DE2239228C3

DE2239228C3 - Antenne mit einem torischen Hauptreflektor

Info

Publication number: DE2239228C3
Application number: DE2239228A
Authority: DE
Inventors: Bernard Orsay Daveau
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1972-08-09
Publication date: 1983-12-01
Also published as: US3828352A; FR2148341A1; FR2148341B1; DE2239228A1; SE377633B; DE2239228B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne mit einem torischen Hauptreflektor, dessen Reflektorfläche durch Drehung einer ersten symmetrischen Kurve um eine auf der konkaven Seite der Kurve in deren Ebene liegende, zur Symmetrieachse der Kurve senkrechte Rotationsachse erhalten ist, und mit einer Primärquelle.

Derartige Antennen sind insbesondere in dem Buch von Skolnik, »Introduction to Radar Systems«, Mac Graw Hill Book Company, 1962, Seiten 278 bis 282, beschrieben. Sie ermöglichen mit feststehenden Reflektoren die Abtastung großer Raumwinkel unter Strahlungsbedingungen, die denjenigen von schwenkbaren Paraboloid-Antennen nahekommen.

Unter einem Torus wird dabei eine Fläche verstanden, die dadurch erzeugt wird, daß eine ebene Kurve (Erzeugende) un eine in ihrer Ebene liegende Achse gedreht wird. Ein Sonderfall des Torus ist der Kreis-Tonis, dessen Erzeugende ein Kreisbogen ist. Wenn in diesem Fall die Drehachse durch den Mittelpunkt des Kreisbogens geht, entsteht als Grenzfall des Torus eine Kugel.

Außer Kreisbögen können jedoch auch andere Kurven als Erzeugende für torische Reflektorflächen verwendet werden, insbesondere alle Kegelschnitte. In dem zuvor zitierten Buch sind insbesondere parabolische Tonis-Reflektoren beschrieben, deren Erzeugende ein Parabelbogen ist

Diese bekannten Antennen haben nur einen torischen Reflektor, dessen konkave Innenseite von der Primärquelle angestrahlt wird. Zur Erzielung der Strahlschwenkung muß die Primärquelle auf dem Kreis bewegt werden, welcher der geometrische Ort der Brennpunkte der Erzeugenden ist Da die sphärischen Aberrationen des Reflektors bsi gegebenem Durchmesser der benutzten Reflektorfläche um so größer werden, je kleiner die Brennweite ist, muß die Primärquelfe in einem beträchtlichen Abstand von dem Reflektor liegen, wenn die sphärischen Aberrationen klein gehalten werden sollen. Solche Antennen haben daher einen sehr großen Raumbedarf. Ferner ist die Primärquelle nur schwierig zugänglich. Schließlich muß bei Antennen, die auf der Erdoberfläche angebracht sind, die Primärquelle zur Erzielung von über dem Horizont liegenden Strahlungsrichtungen nach unten gerichtet sein, wodurch sie den Störungen durch Erdstrahlungen ausgesetzt ist

Es sind andererseits Antennen mit zwei Reflektoren bekannt, nämlich einem Hilfsreflektor, der von der Primärquelle angestrahlt wird, und einem Hauptreflektor, zu dem die Strahlung vom Hilfsreflektor reflektiert wird. Die bekanntesten Antennen dieser Art sind die Casscgrain-Antennen, die analog zu der Cassegrain-Optik aufgebaut sind und wie diese bei gegebener Brennweite eine Verringerung der Baulänge ermöglichen. Die Reflektoren dieser Antennen sind aber in bezug auf ihre gemeinsame Achse rotationssymmetrisch, so daß die Erzielung großer Strahlungswinkel im allgemeinen nur durch Verschwenken der Reflektoren möglich ist.

In der FR-PS 13 92 013 ist schließlich eine Rundstrahl-Antenne beschrieben, die aus zwei Torus-Flächen mit gemeinsamer Rotationssymmetrieachse gebildet ist. Die Erzeugende der Hauptreflekiorfläche ist aus zwei Parabelbögen zusammengesetzt, deren konvexe Seite der Rotationssymmetrieachse zugewandt ist, so daß die Hauptreflektorfläche die Außenfläche eines sich nach oben und unten erweiternden Rotationskörpers ist. Die Erzeugende der Hilfsreflektorfläche ist aus zwei Ellipsenbögen zusammengesetzt, deren konkave Seite der Hauptreflektorfläche zugewandt ist, so daß die Hilfsreflektorfläche die Hauptreflektorfiäche auf der der Rotationssymmetrieachse abgewandten Seite ringartig umgibt. Der Primärstrahler ist gleichfalls rotationssymmetrisch; seine Erzeugende ist die Schnittlinie eines Hornstrahlers. Eine solche Antenne ergibt eine dem Seitenwinkel nach richtwirkungsfreie Abstrahlung über 360°; sie ist also für den Anwendungszweck der Antennen mit torischem Reflektor, nämlich die Raumabtastung in einem möglichst großen Raumwinkel, nicht geeignet Insbesondere besteht bei dieser Rundstrahl-Antenne auch nicht das Problem der sphärischen Aberrationen achsferner Strahlen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Antenne mit torischem Reflektor der eingangs angegebenen Art so weiterzubilden, daß bei gleichem Raumbedarf die sphärischen Aberrationen verringert sind.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zwischen dem Hauptreflektor und der Rotationsachse ein torischer Hilfsreflektor angeordnet ist, dessen Reflektorfläche dadurch erhalten ist, daß eine in der gleichen Ebene wie die erste Kurve liegende zweite

symmetrische Kurve, deren konkave Seite gleichfalls der Rotationsachse zugewandt ist, um die gleiche Rotationsachse gedreht ist, daß die den Hilfsreflektor anstrahlende PrimärqueUe wenigstens ai genähert an der Fläche des Hauptreflektors angeordnet ist, und daß die auf der Symmetrieachse der jeweiligen Kurve gemessenen Tonis-Radien der beiden Reflektoren bei Anwendbarkeit der Gaußschen Näherung im Verhältnis r/R=2/3 und bei Nichtanwendbarkeit der Gaußschen Näherung int Verhältnis r/R- 0,675 zueinander stehen.

Bei der Antenne nach der Erfindung Lst bei gleicher Brennweite des Hauptreflektors die Baulänge im Vergleich zu einer Antenne mit nur einem torischen Reflektor verkürzt, weil die Primärquelle auf der gleichen Seite des Hilfsreflektors wie der Hauptreflektor angeordnet ist Die Eigenschaften der Antennen mit torischem Reflektor bleiben in vollem Umfang erhalten, und es läßt sich zeigen, daß die sphärischen Aberrationen im Vergleich zu einer Antenne mit nur einem torischen Reflektor bei gleichem nutzbarem Antennendurchmesser und gleichem Raumbedarf ganz beträchtlich verringert sind. Zusätzlich ergeben sich die Vorteile, daß die Primärquelle besser zugänglich ist und bei einer nach oben gerichteten Strahlungsrichtung ebenfalls nach oben gerichtet ist, so daß sie besser gegen Störstrahlungen geschützt ist

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung bespielsweise erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Prinzip der Antenne nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt der Anordnung der F i g. 1 in der Äquatorialebene zur Erläuterung des Strahlengangs für den Fall achsnaher Strahlen,

F i g. 3 einen Schnitt der Anordnung der F i g. 1 in der Äquatorialebene zur Erläuterung des Strahlengangs für den Fall achsferner Strahlen,

Fig.4 eine Antenne nach der Erfindung in einem dreidimensionalen Achssystem,

Fig.5 eine Antenne nach der Erfindung mit einer Strahlschwenkungsanordnung,

F i g. 6 das Höhenwinkel-Strahlungsdiagramm einer Antenne nach der Erfindung und

F i g. 7 das Seitenwinkel-Strahlungsdiagramm einer Antenne nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt den Aufbau eines Antennensystems mit zwei torischen Reflektoren.

Die beiden Reflektorflächen STi und ST₂ entstehen dadurch, daß eine erste Kurve 1 und eine zweite Kurve 2 mit gemeinsamer Symmetrieachse 3 um eine Achse 4 gedreht werden, die in der Ebene der beiden Kurven 1 und 2 liegt und senkrecht zu der gemeinsamen Symmetrieachse 3 verläuft. Es ist zu beachten, daß die Drehachse 4 auf der konkaven Seite der erzeugenden Kurven liegt. Die Reflektorfläche ST\ bildet den äußeren bzw. Hauptreflektor und die Reflektorfläche ST₂ den inneren bzw. Hilfsreflektor.

Die Erzeugenden 1 und 2 können beliebige Kurven sein, die vor allem in Abhängigkeit von den gewünschten Fokussierungseigenschaften in jeder die Rotationssymmetrieachse 4 des Systems enthaltenden Ebene gewählt werden.

Diese Kurven können insbesondere konzentrische Kreisbögen sein, deren Mittelpunkt auf der Rotationssymmetrieachse 4 liegt In diesem Fall sind die Reflektorflächen Abschnitte von zwei konzentrischen Kugelflächen.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Kurve I ein Parabelbogen und die Kurve 2 ein Hyperbelbogen. Der Brennpunkt Fdes Parabelbogens 1 fällt nahezu mit einem der Brennpunkte des Hyperbelbogtns 2 zusammen, während der andere Brennpunkt F_t des Hyperbelbogens wenigstens annähernd am Scheitel S des Parabelbogens liegt Die Primärquelle liegt an diesem Brennpunkt Fi des Hyperbe'bogens, also praktisch am Scheitel Sdes Parabelbogens.

Die Untersuchung der Arbeitsweise des Antennensystems von Fi g. 1 ermöglicht es, den optimalen Aufbau für die Antenne zu bestimmen.

ίο Fig. 2 zeigt einen Schnitt des Antennensystems von F i g. 1 in der Äquatorialebene, d. h. der Ebene, die senkrecht zu der Rotationssymmetrieachse 4 des Systems verläuft und die gemeinsame Symmetrieachse 3 der Reflektoren enthält Die Kurven d und d\ sind die Schnittlinien der Reflektorflächen STi bzw. ST₂ mit dieser Äquatorialebene; es sind also Kreisbögen, deren Mittelpunkt O auf der Achse 4 liegt. Die Radien R bzw. r dieser Kreisbögen sind durch die Abstände SO bzw. SiO gegeben, welche die Scheitelpunkte S bzw. Si der Kurven 1 bzw. 2 von F ig. 1 von der Achse 4 haben. Der Radius R ist der Torus-Radius des Hauptreflektors ST_U und der Radius r ist der Torus-Radius des Hilfsreflektors ST₂.

Im Falle der Fig.2 nimmt man an, daß der Brennpunkt Ft des Hilfsreflektors 5T₂ mit dem Scheitel Sdes Kreisbogens dzusammenfällt Bei Sbefindet sich eine Primärquelle. Ein Strahl SM, der von dem Punkt S ausgeht, wird an dem konvexen Hilfsreflektor ST₂ (Kurve di) in Richtung zum Hauptreflektor STi (Kurve

d) reflektiert, den er bei P erreicht und wo er erneut entlang einer zu der Symmetrieachse 3 (d. h. der Geraden SO) parallelen Linie PV reflektiert wird.

Umgekehrt wird eine entlang der Linie PV eintreffende

Welle, deren Einfallsrichtung in der Äquatorialebene liegt, zunächst von dem Hauptreflektor am Punkt P in der Richtung PM zu dem Hilfsreflektor reflektiert Dieser reflektiert sie wiederum zu dem Punkt Fi, der nahe der Oberfläche des Hauptreflektors liegt und in der Praxis mit dem Scheitel S des Hauptreflektors zusammenfällt.

Im Fall der F i g. 2 hat man die Gaußsche Annäherung angenommen, d.h., man hat angenommen, daß alle Strahlen eine geringe Neigung gegen die optische Achse des Systems haben. Man kann dann die Beziehung ableiten, die zwischen dem Radius R (Strecke OS) des Hauptreflektors und dem Radius r (OS]) des Hilfsreflektors bestehen muß.

Bei Anwendung der üblichen optischen Gesetze erhält man:

	bzw.	S₁S '	S₁F	r	S₁O	1	R 2	2
				woraus man ableitet r		IR ⁼ 3 '	r
55	1
	*τ- R*
60

Unter diesen Bedingungen ist der Antennenaufbau füi paraxiale Strahlen stigmatisch.

Wenn die von dem Punkt Sausgehenden oder dorthin gelangenden Strahlen sich so weit von der Achse entfernen, daß die Gaußsche Annäherung nicht mehr

gültig ist, kann durch eine geringfügige Änderung des Verhältnisses r/R der Radien der beiden Reflektoren

erreicht werden, daß die Aberrationen auf einem minimalen, für eine gegebene öffnung des Systems annehmbaren Wert gehalten werden.

F i g. 3 zeigt die Untersuchung der Aberrationen in der Äquatorialebene für den Fall achsferner Strahlen. Man führt eine A"-Achse ein, die senkrecht zu der Symmetrieachse SF am Scheitel 5 verläuft, und man nennt Tdie Projektion des Punktes Pdes Hauptreflektors auf die X-Achse. Der Strahl SM schließt mit der Symmetrieachse SF den Winkel t ein, und der Auftreffpunkt M des auf dem Hitfsreflektor auftreffenden Strahls wird vom Zentrum O aus unter dem Winkel 5 gesehen. In diesem Falle ist der Strahl PV nicht mehr parallel zu der Symmetrieachse, sondern er weicht um einen Winkel (2s-t) ab. und der verlängerte Strahl schneidet die Achse SX an dem Punkt Q.

Man berechnet dann als Maß für die Aberration die Größe D:

D = SM + MP - QP - 2SS₁

mit

SM = MP =

(J?² + r² -2.RrCOSs)

und

ρρ= R

1 - cos 2s
cos (2 s -1)

20

25

30

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

rR ,

SM = R - r +

rR

24(R-i

35

2(R-r)

40

Um QP zu entwickeln, benutzt man die Tatsache, daß die Beziehung

OM
sin t

OS

sin (t + s)

45

es ermöglicht, den Winkel r durch seinen Tangens zu berechnen, d. h.

D =

(3r-2R)s¹

D ist von vierter Ordnung bezüglich s für r

=?Ä und

50 dann gilt £>=-| Rs*.
Bis auf Größen dritter Ordnung von s erhält man

SQ = ST = 2R-S.
Setzt man diesen Wert gleich X, dann ergibt sich

Diese Beziehung zeigt, daß der Phasenfehler an einem Punkt des Reflektors mit gegebener Koordinate X sich umgekehrt mit der dritten Potenz des Radius R ändert Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß jede Verringerung von R mit dem Ziel der Änderung des Platzbedarfs des Systems sich in einer starken Zunahme der Aberrationen auswirkt

Dennoch kann festgestellt werden, daß das beschriebene System mit zwei torischen Reflektoren im Vergleich zu einem einzigen torischen Reflektor mit dem gleichen Platzbedarf es ermöglicht, den Phasenfehler in einem merklichen Verhältnis herabzusetzen. Bei einem Zahlenbeispiel wurde dieses Verhältnis zu etwa 1,6 festgestellt.

Wenn der Winkel s größer wird, ist es möglich, die schnelle Zunahme der Aberration D mittels des Gliedes zweiter Ordnung von s zu kompensieren, indem man

2R
den Radius r des Hilfsreflektors größer als -y- wählt.

Wenn man das Verhältnis D/R als Funktion von XJR für r/R=2/3 und r/R=0,675 berechnet, stellt man fest, daß für dieses letztere Verhältnis der maximale Phasenfehler bei einem Reflektordurchmesser 2R/3 ein Minimum annimmt, während er für das erste Verhältnis mit wachsendem Reflektordurchmesser schnell zunimmt

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

Die Berechnung der Wegdifferenz

tgt =

r sin s

R — r cos s

Man kann zeigen, daß bis auf Größen sechster Ordnung vonsgilt:

QP = PT = R(I -cos2s),

wenn Q der Auftreffpunkt eines nicht parallel zur horizontalen Achse abgehenden oder auftreffenden Strahls auf der Achse SXvSL
Man erhält:

D= (SM+ MP- PT)-erfordert die Bestimmung der hyperbolischen und parabolischen Meridiane t/11 und c/10 für die Berechnung der Koordinaten verschiedener Punkte M, Mo, P.

Der Phasenfehler Ein Abhängigkeit von fund skann in Graden durch

E(t,s) =

360Ό (t,s)

QP =

und die Aberration

angegeben werden, wobei λ die Betriebswellenlänge und D (U s) die Wegdifferenz in Abhängigkeit von den Winkeln sund fist

Man kann somit feststellen, daß die beschriebenen Antennen mit zwei torischen Reflektoren gewisse Vorteile der Antennen mit einem torischen Reflektor

und der Antennen mit Doppelreflektoren vereinigen.

Die Antennen mit torischen Doppelreflektoren können mit großem öffnungswinkel betrieben werden, da die Strahlungseigenschaften unabhängig von der Einfallsrichtung sind.

Die sphärische Aberration, die bei Antennen mit einfachem torischem Reflektor stark stört, wird bei einer torischen Antenne mit Doppelreflektor mit dem gleichen Platzbedarf schwächer. Diese Aberration wird etwa im Verhältnis 0,62 vermindert

Entsprechend den oben dargelegten Prinzipien wurde eine Antenne gebaut, die bei einem gegebenen Azimut einen Abschnitt des Raumes in einem großen Höhenwinkel von etwa 40° abtasten konnte. Die Abtastung erfolgte mittels eines beweglichen Strahlenbündels, dessen Wellenlänge 30 cm (1000 MHz) betrug.

Die Antenne bestand aus zwei koaxialen torischen Reflektoren, einem Hauptreflektor 5 und einem Hilfsreflektor6(Fig.5).

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

Um die Höhenwinkelabtastung des Raumes durchzu

führen, dreht sich die Primärquelle um die Rotationssymmetrieachse des Systems.

: F i g. 5 zeigt schematisch ein derartiges Antennensystem mit zwei extremen Stellungen 7 und 8 der s Primärquelle und die Richtungen der Strahlen in diesen Fällen.

Das Verhältnis der Radien der Haupt- und Hilfsreflektoren ist entsprechend den vorstehenden Angaben derart gewählt, daß die sphärische Aberration merklich

ίο 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 Strahlungsgesetzmäßigkeiten entsprechend den Hö-

is henwinkel- und Seitenwinkelhauptdiagrammen aufstellen.

Fig.6 zeigt das Elevations-Strahlungsdiagramm, während F i g. 7 das Azimut-Strahlungsdiagramm zeigt, bei dem man jedoch einen Abschattungseffekt infolge des Hilfsreflektors feststellen kann, während dieser bei dem Elivationsdiagramm nicht auftritt, wo er in diesem betreffenden Anwendungsfall viel störender wäre.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antenne mit einem torischen Hauptreflektor, dessen Reflektorfläche durch Drehung einer ersten s symmetrischen Kurve um eine auf der konkaven Seite der Kurve in deren Ebene liegende, zur Symmetrieachse der Kurve senkrechte Rotationsachse erhalten ist, und mit einer Primärquelle, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hauptreflektor (ST\) und der Rotationsachse (4) ein torischer Hilfsreflektor angeordnet ist, dessen Reflektorfläche (ST₂) dadurch erhalten ist, daß eine in der gleichen Ebene wie die erste Kurve (1) liegende zweite symmetrische Kurve (2), deren konkave Seite gleichfalls der Rotationsachse (4) zugewandt ist, um die gleiche Rotationsachse (4) gedreht ist, daß die den Hilfsreflektor (STi) anstrahlende Primärquelle wenigstens angenähert an der Fläche des Hauptreflektors (571) angeordnet ist, und daß die auf der Symmetrieachse der jeweiligen Kurve (1,2) gemessenen Torus-Radien (R bzw. r) der beiden Reflektoren (ST\, ST₂) bei Anwendbarkeit der Gaußschen Näherung im Verhältnis r/K=2/3 und bei Nichtanwendbarkeit der Gaußschen Näherung im Verhältnis r/R=0,675 zueinander stehen.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurven (1,2) konzentrische Kreisbögen sind, deren gemeinsamer Mittelpunkt auf der Rotationssymmetrieachse (4) liegt

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kurve (1) ein Parabelbogen ist, daß die zweite Kurve (2) ein Hyperbelbogen ist, daß der eine Brennpunkt des Hyperbelbogens (2) wenigstens annähernd mit dem Brennpunkt des Parabelbogens (1) zusammenfällt und daß der andere Brennpunkt des Hyperbelbogens wenigstens annähernd mit dem Scheitel (S) des Parabelbogens (1) zusammenfällt