DE2127518A1

DE2127518A1 - Antenna with toroidal reflector

Info

Publication number: DE2127518A1
Application number: DE19712127518
Authority: DE
Inventors: G Hyde; Jr R W Kreutel
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1970-06-08
Filing date: 1971-06-03
Publication date: 1971-12-16
Also published as: FR2094116B1; CA930042A; SE377232B; NL7107799A; GB1342677A; JPS576281B1; FR2094116A1

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. H.E. BÖHMERPATENT Attorney DIPL-ING. H.E. BÖHMER

703 BOBLINGEN/WÜRTT. · SINDELFINGER STRASSE 49703 BOBLINGEN / WÜRTT. · SINDELFINGER STRASSE 49

FERNSPRECHER (07031) 613040 2 I 2 / 5 ITELEPHONE (07031) 613040 2 I 2/5 I.

Anmelder: COMMUNICATIONS SATELLITE CORPORATIONApplicant: COMMUNICATIONS SATELLITE CORPORATION

Washington D.O, V.St.A.Washington D.O, V.St.A.

Amtl. Aktenz.: Neuanme IdungOfficial File: New name Idung

Böblingen, 2.6.1971Boeblingen, June 2, 1971

Antenna with toroidal reflector

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Antennen mit Toroidreflektoren für Senden und Empfang elektromagnetischer Wellen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Antenne mit stationärem Reflektor, der in der Lage ist, die Richtstrahlen der elektromagnetischen Strahlung entlang der quasistationären Umlaufbahn von Satelliten zu verschwenken oder zu führen.The invention relates generally to antennas with toroidal reflectors for transmission and receiving electromagnetic waves. In particular, the invention relates to an antenna with a stationary reflector which is capable of receiving the directional beams to pivot or guide the electromagnetic radiation along the quasi-stationary orbit of satellites.

Toroidförmige Reflektoren für Antennen sind seit langem dafür bekannt, daß sie eine rasche Schwenkbewegung eines scharf gebündelten Strahles in einer Ebene gestatten. Antennen dieser Art werden im allgemeinen auf der Erde für Dezimeter-Richtfunksysteme eingesetzt, bei denen einer oder mehrere Richtstrahlen elektromagnetischer Energie wahlweise oder gleichzeitig von einer gemeinsamen Reflektoroberfläche zu einer oder mehreren Empfangsantennen übertragen werden können, die ein weites Gesichtsfeld überspannen. Ein typisches System dieser Art ist von Kenneth S. Kelleher in dem US-Patent Nr. 3 317 912 vom 2.5.1967Toroidal reflectors for antennas have long been known to have a rapid pivoting movement of a sharply bundled beam in one plane allow. Antennas of this type are generally used on earth for decimeter radio systems used in which one or more directional beams of electromagnetic energy optionally or simultaneously from a common Reflector surface can be transmitted to one or more receiving antennas that span a wide field of view. A typical system of this Art is from Kenneth S. Kelleher in U.S. Patent No. 3,317,912 dated May 2, 1967

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mit dem Titel "Konzentrische Mehrfach-Parabolantenne für Rundumsfrahlung" beschrieben. with the title "Concentric multiple parabolic antenna for all-round radiation".

Die Schwenkbewegung der von dieser Art von Antennenreflektoren ausgehenden Richtstrahlen definiert eine ebene Fläche, für die die Strahlungsdiagramme aller Richtstrahlen außerhalb des Nahfeldes dieser Ebene identisch sind.Eine solche Antenne hat somit eine Zrrkularsymmetrie in der Strahlungsebene oder Abstrahlebene. Das Überstreichen weiter Winkelbereiche durch die Richtstrahlen kann dadurch erreicht werden, daß man die Einspeisungspunkte für den Reflektor in einer Ebene parallel zu der Abtastebene in Positionen mit gleichem Abstand von der Reflektoroberfläche verschiebt. Ist somit der Richtstrahl für einen Einspeisungspunkt gut fokusiert, dann wird er für alle gleichartigen Einspeisungspunkte in gleicher Weise gur fokussiert oder gebündelt sein.The pivoting movement of the antenna reflectors emanating from this type of antenna Directional rays defines a flat surface for which the radiation diagrams of all Directional rays outside the near field of this plane are identical. Such an antenna thus has a circular symmetry in the radiation plane or radiation plane. The sweeping of wide angular areas by the directional beams can thereby can be achieved that the feed points for the reflector in one plane parallel to the scanning plane in positions equidistant from the reflector surface shifts. Is the directional beam good for a feed point then it is focused in the same way for all similar feed points gur be focused or bundled.

Die Oberfläche des toroidförmigen Reflektors wird im allgemeinen durch eine Erzeugende definiert, die um eine Achse rotiert wird. Die konkave Seite der Erzeugenden ist in ihrer Geometrie so gestaltet, daß ein Richtstrahl gebildet und in einer Richtung gelenkt wird, die senkrecht auf der Rotationsachse steht. Die Ausbreitungsrichtung des Richtstrahles wird dann als die Achse der Strahlrichtung oder Achse der Strahlungskeule bezeichnet. Die Gleichung für die Erzeugende, die zur Bildung der Reflektoroberfläche dient, läßt sich mathematisch derart berechnen, daß sich eine scharfe Bündelung mit hoher Antennenverstärkung, ein möglichst kleiner Phasenfehler und geringe Nebenkeulenveriuste ergeben. Der Aufsatz mit dem Titel: "Ein Toroid-Mikrowellenreflektor" von G. Peeler und D. Archer in IRE National Convention Record, Teil 1 1956, Seiten 242 bis 247 beschreibt eine typische mathematische Näherungslösung zur Berechnung der Erzeugenden für einen solchen Reflektor. Die Rotation der Erzeugenden um eine Achse zur Bildung einer toroidförmigen Oberfläche ergibt eine Reflektorfläche, die sich dafür eignet, scharf gebündelte elektromagnetische Strahlen zu bilden,The surface of the toroidal reflector is generally defined by a generatrix defined, which is rotated around an axis. The concave side of the generatrix is designed in its geometry so that a directional beam is formed and in a Direction is steered which is perpendicular to the axis of rotation. The direction of propagation of the directional beam is then referred to as the axis of the beam direction or axis of the radiation lobe. The equation for the generator that serves to form the reflector surface can be calculated mathematically in such a way that that there is a sharp focus with high antenna gain, the smallest possible phase error and low side lobe veriuste. The essay entitled: "A Toroid Microwave Reflector" by G. Peeler and D. Archer in IRE National Convention Record, Part 1 1956, pages 242-247 describes a typical approximate mathematical solution for calculating the generators for such a reflector. The rotation of the generators by one The axis for the formation of a toroidal surface results in a reflector surface which is suitable for the formation of sharply focused electromagnetic rays,

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die von einer Anzahl symmetrisch angeordneter Speisepunkte nach einer Anzahl von Empfangsantennen gerichtet sind, die in einer ebenen oder planaren Abtastfläche liegen.that of a number of symmetrically arranged feed points after a number by receiving antennas are directed in a flat or planar scanning surface lie.

Bisher war die Erzeugende im allgemeinen auf einen elliptischen oder parabelförmigen Kegelschnitt beschränkt. Der Brennpunkt lag dabei im Inneren der konkaven Seite der Erzeugenden und auf der Achse der Parabel oder Ellipse, die vom Scheitel der Kurve ausgeht. In der Nähe des Brennpunktes abgestrahlte elektromagnetische Energie wird zu einem Strahl gebündelt, und von der Oberfläche längs einer Linie parallel zu der Achse des Kegelschnittes abgestrahlt. Da die toroidförmige Reflektionsfläche durch Rotieren des Kegelschnittes um eine Achse senkrecht zu der Achse der Parabel oder Ellipse erzeugt wird, läßt sich die Reflektoroberfläche als rechteckiger Torusreflektor bezeichnen.So far, the generatrix was generally elliptical or parabolic Conic section restricted. The focal point was inside the concave side of the generatrix and on the axis of the parabola or ellipse, which starts from the apex of the curve. Radiated near the focal point electromagnetic energy is bundled into a beam and radiated from the surface along a line parallel to the axis of the conic section. Because the toroidal reflecting surface is created by rotating the conic section is generated about an axis perpendicular to the axis of the parabola or ellipse refer to the reflector surface as a rectangular torus reflector.

Der Einspeisungspunkt liegt typischerweise auf einer Linie senkrecht zur Rotationsachse und in einem vorgegebenen Abstand von dieser. Eine Abtastbewegung der Richtstrahlen oder Strahlungskeulen erhält man durch Bewegen des Einspeisungspunktes längs eines Kreisbogens, dessen Radius auf der Rotationsachse seinen Mittelpunkt hat, und der in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse liegt. Ferner ist es bereits bekannt, eine Anzahl von Einspeisungspunkten längs eines solchen Kreisbogens anzuordnen, um ein Abtasten oder eine Quasiabtastbewegung durch selektives Erregen eines oder mehrerer dieser Einspeisungspunkte zu erzielen. Die gleiche Einspeisung in verschiedenen Punkten längs eines Einspeisungskreisbogens, dessen Mitte auf der Rotationsachse liegt, und der in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse liegt, bewirkt die Erzeugung von identischen Strahlungskeulen. Da gemäß dem Stand der Technik die Rotationsachse auf eine Richtung senkrecht zur Achse des Kegelschnittes beschränkt ist, liegen notwendigerweise die durch den rechteckigen Toroidreflektor fUrThe feed point is typically on a line perpendicular to the axis of rotation and at a predetermined distance from it. A scanning movement of the directional beams or radiation lobes is obtained by moving the feed point along an arc whose radius is on the axis of rotation Has center, and which lies in a plane perpendicular to the axis of rotation. Furthermore, it is already known to have a number of feed points along one to arrange such a circular arc to allow scanning or a quasi-scanning movement by selectively energizing one or more of these feed points achieve. The same feed at different points along a feed circular arc, whose center lies on the axis of rotation, and which lies in a plane perpendicular to the axis of rotation, causes identical Radiation lobes. Since, according to the prior art, the axis of rotation is limited to a direction perpendicular to the axis of the conic section, they necessarily lie due to the rectangular toroidal reflector for

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gleichartige Einspeisung an gleichartigen Einspeisungspunkten erzeugten Strahlungskeulen in einer gemeinsamen Ebene, die auf der Rotationsachse senkrecht steht.Similar feed at similar feed points generated radiation lobes in a common plane that is perpendicular to the axis of rotation.

Rechteckige Torusreflektoren haben eine Phasenverteilung in der Aperturebene, die eine mit Parabolreflektorantennen vergleichbare Antennenverstärkung liefern. Die Antennenverstärkung ist bekanntlich eine Funktion der Wellenlänge, der Veränderung der Toroidparameter und des Einspeisungspunktes. Der bisher bekannte rechteckige Torusreflektor hat durchsehe planare Abtastbewegung Weitwinkeleigenschaften und ist somit für viele Richtfunk- und Radaranwendungsgebiete auf der Erde gut geeignet. Eine leicht in ihrer Lage verschiebbare Einspeisung oder eine Anzahl verteilt angeordneter Einspeisungspunkte gibt der Toroidantenne eine Fähigkeit, die rasche Quasiabtastung oder Schwenkbewegung der Strahlungskeule über einen weiten Öffnungswinkel zu erzeugen. Eine feststehende Reflektorantenne hat offensichtliche Vorteile gegenüber beweglichen Richtantennen, da diese wegen ihrer Größe und ihres Gewichtes nur schwierig mechanisch verschwenkt werden können. Außerdem ist die Torusantenne in der Lage, gleichzeitig eine Anzahl von einer Gruppe von Einspeisungspunkten ausgehenden Richtstrahlen zu reflektieren und über einen weiten Winkelbereich abzustrahlen.Rectangular torus reflectors have a phase distribution in the aperture plane, which provide antenna gain comparable to parabolic reflector antennas. The antenna gain is known to be a function of the wavelength, the change in the toroidal parameters and the feed point. The one so far known rectangular toroidal reflector has wide-angle properties by virtue of its planar scanning motion and is therefore suitable for many radio relay and radar application areas well suited on earth. The toroidal antenna has a feed that can be easily displaced in its position or a number of feed points arranged in a distributed manner an ability to produce the rapid quasi-scanning or pivoting movement of the radiation lobe over a wide aperture angle. A fixed one Reflector antenna has obvious advantages over movable directional antennas, because they can only be pivoted mechanically with difficulty due to their size and weight. In addition, the torus antenna is able to to simultaneously reflect a number of directional beams emanating from a group of feed points and to emit them over a wide angular range.

Trotz dieser offensichtlichen Vorteile hat man jedoch festgestellt, daß die dieser Antenne, d.h. der rechtwinkeligen Torusantenne eigene Beschränkung auf eine planare Abtastung die Anwendung der Antenne mit feststehendem Reflektor in vielen anderen Bereichen der Nachrichtenübertragung stark einschränkt. Ein Gebiet beschränkter Anwendbarkeit ist die Aussendung oder der Empfang von Signalen nach oder von Raumsatelliten, die der Nachrichtenübertragung oder Beobachtungsaufgaben auf der Erde dienen, wobei diese Satelliten gewöhnlich in einer quasistationären Umlaufbahn in Bezug auf die Erde umlaufen. Eine quasistationäre Umlaufbahn um die Erde ist im wesentlichen ein Kreis, dessenDespite these obvious advantages, however, it has been found that these Antenna, i.e. the right-angled torus antenna's own restriction to planar scanning, the use of the antenna with a fixed reflector severely restricted in many other areas of message transmission. One area of limited applicability is the sending or receiving of Signals to or from space satellites that transmit communications or Serve observation tasks on earth, these satellites usually orbit in a quasi-stationary orbit with respect to the earth. One quasi-stationary orbit around the earth is essentially a circle whose

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Radius 42.248,4 km beträgt, der konzentrisch und koplanar mit einem Kreis liegt, der durch eine Ebene durch den Äquator der Erde, der sogen. Umlaufebene, definiert ist. Diese Umlaufbahn ist durch eine Umlaufperiode von 24 Stunden gekennzeichnet, die der Umlaufzeit der Erde entspricht.Radius is 42,248.4 km, which is concentric and coplanar with a circle, that by a plane through the equator of the earth, the so-called. Orbital plane, defined is. This orbit is characterized by an orbital period of 24 hours, which corresponds to the orbital time of the earth.

Die Übertragung von Information zu diesen Synchronsatelliten wird durch Erdfunkstationen mit Antennen bewirkt, deren Strahlrichtung fest auf den quasistationären Satelliten ausgerichtet ist. Richtstrahlen von Erdfunkstellen benötigen eine Nachstellung nur insoweit, wie die in Bezug auf die Erde quasistationären Satellitenpositionen bei Störungen der Umlaufbahn nicht stabil zu halten sind oder für den Fall, daß die Synchronsatelliten sich entweder auf der quasi stationäre η Umlaufbahn bewegen oder selektiv durch eine einzige Erdfunkstelle angestrahlt werden.The transmission of information to these synchronous satellites is through earth radio stations caused by antennas whose beam direction is firmly aligned with the quasi-stationary satellite. Directional beams from earth stations require adjustment only insofar as the satellite positions are quasi-stationary with respect to the earth cannot be kept stable in the event of disturbances in the orbit or in the event that the synchronous satellites are either moving on the quasi-stationary η orbit or be selectively illuminated by a single earth station.

Derzeit verwendete Erdfunkstellen benutzen Parabolspiegel oder Homantennen mit nur einer Strahlungskeule. Dabei können die Stellungen der Antennenreflektoren
über einen großen Bereich der sichtbaren Hemisphäre mit Hilfe von Servosteuerungen in allen Richtungen mit hoher Präzision verschwenkt werden. Diese Servosysteme
sind meist im Antennenturm oder dem Unterbau angebracht. Dabei wird im allgemeinen ein automatisches Nachlaufsystem verwendet. Diese Antennen sind notwendigerweise sehr aufwendig und falls eine Anzahl von Richtfunkstrahlen benötigt wird, muß an dem Ort der Erdfunkstelle mehr als eine solche Antennenanlage vorgesehen sein.Earth stations currently in use use parabolic mirrors or homing antennas with only one beam. The positions of the antenna reflectors
can be pivoted over a large area of the visible hemisphere with the help of servo controls in all directions with high precision. These servo systems
are usually attached in the antenna tower or the substructure. An automatic follow-up system is generally used for this. These antennas are necessarily very expensive and if a number of directional radio beams is required, more than one such antenna system must be provided at the location of the earth station.

Zukünftige Erdfunkstellen, die an vielen Stellen der Erdoberfläche vorgesehen
werden sollen, sollten mit wesentlich weniger aufwendigen Antennen mit hoher
Antennenverstärkung auskommen können, die dabei noch einen oder mehrere
Richtstrahlen erzeugen, die auf Satelliten in einer quasistationären Erdumlaufbahn gerichtet sind. Die Richtung der Strahlungskeulen der Mehrzahl der zukünftigen Erdfunkstellenantennen wird längs der quasistationären Umlaufbahn der Satelliten liegen müssen. Die rechteckige Toroidreflektorantenne, wie sie zuvor be- ,Future earth stations that are planned at many points on the earth's surface
should be with much less expensive antennas with high
Antenna reinforcement can get by with one or more
Generate directional beams that are aimed at satellites in a quasi-stationary earth orbit. The direction of the radiation lobes of the majority of future earth station antennas will have to be along the quasi-stationary orbit of the satellites. The rectangular toroidal reflector antenna as previously used

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schrieben wurde, besitzt sicherlich eine Reihe von wünschenswerten Eigenschaften, wie sie für zukünftige Erdfunkstationen gefordert werden müssen. Insbesondere sind dies einfacher Aufbau, nicht allzu aufwendige Konstruktion, verbunden mit der Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Strahlungskeulen bei hohem Antennengewinn und scharfer Strahl bunde lung zu erzeugen. Betrachtet man den sichtbaren Kreisbogen der quasistationären Umlaufbahn von einem Punkt auf dem Äquator aus, (d.h. einem in ά~τ Umlaufbahnebene liegenden Punkt), dann ist das erforderliche Gesichtsfeld der Antenne eben, d.h auf Satelliten gerichtete Strahlungskeulen, weiche irgendwo in der quasistationären Umlaufbahn liegen, liegen damit notwendigerweise auch in der Ebene der Umlaufbahn, in diesem besonderen Fall wäre eine planare oder ebene Ausrichtbarkeit der Strahlungskeulen der Antenne zu fordern. was written, certainly has a number of desirable properties as they must be required for future earth radio stations. In particular, this is a simple structure, not too complex construction, combined with the possibility of generating several radiation lobes at the same time with a high antenna gain and sharp beam bundling. If one looks at the visible circular arc of the quasi-stationary orbit from a point on the equator (i.e. a point lying in ά ~ τ orbital plane), then the required field of view of the antenna is flat, i.e. radiation lobes directed at satellites, which lie somewhere in the quasi-stationary orbit , are therefore necessarily also in the plane of the orbit, in this special case a planar or level alignment of the radiation lobes of the antenna would be required.

Wird jedoch die Position der Erdfunkstelle vom Äquator weg verlegt, dann weichen die Antennenstrahlrichtungen, wie sie zum Verkehr mit Satelliten auf der quasistationären Umlaufbahn erforderlich sind, von dem ebenen Abtastbereich ab. Die Beschränkung der bisher bekannten Toroidreflektorantennen auf die planare Abtastung verhindert damit die vollständige Ausnutzung dieser Antennen, die an sich in der Lage sind, mit ihren Strahlungskeulen einen weiten Gesichtswinkel zu überstreichen. An Punkten oberhalb und unterhalb des Äquators ergeben von einer Erdstation zu einem Satelliten gezogene Linien in Positionen längs der quasistationären Umlaufbahn eine kegelförmige Fläche, wie man dies aus Fig. 1 erkennt. Nimmt man eine scharfe Bündelung bei hohem Antennengewinn an, dann wäre die Abtastebene einer solchen Toroidrefiektorantenne offensichtlich nur in der Lage, einen kleinen Teil dieser kegelförmigen Fläche zu überstreichen. Die Abtastebene kann dabei tangential längs der kegelförmigen Oberfläche verlaufen und den Kreisbogen an einem Punkt berühren oder aber der Kegelfläche gegenüberliegen und damit die quasistationäre Umlaufbahn an zwei Punkten berühren. In jedem Fall ist das Gesichtsfeld in typischerHowever, if the position of the earth station is moved away from the equator, then give way the antenna beam directions, as required for communication with satellites in quasi-stationary orbit, from the planar scanning area away. The restriction of the previously known toroidal reflector antennas to planar scanning prevents the full use of these antennas, which in themselves are able to cover a wide angle of view with their radiation lobes to paint over. At points above and below the equator, lines drawn from an earth station to a satellite result in positions along the quasi-stationary orbit a conical surface how to do this from Fig. 1 recognizes. If one assumes a sharp focus with a high antenna gain, then the scanning plane of such a toroidal reflector antenna would be obvious only able to sweep over a small part of this conical area. The scanning plane can be tangential along the conical Run surface and touch the arc at one point or but are opposite the conical surface and thus touch the quasi-stationary orbit at two points. In each case, the field of view is more typical

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Weise auf etwa 20 der Umlaufbahn beschrankt. Ein System, das mit einem solch schmalen Gesichtsfeld aufgebaut ist, würde erhebliche Beschränkungen in Bezug auf die Satellitenposition und den Verkehr mit den Satelliten mit sich bringen. Andererseits würde eine Antenne, deren Gesichtsfeld einem größeren Bogen der quasistationären Umlaufbahn entspricht, eine Reihe von Vorteilen bieten.Way restricted to about 20 of the orbit. A system that works with such a Establishing a narrow field of view would place significant restrictions on satellite position and traffic with the satellites. On the other hand, an antenna whose field of view corresponds to a larger arc of the quasi-stationary orbit would offer a number of advantages.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Toroid-Reflektorantenne, die dadurch entsteht, daß man eine Erzeugende um eine Achse rotiert, die in einem willkürlich gewählten Winkel zu der Achse der Strahlungsrichtung eines reflektierenden Strahles liegt. Der sich dabei ergebende Reflektor weist eine Zirkularsymmetrie um die Rotationsachse auf. Der der Erzeugenden zugeordnete Speisungspunkt definiert den geometrischen Ort aller Speisungspunkte, die somit auf einem Kreis mit Mittelpunkt auf der Rotationsachse liegen. Die Achse der Strahlungsrichtung und somit die überstreichbare Fläche des von der Toroidflache reflektierten Strahls wird damit der Oberfläche einer Kegelfläche folgen.The present invention thus relates to a toroidal reflector antenna, which thereby arises that one rotates a generatrix about an axis at an arbitrarily chosen angle to the axis of the radiation direction of a reflective Ray lies. The resulting reflector has circular symmetry about the axis of rotation. The feed point assigned to the generator defines the geometric location of all feed points, which therefore lie on a circle with a center on the axis of rotation. The axis of the direction of radiation and thus the paintable area of the reflected from the toroidal surface The beam will follow the surface of a conical surface.

Wegen der Zirkularsymmetrie stellt der Reflektor für alle Punkte des durch den Speisepunkt für diese Erzeugende beschriebenen Kreises die gleichen Strahlerzeugungseigenschaften dar. Ein einziger beweglicher Einspeisungspunkt oder eine Anzahl wahlweise erregbarer Speisungspunkte, die auf dem Einspeisungskreis liegen, liefert, wenn die Reflektorfläche angestrahlt wird, identische Richtstrahlen, deren Achsen der Strahlrichtung einen kreisförmigen Kegel beschreiben. Because of the circular symmetry, the reflector provides for all points of the through the Feed point for this generating circle described the same beam generating properties A single movable feed point or a number of optionally excitable feed points, which are located on the feed circuit, provide identical when the reflector surface is illuminated Directional rays, the axes of which describe a circular cone.

Durch geeigente Auswahl des Winkels zwischen der Achse der Strahlrichtung und der Rotationsachse des Toroidreflektors werden die von der Antenne abgestrahlten Strahlungskeulen eine kegelförmige Oberfläche definieren, die der tatsächlichen kegelförmigen Oberfläche sehr nahekommt, die sich zwischen der ErdfunLitelle und der quasistationären Umlaufbahn erstreckt.By appropriate selection of the angle between the axis of the beam direction and the axis of rotation of the toroidal reflector are those radiated by the antenna Radiation lobes define a conical surface that is very close to the actual conical surface that extends between the earth's funnel and the quasi-stationary orbit extends.

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Innerhalb der kontinentalen und zusammenhängenden Fläche der Vereinigten Staaten ist beispielsweise ein Winkel von 95,5 zwischen der Achse der Strahlrichtung und der Rotationsachse optimal. Das ergibt einen Reflektor, dessen Strahlungskeulen für eine vorgeschlagene Reflektorgröße um weniger als den Strahlungskeulendurchmesser von dem Gesichtsfeld abweichen und dies bei dem exakten Abtastkegel, der für den zusammenhängenden Teil der Vereinigten Staaten erforderlich ist.Within the continental and contiguous area of the United States is for example an angle of 95.5 between the axis of the beam direction and the axis of rotation optimally. This results in a reflector, its radiation lobes for a suggested reflector size by less than the beam diameter deviate from the field of view at the exact scan cone required for the contiguous part of the United States.

Die ERfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigtThe invention is now based on exemplary embodiments in connection with the drawings described in more detail. It shows

Fig. 1 die graphische Darstellung des Gesichtsfeldes einer Erdfunkstellenantenne auf der nördlichen Halbkugel, die längs der quasistationären Umlaufbahn fokussiert oder gebündelt ist;1 shows the graphic representation of the field of view of an earth station antenna in the northern hemisphere, which is focused or bundled along the quasi-stationary orbit;

Fig. 2 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;Fig. 2 schematically shows a preferred embodiment of the invention;

Fig. 3 eine geometrische Darstellung eines Schnittes durch die Rotationsachse in Fig. 13 shows a geometric representation of a section through the axis of rotation in Fig. 1

und
Fig. 4 schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.and
4 schematically shows a further embodiment of the invention.

Fig. 1 zeigt das Gesichtsfeld oder den Blickwinkel der Antenne einer Erdfunkstelle für die Übertragung nach Satelliten, die sich auf einer quasistationären Umlaufbahn befinden. Die Erde ist als Kugel E dargestellt, deren polare Nord-Süd-Achse durch die Linie N-S bezeichnet ist. Der Äquator der Erde wird durch eine Ebene definiert (hier als Ebene der Umlaufbahn bezeichnet), die senkrecht auf der Nord-Süd-Achse der Erde steht und die Achse an einem Punkt in der Mitte zwischen Nord- und Südpol schneidet. Der Schnitt der Ebene der Umlaufbahn und der Kugel E ergibt einen Kreis, der in der Umlaufbahnebene liegt. Außerdem liegtFig. 1 shows the field of view or the angle of view of the antenna of an earth station for transmission to satellites that are in quasi-stationary orbit. The earth is shown as sphere E, its polar north-south axis indicated by the line N-S. The Earth's equator is defined by a plane (referred to here as the plane of orbit) that is perpendicular stands on the north-south axis of the earth and the axis intersects at a point in the middle between the north and south poles. The intersection of the plane of the orbit and of the sphere E results in a circle that lies in the plane of the orbit. Also lies

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ebenfalls in der Ebene der Umlaufbahn und konzentrisch mit dem Äquatorkreis die quasistationäre Satellitenumlaufbahn, die im wesentlichen einen Kreis mit einem Radius von 42.248,4 km bildet. Satelliten, die die Erde in diesem Abstand umkreisen, haben eine Umlaufperiode von 24 Stunden, die der Umlaufzeit der Erde entspricht. Erdfunkstellen Al und A2 sind auf der Oberfläche der Erde dargestellt. Die Station Al liegt dabei auf dem Äquator bei der geographischen Länge L und liegt in der Ebene der Umlaufbahn. Die Erdfunkstelle A2 liegt in der nördlichen Halbkugel auf dem gleichen Längengrad wie die Station Al, liegt jedoch oberhalb der Ebene der Umlaufbahn. Obgleich das dargestellte Beispiel auf eine Betrachtung der kontinentalen Verhältnisse in den Vereinigten Staaten abgestellt . ist, lassen sich die Grundprinzipien der Erfindung auch auf Erdfunkstellen anwenden, die sowohl auf der nördlichen als auch auf der südlichen Halbkugel der Erde über einen weiten Bereich von Längengraden stationiert sein können.also in the plane of the orbit and concentric with the equatorial circle Quasi-stationary satellite orbit, essentially forming a circle with a radius of 42,248.4 km. Satellites orbiting the earth at this distance, have an orbital period of 24 hours, which corresponds to the orbital time of the earth. Earth stations A1 and A2 are shown on the surface of the earth. The station Al lies on the equator at the geographical longitude L and lies in the plane of the orbit. The earth station A2 is in the northern hemisphere on the same longitude as the station Al, but is above the plane of orbit. Although the example shown is on a consideration of continental conditions in the United States. is, the basic principles of the invention can also be applied to earth stations, those in both the northern and southern hemispheres of the earth can be stationed over a wide range of longitudes.

Von der Erdfunkstelle Al nach Satelliten in verschiedenen Positionen längs der quasistationären Umlaufbahn der Satelliten übertragene Richtstrahlen sind als ausgezogene Linien dargestellt, die innerhalb der Ebene der Umlaufbahn liegen. Von der Erdfunkstelle A2 nach gleichartigen Satellitenpositionen auf der quasistationären Umlaufbahn gerichtete Funkstrahlen sind gestrichelt eingezeichnet und beschreiben eine kegelförmige Fläche, wobei der Scheitelpunkt des Kegels am Punkt der Erdfunkstelle liegt. Die Achse des Kegels ist um einen Winkel gegen die polare Nord-Süd-Ach se geneigt, wobei dieser Winkel entsprechend der geographischen Breite der Erdfunkstelle A2 sich ändert. In der nördlichen Halbkugel ist dieser Winkel ein kleiner negativer Winkel, der sich als Funktion der geographischen Breite ändert.From the earth station Al to satellites in various positions along the Directional beams transmitted in the quasi-stationary orbit of the satellites are shown as solid lines that lie within the plane of the orbit. From the earth station A2 to similar satellite positions on the quasi-stationary Orbital radio beams are shown in dashed lines and describe a conical surface, with the apex of the cone is at the point of the earth station. The axis of the cone is opposed by an angle the polar north-south axis is inclined, this angle corresponding to the geographic latitude of the earth station A2 changes. In the northern hemisphere this angle is a small negative angle that changes as a function of latitude.

Eine rechteckige Toroidantenne mit planarer Strahlabtastung ist nicht in der Lage, die konische Fläche anzunähern, die von der Erdfunkstelle aus gesehen sich über den sichtbaren Teil der quasistationären Umlaufbahn erstreckt. Für den Fall, daßA rectangular toroidal antenna with planar beam scanning is not able to to approximate the conical surface that extends over the visible part of the quasi-stationary orbit as seen from the earth station. In case that

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die Mitte der Abtastbewegung sich auf gleichem Längengrad mit der Erdfunksfelle befindet, d.h. mit der planaren Abtastung tangential zur Kegelfläche, wurde gefunden, daß für Strahldurchmesser in der Größenordnung von 0,08 bis 0,12 ein Gesichtsfeld in der Größenordnung von 15 bis 20 erzielbar ist. Man kann auch dadurch überkompensieren, daß man die Abtastebene mit der quasistationären Umlaufbahn an zwei Punkten zum Schnitt bringt, deren Längengrade von denen der Erdfunkstelle verschieden sind. In jedem Fall sind Gesichtsfelder mit einem Winkel von etwa 20 typisch für die planare Abtastung, die gewisse Verschiebungen bei der Bewegung des Satelliten zulassen. Da die zusammenhängenden 48 Staaten der Vereinigten Staaten von Amerika sich über 60 Längengrade erstrecken und da die Staaten Alaska und Hawaii diesen Bereich noch beträchtlich erweitern, wäre eine Antenne mit einem Gesichtsfeld, das nahezu den gesamten sichtbaren Teil der quasistationären Umlaufbahn erfaßt, wünschenswert.the center of the scanning movement is on the same degree of longitude with the earth radio heads is located, i.e. with the planar scanning tangential to the conical surface, it was found that for beam diameters on the order of 0.08 to 0.12 Field of view on the order of 15 to 20 can be achieved. One can also overcompensate by having the scanning plane with the quasi-stationary orbit brings to the intersection at two points whose longitudes are different from those of the earth station. In either case, fields of view are at an angle of about 20 typical for planar scanning, which allow certain shifts in the movement of the satellite. As the contiguous 48 states of the United States of America extend over 60 degrees of longitude and since the states of Alaska and Hawaii extend this area considerably, an antenna with a field of view that covers almost the entire visible portion of the quasi-stationary orbit would be desirable.

Fig.. 2 zeigt einen Toroidreflekror mit einem einfachen Einspeisungspunkt, womit diese Antenne in der Lage ist, eine kegelförmige Abtastung längs der quasistationären Umlaufbahn zu liefern. Für die Beschreibung der Fig. 2 soll die Torusantenne innerhalb eines orrogonalen Koordinatensystems liegen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, bei dem sich die z-Achse parallel zu einer Linie erstreckt, die von der Antenne der Erdfunkstelle zu einem auf gleichem Längengrad liegenden Punkt auf der quasistationären Umlaufbahn führt. Die z-Achse fällt für den gezeigten Teil auch mit der Strahlungsrichtung zusammen. Wenn man jedoch die Erzeugende und den Einspeisungspunkt zur Bildung der Toroidoberfläche um eine Achse rotiert, dann verschiebt sich die Achse der Strahlrichtung zu Punkten auf der quasistationären Umlaufbahn, die nicht auf dem gleichen Längengrad wie die Erdfunkstelle liegen. Es sollte daraus für den Fachmann klar sein, daß in der Praxis die z-Achse sich nicht bis zu einem Punkt gleichen Längengrades auf der quasistationären Umlaufbahn zu erstrecken braucht sondern für eine gegebene Schnittansicht sich von der Antenne nach Punkten unterschiedlicher Längengrade erstrecken kann.Fig. 2 shows a toroidal reflector with a simple feed point, with which this antenna is able to scan a cone along the quasi-stationary Deliver orbit. For the description of FIG. 2, the torus antenna lie within an orrogonal coordinate system, as shown in FIG. 1 with the z-axis extending parallel to a line extending from the antenna of the earth station leads to a point on the same longitude on the quasi-stationary orbit. The z-axis falls for the one shown Part also related to the direction of radiation. But if you are the generating and rotates the feed point around an axis to form the toroidal surface, then the axis of the beam direction shifts to points on the quasi-stationary Orbit that is not on the same longitude as the earth station lie. From this it should be clear to the person skilled in the art that in practice the z-axis does not extend up to a point of the same degree of longitude on the quasi-stationary Orbit needs to extend but for a given sectional view extend from the antenna to points of different degrees of longitude can.

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Der Reflektorabschnitt M ist in dem orthogonalen Koordinatensystem derart angeordnet, daß die von einem Einspeisungspunkt H ausgehende elektromagnetische Strahlung, welche in der xz-Ebene liegt, zu einem Strahl gebündelt und von der Reflektoroberfläche in die Richtung PA ausgerichtet wird, die per Definition parallel zur z-Achse verläuft. Eine Achse R, die die Rotationsachse des Kegelschnittes ist, liegt in der xz-Ebene und bildet mit der z-Achse einen Winkel^.The reflector section M is arranged in the orthogonal coordinate system in such a way that that the electromagnetic radiation emanating from a feed point H, which lies in the xz plane, is bundled into a beam and from the Reflector surface is aligned in the direction PA, which by definition is parallel runs to the z-axis. An axis R, which is the axis of rotation of the conic section, lies in the xz-plane and forms an angle ^ with the z-axis.

Ein ebener Schnitt durch den Reflektor in der xz-Ebene in Fig. 2 ergibt das links von der x-Achse in Fig. 3 gezeigte Profil. Fig. 3 zeigt die optisch-geometrischen Verhältnisse des Toroidreflektors gemäß Fig. 2. Außerdem zeigt Fig. 3 ein Spiegelbild des Toroidreflektors um die Rotationsachse R.A plane section through the reflector in the xz plane in FIG. 2 shows this on the left profile shown from the x-axis in FIG. Fig. 3 shows the opto-geometric Relationships of the toroidal reflector according to FIG. 2. In addition, FIG. 3 shows a mirror image of the toroidal reflector around the axis of rotation R.

Die Erzeugende M in Fig. 3 hat eine Form, die die gewünschten Strahlerzeugungsund Strahlbündelungseigenschaften liefert. Gemäß dem oben erwähnten Stand der Technik sind Verfahren zum Auswählen einer geeigneten Erzeugenden bekannt. Nimmt man einen Einspeisungspunkt als Quelle elektromagnetischer Strahlung an einem optimalen Punkt der konkaven Seite der Erzeugenden an, dann wird auf die konkave Oberfläche auftreffende elektromagnetische Strahlung zu einem Strahl gebündelt und von der Reflektorfläche weg in eine Richtung gelenkt, die in der gleichen Ebene liegt wie der Einspeisungspunkt und die Rotationsachse. Zur besseren Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die Erzeugende eine Parabel sein, die per Definition eine von ihrem Scheitelpunkt ausgehende Achse aufweist, die parallel zur Richtung des zu erzeugenden gebündelten Strahles oder zur Achse der Strahlungsrichtung ist. Innerhalb des ortogonalen Koordinatensystems gemäß Fig. 2 verläuft die Parabelachse parallel zur z-Koordinate des ortogonalen Systems und steht senkrecht auf der xy-Ebene. Der Parabolschnitt bündelt einen von dem Einspeisungspunkt H ausgehenden Fächer von Strahlen zu einem in der xz-Ebene liegenden Strahl, der dann parallel zu der z-Achse verläuft.The generatrix M in Fig. 3 has a shape which gives the desired beam generation and Provides beam focusing properties. According to the prior art mentioned above, methods for selecting a suitable generator are known. Assuming a feed point as a source of electromagnetic radiation at an optimal point on the concave side of the generatrix, then electromagnetic radiation incident on the concave surface becomes one The beam is focused and directed away from the reflector surface in a direction that lies in the same plane as the feed point and the axis of rotation. To better explain the preferred embodiment of the invention, the Generating be a parabola which, by definition, has an axis starting from its vertex that is parallel to the direction of the bundled one to be generated Ray or to the axis of the direction of radiation. The parabolic axis runs parallel within the ortogonal coordinate system according to FIG. 2 to the z-coordinate of the ortogonal system and is perpendicular to the xy-plane. The parabolic section bundles an emanating from the feed point H. Fan of rays to a ray lying in the xz-plane, which is then parallel runs to the z-axis.

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Gemäß dem Stande der Technik wurde eine Rotationsachse senkrecht zur Achse der Strahlrichtung gewählt, die mit der x-Achse zusammenfiel, um den rechteckigen Toroidref lektorabschnitt zu erzeugen. Der in Fig. 3 gezeigte Winkel wäre dabei 90 und die Rotationsachse würde mit der x-Achse zusammenfallen. Die Rotation des Einspeisungspunktes um die gleiche Achse würde eine ringförmige Zirkularsymmetrie ergeben. Es sollte jedoch dem Fachmann ohne weiteres einleuchten, daß dadurch, daß die Rotationsachse senkrecht auf der Achse der Strahlrichtung steht, alle Strahlen für alle symmetrisch angeordneten Einspeisungspunkte in einer gemeinsamen Ebene liegen.According to the prior art, an axis of rotation was perpendicular to the axis chosen the direction of the beam that coincided with the x-axis, around the rectangular To generate toroidal reflector section. The angle shown in FIG. 3 would be 90 and the axis of rotation would coincide with the x-axis. The rotation of the feed point around the same axis would be annular Result in circular symmetry. However, it should be readily apparent to those skilled in the art that by having the axis of rotation perpendicular to the axis the beam direction, all beams for all symmetrically arranged feed points lie in a common plane.

Gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft die Rotationsachse für die Erzeugende mit einem Winkel cCzur z-Achse, der nicht gleich 90 ist, d.h. die Strahlrichtung steht nicht senkrecht auf der Rotationsachse R. Betrachtet man Fig. 3, so sieht man, daß die Rotationsachse R mit der z-Achse einen WinkelcCbildet, d.h. mit der Achse der Strahlrichtung, wobei dieser Winkel größer ist als 90 . Ein Einspeisungspunkt bei H strahlt in Richtung der Erzeugenden und da diese ein Teil der Parabel ist, reflektiert diese den Strahl parallel zur Achse der Parabel. Damit liegt also die Achse der Strahlrichtung sowie auch die Achse der Parabel bei einem Winkel von mehr als 90 gegen die Rotationsachse.According to the present invention, the axis of rotation runs for the generator with an angle cC to the z-axis which is not equal to 90, i.e. the beam direction is not perpendicular to the axis of rotation R. Looking at Fig. 3, it can be seen that the axis of rotation R forms an angle cC with the z-axis, i.e. with the axis of the beam direction, this angle being greater than 90. A feed point at H it radiates in the direction of the generator and there it is a part is the parabola, it reflects the ray parallel to the axis of the parabola. In order to so is the axis of the beam direction as well as the axis of the parabola an angle of more than 90 to the axis of rotation.

Da die Erzeugende und der Einspeisungspunkt H um die Rotationsachse R gedreht werden, liegen die durch die Reflektorfläche gebildeten Strahlen nicht länger in der yz-Ebene sondern beschreiben die Form eines Kegels, dessen Achse mit der Rotationsachse zusammenfällt und dessen Scheitelpunkt in dem orthogonalen Koordinatensystem mit V bezeichnet ist.Because the generator and the feed point H are rotated around the axis of rotation R. the rays formed by the reflector surface no longer lie in the yz-plane but describe the shape of a cone whose axis coincides with the axis of rotation and whose apex is in the orthogonal Coordinate system is denoted by V.

Durch geeignete Wahl des Winkeisc£wird eine Schwenkbewegung des Strahls längs einer Kegelfläche sich den Positionen auf der quasistationären Umlaufbahn annähern. Es wurde für Bereiche der nördlichen Halbkugel mit einem zu über-A swiveling movement of the beam is achieved by a suitable choice of the angle along a conical surface approach the positions on the quasi-stationary orbit. It was designed for areas of the northern hemisphere with an over-

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streichenden Blickfeld von 40 und Orten zwischen 30 und 50 nördlicher Breite gefunden, daß ein Winkel von 95,5 zwischen der Achse des Kegelschnittes und der Rotationsachse des Toroidreflektors eine optimale Lösung ergibt. Dabei ergibt sich eine Reflektorfläche, bei der die so erzeugten Strahlen für die vorgeschlagene Reflektorgröße und für die gewünschte Größe des Blickfeldes von den exakten Abtastkegeln, wie sie für die zusammenhängenden Vereingten Staaten (ohne Alaska und Hawaii) erforderlich sind, um weniger als den Strahldurchmesser abweichen. sweeping field of view of 40 and locations between 30 and 50 north latitude found that an angle of 95.5 between the axis of the conic section and the axis of rotation of the toroidal reflector gives an optimal solution. This results in a reflector surface in which the rays generated in this way for the proposed Reflector size and for the desired size of the field of view from the exact Scanning cones, as they are for the contiguous United States (without Alaska and Hawaii) are required to vary less than the beam diameter.

Bei einer typischen Antenne gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung wird die Erzeugende um die Achse R über einen Bogen von weniger als 180 rotiert. Der von diesem Teil der Erde aus sichtbare Teil der quasistationären Umlaufbahn kann durch einen begrenzten Abschnitt einer Ringfläche als Reflektor überstrichen werden. Es wird jedoch dem Fachmann sofort einleuchten, daß wegen der kegelförmigen Schwenkbewegung der Toroidantenne eine Reflektoroberfläche, die sich aus einer Rotation der Erzeugenden um 360 ergibt, eine Rundumschwenkbewegung ermöglichen wird. Eine derartige Schwenkbewegung könnte für viele Radaranwendungen nützlich sein.In a typical antenna according to the principle of the present invention, the generatrix rotates about the axis R over an arc of less than 180. The part of the quasi-stationary orbit that is visible from this part of the earth can be swept over by a limited section of an annular surface as a reflector will. However, it will be immediately apparent to those skilled in the art that because of the conical pivoting movement of the toroidal antenna a reflector surface, which results from a rotation of the generators by 360, an all-round pivoting movement will allow. Such a panning motion could be useful for many radar applications.

Um die vorliegende Erfindung noch mehr zu verdeutlichen, ist in Fig. 3 ein Spiegelbild des Reflektorabschnittes gezeigt mit der Erzeugenden M' und dem Speisepunkt H'. Die Kombinastion aus Toroidabschnitt M und seinem Speigelbild ist identisch mit einem Schnitt in der xz-Ebene durch einen Torus, der durch Rotation der Erzeugenden um 360 um die Rotationsachse entstanden ist. Ein Vergleich der Strahlrichtungen der beiden Abschnitte M und M^#, die in Fig. 3 um 180 zueinander versetzt sind, zeigt die Änderung in der Achse der Strahlrichtung PA zu ?'A', wie sie sich aus der erfindungsgemäßen Konstruktion ergibt.In order to illustrate the present invention even more clearly, FIG. 3 shows a mirror image of the reflector section with the generating line M 'and the feed point H'. The combination of toroidal section M and its mirror image is identical to a section in the xz plane through a torus, which was created by rotating the generatrix by 360 around the axis of rotation. A comparison of the beam directions of the two sections M and M ^# , which are offset by 180 to one another in FIG. 3, shows the change in the axis of the beam direction PA to ? ' A ', as it results from the construction according to the invention.

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Die Strahlrichtung der sich aus den Einspeisungspunkten H und H' ergebenden Strahlen verläuft in beiden Fällen längs der Achse des Parabelabschnittes und bildet einen Winkel mit der Rotationsachse R. Wegen der Zirkularsymmetrie werden alle ebenen Schnitte des Torus durch die Rotationsachse zeigen, daß .die Achse der Strahlrichtung mit der Rotationsachse einen Winkel bildet. Trotzdem weicht innerhalb eines orthogonalen Koordinatensystems die Strahlrichtung von der Horizontalen ab. Wird der Parabel abschnitt um die Achse R gedreht, erzeugt die Richtung des Strahles PA eine Fläche, die die Form eines Kreiskegels aufweist. Ebene Schnitte durch die Reflektorfläche, welche die Rotationsachse einschließen, sind alle identisch. Ferner sind ebene Schnitte senkrecht zur Rotationsachse alle kreisförmig. Legt man jedoch ebene Schnitte durch die x-Achse und den Reflektor, dann sind die einzelnen Schnitte nicht identisch gleich sondern jeder Schnitt weicht vom anderen ab.The direction of the beam resulting from the feed points H and H ' In both cases the rays run along the axis of the parabolic section and form an angle with the axis of rotation R. Because of the circular symmetry all plane sections of the torus through the axis of rotation will show that .the axis of the beam direction forms an angle with the axis of rotation. Nevertheless, the beam direction deviates within an orthogonal coordinate system from the horizontal. The parabolic section becomes around the axis R rotated, the direction of the beam PA creates a surface that has the shape of a circular cone. Flat cuts through the reflector surface, which include the axis of rotation, are all identical. Furthermore, plane sections perpendicular to the axis of rotation are all circular. But if you put it down flat cuts through the x-axis and the reflector, then the individual The cuts are not identical but each cut differs from the other.

Die Brennpunkte der Parabelabschnitte M und M' sind durch die Punkte F und F⁷ in Fig. 3 gegeben. Wenn der Brennpunkt F um die Rotationsachse R rotiert wird, ergibt sich als geometrischer Ort alier Brennpunkte ein Kreis. In der Praxis fallen Einspeisungspunkt H und Brennpunkt F nicht zusammen. Um beispielsweise den größten brauchbaren Bereich fUr eine vorgegebene Phasentoleranz zu erzielen, hat man festgestellt, daß der Einspeisungspunkt näher am Reflektor liegen sollte als der Brennpunkt. Für den allgemeinen Fall einer nicht par abeiförmige η Erzeugenden kann die Reflektoroberfläche keinen Brennpunkt besitzen. Jedoch läßt sich die optimale Lage des Einspeisungspunkte in diesen Fällen durch den Fachmann in optimaler Weise bestimmen und sie ist nicht notwendigerweise auf eine bestimmte Position beschränkt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können z.B. eine Anzahl reflektierender Flächen verwendet werden, wie dies Fig. zeigt. Der Einspeisungspunkt H könnte in diesem Fall an einer Stelle des optischen Systems liegen, die nicht der Brennpunkt des Toroidreflektors M ist.The focal points of the parabola sections M and M 'are given by the points F and F ⁷ in FIG. If the focal point F is rotated about the axis of rotation R, a circle results as the geometric location of all focal points. In practice, feed point H and focal point F do not coincide. For example, in order to achieve the largest usable range for a given phase tolerance, it has been found that the feed point should be closer to the reflector than the focal point. In the general case of a non-par egg-shaped η generator, the reflector surface cannot have a focal point. However, in these cases the optimal position of the feed point can be determined in an optimal manner by the person skilled in the art and it is not necessarily restricted to a specific position. According to a further embodiment of the invention, for example, a number of reflective surfaces can be used, as shown in FIG. In this case, the feed point H could lie at a point in the optical system that is not the focal point of the toroidal reflector M.

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Typische Parameter für die Erzeugung einer nahezu gleichförmigen Phasenverteilung sind der Brennpunkt der Parabel, der Krümmungsradius des Torus und außerdem der Einspeisungspunkt.Typical parameters for generating an almost uniform phase distribution are the focal point of the parabola, the radius of curvature of the torus and also the feed point.

Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung lassen sich eine Anzahl feststehender, eine kegelförmige Schwenkbewegung erzeugender Torusantennen über eine große geographische Fläche, wie z.B. die Vereinigten Staaten verteilt, aufstellen. Damit kann man einzeln oder gleichzeitig mit Satelliten Verbindung aufnehmen, die sich in einer quasistationären Umlaufbahn befinden. Es ist dem Fachmann ohne weiteres einleuchtend, daß eine Anzahl solcher auf der Erde befindlicher Antennensysteme Teil eines Nachrichtenübertragungssystems werden könnte, das der gleichzeitigen Übertragung von Nachrichten zwischen einer Erdfunkstation und einer Vielzahl anderer Antennen über Satelliten dienen kann, die sich auf einer quasistationären Umlaufbahn befinden.Using the present invention, a number of fixed, Place toroidal antennas that produce a conical pivoting motion over a large geographic area such as the United States. This allows you to connect individually or simultaneously with satellites that are in a quasi-stationary orbit. It is it will be readily apparent to those skilled in the art that a number of such antenna systems located on earth are part of a communications system that could be the simultaneous transmission of messages between an earth station and a variety of other antennas via satellites that are in a quasi-stationary orbit.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Prinzip der Ablenkung einer elektromagnetischen Strahlung von einem Einspeisungspunkt, obgleich es hier für die Funkübertragung nach in einer quasistationären Umlaufbahn sich befindlichen Satelliten beschrieben wurde, auch auf den Empfang elektromagnetischer Strahlung durch solche Antennen angewandt werden. Die Parameter des Systems würden dabei so zu verändern sein, daß sich eine Konvergenz der elektromagnetischen Strahlung durch die Reflektorantenne ergibt.Of course, the inventive principle of deflection can be a electromagnetic radiation from a feed point, although it is here for radio transmission to those in a quasi-stationary orbit Satellites have also been described to be applied to the reception of electromagnetic radiation by such antennas. The parameters of the Systems would have to be changed in such a way that a convergence of the electromagnetic Radiation through the reflector antenna results.

Selbstverständlich ist es klar, daß die Erzeugende sowie auch die Einspeisung und die Reflektionseigenschaften der konischen Torusantenne entsprechend bekannter Verfahren zum Stand der Technik abgeändert werden können, um besonders wünschenswerte Strahl durchmesser, Formen von Strahlungskeulen oder Abtasteigenschaften zu erzielen, wie sie für ein Sende- oder Empfangssystem erforderlich sind.Of course, it is clear that the producer as well as the feed and the reflective properties of the conical toroidal antenna are better known accordingly Prior art methods can be modified to produce particularly desirable beam diameters, beam shapes or To achieve scanning properties, as they are required for a transmission or reception system.

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Claims

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PATE N TANS PRESS

1 J antenna with toroidal reflector, in which the reflector surface is described by the rotation of a generator around an axis of rotation, and in which the reflector surface combines electromagnetic energy emanating from a feed point into a radiation beam that forms a radiation beam along the beam direction, characterized in that the reflector surface is formed by rotating a generatrix (M) about an axis of rotation (R) which intersects the axis of the radiation direction at an angle of more than 90 °.

2. Antenna according to claim 1, characterized in that the feed points (H) are arranged symmetrically to the axis of rotation (R) so that the rays formed and directed by the reflector surface run along the surface or in the surface of a cone.

3. Antenna according to claim 2, characterized in that the generatrix is a parabolic conic section, the axis of which is parallel to the axis of the radiation direction.

4. Antenna according to claim 3, characterized in that the feed consists of a number of selectively excitable electromagnetic radiators which are arranged along an arc of a circle centered on the axis of rotation.

5. Antenna according to claim 2, characterized in that the reflector surface forms a toroidal surface extending over 360, and that the feed

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solution points are arranged so that there is a conical pivoting movement which gives radiation over 360.

6. Antenna for an earth station with reflector to generate a pivoting movement the radiation along a quasi-stationary satellite orbit, thereby characterized in that the toroidal reflector surface is formed by rotating a generatrix with an axis of the beam direction about an axis of rotation is described, which intersects the axis of the beam direction at an angle of more than 90, and that a source of electromagnetic energy in one Distance from this surface is arranged, which radiates this surface and thus forms a beam and along the axis of the beam direction bundles so that the radiation emanating from this antenna after points on the quasi-stationary orbit describes a conical surface.

7. Use of antennas according to claims 1 to 6 in a satellite radio system with a plurality of satellites moving in a quasi-stationary orbit and a number of earth stations with fixed reflector antennas for covering an area along the quasi-stationary orbit, characterized in that each antenna has a toroidal reflector surface with an axis of rotation has that the feed points are arranged symmetrically on an arc around the axis of rotation and illuminate the reflective surface, which forms a radiation lobe which is directed along the axis of the radiation direction, and that the axis of the radiation direction and the axis of rotation are at an angle cut by more than 90.

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