DE2736758C2 - Hornantenne mit Richtcharakteristik für zirkularpolarisierte Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hornantenne mit Richtcharakteristik für zirkular-polarisierte Wellen, die einen Eingangsabschnitt mit konstantem Querschnitt zum Zuführen einer linear-polarisierten Welle, einen sich trichterförmig erweiternden Hornabschnitt, einen zwischen dem Eingangsabschnitt und dem Hornabschnitt angeordneten Übergangsabschnitt, in dem sich eine zu den elektrischen Feldlinien der linear-polarisierten Welle senkrecht angeordnete Dämpfungsplatte befindet, und eine Anordnung zur Umwandlung der linear-polarisierten Welle in eine zirkular-polarisierte Welle umfaßt.

Eine solche Hornantenne ist aus der DE-AS IO 67 092 bekannt. Bei dieser bekannten Hornantenne besteht die Anordnung zur Umwandlung der linear-polarisierten Welle aus einem zwischen Übergangsabschnitt und Hornabschnitt angeordneten Hohlleiterabschnitt, in dem sich eine dielektrische Platte befindet, welche die Komponenten einer elektromagnetischen Welle, deren elektrische Feldlinien parallel bzw. senkrecht zur Platte verlaufen, unterschiedlich stark verzögert. Auf diese Weise ist eine linear-polarisierte Welle in eine elliptisch-und im Grenzfall zirkular-polarisierte Welle umwandelbar.

Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß zwischen dem Übergangsabschnitt und dem Hornabschnitt ein besonderer Hohlleiterabschnitt zur Wellenumwandlung erforderlich ist, der die Baulange einer solchen Antenne bedeutend erhöht

Eine ähnliche Antenne ist auch aus der US-PS 29 33 731 bekannt, bei der sich zwischen einem Übergangsabschnitt und dem Hornabschnitt ein Hohlleiterabschnitt mit Kreisquerschnitt befindet, in dßm eine dielektrische Platte zur selektiven Verzögerung gewisser Wellenkomponenten angeordnet ist Außerdem zeigt diese Patentschrift, daß anstelle einer ίο dielektrischen Platte an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen des Hohlleiters elektrisch leitende Stege angebracht werden können, die in Längsrichtung des Hohlleiters eine ausreichende Länge haben, um die gleiche Wirkung wie durch die Anbringung einer dielektrischen Platte zu erzielen. Die metallischen Stege bewirken eine kapazitive Belastung des Hohlleiters, wie sie vom Steghohlleiter her bekannt ist und die eine Veränderung der Rohrwellenlänge für diejenige Wellenkomponente zur Folge hat, deren elektrisches Feld zu der Ebene parallel ist, in der sich die einander gegenüberliegenden leitenden Stege befinden. Eine ähnliche Wirkung wie durch die Anbringung metallischer Stege kann auch durch die Anwendung eines Hohlleiters mit elliptischem Querschnitt erzielt werden, wie es die US-PS 29 33 731 ebenfalls offenbart. Unabhängig von der speziellen Ausbildung der Anordnung zur Umwandlung der linear-polarisiei ten Welle in eine zirku!ar-polarisierte Welle umfaßt diese Anordnung einen längeren Hohlleiterabschnitt, der zwischen dem Übergangsabschnitt und dem Hornabschnitt angeordnet ist.

Aus der DE-AS 10 81075 ist weiterhin eine Hornantenne mit Richtcharakteristik bekannt, bei welcher dem Hornabschnitt von einem Hohlleiter mit kreisförmigen Querschnitt eine zirkular-polarisierte Welle zugeführt wird, welche durch eine in der öffnungsebene des Hornabschnittes angeordnete, dielektrische Linse in eine linear-polarisierte Welle umgewandelt wird. Die dielektrische Linse weist an ihrer Vorder- und Rückseite Nuten auf, deren Tiefe eine Viertelwellenlänge beträgt und deren Abstand kleiner sein soll als eine halbe Wellenlänge. Die dem Inneren des Hornabschnittes zugewandte Fläche der Linse ist konkav gewölbt, während die Außenfläche der Linse in Sektoren verschiedener Höhe unterteilt ist, so daß sich eine wendeltreppenähnliche Struktur ergibt. Der Aufbau einer solchen Linse ist außerordentlich kompliziert. Die große Dimension der Linse, insbesondere eine Dicke von mehreren Wellenlängen, dürfte bei der Herstellung und auch bei der Halterung der Linse erhebliche Schwierigkeiten bereiten. Da die Funktion der Linse von der Nutenstruktur ihrer Oberfläche abhängt, ist ein Schutz der Oberfläche gegen Umwelteinflüsse erforderlich, so daß die Antennenöffnung durch eine Haube abgedeckt sein muß, wie es die DE-AS 10 81 075 zeigt. Es ist auch nicht ohne weiteres ersichtlich, ob eine solche Linse in gleichem Maße dazu geeignet ist, eine über den Hornabschnitt zugeführte linear-polarisierte Welle in eine in den Raum abzustrahlende, zirkular-polarisierte Welle umzuwandeln, obwohl die Reziprozität passiver Bauelemente eine Umkehrung der Funktion der Linse grundsätzlich möglich machen dürfte. Diese bekannte Antenne dürfte jedenfalls für solche Anwendungszwecke wenig geeignet sein, bei welchen die Antenne hohen Beschleunigungen ausgesetzt ist, wie es bei Antennen für Satelliten während der Einschußphase auf eine Umlaufbahn der Fall ist.
Aus dem» IRE Convention Record«, Part. I, 1955,

Seiten 28 bis 31, ist ein Doppelkonushorn bekannt, bei dem zwischen den Flächen der einander gegenüberstehenden Kegel Ringe aus einem dielektrischen Material angeordnet sind, die mit Mustern aus kurzen, metallischen Streifen versehen sind. Diese cielektrischen Zylinder können als eine Anzahl hintereinander angeordneter, dielektrischer Linsen bot/achtet werden. Während die Anordnung der dielektrischen Ringe zwischen einander mit ihren Spitzen gegenüberstehenden Kegeln relativ einfach ist, weil sich diese Zylinder selbständig zentrieren, wäre die Anordnung einer entsprechenden Schar hintereinander angeordneter Platten in dem Hornabschnitt einer Hornantenne mit erheblichen Schwierigkeiten verknüpft, weil die für solche Platten unerläßlichen Halteglieder erhebliche Störungen der Wellenausbreitung in dem Hornabschnitt zur Folge hätten, die wiederum Kompensationsmaßnahmen erfordern würden. Außerdem wäre auch die mechanische Stabilität einer solchen Anordnung nicht besonders groß.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hornantenne der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sie sich sowohl durch eine kurze Baulänge als auch durch eine hohe mechanische Stabilität auszeichnet, so daß sie für die Verwendung in Satelliten besonders gut geeignet ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Anordnung zur Umwandlung der linear-polarisierten Welle in eine zirkular-polarisierte Welle aus mindestens einer im Hornabschnitt angeordneten Blende besteht, die zwei in einer gemeinsamen Querschnittsebene einander gegenüberstehende leitende Platten umfaßt, deren freie Ränder mit den elektrischen Feldlinien der linear-polarisierten Welle einen Winkel bilden.

Die Erfindung wird im folgender: anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer Hornantenne nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch die Hornantenne nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Vorderansicht der H&rnantenne nach Fig. 1,

Fig.4 eine Rückansicht der Hornantenne nach F i g. 1 und

Fig. 5 Diagramme, welche die Vektoren von sich in der Antenne ausbreitenden Wellen veranschaulichen.

Die in Fig. 1 dargestellte Antenne 10 weist eine Eingangsöffnung 11 auf, die sich an einem Übergangsabschnitt 12 befindet, der seinerseits an einen sich aufweitenden Hornabschnitt 13 angeschlossen ist. In dem Übergangsabschnitt 12 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, eine gestufte Dämpfungsplatte 14 angeordnet. Der Hornabschnitt 13 enthält fünf Reaktanzen bildende Blenden in Form von Paaren leitender Platten 15a und 15Z>, 16a und 16£>, 17aund 17b, 18a und 186 sowie 19a und 196, welche an einer gegenüberliegenden Kanten des Hornabschnittes 13 angebrach: sind. Diese Platten bilden einen Zirkularpolarisator 20.

Jede von einem Paar leitender Platten gebildete Blende des Zirkularpolarisators 20, der sich im Hornabschnitt 13 befindet, erteilt einer passierenden linearpolarisierten Welle eine Drehung oder Zirkularpolarisation. Wie leicht erkennbar, bilden die Ränder der Platten einen Winkel von 45° mit dem £-Vektor der einfallenden linearpolarisierten Welle und verursachen eine solche Störung im Weg einer sich fortpflanzenden Welle, daß eine Komponente der Vektoren der linearpolarisierten Weile verzögert und die andere Komponente beschleunigt wird. Die Platten sind in einander gegenüberliegenden Ecken des Hornabschnittes 13 angeordnet und haben einen Abstand, der etwa gleich einem Viertel der Wellenlänge ist Aus der Zeichnung geht hervor, daß der Abstand zwischen den Platten nicht gleichförmig ist. Diese Tatsache ist auf andere Parameter zurückzuführen, beispielsweise auf

ίο den öffnungswinkel des Hornabschnittes und die Erfordernisse der Impedanzanpassung. Die Strecke, um welche jede Platte in den Hornabschnitt hineinragt, ist durch die Frequenzen, den öffnungswinkel des Hornabschnittes und die Impedanz bestimmt. Das erste

is Plattenpaar 15a, 156 ist nahe dem Eingang des Hornabschnittes 13 angeordnet Das letzte Plattenpaar 19a, 196 befindet sich etwa im Abstand eines Viertels einer Wellenlänge von der Apertur. Die benutzte Anzahl der Platten hängt von der Bandbreite der benutzten Signale ab. Bei einer sehr kleinen Bandbreite kann ein einziges Plattenpaar ausreichen, während für eine Bandbreite von 3,7 bis 4,2 GHz fünf Platternpaare benötigt werden. Wie unten im Detail beschrieben, verzögert jedes Plattenpaar die £fi-Komponente und beschleunigt die ^-Komponente einer linearen Welle in einem bestimmten Frequenzband. Demgemäß erteilt jedes Plattenpaar bei ausgewählten Frequenzen eine Zirkularpolarisation.

Die in F i g. 3 dargestellte Draufsicht auf die Apertur der Hornantenne 10 läßt die in den Hornquerschnitt hineinragenden leitenden Platten erkennen. Wie oben erwähnt, hängt der Betrag, um den die Platten vorspringen, von mehreren Parametern ab. Beispielsweise kann eine geringere Anzahl Platten benutzt werden, wenn diese Platten tiefer in das Horn heineinragen, während bei Anwendung einer größeren Anzahl Platten weniger tief eindringende Platten benutzt werden können. Die Form der einzelnen Platten ist nicht auf ein Dreieck beschränkt, sondern es können

to auch andere Formen benutzt werden, welche bei den benutzten Frequenzen die gewünschte Zirkularpolarisation bewirken.

Fig.4 zeigt die Hornantenne 10 vom Eingangsende des Übergangsabschnittes 12 her. Die linearpolarisierte Eingangsweüe ist durch den Vektor E charakterisiert. Wenn diese Welle in den Übergangsabschnitt 12 eindringt, ist die Dämpfungsplatte 14 für diese Welle durchlässig, weil sie im rechten Winkel zum Vektor E steht. Ein kreuzpolarisiertes Signal, das durch den Vektor E_x gekennzeichnet ist, induziert dagegen in der Dämpfungsplatte 14 einen HF-Strom, der einem hohen Widerstand begegnet, so daß der Strom in Wärme umgesetzt wird, die ihrerseits von den Seiten der Hornantenne 10 abgestrahlt wird.

Wie in F i g. 5a dargestellt, wird der den Polarisator 20 durchlaufende Ε-Vektor in die Komponenten E\ und £2 zerlegt. Der £-Vektor bildet mit den Rändern der Platten oder Blenden einen Winkel von 45°. Fig.5b veranschaulicht die Amplitude der beiden Vektorkomponenten £Ί und E2 in Abhängigkeit von der Zeit, wenn die Welle von der Apertur der Hornantenne 10 abgestrahlt wird. Bei 0° ist die Vektorkomponente Ei als Ergebnis der Einwirkung des Polarisators 20 auf die lineare Welle voreilend, während die Vektorkomponen-

e.5 te E\ verzögert ist. Demnach ist bei 0° die Vektorkomponente Ei gegenüber der Vektorkomponente Ei als Wirkung der Blenden im Hornabschniü 13 nacheilend. Wie aus F i g. 5c ersichtlich, besteht der resultierende

Vektor Er, der von der Hornantenne 10 abgestrahlt wird, aus den Komponenten Ei und £2· Dieser resultierende Vektor Er führt eine zeitliche Rechtsdrehung aus, ist also rechtsdrehend zirkularpolarisiert. Ein linksdrehend zirkularpolarisiertes Signal kann erzeugt werden, indem ein linearpolarisiertes Eingangssignal verwendet wird, das zu dem vorstehend behandelten Eingangssignal senkrecht steht.

Der vorstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles ist zu entnehmen, daß durch die Erfindung eine Hornantenne geschaffen wurde, die sich durch einen geringen Platzbedarf, ein geringes Gewicht und eine hohe Wirksamkeit auszeichnet. Es wurde eine solche Hornantenne für das ("requenzband von 3,7 bis 4,2GHz konstruiert, geprüft und für kommerzielle Zwecke in einem Nachrichten-Satelliten installiert. Als Ergebnis der Kombination von Hornstrahler und Polarisator wurden Einsparungen an kostbarem Gewicht und Raum erzielt. Die gesamte Hornantenne hatte ein Gewicht von knapp 150 g und eine Länge von etwa 15 cm.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Helmantenne mit Richtcharakteristik für zirkuiarpolarisierte Wellen, die einen Eingangsabschnitt mit konstantem Querschnitt zum Zuführen einer linearpolarisierten Welle, einen sich trichterförmig erweitenden Hornabschnitt, einen zwischen dem Eingangsabschnitt und dem Hornabschnitt angeordneten Übergangsabschnitt, in dem sich eine zu den elektrischen Feldlinien der linear-polarisierten Welle senkrecht angeordnete Dämpfungsplatte befindet, und eine Anordnung zur Umwandlung der linear-polarisierten Welle in eine zirkular-polarisiarte Welle umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Umwandlung der linear-polarisierten Welle in eine zirkular-polarisierte Welle aus mindestens einer im Hornabschnitt (13) angeordneten Blende besteht, die zwei in einer gemeinsamen Querschnittsebene einander gegenüberstehende leitende Platten (z. B. 19a, \9b) umfaßt, deren freie Ränder mit den elektrischen Feldlinien der linearpolarisierten Welle einen Winkel bilden.

2. Hornantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornabschnitt (13) einen quadratischen Querschnitt aufweist und die Ränder der leitenden Platten (z. B. 19a, \9b) mit den elektrischen Feldlinien der linear-polarisierten Welle einen Winkel von 45° bildet.

3. Hornantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsabschnitt (12) ein an einem Ende rechteckiger und am anderen Ende quadratischer Hohlleiter ist, zwischen dessen Enden sich mehrere Stufen befinden.

4. Hornantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen des Übergangsabschnittes (12) eine Länge von etwa ^XU der Wellenlänge haben.