EP0079533B1

EP0079533B1 - Hornstrahler

Info

Publication number: EP0079533B1
Application number: EP19820110176
Authority: EP
Inventors: Eberhard Dr. Ing. Kühn; Hans Dipl.-Ing. Scheffer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-11-07
Filing date: 1982-11-04
Publication date: 1986-05-07
Also published as: EP0079533A1; DE3144319A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hornstrahler, bei dem die sich trichterförmig erweiternde Innenwand des Horns mit Rillen versehen ist.
Im Mikrowellenbereich finden derartige Rillenhörner wegen ihrer güngstigen Eigenschaften häufig Anwendung. Sie weisen bei geeigneter Dimensionierug in einem breiten Frequenzband eine gute Anpassung des Speisehohlleiters sowie Richtcharakteristiken mit hoher Axialsymmetrie und geringer Kreuzpolarisation auf. Zur Erreichung dieser Eigenschaften müssen die Rillenabmessungen, vornehmlich deren Tiefe, genau bemessen werden. So ist. z. B. bekannt (IEEE Transactions Vol. AP-26, No. 2, March 1978, S. 367 bis 372), daß die Rillentiefe zwischen der Apertur (Rillentiefe ≳ein Viertel der Wellenlänge) und dem Hals des Horns (Rillentiefe ≲ eine halbe Wellenlänge) kontinuierlich verändert werden sollte. Aus der Literatur sind drei verschiedene Möglichkeiten bekannt, die Rillen in der Trichterwand anzubringen.
Diese drei bekannten Ausführungsformen nach verschiedenen Fundstellen sind zur besseren Übersicht in einer einzigen und demzufolge fiktiven Fig. 1 zusammengefaßt. Die Anordnung der Rillen senkrecht zur Trichterwand (nach 1 in Fig. 1) ist für alle Trichteröffnungswinkel a geeignet (DE-OS-2 836 869). Die Anbringung senkrecht zur Strahlerachse (nach 2 in Fig. 1) ist für kleine Öffnungswinkel a vorzuziehen (DE-OS-2 650 388, DE-OS-2 930 932, DE-OS-2 509 619, DE-AS-2 623 755, DE-AS-2 525 358). Die Anbringung parallel zur Strahlerachse (nach 3 in Fig. 1) ist hingegen für große Öffnungswinkel a vorzuziehen (NTG-Fachberichte Antennen, Band 57, Seite 84, Bild 5).
In sehr schlanken Hörnern (α→0) entspricht die Rillenkonfiguration nach 1 derjenigen nach 2 in Fig. 1, in weit geöffneten Hörnern (α→π/2) derjenigen nach 3. Bei Rillenhörnern, die so kompakte Abmessungen haben, daß sie aus einem einzigen Metallblock durch Drehen hergestellt werden können, muß bei Verwendung von Rillenanordnung 1 oder 3 zunächst die (kegel-, glocken- oder flaschenhalsförmige) Trichterkontur erzeugt werden und erst danach können die Rillen eingestochen werden.
Bei Verwendung der Rillenkonfiguration 2 wird mitunter auf die vorherige Erzeugung der Trichterkontur verzichtet, indem die schmalen Stege zwischen den Rillen nicht trichterförmig, sondern als Kreiszylinderstücke mit entsprechend der Trichterkontur verändertem Radius ausgebildet werden. Nachteilig ist hingegen bei dieser Rillenanordnung, daß die Ausdrehung der Rillen in unmittelbarer Nähe des Hornhalses dadurch erschwert ist, daß die Rillentiefe an dieser Stelle des Horns nur unwensentlich kleiner ist als der Radius des Speisehohlleiters.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rillenhorn auszuzeigen, bei dessen Herstellung die vorab aufgeführten Schwierigkeiten auf einfache Weise umgangen werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Hornstrahler, bei dem die sich trichterförmig erweiternde Innenwand des Horns mit parallel zur Strahlerachse eingeschnittenen Rillen versehen ist, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Stirnflächen der zwischen den Rillen verbleibenden Trennwände jeweils senkrecht zur Strahlerachse verlaufen und daß die Trichterkontur durch den axialen Abstand dieser Stirnflächen voneinander bestimmt ist (Fig. 2).
Neben der leichteren Herstellbarkeit weisen die erfindungsgemäß ausgebildeten Rillenhornstrahler noch folgende Vorteile auf :

1) Durch die Konfiguration des Strahlers bedingt lassen sich nach der Herstellung alle geometrischen Abmessungen sowie die Oberflächenbeschaffenheit von Rillen und Zwischenwänden besonders einfach kontrollieren.
₂) Durch die Ausgestaltung der Innenwand des Hornstrahlers ist es ohne Komplizierung des Herstellungsprozesses möglich, nicht nur kegelförmige, sondern auch bekannte speziell gekrümmte _Trichterkonturen mit Flaschenhals- (z. B. DE-AS-2 623 755) oder Glockenform zu erzeugen. Von dieser Möglichkeit muß man Gebrauch machen, wenn mit einem Rillenhornstrahler großen Öffnungswinkels und kurzer Baulänge niedrige Kreuzpolarisation erreicht werden soll.
₃) Zur Verbesserung der Anpassung des Hornstrahlers können einzeln wie auch kombiniert alle bekannten Maßnahmen zur Bemessung wie Formgebung der Übergangszone am Trichterhals und der dem Trichterhals benachbarten Rillen verwendet werden, z. B.
- - eine Anpassungszone zwischen dem Speisehohlleiter und der ersten Rille in Form eines glattwandigen Hohlleiter-Zwischenstückes mit einem Durchmesser, der größer ist als der des Speisehohlleiters, aber kleiner als der kleinste Durchmesser der sich trichterförmig erweiternden Rillenstruktur (D_E-OS-2 920 757),
- - tiefere (auch schmalere und enger beieinander liegende) Rillen als im übrigen Teil des Horns (IEEE Transactions, Vol. AP-26, Nr. 2, March 1978, S. 367 bis 372),
- - hinterdrehte Rillen (IEEE Transactions, Vol. AP-24, No. 6, November 1976, S. 786 bis 792 ; DE-OS 2 836 869),
- - flaschenhalsförmige Konturierung der Enden der Rillenzwischenwände (DE-AS-2 623 755 ; DE-OS-2 650 388).
₄) Nur infolge der einfachen Geometrie der erfindungsgemäß aufgebauten Rillenhörner sind deren genaue numerische Berechnung und Optimierung der Strahlungseigenschaften des Horns unter Berücksichtigung
- - der Reflexion und Wellentypwandlung am Trichterhals und in der Apertur,
- - sowie einer dielektrischen Abdeckplatte als Wetterschutz
möglich. Auf eben diese Weise läßt sich auch eine Toleranzanalyse durchführen.
5) Aufgrund des Aufbaus des Hornstrahlers sind neben der Herstellung durch Drehen auch andere Bekannte Technologien anwendbar, wie z. B.
- ― Galvanoplastik (ohne Verlust des Kernes !),
- - Druckguß,
- ― Kaltverformung (« cold hobbing », Proc. 1975, IEEE-MTT-S Intern. Microwave Symp., S. 232 bis 234),
die sich für die Herstellung besonders präziser Strahler (bei Millimeterwelen) bzw. für größere Stückzahlen (im Richtfunk und für keine Bodenstationen mit Primärfokuserregung) eignen.

Die Erfindung wird anhand von Fig. 2 bis 9 näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 die bereits behandelte Darstellung der Ausführungsformen nach dem Stand der Technik,
Figur 2 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäß ausgebildeten Rillenhornstrahler (im Längsschnitt),
Figur 3 als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Rillenhornstrahler mit speziell geformter Trichterkontur,
Figur 4 die Richtdiagramme (Hauptpolarisation (CP) in der E- und H-Ebene, Kreuzpolarisation (XP) in der 45°-Ebene) des Strahlers nach Fig. 3 für 10 GHz,
Figur 5 den Frequenzgang der Reflexionsdämpfung für den Strahler nach Fig. 3,
Figur 6 den Frequenzgang der 3-dB, 5-dB, 10-dB, 15-dB und 20-dB-Breiten der Richtdiagramme der Hauptpolarisation in der E- und H-Ebene für den Strahler nach Fig. 3,
Figur 7 den Frequenzgang der maximalen Kreuzpolarisation (XP_max) in der 45°-Ebene für den Strahler nach Fig. 3,
Figur 8 als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Rillenhornstrahler mit gegenüber Fig. größerem Hohlleiterdurchmesser,
Figur 9 die Richtdiagramme (Hauptpolarisation (CP) in der E- und H-Ebene, Kreuzpolarisation (XP) in der 45°-Ebene) des Strahlers nach Figur. 8 für 10 GHz.

In Fig. 2 ist schematisch ein Längsschnitt durch einen Rillenhornstrahler gemäß der Erfindug dargestellt. Die Innenwand des Horns wird durch eine größere Zahl n koaxial angeordneter Rillen gebildet, deren Trennwände in Stirnflächen enden, die senkrecht zur Strahlerlängsachse verlaufen.
In der grundsätzlichen Darstellung der Fig. 2 ist von einer konstanten Tiefe und Weite der Rillen und einer konstanten Stärke der Trennwände ausgegangen. Der axiale Abstand der Stirnflächen voneinander ist ebenfalls konstant. Demzufolge ist die Trichterkontur kegelförmig. In den später gezeigten Ausführungsformen sind diese Abmessungen jedoch nicht notwendigerweise konstant.
Zur eindeutigen Festlegung der für die weiteren Ausführungsformen (Fig. 3 und 8) in Tabellenform angegebenen Abmessungen ist in Fig. 2 jede der n Rillen, vom Speisehohlleiter mit dem Innenradius a_i beginnend, mit einer Ordnungszahl 1 bis n belegt ; a₁' ist demzufolge der innere Radius der ersten Rille, a₁" deren äußerer Radius. Entsprechendes gilt für die Radien der äußersten Rille a_n' bzw. a_n". a_a ist der äußerste Radius des Rillenhorns. Die Tiefe der Rillen ist mit t₁ bis t_n bezeichnet, die Stirnflächen haben voneinander jeweils einen axialen Abstand I_a bis I_n.
Der axiale Abstand dieser Stirnflächen bestimmt die Trichterkontur, deren Verlauf keiner prinzipiellen Einschränkung unterliegt. Technisch interessante Ausführungsformen sind durch die Einhaltung der Bedingung I_k ≥ 0, k = 1,2, ... n gekennzeichnet. Für derartige Rillenhörner ist ein Analyseverfahren zur Simulation der elektrischen Eigenschaften (Strahlungsverhalten, Anpassung des Speisehohlleiters) entwickelt worden, mit dem sich diese Strahler unter Berücksichtigung einer in Fig. 2 unten angedeuteten dielektrischen Abdeckplatte-ausgehend von bekannten Entwurfspraktiken-in einem Iterationsprozeß dimensionieren lassen. Diese Vorgehensweise ist dem herkömmlichen Entwurf auf empirischer Basis in bezug auf den Zeitaufwand deutlich überlegen. Anhand zweier Ausführungsbeispiele, in denen Strahler für einen Einsatz im X-Band bemessen wurden, soll die Brauchbarkeit der erfindugsgemäß ausgebildeten Rillenhörner unter Beweis gestellt werden.
Fig. 3 zeigt den maßstäblichen Längsschnitt eines Rillenhorns mit 'kleiner Apertur (Durchmesser 79 mm ≙ 2,63 λ bei 10 GHz) und kurzer Baulänge
= 21 mm = 0,7 λ bei 10 GHz), das für geringe Kreuzpolarisation bemessen wurde. Hierzu ist es bei derart kompakten Hörnern nötig, die Trichterkontur zu profilieren. Erreicht wird dies durch die aus der folgenden Tabelle zu entnehmende Bemessung (Abmessungen in mm). In der ersten Spalte der Tabelle steht die in Fig.2 erläuterte Ordnungszahl der Rille, danach folgen jeweils die inneren und äußeren Rillenradien, die Tiefen der Rillen und der axiale Abstände der Stirnflächen voneinander. Ausgegangen wird von einer Rillenzahl von n = 8, einem Speisehohlleiterradius a von 11,5 mm und einem äußeren Radius des Rillenhorns von a_a = 41 mm.

(Siehe Tabelle Seite 4 f.)

In Fig. 4 sind die Strahlungseigenschaften dieses Horns für die Entwurfsfrequenz von 10 GHz dargestellt ; sie zeichnen sich durch eine gute Rotationssymmetrie der Richtcharakteristik für die Hauptpolarisation sowie durch hohe Polarisationsreinheit aus. Die Frequenzgänge der Reflexionsdämpfung, der Keulenbreiten und der maximalen Fehlpolarisation sind in Fig. bis 7 wiedergegeben. Die Eingangsreflexion des Strahlers (Fig. 5) wurde durch Verwendung tieferer Rillen am Hornhals optimiert ; sie ist im wesentlichen durch das Verhältnis a_i/λ bestimmt. Für Anwendungen, bei denen eine bessere Anpassung erforderlich ist, wird man einen größeren Hohlleiterdurchmesser vorsehen (siehe zweites Ausführungsbeispiel in Fig.8).
Die Richtdiagramme zeigen, daß der Strähler breitbandig einsetzbar ist. Die Form der Hauptkeule (Fig.6) ist bis zum 15-dB-Punkt (typischer Wert für den Randabfall bei der Ausleuchtung eines primärfokus-gespeisten Parabolspiegels) in der H- und E-Ebene nahezu gleich und kaum frequenzabhängig. Zwischen 9 und 11 GHz ist die maximale Kreuzpolarisation in der 45°-Ebene (Fig. ₇) deutlich besser als-40 dB. Werte der Kreuzpolarisation um-45 dB und darunter liegen an der Grenze des Auflösungsvermögens des verwendeten Meßplatzes, wobei dann die Beiträge durch

- die echofreie Meßkrammer,
- die dem Erreger nachgeschalteten Hohlleiterkomponenten,
- die Fehlpolarisation der Sendeantenne,
- Ausrichtfehler von Sendeantenne und Meßobjekt

_Fig. 8 zeigt den maßstäblichen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Diese Strahler wurde ebenfalls für geringe Kreuzpolarisation entworfen. Er hat die gleiche Aperturgröße und eine ähnlichen Konturverlauf wie der Strahler nach Fig. 3, aber einen größeren Speisehohleiterdurchmesser. Um wiederum breitbandig niedrige Kreuzpolarisation zu erreichen, mußte vornehmlich die Rillentiefe modifiziert werden.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Bemessung (Abmessungen in mm) für eine Rillenzahl von n = 7, einen Speisehohlleiterradius von a_i = 15 mm und einen äußeren Radius eines Rillenhorns von a_a = 41,0 mm.

(Siehe Tabelle Seite 5 f.)

Wegen der sehr guten Übereinstimmung zwischen den gemessenen und den mittels Rechnersimulation gewonnenen Eigenschaften der erfindungsgemäß ausgebildeten Rillenhörner nach Fig. 3 (vgl. Fig. 4 bis 7) ist für den Strahler nach Fig. 8 auf die Herstellung eines Modells verzichtet worden. Die in Fig. 9 angegebenen Daten sind Ergebnisse der Rechnersimulation. Für die Hauptpolarisation dieses Strahlers erhält man bei der Entwurfsfrequenz von 10 GHz gemäß Fig. 9 nahezu die gleiche Richtcharakteristik wie beim Strahler nach Fig. 3, aber etwas höhere Fehlpolarisation. Wie man der nachstehenden Tabelle entnehmen kann, ist die maximale Kreuzpolarisation bei diesem Strahler aber weniger frequenzabhängig. Dieses Verhalten trifft in gleicher Weise auch für die Keulenbreite zu. Durch den größeren Durchmesser des Speisehohlleiters konnte die Reflexionsdämpfung deutlich verbessert werden.
Die behandelten Ausführungsformen gehen von einem rotationssymmetrischen Aufbau des Hornstrahlers aus. Ohne das Lösungsprinzip der Erfindung zu verlassen, sind jedoch auch Ausführungen mit elliptischem oder rechteckigem Querschnitt denkbar. Neben der in Fig.2 gezeigten dielektrischen Abdeckung in der Apertur ist auch ein den Trichter ausfüllender dielektrischer Einsatz anwendbar.

Claims

1. Hornstrahler, bei dem die sich trichterförmig erweiternde Innenwand des Horns mit parallel zur Strahlerachse eingeschnittenen Rillen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der zwischen den Rillen verbleibenden Trennwände jeweils senkrecht zur Strahlerachse verlaufen und daß die Trichterkontur durch den axialen Abstand (1₁, ... In) dieser Stirnflächen voneinander bestimmt ist (Fig. 2).

2. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe und die Weite der Rillen und die Stärke der Trennwände zwischen den Rillen sowie die axialen Abstände der Stirnflächen voneinander entlang der Kontur kostant gehalten sind und demzufolge die durch die Stirnflächen der Trennwände festgelegte Kontur des Horns kegelförmig ausgebildet ist (Fig. 2).

3. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe und/oder Weite der Rillen und/oder die Stärke der Trennwände zwischen den Rillen entlang der Kontur entsprechend den gewünschten elektrischen Eigenschaften des Strahlers (Richtdiagramm für Hauptpolarisation, Größe der maximalen Fehlpolarisation, Eingangsreflexion) gestuft ausgebildet sind.

4. Hornstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Stirnflächen der Trennwände festgelegte Kontur des Horns glockenförmig ausgebildet ist (Fig. 3, 8).

5. Hornstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Stirnflächen der Trennwände festgelegte Kontur des Horn flaschenhalsförmig ausgebildet ist.

6. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn kreisförmigen Querschnitt aufweist (Fig. 2, 3, 8).

7. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn elliptischen Querschnitt aufweist.

8. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichneet, daß das Horn rechteckigen Querschnitt aufweist.

9. Hornstrahler nach Anspruch 1, 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in seiner Apertur eine dielektrische Abdeckung vorgesehen ist (Fig. 2).

10. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Trichter ausfüllender dielektrischer Einsatz vorgesehen ist.