DE1257226B - Antenne fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Parabolspiegel und einem hyperboloidfoermigen Hilfsreflektor - Google Patents

Description

• Antenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Parabolspiegel und einem hyperboloidförmigen Hilfsreflektor Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Parabolspiegel mit gegenüber der Wellenlänge sehr großer Apertur, vor dem ein der Ausleuchtung des Spiegels dienender hyperboloidförmiger Hilfsreflektor wesentlich kleinerer Apertur angeordnet ist, der von einem von der Rückseite des Parabolspiegels durch dessen Scheitel hindurchstrahlenden, als Hornreflektorantenne mit im Vergleich zur Parabolspiegelapertur kleiner Apertur ausgebildeten Primärstrahler angestrahlt wird, und dessen Krümmung derart bemessen ist, daß sich in der Apertur des Parabolspiegels eine wenigstens nahezu ebene Phasenfront ergibt.
• Antennenanordnungen dieser Art sind in der Fachwelt auch unter dem Namen »Cassegrain-Antenne« bekannt. Hierbei ist der Primärstrahler meist als Trichterstrahler relativ sehr geringer Apertur ausgebildet, dessen Strahlung auf den nennenswert größeren hyberboloidförmigen Hilfsreflektor gerichtet ist. Von diesem aus gelangt die Strahlung zu dem eigentlichen Parabolspiegel. Im Empfangsfall ist der Strahlenweg gegensinnig. Diese Antenne ist gegenüber einer unmittelbar von einem Hornstrahler gespeisten Parabolspiegelantenne mechanisch wesentlich günstiger. Der Brennpunkt des großen Parabolspiegels fällt mit dem hinter dem Hilfsreflektor liegenden Brennpunkt des hyperboloidförmigen Hilfsreflektors zusammen, und dessen zweiter Brennpunkt fällt in das Phasenzentrum des Primärstrahlers. Derartige Antennen haben bei starker Bündelung und großer Brennweite des Parabolspiegels den Nachteil, daß der Primärstrahler auch relativ stark bündeln und damit eine große Apertur haben muß. Bei Ausbildung als Trichterstrahler hat dann der Primärstrahler eine große Länge. Weiterhin sind eine gute Anpassung, ein guter Wirkungsgrad und ein gutes Strahlungsdiagramm in einem größeren Frequenzbereich meist nur unzureichend erzielbar.
• Es ist bereits eine Cassegrain-Antenne mit einem Paraboloidreflektor und einem Zwischenreflektor, der eine im Brennpunkt des Paraboloidreflektors gelegene Strahlungsquelle liefert und durch eine öffnung im Scheitel des Paraboloidreflektors von einem hinter diesem angeordneten Primärstrahler ausgeleuchtet ist, vorgeschlagen worden, bei der der Primärstrahler eine Hornreflektoranordnung ist, deren Reflektor durch eine Ellipsoid-Teilfläche gebildet ist, deren einer Brennpunkt ungefähr in der Spitze des Hornes und deren anderer Brennpunkt so nahe an der Öffnung im Scheitel des Paraboloidreflektors liegt, daß durch diese im wesentlichen die gesamte von der Hornreflektoranordnung herrührende und im letzgenannten Brennpunkt konvergierende Energie hindurchgelangt. Bei dieser Anordnung sollen die Rauschtemperatur einer Cassegrain-Antenne durch Verringern des überstrahlens herabgesetzt und eine gute Impedanzanpassung zwischen dem Primärstrahler und den passiven Reflektoren einer Cassegrain-Antenne erreicht werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Cassegrain-Antenne gerade im Hinblick auf die eingangs erwähnten Schwierigkeiten zu verbessern.
• Ausgehend von einer Antenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Parabolspiegel mit gegenüber der Wellenlänge sehr großer Apertur, vor dem ein der Ausleuchtung des Spiegels dienender hyperboloidförmigerHilfsreflektor wesentlich kleinerer Apertur angeordnet ist, der von einem von der Rückseite des Parabolspiegels durch dessen Scheitel hindurchstrahlenden, als Hornreflektorantenne mit im Vergleich zur Parabolspiegelapertur kleiner Apertur ausgebildeten Primärstrahler angestrahlt wird und dessen Krümmung derart bemessen ist, daß sich in der Apertur des Parabolspiegels eine wenigstens nahezu ebene Phasenfront ergibt, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Hornre$ektorantenne als Hornparabolantenne ausgebildet ist, daß der Abstand des Hilfsreflektors vom Parabolspiegelscheitel etwa gleich dem halben bis ganzen Rayleigh-Abstand und die Apertur des Hilfsreflektors etwa gleich oder etwas größer als die Apertur der Hornparabolantenne gewählt ist.
• Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Trichter der Hornparabolantenne als Konus mit sich stetig erweiternder kreisförmiger Querschnittsfläche ausgebildet ist. Bei bewegbarer Parabolspiegelantenne für den Empfang aus dem Weltraum oder die Aussendung von Strahlung in den Weltraum ist es zweckmäßig, wenn der Parabolspiegel auf einem angenähert horizontal liegenden Drehkranz angeordnet und um eine senkrecht zur Spiegelachse hinter dem Parabolspiegel gelegene Schwenkachse schwenkbar ist.
• Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Achse des Trichters der Hornparabolantenne in der Schwenkachse radial von der Spiegelachse weggeführt ist und über eine vorzugsweise in der Nähe der Lagerung für die Schwenkbewegung gelegene Drehkupplung mit den zugehörigen Hochfrequenzgeräten verbunden ist. Empfehlenswert ist es außerdem, wenn der hyperboloidförmige Hilfsreflektor mittels vorzugsweise drei Streben gegen den Parabolspiegel abgestützt ist.
• Von besonderem Vorteil ist eine Antenne dieser Art dann, wenn bei Vorliegen der Forderungen nach kurzer Zuführung, kleinen Leitungsverlusten, guter Anpassung in einem breiten Frequenzband an die Anschlußstelle der Hornparabolantenne ein Sender und/oder ein vorzugsweise extrem rauscharmer Empfänger angeschaltet sind. Der Empfänger und/oder der Sender werden dann vorteilhaft unmittelbar hinter dem Parabolspiegel angeordnet.
• Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Antenne näher erläutert.
• Die Zeichnung zeigt eine Parabolspiegelantenne, bestehend aus einem Parabolspiegel 1 relativ sehr großen Durchmessers, beispielsweise in der Größenordnung von 20 oder 30 m, der auf einem Drehgestell 2, 3 mit Drehkranz auf der Erdoberfläche aufgestellt ist. Mit Hilfe dieses Drehgestells ist der Parabolspiegel 1 um seine Drehachse 4 drehbar. Weiterhin kann der Parabolspiegel mittels eines Drehgelenkes 5 um die Achse 6 geschwenkt werden.
• Als Primärstrahler für den Parabolspiegel ist eine Hornparabolantenne vorgesehen, bestehend aus einem Parabolreflektor 7, der in einen Hohlleitertrichter 8 bekannter Bauart übergeht. Mit ihrer Apertur 9 ist die Hornparabolantenne auf einen hyperboloidförmigen Hilfsreflektor 10 gerichtet. Dessen Apertur ist etwas größer gewählt als die Apertur 9 der Hornparabolantennen. Die Verbindung vom Trichteranfang zu den fest aufgestellten, auf dem Drehgestell starr befestigten und somit nur bei Drehung des Parabolspiegels um die Achse 4 mitbewegten Hochfrequenzgeräten 11 geschieht über eine Drehkupplung 12, die im Bereich des Schwenklagers 5 angeordnet ist.
• Hinsichtlich der elektrischen Bemessung der gesamten Anordnung ist folgendes von Bedeutung. Der Abstand zwischen der Apertur 9 der Hornparabolantenne und dem Hilfsreflektor 10 entspricht etwa dem 0,5- bis 1fachen des Rayleigh-Abstandes. Unter dem Rayleigh-Abstand wird die Entfernung R verstanden, die sich aus der Gleichung R = D212 n, ergibt. D ist hierbei der Durchmesser der Apertur 9, und .? bedeutet die Betriebswellenlänge. Die Krümmung des hyperboloidförmigen Hilfsreflektors 10 ist derart bemessen, daß sich für das Hyperboloid als zweiter Brennpunkt ein auf der Rückseite des Parabolspiegels 1 im Endlichen liegender Brennpunkt ergibt, der derart gewählt ist, daß die Phasenfront in der Apertur des Parabolspiegels 1 wenigstens nahezu eben ist. Beispielsweise empfiehlt sich bei einem Betriebsfrequenzbereich zwischen 4 und 6 GHz für einen Durchmesser des Parabolspiegels 1 in der Größenordnung von 20 m und für einen Durchmesser der Apertur 9 in der Größenordnung von 1 m ein Aperturdurchmesser des Hilfsreflektors in der Größenordnung von 1,2 m, wenn der Abstand des Hilfsreflektors 10 vom Spiegelscheitel etwa 5,5 m beträgt, bei einer Brennweite des Hilfsreflektors 10 in der Größenordnung von etwa 20 bis 30 m.
• Das Hornparabol wird hinsichtlich des Speisungstrichters vorteilhaft wie folgt ausgeführt. Eine Drehverbindung oder ein Anschluß wird etwa in die Nähe des Schwenklagers 5 gelegt. Der Trichter wird kontinuierlich von dieser Drehverbindung oder dem Anschluß zu dem reflektierenden Teil des Hornparabols geführt, und zwar möglichst geradlinig. Kommt es zusätzlich darauf an, mit beliebiger Polarisationsebene der von der Antenne aufzunehmenden und abzustrahlenden Wellen zu arbeiten, so empfiehlt es sich, den Trichter 8 der Hornparabolantenne mit kreisförmigem Querschnitt auszuführen.
• Bei der beschriebenen Ausbildung der Aperturverhältnisse von Hornparabolantenne und hyperboloidförmigem Hilfsreflektor wird zusätzlich der Vorteil erhalten, daß die Überstrahlung der Hornparabolantenne auf den hyperboloidförmigen Hilfsreflektor relativ gering bleibt. Damit die Nebenmaxima der Antenne möglichst klein bleiben, soll die Feldstärke der am Hyperboloid reflektierten Wellen nach dem Spiegelrand stark abnehmen. Die vom Hauptmaximum weiter abliegenden Nebenmaxima des eigentlichen Parabolspiegels sind an sich bei der behandelten Ausführungsform bereits gering, weil das Verhältnis von Spiegelbrennweite des Parabolspiegels 1 zum Durchmesser des Parabolspiegels 1 relativ gering ist, im angenommenen Fall etwa 0,25. Das gilt auch für die Rückstrahlung in den vom Hauptreflektor an sich abgeschirmten Bereich.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Antenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Parabolspiegel mit gegenüber der Wellenlänge sehr großer Apertur, vor dem ein der Ausleuchtung des Spiegels dienender hyperboloidförmiger Hilfsreflektor wesentlich kleinerer Apertur angeordnet ist, der von einem von der Rückseite des Parabolspiegels durch dessen Scheitel hindurchstrahlenden, als Hornreflektorantenne mit im Vergleich zur Parabolspiegelapertur kleiner Apertur ausgebildeten Primärstrahler angestrahlt wird, und dessen Krümmung derart bemessen ist, daß sich in der Apertur des Parabolspiegels eine wenigstens nahezu ebene Phasenfront ergibt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Hornreflektorantenne als Hornparabolantenne (7, 8, 9) ausgebildet ist, daß der Abstand des Hilfsreflektors (10) vom Parabolspiegelscheitel etwa gleich dem halben bis ganzen Rayleigh-Abstand und die Apertur des Hilfsreflektors (10) etwa gleich oder etwas größer als die Apertur (9) der Hornparabolantenne (7, 8, 9) gewählt ist.
2. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (8) der Hornparabolantenne (7, 8, 9) als Konus mit sich stetig erweiternder kreisförmiger Querschnittsfläche ausgebildet ist.
3. 3. Antenne nach Anspruch 1. oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parabolspiegel (1) auf einem angenähert horizontal liegenden Drehkranz angeordnet und um eine senkrecht zur Spiegelachse (4) hinter dem Parabolspiegel (1) gelegene Schwenkachse (6) schwenkbar ist.
4. 4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Trichters (8) der Hornparabolantenne (7, 8, 9) in der Schwenkachse (6) radial von der Spiegelachse (4) weggeführt ist und über eine vorzugsweise in der Nähe der Lagerung (5) für die Schwenkbewegung gelegene Drehkupplung (12) mit den zugehörigen Hochfrequenzgeräten (11) verbunden ist. In Betracht gezogene Druckschriften: »IRE Transactions an Antennas and Propagation«, März 1961, S. 140 bis 153. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1225 716.