DE3325080A1

DE3325080A1 - Rillenhornstrahler

Info

Publication number: DE3325080A1
Application number: DE19833325080
Authority: DE
Inventors: Ching Fai Tujunga Calif. Cho
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1982-07-14
Filing date: 1983-07-12
Publication date: 1984-02-16
Also published as: US4477816A; GB2123613B; JPS5923903A; GB2123613A; GB8316313D0; JPH0121641B2

Description

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Ri llenhornstrahLer

Die Erfindung betrifft einen RiLLenhornstrahLer für elektromagnetische Welten wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Solche RiI lenhornstrahler werden insbesondere für Mikrowellenantennen, die aus einem Reflektor, der von einem Hornstrahler angestrahlt wird, bestehen, benötigt.

Die Kombination eines parabolischen oder teilweise parabolischen Reflektors mit einem Hornstrahler wird bei Radarantennen bereits seit langem angewandt. Damit ist es möglich, im Raum sehr stark gebündelte Strahlungsdiagramme zu erzielen. Dementsprechend ist auch eine ausführliche technische Literatur vorhanden. In dem Buch "Antenna Engineering Handbook" von Henry Jasik, McGraw-Hill Verlag, 1961, ist ein überb Iick entha Iten. Ein Kapitel 25 "Radar Antennas",(insbesondere Abschnitt 25.2)befaßt sich mit Radarantennen. Hornstrahler an sich sind in Kapitel 10 beschrieben. Diese Beschreibung und die dort zitierten Li teraturstel len geben einen recht vollständigen überblick über den Stand der Technik.

Für Strahlungsdiagramme von Reflektorantennen mit Rillenhornstrah Iern ist es zur Erzielung von sehr niedrigen Nebenkeulen besonders wichtig, daß das Strahlungsdiagramm

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07.07.1983

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des RiLLenhornstrahlers den vorgegebenen Verlauf hat. NebenkeuLen in kleinem Winkel in Bezug auf die Senkrechte der Antennenapertur sind sehr empfindlich hinsichtlich des Strahlungsdiagramms des Ri I lenhornstrah lers im Bereich von der Diagrammspitze (0 dB) bis zum Bereich von ungefähr -10 dB. In größeren Winkeln hängt der NebenkeuLenpegel vorwiegend von der Energie, die an dem Reflektor vorbeistrahlt, ab. Es ist zwar mögIich,diese Vorbei strah lenergie durch eine Vergrößerung des Reflektors zu vermindern, jedoch ist diese Lösung relativ schlecht, da sie eine Zunahme der Größe und des Gewichts bedingt.

Bei dem neuen RiIlenhornstrah ler ist es möglich, ein Strahlungsdiagramm zu erhalten, das sehr stark mit dem Winkel abfällt und das die gewünschte Reflektorausleuchtung gewährleistet.

Die neue Lösung ist relativ einfach und preiswert, vor allem wenn man sie mit der Alternative "zunehmende Reflektorgröße" vergleicht. Bei dem neuen Rillenhornstrahler ist das Strahlungsdiagramm so gewählt, daß es beim Pegel unterhalb -10 dB sehr stark mit dem Winkel abfällt und daß es außerdem in dem Bereich 0 dB bis - 10 dB optimiert ist. Bei dem neuen Rillenhornstrahler, der einen großen öffnungswinkel aufweist, ist in der Nähe der speiseseitigen öffnung des Ri I lenhornstrahlers ein Teil ohne Rillen vorhanden. Bei ihm ist es möglich, das Strahlungsdiagramm in dem Bereich -10 dB und das Strahlungsdiagramm in dem Bereich 0 bis -10 dB im wesentlichen voneinander unabhängig ei nzuste I len.

Es ist bekannt, daß das Strahlungsdiagramm bei Rillenhorn-Strahlern unter anderem von dem Winkel θ zwischen der

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Senkrechten auf der Aperturebene und der auf der E-Ebene senkrechten Wand sowie von der Länge dieser Wand abhängig ist. Es wurde erkannt/ daß vom Abstand der beiden Linien auf den beiden Wänden, an denen der TeiL mit RiLLen in einen TeiL ohne RiLLen übergeht, die Form des Strah lungsdiagramms des RiLLenhornstrahLers im Bereich von seiner Achse (O dB) bis zu dem Bereich mit dem PegeL -10 dB bestimmt.

Mit dem neuen RiLLenhornstrahLer ist es aLso möglich, einerseits die BeLeuchtung des RefLektors zu optimieren und andererseits zu vermeiden, daß wesentLiche EnergieanteiLe am RefLektor vorbei strahLen. Der RiLLenhornstrahLer ist somit besonders gut zur BeLeuchtung eines RefLektors geeignet, weiL mit einer soLchen Kombination die NebenkeuLen des gesamten dadurch gebiLdeten Antennensystems niedrig gehalten werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispieLsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kombination bestehend aus Hornstrahler und Reflektor,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des neuen

Ri llenhornstrahlers, und

Fig. 3 die StrahLungsdiagramme für den neuen und für einen bekannten Ri I LenhornstrahLer.

Bei der Antenne nach Fig. 1 wird ein bekannter doppeltgekrümmter RefLektor 10 von einem Hornstrahler 11 ange-

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strahlt. Der Hornstrahler 11 wird von einer Speiseeinrichtung 12 gespeist. Die größte Ausdehnung des Reflektors 10 liegt in der Azimutebene Der Schnitt des Reflektors mit einer Ebene in der Azimutebene im Bereich der Mitte des Reflektors 10 hat einen ungefähr parabolischen Verlauf. Der Querschnitt des Reflektors in der vertikalen Ebene hat eine davon unterschiedliche Form; damit erreicht man, daß die Abstrahlung von Energie unter niedrigen Winkeln reduziert wird oder/und daß man ein sogenanntes Cosekantförmiges Strahlungsdiagramm bei größeren Winkeln in der Eva lationsebene erhält. Bei der neuen Einrichtung wird zunächst davon ausgegangen, daß man das Strahlungsdiagramm in der Azimutebene in die gewünschte Form bringt; es ist jedoch möglich, daß man das gesamte System um 90 um die Antennenachse dreht, so daß die beschriebenen Eigenschaften dann in der Vertikalebene vorhanden sind.

Zur Vereinfachung wird bei der weiteren Beschreibung nur auf das Strahlungsdiagramm in der Azimutebene eingegangen.

Bei der Fig. 1 stellt 13 die Achse auf der Apertur der aus RiIlenhornstrahlers und Reflektor bestehenden Kombination dar und in der Fig. 1 und der Fig. 2 stellt 13a die Achse (0 dB- Richtung) auf der Aperturebene des Rillenhornstrahlers dar. In dieser Richtung hat das Strahlungsdiagramm (Fig. 3) für den Ri I lenhornstrah Ier sein Maximum.

Anhand der Fig. 2 wird der neue Ri I lenhornstrah ler 11 näher erläutert. Bei dem Ausführungsbeispiel liegt die größte Dimension der Apertur des Ri I lenhornstrah lers 11 parallel zur Ε-Ebene, d. h. bei der Beschreibung wird eine horizontale

Ebene angenommen.

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Der in der Fig. 2 dargestellte Hörnst rah ler hat zwei gegenüberliegende Wände 16 und 17, die als RiL lenhornstrahler ausgebildet sind, und weiterhin zwei gegenüberliegende Wände 20 und 21, die keine Rillen aufweisen. Es ist möglieh,die Wände 20 und 21 so zu wählen, daß sie zueinander parallel sind. Bei einer Kombination mit einem Reflektor wie in der Fig. 1 dargestellt ist es jedoch häufig der Fall, daß die Wände 20 und 21 ebenfalls etwas gegeneinander geneigt sind,um die gewünschte Beleuchtung des Reflektors 10 in der Ebene senkrecht zur Ε-Ebene zu erzielen. Es ist weiterhin möglich, auch in den Wänden 20 und 21 Rillen vorzusehen, was in speziellen Anwendungsfällen (z. B. wenn eine zirkuläre Polarisation oder ein Umschalten der Polarisation der abzustrahlenden Strahlung erwünscht ist) von Vorteil ist. Darauf wird hier jedoch nicht mehr eingegangen, da es für den Fachmann verständlich ist, die neue Antenne, nachdem ihr Prinzip verstanden ist, mit verschiedenen anderen Varianten zu kombinieren.

Der Winkel θ zwischen einer Wand, in der Rillen vorhanden sind, und der Senkrechten auf der Aperturebene (gleich dem halben öffnungswinkel des Hornstrahlers) ist in der Fig. an zwei Stellen angegeben. Die Länge L und die Tiefe d der Rillen sind in der Fig. 2 ebenfalls eingezeichnet; weiterhin ist der Abstand 15 zwischen den Mitten der Rillen über den Bereich mit der Länge L angegeben.

Die Verbindung des Rillenhornstrahlers mit der Speisequelle 12 erfolgt über einen Flansch 24. Diese mechanische Kopplung mit der Speisequelle hat mit dem Prinzip der neuen Einrichtung nichts zu tun. Es ist eine Schnittstelle des

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HohLLeiters mit dem RiLLenhornstrah Ler vorhanden und diese Schnittstelle wird nachfolgend als speiseseitige öffnung des RiIlenhornstrah lers bezeichnet. Die Abmessung der speiseseitigen öffnung parallel zur Ε-Ebene, in der Fig. 2 mit 14 gekennzeichnet, ist gleich der Abmessung der Schmalseite des Hohlleiters. Die Bereiche der Wände 18 und 19, in denen keine Rillen vorhanden sind, haben jeweils die Länge L¹. Die Rillen beginnen in den Wänden jeweils an der Aperturebene und reichen dann bis zu dem Bereich der Wände, in dem keine Rillen vorhanden sind, nämlich den Bereichen 18 und 19. Der Übergang von dem Bereich mit Rillen in den Bereich ohne Rillen erfolgt an der Schnittlinie einer Ebene, die senkrecht zu der Achse 13a und senkrecht zu der Ebene ist, mit den Wänden 16 bzw. Die Abmessung dieser Ebene zwischen den beiden Schnittlinien ist b. Die Ebene und somit auch die Länge b sind paral Lei zu 14.

Es wurde experimentell ermittelt, daß für θ > sin (—r -),

der nutzbare Hauptanteil des Strahlungsdiagramms des Rillenhorn-Strahlers vorwiegend durch die Abmessung b bestimmt ist, die offensichtlich eine Abmessung der Apertur des Teils des Hörnstrah lers ohne Rillen (nämlich des Hörnst rah le rs mit den Flächen 18 und 19) ist. Diese Abmessung ist proportional zum Abstand der sogenannten übergangsebene von dem Teil mit Rillen zu dem Teil ohne Rillen zu der speiseseitigen öffnung. Es hat sich gezeigt, daß der Bereich des Strahlungsdiagramms zwischen 0 und -10 dB sehr ähnlich dem Strahlungsdiagramm ist,das man erhält mit einem Hornstrahler mit glatten Wänden, der die Aperturabmessung b und den Winkel θ aufweist. Bei dem neuen

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RiL lenhornstrahLer wird das StrahLungsdiagramm bei PegeLn kLeiner aLs -10 dB (dies entspricht einem Bereich bei größeren WinkeLn in Bezug auf die Hornachse) vorwiegend

durch die Abmessungen d, θ und L, bestimmt, vorausgesetzt, es ist d £ j-, L > 2λ, θ< 80° und daß 6 bis 8 RiLLen pro WeLLen-Länge vorhanden sind. Je kLeiner θ gewähLt ist (soLange,

— 1 0 8 λ bis es nicht kLeiner ist aLs sin (—£—)), oder je größer L gemacht wird, je schneLLer fäLLt das StrahLungsdiagramm unter den -10 dB PegeL aLs Funktion des WinkeLs zwischen der Hornachse und des gerade betrachteten WinkeLs.

Es ist kLar, daß wenn man von PegeLn, wie z. B. -10 dB usw. spricht, daß es sich hier um wiLLkürLiche Bezugspunkte und nicht um exakte Funktionen von WinkeLn im Bezug auf die Hornachse handeLt, obwohL die mathematische Beziehung im aLLgemeinen exakt die Parameter und Bedingungen beschreibt.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 erkennt man, daß der HornstrahLer 11 am oder in der Nähe des Brennpunktes der ParabeLfLäehe des RefLektors 10 in der Ε-Ebene (bei der DarsteLLung ist dies die Azimutebene angeordnet ist. Die ideaLe BeLeuchtungsfunktion für den RefLektor bzw. das ideaLe StrahLungsdiagramm des HornstrahLers ist dann vorhanden, wenn man die gewünschte BeLeuchtung des RefLektors erhäLt, d. h. im Bereich ausgehend von der Hornachse bis zu den Kanten des RefLektors 10 einheitLich für einen hohen Antennengewinn oder gaußförmig oder cosinusquadratförmig, wenn niedrige NebenkeuLen erwünscht sind,und stark auf NuLL abfaLLend bei größeren WinkeLn. Ein soLches StrahLungsdiagramm ist gLeichbedeutend zu der Aufgabe

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"NebenkeuLen = NuLL" und keine an dem RefLektor vorbeigestrahLte Energie. Ein soLches ideaLes StrahLungsdiagramm zur ideaLen BeLeuchtung des RefLektors ist in der Praxis nicht mögLich. Mit der neuen Einrichtung werden jedoch wesentLiche Verbesserungen erzieLt, die anhand der Fig. erLäutert werden.

In der Fig. 3 ist ein StrahLungsdiagramm mit 22 bezeichnet, bei dem die Dimension b empirisch ungefähr gLeich 1 1/3 WelLenLängen gewähLt wurde. Diese Dimensionierung entspricht bei einer Betriebsfrequenz von 5,65 GHz 2,8 inches (7,15 cm). Bei einer Anwendung ist es wünschenswert, die -10 dB StrahLbreite zu verg röße rri/ um das StrahLungsdiagramm hinsichtLich des Gewinns und der NebenkeuLenpegeL zu optimieren und die -30 dB StrahLbreite zu vermindern, um die Vorbei st rah Lung der Energie an dem RefLektor zu vermindern. Eine soLche Modifikation kann nicht aLLein durch die Änderung von L und θ erreicht werden. Jedoch steLLt L¹ einen nützLichen Parameter dar zur BeeinfLußung des StrahLungsdiagramms. Das mit 23 bezeichnete StrahLungsdiagramm in der Fig. 3 ergibt eine vieL gLeichmäßigere BeLeuchtung in dem Bereich 0 bis -10 dB und eine Reduzierung der effektiven StrahLbreite bei -30 dB. Das gewünschte StrahLungsdiagramm 23 erhäLt man durch Reduktion der Abmessung b auf 1,845 inches (ungefähr 4,69 cm).Bei diesen Abmessungen für b wird jeweiLs eine Betriebsfrequenz von 5,65 GHz angenommen und die Abmessung b = 1,845 inches entspricht 0,883 λ.

Bei dem StrahLungsdiagramm 23 in der Fig. 3 sieht man, daß man in dem Bereich von 0 bis -10 dB eine einheitLiche Be-Leuchtung erhäLt und daß man insgesamt ein schmaLeres

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StrahLungsdiagramm bei den -30 dB Punkten (entspricht den RefLektorecken) erhäLt.

Bei konstanten übrigen Parametern bewirkt ein zunehmendes L eine Verengung des gesamten Strahlungsdiagramms des HornstrahLers. Eine Verkleinerung der Abmessung b und Vergrößerung von L um einen geeigneten Wert verschmäLert die StrahLungsdiagrammbreite bei PegeLn unterhalb von -10 dB und hat einen geringen Einfluß auf die Strahlbreite zwischen 0 und -10 dB.

Bei Kenntnis dieser Dimensionierung kann ein Hornstrahler in besonders vorteilhafter Weise durch Wahl geeigneter Werte von θ, L und b dem jeweiligen Reflektor angepaßt werden. Ausgangspunkt zur empirischen Bestimmung dieser Parameter ist ein RiILenhornstrah ler, bei dem man davon ausgeht, daß die gesamte Wand Rillen aufweist. Den geeigneten Wert für L¹ kann man dadurch ermitteln, daß man schrittweise an unterschiedlichen Stellen eine leitende Folie über den Rillen, ausgehend von der speiseseitigen öffnung, anbringt.

Claims

-X- INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK C.F.Cho-2 Patentansprüche

1.y Rillen hornstrahler für elektromagnetische Wellen, bei dem die zur E-Ebene (20) senkrechten Wände (16, 17) mit der Senkrechten (13a) auf der Aperturebene jeweils einen bestimmten Winkel (Θ) bilden und bei dem die speiseseitige öffnung mit einem Rechteckhohlleiter verbindbar ist, d a durch gekennzeichnet, daß jeweils in einem bestimmten Bereich (L) der zur Ε-Ebene senkrechten Wände zumindest angenähert senkrecht zur Ε-Ebene gleichmäßig angeordnete Rillen vorgesehen sind, daß sich der bestimmte Bereich auf den Wänden jeweils von der Aperturebene bis zur Schnittlinie einer weiteren zur Aperturebene parallelen Ebene mit der jeweiligen Wand erstreckt, sodaß zwischen dieser weiteren Ebene und der speiseseitigen öffnung die Wände keine Rillen aufweisen, und daß die Breite dieser Ebene zwischen dem Wändepaar gleich b ist,

— 1 O 8 λ

wobei b so gewählt ist, daß sin (—£—)(mit λ gleich Betriebswellenlänge) k Lei ner als der Winkel θ ist.

2. RiIlenhörnst rah Ier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Länge von λ mindestens sechs Rillen vorhanden sind.

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07.07.1933 -2-

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3. RiLLenhοrnstrahLer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (L), innerhalb denen RilLen vorhanden sind, größer als 2λ sind und daß der Winket θ kleiner als 80 ist.

4. Rillenhornstrahler nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ri I Lenabstand (A) zwischen -ö" und

-τ liegt.

5. Rillenhornstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (d) der Rillen größer als λ/4 ist.