DE1516827C3 - Cassegrain-Antenne mit zyklokonischer Lagerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Cassegrain-Antenne mit zyklokonischer Lagerung, bestehend aus einem paraboloidförmigen, nichtrotationssymmetrischen Hauptreflektor, einem rotationssymmetrisehen Fangreflektor und einem in seinem oberen Bereich in der Rotationsachse des Hauptrcflektors, in seinem unteren Bereich in der vertikalen Drehachse der Antenne liegenden Erregerstrahler, der durch den Hauptreflektor hindurchstrahlt und den ebenfalls in der Rotationsachse des Hauptreflektors liegenden Fangreflektor ausleuchtet.

Richtantennenanordnungen der vorbezeichneten Art werden vorwiegend in Bodenstationen im Satellitenfunkverkehr verwendet.

Durch die Zeilschrift »The Bell System Technical Journal«, September 1965, S. 1255 bis 1259, ist bereits eine sogenannte offene Cassegrain-Antenne bekanntgeworden, bei der der Betriebsraum während der Bewegung der Antenne feststeht und bei der die sogenannte zyklokonische Lagerung angewendet ist. Bekanntlich wird unter der zyklokonischen Lagerung ein Antennenaufbau verstanden, bei dem die Rotationsachse des Hauptreflektors gegenüber der vertikalen Drehachse unter einem vorgegebenen Winkel, wie beispielsweise 45°, geneigt ist. Dieser Neigungswinkel bleibt dabei in jeder beliebigen Stellung der Antenne erhalten. Der Hauptreflektor selbst hat eine nichtrotationssymmetrische Form. Bei der bekannten Antenne dieser Art erfolgt die Leitungsführung zu dem feststehenden Betriebsraum über einen mit einem Modenwandler versehenen Hohlleiter, wodurch zwangläufig höhere Verluste und damit ein unerwünschter Beitrag zur Rauschtemperatur der Antenne zustande kommen. Ferner erfolgt die Umlenkung der elektromagnetischen Wellen bei der Führung vom Betriebsraum zur Antenne durch eine Biegung des Hohlleiters, was zu Polarisationsänderungen und unerwünschten Modenwandlungen führt und die Diagrammform der Antenne, vor allem bei der Feinpeilung zur Eigennachsteuerung, beeinträchtigt, da nämlich eine in den Eingang des Hohlleiters eingespeiste zirkulär polarisierte Welle am Ausgang des Hohlleiters wegen dessen Krümmung eine elliptische Polarisation aufweist. Weiterhin ist bei dieser Antenne als Erregerstrahler ein Hornstrahler verwendet, wodurch sich die Ausleuchtung des Fangreflektors über einen größeren Frequenzbereich wegen der frequen/.abhängigen Bündelung des Hornstrahlers nicht optimal ausgestalten läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Aufbau einer in zyklokonischer Lagerung ausgeführten Cassegrain-Antenne aufzuzeigen, bei dem durch Anwendung der Hornparabolspeisung das Speisesystem nach quasioptischen Gesichtspunkten bemessen werden kann.

Ausgehend von einer Cassegrain-Antenne mit zyklokonischer Lagerung, bestehend aus einem paraboloidförmigen, nichtrotationssymmetrischen Hauptreflektor, einem rotationssymmetrisehen Fangreflektor und einem in seinem oberen Bereich in der Rotationsachse des Hauptreflektors, in seinem unteren Bereich in der vertikalen Drehachse der Antenne liegenden Erregerstrahler, der durch den Hauptreflektor hindurchstrahlt und den ebenfalls in der Rotationsachse des Hauptreflektors liegenden Fangreflcktor ausleuchtet, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Erregerstrahlcr aus einem Hornparabol und einem diesem nachgeschalteten zylindrischen Hohlleiterstrahler besteht, dessen Achse mit der Rotationsachse des Hauptreflektors zusammenfällt und dessen Durchmesser groß ist im Verhältnis zur größten auftretenden Betriebswellenlänge.

Es ist ferner daran gedacht, daß im Hornparabol ein weiterer, eben ausgebildeter Umlenkspiegel vorgesehen ist.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der eben und der parabolisch ausgebildete Umlenkspiegel des Hornparabols relativ zueinander derart angeordnet sind, daß die vertikale Drehachse den ebenen Umlenkspiegel durchstößt, oder wenn der eben und der parabolisch ausgebildete Umlenkspiegel des Hornparabols relativ zueinander derart angeordnet sind, daß die vertikale Drehachse den parabolischen Umlenkspiegel durchstößt.

Bei sehr langer Leitungsführung ist es weiterhin günstig, wenn im Hohlleiterstrahler im Bereich des dem Hauptreflektor zugewandten Endes eine phasenkorrigierende Sammellinse angeordnet ist.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer gesamten Richtantennenanordnung, die

F i g. 2 und 3 besondere Ausbildungsformen des Umlenksystems.

Die in der Art einer Cassegrain-Antenne aufgebaute Richtantennenanordnung gemäß der F i g. 1 besteht aus einem großen Hauptreflektor 7 und einem Fangreflektor 8, der über die Stützkonstruktionen 10 mit dem Hauptreflektor 7 bzw. dessen Stützkonstruktionen 12 verbunden ist. Der Hauptreflektor 7 wird über die Stützkonstruktion 12 in einem Lager 13 gehalten, das die Drehung um die gezeigte Drehachse 15 ermöglicht, wie es durch den Pfeil 16 angedeutet ist. Das Lager 13 ist über eine Stützkonstruktion 11 mit einem weiteren Lager 14 verbunden, das die Drehung der Antenne um die vertikale Achse 17 ermöglicht, wie es durch den Pfeil 18 angedeutet ist. Der feststehende Teil des Lagers 14 ist dann beispielsweise über weitere Stützkonstruktionen fest mit der Erde verbunden. Die Speisung der Antenne erfolgt über ein Hornparabol 2, dessen Spitze in den feststehenden Betriebsraum 1 einmündet und dessen Achse mit der vertikalen Drehachse 17 zusammenfällt. Der Hornparabol 2 ist als Rundtrichter ausgebildet, in dem eine Hochfrequenzdrehkupplung 3 vorgesehen ist. Ferner ist ein ebener Umlenkspiegel 4 vorgesehen, durch den die vertikale Drehachse 17 hindurchstößt. Dem Umlenkspiegel 4 folgt ein parabolisch ausgebildeter Umlenkspiegel 5. Im Bereich zwischen dem Hauptreflektor und dem Umlenkspiegel 5 ist ein zylindrisches Rohr 6 vorgesehen, dessen Achse mit der Rotationsachse 15 des Hauptreflektors zusammenfällt und dessen Durchmesser groß ist im Verhältnis zur größten auftretenden Wellenlänge. Der Fangreflektor 8 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und liegt ebenfalls in der Rotationsachse 15 des Hauptreflektors. Der Hauptreflektor 7 hat eine nichtrotationssymmetrische Form, da er durch einen Paraboloidausschnitt gebildet wird. Bei der Drehbewegung der Antenne um die Rotationsachse 15 bleibt das zylindrische Rohr 6 in Ruhe, der Fangreflektor 8 führt lediglich eine Drehbewegung um seine Symmetrieachse aus, die mit der Rotationsachse 15 zusammenfällt, und bleibt somit relativ zum zylindrischen Rohr 6 in Ruhe. Die Stützkonstruktion 10 wird mit dem Hauptreflektor 7 mitgedreht und bleibt daher in jeder Lage des Hauptreflektors außerhalb des Strahlenganges. Durch die mit »180°« bezeichneten gestrichelten Linien ist die sogenannte »180° -Stellung« des Hauptreflektors angedeutet. In dieser Stellung ist nämlich der Hauptreflektor gegenüber der gezeichneten Stellung, in der die Abstrahlung zum Zenit erfolgt, um 180° gedreht, so daß die Abstrahlung zum Horizont erfolgt.

Die elektrische Wirkungsweise sei an Hand des Sendefalles nachstehend noch näher erläutert.

In die Spitze 19 des Hornparabols 2 münde beispielsweise ein mit einem Sender in Verbindung stehender Hohlleiter ein. Von der Spitze 19 aus breitet sich somit eine Kugelwelle im Hornparabol 2 aus, die am ebenen Spiegel 4 umgelenkt wird. Diese Kugelwelle wird in einem weiteren trichterförmigen Teil 20 fortgeführt und trifft auf den paraboloidförmig ausgebildeten Umlenkspiegel 5, an dem sie abermals umgelenkt wird und sich im zylindrischen Rohr 6 fortpflanzt. Wegen der Parabolform des Umlenkspiegels 5 wird die Kugelwelle in eine nahezu ebene Wellenfront umgeformt. Diese ebene Welle wird im zylindrischen Rohr 6 weitergeleitet, abgestrahlt und trifft anschließend auf den Fangreflektor 8, der sich im Nahfeld des Speisesystems befindet. Die Kontur des Fangreflektors 8 ist so ausgebildet, daß die von ihm reflektierte Wellenfront eine Kugelwelle darstellt, deren Zentrum im Punkt 21 sitzt. Der Punkt 21 wiederum stellt den Brennpunkt des Hauptreflektors 7 dar, und da der Hauptreflektor 7 als als Paraboloidausschnitt ausgebildet ist, wird eine auf ihn auftreffende Kugelwelle in eine weitgehend ebene Wellenfront umgeformt und in der gewünschten Strahlungsrichtung abgestrahlt. Im einzelnen ist dieser Vorgang noch durch den mit der Bezugsziffer 22 bezeichneten Strahlengang angedeutet. Um die Abstrahlung einer

ίο ebenen Wellenfront vom Hauptreflektor 7 zu gewährleisten, d. h. also einer Welle, bei der sämtliche Anteile in Phase sind, ist die Kontur des Fangreflektors 8 so ausgebildet, daß eine phasenkorrigierende Wirkung auftritt. Diese Kontur wird zweckmäßig empirisch er-

J5 faßt, da sich eine allgemein gültige Form nach streng mathematischen Regeln praktisch nicht herleiten läßt.

Wenn der ebene Umlenkspiegel 4 unmittelbar auf den Hornparabol 2 folgt, dann muß der zwischen den Spiegeln 4 und 5 liegende Abschnitt 15 des Speisesy-

ao stems ebenfalls kegelförmig ausgebildet sein, d. h. er muß gewissermaßen die Kegelform des Hornparabols 2 nach der Umlenkung der Welle durch den Spiegel 4 fortsetzen, um eine ungestörte Fortpflanzung der Kugelwelle zu gewährleisten. Darüber hinaus müssen die Umlenkspiegel 4 und 5 in ihrer relativen Lage zueinander sowie in ihrer Lage gegenüber dem Hornparabol 2, dem Abschnitt 20 und dem zylindrischen Rohr 6 derart angeordnet sein, daß keinerlei unerwünschte Abdekkungen durch die einzelnen unterschiedlich ausgebildeten Teile des Speisesystems auftreten. Derartige Abdeckungen hätten nämlich unerwünschte Dämpfungen und Phasenverzerrungen zur Folge. Im einzelnen wird dieser Gesichtspunkt später an Hand der Fig.3 noch näher erläutert.

Es ist jedoch auch möglich, den Umlenkspiegel 4 parabolförmig und den Umlenkspiegel 5 eben auszubilden. In diesem Fall wird die im trichterförmigen Teil 2 laufende Welle bereits am Spiegel 4 in eine ebene Welle umgeformt, und es muß dann das zwischen den Spiegeln 4 und 5 liegende Verbindungsstück 20 zylindrisch ausgebildet sein.

Durch die Anwendung des vorstehend beschriebenen Speisesystems erfolgt die Wellenführung nach quasioptischen Gesichtspunkten. Da der Durchmesser des zylindrischen Rohres 6 groß ist im Verhältnis zur größten auftretenden Wellenlänge (beispielsweise gleich der zehn- bis dreißigfachen Wellenlänge), ergeben sich innerhalb des Speisesystems nur geringe Verluste, was gleichzeitig eine Verminderung der Rauschtemperatur zur Folge hat. Darüber hinaus läßt sich eine weitgehende Freizügigkeit in der Konstruktion der gesamten Antenne erreichen, da durch das zylindrische Rohr 6 auch verhältnismäßig große Abstände zwischen dem Betriebsraum und dem Hauptreflektor überbrückt werden können, wodurch die Antennehkonstruktion verhältnismäßig einfach den jeweils vorgegebenen Anforderungen anpaßbar ist. Wenn der Abstand des Fangreflektors 8 vom Umlenkspiegel 5 verhältnismäßig groß wird, ist es zweckmäßig, im zylindrischen Rohr 6 im Bereich des dem Hauptreflektor 7 zugewandten Endes eine phasenkorrigierende Sammellinse 9 vorzusehen. Damit wird dann die Bündelung des Nahfeldes trotz des großen Abstandes des Fangreflektors 8 vom parabolischen Umlenkspiegel 5 gewährleistet. Für die Realisierung dieser Sammellinse ist ein dielektrisches Material mit sehr kleinen Verlusten notwendig, wie etwa ein aufgeschäumtes Dielektrikum (z. B. Polystyrene), in dem sehr kleine, gleichmäßig verteilte Aluminiumpartikel einge-

bettet sind.

In den F i g. 2 und 3 sind noch weitere Möglichkeiten für die Ausgestaltung des Speisesystems dargestellt, bei denen gegenüber dem Ausführungsbeispiel der F i g. I noch gedrängtere Bauformen erreicht werden können.

Im Ausführungsbeispiel der Fig.2 ist das zylindrische Rohr 6 über einen nur parabolisch ausgebildeten Umlenkspiegel 5 mit dem Hornparabol 2 verbunden, in dem sich die Hochfrequenzdrehkupplung 3 befindet. Die Längsachse des als Rundtrichter ausgebildeten Hornparabols 2 fällt auch hier mit der vertikalen Drehachse 17 des gesamten Antennensystems zusammen, und die Achse des zylindrischen Rohres 6 deckt sich mit der Drehachse 15.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 sind der Hornparabol 2 und das zylindrische Rohr 6 über die Umlenkspiegel 4 und 5 in der Weise verbunden, daß die vertikale Drehachse 17 den parabolisch ausgebildeten Umlenkspiegel 5 durchstößt. Die Achse des Hornparabols 2 fällt wiederum mit der vertikalen Drehachse 17 zusammen. Die sich im Hornparabol 2 fortpflanzende Kugelwelle wird am parabolisch geformten Umlenkspiegel 5 in eine ebene Welle umgeformt, die über den ebenen Umlenkspiegel 4 in das zylindrische Rohr 6 weitergeleitet wird. Um Abdeckungen im Strahlengang zu vermeiden, die, wie bereits erwähnt, unerwünschte Phasenvcrzerrungen zur Folge hätten, sind folgende Gesichtspunkte zu beachten. Der sich an das zylindrische Rohr 6 anschließende parabolische Umlenkspiegel 5 muß möglichst genau in der gedachten Fortsetzung der äußeren Begrenzung des Hornparabols 2 liegen, wie es

ao durch die gestrichelt eingezeichneten Linien 25 und 25' angedeutet ist. Der ebene Umlenkspiegel 4 muß möglichst genau in der gedachten Fortsetzung des zylindrischen Rohres 6 liegen, wie es durch die gestrichelt eingezeichnten Linien 26 und 26' zum Ausdruck kommt.

Durch diese Ausbildung ist gewährleistet, daß in den unmittelbaren Strahlengang keinerlei metallische Teile der unterschiedlichen Abschnitte des Speisesystems hineinragen, so daß sich die elektromagnetische Welle in jedem Teilabschnitt ungestört fortpflanzen kann.

Diese Überlegungen sind sinngemäß auch für die Lage der Umlenkspiegel 4 und 5 im Ausführungsbeispiel der Fig.l anzuwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Cassegrain-An ^%nne mit zyklokonischer Lagerung, bestehend aus einem paraboloidförmigen, nichtrotationssymmetrischen Hauptreflektor, einem rotationssymmetrischen Fangreflektor und einem in seinem oberen Bereich in der Rotationsachse des Hauptrefleklors, in seinem unteren Bereich in der vertikalen Drehachse der Antenne liegenden Erregerstrahler, der durch den Hauptreflektor hindurchstrahlt und den ebenfalls in der Rotationsachse des Hauptreflektors liegenden Fangreflektor ausleuchtet, dadurch gekennzeichnet, daß der Errcgerstrahler aus einem Hornparabol (2, 5) und einem diesem nachgeschalteten zylindrischen Hohlleiterstrahler (6) besteht, dessen Achse mit der Rotationsachse (15) des Hauptreflcktors (7) zusammenfällt und dessen Durchmesser groß ist im Verhältnis zur größten auftretenden Betricbswellenlängc-

2. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hornparabol (2, 5) ein weiterer, eben ausgebildeter Umlenkspiegel (4) vorgesehen ist.

3. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eben (4) und der parabolisch (5) ausgebildete Umlenkspiegel des Hornparabols (2,5) relativ zueinander derart angeordnet sind, daß die vertikale Drehachse (17) den ebenen Umlenkspiegel (4) durchstößt.

4. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eben (4) und der parabolisch (5) ausgebildete Umlenkspiegel des Hornparabols (2,5) relativ zueinander derart angeordnet sind, daß die vertikale Drehachse (17) den parabolischen Umlenkspiegel (5) durchstößt.

5. Cassegrain-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlleiterstrahler (6) im Bereich des dem Hauptreflektor (7) zugewandten Endes eine phasenkorrigierende Sammellinse (9) angeordnet ist.