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Die Erfindung betrifft eine Spiegelantenne, bestehend aus einem Primärstrahler
kreisförmiger Apertur mit wenigstens nahezu gleichphasiger und im wesentlichen in
gleicher Richtung polarisierter Aperturbelegung, der im Brennpunkt eines paraboloidförmigen
Spiegels kreisförmiger Apertur angeordnet ist, bei der die Primärstrahlercharakteristik
so gewählt ist, daß hierdurch die gewünschte Aperturbelegung des Spiegels wenigstens
angenähert ist.
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Die ideale Form der Strahlungscharakteristik einer solchen Spiegelantenne
ist für die meisten Anwendungsgebiete die einer Hauptkeule ohne Nebenmaxima. Dabei
soll die Hauptkeule - in Kugelkoordinaten betrachtet - die Form eines sphärischen
Sektors aufweisen, d. h., die Strahlung innerhalb der Hauptkeule soll möglichst
winkelunabhängig sein. Besonders wichtig ist eine solche Form der Strahlungscharakteristik
bei den Antennen für die Radibastronomie, für die Nachrichtenübertragung durch Erdsatelliten
und in der Radartechnik.
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Zur Erzielung einer solchen Strahlungscharakteristik muß in der Apertur
der Spiegelantenne eine in der Phase alternierende und in ihrer Amplitude nach dem
Rand der Apertur hin abfallende Belegung erreicht werden.
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Bei Zylinderparabolen ist es bereits bekannt, die rechteckige Apertur
aus ebenfalls rechteckigen, abwechselnd gegenphasig schwingenden Teilaperturen zusammenzusetzen;
deren Größe und Erregeramplituden derart gewählt sind, daß die Bündelung verschärft,
die Nebenzipfel geschwächt und eine Strahlungscharakteristik erzielt wird; deren
Hauptkeule die Form eines zylindrischen Sektors hat (deutsche Patentschrift 760
335): Die dort gewählte Aufteilung in Teilaperturen und ihre getrennte Speisung
läßt sich für Antennen mit kreisförmiger Apertur nicht übernehmen.
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Eine andere Möglichkeit zur Erzielung einer in der Phase alternierenden
Aperturbelegung besteht in der ineinander verschachtelten Anordnung jeweils . getrennt
erregter Reflektoren (französische Patentschrift 886 341). Beide vorgenannten Anordnungen
erreichen die gegenphasige Belegung durch Unterteilung der Apertur und deren getrennte
Erregung.
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Bei einer rotationssymmetrischen Spiegelantenne ist es außerdem bekannt,
zur Erzeugung eines sektorförmigen Strahlungsdiagramms bzw. der hierzu erforderlichen
gegenphasigen Aperturbelegung neben einem in Zonen unterschiedlichen Reflexionsvermögens
unterteilten Reflektor die Charakteristik des ; Primärstrahlers mit heranzuziehen,
indem der Primärstrahler hinsichtlich seines Strahlungsdiagramms derart bemessen
ist, daß dieses nach Zonen geringer Reflexion des Reflektors hin abfällt. Mit einer
solchen Anordnung kann jedoch allenfalls .eine unterschiedliehe Amplitude der Belegung
innerhalb der Apertur verwirklicht werden, eine gegenphasige Belegung läßt sich
mit der dort für den Primärstrahler gegebenen technischen Lehre allein nicht erreichen
(deutsche Auslegeschrift 1065 478).
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ebenfalls darin, zur
Erzeugung einer nebenzipfelfreien Strahlungscharakteristik in der Form eines sphärischen
Sektors in der kreisförmigen Apertur einer Spiegelantenne eine rotationssymmetrische
von der Mitte zum Rand der Apertur hin mit abnehmender Amplitude oszillierende Belegung
zu erzielen.
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Die Erfindung betrifft demzufolge eine Spiegelantenrie; bestehend
aus einem Primärstrahler kreisförmiger Aper tur mit wenigstens nahezu gleichphasiger
und im wesentlichen in gleicher Richtung polarisierter Aperturbelegung, der im Brennpunkt
eines paraboloidförmigen Spiegels kreisförmiger Apertur angeordnet ist, bei der
die Primärstrahlercharakteristik so gewählt ist, daß hierdurch die gewünschte Aperturbelegung
des Spiegels wenigstens angenähert ist.
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Bei dieser Spiegelantenne wird die Aufgäbe der Erzeugung einer rotationssymmetrischen
von der Mitte zum Rand der Apertur hin mit abnehmender Amplitude oszillierenden
Belegung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der auf die Wellenlänge d bezogene
Durchmessend des Primärstrahlers nach der Gleichung
gewählt ist und daß in dieser Gleichung m >_ 2 ist, wobei uö ", das Argument der
m-ten, gerade noch innerhalb des Spiegelöffnungswinkels liegenden Nullstelle der
in Abhängigkeit von
dargestellten Primärstrahlercharakteristik, D der Durchmesser des Spiegels, l der
Abstand zwischen dem Spiegelscheitel und dem Brennpunkt, ü der von der Hauptstrahlungsrichtung
aus gezählte Abstrahlwinkel des Primärstrahlers ist. Bei Einhaltung der erfindungsgemäßen
Bemessungsregel erfolgt die Ausleuchtung des Spiegels außer durch die Hauptkeule
noch durch eine Anzahl Nebenmaxima der Primärstrahlung.
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Die erfindungsgemäße Bemessungsregel ist an Hand der F i g. 1 verdeutlicht.
Die F i g. 2 und 3 zeigen je ein Ausführungsbeispiel mit unterschiedlicher Ausbildung
der Primärstrahler.
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Die Wirkung der Erfindung beruht auf folgenden Gegebenheiten: Will
man in der Apertur einer Spiegelantenne eine Ji(Cr)/Cr-Belegung erzeugen, die eine
besonders gute Annäherung eines Diagramms in Form eines sphärischen Sektors ergibt
(C = eine beliebige Konstante, welche die Anzahl der Oszillationen angibt, = die
Polarkoordinate in Richtung des
Radius, und J1 = die Besselfunktion erster Ordnung), so sollte der Primärstrahler
eine kreisförmige Apertur mit möglichst homogener Belegung aufweisen. Ein solcher
kreisförmiger, homogen belegter Flächenstrahler liefert nämlich ein Diagramm in
Form
Trifft, wie in F i g. 1 dargestellt, die Strahlung in Form eines solchen Diagramms
auf eine reflektierende Fläche 2', die einen kreisförmigen Ausschnitt aus einer
Kugeloberfläche (Kugelabschnitt) darstellt, deren Mittelpunkt gleich dem Phasenzentrum
des Primärstrahlers
ist, so tritt auf der Kugelfläche 2' in Abhängigkeit
von der halben Sehenlänge s eine Belegung
auf. Wenn der Durchmesser D des in der Praxis anstelle der Kugelfläche verwendeten
Paraboloids 2 im Gegensatz zu den in der F i g. 1 dargestellten Verhältnissen klein
gegen die Entfernung l vom Parabofscheitel zum Primärstrahler ä ist, so wird die
Aperturbelegung des Paraboloids nur wenig von der gewünschten Jl(Cr)/Cr-Belegung
abweichen.
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Bei größeren Winkeln 0 werden lediglich die Abstände der Nulldurchgänge
gegenüber der Jl(Cr)/Cr-Belegung nach dem Rand der Apertur hin kleiner, es bleibt
aber der Charakter einer nach dem Rande zu mit abnehmender Amplitude oszillierenden
Belegung erhalten, und damit wird auch ein Strahlungsdiagramm in der angenäherten
Form eines sphärischen Sektors erzeugt.
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Für eine homogene Belegung des Primärstrahlers wird dessen Diagramm
mit den Nullstellen uo ", = 1,22 n für in = 1,
2,23 n für m = 2, 3,24 n für
m = 3, 4,24 für in = 4,
5,24 @c für in = 5,
6,25 n für in = 6.
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Mit einer für-die Praxis ausreichenden Näherung wird hier uo", n (m
+ 0,25).
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Die F i g. 2 zeigt als Primärstrahler einen Hornstrahler 3, dessen
Apertur 4. homogen belegt sein soll. Die erste Annäherung an eine homogene Belegung
mit möglichst linearer Polarisation ist die Erregung mit einer H1,-Welle.
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Das Feld kommt aber dem einer homogenen Belegung weit näher, wenn
außer der HH-Welle auch noch die H12-Welle in geeigneter Amplitude und Phase erregt
wird. Um das gewünschte Feldbild in der Apertur des Primärstrahlers zu erhalten,
ist es vorteilhaft, in diesen geeignet gestaltete Wellentypfilter einzubauen. Für
eine möglichst lineare Polarisation müssen diese Wellentypfilter, wie bereits anderseitig
vorgeschlagen, aus Gittern paralleler Drähte bestehen, die senkrecht zur Richtung
des elektrischen Feldes verlaufen.
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Das Diagramm des Hornstrahlers 3 leuchtet den Parabolspiegel ? neben
der Hauptkeule noch mit jeweils drei Nebenmaxima aus. Hierdurch wird in der Apertur
5 des Spiegels ?die annähernde J1 (Cr)/Cr-Belegung erzeugt, die das annähernd die
Form eines sphärischen Sektors aufweisende Diagramm 6 der Spiegelantenne zur Folge
hat.
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Die F i g. 3 zeigt als Primärstrahler, eine durch die deutsche Auslegeschrift
1051342 bekannte Anordnung, bei der Primärstrahler durch einen Flächenstrahler
f1 mit in konzentrischen Ringzonen unterteilter kreisförmiger Apertur dargestellt
ist, der aus einem inneren Hohlleiter kreisförmigen Querschnitts und diesen koaxial
umgebenden Mantelleitern ebenfalls kreisförmigen Querschnitts besteht, von denen
jeder mit dem nächst inneren Mantelleiter bzw. inneren Hohlleiter eine Koaxialleitung
bildet.
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Diese konzentrische Strahleranordnung bietet eine weitere Möglichkeit.
im Rahmen der Erfindung eine annähernd homogene Belegung mit linearpolarisiertem
Feld in der Apertur des Primärstrahlers zu erzeugen.
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Die Erregung erfolgt, wie beim Hornstrahler der F i g. 2, mit der
HU-Welle oder zweckmäßiger mit der 111- +H12-Welle.
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Die homogene Belegung in der Apertur 4' der konzentrischen Strahleranordnung
g ergibt ein Diagramm, das neben seiner Hauptkeule mit drei seiner Nebenmaxima in
der Apertur 5 des Parabolreflektors 7 wiederum eine Jl(Cr)/Cr-Belegung erzeugt,
die ebenfalls ein annähernd die Form eines sphärischen Sektors aufweisendes Strahlungsdiagramm
6 zur Folge hat.
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Auch hier wird eine Einschaltung von entsprechend ausgeführten Wellentypfiltern,
wie sie bereits anderweitig vorgeschlagen sind, zweckmäßig sein.
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Die durch die Divergenz der Trichter verursachten Phasenabweichungen
in der Apertur werden vorteilhaft durch phasenkorrigierende Mittel, beispielsweise
in Form dielektrischer Linsen, kompensiert, um eine konphase Belegung zu erzielen.
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An Stelle des in den F i g. 2 und 3 gezeichneten Hornstrahlers bzw.
Flächenstrahlers mit in konzentrischen Ringzonen unterteilter Apertur kann für sehr
kleine Wellenlängen auch ein Laser angebracht werden.
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Da in beiden Ausführungsbeispielen der Spiegel unter Umständen nicht
ganz im Fernfeld des Primärstrahlers liegt, und daher die alternierende Phase der
Belegung nicht genau erreicht wird, ist es unter Umständen zweckmäßig, durch phasenkorrigierende
Mittel auf dem Spiegel den richtigen Phasengang der Belegung einzustellen. Die phasenkorrigierenden
Mittel können beispielsweise in einem geeignet dimensionierten Belag von Dielektrikum
-oder in einer entsprechenden Stufung bestehen.