DE19817766A1 - Zentral gespeistes Antennensystem und Verfahren zum Optimieren eines solchen Antennensystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zentral gespeistes Reflektorantennensystem, dessen wirksame Reflektoroberfläche so geformt ist, daß entsprechend den Fernfeldanforderungen das Maximum des copolaren Fernfeldes auf der beleuchteten Bedeckungsfläche liegt und das Minimum des copolaren Nahfeldes beim Speisesystem, beispielsweise an der Apertur eines Speisehorns, liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zentral gespeistes An­ tennensystem und ein Verfahren zum Optimieren eines solchen Antennensystems.

Derartige Antennensysteme sind üblicherweise Systeme mit einem Einfachreflektor und einem Speisesystem, wobei jedoch auch Doppelreflektoren-Systeme bekannt sind, bei denen das Speisesystem einen Subreflektor bestrahlt, der seinerseits einen Hauptreflektor ausleuchtet. Im folgenden wird stets von einem Einfachreflektor-Antennensystem gesprochen; je­ doch sind die Ausführungen stets auch für ein Doppelreflek­ tor-Antennensystem möglich.

Im Vergleich zu einer Antenne mit einem Einfachreflektor und einem Offset-Speisesystem sind zentral gespeiste Anten­ nensysteme mit einem Einfachreflektor baulich kompakter. Hinsichtlich der elektromagnetischen Eigenschaften hat eine zentral gespeiste Antenne keine Offset-Kreuzpolarisation und erzeugt dadurch weniger Kreuzpolarisation als ein An­ tennensystem mit einem Einfachreflektor und einem Offset- Speisesystem. Jedoch haben zentral gespeiste Antennen zwei wesentliche Nachteile hinsichtlich der elektromagnetischen Eigenschaften: Zum einen wird das von dem Reflektor ausge­ hende elektromagnetische Feld durch das Speisesystem, die Stützen für das Speisesystem und die Speisekabel abgeschat­ tet, zum anderen wirkt dieses elektromagnetische Feld auf das Speisesystem zurück. Die Abschattung hat im wesentli­ chen einen Einfluß auf das copolare Antennendiagramm: es ergibt sich eine Welligkeit dieses Diagrammes in Haupt­ tet, zum anderen wirkt dieses elektromagnetische Feld auf das Speisesystem zurück. Die Abschattung hat im wesentli­ chen einen Einfluß auf das copolare Antennendiagramm: es ergibt sich eine Welligkeit dieses Diagrammes in Haupt­ strahlrichtung und eine Änderung des Niveaus der Nebenkeu­ len. Im Falle einer zirculapolarisierten zentralgespeisten Antenne wird hierdurch zusätzlich eine höhere Kreuzpolari­ sation auftreten. Die Rückwirkung auf das Speisesystem durch das von dem Reflektor abgestrahlte Nahfeld hat im we­ sentlichen einen Einfluß auf das kreuzpolare Antennendia­ gramm und den Reflexionsfaktor des Gesamtsystemes.

Die Abschattung kann dadurch reduziert werden, dass die im Nahfeld liegenden Teile des Antennensystems, also die Stüt­ zen und das Speisesystem sowie die Kabel, so durchsichtig wie möglich für das elektromagnetische Feld gestaltet wer­ den; außerdem sind elektrisch leitende Verkleidungen mög­ lich, die zusätzliche Streuungen im Bereich des Nahfeldes vermeiden und damit auch die Störung im Fernfeld reduzie­ ren.

Die Rückwirkung des Nahfeldes auf das Speisesystem kann durch Stör- oder Streukörper vermindert werden, z. B. kleine konusförmige Streukörper, die in das Zentrum des Reflektors eingesetzt werden. Die Streukörper werden hierbei so ge­ formt, dass das hiervon ausgehende Streufeld und das vom Reflektor reflektierte Nahfeld sich im Bereich des Speise­ systems destruktiv überlagern, so dass hier eine Nullstelle erzeugt wird. Trotzdem stört dieses Streufeld natürlich auch das Fernfeld.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zentral ge­ speistes Antennensystem so zu modifizieren, dass die Aus­ wirkungen der Abschattung und der Rückwirkung auf das Spei­ sesystem deutlich reduziert werden; außerdem soll ein Ver­ fahren angegeben werden, mit dem dieses erreicht werden kann.

Diese Aufgaben sind für ein zentral gespeistes Antennensy­ stem durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst; für ein Verfahren sind diese Aufgaben durch die Merkmale des weiteren unabhängigen Patentanspruches gelöst.

Demgemäß wird im wesentlichen die gesamte wirksame Reflek­ toroberfläche so geformt, dass entsprechend der Fernfeldan­ forderung das Maximum des copolaren Fernfeldes auf der be­ leuchteten Bedeckungsfläche liegt und das Minimum des copo­ laren Nahfeldes bei dem Speisesystem liegt, z. B. an der Apertur eines Hornes.

Die tatsächliche Gestalt der wirksamen Oberfläche des Re­ flektorsystemes wird in einem Rechner mit Hilfe eines Soft­ ware-Programmes bestimmt. Zunächst wird anhand eines Pro­ grammes die Oberflächengestalt des Reflektors anhand der Anforderungen an das copolare Fernfeld errechnet, wobei zu­ nächst die Einflüsse der Rückwirkung zwischen Reflektorflä­ che und Speisesystem vernachlässigt werden. Ein derartiges Programm ist bekannt und wird allgemein als PO-Programm be­ zeichnet, d. h. Physical Optics; vgl. etwa "Stig Busk Soren­ sen: Manual for POS, Physical Optics Single reflector sha­ ping program. TICRA engineering consultants, Copenhagen, Denmark, June 1995". Damit erhält man ein Rechenmodell ei­ nes an die Anforderungen hinsichtlich des copolaren Fern­ feldes angepaßten Antennensystemes.

Dieses Rechenmodell wird dann anhand eines Optimierungspro­ grammes, welches auf die im wesentlichen gesamte wirksame Reflektorfläche angewendet wird, dahingehend optimiert, dass die Rückwirkungen des Nahfeldes auf das Speisesystem im wesentlichen auf den Wert Null gebracht werden, ohne dass durch diese Optimierung die Eigenschaften des copola­ ren Fernfeldes wesentlich verändert werden.

Mit einem solchen Verfahren, die gesamte wirksame Antennen­ fläche zu optimieren, werden der Reflexionsfaktor des ge­ samten Systems und die Eigenschaften in Co- und Kreuzpola­ risation wesentlich verbessert.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer zentral gespeisten Antenne mit einem Horn als Speisesystem und einem Einfachreflektor, dessen Oberfläche gemäß der Erfindung geformt ist;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung der Abweichung der Oberflächengestalt des gemäß der Erfindung geformten Reflektors von einem üblichen Parabolreflektor;

Fig. 3 eine Darstellung des Reflexionsfaktors des Ge­ samtsystemes für ein Referenzsystem mit einem Pa­ rabolreflektor für die Polarisation in X-Richtung und für ein Antennensystem gemäß der Erfindung für die Polarisationen in X- und Y-Richtung;

Fig. 4a bis 4d Gegenüberstellungen der Antennendiagramme in Ele­ vation und Azimut über der Bedeckungsfläche in Co- und Kreuzpolarisation für ein Referenzsystem und ein Antennensystem gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein zentral gespeistes Antennensystem 1 mit einem Einfachreflektor 2 und einem Speisesystem, in diesem Falle einem Horn 3 dargestellt, wobei das Horn über vier Stützen 4 mittig über dem Reflektor 2 gehalten ist und über Kabel 5 gespeist wird.

Der Reflektor 2 ist ein Parabolreflektor, der nach herkömm­ lichen Methoden so ausgelegt ist, dass eine gewünschte Be­ deckungsfläche 6 (Fig. 4) ausreichend ausgeleuchtet wird. Das Antennensystem 1 wird z. B. auf einem Nachrichtensatel­ liten eingesetzt, so dass die Bedeckungsfläche ein bestimm­ tes Gebiet auf der Erdoberfläche ist.

Um die Dämpfung des Fernfeldes durch das Horn, die Stützen und das Kabel zu reduzieren, werden die Stützen 4 als Stre­ ben mit einer Wabenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt. Als Fasern werden bevorzugt Aramitfasern ver­ wendet. Das Horn 3 wird mit einer reflektierenden Folie, z. B. einer Aluminiumfolie, grob umhüllt, was insbesondere dazu dient, Reflexionen des Nahfeldes an scharfen Kanten etc. zu verhindern.

Die Oberfläche des Parabolreflektors wird zunächst mit Hil­ fe eines Software-Programmes so berechnet, dass das Fern­ feld des Antennensystemes die gewünschte Bedeckungsfläche 6 überdeckt. Dies erfolgt z. B. mit Hilfe des oben genannten PO-Programmes.

Anschließend wird ein ebenfalls rechnergestützter Optimie­ rungsprozeß mit Hilfe eines Optimierungsprogrammes vorge­ nommen, mit dem im wesentlichen die gesamte Reflektorfläche Punkt für Punkt optimiert wird, um einmal die Bedingungen im Nahfeld und zum anderen diejenigen im Fernfeld zu opti­ mieren. Die Bedingung im Nahfeld lautet im wesentlichen, dass die Fläche so gestaltet wird, dass sich an der Apertur des Hornes im copolaren Nahfeld eine Nullstelle ergibt, und dass auf der Bedeckungsfläche im copolaren Fernfeld ein Ma­ ximum erzeugt wird.

In Fig. 2 sind die damit errechneten Abweichungen der op­ timierten Reflektorfläche gegenüber der vorgeformten Re­ flektorfläche dargestellt. Die Daten gelten für einen An­ tennenreflektor mit einem Durchmesser von 100 cm und einem Abstand der Hornapertur über dem Zentrum des Parabolreflek­ tors von 40 cm. Das Frequenzband liegt bei dieser Antenne zwischen 5,8 und 6,4 GHz bei zweifach linearer Polarisati­ on. Die in Fig. 2 gezeigten Abweichungen des optimierten Reflektors 2 von der vorgeformten Parabolform liegen zwi­ schen -1,74 mm und +4,41 mm.

In Fig. 3 ist der Reflexionsfaktor des Gesamtsystemes in Bezug zu dem Referenzsystem mit einem vorgeformten Parabol­ reflektor in dem Frequenzband zwischen 5,6 und 6,5 GHz ge­ zeigt. Mit 7 ist hierbei die Kurve für das Referenzsystem in Copolarisation gezeigt; mit 8 ist die entsprechende Kur­ ve für das optimierte Antennensystem gemäß den Fig. 1 und 2 gezeigt. Man sieht, dass die Werte hier deutlich bes­ ser sind. Mit 9 ist weiterhin die Kurve für die Kreuzpola­ risation für das Antennensystem gemäß der Erfindung darge­ stellt. Die mittlere Amplitude für das Gesamtsystem liegt bei etwa 22 dB.

In Fig. 4 sind jeweils Antennendiagramme über der Bedec­ kungsfläche 6 für das Referenzsystem mit Parabolreflektor und für das Antennensystem gemäß der Erfindung dargestellt: Die Fig. 4a und 4b zeigen die copolaren Antennendiagram­ me für das Referenzsystem bzw. das System gemäß der Erfin­ dung, wobei die Linien mit den jeweiligen dB-Werten verse­ hen sind. Für das Referenzsystem gemäß Fig. 4a ist deut­ lich etwa in der Mitte der Bedeckungsfläche 6 ein Bereich 10 zu erkennen, der durch eine Linie mit 24 dB begrenzt ist. Ein derartiger Bereich ist in Fig. 4b bei dem Anten­ nensystem gemäß der Erfindung nicht vorhanden. Das gesamte Bedeckungssystem bei dem Antennensystem gemäß der Erfindung wird quasi von einem Bereich mit dem dB-Wert von 24 um­ grenzt. Insgesamt kann mit einer Optimierung der gesamten Oberfläche des Antennenreflektors gemäß der Erfindung das copolare Fernfeld besser gestaltet werden. Die durch die Dämpfung durch das Horn, die Streben und die Kabel hervor­ gerufenen Störungen des copolaren Feldes werden mit dem An­ tennensystem gemäß der Erfindung stark reduziert.

In Fig. 4c ist das Antennendiagramm des Referenzsystemes in der Kreuzpolarisation gezeigt, in Fig. 4d dasjenige des Antennensystems gemäß der Erfindung. Hier sieht man ganz deutlich, dass mit der Erfindung eine wesentliche Verbesse­ rung der Antenneneigenschaften erreicht werden, d. h. dass durch die Optimierung der im wesentlichen gesamten Reflek­ torfläche die Einflüsse der Rückwirkung des Nahfeldes auf das Speisesystem reduziert werden.

Insgesamt wird das Gesamtsystem so verbessert, dass die störenden Einflüsse durch die Dämpfung und die Rückwirkung auf das Speisesystem etwa so wirken, wie ein äquivalenter Störer von mehr als - 30 dB.

In der Tabelle am Schluß der Beschreibung sind die Werte für den maximalen Gesamtreflexionsfaktor, den minimalen Ge­ winn am Rand der ausgeleuchteten Bedeckungsfläche, den mi­ nimalen Gewinn innerhalb der Bedeckungsfläche in dem Fre­ quenzband zwischen 5,854 und 6,298 GHz, die maximale Kreuzpolarisation auf der gesamten Bedeckungsfläche und die minimale Kreuzpolarisationsdiskrimination XPD, d. h. eine Punkt-für-Punkt-Korrelation zwischen Co- und Kreuzpolarisa­ tion auf der gesamten ausgeleuchteten Bedeckungsfläche ebenfalls im Frequenzband zwischen 5,854 und 6,298 aufgeli­ stet, und zwar einmal für eine als Referenz dienende Para­ bolantenne, dann für eine Parabolantenne mit einem zentra­ len Störkörper und schließlich für ein Antennensystem, de­ ren Reflektor gemäß der Erfindung über die gesamte Oberflä­ che nachgeformt wurde.

Man sieht, dass die Antenneneigenschaften in der Kreuzpola­ risation, die aufgrund der Rückwirkung des Nahfeldes auf das Speisesystem erzeugt werden, mit einer Nachformung der gesamten Reflektoroberfläche besser ausgelegt werden können als mit der Anwendung von Störkörpern. Die Antenneneigen­ schaften in Copolarisation am Rande der Bedeckungsfläche sind bei einer entsprechend der Erfindung optimierten Re­ flektorfläche besser als bei einer Anwendung von Störkör­ pern. Die Störkörper stören das gesamte Feld, das ursprüng­ lich unter copolaren Anforderungen ausgelegt war. Hingegen entspricht die gemäß der Erfindung nachgeformte Oberfläche des Reflektors einem optimalen Kompromiß zwischen der copo­ laren Antenneneigenschaft und der Reduktion der Rückwirkung auf das Speisesystem.

Insgesamt führt die Nachformung der gesamten Reflektorober­ fläche überwiegend zu besseren elektrischen Eigenschaften als die Anwendung von Streukörpern.

Auch wenn im Vorhergehenden nur die Optimierung eines An­ tennensystemes mit einem Einfachreflektor geschildert wur­ de, sind natürlich auch Antennensysteme mit Doppelreflekto­ ren, d. h. einem Subreflektor und einem Hauptreflektor gemäß der Erfindung zu optimieren. Hierbei wird zunächst der von dem Speisesystem bestrahlte Subreflektor über die gesamte Oberfläche optimiert, um die Rückwirkung auf das Speisesy­ stem zu minimieren und den Hauptreflektor optimal aus zu­ leuchten. Anschließend wird der Hauptreflektor wiederum so optimiert, dass das Maximium der Copolarisation auf der Be­ deckungsfläche maximal und die Rückwirkung auf den Subre­ flektor minimal ist.

Bei allen Verfahren gemäß der Erfindung stimmt die Optimie­ rung sehr gut mit der Analyse überein, d. h. die gemessenen Eigenschaften des Antennensystems stimmen sehr gut mit den zuvor berechneten Eigenschaften überein. Damit ist mit dem Verfahren ein sehr wirksames Werkzeug zur Verfügung ge­ stellt, um Antennensysteme ohne komplizierte und langwieri­ ge Versuche zu konstruieren.

Tabelle

Claims (6)

1. Zentral gespeistes Antennensystem mit einem Speisesystem und einem, eine Bedeckungsfläche beleuchtenden Reflektorsystem, z. B. einem Einfach- oder einem Doppelreflektor, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte wirksame Reflektoroberfläche so geformt ist, daß entsprechend der Anforderung an das Fernfeld des Antennensystems das Maximum des copolaren Fernfeldes auf der Bedeckungsfläche (6) liegt und das Minimum des copolaren Nahfeldes an dem Speisesystem (3) liegt.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoroberfläche dergestalt geformt ist, daß bei der Optimierung des Nahfeldes zur Reduzierung der Rückwirkung auf das Speisesystem das copolare Fernfeld im wesentlichen nicht verändert wird.

3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisesystem (3) einen geringen Aperturdurchmesser aufweist.

4. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisesystem (3) mit Stützen (4) abgestützt ist, die eine Wabenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff haben.

5. Verfahren zum Optimieren eines zentral gespeisten Antennensystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Antennensystem ein Rechenmodell verwendet wird, das Fern- und Nahfeld errechnet, und daß im Modell im wesentlichen die gesamte Reflektoroberfläche derart verformt wird, daß im Nahfeld im Bereich des Speisesystems eine Nullstelle erzeugt wird und das Maximum des copolaren Fernfeldes auf der Bedeckungsfläche liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst mit Hilfe eines Rechenmodells für das Antennensystem die Anforderungen an das Fernfeld berechnet werden und daß daraufhin das Rechenmodell so optimiert wird, daß im Bereich des Nahfeldes an dem Speisesystem eine Nullstelle erzeugt wird, ohne daß das berechnete Fernfeld im wesentlichen verändert wird.