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(11) | EP 0 079 533 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Hornstrahler |
| (57) Bei einem Rillenhornstrahler ist die sich trichterförmig erweiternde Innenwand des
Horns mit parallel zur Strahlerachse eingeschnittenen Rillen versehen. Die Trichterkontur
wird durch den axialen Abstand (e) der Stirnflächen voneinander bestimmt. Durch die
vorgeschlagene Ausgestaltung der Innenwand des Horns ist es ohne Komplizierung des
Herstellungsprozesses möglich, nicht nur kegelförmige, sondern auch speziell gekrümmte
Trichterkonturen mit glocken- bzw. flaschenhalsförmigen Verlauf zu erzeugen. Dazu
kann sowohl die Tiefe (t) als auch die Weite der Rillen und ggf. die Stärke der Trennwände
zwischen den Rillen entlang der Kontur entsprechend den gewünschten elektrischen Eigenschaften
des Strahlers gestuft ausgebildet sein. Neben dem rotationssymmetrischen Aufbau des
Horns ist auch ein Aufbau mit elliptischem oder rechteckigem Querschnitt denkbar.
Der Hornstrahler kann eine dielektrische Abdeckung in der Apertur oder einen den Trichter
ausfüllenden dielektrischen Einsatz aufweisen. |
[0001] Die Erfindung betrifft einer Hornstrahler, bei dem die sich trichterförmig erweiternde Innenwand des Horns mit Rillen versehen ist.
[0002] Im Kikrowellenbereich finden derartige Rillenhörner wegen ihrer günstigen Eigenschaften häufig Anwendung. Sie weisen bei geeigneter Dimensionierung 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 Iransactions Vol. AP-26, No. 2, March 1978, S. 367 bis 372), daß die Rillentiefe zwischen der Apertur (Rillentie ≥ ein Viertel der wellenlange) und dem Hals des Horns (Rillentiefe ≤ eine halbe wellenange) kontinuierlich verändert werden sollte. Aus der Literatur sind drei verschiedene Möglichkeiten bekannt, die Rillen in der Trichterwand anzubringen.
[0003] Diese drei bekannten Ausführungsformen nach verschiedenen Fundstellen sind zur besseren Übersicht in einer einzigen und demzufolge fiktiven Fig. 1 zusammengefaßt.
[0004] Die Anordnung der Rillen senkrecht zur Trichterwand (nach 1 in Fig. 1) ist für alle Trichteroffnungswinkel α geeignet (DE-OS 28 36 869). Die Anbringung senkrecht zur Strahlerachse (nach 2 in. FIg.) 1) ist für kleine Öffnungswinkel α vorzuziehen (DE-OS 26 50 388, DE-OS 29 30 932, DE-OS 25 09 619, DE-AS 26 23 755, DE-AS 25 25 358). Die Anbringung parallel zur Strahlerachs e (nach 3 in Fig. 1) ist hingegen für große Öffnungswinkel α vorzuziehen (NTG-Fachberichte Antennen, Band 57, Seite 84, Bild 5).
[0005] In sehr schlanken Hornern (α→0) entspricht die Rillenkonfiguration nach 1 derjenigen nach 2 in Fig. 1, in weit geöffneten Hornern (α→π/2) derjenigen nach 3. Bei Rillenhörnern, die so kompakte Abmessungen haben, daß sie aus einem einzigen Metallblock durch Drehen hergestellt werden können, mup bei Verwendung von Rillenanordnung 1 oder 3 zunächst die (kegel-, glocken- oder flaschenhalsfömige) Trichterkontur erzeugt werden und erst danach können die Rillen eingestochen werden.
[0006] 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 Ereiszylinderstucke 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 unwesentlich kleiner ist als der Radius des Speisehohlleiters.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rillenhorn auszuzeigen, bei dessen Herstellung die vorab aufgeführten Schwierigkeiten auf einfache Weise umgangen werden.
[0008] 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 dadurchigelost, 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).
[0009] Neben der leichteren Herstellbarkeit weisen die erfindungsgemäß ausgebildeten Rillenhornstraller noch folgende Vorteile auf:
(1) Dureh 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 Hrstellungsprozesses möglich, nicht nur kegelförmige, sondern auch bekannte speziell gekrümmte Tricterkonturen mit Flaschenhals-(z.B. DE-AS 26 23 755) oder Glockenform zu erzeugen. Von dieser Möglichkeit muB man Gebrauch machen, wenn mit einem Rillenhornstrahler großen Öffnungswinkels und kurzer Baulange niedrige Kreuzpolarisation erreicht werden soll.
(3) Zur Verbesserung der Anpassung des Hornstrahlers können einzeln wie auch kombiniert alle bekannten maBnahmen 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 (DE-OS 29 20 757),
- tiefere (auch schmalere und enger beieinander liegnde) Rillen als im übrigen Teil des Horns (IEEE Iransactions, Vol. AP-26, Xr. 2, Karch 1978, S. 367 bis 372),
- hinterdrehte Rillen (IEEE Iransactions, vol. AP-24, No. 6, November 1976, S. 786 bis 792; DE-OS 28 36 869),
-flaschenhalsförmige Konturierung der Enden der Rillenzwischenwände (DE-AS 26 23 755; DE-OS 26 50 388).
(4) Nur infolge der einfachen Geometrie der erfindungsgemäE aufgebauten Rillenhörner sind deren genaue numerische Berechnung und Optimierung der Strahlungseigen- schaften des Horns unter Berücksichtigung
- der Reflexion und Wllentypwandlung 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 Millimeterwellen) bzw. für größere Stückzahlen (im Richtfunk und für kleine Bodenstationen mit Primarfokuserregang) eignen.
[0010] Die Erfindung wird anhand von Fig. 2 bis 9 näher beschrieben. Es zeigen '
Fig. 1 die bereits behandelte Darstellung der AusführungBformen nach dem Stand der technil
Fig. 2 den schematischer Aufbau der erfindungsgemab ausgebildeten rillenhornstrahler (im Längsschnitt),
Fig. 3 als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Rillenhornstrahler mit speziell geformter Trichterkontur,
Fig. 4 die Richtdiagramme (Hauptpolarisation (CP). in der E- und H-Ebene, Krenzpolarisation (XP) in der 45°-Ebene) des Strahlers nach Fig. 3 für 10 GHz,
Fig. 5 den Frequenzgang der Reflerionsdampfung für den Strahler nach Fig. 3,
3-dB, Fig. 6 den Freonenzgang derγ5-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,
Fig. 7 den Frequenzgang der maximalen Kreuzpolarisation (XPmax) in der 45°-Ebene für den Strahler nach Fig. 3,
Fig. 8 als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Rillenhornstrahler mit gegenüber Fig. 3 größerem Hohlleiterdurchmesser
Fig. 9 die Richtdiagramme (Hanptpolarisation (CP) in der E- und H-Kbene, Kreuzpolarisation (XP) in der 45°-Ebene) des Strahlers nach Fig. 8 für 10 GHz.
[0011] In Fig. 2 ist schematisch ein Längsschnitt durch einen Rillenhornstrahler gemäß der Erfindung dargestellt. Die Innenwand des Horns wird durch eine größere Zahl n Koaxial angeordneter Rillen gebildet, deren frennwande in Stirnflächen enden, die senkrecht zur Strahlerlängsachse verlaufen.
[0012] In der grundsätzlichen Derstellung der Fig. 2 ist von einer konstanten Tiefe und Weite der Rillen und einer konstanten Stärke der Trennwände ausgegangen. Der ariale Abstand der Stirnflächen voneinander ist ebenfalls konstant. Demzufolge ist die Trichterkontur kegelförmig. In den später gezeigten Ausführungsformen sind diese Abmessunen jedoch nicht notwendigerweise konstant.
[0013] Zur eindeutigen Festlegang der für die weiteren Ausführungsformen (Fig. 3 und 8) in Tabellenform angegebenen Abmessnngen ist in Fig. 2 jede der n Rillen, vom Speisehohlleiter mit dem Innenradius ai beginnend, mit einer Ordnungszahl 1 bis n belegt; a'1 ist demzufolge der innere Radius der ersten Rille, a"1 deren äußerer Radius. Entsprechendes gilt für die Radien der äußersten Rille a'n bzw. a"n, aa ist der äußerste Radius des Rillenhorns. Die Tiefe der Rillen ist mit t1 bis tn bezeichnet, die Stirnflächen haben voneinander jeweils einen axialen Abstand la bis ln.
[0014] Der axiale Abstand dieser Stirnflächen bestimmt die Trichterkontur, deren Verlauf keiner prinzipiellen Einschränkung unterliegt. Technisch interessante Ausführungsformen sind durch die Einhaltung der Bedingung 1k ≧ 0, k = 1,2, ... n gekennzeichnet. Für derartige Rillenhörner ist ein Analyseverfahren zur Simulation der elektrischen Eigenschaften (Strahlnngsverhalten, Anpassung des Speisehohlleiters) entwiekelt worden, mit dem sich diese Strahler unter ßeräcksichtigung 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 Branchbarkeit der erfindungsgemüß ausgebildeten Rillenhörner unter Beweis gestellt werden.
[0015] Fig. 3 zeigt den maßstäblichen Längsschnitt eines Rillenhorns mit kleiner Apertur (Durchmesser 79 mm =̂ 2,63λ bei 10 GHz) und kurzer Baulänge (
1 k = 21 mm =̂ 0, 7λ bei 10 GHz), das für geringe Ereuzpolarisation 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 Abständeder Stirnflächen voneinander. Ausgegangen wird von einer Rillenzahl von n = 8, einem Speisehohlleiterradius ai von 11,5 mm und einem äußeren Radius des Rillenhorns von aa = 41 mm. - .
[0016] 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 ans. Die Frequenzgänge der Reflexionsdämpfung, der Keulenbreiten und der marimalen Fehlpolarisation sind in Fig. 5 bis 7 wiedergegeben. Die Eingangsreflexion des Strahlers (Fig. 5) wurde durch Verwendung tieferer Rillen am Hornhals optimiert; sie ist im wesentlichen durch das Verhältnis ai/λ bestimmt. Für Anwendungen, bei denen eine bessere Anpassung erforderlich ist, wird man einen größeren Hohlleiterdurchmesser vorsehen (siehe zweites Ausführungsbeispiel in Fig. 8).
[0017] 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 E- 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 Anflösungsvermögens des verwendeten Me Bplatzes, wobei dann die Beiträge durch
- die echofreie ME Bkammer,
- die dem Erreger nachgeschalteten Hohlleiterkomponenten,
- die Fehlpolarisation der Sendeantenne,
- Ausrichtfehler von Sendeantenne und Me Bobjekt
in der GröBenordnung der Fehlpolarisation des zu untersuchenden Strahlers liegen. Das Phasenzentrum des Strahlers liegt in der Öffnung des Speisehohlleiters, es ist in allen Richtungen (bis etwa zum 15-dB-Punkt der Hanptkeule) und innerhalb des angegebenen Frequenzbandes praktisch konstant (± 10° maximale Variation).
[0018] Fig. 8 zeigt den maßstäblichen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dieser Strahler wurde ebenfalls für geringe Ereuzpolarisetion entworfen. Er hat die gleiche Aperturgröße und einen ähnlichen Konturverlauf wie der Strahler nach Fig. 3, aber einen größeren Speisehohlleiterdurchmesser. Um wiederum breitbandig niedrige Krenzpolarisation zn erreichen, mußte vornehmlich die Rillentiefe modifiziert werden.
[0019] Die nachfolgende Tabelle zeigt die Bemessung (Abmessungen in mm) für eine Rillenzahl von n = 7, einen Speisehohlleiterradins von ai = 15 mm und einen äußeren Radins eines Rillenhorns von aa = 41,0 mm.
[0020] 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 Reflezionsdämpfung deutlich verbessert werden.
[0022] 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. Reben der in Fig. 2 gezeigten dielektrischen Abdeckung\ in der Apertur ist auch ein den Trichter ausfüllender dielektrischer Einsatz anwendbar.