie unten im Detail beschrieben, verzögert jedes Plattenpaar die IL-Komponente und beschleunigt die Ep-Komponente einer linearen Welle in einem bestimmten Frequenzband, Demgemäß erteilt jedes Plattenpaar bei , ausgewählten Frequenzen eine Zirkularpolarisation· Ea können auch andere Reaktanzen bildende Elemente innerhalb des Homabschnittes 13 zur Erzeugung von zirkularpolarisierten Ϋ/ellen benutzt werden, wie beispielsweise ein Viertelwellenplättchen, ein rein induktives oder ein rein kapazitives Element·

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Die in Fig. 3 dargestellte Draufsicht auf die Apertur der Hornantenne 10 läßt die in den Hornquerschnitt hineinragenden leitenden Platten erkennen.» Wie oben erwähnt, hängt der Betrag, um den die Platten vorspringen, von mehreren Parametern ab. beispielsweise kann eine geringere Anzahl Platten benutzt werden, wenn diese Platten tiefer in das Horn hineinragen, während bei Anwendung einer größeren Anzahl Platten weniger tief eindringende Platten benutzt werden können. Die Form der einzelnen Platten ist nicht auf ein Dreieck beschränkt, sondern es können auch andere Formen benutzt werden, v/eiche bei den benutzten Frequenzen die gewünschte Zirkularpolarisation bewirken.

Fig. 4 zeigt die Hornantenne 10 vom Eingangsende des Ubergangsabschnittes 12 her. Die linearpolarisierte Eingangswelle ist durch den Vektor E charakterisiert. Wenn diese V/elle in den Übergangs abschnitt 12 eindringt, ist die Dämpfungsplatte 14 für diese Welle durchlässig, weil sie im rechten Winkel zum Vektor E steht. Ein kreuzpolarisiertes Signal, das durch den Vektor E gekennzeichnet ist, induziert dagegen in der Dämpfungsplatte einen HF-Strom, der einem hohen Widerstand begegnet, so daß der Strom in Wärme umgesetzt wird, die ihrerseits von den Seiten der Hornantenne 10 abgestrahlt wird.

Wie in Fig. 5a dargestellt, wird der den Polarisator durchlaufende Ε-Vektor in die Komponenten E und E zerlegt. Der Ε-Vektor bildet mit den Rändern der Platten oder Blenden einen Winkel von 45°. Fig. 5b veranschaulicht

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die Amplitude der beiden Vektorkomponenten E und E₀ in Abhängigkeit von der Zeit, wenn die Welle von der Apertur der Hornantenne 10 abgestrahlt wird. Bei 0° ist die Vektorkomponente E~ als Ergebnis der Einwirkung des Polarisators 20 auf die lineare Vielle voreilend, während die Vektorkomponente E^ verzögert ist. Demnach ist bei die Vektorkomponente E_x. gegenüber der Vektorkomponente Ep als Wirkung der Blenden im Hornabschnitt 13 nacheilend.

Wie aus Fig. 5c ersichtlich, besteht der resultierende Vektor Eg, der von der Hornantenne 10 abgestrahlt wird, aus den Komponenten E und E₀ Dieser resultierende Vektor E^ führt eine zeitliche liechtsdrehung aus, ist also rechtsdrehend zirkularpolarisiert· Ein linkedrehend zirkularpolarisiertes Signal kann erzeugt werden, indem ein linearpolarisiertes Eingangssignal verwendet wird, das zu dem vorstehend behandelten Eingangssignal senkrecht steht.

Fig. 6 veranschaulicht die Dämpfung der gestuften Dämpfungsplatte 14 in db über ein Frequenzband von 5»9 bis 6,4- GHz· Eine Dämpfungsplatte für dieses Frequenzband hat in dichtung der Wellenfortpflanzung eine Länge von etwa 3,8 cm, was etwa einer Wellenlänge entspricht. Die in Fig. 6 veranschaulichten Meßergebnisse zeigen, daß eine derart kleine Dämpfungsplatte in dem Frequenzband, für das sie ausgelegt ist, eine erhebliche Dänpfung bewirkt. Wie oben erläutert, wird dieses Ergebnis erzielt, indem die kreuzpolarisierte Welle nach einem erster. Durchlaufen der Dämpfungsplatte und damit nach einer °rcten

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Dämpfung reflektiert und dann ein zweitesmal gedämpft wird, wenn die reflektierte Welle erneut über die Dämpfungsplatte 14 läuft. Bei Versuchen, die ausgeführt wurden, ohne daß an einer Seite der Dämpfungsplatte durch Grenzfrequenz-Bedingungen eine Reflexion hervorgerufen wurde, wurde festgestellt, daß die Dämpfung der Dämpfungsplatte 14 nur etwa halb so groß war wie es das Diagramm nach Fig. 6 zeigt. Wenn eine nach der Erfindung ausgebildete Antenne dazu benutzt wird, sowohl rechts- als auch linksdrehend zirkularpolarisierte Wellen zu erzeugen, darf eine Dämpfungsplatte 14 nicht verwendet werden, weil sie eines der beiden linearpolarisierten Signale absorbieren würde.

Der vorstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles ist zu entnehmen, daß durch die Erfindung eine Hornantenne geschaffen wurde, die sich durch einen geringen Platzbedarf, ein geringes Gewicht und eine hohe Wirksamkeit auszeichnet. Ea wurde eine solche Hornantenne für das Frequenzband von 3»7 bis 4,2 GHz konstruiert, geprüft und für kommerzielle Zwecke in einem Nachrichten-Satelliten installiert. Als Ergebnis der Kombination von Hornstrahler, Polarisator und Dämpfungsglied wurden Einsparungen an kostbarem Gewicht und Raum erzielt. Die gesamte Hornantenne hatte ein Gewicht von knapp 150 g und eine Länge von etwa 15 cm. Die Anwendung einer quadratischen Öffnung ermöglicht es, eine Vielzahl quadratischer Hornantennen in dicht gepackten Gruppen anzuordnen, so daß der gesamte verfügbare Raum vollkommen ausgenutzt wird, was nicht der Fall

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wäre, wenn statt dessen konische Hornantennen benutzt würden. Die Vergrößerung der Fläche bei einem quadratischen Horn gegenüber einem konischen Horn macht es möglich, die Antennen mit einer größeren Ausgangsleistung zu betreiben·

Obwohl die Erfindung anhand einer speziellen Ausführungsform erläutert wurde, versteht es sich, daß Hornantennen nach der Erfindung in vielfacher V/eise von diesem Ausführungsbeispiel abweichen können.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1./Hornantenne für zirkularpolarisierte Wellen, " dadurch gekennzeichnet, daß sich an einen Eingangsabschnitt (12), der einen Anschluß (11) zum Zuführen einer linearpolarisierten Welle besitzt, die einen in einer ersten Richtung orientierten Vektor aufweist und sich in einer ersten Richtung fortpflanzt, ein Hornabschnitt (13) mit vorbestimmtem öffnungswinkel zum Senden und Empfangen zirkularpolarisierter Wellen vorbestimmter Frequenz anschließt und sich in dem Hornabschnitt (13) eine Blendenanordnung (15, 16, 17» 18, 19) befindet, die der linearpolarisierten Welle eine Zirkularpolarisation mit vorbestimmtem Drehsinn erteilt.

2. Hornantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsabschnitt (12) einen gestuften Leitungstransformator umfaßt, in dem sich ein gestuftes Dämpfungsglied (14) befindet, das einer Welle, deren Vektor zum ersten Vektor senkrecht steht, eine zunehmende Dämpfung erteilt und aus einer Anzahl leitender Stufenpaare besteht. '

3· Hornantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornabschnitt (13) einen quadratischen Querschnitt aufweist und der gestufte Leitungstransformator ein an einem Ende rechteckiger und am anderen Ende quadratischer Hohlleiter ist, zwischen dessen Enden sich mehrere Stufen befinden.

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4. Hornantenne nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die stufen des Leitungstransformators eine Länge von etwa einem Viertel der Wellenlänge haben.

5. Hornantenne nach Anspruch 1 oder <?, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornabüchnitt konisch ausgebildet ist.

6. Hornantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenanordnung mehrere leitende Platten (z.B. 19^, 19b) umfaßt, die um 180° zueinander versetzt und unter 45° zur Hichtung des Vektors der ersten Welle angeordnet sind.

7. Hornantenne nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gestufte Dämpfungsglied (I4)aus einer leitenden Schicht eines Materials mit geringer Leitfähigkeit besteht, in dem eine zweite Welle, deren Vektor zum Vektor der ersten Welle senkrecht steht, Ströme induziert»

8. Hornantenne nach einem der Ansprüche 2 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenpaare des Dämpfungsgliedes (14) derart orientiert sind, daß eine in zur Fortpflanzungsrichtung der ersten Welle sich entgegengesetzt fortpflanzende zweite Welle in zunehmendem Maße gedämpft wird.

9. Hornantenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Rand des Dämpfungsgliedes (14) Grenzfrequenz-Heflektoren für die zweite Welle angeordnet sind, welche die zweite Welle zur weiteren Dämpfung über das Dämpfungsglied (^) reflektieren.

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