DE1107736B - Hornstrahler mit rechteckigem Querschnitt fuer Mikrowellen - Google Patents

Description

Bei bekannten Radarsystemen treten Reflexionen nicht nur an den gewünschten Zielen, sondern auch an Niederschlagsfeldern auf. Diese letzteren Reflexionen werden auch vom Beobachtungsschirm angezeigt und verdecken ganz oder teilweise die in diesem Bereich liegenden Ziele, so daß, mit der Ausnahme von Radargeräten für die Wetterbeobachtung, die Anzeige der gewünschten Ziele nachteilig beeinflußt wird.

Zur Beseitigung dieser nachteiligen Folgen atmosphärischer Einflüsse wurde bereits vorgeschlagen, mit dem Antennensystem des Radargerätes Energie in zirkulär polarisierter Form und nur in einer Drehrichtung auszusenden und zu empfangen. Dieses Verfahren geht dabei von dem Umstand aus, daß im allgemeinen Regentropfen eine symmetrische, die gewünschten Ziele eine unsymmetrische Gestalt aufweisen. Trifft die zirkulär polarisierte Energie auf einen Regentropfen, so ist wegen dessen symmetrischer Gestalt die reflektierte Energie ebenfalls zirkulär polarisiert, jedoch in entgegengesetzter Drehrichtung, und wird deshalb vom Antennensystem .abgewiesen. Trifft die ausgesendete Energie auf ein unsymmetrisches Ziel, so wird sie in elliptisch polarisierter Form reflektiert. Eine elliptisch polarisierte Welle kann man sich in zwei Komponenten zerlegt vorstellen, die jeweils kreispolarisiert sind, entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen und verschiedene Amplituden haben. Die Komponente, deren Drehrichtung der ausgesendeten Energie entspricht, wird vom Antennensystem aufgenommen und gelangt zur Anzeige. Auf diese Weise können störende Reflexionen vom Beobachtungsschirm ferngehalten werden.

Es sind Antennensysteme, insbesondere in Verbindung mit Hornstrahlern bekannt, die Energie in zirkulär polarisierter Form nur in einer Drehrichtung abstrahlen und aufnehmen. Der Nachteil dieser bekannten Anordnungen besteht jedoch darin, daß deren Frequenzbereich sehr klein ist und daß nur die Strahlenmitte die Energie zirkulär polarisiert enthält, diese an den Strahlrändern dagegen elliptisch polarisiert ist. Dies führt dazu, daß die ausgesendeten Randstrahlen an symmetrischen Objekten Reflexionen ergeben, die eine unerwünschte Anzeige liefern.

Die Strahlensysteme von Radaranlagen sind üblicherweise so ausgelegt, daß die Breite des ausgesendeten Strahles in horizontaler Richtung geringer ist als in vertikaler. Dies ist bei den bekannten Hornstrahlern und bei Zirkularpolarisation nicht möglich, da bei einer vorgegebenen Öffnung (apertur) des Horns die Strahlbreite wesentlich weiter ist, wenn Hornstrahler mit rechteckigem Querschnitt
für Mikrowellen

Anmelder:

The Bendix Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. K.-A. Brose, Patentanwalt,
Pullach bei München, Wiener Str. 1/2

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Oktober 1956

Alvin William Moeller, Baltimore, Md.,
und Edgar Grogan Shelor jun., Timonium, Md.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

die Öffnung in die Η-Ebene fällt als es der Fall ist, wenn die Öffnung in die Ε-Ebene fällt.

Die vorstehenden Nachteile werden bei einem Hornstrahler mit rechteckigem Querschnitt fürMikrowellen, dessen Speiseleitung zirkulär polarisierte Wellen nur in einer Drehrichtung durchläßt, erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß senkrecht auf den vier Innenflächen des Hornstrahlers gleich weit voneinander entfernte parallele Rippen angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, daß die Strahlungscharakteristik der Wellen von ihrer Polarisation unabhängig ist.

Vorteilhaft weisen dabei die Rippen eine solche Höhe auf, daß der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Rippen im wesentlichen gleich der gewünschten Öffnung (apertur) in dieser Richtung ist.

An das verjüngte Ende des Horns kann sich ein Wellenleiterabschnitt mit rechteckigem Querschnitt anschließen, durch den die empfangene und die ausgesendete Energie hindurchtritt. Von der Ober- und Unterseite erstrecken sich Vorsprünge in das Innere des Wellenleiters, die eine Phasenverschiebung der durchtretenden Wellen bewirken. Es kann so die unterschiedliche Phasenverschiebung ausgeglichen werden, die durch die ungleichen Seitenabmessungen des Trichters entsteht. Vorteilhaft werden deshalb

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die Vorsprünge so bemessen, daß sie der durchgehenden Energie eine differentielle Phasenverschiebung erteilen, die gleich groß und entgegengesetzt gerichtet wie die Phasenverschiebung ist, die die Energie erfährt, die das Horn passiert. Bevorzugt weisen die Rippen kreisbogenförmige Gestalt auf.

Die Erfindung wird beispielsweise nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht des erfindungsgemäßen Hornstrahlers mit Speisevorrichtung, wobei die Innenumrisse in gestrichelten Linien dargestellt sind, und

Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht des Hornstrahlers der Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist einen Eingangsabschnitt 1 mit rechteckiger Wellenhohlleitung auf, in der Energie der TE₀₁-Ad: der Zuleitungseinrichtung zugeführt wird. Dieser Abschnitt ist mit einer dreistufigen Übertragereinheit 2 verbunden, deren Innenquerschnitt aus drei elliptischen Abschnitten 3, 4 und 5 besteht, die sich progressiv einem kreisrunden Querschnitt annähern.

An diese Einheit schließt sich ein runder Hohlwellenleiterabschnitt 6 an mit zwei Verkürzungsstäben?, die waagerecht in radialer Richtung nahe am Eingangsende angeordnet sind. Diese Stäbe sind einander parallel und haben einen Abstand von einer Viertellängenwelle. An dem anderen Ende befindet sich an der unteren Seite eine Abzweigung 10, die in einer Dämpfungsbelastung 11 endet. Direkt darüber befindet sich eine Kondensatorschraube 12.

Der Abschnitt 6 ist mit einem drehbaren Polarisationsabschnitt 13 runder Wellenleitung verbunden, der eine sich in der Längsrichtung von Wand zu Wand erstreckende dielektrische Polarisationsplatte 14 enthält. Die Platte ist so entworfen, daß sie sich jeder Polarisation gut anpaßt. Dies wird durch tiefe V-förmige Ausschnitte 15 an den Enden erreicht, wobei die Kanten dieser Ausschnitte abgeschrägt sind. Der Polarisationsabschnitt kann von Hand oder bei Bedarf durch mechanische Einrichtungen gedreht werden, damit man entweder eine senkrechte oder eine kreisförmige Polarisation erhält.

Alle bisher beschriebenen Abschnitte können mit üblichen Flanschen versehen werden, um Verluste auf ein Minimum zu reduzieren.

An den Polarisationsabschnitt schließt sich ein Abschnitt 16 quadratischer Wellenleitung an. An der Ober- und Unterseite dieses Abschnittes innen befinden sich zwei Rippen 17, deren innere Flächen kreisbogenförmig gekrümmt sind.

Der Abschnitt 16 ist mit dem engen Teil 20 eines Zuleitungstrichters 21 verbunden. Die Gestalt dieses Trichters ist eingehender in Fig. 2 dargestellt. Die Proportionen dieses dort abgebildeten Trichters wurden so gewählt, daß sich eine primäre Zuleitungsgestalt mit einer Strahlbreite von 10 db und 66° Höhe und 98° Breite bzw. Azimut ergibt. Der Trichter ist innen mit Rippen 22 versehen, damit sich die gleiche Figur im Trichter ungeachtet der Polarisation ergibt, und zwar in einer Weise, die später noch erläutert wird.

Bei Betrieb der beschriebenen Einrichtung wird die ankommende Energie in dem Abschnitt 1 aus der TE₀₁-Art in die TE₁₁-An umgewandelt, indem sie durch die dreistufige Übertragereinheit 2 geleitet wird. Die TE₁₁-WeIIe ist so orientiert, daß ihr elektrischer Vektor senkrecht gerichtet ist. Die dreistufige Querschnittsgestaltung wird dazu verwendet, eine größere Leistungsfähigkeit und eine breitere Bandübertragung zu erreichen, als es mit einer einzigen Stufe möglich wäre.

Die beiden waagerechten Verkürzungsstäbe 7 bestimmen die Wellenart, da sie alle waagerecht polarisierten Signale reflektieren und vertikale polarisierte Wellen sich ausbreiten lassen. Die Stäbe sind ein

ίο Viertel der Hohlraumwellenlänge voneinander entfernt. Ihre Reaktanzen heben sich auf. Die vertikal polarisierte Welle ist unkorrekt zur Kopplung in die Abzweigung 10 orientiert und wird daher in den Polarisationsabschnitt 13 weitergeleitet. Die Kondensatorschraube 12, die gegenüber der Abzweigung angeordnet ist, ist erforderlich, um die Suszeptanz der Belastungsabzweigung anzupassen.

Der Polarisationsabschnitt 13 kann so orientiert werden, daß die Symmetrieebene der dielektrischen Platte 14 entweder waagerecht oder in einem Winkel von 45° zur Senkrechten liegt. Im ersten Fall breitet sich die vertikal polarisierte TE₁₁-WeIIe ohne Änderung der Polarisation aus. Im zweiten Fall wird sie in zwei TE₁₁-artige Arten gleicher Amplitude auf-

gelöst, von denen eine parallel und die andere senkrecht zur Symmetrieebene der Scheibe polarisiert ist. Das Dielektrikum hat eine größere Wirkung auf die Hohlwellenlänge der parallel zur Symmetrieebene der Scheibe polarisierten Wellenart als auf die Wellenlänge der senkrecht zu dieser Ebene polarisierten Wellenart. Wenn die Länge der Scheibe genau gewählt wird, so ergibt sich eine Phasenverschiebung von 90^c zwischen zwei Wellenarten. Dies führt zu einer Kreispolarisation, da zwei Wellen gleicher Amplituden vorhanden sind, die um 90° in der Zeit- und Raumphase verschoben sind. Wenn diese beiden Wellen in den quadratischen, mit Rippen versehenen Abschnitt 16 gelangen, so werden sie in zwei Wellenarten umgewandelt, von denen eine senkrecht und die andere waagerecht polarisiert ist. Diese Wellenarten werden durch den mit Rippen versehenen Abschnitt übertragen und durch den Trichter 21 als kreispolarisierte Welle weitergeleitet. Die Rippen 17 wirken als Differentialphasenschieber, um die Differentialphasenverschiebung auszugleichen, die durch die ungleichen Seitenabmessungen des Trichters entsteht, der, was deutlich aus Fig. 2 hervorgeht, eine größere senkrechte als waagerechte Ausdehnung hat. Dieser Unterschied in den Abmessungen ist deshalb

so gewählt worden, damit man verschiedene Strahlbreiten m Höhe und Breite erhält. Die relative Phasenverschiebung jeder Komponente der kreispolarisierten Welle muß N π im Bogenmaß sein, wobei N eine ganze Zahl einschließlich Null ist.

Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, so wird die übertragene Welle nicht kreispolarisiert, selbst dann nicht, wenn die Welle den Polarisationsabschnitt 13 verläßt.

Bei dem Versuch, den Polarisationsabschnitt 14 zu verbreitern, wurde gefunden, daß zufriedenstellende Ergebnisse nicht eher erreicht werden konnten, bis das Einleitungsende der Zuleitungseinrichtung allen Polarisationen angepaßt war. Die Notwendigkeit hieraus ergibt sich aus der Tatsache, daß Reflexionen in dem Trichter einen Teil der kreispolarisierten Wellen durch die dielektrische Platte zurückreflektieren. Diese Welle wird elliptisch polarisiert und kann so analysiert werden, daß sie aus zwei

kreispolarisierten Wellen mit entgegengesetzter Drehrichtung zusammengesetzt ist. Die Welle, die mit der gleichen Drehrichtung wie die übertragene reflektiert wird, wird in eine TE₁₁-Wellenart umgewandelt, die horizontal polarisiert ist. Diese Welle wird durch die dreistufige Übertragungseinrichtung 2 reflektiert, die als Wellenleitung unter der Grenzfrequenz wirkt. Diese horizontal polarisierte Welle wird dadurch in eine kreispolarisierte Welle umgewandelt, daß sie wieder durch den Polarisationsabschnitt 13 geleitet wird. Die Drehrichtung ist der der ursprünglichen Welle entgegengesetzt, und infolgedessen entsteht eine elliptisch polarisierte Welle. Dies kann korrigiert werden durch Einstellung des Polarisationsabschnittes zur Bildung einer elliptisch polarisierten Welle, die eine kreispolarisierte Welle erzeugt, wenn sie mit der reflektierten Welle kombiniert wird. Diese Korrektionsmethode jedoch ergibt ein System, das sehr empfindlich gegen Frequenzänderungen ist.

Die Ableitung 10 wirkt zur Korrektur dieser Tatsache, indem jede horizontal polarisierte Energie aus der runden Wellenleitung 6 ausgekoppelt wird. Dies ergibt ein Gegenstück für reflektierte Wellen ungeachtet ihrer Polarisation. Die waagerechten Verkürzungsstäbe 7 wirken als Kurzschluß für horizontal polarisierte Wellen. Sie hängen vorzugsweise von der dreistufigen Übertragungseinrichtung ab, da ihre wirksame Kurzschlußfähigkeit frequenzempfindlich ist.

Die Schrauben 19, die sich in den Seitenwänden des Trichterendes des Abschnittes 16 befinden, sind erforderlich, um den Trichter für horizontale Polarisation einzustellen.

Die neue Trichtergestalt wurde vorgesehen, um gleiche Trichterfiguren zu bekommen, ungeachtet der Polarisation und trotz einer Strahlbreite, die in senkrechter Richtung geringer als in waagerechter ist. Dies kann nicht mit den üblichen Trichtern erreicht werden, da die Strahlbreite für eine gegebene Öffnung viel breiter ist, wenn die Öffnung in der Η-Ebene ist, als wenn sie in der Ε-Ebene ist. Das gewünschte Ergebnis wird durch die Einführung der Rippen 22 in dem Trichter an allen vier Innenseiten ermöglicht. Diese Rippen ändern die Öffnung der Zuleitungseinrichtung wirksam in Abhängigkeit von der Polari- sation. Die Rippen wirken als Wellenleitung oberhalb der Grenzfrequenz, wenn das elektrische Feld mit ihnen parallel ist. Als Annäherung ist die Rippenhöhe so gewählt, daß der Abstand zwischen gegenüberliegenden Rippen gleich der gewünschten Öffnung in dieser Richtung ist. In der Praxis muß diese Höhe etwas wegen der Wirkung der Rippen in der anderen Ebene geändert werden. Die Rippen sind gerundet, um die Leistungsfähigkeit des Trichters zu erhöhen. Die Differentialphasenverschiebung, die in dem Abschnitt 16 erreicht wird, wird durch die Rippen 17 hervorgerufen. Die Rippen haben die Form eines Kreisbogens und haben daher ein sehr niedriges Interferenzwellenverhältnis und erzeugen eine Differentialphasenverschiebung in Abhängigkeit der Frequenz, die sich stark der des Trichters nähert und sie aufhebt.

Übliche Drosselflansche sollen an den Verbindungsstellen der Abschnitte 6 und 13 mit den sich daran anschließenden Abschnitten verwendet werden.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Hornstrahler mit rechteckigem Querschnitt für Mikrowellen, dessen Speiseleitung zirkulär polarisierte Wellen nur einer Drehrichtung durchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht auf den vier Innenflächen des Hornstrahlers gleich weit voneinander entfernte parallele Rippen angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, daß die Strahlungscharakteristik der Wellen von ihrer Polarisation unabhängig ist.

2. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen eine solche Höhe aufweisen, daß der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Rippen im wesentlichen gleich der gewünschten Öffnung (Apertur) in dieser Richtung ist.

3. Hornstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Horn eingespeiste oder vom Horn empfangene Energie einen Wellenleiterabschnitt mit rechteckigem Querschnitt passiert, der mit eine Phasenverschiebung bewirkenden Vorsprüngen versehen ist, die sich von den Ober- und Unterseiten des Wellenleiters nach innen erstrecken.

4. Hornstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Phasenverschiebung bewirkenden Vorsprünge so bemessen sind, daß sie der durchgehenden Energie eine differentielle Phasenverschiebung erteilen, die gleich groß und entgegengesetzt gerichtet wie die Phasenverschiebung ist, die die Energie erfährt, die das Horn passiert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 750 600;
LOnde Electrique, Bd. 35, 1955, S. 506 bis 514.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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