ausleuchten von parabolspiegeln mit ... - the-eye.euthe-eye.eu/public/books/electronic...

DUBUS 1/86

1.

2. 2.1 2.2 2.3

3. 3. :\. 3.2

4. 4 .1 4. L 1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4. ;:.~. 4 4.3 4.3.1 4.3.2 4. :L 3

S. s. :I. S.2 s. :~ S.4

6.

7.

TECHNICAL REPORTS

AUSLEUCHTEN VON PARABOLSPIEGELN MIT HORNANTENNEN

FEEDING PARABOLIC DISHES WITH HORN ANTENNAS

BY ULF HUELSENBUSCH DK2RV

TEIL I

AL.1...GEMEINES

RECHNERISCHE ZUSAMMENHAENGE DI - GEWINN flD - CHARAKTERISTIK DI VER GENZF Al<TOR

DEFINIEREN DES ERREGERSYSTEMS AUSl...EUCHTEN DES SPIEGEl...S WAHL DER HORNANTENNE

DIMENSIONIEREN DER HORNANTENNE GRENZWERTE DER HOHL.LEITER RECHTECKHOHLLEITER RUNDHOHl ... LEITER PYRAMIDENHORN DIAGRAMM GEWINN PHASENZENTRUM KONSTRUKTIVE REALISIERBARKEIT KONISCHES HORN DIAGRAMM GEWINN PHASENZENTRUM

FEHLERQUEl...l..EN EINFLUSS AUF DAS VSWR ABSCHATTUNGSEFFEKTE DEFDKUSSIERUNG UNTERSCHIEDLICHE PHASENZENTREN

TEIL II

BASIC - HILFSPROGRAMM

BEISPIEI... MIT MESSUNGEN

PART I

GENERAL.

COMPUTATIONAL CORRELATION DI - GAIN flD - CHARACTERISTIC DIVERGENCE FACTOR

DEFINITION OF THE FEEDER SYSTEM ILLUMINATION OF THE DISH CHOICE OF HORN ANTENNA

DIMENSIONING THE HORN ANTENNA WAVEGUIDE LIMITING VALUES RECTANGULAR WAVEGUIDE CIRCULAR WAVEGUIDE PYRAMIDAi... HORN DIAGr~AM

GAIN PHASE CENTRE REALITY OF CONSTRUCTION CONICAi... HORN DIAGr~AM

GAIN PHASE CENTRE

ERROR SOURCES INFLUENCE OF THE DISH ON VSWR BLOCKING EFFECTS DEFOCUSSING VARIATION IN PHASE CENTRE

PART II

BASIC PROGRAM

QUANTIFIED EXAMPLE

L.ITERATURQUELLEN

[j] ANTENNA ENGINEERING HANDBOOK, R.C.J.JASIK £21 EINFUEHRUNG IN DIE El...EKTROTECHNIK HOEHERE FREQUENZEN BD.2 H.1-1.MEINKE £31 UNIVERSAi... PATTERNS EASE CIRCULAR HORN DESIGN, T.Mil...LIGAN,MICROWAVES 3181 f4l MICOWAVE THEORY AND APPLICATION, STEPHEN F.ADAM,HP fSl SATELLITE GROUND STATION SYSTEMS,B.H.C.l...IESENKOETTER,COMM.INTERN.10183 [61 13CM-ROHRSTRAHLER, H.J.GRIEM,UKW-BERICHTE 1/76 [71 MODERN ANTENNA DESIGN, THOMAS MILLIGAN, MC GRAW Hil...I... 1985 [8] SOME DATA FOR THE DESIGN OF ELECTROMAGNETIC HORNS

E.H.BRAUN, IEEE TRANS. ANTENNAS PROPACAT. VOi.... AP-4, PP20-31, JAN 1956 [9] LAMBDA FUNCTIONS DESCRIBE ANTENNA/DIFFRACTION PATTERNS,J.F.RAMSEY,MICRO

WAVES JUNEl6'7 [101 WESENTLICHE EIGENSCHAFTEN UND BESDNDERHEITEN VON ANTENNEN IM GHZ-BEREICH

HELLMUT BERN, VDEINTG, l.JKW-BERICHTE 4175 [iil ANTENNEN III, ADOLF HEIL.MANN, B.I. HOCHSCHULTASCHENBUCH

DUBUS 1/86 - 17 - TECHNICAL REPORTS

DUBUS 1/86 TECHNICAL REPORTS

1. ALLGEMEINES * GENERAL

D:DIE HIER AUFGEFUEHRTEN BERECHNUNGSGRUNDLAGEN SOLLEN HELFEN1 PARABOLSPIEGEL MITTELS HORNANTENNEN OPTIMAL AUSZULEUCHTEN. WER SICH AUSFUEHRLICHER MIT DIESEM THEMA BEFASSEN WILL DEM WERDEN DIE QUELLEN C1J,[31 LIND C7J EMPFOHLEN.

E:THE FOLLOWING FUNDAMENTAL CALCULATIONS ARE MEANT TO ASSIST IN OPTIMIZING THE ILLUMINATION OF PARABOLIC DISHES BY MEANS OF HORN ANTENNAS. FOR MORE INFORMATION ABOUT THIS SEE C1l,C3ll,C7l.

2. RECHNERISCHE ZUSAMMENHAENGE * COMPUTATIONAL CORRELATION

D:FUER DIE DIMENSIONIERUNG MUSS DER ZUSAMMENHANG DER MECHANISCHEN GROESSEN MIT DEN ELEKTRISCHEN GROESSEN DES SPIEGELS BEKANNT SEIN <FIG. 1).

E:IN ORDER TO DIMENSION A PARABOLIC DISH , THE RELATIONSHIP BETWEEN THE MECHANICAL AND ELECTRICAL PROPORTIONS MUST BE KNOWN <FIG. 1>.

FIG . 1 Geometric relatlonsntps In parabola with .inlt focal length.

2.1 DIA - GEWINN * D/~ - GAIN

D:D/;t BESTIMMT DEN MAXIMAL ERREICHBArH::N GEWINN <FIG.~?.) GCdBJ = ;;.~O*LDG<iT*Dlil> ... 1.0*LOGC1/"1) <ISOTRCJP>

0 < 1. < 1 AUSLEUCHTUNG DES SPIEGEl...S <"1.=0. S REAl...ISTISCHER WERT>

E:D/,{. DEFINES THE MAXIMUM ATTAINABLE GAIN CFIG. 2> GCdBJ == 20*LDG<ii*DIA.> ... 10*1...DG<:!.l'i> CISOTROP>

0 < 1 < 1 ILLUMINATION EFFICENCY ("l, =O. S IS A REALISTIC VALUE)

FIG. 2

I 1 1---;~-?t-..::;...7t":::.._~'t--,...~~~~~l----1f----f ~-+~-+~-+-~-+-~

' s ~~.L,_~~~;.....:::~~t---4.-----f..::.:_-+-~+-~+--~f----4~-4-~-+-~

3

DOBOS 1/86 - 18 - TECHNICAL REPORTS

2.2 f/D - CHARAKTERISTIK * f/D - CHARACTERISTIC *****************************************************

D:DAS VERHAELTNIS BRENNWEITE ZU DURCHMESSER BESCHREIBT DIE EIGENSCHAFTEN EINES PARABOLSPIEGELS. DER WINKEL UNTER DEM DER SPIEGELRAND VOM BRENNPUNKT AUS GESEHEN Wil~D> T~lT DER SOC. FOl<UHWINKEI... <FIG. ~3). ;~90 ====~~*t.1TN<:l./(4*f/D))

E:THE CHARACTERISTIC OF PARABOLIC DISHES ARE DISCRIBED BY THE RATIO OF FOCAL LENGTH TO DIAMETER. THE ANGLE SUBTENDED BY THE EDGE OF THE DISH TO THE FOCUS CAL.LED THE FOCUS ANGLE <FIG. ~3). ~~e.==2*ATN< 1../(4*f/l)))

D:ER BEEINFLUSST WESENTLICH DIE DIMENSIONIERUNG DES ERREGERS. KLEINE f/D BEDEUTEN TIEFE SPIEGEL UND EINEN GROSSEN FOKUSWINKEL UND UMGEKEHRT. IST f/D NICHT BEKANNT> SO KANN ES AUS DEM DURCHMESSER D UND DER SPIEGELTIEFE X ERRECHNET WERDEN: f/D = D/(16*X)

THIS ANGLE HAS A CONSIDERABLE EFFECT ON THE DIMENSIONING OF THE FEEDER.SMALL VALUES OF f/D IMPLY DEEP DISHES AND LARGE FOCUS ANGLE, AND VICE-VERSA. IF f/D IS UNKNOWN> IT CAN BE CALCULATED BY MEANS OF THE DIAMETER AND THE DEPTH X OF THE DISH: f/D = D/116*X)

2.3 DIVERGENZFAKTOR * DIVERGENCE FACTOR *********************************************

D:WEGEN DER UNTERSCHIEDLICHEN LAENGEN DER STRECKEN BRENNPUNKT-SPIEGELMITTE LIND BRENNPUNKT-SPIEGELRAND ERGIBT SICH EIN DIVERGENZFAKTOR> DER IN EINE NAHFELDDAEMPFUNG a UMGERECHNET WERDEN KANN. DIESE DAEMPFUNG MUSS VOM DIAGRAMM DER ERREGERANTENNE KOMPENSIERT WERDEN. DER 10 dB-OEFFNUNGSWINKEL IST DESHALB .IMMER GROESSER ALS DER FOKUSWINKEL. DER DIVERGENZFAKTOR WURDE BISHER IN AFUVEROEFFENTLICHUNGEN KAUM BERUECKSICHTIGT. ER IST ABER BESONDERS BEI KLEINEN f/D FUER EINE EXAKTE DIMENSIONIERUNG WICHTIG <FIG. 4) a = 20*log<co~;((l'of:.~))

E:A DIVERGENCE FACTOR EXISTS RESULTING FROM THE VARIATION IN LENGTH OF THE DISTANCES FOCUS-CENTRE OF DISH AND FOCUS-EDGE OF DISH. THIS DIVERGENCE FACTOR CAN BE TRANLATED INTO A NEAR FIELD ATTENUATION a > WHICH MUST IN TURN BE COMPENSATED BY THE FEEDING ANTENNA PATTERN AT THE FOCUS ANGLE. THE 10 dB BEAMWIDTH IS THEREFORE ALWAYS GREATER THAN THE FOCUS ANGLE. UP UNTii... NOW> THE DIVERGENCE FACTOR HAS BEEN VIRTUALLY NEGLECTED IN RADIO AMATEUR PUBLICATIONS. IT IS> HOWEVER> OF SIGNIFICANT IMPORTANCE FOR EXACT DIMENSIONING> PARTICULARLY IN CASES OF SMALL f/D. <FIG. 4) a = 20*loglcos(~/2))

2 --'

a:: \ \

40 I\ \

r\.

"" ........ !"-.....

I'---. .............. ~----r-

0 .2 .4 .6 .8 l.O 12 1.4 F/D RATIO

F I G . 3 Ratio of local length to aperture diameter versus subtended angle at local point.

DUBUS 1/86 - 19 -

6

/ I rt

A• 20 LOG E. • 20 LOG S€C2 i. I I F 2 /

5

F v [\. / ....

/ PARABOLOID

./ /v

~ [....--" ---% ~ m ~ ~ ~ w ro oo m ANGLE OFF AXIS,• (8,,1

F I G . 4 Space attenuation versus feed angle.

TECHNICAL REPORTS

DUBUS 1/86

3.2 WAHL DER HORNANTENNE * CHOICE OF HORN ANTENNA *******************************************************

TECHNICAL REPORTS

D:ZUR WAHL STEHEN DAS KONISCHE HORN MIT RUNDEM HOHLLEITER SOWIE DAS PYRAMIDEN-HORN MIT RECHTECKHOHLLEITER. INTERESSANT SIND AUCH DIE OFFENEN HOHLLEITER ALS ENTSPRECHENDE "ENTARTETE" HOERNER. DER VORTEIL DES KONISCHEN HORNES LIEGT IN SEINER KONSTRUKTIVEN EINFACHHEIT. INSBESONDERE DER OFFENE RUNDE HOHLLEITER WIRD GERNE VERWENDET CBIERDOSENSTRAHLER >. DIE BERECHNUNG IST RELATIV EINFACH, JEDOCH MUSS BEI DER AUSLEUCHTUNG EIN KOMPROHISS GEMACHT WERDEN, DA DIE OEFFNUNGSWINKEL IN DER E- UND H-EBENE UNTERSCHIEDLICH SIND. DER OFFENE RUNDE HL KANN NUR IN ENGEN GRENZEN VARIIERT WERDEN DA AUSSERHALB DIESER HOEHERE MODEN AUFTRETEN KOENNEN. DAS PYRAMIDENHORN BIETET DIE MOEGLICHKEIT BEIDE OEFFNUNGSWINKEL IN GEWISSEN GRENZEN UNABHAENGIG VONEINANDER ZU WAEHLEN. DER RECHNERISCHE AUFWAND IST ALLER DINGS GROESSER, DA ZUSAETZLICH DIE HECHANISCHEN PARAMETER BEDINGUNGEN ERFUELLEN MUESSEN, WENN DAS HORN KONSTRUKTIV REALISIERBAR SEIN SOLL. BEI DER BERECHNUNG DES PYRAMIDENHORNES WIRD MAN DAHER ITERATIV VORGEHEN ODER EIN RECHNERPROGRAHH ZUHILFE ZIEHEN.

E:THE CHOICE LIES BETWEEN THE CONICAL HORN WITH CIRCULAR WAVEGUIDE AND THE PYRAMIDAL HORN WITH RECTANGULAR WAVEGUIDE. ALSO OF INTEREST AS EQUIVALENT "DEGENERATE" HORNS ARE OPEN WAVEGUIDES. THE ADVANTAGE OF THE CONICAL HORN LIES IN ITS SIMPLE CONSTRUCTION. THE OPEN CIRCULAR WAVEGUIDE ESPECIALLY IS FAVOURED <BEER CAN RADIATOR). THE CALCULATION IS RELATIVELY SIMPLE, HOWEVER A COMPROMISE HAS TO BE MADE IN THE ILLUMINATION, AS THE 10 dB BEAMWIDTH IN THE E- UND H-PLANES ARE DIFFERENT. THE OPEN CIRCULAR WAVEGUIDE CAN ONLY BE VARIED WITHIN TIGHT LIMITS, AS HIGHER MODES CAN OCCUR OUTSIDE OF THESE LIMITS. THE PYRAMIDAL HORN OFFERS THE POSSIBILITY OF INDEPENTENTLY SELECTING THE BEAM WIDTH WITHIN CERTAIN LIMITS. HOWEVER THE EFFORTS REQUIRED FOR CALCULATIONS IS GREATER AS HECHANIAL PARAMETERS MUST IN ADDITION FULLFILL CERTAIN REQUIREMENTS IF THE HORN IS TO BE CONSTRUCTED REALISTICALLY. WHEN CALCULATING THE PYRAMIDAL HORN, ONE EITHER PROCEEDS ITERATIVELY OR USES THE ASSISTANCE OF A COMPUTER PROGRAM.

4. DIMENSIONIERUNG DER HORNANTENNE * DIMENSIONING THE HORN ANTENNA *************************************************************************

D:IST DIE RANDBELEGUNG <Z.B. 10 dB> UND DIE RANDDAEMPFUNG ad <Z.B.-3.S dB> BEKANNT, SO WIRD ZUNAECHST DIE ERFORDERLICHE FELDSTAERKE BERECHNET:

E / E0

= ..f / (10 "";},s)

DIESEN WERT ALS HORIZONTALE LINIE IN DIE DIAGRAMME FIG. 11+14 EINGETRAGEH SCHNEIDET DIE KURVENSCHAR UND MAN ERHAELT EINE ZUGEHOERIGE WERTETABELLE HIT J..~9 ,S BZW.!_~9 ,T.' ). ~ DIE PARAMETER S UND T GEBEN DIE GROESSE DES PHASENFEHLERS IN DER APERTUR AN CFIG. S). BEIM OFFENEN HL !ST S=T=O. DIE LAENGE DES OFFENEN HL SOLLTE KEIN VIELFACHES VONA/2 SEIN WIE IN C6l EHPFOHLEN WIRD.DAS VSWR WIRD DADURCH ZWAR INSGESAMT VERBESSERT, JEDOCH GEHT EIN TEIL DER ENERGIE ALS RESONANZVERLUSTE VERLOREN UND WIRD NICHT ABGESTRAHLT. DIE GESAMTLAENGE SOLLTE ZWISCHEN a UND 1.S*/tLIEGEN, DAMIT EIN STABILER MODE ERZEUGT WIRD. KURZE ROHRSTRAHLER VERFAEL SCHEN DAS DIAGRAMM, D9 DER KOPPELSTIFT DEN SPIEGEL "BEHEN" KANN.

E:IF THE EDGE ILLUMINATION (e.g. 10 dB> AND THE EDGE ATTENUATION <e.g. -3.SdB> ARE KNOWN, THE REQUIRED FIELD STRENGTH IS THEN CALCULATED:

&IF0

=4/(.-IP .;-';~s-) THIS VALUE, PLOTTED AS A HORIZONTAL LINE IN THE PLOTS SHOWN IN FIG. 11+14, INTERSECTS THE SET OF CURVES AND A CORRESPONDING TABLE OF VALUES OF .l..-9 S ..l.~&, t IS OBTAINED. ). t J- I

THE PARAMETERS S AND T INDICATE THE SIZE OF THE APERTURE PHASE ERROR <FIG.S> FOR AN OPEN WAVEGUIDE S=T=O. THE LENGTH OF THE OPEN WAVEGUIDE SHOULD NOT BE A MUL TIPl...Y OF..?, /2, AS RECOMMENDED IN [ 6]. Al... THOUGH THE V!:;w1~ IMPROVED THIS WAY, PART OF THE ENERGY IS LOST IN RESONANCE LOB!'.>E!'.l AND IS NOT l~ADIATED. THE TOTAi... LENGTH SHOULD LIE BETWEEN il AND ~S·;l SO THAT A STABLE MODE IS INDUCED. SHORT OPEN WAVEGUIDES FALSIFY THE PATTERN AS THE COUPLING PROBE CAN "!'.IEE" THE DISH.

4.1 GRENZWERTE DER HI... * LIMITS OF THE WAVEGUIDES ******************************************************

D:UM DIE ENTSTEHUNG HOEHERER MODEN ZU VERMEIDEN, DUERFEN DJ~ ABMESSUNGEN DES HI... NUR IN GRENZEN VARIIERT WERDEN. DIE AUSBREITLJNGSDAEMPFUNG HAT DABEI NUR EINE UNTERGEORDNETE BEDEUTUNG, DA ES SICH IMMER UM REl...ATIV KURZE HI... HANDEl...T. BEKANNTLICH ENTSTEHT IM HI... FINE WELLE, DIE LAENGER ALS IM FREIRALJM IST UND DIE SICH Bfl~ECHNET

1cIST DIE SOG. KRITISCHE WELLENLAENGE, DIE EINE UNTERE AUSBREITUNGSFAEHIGE WELLE IM HL DEFINIERT. SIE IST JE NACH MODE LJND HL VERSCHIEDEN. AN DIESER STELLE SEI AUF DIE UNTERSCHIEDLICHE BEZEICHNUNG DER HL-MODEN IN DER DEUTSCH- LIND ENGLISCHSPRACHIGEN LITERATUR HINGEWIESEN:

E:IN ORDER TO AVOID GIVING RISE TO HIGHER MODES> THE DIMENSIONS OF THE WAVEGUIDE SHOULD ONLY BE VARIED WITHIN LIMITS. THE PROPAGATION ATTENUATION AT THE RANGE LIMITS IS OF ONLY SECONDARY IMPORTANCE, AS ONE ONLY EVER CONCERNED WITH RELATIVELY SHORT WAVEGUIDES. AS IS COMMONLY KNOWN> A WAVE IS PRODUCED IN THE WAVEGUIDE WHICH IS LONGER THEN IN FREE SPACE AN IS DETERMINATED AS FOL.LOWS:

i~rs THE SO-CAL.LED CRITICAL WAVELENGTH WHICH DEFINES A LOWER LIMIT FOR WAVE PROPAGATION IN THE WAVEGUIDE. THIS CAN VARY ACCORDING TO MODE AND WAVEGUIDE. HERE THE VARIOUS WAVEGUIDE MODE DESIGNATIONS IN GERMAN AND ENGLISH SHOULD BE POINTED TO:

DEUTSCH

H10 H :1. :1. H21 E01.

ENGLISCH

TE10 TEH TE21 TM01

RECHTECl<-·HI ... RUNDER -HI...

II

II

4.1.1 RECHTECKHOHLLEITER * RECTANGULAR WAVEGUIDE ****************************************************

D:DER RECHTECK-HL WIRD IM H10-MODE CTE10> BETRIEBEN. DIE KRITISCHE WELLENLAENGE IST le. ::."2Q,0 DIE UNTFRE CRENZE Fl.JER DIE BfH:.ITSEITE Ct-0 IST lt-0= il., DIE OBERE GRENZE IST ).0 =~.!~.DIE UNTERE GRENZE FLJrn DIE SCHMAL..SEITE b IST BEU:EBIG, DIE OBERE GRENZE KANN FIG. 7 ENTNOMMEN WERDEN. EJN RECHTECK-HL. MIT DEN ABMFSSUNCENQ:-

0: 12S MM UND b

0:<50 MM l<ANN ALSO Al.IF 23 CM

UND AUF 13 CM BETRIEBEN WERDEN.

E:THE RECTANGULAR WAVEGUIDE IS OPERATED IN THE H10 MODE <TE10>. THE CRITICAL WAVELENGTH IS le= ..ia..o. THE 1 ... owrn AND l.JPPEI~ LIMITS FOr( THE BROAD SIDE Cl;. ARE

a..'"' )..ANDh =Jt,,/.t RESPECTIVELY. THE LOWEI~ LIMIT Fern THE NARIHlW SIDE I!3 ARBITRARY THE UPPER LIMIT CAN BE OBTAINED FROM FIG. 7. A RECTANGULAR WAVEGUIDE WITH DIMENSION ct.0: 1~~SMM AND b0= 30 MM CAN THEREFORE BE OPERATED AT 2;3 CM AND 13 CM.

DUBUS 1/86

1 .1.0 ~

OJ

x o.s

FIG. 7

FIG . 6 Rectangular waveguide.

4.1.2 RUNDER HOHLLEITER * CIRCULAR WAVEGUIDE ************************************************

Crenze Hzo

TECHNICAL REPORTS

1.0 IS zo ?.,fo-.-

Krllloche Wcllcn!AnKOn der H,.-Welle

D:DER EINFACHSTE AUSBREITUNG~)FAEHIGE MODE IST DIE 1-111-WEL.LE <TE11.). DAS J.C. IST :I .. 71* Z ~, < FIG . 8 )

E: THE SIMPLEST PROPAGATION MODE IS THE HU. WAVE <TE:\.:I. >. J.c. I!3 ;(, 7-1·ZQ,0 <FIG. B>

FIG. B

Cylindrical waveguide.

D:DER NAECHST HOEHERE MODE IST DIE EO:l.--WEL..LE <TMOU MIT EINEM VON :1..31*2£i.o,LIEGT DIE BETRIEBSWEL.LENL.AENGE ZWISCHEN DIESEN GRENZEN, ENTSTEHT MIT SICHERHEIT FIN

DER GEl.JUENSCHTE MODE. SOl. .. l...TEit<t.::~:l.*?Q,,,SEIN, SO IST DIE GEWLJENSCHTE 1-111-WEL.1...F ZWAR NOCH AUSBREITUNGSFAEHIG, ABER ES KANN AUCH DIE UNERWUENSCHTE EO:l.-WELLE ENTSTEHEN. DAS Zl.JGEHUERIGE E01.-STRAHLLJNGSDIAGRAMM BESITZT IN DER MITTE EINF NULLSTEL.LE. IN DER KOMMERZIELLEN ANTENNENTECHNIK WERDEN BEI SOG. DUAL-MODEHOERNERN BEIDE MODEN KONTROLLIERT UEBERLAGERT UM DIE ALJSLELJCHTUNG ZU VERBES-SERN · DER SI CHERE BER EICH IST DAHER i. 31*2121

0 <).. < i. 71*2a-.,

E:THE NEXT HIGHER MODE IS THE E01 WAVE <TM01> WITH A lcOF. IF THE OPERATING WAVELENGTH LIES WITHIN THESE 1...IMITS, THE DESIRED MODE Wil...L BE PRODUCED WITH CERTAINTY. SHDULD ).. < 1. :H*?*0.. 1 THE DESil~ED Hi 1. WAVE CAN STILL BE PROPAGATED, BUT THE UNDESIRABLE EO:I. RADIATIDN CAN ALSO BE PRODUCED. THE CORRESPbNDING EOl RADIATION PATTERN HAS A NULL IN THE CENTRE. IN ORDER TO IMPROVE ILLUMINATION, THE TECHNIQUE OF CONTROLLED SUPERIMPOSITION OF BOTH MODES IS USED COMMERCIALLY FOR SO-CALLED DUAL-MODE HORNS. THE LIMITS FOR THE EO i WAVE rn i. :·~u;:.~*°'o < ;i ( j. ·7u;:?*Q,o

DOBOS 1/86 - 22 - TECHNICAL REPORTS

DUBUS 1/86

4.2 PYRAMIDENHORN * PYRAMIDAL HORN ****************************************

TECHNICAL REPORTS

D:ENTARTETE TYPEN SIND DAS E-SEKTOR- UND DAS H-SEKTOR-HORN, BEI DENEN DER HL NUR IN EINER EBENE AUFGEWEITET IST, SOWIE DER OFFENE HL MIT S=T=O. BEIM PYRAMIDENHORN MUESSEN DIE PARAMETER a,b,~ 1 ~,le, LIND lh EINE BEDINGUNG ERFUELLEN, WENN DAS HORN KONSTRUKTIV REALISIERBAR SEIN SOLL. CFIG. 9)

E:DEGENERATES TYPES ARE THE E-SECTOR AND H-SECTOR HORNS, WHEREBY THE WAVEGUIDE WITH S=T=O. FOR A PYRAMIDAL HORN THE PARAMETERS a,b,\,~1 1e and lh MUST FULLFILL ONE REQUIREMENT IF THE HORN IS TO BE CONSTRUCTED REALISTICALLY <FIG. 9)

FIG.9a PYRAMIDENHORN

.~b :~

' 1 a.

', l 4.2.1 DIAGRAMM * DIAGRAM ****************************

FIG.9b H-SEKTORHORN

FIG.9c E-SEl<TORHORN

D:FIG. 10 SIND DIE NORMIERTEN STRAHLUNGSDIAGRAMME FUER DIE E- LIND H-EBENE. PARAMETER DER KURVENSCHAR SIND S UND T. WIRD Z.B. DIE HALBWERTSBREITE EINES OFFENEN RECHTECK-HL BENOETIGT, SUCHT MAN IN DER ORDINATE DEN WERT E/E0=0.707 E/E0=(10AC-3dB/20) ) AUF UND ERMITTELT ANHAND DER KURVE S=O BZW T=O DEN WERT

t111t9 UNDf11.v6'

E:FIG.10 SHOWS THE NORMALIZED RADIATION PATTERN FOR THEE- AND H-PLANES. PARAMETERS FOR THE SET OF CURVES ARE S AND T. IF, FOR EXAMPLE, THE 3 dB BEAMWIDTH OF AN OPEN RECTANGULAR WAVEGUIDE IS REQUIRED, THE VALUE 0.707 ~ ( 10 A (-3dB/20 >) IS LOCATED ON THE CJlrnJNATE AND THE VALUES J_ fl/V~ AND . .).. SllJ(J DETERMINED BY MEANS OF EITHER THE CURVE S=O OR T=O. ~

f 01

s • _L •MAXIMUM PHASE DEVIATION 8 >-t. IN WAVELENGTHS

J o.~ t--t-t-1.--t---\-if-+----lf--~'---!---+---+ 1

!

FIG.j.Ob FIG.10a UNIVERSAL H-PLANE-DIAGRAM UNIVERSAL E-PLANE-DIAGRAM

4.2.2 GEWINN * GAIN ***********************

D:ALLE CEWINNANGABEN BEZIEHEN SICH AUF F J.G. 11. Gain-Reduction Factors, L. or Ln, DEN ISOTROPEN STRAHLER. FLIER EIN BELIEBIGES PYRAMIDENHORN ERRECHNET SICH DEr~ GEW INN ZU:

for Sectoral and Pyramidal Horns

t. GldBil = 10.08 + 10*LOG<a*bl1> - Le -Lh

Le LIND Lh SINO REDUKTIONSFAKTOREN UND IN FIG.11 ZU FINDEN. EIN OFFENER HL WR-90 <INNENMASSE 22.86 X 10.16 MM) HAETTE Z.B. BEI 1.368 MHZ EINEN GEWINN VON 4.5 dBi. FLIER DIE AUSLEUCHTUNG DES SPIEGELS IST DER GEWINN DER ERREGERANTENNE ZWAR NICHT RELEVANT, JEDOCH KANN HIERMIT DIE GROESSTMOEGLICHE ZYSAETZLICH AUFTRETENDE FEHLANPASSUNG DURCH DEN SPIEGEL ABGESCHAETZT WERDEN <SIEHE 5.1>.

E:ALL GAIN DATA REFER TO AN ISOTROPIC RADIATOR. THE GAIN FOR ANY PYRAMIDAL HORN CAN BE CALCULATED FROM:

" C[dBi.l :::: 10.0B + iO*LOGCa*bl;tJ -- Le - L..h.

16s or 16t

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 9.0

10.0 11.0 12.0 13.0

L., dB

0 069 0. 134 0.239 0.374 0.541 0.738 0.967 1.229 1.525 1.854 2.218 2.618 3.054 3.527 4.037 5.166 6.427 7.769 9.081

10.163

16s Ln, or L., L"' dB 16t dB dB

0.029 14.0 10.783 4.486 0.064 15.0 10.849 4.892 0.114 16.0 10.502 5.252 0.179 18.0 9.474 5.819 0.257 20.0 8.847 6.210 0.349 22.0 8.901 6.504 0.454 24.0 9.637 6.785

0.573 26.0 10.938 7.102

0.705 28.0 12.430 7.460

0.850 30.0 13.312 7.831 1.007 32.0 13.052 8.175 1.176 34.0 12.25 l 8.460 l .357 36 0 l l.666 8.684 1.547 38.0 11.607 8.869 l.748 40.0 12.121 9.047 2.175 42.0 13.104 9.243 2.630 44.0 14.221 9.462 3.101 46.0 14.851 9.692 3.577 48.0 14.619 9.911

4.043 50.0 13.937 IQ.IOI

Le and Lh ARE REDUCTION FACTORS AND CAN BE FOUND IN FIG.11.AN OPEN WAVEGUIDE WR-90 <INNER DIMENSIONS 22.68 X 10.16 MM> HAS FOR EXAMPLE A GAIN OF 4.S dBi AT 10.368 GHZ. THE GAIN OF THE FEEDING ANTENNA IS NOT RELEVANT FOR THE ILLUMINATION OF THE DISH, BUT IT GIVES AN APPROXIMATE VALUE FOR THE ADDITIONAL MISMATCH CAUSED BY THE DISH.

4.2.3 PHASENZENTRUM * PHASE CENTRE **************************************

D:DAS PHASENZENTRUM IST IN DER E- LIND H-EBENE VERSCHIEDEN <FIG. 12). ES WIRD VON DEN PHASENFEHLERN S LIND T BEEINFLUSST LJND LIEGT HINTER DER HORNAPERTUR. NUR BEIM OFFENEN HL LIEGT ES IN DER APERTUR. WEIT AUSEINANDERLIEGENDI PHASENZENTREN BEEINTRAECHTIGEN DEN GEWINN <SIEHE 5.5)

E:THE PHASE CENTRE IS DIFFERENT FOR THEE- AND H-PLANES CFIG.12). IT IS INFLUENCED BY THE PHASE ERRORS S AND T AND LIES BEHIND THE HORN APERTURE. ONLY THE OPEN WAVEGUIDES HAS A PHASE CENTRE IN THE APERTURE. WIDELY SPACED PHASECENTRES IMPAIR GAIN <SEE 5.5).

FIG. 12 PhHe Center Axial Location of a Rectangular Hom ITE10 Model }R,,1Re behind the Aperture ae 1 R1tlo of-the Slant Radius PC

/J-plane £-plane !/-plane £-plane s Lvh/ Rh L,,./R, s L,,i./Rh L,,./R.

0 0 0 0.28 0.258 0.572 0.04 0.0054 0.011 0.32 0.334 0.755 0.08 0.022 0.0·15 0.36 0.418 0.12 0.048 0.102 0.40 0.508 0.16 0.086 0.182 0.44 0.605 0.20 0.134 0.286 0.48 0.705 I 0.24 0.191 0.416 0.52 0.808 I I

',

4.2.4 KONSTRUKTIVE REALISIERBARKEIT * REALITY OF CONSTRUCTION ***************************************************************** D:WENN DER HORNTRICHTER EINE PYRAMIDE BILDEN SOLL, DIE AUCH AUF DEN HOHLLEITER PASST, SO MUESSEN DIE MECHANISCHEN GROESSEN DIE BEDINGUNG ERFUELLEN:

(.:-o-:>~[ ,:, .. - z ]= (6'-1,:/.r~:s& - fl a:,Q,: AUFA. NORMIErn

(a.--a,,,f-{(.t4/tx.l- :1., (b-b.f[(,t,,/hf-fj C1.,4,0 1 ,tt1 L-1r, IN MM

a,b HORNAPERTUR, aO,bO HOHLLEITER, le,lh PYRAMIDENKANTEN.

DURCH SIJKZESSIVES EINSETZEN DER LINTER 4 ERMITTELTEN WERTEPAARE KANN LINTER UMSTAENDEN EINE KOMBINATION GEFUNDEN WERDEN, DIE DIESE BEDINGUNG ERFUELLT. IM ANHANG WIRD FIN BASIC-PROCRAMM BESCHRIEBEN, DAS DURCH EINGABE VON STUETZSTELLEN IN DER E- UND H-EBENE MITHILFE EINER LAGRANGE-INTERPOLATION REALISIERBARE PARAMETER ERMITTELT.

DER RECHENGANG KANN WESENTLICH VEREINFACHT WERDEN, WENN EIN SEKTORHORN GEBAUT WIRD CFI~9bc). DIE REALISIERBARKEIT IST HIER IMMER GEGEBEN. AUS DEN ZUGEHOERIGEN ABZISSENWERTEN FLIER T=O BZW S=O IN FIG.10 KANN EINE SEITE DES HOHLLEITERS ERRECHNET WEIH>EN. NATUERLICH MUSS DER WERT FUEi~ lio BZW. bo IN DEN Fl.JER DEN RECHTECKHOHLLEITER ZULAESSIGEN CRENZEN LIEGEN. CSIEHE 4.1.1)

E:IF THE HORN IS TO FORM A PYRAMID, WHICH SHOULD ALSO FIT ONTO THE WAVEGUIDE, THE MECHANICAL DIMENSIONS HAVE TO FULLFILL REQUIREMENTS:

(a.'-tt-:)1

·[ ,:fa -f]: (6'-'•'/.[ 0~ 1 - f J a.'1

a.; NORMALIZED ON)_

c~-e./'-[CA,Jol- ~J .. (6-bof·[(416l-fl ~,o,,,J~,.t·IN MM

IT IS POSSIBLE, BY SUCCESSIVELY APPLYING THE PAIRS OF VALUES DETERMINED IN 4, TO FIND A COMBINATION WHICH FULLFILLS THESE REQUIREMENTS. THE APPENDIX DISCRIBES A BASIC PROGRAM, WHICH DETERMINES REALISABLE PARAMETERS BY THE INPUT OF SAMPLE VALUES OF S AND T IN THE E- AND H-PLANES USING LAGRANGE INTERPOLATION. THE COMPUTATIONAL PROCESS CAN BE SUBSTANTIALLY SIMPLIFIED IF A SECTOR HORN IS CONSTRUCTED CFIG9bc). THE REALIZABILITY CAN BE TAKEN FOR GRANTED. ONE SIDE OF THE WAVEGUIDE CAN BE CALCULATED FROM THE CORRESPONDING ABCISSA VAL.I.JES FOR T=O DR !:;::::() IN FIG. 10. OF COURSE THE VALUES FUR 4.o OR . ho MLJ!JT LIE WITHIN THE PERMISSABLE LIMITS FUR A RECTANGULAR WAVEGUIDES CSEE 4.1.1).

D:WJRD DAS PYRAMIDENHORN AUS BLECHTEILEN ZUSAMMENGELOETET, SO Ml.JESSEN JE 2 GLEICHSCHENKLIGE TRAPEZE ZUGESCHNITTEN WERDEN. DIE SCHENKELLAENGE l KANN AUS DEN BEKANNTEN MECHANISCHEN PARAMETERN BERECHNET WERDEN <FIG.12):

E:IF THE PYRAMIDAL HORN IS TU BE SOLDERED USING SHEET METAL, 2 ISOSCELES TRAPEZIA SHOULD BE CUT TO SUIT. THE LENGTH OF THE LATERAL SIDE 1 CAN BE CALCULATED FROM THE KNOWN MECHANICAL PARAMETERS CFIG.12):

DUBUS 1/86

\ ' I \ I \ I \ I \ ' \ I

\ I

J = (A- bo / b) · I ff-)"+..£,' 1

" ho

' I I

' I \ I \ I I I I

I I I \ I

\ I I

- 25 - TECHNICAL REPORTS


4.3 KONISCHES HORN * CONICAL HORN ***************************************

FIG.13 KONISCHES HORN

t. 0.

D: EIN KDNISCHES HORN wrnD DURCH DIE APERTUR 2*(l. UND DEN PHASENFEHL.ER S= J,).{I. FESTGELEGT. S=O ENTSPRICHT DEM OFFENEN HOHL.LEITER.

rl E: A CONICAL. HORN rn DETERMINED BY THE APEIHURE ;:>.* Q, AND PHASE ERlrnR S::: J,).. R.

S=O CORRESPONDS TO AN OPEN CIRCULAR WAVEGUIDE.

4.3.i DIAGRAMM * DIAGRAM ****************************

D:IN FIG. 14 SIND DIE UNIVERSALDIAGRAMME FLIER KONISCHE HOERNER IM H11-MODE ZU FINDEN. PARAMETER DER KURVENSCHAR IST DER PHASENFEHLER ~ [3).

E:FIG.14 SHOWS THE UNIVERSAL PATTERNS FOR CONICAL HORNS IN THE H1l-MODE. THE PARAMETER OF THE CURVES IS THE PHASE ERROR~ C3J.

' ~ _,, i-.... ' I 0.9

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0.1

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FIG. 14a E-plane universal pattern of a circular horn, TE 11

mode. (Source: T. Milligan, "Universal Patterns Ease Circular Hom Design," Microwaves, vol. 20, no. 3, March 1981, p. 84.)

DUBUS 1/86

0.7

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O.l

0.2

0.1

10 11 12

2 ~ 1 linl

FIG. j.4b H-plane universal pattern of a circular horn, TE 11

mode. (Source: T. Milligan, "Universal Patterns Ease Circular Horn Design," Microwaves, vol. 20, no. 3, March 1981, p. 84.)

- 26 - TECHNICAL REPORTS

4.3.2 GEWINN * GAIN ***********************

---r-T1-1--1-1--•r

·-I

DER GEWINN IST ABHAENGIG VOM VER-HAELTNIS OEFFNUNGSFLAECHE ZU WELLENLAENGE, SOWIE DEM ZUGEHOERIGEN PHASENFEHELER. DIESER BESTIMMT DEN GAIN-REDUCTION-FACTOR GF IN FIG.15. DER GEWINN EINES KONISCHEN HORNS IST:

G = 20*LOG<2*lt*A/A) - GF

E:THE GAIN IS DEPENDENT ON THE RATIO APERTURE TO WAVELENGTH AS WELL AS CORRESPONDIMG PHASE ERROR. THIS DETERMINES THE GAIN REDUCTION FACTOR GF IN FIG.15. THE GAIN OF A CONICAL HORN IS GIVEN BY:

G = (?.O*LOG < 2*ii*AIA) - GF

•>---

. ' . ' . 3

,

' -0

Gain (dB) = 20 log,0 ~-GF I tl- • >----s ; 2.\A I

I v I

I I

I v

_/ v

• 0' 0, 03 .. ., •• 0'

4.3.3 PHASENZENTRUM * PHASE CENTRE **************************************

Mu1mum aper1ure phase de1i11at1on (SJ - A

--

D:HIER GILT DAS GLEICHE WIE BEIM PYRAMIDENHORN IN 4.2.3 E:THE SAME AS FOR THE PYRAMIDAL HORN IS VALID HERE <4.2.3)

F I G . :l 6 PhH• Center Axiel Locetion of 1 Circul1r-W1veguide Horn ITE,, Model behind the Aperture H 1 Retio of the Slant Radius

ff-plane E-plane ff-plane s Lp1o/R L,,./R s Lvo/R

0 0 0 0.28 0.235 0.04 0.0046 0.012 0.32 0.310 0.08 0.018 0.048 0.36 0.397 0.12 0.042 0.109 0.40 0.496 0.16 0.075 0.194 0.44 0_604

0.20 0_117 0.305 0.48 0.715 0.24 0.171 0.441

S. FEHLERQUELLEN * ERROR SOURCES *************************************** S.1 VSWR IM SPIEGEL* VSWR IN THE DISH *******************************************

E-pLoe L,,./R

0.603 0.782 0.801 0.809 0.836 0.872

--FIG_ 1 t'.i

D:WIRD DIE ERREGERANTENNE IN EINEM SPIEGEL BETRIEBEN, SO VERAENDERT SICH DIE ANPASSUNG. IN C11 WIRD EINE ABSCHAETZUNG FUER DIE ZU ERWARTENDE HAXIMALE REFLEXION ANGEGEBEN. DER ZUSAETZLICHE REFLEXIONSKOEFFIZIENT IST g = LINEARER GEWINN, f = BRENNWEITE <DIMENSION WIE A).

E:IF THE FEEDER ANTENNA IS OPERATED IN A DISH, THE MATCHING CHANGES. t1l GIVES AN ESTIMATE FOR THE MAXIMUM ANTICIPATED REFLECTION. THE ADDITIONAL COEFFICIENT OF REFLECTION IS

r •·J. g = LINEAR GAIN, f = FOCAL LENGTH : ~ * 1i,.

D:FUER EINEN AUF OPTIMALEN GEWINN AUSGELEGTEN ERREGER MIT 10 dB RANDBELEGUNG KANN DER ZUSAETZLICHE REFLEXIONSFAKTOR AUCH AUS FOLGENDER TABELLE ERMITTELT WERDEN:

E:THE ADDITIONAL REFLECTION FACTOR FOR A GAIN-OPTIMIZED FEEDER WITH 10 dB EDGE ILLUMINA~ION CAN ALSO BE DETERMINED FROM THE FOLLOWING TABLE:

f /D I 0 . 3 I 0. 4 I 0. S I 0. 6 I 0. 7 I 0. 8 I 1. 0 I 1. 2 I 1. 4 -----+-~----+------+------+------+------+------+------+------+------+ VSWR I 1.42 I 1.59 I 1.~0 I 2.04 I 2.2~ I 2.56 I 3.10 I 3.66 I 4.23 I

DUBUS 1/66 - 27 TECHNICAL REPORTS


5.2 ABSCHATTUNGSEFFEKTE * BLOCKING EFFECTS ************************************************ D:GRUNDSAETZLICH KANN FESTGESTELLT WERDEN, DASS ABSCHATTUNGEN DURCH DIE ERREGER-ANTENNE LIND DIE HALTERUNG DEN GEWINN REDUZIEREN UND DIE NEBENKEULEN ANHEBEN. DIE TABELLE ZEIGT DIE GROESSENORDNUNG DER ENTSTEHENDEN VERLUSTE DURCH EINE ZENTRISCHE ABSCHATTUNG IN FINER RUNDEN APERTUR:

E:AS A GENERAL PRINCIPLE IT CAN BE ESTABLISHED, THAT BLOCKING BY THE FEEDER ANTENNA AND MOUNTING REDUCES GAIN AND ACCENTUATES THE SIDE LOBES. THE TABLE SHOWS THE ORDER OF MAGNITUDE OF THE LOSSES RESULTING FROK A CENTRIC BLOCKING IN A CIRCULAR APERTURE:

ABSCHATTUNG I. I 6 I El I i 0 I i~~ I 14 I 16 I Hl I ;:.o I 2;.~ I 24 I --------------+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+ VERLUSTE dB I0.0610.1110.i810.2SI0.3410.4510.5710.7110.681i.031

5.3 DEFOKUSSIERUNG * DEFOCUSSING ************************************** D:AXIALE ABWEICHLJNGEN DES ERREGERS VON DER SPIEGELMITTE AEUSSERN SICH EBENFALLS DURCH EINE VERMINDERUNG DES GEWINNS.

E:AXIAL DEVIATIONS OF THE FEEDER FROM THE CENTRE OF THE DISH ALSO LEAD TO A REDUCTION IN GAIN.

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? 3' I \ 06 O.B \ f/0•1\

A1dal defocusing, ).

F I G · 1 7 Parabolic renector phase error loss due to axial defocusing of the feed.

5.4 UNTERSCHIEDLICHE PHASENZENTREN * VARIATION IN PHASE CENTRE ******************************************************************** D:LIEGEN DIE PHASENZENTREN DER E- UND . H-EBENE ZU WEIT AUSEINANDER, 50 SINKT DER GEWINN.

E:THE GAIN DECREASES IF THE PHASE CENTRES OF THE E- AND H-PLANES ARE TOO FAR APART

DUBUS 1/86 - 28 -

I f

\'I ~ -... -,.__ \I\\ I"' 'I'....

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0.8 f',. -~

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\ \ I \

FIG. U:l Parabolic reflector phase error loss due to astigmatism.

TECHNICAL REPORTS

Supplement DUBUS 1/86, 17 "Feeding Parabolic Dishes", by DK2RV Erganzung DUBUS 1/86, 17 "Ausleuchten von Parabolspiegeln", von DK2RV

3. DEFINIEREN DES ERREGERSYSTEMS * DEFINITION OF THE FEEDING SYSTEM ************************************************************************** 3.1 AUSLEUCHTEN DES SPIEGELS * ILLUMINATION OF THE DISH *************************************************************

D:DIE DIAGRAMME ALLER HORNANTENNEN, DIE IM GRUNDMODE BETRIEBEN WERDEN, LASSEN SICH APPROXIMIEREN DURCH:

DIE NAHFELDDAEMPFUNG IST

ti{ E/Eo::"COS (e /~~)

.z E/EO=i/COS C0/2).

BEIDE BEDINGUNGEN KOMBINIERT ERGEBEN DIE STRAHLUNGSBELEGUNG DES SPIEGELS:

E/EO = COSN(S/2)/COS ce12>

EIN BREITES DIAGRAMM DER ERREGERANTENNE LEUCHTET ZWAR DEN SPIEGEL GUT AUS, JEDOCH WERDEN DANN DIE VERLUSTE DURCH UEBERSTRAHLUNG <SPILLOVER> GROSS. BEI EINER SCHMALEN KEULE WIRD WENIG ENERGIE LIEBER DENSPIEGELRAND GESTRAHLT, DAFUER WIRD DER SPIEGEL NUR GERING AUSGELEUCHTET. EIN OPTIMUM FLIER DEN GEWINN LIEGT BEI EINER RANDBELEGUNG VON 10 dB. DER FLIER DEN AMATEURFUNK WENIGER INTERESSANTE FALL DER MAXIMALEN NEBENKEULENUNTERDRUECKUNG BEDINGT EINE RANDBELEGUNG VON ETWA 20 dB. ES LAESST SICH ZEIGEN, DASS MIT HORNANTENNEN EIN MAXIMALER APERTURWIRKUMGSGRAD C"AUSLEUCHTUNG"> VON 55% ERREICHT WERDEN KANN. AUS DEM DIAGRAMM !ST ZU ERKENNEN, DASS BEI GROSEEN f/D DIE RANDBELEGUNG SEHR GENAU EINGEHALTEN WERDEN SOLLTE <FIG. 5). DER EXAKTE ZUSAMMENHANG ZWISCHEN DER BELEGUNG DES SPIEGELS UND DEM ZUGEHOERIGEN STRAHLUNGSDIAGRAMM IST IN C9l BECHRIEBEN.

E:THE PATTERNS OF ALL HORN ANTENAS OPERATING IN THE BASIC MODE, CAN BE APPROX! MATED BY: u

E/Eo•~"cos ce12) J,

THE NEAR FIELD ATTENUATION IS E/Eo=i/COS ce12>

THE COMBINATION OF THESE PRODUCE THE ILLUMINATION FUNCTION OF THE DISH:

- -·' <"'N 0 ':> <:' E/Eo-LO~ C l~>ICOJ < /2)

A WIDE FEEDER ANTENNA PATTERN ILLUMINATES THE DISH WELL, HOWEVER THE LOSS TROUGH SPILLOVER THEN BECOMES LARGE. A NARROW BEAM RESULTS IN LITTLE ENERGY LOSS OVER THE EDGE OF THE DISH, BUT THE ILLUMINATION IS THEN ONLY MINIMAL. AN OPTIMUM VALUE FOR GAIN IS ACHIEVED WITH AN EDGE ILLUMINATION OF iO dB. THE CASE OF LESS INTEREST FOR THE RADIO AMATEUR, MAXIMUM SIDE LOBE SUPRESSION RESULTS IN AN EDGE ILLUMINATION OF OF APPROX. 20 dB. IT CAN BE SHOWN, THAT A MAXIMUM APERTURE EFFICIENCY <"ILLUMINATION"> OF SSX CAN BE ACHIEVED WITH HORN ANTENNAS. IT CAN BE SEEN FROM FIG. 5 THAT THE EDGE ILLUMINATION SHOULD BE MAINTAINED VERY ACCURATELY FOR LARGE VALUES OF f/D. THE EXACT CORRELATION BETWEEN DISH ILLUMINATION AND THE RESPECTIVE RADIATION PATTERN IS DISCRIBED IN C9l.

. 1 $ 2

f/O

0.8

I -.i-. -

3L-.L.L_L_L....J.L....J..-L....~.--'A---~---"--~-'-------..J

0 !)()" 100" 150" 100'

Fftd 10 - dB bumw1c:Uti

Figure S Sum of spillover and amplitude taper losses versus feed 10-dB hcamwiclth.

Correction/Korrektur: DUBOS S. 23 linkes Diagramm (Einheit):.,. .s,;,, e E /£, Rechtes Diagramm: 4- StH e I E/Eo ,- I S.26 Der Durchmesser ~s runden Hohlleiters ist 2a.r>

DOBUS 3/86 TECHNICAL RKPORTS

AUSLEUCHTEN VON PARABOLSPIEGELN MIT HORNANTENNEN

FEEDING PARABOLIC DISHES WITH HORN ANTENNAS

by Ulf Hlilsenbusch DK2RV

Tei l I I Pa.rt I I

6. 6.~

6.3 7. 7. 1 7'. 2 7.3 7.4

Grenzen flir f/D Bedingung fUr E-Sektorhorn Programmbeschreibung Beispiel Spiegel parameter E-Sektorhorn fO::onstrukt ion l"lessergebni sse

6. 6.2 6.3 7. 7. 1 7.2 7.3 7.4

6.1 Grenzen flir f/D * limits of f/D **************************************

Limits of f /D E-sectorhorn performance Description of program E:-:a.mpl e Dish para.meters E-sector horn Construction Mea.sL1rements

D:Es existiert ein f/D = 0.24 - 0.30 bei dem der Spiegel optimal mit einem offenen Rundhohlleiter ausgeleuchtet werden ka.nn. Offene Rechteckhohlleiter sollten wegen der sehr unterschiedlichen ciffnungswinkel in E- und H-Ebene nicht verwendet werden. Bei einem E-Sektorhorn liegt das optima.le f/D bei 0.24 - 0.45.

E:For f/D = 0.24 - 0.30 a. dish ca.n be fed with a.n open circular waveguide. An open rectangular waveguide should not be used as its beamwidth in E- and H-plane differ too much. The optimum f/D for an E-sector horn is a.bout 0.24 - 0.45.

6 ,, . ..:.. Bedingung flir E-Sektorhorn * E-sector horn performance

**************************************************************

D:Beim E-Sektorhorn wird die Breitseite a.O des Hohlleiters beibeha.lten. Nur die Schmalseite bO wird trichterfHrmig erweitert. Wie bereits erw~hnt l~Bt sich ein E-Sektorhorn wesentlich einfa.cher realisieren. Welche Bedingungen mlissen eingeha.lten werden:

1. Bei Eindeutigkeit der H10-Welle gilt 0.5 < a.01~ < 1.0. Mit bekanntem Fokuswinkel ergeben sich flir das H-Diagramm <Fig.10b) die Abszissenwerte 0.5•sine und 1.0•sinE) sowie die zugehHrigen Schnittpunkte mit der Kurve t=O.

2. Die berechnete Randfeldst~rke E/EO muB zwischen den beiden Feldst~rken der Bereichsgrenzen liegen. E:An E-sector horn maintains the width aO of the rectangular waveguide. Only the hight bO is extendet. As mentioned before, a.n E-sector horn ca.n be performed much easier than a. pyramidal horn. Which conditions must be satisfied?

1. The H10 <TElO>-Mode requires 0.5 < a.OIA < 1.0. These values and the focus angle leeds to the abcissa limits 0.5•sin a.nd 1.0•sin in the H-dia.gram (Fig.10b) a.nd the corresponding points of field strength for the curve t=O.

2. The required field strength E/EO must lie within these points.

DOBUS 3/86 - 216 - TECHNICAL REPORTS

DUBUS 3/86

6.3 BASIC-Programm * BASIC-program *************************************

TECHNICAL RKPORTS

D:Das Programm besteht aus 2 Teilen. Der 1. Teil berechnet alle Spiegelparameter. Eingabe ist der Durchmmesser D und das f/D-Verhaltnis oder die Tiefe x. Der zweite Teil druckt Werte fUr ein Pyramidenhorn. Diese werden iterativ mithilfe einer LagrangeInterpolation berechnet. Hierzu mUssen StUtzstellen aus dem Eund H-Diagramm eingegeben werden. Das Programm prUft auch die Mbglichkeit eines E-Sektcrhcrns.

E: The BASIC-program consists cf 2 parts., The first part calculates the dish parameters. Input is the diameter D and the f/Dratic or the depth x. The second p~rt computes pra~ticable dimensions for a pyramidal horn. This is done iteratively by a Lagrange interpolation. A table with sample values from the E- and Hplane can be read from Fig. 10a+b. The program also examines if an E-sector horn is practicable.

7. Beispiel * E:·:ampl e **********************

7.1 Spiegel Parameter * Dish parameters *****************************************

D:Ein Spiegel dessen Durchmesser D=45 cm und dessen Tiefe x=64 mm betragt, sell im 9-cm Band mit einem E-Sektorhorn ausgeleuchtet werden. f/D=D/16/x=0.45. Nun kbnnen alle Ubrigen Parameter den Diagrammen Fig.2-4 entncmmen werden oder mit dem Programm berechnet werden.

E:A 45 cm dish with the depth x=6.4 cm is fed with an E-sector horn in the 9 cm band. f/D=D/16/x=0.45. The dish parameters can be seen new f~om fig.2-4 or can be computed from the program.

Dish parameters: Frequency 3456 MHz Lambda 86.8 mm Diameter Fokus f/D

45.0 cm 20.3 cm 0.45

7.2 E-Sektor Horn * E-sector horn ***********************************

Edge loss Edge Taper Edge Field Fckus angle Edge E/EO

-2.3 dB 10.0 dB 7.7 dB

2*58 Deg 0.415

D:Aus den Bedingungen fUr das E-Sektorhorn ist zu sehen, daB fUr die obere Grenze a/II. =1 bzw. a/.il *sin58=0.83 die Feldstarke ziemlich genau der geforderten Randfeldstarke von E/E0=0.415 entspricht. Die Breitseite aO wird mit 80 mm festgelegt, so daB ein Sicherheitsabstand vcn 8% zur Bereichsgrenze gewahrleistet ist. (a/il= 0.92). Die Schmalseite bO de Hohlleiters ist innerhalb der Bedingung von Fig.7 frei wahlbar und wird auf 10 mm festgelegt. Nun muB die Seite b des Horns berechnet werden. Hierzu wird zunachst E/E0=0.415 in das E-Diagramm Fig.10a als horizontale Linie eingetragen. Die Schnitt.i<>unkte fUr s=O, 0.1, 0.2 liegen sehr dicht zusammen. Dies bedeutet, daB mechanische Abweichungen sehr geringe Anderungen in der Feldstarke bewirken. FUr die Konstrukti cn ist es daher von Vorteil mit kleinen s-Werten zu operieren. FUr s==0.1 wird die Abszisse b/,t•sin9 =0.64 -> b=66 mm, s=0.1 --> Le=62mm. Die Hchlleiterwellenlange ist mit 223 mm sehr grcB durch den Betrieb nahe der Bereichsgrenze a/A =1.

DUBUS 3/86 - 217 - TKCBNICAL REPORTS

DOBUS 3/88 TKCBHICAL RKPORTS

£ Eo

0.8

07

0.6

l ~

I 0.5

t ~ .. a:

0.4

0.3

0.2

0.1

E:From the conditions of the E-sectorhorn we can see, that for the• upper limit a/~ =1 respectively a/;t•sin58=0.83 the field strength is nearly the ~ame as the required E/E0=.415. The broadside a=aO is determined to 80 mm, so that the upper margin is.8% away <al~ =.92). The small side bO of the waveguide ·must be within the limits of Fig.7a and is determined to 10 mm. Now the side b of the horn mu~t be calculated. E/E0=0.415 is plotted as a horizontal line into the E-diagram Fig.10a. The intersections for the curves s=O, 0.1, 0.2 are very close together. This means, that mechanical deviations cause almost no change in the electrical chara~teristic.Thus it is an advantage to operate with small values for s. For s=0.1 the abcissa is b/~·sin58=0.64 -> b=66mm s=0.1 -> Le=62mm. The operation near the upper limit a/A. =1 results in a very high WG-wavelength of 223 mm.

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eo 0.9

0.8

_ _f_ o.:

S- U.fe re ~

! 0.5

t i a:

0.4

0.3

0.2

0.1

f-siNe ~ SIN€1 2

Figure 10{),t E-plane universal pattern of a rectangular horn Figure '(OJ, H -plane universal pattern of a rectangular horn

7.3 Konstruktion * Construction *********************************

D:Das Horn ist einfach zusammenzubauen. ZunAchst werden die Messingbleche zugeschnitten und gebohrt, dann zusammengeltitet.Die Einkopplung erfolgt ~/4 vom kalten Ende mit einem Koppelstift.

E:The horn can be easily constructed. First cut the brass sheets and bend it, then solder it up. The coupling to the WG is accomplished with a probe 2.,/4 from the short end.

I

DOBUS 3/88

100

/fJP VIEW

- 218 - TKCBHICAL REPORTS


S1DE w'1t.~-------------,..1. ,..

7.4 MeBergebnisse * Measurements **********************************

'

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.... ,

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' ....

D:Horn und Spiegel wurden in E- und H-Ebene vermessen. Die vorausberechneten Werte flir die Feldst~rke beim Fokuswinkel liegen etwa um 8% neben den gemessenen Werten. Die Ergebnisse sind in nachfolgenden Diagrammen zus.ammengestellt. E:The horn and the dish were measured in the E- and the H-plane. The calculated fieldstrength of the focus angle differs from the measured value about 8%. The results are plotted in the following diagrams.


DUBUS 3/86

10 REM PROGRAM FOR DISH PARAMETERS AND HORN DIMENSIONS 20 REM ULF HULSENBUSCH DK2RV 31.7.86 30 REM LOG = LOGARITHMUS NATURALIS,TRIG.FUNCTIONS IN RADIAN 40 DIM A ( 12) , B < 12) , S < 12 > , T < 12 > , L < 25) 50 PI=4•ATN<1l:AD=10:FP=O:CLS 60 PR I NT "ENTER DI SH PARAMETERS" : PF: I NT 70 INPUT "FREQUENCY/MHz ",F 80 INPUT "DIAMETER/cm ",D 90 INPUT II f /D (ENTER 0 IF UN~<NOWN ) II 'FD 100 IF FD<>O GOTO 120 110 INPUT "DEPTH X/cm ",X:FD=D/X/16 120 L1=300000'/F:REM LAMBDA IN FREE SPACE 130 FO=FD•D:REM FOKUS IN CM 140 INPUT "EDGE TAPER/dB <TYF'ICAL 10 dBl ",AD 150 T0=2•ATN(1/4/FDl:ST=SIN<TOl 160 AR=CDS<T0/2l:AR=20•LDG<AR•AR)/LDG<10) 170 G=20•LOGl10•PI•D/L1l/LOG(10)-3 180 E=lOA-((AD+ARl/20) 190 LPRINT " DISH PARAMETERS" 200 LPRINT " ***************" 210 LPRINT" FREQUENCY/MHz:";TABl25l;USING "#####";F 220 LPRINT ' LAMBDA/mm:"; TAB 125>; USING "####. #"; Ll 230 LPRINT DIAMETER/cm:";TABl25l;USING 11 ####.#";D 240 LPRINT Fm<US/CM: ";TAB <25); USING "####.#";FD 250 LPRINT GAIN/dBi.ln=50%):";TAB<25l;USING 11 ###.#";G 260 LPRINT EDGE LOSS/dB:";TAB(25l;IJSING "###.#";AR 270 LPRINT EDGE TAPER/dB:";TAB<25l;USING "###.#";AD 280 LPRINT EDGE FIELD/dB";TAB<25l;USING 11 ###.#";AD+AR

TECHNICAL REPORTS

290 LPRINT FOKUSANGLE/DEGR:";TABl25l;"2•";USING "###.#";TO/PI•360/2 300 LPRINT f/D:";TABl25l;USING "#.###";FD 310 LPRINT EDGE E/Eo:";TABl25>;USING "#.###";E 320 LF'RINT

THEN 380 330 IF FD<.24 340 IF FD <.3 350 LF'R I NT II

THEN LPRINT " DISH GOOD FOR OPEN CIRCULAR WAVEGUIDE" DISH GOOD FOR CONICAL HORN"

360 370 380 390 400 410 420 430 440

IF FD<.45 LPRINT II

CLS

THEN LPRINT " DISH GOOD FOR E-SECTOR HORN" DISH GOOD FOR PYRAMIDAL HORN"

PRINT "DISH PARAMETERS PRINT "HORN DIMENSIONS INPUT "END IF A$="E" THEN STOP IF A$="D" GOTO 50 REM

ID) II

(H) II

IE) II ,A$

450 REM ITERATIVE CONSTRUCTION OF PYRAMIDAL HORN 460 REM **************************************** 470 CLS 480 INPUT "ENTER NUMBER OF SAMPLES IN THEE-PLANE ",MB 490 FOR I=l TO MB 500 INPUT "B•sin(TOl/LAMBDA ",Bil) 510 IF FP=O THEN BII>=B•Ll/ST 520 INPUT "S ",S:NEXT I 530 NEXT I 540 INPUT "ENTER NUMBER OF SAMPLES IN THE H-PLANE ",MA 550 FOR I=l TD MA 560 INPUT "A•sin<TOl/LAMBDA ",A 570 IF FP=O THEN A=A•Ll/ST 580 INPUT "T "T·NEXT !·PRINT 590 GOSUB 1550/REM ~-SECTOA HORN 600 CLS:PRINT "ENTER WAVEGUIDE DIMENSIONS FOR PYRAMIDAL HORN"

610 PRINT 620 INPUT "WAVEGUIDE WIDTH a/mm ",AH

DOBUS 3/86 TECHNICAL REPORTS

630 IF AH<Ll AND AH>Ll/2 GOTO 660 640 F'RINT "WAVEGUIDE WIDTH a OUT OF RANGE",CHR$(7) 650 GOTO 620 660 INPUT "WAVEGUIDE HIGHT b/mm 11 ,BH 670 IF BH/AH < .5•L1/AH GOTO 700 680 F·r.;: I NT "WAVE GU I DE HIGHT b ouT OF RANGE" , CHR$ < 7 > 690 GOTO 660 700 PRINT 710 AO=AH/Ll:BO=BH/Ll 720 LPRINT:LPRINT 730 LZ=L1/SQRC1-L1•L1/4/AH/AH> 740 LPRINT " PYRAMIDAL HORN" 750 LPRINT II

760 LPRINT II

T?O LF'RINT II

780 LPRil\jT II

790 L.F'RINT II

**************":LPRINT WAVEGUIDE WIDTH a II; AH; II mm" WAVEGUIDE HIGHT b II; BH; It mm" WAVELENGTH IN WG 11; LZ; II mm 11

WAVELENGTH SPACE - II; Li; II mm" 800 LPRINT:LPRINT 810 LPRINT " Lh/mm A/mm Le/mm OR %" 820 LPRINT 830 GOSUB 1400 840 DS=CS<MBl-SOl/25:REM STEPWIDTH =MAX. S-RANGE/~5 850 DT=CT<MAl-T0)/25:REM STEPWIDTH =MAX. T-RANGE/25 860 FOR I=l TO 25 870 T=DT•I:GOSUB 1060:REM LAGRANGE-A 880 LH=A•A/8/Ll/T:LA=<A-AH) 890 FOR J=l TO 25

B/mm

900 S=DS•J:IF I=l THEN GOSUB 1180:REM B-LAGRANGE SUBROUTINE FOR I=l 910 LE=L(J)•L(J)/8/Ll/S 920 LA=LA•SQRCLE/A•LE/A+.25l:REM A-CONDITION 9:30 LB=Cl_(J)-BH) 940 WB=LH/L(J):LB=LB•SQR(WB•WB+.25):REM B-CONDITION 950 FE=ABSC1-LA/LB):REM REL. ERROR FOR MECHANICAL CONDITION 960 IF FE<.05 THEN GOSUB 1310:REM PRINT DIMENSIONS FOR ERROR<5% 970 NEXT J 980 NEXT I

L/mm

990 LF'RINT: L.PRINT" MAX. ERROR FOR THIS ITERATION WAS "; F0•100; 11 %11

1 000 IF FP,-=O THEN PR I NT 11 NO PY RAM I DAL. HORN 11 ; CHR$ ( 7)

ERR

1010 CLS: PRINT "ENDE <E> DISH (D) HORN CH) NEW WAVEGUIDE CW> 11; CHR$ (7): INPUT A$

1020 IF A$= 11 D11 THEN 50 1030 IF A$= 11 H11 THEN 450 1 040 IF A$'::: II w II THEN 600 1050 STOP 1060 REM SUBROUTINE FOR LAGRANGE-INTERPOLATION A=ACT) 10i7 0 A=O 1080 FOR IA=l TO MA 1090 NA=l: ZA'""1 1100 FOR JA=l TD MA 1110 IF IA=JA THEN GOTO 1140 1120 ZA=ZA•<T-T<JA)l~REM ZAEHLER 1130 NA=NA•<T<IA>-T<JA)>:REM NENNER 1140 NEXT .IA 1150 A=A+A<IAl•ZA/NA 1160 NEXT IA 11 7'0 RETURN 1180 REM SUBROUTINE FOR LAGRANGE-INTERPOLATION B=BCS) 11 90 B=O 1200 FOR IB=l TO MB 1210 NB=l: ZB~=1 1220 FOR JB=l TO MB 1230 IF IB=JB THEN GOTO 1260 1240 ZB=ZB•CS-SCJB)):REM ZAEHLER

DOBUS 3/86 - 221 - TECHNICAL REPORTS

DOBOS 3/86

1250 N8=N8•<S<I8>-SCJ8ll:REM NENNER 1260 NEXT J8 1270 B=B+B<IBl•Z8/NB 1280 NEXT I8 1290 L(Jl=B 1300 RETURN 1310 REM PRINT MECHANICAL DIMENSIONS OF PYRAMIDAL HORN 1320 1330 1340 1350 1360 1370 1380

FP=1 LF'RINT LPRINT LPRINT LPRINT LPRINT LPRINT

1390 RETURN

USING USING USING USING USING USING

"#########.##";LH; "#########.##";A; "#########.##";LE; "#########. ##"; L (J); "#########. ##"; CLA+L81 /2; "#########.##";FE•lOO

1400 REM 8ERECHNEN DER 8EREICHSGRENZEN 1410 IF ACl>>AO THEN TO=T<O>:GOTO 1470 1420 FOR I=1 TO MA 1430 IF A AO GOTO 1450 1440 NEXT I 1450 A2=A<Il:A1=A<I-ll:T2=T<Il:T1=T<I-1l 1460 TO=<AO-A11•<T2-T1l/(A2-A1l+Tl 1470 IF 8(1) >BO THEN SO=S<Ol:RETURN 1480 FOR I=l TO MB 14~0 IF B<Il>80 GOTO 1510 1500 NEXT I 1510 B2==B (I l: 81=B < I-1 > 1520 S2=S<Il:S1=S<I-1> 1530 SO=<BO-B11•<S2-S1)/(B2-811+S1 1540 RE':TURN 1550 REM SUBROUTINE FOR E-SECTT_)f;: HORN 1560 T"-~O

1570 GOSUB 1060:REM A-LAGRANGE 1580 IF A<.5•L1 OR A>L1 GOTO 1840 1590 LS=L1/SQR(1-L1/A•Ll/A/4) 1600 DS=.01 1610 CLS 1620 F'RINT 11 INPUT FOR WAVE-?.GUIDE OF E-SECTORHORN 11

: PRINT 1.6X> F'RINT "ENTER WAVEGUIDE HIGHT b < 11

; A/2;" mm 11;: INPUT BH

1640 LPRINT:LPRINT 1650 l_PRINT " 1660 LPRINT II 1670 LPRINT 1680 LF'RINT " 1690 u~·r~ I NT " 17'00 LPRINT II 1110 LPF(INT 1720 LPRINT II l 730 l_F'R I NT 1740 FDR I=l TO 10

E-SE::CTOR HORN" *************II

WAVEGUIDE HIGHT b WAVEGUIDE WIDTH a WAVE LENGTH IN WG

B/mm Le/mm

1750 S=DS•I:GOSUB 1180:REM B-LAGRANGE 1760 LE=B•B/8/Ll/S 1770 WB=LE/B:LB=<B-81-il•SQR<WB•WB+.251 1780 IF LB>2•L1 OR B>2•L1 GOTO 1820 1 790 LPR I !\IT US I NG "#########. ##" ; B; 1800 LPR I NT US I NG "########~1'. ##" ; LE;

'~; BH; 11 mm" ~- 11 ; A; .. mm 11

II; LS; 11 mm11

L/mm 11

1810 L_F'RINT USING "###tt#####. ##"; (L_A+LBl /2 1820 NEXT I 1830 LPRINT:LPRINT:LPRINT:RETURN 1.840 LPRINT " NO E-SECTDR " 1850 RETURN

DOBOS 3/86 - 222 -

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ausleuchten von parabolspiegeln mit ... - the-eye.euthe-eye.eu/public/books/electronic...

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