DE884970C

DE884970C - Richtantenne fuer Mikrowellen

Info

Publication number: DE884970C
Application number: DEN4217A
Authority: DE
Inventors: Harry Gruenberg
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 1951-03-21
Filing date: 1951-07-25
Publication date: 1953-07-30
Also published as: GB681697A; NL77126C; NL162753B; US2639383A; FR1114807A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Richtantennen für Mikrowellen, d. h. für elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge im freien Raum weniger als ι m beträgt.

Es ist ein Antennensystem bekannt (vgl. den Artikel »Resonant Slots« von W. H. Watson in »Journal of the Institution of Electrical Enginers« Bd. 93, Teil ΠΙΑ, Nr. 4, S. 747 bis 777, sowie das Buch von W. H. Wats ο η »The Physical Principles of Wave Guide Transmission and Antenna Systems«, 1947, Oxford, Clarendon-Verlag), das eine Welleinführung aufweist, die mit einer Reihe von Strahlern ausgebildet ist, die aus in besonderer Weise " angeordneten Schlitzen bestehen.

Die Erfindung 'bezieht sich auf diejenige Anordnung, bei welcher benachbarte Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie einer breiten Fläche der Wellenführung liegen, und im nachstehenden soll eine Antenne mit derart angeordneten Schlitzen als Watson-Guptill-Antenne bezeichnet werden·. Die Watson-Guptill-Antenne berücksichtigt die 'bekannten Konstruktionsbetrachtungen für lineare Strahlerreihen sowie die Tatsache, daß die Wellenlänge in der Wellenführung von derjenigen im freien. Raum verschieden ist. Für viele Zwecke, z. B. Radar, das ist Funkrückst-rahlortung, ist es wesentlich, daß nur ein einziges wirksames Bündel von der Reihe erzeugt wird, und es ist außerdem erwünscht, daß dieses Bündel im wesentlichen senkrecht zur Achse der Reihe steht, d!. h. senkrecht zu einer .geraden Linie, die durch alle Strahler hindurchgeht. Damit das Bündel senkrecht zur Achse der Reihe steht, müssen die ,Strahler in. Phase arbeiten. Dies könnte dadurch erreicht werden, daß die Strahler längs dler Achse

der Reihe in Abständen voneinander angeordnet werden, dlie gleich der Wellenlänge der auszustrahlenden. Welle in der Wellenführung X_g sind, jedoch würden derartige Abstände wegen der höheren Phasengaschwindigkeit in der Wellenführung, zumindest in dem üblichen Fall mit Luft als Dielektrikum, in einer eine normale Breite von etwa ³/4 der Wellenlänge im freien Raum X₃ aufweisenden Wellenführung gleich, sein mit Abständen von etwa iVa X₈. Eine solche Reihe würde nicht zufriedenstellend arbeiten, weil ihr Strahlungsbild¹ Bündel zweiter Ordnung von im wesentlichen gleicher Intensität' wie das Hauptbündel enthalten würde, mit dem sie Winkel von etwa 45° bilden (vgl. S. 101 bis 107 in »Aerials for Centimetre Wavelengths« von Fry und Goward, veröffentlicht 1950 von der Universität Cambridge).

Das Bündel könnte auch dadurch senkrecht stehend zur Achse der Reihe gemacht werden, daß benachbarte .Strahler in umgekehrter Phasen-'beziehung angekoppelt werden, d. h. in solcher Weise, dlaß, wenn die benachibarten Strahler in der gleichen Querebene in der Welletiführung angeordnet wären, sie durch Ströme oder Spannungen erregt würden, die untereinander um l8o° phasenverschoben sind, und daß ferner zugleich die Strahler in Abständen von ^xk X_g angeordnet werden. Ein Abstand von ¹IzIg ist im normalen Fall einer Wellenführung mit einer Breite von etwa ³A X₈ gleich einem Abstand von etwa ³A X_s und infolgedessen im Hinblick auf das Strahlungsbild, zufriedenstellend. Wenn die Abstände der in umgekehrter Phasenböziehunig gekoppelten Strahler von Va X_s verschieden sinidi, dann wird der Winkel, den das Bündel mit der Achse der Reihe bildet, spitz und verkleinert sich mit größer werdender Abweichung von dem Vs-Ä^-Abstand, wobei das Bündel in die Richtung der Wellenausbreitung in der Welienführung gerichtet wird, wenn die Abstände größer als¹ i8o° sind, während es in die entgegengesetizte Richtung gerichtet wird, wenn die Abstände kleiner als· i8o° .sindl.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß, selbst wenn die. obengenannten Bedingungen beim Entwurf einer Antenne mit geschlitzter Wellenfülhrung, wie der Watson-Guptill-Antenne, beachtet wenden, Bündel zweiter Ordnung verbleiben, die mit dem Hauptbündel Winkel von ungefahr 50° bilden undl Amplituden besitzen, die etwa ι ο %i derjenigen des Hauptbündels ausmachen. Bei vielen Arten von Radarsystemen ist diese unerwünschte Strahlung nicht störend, z.B. im Fall der Navigation in offenen Gewässern, wo die Radaranlage gewöhnlich nicht dazu benutzt wird, nahe Gegenstände auszumachen. Im Fall der Navigation in engen Gewässern jedoch, z. B. in einem Kanal oder einem Fluß, können viele in der Nähe liegende Gegenstände angetroffen werden, wie z. B. andere Schiffe oder die Ufer des Kanals oder Flusses. Wenn 'dann die Bündel ziweiter Ordnung Reflexionen an diesen nahe gelegenen Gegenständen verursachen', so· können schwere Fehler bei der Auslegung des> Radarbildes die Folge sein. In manchen Fällen können die Bündel zweiter Ordnung dazu führen, daß 'die Bilder verschwommen und unlesibar werden·.

Der Grundi dafür, daß die Bündel zweiter Ordnung bisher unerkannt geblieben sind, ist vermutlich, dbr, 'daß sie, wie bereits oben erwähnt, nur bei Anwesenheit mäher Gegenstände wahrnehmbar sind und daß sie ferner in Ebenen auftreten, in· welchen gewöhnlich Strahlungsbilder nicht aufgenommen werden. Es ist zwar schon früher darauf hingewiesen worden, daß eine Richtantenne, die dadurch erhalten wind!, daß die Schlitze in Abständen von etwa einer Wellenlänge der Wellenführung entlang der Mittellinie angeordnet und ungefähr in Phase erregt werden, starke Bündel zweiter Ordnung auf Grund ides Umstandes hervorrufen' würde, daß die Schlitzabstände größer sind als eine Wellenlänge im freien; itaum. Trotzdem wurde allgemein angenommen., daß dieser Nachteil zu beheben sei und gleichzeitig die Richteigensebaft der Reihe aufrechterhalten werden könnte, wenn die Schlitze in Abständen von ungefähr einer halben Wellenlänge der Wellenführung voneinander entfernt angeordnet wunden und! die Phase der abwechselnden Schlitze umgekehrt würde, indem diese zu den Seiten der Mittellinie gegeneinander versetzt angeordnet werden. Diese Annahme gründete sich auf die Theorie linearer Reihen, und es wunde stillschweigend angenommen, daß die gleiche Verschiebung der Schlitzstrahler gegenüber einer geraden Linie eine Yernachläs'si'gbare Wirkung auf das Strahlungsbild haben würde. Auf Grund, der Entdeckung, die zu der Erfindung geführt hat, wurde jedoch gefunden, daß diese Annahme im allgemeinen, nicht zutrifft, da eine .solche Reihe, selbst bei- Schlitzaibstäiiden von einer halben Wellenlänge der Wellenführung, tatsächlich Bündel zweiter Ordnung aufweist.

Gemäß der Erfindung werden die Bündel zweiter Ordnung, die von einer Antenne mit geschlitzter Wellenfüthrung erzeugt werden, auf einen Wert herabgesetzt, der nur von den Unsymmetrien in der Erregung der Schlitze und vonden Ungenauigkeitsgrenzen des Aufbaues der geschlitzten WeHenführung abhängig ist, Dies wird erreicht durch eine Wellenführung von rechteckigem Querschnitt, die zwei gegenüberliegende schmale Flächen und zwei verhältnismäßig breite Flächen bat und bei der in einer der -breiten Flächen eine Reihe von Schlitzen vorgesehen ist, die in Resonanz mit der Betriebsweise sind und die eine wesentlich größere Länge als Breite haben, ferner dadurch, daß die Mitten der Schlitze der Reihe längs der Wellenführung in Zwischenräumen auseinanderliegen, die kleiner als Ve der Wellenlänge im freien. Raum 'Sind, und daß die Längsmittellinien der Schlitze auf einer Geraden verlaufen sowie dadurch, daß die schmalen Flächen der Wellenführung so gestaltet sind, daß ■die Mittellinie zwischen den schmalen Flächen sinusförmig um die einzelnen Schlitze der Reihe derart herum verläuft, daß dlie Abstände benachbarter Schlitze von dieser Mittellinie im wesentliehen gleich sind!.

Die Erfindung wind nachstehend an Hand, der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Fig. ι ist eine in sehematischer Form gehaltene, schaulbildlliche Ansicht einer Mikrowellenantenne mit geschlitzter Wellenführung der bisherigen Art; Fig. 2 ist eine schaubildliche Darstellung der Bündel zweiter Ordnung, wie sie von. einer Antenne der bisherigen Art gemäß Fig. ι erzeugt werden; Fig. 3 ist eine sch auibild liehe Ansicht eines Teils ίο einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Mikrowellenantenne mit geschlitzter Wellenführung, deren in der Zeichnung als obenliegend angenommene breite Rückseite abgenommen ist;

Fig. 4 zeigt typische Strahlungsbilder für eine Antenne der bisherigen Art (linke Hälfte) und für eine Antenne gemäß der Erfindung (rechte Hälfte). In Fig. ι ist eine Watson-Guptill-Antenne mit geschlitzter Wellenführung der bisherigen Art wiedergegeben, bei 'welcher die rechteckige Wellenführung 10 in einer ihrer breiten Seiten 12 Längsschlitze 11 besitzt. Benachbarte Schlitze 11 sind in bezug auf die Mittellinie 13 der breiten Seite 12 gegeneinander versetzt angeordnet. Die Abmessungen der Schlitze 11 sollen derart sein, daß sie in Resonanz mit der Wellenlänge der auszustrahlenden Mikrawelle sind und eine wesentlich größere Länge als Breite haben. Durch den Abstand der Schlitzen von der Mittellinie 13 wird die Stärke der aus den Schlitzen 11 austretenden Strahlung gesteuert. Die üblichen X-, Y- und, Z-Achsen sind in Fig. 1 dargestellt, undi die Vektoren 14 und 15, die mit der Z-Achse den Winkel Θ bzw. mit der X-Achse dien Winkel Φ bilden, bestimmen die üblichen Polar- und. Azimuthwinkel in einem sphärischen Koordinatensystem.

Die Antenne bisheriger Art gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 in punktiertenLinieniwiedergegeben, während die Bündel zweiter Ordnung 16 und 17 in ausgezogenen Linien dargestellt sind. Die Bündel zweiter Ordnung 16 und 17 haben breite Maxima 18. 19 bzw. 20, 21, deren Axialebenen symmetrisch zu der Axialebene durch, das Hauptibündel liegen, wobei sie mit der letzteren Winkel von etwa 50⁰ bilden.

Die Maxima liegen bei (Θ und Φ wie in Fig. 1 angegeben) :

45°

6L₁ = cos

\ ψ ■

7T_S

_κψ + π λ_ύ

135°

Φ » ± 50° ,

Φ «* ± 50°

worin X_s die Wellenlänge im freien Raum und X_g die Wellenlänge in der Wellenführunig bedeuten, während ψ die Abweichung des Sehlitzabstandes von π Einheiten der Winkelgeschwindigkeit ist.

Die Maximumwerte, ausgedrückt in Bruchteilen des Spitzenwertes des Hauptbündels, sind angenähert:

δ

worin S eine mittlere Schlitzversetzung bedeutet.

Dieser Mittelwert liegt dicht bei dem Ausmaß der Versetzung dies Schlitzes, welcher am stärksten erregt wird.

Für eine typische Reihe der Wellenführung können die Bündel zweiter Ordnung 16 und 17 10% desf Hauptbündels ausmachen.

Eine Antenne mit geschlitzter Wellenfülhrung gemäß der Erfindung· ist in Fig. 3 wiedergegeben. Wie in dieser Figur gezeigt wird, ist eine Reihe von Schlitzen 11 mit ihren Längsmittellinien auf einer Geralden und mit ihren Mitten in Albständen in. einer Breitseite 12 der WellenfüJiruing angeordnet. Wie oben auseinandergesetzt wurde, muiß der Abstand zwischen den Mitten benachbarter Schlitze 11 kleiner sein als ⁷/s der Wellenlänge im freien Raum der Mikrowelle, mit welcher die Schlitze n in Resonanz sind.

Bei der in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsform ist angenommen, daß die Schlitze 11 um die Hälfte der Wellenlänge in, der Wellenführung auseimainderiiegen. In Fig. 3 ist die obenliegende breite Rückseite der Wellenführung nicht dargestellt, so daß der innere Aufbau der Wellenführung sichtbar ist. Die obenliegende !breite Rückseite kann in ihrer Lage durch in Löcher 22 einzuschraubende Schrauben befestigt werden; sie wird dann an den Rändern 23 der Schmalseiten 24 angeschweißt, um einen, gutem elektrischen Kontakt über die ganze Länge dier Flächen zu gewährleisten. Die in der Zeichnung als unten angenommene breite Vorderseite 12 ist in der gleichen Weise befestigt.

Jede Schmalseite 24 ist wellig ausgebildet, so daß die sinusförmige Mittellinie: 25 auf gegenüberliegenden Seiten benachbarter Schlitze liegt, wie dies aus Fig. 3 hervorgeht, wo eine Vertiefung 26 in der einen Schmalseite 24 einem Vorsprung an der anderen Schmalseite 24 unmittelbar gegenüberliegt.

Gemäß der üblichen Praxis würde die vollständige Antenne von einem reflektierenden Kolben odbr einer anderen ähnlichen Vorrichtung begrenzt werden, die in der Wellenführung mit einem Abstand gleich ¹U der Wellenlänge der mit den Schlitzen 11 in Resonanz befindlichen Welle in dem Wellenführer von der Mitte desjenigen Schlitzes 11 angeordnet ist, welcher am weitesten von dem Punkt entfernt ist, an welchem die Wellenführung mit einer Mikrowelle gespeist werden soll.

Bei der in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsform gemäß der Erfindung liegen die Schlitze 11 alle in einer geradien Linie und werden mit der gewünschten. Amplitude und Phase durch Ver- n₅ formung der Seitenwände (schmale Flächen 24) von der !geraden Länigsniittellinie der Schlitze 11 weg erregt. Für eine verhältnismäßig lange Reihe von Schlitzen kann die Wellung in den Seitenwänden 24 verhältnismäßig flach sein. Zur Erzielung ibester Ergebnisse sind sehr genaue mechanische Toleranzen erforderlich:, da kleine Unsymmetrien in der Erregung jedes abwechselnden Schlitzes kleine Bündel zweiter Ordnung in der Axialebene des Hauptibündels zur Folge haben können.

Fig. 4 zeigt auf der linfcen Hälfte typische Strahlunigsbildier'für eine Antenne mit geschlitzter Wellenführung der bisheriigeru Art und ■ auf der rechten Hälfte für eine Antenne gemäß der Brfmdung. Jedes Diagramm gilbt auf der Ordinate die relativen Feldstärken als Funktion des auf der Abszisse aufgetragenen Winkels Θ (Fig. i) wieder; jedem Diagramm liegt für eine und dieselbe Antenne ein anderer Winkel Φ (Fig. i) zugrunde.

ίο Au® einem Vergleich dter Feldstärken¹ der beiden Antennen für den gleichen Winkel Φ geht hervor, daß bei Verwendung einer Antenne gemäß dter Erfindung die unerwünschten Bündel zweiter Ordnung i6 und 17 sehr stark herabgesetzt sind, während das Hauptbündel· 28 praktisch univerändert bleibt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Richtantenne für Mikrowellen, gekennzeichnet durch eine Wellenführung von rechteckigem Querschnitt mit zwei sich gegenüberliegenden schmalen Flächen und zwei, verhältnismäßig breiten Flächen, deren letztere eine mit einer Reihe von Schlitzen versehen ist, die in Resonanz mit. der Betriebswelle sind und ■eine wesentliche größere Länge als Breite haben, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Mitten

. ider Schlitze dter Reihe längs der Wellenführung mit Zwischenräumen auseinanderliegen', die kleiner als Vs der Wellenlänge im freien Raum sind, und die Längsmittellinien, der Schlitze auf einer Geraden liegen und daß die Schmalseiten der Wellenführung derart gestaltet sind, d'aß die Mittdlinie zwischen den Schmalseiten in der Ebene der die Schlitze enthaltenden Breitseite sinusförmig um die einzelnen Schlitze der Reihe derart herum verläuft, d'aß die Albstände benachbarter Schlitze voniidieser Mittellinie im wesentlichen gleich sind.
2. Richtantenne nach Anspruch 1, d'adurch gekennzeichnet, daß die Mitten der Schlitze längs 'der Wellenführung mit Abständen ausekianderliegeni, welche gleich der Hälfte der Wellenlänge in der Wellenführung der Welle sind, mit welcher die Schlitze' in Resonanz sind.
3. Richtantenne nach Anspruchs, gekennzeichnet durch einen reflektierenden Kolben, dter in der Wellenführung mit einem Abstand gleich ¹Ii der Wellenlänge der mit 'den Schlitzen in Resonanz befindlichen Welle in der Wellenführung von der Mitte desjenigen Schlitzes in der WeHenführung angeordnet ist, der am weitesten von dem Punkt entfernt ist, an welchem die Wellenführung mit einer Mikro- <welle gespeist werden soll.
4. !Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalseiten der Welleniführung wellig ausgebildet sind und jeder Vertiefung in einer der Schmalseiten ein, Vorsprung an der anderen! Schmalseite unmittelbar gegenüberliegt und daß die Längsmittellinien der Schlitze zusammenfallen mit der Mittellinie zwischen den geradenLinien, welche die am weitesten' nach· innen in die Wellenführang ragenden Teile der Vor Sprünge der Schmalseiten verbinden.
5. Richtantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wellung in jeder Schmalseite der Wellenführung annähernd die Form eines Rechteckes hat, dessen längere Seite im wesentlichen parallel zu der Längsmittellinie eines Schlitzes ist und diesem gegenüberliegt und im wesentlichen die gleiche Länge wie der Schlitz hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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