DE4038837A1 - Verfahren zur wandlung transversal elektrischer moden und eine helixfoermig berandete aperturantenne zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wandlung transversal elektrischer Moden und eine helixförmig berandete Aper­ turantenne zur Durchführung des Verfahrens.

Mit derartigen Verfahren werden transversal elektrische Moden in Hybridmoden gewandelt und dann von der Aperturantenne in den davorliegenden Raum abgestrahlt.

Die Elektron-Zyklotron-Resonanzheizungen für Plasmafusionsex­ perimente erfordern Hochfrequenzleistungen von einigen Mega­ watt bei einer Frequenz von etwa 140 GHz, die mit Gyrotrons erzeugt werden. Die typischen Arbeitsmoden sind transversal elektrische Moden TE_mn mit einem hohem ersten (azimutalen) und verhältnismäßig kleinem zweiten (radialen) Index. Zur Plasma­ heizung sind solche Moden nicht geeignet, sie müssen in einen linear polarisierten, näherungsweise gaußschen Strahl gewan­ delt werden.

In International Journal of Infrared and Millimeter Waves′′, M. Thumm, 6 (1985), Seite 577, wird ein Verfahren nahegelegt, mit dem eine Wandlung von transversal elektrischen Moden in Hybridmoden durchführbar wird.

Zur quasi-optischen Wandlung sind bislang sogenannte Vlasov- Konvertoren im Einsatz. Ein solcher besteht aus einer helixförmig berandeten Aperturantenne, die sich an einem Wel­ lenleiterende anschließt und einem oder mehrere Reflektoren im Strahlgang (siehe: S.N. Vlasov et al. Radio Engeneering, Electron Physics, 21/1975, Seite 14).

Bei der vorgesehenen Abstrahlung rotierender transversal elek­ trischer Moden treten unerwünschte Nebenzipfel in der Strahlcharakteristik im Fernfeld auf. Des weiteren treten bei den hohen Abstrahlleistungen Belastungen der Antenne auf, die ohne gezielte Kühlmaßnahmen nicht zu beherrschen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen linear polari­ sierten Mikrowellenstrahl hoher Leistung und vorgegebener Strahlcharakteristik bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst, wodurch im Fernfeld der eine gaußsche Strahlcharakteristik er­ reicht wird. Im Kennzeichen des Verfahrensanspruchs 2 werden Maßnahmen zur Wandlung in einem linear polarisierten Strahl beschrieben.

Im Kennzeichen des Anspruchs 3 schließlich ist die konstruk­ tive Maßnahme an einer helixförmig berandeten Aperturantenne beschrieben, die bei einer vorgegebenen Vakuumwellenlänge zur Erzielung der geforderten Strahlqualität führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Aperturantenne zur Durchführung derselben wird anhand der Zeichnung näher be­ schrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Herkömmlicher quasioptischer Modenkonverter;

Fig. 2 Antenne, Apertur und Koordinatensystem;

Fig. 3 Abwicklung der korrugierten Aperturantenne;

Fig. 4 Azimutale Abhängigkeit des Fernfeldes der korrugierten Antenne.

Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen quasioptischen Modenkonver­ ter, in der Fachsprache auch Vlasov-Konverter genannt. Er be­ steht aus dem Wellenleiterende 2, der Antenne 3, und z. B. ei­ nem Reflektor 4. Die Antenne 3 ist die Fortsetzung des koaxia­ len Wellenleiters. Sie ist an ihrem Ende durch eine vorgebene gerade Länge 5 auf der Mantelfläche 6 und eine Helixlinie 7 auf der Mantelfläche 6 berandet, die Anfang und Ende der Länge 5 verbindet. Über die Apertur 8 wird die elektromagnetische Welle in eine Vorzugsrichtung in den Raum davor abgestrahlt. Mit Hilfe des bzw. der Reflektoren 4 läßt sich die abge­ strahlte Welle linear polarisieren.

In Fig. 2 ist die Antenne 3 mit dem Wellenleiterende 2 darge­ stellt. Die Länge 5 der Antenne 3 berechnet sich aus der An­ nahme, daß auf der rechteckigen Apertur 8 die ungestörte Feld­ verteilung des Wellenleiters vorliegt, und daß die durch die von Wellenleiterachse 9 und geradem Schnitt 5 der Antenne 3 aufgespannten Apertur 8 transportierte Leistung gleich der durch den Wellenleiter strömenden Leistung ist. Die Antennen­ länge ergibt sich aus:

Der wesentliche Parameter in der Formel zur Längenermittlung der Antenne ist der Hybridparameter Λ. Er Drückt den Anteil transversal elektrischer Moden und transversal magnetischer Moden einer abzustrahlenden elektromagnetischen Welle aus.

Die helixförmige Berandung 7 und die gerade Berandung 5 der Antenne 3 bilden in ihren beiden Schnittpunkten 10 jeweils spitze Winkel. In die Ebene abgewickelt, bildet die helixför­ mige Berandung 7 eine Gerade.

Die Abwicklung der Antenne 3 und des Wellenleiterendes 2 zeigt Fig. 3. Die Korrugationen verlaufen in der Antenne 3 mit kon­ stanter Tiefe. Ist Λ = -1, so ist die ausgewogene Hybridbe­ dingung für Hybridmoden des Types EM_mn erreicht. Die Korruga­ tionstiefe beträgt dann genau ein Viertel der Vakuumwellen­ länge.

Als vorteilhaft hat sich bisher eine Korrugationsbreite 14 von etwa einem Sechstel der Vakuumwellenlänge herausgestellt. Die erfindungsgemäße Aperturantenne verliert ihre vorteilhaften Eigenschaften jedoch empfindlich, wird die Korrugationsbreite gleich der Korrugationstiefe, nämlich ein Viertel der Vakuum­ wellenlänge gewählt.

Hybridmoden und ihr jeweiliger Anteil gemäß der ausgewogenen Hybridbedingung von Λ etwa gleich ±1 werden von einem Wel­ lenleiter mit helixförmiger, korrugierter Aperturantenne sehr verlustarm transportiert. Dies ist bei hohen Mikrowellenlei­ stungen wie bei Fusionsexperimenten von großem baulichen Vor­ teil. Der Kühlaufwand an der Antenne ist dadurch erheblich re­ duzierbar, ja unter Umständen vermeidbar.

Das Fernfeld, der entsprechend der ausgewogenen Hybridbedin­ gung konstruierten Antenne, Λ = ±1, Korrugationstiefe = λ/4 der Vakuumwellenlänge weist keine Nebenzipfel auf. Diese Strahlung hat im Fernfeld eine gaußsche Charakteristik. Die ist in Fig. 4 dargestellt, und zwar der normierte Leistungs­ verlauf der Strahlung im Fernfeld über dem Azimutwinkel. Nach Abstrahlung von der Aperturantenne ist die Mikrowelle zirkular polarisiert. Über geeignet gegrillte Reflektoren 4 (siehe Fig. 1) wird der zunächst zirkular polarisierte Strahl in einen linear polarisierten gewandelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Aperturantenne mit den erfindungsgemäßen Korrugationen ist zur Hochfrequenzheizung von Fusionsplasmen vorgesehen. Erste Fernfeldmessungen bestä­ tigen den zirkular polarisierten Strahl.

Bezugszeichenliste

 1 Vlasow Konverter
 2 Wellenleiterende
 3 Antenne
 4 Reflektor
 5 Länge, gerader Schnitt, gerade Berandung
 6 Mantelfläche
 7 Schraubenlinie, helixförmige Berandung
 8 Aperatur
 9 Wellenleiterachse
10 Schnittpunkt
11 Korrugationen
12 Korrugationstiefe, Tiefe
13 Korrugationsbreite
14 Periodizitätslänge

Claims (3)

1. Verfahren zur Wandlung transversal elektrischer Moden in Hybridmoden als Types EH_mn, dadurch gekennzeichnet, daß ro­ tierende transversal elektrische Moden in rotierende Hybridmoden des Types EH_mn bei der ausgewogenen Hybridbe­ dingung Λ=+1, oder -1 gewandelt und über eine Aperturan­ tenne abgestrahlt werden, wodurch im Fernfeld ein zirkular polarisierter Strahl mit gaußschem Profil erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Reflektion des Strahls an geeignet korrugierten Re­ flektoren der zirkular polarisierte Strahl in einen linear polarisierten gewandelt wird.

3. Helixförmig berandete Aperturantenne zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Länge (5) der geraden Berandung der Aperturantenne (3) durch die ausgewogene Hybridbedingung die Vaku­ umwellenlänge, den Mode und den Wellenleiterradius festgelegt ist;
• - die Aperturantenne auf ihrer Innenfläche azimutale Kor­ rugationen (11) hat, deren Tiefe (13) ein Viertel der Vakuumwellenlänge beträgt;
• - die Korrugationsbreite (13) von der Korrugationstiefe (12) verschieden, vorzugsweise ein Sechstel der Vakuum­ wellenlänge oder kleiner ist;
• - die Periodizitätslänge der Korrugationen ungefähr gleich oder kleiner als ein Drittel der Vakuumwellenlänge ist.