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Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Rlchtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit
einer sektorähnlich geformten Charakteristik.
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Antennen dieser Art sind durch eine Aperturbelegung bestimmt, bei
der, ausgehend vom Zentrum gegen den Aperturrand, die Amplitude der Feldstärke wenigstens
einmal das Vorzeichen wechselt (Phasensprung von 180°). Bei den Antennenanordnungen
nach der US-PS 3 653 055 und der DT-PS 1 293 225 wird diese Aperturbelegung mit
wechselndem Vorzeichen der Amplitude dadurch erreicht, daB der Erreger den Antennenspiegel
nicht nur mit seiner Hauptkeule, sondern auch mit se j'nen Nebenzipfeln ausleuchtet,
die ihrerseits in ihrer Aufeinanderfolge wechselndes Vorzeichen aufweisen. Anordnungen
dieser Art -deuten einen erheblichen technischen Aufwand, weil. falls eine brauchbare
sektorgeformte Charakteristik erzielt wurden soll, an die Amplituden der Hauptkeule
und die Nebenzipfel einschließlich die Winkelablage der NebenzipMelmax.ma von der
Hauptstrahlachse des Erregers bestimmte Anforderungen gestellt werden müssen, die
mit bekannten Erregern nicht oder nur schwer erfüllbar sind. In der Praxis wirkt
sich dies besonders nachteilig aus, daß die für die gewünschte sektorähnliche Charakteristik
bedeutsamen Amplituden der ersten Nebenzipfel gegenüber der Amplitude der Hauptkeule
zu stark abfallen. Dies bedeutet, daß die gewünschte Konzentration der Strahlungsenergie
in dem gewünschten Sektor nur sehr unvollkommen gelingt, auch wenn für die Realisierung
dieser
Charakteristik nicht nur die ersten beiden, sondern auch
noch weitere Nebenzipfel des Strahlungsdiagramms des Erregers ausgenutzt werden.
Ein Anheben der Amplitude des ersten Nebenzipfels ist zwar prinzipiell möglich,
bedingt jedbch meist auch einen unerwünschten Anstieg jener Nebenzipfel, mit denen
der Erreger am Reflektor vorbeistrahlt. Dadurch wird der Antennengewinn vermindert.
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Weitere Lösungen für derartige Antennen sind in der Literaturstelle
Samue' Silver: "Microwave Antenne Theory and Design", MeGraw-Hill Book Comp. Inc.,
1S45, Seiten 475 und 476 angegeben. Die eine Lösung sieht zwei Erreger vor, die
aus der Brennebene des Antenn&nspiegels versetzt so angeordnet sind, daß ihre
individuellen Strahlungskei>:len sich beim halben Wert der Maximalamplitude kreuzen
und gleichphasig so addieren, daß sich die gewünschte CharakteristiR ergibt, Wird
eine Charakteristik gewünscht, die noch besser an eine Sektrocharakteristik angenähert
ist, dann bussen weitere Erreger vorgesehen werden.
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Der Aufwand, den eine solche Erregeranordnung bedingt, ist ebenfalls
relativ grob.
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Die andere Möglichkeit besteht darin, den Antennenspiegel in stufenartig
gegenenander abgesetzte Bereiche zu unterteilen, wobei die Stufen ein Viertel der
Wellenlänge A des Erregerfeldes betragen. Werden statt zwei, drei und mehr solche
stufenartig gegeneinander abgesetzte Bereiche des Antennenspiegels vorgesehen, dann
läßt sich auf diese Weise die Charakteristik der Antenne an eine Sektorcharakteristik
zunehmend besser annähern. W-e die Praxis jedoch zeigt, führt die bei diesem Prinzip
nicht beeinflußbare Amplitudenverteilung in der Apertur zu hohen, den Antennengewinn
mindernden Nebenzipfeln und einer zu starken zentralen Einsenkung im Strahlungsdiagramm.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Richtantenne der
einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, die bei relativ geringem
technischen Aufwand eine gute Approximation an die gewünschte Sektorcharakteristik
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Richtantenne
eine Nah- oder Fernfeld-Cassegrainanterne mit gegeneirarlder abgestuften Bereichen
des Haupt- oder des Subreflektor3 ist, und daß die gewünschten Nullstellen der Aperturbelegung
durch Punkte der Kontur des Subreflektors approximiert sind, deren Krümmungsradius
gegen den Wert Null geht.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Prinzip der Erzeugung
einer sektorgeformten Charakteristil mit hilfe gegeneinander abgestuften Bereichen
eines Antennenspiegels in seiner Anwendung bei einer Cassegrainantenne in außerordentlich
vorteilhafter Weise zusätzlich eine Beeinflussung der Amplitudenverteilung in der
Apertur durch geeignete Formgebung des hier zur Verfügung stehenden zeiten Reflektors
ermöglicht und dadurch stetige Nulldurchgänge des Amplitudenverlaufs im Bereiche
eines 180°-Phasensprungs im Sinne geringer Nebenzipfelamplituden bei geringer zentraler
Einsenkung herbeigeführt werden können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform, der insbesondere dann Bedeutung
zukommt, wenn der Subreflektor in seinen Abmessungen besonders klein gehalten werden
soll, sind die Punkte der Kontur des Subreflektors, deren Kriummungsradius gegen
den Wert Null geht, zugleich als Knickstellen ausgebildet.
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Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll
die -Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig.
1 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in schematischer Darstellung, Fig.
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in schematischer Darstellung.
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Die in den Fig. 1 und 2 angegebenen möglichen Grundkonfigurationen
für drehsymmetrische Cassegrainantennen sind zur Erzeugung von Sektordiagremmen,
wie sie beispielsweise durch Belegungen der Form A1(c.x) oder Kt Jo(utx) Y 0,1 entstehen,
geeignet. In den Gleichungen bedeuten c, Kt ut Konstanten x der auf den Aperturradius
normierte laufende Radius Jo die Besselfunktion nullter Ordnung.
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BeispIelsweise ist für die Bordantenue eines geostationären Satelliten
bei kreisförmigem,zentral unter dem Satelliten gelegenen Ausleuchtgebiet, vorzugsweise
eine Belegung der Form
erwünscht. Diese Belegung B ist in Fig. 1 auf der rechten Seite angegeben. Sie hatt
ausgehend von der Aperturmitte (x=o) bis zum Aperturrand (x = + 1), jeweils einen
Phasensprung, der durch den angegebenen Vorzeichenwechsel von Plus nach Minus angedeutet
ist.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, weist bei der angegebenen Belegung B der
Hauptreflektor 1 einen zentralen kreisförmigen Bereich 2 und einen ringförmigen
Bereich auf, die gegeneinander um etfa eine viertel Wellenlänge gegeneinander versetzt
sind. Der Subreflektor ist mit 5 bezeichnet und wird von einem im Bereich des Scheitels
des Hauptreflektors 1 angeordneten, annähernd punktförmigen Erreger 4 angestrahlt
(Fernfeld-Cassegrainantenne Wie Fig. 1 ferner in Verbindung mit der Belegung
B
deutlich macht, wird der 1800-Phasensprung, der durch den Vorzeichenwechsel der
Amplitude der Belegung angedeutet ist, durch die Stufung des Hauptreflektors erreicht.
Darüber hinaus weist die Kontur des Subreflektcrs 5 Punkte 6 auf, die die erwünschten
Nullstellen der Aperturbelegung markieren und in denen der Krümmungsradius gegen
den Wert Null geht. Diese Punkte können zugleich als Knickstellen ausgeführt sein,
was sich bei kleinen Subreflektoren, die wegen der geringen Strahlabschattung erwünscht
sind, besonders vorteilhaft auswirkt. Werden die Konturabschnitte des Subreflektors
5 geradlinig gewählt, dann wird bei geometrischer Strahlausbreitung die Energie
in Richtung der erwünschten Belegungsextrema transportiert. Tatsächlich verteilt
sich jedoch durch Beugung die Energie dann qualitativ etwa in der aurcn die Belegung
B angegebenen erwUnschwen Weise, so daß durch genaue Formung der Reflektoren nur
noch gewisse Korrekturen nötig sind. Die Form des Hauptreflektors wird aus genauen
Beugungsrechnungen oder aus Messungen des Subreflektorstreufeldes so ermittelt,
daß in der Apertur der Antenne eine annähernd ebene Welle entsteht. Azn den Erreger
4 brauchen keine besonderen Forderungen gestellt zu werden.
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Jedoch soll, wie bei Cassegrainantennen üblicherileise gefordert,
die Ubertrahlung am Subreflektor möglichst gering bleiben und das Feld annähernd
drehsymmetrisch zur Rotationsachse der Antenne verteilt sein.
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Entgegen der Fernfeld-Cassegrainantenne nach Fig. 1 ist in Fig. 2
eine Nahfeld-Cassegrainantenne (Subreflektor im Nahfeld des Erregers) im Schema
dargestellt, bei der der Erreger beispielsweise ein Hornparabol 7 ist. Der Hauptreflektor
8 weist keine gestuften Bereiche auf. Die Stufung ist hier beim Subreflektor 9 vorgenommen,
der seinerseits einen zentralen Bereich 10 und einen dagegen zurückgesetzten ringförmigen
Bereich 11 aufweist. Die Stufenhöhe beträgt wiederum etwa ein Viertel der Wellenlänge
X des Strahlungsfeldes. Die die
erwünschten Nullstellen der Aperturbelegung
markierenden Punkte 6' fallen eier mit den durch den Versatz gegebenen Knickstellen
zusammen.
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Soll die Charakteristik besser an die ideale Sektorcharakteristik
angenähert werden, dann muß dafür gesorgt werden, daß die Belegung über der Apertur
eine größere Anzahl von Vorzeichenwechsel aufweist. Je mehr Vorzeichenwechsel die
Belegung hat, umso genauer läßt sich im Prinzip die gewünschte sektorhnliche Charakteristik
der Antenne in einem ihrer Diagrammachnitte erzielen. Die Zahl der Knlck- und Sprungstellen
der Reflektoren ist dar entsprechend größer.
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Die Eftindirng ist nicht auf eine rotationssymmetrische Cassegrainantenne
der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art beschränkt. Sie läßt sich in gleicher Weise
vei Cassegrainantennen mit nicht kreisförmiger Apertur, vorzugsweise elliptische
Apertur anwenden. Entsprechende gilt für Ausführungsformen mit Zylinderparabolreflektor
und torusförmige nordnungen.
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2 Patent ansprüche 2 Figuren