DE102007046422A1 - Two-reflector antenna for very short electromagnetic waves, is based on Cassegrain principle, and has main reflector of parabolic form, where phase center of primary exciter is brought with virtual focus - Google Patents

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Abstract

The two-reflector antenna is based on Cassegrain principle, and has a main reflector (1) of parabolic form. The phase center of a primary exciter (2) is brought with a virtual focus (F2) of secondary reflector (3) by the continuous axial shift of the primary exciter.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweireflektorantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a two-reflector antenna according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Antenne ist in „Electronics", 22. Juni 1962, auf den Seiten 36 bis 40 , in Frequenz/Sonderausgabe, Band 17, 1963, auf den Seite 491 bis 499 unter 2.2 in N TG-Fachberichte, Band 57, 1977 auf den Seiten 91 bis 96 und in der Patentschrift DE 28 06 495 C2 beschrieben; vgl. auch (1).Such an antenna is in "Electronics", June 22, 1962, on pages 36-40 , in Frequency / Special Edition, Volume 17, 1963, on pages 491 to 499 under 2.2 in N TG Technical Reports, Volume 57, 1977, pages 91 to 96 and in the patent DE 28 06 495 C2 described; see. also ( 1 ).

Richtantennen finden eine vielfältige Anwendung auf dem Gebiet der Punkt- zu Punktverbindung, des Satellitenfunks und der Funkortung. Eine derartige Richtantenne ist beispielsweise die Cassegrain-Antenne, die in der eingangs beschriebenen Weise aufgebaut ist. Die Cassegrain-Antenne bietet eine Reihe von Vorteilen, aufgrund deren ihre Verwendung oft bevorzugt wird: große Bandbreite, geringe Rückstrahlung und geringe Überstrahlung am Subreflektor und Einfachheit des Strahleraufbaus (leicht von hinten in den Spiegel einsetzbar und benötigt keine Abspannung). Als Primärerreger werden zur Ausleuchtung des Subreflektors konische Horn- oder Rillenhornantennen verwendet.directional antennas find a diverse application in the field of to point connection, the satellite radio and the radio location. A such a directional antenna is, for example, the Cassegrain antenna, which is constructed in the manner described above. The Cassegrain antenna offers a number of advantages, due to which their use is often preferred: large bandwidth, low reflection and low overshoot at the subreflector and simplicity the spotlight assembly (easy to insert from the back in the mirror and requires no bracing). As a primary pathogen are used to illuminate the subreflector conical horn or Rillenhornantennen used.

Bei derartigen Antennen wird zur Geringhaltung von Verlusten der Öffnungswinkel des Hilfsreflektors praktisch gleich dem Öffnungswinkel des Hauptreflektors gewählt und der Primärerreger hinsichtlich seiner Strahlungscharakteristik so bemessen, daß am Rande des Subreflektors die Erregerstrahlung etwa 10 dB unter dem Wert liegt. Der Abstand des Primärstrahlers zum Hyperbol-Spiegel wird optimal so gewählt, daß sein Schatten auf dem Parabolspiegel ungefähr gleich der Fläche des Hyperbolspiegels ist und eine möglichst geringe Gewinnminderung durch Abschattung gewährleistet ist.at such antennas is to mitigate losses of the opening angle of the auxiliary reflector practically equal to the opening angle of the main reflector and the primary exciter in terms of its radiation characteristics such that the Edge of the subreflector, the excitation radiation about 10 dB below the Value is. The distance of the primary radiator to the hyperbol mirror becomes optimally chosen so that its shadow on the parabolic mirror approximately equal to the area of the hyperboloid mirror is and the lowest possible profit reduction by shading is guaranteed.

Rillenhornerreger sind genügend in der Literatur beschrieben, z. B. in „Scalar Feeds for Earth Station Antennas" in Earth Station Technology IEEE Conf. Publ. 1971 auf den Seiten 240–244 und in „Broadband Corrugated Conical Horn with Small Flare Angles" in URSI Int. Symposium Electromagnetic Wave Theory, Tbilisi, USSR, Sept. 9–15 , und werden deshalb hier nicht weiter behandelt.Rillenhornerreger are sufficiently described in the literature, z. In "Scalar Feeds for Earth Station Antennas" in Earth Station Technology IEEE Conf. Publ. 1971, pp. 240-244 and in "Broadband Corrugated Conical Horn with Small Flare Angles" in URSI Int. Symposium Electromagnetic Wave Theory, Tbilisi, USSR, Sept. 9-15 , and therefore will not be discussed here.

Der Rillenhornerreger hat ein stabiles Phasenzentrum, das für E- und H-Ebene gleich ist und bei Frequenzänderung am gleichen Ort bleibt. Da bei anderen Erregertypen die Phasenzentren von E- und H-Ebene mit der Frequenz längs des Erregers wandern, sind deren Breitbandeigenschaften schlechter. Um eine wirkungsvollere symmetrische Ausleuchtung des Hauptreflektors zu erzielen, wird ein Rillenhornstrahler gewählt, der der überstrahlungsfreien Ausleuchtung wie durch einen Sektorstrahler auf einfache Weise sehr nahe kommt.Of the Rillenhornerreger has a stable phase center for E and H level is the same and at frequency change at the same Place remains. Since in other types of pathogens the phase centers of E- and H-plane with the frequency wander along the pathogen, are their broadband properties worse. To be more effective symmetrical illumination of the main reflector is achieved a grooved horn is chosen, the non-irradiation illumination as in a simple way comes very close by a sector radiator.

Der Sekundärreflektor wird vor dem Brennpunkt des Hauptreflektors angeordnet, d. h. der Brennpunkt (F1) des Sekundärreflektors fällt mit dem Brennpunkt des Hauptreflektors zusammen. Der andere Brennpunkt (F2) des Sekundärreflektors liegt in der Nähe des Parabolscheitels. In diesem Brennpunkt der „gedachten" Hyperbel – sog. virtueller Brennpunkt – muß sich das Phasenzentrum des Primärerregers befinden, der auf den Sekundärreflektor gerichtet ist d. h. das Phasenzentrum des Primärerregers muß mit (F2) zusammenfallen. Der Sekundärreflektor bei einer solchen Anordnung liegt im Nahfeld des Primärerregers. Der Einfluß verschiedener Parameter des Primärerregers (Aperturform, Phasenzentrum, Aperturbelegung, u. s. w.) erschweren die rechnerische und meßtechnische Übereinstimmung des Phasenzentrums und des virtuellen Brennpunkt des Sekundärreflektors Bei dieser Erfindung wird der optimale Abstand des Primärerregers zum Sekundärreflektor so eingestellt, daß das Phasenzentrum des Primärerregers und der virtuelle Brennpunkt des Sekundärreflektors F2 zusammenfallen.The secondary reflector is arranged in front of the focal point of the main reflector, ie the focal point (F 1 ) of the secondary reflector coincides with the focal point of the main reflector. The other focal point (F 2 ) of the secondary reflector is in the vicinity of the parabolic vertex. In this focal point of the "imaginary" hyperbola - so-called virtual focus - must be the phase center of the primary exciter, which is directed to the secondary reflector, ie the phase center of the primary exciter must coincide with (F 2 ) The secondary reflector in such an arrangement is in the near field The influence of various parameters of the primary exciter (aperture shape, phase center, aperture coverage, etc.) complicates the computational and metrological conformity of the phase center and the virtual focus of the secondary reflector Primary exciter and the virtual focus of the secondary reflector F 2 coincide.

Für die Lage des Horns in der Haube (2) gilt: L = a + fH + h + l (1)wobei l die axiale Hornlänge ist.For the position of the horn in the hood ( 2 ) applies: L = a + f H + h + l (1) where l is the axial horn length.

Für x (3) gilt:

Figure 00020001
For x ( 3 ) applies:
Figure 00020001

Durch Substitution in Gl. 2 erhält man für 1:

Figure 00020002
By substitution in Eq. 2 is obtained for 1:
Figure 00020002

Faßt man in Gl. (1) die gesamte Länge in axialer Richtung fH + h + l zu einer Konstanten k zusammen, so geht Gl. (1) in: L = a + k (4)über.If one summarizes in Eq. (1) the total length in the axial direction f H + h + l combined to a constant k, so goes Eq. (1) in: L = a + k (4) above.

Den Abstand Hornapertur bis zum Hyperbolbrennpunkt erhält man aus: A = H – L (5) The distance from the horn aperture to the hyperbol point is obtained from: A = H - L (5)

Durch Einführung von Gl. (4) in Gl. (5) erhält man schließlich für die gemessene Lage des Phasenzentrums p, somit: p = Fc – A (6) By introducing Eq. (4) in Eq. (5) we finally obtain for the measured position of the phase center p, thus: p = F c - A (6)

In diesen Gleichungen bedeuten im einzelnen:

  • α halber Öffnungswinkel des Horns
  • η Wirkungsgrad
  • A Abstand Hornapertur bis zum Hyperbelbrennpunkt
  • a Verschiebung des Horns in axialer Richtung m. H. v. Distanzscheiben (Ablage)
  • D Hornaperturdurchmesser
  • d Durchmesser des Speisehohlleiters
  • F1 Brennpunkt des Paraboloids
  • F2 Brennpunkt des Hyperboloids
  • Fc Abstand des Phasenzentrums zum Subreflektor
  • fH Hornflansch
  • H Lage der Haube in axialer Richtung
  • h Hornhals
  • L Lage des Horns in der Haube
  • l axiale Länge des Horns
  • ls schräge Länge des Horns
  • p Abstand des Phasenzentrums von der Hornapertur
These equations mean in detail:
  • α half the opening angle of the horn
  • η efficiency
  • A distance from the horn aperture to the hyperbola focal point
  • a displacement of the horn in the axial direction m. H. v. Spacers (shelf)
  • D Horn aperture diameter
  • d Diameter of the feed waveguide
  • F 1 focal point of the paraboloid
  • F 2 focal point of the hyperboloid
  • F c Distance of the phase center to the subreflector
  • f H Horn flange
  • H position of the hood in the axial direction
  • h Horn neck
  • L location of the horn in the hood
  • l axial length of the horn
  • l s oblique length of the horn
  • p Distance of the phase center from the horn aperture

Bisher muß man um die Übereinstimmung des Phasenzentrums des Primärerregers mit dem Brennpunkt des Subreflektors herzustellen, mehrere Schritte durchführen. Hierfür muß der Subreflektor und der Primärerreger abgeschraubt und der Abstand Primärerreger – Subreflektor geändert werden, indem eine oder mehrere Distanzscheiben eingelegt werden. In der Praxis wird die Hornablage in mehreren Schritten optimiert. Bevor der Primärerreger wieder festgeschraubt wird, muß er mit dem Dorn zentriert und der Subreflektor auf der Haube montiert und anschließend das Strahlungsdiagramm erneut gemessen werden, bis die erste Nebenkeule größere Einzüge (4) und eine hohe Dämpfung (kleine Nebenkeulen) aufweist, um einen guten Wirkungsgrad η zu erzielen. Diese Prozedur ist aufwendig und zeitraubend.So far, in order to make the coincidence of the phase center of the primary exciter with the focus of the subreflector, you have to perform several steps. For this purpose, the sub-reflector and the primary exciter must be unscrewed and the distance primary exciter - sub-reflector changed by one or more spacers are inserted. In practice, the horn tray is optimized in several steps. Before the primary exciter is screwed back in place, it must be centered with the mandrel and the sub-reflector mounted on the hood and then the radiation pattern again measured until the first side lobe larger incisions ( 4 ) and a high attenuation (small side lobes), in order to achieve a good efficiency η. This procedure is complicated and time consuming.

Aufgabetask

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Cassegrain-Antenne der einleitend beschriebenen Art eine konkrete Lösung anzugeben, die bei relativ geringem technischen Aufwand eine gute Approximation derart gewährleistet, daß das Phasenzentrum des Hybrid-Mode-Erregers, der als Primärerreger dient, mit dem Brennpunkt F2 der Hyperbel in der axialen Richtung des Strahlereinsatzes zusammenfällt.The invention has for its object to provide a concrete solution for a Cassegrain antenna of the type described in the introduction, which ensures a good approximation with relatively little technical effort such that the phase center of the hybrid mode exciter, which serves as a primary exciter, with the Focal point F 2 of the hyperbola in the axial direction of the emitter insert coincides.

Lösungsolution

Diese Aufgabe wird bei einer Zweireflektorantene der eingangs beschriebenen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These Task is in a Zweireflektorantene described above Art solved with the characterizing features of claim 1.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung erläutert werden. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.Based An embodiment of the invention will be explained become. Advantageous embodiments are in the subordinate claims specified.

In 5 ist eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung dargestellt, durch die die axiale Verschiebung des Primärerregers 2 entlang der Symmtrieachse des Subreflektors ermöglicht wird. Am Ende eines Rundhohlleiters 4 ist ein Primärerreger 2 auf den Flansch des Hohlleiters aufgeschraubt.In 5 is a schematic side view of a device shown by the axial displacement of the primary exciter 2 along the symmetry axis of the subreflector. At the end of a round waveguide 4 is a primary agent 2 screwed onto the flange of the waveguide.

Der Speisehohlleiter 4, der in ein Schutzrohr 5 geklebt bzw. eingepreßt wird, hat am vorderen Ende einen Flansch zur Befestigung des Primärerregers 2. Dieser kann nach erfolgter Zentrierung verstiftet und verschraubt werden. Am anderen Ende wird der Adapter (Rund- auf Rechteckhohlleiter z. B. der Firma hp bzw. Spinner) befestigt.The feed waveguide 4 in a protective tube 5 is glued or pressed, has at the front end a flange for attachment of the primary exciter 2 , This can be pinned and bolted after centering. At the other end, the adapter (round to rectangular waveguide, for example, the company hp or Spinner) attached.

Das Schutzrohr 5 wird in einem zweiten Schutzrohr 6 auf Gleitlager geführt. Am vorderen Teil des zweiten Schutzrohrs 6 wird die Haube 7 mit dem Sekundärreflektor 3 zentriert und befestigt. Am anderen Ende befinden sich zwei Führungsstifte 8a, 8b (Schnappverschlüsse), die in 2 Nuten 9a, 9b des Schutzrohres 5 einrasten und das Schutzrohr 5 nahezu spiellos führen. Zum Wechsel der Polarisationsebenen (E, H) sind auf dem Schutzrohr 5 zwei weitere um 90° versetzte Nuten 9c, 9d angebracht.The protective tube 5 is in a second protective tube 6 guided on plain bearings. At the front part of the second protection tube 6 will the hood 7 with the secondary reflector 3 centered and attached. At the other end there are two guide pins 8a . 8b (Snaps), which in 2 grooves 9a . 9b of the protective tube 5 engage and the protective tube 5 lead almost without play. To change the polarization planes (E, H) are on the protective tube 5 two further grooves offset by 90 ° 9c . 9d appropriate.

Durch eine Handkurbel 10, die im Bereich des Adapters am Ende des Rundhohlleiters 4 in einem Gewinde geführt ist, kann der Primärstrahler 2 in axialer Richtung kontinuierlich verschoben werden, so daß das Phasenzentrum des Primärstrahlers 2 mit dem Brennpunkt F2 des Sekundärreflektors 3 zusammenfällt.Through a hand crank 10 in the area of the adapter at the end of the circular waveguide 4 is guided in a thread, the primary radiator 2 be continuously displaced in the axial direction, so that the phase center of the primary radiator 2 with the focal point F 2 of the secondary reflector 3 coincides.

Weiter existiert eine Kurbel durch welche die Brennpunkte des Paraboloids und des Hyperboloids mit Hilfe einer Präzisionswasserwaage zur Flucht gebracht werden (mechanische Justierung).Further There is a crank through which the focal points of the paraboloid and hyperboloid with the help of a precision spirit level be brought to flight (mechanical adjustment).

Vorteileadvantages

  • 1. Die Erfindung ist nicht auf einen Hybrid-Mode-Erreger beschränkt. Sie läßt sich in gleicher Weise auf konische Hornstrahler ohne Schlitze (ringförmige Rillen) und Koaxialstrahler anwenden. Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 wird bei relativ geringem technischem Aufwand eine gute Approximation der E- und H-Ebene und damit leichter bzw. einfacher Polarisationswechsel nach Festlegung eindeutiger Nullstellen ermöglicht ohne das Einstellungsmaß zu verändern. Dadurch weist die Antenne in zwei zueinander senkrechten Ebenen gleiche Richtdiagramme auf, wenn man nicht eine Polarisation bevorzugen will.1. The invention is not limited to a hybrid mode exciter limited. It works in the same way on conical horns without slots (ring-shaped grooves) and coaxial radiators. With the features of claim 3 becomes a good approximation with relatively little technical effort the E and H plane and thus easier or easier polarization change after setting unique zeroes allows without to change the attitude. This shows the antenna in two mutually perpendicular planes same directional diagrams if you do not want to prefer a polarization.
  • 2. Diese Vorrichtung kann für manuellen oder automatischen Betrieb angewandt werden. Die axiale Bewegung der Vorrichtung kann auch über Schrittmotoren gesteuert werden. Die Ansteuerung des Feinnachführungsmechanismus kann durch Software erfolgen. Damit ist eine leichte Realisier- bzw. Durchführbarkeit der Entwicklung bei vorgegebener Haube und Subreflektor gewährleistet sowie eine leichte Reproduzierbarkeit beim Typmuster.2. This device can be used for manual or au be applied to automatic operation. The axial movement of the device can also be controlled via stepper motors. The control of the Feinnachführungsmechanismus can be done by software. This ensures easy implementation or feasibility of the development for a given hood and sub-reflector and easy reproducibility of the type pattern.
  • 3. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann der Abstand des Primärerregers 2 optimiert werden ohne den Primärerreger entfernen zu müssen.3. With the help of this device, the distance of the primary exciter 2 be optimized without having to remove the primary pathogen.

Die Antenne wurde als Sendeantenne beschrieben. Sie kann jedoch auch als Empfangsantenne verwendet werden.The Antenna has been described as a transmitting antenna. She can, however be used as a receiving antenna.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 2806495 C2 [0002] - DE 2806495 C2 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - „Electronics", 22. Juni 1962, auf den Seiten 36 bis 40 [0002] - Electronics, June 22, 1962, at pages 36-40 [0002]
  • - Frequenz/Sonderausgabe, Band 17, 1963, auf den Seite 491 bis 499 unter 2.2 [0002] - Frequency / Special Edition, Volume 17, 1963, on page 491 to 499 under 2.2 [0002]
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  • - „Scalar Feeds for Earth Station Antennas" in Earth Station Technology IEEE Conf. Publ. 1971 auf den Seiten 240–244 [0005] "Scalar Feeds for Earth Station Antennas" in Earth Station Technology IEEE Conf. Publ. 1971, pp. 240-244 [0005]
  • - „Broadband Corrugated Conical Horn with Small Flare Angles" in URSI Int. Symposium Electromagnetic Wave Theory, Tbilisi, USSR, Sept. 9–15 [0005] - "Broadband Corrugated Conical Horn with Small Flare Angles" in URSI Int. Symposium Electromagnetic Wave Theory, Tbilisi, USSR, Sept. 9-15 [0005]

Claims (7)

Zweireflektorantenne nach dem Cassegrain-Prinzip für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem paraboloidförmigen Hauptreflektor 1, einem über einen Rundhohlleiter zur Erzielung einer gleichen Halbwertsbreite in der E- und H-Ebene in den Scheitelbereich des Hauptreflektors eingesetztes konisches Horn als Primärerreger 2 und einem im Nahfeld des Primärerregers 2 auf der gleichen Achse gegenüberliegenden hyperboloidförmigen Sekundärreflektor (Sub- oder Fangreflektor) 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenzentrum des Primärerregers 2 mit dem virtuellen Brennpunkt F2 des Sekundärreflektors 3 durch die kontinuierliche axiale Verschiebung des Primärerregers 2 zur Übereinstimmung gebracht werden kann.Two-reflector antenna according to the Cassegrain principle for very short electromagnetic waves, consisting of a paraboloidal main reflector 1 , A conical horn used as a primary exciter via a circular waveguide to achieve an equal half-width in the E and H plane in the apex region of the main reflector 2 and one in the near field of the primary pathogen 2 on the same axis opposite hyperboloid secondary reflector (sub or catch reflector) 3 , characterized in that the phase center of the primary exciter 2 with the virtual focus F 2 of the secondary reflector 3 by the continuous axial displacement of the primary exciter 2 can be brought to coincidence. Zweireflektorantenne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Primärerreger 2 auf einen kontinuierlich durch eine Handkurbel 10 axial verschiebbaren Schutzrohr 5 angeordnet ist.Two-reflector antenna according to claim 1, characterized in that the primary exciter 2 on a continuously by a hand crank 10 axially displaceable protective tube 5 is arranged. Zweireflektorantenne nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schutzrohr 5 Nuten (9a, b, c, d) angeordnet sind, die mit Hilfe von Führungsstiften (8a, 8b) exakte und schnelle Polarisationswechsel ermöglichen.Two-reflector antenna according to claim 2, characterized in that on the protective tube 5 Grooves ( 9a , b, c, d) arranged with the aid of guide pins ( 8a . 8b ) allow exact and fast polarization changes. Zweireflektorantenne nach Anspruch 2 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Handkurbel 10 an einem am Ende des Schutzrohres 5 angeordneten Adapter 11 angebracht ist.Two-reflector antenna according to claim 2 to 3, characterized in that the hand crank 10 at one end of the protective tube 5 arranged adapter 11 is appropriate. Zweireflektorantenne nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß als Primärerreger konische Hornstrahler, Rillenhornstrahler oder Koaxialerreger verwendet werden.Two-reflector antenna according to claim 1 to 4 characterized characterized in that the primary exciter conical Horn, grooved horn or coaxial exciter can be used. Zweireflektorantenne nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur kontinuierlichen axialen Verschiebung des Primarerregers 2 für verschiedene Speisehohlleiter universell einsetzbar ist.Two-reflector antenna according to claim 1 to 5, characterized in that the device for the continuous axial displacement of the primary exciter 2 is universally applicable for different Speisehohlleiter. Zweireflektorantenne nach Anspruch 1, 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche axiale Verschiebung des Primärerregers 2 automatisch über eine Steuereinheit und eine Auswerteeinheit erfolgt.Two-reflector antenna according to claim 1, 3 and 5, characterized in that the continuous axial displacement of the primary exciter 2 automatically via a control unit and an evaluation takes place.
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