Breitbandiger Mikrowellenstrahler

Abstract

 Der breitbandige Mikrowellenstrahler (1) für zwei Polarisationen (Primär = strahler) leuchtet einen rotationssymmetrischen Parabolreflektor aus Dieser soll zwei aufeinander senkrechte Linearpolarisationen von je einem separaten Antennenausgang mit hoher gegenseitiger Entkopplung und kleiner Reflexion abstrahlen und am offenen Hohlleiterende möglichst breitbandig angepaßt sein. Dazu ist ein Hohlleiter (1) quadratischen oder runden Querschnitts vor, gesehen dessen eine, dem Parabolreflektor (12) abgewendete Bodenfläche mit einer Metallplatte (2) abgeschlossen ist und an den, in Richtung der Hohlleiterachse gegeneinander versetzt und in Umfangsrichtung unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, zwei vorzugsweise als Koaxialleitungen ausgebildete Zuleitungen (3,5) angeschlossen sind. An der Innenwand des Hohlleiters (1) sind nahe der Öffnung, in Umfangsrichtung jeweils um 90° gegeneinander versetzt und einander gegenüberliegend, eine Doppelkapazität bildende Zylinder (8-8', 9-9', 10-10', 11-11') aus dielektrischem Material mit kleinen Verlusten paarweise in Richtung der Hohlleiterachse hintereinander angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen breitbandigen Mikrowellenstrahler (Primärstrahler) für zwei Polarisationen zur Ausleuchtung eines rotationssymmetrischen Parabolreflektors.

[0002] Durch das "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" von Meinke, H.; Gundlach, F.W., 2. Auflage, 1962, Seite 599 ist es beispielsweise bekannt, das offene Ende eines Hohlleiters direkt oder trichterförmig erweitert zur Abstrahlung leitungsgebundener Mikrowellen in den freien Raum zu benützen. Ein offenes Hohlleiterende hat jedoch eine hohe Reflexion mit starkem Frequenzgang insbesondere bei Annäherung an die Hohlleitergrenzfrequenz der abzustrahlenden Welle. Daher wird beim bekannten Hornstrahler der Hohlleiterquerschnitt stetig erweitert und dadurch die Reflexion reduziert. Dies hat jedoch auch zur Folge, daß die Hauptkeule der Strahlung wesentlich schmäler wird und sich außerdem eine stärkere Abschattung durch die erweiterte Hornapertur ergibt.

[0003] Bei einem offenen, abrupten Hohlleiterende liegt das Haupt- probl_'em darin, an der Übergangsstelle vom offenen Hohlleiterende in den freien Raum den hier bestehenden, stark frequenzabhängigen Wellenwiderstandssprung breitbandig anzupassen. Während nämlich der Wellenwiderstand des freien Raumes

[0004] frequenzunabhängig ist, hat der Quadrathohlleiter den für die Anpassung maßgebenden Leitungswellenwiderstand

[0005] Der Wellenwiderstandssprung ist

[0006] Der beschränkte Eindeutigkeitsbereich des Quadrathohlleiters zwingt dabei oft zu Betriebsfrequenzen knapp über der H10-Grenzfrequenz, wobei obiger Wellenwiderstandssprung stark ansteigt.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten, sehr breitbandigen Mikrowellenstrahler zu schaffen, der zwei aufeinander senkrechte Linearpolarisationen von je einem separaten Antennenausgang mit hoher gegenseitiger Entkopplung und kleiner Reflexion abstrahlt und dessen offenes, abruptes Hohlleiterende breitbandig möglichst gut angepaßt ist.

[0008] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Hohlleiter quadratischen oder runden Querschnitts, dessen eine, dem Parabolreflektor abgewendete Bodenfläche mit einer Metallplatte abgeschlossen ist und an den, in Richtung der Hohlleiterachse gegeneinander versetzt und in Umfangsrichtung unter einem Winkel von 90⁰ zueinander angeordnet, zwei vorzugsweise als Koaxialleitungen ausgebildete Zuleitungen angeschlossen sind und an dessen Innenwand nahe der Öffnung (Apertur), in Umfangsrichtung jeweils um 90° gegeneinander versetzt und einander gegen- überlieaend, Zylinder aus dielektrischem Material mit kleinen Verlusten paarweise in Richtung der Hohl.leiter- achse hintereinander angeordnet sind.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0010] Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0011] Es zeigen:

Fig. 1 eine Antennenanordnung mit einem Mikrowellenstrahler und einem rotationssymmetrischen Parabolreflektor und

Fig. 2 einen Mikrowellenstrahler in Einzeldarstellung.

[0012] In Fig. 1 ist eineantennenanordnung mit einem Mikrowellenstrahler 1 (Primärstrahler) und einem von diesem ausgeleuchteten rotationssymmetrischen Parabolreflektor mit einer ebenen Scheitelplatte 15 in der Mitte dargestellt. Der Primärstrahler wird von einer Stütze 13 gehalten, die durch eine Öffnung 14 des Parabolreflektors 12 hindurchgreift. Der Mikrowellenstrahler 1 ist im Ausführungsbeispiel als Hohlleiter quadratischen Querschnitts ausgebildet, der in Fig. 2 in Einzeldarstellung gezeigt ist.

[0013] Der Hohlleiter beim Mikrowellenstrahler ist an der dem Parabolreflektor abgewendeten Bodenfläche mit einer Metallplatte 2 abgeschlossen. Die Ein- und Auskopplung der beiden aufeinander senkrechten H₁₀-Polarisationen erfolgt mit je einer Koaxialleitung 3,5,die, in Richtung der Hohlleiterachse gegeneinander versetzt, zwei benachbarte Seitenwände jeweils in der Mitte der Hohlleiterseite durchdringen und deren verlängerter Innenleiter 4,6 als Koaxialsonde etwa.0,3a tief in den Hohlleiter hineinragt. a ist dabei die Innenseitenlänge der quadratischen Grundfläche des Hohlleiters. Die öffnungsnahe Koaxialsonde 4 regt mit ihrem senkrechten E-Feld die vertikal polarisierte H₁₀-Welle an. Außerdem erzeugt diese Sonde ein elektrisches Längsfeld, das im Quadrathohlleiter ein E₁₁-Störfeld zur Folge hat. Die Länge L_En des Quadrathohlleiterabschnittes von der Einmündung der öffnungsnahen Sonde 3 bis zur Apertur ist dabei so bemessen, daß seine aperiodische E₁₁-Dämpfung gemäß der Anforderung ausreichend groß ist, insbesondere an der kritischen oberen Bandgrenze f_ob(λ_ob) der Bedingung genügt:

wobei

[0014] In den Koaxialarmen, deren Länge ca. die Hälfte der Innenseitenlänge a beträgt, sind spezielle Transformatoren mit Induktivitäten L und Kapazitäten C untergebracht, die im Zusammenwirken mit der vorkompensierten Apertur die Breitbandanpassung des Strahlers ermöglichen. Im Abstand von etwa a/2 hinter den beiden Koaxialsonden 4,6 ist jeweils ein Kurzschluß angeordnet. Dieser wird für die öffnungsnahe Sonde 4 von einem senkrechten Querblech 7 gebildet, das etwa 0,25 a breit ist, und das die öffnungsferne Koaxiaisond-e praktisch nicht stört. Der Kurzschluß.für die öffnungsferne Koaxialsonde 6 ist die Metallplatte 2, die den Quadrathohlleiter hinten abschließt. Der Abstand zwischen dieser Metallplatte 2 und der Hinterkante des Querblechs 7 muß bei der höchsten Betriebsfrequenz f_ob kleiner als λ_Hob/2 sein. Bei der λ/2 Resonanz dieses beidseitig verschlossenen Raumes tritt nämlich ein starker Einbruch der Entkopplung zwischen beiden Polarisationen auf, und die Reflexion an den Koaxialzugängen steigt resonanzartig an.

[0015] Um die Koaxialzuleitun^gen gegenüber dem in Fig. 1 skizzierten Verlauf weiter zu verkürzen, ist es zweckmäßig, eine der beiden koaxialen Einkopplungen, vorzugsweise die öffnungsferne, unmittelbar vor der Einmündung in den Hohlleiter um 90⁰ abzuwinkeln und gegebenenfalls gleich in die Richtung der schrägen Stütze 13 zu schwenken, die den Mikrowellenstrahler in seiner Position hält. Dies ermöglicht die Verwendung gerader, starrer Koaxialzuleitungen mit kleinstmöglicher Dämpfung und Reflexion.

[0016] Zur breitbandigen Anpassung des stark frequenzabhängigen Wellenwiderstandssprunges an der Übergangsstelle vom offenen Hohlleiterende in den freien Raum sind im Bereich der Apertur Parallelkapazitäten vorgesehen, vorzugsweise um λ_H/8 vor der Apertur im Oaudrathohlleiter, wobei λ_H einer mittleren Frequenz des Frequenzbandes zugeordnet ist. Diese Kapazitäten sind jeweils in zwei Teilkapazitäten zerlegt und bestehen aus Zylindern aus dielektrischem Material mit kleinen Verlusten, die an den vier Innenwänden jeweils in der Mittel der Hohlleiterinnenseite einander gegenüberliegen und in Richtung der Hohlleiterachse gegeneinander versetzt angeordnet sind. Beim dargestellten Mikrowellenstrahler nach Fig. 2 sind die Zylinder 8, 8' an der Unterseite, die Zylinder 9,9' an der Oberseite, die Zylinder 10, 10' an der linken Seite und die Zylinder 11, 11' an der rechten Seite angebracht. Der Abstand zweier Teilkapazitäten bzw. der sie realisierenden Zylinder ist so gewählt, daß er an der oberen Bandgrenze angenäher λ_Hob/4 beträgt. Hier löschen sich also beide Teilkapazitäten gegenseitig fast aus. Dagegen ist bei der wesentlich tieferen Frequenz f_u an der unteren Bandgrenze und bei gleichem geometrischen Abstand der Teilkapazitäten wie oben ihr elektrischer Abstand 1/λ_Hu viel kleiner als bei der höheren Frequenz fob, wobei nicht nur der Frequenzunterschied von f_ob nach f_u maßgebend ist, sondern der demgegenüber wesentlich größere Wellenlängenunterschied im Hohlleiter. Beide Teilkapazitäten addieren sich daher bei der untere-n Frequenz f fast, und die resultierende Kapazität wirkt örtlich in der Mitte zwischen den Teilkapazitäten. Der Betrag der resultierenden Kapazität nimmt in gewünschter Weise von der unteren Frequenzgrenze f nach der oberen Frequenzgrenze f_ob stark ab. Frequenzgang, Betrag und Ort der resulierenden Kapazität sind über Abstand, Größe und Lage der Einzelkapazitäten definiert beeinflußbar.

[0017] Sehr wichtig ist, daß die Teilkapazitäten nicht als Metallzylinder an der Hohlleiterwand realisiert sind. Soiche-Zylinder'wirken nämlich nur für diejenige Polarisation kapazitiv, deren E-Feld parallel zur Zylinderachse liegt. Dagegen wirken sie für die dazu senkrechte Polarisation induktiv, d.h. die wirksame Hohlleiterbreite für diese Polarisation ist gegenüber der lichten Hohlleiterbreite eingeengt. Somit steigt die zugehörige H₁₀-Grenzfrequenz im Quadrathohlleiter und rückt noch näher an die Banduntergrenze f_u, was die Anpassung hier sehr erschwert. Derartige Schwierigkeiten werden vermieden, indem die acht Zylinder hinter der Apertur aus dielektrischem Material mit kleinen Verlusten bestehen. Die dielektrischen Zylinder wirken für beide Polarisationen kapazitiv. Mit einer gezielten Korrektur der öffnungsnahen dielektrischen Zylinder kann außerdem die dielektrische Störung eines Deckels kompensiert werden, der vorzugsweise zum wetterfesten Verschluß des Strahlers etwa in der Aperturebene angeordnet ist. Die Anregung von Störwellentypen an den dielektrischen Zylindern wird dadurch unterbunden, daß jede Einzelkapazität symmetrisch gestaltet wird, d.h. jeweils aus zwei Hälften an beiden einander gegenüberliegenden Hohlleiterwänden gebildet wird.

[0018] Die Doppelkapazität zur Anpassung des Wellenwiderstandssprunges an der Übergangsstelle vom offenen Hohlleiterende in den freien Raum kann auch auf der Hohlleiterachse angebracht werden. In diesem Fall könnten dann die Zylinder aus Metall oder Dielektrikum bestehen.

[0019] Die vorstehenden Erläuterungen gelten auch für den Rundhohlleiter, vorzugsweise aber für den Quadrathohlleiter, weil dieser den theoretischen Eindeutigkeitsbereich der relativen Breite

aufweist gegenüber nur 1,3 bei Rundhohlleitern.

[0020] Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Anpassung des Wellenwiderstandssprungs an der Übergangsstelle vom offenen Hohlleiterende in den freien Raum sind selbstverständlich auch anwendbar für Hohlleiter, deren Apertur, abweichend vom exakt abrupten Ende, einen z.B. trichterförmigen Ansatz aufweist.

Ansprüche

1. Breitbandiger Mikrowellenstrahler (Primärstrahler) für zwei Polarisationen zur Ausleuchtung eines rotationssymmetrischen Parabolreflektors,
gekennzeichnet durch
einen Hohlleiter (1) quadratischen oder runden Querschnitts, dessen eine, dem Parabolreflektor (12) abgewendete Bodenfläche mit einer Metallplatte (2) abgeschlossen ist und an den, in Richtung der Hohlleiterachse gegeneinander versetzt und in Umfangsrichtung unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, zwei vorzugsweise als Koaxialleitungen ausgebildete Zuleitungen (3,5) angeschlossen sind, und an dessen Innenwand nahe der Öffnung (Apertur), in Umfangsrichtung jeweils um 90° gegeneinander versetzt und einander gegenüberliegend, eine Doppelkapazität bildende Zylinder (8-8', 9-9', 10-10', 11-11') aus dielektrischem Material mit kleinen Verlusten paarweise in Richtung der Hohlleiterachse hintereinander angeordnet sind.

2. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet
daß der Abstand zweier in Richtung der Hohlleiterlängsachse hintereinander angeordneter dielektrischer Zylinder (8-8', 9-9¹, 10-10', 11-11') so gewählt ist, daß er an der oberen Bandgrenze angenähert λ_Hob/4 beträgt (λ_Hob ist die Hohlleiterwellenlänge der zu übertragenden Welle höchster Frequenz).

3. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Hohlleiter quadratischen Querschnitts,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Zuleitungen (3,5) jeweils in der Mitte zweier benachbarter Seitenwände angeschlossen sind und die dielektrischen Zylinder (8-8', 9-9', 10-10', 11-11') in der Mitte der vier Seitenwände und auf gegenüberliegenden Innenwänden symmetrisch zueinander angeordnet sind.

4. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet
daß die Doppelkapazität alternativ zu den acht Zylindern (8 bis 11') aus zwei auf der Hohlleiterachse angeordneten und in Richtung der Hohlleiterlängsachse gegeneinander versetzten, dielektrischen oder metallischen Scheiben gebildet ist.

5. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet ,
daß bei Ausbildung der Zuleitungen (3,5) als Koaxialleitung deren Innenleiter (4, 6) verlängert sind und etwa o,3a tief in den Hohlleiter (1) hineinragen (a ist die Innenseitenlänge der quadratischen 'Grunfläche des Hohlleiters),

6. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der verlängerte Innenleiter (4) (Koaxialsonde) der öffnungsnahen Koaxialleitung (3) mit solchem Abstand (L_En) zur Apertur angeordnet ist, daß die aperiodische E₁₁-Dämpfung des E₁₁-Störfeldes in diesem Hohlleiterabschnitt an der oberen Bandgrenze (λ_ob) folgender Beziehung genügt:

7. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet ,
daß im Abstand etwa einer halben Innenseitenlänge (a/2) des Hohlleiters hinter den Koaxialsonden (4,6) je ein
Kurzschluß angebracht ist.

8. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Kurzschluß für die öffnungsnahe Koaxialsonde (4) von einem senkrecht angeordneten Querblech (7) gebildet wird, das etwa ein Viertel der Innenseitenfläche des Hohlleiters breit ist.

9. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Kurzschluß für die öffnungsferne Koaxialsonde (6) von der Metallplatte (2) gebildet wird, die den Hohlleiter (1) einseitig abschließt.

10. Mikrowellenstrahler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet ,
daß der Abstand zwischen der Metallplatte (2) und der Hinterkante des Querblechs (7) für die höchste Betriebsfrequenz f_ob kleiner ist als die halbe Hohlleiterwellenlänge λ_Hob der zu übertragenden Welle höchster Frequenz.

11. Mikrowellenstrahler nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet ,
daß in den Koaxialleitungsabschnitten (3, 5) mit einer Länge von ca. der halben Innenseitenlänge (a/2) des Hohlleiters spezielle Transformationselemente angeordnet sind.

Zeichnung