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Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung
betrifft eine Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen nach Art einer
dielektrischen Hornantenne, bei der an einen metallischen Hohlleiter ein aus dielektrischem
Material bestehendes Horn angeschlossen ist.
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Es ist aus der Literatur bereits bekannt geworden, Richtantennen mit
Hilfe von Strahlern aufzubauen, die beispielsweise aus einem Rohr oder einem Stiel
dielektrischen Materials bestehen. Derartige Richtantennen sind unter anderem durch
die Arbeit "Dielektrische Richtstrahler" in "Fernmeldetechnische Zeitschrift", Heft
2, Feb. 1949, Seiten 33 bis 39 und Sep. 1950, Seiten 325 bis 328, bekannt geworden.
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Es ist in dieser Arbeit auch auf die Möglichkeit hingewiesen, die
dielektrische Antenne in der Art eines Hornes auszubilden. In der Arbeit "Die dielektrische
Hornantenne", die in der Zeitschrift "Hochfrequenztechnik und Elektroakustik", Band
68 (1959), Heft 3r Seiten 93 bis 104 erschienen ist, sind die für die Wirkungsweise
einer dielektrischen Hornantenne wesentlichen physikalischen Überlegungen so-tic
die für die Berechnung erforderlichen Größen zusammengestellt.
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Wie der Literatur zu entnehmen ist, lassen sich mit dielektrischen
Antennen Richtcharakteristiken erreichen, die den
Richtcharakteristiken
von aus metallischem Material bestehenden Antennen durchaus nahekommen. Darüberhinaus
haben aus dielektrischem Material bestehende Antennen den Vorteil, daß sie gegenüber
metallischen Antennen verhältnismäßig kleine mechanische Querabmessungen und danit
geringes Gewicht und geringen Raumbedarf haben Aus diesem Grund sind dielektrische
Antennen als Bordantennen von Nachrichtensatelliten von großem Interesse, da gerade
dort unnötiges Gewicht und unnötiger Raumbedarf nach Möglichkeit vermieden werden
sollen.
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Bei den bekannten dielektrischen Hornantennen, so auch bei der in
der vorgenannten Zeitschrift "Hochfrequenztechnik und Elektroakustik" beschriebenden
Hornantenne, wird unmittelbar an einen metallischen Hohlleiter ein aus dielektrischem
Material bestehendes Horn angesetzt. Wie sich zeigt, weist das Antennendiagramm
für eine Reihe von Anwendungsfällen noch zu starke Nebenkeulen und dadurch einen
zu niedrigen Gewinn auf, was insbesondere bei. Einsatz derartiger Antennen in Nachrichten
satelliten als außerordentlich störend empfunden wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten in verhaltnismäßig einfacher Weise abzuhelfen; insbesondere soll
der Aufbau einer dielektrischen Hornantenne angegeben werden, die bei hohem Antennengewinn
und geringen Nebenkeulen gegebenenfalls ein möglichst drehsymmetrisches Antrennendiagramm
hat.
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Ausgehend von einer Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische
Wellen nach Art einer dielektrischen Hornantenne, bei der an einen metallischen
Hohlleiter ein aus dielektrischem Material bestehendes Horn angeschlossen ist, wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Horn und dem
metallischen Hohlleiter ein
aus dielektrischem Material bestehendes
Rohr angeordnet ist, und daß im metallischen Hohlleiter ein aus dielektrischer Material
bestehender Stab angeordnet ist, der in das aus dielektrischem Material bestehende
Rohr hineinragt.
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Die Erfindung ird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig. 1 den Gasamtaufbau einer Antenne;
Fig. 2 einen Ausschnitt bei einer speziellen lusbildungsform.
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Die in Fig. 1 dargestellte Antenne besteht aus einem r.-etai1iscen
Rundhohlleiter 1 , aul dessen einer Weite ein Anschlußflansch 9 vorgesenen ist.,
an den die zum Sender bzw. zum Empfänger führende Anschlußhohlleitung angeschlossen
.:erden kann. An die der Antenne zugewandte Öffnung 8 des metallischen Hohlleiters
schließt sich ein aus dielektrischem Material bestehendes Roitr 3 an, das beim Ausführungsbeispiel
unmittelbar in das dielektrische Horn 2 übergeht. Das Rohr 3 hat etwa die gleichen
Querschnittsabwessungen wie der metallische Hohlleiter 1, so daß es, wie beim Ausführungsbeispiel,
in den Hohlleiter 1 eingeschoben bzw. über den hohlleiter 1 gestülpt werden kann.
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Im Endbereich des metallischen Hohlleiters 1 ist ein aus dielektrischem
Material bestehender Stab 4 vorgesehen, der über aus elektrisch nahezu neutralem
dielektrischem Material, wie z.B. Schaummaterial, bestehende Stützscheiben 11 zentrisch
im Hohlleiter 1 gehaltert wird und der in das aus dielektrischem Material bestehende
Rohr 3 hineinragt. Anstelle des Stabes 4 läßt sich auch ein aus dielektrischem
Material
bestehendes Rohr verwenden. Gegebenenfalls ist es zur Erzielung einer gleichmäßigen
ungestörten Wellentypwandlung zweckmäßig, den Stab 4 so auszubilden, daß er sich
in Richtung zum Horn 2 bzw. in Richtung zum Rohr 3 geringfügig verjüngt.
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Zur Verbesserung der Anpassung an den metallischen Hohlleiter kann
der Stab 4 wenigstens auf einer Seite, beispielsweise auf der dem Anschlußflansch
9 des met-allischen Hohlleiters 1 zugewandten Seite, kegelförmig ausgebildet sein,
wie dies in der Zeichnung durch den Kegel 10 kenntlich gemacht ist. Der Gesamtaufbau
ist so getroffen, daß bezüglich der mittleren Längsachse 6 der Antenne Rotationssyrnmetrie
gewährleistet ist.
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Im Öffnungsbereich des aus dielektrischem Material bestehenden Hornes
2 ist weiterhin eine aus dielektrischem Material bestehende Scheibe 5 vorgesehen,
deren ebene senkrecht zur mittleren Längsachse 6 der Antenne steht. A metallischen
Hohlleiter 1 ist ferner eine aus metallischem Material bestehende Scheibe 7 aufgebracht,
die etwa in einem Abstand von einem Viertel der mittleren Betriebswellenlänge von
der dem Horn 2 zu gewandten Öffnung des metallischer Hohlleiters 1 entfernt ist.
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Wenn es darauf ankommt, bei geringen Nebenkeulen eine besenders hohe
Richtwirkung zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, den aus dielektrischem Material
bestehenden Stab 4 bzw. das ihn gegebenenfalls ersetzende Rohr, durch wenigstens
ein weiteres Rohr konzentrisch zu umgeben. Eine entsprechende Ausführungsform ist
in Fig. 2 dargestellt, die lediglich ein Ausschnitt der in Fig. 1 dargestellten
Antenne zeigt. In Fig. 2 sind wiederum der metallische Hohlleiter 1, das aus dielektrischem
Material bestehende
Rohr 3, das dielektrische Horn 2 und der von
den Stützscheiben 11 konzentrisch gehaltene dielektrische Stab 4 zu erkennen. Zur
Verbesserung der Wellentypwandlung ist ein weiteres, aus dielektrischem Material
bestehendes Rohr 12 konzentrisch zum Stab 4 angeordnet. Erforderlichenfalls können
anstelle des Rohres 12 weitere derartige Rohre, ebenfalls konzentrisch, um den Stab
4 angeordnet werden.
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Die in der Zig. 1 gezeigte Ausführungsform dient der Erzeugung einer
annähernd dreh symmetrischen Strahlungscharakteristik mit niedrigen Nebenzipfeln
und einem, gegenüber metallisehen Hornstrahlern gleicher Öffnung, relativ hohen
Gewinn. Durch geeignete Dimensionierung kann insbesondere eine für die Anwendung
als Erbdeckungsantenne bei Synchron satelliten günstige Bündelung der Strahlungskeule
erreicht werden. Die Antenne kann mit zirkularer oder linearer Polarisation betrieben
werden.
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Wie die meisten dielektrischen Strahler hat, wie eingangs bereits
erwähnt wurde, auch das dielektrische Horn bekannte Bauart hohe Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm.
Der Gewinn erreicht dadurch nicht die aufgrund der Breite der Hauptkeule zu erwartende
Höhe. Nach Untersuchungen verschiedener Autoren hängt dies hauptsächlich mit Störwellen
zusammen, die durch die Wirkung der an Hohlleiter- und Hornende auftretenden Unstetigkeitsstellen
erzeugt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Antenne wird die Erzeugung
solcher Störwellen vermindert und eine gleichmäßige Umwandlung der H11-Hohlleiterwelle
des metallischen Hohlleiters 1 zunächst in die sogenannte EH11-Dipolwelle des dielektrischen
Rohres 3 bzw. des Hornes 2 und schließlich in die abgestrahlte Raumwelle erreicht.
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Abgesehen vou dielektrischen Rohr 2 lassen sich durch die in Fig.
1 erkennbaren Maßnahmen noch folgende Wirkungen erzielen.
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Der aus dielektrischem Material bestehende Stab 4, der von den Stützscheiben
11 aus elektrisch neutralem Schaummaterial gehalten wird, ragt teilweise in den
speisenden metallischon Rundhohlleiter 1 und teilweise in das sich anschließende
dielektrische Rohrstück 3 cin. Er sorgt für eine-abstrahlungsarme Umwandlung der
H11-Welle des Rundhohlleitors 1 in die EH11-Dipolwelle, die im Gegensatz zur H11
-Welle auch elektrische Längskomponenten hat. Eine mögliche physikalische Erklärung
hierfür liegt darin, daß die Energie vor allem im Innern des dielektrischen Stabes
4 läuft und damit von der strahlungsanregenden Stoßstelle am Ende des metallischen
Hohlleiters 1 ferngehalten wird. Zur Verminderung des Reflexionsfaktors kann der
dielektrische Stab 2 wenigstens an einem Ende in Form des Kegels 10 spitz zulaufen.
Wie bereits erwähnt, lassen sich der Reflexionsfaktor bzw. auch das Strahlungsdiagram
noch dadurch verbessern, daß der aus dielektrischem Material bestehende Stab 4 derart
ausgebildet wird, daß er sich in Richtung zum Horn 2 geringfügig verjüngt.
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Kurz hinter der Öffnung des metallischen Hohlleiters 1 ist auf dessen
Außenwand die beispielsweise kreisförmige metallische Scheibe 7 angebracht. Sie
soll Oberflächenwellen reflektieren, die von der Mündung 8 des metallischen Hohlleiters
1 zurücklaufen. Der Abstand der reflektierenden Scheibe 7 von der Hohlleitcrmündung
8 beträgt etwa ein Viertel der mittleren zu übertragenden Betriebswellenlänge, Direkte
und reflektierte Welle überlagern sich dann phasengleich.
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In der Öffnung des dielektrischen Horns 2 ist die ebenfalls aus dielektrischem
Material bestehende Scheibe 5 angeordnet, die der Unterdrückung unerwünschter Reflexionen
am Ende des Horns 2 und auch der Verbesserung des Aperturfeldes nach Phasc und Amplitude
dient. Für die Anwendung als Bordantenne
eines Satelliten ist eine
vorn Zentrum der Apertur zum Randhin abklingende Belegung erwünscht, die sich durch
Wahl der Dielektrizitätskonstanten bzw. der Dicke der Scheibe 5 annähern läßt. Die
Beeinflussung der Amplitude ist wohl dadurch erklärbar, daß die Aperturabmessungen
noch nicht groß gegen die Wellenlänge sind.
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Die Länge des dielektrischen Rohrstückes 2, die Dicke der Scheibe
5 sowie länge und Eintauchtiefe des dielektrischen Stabes 4 lassen sich so wählen,
daß der Antennengewinn maximal wird. Er beträgt bei einer nach Fig. 1 realisierten
Ausführungsform beispielsweise 19 dBi bei der Frequenz 9,6 GHz. Die Gesamtlänge
des Hornes 2 einschließlich des Rohres 3 beträgt dabei 180 mm, der Aperturdurchmesser
des Horns 2 etwa 60 mm. In der für die Anwendung als Bordantenne von Synchronsatelliten
wichtigen 9,2°-Richtung, die sich aus der Richtung zum Erdand +0,6° Lagerfehler
zusammensetzt, erreicht der Gewinn bei dieser Frequenz einen maximalen Wert von
16,2 dBi. Ohne Verwendung der erfindungsgemäßern Maßnahmen liegen alle Gewinne um
zirka 1,5 dB niedriger. Die Bedeutung der Gewinnerhöhung liegt für die Satellitenanwendung
unter anderem darin, dad Gewicht an den für die Stromversorgung erforderlichen Sonnen
zellen gespart werden kann, wobei zu b(denken ist, daß eine Gewinnerhöhung der Antenne
von nur 1 dB bereits eine Gewichtsersparnis ven 21 % erbringt.
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9 Patentansprüche 2 Figuren