DE1100098B - Flaechenstrahler zur Ausstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen mehrerer weit auseinander-liegender Frequenzbaender - Google Patents

Description

• Flächenstrahler zur Ausstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen mehrerer weit auseinanderliegender Frequenzbänder Bei Richtfunkstrecken geht die Tendenz dahin, über eine Antenne bzw. über einen Umlenkspiegel mehrere weit auseinanderliegende Frequenzbänder, z. B. im Bereich von 2000, 4000 und 6000 MHz, zu schicken.
• Die Bündelung der Richtantennen kann mit Rücksicht auf die Ausbreitungsbedingungen und die mechanischen Schwankungen der Antennenträger nicht beliebig scharf gemacht werden. Als untere, allerdings nicht sehr scharfe Grenze für die Halbwertsbreite der Strahlungscharakteristik wird im allgemeinen ein mittlerer Wert von etwa ± 1° (d,. h. 0 Min .-;: 2°) angenommen (in der Vertikalebene etwas weniger, in der Horizontalebene etwas mehr). Die Bündelung einer Antenne ist um so schärfer, je größer die Dimensionen der Antenne gemessen in Wellenlängen sind. Die Bündelung einer bestimmten Antenne nimmt also mit steigender Frequenz zu bzw. die Halbwertsbreite ab. Vorausgesetzt ist dabei, d.aß sich die Belegung mit der Frequenz nicht wesentlich ändert. Dies wird im allgemeinen bei Linsenantennen, Hornparab olen und Umlenkspiegeln zutreffen. Bei den Parabolantennen hat man es leichter in der Hand, durch eine Belegung mit entsprechender Frequenzabhängigkeit der Amplitude eine zu scharfe Bündelung bei höheren Frequenzen zu vermeiden, während es bei den Linsenantennen, Hornparabolen und Umlenkspiegeln schwieriger zu erreichen ist. Ist eine solche Antenne z. B. so dimensioniert, da13 ihre Strahlungscharakteristik bei 2000 MHz etwa die noch zulässige Größe der Halbwertsbreite von 2' besitzt, so wird sie bei 4000 MHz nur noch 1° und bei 6000 MHz 0,66° betragen (Fig. 1), d. h. also, daß bei den höheren Frequenzbändern (4000 und 6000 MHz) die Bündelung dieser Antenne weit über das zulässige Maß hinausgeht.
• Es ist bereits für die Radartechnik eine Antenne bekannt, die in der Vertikalebene ein Diagramm aufweist, welches angenähert die Form f (77) = const. hat.
• Weiterhin ist für Radarzwecke eine Antenne bekannt, bei welcher die Verbreiterung des Antennendiagratnms durch einen Flächenstrahler mit nicht konphaser Belegung erzeugt wird..
• Die Erfindung betrifft dagegen einen Flächenstrahler zur Ausstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen mehrerer weit auseinanderliegen.-der Frequenzbänder. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Apertur des Flächenstrahlers so gewählt ist, daß bei der tiefsten Betriebsfrequenz bei konphaser Belegung die Breite der Hauptkeule etwa den zulässigen Minimalwert hat, während die bei höheren Frequenzen auftretende Verschmälerung der Hauptkeule ganz oder teilweise dadurch ausgeglichen wird, daß die Phase der Aperturbelegung des Flächenstrahlers eine entsprechende Frequenzabbängigkeit aufweist. Bei einer nichtkonphasen Belegung ist die Halbwertsbreite der Strahlungscharakteristik größer als bei der konphasen Belegung, und zwar ist der Unterschied um so größer, je stärker die Abweichung von der konphasen Belegung ist. In Fig. 2 ist als Beispiel die Hauptkeule der Strahlungscharakteristik einer homogen belegten rechteckigen Apertur bei konstanter Frequenz für konphase und verschiedene nichtkonphase Belegungen gezeichnet. Dabei verläuft die Phase von der Mitte zum Rand der Apertur nach der Funktion und es bedeutet a die Aperturdimension, x die laufende Koordinate in der Apertur und ß die maximale Phasenabweichung am Rand der Apertur. Man erkennt hieraus, daß mit zunehmender Phasenabweichung die Ha.lbwertsbreite größer wird. Strahlt nun eine solche Apertur mit den Frequenzen 2000, -1000 und 6000 MHz und richtet man es so ein, daß bei 2000 MHz die maximale Phasenabweichung am Rand etwa 0,6 iz, bei 4000 MHz etwa 1,2,T und bei 6000 MI-Iz etwa 1,8 ir beträgt, so erhält man eine mit zunehmender Frequenz annähernd konstante Breite der Hauptkeule (Fig.3). Die Form der Hauptkeule hängt außer von der Phasenfunktion auch noch von der Belegung (Amplitude) und der Aperturform des Flächenstrahlers ab. Man kann daher durch eine geeignet gewählte Phasenfunktion der Hauptkeule der Strahlungscharakteristik eine solche Form geben, daß sie der Form f (e) = const. möglichst nahe kommt. Bei einer rechteckigen Apertur mit homogener Belegung ist diese Form bei der Phasenfunktion schon gut angenähert. Es können nur solche Phasenfunktionen zugelassen werden, die eine zu den Symmetrieachsen der Apertur (Vertikale und Horizontale) symmetrische Phasenabweichung erzeugen, da sich sonst eine frequenzabhängige Hauptabstrahlungsrichtung ergeben würde. Die Phasenfunktion muß dann allgemein die Form haben. Ist die Aperturform und die Amplitudenbelegung gegeben, so kann man solche Koeffizienten ßi, ß2, ß4. .. aussuchen, bei denen sich eine möglichst günstige Form der Hauptkeule ergibt. Aus diesen Koeffizienten bestimmt sich dann rein geometrisch die Oberfläche des Reflektors bzw. die Form der Linse. Man kann nämlich die gewünschte Phasenabweichung entweder durch eine entsprechende Verformung des Reflektors oder durch eine entsprechende Vorsatzlinse erreichen. Bei Linsenantennen wird man zweckmäßigerweise die Linse von vornherein so -wählen, daß sich bei der höchsten Betriebsfrequenz die gewünschte Phasenabweichung ergibt. Es wird sich dann. im Gegensatz zu der bisher üblichen Dimensionierung bei keiner Betriebsfrequenz eine konphase Belegung ergeben. Will man bereits vorhandene Antennen nachträglich zum Betrieb für mehrere weit auseinanderliegende Bänder umrüsten, so ist kein großer Aufwand notwendig, wie es beispielsweise die Verformung eines Reflektors darstellen würde. Man kann dann die Phasenabweichungen in der Apertur durch entsprechend angesetzte Stufen oder Knicke am Reflektor oder einen entsprechend gewählten stufenförmigen Vorsatz aus phasenverzögerndem oder phasenbeschleunigendem Material erzeugen. Die Größe der Richtantennen. wird man im allgemeinen so wählen, daß bei der tiefsten Betriebsfrequenz bei konphaser Belegung die Breite der Hauptkeule etwa den zulässigen Minimalwert hat. Wird dann die maximale Phasenabweichung bei der höchsten Betriebsfrequenz -so groß gewählt, daß die Breite der Hauptkeule den zulässigen Minimalwert nicht überschreitet, so wird die Breite der Hauptkeule dann bei der tiefsten Frequenz nur wenig von dem Wert abweichen, den sie bei konphaser Belegung hat.
• Hat der Flächenstrahler eine solche Aperturform und Belegung, da.ß sich eine annähernd rotationssymmetrische Hauptkeule ergibt, so ist unter Umständen (hängt von dem Verhältnis der tatsächlichen Halb--vertsbreite zur zulässigen Minimalbreite ab) nur in der Vertikalebene eine Phasenabweichung vorzusehen, da die Schwankungen der Abstrahl- und Eingangs--winkel in dieser Ebene stärker sind. Eventuell genügt ,es auch, die Phasenabweichungen in der Horizontalebene kleiner als in der Vertikalebene zu machen. Ist jedoch der Flächenstrahler, wie heute oft üblich, in der horizontalen Ausdehnung größer als in der vertikalen und hat er bei der tiefsten Betriebsfrequenz in der Horizontalen und Vertikalen bereits die zulässige Minimalbreite der Hauptkeule, so wird man eine in beide Richtungen annähernd gleich große Phasenabweichung vorsehen.
• In den Figuren sind einige Ausführungsbeispiele für die Richtantenne nach der Erfindung dargestellt. Die Fig.4 zeigt einen quadratischen Urnlenkspiegel nach der Erfindung, welcher eine in einer Richtung <z. B. der Vertikalen) gekrümmte Oberfläche hat. Ein quadratischer Umlenkspiegel, welcher eine in beiden Richtungen gekrümmte Oberfläche aufweist, ist in der Fig. 5 wiedergegeben. Dabei kann die Krümmung in beiden Richtungen gleich oder verschieden stark sein. Es ist auch möglich, dem quadratischen Umlenkspiegel eine geknickte Oberfläche zu geben. Gemäß Fig. 6 ist die Oberfläche in einer Richtung (z. B. der Vertikalen) geknickt, während bei dem Umlenkspiegel nach Fig. 7 in beiden Richtungen eine gleich stark geknickte Oberfläche vorgesehen ist. Nach Fig. 8 ist der Knickwinkel bei dem quadratischen Umlenkspiegel in der Vertikalen stärker.
• Es ist auch möglich, bei einem quadratischen Umlenkspiegel die Außenzonen der Oberfläche anzuwinkeln, wie es in der Fig. 9 gezeigt ist. Ferner können gegebenenfalls die Außenzonen der Oberfläche des quadratischen Umlenkspiegels durch einen stufenförmigen Absatz gebildet werden (Fig. 10).
• Die Anwendung der Erfindung kann nicht nur bei quadratischen Umlenkspiegeln durchgeführt werden, sondern es ist durchaus zweckmäßig, das Prinzip der Erfindung auch bei rhombischen Umlenkspiegeln anzuwenden, wie sie in den Fig. 11 bis 15 enthalten sind. Bei der Fig. 11 handelt es sich um einen rhombischen Umlenkspiegel, dessen Oberfläche in einer Richtung, z. B. der vertikalen, gekrümmt ist, während nach Fig. 12 die Oberfläche in beiden Richtungen gekrümmt ist. Auch hier kann die Krümmung derart bemessen werden, daß sich in horizontaler und vertikaler Richtung gleiche oder verschieden große Phasenabweichungen ergeben. Während die Oberfläche des Umlenkspiegels nach Fig. 13 in einer Richtung geknickt ist, sind bei dem Umlenkspiegel nach Fig. 14 die Außenzonen angewinkelt. Die Fig. 15 enthält eine weitere Ausführungsform eines rhombischen Umlenkspiegels, bei dem die Außenzonen durch einen stufenförmigen Absatz gebildet werden.
• Der runde Umlenkspiegel nach Fig. 16 hat eine kegelförmige Oberfläche. Dieser Spiegel weist eine streng rotationssymmetrische Strahlungscharakteristik auf.
• Die Erfindung kann ferner auch bei Hornparabolantennen angewendet werden. In den Fig. 17 'bis 19 sind hierfür Ausführungsformen angegeben. Bei der Hornparabolantenne nach Fig. 17 hat der Reflektor eine entsprechende Abweichung von der Parabolform. Gemäß Fig. 18 ist auf die Hornparabolantenne eine Schicht von phasenverzögerndem oder phasenbeschleunigendem Material mit entsprechender Krümmung aufgesetzt. Gegebenenfalls kann auch ein stufenförmiger Aufsatz aus phasenverzögerndem oder phasenbeschleunigendem Material aufgebracht werden, wie es in der Fig. 19 wiedergegeben ist.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Flächenstrahler zur Ausstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen mehrerer weit auseinanderliegender Frequenzbänder, dadurch gekennzeichne4 daß die Größe der Apertur des Flächenstrahlers so gewählt ist, daß bei der tiefsten Betriebsfrequenz bei konphaser Belegung die Breite der Hauptkeule etwa den zulässigen Minimalwert hat, während die bei höheren Frequenzen auftretende Verschmälerung der Hauptkeule ganz oder teilweise dadurch ausgeglichen wird, da.ß die Phase der Aperturbelegung des Flächenstrahlers eine entsprechende Frequenzabhängigkeit aufweist.
2. 2. Flächenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.ß die Phasenfunktion der Belegung mit Rücksicht auf die Amplitude der Belegung und auf die Apertur des Flächenstrahlers derart gewählt ist, daß die Hauptkeule möglichst steile Flanken aufweist bzw. die ideale Form der Hauptkeule f (z9) = const. möglichst stark annähert.
3. 3. Flächenstrahler nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Phasenabweichung am Rand der Apertur gegenüber der Mitte bei der höchsten Betriebsfrequenz so gewählt ist, daß die Breite der Hauptkeule die zulässige Minimalbreite nicht unterschreitet.
4. 4. Flächenstrahler nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenabweichung in der Vertikalrichtung größer als in der Horizontalrichtung gewählt ist.
5. 5. Flächenstrahler nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenabweichung durch eine entsprechende Verformung der Reflektoren, z. B. bei Hornparabolen und Umlenkspiegeln, erreicht ist.
6. 6. Flächenstrahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenabweichung durch einen entsprechend ausgebildeten stufenförmigen Reflektor erreicht ist.
7. 7. Flächenstrahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenabweichung durch entsprechend ausgebildete phasenverzögernde oder phasenbeschleunigende Schichten auf dem Reflektor oder in der Apertur erreicht ist. B. Flächenstrahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenabweichung in der Apertur durch entsprechend ausgebildete Stufen oder Knicke am Reflektor und/oder durch entsprechend ausgebildete stufenförmige oder keilförmige Vorsätze aus phasenverzögerndem oder phasenbeschleunigendem Material erzeugt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Silver: Microwave Antenna Theory and Design, 1949, S. 467 und 479.