DE4038837C2

DE4038837C2 - Helixförmig berandete Aperturantenne

Info

Publication number: DE4038837C2
Application number: DE4038837A
Authority: DE
Inventors: Arnold Moebius; Manfred Prof Dr Thumm
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1990-12-06
Filing date: 1990-12-06
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-12-07
Also published as: FR2672765A1; FR2672765B1; DE4038837A1; JP3166869B2; JPH04274602A; US5266962A

Description

Die Erfindung betrifft eine helixförmig berandete Aper turantenne am Ende eines Hohlleiters.

Mit einer derartigen Antenne werden transversal elektrische Moden in Hybridmoden gewandelt und 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, Bd. 6 (1985), Seite 577, wird ein Verfahren nahegelegt, mit dem eine Wandlung von transversal elektrischen Moden in Hy bridmoden durchführbar wird.

In der EP 0 372 463 A1 ist eine Antenne zur Abstrahlung von Millimeter-Wellen mit einer gaußschen Verteilung beschrieben worden, bei der Transversal-Moden in spezielle Hybridmoden gewandelt und mittels gerillter Reflektoren in einem Punkt konzentriert werden.

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 mehreren Reflektoren im Strahlgang (siehe: S.N. Vlasov et al. Radio Engeneering, Electron Physics, Bd. 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, eine in die Apertur antenne eintretende elektromagnetische Hohlleiterwelle rotie render transversal elektrischer Moden so zu wandeln, daß im Fernfeld der abstrahlenden Antenne ein zirkular polarisierter Strahl mit Gauß′schem Profil erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Aperturantenne mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierzu weist die Aperturantenne auf ihrer Innenfläche azimu tale Korrugationen auf, deren Tiefe ein Viertel der Vakuumwel lenlänge der Hohlleiterwelle beträgt. Die Korrugationsbreite ist von der Korrugationstiefe verschieden. Sie ist vorzugs weise ein Sechstel der Vakuumwellenlänge oder kleiner. Schließlich beträgt die Periodizitätslänge ungefähr ein Drit tel oder weniger der Vakuumwellenlänge. Eine Aperturantenne, die diese konstruktiven Merkmalen aufweist, strahlt derartig ab, daß in ihrem Fernfeld ein zirkular polarisierter Strahl mit Gauß′schem Profil entsteht.

Der abhängige Anspruch 2 kennzeichnet die Länge der Antenne, die hinsichtlich der im Wellenleiter transportierten Leistung und der über die Apertur abgestrahlten Leistung optimiert wurde.

Im Anspruch 3 wird schließlich ein Verfahren gekennzeichnet, mit dem der von der Antenne abgegebene, zirkular polarisierte Strahl in einen linear polarisierten gewandelt werden kann. Dies wird durch Reflexion des Strahls an geeignet korrugier ten Reflektoren erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Aperturantenne zur Durchführung derselben wird anhand der Zeichnungen 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 vorgegebene 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.

Der wesentliche Parameter in der Formel zur Längenoptimie rungsermittlung der Antenne ist der Hybridparameter Λ. Er drückt den Anteil transversal elektrischer Moden und transver sal magnetischer Moden einer abzustrahlenden elektromagneti schen Welle aus, vgl. O. Claricats: "Corrugated Horns for Microwave Antennas", IEE El. magn. Waves Sevies 18, Verl. Peter Peregrinius, London (1984) S. 24.

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, vgl. Claricoats a.a.O. S. 27-28. 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 = 1/4 der Vakuumwellenlänge, weist keine Nebenzipfel auf. Dies 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 gerillte Reflektoren 4 (siehe Fig. 1) wird der zunächst zirkular polarisierte Strahl in einen li near 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

1. Helixförmig berandete Aperturantenne am Ende eines Hohllei ters für die Abstrahlung von Hohlleiterwellen, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Einstellung der ausgewogenen Hybridbe dingung Λ = ±1

- die Aperaturantenne (3) auf ihrer Innenfläche azimutale Korrugationen (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 (11) ungefähr gleich oder kleiner als ein Drittel der Vakuumwellen länge ist, so daß rotierende transversal elektrische Mo den in rotierende Hybridmoden des Typs EH_mn gewandelt und über die Aperturantenne abgestrahlt werden, wodurch im Fernfeld ein zirkular polarisierter Strahl mit Gauß′schem Profil erzeugt wird.

2. Aperturantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (5) an der Antenne dadurch optimiert wird, daß die durch die von der Wellenleiterachse (9) und geradem Schnitt (5) der Antenne (3) aufgespannte Apertur (8) transportierte Lei stung gleich der durch den Wellenleiter strömenden Leistung ist.

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