DE2239228A1

DE2239228A1 - Ultrahochfrequenzantennen

Info

Publication number: DE2239228A1
Application number: DE2239228A
Authority: DE
Inventors: Bernard Daveau; Serge Drabowitch
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1972-08-09
Publication date: 1973-03-01
Also published as: DE2239228B2; SE377633B; DE2239228C3; US3828352A; FR2148341A1; FR2148341B1

Description

ültrahochfrequenzantennen

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Ültrahochfrequenzantennen und betrifft insbesondere Antennen mit einem torischen Reflektor.

Antennen mit torischen Reflektoren, deren Oberfläche durch eine Kurve, genannt Erzeugende, erzeugt wird, die in einer sich um eine in dieser Ebene liegende Gerade dreht, sind bekannt und haben bestimmte wichtige und interessante Eigenschaften, die in bestimmten Ausführungsformen ausgenutzt
wurden.

Wenn die Erzeugende ein Kreis ist, ist die Oberfläche in
der strengen Bedeutung des Ausdrucks ein Torus. Wenn dieser

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Kreis auf einen Punkt der Geraden zentriert ist, die als Drehachse genommen wird, ist der Torus eine Kugel.

Die Eigenschaften eines kugelförmigen Reflektors sind bekannt und werden im Folgenden in Erinnerung gebracht. Unabhängig vom Einfallswinkel einer ebenen Welle wird diese wenigstens in etwa nahe einem Punkt, der auf der Geraden liegt, die parallel zu der Einfallsrichtung und durch den Mittelpunkt der Kugel verläuft, auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt der Kugel und dem Punkt fokussiert, wo diese Gerade durch die Kugel tritt. Der Ort der Brennpunkte ist somit eine Kugel mit einem Radius etwa halb so groß wie der Radius der den Reflektor bildenden Kugel. Ein derartiger Reflektor ermöglicht die Konstruktion einer Antenne mit Mehrfachstrahlenbündelnoder eine Antenne mit Strahlenbündeln, die einen sehr großen Schwenkwinkel in allen Richtungen des Raumes haben. Dennoch hat eine derartige Antenne eine sphärische Aberration, die sich dadurch zeigt, daß die gleichfallsige Front der von dem kugelförmigen Reflektor abgestrahlten Welle nicht eben ist, wie dies z.B. bei einem idealen parabolischen Reflektor der Fall ist. Man hat versucht, durch bestimmte Mittel diese sphärische Aberration wenigstens teilweise zu korrigieren.

Eines dieser Mittel besteht darin, einen Reflektor mit ausreichend großem Radius zu verwenden, damit man in erster Annäherung annehmen kann, daß die Kugel einem Paraboloid äquivalent ist. Ein zweites Mittel zur Kompensation der sphärischen Aberration bestand darin, direkt auf die Primärquellen einzuwirken oder Korrekturlinsen vorzusehen. Ein drittes Mittel besteht darin, die Oberfläche eines Paraboloids zu ändern, indem man sie stufenweise formt, um näherungsweise zu einer Kugel zu gelangen. In diesem Falle wird die sphärische Aberration vermindert. Ein gerader Abschnitt des so erhaltenen Reflektors läßt ein Stufenprofil erscheinen, dessen Stufenabstände etwa gleich

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der halben Betriebswellenlänge sind. Ein Reflektor dieser Art hat jedoch an den Stufen eine Beugung und die Bandbreite ist relativ gering.

Wenn die Erzeugende ein Parabelbogen ist, der sich um eine Achse dreht, die parallel zu der Parabel verläuft, erhält man einen parabolischen Torus.

Wenn man will, daß die Mehrfachstrahlenbündel bzw. die Einfallsrichtungen alle etwa in der gleichen Ebene liegen, trifft man die Anordnung so, daß der geometrische Brennpunkt des Parabolbogens mit dem optimalen Brennpunkt zusammenfällt, d.h. der Mitte des geraden Segments, das die Mitte des Torus mit der Spitze.des Parabolbogens verbindet. Der Ort der zu betrachtenden Primärquellen ist nunmehr ein Kreis mit einem Radius gleich der Hälfte des Segmentes, das in einer Ebene liegt, die senkrecht zu der Achse und durch die Mitte des Torus verläuft. In diesem Falle verbessert man die Fokussierung:; in jeder die Drehachse des torischen Reflektors und die Einfallsrichtung enthaltenden Ebene. Daher weist dieser torische Reflektor mit parabolischer Erzeugenden stets eine bestimmte sphärische Aberration auf. Ein weiterer Nachteil der torischen.Reflektoren ist die Schwierigkeit der Zugängigkeit der primären Quellen, insbesondere wenn die gesamte Anordnung große Abmessungen hat. Auch der Einbau der Quellen hat bestimmte Nachteile. Wenn z.B. bei einer auf der Oberfläche eines Planeten liegenden Anlage die Einfallrichtungen über dem Horizont liegen, sind die Primärquellen notwendigerweise unter den Horizont gerichtet und es besteht die Gefahr, daß sie infolge des "Uberlaufeffektes" die. planetarische thermische Störungen- empfängt, die von Richtungen außerhalb de_s Reflektors kommen·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor erwähnten Nachteile zu beseitigen.

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Gemäß der Erfindung besteht die Ultrahochfrequenzantenne aus zwei coaxialen Reflektoren, die durch die Oberflächen begrenzt sind, die durch zwei Kurven erzeugt werden, die wenigstens eine gemeinsame symmetrische Achse haben, die sich um eine Achse dreht, die in ihrer Ebene liegt und senkrecht zu ihrer gemeinsamen Achse verläuft.

Die Erfindung wird nachstehend anhnand der Figuren 6 und beispielsweise erläutert. Es zeigt

Figur 1 eine Anordnung gemäß der Erfindung,

Figur 2 einen Schnitt der Anordnung der Fig. 1 in der Äquatorialebene,

Figur 3 einen Schnitt der Anordnung der Fig. 1 in der Äquatorialebene für den Fall, daß die Strahlen sich von der Achse der Anordnung entfernen,

Figur 4 eine Anordnung gemäß der Erfindung in einem dreidimensionalen Achssystern,

Figur 5 eine Anordnung gemäß der Erfindung mit einem beweglichen Abtaststrahl, und

Figur 6
und 7

Diagramme der Erhebungs- und Seitenwinkelstrahlungsgesetzmäßigkeiten, die man mit einer Antenne gemäß der Erfindung erhält.

Wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt wurde, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Klasse von Antennen zu bestimmen, die im Ultrafrequenzbereich arbeitenr die Vorteile der torisehen Reflektoren haben und die Nachteile, insbesondere die sphärische Aberration vermeiden, die soweit wie möglich zu vermindern ist.

Die Verwendung von zwei coaxialen Reflektoren zur Bestimmung dieser neuen Antennenklasse ermöglicht es, bestimmte Einzel-309809/0790

heiten und bestimmte Vorteile von Doppelreflektorantennen bzw. sog. Cassegrain- oder Schwartschild-Antennen einzuführen. Es ist dennoch notwendig, festzustellen, daß die Bildung einer Doppelreflektorantenne, die man als die übliche Antenne bezeichnet, von der verschieden ist, die durch die Erfindung vorgeschlagen wird. Eine übliche Doppelreflektorantenne wird durch Drehung zweier coaxialer Kurven um ihre gemeinsame Achse gebildet und nicht um eine zu der gemeinsamen Achse senkrechte Achse.

Figur 1 zeigt den Aufbau des Systems der Reflektoren gemäß der Erfindung.

Es besteht aus einer ersten Kurve 1 und einer zweiten Kurve 2, die die gleiche Achse 3 wie die erste hat. Die beiden Kurven dienen als Erzeugende bei der Bestimmung des Systems, das durch Drehung der beiden Kurven um eine Gerade 4 erhalten wird, die in der Ebene der beiden Kurven 1 und 2 liegt und senkrecht zu der gemeinsamen Achse 3 verläuft. Es ist zu beachten, daß die Drehachse auf der Seite der Konkavität der erzeugenden Kurven liegt.

Durch Drehung um die Drehachse 4 bilden diese erzeugenden Kurven torische Flächen wie STl und ST2. STl bildet den äußeren bzw. Hauptreflektor und ST2 den inneren bzw. Hilfsreflektor.

Die Erzeugenden 1 und 2 können beliebige Kurven sein, die vor allem in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften bezüglich der Fokussierung in jeder durch die Drehachse des Systems verlaufenden Ebene gewählt werden.

Diese Kurven können insbesondere konzentrische Kreise sein, die auf der Drehachse zentriert sind. Das System wird somit durch zwei konzentrische Kugeln gebildet, deren Radien durch eine definierte Beziehung verbunden sind, wie im Laufe der Beschreibung gezeigt werden wird, damit das System optimal ist.

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Bei einer anderen Ausfuhrungsform ist die Kurve 1 ein parabolischer Bogen und die Kurve 2 er hyperbolischer Bogen. Der Brennpunkt F des parabolischen Bogens fällt nahezu mit einem der Brennpunkte der hyperbolischen Bogens zusammen, während der andere Brennpunkt F des hyperbolischen Bogens nahe der Spitze S des parabolischen Bogens liegt. Die primäre Quelle liegt an diesem Objektbrennpunkt des hyperbolischen Bogens, der in der Praxis mit der Spitze S des parabolischen Bogens zusammenfällt.

Die Untersuchung der Arbeitsweise des Systems der Figur 1 ermöglicht es, den optimalen Aufbau für die Antenne gemäß der Erfindung zu bestimmen.

Figur 2 zeigt einen Schnitt des Aufbaus der Figur 1 in der Äquatorialebene, d.h. der Ebene, die senkrecht zu der Drehachse 4 des Systems verläuft und die die gemeinsame Achse der Reflektoren enthält.

Im Falle der Figur 2 nimmt man an, daß der Brennpunkt F., der der Leitlinie d zugeordnet ist, mit der Spitze S der Leitlinie d zusammenfällt. Bei S befindet sich eine erste Quelle. Ein Strahl SM, der von dem Punkt S ausgeht, wird an dem konvexen Spiegel d in Richtung des Hauptspiegels reflektiert, den er bei P erreicht und wo er erneut entsprechend einer zu der Achse 3 parallelen Leitünie (SO) reflektiert wird. Umgekehrt wird eine auftreffende Welle, deren Einfallsrichtung in einer zu der Drehachse senkrechten Achse liegt, z.B. VP, zunächst von dem Hauptreflektor reflektiert, der sie (PM) zu dem Hilfsreflektor d. umkehrt. Dieser reflektiert sie wiederum und lenkt sie zu einem Punkt F₁ um, der nahe der Oberfläche des Hauptreflektors d liegt. Dieser Punkt F. fällt mit der Spitze des Hauptreflektors zusammen.

Im Falle der Figur 2 hat man die Gauss'sehe Annäherung angenommen, d.h., man hat angenommen, daß die Radien be-

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züglich der optischen Achse des Systems gering geneigt sind. Man kann die Beziehung ableiten, die die Radien R (OS) des Hauptreflektors und r (OSl) des Hilfreflektors verbindet.

Bei Anwendung der üblichen optischen Gesetze erhält man:

SlF S^O

1 _1_ ₌ _2_
r-R R r
^r~ 2"

2R
woraus man ableitet r = -ö— .

Unter diesen Bedingungen ist der Antennenaufbau für paraxiale Strahlen stigmatisch.

Wenn die von dem Punkt S ausgehenden oder dorthin gelangenden Strahlen sich ausreichend von der Achse entfernen, so daß die Gauss'sehe Annäherung aufhört gültig zu sein, ist es zweckmäßig, das Verhältnis r/R der Radien der beiden Reflektoren leicht zu ändern, wenn man will, daß die Aberrationen auf einem minimalen, für eine gegebene Öffnung des Systems annehmbaren Pegel gehalten werden.

Figur 3 zeigt die Untersuchung der Aberrationen in.der Äquatorialebene. Man fügt in diese Figur eine Achse SX ein, die senkrecht zu der Achse SF an der Spitze S verläuft, und man nennt T die Projektion des Punktes P des Hauptreflektors auf die Achse SX. t stellt den Winkel zwischen dem Strahl SM und der horizontalen Achse und s den Winkel dar, unter dem der Auftrittpunkt M des auf dem Hilfsspiegel d., auftreffehden Strahls von dem Zentrum 0 gesehen wird. In diesem Falle ist der Strahl PV nicht mehr parallel zu der Achse, sondern weicht um einen Winkel. (2s-t) ab und der verlängerte Strahl schneidet die Achse SX an dem Punkt Q.

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Es werden nun die Größen ausgewertet:

D « SM + MP - QP - 2SSl
oder

SM = MP = (R² + r² - 2 Rr cos s) 1/2 und

OP = R * ~ ^cos, ^{2 s}
^υ cos (2s-t)

Wenn man diese Größen bezüglich s bis zur vierten Ordnung entwickelt, erhält man:

SM - R - r + _^r.^R s ²- Jj R η + 3 *% 4 SM-R r + 2 (R-r) ^S 2l {R-r) ^{U +} Έ=τψΙ'^{} s}

öm QP zu entwickeln, stützt man sich auf die Tatsache, daß die Beziehung 2_—-. = . es ermöglicht, den Winkel

sin t sin (t+s) * . ...

t durch seine Tangente zu berechnen, d.h. tgt =

Man kann zeigen, daß man bei der sechsten Näherungsordnung von s QP = ST = R (1-cos 2s) erhält, wen» T der Auftreffpunkt des Strahls, der nicht parallel zur horizontalen Achse ausgeht oder auftrifft, auf der Achse SX ist.

QP = R (2 s² - I s⁴)
und die Aberration D = ^— (3r - 2R) s ·» ^R

2 5 i

D ist die vierte Ordnung von s, r = ■* R und somit D = - ·«· R ε

Bei der vierten Näherungsordnung von s erhält man Sj Q - S,T = 2Rs=X.

C »I

Daraus ergibt sich D = ^ ~.

Diese Beziehung zeigt, daß der Phasenfehler an dem Punkt des Reflektors, wo die Koordinate X gegeben ist, sich umgekehrt mit der dritten Potenz des Radius R ändert. Anders ausgedruckt bedeutet dies, daß jede Änderung von R mit dem Ziele der Änderung des Platzbedarfes des Systems sich durch eine schnelle Erhöhung der Aberrationen auswirkt.

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Daher kann festgestellt werden, daß das System mit zwei Reflektoren gemäß der Erfindung es im Vergleich zu einem einzigen Reflektor mit dem gleichen Platzbedarf ermöglicht, den Phasenfehler in einem merklichen Verhältnis herabzusetzen. Bei einem Ziffernbeispiel wurde dieses Verhältnis zu etwa 1,6 festgestellt.

Wenn der Winkel s sich erhöht, ist es möglich, die schnelle Erhöhung der Aberration D mittels des Ausdruckes der zweiten Ordnung von s zu kompensieren, indem man eine Größe des

2R Strahls r des Hilfsreflektors größer..-»*■ wählt. Wenn man das Verhältnis D/R als Funktion von X/R für r/R = 2/3 und r/R = 0,675 berechnet, stellt man fest, daß für diese letztere Größe der maximale Phasenfehler an einem Reflektor mit dem Durchmesser 2R/3 minimal ist.

Die Untersuchung der Aberrationen kann in dem allgemeinen Fall durchgeführt werden und Figur 4 gibt eine Darstellung des Systems, die diese Untersuchung ermöglicht. Die detaillierten Berechnungen werden jedoch hier nicht entwickelt.

Die Berechnung der Differenz des Weges D = (SM +MP - PT) 2(SS ) benötigt die Bestimmung der hyperbolischen und parabolischen Meridiane dl1 und dlO für die Berechnung der Koordinaten verschiedener Punkte M, Mo, P.

Der Phasenfehler in_: Abhängigkeit von t und s kann in Graden

durch E(t,s) = r—i—t£i- angegeben werden, wobei d die .'

Betriebswellenlänge und D (t,s) die Wegdifferenz in AhhänipLg;? keit von den Winkeln s und t ist.

Man kann somit feststellen, daß die Klasse der Antennen gemaßder Erfindung eine bestimmte Anzahl von Vorteilen..aufweist, die zugleich Eigenschaften von Antennen mit ■ tor is. ehe η Reflektoren und Antennen mit Doppelreflektoreö vereinigen.

Insbesondere werden die primären Quellen zugänglich, da sie hinter dem Hauptreflektor liegen, und sie sLnd gegen

den Himmel gedreht, wodurch sie gegen Störungen durch Erdstrahlung abgeschirmt werden.

Diese Antennen mit torischen Doppelreflektoren arbeiten mit großem öffnungswinkel. Die Strahlungseigenschaften werden unabhängig von der Einfallsrichtung.

Die sphärische Aberration, die bei Antennen mit einfachem torischen Reflektor stark stört, wird bei einer torischen Antenne mit Doppelreflektoren mit dem gleichen Platzbedarf schwächer. Diese Aberration wird in der Größenordnung von 0,62 % vermindert.

Entsprechend den oben dargelegten Prinzipien wurde eine Antenne geschaffen, die bei einem gegebenen Seitenwinkel einen Raumanteil, der in einem großen Erhebungswinkel von etwa 40 eingeschlossen ist, abtastet. Die Abtastung erfolgt mittels eines beweglichen Strahlenbündels, dessen Winkelbreite einer Strahlöffnung von etwa 30 m entspricht und dessen Wellenlänge 30 cm (1000 Mhz) beträgt.

Die Antenne besteht aus zwei torischen coaxialen Reflektoren, einem Hauptreflektor 5 und einem Hilfsreflektor 6 (Figur 5).

Die Primärquelle 7 liegt in der vertikalen Symmetrieebene des Systems nahe dem Hauptreflektor 5.

Um die Schwenkbewegung im Erhebungswinkel des abzutastenden Raumes durchzuführen, dreht sich die primäre Quelle um die Drehachse des Systems.

Figur 5 zeigt schematisch ein derartiges Antennensystem mit zwei extremen Stellungen 7 und 8 der primären Quelle und die Richtungen der Strahlen in diesen Fällen.

U)¹JH

Das Verhältnis der Radien der Haupt- und .Hilfsreflektoren ist entsprechendem dem zuvor Angegebenen derart gewählt, daß die sphärische Aberration merklich gegenüber der vermindert wird, die bei einer Antenne mit einem einzigen torischen Reflektor mit dem gleichen Platzbedarf auftritt.

Für eine derart bestimmte Antenne kann man die Strahlungs^w geBetzmäßxgkeiten entsprechend den Erhebungswinkel- und SeitenwAnkelhauptdiagrammen aufstellen.

Figur 6 zeigt die ErhebungswinkelStrahlungsgesetzmäßigkeit, während Figur 7 die 9eitenwlnkelstrahlungsgesetzmäßigkeit angibt, bei der man dennoch einen Brennef feiet infolge des Hilfsreflektors feststellen kann, während dieser bei dem Seitenwirikel nicht auftritt, wo er in diesem betreffenden Anwendungsfall viel störender wäre.

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Claims

Patentansprüche

./Ultrahochfrequenzantenne, bestehend aus zwei torischen, coaxialen Reflektoren, deren erzeugende Kurven in Abhängigkeit von den Folaiss ierungseigenschaf ten der von System emittierten oder empfangenen Wellen gewählt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Systems in der Ebene liegt, die die erzeugenden Kurven enthält, daß sie senkrecht zur gemeinsamen Achse der Kurven ver-. läuft und auf der Seite der Konkavität dieser Kurven liegt.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R) der Leitlinie des äußeren torischen Reflektors und der Radius (r) der Leitlinie des inneren torischen Reflektors bezüglich des Kreuzungspunktes der Drehachse und der gemeinsamen Achse der erzeugenden Kurven der Reflektoren näherungsweise durch die Beziehung

2R

r = —=■ verbunden sind, die eine optimale Größe darstellt, für die die sphärische Aberration des Systems im Falle der Gauss'sehen Annäherung auf ein Minimum strebt.
3. Antenne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für sich von der optischen Achse des Systems entfernende Strahlen die Erhöhung der sphärischen Aberration des Systems durch die Vergrößerung des Radius der Leitlinie des inneren Reflektors derart kompensiert wird, daß das Verhältnis der Radien der Leitlinien der inneren und äußeren Reflektoren im wesentlichen ~ = 0,675 entspricht.
4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Strahlungsquellen des Systems an oder nahe dem äußeren Reflektor angeordnet sind.
5. Antenne nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie keine oder nur eine sehr stark verminderte

? Π 9 ft Ii 4 / Π 7 U η sphärische Aberration aufweist. ^OU3OU:i/unu