DE1541478A1 - Cassegrain-Antenne fuer Mikrowellen - Google Patents

Description

Französische Priorität von: 22. Dezember 1965 aus der französischen Patentanmeldung Hr. 43 304 (Seine)

Die Erfindung betrifft ein Fikrowellenantennensystem in Cassegrain-Anordnung mit einem nauptreflektor, einem Ililfsreflektor und einem Primärstrahler.

Die übliehe Cassegrain-Antenne besitzt drei Elemente, nämlich '.ujn hauptreflektor (ceuöhnlich parabolischer Form), den lMlfnrcflel.tor (gevzöhnlich hyperbolischer Form) und den Primärstrahler (ülilicherueise in Form einen Iiorns). Im Falle eines parabolischen .i-auptrcflcktors und eines hyperbolischen Ililfsrtfloktoi'.-j ist der Primärstrahler in einem der !Brennpunkte uc;l! j yj_r -Γ; oloiü:; angeordnet, während dessen anderer Brennpunkt i..it ueiL brennpunkt des Paraboloids zusammenfällt. Die betriebnwoice einer solchen Antenne erfolgt nach den Ge- 3iit'/Xiai:,ir]:oitcn der geometrischen Optik, Die vom Primärstrahler

909835/0797

BAD

154U7B

ausgesandten Funkwellen werden durch den KiIfsreflektor zu c.eir ilauptreflektor hin reflaktiert, der seinerseits diese Wellen in den Rauu reflektiert. Der Hilfsreflektor jedoch reflektiert ebenfalls eine gewisse Energie zu dem Primärstrahler hin j so daß diese nicht angepaßt ist. 1-enn bei Abwesenheit iines Reflektors das Verhältnis stationärer UeI-len in der Versorgungsleitung 1 be tr I ^t₃ läßt die Tatsache, den LiIfsreflektor vor doir. Primärstrahler anzuordnen, das Verhältnis stationärer !-,eilen verändern, und dieses Verhältnis ist ur.so t-röi-er, je größer die zur» Prir "rstrcihler hin reflektierte Lner-_::ie ist. Aus diesem Grunde besitzen gewisse Cassegrain-Antennen r.anchi-al ei.ne kreisfömige Platte, die an der Spitze des iilfsreflektors angeordnet ist und deren Zweck darin besteht, den Priir.är strahl er unter Aufhebung der zwischen ihia. und dein hilf sreflektor bestehenden Phasendifferenz anzupassen.

Es wird bekanntlich stets der beste Wirkungsgrad von Antennen gesucht. Der Wirkungsgrad oder Verstärkungsfaktor einer Antenne wird hier als das Verhältnis zwischen dem tatsächlich erhaltenen Gewinn und dem theoretisch maximalen G evr inn definiert.

Im Falle von Antennen mit großer Strahlungsöffnung, wie dies beispielsweise bei parabolischen Reflektoren der Fall ist, kann der Wirkungsgrad 65 % erreichen. Im Falle von Cassegrain-Antennen jedoch ist der Wirkungsgrad wesentlich niedriger und liegt gewöhnlich unter 50 %. Die Hauptursachen dieser Wirkungsgradminderung sind zweierlei, nämlich einmal der auf die Anwesenheit des Hilfsreflektors vor dem Hauptreflektor zurückzuführende Abdeckeffekt und die Brechungswirkung der Ränder des Hilfsreflektors.

909835/0797

- 3 BAD ORIGINAL

Wenig Maßnahmen und Vorrichtun &n lassen diese Mängel vermeiden. Um den Abdeckeffekt des Hilfsreflektors auszuschließen, wird eine Technik der Polarisationsdrehung benutzt und hat zur -Wirkung, daß der Hilfsreflektor gegenüber aus dem Hauptreflektor austretenden Funkwellen durchlässig gemacht wird. Diese kostspielige Technik ist jedoch nur für eine geradlinige Polarisation verwendbar. Im Falle einer vielfachen Polarisation bleibt der Abdeckeffekt völlig bestehen und bildet einen dem gleichen Prinzip der Cassegrain-Antenne anhaftenden Mangel.

Hinsichtlich der zweiten, auf die Beugungswirkung der Ränder des Hilfsreflektors zurückzuführenden Ursache besteht ein wesentliches Hilfsmittel darin, die Stromverteilung auf diesen Reflektor entweder durch auf dessen Oberfläche erfolgende Hinzufügung isolierender, gewöhnlich auf dessen Umfang angeordneter Stücke oder durch die Änderung der Formen des Hilfsreflektors selbst zu ändern. Diese technischen Maßnahmen sind ebenfalls mit erheblichen Kosten verbunden und lassen den betreffenden Wirkungsgrad nur geringfügig ansteigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Cassegrain-Antenne der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die vorstehend genannten, bisher bekannten derartigen Antennen anhaftenden Nachteile vermeiden läßt, einfach und mit geringen Kosten hergestellt werden kann und den Wirkungsgrad der Antenne wesentlich verbessern läßt. Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen Antennensystem vor allem dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß zwischen dem Ililfsreflektor und dem Primärstrahler zumindest ein zusätzlicher Reflektor angeordnet ist, dessen physikalische Größen, wie Form und Größe derart gewählt sind, daß das durch diesen Zusatzreflektor erzeugte und mit dem des Hilfsreflektors kombinierte Strah-

90983 5/0797

IWAtT-"'

lungsdiagramm den Strahlungspegel am Rand des Hauptreflektors erhöht.

Der Zusatzreflektor kann hierbei zumindest eine als genaue Sammelflache bekannte Fläche in Form eines Hyperboloids, Ellipsoids oder Paraboloids aufweisen. Der Brennpunkt des Zusatzreflektors fällt vorzugsweise mit dem Brennpunkt des Hilfsreflektors zusammen. Stattdessen können für den Zusatzreflektor aber auch Teile mit zylindrischer konischer oder kegelstumpf-Form verwendet werden. Auch kann der Zusatzreflektor eine oder mehrere Metallscheiben gleichen Durchmessers oder aber auch verschiedener Durchmesser aufweisen, wobei in letzterem Falle die Metallscheiben vorzugsweise derart angeordnet sein können, daß ihre Durchmesser vom Primärstrahler aus zum Hilfsreflektor hin zunehmen. Zweckmäßig sind hierbei die Metallscheiben auf die eventuelle Drehachse des Hilfsreflektors zentriert.

Weitere Merkmale und durch sie erzielte Vorteile gehen aus der Beschreibung der Zeichnung hervor, in der ein Antennensystem der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Art in mehreren beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht ist. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Schnittansicht einer üblichen Cassegrain-Antenne,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Cassegrain-Antenne mit einem Zusatzreflektor gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine ins einzelne gehende schematische Schnittansicht des Hilfsreflektors mit dem Zusatzreflektor gemäß der Erfindung,

909835/0797

1541479

Fig. ·+ eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Antennensystems gemäß der Erfindung ,

Fig. 5 eine scheraatische Schnittansicht mit eingezeichneten Bestrahlungsdiagrammen des Hauptreflektors mit und ohne Zusatzreflektor gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Cassegrain-Antennensystems nach der Erfindung und

Fig. 7 Strahlungsdiagranme, die mit dem erfindungsgemäße Antennensystem experimentell erhalten werden.

Die in Fig. 1 in einer schematischen Schnittansicht dargestelle übliche Cassegrain-Antenne besteht aus einem Haupt-

reflektor R parabolischer Form, einem Hilfsreflektor R P a

hyperbolischer Form und einem Primärstrahler S. Die Phasenmitte des Primärstrahlers S ist derart angeordnet, daß sie mit einem der Brennpunkte des Hyperboloids,' hier mit dem Brennpunkt F-^ zusammenfällt, während der andere Brennpunkt Fj,-^ mit dem Brennpunkt F des Paraboloids zusammenfällt. Der in Fig. 1 eingezeichnete Strahl SEGII erläutert das Funktionsprinzip der Cassegrain-Antenne gemäß den Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik. Die von dem Primärstrahler S ausgesandten Funkwellen werden zunächst von dem Hilfsreflektor R_a und sodann von dem Hauptreflektor R in den freien Raum reflektiert.

Das mit der Erfindung vorgeschlagene Antennensystem wird anhand der weiteren Zeichnungsfiguren nunmehr erläutert. Fig. 2 stellt eine schematische Schnittansicht einer erfin-

909835/0797

— 6 —

154U7R

dungsgemäß abgewandelten Cassegrain-Antenne dar. Diese Antenne besitzt wie die übliche Cassegrain-Arftenne einen Hauptreflektor R , einen Hilfsreflektor R und einen Primärstrahler S. Sie enthält außerdem einen Zusatzreflektor R , der zwischen dem Hilfsreflektor R und dem Primärstrahler S angeordnet ist und dessen Anwesenheit Gegenstand der Erfindung bildet. Dieser Zusatzreflektor R besteht beispielsweise aus einer oder mehreren Metallscheiben vorzugsweise mit Kreisformen, die auf die Drehachse des Hilfsreflektors R zentriert und an ihr mittels einer Stange t befestigt

Fig. 3 zeigt in dem Falle, daß der Zusatzreflektor R aus einer einzelnen Scheibe besteht, eine ins einzelne gehende Schemaansicht, welche die Anordnung dieses Zusatzreflektors R gegenüber dem Hilfsreflektor R erkennen läßt. Diese Scheibe mit dem Durchmesser 6 und von beliebiger Stärke ist auf die Achse OX des Hilfsreflektors R₃ zentriert und in

Cl

einer Entfernung w von der Spitze 0 desselben mittels einer Stange t befestigt.

Fig. 4 veranschaulicht den Fall, in dem der Zusatzreflektor R aus mehreren Scheiben besteht. Im Falle der Fig. M- sind drei derartige Scheiben R ., R „ ^un<i R₈3 vorgesehen, die alle den gleichen Durchmesser 6 besitzen. Diese Scheiben jedoch brauchen nicht den gleichen Durchmesser zu besitzen und sind in einem solchen Falle derart angeordnet, daß ihr Durchmesser vom Primärstrahler aus zu dem Hilfsreflektor R hin anwächst.

Die vorstehende Beschreibung hat einige Möglichkeiten der Ausführung solcher Antennen gezeigt, und nunmehr sollen die wesentlichen Auswirkungen beschrieben werden, die sich durch Hinzufügüng des oder der Zusatzreflektoren gemäß der Erfindung ergeben. Fig. 3 zeigt die Anordnung des Zusatzreflektors R , der zwischen dem Primärstrahler S und dem Hilfsreflektor R

S c

909835/0797

154U78

sieh befindet. Dieser Zusatzreflektor R wird also von den

vom Primärstrahler S kommenden Funkwellen bestrahlt und verhält sich wie eine strahlende Scheibe. Aufgrund ihrer gewöhnlich ziemlich nahen Anordnung gegenüber dem Primärstrahler S, d.h. in dem Rayleigh-Bereich desselben wird der Zusatzreflektor gleichförmig bestrahlt, und sein Strahlungsdiagramm kann leicht berechnet werden. Dieses Strahlungsdiagramm ist vor allem vom Durchmesser 6 der den Zusatzreflektor R bildenden Scheibe abhängig. Der Durchmesser der Scheibe wird somit derart berechnet, daß ihr mit dem eigentlichen Strahlungsdiagramm des Hilfsreflektors R

kombiniertes Strahlungsdiagramm ein Bestrahlungsdiagramm des Hauptreflektors R ergibt, das vor allem an den Rändern wesentlich verbessert ist. Das berechnete theoretische Strahlungsdiagramm unterscheidet sich nämlich ganz beträchtlich von dem tatsächlichen Strahlungsdiagramm, und zwar insbesondere wegen des Randeffekts der Scheibe, und die Berechnung liefert nur eine Annäherung für den zu verwendenden optimalen Durchmesser. Dieser Durchmesser vzird demzufolge genauer durch experimentelle Maßnahmen bestimmt.

Das Inphasebringen der Strahlung des Zusatzreflektors R und des Hilfsreflektors R wird durch die Entfernung d be-

stimmt, und die Anpassung des PrimärStrahlers S erfolgt durch bekannte Maßnahmen in Höhe des PrimärStrahlers.

Der Zusatzreflektor R verfolgt somit den Zweck, das Be-

s *~

strahlungsdiagramm des liauptreflektors R zu ändern und nicht etwa, wie schon bekannt, den Primärstrahler anzupassen. Die Hinzufügung des Zusatzreflektors R gestattet durch ver-

nünftige Wahl seines Durchmessers 6 mithin, den Bestrahlungspegel der Ränder des Hauptreflektors R und demzufolge den Wirkungsgrad der Antenne wesentlich zu steigern.

909835/079 7

1 ft 4 Ί U I ti

Fig. 5 zeigt schematisch die wesentliche Änderung des Bestrahlungsdiagramms des Hauptreflektors R , die auf die Anwesenheit des Zusatzreflektors R zurückzuführen ist. In dieser Figur stellen die voll ausgezogenen Linien D~ und die gestrichelt ausgeführten Linien D. die jeweiligen Formen der Bestrahlungsdiagramme des Hauptreflektors R mit und ohne Zusatzreflektor R_ dar. Der zwischen den bei-

. und D„ enthaltene schraffierte Bereich

den Linienzügen
veranschaulicht die Erhöhung der Bestrahlungspegel. Die Figur zeigt, daß die Bestrahlungspegel der Ränder des Hauptreflektors R wesentlich höher sind, wenn der Zusatzreflektor R hinzugefügt ist, woraus sich erklärt, daß der Wirkungsgrad der so ausgebildeten Antenne angewachsen ist.

Die vorstehende Beschreibung ist ebenso in dem Falle gültig, da der Zusatzreflektor R entsprechend Fig. U aus mehreren Scheiben besteht. In diesem Falle können die Scheiben, die nicht den gleichen Durchmesser zu haben brauchen, so betrachtet werden, als wenn sie ein Netz von Scheiben bilden. Außerdem behandelt vorliegende Beschreibung nicht die Form des Hilfsreflektors R .Ein Zusatzreflektor gemäß der Erfin-

el

dung kann nämlich als ein Hilfsreflektor beliebiger Form (hyperbolisch, parabolisch, eben usw.) unter der Bedingung verwendet werden, daß dieser Reflektor so berechnet worden ist, daß der Bestrahlungspegel der Ränder des Hauptreflektors R angehoben wird. Die Erfindung ist somit auf sämtliche Antennen des Cassegrain-Typs anwendbar. .

Ein Ausführungsbeispxel einer erfindungsgemäß abgewandelten Cassegrain-Antenne wird nachstehend beschrieben. Diese Antenne enthält einen Hauptreflektor parabolischer Form und einen Hilfsreflektor hyperbolischer Form. Der Zusatzreflektor besteht aus zwei Messingscheiben verschiedener Durchmesser.

909835/0797

1-54U78

Der Hilfsreflektor und sein Zusatzreflektor sind in Fig. 6 schematisch wiedergegeben. Die den Zusatzreflektor bildenden beiden Scheiben R ^ und R ₂ sind an dem Hilfsreflektor R_& mittels einer Stange t derart befestigt, daß die Scheibe

R _o kleineren Durchmessers von dem Hilfsreflektor R_ weiter s2 a

entfernt liegt-als die Scheibe R . größeren Durchmessers.

Für eine Wellenlänge *" ergeben sich für diese Antenne nachstehende geometrische Abmessungen:

- Durchmesser des parabolischen Hauptreflektors; D ~ 43 λ-

- Brennweite des Hauptreflektors: F ^ 0,25 D

- Durchmesser des hyperbolischen Hilf sref lektors: D ^6,5 X

- Brennweite des Hilf sref lektors: F ~ 10 ^-

el

- Durchmesser der Messingscheiben: D. "^ λ D₂ - 0,85 Λ-

- Entfernung zwischen der Spitze 0 des Hilfsreflektors R

und der Scheibe R

si'

- Abstand zwischen den beiden Scheiben R . und R _o:

si s2

d_o = 2

Der Bereich der bei dieser Antennenart verwendbaren Wellenlänge ist nur durch Fragen des Raumbedarfs.und der mechanischen Genauigkeit der Bearbeitung der Reflektoren beschränkt, Diese Antenne ist jedoch speziell dazu bestimmt, in dem Bereich von Zentimeter- und Dezimeterwellen zu arbeiten.

Fig. 7 zeigt schematisch Strahlungsdiagramme, die mit dieser Antenne experimentell erhalten wurden. Der durch die Kurve C. begrenzte Bereich stellt das Strahlungsdiagramm des hyperbolischen Hilfsreflektors allein dar, während die Kurve C₂ das zusammengesetzte Strahlungsdiagramm dieses gleichen Hilfsreflektors mit dem Zusatzreflektor gemäß der Erfindung begrenzt. In dieser Figur bedeckt der parabolische Hauptreflektor den Winkelbereich 90° - 0° - 270°, wobei die Spitze der Parabel bei 0° liegt. Diese Figur zeigt also

- 10 -

909835/079 7

15Δ1 A7ft

- ίο -

deutlich, daß dann, wenn der Zusatzreflektor hinzugefügt ist, die Ränder des parabolischen Reflektors mit wesentlich größeren Pegelwerten bestrahlt werden, woraus sich eine wesentliche Steigerung des Gewinns der Antenne ergibt. Die Anwesenheit des Zusatzreflektors entspricht bei dieser Ausführung einer Gewinnsteigerung der Antenne um 0,5 db, d.h. um 10 % an Energie.

Die Hinzusetzung eines außerordentlich einfachen" und billigen Systems von Scheiben zu der Cassegrain-Antenne gestattet also, den Gewinn der Antenne in ganz beachtlichen Verhältnissen zu steigern. Außerdem ändert die Anwesenheit des Zusatzreflektors die Anpassung der Antenne praktisch nicht.

909835/0797

Claims (7)

Dipl.-lnfl. DipJ. oec ρΛΛ. . DIETRICH LE1MNSKY 1Ί PATENTANWALT München 21 - Soaborfslr. 81 Telefon 5617*2 P 15 »H U78.5 17.1.1969 4348-II/La Compagnie Francaise Thomson Houston-Hotchkiss Brandt, Paris VIIIe, Boulevard Ilaussmann 173 (Frankreich) Patentansprüche

1. Mikrowellenantennensystem in Cassegrain-Anordnung mit einem Hauptreflektor, einem Hilfsreflektor und einem Primärstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hilfsreflektor (R ) und dem Primärstrahler (S) zumindest

ein zusätzlicher Reflektor (R ) angeordnet ist, dessen physikalische Größen, wie Form und Größe derart gewählt sind, daß das durch diesen Zusatzreflektor erzeugte und mit dem des Hilfsreflektors (R ) kombinierte Strahlungs-

Cl

diagramm den Strahlungspegel am Rand des Hauptreflektors (R ) erhöht.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzreflektor (R_) zumindest eine als genaue Sammelfläche bekannte Fläche (Rg., Κςο' ^S3^ ^ⁿ eines Hyperboloids, Ellipsoids oder Paraboloids aufweist.

3. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt des Zusatzreflektors (R ) im wesent-

- 2 90 9835/07 9 7

Neue Unteriagen (Art. 7 § I Abs. 2 Nr. I Satz 3 üzz Änderungsges. v. 4,9.

fr k

lichen mit dem Brennpunkt des Hilfsreflektors (R ) zusam-

menfällt.

4·. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche oder Flächen des Zusatzreflektors durch Teile mit zylindrischer, konischer oder Kegelstumpf-Form gebildet sind.

5. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

(IO eine oder mehrere Metalls

Sl^ei^cnem Durchmesser aufweist.

der Zusatzreflektor (IO eine oder mehrere Metallscheiben

6. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzreflektor (R_) mehrere Met all scheiben (R_c<, , unterschiedlicher Durchmesser (D., D„) aufweist.

7. Antennensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser (D₂, D^) aufeinanderfolgender Metallscheig_{19 R}^₂) _yom primärstrahler (S) zum Hilfsreflektor

(R ) hin anwachsen und so den Zusatzreflektor bilden»

909835/079 7