EP0197350B1

EP0197350B1 - Doppelbandrillenhorn mit dielektrischem Abgleich

Info

Publication number: EP0197350B1
Application number: EP86103404A
Authority: EP
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. Tauscheck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-03-14
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1990-02-28
Anticipated expiration: 2006-03-13
Also published as: DE3509259A1; EP0197350A1; AU5467986A; AU582630B2; DE3669237D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Doppelbandhornstrahler, bestehend aus einem sich an einen Speisehohlleiter kreisförmigen Querschnitts anschließenden Übergangsteil und einem Horn, dessen sich trichterförmig erweiternde Innenwand mit Rillen versehen ist, für zwei auseinanderliegende Frequenzbänder.
Im Mikrowellenbereich finden derartige Rillenhörner wegen ihrer günstigen Eigenschaften häufig Anwendung. Sie weisen bei geeigneter Dimensionierung in einem breiten Frequenzband eine gute Anpassung sowie Richtcharakteristiken mit hoher Axialsymmetrie und geringer Kreuzpolarisation auf. Zur Erreichung dieser Eigenschaften müssen die Rillenabmessungen genau dimensioniert sein.
Bei der Dimensionierung von Doppelbandrichtfunkantennen werden als Erreger für das Spiegelsystem vorwiegend kurze Rillenhornstrahler verwendet, da Hörner mit großen Öffnungswinkeln. d. h. > 30°, gute Diagrammeigenschaften über einen weiten Frequenzbereich bei kurzer Baulänge ermöglichen. Dabei ist es bei Serienantennen wichtig, daß keine mechanisch zu komplizierten Strukturen der Rillen und der Übergangszone vom Speisehohlleiter zum Rillenteil des Horns benötigt werden, da sonst das Horn in aufwendiger Weise aus mehreren Paßteilen zusammengesetzt werden muß. Insbesondere die Optimierung des Reflexionsfaktors in zwei um den Faktor 1,7 auseinanderliegenden Frequenzbändern auf Werte unter 3 % ist beim Entwurf der Hörner nach bekannten Dimensionierungsregeln durch einfaches Variieren der Rillen und der Übergangsform im Metallkörper des Horns nicht gewährleistet. Bei trockenluftgeschützten Antennenzuleitungen ist zudem die Druckabdichtung am Horn, üblicherweise eine dielektrische Platte, in den Reflexionsabgleich miteinzubeziehen, deren Kompensation bei hohen Bandbreiten schwierig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hornstrahler der eingangs beschriebenen Art so zu gestalten, daß eine Optimierung der Reflexion in zwei unterschiedlichen Frequenzbändern in einfacher Weise erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß der Übergangsteil sich nach einer B_o. e^K · ^xn-Kurve (B_o = Speisehohlleiterdurchmesser, x = Längsausdehnung des Horns, K = Koeffizient mit dem Wert « 1, n = Koeffizient mit einem Wert 2 < n < 8), in der Weise erweitert, daß der Öffnungswinkel bei der ersten Rille des Horns 0,5 ± 0,2 mal dem stetigen Öffnungswinkel des Horns entspricht und daß der dem Horn zugekehrte Endbereich des Übergangsteils auf einer Länge von S₀/8 bis So/3 (So = Länge des Übergangsteils) mit einem Dielektrikum niedriger Dielektrizitätskonstante (_Er1 < 1,3) ganz oder teilweise ausgefüllt ist, in der Weise, daß eine Teillänge des Dielektrikums niedriger Dielektrizitätskonstante ersetzt ist durch wenigstens eine dünne Scheibe eines Materials höherer Dielektrizitätskonstante (_Er2 - 2,5 bis 4,7) zur Erfüllung der Funktion einer reflexionsoptimierten Druckabdichtung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Hornstrahler mit Übergangsteil und Horn in einer geschnittenen Teildarstellung und
Fig. 2 den mit Dielektrikas gefüllten Endbereich des Übergangsteils.

Der in Fig. 1 dargestellte Hornstrahler besteht aus einem Übergangsteil 1 der Länge So und einem Horn 2 (Rillenteil). Der Durchmesser des Übergangsteils 1 im Anschlußbereich des Speisehohlleiters in der Fig. 1 an der Stelle x = o ist so dimensioniert, daß die Abhängigkeit des Feldwellenwiderstandes der Grundwelle H₁₁ im unteren Band vom Hohlleiterdurchmesser aus dem sehr steilen Bereich nahe der Grenzfrequenz herauskommt, die E₁₁-Welle im oberen Bereich jedoch möglichst noch nicht ausbreitungsfähig ist. Das Übergangsteil 1 erweitert sich bei x = o, ausgehend vom Durchmesser des Speisehohlleiters bis zu einem Durchmesser, bei dem die Bedingung fu/fc > 1.3 erfüllt ist (f_u = unterste Betriebsfrequenz, f_c = Grenzfrequenz der H₁₁-Welle) nach einer B_o. e^{K . xn}-Kurve in der Weise, daß der Öffnungswinkel bei der ersten Rille 0,5 * 0.2 mal dem stetigen Öffnungswinkel des folgenden Horns entspricht. Hierbei ist B_o der Speisehohlleiterdurchmesser, x die Längenausdehnung des Horns, K ein Koeffizient mit dem Wert « 1 und n ein Koeffizient mit einem Wert 2 < n < 8, beispielsweise 5. Statt einer stetigen Durchmessererweiterung werden zweckmäßigerweise im Übergangsteil Zylinderrohrbereiche mit konstanten Durchmessersprüngen verwendet. Dadurch wird die Lage des dielektrischen Körpers stabilisiert und die Herstellung der Anordnung vereinfacht. Der Übergangsteil 1 weist dabei einen flachen Anlauf auf, bei dem die Stufung erst nach etwa 2/3 seiner Länge beginnt. Das folgende Horn 2 ist entsprechend den bekannten Formeln und Rechenprogrammen zur Strahlungsoptimierung aufgebaut. Bei entsprechender Dimensionierung hat ein solches Horn typischerweise Reflexionsfaktoren von r < 10 % im unteren Band und r < 5 % im oberen Band.
Die am Hornknick und bei den ersten Rillen erzeugte Störung der Grundwelle H₁₁ im unteren Band wird in einem axial ausgedehnten Bereich im B_o- e^K · ^xn-Übergang mit einem sehr schwachen Hartschaumdielektrikum 3 (_Er1 < 1,3) am nächstmöglichen Ort im Übergang kompensiert. Das Dielektrikum 3 füllt dabei etwa das letzte Viertel des Übergangsteils 1 in Richtung des Horns 2 ganz oder teilweise aus. Wegen des großen Abstands der Frequenzbänder und damit des Hohlleiterwellenlängenverhältnisses Ä_HE₁ unten/ λH_E1 oben ist es möglich, die hervorgerufene Störung im oberen Band durch den axialen Abstand der Grenzflächen des schwachen Dielektrikums selbst kompensierend auszulegen. Dies ist erfüllt, wenn die mittlere elektrisch wirksame Länge des Dielektrikums 3 im gestuften Übergangsteil der Bedingung λH_ε1/2 für den oberen Betriebsfrequenzbereich entspricht. Die mechanische Länge S des durchgehenden schwachen Dielektrikums 3, d. h. des Dielektrikums mit niedriger Dielektrizitätskonstante, beträgt dabei je nach Lage der Frequenzbänder, der Übergangsdurchmesser und der Dielektrizitätskonstante _Er₁ etwa So/8 bis So/3, wenn So die Länge des Übergangs 1 ist.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Teillänge des Dielektrikums 3 mit niedriger Dielektrizitätskonstante εr1 durch eine dünne Scheibe 4 (Folie) mit höherer Dielektrizitätskonstante _Er2 (er₂- 2,5 bis 4,7) ersetzt. Dabei ist, wie Fig. 2 zeigt, das Dielektrikum 3 mit niedriger Dielektrizitätskonstante εr1 im Endbereich abgetragen, d. h. um die Länge S - S'o verkürzt, wobei S'o die verbleibende Länge des Dielektrikums 3 ist. Auf den reduzierten Endbereich des Dielektrikums 3 ist die dünne Scheibe 4 des Materials hoher Dielektrizitätskonstante _Er2 (Dicke So - S'_D) aufgebracht, die wesentlich dünner ist als die abgetragene Materialschicht. Durch diese Maßnahme wird die Kompensation im unteren Band kaum verändert, wenn die ersetzte Länge mit der Dielektrizitätskonstanten εr1 elektrisch dem Einfluß der dünnen Schicht mit der Dielektrizitätskonstanten _Fr2 entspricht, da die Phasen-Amplitudenänderung bei der großen Wellenlänge gering bleibt. Im oberen Band wirkt sich diese Anderung stärker aus, so daß verschiedene Dielektrizitätskombinationen, die im unteren Band nahezu gleich wirken, zum Restabgleich im oberen Band ausgelegt werden können. Die dünne Schicht mit der Dielektrizitätskonstanten _Er2 (z. B. bei einem Horn für 2,1 bis 2,3 Gigahertz und 3,4 bis 3,6 Gigahertz eine 0,1 mm dicke Glasfaserepoxidfolie mit εr2 = 4,7) wirkt nun zugleich als reflexionsoptimierte Druckabdichtung. Die dünne Schicht mit der Dielektrizitätskonstanten e_r2 kann auch an beiden Enden der Schicht mit der Dielektrizitätskonstanten _Er1 angelegt sein.
Der dielektrische Körper 3,4 wird in den Stufenübergang eingeklebt. Die Änderung des Strahlungsdiagramms gegenüber dem nicht abgeglichenen Horn ist gering und kann in der Regel vernachlässigt werden. Dies ist ein großer Vorteil bei der Dimensionierung des Rillenhorns, da z. B. Änderungen der ersten Rillen zur Verbesserung der Anpassung besonders im oberen Band starke Auswirkungen auf das Strahlendiagramm haben. Wird bei der Dimensionierung des Horns eine axiale Rillenstruktur gewählt, so ermöglicht die Art der Kompensation Rillenhörner ohne Hinterschneidungen ^*) und komplizierte Kurven zu bauen, so daß die Produktion in einem Stück als Drehteil möglich ist.
Der erfindungsgemäße Hornstrahler mit dem speziell ausgebildeten Übergangsteil dient somit in vorteilhafter Weise zum Feinabgleich des Reflexionsfaktors in zwei auseinanderliegenden Frequenzbändern in Rillenhörnern, die nach Gesichtspunkten der Strahlungsdiagrammoptimierung entworfen werden. Zugleich wird damit auch das Problem der Reflexion der Druckabdichtung in zwei Bändern gelöst. ^*) hinterdrehter Rillen

Claims

1. Doppelbandhornstrahler, bestehend aus einem sich an einen Speisehohlleiter kreisförmigen Querschnitts anschließenden Übergangsteil und einem Horn, dessen sich trichterförmig erweiternde Innenwand mit Rillen versehen ist, für zwei auseinanderliegende Frequenzbänder, dadurch gekennzeichnet daß der Übergangsteil (1) sich nach einer B_o · e ^xn-Kurve, mit Bo = Speisehohlleiterdurchmesser, x = Längsausdehnung des Horns, K = Koeffizient mit dem Wert « 1, n = Koeffizient mit einem Wert 2 < n < 8, in der Weise erweitert, daß der Öffnungswinkel bei der ersten Rille des Horns 0,5 ± 0,2 mal dem stetigen Öffnungswinkel des Horns entspricht und daß der dem Horn (2) zugekehrte Endbereich des Übergangsteils (1) mit der Länge So auf einer Länge von So/8 bis So/3 (So = Länge des Übergangsteils) durch ein Dielektrikum (3) von einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (εr1) von kleiner als 1,3 ganz oder teilweise ausgefüllt ist, in der Weise, daß die mittlere elektrisch wirksame Länge des Dielektrikums (3) im gestuften Übergangsteil der Bedingung λH_{ε1 oben}/2 für den oberen Betriebsfrequenzbereich genügt, wobei λH_ε1 oben die Wellenlänge der oberen Betriebsfrequenz ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teillänge des Dielektrikums (3) niedriger Dielektrizitätskonstante ersetzt ist durch wenigstens eine dünne Scheibe (4) eines Materials mit einer höheren Dielektrizitätskonstante (_Er2) von etwa 2,5 bis 4,7, zur Erfüllung der Funktion einer reflexionsoptimierten Druckabdichtung.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Scheibe (4) höherer Dielektrizitätskonstante an einer oder beiden Seiten des Dielektrikums (3) niedriger Dielektrizitätskonstante angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur des Übergangsteils nach dem Verlauf B_o · e in Stufen mit konstanten kleinen Durchmessersprüngen aufgeteilt ist.