DE10334979A1 - Directional antenna e.g. for satellite television, radar, has reflecting and partially transmitting-reflecting surfaces for transmission of electromagnetic energy and area between surfaces, resonator field is formed - Google Patents

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Abstract

The antenna has a reflecting and partially transmitting- reflecting surfaces (reflectors) for the transmission of electromagnetic energy. The area between the surfaces forms the resonator field and that over a partially transmitting-reflecting surface energy is radiated or received.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne zur Aussendung oder zum Empfang elektromagnetischer Wellen, bevorzugt im Millimeter- bis zum Dezimeter-Wellenlängenbereich. Hier wird meist eine hohe Richtwirkung gefordert, die die Funktion und Effektivität vieler Anwendungen wesentlich mitbestimmt, z. B. bei kommerziellem Richtfunk, Radar, Satellitenfernsehen, Radioastronomie oder drahtloser Energieübertragung.The The present invention relates to an antenna for transmission or for receiving electromagnetic waves, preferably in the millimeter up to the decimeter wavelength range. Here is usually required a high directivity, the function and effectiveness many applications determined significantly, z. B. in commercial Radio relay, radar, satellite television, radio astronomy or wireless Energy transfer.

Wie bekannt, hat die Antenne die Aufgabe, die elektrische Leistung aus Strom und Spannung in einem Generator oder einem Empfänger über einen Wandler in Strahlungsleistung umzusetzen und an das Feld im freien Raum anzupassen, allgemein an homogene, transversalelektromagnetische Wellen mit ebenen Phasenfronten. Eine Anpassung an dieses Feldbild erfordert Flächenstrahler mit einer ungestörten, unendlich großen Fläche oder auf einer endlichen Fläche eine Gauß'sche Belegungsfunktion für die Energieverteilung. Eine solche Antenne strahlt oder empfängt nur aus einer Richtung, quantitativ beschrieben durch den Richtfaktor oder Strahlungsgewinn.As known, the antenna has the task of electrical power Current and voltage in a generator or receiver via a converter to translate into radiant power and to the field in free space adapt, generally to homogeneous, transversal electromagnetic Waves with flat phase fronts. An adaptation to this field picture requires surface spotlights with an undisturbed, infinitely large area or on a finite surface a Gaussian assignment function for the Energy distribution. Such an antenna only emits or receives from one direction, quantitatively described by the directivity or radiation gain.

Bekannterweise nähert man sich diesen Forderungen durch Parabolspiegel, die im Brennpunkt gespeist werden oder phasenrichtig gespeiste Dipolanordnungen oder Metallschlitze (planar arrays). Es lassen sich aber hier Beugung an der Berandung und an abschattenden Speiseelementen nicht vermeiden, was zu seitlicher Abstrahlung, d. h. zu Nebenkeulen im Richtdiagramm führt. Damit sind diese realen Antennen energetisch weniger effektiv (verringerter Strahlungsgewinn) und als Sender störend oder als Empfänger stör- und rauschanfällig. Eine oft unbequeme und aufwändige Größe der Antenne kann daher auch aus diesen Gründen nicht unterschritten werden.known manner approaches One meets these demands by parabolic mirrors, which are fed in the focal point or in-phase fed dipole arrays or metal slots (planar arrays). But here you can bend at the boundary and to shadowing feed elements not avoid, what to lateral Radiation, d. H. leads to side lobes in the directional diagram. In order to These real antennas are energetically less effective (reduced Radiation gain) and interfering as a transmitter or as receiver susceptible to noise and erosion. A often uncomfortable and expensive Size of the antenna can therefore also for these reasons not be fallen below.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Mängel zu mindern. Das Mittel dafür ist ein Resonator, der aus mindestens zwei reflektierenden Flächen besteht, zwischen denen sich ein Feld stehender Wellen bildet, das über dem Querschnitt eine Gauß'sche Energieverteilung hat. Diese wird in den freien Raum abgestrahlt oder daher empfangen, indem einer der Reflektoren teildurchlässig ist und die Antennenapertur bildet. Weiterhin sind bekannte Mittel einzusetzen, die die elektromagnetische Energie in den Resonator hinein bzw. herausbringen, z.B. Koppelelemente zu einer Speiseleitung in einem der nicht durchlässigen Reflektoren. Von Vorteil für die Energieverarbeitung ist, daß die Feldstärke im Inneren bei geringen Verlusten und zweckmäßigen Koppelfaktoren (Anpassung) ein Mehrfaches der äußeren Feldstärke beträgt (Resonanzüberhöhung, Transformation). Es kann weiterhin vorteilhaft sein, mehrere Resonatoren mit mindestens einem teildurchlässigen Reflektor zu verkoppeln. Durch Variation der Geometrie und des Verkopplungsfaktors lassen sich unterschiedliche Eigenschaften des Systems einstellen, wie die Resonanzen und Bandbreiten und die Abstrahlung aus den Teilresonatoren.task It is the object of the present invention to cope with the aforementioned deficiencies reduce. The means for that is a resonator consisting of at least two reflective surfaces, between which a field of standing waves forms, which above the Cross section of a Gaussian energy distribution Has. This is radiated into free space or therefore received, by one of the reflectors is partially transparent and the antenna aperture forms. Furthermore, known means are to be used, which are the electromagnetic Bring energy into the resonator, e.g. coupling elements to a feedline in one of the non-transmissive reflectors. Advantageous for the Energy processing is that the field strength inside with low losses and functional coupling factors (adaptation) is a multiple of the external field strength (resonance peak, transformation). It may also be advantageous to provide a plurality of resonators with at least one partially transmitting Coupling reflector. By varying the geometry and the coupling factor different properties of the system can be set, like the resonances and bandwidths and the radiation from the partial resonators.

Die Erfindung soll nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen erläutert werden.The Invention will be explained below in some embodiments.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Antenne, bestehend aus dem Reflektor 1 und dem teildurchlässigen Reflektor 2, der die Antennenapertur bildet, dem Koppelloch 3 zum Hohlleiter 4 und einer reflektierenden Abschirmung 5, die seitliche Störstrahlung abhält und Streuverluste am Koppelloch durch Rückreflexion mindert. Zur Vermeidung von Hohlraumschwingungen hat die Abschirmung innen vor dem Reflektor 2 einen nicht reflektierenden Bereich 5.1 z.B. durch Anstrich. Der Resonator wird zweckmäßig halbsphärisch gestaltet, d.h. Reflektor 1 ist eine Kugelkalotte aus Justage- und Feldstabilitätsgründen, Reflektor 2 ist eben, zur Anpassung an die Wellenstruktur des freien Raumes. Der Spiegelabstand soll wegen der Feldstabilitätskriterien etwas größer oder kleiner als der halbe Krümmungsradius von Spiegel 1 sein und muß wegen der Resonanzbedingung auf Vielfache der halben Wellenlänge eingestellt werden. Weiter läßt sich nach den Gesetzen der Gauß'schen Strahlmoden die Ausleuchtung (Belegung) der Antennenapertur einstellen. Mit größerem Krümmungsradius des sphärischen Spiegels 1 und größerem Spiegelabstand wächst die wirksame Antennenfläche und damit der Gewinn. Dabei genügen die Flächen zweckmäßig der Relation:
Spiegelradius2 = Spiegelabstand × Wellenlänge, da dann innere Resonatorverluste und verbleibende Beugungsverluste ein optimales Verhältnis haben. Der Spiegelradius kann verkleinert werden zugunsten des Flächenwirkungsgrades und zu Lasten der Richtwirkung (Auftreten von Nebenkeulen), umgekehrt ist es bei der Vergrößerung des Spiegelradius. 1 shows a preferred embodiment of the antenna, consisting of the reflector 1 and the partially transmissive reflector 2 forming the antenna aperture, the coupling hole 3 to the waveguide 4 and a reflective shield 5 , which prevents lateral interference and reduces leakage losses at the coupling hole by back reflection. To avoid cavity vibrations, the shield has inside in front of the reflector 2 a non-reflective area 5.1 eg by painting. The resonator is expediently designed hemispherical, ie reflector 1 is a spherical cap for adjustment and field stability reasons, reflector 2 is just, to adapt to the wave structure of free space. The mirror distance is due to the field stability criteria slightly larger or smaller than half the radius of curvature of mirror 1 and must be set to multiples of half the wavelength because of the resonance condition. Next can be adjusted according to the laws of Gaussian beam modes, the illumination (occupancy) of the antenna aperture. With larger radius of curvature of the spherical mirror 1 and larger mirror spacing increases the effective antenna area and thus the profit. The surfaces suitably satisfy the relation:
Mirror radius 2 = mirror distance × wavelength, since then inner resonator losses and remaining diffraction losses have an optimal ratio. The mirror radius can be reduced in favor of the area efficiency and at the expense of directivity (occurrence of side lobes), conversely, it is the magnification of the mirror radius.

2 zeigt eine bevorzugte Ausführung des teildurchlässigen Reflektors 2. In einer Fassung 7 befinden sich je nach erforderlichem Reflexionsgrad eine entsprechende Anzahl von Viertelwellenlängen dicken Platten 6 aus einem verlustarmen Dielektrikum, für hohe Ansprüche aus geschmolzenem Quarz. Auch andere bekannte Reflektoren sind möglich, z.B. bei Inkaufnahme von Verlusten Drahtgitter mit geeigneter Maschenweite. 2 shows a preferred embodiment of the partially transparent reflector 2 , In a version 7 Depending on the required reflectance, there are a corresponding number of quarter-wavelength thick plates 6 from a low-loss dielectric, for high demands from molten quartz. Other known reflectors are possible, for example, at the cost of losses wire mesh with a suitable mesh size.

3 zeigt die Ausführung eines strahlenden Resonators, bestehend aus den Reflektoren 1, 1.1 und dem Strahlteiler 2. Die Speisung erfolgt über eine bekannte Primärantenne, z.B. ein Hornstrahler 8 mit Hohlleiter 4. Eine lineare Anordnung des Resonators ist auch möglich. 3 shows the embodiment of a radiating resonator, consisting of the reflectors 1 . 1.1 and the beam splitter 2 , The power supply via a known primary antenna, such as a horn 8th with waveguide 4 , A linear arrangement of the resonator is also possible.

4 zeigt eine Anordnung von zwei Resonatoren, bestehend aus den Reflektoren 1 und 2.1, sowie 1.1, 2 und 2.1, die über den Strahlteiler 2 miteinander verkoppelt sind. Strahlungs- und Resonanzeigenschaften hängen von der Geometrie und von den Verlusten in der Anordnung und vom Reflexionsfaktor des Strahlteilers 2 ab. So gibt es z.B. wegen Zweistrahlinterferenz keine Abstrahlung über den Reflektor 2, wenn die Arme von 1 und 1.1 symmetrisch sind. Die Abstrahlung erfolgt dann über 2.1, sonst über 2. Die Resonanzen des Gesamtsystems liegen um so weiter auseinander je kleiner der Wegunterschied zwischen den Armen von 1 und 1.1 ist. Auch bei den verkoppelten Resonatoren ist eine lineare Anordnung mit zwei oder mehr hintereinander angeordneten, teildurchlässigen Reflektoren möglich, ebenso weitere Reflektoren in der Anordnung nach 4, z.B. am freien Ausgang von 2. 4 shows an arrangement of two resonators, consisting of the reflectors 1 and 2.1 , such as 1.1 . 2 and 2.1 passing over the beam splitter 2 are coupled together. Radiation and resonance properties depend on the geometry and losses in the array and on the reflection factor of the beam splitter 2 from. For example, due to two-beam interference, there is no emission via the reflector 2 when the arms of 1 and 1.1 are symmetrical. The radiation is then over 2.1 , otherwise over 2 , The resonances of the entire system are the further apart the smaller the path difference between the arms of 1 and 1.1 is. Even with the coupled resonators, a linear arrangement with two or more successively arranged, partially transparent reflectors is possible, as well as further reflectors in the arrangement according to 4 , eg at the free exit of 2 ,

5 zeigt schematisch da Beispiel einer Integration der Resonatorantenne in einen Mikrowellengenerator, hier ein Magnetron 9. 5 schematically shows the example of an integration of the resonator antenna in a microwave generator, here a magnetron 9 ,

6 zeigt dasselbe für ein Empfangssystem, hier ein LNB 10. 6 shows the same for a receiving system, here an LNB 10 ,

11
Reflektor, auch SpiegelReflector, also mirrors
1.11.1
Reflektor, auch SpiegelReflector, also mirrors
22
teildurchlässiger Reflektor, auch Strahlteilersemitransparent reflector, also beam splitter
2.12.1
teildurchlässiger Reflektorpartially transparent reflector
33
Koppelelementcoupling element
44
Hohlleiter, SpeiseleitungWaveguide, feeder
55
reflektierende Abschirmungreflective shielding
5.15.1
nicht reflektierender BereichNot reflective area
66
dielektrische Plattedielectric plate
77
Fassungversion
88th
Hornstrahler, PrimärantenneHorn, primary antenna
99
Magnetronmagnetron
1010
LNBLNB

Claims (8)

Richtantenne, bestehend aus reflektierenden und teildurchlässig-reflektierenden Flächen (Reflektoren) und weiteren bekannten Mitteln zur Übertragung elektromagnetischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Raum zwischen den Flächen ein Resonatorfeld bildet und daßüber eine teildurchlässig-reflektierende Fläche Energie abgestrahlt oder empfangen wird.Directional antenna, consisting of reflecting and semi-reflecting surfaces (reflectors) and other known means for transmitting electromagnetic energy, characterized in that forms a resonator in the space between the surfaces and that is radiated or received on a partially transparent-reflective surface energy. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflektor sphärisch gekrümmt und mit Elementen zur Ankopplung einer Speiseleitung oder einer elektronischen Einheit versehen ist und daß ein ebener teildurchlässiger Reflektor vor dem konkaven Reflektor etwa im Abstand des halben Krümmungsradius und gleichzeitig im Abstand mehrerer halber Wellenlängen angeordnet ist.Directional antenna according to claim 1, characterized the existence Spherical reflector curved and with elements for coupling a feed line or an electronic Unit is provided and that one even more semi-permeable Reflector in front of the concave reflector approximately at a distance of half the radius of curvature and at the same time arranged at a distance of several half wavelengths is. Richtantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Reflektoren mit einem reflektierenden Mantel umschlossen ist, der auf der Innenseite vor dem teildurchlässigen Reflektor einen absorbierenden Bereich aufweist.Directional antenna according to claim 2, characterized that the Space between the reflectors is enclosed with a reflective mantle, the on the inside in front of the partially transparent reflector an absorbent Has area. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Resonators über einen teildurchlässigen Reflektor und eine darauf strahlende Antenne erfolgt.Directional antenna according to claim 1, characterized that the Powering the resonator via a partially permeable Reflector and an antenna radiating thereon takes place. Richtantenne nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die teidurchlässigen Reflektoren aus einem Satz dielektrischer Platten bestehen.Directional antenna according to Claims 1 to 4, characterized that the teidurchlässigen Reflectors consist of a set of dielectric plates. Richtantenne nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfaktoren der teildurchlässigen Reflektoren und die Koppelfaktoren zu den Speiseleitungen so eingestellt werden, daß ein- und ausgangsseitig Anpassung herrscht.Directional antenna according to Claims 1 to 4, characterized that the Reflection factors of semitransparent reflectors and the Coupling factors to the feeders are set so that on and on the output side adjustment prevails. Richtantenne nach Ansprüchen 1, 2, 3, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Generator oder mit einem Empfänger elektromagnetischer Energie funktionell und mechanisch eine Einheit bildet.Directional antenna according to claims 1, 2, 3, 5, 6, characterized characterized in that they with a generator or with a receiver of electromagnetic energy functionally and mechanically forms a unit. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Resonatoren über teildurchlässige Reflektoren miteinander verkoppelt sind.Directional antenna according to claim 1, characterized that several Resonators over partially transparent Reflectors are coupled together.
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