BROADBAND MICROWAVE RADIATOR

Abstract: 1. A wide-band microwave radiator for two polarizations, for illuminating a rotation-symmetrical parabolic reflector (12), comprising a wave-guide (1) of square or round cross-section whose first base surface faces away from the parabolic reflector (12) and is terminated by a metal plate (2) connected to two supply lines, preferably in the form of coaxial lines (3, 5), mutually offset in the direction of the waveguide axis and together forming an angle of 90 degrees in the peripheral direction, characterized in that the inner wall of the waveguide, following the opening which forms the aperture, has arranged thereon a first group of four cylinders (8, 9, 10, 11) which are mutually offset by 90 degrees in the peripheral direction, and are aligned opposite one another in pairs, forming a double capacitance, and a second group of four cylinders (8', 9', 10', 11') mutually offset by a predetermined interval in the direction of the waveguide axis, where each cylinder consists of low-loss dielectric material.

Description: Breitbandiger Mikrowellenstrahler Die Erfindung bezieht sich auf einen breitbandigen Mikrowellenstrahler (Primärstrahler) für zwei Polarisationen zur Ausleuchtung eines rotationssymmetrischen Parabolreflektors. Durch das Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" von Meinke, H.; Gundlach, F.W., 2. Auflage, 1962, Seite 599 ist es beispielsweise bekannt, das offene Ende eines Hohl leiters direkt oder trichterrörmig 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 Hohileiterquerschnitt 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. Bei einem offenen, abrupten Hohlleiterende liegt das Hauptproblem darin, a-n der Übergangsstelle vom offenen Hohlleiterende in den freien Raum den hier bestehenden, stark frequenzabhängigen Wel lenwiderstandssprung breitbandig anzupassen. Während nämlich der Wellenwiderstand des freien Raumes EMI1.1 frequenzunabhängig ist, hat der Quadrathohlleiter den für die Anpassung massgebenden Leitungswellenwiderstand EMI2.1 Der Wellenwiderstandssprung ist EMI2.2 Der beschränkte Eindeutigkeitsbereich des Quadrathohlleiters zwingt dabei oft zu Betriebsfrequenzen knapp über der H10-Grenzfrequenz, wobei obiger Wellenwiderstandssprung stark ansteigt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach eufgebâuten, sehr breitbandigen Mikrowellenstrahler zu schaffen, der zwei aufeinander senkrechte Linearpolari- sationen von je einem separaten Antennenausgang mit hoher gegenseitiger Entkopplung und kleiner Reflexion abstrahlt und dessen offenes, abruptes Hohlleiterende breitbandig möglichst gut angepasst ist. 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 900 gegeneinander versetzt und einander gegen überliegend, Zylinder aus dielektrischem Material mit kleinen Verlusten paarweise in Richtung der Kohlleiter- achse hintereinander angeordnet sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Antennenanordnung mit einem Mikrowellen strahler und einem rotationssymmetrischen Parabol reflektor und Fig. 2 einen Mikrowellenstrahler in Einzeldarstellung. 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. Der Hohl leiter 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 Hohileiter- seite 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 Hohl leiters. 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 Quadrat hohl leiter ein E11-Störfeld zur Folge hat. Die Länge LEn des Quadr thohlleiterabschnittes 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 fOb(9Lob) der Bedingung genügt: EMI4.1 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 Koaxiaisonde 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 fOb kleiner als ? < Hob/ Ä12 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. Um die Koaxialzuleitungen 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. Zur breitbandigen Anpassung des stark frequenzabhängigen Wellenwiderstandssprunges an der Ubergangsstelle vom offenen Hohlleiterende in den freien Raum sind im Bereich der Apertur Parallelkapazitäten vorgesehen, vorzugsweise um ¯H/8-vor der Apertur im Oaudrathohlleiter, wobei einer mittleren Frequenz des Frequenzbandes zugeordnet ist. Diese Kapazitäten sind jeweils in zwei Teilkapazi- täten zerlegt und bestehen aus Zylindern aus dielektrischem Material mit kleinen Verlusten, die an den vier Innenwänden jeweils in der Mittel der Hohileiìerinnenseite 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 > 9r 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 angenäher9tHOb/4 beträgt. Hier löschen sich also beide Teilkapazitäten gegenseitig fast aus. Dagegen ist bei der wesentlich tieferen Frequenz #u an der unteren Band- grenze und bei gleichem geometrischen Abstand der Teilkapazitäten wie oben ihr elektrischer Abstand l/SHU viel kleiner als bei der höheren Frequenz #ob' wobei nicht nur der Frequenzunterschied von #ob nach fu massgebend ist, sondern der demgegenüber wesentlich grössere Wellenlängenunterschied im Hohlleiter. Beide Teilkapazitäten addieren sich daher bei der unteren Frequenz #u 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 #u nach der oberen Frequenzgrenze fob stark ab. Frequenzgang, Betrag und Ort der resulierenden Kapazität sind über Abstand, Grösse und Lage der Einzelkapazitäten definiert beeinflussbar. Sehr wichtig ist, dass die Teilkapazitäten nicht als Metallzylinder an der Hohlleiterwand realisiert sind. Solche¯ 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 H O-Grenzfrequenz im Quadrathohlleiter und rückt noch näher an die Band untergrenze #fus 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 dielektrisehen 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 Die Doppelkapazität zur Anpassung des Wellenwiderstandssprunges an der Obergangsstelle vom offenen Hohileiter- ende in den freien Raum kann auch auf der Hohlleiterachse angebracht werden. In diesem Fall könnten dann die Zylinder aus Metall oder Dielektrikum bestehen. Die vorstehenden Erläuterungen gelten auch für den Rund hohl leiter, vorzugsweise aber für den Quadrathohlleiter, weil dieser den theoretischen Eindeutigkeitsbereich der relativen Breite 8XÇaufweist gegenüber nur 1 > 3 bei Rund hohl leitern. Die erfindungsgemässen Massnahmen zur Anpassung des Wellenwiderstandssprungs an der Dbergangsstelle vom offenen Hofilleiterende in den freien Raum sind selbstverständlich auch anwendbar für Hohlleiter, deren Apertur, abweichend vom exakt abrupten Ende, einen z.B. trichterförmigen Ansatz aufweist. 11 Patentansprüche 2 Figuren

Claims: Patentansprüche 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 900 zueinander angeordnet, zwei vorzugsweise als Koaxialleitungen ausgebildete Zuleitungen (3,5) angeschlossen sind, und an dessen Innenwand nahe der öffnung (Apertur), in Umfangsrichtung jeweils um 900 gegeneinander versetzt und einander gegenüberliegend, eine Doppelkapazität bildende Zylinder (8-8', q-9', 10-10', ll-llt) 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 Hohlleiterlängs- achse hintereinander angeordneter dielektrischer Zylinder (8-8' > 9-9', 10-10', 11-11') so gewählt ist, dass er an der oberen Bandgrenze an#enähert##0#/4 beträgt (7VHob ist die Hohlleiterwellenlänge der zu übertragenden Welle höchster Frequenz). 3. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Hohl leiter 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 Hohl leiterachse angeordneten und in Richtung der Hohlleiterlangsachse gegeneinander versetzten, dielektrischen oder metallischen Scheiben gebildet ist. 5. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, 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 ta 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 (LEn) zur Apertur angeordnet ist, dass die aperiodische E11-Dämpfung des E11-Störfeldes in diesem Hohileiterab- schnitt an der oberen Bandgrenze (20b) folgender Be-. ziehung genügt: EMI9.1 7. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand etwa einer halben Innenseiten länge (a/2) des Hohl leiters hinter den Koaxialsonden (4,6) je ein Kurzschluss angebracht ist. 8. Mikrowellenstrahler nach Anspruch 7, dadurch g ekennzeichnet > dass der Kurzschluss für die öffnungsnahe Koaxialsonde (4) von einem senkrecht angeordneten Querblech (7) gebildet wird, das etwa ein Viertel der Innenseitenfläche des Hohl leiters 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 fob kleiner ist als die halbe Hohileiterwellen- länge 14Hob der zu übertragenden Welle höchster Frequenz. 11. Mikrowellenstrahler nach einem der Ansprüche 5 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass in den Koaxialleitungsabschnitten (3, 5) mit einer Länge von ca. der halben Innenseitenlänge (a/2) des Hohlleiters spezielle Transformationselemente angeordnet sind

Inventors: SCHUEGRAF, EBERHARD, DR.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H01Q13
IPC codes: H01P1, H01Q13