DE2342904C3 - Richtantenne mit niedrigen Nebenzipfeln - Google Patents

Description

aufweist.

5. Richtantenne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung des Einflusses der Stützen (7) des Subreflektors (2) auf die Nebenzipfeldämpfung des Strahlungsdiagramms der Subreflektor asymmetrisch derart ausgebildet ist,

Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit niedrigen Nebenzipfeln des Strahlungsdiagramms in vorgegebenen Raumbereichen, wenigstens im Abstand des zweiten Nebenzipfels von der Hauptstrahlrichtung, bei der innerhalb des Sirahlungsfcldes wenigstens eine die Nebenzipfeldämpfung ungünstig beeinflussende Vorrichtung im Antennenaufbau vorhanden ist, die, bezogen auf die durch eine Fläche annähernd konstanter Phase der Strahlung definierte Antennenaperatur, eine teilweise Abschattung des Strahlungsfeldes bewirkt und bei der die Belegung gegen den Rand der Antennenaperatur gleichmäßig abfällt.
Richtantennen finden eine vielfältige Anwendung auf dem Gebiet der Funktechnik, insbesondere der Richtfunktechnik, des Satellitenfunkes und auf dem Gebiet der Funkortung. In den meisten Anwendungsfällen wird von solchen Richtantennen eine gute Dämpfung der Nebenzipfel verlangt. Bei Richtantennen für Satellitenbodenstationen können dadurch beispielsweise Störungen terrestrischer Richtfunknetze verringert und die Rauschtemperatur solcher Antennen erniedrigt werden. Terrestrische Richtfunkstrecken können bei Verwendung nebenzipfelarmer Antennen enger vermascht werden. Bei Satellitenbordantennen kann eine höhere Entkopplung zwischen benachbarten Strahlungskeulen im Ausleuchtgebiet erreicht werden, wodurch unter Umständen Doppelfrequenzbetrieb beziehungsweise ein Doppelkanalbetrieb durch Anwendung von zwei

bo zueinander orthogonalen Polarisationen bei gleicher Frequenz möglich wird.

Das Antennendiagramm und damit die räumliche Verteilung der abgestrahlten Energie einer Richtantenne mit ungestörter Kreispertur ist theoretisch aus-

e^r> schließlich von der vorgegebenen Belegungsfunktion der Feldstärke des Strahlungsfeldes abhängig. Wie beispielsweise der Literaturstelle Silver »Microwave Antenna« MIT-Serie, 1949, S. 186-195 zu entnehmen

ist, ergibt sich im Vergleich zur konstant belegten Antennenaperatur dann eine definierte Abnahme des Nebenzipfelpegels, wenn zum Aperturrand hin die Feldstärke allmählich abfällt Von dieser theoretisch vorgegebenen angestrebten Aperturverteilung bestehen in der Praxis jedoch erhebliche Abweichungen. Sie werden einmal verursacht durch unvermeidliche mechanische Toleranzen des Speisesystems und des Reflektors, zum anderen durch den Einfluß eines im Strahlungsfeld angeordneten Subreflektors, wie er bei Cassegrain-Antennen vorkommt, sowie durch erforderliche Stützkonstruktionen für die Halterung des Speisesystems oder eines solchen Subreflektors. Weitere Störkomponenten entstehen durch Beugungseffekte, durch Überstrahhing des Speisesystems, durch Phasenfehler der Belegung sowie durch Kreuzpolarisation.

Das räumliche Antennendiagramm wird demnach bestimmt durch eine Vielzahl von sich summierenden Einzelfeldanteilen, die dem durch die ungestörte Belegung vorgegebenen Diagramm der Antennenapertur überlagert werden. Es zeigt sich, daß die Einhüllende des Antennendiagramms bei üblicher Belegung ab einem bestimmten auf die Hauptstrahlrichtung bezogenen Winkel nicht mehr in erster Linie von der ungestörten Aperturbelegung abhängt, sondern in zunehmendem Maße von Störungen bestimmt wird.

Aus »Nachrichtentechnische Fachberichte«, Band 43, 1972, Seiten 104 und 105, ist es bekannt, Nebenmaxima bei Richtantennen mit innerhalb des Strahlungsfeldes fliegenden und damit die Nebenzipfeldämpfung ungünstig beeinflussenden Vorrichtungen, z. B. bei Caise · grain-Antennen, dadurch zu verkleinern, daß die Belegung zum Perturrand hin gleichmäßig abfallend ausgebildet wird. Diese Maßnahme zur Nebenzipfelpegelreduzierung genügt jedoch häufig nicht.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, für eine Richtantenne der einleitend beschriebenen Art eine Lösung anzugeben, die den störenden Einfluß auf die Nebenzipfeldämpfung von das Strahlungsfeld teilweise abschattenden Vorrichtungen wesentlich herabsetzt beziehungsweise beseitigt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schattengrenzen der Vorrichtung zu Übergangszonen erweitert sind, innerhalb welcher aufgrund von Maßnahmen beim Antennenaufbau die Belegung jeweils in Richtung auf die Schattenbereiche zu monoton bei wenigstens annähernd glattem Verlauf abfällt, und daß die Breite einer Übergangszone um so größer bemessen ist, je breiter der Schattenbereich selbst und je größer der durch die Vorrichtung ausgeblendete Anteil der ungestörten Belegung ist.

Der Erfindung liegt die wesentliche neue Erkenntnis zugrunde, daß sich der überaus störende Effekt der Abschattung des Strahlungsfeldes durch hierin angeordnete Vorrichtungen auf die Nebenzipfeldämpfung dadurch beherrschen läßt, daß ein abrupter Abfall der Feldstärke an den Schattengrenzen unterbunden wird. Mit anderen Worten muß die Belegung im Bereich der Antennenapertur in Richtung auf die Schattengrenzen allmählich abfallen. Hierbei ist dieser Abfall im Hinblick auf die Erzielung eines möglichst großen Gewinns der Antenne in der angegebenen Weise zu bemessen.

Eine einfache Möglichkeit, die Übergangszonen mit dem allmählichen Abfall der Feldstärke zu erzeugen, kann darin bestehen, daß die wenigstens eine Vorrichtung räumlich durch Strukturen erweitert ist, die über ihre Breite, ausgehend von ihrem äußeren freien strahlungsdurchlässigen Rand zu ihrem inneren, von der eigentlichen Vorrichtung begrenzten s-trahlungsundurchlässigen Rand, hinsichtlich ihrer Strahlungsdurchlässigkeit einen monotonen Übergang aufweisen.
Wie umfangreiche, der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen im Zusammenhang mit rotationssymmetrischen bzw. zylindrischen Cassegrain-Antennen ergeben haben, läßt sich der ungünstige Einfluß des zentral angeordneten Subreflektors auf die Nebenzipfeldämpfung dadurch besonders klein halten, daß die

ίο Feldstärke der Strahlung in Richtung bzw. in Vorzugsrichtung senkrecht zum äußeren Aperturrand sowohl zu diesem Rand als auch zu der durch den Subreflektor gegebenen Grenze der Abschattung hin für einen annähernd parabelförmigen Abfall dimensioniert ist

Im allgemeinen haben Maßnahmen zur Erhöhung der Nebenzipfeldämpfung bei Richtantennen eine Herabsetzung ihres Wirkungsgrades zur Folge. Wie umfangreiche Untersuchungen gezeigt haben, läßt sich eine Optimierung sowohl des Wirkungsgrades als auch der Nebenzipfeldämpfung bei einer rotationssymmetrischen Cassegrain-Antenne dadurch herbeiführen, daß der Feldstärkeverlauf der Strahlung in radialer Richtung der Antennenapertur durch die methematische Beziehung

gegeben ist, in der χ der auf den Antcnnenhalbmesser bezogene laufende Radius der Antennenapertur und xm der Radius Feldstärkemaximums bedeuten und Xm mit dem auf dem Antennenhalbmesser bezogene Radius λ des Subreflektors die mathematische Beziehung

()
aufweist.
Wie sich zeigt, wird bei dieser Bemessung in

J5 vorteilhafter Weise auch der ungünstige Einfluß der Abstützungen des Subreflektors auf die Nebenzipfeidämpfung stark herabgesetzt. Das gilt für den Fall, daß die gewünschte Nebenzipfeldämpfung nur in vorgegebenen Raumbereichen von Interesse ist. Hinsichtlich dieser Raumbereiche brauchen die Abstützungen nur so angeordnet werden, daß ihr Einfluß auf die Nebenzipfeldämpfung in diesen Bereichen am gerinsten ist

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer rotationssymmetrischen Cassegrain-Antenne kann in vorteilhafter Weise zur Reduzierung des Einflusses der Stützen des Subreflektors auf die Nebenzipfeldämpfung des Strahlungsdiagramms in allen Raumbereichen der Subreflektor asymmetrisch derart ausgebildet sein, daß die ungestörte Belegung am

->o Ort der Stützen kleinere bzw. vernachlässigbar kleine Werte annimmt.

Be' Antennen, die von einem Haupt- und einem Subreflektor Gebrauch machen, läßt sich die gewünschte Belegung nach der Erfindung durch geeignete

Yi Formung des Haupt- und des Subreflektors herbeiführen. Grundsätzliche Ausführungen hierzu macht beispielsweise die Literaturstelle »IEEE Transactions on Antennas and Propagations AP-12«, Juli 1964, Seiten 403 bis 408.

w) Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit bei einer Richtantenne, bei der der Subreflektor im Nachfeld des Primärerregers angeordnet ist, besteht darin, die gewünschte Belegung durch den Primärerreger zu erzeugen. Der Primärerreger kann dabei in vorteilhafter

h^r) Weise ein Koaxialstrahler mit ringförmiger Apertur oder ein Hornstrahler sein, bei dem die gewünschte ringförmige Feldkonzentration durch einen dielektrischen Einsatz herbeigeführt ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, bei der der Subreflektor der Cassegrain-Antenne im Fernfeld des Primärerregers angeordnet ist, kann die gewünschte Feldstärkebelegung durch das Fernfeld des Primärerregers angenähert werden. Beispielsweise ist der Primärstrahler ein modifizierter Sektorstrahler mil einer starken zentralen Einsenkung seines Strahlungsdiagramms, wie er durch die DE-OS 15 16 821 bekanntgeworden ist.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung in Verbindung mit einer mathematischen Betrachtung noch näher erläutert werden.

In der Zeichnung dienen die Fig. 1 —3 der Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnisse. Es zeigt

F i g. 1 eine Rechteck-Antennenapertur,

Fig.2 verschiedene Belegungsdiagramme der Antennenapertur nach F i g. 1,

F i g. 3 Nebenzipfelpegeldiagramme, wie sie die Belegungsdiagramme nach Fig.2 ergeben; es zeigt ferner

Fig.4 schematische Darstellung einer Cassegrain-Richtantenne,

F i g. 5 eine Aperturhäfte der Cassegrain-Richtantenne nach F i g. 4,

F i g. 6 ein Belegungsdiagramm der Antennenapertur nach F i g. 5,

F i g. 7 ein Nebenzipfelpegeldiagramm,

Fig.8 eine modifizierte Cassegrain-Richtantenne nach F i g. 4,

F i g. 9 eine weitere Ausführungsform einer Cassegrain-Richtantenne nach der Erfindung,

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform einer Cassegrain-Richtantenne nach der Erfindung.

Die der Erfindung zugrunde liegende neue Erkenntnis, daß eine Belegung, bei der die Feldstärke in Richtung auf die Schattengrenze eines im Strahlungsfeld angeordneten Störkörpers allmählich auf vernachlässigbar kleine Werte abfallen muß, wenn der unerwünschte Einfluß dieses Störkörpers auf die Nebenzipfeldämpfung klein bleiben soll, läßt sich auch anhand einer mathematischen Betrachtung für eine Antenne mit einer rechteckigen Apertur erläutern. Bei einer Rechteck-Apertur, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, kann die Belegungsfunktion als sogenannte separierbare Funktion

angegeben werden. Hierin bedeutet die Funktion f(x) die Belegung der Apertur in x-Richtung und f(y) die Belegungsfunktion in y- Richtung. Beide Funktionen sind voneinander unabhängig und können somit getrennt betrachtet werden, Im allgemeinen, wie das bei Richtfunkantennen, für welche die x-Achse horizontal liegt, der Fall ist, kommt es fast ausschließlich darauf an, daß die Funktion f(x) so gewählt ist, daß die Dämpfung der Nebenzipfel des Strahlungsdiagramms im Abstand einiger Halbwertsbreiten von der Hauptstrahlrichtung möglichst große Werte annimmt Nur auf diese Weise lassen sich unerwünschte Störungen einander benachbarter Richtfunkstrecken unterbinden. Bei einer konstanten Belegung der Apertur in der ^-Richtung wird zwar ein hoher Wirkungsgrad erreicht, doch ergibt sich dabei auch eine ungenügende Nebenzipfeldämpfung. Üblicherweise wird daher theoretisch für eine Rechteckapertur von einer Cosinusbelegung bzw. einer Cosinusquadratbelegung Gebrauch gemacht, bei der die Feldstärke gegen den Rand der Apertur in x-Richtung auf vernachlässigbar kleine Werte abfällt. Dabei ergibt sich für einen cosinusförmigen Verlauf ein höherer Wirkungsgrad als beim Cosinusquadratverlauf, während hinsichtlich der Nebenzipfeldämpfung die Verhältnisse umgekehrt liegen.

Unter der bei vielen Anwendungsfällen gegebenen

Voraussetzung, daß es auf die Größe des ersten Nebenzipfels, von der Hauptkeule aus gesehen, nicht so

κι sehr ankommt, läßt sich zeigen, daß eine Belegung der Form

/ (x) = (i +2« sin² .TX) cos ~ .x (2)

! 5 eine Optimierung der Antenne in dem Sinne ermöglicht, daß hier bei relativ großem Wirkungsgrad die Nebenzipfeldämpfung in Abstand einiger Halbwertsbreiten von der Hauptkeule relativ groß ist In den Gleichungen (1) und (2) bedeutet * den auf den Halbmesser der Rechteckapertur in x-Richtung bezogenen Abstand von der Aperturmitte und a einen Parameter. Wie das Diagramm der F i g. 2 zeigt, gibt die Kurve 3=0 eine Cosinusbelegung f(x)der Apertur nach F i g. 1 an, die hierbei auf den Maximalwert fuax dieser Funktion bezogen ist. Mit zunehmendem a zeigt die Belegung eine wachsende zentrale Einsattelung. Bei der Kurve a= I beträgt diese Einsattelung bereits 50% und bei der Kurve a=8 ist die Belegung im Zentrum bereits auf etwa 10% ihres Maximums abgesunken.

Der Verlauf des Nebenzipfelpegels in dB ist in F i g. 3 über der Größe υ aufgetragen, die der Beziehung

D .

U = ~r Sin ι/
/

entspricht. Hierin bedeuten D der Durchmesser der Apertur nach F i g. 1 in der x-Ebene, λ die Wellenlänge und φ der Ablagewinkel von der Hauptstrahlrichtung. Wie der Verlauf des Nebenzipfelpegels der Kurven entsprechend a = 0, a = 0,5, a=2 und a=8 erkennen läßt, nimmt die Nebenzipfeldämpfung mit zunehmendem a stark ab, während gleichzeitig der erste Nebenzipfel etwas ansteigt. Die einzelnen Kurven bestehen aus zwei Teilen, die jeweils an ihren Übergängen durch kleine Kreise markiert sind. Links vom Kreis ist der Nebenzipfelpegel in seinem eigentlichen Verlauf dargestellt. Rechts vom Kreis ist der Nebenzipfelpegel als Hüllkurve angegeben.
Die Kurve a=8 des Diagramms nach F i g. 2 und der

5(i hiermit erzielte günstige Nebenzipfelpegelverlauf entsprechend Fig.3 machen deutlich, daß eine ähnliche Belegung entsprechend günstige Ergebnisse auch bei solchen Antennen erbringen muß, bei der im Zentrum der Apertur ein Hilfsreflektor angeordnet ist, der einen Teil des Strahlungsdiagramms abschattet Für große Werte von a kann ein solcher Reflektor nur geringe Störungen für das Strahlungsdiagramm bringen.

Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Antenne, nämlich eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne, ist in F i g. 4 dargestellt Der Hauptreflektor ist mit 1 und der Subreflektor mit 2 bezeichnet Der Hauptreflektor 1 ist mit dem Ständer 3 über eine Haltevorrichtung verbunden. Der Subreflektor ist über Stützen 4 am Hauptreflektor befestigt Die Speisung der Antenne erfolgt über einen Hornparabol 5, der im Scheitel des Hauptreflektors 1 in diesen einmündet und über den Hohlleiter 6 mit Drehkupplung 6' mit einer Sende- bzw. Empfangseinrichtung 7 verbunden ist Aus Gründen der

Übersichtlichkeit ist der Hornparabol 5, der Hohlleiter 6, die Drehkupplung 6' und die Sende- bzw. Empfangseinrichtung 7 um 90° gedreht gezeichnet.

F i g. 5 zeigt die rechte Hälfte der Aperatur der Antenne nach Fig.4 und in dem hierauf bezogenen, darunter angeordneten Diagramm nach F i g. 6 in vier Kurven A, B, C und F aufgetragen, verschiedene Möglichkeiten der Belegung der Antennenapertur. Im Diagramm bedeutet , ^Λ die auf die maximale Feldstär-

keamplitude normierte Belegung und χ wiederum den auf den Halbmesser der Antennenapertur bezogene Radius. Die Kurve F gibt die konstante Belegungsfunktion an. Die Feldstärke fällt am Subreflektorrand und am Aperturrand abrupt auf den Wert Null ab. Die Kurve A genügt der Beziehung f(x)=\-x². Sie stellt eine bekannte Belegung einer solchen Antenne dar, bei der die Feldstärke gegen den Aperturrand parabelförmig auf den Wert Null abfällt. Die Nebenzipfeldämpfung des Strahlungsdiagramms ist bei einer Belegung entsprechend der Kurve A besser als entsprechend der Kurve F. Aber auch bei einer Belegung nach der Kurve A ergibt die Abschattung des Strahlungsfeldes durch den Subreflektor in Verbindung mit dem abrupten Abfall der Feldstärke am Schattenrand eine erhebliche Störung des Strahlungsdiagramms der Antenne, die sich in einem Anstieg des Nebenzipfelpegels ausdrückt.

Diese Wirkung kann auch auf folgende Weise erklärt werden. Das Strahlungsdiagramm einer Apertur, die durch irgendwelche Störkörper teilweise abgeschattet wird, ist die Summe der Charakteristik der ungestörten Apertur und der mit umgekehrten Vorzeichen versehenen Charakteristik (Schattencharakteristik) des durch die Störkörper ausgeblendeten Teiles der Aperturbelegung. Soll die gesamte Charakteristik niedrige Nebenzipfel haben, so müssen die beiden Teildiagramme ebenfalls niedrige Nebenzipfel haben, sofern vom besonderen Fall einer gewissen Kompensation zweier hoher Nebenzipfelniveaus abgesehen wird. Wie sich zeigt, ergibt eine Belegung nur dann niedrige Nebenzipfel, wenn keine plötzlichen Amplitudenänderungen auftreten. Deshalb ist beispielsweise die homogene Aperturbelegung ungünstiger als eine quadratisch zum Aperturrand abfallende Belegung.

Um die Nebenzipfel des Schattendiagramms zu erniedrigen, muß somit die Abschattungswirkung allmählich auf Null zurückgehen, beispielsweise entsprechend Funktionen, wie sie von ungestörten Belegungen für nebenzipfelarme Lösungen bekannt sind. Dies läßt sich, wie bereits erwähnt worden ist, durch eine zunehmende Transparenz der Störkörper herbeiführen. In zahlreichen Fällen einfacher und verlustärmer läßt sich dieser Feldübergang durch geeignete Amplitudenänderung der auf die Störkörper treffenden Wellen erzeugen. Wird dieser die Feldänderung bewirkende zusätzliche Belegungsteil zum ausgeblendeten Belegungsanteil hinzugerechnet, und auch das resultierende Diagramm als Schattendiagramm bezeichnet, dann läßt sich erreichen, daß dieses Schattendiagramm die erwünschten niedrigen Nebenzipfel hat Im einfachsten Fall können die Nebenzipfel sowohl die des ungestörten als auch die des Schattendiagramms durch jeweils eine von einem Feldmaximum monoton auf nahezu Null zurückgehende Aperturbelegung angegeben werden. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel einer zentral abgeschatteten Apertur bei einer Cassegrain-Antenne ist erkennbar, daß die Addition zweier solcher Belegungen bei verschiedener Breite und umgekehrten Vorzeichen den gewünschten sattelähnlichen Verlauf mit einer zentralen Einsenkung ergeben, wie ihn die Gleichung (1) für eine Rechteckaperatur angibt.
Zur besseren Realisierung und zur Verbesserung der

■> Nebenzipfeldämpfung ist in der Regel ein möglichst glatter Verlauf der Belegungsfunktion erwünscht. Wird zur Glättung beispielsweise die Bedingung, daß das Integral über die Steigungsquadrate der Belegung bei vorgegebenem Antennenwirkungsgrad ein Minimum

ίο wird, eingeführt, dann wird für drehsymmetrische Cassegrain-Antennen die Belegungsfunktion

f(x) = C₁ /₍₎(zx) + C₂K_n(ZX) + I (4)
für χ in den Grenzen

< χ

C =

- K₍Az)

(5)

(6)

² I_nU)K₀(Vz) - I_n^z)K_n(Z) '

Dabei sind Zo, Ko modifizierte Besselfunktionen, x wiederum der auf den Aperturradius bezogene laufende Radius, λ der auf den Aperturradius bezogene Subreflektorradius und ζ ein frei wählbarer Parameter, der die Glattheit der Belegung und damit auch den Nebenzipfeldämpfungsveriauf und den Wirkungsgrad der Antenne beeinflußt

Im Diagramm der Fig.6 zeigt die Kurve B den Verlauf der Feldstärkebelegung für den Wert z= 12, die Kurve F den Verlauf für den Wert z=00 und die Kurve C den Verlauf für z=Q. Bei z=0 erreicht das obenerwähnte Steigungsintegral ein absolutes Minimum. Gleichzeitig liegen hier die Nebenzipfel des Strahlungsdiagramms mit Ausnahme des ersten Nebenzipfels sehr niedrig. Zugleich wird der Wirkungsgrad optimiert. Für dieses Optimum geht die Gleichung (4) in die bereits einleitend erwähnte Gleichung

/(X) = 1 - χ² +2x_M ² In.v

(8)

über, wobei der Radius des Belegungsmaximums xm der Beziehung

genügt.

Im Diagramm der Fig.7, bei dem über dem normierten Abstandswinkel u der Nebenzipfelpegel in dB aufgetragen ist wird der Einfluß der Nebenzipfeldämpfung in Abhängigkeit der unterschiedlichen Belegung besonders anschaulich. Im Gegensatz zur Kurve A 'sind die Kurven A₀, D'und F'Hüllkurven.
Die mit Ao bezeichnete Kurve entspricht einer

bo ungestörten Antennenapertur, bei der gegen den Rand der Apertur zu die Feldstärke nach einer quadratischen Funktion abfällt Wird bei einer solchen Belegung ein zentraler Subreflektor entsprechend den Fig. 1 und 2 vorgesehen und damit eine Belegung erzwungen, wie sie durch den Verlauf A nach F i g. 6 angedeutet ist dann tritt ein erheblicher Anstieg des Nebenzipfelpegels auf, der durch den Verlauf der Kurve /!'wiedergegeben ist Dieser Anstieg des Nebenzipfelpegels wird weiter

erhöht, wenn, wie die punktierte Kurve F' zeigt, die Aperturbelegung konstant ist, d. h. entsprechend der Kurve F nach F i g. 6 ein abrupter Abfall der Feldstärke sowohl am Rand des Subreflektors als auch am äußeren Rand der Aperatur auftritt. Die Kurve C'gibt schließlich den Verlauf des Nebenzipfelpegels bei einer Aperturbelegung entsprechend der Kurve Cnach F i g. 6 an. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme läßt sich somit bei nur sehr geringer Reduzierung des Wirkungsgrades in genügend großem Abstand von der Hauptkeule (u> 90) ein Gewinn an Nebenzipfeldämpfung in der Größenordnung von mehr als 2OdB erzielen. Gleichzeitig erhöht sich der Wirkungsgrad, der bei einer Belegung entsprechend der Kurve A nach F i g. 6 70,3% beträgt, auf 80,5%. Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne mit einem Durchmesser D von 30 m für eine Wellenlänge der Strahlung von 14,2 cm entsprechend einer Frequenz von 2,11 GHz.

Das in Fig.7 durch die Kurve C" dargestellte Ergebnis wird unter dem Einfluß der Stützen für den Subreflektor nur unwesentlich verschlechtert, wie Rechnungen für in der Apertur liegende Stützen ergeben. Das gilt jedenfalls für die Raumbereiche, die zum Verlauf der Stützen annähernd senkrechte Ebenen enthalten. Die günstige Wirkung beruht u. a. darauf, daß der von den Stützen ausgeblendete Belegungsteil bei einer Belegung etwa entsprechend Gl (8) nach den Stützenenden hin stark abfällt und deshalb in einer die Stütze enthaltenden Ebene das Stördiagramm der Stütze ebenfalls niedrige Nebenzipfel aufweist. Im übrigen besteht die Möglichkeit, den Einfluß der Stützen auf andere Raumwinkelbereiche, wie einleitend bereits auch angedeutet worden ist, durch entsprechend asymmetrische Gestaltung des Subreflektors herabzusetzen, d. h. die Feldstärkebelegung im Bereich der Stützen ebenfalls entsprechend der Lehre nach der Erfindung zu gestalten. Im übrigen ist festzustellen, daß bei zylindrischen Cassegrain-Anordnungen ein evtl. störender Einfluß der Stützen für den Subreflektor nicht vorhanden ist, weil hier konstruktive Lösungen möglich sind, bei denen die Stützen außerhalb der Apertur vorhanden sind.

Die bei einer rotationssymmetrischen Cassegrain-Antenne vorgesehene torusförmige Belegung der Antennenapertur hat u. a. den Vorteil, daß Subreflektoren mit größerem Durchmesser verwendet werden können. Dadurch wird die vom Primärerreger am Subreflektor vorbeigehende Strahlung, welche die Nebenzipfel erhöht, besser abgeschirmt Gleichzeitig werden durch die torusförmige Belegung Störungen durch Mehrfach-Streuung am Subreflektor weitgehend vermieden. Wie bereits erwähnt vrorden ist, kann die gewünschte Belegung der Antennenapertur bei einer Cassegrain-Antenne durch geeignete Formung von Sub- und Hauptreflektor angenähert erzeugt werden.

Die Wirkung und Erzeugung dieser Belegung kann in vorteilhafter Weise durch Verwendung wellenführender Strukturen zwischen Primärerreger und Subreflektor unterstützt werden. Damit kann u.a. die die Nebenzipfeldämpfung verringernde Überstrahlung des Subreflektors verkleinert werden. Fig.8 zeigt eine derart modifizierte rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne entsprechend Fig.4, bei der sich zwischen dem Subreflektor 2 und dem Hornparabol 5 eine Wellenstruktur in Form von auf einem Stab 8 angeordneten Leitscheiben 9 erstreckt Derartige Leitscheibenanordnungen und auch Wellenstrukturen anderer Formgebung sind beispielsweise durch die Literaturstelle »NTZ« 13, 1959, Seiten 501 bis 508 an sich bekannt. Als wellenführende Struktur kann auch — vergleiche »Microwave Journal«, Dez. 1966, Vol. 9, Nr.

·-, 12, Seiten 53 bis 58 — ein Dielektrikum zur Anwendung gelangen.

Wie F i g. 8 ferner zeigt, ist die den Belegungsabfall markierende Übergangszone im Eiereich des Subreflektors 2 durch eine ringförmige, den Subreflektor räumlich

ίο erweiternde Struktur 2' realisiert, die die Strahlung in Richtung auf den Subreflektor zunehmend absorbiert.

Anstelle einer Formung von Sub- und Hauptreflektor kann die gewünschte Belegung auch dadurch herbeigeführt werden, daß das vom Primärstrahler abgestrahlte Feld so gestaltet ist, daß es zu der gewünschten Aperturbelegung kommt. Grundsätzlich bestehen hierfür zwei Möglichkeiten.

Ist, wie F i g. 9 schematisch andeutet, der Subreflektor 2 im Nahfeld des Primärstrahlers angeordnet, so muß in der Apertur dieses Primärerregers die mit 10 angedeutete eingesattelte Belegung erzeugt werden. Dies kann beispielsweise, wie in F i g. 5 angedeutet ist, durch Verwendung eines koaxialen Hornstrahlers 5' erreicht werden, in dessen Innern senkrecht zur Symmetrieachse der Antenne Rippen bzw. Ringblenden 5" angeordnet sind.

Ist, wie Fig. 10 zeigt, der Subreflektor 2 im Fernfeld des Primärerregers angeordnet, dann muß das Fernfeld des Primärerregers, dessen Verlauf mit 10' angegeben

jo ist, die vorgegebene zentrale Einsattelung aufweisen, um die gewünschte torusförmige Feldstärkebelegung 11 über der Antennenapertur zu erhalten. Der Primärerreger kann in diesem Fall beispielsweise ähnlich wie eine Antenne mit sektorgeformter Charakteristik aufgebaut sein, wobei die dort erforderlichen gegenphasigen Aperturanteile so verstärkt sind, daß das Strahlungsdiagramm eine tiefe zentrale Einsenkimg erhält Derartige Strahlungsdiagramme können beispielsweise mit der in Fig. 4 der DE-OS 15 16 821 angegebenen Anordnung durch geeignete Abstandswahl des vor der Erregerapertur befindlichen Rings realisiert werden. Ganz allgemein läßt sich eine einigermaßen dreitisymmetrische Charakteristik mit starker zentraler Einsenkung durch ein rundes Erregerhorn erzielen, das von einem Rundhohlleiter gespeist wird, in dem nach im Prinzip bekannten Methoden neben der Hn-Grundwelle wenigstens die Eu-und die Hi₂-WeIIe angeregt sind.

Die vorliegende Erfindung ist in den Fig.5 bis 10 anhand einer rotationssymmetrischen Cassegrain-Antenne näher erläutert Selbstverständlich ist der Erfindungsgegenstand hierauf nicht beschränkt Neben zylindrischen Cassegrain-Antennen kommt der vorliegenden Erfindung ganz allgemein Bedeutung auch für alle solche Antennen zu, bei denen im Strahlungsfeld der Antenne eine teilweise Abschattung des Strahlungsfeldes erzwungen ist Dies trifft vor allem bei üblichen Parabolstrahlern zu, in deren Zentrum der Primärstrahler angeordnet ist und hinsichtlich seiner abschattenden Wirkung auf das Strahlungsfeld der Antenne nicht vernachlässigt werden kann. In diesem Falle kann die gewünschte Belegung durch entsprechende Gestaltung des Primärstrahlers herbeigeführt werden, wie sie anhand der Fig. 10 für die rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne beispielshaft erläutert worden ist

b5 Für brennpunktgespeiste Parabolantennen können beispielsweise ebenfalls modifizierte Sektorstrahler nach Art der bei Fig. 10 beschriebenen verwendet werden. Der Öffnungswinkel der Strahlungskeule ist

11 12

hier wesentlich größer und der Erreger entsprechend 1973, S. 164 bis 169). Ein besonderer Vorteil der

kleiner. Realisierbar ist eine derartige Charakteristik Torusbelegung bei brennpunktgespeisten Parabolan-

beispielsweise mit einer Anordnung nach Fig. 1 der tennen liegt darin, daß ohne allzu große Nebenzipfeler-

bereits genannten DE-OS 1156821 oder mit einem höhung zusätzliche Vorrichtungen in der Nähe des

Koaxialstrahler (IEEE Transactions AP-21, No. 2, März ~> Erregers angebracht werden dürfen.

Hierzu 5 Blau Z

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit niedrigen Nebenzipfeln des Strahlungsdiagramms in vorgegebenen Raumbereichen, wenigstens im Abstand des zweiten Nebenzipfels von der Hauptstrahlrichtung, bei der innerhalb des Strahlungsfeldes wenigstens eine die Nebenzipfeldämpfung ungünstig beeinflussende Vorrichtung im Antennenaufbau vorhanden ist, die, bezogen auf die durch eine Fläche annähernd konstanter Phase der Strahlung definierte Antennenapertur, eine teilweise Abschattung des Strahlungsfeldes bewirkt und bei der die Belegung gegen den Rand der Antennenapertur gleichmäßig abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schattengrenzen dar Vorrichtung (2) zu Übergangszonen erweitert sind, innerhalb welcher aufgrund von Maßnahmen beim Antennenaufbau die Belegung (C in F i g. 6) jeweils in Richtung auf die Schattenbereiche zu monoton bei wenigstens annähernd glattem Verlauf abfällt, und daß die Breite einer Übergangszone um so größer bemessen ist, je breiter der Schattenbereich selbst und je größer der durch die Vorrichtung (2) ausgeblendete Anteil der ungestörten Belegung ist

   2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Vorrichtung (2) zur Bildung von Übergangszonen räumlich durch Strukturen erweitert ist, die über ihre Breite, ausgehend von ihrem äußeren freien strahlungsdurchlässigen Rand zu ihrem inneren von der eigentlichen Vorrichtung begrenzten strahlungsundurchlässigen Rand hinsichtlich ihrer Strahlungsdurchlässigkeit einen monotonen Übergang aufweisen.

   3. Richtantenne nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einer rotationssymmetrischen oder zylindrischen Cassegrain-Antenne, bei der die die Nebenzipfeldämpfung ungünstig beeinflussende Vorrichtung im wesentlichen der zentral angeordnete Subreflektor (2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke der Strahlung in Richtung bzw. in Vorzugsrichtung senkrecht zum äußeren Aperturrand sowohl zu diesem Rand als auch zu der durch den Subreflektor gegebenen Grenze der Abschattung hin für einen annähernd parabelförmigen Abfall dimensioniert ist.

   4. Richtantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldstärkeverlauf der Strahlung in radialer Richtung der Antennenapertur annähernd durch die mathematische Beziehung

   f(x)= \-x* + 2xrf\nx

   gegeben ist, in der χ der auf den Antennenhalbmesser bezogene laufende Radius der Antennenapertur und *_Mder Radius des ringförmigen Belegungsmaximums bedeuten und Xm mit dem auf dem Antennenhalbmesser bezogene Radius « des Subreflektors die mathematische Beziehung

   daß die ungestörte Belegung am Ort der Stützen kleinere bzw. vernachlässigbar kleine Werte annimmt.

   6. Richtantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diegewünschte Belegung durch geeignete Formung des Haupt- (1) und Subreflektors (2) herbeigeführt ist

   7. Richtantenne nach einem der Anspiiiche 3 bis 6, bei der der Subreflektor im Nahfeld des Primärerregers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Belegung durch das Nahfeld des Primärerregers (5') erzeugt ist

   8. Richtantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärerreger ein Koaxialstrahler mit ringförmiger Apertur oder ein Hornstrahler ist, bei dem die gewünschte ringförmige Feldkonzentration durch einen dielektrischen Einsatz herbeigeführt ist

   9. Richtantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der der Subreflektor im Fernfeld des Primärerregers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Belegung durch das Fernfeld (10') des Primärerregers (6") angenähert ist beispielsweise in dem dieser als ein modifizierter Sektorstrahler mit einer starken zentralen Einsenkung seines Strahlungsdiagramms ausgebildet ist