DE3540900A1

DE3540900A1 - Hornstrahler

Info

Publication number: DE3540900A1
Application number: DE19853540900
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Ing Wohlleben; Johann Mutschlechner
Original assignee: Individual
Current assignee: Richard Hirschmann & Co 7300 Esslingen De GmbH
Priority date: 1985-11-18
Filing date: 1985-11-18
Publication date: 1987-05-21
Also published as: DE3540900C2; WO1987003143A1; US4873534A; EP0245404A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hornstrahler zur Fokuserregung einer Reflektorantenne, mit einem im ausgangsseitigen Endbereich eines rohrförmigen Speisehohlleiters angeordneten Hornflansch, der sich von seinem am Speisehohlleiter gelegenen Hornschlund aus trichterförmig erweitert und auf seiner Trichterinnenseite parallel zur Achse des Speisehohlleiters ausgerichtete Rillen aufweist.

Bei einem derartigen bekannten Hornstrahler (DEOS 31 44 319), bei dem der Speisehohlleiter mit dem Hornschlund bündig abschließt, wird durch die achsparallele Ausrichtung der die Längsachse des Speisehohlleiters koaxial umgebenden Rillen der Trichterinnenseite eine Struktur angestrebt, die auf einfache Weise eine möglichst maßgenaue Fertigung der Rillen ermöglicht. Insbesondere soll eine derartige genaue Bemessung der Rillen erreicht werden, daß eine hohe Unterdrückung der Kreuzpolarisation stattfindet. Der bekannte Hornstrahler ist damit speziell darauf abgestimmt, ein Strahlungsdiagramm mit möglichst geringer Kreuzpolarisation zu liefern, wogegen die Flächenausleuchtung oder Belegung der von dem Hornstrahler zu erregenden Reflektorantenne weniger gewichtig ist.

Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, die Ausleuchtung tiefer Reflektorantennen oder Spiegel, insbesondere mit einem Verhältnis f/D≦ωτ0,35, wobei f die Brennweite und D die Öffnung des Spiegels ist, derart zu verbessern, daß ein hoher Flächenwirkungsgrad bei niedrigem Überstrahlungsgrad und hoher Nebenzipfeldämpfung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zwischen der Längsachse des Speisehohlleiters und der Trichterinnenseite eingeschlossene halbe Öffnungswinkel R _o des Hornflansches im Bereich von 70°≦ωτR _o≦ωτ80° liegt und der Speisehohlleiter vom TE₁₁-Wellentyp aus dem Hornschlund vorsteht, wobei dieser Hohlleiterüberstand auf eine der Apertur des Spiegels der Reflektorantenne entsprechende optimale Breite des Strahlungsdiagramms des Hornstrahlers eingestellt wird.

Hinsichtlich der Auslegung oder Belegung der Reflektorantenne, d. h. des Spiegels, bestünde der Idealzustand darin, eine gleichmäßige Ausleuchtungsfeldstärke auf dem gesamten Spiegel mit sprunghaftem Feldstärkeabfall auf Null am Spiegelrand zur Verfügung zu stellen. Dies würde vorraussetzen, daß der erregende Hornstrahler eine rotationskegelförmige Strahlungscharakteristik aufweist, die innerhalb ihres der Öffnung des Spiegels entsprechenden Öffnungswinkels eine konstante Ausleuchtungsfeldstärke liefert. Dieser Idealfall kann jedoch nicht verwirklicht werden und die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung wird insbesondere bei tiefen Spiegeln immer schwieriger. Überraschend hat sich jedoch gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Bemessung des Öffnungswinkels des Hornflansches und die geeignete Anpassung des Speisehohlleiterüberstandes gegenüber dem Hornschlund ungewöhnliche günstige Ausleuchtungseigenschaften erreicht werden können, die beispielsweise einen Flächenwirkungsgrad von 50 bis 60%, einen sehr hohen Überstrahlungswirkungsgrad (Überstrahlung des Spiegelrandes etwa 2%) und eine hohe Nebenzipfeldämpfung von etwa 25 dB beinhalten. Die Festlegung der vorstehend genannten Größen Flächenwirkungsgrad, Überstrahlungswirkungsgrad und Nebenzipfeldämpfung folgt dabei den auf dem Fachgebiet der Antennen üblichen Definitionen, wie sie beispielsweise JOHNSON, R. C., JASIK H. , Antenna Engineering Handbook, McGraw Hill New York, 1984, Seite 1-5 bis 1-7 oder A. W., MILNE, K., OLVER, A. D., KNIGHT, P., The Handbook of Antenna Design, Peregrinus, London, 1982, Vol. 1, Seite 21-24; beinhalten.

Besonders gute Ergebnisse werden für tiefe Spiegel in einem engeren Winkelbereich des Hornflansches erzielt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der halbe Öffnungswinkel R _o im Bereich von 73°R _o 76° liegt.

Ähnlich wurde auch für die Einstellung des Hohlleiterüberstandes ein bevorzugter Bereich gefunden, welcher derart bemessen ist, daß der Hohlleiterüberstand im Bereich von liegt, wobei λ o die Betriebswellenlänge und L der senkrechte Abstand zwischen der Aperturebene des Hornflansches und der Aperturebene des Hohlleiters ist und das Vorzeichen für außerhalb des zwischen dem Hornflansch und seiner Aperturebene eingeschlossenen Trichterinnenraums gelegene Abstände L positiv und für innerhalb des Trichterinnenraums gelegene Abstände L negativ gewählt ist.

Insbesondere ist die Erfindung in Zusammenhang mit einem Hornstrahler anwendbar, bei dem der Speisehohlleiter ein Rundhohlleiter ist. In diesem Zusammenhang erweist es sich sodann als zweckmäßig, daß der Hornflansch bezüglich der Achse des Speisehohlleiters rotationssymmetrisch ist. Insbesondere besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, daß der Hornflansch die Form des Mantels eines Rotationskegels aufweist.

Im Rahmen der Erfindung ist nicht nur vorgesehen, daß der Hohlleiterüberstand eine einmalige und bleibende Einstellung erfährt, sondern es ist in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens auch die Möglichkeit geschaffen worden, das Maß des Hohlleiterüberstandes bei Bedarf zu ändern und neu einzustellen. Diese weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Hornflansch auf dem Speisehohlleiter axial verschieblich ist.

Zur konstruktiven Durchführung dieses Gedankens ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der Hornflansch an einer auf dem Außenmantel des Speisehohlleiters formschlüssig geführten Hülse angeordnet ist. Hierdurch wird die hochfrequenzmäßige Verbindung des Hornflansches mit dem Speisehohlleiter sichergestellt und gleichzeitig eine Änderung des Hohlleiterüberstandes durch Verschiebung des Hornflansches ermöglicht.

Vorzugsweise ist zur Sicherstellung einer definierten hochfrequenzmäßigen Verbindung der Hornflansch mit einer auf dem Hohlleiteraußenmantel schleifenden Kontaktfeder verbunden.

Zur Durchführung einer genauen steuerbaren Verschiebung des Hornflansches auf dem Hohlleiter ist in einer praktischen Ausführungsform ferner eine elektrische Antriebseinrichtung für die Verschiebebewegung des Hornflansches vorgesehen. Diese ist zweckmäßig derart ausgebildet, daß der Hornflansch eine sich parallel zur Achse des Speisehohlleiters erstreckende Zahnstange aufweist, die mit einem von einem Elektromotor angetriebenen, bezüglich des Speisehohlleiters ortsfesten Zahnrad kämmt.

Schließlich wurden für praktische Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Hornstrahlers bestimmte, auf die Betriebswellenlänge normierte Abmessungsbereiche als besonders zweckmäßig gefunden. Diese bestehen darin, daß der Außendurchmesser des Hornflansches d _ges, der Innendurchmesser des Hohlleiters d _TE, die axiale Rillentiefe s, der radiale Rillenabstand b und die radiale Rillendicke t in den Bereichen liegen wobei λ o die Betriebswellenlänge ist.

Weitere Merkmale Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich einer erfindungswesentlichen Offenbarung aller im Text nicht erwähnten Einzelheiten ausdrücklich hingewiesen wird. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise längsgeschnittene Seitenansicht eines Hornstrahlers,

Fig. 2 ein E- und H-Ebenen-Diagramm des Hornstrahlers, wobei auf der Abszisse der gegen die Längsachse des Speisehohlleiters gemessene Abstrahlungswinkel und auf der Ordinate die unter diesem Winkel abgestrahlte Leistung aufgetragen ist.

Gemäß Fig. 1 weist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichneter Hornstrahler einen Speisehohlleiter 2 vom TE₁₁-Wellentyp auf, der in Form eines Rundhohlleiters mit zylindrischem Innenquerschnitt ausgebildet ist. Der auf die Betriebswellenlänge λ o normierte Innendurchmesser des Rundhohlleiters ist in Fig. 1 mit d _TE/λ o bezeichnet. Der Außenmantel 3 des Rundhohlleiters ist in seinem der in Fig. 1 rechts befindlichen Mikrowelleneinspeisungsseite abgewandten freien Endbereich als Gleitfläche ausgebildet, der sich axial von dem die Aperturebene 4 des Speisehohlleiters 2 festlegenden, offenen freien Ende 5 des Speisehohlleiters 2 bis zu einer Ringschulter 6 des Außenmantels 3 erstreckt.

Auf dem die Gleitfläche bildenden Endbereich des Außenmantels 3 ist ein Hornflansch 7 angeordnet, der eine auf der Gleitfläche formschlüssig geführte Hülse 8 aufweist, die den Außenmantel 3 des Speisehohlleiters 2 ringförmig umgibt. Zur Sicherstellung eines definierten Hochfrequenzkontaktes zwischen der Hülse 8 und dem Speisehohlleiter 2 ist in einer zum Außenmantel 3 offenen Ausnehmung 9 der Hülse 8 eine blattförmige Kontaktfeder 10 angeordnet, die unter Federandruck auf der Gleitfläche des Außenmantels 3 anliegt.

Der bezüglich der in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneten zentralen Achse dess Speisehohlleiters 2 rotationssymmetrische Hornflansch 7 erstreckt sich ausgehend von der Hülse 8 trichterförmig radial nach außen, wobei sich die Trichterform zum ausgangsseitigen freien Ende 5 des Speisehohlleiters 2 hin öffnet und mit der zentralen Achse 11 einen halben Öffnungswinkel R o einschließt. In der Trichterinnenseite des Hornflansches 7 sind Ausnehmungen in Form von bezüglich der zentralen Achse 11 konzentrischen Rillen 12 mit axialschnittlich rechteckigem Querschnitt vorgesehen. Die auf die Betriebswellenlänge λ o normierte radiale Weite dieser Rillen 12 ist in Fig. 1 mit b/λ o bezeichnet. Die einzelnen Rillen 12 sind durch axialschnittlich achsparallele Trennwände 13 in Form von ebenfalls bezüglich der zentralen Achse 11 konzentrischen Ringen gebildet, die einstückige Bestandteile des Hornflansches 7 darstellen. Die auf die Betriebswellenlänge λ o normierte radiale Dicke dieser Trennwände 13 ist in Fig. 1 d _a/ λ o den auf die Betriebswellenlänge normierten Außendurchmesser des Speisehohlleiters 2 im Bereich der auf den Außenmantel 3 ausgebildeten zylindrischen Gleitfläche.

Somit sind in dem Hornflansch 7 durch die dargestellten fünf Trennwände 13 von gleicher radialer Wandstärke 5 derartiger Rillen 12 voneinander getrennt, wobei die die axiale Tiefe der Rillen 12 bestimmenden Trennwände 13 jeweils die gleiche axiale Länge aufweisen, die bei Normierung auf die Betriebswellenlänge λ o in Fig. 1 mit s/λ o bezeichnet ist. Die radial äußerste Rille 12′ ist außen durch die zylindrische Außenwand 14 des Hornflansches 7 begrenzt, welche die gleiche radiale Dicke und die gleiche axiale Länge aufweist wie die Trennwände 13. Zwischen der radial innersten Trennwand 13′ und dem die Gleitfläche bildenden Außenmantel 3 des Speisehohlleiters 2 ist eine weitere ringförmige Ausnehmung 15 von axialschnittlich rechteckiger Form begrenzt, welche dieselbe radiale Weite aufweist wie die Rillen 12, 12′.

Die zum freien Ende 5 des Speisehohlleiters 2 weisenden freien Enden 16 der Trennwände 13, 13′ sowie der zylindrischen Außenwand 14 liegenden somit auf einer in Fig. 1 angedeuteten Geraden 17, die mit der zentralen Achse 11 des Speisehohlleiters 2 den halben Öffnungswinkel R o des Hornflansches einschließt. Somit sind diese freien Enden 16 jeweils um einen in Fig. 1 mit Δ _s bezeichneten Abstand gegeneinander versetzt. Die radial ausgerichteten Bodenflächen 18, 18′ der Rillen 12, 12′ und der ringförmigen Ausnehmung 15 sind demzufolge um den gleichen Betrag Δ _s axial gegeneinander versetzt. Die den freien Enden 16 entgegengesetzte Rückseite 19 des Hornflansches 7 ist axialschnittlich gesehen zur Geraden 17 parallel. Durch diese Ausgestaltung des Hornflansches ist ein Hornstrahler vom Hybridenwellentyp gebildet. Der halbe Öffnungswinkel R _o des Hornflansches liegt dabei im Bereich 70°≦ωτR _o≦ωτ80°, vorzugsweise in dem engeren Bereich von 73°R _o76°.

Die der Rückseite 19 entgegengesetzte Vorderseite des Hornstrahlers 1 ist mit einer dielektrischen Schutzabdeckung 20, etwa von zum Hornflansch 7 bezüglich einer Radialebene spiegelbildlicher Gestalt, abgeschlossen. Die Wandstärke der Schutzabdeckung 20 weist eine in Bezug auf die Betriabswellenlänge λ _o kleine Dicke auf. Die auf die Betriebswellenlänge normierte Dicke ist in Fig. 1 mit t _d/λ _o bezeichnet.

Wie weiter aus Fig. 1 hervorgeht, steht das die Aperturebene 4 festlegende freie Ende 5 gegenüber dem durch die Schnittlinie 21 der Geraden 17 mit dem Speisehohlleiter 2 gebildeten Hornschlund vor. Dieser Hohlleiterüberstand ist in Fig. 1 durch den auf die Betriebswellenlänge λ _o normierten axialen Abstand L/λ _o zwischen der durch das freie Ende 16 der zylindrischen Außenwand 14 des Hornflansches 7 bestimmten radialen Aperturebene 22 des Hornflansches 7 ausgedrückt. Als bevorzugter Bereich für den Hohlleiterüberstand wurde experimentell das Intervall -0,25L/λ _o+0,35 gefunden, wobei das Vorzeichen positiv gewählt ist, wenn die Aperturebene 4 des Speisehohlleiters 2 außerhalb des zwischen der Aperturebene 22 des Hornflansches 7 und den Bodenflächen 18, 18′ des Hornflansches 7 eingeschlossenen Raumes liegt und negativ gewählt ist, wenn die Aperturebene 4 des Speisehohlleiters 2 innerhalb dieses Raumes liegt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Hohlleiterüberstand ist demnach das Vorzeichen positiv.

Wie schließlich aus Fig. 1 noch hervorgeht, ist eine elektrische Antriebseinrichtung für die Verschiebebewegung des Hornflansches 7 auf dem Speisehohlleiter 2 vorgesehen. Diese weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine mit der Hülse 8 verbundene, sich axial erstreckende Zahnstange 23 auf, die mit einem von einem Elektromotor angetriebenen Zahnrad 24 kämmt. Der Elektromotor und das Zahnrad 24 sind durch ein Halteteil 25 ortsfest gelagert, das an einem radialen Flanschteil 26 an der Außenseite des Speisehohlleiters 2 festgelegt ist. Somit kann der Motor durch ein elektrisches Signal zu einer gesteuerten Drehung angeregt und dadurch der Hornflansch 7 auf dem Speisehohlleiter 2 axial verschoben werden.

Durch Versuchsreihen wurde festgestellt, daß bei der vorstehend angegebenen Bemessung des halben Öffnungswinkels R _o des Hornflansches 7 der Hohlleiterüberstand L/λ _o derart eingestellt werden kann, daß ein hoher Flächenwirkungsgrad mit hoher Nebenzipfeldämpfung und nur sehr kleiner Überstrahlung selbst für den Fall tiefer Spiegel, d. h. Spiegel, bei denen das Verhältnis von Brennweite f zur durch den Durchmesser des Spiegels bestimmten Apertur ≃0,35 ist (f/D≦ωτ0,35). Insbesondere wurden diese Versuche anhand verschiedener praktischer Modelle ausgeführt, bei denen der Gesamtdurchmesser d _ges des Hornflansches 7 normiert auf die Betriebswellenlänge λ _o im Bereich 1,86 d _ges/λ _o 3,6 lag und die in Fig. 1 definierten übrigen Abmessungen in den folgenden Bereichen lagen:

0,59 d _TE/λ _o 0,28, 0,25 s/λ _o 0,35
0,07 b/λ _o 0,12 und 0,016 t/λ _o - 0,024.

Ein derartiges Meßergebnis ist für eine Betriebsfrequenz von 10,69 GHz, also eine Betriebsfrequenz im X-Band, dargestellt. Der halbe Öffnungswinkel R _o des Hornflansches betrug dabei R _o = 73,5° und der Hohlleiterüberstand L = 2 mm. Auf der Abszisse ist der gegen die Längsmittelachse des Speisehohlleiters gemessene Abstrahlungswinkel und auf der Ordinate die unter diesem Winkel abgestrahlte Leistung in relativen Einheiten aufgetragen. Dabei geben die mit E und H bezeichneten Kurven jeweils die Meßwerte für die E- und H-Ebene wieder.

Üblicherweise wird für die Randbelegung des Spiegels der Reflektorantenne ein Intensitätsabfall von -14 dB gegenüber der zentralen Belegung als annehmbar erachtet. Unter Zugrundelegung dieses Kompromißwertes folgt aus Fig. 2, daß mit dem dort verwendeten Hornstrahler ein Spiegel mit einer Winkelöffnung von -86° bis +86° befriedigend ausgeleuchtet werden kann. Außerdem ist gemäß Fig. 2 innerhalb dieser -14 dB-Randbelegung die Abweichung zwischen der E-Ebene und der H-Ebene jedenfalls kleiner als 2 dB und genügt somit den üblichen Symmetrieforderungen für das Strahlungsdiagramm. Wie die Versuche ferner gezeigt haben, kommt es, wenn der Bereich 70°≦ωτR _o≦ωτ 80° verlassen wird, zu einer unzulässigen Symmetrieverschlechterung der E-Ebene gegen die H-Ebene. Außerdem findet eine starke Verengung des innerhalb der -14 dB-Randbelegung liegenden Winkelbereiches statt.

Schließlich haben die Versuche gezeigt, daß der beschriebene Hornstrahler sehr gute Bandbreiteneigenschaften besitzt. Beispielsweise haben die Messungen ergeben, daß die in der E-Ebene und der H-Ebene gemessene Leistung über eine Diagrammbandbreite von etwa 20% der Mittenfrequenz einen im wesentlichen flachen Frequenzgang aufweist. Die maximale Kreuzpolarisation ist besser als -18 dB im Vergleich zum Hauptkeulenmaximum der Nutzpolarisation. Die relative Impedanz- Bandbreite solcher Erreger kann durch Einsetzen einer schmalstegigen Blende etwa 1/4 der Hohlleiter-Wellenlänge nach innen von der Rundhohlleiter-Apertur 5 versetzt im Bereich ±5% unter -20 dB (Rückflußdämpfung) gehalten werden.

Claims

1. Hornstrahler zur Fokuserregung einer Reflektorantenne, mit einem im ausgangsseitigen Endbereich eines rohrförmigen Speisehohlleiters angeordneten Hornflansch, der sich von seinem am Speisehohlleiter gelegenen Hornschlund aus trichterförmig erweitert und auf seiner Trichterinnenseite parallel zur Achse des Speisehohlleiters ausgerichtete Rillen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Längsachse (11) des Speisehohlleiters (2) und der Trichterinnenseite eingeschlossene halbe Öffnungswinkel R _o des Hornflansches (7) im Bereich von 70°≦ωτR _o≦ωτ80°- liegt und der Speisehohlleiter (2) vom TE₁₁-Wellentyp aus dem Hornschlund vorsteht, wobei dieser Hohlleiterüberstand auf eine Apertur des Spiegels der Reflektorantenne entsprechende optimale Breite des Strahlungsdiagramms des Hornstrahlers (1) eingestellt wird.

2. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Öffnungswinkel R _o im Bereich von 73° R _o 76° liegt.

3. Hornstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiterüberstand im Bereich von liegt, wobei λ _o die Betriebswellenlänge und L der senkrechte Abstand zwischen der Aperturebene (22) des Hornflansches (7) und der Aperturebene (4) des Hohlleiters (2) ist und das Vorzeichen für außerhalb des zwischen dem Hornflansch (7) und seiner Aperturebene (22) eingeschlossenen Trichterinnenraumes gelegene Abstände L positiv und für innerhalb des Trichterinnenraumes gelegene Abstände L negativ gewählt ist.

4. Hornstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisehohlleiter (2) ein Rundhohlleiter ist.

5. Hornstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornflansch (7) bezüglich der Achse (11) des Speisehohlleiters (2) rotationssymmetrisch ist.

6. Hornstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornflansch (7) die Form des Mantels eines Rotationskegels aufweist.

7. Hornstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornflansch (7) auf dem Speisehohlleiter (2) axial verschieblich ist.

8. Hornstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornflansch (7) an einer auf dem Außenmantel (3) des Speisehohlleiters (2) formschlüssig geführten Hülse (8) angeordnet ist.

9. Hornstrahler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornstrahler (7) mit einer auf dem Hohlleiteraußenmantel (3) schleifenden Kontaktfeder (10) verbunden ist.

10. Hornstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Antriebseinrichtung für eine Verschiebebewegung des Hornflansches (7) vorgesehen ist.

11. Hornstrahler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornflansch (7) eine sich parallel zur Achse (11) des Speisehohlleiters (2) erstreckende Zahnstange (23) aufweist, die mit einem von einem Elektromotor angetriebenen, bezüglich des Speisehohlleiters (2) ortsfesten Zahnrad (24) kämmt.

12. Hornstrahler nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Hornflansches d _ges der Innendurchmesser des Hohlleiters d _TE, die axiale Rillentiefe s,
der radiale Rillenabstand b und die radiale Rillendicke t in den Bereichen liegen, wobei λ _o die Betriebswellenlänge ist.