DE2416541A1 - Richtantenne fuer sehr kurze elektromagnetische wellen - Google Patents

Richtantenne fuer sehr kurze elektromagnetische wellen

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    • H01Q15/165Reflecting surfaces; Equivalent structures curved in two dimensions, e.g. paraboloidal composed of a plurality of rigid panels
    • H01Q15/167Reflecting surfaces; Equivalent structures curved in two dimensions, e.g. paraboloidal composed of a plurality of rigid panels comprising a gap between adjacent panels or group of panels, e.g. stepped reflectors
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Description

  • Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung bezieht sich auf eine Rlchtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer sektorähnlich geformten Charakteristik.
  • 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.
  • 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.
  • Der Aufwand, den eine solche Erregeranordnung bedingt, ist ebenfalls relativ grob.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2 Patent ansprüche 2 Figuren

Claims (2)

  1. Patentansprüche 1. Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer sektorähnlich geformten Charakteristik, bei der der Antennenspiegel gegeneinander abgestufte Bereiche aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Richtantenne eine Nah- oder Fernfeld-Cassegrainantenne (1/5.
    8/9) mit gegeneinander abgestuften Bereichen des Haupt-(2,3) oder des Subreflektors (10,11) ist und daß die erwünschten Nullstellen der Aperturbelegung durch Punkte (6, 6') der Kont-ur des Subreflektors approxiiert sind, deren Krümmungsradius gegen den Wert Null geht.
  2. 2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß die Punkte (6, 6') der kontur des Subreflektors, deren Krümmungsradius gegen deren Wert Null geht, zugleich als Knickstellen ausgebildet sind.
    L e e r s e i t e
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