DE69016479T2

DE69016479T2 - Strahler für zirkular polarisierte Welen mit geringer Kreuzpolarisation.

Info

Publication number: DE69016479T2
Application number: DE69016479T
Authority: DE
Inventors: Paramjit S Bains; Dean N Paul; Krishnan Raghavan
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2010-03-07
Also published as: CA2011475A1; CA2011475C; DE69016479D1; EP0390350A3; US4972199A; EP0390350A2; JPH02288405A; EP0390350B1; JPH071848B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft die Abstrahlung von kreisförmig polarisierter Strahlung aus einer Gruppe von Strahlern und insbesondere das Verhindern einer Querpolarisation zwischen benachbarten zylindrischen Strahlern in einer Gruppenantenne der Strahler für eine verbesserte Isolation von linksseitig und rechtsseitig kreisförmig polarisierten Signalen.
Kommunikationssysteme verwenden häufig Antennen zur Kommunikation über lange Distanzen. Zum Beispiel können die Kommunikationssyteme, die einen Satelliten verwenden, der die Erde umkreist, einen elektromagnetischen Mikrowellen- Übertragungsweg zwischen dem Satelliten und einer sendenden/empfangenden Station auf der Erde verwenden. Um genau definierte Mikrowellenstrahlen zu liefern, ist es übliche Praxis, eine Antenne auf dem Satelliten zu verwenden, wobei die Antenne aus einer Vielzahl von abstrahlenden Elementen oder Strahlern, die in einer Gruppe angeordnet sind, aufgebaut ist. Typischerweise ist ein Mikrowellenenergiereflektor vorderhalb der Strahler positioniert, um ein Bündeln von Strahlen einer Strahlung zu unterstützen, um einen erwünschten schmalen Strahl, der auf die Station auf der Erde gerichtet ist, zu liefern.
Eine Form eines abgestrahlten Signals, welches in Kommunikationssystemen verwendet wird, ist ein kreisförmig polarisiertes elektromagnetisches Signal. Ein einziger Strahler kann gleichzeitig eine kreisförmig polarisierte Welle einer rechtsdrehend oder linksseitig kreisförmigen Polarisation und eine kreisförmig polarisierte Welle einer linksdrehend oder rechtsseitig kreisförmigen Polarisation abstrahlen. Bevorzugt ist das elektrische Feld einer der Wellen orthogonal oder senkrecht zu dem elektrischen Feld der anderen Welle, um sicherzustellen, daß die zwei Wellen ohne eine gegenseitige Beeinflussung getrennt empfangen werden können. Dies ermöglicht es, daß für eine Verdopplung der Datenkapazität des Kommunikationsübertragungswegs ohne eine Erhöhung des Frequenzspektrums zwei getrennte Signale auf der gleichen Trägerfrequenz übertragen werden. Mikrowellenstrukturen für die gleichzeitige Erzeugung von orthogonal kreisförmig polarisierten Wellen sind häufig in Kornmunikationssystemen verwendet worden, um den Vorteil der erhöhten Kanalkapazität zu nutzen.
Von besonderem Interesse ist hierin eine Gruppenantenne, die Signale auf einer Frequenz aussendet und Signale auf einer zweiten Frequenz, welche höher als die Sendefrequenz ist, empfängt. Die Signale bei einem Senden verwenden sowohl links- als auch rechtsdrehend kreisförmig polarisierte Wellen und die Signale nach einem Empfang verwenden sowohl links- als auch rechtsdrehend kreisförmig polarisierte Wellen. Es ist von Interesse, ein erwünschtes Richtmuster sowohl an dem ausgesendeten Strahl als auch an dem empfangenden Strahl einer Mikrowellenstrahlung vorzusehen.
Es ist bekannt, daß der Mittenbstand zwischen Strahlern der Gruppe ein wichtiger Parameter beim Aufbau eines erwünschten Strahlungsmusters ist. Hierin wird ein spezifischer Strahlerabstand verwendet, das heißt, ein Abstand, der gleich einer Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung ist. Da sich die empfangene Strahlung bei einer höheren Frequenz befindet, ist der effektive Strahlerabstand größer als eine Wellenlänge der empfangenen Strahlung. Außerdem verwendet die Gruppe, die hierin betrachtet wird, zylindrische Strahler, die Seite-an-Seite in der Gruppe angeordnet sind. Typischerweise sind solche zylindrische Strahler als Kreisabschnitte eines dünnwandigen kreisförmigen Wellenleiters aufgebaut.
Ein Problem besteht darin, daß die elektrischen Felder der transversal-elektrischen Welle, welches der Hauptwellentyp in dem zylindrischen Wellenleiter ist, über der Abstrahlungsöffnung eines Strahlers um einiges von einer vollkommenen Linearität abweichen können. Zum Beispiel kann ein Vektor eines elektrischen Feldes, das sich im Mittelpunkt der Abstrahlungsöffnung befindet, vollkommen gerade sein, während Vektoren eines elektrischen Feldes, die nach rechts und links von dem Mittenvektor verschoben sind, teilweise geneigt sein können. Idealerweise sollten alle elektrischen Vektoren einer einzigen kreisförmig polarisierten Welle an der Fläche der Abstrahlungsöffnung anstatt geneigt gerade oder linear sein und sollten senkrecht zu den entsprechenden Vektoren eines elektrischen Feldes der anderen kreisförmig polarisierten Welle sein. Aufgrund des Neigens des elektrischen Feldes in jeder Welle, ergibt sich jedoch eine kleine Vektorkomponente einer Welle, welche zu einer kleinen Vektorkomponente der anderen Welle parallel ist, wodurch eine Querkopplung von Signalen nach einem Empfang der jeweiligen Wellen bei der Station auf der Erde oder bei dem Satelliten möglich ist. Eine solche Querkopp lung oder Querpolarisation ist soweit wie möglich zu vermeiden, um einen Empfang von Signalen, die von der Gruppenantenne übertragen werden, mit höchster Qualität sicherzustellen. Das vorhergehende Problem besteht sowohl in dem Fall eines Aussendens aus einer Gruppe von Strahlern als auch bei dem Aussenden aus einem einzigen Strahler.
Die US-A-3413641 offenbart eine Doppelwellentyp-Mikrowellenantenne mit einem wellentypwandelnden Öffnungsübergang, die geringe Seitenkeulencharakteristiken und eine kleine kreisförmige Öffnung aufweist. Die US-A-4790776 offenbart einen Leistungsteiler für eine Antenne, welche nah benachbarte Vielfachstrahlen mit Seitenstrahlen eines sehr geringen Pegels aussendet oder empfängt.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Durch den Aufbau eines hier im weiteren Verlauf in Anspruch 1 spezifizierten Strahleraufbaus, welcher entweder einzeln oder als ein Teil einer Gruppe verwendet wird, und welcher einen Übergang zwischen zwei zylindrischen Wellenleiterabschnitten unterschiedlicher Durchmesser aufweist, wird das vorhergehende Problem überwunden und andere Vorteile werden geschaffen. Einer der Abschnitte, der als ein vorderer Abschnitt bezeichnet wird, erstreckt sich vorderhalb des Übergangs und dient als ein Strahler. Der andere Wellenleiterabschnitt, der als der hintere Abschnitt bezeichnet wird, erstreckt sich hinterhalb des Übergangs, weist eine Lambda-Viertel-Platte oder einen Polarisator und einen Orthowellentyp-Wandler auf, mittels welchem zwei eingegebene Mikrowellensignale zu einer Rückwand und einer Seitenwand des hinteren Wellenleiterabschnitts gekoppelt werden, damit sie orthogonal polarisierte transversal-elektrische Wellen werden. Die zwei Wellen breiten sich vorwärts durch die Lambda-Viertel-Platte aus, wobei die letztere, wie es bekannt ist, unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten entlang unterschiedlicher Achsen der Platte aufweist, um eine Drehung des elektrischen Vektors jeder Welle zu verursachen. Dies erzeugt eine kreisförmig polarisierte Strahlung jeder der Wellen, wobei von der Vorderseite des Stahlers aus gesehen eine Welle eine rechtsdrehende Polarisation aufweist und die andere Form eine linksdrehende Polarisation aufweist. Der hintere Wellenleiterabschnitt hat einen kleineren Durchmesser als der vordere Wellenleiterabschnitt, wobei der Durchmesser des vorderen Wellenleiterabschnitts ungefähr eine Wellenlänge beträgt.
Erfindungsgemäß wandelt der Übergang einen Teil der Mikrowellenenergie in jeder der Wellen zu einer transversal-magnetischen Welle höherer Ordnung um, welche ein Dämpfungstyp einer Welle in dem vorderen Wellenleiterabschnitt ist. Der transversal-magnetische Wellentyp benötigt einen Wellenleiter eines größeren Durchmessers als den Durchmesser einer Wellenlänge, der von dem vorderen Wellenleiterabschnitt vorgesehen ist, um ein Ausbreitungswellentyp zu sein. Aufgrund der Einschränkung in der Größe von lediglich einer Wellenlänge, schwächt sich die transversal-magnetische Welle höherer Ordnung während eines Durchgangs durch den vorderen Abschnitt ab, wobei sich der Betrag einer Abschwächung mit zunehmender Distanz eines Durchgangs entlang des vorderen Abschnitts in Übereinstimmung mit einem exponentiellen Abklingen in der Wellenamplitude erhöht.
Es ist festgestellt worden, daß die elektrischen Felder der transversal-magnetischen Welle mit den Querpolarisationsomponenten der Vektoren des elektrischen Feldes der kreisförmig polarisierten transversal-elektrischen Wellen in Wechselwirkung stehen, um die Neigungen der elektrischen Felder auszulöschen. Dies erzeugt gerade oder lineare Vektoren des elektrischen Feldes über der Abstrahlungsöffnung. Dadurch wird die unerwünschte Querkopplung von Signalen, die der Querpolarisation zugehörig ist, zur verbesserten Kommunikation der Signale der jeweiligen kreisförmig polarisierten Wellen beträchtlich verringert. Der Betrag eines Auslöschens der Neigung der elektrischen Vektoren ist von der Genauigkeit, mit welcher die Höhe der elektrischen Felder der transversal-magnetischen Welle mit den Querpolarisationskomponenten der geneigten elektrischen Vektoren der transversal-elektrischen Welle übereinstimmt, abhängig.
In den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die erwünschte Höhe der transversal-magnetischen Welle durch ein Einstellen der Parameter des Übergangs, um eine um einiges größere Höhe der transversal-magnetischen Welle, als es für die Auslöschung notwendig ist, zu schaffen und ein anschließendes Verringern der Höhe der transversal-magnetischen Wellen durch eine geeignete Auswahl einer Länge des vorderen Wellenleiterabschnitts erzielt. Die Verringerung in der Amplitude erzeugt den erwünschten Betrag einer transversal-magnetischen Welle bei der Abstrahlungsöffnung des Strahlers zur genauen Auslöschung der Neigung der elektrischen Felder. Der Übergang kann in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als ein Stufenübergang und in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung als ein konisch ausgeweiteter Übergang aufgebaut sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die zuvor erwähnten Aspekte und andere Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung erklärt, die in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung durchgeführt wird, in welcher:
Fig. 1 eine teilweise schematische stilisierte Ansicht einer Gruppe von zylindrischen Strahlern zeigt, die so angeregt werden, daß sie eine beidseitig kreisförmig polarisierte Strahlung liefern und die einen Übergang in jedem Strahleraufbau beinhalten, der eine kreisförmige TM&sub1;&sub1;-Welle erzeugt, um eine Querpolarisation zu verhindern, wobei die Gruppe zur Erläuterung als ein Teil eines Antennensystems dargestellt ist, das von einem Satelliten getragen wird, der die Erde umkreist;
Fig. 2 eine schematische Ansicht von Details eines Signalverarbeitungs-Stromkreises des Antennensystems zeigt, der Zusammenschaltungen der Strahler mit Strahlerbündlern beinhaltet;
Fig. 3 einen Stufenübergang in einem Strahleraufbau zeigt;
Fig. 4 einen konischen Übergang in einem Strahleraufbau zeigt; und
Fig. 5 eine Umwandlung von gekrümmten Linien eines elektrischen Feldes zu geraden Linien eines elektrischen Feldes mittels einer Verwendung einer transversal-magnetischen Welle des TM&sub1;&sub1;-Wellentyps zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Es wird Bezug auf Fig. 1 genommen, in der eine Antenne 20 gezeigt ist, die eine Gruppe 22 von Strahlern 24 aufweist, die einem Reflektor 26 zugekehrt sind. Die Strahler 24 werden innerhalb eines Sockels 28 gehalten und der Reflektor 26 ist durch einen Querträger 30, der sich aus dem Sockel 28 erstreckt, in einer Position relativ zu den Strahlern 24 befestigt. Der Reflektor 26 weist zum Bündeln einer Strahlung aus den Strahlern 24 eine gekrümmte konkave reflektierende Oberfläche, wie zum Beispiel einen Paraboloid, auf, die der Gruppe 22 zugekehrt ist, um einen Strahl 32 auszubilden. Die Gruppe 22 ist aus einer Mittenachse der reflektierenden Oberfläche verschoben, um jedes Blockieren des Strahls 32 durch die Strahler 24 zu vermeiden.
Die Antenne 20 ist ein Teil eines Antennensystems 34, welches Elektronik- und Mikrowellen-Stromkreise 36, die Signale verarbeiten, die von den Strahlern 24 ausgesendet und empfangen werden und die den Strahl 32 ausbilden, beinhaltet. Zur Verdeutlichung der Verwendung des Antennensystems 34 ist das System 34 als ein Teil eines Satelliten 38, der die Erde 40 umkreist und mit einer Station 42 auf der Erde 40 kommuniziert, dargestellt.
Es wird ebenso Bezug auf Fig. 2 genommen. Der Stromkreis 36 weist zwei Strahlenbündler 44 bzw. 46 auf, die zur Ausbildung linksseitig bzw. rechtsseitig kreisförmig polarisierter Teile des Strahls 32 an die Strahler 24 gekoppelt sind. Der Stromkreis 36 weist desweiteren zwei Leistungsteiler 48 bzw. 50 und zwei Sender-Empfänger 52 bzw. 54 auf, die durch die Leistungsteiler 48 bzw. 50 an die Strahlenbündler 44 bzw. 46 angeschlosssen sind. Ein Oszillator 56 liefert ein gemeinsames Trägersignal zur Phasensynchronisation von Signalen, die von den zwei Strahlenbündlern 44 und 46 ausgegeben werden, zu beiden Sendern-Empfängern 52 und 54. Es versteht sich, daß die Strahler 24 und die Strahlenbündler 44 und 46 während eines Aussendens von elektromagnetischen Signalen aus den Strahlern 24 zu der Bodenstation 42 und während eines Empfangs von Signalen von der Bodenstation 42 durch die Strahler 24 zur Erzeugung des Strahls 32 umgekehrt arbeiten.
Jeder Strahler 24 ist ein Teil eines Strahleraufbaus 58, wobei es eine Vielzahl von Strahleraufbauten 58 gibt, wobei eine für jeden Strahler 24 ist. Jeder Strahleraufbau 58 beinhaltet einen Übergang 60, einen Lambda-Viertel-Rotator 62 und einen Orthowellentyp-Wandler 64. Der Übergang 60 wird im weiteren Detail in den Figuren 3 und 4 beschrieben, in denen ein Stufenausführungsbeispiel und ein ausgeweitetes Ausführungsbeispiel mit 60A bzw. 60B in den Figuren 3 bzw. 4 gezeigt ist. Der Rotator 62 und der Wandler 64 sind innerhalb eines hinteren Wellenleiterabschnitts 66 des Strahleraufbaus 58 ausgebildet, wobei der Abschnitt 66 die Form eines geraden kreisförmigen Zylinders aufweist. Der Strahler 24 in jedem Aufbau 58 ist als ein Abschnitt eines geraden kreisförmigen zylindrischen Wellenleiters an der Vorderseite des Aufbaus 58 ausgebildet. In jedem Aufbau 58 sind die vorderen und hinteren Wellenleiterabschnitte durch Übergänge 60 verbunden. Der Rotator 62 befindet sich zwischen dem Wandler 24 und dem Übergang 60.
Der Orthowellentyp-Wandler 64 ist auf eine bekannte Weise aufgebaut und weist zwei Wellenleiter 68 und 70 auf, welche einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und Endwände aufweisen, welche an den hinteren Wellenleiterabschnitt 66 angrenzen. Sowohl der Wellenleiter 68 als auch der Wellenleiter 70 weisen gegenüberliegende breite Wände auf, die durch schmale Wände, zum Beispiel in einem Verhältnis einer Breite einer breiten Wand zu einer Breite einer schmalen Wand mit 2 : 1, miteinander verbunden sind. Eine transversal-elektrische (TE) Welle breitet sich in jedem der Wellenleiter 68 und 70 aus, wobei das elektrische Feld parallel zu der schmalen Seitenwand angeordnet ist. Der Wellenleiter 68 grenzt an die zylindrische Seitenwand des Wellenleiterabschnitts 66 an, wobei die breite Wand des Wellenleiters 68 parallel zu der Längsachse 72 des Strahleraufbaus 58 ist. Der Wellenleiter 70 grenzt an eine Endwand des Wellenleiterabschnitts 66 an und wird um die Längsachse 72 des Strahleraufbaus 58 herum gedreht, um den Wellenleiter 70 mit seiner breiten Wand, die einer schmalen Wand des Wellenleiters 68 zugekehrt ist, auszurichten. Die Endwände sowohl des Wellenleiters 68 als auch des Wellenleiters 70 sind im wesentlichen offen, um Schlitze vorzusehen, wie zum Beispiel einen Schlitz 74, der unsichtbar gezeigt ist, um ein Einkoppeln der elektrischen Felder der Wellen in jeden der Wellenleiter 68 und 70 in den Wellenleiterabschnitt 66 an der Stelle des Wandlers 64 zu ermöglichen. Zwei der eingekoppelten elektrischen Felder sind mit 76 bzw. 78 für die Wellenleiter 68 bzw. 70 bezeichnet. Die zwei elektrischen Felder 76 und 78 sind transversal zu der Längsachse 72 ausgerichtet.
Die elektrischen Felder 76 und 78 sind Komponenten von TE-Wellen, welche einen Wellentyp aufweisen, welcher sich in einem zylindrischen Wellenleiter ausbreitet. Diese Wellen breiten sich entlang der Achse 72 durch den Rotator 62 aus. Wie es beim Betrieb von Rotatoren bekannt ist, sind schnelle und langsame Aussendeflächen des Rotators 62 um die Achse 72 herum relativ zu den elektrischen Feldern 76 und 78 so abgewinkelt, daß sich eine Komponente von jedem dieser Felder entlang der schnellen Fläche ausbreitet, während sich eine andere Komponente von jedem dieser Felder entlang der langsamen Fläche ausbreitet. Dies erzeugt einen Phasenunterschied von 90 Grad zwischen den zwei Komponenten von jeder der zylindrischen Wellen. Die Phasenverschiebung von 90 Grad führt zu einer derartigen Drehung des Vektors des elektrischen Feldes in jeder der zylindrischen Wellen, daß sich das elektrische Feld 76, das aus dem Wellenleiter 78 eingeführt wird, mit einer linksdrehenden kreisförmigen Polarisation innerhalb des Strahlers 24 dreht und sich das elektrische Feld 78, das von dem Wellenleiter 70 eingeführt wird, mit einer rechtsdrehenden kreisförmigen Polarisation in dem Strahler 24 dreht.
Die beiden Strahlenbündler 44 und 46 sind auf die gleiche Weise aufgebaut. Veranschaulichend kann jeder der Strahlenbündler 44 und 46 als eine bekannte Gruppe von zusammengeschalteten Phasenschiebern und Leistungsteilern, wie zum Beispiel in einer Butler-Matrix, aufgebaut sein. Die hinteren Wellenleiterabschnitte 66 der verschiedenen Strahleraufbauten 58 könnnen in der Länge so geändert werden, daß sie einen Abstand der Wellenleiter 68 und 70 anpassen. Abschwächer und zusätzliche Phasenschieber oder Verzögerungselemente (nicht gezeigt) können in Ausgangskanälen der Strahlenbündler 44 und 46 verwendet werden, um Signalstärken und -phasen zwischen den Ausgangskanälen der Strahlenbündler sowohl für unterschiedliche Längen von Mikrowellenleitungen, die die Ausgangsports der Strahlenbündler mit den Orthowellentyp-Wandlern 64 verbinden zu kompensieren als auch Änderungen in den Längen der hinteren Wellenleiterabschnitte 66 zu kompensieren.
Erfindungsgemäß würde das elektrische Feld von beiden kreisförmig polarisierten Wellen in einem Strahler 24 beim nicht Vorhandensein der Erfindung teilweise gerade und teilweise geneigt sein, wie es mit 80 in Fig. 5 bezeichnet ist. Durch ein Kombinieren einer transversal-magnetischen Welle eines Wellentyps höherer Ordnung mit den geneigten elektrischen Feldern, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, schafft die Erfindung, das die geneigten Felder gerade werden, so daß gerade gewordene elektrische Felder, wie sie mit 82 bezeichnet sind, erzeugt werden. Die Erzeugung der transversal-magnetischen Welle wird mit Hilfe des Übergangs 60 durchgeführt. Das Ausführungsbeispiel des Übergangs 60A in Fig. 3 führt eine relativ schmale Bandbreite des Strahleraufbaus 58 ein, während die Verwendung des Ausführungsbeispiels des Übergangs 60B in Fig. 4 eine relativ breite Bandbreite des Strahleraufbaus 58 einführt.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Situation zu verwenden, in der ein Senden in einem Frequenzband durchgeführt wird, welches geringer als ein Frequenzband, das für den Empfang verwendet wird, ist. Die schmale Bandbreite des Übergangs 60A in Fig. 3 schließt seine Verwendung lediglich bei dem Aus senden von Signalen aus der Antenne 20 aus. Wenn die Antenne 20 jedoch sowohl zum Senden als auch zum Empfang verwendet wird, wobei sich das Senden bei dem niedrigeren Frequenzband und der Empfang bei dem höheren Frequenzband befindet, ist der Übergang 60B in Fig. 4 beim Aufbau des Strahleraufbaus 58 zu verwenden. Beim Aufbau des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung erstreckt sich das Sendefrequenzband von 11.771 - 12.105 GHz (Gigahertz) und das Empfangsfrequenzband erstreckt sich von 17.371 - 17.705 GHz.
Es wird Bezug auf die Schnittansicht des Übergangs 60A in Fig. 3 und die Schnittansicht des Übergangs 60B in Fig. 4 genommen, wobei der Innendurchmesser des vorderen Wellenleiterabschnitts oder Strahlers 24 in beiden Ausführungsbeipielen des Übergangs 1.000 Zoll beträgt. Die zylindrischen Wände des Strahlers 24 sind verglichen mit dem Innendurchmesser des Strahlers 24 verhältnismäßig dünn, wobei sie ungefähr 30tausendstel Zoll dick sind, um einen Mittenabstand von ungefähr einem Zoll zwischen Strahlern der Gruppe 22 zu ermöglichen (Fig. 2). Der Strahler 24, der hintere Wellenleiterabschnitt 66 und der Übergang 60 eines Aufbaus 58 sind aus einem Metall, wie zum Beispiel Kupfer, Bronze oder Aluminium, hergestellt. Das gleiche Metall kann beim Aufbau des Sockels 28, welcher die Aufbauten 58 trägt, verwendet werden. Der Innendurchmesser des hinteren Wellenleiterabschnitts 66 beträgt in beiden Ausführungsbeispielen des Übergangs 0.692 Zoll. Beim Übergang 60A beträgt eine Länge der Seitenwände des Strahlers 24, von einer Stufe 84 des Übergangs 60A zu einer Abstrahlungsöffnung 86 gemessen, 0.675 Zoll. Bei dem Übergang 60B ist der hintere Wellenleiterabschnitt 66 von dem Strahler 24 durch einen ausgeweiteten abgestumpft konischen Abschnitt 88 beabstandet, wobei der Abschnitt 88, entlang der Achse 72 des Übergangs 60B gemessen, eine Länge von 0.30 Zoll aufweist. Beim dem Übergang 60B beträgt die Länge des Stahlers 24, entlang der Achse 72 gemessen, 0.375 Zoll. Die vorhergehenden Abmessungen für den Übergang 60A werden bei einer Mittenfrequenz des Sendebands, das heißt, bei einer Frequenz von 11.938 GHz verwendet.
Beim Betrieb des Wandlers 60, der sowohl die Ausführungsbeispiele 60A und 60B beinhaltet, ist in dem Sendeband der Hauptwellentyp einer Ausbreitungswelle, die sich innerhalb des hinteren Wellenleiterabschnitts 66 aufbaut, der TE&sub1;&sub1;-Wellentyp, da andere Wellentypen in einem kreisförmigen Wellenleiter des vorhergehenden Durchmessers nicht existieren können. Bei der Mittenfrequenz des Sendebands beträgt der Innendurchmesser des hinteren Wellenleiterabschnitts 66 ungefähr 70% der Freiraumwellenlänge. Der Durchmesser des Strahlers 24 ist, wie zuvor beschrieben worden ist, ungefähr gleich der Freiraumwellenlänge. Somit ist die Querschnittsfläche des vorderen Wellenleiterabschnitts ungefähr das Doppelte der Querschnittsfläche des hinteren Wellenleiterabschnitts. Die Wirkungsweise des Übergangs 60, gleich, ob das Ausführungsbeispiel 60A oder 60B betrachtet wird, ist es, eine transversal-magnetische Welle eines Wellentyps höherer Ordnung, das heißt, des TM&sub1;&sub1;-Wellentyps zu erzeugen.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung ist der Durchmesser des Strahlers 24 von einer Wellenlänge zu klein, um eine Ausbreitung des TM&sub1;&sub1;-Wellentyps zu unterstützen. Deshalb wird der TM&sub1;&sub1;-Wellentyp in dem Sendefrequenzband abgeschwächt, was zu einem exponentiellen Abklingen in der Amplitude der transversal-magnetischen Welle, das eine Funktion der Distanz entlang der Achse 72 ist, von dem Übergang 60A oder 60B an dem hinteren Ende des Strahlers 24 bis zu der Abstrahlungsöffnung 86 an dem vorderen Ende des Strahlers 24 führt. Bei dem Empfangsfrequenzband, welches bei einer Frequenz zentriert ist, die nahezu 50% größer als die des Sendebands ist, ist der Durchmesser des Strahlers 24, wenn er in Wellenlängen gemessen wird, ausreichend groß, um eine Ausbreitung der transversal-magnetischen Welle in dem TM&sub1;&sub1;-Wellentyp von der Abstrahlungsöffnung 86 an dem vorderen Ende des Strahlers 24 durch den Strahler 24 zu der Übertragung 60B an dem hinteren Ende des Stahlers 24 zu ermöglichen. Die konische Form der Übertragung 60B liefert eine ausreichende Bandbreite, um eine Ausbreitung einer elektromagnetischen Energie in dem Empfangsfrequenzband aus dem Strahler 24 in den hinteren Wellenleiterabschnitt 66 zu ermöglichen. Jedoch verringert die beträchtlich schmälere Bandbreite des stufenförmigen Übergangs 60A die Bandbreite des Strahleraufbaus 58, so daß seine Verwendung sowohl im Sende- als auch Empfangsfrequenzband ausgeschlossen ist. Wenn der Übergang 60A, zu verwenden ist, ist seine Verwendung deshalb, wie es oberhalb beschrieben worden ist, lediglich auf das Sendeband beschränkt.
Die Funktionstheorie der Erfindung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, erfordert, daß die gekrümmten Abschnitte des elektrischen Feldes, die mit 80 bezeichnet sind, gerade gemacht werden, wie es mit 82 bezeichnet ist. Ein gekrümmter Abschnitt des elektrischen Feldes kann durch zwei Vektorkomponenten beschrieben werden, wobei einer von ihnen parallel zu der Hauptrichtung des elektrischen Feldes ist und der andere von ihnen transversal zu der Hauptrichtung des elektrischen Feldes ist. Die Transversalkomponente ist parallel zu dem elektrischen Feld der kreisförmig polarisierten Welle der entgegengesetzen Drehrichtung, was zu einer Querpolarisation der beiden Wellen und der resultierenden gegenseitigen Beeinflussung zwischen den Signalen der zwei polarisierten Wellen während einer Übertragung der zwei Signale führt. Die Richtungen der elektrischen Felder in dem TM&sub1;&sub1;-Wellentyp sind derart, daß sie die Transversalkomponenten des gekrümmten elektrischen Feldes auslöschen, was zu dem erwünschten geraden elektrischen Feld führt. Es ist festgestellt worden, daß eine Amplitude des TM&sub1;&sub1;-Wellentyps, welche ungefähr 6% der Amplitude des TE&sub1;&sub1;-Hauptwellentyps beträgt, der geeignete Wert ist, um die erwünschte Auslöschung der Transversalkomponenten des elektrischen Feldes zu erzeugen, um die unerwünschte Krümmung des elektrischen Feldes zu entfernen.
Bei der praktischen Umsetzung der Erfindung wird die Größe des Übergangs 60 so ausgewählt, daß eine Amplitude des TM&sub1;&sub1;-Wellentyps erzeugt wird, welche größer ist, als die vorhergehenden 6 Prozent. Die Länge des vorderen Wellenleiterabschnitts des Strahlers 24 wird so ausgewählt, daß die Amplitude der transversal-magnetischen Welle abgeschwächt wird, um sie auf den erwünschten Wert von 6 Prozent zu bringen. Der vorhergehende Wert von 6 Prozent erzeugt eine beträchtliche Verringerung der Krümmung des elektrischen Feldes. Jedoch kann eine noch weitere Verringerung erfahrungsgemäß durch eine derartige weitere Einstellung der Länge des Strahlers 24, die die Komponenten des elektrischen Feldes der transversal-magnetischen Welle mit den Transversalkomponenten der Vektoren des gekrümmten elektrischen Feldes genauer in Übereinstimmung bringt, erzielt werden.
Der Betrag der erzeugten transversal-magnetischen Welle hängt von der Höhe des Übergangs, das heißt, dem Verhältnis der Innendurchmesser des Strahlers 24 und des hinteren Wellenleiterabschnitts 66, und ebenso von der körperlichen Form des Übergangs ab. Ein größeres Verhältnis der Durchmesser erzeugt eine größere Amplitude der transversal-magnetischen Welle. Für ein vorgegebens Verhältnis der Durchmesser erzeugt die Stufenform des Übergangs 60A eine größere Amplitude der transversal-magnetischen Welle als dies die ausgeweitete konische Form des Übergangs 60B tut. Als Ergebnis ist die axiale Länge des Strahlers 24 in Fig. 3 länger als die entsprechende Abmessung in Fig. 4, das heißt, 0.675 Zoll zu 0.375 Zoll, um, verglichen mit dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4, die zusätzliche Abschwächung des transversal-magnetischen Feldes, die für das Ausführungsbeispiel in Fig. 3 benötigt wird, zu erzeugen. Diese Grundlagen der Erfindung sind ebenso an anderen Ausführungsbeispielen von zylindrischen Wellenleitern, wie zum Beispiel einem Wellenleiter, der aus einem massiven dielektrischen Material aufgebaut ist, anwendbar.
Bezüglich der Funktionsweise des Antennensystems 34 breiten sich aufgrund des orthogonalen Verhältnisses der Vektoren 76 und 78 des elektrischen Feldes die zwei kreisförmig polarisierten Wellen unabhängig voneinander aus (Fig. 2), wobei in einer transversalen Fläche des Strahleraufbaus 58 die zwei Vektoren des elektrischen Feldes senkrecht zueinander sind. Der Orthowellentyp-Wandler 64 arbeitet während eines Empfangs derart, daß er die zwei kreisförmig polarisierten Wellen so trennt, daß ein Signal, das von einer Welle übertragen wird, über den Wellenleiter 68 ausgegeben wird und ein Signal, das von der anderen Welle übertragen wird, über den Wellenleiter 70 ausgegeben wird. Die Signale aus den Orthowellentyp-Wandlern 64 der jeweiligen Strahleraufbauten 58 sind in den getrennten Strahlenbündlern 46 bzw. 44 kombiniert, um zu einem getrennten Empfang der zwei Signale durch die Leistungsteiler 50 bzw. 48 an die Wandler 54 bzw. 52 angelegt zu werden. Während eines Sendens werden zwei Signale getrennt von jedem der Wandler 54 und 52 zur Kopplung über die Wellenleiter 68 und 70 zu einem Strahleraufbau 58 erzeugt. Während eines Sendens wird Energie aus den zwei kreisförmig polarisierten Signalen zu einem transversal-magnetischen Wellentyp höherer Ordnung, der die Krümmung des elektrischen Feldes auslöscht, gewandelt, wodurch eine Querpolarisation innerhalb jeden Strahlers 24 entfernt wird, um sicherzustellen, daß sich keine beträchtliche Beinflussung zwischen den Signalen, die von den zwei kreisförmig polarisierten Wellen übertragen werden, ergibt.
Für die vorhergehenden Werte der Sende- und Empfangsfrequenzbänder liefert die Verwendung von Strahlern mit einem Zoll Durchmesser eine Abstrahlungsöffnung, welche bei den Frequenzen des Sendebands ungefähr einer Wellenlänge entspricht und bei den Frequenzen des Empfangsbands ungefähr 1.5 Wellenlängen entspricht. Dies erzeugt einen sehr niedrigen Pegel einer Querpolarisation bei beiden Frequenzbändern. Mittels einem Vergleich zu anderen Formen von Strahlern ist es anzumerken, daß, wenn konisch geformte Hörner anstelle von zylindrischen Strahlern 24 als die Zuführungselemente verwendet werden, eine solche Gruppe einen unerwünscht hohen Pegel von querpolarisierten Signalen in dem Fernfeld-Abstrahlungsmuster der Gruppe der Strahler erzeugt würde. Die Zuführungshörner der Erfindung, das heißt, die zylindrisch geformten Strahler 24, minimieren eine Querpolarisation, die sowohl durch das Sende- als auch das Empfangsfrequenzband hindurchgeht.
Die Antenne 20 verringert die Querpolarisationskomponente einer kreisförmigen Polarisation über einen weiten Richtungsbereich einer Ausbreitung, das heißt, bis zu 40 Grad abweichend von der Achse der Gruppe 22 in allen Richtungen um die Achse herum, wobei der Raumwinkel der gegenüberliegende Winkel des parabolischen Reflektors 26 ist. Das Abstrahlungsrichtmuster der Antenne 20 zeigt eine beträchtliche Verbesserung sowohl der Sende- als auch der Empfangsbandfrequenzen gegenüber solchen, die von einer Antenne erzeugt werden, die eine andere Form eines Strahlers, wie zum Beispiel eine Gruppe von konischen Hörnern verwendet, verwendet. Dies beruht auf der Grundlage der Verwendung eines TM&sub1;&sub1;-Wellentyps höherer Ordnung, bei dem bei der Sendefrequenz der Durchmesser des Strahlers 24 von einer Wellenlänge zu klein ist, um eine Ausbreitung zu unterstützen, aber der Durchmesser von 1.5 Wellenlängen bei dem Empfangsfrequenzband eine Ausbreitung der transversal-magnetischen Welle unterstützt. Für ein vorgegebenes Durchmesserverhältnis an dem Übergang 60B kann die Amplitude des TM&sub1;&sub1;- Wellentyps ebenso durch ein Auswählen des Winkels des ausgeweiteten Abschnitts eingestellt werden. Zusätzlich zur Verringerung der Querpolarisation innerhalb jedem der Strahler 24 verringert die abgeänderte Öffnungsverbreitung jedes Strahlers 24, die durch den TM&sub1;&sub1;-Wellentyp geliefert wird, ebenso eine Verschlechterung eines Abstrahlungsmusters, das durch eine gegenseitige Kopplung zwischen den Strahlern der Gruppe 22 erzeugt wird.

Claims

1. System zum Abstrahlen kreisförmig polarisierter elektromagnetischer Wellen, mit einem zylindrischen Strahler und einer Erzeugungseinrichtung zum Anlegen von Strahlung an den Strahler, einer Übergangseinrichtung (60) zum Verbinden der Erzeugungseinrichtung (44, 46, 48, 50, 52) mit einer der Abstrahlungsöffnung gegenüberliegenden Rückseite des Strahlers (24) zur Linearisierung von transversal-elektrischen Feldern von kreisförmig polarisierten Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß

der zylindrische Strahler (24) eine Abstrahlungsöffnung von im wesentlichen einer Wellenlänge im Durchmesser aufweist; und

die Ereugungseinrichtung (44, 46, 48, 50, 52) auf zwei der Erzeugungseinrichtung (44, 46, 48, 50, 52) zugeführte Mikrowellensignale anspricht, um eine rechtsdrehend kreisförmig polarisierte Welle im Ansprechen auf ein erstes der Mikrowellensignale und eine linksdrehend kreisförmig polarisierte Welle im Ansprechen auf ein zweites der Mikrowellensignale zu erzeugen, wobei die rechtsdrehenden und die linksdrehenden Wellen transversal-elektrische Wellen und senkrecht zueinander sind, und wobei die Erzeugungseinrichtung (44, 46, 48, 50, 52) die kreisförmig polarisierten Wellen für deren Abstrahlung von dem Strahler an den Strahler (24) anlegt; und wobei

die Übergangseinrichtung (60) die Querpolarisation der von der Abstrahlungsöffnung m,it unterschiedlicher kreisförmiger Polarisation abgestrahlten Wellen unterdrückt.

2. Abstrahlungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Übergangseinrichtung (60) einen Übergang aufweist, der einen Teil der transversal-elektrischen (TE) Wellen zu einem Dämpfungstyp höherer Ordnung einer transversal-magnetischen (TM) Welle zur Wechselwirkung mit den transversal-elektrischen Wellen umwandelt, um die transversal-elektrischen Wellen zu linearisieren, wobei sich die transversal-magnetische Welle in der AmPlitude während des Durchgangs durch den zylindrischen Strahler (24) zur Abstrahlungsöffnung verringert.

3. Abstrahlungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Erzeugungseinrichtung einen zylindrischen Wellenleiterabschnitt (66) aufweist, der einen kleineren Durchmesser als den Durchmesser der Abstrahlungsöffnung aufweist; und

der Übergang (60) eine sich von einem vorderen Ende des Wellenleiterabschnitts (66) nach außen zu einem der Abstrahlungsöffnung gegenüberliegenden hinteren Ende des Strahlers (24) ausdehnende Querwand umfaßt, wobei der Dämpfungstyp im Strahler (24) vorliegt.

4. Abstrahlungssystem nach Anspruch 3, bei dem die Querwand eine quer zu einer Längsachse (72) des Strahlers (24) liegende ebene Wand (84) ist.

5. Abstrahlungssystem nach Anspruch 3, bei dem die Querwand als ein symmetrisch zu einer Längsachse (72) des Strahlers angeordneter konischer Abschnitt ausgeführt ist.

6. Abstrahlungssystem nach Anspruch 3, bei dem der Wellenleiterabschnitt (66) eine Querschnittsfläche aufweist, die ungefähr gleich der Hälfte der Querschnittsfläche des Strahlers ist.

7. Abstrahlungssystem nach Anspruch 3, bei dem der Strahler (24) eine ausreichende Achsenlänge aufweist, um die Amplitude der TM-Welle auf ungefähr sechs Prozent der Amplitude der TE-Welle zu verringern, um die Querpolarisation auszulöschen.

8. Abstrahlungssystem nach Anspruch 1, bei dem der zylindrische Strahler (24) einen Kreisquerschnitt von ungefähr einer Wellenlänge der mit dem Strahler (24) zu übertragenden Strahlung aufweist, wobei der Durchmesser des zylindrischen Strahlers (24) ausreichend klein ist, um die Ausbreitung von TM-Wellen höherer Ordnung zu verhindern, um den Dämpfungstyp zu erzeugen.