DE19630784C1

DE19630784C1 - Reflektorantenne

Info

Publication number: DE19630784C1
Application number: DE1996130784
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Hochmann
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2016-08-01
Also published as: DE59712653D1; EP0822610A2; EP0822610A3; EP0822610B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Reflektorantenne, bei der auf der Oberfläche des Hauptreflektors ein Absorptionsmittel in Form einer Ringfläche aufgebracht ist, wobei das Absorptionsmittel mit einer frequenzselektiven Struktur belegt ist.

Die DE 26 10 506 C2 beschreibt eine Reflektorantenne, bei der auf der Ober fläche eines Reflektors ein Absorptionsmittel in einer Ringfläche aufgebracht ist. Vorzugsweise wird das Absorptionsmittel auf dem Rand des Subreflektors einer Gassegrain-Antenne angeordnet. Das Absorptionsmittel ist dabei derart ausge wählt, daß die elektromagnetische Strahlung in einem schmalen Frequenzband mit bis zu 20 dB bedämpft wird, während in den anderen Frequenzbereichen die Dämpfung annähernd 0 dB erreicht. Damit kann diese Antenne in mehreren Fre quenzbändern mit nahezu gleichbleibendem Gewinn und ausreichendem Öff nungswinkel betrieben werden.

Aus der Literaturstelle: LEE, C.K.; LANGLEY, R. J; PARKER, E.A.: Com pound reflector antennas; IEE-Proceedings-H, April 1992, Vol. 139, No. 2, S. 135-138 ist darüber hinaus eine Reflektorantenne bekannt geworden, bei der auf der Oberfläche des Hauptreflektors ein ringförmiges Absorptionsmittel an gebracht ist, dessen Oberfläche mit einer frequenzselektiven Struktur belegt ist.

Der DE 40 06 352 A1 sind Hinweise auf geeignete Absorbermaterialien und -aufbauten zu entnehmen.

Schließlich beschreibt die Literaturstelle: JOHANSSON, F. Stefan: Analysis and Design of double-layer frequency-selective surfaces; WE Proceedings, August 1985, Vol. 132, Pt. H, S. 319-325 Methoden zum Entwurf frequenzselektiver Oberflächen unter Verwendung von frequenzselektiven Strukturen wie beispielsweise Kreuzdipolen.

Im Gegensatz dazu soll aber bei Reflektorantennen, die als Sensoren eingesetzt werden, die elektromagnetische Strahlung nur im Bereich der Betriebsfrequenz reflektiert werden, während in den übrigen Frequenzbereichen zum Zweck der Tarnung eine breitbandige Dämpfung erwünscht ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Parabolantenne mit Subreflektor zu konzipieren, die nur im Bereich der Betriebs frequenz die elektromagnetische Strahlung reflektiert, während in den anderen Frequenzbereichen eine hohe Dämpfung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reflektorantenne nach dem Cassegrain-Prinzip aufgebaut ist und daß die Ausdehnung des Absorptionsmittels durch die jenigen Orte auf der Oberfläche des Hauptreflektors gegeben ist, bei denen die n-fachen Reflexionen (n = 3, 5, 7, . . .) der einfallenden elektromagnetischen Wellen auftreten. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Reflektorantenne sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Bauweise des Hauptreflektors weist verschiedene Vor teile auf. Durch den partiellen Aufbau des Hauptreflektors mittels einer fre quenzselektiven radarabsorbierenden Bauweise kann auf die Verwendung eines auf die Betriebsfrequenz der Antenne ausgelegten frequenzselektiven Radoms verzichtet werden, womit die daraus resultierenden Radomreflexionen im Fre quenzbereich eines die Antenne beobachtenden Radars entfallen. Wird der ge samte Hauptreflektor gemäß dem Stand der Technik in einer frequenzselektiven radarabsorbierenden Bauweise erstellt, so ergeben sich aufgrund der Wechsel wirkung zwischen der radarabsorbierenden Bauweise und der frequenzselektiven Schicht im Betriebsfrequenzbereich der Antenne Reflexionsverluste größer als 1 dB. Diese Verluste reduzieren den Antennengewinn und schränken damit auch die Reichweite der Antenne erheblich ein. Mittels der beschriebenen Erfindung wird nur ein begrenzter Bereich der Paraboloberfläche in einer solchen Bau weise realisiert, so daß ohne erhebliche Absorptionseinbußen im Frequenzbe reich der die Antenne beobachtenden Radargeräte auch deutlich niedrigere Re flexionsverluste erzielt werden, welche entsprechend dem Flächenverhältnis des frequenzselektiven radarabsorbierenden kreisförmigen Bereiches zur Gesamt parabolfläche des Hauptreflektors reduziert werden. Wird z. B. 20% des Haupt reflektors in einer frequenzselektiven radarabsorbierenden Bauweise realisiert, so verringern sich die Reflexionsverluste auf etwa 0,2 dB.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch verein facht dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht (Schnitt) einer Cassegrain-Antenne,

Fig. 2 die Draufsicht zu Fig. 1,

Fig. 3 den Verlauf eines einfallenden Strahles im Fall einer 3-fach Reflexion.

In der Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Cassegrain-Antenne dargestellt, die aus einem Hauptreflektor 1 und einem Subreflektor 2 besteht. Das Speisehorn ist zur Vereinfachung nicht wiedergegeben worden. Beide Reflektoren weisen metal lisch reflektierende Oberflächen 8 auf. In den Hauptreflektor ist eine Kombina tion aus einem Absorptionsmittel 3 und einer frequenzselektiven Struktur 4 eingelassen. Die frequenzselektive Struktur 4 liegt hierbei derart auf dem Ab sorptionsmittel 3, daß alle nicht der Resonanzfrequenz der Struktur 4 entspre chenden Frequenzen im Absorptionsmittel 3 gedämpft werden. Das Absorp tionsmittel 3 hat im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und Fig. 2 eine etwa kreisringförmige Berandung, die sich aus dem geometrischen Ort aller Auftreffpunkte von Strahlen auf dem Hauptreflektor ergibt, welche zwischen Sub- und Hauptreflektor n-fach (n = 3, 5, 7, . . .) reflektiert werden.

Der vorliegenden Antennenkonzeption liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der Bestrahlung einer Parabolantenne mittels einer externen Strahlungsquelle neben den 1-fach-Reflexionen, die besonders an den Subreflektorhalterungen, dem Subreflektor selbst und an Inhomogenitäten bzw. Rändern des Hauptre flektors erzeugt werden, auch n-fach-Reflexionen (n = 3, 5, 7, . . .) zwischen dem Sub- und dem Hauptreflektor entstehen. Diese Mehrfachreflexionen, insbeson dere die 3- und 5-fach-Reflexionen, beinhalten dabei über einen relativ großen Aspektwinkelbereich und innerhalb breiter Frequenzbänder die höchsten rück gestreuten Energieanteile.

Bisher war es üblich, die Antenne mit einem frequenzselektiven Radom zu überdecken, wobei die Frequenz der einfallenden Fremdstrahlung weit genug von der Betriebsfrequenz der eigenen Anlage entfernt sein muß, da das Radom für die Betriebsfrequenz transparent ausgeführt sein muß. Dieses Verfahren ist jedoch nur in den Fällen sinnvoll, wenn die gerätespezifischen Anforderungen eine Konfiguration des Radoms zuläßt, die eine Reflexion der einfallenden Strahlung in eine andere als die Einfallsrichtung mit Hilfe einer entsprechenden Formung des Radoms erlaubt. Spekulare Einfachreflexionen an der Radomober fläche lassen sich jedoch nicht vermeiden.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus des Hauptreflektors, der eine ring förmige Teilfläche aus einer frequenzselektiven und radarabsorbierenden Bau weise aufweist, kann auf die Verwendung eines frequenzselektiven Radoms verzichtet werden.

Die frequenzselektive radarabsorbierende Bauweise wird hierbei derart ausge legt, daß im Bereich der Betriebsfrequenz (z. B. 35 GHz) eine nahezu verlust lose metallische Reflexion erfolgt, während im Frequenzbereich einfallender Fremdstrahlung (z. B. 2-20 GHz) hingegen eine radarabsorbierende Wirkung erzielt wird. Die breitbandige Radarabsorption kann durch eine verluststoffbe haftete Sandwichbauweise oder durch einen monolithischen Absorber 3 re alisiert werden. Die auf der Absorptionsschicht 3 aufgebrachte frequenzselektive Struktur kann mit Hilfe unterschiedlich geformter Einzelreflektorelemente ge bildet werden: hierfür sind neben metallischen Kreisringen auch metallische Jerusalemkreuze oder Kreuzdipole bekannt geworden.

In der Fig. 3 ist vereinfacht der Verlauf einer 3-fach-Reflexion dargestellt. Der einfallende Strahl 5 trifft auf den Hauptreflektor 1, der hier nicht mit einem Ab sorptionsmittel belegt ist. Der vom Hauptreflektor 1 reflektierte Strahl trifft den Subreflektor 2, wird dort auch anschließend nochmals am Hauptreflektor 1 re flektiert und dann als reflektierter Strahl 6 etwa in die gleiche Richtung wie der einfallende Strahl 5 zurückgeworfen. In ähnlicher Weise laufen auch die anderen n-fach-Reflexionen ab. Der Ort aller Auftreffpunkte der reflektierten Strahlen auf dem Hauptreflektor 1 kennzeichnet den Bereich und die Berandung des Ab sorptionsmittels 3. Bei einem symmetrischen Cassegrainsystem nach Fig. 1 und 2 bildet das Absorptionsmittel 3 eine Kreisringfläche, deren Geometrie sich folgendermaßen herleiten läßt. Der äußere Radius der Kreisringfläche ist eine Funktion des Focus foc des Hauptreflektors 1, der Geometrieparameter a, b und r (= Radius) des Subreflektors 2, sowie des Abstandes s der Scheitelpunkte von Sub- und Hauptreflektor:

R_max = f (foc, a, b, r).

Der innere Radius des Kreisringes entspricht dem Radius r des Subreflektors. Der Hauptreflektor wird hierbei durch ein Rotationsparaboloid beschrieben, dessen Mittenquerschnitt der Formel genügt

Der Subreflektor ist ein Rotationshyperholoid, dessen Mittenquerschnitt der Formel entspricht:

Für die Bestimmung des äußeren Radius der Kreisringfläche werden beide Formeln in einem Koordinatensystem in Bezug gesetzt, so daß sich hieraus eine neue Funktion für den Subreflektor ergibt zu:

Hierbei beschreibt s den Abstand der Scheitelpunkte von Haupt- und Subreflek tor. Die maßgebliche Bedingung für eine 3-fach-Reflexion ergibt sich dadurch, daß die anfallende Wellenfront vom Haupt- auf den Subreflektor derart reflek tiert wird, daß der Einfallswinkel demjenigen der Flächennormalen des Subre flektors entspricht. Der Schnittpunkt des einfallenden Strahls auf dem Hauptre flektor gibt dann den maximalen Radius derjenigen kreisförmigen Fläche auf dem Hauptreflektor wieder, für die gerade noch eine 3-fach-Reflexion erfolgen kann, wenn der Schnittpunkt des reflektierten Strahls am Subreflektor an dessen äußerer Begrenzung liegt. Durch die Steigung der Normalen des Subreflektors an der Stelle x = r ist der vom Subreflektor reflektierte Strahl gegeben durch

Mit dem Schnittpunkt der Funktionen f_reflektiert(x) und f_{Hauptreflektor}(x) ergibt sich nun direkt ein Ausdruck für den maximalen Radius der Kreisringfläche:

mit der Steigung der Funktion f_Subreflektor(x) gemäß

Hieraus ergeben sich für ein gerechnetes Beispiel folgende Dimensionierungen:

Claims

1. Reflektorantenne bei der auf der Oberfläche des Hauptreflektors ein Absorptionsmittel in Form einer Ringfläche aufgebracht ist, wobei das Ab sorptionsmittel mit einer frequenzselektiven Struktur belegt ist, dadurch ge kennzeichnet, daß die Antenne nach dem Cassegrainprinzip aufgebaut ist und daß die Ausdehnung des Absorptionsmittels (3) durch diejenigen Orte auf der Oberfläche des Hauptreflektors (1) gegeben ist, bei denen die n-fachen Re flexionen (n = 3, 5, 7, . . .) der einfallenden elektromagnetischen Wellen auf treffen.

2. Reflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenrand des Absorptionsmittels (3) durch eine Parallelprojektion des Außenrandes des Subreflektors (2) auf den Hauptreflektor (1) erzeugbar ist.

3. Reflektorantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Absorptionsmittel (3) mittels einer Sandwichbauweise, die Verluststoffe beinhaltet, herstellbar ist.

4. Reflektorantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Absorptionsmittel (3) aus einem monolithischen Absorber besteht.

5. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzselektive Struktur (4) aus metal lischen Elementen wie Kreisringen, Jerusalemkreuzen oder Kreuzdipolen besteht.