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DE1904130A1 - Richtantenne fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Richtantenne fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen

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DE1904130A1
DE1904130A1 DE19691904130 DE1904130A DE1904130A1 DE 1904130 A1 DE1904130 A1 DE 1904130A1 DE 19691904130 DE19691904130 DE 19691904130 DE 1904130 A DE1904130 A DE 1904130A DE 1904130 A1 DE1904130 A1 DE 1904130A1
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DE
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dielectric material
horn
dielectric
directional antenna
tube
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DE19691904130
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DE1904130B2 (de
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Dipl-Ing Wolfgang Rebhan
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/20Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/24Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave constituted by a dielectric or ferromagnetic rod or pipe

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  • Waveguide Aerials (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung ird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert.
  • Es zeigen in der Zeichnung: Fig. 1 den Gasamtaufbau einer Antenne; Fig. 2 einen Ausschnitt bei einer speziellen lusbildungsform.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Abgesehen vou dielektrischen Rohr 2 lassen sich durch die in Fig. 1 erkennbaren Maßnahmen noch folgende Wirkungen erzielen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 9 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (9)

  1. Patentansprüche 1, Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen nach Art einer dielektrisehen Hornantenne, bei der an einen metallischen Hohlleiter ein aus dielektrischem Material bestehendes Horn angeschlossen ist, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Horn (2) und dem metallischen Hohlleiter (1) ein aus dielektrischem Material bestehendes Rohr (3) angeordnet ist, und daß im metallischen Hohlleiter (1) ein aus dielektrischem Material bestehender Stab (4) angeordnet ist, der in das aus dielektrischem Material bestehende Rohr (3) hineinragt.
  2. 2, Richtantenne nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z c i c h n e t , daß das aus dielektrischem Material bestehende Rohr (3) etwa die gleichen Querschnittsabmessungen wie der metallische Hohlleiter (1) hat.
  3. 3. Richtantenne nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das aus dielektrischem Material bestehende Rohr (3) unmittelbar in das Horn (2) übergeht, 4.
  4. Richtantenne nach einem der vorhengehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß anstelle des aus dielektrischem Material bestehenden Stabes (4) ein aus dielektrischem Material bestehendes Rohr vorgesehen ist.
  5. Richtantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der aus dielektrischem Material bestehende Stab (4) sich in Richtung zum dielektrischen Rohr (3) verjüngt.
  6. 6. Richtantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der aus dieleketrischem Material bestehende Stab (3) wenigstens an einer Stirnseite kegelförmig (10) ausgebildet ist.
  7. 7. Richtantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z c i c h n e t , daß im Öffnungsbereich des dielektrischen Horns (2) eine aus dielektrischem Material bestehende Scheibe (5) mit senkrecht zur mittleren Längsachse (6) der Antenne stehender Scheibenebene angeordnet ist.
  8. 8. Richtantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf den metallischen Hohlleiter (1) eine metallische Scheibe (7) aufgebracht ist, die etwa eine Viertelwellenlänge von seiner dem Horn (2) zugewandten Öffnung (8) entfernt ist.
  9. 9. Richtantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der aus dielektrischem Material bestehende Stab (4) bzw.
    das ihn ersetzende, aus dielektrischem Material bestehende Rohr von wenigstens einem weiteren, konzentrisch angeordneten, ebenfalls aus dielektrischem Material bestehenden Rohr (12) umgeben ist.
    L e e r s e i t e
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