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Richtantennenanordnung für sehr kurze elektromagnetische Wellen
| Die Erfindung betrifft eine Richtantennenarordnung für sehr |
| kurze elektro:iagnetische Weilen nach Art von Spiegolantennen, |
| bestehend aus einem die Strahlungsrichtung bestinmenden Haupt- |
| reflektor, der in Form eines paraboloidaus:>chr::itte;- ausgebildet |
| ist, einem Fangreflektor und einem Speisesy@lteri, über das
der |
| Fangreflektor angestrahlt wird, der seinersei t:, den iIaup
trc- |
| flektor aus leuchtet. |
Richtantennenanordnungen der voxbezeichneten Art werden vorwiegend
in Bodenstationen im Satellitenfunkverkehr verwendet. Zur Erzielung eines hohen
Antennengewinnes müssen diese Antennen verhältnismäßig große mechanische Abmessungen
haben. Darüberhinaus ist es erforderlich, diese rauscharmen Antennen in der Weise
auszubilden, daß das Antennendiagramm bei einer sehr scharfen Richtcharakteristik
nur kleine Nebenzipfel und eine hohe Rückwärtsdämpfung aufweist. Es lassen sich
solche Antennen auch bei äor Richtfunktechnik (Scatterstreeken), iunkortung (Radar-,.
Höhen- oder Rundsuehgeräte) und zum Teil auch bei mobilen Anlagen anwenden. In diesen
Fällen wird man im allgemeinen bestrebt sein, die Abmessungen der Antenne gegenüber
den in Bodenstationen im Satellitenfunkverkehr verwendeten Antennen erheblich zu
verkleinern. Im Satellitenfunkverkehr hat sich die Cassegrain-Antenne mit zentraler
Hornparabolsreisung an sich gut bewährt. Bei dieser Antenne ist der Hornparabol
im Scheitelpunkt des Hauptreflektors angeordnet und strahlt den Fangreflektor an,
der seinerseits den Hauptreflektor ausleuchtet. Bei der bekannten Antenne sind die
Abmessungen des Speisesystems sowie des Fangreflektors klein im Verhältnis zum Durchmesser
des Hauptreflektors. Eine an sich grundlegende Forderung dieses Systems besteht
darin, daß die Abmessungen des Speisesystems sowie der Durchmesser des Fangreflektors
groß gegenüber der größten Betriebswellenlänge sein müssen, um Zumindest angenähert
optische Verhältnisse zu erreichen. "Nenn es darum geht, die Abmessungen der Antenne,
d.h. also insbesond(-re
des Hauptreflektors, zu verkleinern, dann
werden die im Antennendiagramm verursachten Störungen, die durch den Fangreflektor
und dessen Stützen insbesondere dann besonders spürbar, trenn die Apertur des den
Hauptreflektor durchbrechenden Hornparabols größer als etwa, ein Zehntel des Hauptreflektordurchmessers
ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen. Insbesondere soll ein Weg zum Aufbau
einer Antenne gezeigt werden, bei der einerseits die Vorteile der Hornparabolspeisung
voll zur Geltung kommen, und bei der andererseits die durch den Fangreflektor und
das Speisesystem verursachten Störungen vermieden sind. Mit Vorteil läßt sich die
erfindungsgemäße Antenne auch bei solchen Richtantennenanordnungen anwenden, deren
Hauptreflektor gegenüber dem Speisesystem verhältnismäßig groß ist, wenn es darauf
ankommt, die durch den Fangreflektor und dessen Stützen. sowie das Speisesystem
im Antennendiagramm auftretenden Störungen zu vermeiden. Ausgehend von einer Richtantennenanordnung
für sehr kurze elcktromagnetische Wellen nach Art von Spiegelantennen, bestehend
aus einem die Strahlungsrichtung bestimmenden-Hauptreflektor, der in Form eines
Paraboloidausschnittes ausgebildet ist, einen Fangreflektor und einem Speisesystem,
über das der Fangreflektor anges-'-rahlt wird, der seinerseits den Hauptreflektor
ausleuchtet, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß
der Hauptreflektor und der Fangreflektor eine von der Rotationssymmetrie abweichende
Form haben, daß das Speisesystem durch einen Hornparabol mit wenigstens einem parabolisch
geformten Umlenkspiegel gebildet ist, an den sich ein zylindrisches Rohr anschließt,
dessen Durchmesser groß ist im Verhältnis zur größten auftretenden Betriebsviellenlänge,
und daß das Speisesystem und der Fangreflektor derart in Bezug auf den Hauptreflektor
angeordnet sind, daß der Fangreflektor und die Apertur des Speisesystems außerhalb
des Strahlenganges des Hauptreflektors liegen. Vorteilhaft läßt sich die Antenne
nach Art eines Cassegrain-Systems oder eines Gregory-Systems ausbilden, bei denen
der Fangreflektor im Nahfeld des Hornparabols angeordnet ist und eine phasenkorrigierte
Form hat. Der Einfluß von Störstrahlungen läßt sich in einfacher Weise dadurch vermeiden,
daß der Fangreflektor auf der dem Hauptreflektor abgewandten Seite mit einer aus
elektrisch leitendem Material bestehenden Abschirmung umgeben ist, die sich in Richtung
zum Hauptreflektor fortsetzt und in den Hauptreflektor übergeht, und die vom Speisesystem
durchbrochen wird.
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Dabei kann auch der Hauptreflektor mit seitlichen Abschirmungen versehen
sein, die vorzugsweise in die Abschirmung des Fangreflektors übergehen.
In
vorteilhafter Weise läßt sich die Antenne auch derart ausbilden, daß im Speisesystem
mehrere Umlenkspiege 1 vorgesehen sind, von denen wenigstens einer nahezu eben ausgebildet
ist, und daß im Speisesystem Hochfrequenz-Drehkupplungen derart angeordnet sind,
daß der Betriebsraum bei der Bevregung der Antenne in Ruhe-ist. Es ist ferner daran
gedacht, für den Aufbau der Antenne eine zyklokonische Lagerung anzuwenden.
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Eine elliptische Strahlform läßt sich dadurch erreichen, daß das Speisesystem,
der Fangreflektor und der Hauptreflektor eine angenähert elliptische Umrandungsform
haben. Spez:blle Strahlungscharakteristiken lassen sich vorteilhaft dadurch erzielen,
daß der Hauptreflektor und gegebenenfalls der Umlenkspiegel im Hornparabol eine
von Paraboloidform geringfügig abweichende Form haben.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt schematisch die Fig.1 den Aufbau einer Antennenanordnung
gemäß dem Cassegrain-System; die Pig.2 eine Ausführungsform, deren Speisesystem
durch zylindrische Rohre erweitert ist
die Fig.3 den Aufbau einer
Antennenanordnung gemäß den Gregory-System; die Fig.4 und 5 Anordnungen mit zyklokonischer
Lagerung.
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Die in der Art einer Cassegrain-Antenne aufgebaute Richtantennenanordnung
gemäß der Fig.1 besteht aus einem Hauptreflektor 4 und einem Fangreflektor 3, dessen
Haltestützen zur besseren Ubersicht im einzelnen nicht dargestellt sind, jedoch
außerhalb des Strahlenganges liegen. Der Hauptreflektor 4 ist aus einen Paraboloidausschnitt
gebildet und hat eine nichtrotationssymmetrische Form. Die Umrandung kann durch
ebene Flächen angenähert crerden, wie es beispielsweise bei den bekannten Muschelantennen
der Fall ist. Ebenso weicht die Form des Fangreflektors 3 von der Rotationssymmetrie
ab. Das Speisesystem wird durch einen Hornparabo_ 7 gebildet, der die Form eines
Rundtrichters hat und dessen Spitze in einen Geräteraum 1 einmündet. Am Hornparabol
ist ein paraboloidförmig ausgebildeter Umlenkspiegel 2 vorgesehen, über den sich
der Hornparabol 7 in ein zylindrisches Rohr 6 fortsetzt, dessen Durchmesser groß
gewählt ist gegenüber .der größten auftretenden Betriebsvrellenlänge (beispielsweise
ist dieser Durchmesser zehn bis dreißig mal größer als die größte Betriebswellerlinge).
Das Speisesystem 6, 7 sorlie der Fangreflektor 3 sind derart in Bezug auf den die
Strahlungsrichtung bestimmenden Hauptreflektor 4 angeordnet, daß der Panl;-reflektor
und die zylindrische Apertur des dem Speisesysterz angehörenden Rohres 6 außerhalb
des Strahlenganges des 11auptreflelctors liegen.
Die elektrische
Wirkungsweise der Anordnung sei nachstehend anhand des Sendefalles noch näher erläutert.
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In die Spitze 8 des Hornparabols 7 münde beispielsweise ein mit einem
Sender bzrr. im allgemeineren Fall mit einer Antennenweiche in Verbindung stehender
Hohleiter ein. Im Sendefall breitet sich demzufolge im Hornparabol ? eine Kugelvrelle
aus, die am Umlenkspiegel 2 in das zylindrische Rohr 6 umgelenkt wird. 'legen der
Parabolform des Umlenkspiegels 2 wird diese Kugelvrelle in eine nahezu ebene S'lelle
umgeformt, die sich im zylindrischen Rohrabschnitt 6 fortpflanzt, von dessen Ausgang
abgestrahlt wird und auf den Fangreflektor 3 trifft. Die Kontur des Fangreflektors
3 ist so ausgebildet, daß die von ihm reflekti=rte Wellenfront eine Kugelfelle darstellt,
deren fiktives Zentrum im Punkt 9 sitzt. Der Punkt 9 wiederum stellt den Brennpunkt
des Hauptreflektors $ dar und da der Hauptreflektor als Paraboloidausschnitt
ausgebildet ist, wird eine auf ihn auftreffende Kugelwelle in eine weitgehend ebene
Ylellenfront umgeformt und in der gewünschten Strahlungsrichtung abgestrahlt. Im
einzelnen ist dieser Vorgang noch durch die mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten
Pfeile kenntlich gemacht. Um die Abstrahlung einer ebenen YTellenfront vom Hauptreflektor
4 zu gewährleisten, d.h. aleo einer Welle, bei der sämtliche Anteile in Phase sind,
ist die Kontur des Fangreflektors 3 so ausgebildet, daß eine phasenkorrigierende
Wirkung auftritt. Zweckmäßig wird diese Kontur empirisch erfaßt, da sich eine allgemein
gültige Form nach strcrag
mathematischen Regeln nicht herleiten
läßt.
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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, ergeben sich
in Verbindung mit der Anwendung des Hornparabols innerhalb des Speisesystems nur
geringe Verluste, wodurch gleichzeitig geringe Rauschtemperaturen gewährleistet
werden. Ferner befindet sich der Fangreflektor 3 im Nahfeld des Hornparabols 7,
so daß nahezu die gesamte Energie auf den Fangreflektor 3 fällt, umgeler-.t wird
und auf den Hauptreflektor 4 trifft. Da der Fangreflektor und die Apertur des Speisesystems
außerhalb des Strahlenganges des Hauptreflektors liegen, treten auch keinerlei unerwünschte
Störungen im Antennendiagramm auf und es ist die Bemessung des Speisesystems von
der Größe des Hauptreflektors unabhängig: Zur Abschirmung der Streustrahlung ist
eine aus elektrisch leitendem Material bestehende Abschirmwand 5 vorgesehen, die
einerseits den Fangreflektor auf der dem Hauptreflektor abgewandten Seite, also
in Strahlungsrichtung abdeckt, und die sich in Richtung zum Hauptreflektor fortsetzt
und in den Hauptreflektor übergeht. Diese Abschirmung wird lediglich vom Speisesystem
6, 7 durchbrochen. Zusätzlich kann auch der Hauptreflektor 4 mit s:itlichen Abschirmwänden
12 versehen sein. Diese Abschirmwände
lö.ßt man zweckmäßig in die
Abschirmung 5 des Fangreflektors 3 übergehen, wodurch eine geschlossene Bauform
entsteht. Eine Abdeckung mit wellenabsorbierenden Materialien ist grundsätzlich
möglich, wenn die Rauschtemperatur der Antenne höher sein darf. Die Abschirmung
5 kann bei entsprechend starker Ausbildung auch zur Halterung des Fangreflektors
3 bzw. auch zur Lagerung der Antenne auf einem Drehgestell herangezogen werden.
Durch die geschlossene Form sind die Reflektoren und vor allem das Speisesystem
gegen Niederschläge gut geschützt.
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In der Fig.2 ist schematisch eine Ausführungsform ohne Abchirmavände
dargestellt, deren Aufbau im Prinzip dem der in der Fig.1 dargestellten Richtantennenanordnung
entspricht. An den zylindrischen Endabschnitt 6 des Speisesystems schließt sich
ferner ein weiteres zylindrisches Rohr 15 an, das über einen Umlenkspiegel 16 mit
dem Endabschnitt & in Verbindung steht. Das zylindrische Rohr 15 kann über -eitere
Umlenkspiegdl fortgesetzt werden und gemäß der Pig.1 in einen Hornparabol einmünden.
Wenn dabei. in den zylindrischen Rohren geeignete Hochfrequenz-Drehkupplungen vorgesehen
sind, läß ü sich dadurch erreichen, daß der Betriebsraum bei der Elevationsbewegung
de:r Antenne um die Drehachse 11 in Ruhe bleibt. Mit Hilfe vier zylindrischen Rohre
können auch verhältnismäßig große Entfernungen zwischen dem Betriebsraum und den
EndaSchnIt t 6 de53
| Speine.yotenj iü,erbrück t werden. Die elektri2chQ Wirkunga,aeise |
| ist dabei ganz ähnlich au der hailr der WO, |
d.h. in den zylindrischen Rohren 6 und 15 pflanzt sieh an sich
eine ebene j'Tellenfront fort. Der Umlenkspiegel 16 kann aufgrund dessen an sich
eben ausgebildet sein. Bei längeren Leitung2-führungen ist es jedoch zweckmäßig,
dem Umlenkspiegel 16 eine leicht gekrümmte Form zu geben, wodurch Phasenverzerrungen,
wie ie durch eine lange Zeitungsführung im allgemeinen auftreten, ausgeglichen werden
können. Diese gekrümmte Form ist zur besseren Übersicht in der Fig.2 stark übertrieben
dargestellt. Die Krümmung des Umlenkspiegels 16 läßt sich an besten durch Versuche
ermitteln, da sie abhängig ist von der Länge der verwendeten Zeitungen.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig.3 ist eine Richtantenne gezeigt, deren
Spiegelsystem dem Gregory-System entspricht. Die elektrische Wirkungsweise entspricht
praktisch der in der Pig.1 gezeigten Ausführungsform und es sind gleiche Teile auch
mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Lediglich der Fangreflekd n I:1.' tor 3 hat
eine konkave Form, wodurch sich der Abstand z@,ii:@cl.rr Endabscl:ni tt 6
des Hornparaboles 7 vom Fangreflektor 3 verkleiriern läßt. -' kanntlich liegt
beim Gregory-System der Brenn-Punkt y des Hauptreflektors in dem Raum zwischen dem
Hauptreflektor und dem Fangreflektor. Der Fangreflektor 3 hat eine nontur form,
dio eine Kul;elwelle mit dem Zentrum im davorliegenden }@r@:ri.#ihunkt ;leg Hauptreflektors
il liefert.
| trz@yhr<@r@ AY;,,r,>;_ |
| t;et::('if3 der I#'itr.3 ist für, |
Denkt man sich nämlich die gesamte Anordnung gegenüber der gezeichneten
Lage um
900 gedreht, dann liegt die Halterung 23 auf einem beispielsweise
mit dem Erdboden verank--rten Zager auf und kann um die Drehachse 24 in azimutaler
Richtung gedreht werden, wie es durch den Pfeil 25 angedeutet ist. An der Halterung
23 sind zwei weitere hager 21 und 22 befestigt, in denen das Antennenuystem aufgehängt
ist. Mit Hilfe dieser Lagerung läßt sich die Drehung in der Elevationsrichtung um
die Drehachse 26 erreichen, viie es durch den Pfeil 27 angedeutet ist. Die Drohachse
26 fällt mit der Achse des Hornparabols 7 zusammen, in dem eine I?ochfrequenz-Drehkupplung
20 vorgesehen ist, so daß der sich außerhalb des Lagers 21 befindliche Geräteraum
1 bei der Elevationsbewegung der Antenne in Ruhe bleibt. Diese Ausführung ergibt
insbesondere-in aerodynamischer und steuerungstechnischer Hinsicht günstige Verhältnisse,
da die vertikale Drehachse 24 durch den Schwerpunkt des gesamten Systems verläuft
und ein sonst erforderliches Gegengewicht entfällt.
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In der gezeichneten Lage ist das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.3
insbesondere als Rundsuch-Radarantenne geeignet, wobei dann der Betriebsraum 1 auf
dem Erdboden steht. Das obere Lager 22 kann in diesem Fall fortgelassen werden.
Für spezielle Strahlungscharakteristiken sind gegenüber den angegebenen Konturformen
geringfügig abweichende Konturformen der einzelnen Spiegel möglich, wobei außer
der Konturform des Fangreflektors 3 auch die Konturen des Hauptreflektors 4 und
des Umlenkspiegels 2
verändert werden können. Es kann in an sich
bekannter Weise ein größerer Antennengewinn durch verstärkte Amplituden in den Randzonen
des Hauptreflektors erreicht werden. Ferner läßt sich durch Ablenkung einer Teilstrahlung
in einer ton der Hauptstrahlungsrichtung etwas abweichenden Richtung eine Strahlverbreiterung
erzielen, wodurch sich ein sogen:1.ntes cosec2-Diagramn ergibt. Um eine elliptische
Strahlform zu erhalten, kann der Hornparabol 7 als Trichter mit elliptischem Querschnitt
ausgebildet sein. Dementsprechenähaben dann auch der parabolische` Umlenkspiegel
2 sowie der Rohrabschnitt 6, der Fangreflektor 3 und der Hauptreflektor 4 angenähert
elliptische Ufirandungsformen. In diesem Fall muß die Hochfreqnnz-Drehkupplung 20
in den beispielsweise von einen Sender kommenden Rundhohlleiter verlegt vierden,
der in die Spitze a des Hornparabols 7 einmündet.
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In den Ausführungsbeispielen der Pig.4 und 5 sind Antennen dargestellt,
bei denen die sogenannte zyklokonische Lagerung zur Anwendung kommt. Bekanntlich
wird unter der zyklokonischen Lagerung ein Antennenaufbau verstanden, bei dem die
Rotationsachse des Hauptreflektors gegenüber der vertikalen Drehachse unter einem
vorgegebenen S'linkel geneigt ist. Dieser Neigungswinkel bleibt in jeder beliebigen
Stellung der Antenne erhalten und der Hauptreflektor selbst muß eine nichtrotationssymmetrische
Form haben.
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Im Ausführungsbeispiel der Pig.4, bei dem die Rotationsachse 30 des
Hauptreflektors etwa unter 450 gegenüber der vertikalen
Drehachse
31 geneigt ist, rotiert der Fangreflektor 3 zusammen mit dem Hauptreflektor 4 um
die Achse 30. Hierzu sind zwei hager 32 und 33 vorgesehen, die über entsprechende
Stützkonstruktionen untereinander bzw. mit dem Erdboden verbunden sind. Der Geräteraum
1' zusammen mit dem Hornparabol 7' kann dabei unmittelbar hinter dem Hauptreflektor
4 angeordnet sein, vrie es in der Fig.4 gestrichelt eingezeichnet ist. Bei dieser
Ausbildung rotiert der Geräteraum 1' ebenfalls um die Drehachse 30 des Hauptreflektors.
Der Geräteraum 1 und der Hornparabol 7 können auch über eine weitere Zeitungsführung
34-mit dem zylindrischen Endabschnitt 35 verbunden sein, wie es in der Fig.4 mit
ausgezogenen Linien eingezeichnet ist. In diesem Fall muß im Hornparabol 7 eine
Hochfrequenz-Drehkupplung 20 vorhanden sein und es wird durch diese Anordnung der
Geräteraum 1 nur bei. der Azimut-Bevaegung der Antenne, d.h. also bei Drehung um
die vertikale Achse 31, mitbewegt. Durch die mit "180o" bezeichneten gestrichelten
Linien ist die sogenannte 180o-Stellung des Hauptreflektors angedeutet. In dieser
Stellung ist nämlich der Hauptreflektor gegenüber der gezeichneten Lage, in der
die Abstrahlung zum Zenit erfolgt, um 1800 gedreht, so daß die Abstrahlung
zum Horizont erfolgt.
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Im Ausführungsbeispiel der Pig.5, dessen Aufbau im ciesentlichen dem-des
Ausführungsbeispieles der Pig.4 entspricht, ist die Rotationsachse 30 des Hauptreflektors
4 stärker gegenüber der
vertikalen Rotationsachse 31 geneigt. Die
einzelnen Abschnitte 34 und 35 des Speisesystems, die wiederum als zylindrische
Rohre ausgebildet sind, sind derart mit dem Hornparabol 7 verbunden, daß die Achse
des Hornparabols 7 mit der vertikalen Drehachse 31 zusammenfällt. Auf diese Weise
läßt sich erreichen, daß der Betriebsraum 1 bei jeder beliebigen Bewegung der Antenne
in Ruhe bleiben kann. Da der Neigungswinkel a, den die Rotationsachse 30 mit der
vertikalen Drehachse einschließt, größer als 450 ist, erreicht der Hauptreflektor
die Stellung, in der zum Horizont gestrahlt wird, bereits bei einem Winkel w, der
kleiner a11800 ist. Der Winkel w wird um so kleiner, je größer a gewählt wird. Der
Fangreflektor wird nur bei der Azimutberregung der Antenne, d.h. bei Drehung um
die vertikale Drehachse 31, gedreht, da er unmittelbar mit den Stützkonstruktionen
der Antenne verbunden ist. A-:-.h bei diesem Ausführungsbeispiel ist erreicht, daß
das Speisesystem und der Fangreflektor außerhalb des Strahlenganges des Hauptreflektors
liegen. Es ist möglich, den Zylinder 35 bis unmittelbar an den Fangreflektor ,3
zu verlängern und diesen konkav auszubilden (siehe Fig.4). Dann kann auch dort ein
metallisches Gehäuse angebracht werden, welches das Speisesystem und den Fangreflektor
sowohl gegen Bodenstrahlungen abschirrt als auch gegen Niederschläge schützt.