DE1245447B

DE1245447B - Richtantenne mit Ringfokus-Paraboloidreflektor

Info

Publication number: DE1245447B
Application number: DEW31189A
Authority: DE
Inventors: Cassius Chapin Cutler
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1960-12-19
Filing date: 1961-12-02
Publication date: 1967-07-27
Also published as: SE300121B; US3162858A; NL272285A; GB1004318A; BE611501A

Description

DEUTSCHES #Ä PATENTAMT DeutscheKl.: 21 a4-46/02

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1 245 447

Aktenzeichen: W 31189IX d/21 a4

^ 243 44 7 Anmeldetag: 2. Dezember 1961

Auslegetag: 27. Juli 1967

Die Erfindung betrifft eine Richtantenne, bestehend aus einem Ringfokus-Paraboloidreflektor, dessen Brennkreis in einer Ebene senkrecht zur Achse des Reflektors liegt und zu dieser zentriert ist, einem Primärstrahler, der aus einer an ihrem einen Ende strahlenden Leitung besteht, deren ringförmige Strahlungsöffnung im wesentlichen mit dem Brennkreis zusammenfällt, und einem in Richtung der Achse durch den Scheitel des Reflektors verlaufenden, den H₁₁-Wellentyp führenden Speisehohlleiter kreisförmigen Querschnitts, der den Primärstrahler über einen in dessen Wandung angebrachten und den Speisehohlleiter in zwei Hohlleiterabschnitte teilenden Ringspalt speist, von denen der dem Scheitel des Reflektors fernliegende Hohlleiterabschnitt mit einem reflektierenden Abschluß versehen ist.

Richtantennen mit einem Ringfokus-Paraboloidreflektor, bei dem also an Stelle eines Brennpunktes ein Brennkreis vorhanden ist, sind bekannt (USA.-Patentschrift 2 482 158). Bei einer Parabolspiegel- ao antenne ist auch bereits die Verwendung einer Radialleitung bekannt (USA.-Patentschrift 2 447 694). Schließlich ist es bekannt (britische Patentschrift 825 532), einen Speisehohlleiter durch einen Ringspalt in zwei Hohlleiterabschnitte zu teilen, von denen einer mit einem reflektierenden Abschluß versehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Richtantenne der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß der Primärstrahler eine stärkere Bündelung aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Primärstrahler durch eine zur Achse des Reflektors zentrierte Radialleitung gebildet ist, deren beide Wände einen gegenseitigen Abstand von wenigstens der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz aufweisen und am Ringspalt mit je einem der beiden Hohlleiterabschnitte verbunden sind, daß die Breite des Ringspaltes so eingestellt ist, daß, an Stellen gleichen radialen Abstandes von der Speisehohlleiterachse betrachtet, die in die Radialleitung eingekoppelte Energie gleiche Intensität aufweist, daß der Ort des reflektierenden Abschlusses so gewählt ist, daß diese Energie an den genannten Stellen gleiche Phase aufweist, und daß an den Wänden der Radialleitung Mittel vorgesehen sind, die in Radialrichtung fließende Wandströme unterbinden.

Dadurch läßt sich eine Verminderung der Überstrahlung des Paraboloids im Sendefall bzw. eine Erniedrigung der Rauschtemperatur der Antenne im Empfangsfall erreichen.

Die Erniedrigung der Rauschtemperatur der Antenne ist insbesondere für Nachrichtenverbindungen Richtantenne

mit Ringfokus-Paraboloidreflektor

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
Cassius Chapin Cutler,
Gillette, N.J.(V. St A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Dezember 1960
(76943)

im Weltraum, beispielsweise über Satelliten, von Bedeutung, da dort ein großer Teil des Gesamtrauschens von der Antenne stammt, die durch Uberstrahlen des Reflektors Rauschenergie aus der Umgebung aufnimmt.

Eine Weiterbildung der Erfindung empfiehlt, daß die an den Wänden der Radialleitung vorgesehenen Mittel aus einer Vielzahl von dicht benachbarten ringförmigen, mit der Achse des Hohlleiters konzentrischen Vertiefungen in den Wänden der Radialleitung bestehen, deren Tiefe etwa einem Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz entspricht. Dadurch läßt sich eine cosinusförmige Intensitätsverteilung über die Strahlungsöffnung des Primärstrahlers quer zur Abstrahlrichtung in beliebigen, die Achse des Reflektors enthaltenden Ebenen erreichen. Dann kann durch Änderung des Winkels, den die Abstrahlrichtung mit der Achse des Reflektors bildet, abhängig von der Größe des Reflektors ein günstiger

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Kompromiß zwischen möglichst kleiner Überstrahlung und möglichst großem Antennengewinn eingestellt werden.

Andererseits kann, wenn eine einheitliche Intensitätsverteilung über die Strahlungsöffnung des Primärstrahlers in die Achse des Reflektors enthaltenden Ebenen gewünscht wird, nach einer weiteren Empfehlung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Mittel an den Wänden der Radialleitung aus einer dielektrischen Beschichtung der Wände bestehen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein hohler, vom Reflektorscheitel bis zum Ringspalt sich erstreckender Sockel im Scheitel des Reflektors befestigt ist, daß der Maximaldurchmesser der Grundfläche des Sockels gleich dem Durchmesser des Brennkreises ist, und daß die Außenfläche des Sockels eine Wand der Radialleitung bildet. Der Sockel kann dann nicht nur die Endstufe eines Senders bzw. die Eingangsstufe eines Empfängers aufnehmen, sondern er trägt gleichzeitig den Primärstrahler, ohne zusätzliche Abschaltung des Antennenstrahl.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen noch näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antenne,

F i g. 2 die Vorderansicht der Antenne nach F i g. 1, F i g. 3 eine Abänderung des Primärstrahlers nach Fig.l,

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel des Primärstrahlers mit einem Kastenstrahler,

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel des Primärstrahlers mit einem dielektrischen Überzug.

Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, sind die Elemente des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse 34 angeordnet. Zur einfacheren Erklärung soll die Antenne im folgenden als Sendeantenne arbeiten. Natürlich känn sie auch als Empfangsantenne verwendet werden. Gerade im Empfangsfall werden die erfindungsgemäß verbesserten Rauscheigenschaften ausgenutzt.

Ein Paraboloidreflektor 36 mit Ringfokus wird durch Rotation der Achse einer Parabel um die Achse 34 erzeugt, die parallel und im Abstand zur Achse der Parabel verläuft. Daraus ergibt sich ein Ringfokus 48 im Gegensatz zum Punktfokus eines herkömmlichen Parabolids. Die öffnung des Reflektors 36 einer praktisch ausgeführten Antenne hat im allgemeinen einen Durchmesser, der wenigstens IOmaI größer als der Durchmesser des Ringfokus 48 ist. Aus Gründen der einfacheren Darstellung ist der Durchmesser des Reflektors in den F i g. 1 und 2 kleiner gewählt.

Der Primärstrahler 10 zur Bestrahlung des Reflektors 36 ist mit einem Sender-Empfänger 12 über einen runden Hohlleiter 18, einen Verstärker 16, welcher die letzte Stufe eines Senders oder die Eingangsstufe eines Empfängers darstellt, und einen weiteren runden Hohlleiter 14 verbunden. Ein Paraboloidreflektor mit Ringfokus weist in der Mitte eine nicht reflektierende Oberfläche auf. Daher ist es praktisch, Teile des Senders, wie beispielsweise den Verstärker 16, dicht am Primärstrahler 10 anzuordnen. Das Verstärkte Signal wird an den runden Speisehohlleiter 18 als H₁₁-Wellentyp gegeben.

Es ist wünschenswert, vom Primärstrahler 10 eine Wellenfront mit in Ringzonen einheitlicher Amplitude, Phase und Polarisation abzustrahlen. Der Ausdruck »in Ringzonen einheitlich« bedeutet, daß in mit

der Reflektorachse 34 koaxialen Ringzonen die Amplitude und Phase einheitlich ist, bzw., daß die relative Polarisationsrichtung auf dem gesamten Weg um eine solche Ringzone mit Bezug auf deren wechselnde Richtung im wesentlichen gleich ist. Zu diesem Zweck werden die in den Wänden des Hohlleiters 18 durch das sich ausbreitende Signal induzierten Ströme durch einen Ringspalt 22 unterbrochen und von dort in eine Radialleitung 38 eingekoppelt

ίο Um eine gleichmäßige Kopplung aller Transversalen, longitudinalen und schrägen Ströme zu erreichen, d.h., um entlang des Hohlleiterumfangs mit einheitlicher Intensität zu koppeln, ist die Breite des Spaltes 22 von wesentlicher Bedeutung. Wenn der Spalt 22 zu schmal ist, bewirkt er eine Kopplung unter Bevorzugung der longitudinalen Ströme, und wenn er zu breit ist, eine Kopplung unter Bevorzugung der transversalen Ströme. Der Teil des Signals, der nicht direkt auf die Radialleitung 38 gekoppelt wird, läuft weiter

ao bis zu einem reflektierenden Kolben 24, der den Hohlleiter 18 abschließt. Am Kolben 24 wird das Signal reflektiert und zurück zum Spalt 22 gegeben, wo es ebenfalls in die Radialleitung 38 eingekoppelt wird. Die direkt gekoppelten Ströme sind entlang des Umfanges des Hohlleiters 18 nicht in Phase, beispielsweise sind die transversalen Ströme um 90° phasenverschoben zu den longitudinalen Strömen. Daher muß zur Erzielung einer Phasenübereinstimmung des resultierenden Signals entlang des gesamten Randes des Ringspaltes 22 die Lage des Kolbens 24 so eingestellt werden, daß die reflektierten Ströme mit den direkt gekoppelten Strömen im richtigen Verhältnis kombiniert werden. Die Einstellung des Kolbens 24 zur Erfüllung dieser Funktion erfolgt empirisch. Gleiches gilt für die Breite des Spaltes 22 und die Lage der Irisblende 20, die zur Anpassung im Hohlleiter 18 angeordnet" ist.

Um zu erreichen, daß die Radialleitung 38 das Signal mit in Ringzonen einheitlicher Phase, Amplitude und Polarisation führt, sind in ihren Wänden dicht voneinander entfernte, ringförmige Vertiefungen 40 mit einer Tiefe von einem Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz angebracht. Der gegenseitige Abstand der Wände der Radialleitung 38 muß wenigstens gleich der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz sein. Dann wird der longitudinale Stromfluß in den Wänden der Radialleitung 38 durch die Vertiefungen 40 gesperrt, so daß sowohl für die elektrischen als auch die magnetischen Felder die gleichen Oberflächeneigenschaften vorherrschen. Die Feldstärke an der Oberfläche wird nicht durch die örtliche Polarisation beeinflußt, und es kann eine Wellenform mit der gewünschten Einheitlichkeit der Phase, Intensität und Polarisation in der Radialleitung 38 geführt werden.

Auf dem Reflektor 36 ist ein Sockel 30 befestigt, dessen Grundlinie im wesentlichen gleich dem Scheitelkreis des Reflektors 36 ist. Der Sockel 30 bildet das Gehäuse für den Verstärker 16, so daß der Hohlleiter 18 extrem kurz sein kann und sein Rauschbeitrag herabgesetzt wird. Außerdem stellt der Sockel 30 eine Wand der Radialleitung 38 dar. In der Oberfläche des Sockels 30, die Teil der Radialleitung 38 ist, sind ebenfalls Vertiefungen 40 angebracht. Der Sockel 30 verhindert, daß vom Primärstrahler 10 ausgehende Energie die Achse 34 kreuzt und auf die entgegengesetzte Seite des Reflektors 36 auffällt. Gleichzeitig trägt der Sockel 30 den Primärstrahler

Claims

10, so daß komplizierte Trageeinrichtungen vermieden werden, die im anderen Fall im Wege des Antennenstrahles liegen würden. Dies wird ohne Zunahme des Strahlschattens über den durch den Primärstrahler 10 gebildeten hinaus erreicht, da der Durchmesser des Sockels 30 gleich oder kleiner ist als der des Ringfokus 48. Da der Primärstrahler 10 durch den Ringspalt 22 in zwei Abschnitte getrennt ist, dienen kreisförmige dielektrische Linsen 42, die ein Fenster für die Strahlungsöffnung der Radialleitung38 bilden, zur Verbindung der beiden durch den Spalt 22 getrennten Abschnitte des Primärstrahlers 10. Zusätzlich können die Linsen 42 zum Abgleich für die Einheitlichkeit der Phase des abgestrahlten Signals in koaxialen Ringzonen verwendet werden. Die vom Primärstrahler 10 ausgehende Wellenfront besitzt in Ringzonen einheitlich Polarisation, Phase und Intensität und weiterhin eine cosinusförmige Intensitätsverteilung über die Strahlungsöffnung quer ao zur Abstrahlrichtung in einer beliebigen, die Achse 34 enthaltenden Ebene. Das bedeutet, daß die auf den Reflektor 36 abgestrahlte Energie in einer solchen Ebene, beispielsweise in der Schnittebene in Fig. 1, ein Maximum in der Abstrahlrichtung (Pfeil 26) der Radialleitung 38 ist und beiderseits bei etwa 45° zur Abstrahlrichtung auf 0 abfällt. In Fig. 1 bildet die Abstrahlrichtung der Radialleitung 38 einen Winkel von 45° mit der Achse 34, und der Ringfokus 48 des Reflektors 36 liegt in der Öffnungsebene des Reflektors. Als Folge davon liegen die Nullwerte der von der Radialleitung 38 abgestrahlten Energie nahe bei der Öffnungskante des Reflektors 36 und der Basis des Sockels 30. Daher wird nur ein sehr kleiner Teil der Energie durch Überstrahlen oder in Form von Strahlung, die auf den Sockel 30 auffällt, vergeudet. Bei einer Empfangsantenne bedeutet dies, daß nur wenig thermisches Rauschen aufgenommen wird. Gleichzeitig stellt die in Ringzonen einheitliche Phase, Intensität und Polarisation des von der Radialleitung 38 abgestrahlten Signals eine gute Ausleuchtung des Reflektors 36 sicher. Man beachte, daß der Primärstrahler 10 alle linear polarisierten Signale ohne Rücksicht auf ihre Orientierung, beispielsweise vertikal oder horizontal polarisierte Signale mit in Ringzonen einheitlicher Phase, Intensität und Polarisation führt, wobei die Intensitätsverteilung in Ebenen, die die Achse 34 enthalten, cosinusförmig ist. Als Folge davon erfahren zirkulärpolarisierte Signale, die ausgedehnte Anwendung in Weltraumverbindungen finden, die gleiche Behandlung, da sie als Kombination zweier linear polarisierter Signale aufgefaßt werden können, deren Polarisation im Raum um 90° mit Bezug aufeinander verdreht ist und die um 90° in der Phase unterschiedlich sind. F i g. 3 zeigt eine Radialleitung 38, deren Abstrahlrichtung einen Winkel von 90° mit der Achse 34 der Antenne nach F i g. 1 bildet. Diese Radialleitung kann Anwendung finden bei einem Paraboloidreflektor, der tiefer als der in F i g. 1 gezeigte ist. Der Winkel zwischen der Abstrahlrichtung der Radialleitung 38 * und der Achse 34 kann zur Anpassung an die Tiefe des Reflektors und andere Umstände geändert 6g werden. F i g. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Öffnung der Radialleitung 38 einen Kastenstrahler 46 bildet. Dabei ergibt sich eine einheitliche Intensitätsverteilung über die Öffnung des Kastenstrahlers. Die Einheitlichkeit der Phase, Intensität und Polarisation in Ringzonen wird wiederum durch Vertiefungen 40 in der Wand der Radialleitung bewirkt. Als Alternativanordnung zu der Fig. 4 sind die Wände der Radialleitung 38 in F i g. 5 mit einem dielektrischen Material 44 beschichtet an Stelle der Vertiefungen 40, die in den F i g. 1, 3 und 4 gezeigt sind. Das ergibt sowohl für das elektrische als auch das magnetische Feld gleiche Oberflächeneigenschaften der Wände der Radialleitung 38 und bewirkt eine einheitliche Intensitätsverteilung über die Strahlungsöffnung in die Achse 34 enthaltenden Ebenen. Patentansprüche:

1. Richtantenne, bestehend aus einem Ringfokus-Paraboloidrefektor, dessen Brennkreis in einer Ebene senkrecht zur Achse des Reflektors liegt und zu dieser zentriert ist, einem Primärstrahler, der aus einer an ihrem einen Ende strahlenden Leitung besteht, deren ringförmige Strahlungsöffnung im wesentlichen mit dem Brennkreis zusammenfällt, und einem in Richtung der Achse durch den Scheitel des Reflektors verlaufenden, den H₁₁-Wellentyp führenden Speisehohlleiter kreisförmigen Querschnitts, der den Primärstrahler über einen in dessen Wandung angebrachten und den Speisehohlleiter in zwei Hohlleiterabschnitte teilenden Ringspalt speist, von denen der dem Scheitel des Reflektors fernliegende Hohlleiterabschnitt mit einem reflektierenden Abschluß versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler (10) durch eine zur Achse (34) des Reflektors (36) zentrierte Radialleitung (38) gebildet ist, deren beide Wände einen gegenseitigen Abstand von wenigstens der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz aufweisen und am Ringspalt (22) mit je einem der beiden Hohlleiterabschnitte verbunden sind, daß die Breite des Ringspaltes (22) so eingestellt ist, daß, an Stellen gleichen radialen Abstandes von der Speisehohlleiterachse (34) betrachtet, die in die Radialleitung (38) eingekoppelte Energie gleiche Intensität aufweist, daß der Ort des reflektierenden Abschlusses (24) so gewählt ist, daß diese Energie an den genannten Stellen gleiche Phase aufweist, und daß an den Wänden der Radialleitung (38) Mittel (40 oder 44) vorgesehen sind, die in Radialrichtung fließende Wandströme unterbinden.

2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wänden der Radialleitung (38) vorgesehenen Mittel aus einer Vielzahl von dicht benachbarten ringförmigen, mit der Achse (34) des Hohlleiters (18) konzentrischen Vertiefungen (40) in den Wänden der Radialleitung bestehen, deren Tiefe etwa einem Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz entspricht.

3. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wänden der Radialleitung (38) vorgesehenen Mittel aus einer dielektrischen Beschichtung (44) der Wände bestehen (Fig. 5).