DE1953732A1

DE1953732A1 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE1953732A1
Application number: DE19691953732
Authority: DE
Inventors: Ajioka James S
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1968-10-28
Filing date: 1969-10-24
Publication date: 1970-04-30
Also published as: FR2021757A1; DE1953732C3; FR2021757B1; JPS4810257B1; DE1953732B2; GB1280668A; SE356171B; US3633208A

Description

Amneiaerint Stuttgart, den 21. Oktober 1969

Hughes Aircraft Company P 2042 S/kg Centinela and Teale Street
Culver City, Calif., V.St.A.

Antennenanordnung

Die Erfindung "bezieht sich auf eine mehrere Hörner umfassende Antennenanordnung.

Bekannte Antennenanordnungen bestehen aus Hörnern, die mit einem oder mit mehreren Wellentypen angeregt werden, oder ebenen Gruppen von nominellen Halbwellenelementen, die einen Abstand in der Größenordnung von einer Hälfte bis zu drei Vierteln einer Wellenlänge haben. Hörner, die mit einer oder mit mehreren Wellentypen angeregt sind, ergeben entweder nicht die gewünschte Form des Strahlungsdiagrammes oder haben eine extrem kleine Bandbreite. Eine Gruppe ist andererseits wegen der großen

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Anzahl von Elementen äußerst kompliziert, sehr schmal "bandig und wegen des komplizierten Speisenetzwerkes mit hohen "Verlusten behaftet· Wenn weiterhin Polarisationsänderungen möglich sein sollen, erhöht sich der Aufwand um mehr als das doppelte· Diese Probleme sind besonders bei Antennen für Erdsatelliten von Bedeutung, weil hier die Antennen nicht nur einfach im Aufbau sein und ein geringes Gewicht haben müssen, sondern weil auch die zur Verfügung stehende Leistung sehr gering ist, so daß Leistungsverluste so weit wie nur irgend möglich vermieden werden müssen.

Eür Erdsatelliten besteht ein besonderes Problem der bekannten Antenne noch darin, daß die Strahlungsdiagramme den höchsten Gewinn im Bereich ihrer Mittelachse haben, so daß dann, wenn eine solche Antenne von einem Satelliten auf die Erde gerichtet ist, der maximale Gewinn auf den Erdmittelpunkt gerichtet ist, wo er jedoch, wenn die Erde gleichmäßig bedeckt werden soll, am wenigsten gebraucht wird, weil hier der Erdabstand am geringsten ist und die elektromagnetischen Wellen die Erdatmosphäre auf dem kürzesten Weg durchlaufen, so daß sie am wenigsten gedämpft werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung zu schaffen, die sich durch einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet und ein für den Verkehr zwischen Satellit und Erde optimales .Strahlungsdiagramm aufweist·

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Diese Auf gäbe, wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Antennenanordnung ein mittleres Horn bestimmter Größe und eine Anzahl von kleineren, perxpheren Hörnern umfaßt, die in gleichmäßigen Abständen um das mittlere Horn herum angeordnet sind und die gleiche Ausrichtung haben wie das mittlere Horn, wobei die Anzahl der peripheren Hörner gleich einer ganzzahligen Potenz von Zwei und mindestens gleich Vier ist, daß mit dem Eingang des mittleren Horns eine Anordnung zum Zuführen eines ersten Signales bestimmter Frequenz, Phase und Leistung verbunden ist und daß mit den Eingängen der peripheren Hörner eine Anordnung zum gleichzeitigen Zuführen eines zweiten Signales verbunden ist, dessen Frequenz der bestimmten Frequenz gleich ist, dessen Leistung jedoch nur einen Bruchteil der Leistung des ersten Signales und dessen Phase zur Phase des ersten Signales um 180° verschoben ist.

Es ist bekannt, daß eine Feldverteilung an der Öffnung einer Antenne, die einer Lambdafunktion J^. (u)/u gehorcht, ein genaues, rotationssymmetrisches, sektorförmiges Strahlungsdiagramm erzeugt, jedoch eine unendlich große Öffnung erfordert· Durch die erfindungsgemäße Antennenanordnung wird diese Offnungsverteilung durch eine Horngruppe angenähert, in der das große mittlere Horn eine Verteilung liefert, die der Hauptkeule der Funktion J_x. (u)/u annähert, während der Ring kleinerer Hörner, deren Felder gegenüber dem Feld des mittleren Hornes um 180 phasenverschoben sind, die Verteilung des ersten Nebenzipfels der Funktion J^ (u)/u annähern« Die resultierende Horngruppe erzeugt einen konkav geformten Strahl

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mit fast vollkommener Rotationssymmetrie und mit einem absoluten Mindest ge v/inn von mehr als 18 db in einem Abstand von 9i5° von der Mittelachse. Wenn diese Antennenanordnung auf einem stabilisierten Erdsatelliten verwendet wird, der sich in der Synchronhöhe befindet, liegt 9,5° son Erdrand, wo man gewöhnlich das schwächste Signal hatο Außer zur Verwendung auf Satelliten ist die erfindungsgemäße Antennenanordnung auch als Speiseanordnung für Cassegrain-Antennen nützlich.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert wirdo Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Pig. 1 eine neun Hörner umfassende Antennenanordnung nach der Erfindung ohne Speisesystem in perspektivischer Darstellung,

Pig. 2 einen Längsschnitt durch die Antennenanordnung nach Fig. 1,

Fig. 5 ein schematisch.es Schaltbild eines Speisesystems für die Antennenanordnung nach Fig. 1,

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Fig. 4 das gemessene Strahlungsdiagramm der Antennenanordnung nach. Pig. 1 ohne Anwendung mehrerer Wellentypen,

Fig. 5 das gemessene Strahlungsdiagramm der Antennenanordnung nach Fig. 1 mit Anregung mehrerer Wellentypen im mittleren Horn und

Fig. 6 das Idealdiagramm für eine gleichmäßige Erdbedeckung.

Die in den Fig. 1 und 2 als Ausführungsbeispiel dargestellte Antennenanordnung weist ein großes, konisches mittleres.Horn 10 auf, das an einer Scheibe 12 mit Hilfe eines Abstandsringes 14 befestigt ist, der mit einem Flansch am Halsabschnitt des Homes verbunden ist. Gemäß der Erfindung ist eine Anzahl kleinerer konischer Hörner 16 bis 23 in gleichen Abständen um das große, konische mittlere Horn 10 herum angeordnet und parallel zu dem mittleren Horn ausgerichtet. Obwohl eine Anzahl von Hörnern benutzt werden kann, die einer-ganzzahligen Potenz von "zwei gleich ist, also gleich 2, 4·, 8, 16 usw., hat es· sich herausgestellt, daß die Verwendung von acht konischen Hörnern. 16 bis 2$ im Hinblick auf das Verhältnis der üffnungsflächen und der Einfachheit der Speisung vorteilhaft ist. Damit die kleineren konischen Hörner 16 bis 23 das mittlere Horn-10 lückenlos umgeben, wurde der Durchmesser ihrer Öffnungen gleich dem 0,618-fachen des Durchmessers der Öffnung des mittleren Homes 10 gewählt. Unter diesen Umständen ergibt sich für das Verhältnis der Fläche der öffnungen~cier kleineren Hörner bia 23 zur Fläche der öffnung des mittleren Homos 10

der Wert Drei· Weiterhin bestimmt der Offnungswinkel des mittleren Hornes 10 und der peripheren Hörner 16 bis 23 die Phasenfront an der entsprechenden Hornögfnung. Größere öffnungswinkel haben stärker konvex gekrümmte Phasenfronten zur Folge als kleineren öffnungswinkel. In dieser Hinsicht können die peripheren Hörner 16 bis 23 in bezug auf das mittlere Horn 10 "gekippt" werden, um eine zusätzliche Steuerung der Phase im Bereich der Gesamtöffnung der Antennenanordnung zu erreichen· Die Scheibe 12 enthält acht in gleichen Abständen voneinander angeordnete Kadialsehlitze, die dazu dienen, die Halsabschnittö der peripheron Hörner 16 bis 23 aufzunehmen und deren Flansche an der Scheibe zu befestigen. Im mittleren Horn 10 können in bekannter Weise-mehrere Wellentypen angeregt werden. Bas Anregen mehrerer Wellentypen kann auch in der Weise erfolgen, wie es in dem Patent ».α (gleichrangige Patentanmeldung entsprechend US-Ser«No. 77Λ 1?8) beschrieben ist.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer Vorrichtung zum Speisen der neun Hörner umfassenden Anordnung nach Fig. 1. Wie oben erläutert, erzeugt die neun Hörner umfassende Anordnung nach der Erfindung eine Näherung der "Hauptkeule" 27 und der "ersten Nebenzipfel" 28 einer Lambdafunktion J^](u)/u, wie es durch die Kurve 30 in. Fig. 3 wiedergegeben ist. Zu diesem Zweck geht ein Eingang 25 durch einen Leistungsteiler 26 und zum Eingangsflansch 15 des mittleren Hornes 10. Das Antennendiagramm erhält seine Form durch die Verteilung der Leistung auf das mittlere Horn 10 und die peripheren, kleineren Homer 16 bis 23· Damit

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die Charakteristik 30 angenähert wird, leitet der Leistungsteiler 26 95/° eier ihm züge führt en Leistung dem mittleren Horn 10 zu» Die restliche Leistung wird vom Leistungsteiler 26 dem Parallelarm eines magischen T 32 zugeführt, dessen Serienarm abgeschlossen ist. Die Ausgangsarme des magischen T 32 sind ihrerseits⁵ mit den. Parallelarmen von magischen T 33 und 34 verbunden, deren Serienarme wieder abgeschlossen sind. Die Ausgangsarme der magischen T 33 und. 3^ sind dann mit den Parallel-Eingangsarmen von magischen T 35» 56, 37 und- 38 verbunden, deren Serienarme wieder abgeschlossen sind. Die Ausgangsarme der magischen T 351 36» 3? "und 38 sind endlich mit den Eingangsflanschen der kleineren konischen Hörner 16 bis 23 verbunden. Die Eingänge der konischen Hörner 16 bis 23 sind in solcher V/eise ausgerichtet, daß die Polarität des Signales, das an den entsprechenden Öffnungen der Hörner erscheint, um 180° gegenüber der Phase des Signales verschoben ist, das an der Öffnung des großen konischen Horns 10 erscheint. Die Phasendifferenz von 180° wird wegen der entgegengesetzten Polarität des "ersten Nebenzipfels" 28 zu dem "Hauptzipfel" 29 der Kurve 30 verwendet. Alle Eingänge zu dem mittleren Horn 10 und den peripheren Hörnern 16 bis 23 sind so ausgebildet, daji eine TE,. ,.-Grundwelle angeregt wird, die im Falle des mittleren Homes 10 noch in mehrere andere Wellentypen umgewandelt werden kann. In dem Fall, daß eine doppelte orthogonale Polarisierung gewünscht wird, kann ein nicht näher dargestellter Orthogonalmodentransformator zwischen jedes der Hörner 10 und 16 bis 23 und das Speisenetzwerk nach Fig. 3 eingeschaltet werden

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und es kann an diese Orthogonalmodentransformatoren ein gleichartiges Netzwerk für den orthogonalen Modus angeschlossen werden, Weiterhin versteht es sich, daß von einigen oder von allen magischen T 32 "bis 38 die Abschlußwiderstände entfernt werden können, um eine Information zur Korrektur eines Ausrichtungsfehlers der Antenne zu erhalten, wie es vom Monopulsbetrxeb her bekannt ist. Im Fall der Anwendung der Antennen— anordnung auf einem stabilisierten Satelliten ist eine Fehlerkorrektur nicht erforderlich, weil zwischen dem Sender und dem Empfänger keine andere Bewegung stattfindet als die geringfügigen Schwankungen, die von der Stabilisierung herrühren.

Fig. 6 zeigt ein für die Bedeckung der Erde ideales Diagramm 40 im Verhältnis zu einem üblichen Diagramm beim Betrieb-.-von einem synchronisierten Satelliten bzwo 43 aus. Das ideale Diagramm 40 hat Schultern 44 und 45, die 3j6 db über der Intensität des Mittelstrahles liegen, so daß ein Signalmaximum gegen die vom Satelliten 42 aus gesehene Erdkante gerichtet ist«, Auf diese Weise wird ein im wesentliches gleichförmiges Signal dem Teil der Erdoberfläche zugeführt, die von dem Signal überdeckt wird. Die Schultern 44 und 45 des Diagramms 40 haben eine Breite in der Größenordnung von 1°, um kleine Fehler in der Ausrichtung des Satelliten 42 zuzulassen. Im Gegensatz zu dem idealen Diagramm 40 ist das übliche Diagramm 41 am Rand der Erde am schwächsten, wo ein maximales Signal benötigt wird· Weiterhin geht ein wesentlicher Anteil der Energie des

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Diagramms 41 verloren, weil dieser Teil der Energie die Erde nicht erreicht.

Bein Betrieb der neun Hörner umfassenden Anordnung nach Fig. 1 wird das Idealdiagramm 40 durch "Verwendung eines öffnungswinkels von etwa 10° für das mittlere Horn 10 und für die peripheren Hörner 16- bis 23 und durch eine solche Einstellung des Leistungsteilers 26 angenähert, daß 95% der zugeführten Leistung an das mittlere Horn 10 weitergeleitet und die restlichen 5% α.©** Eingangsleistung von den magischen 2? 32 bis 38 auf die peripheren Hörner 16 bis 23 verteilt werden· In federn der Hörner bis 23 und im mittleren Horn 10 wird eine ^E-^-G-rundwelle angeregt» Unter diesen Umständen erzeugt die neun Hörner umfassende Anordnung nach 5¹Ig* 1 einen Strahl mit dem - durch die Kurve 50 wiedergegebenen Yerlauf in der H-Ebene, dem durch die Kurve 52 wiedergegebenen Yerlauf in der E-Ebene und dem durch die Kurve 5^· wiedergegebenen Verlauf in einer Diagonalebene, wie es I¹Ig* 4 zeigt. Wie die Zeichnung zeigt, haben die Diagramme 5O₃ 52 und 5^ außer einer Sotationss^iimetrie und einer Polarisationsreinheit eine Breite von Schulter zu Schulter von 19° <, welche die Breite des idealen Diagrammes #0 nach Fig, annähert;· Die Hebenzipiel der Strahlimgsdiagramae $Q₃ 52 land 3^· können durch die Anwendung mehrerer Wellenfcypeii im mittlerem Horn 10 in der Weise "vermindert; werden, wie es in den oben erwähnten Paten* ,*· beschrieben ist· Wenn in dem mittleren Horn 10 in dieser Weise mehrere Wellentypen angeregt werden, erzeugt die Antennenanordnung

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nach. Fig. 1 das in -Pig. 5 angegebene Strahlungsdiagramm mit der Kurve 56 für die Η-Ebene, der Kurve 58 für die Ε-Ebene und der Kurve 60 für die Diagonalebene. Es ist ersichtlich, daß die Größe der Nebenzipfel gegenüber den Hebenzipfeln der Kurven 50 j 52 und 5^- d-es Diagramm es nach Fig·- 4 bedeutend reduziert sind. V/ie zuvor beträgt die Schulterbreite der Kurven 56, 58 und 60 jeweils "19°> so daß das ideale Diagramm 40 für eine Erdbedeckung von einem Synchronsatelliten aus angenähert wird» Bei anderen Anwendungen, beispielsweise bei der Speisung einer Gassegrain-Antenne, kann vom Leistungsteiler 26 eine andere Aufteilung der Leistung gefordert werden und es können bei den Hörnern größere Öffnungswinkel Anwendung finden, ,je nach der Größe des Heflektors und nach der ireqnenz·

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Claims

Patentansprüche

11./Mehrere Hörner umfassende Antennenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein mittleres Horn (10) bestimmter Größe und eine Anzahl vqn kleineren, peripheren Hörnern (16 bis 23) umfaßt, die in gleichmäßigen Abständen um das mittlere Horn herum angeordnet sind und die gleiche Ausrichtung haben wie das mittlere Horn, wobei die Anzahl der peripheren Hörner (16 bis 23) gleich einer ganzzahligen Potenz von Zwei und mindestens gleich Vier ist, daß mit dem Eingang des mittleren Hornes (1O) eine Anordnung zum Zuführen eines ersten Signales bestimmter Frequenz, Phase und Leistung verbunden ist und daß mit den Eingängen der peripheren Hörner (16 bis 2$) eine Anordnung zum gleichzeitigen Zuführen eines zweiten Signales verbunden ist, dessen Frequenz der bestimmten Frequenz gleich ist, dessen Leistung jedoch nur einen Bruchteil der Leistung des ersten Signales und dessen Phase zur Phase des ersten Signales um 180° verschoben ist.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche der öffnungen der peripheren Hörner (16 bis 23) etwa das dreifache der Fläche der öffnung des mittleren Hornes (1O) beträgt.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des mittleren Hornes (1O) und die öffnungen der peripheren Hörner (16 bis 23) in. einer gemeinsamen Ebene liegen·

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^. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da3 den mittleren Horn (1O) 95> und den peripheren Hörnern (16 bis 23) insgesamt die restlichen %o der verfügbaren Signalleistung zugeführt werden·

5· Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ei^-CtIere Horn (1O) mit Einrichtungen für eine Anregung mehrerer V/ellentypen versehen ist_e

6. Antennenanordnung nach einen"der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Hörn (10) kegelförmig avisgebildet und von acht kegelförmigen, peripheren Hörnern (16 bis 23) umgeben ist und daß die mit den Eingängen .des mittleren Hon.es und der peripheren Hörner verbundene Anordnungen (25, 26, 3.2 bis 58) den Hauptteil der Energie eines Signals dem mittleren Horn (1O) und den restlichen Teil der Energie dieses Signals den peripheren Körnern (16 bis 23) zuführen und die Energie sowohl von dem mittleren Horn als auch von den peripheren Hörnern als TE..-Grundwelle abgestrahlt wird«

7· Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Eingängen des mittleren Horns (1O) und der peripheren Hörner (16 bis 23) verbundenen Anordnungen sieben magische T (32 bis 3ö) ■mit je einem Parallel-Eingangsarm und zwei Ausgangsarmen umfassen, daß die beiden Ausgangsarme von vier magischen T (35 "bis 38) jeweils mit dem Eingang eines

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BAD ORIGINAL

dor acht periphere-n Hörner· (16 bis 23) verbunden £i:id. daß aio beiden Ausgangs ame von ^g zwei volt;ercii navisciion ·2 (33 ^¹¹^· 3^) jeweils nit don Parallel—!Siiigang-sarsi eines der vier- ersten, nagiscnen ¹I¹ (.35 bis 33) verbunden sind,, aa3 die beiden Atis— t £raiig5r*rz:e dss siebten, nagisclien. 2 C>2} jeweils xitr

—Iiinr;arigsarii eines &.&T beiden u'oi i'va^iiclier. CJ (33 "^-d. 3¹^) verbunden sind und da2 ein -^eistkingsteiler (26/ vor^ges-eiien i.st_t dea das Signal cugöi'ülirt; wird und \^rön dessen Ausgängen der eine i2.it

der* Eingang des aitrler-en Homes (iö) und ä&r andere zdX ά&ζ> Parallel~£ingangsana. des siebten nagisehen ¹ (52) Terbimden is

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