HORN ANTENNA

Abstract: 1. A horn emitter in which the inner wall, widening in a funnel-shaped manner, of the horn is provided with grooves incised parallel to the radiator axis, characterised in that the front surfaces of the dividing walls remaining between the grooves each extend perpendicularly to the emitter axis and in that the funnel contour is determined by the axial spacing (I1 ... In ) of these front surfaces from one another.

Description: Hornstrahler Die Erfindung betrifft einer Bornstrahler, bei der die sich trichterförmig erweiternde Innenwand des Horns mit Rillen verseher ist. Im Mikrowellenbereich finden derartige Rillenhörner wegen ihrer günstigen Eingenschaften häufig Anwendung. Sie weisen bei geeigneter Dimensionierung in einem breiten ;reqnenz band eine gate Änpasstmg des Speisehohlleiters sowie Richtcharakteristiken mit hoher Axialsymmetrie und geringe Kreuzpolarisation auf. Zur Erreichung dieser Eigenschaften müssen die Rillenabmessungen, vornehmlich deren Tiefe, genau bemessen werden. So ist z.B. bekannt (IEEE Transactions Vol. AP-26, No. 2, March 1978, S. 367 bis 372), dass die Rillentiefe zwischen der Apertur (Rillentiefe # ein Viertel der Wellenlänge) und dem Hals des Horns (Rillentiefe # eine halbe Wellenlänge) kontinuierlich verändert werden sollte. Ans der Literatur sind drei verschieaene Möglichkeiten bekannt, die Rillen in der Trichterwand anzubringen. Diese drei bekannten Ausführungsformen nach verschiedenen Fundstellen sind zur bessern Übersicht in einer einzigen und demzufolge fiktiven Fig. 1 zusammengefasst. Die Anordnung der Rillen recht zur Trichterwand (nach 1 in Fig. 1) ist für alle Trichteröffnungswinkel &alpha; geeignet (DE-OS 28 36 869). Die Anbringung senkrecht zur Strahler achse (nach 2 in Fig. 1) ist für kleine Öffnungswinkel &alpha; 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 Strahlerachse (nach 3 in Fig. !) ist hingegen für grosse Öffnungswinkel &alpha; vorzuziehen (NTG-Fachberichte Antennen, Band 57, Seite 84, Bild 5). In sehr schlanken Hörnern (&alpha;#0) entspricht die Rillen konfiguration nach 1 derjenigen nach 2 in Fig, 1 in weit geoffneten Uornern EMI1.1 derjenigen nach 3. Bei Rillenhörnern, die so kompakte Abmessungen haben, dass sie aus einem einzigen Metallblock durch Drehen hergestellt werden können, muss bei Verwendung von Rillenanordnung 1 oder 3 zunächst die (kegel-, glocken- oder flachenhalsförmige) Trichterkontur erzeugt werden und erst danach können die Rillen eingestochen werden. Bei Verwendung der Rillenkonfiguration 2 wird mitunter auf die vorherige Erzeugung der Trichterkontur verzichtet, indem die schmalen Stege zwischen den Rillen nicht trichter- förmig, sondern als Kreiszylinderstücke mit entsprechend der Trichterkontur veranaerte Padias 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 enwesentlich kleiner ist als der Radius des Speisehohlleiters. Der Erfindung liegt die angabe zugrtinde, ein Rillenhorn auszuzeigen, bei dessen Herstellung die vorab aufgeführten Schwierigkeiten auf einfache Weise umgangen werden. Diese Aufgabe wird bei seinem Bornstrahlert bei dem die sich trichterförmig erweiternde Innenwand des korns mit parallel zur Strahlerachse eingeschnittenen Rillen versehen ist, gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Stirnflächen der zwischen den Rillen verbleibenden Trennwände jeweils senkrecht zur Strahlerachse verlaufen nnd dass die Trichter- kontur durch den axialen Abstand dieser Stirnflächen voneinander bestimmt ist (Fig.2). Beben der leichteren Rerstellbarkeit weisen die erfindungs- gemäss ausgegildeten Rillenhornstrahler noch folgende Vorteile auf: (1) Durch die Konfiguration des Strahlers bedingt lassen sich nach der Herdtellung alle geometrischen Abmessnngen sowie die Oberflächenbeschaffenheit von Rillen und Zwischenwänden besonders einfach kontrollieren, (2) Durch die Ausgestaltung der Innenwand des Hornstrahlers ist es ohne Komplizierung des Herstellungsprozesses möglich, nicht nur kegelförmige, sondern auch bekannte speziell gekrümmte Trichterkonturen mit Flaschenhals (z,3. DE-AS 26 23 755) oder Glockenform zu erzeugen. Von dieser Moglichkeit maB man Gebranch machen, wenn mit einem Rillenhornstrahler grossen Öffnungswinkels und kurzer Banlänge niedrige Kreuzpolaristaion erreicht werden soll. (3) Zur Verbesserung der Anpassung des Hornstrahlers können einzeln wie auch kombiniert alle bekannten Massnahmen zur Bemessung wie Formgebung der Übergangszone am Trichter basis und der dem Trichterhals benachbarten Rillen verwen- det werden, z.B. - eine Anpassungszone zwischen dem Speisehohlleiter and der ersten Rille in Form eines glattwandigen Hohlleiter Zwischenstückes mit einem Durchmesser, der grosser ist als der des Speisehohlleiters, aber kleiner als der kleinste Durchmesser der sich trichterförmig erweitern den Rillenstruktur (DE-OS 29 20 757). -tiefere (auch schmalere und enger beieinander liegende) Rillen als in übrigen Teil des Horns (IEKE Transactions, Vol. AP-26, Nr. 2, March 1978, S. 367 bis 372), -hinterdrehte Rillen (IEKE Transactions, Vol. AP-24, No. 6, November 1976, S. 786 bis 792; DE-OS 28 36 869), -flanschenbalsförmige Konturierung der Enden der Rillen zwischenwände (DE-AS 26 23 755; DE-OS 26 50 388). (4) Nur infolge der einfachen Geometrie der erfindungsge- mäss anfgebanten Rillenhörner sind deren genaue numeri sche Berechung und Optimierung der Strahlungseigen schaften des Horns unter Berücksichtigung -der Reflexion und Wellentypwandlung am Trichterhals und in der Apertur, - sowie einer dielektrischen Abdeckplatte als Wetter schutz möglich. Auf eben diese Weise lässt sich auch eine Tole- ranzanalyse durchführen. (5) Aufgrund des Aufbaus des Hornstrahlers sind neben der Herstellung durch Drehen auch andere bekannte Techno logien anwendbar, wie z. B. - Galvanoplastik (ohne.Verlast des Kernes#), -Durckguss, -Kaltverformung ('cold hobbing', Proc. 1975 IEKE-MTT-S Intern. Microwave Symp., S. 232 bis 234), die sich für die Berstellung besonders präziser Strahler (bei Millimeterwellen) bzw. für grössere Stückzahlen (im Richtfunk und für kleine Bodenstationen mit Primärfokus erregang) eignen, Die Erfindung wird anhand von Fig. 2 bis 9 näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 die bereits behandelte Darstellwng der Ausführungs- formen nach dem Stand der Teclinil Fig. 2 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäss ausge bildeten Rillenhornstrahler (im Längsschnitt), oig. 3 als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Rillenhornstrahler mit speziell geformter Trichter kontur, Fig. 4 die Richtdiagramme (Hauptpolarisation (CP) in der E- und H-Ebene, Kreuzpolarisation (XP) in der 45 -Ebene) des Strahlers nach Fig. 3 für 10 GHz, Fig. 5 den Frequenzgang der Reflexiondämpfung für den Strahler nach Pig. 3, 3-d3, Fig. 6 den Frequenzgang der V5-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 0-ene für den Strahler nach Fig. 3, Pig, 8 als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Rillenhornstrahler mit gegenüber Fig. 3 grösserem Hohlleiterdurchmesser Fig. 9 die Richtdiagramme (Hauptpolarisation (CP) in der E- und H-Ebene, Kreuzpolarisation (XP) in der 45 -Ebene) des Strahlers nach Sig. 8 für 10 GHz. 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 Trennwände in Stirnflächen enden, die senkrecht zur Strahlerlängssachse ver lauf In der grundsätzlichen Darstellung der Fig, 2 ist von einer konstanten Tiefe und Weite der Rillen und einer konstanten Stärke der Trennwände ausgegangen. Der axiale Abstand der Stirnflächen voneinander ist ebenfalls konstant. Demzufolge ist die Trichterkontur kegelförmig. In den spater gezeigten Ausf-nngsfo=en sind diese Abmessungen jedoch nicht not wendigerweise konstant. zur eindeutigen Festlegung der für die weiteren Ausführungs- formen (Fig. 3 und 8) in Tabellenform angegebenen Abmessungen ist in Fig. 2 jede der n Rillen, vom Speisehohileiter mit dem Innenradius ai beginnend, mit einer Ordnungszahl 1 bis n belegt; a1' ist demzufolge der Innere Radius der ersten Rille, a1" deren äusserer Radius. Entsprechende gilt für die Radien der äussersten Rille an' bzw. an". aa ist der äusserste Radius des Rillenhorms. Die Tiefe der Rillen ist mit t1 bis tn bezeichnet, die Stirnflächen haben voneinander jeweils einen axialen Abstand 1a bis 1n. Der axiale Abstand dieser Stirnflächen bestimmt die Erichter- kontur, deren Verlauf keiner prinsipiellen Einschränkung onterliegt, 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 (Strah lungsverhalten, Anpassnng des Speisehohlleiters) entwickelt worden, mit dem sich diese Strahler unter Berücksichtigung einer in Fig. 2 nuten angedeuteten dielektrischen Abdeck- platte - ausgehend von bekannten twrrfspraktiken - in einem Iterationsprozess dimensionieren lassen. Dieee Horn gehensweise ist dem herkömlichen Entwurf auf empirischer basis in bezug ad den Zeitaufwand deutlich ilberlegen. Anhand zweiter Ausführungsbeispiele, in denen Strahler für einen Einsatzt im X-Band bemessen wurden, soll die Brauchbarkeit der erfindungsgemäss ausgebildeten Rillenhörner unter Beweis gestellt werden. Fig. 3 zeigt den maBstäblichen Längsschnitt eines Rillenhorns mit kleiner Apertur (Durchmesser 79 mm # 2,63# bei 10 GHz) und kurzer Baulänge EMI7.1 bei 10 G3z), das für geringe Kreuzpolarisation bemessen wurde. Eierza ist es bei derart kompakten Irornern nötig, die Trichterkontur zu provilieren. Erreicht wird dies durch die aus der folgenden tabelle zu entnehmende Re1essungAbmessungen in mm). In der ersten Spalte der Tabelle steht die in fig. 2 erlEn- terte Ordnungszahl der Rille, danach folgen jeweils die inneren und äusseren Rillenradien, die Tiefender Rillen und der axiale Abstände der Stirnflächen voneinander. Ausgegangen wird von einer Rillenzahl von n = 8, einem Speisehohlleiterradius ai von 11,5 mm und einem äusseren Radius des Rillen horns von aa = 41 m. EMI7.2 <tb> k <SEP> ak' <SEP> ak" <SEP> tk <SEP> lk <tb> <SEP> 1 <SEP> 12,0 <SEP> 15,0 <SEP> 11 <SEP> 2 <tb> <SEP> 2 <SEP> 15,5 <SEP> 18,5 <SEP> 8 <SEP> 2 <tb> <SEP> 3 <SEP> 19,0 <SEP> 22,0 <SEP> 7,5 <SEP> 3 <tb> 4 <SEP> 22,5 <SEP> 25,5 <SEP> 7,5 <SEP> 4 <tb> 5 <SEP> 26,0 <SEP> 29,0 <SEP> 7,5 <SEP> 4 <tb> 6 <SEP> 29,5 <SEP> 32,5 <SEP> 7,5 <SEP> 3 <tb> 7 <SEP> 33,0 <SEP> 36,0 <SEP> 7,5 <SEP> 2 <tb> 8 <SEP> 36,5 <SEP> 39,5 <SEP> 7,5 <SEP> 1 <tb> In Pig. 4 sind die Strahlungseigenschaften dieses Rorns Zur die Entwurfsfrequenz von 10 GEz dargestellt; sie zeichnen Eich durch eine gute Rotationssymmetrie der Picht- charakteristik für die Hauptpolarisation sowie durch hohe Polarisationsreinheit aus. Die Frequenzgänge der Reflexionsdämpfung, der Keulenbreiten und der maximalen Fehlpolari sation sind in eig. 5 bis 7 wiedergegeben. Die Eingangs- reflexion des Strahlers (Fig. 5) wurde durch Verwendung tieferer Rillen am Hornhals optimiert; Eie ist im wesentlichen durch das Verhältnis ai/# bestimmt. Eur Anwendungen, bei denen eine bessere Anpassung erforderlich ist, wird man einen grösseren Hohlleiterdurchmesser vorsehen (siehe zweites Ausführungsbeispiel in Fig. 8). Die Richtdiagramme zeigen, dass der Strahl er breitbanlig ein- setzbar 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 0-Ebene (Fig. 7) deutlich besser als - 40 dB. Verte der Kreuzpolarisation um - 45 dB und darunter liegen an der Grenze des Auflösungsvermögens des verwendeten Messplatzes, wobei dann die Beiträge durch - die echofreie Messkammer, - die dem Erreger nachgeschalteten Hohlleiterkomponenten, - die Fehlpolarisation der Sendeantenne, - Ausrichtfehler von Sendeantenne und Messobjekt in der Grössenordnung der Fehlpolarisation des zu unterschenden Strahlers liegen. Pas Phamensentrum des Strahlers liegt in der Öffnung des Speisehohlleiters, es ist in allen Richtungen (bis etwa 15-dB-Punkt der Hauptkeule) und innerhalb des angegebenen Frequenzbandes praktisch konstant (#10 maximale Variation). Fig. 8 zeigt den massstäblichen Aufbau eines zweiten ausführungsbeispiels der Erfindumg. Dieser Strahler wurde eten- falls für geringe Kreuzpolarisation entworfen. Er hat die gleiche Aperturgrösse und einen änlichen Konturverlauf wie der Strahler nach ig. 3, aber einen grösseren Speisehohl- leiterdurchmesser. Um wiederum breitbandig niedrige Kreuzpolarisation zu erreichen, musste vornehmlich die Rillentiefe modifiziert werden. Die nachfolgende Tabelle zeigt die 3emesSrng (Abmessungen in mm) für eine Rillenzahl von n = 7, einen Speisehohlleiterradins von a = 15 mm und einen äusseren Radius eines Rillenhorns von aa = 41,0 mm, EMI9.1 <tb> <SEP> k <SEP> ak' <SEP> ak" <SEP> tk <SEP> lk <tb> <SEP> 1 <SEP> 15,5 <SEP> 18,5 <SEP> 8,8 <SEP> 3 <tb> 2 <SEP> 19,0 <SEP> 22,0 <SEP> 8,0 <SEP> 3 <tb> <SEP> 3 <SEP> 22,5 <SEP> 25,5 <SEP> 8,0 <SEP> 4 <tb> 4 <SEP> 26,0 <SEP> 29,0 <SEP> 8,0 <SEP> 4 <tb> <SEP> 5 <SEP> 29,5 <SEP> 32,5 <SEP> 7,5 <SEP> 3 <tb> 6 <SEP> 33,0 <SEP> 36,0 <SEP> 7,5 <SEP> 2 <tb> 7 <SEP> 36,5 <SEP> 39,5 <SEP> 7,5 <SEP> 1 <tb> Wegen der sehr guten Übereinstimmung zwischen den gemessenen und den mittels Recanersimtlation gewonnenen Eigenschaften der erfindungsgemäss ausgebildeten Rillenhörner nach Fig. 3 (vgl. Fig. 4 bis 7) ist für den Strahler nach Pig. 8 auf die Herstellung eines Modells verzichtet worden. Die in Fig. 9 angegebenen Daten sind Ergebnisse der Rechnersimulation. Für die Hauptpolarisation dieses Strahlers erhalt man bei der Enwurfsfrequenz von 10 GHz gemäss Fig. 9 nahezu die gleiche Richtcharakteristik wie beim Strahler nach Fig. 3, aber etwas höhere Fehlpolarisation. Wie mann der nachstehenden Tabelle entnehmen kann, ist die maximale Xrenzpolarisation 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 Reflexionsdämpfung deutlich verbessert werden. EMI10.1 <tb> <SEP> frequenz <SEP> (GHz) <SEP> 9,0 <SEP> .10,0 <SEP> 11,0 <tb> <SEP> Reflezions- <SEP> <tb> <SEP> dämpfung <SEP> 23,6 <SEP> 30,0 <SEP> 55,7 <SEP> <tb> <SEP> (dB) <tb> 3 <SEP> 3 <SEP> <SEP> dB <SEP> 37,7/ <SEP> 35,4/ <SEP> 35,1/ <SEP> <tb> <SEP> 37,0 <SEP> 35,2 <SEP> 35,5 <tb> Keulen- <SEP> 5 <SEP> dB <SEP> 49,5/ <SEP> 46,7/ <SEP> 46,9/ <tb> breite <tb> in <SEP> R/3- <SEP> <SEP> 48,5 <SEP> 46,6 <SEP> 47,6 <tb> Ebene <SEP> 10 <SEP> dB <SEP> 73,7/ <SEP> 70,9/ <SEP> 72,3/ <tb> <SEP> (Grad) <SEP> 72,3 <SEP> 71,3 <SEP> <SEP> 73,3 <SEP> <tb> 15 <SEP> dB <SEP> 96,0/ <SEP> 93,6/ <SEP> 94,5/ <tb> <SEP> 94,9 <SEP> 94,7 <SEP> 94,5 <tb> <SEP> <RTI ID=10.15> 20 <SEP> dB <SEP> t18,2/ <SEP> 115,5/ <SEP> 115,4/ <tb> <SEP> 117,9 <SEP> 116,2 <SEP> 113,0 <tb> (dB) <SEP> - <SEP> 42,8 <SEP> - <SEP> 48,1 <SEP> - <SEP> 44,9 <tb> Die behandelten Ausführungsformen gehen von einem rotationssymmetrischen Aufbau des Hornstrahlers aus. Ohne das Lösungs- prinzip der Erfindung zu verlassen, sind jedoch auch Ausführungen mit elliptischem oder rechteckigezn Querschnitt denk- bar. Heben der in ig. 2 gezeigten dielektriscben Abdeckung in der Apertur ist auch ein den Trichter ausfüllender dielek- trischer Einsatz anwendbar.

Claims: Hornstrahler Patent ansprüche 1. Hornstrahler, bei dem die sich trichterförmig erweiternde Innenwand des Horns mit parallel zur Strahlerachse ein geschnittenen Rillen versehen ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , 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 be stimmt ist (Fig.2). 2. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Tiefe und die Weite der Rillen und die Stärke der Trennwände zwischen den Rillen sowie die axialen Abstände der Stirnflächen voneinander entlang der Kontur konstant gehalten sind und demzufolge die durch die Stirnflächen der Trennwände festgelegte Kontur des Horns kegelförmig ausgebildet ist (Fig.2). 3. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Tiefe und/oder Weite der Rillen und/oder die Stärke der Trennwände zwischen den Rillen entlang der Kontur entsprechend den gewünschten elek trischen Eigenschaften des Strahlers (Richtdiagramm für Hauptpolarisation, Grösse der maximalen Fehlpolarisation, Eingangsreflexion) gestuft ausgebildet sind. 4. Hornstrahler nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die durch die Stirnflächen der Trennwände festgelegte Kontur des Horns glockenförmig aus gebildet ist (Fig.3, 8). 5. Hornstrahler nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die durch die Stirnflächen der Trennwände festgelegte Kontur des Horn flaschenhalsförmig ausgebildet ist. 6. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Horn kreisförmigen Querschnitt aufweist (Fig.2, 3, 8). 7. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Horn elliptischen Querschnitt aufweist. 8. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Horn rechteckigen Querschnitt aufweist. 9. Hornstrahler nach Anspruch 1, 2 oder folgenden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in seiner Apertur eine dielektrische Abdeckung vorgesehen ist (Fig.2). 10. Hornstrahler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass ein den Trichter ausfüllender dielektrischer Einsatz vorgesehen ist.

Inventors: KUHN, EBERHARD, DR., ING., SCHEFFER, HANS, DIPL.-ING., Kühn, Eberhard, Dr., Ing.
Applicants: MESSERSCHMITT-BOLKOW-BLOHM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1982
Main classification: H01Q13
IPC codes: H01Q13