DE2416718B2

DE2416718B2 - Richtantenne mit einem im Bereich der Brennebene eines parabolförmigen Spiegels angeordneten Einzelerreger

Info

Publication number: DE2416718B2
Application number: DE19742416718
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Rebhan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-04-05
Filing date: 1974-04-05
Publication date: 1980-08-28
Also published as: DE2416718A1; DE2416718C3

Description

mit annähernd gleicher Phase aufweist und von dessen Aperturzentrum keine relevante Strahlung ausgeht Der Erreger wird hierbei von einem durch den Reflektorscheitel durchgeführten Hohlleiter gespeist und weist eine den auslaufenden SpeisehohlleiU/ mit einigem Abstand umgebende Kappe auf, so daß im Bereich zwischen dem Ende des Speisehohlleiters und der Kappe die elektromagnetische Primärstrahlung ringförmig austritt und auf den parabolischen Reflektor gerichtet ist Der Primärstrahl weg weist somit eine 180°-Umlenkung zurück in Richtung auf den parabolischen Reflektor auf. Eine direkte Strahlung ist mit diesem bekannten Erreger nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Richtantenne der einleitend beschriebenen Art eine Lösung anzugeben, die bei relativ geringem technischem Aufwand eine gute Approximation an die gewünschte Sektorcharakteristik zuläßt und außerdem eine sogenannte direkte Primärstrahlung enaubt, d. h. eine Umlenkung im Primärstrahlweg soll nicht vorgesehen sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Erreger ein Hornstrahler ist, bei dem die ringförmige Apertur dadurch erzielt ist, daß entweder der Hornstrahler als metallisches, mit einem koaxialen r> Innenleiter versehenes Rillenhorn ausgebildet ist, bei dem sowohl die Horninnenwand als auch der rr etallische, konisch ausgebildete Innenleiter mehrere in Längsrichtung hintereinander angeordnete konzentrische Ringblenden, Rillen oder dielektrische Einsätze w aufweist deren auf die Wellenlänge bezogene Abstände und Abmessungen in Anlehnung an die bekannten Prinzipien eines Rillenhorns bestimmt sind, oder in den Hornstrahler ein koaxiales, an der Horninnenwandung anliegendes und die ringförmige Apertur ausfüllendes r> dielektrisches Rohr eingesetzt ist, das über die Öffnung des Horns hinausragt.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet w

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Antenne nach der Erfindung, mit Belegungsdiagramm der Gesamtantenne,

F i g. 2 eine erste Erregerausführungsform für eine Antenne nach F i g. 1, -r>

F i g. 3 eine zweite Erregerausführungsform für eine Antenne nach F i g. 1.

Die in F i g. 1 angegebene mögliche Grundkonfiguration für eine im allgemeinen drehsymmetrische Richtantenne mit einem Parabolspiegel 1 und einem den "><> Parabolspiegel 1 direkt anstrahlenden Erreger 2 nach der Erfindung liefert ein Sektordiagramm bei einer Belegung, die etwa der Form

Belegung der Form

.I₁(C-X) oder

Σ K_uJ₀{u„x)

= O.t.2

entspricht.

In den Gleichungen bedeuten

C, K_n u_r Konstanten,

χ der auf den Aperturradius normierte laufende

Radius,
/0 die Besselfunktion nullter Ordnung.

Beispielsweise ist für die Bordantenne eines geostationären Satelliten bei kreisförmigem, zentral unter dem Satelliten celeeenen Ausleuchteebiet vorzugsweise eine erwünscht Eine solche Belegung B ist in F i g. 1 auf der rechten Seite angegeben. Die Belegung hat, ausgehend von der Aperturmitte (Jf= 0) bis zum Aperturrand (at=±1), jeweils einen Phasensprung, der durch den angegebenen Vorzeichenwechsel der Amplitude von Plus nach Minus angedeutet ist

Eine solche Belegung läßt sich mit einem Erreger nach den Fig.2 und 3 verwirklichen. Die erwünschte Belegung B' in der Aperturebene des Erregers ist jeweils mit angegeben. Sie weist im wesentlichen ein ringförmiges Maximum der Strahlung auf, das konzentrisch zur Strahlachse verläuft. Innerhalb dieser ringförmigen strahlenden Fläche und außerhalb davon wechselt die Belegung bei geringen Schwankungen der Amplitude jeweils das Vorzeichen hinsichtlich der Phase. Die Schwankungen sind im wesentlichen durch Beugungserscheinungen bedingt und können bei der Realisierung in erster Näherung vernachlässigt werden (ganz im Gegensatz beispielsweise zu dem 1. gegenphasigen Belegungsteil in der Reflektorapertur, der für die Erzeugung des Sektordiagramms wesentlich ist).

Wie F i g. 2 zeigt, besteht hier der Erreger aus einem metallischen Hornstrahler 2', der an seinem hinteren Ende in den Rundhohlleiter 3 übergeht. Zwischen einem koaxialen Innenleiter 4, der konisch ausgebildet ist und der Horninnenwandung 5 des Hornstrahlers 2' sind hintereinander in Abständen von einem Viertel der Wellenlänge λ Ringblenden 6 eingesetzt, mit deren Hilfe die gewünschte Belegung B' möglichst gut angenähert wird. Insbesondere haben diese Blenden die Aufgabe, eine gute Rotationssymmetrie der Primärcharakteristik sicherzustellen. Anstelle von Ringblenden können auch Rillen, dielektrische Einsätze und andere Maßnahmen zur Anregung höherer Wellentypen, wie sie bei üblichen Hornstrahlern bekannt sind, zum Einsatz kommen.

Bei dem einen Hornstrahler darstellenden Erreger 2" in F i g. 3 wird die gewünschte ringförmige strahlende Fläche mit Hilfe des dielektrischen Einsatzes 7 verwirklicht, der einen rohrförmigen Querschnitt aufweist und hinsichtlich seiner äußeren Abmessungen an die lichte Weite des Hornstrahlers 2" angepaßt ist. Der Hornstrahler 2" geht an seinem hinteren Ende in den Rundhohlleiter 3' über. Der dielektrische Einsatz 7 reicht bis in den Hohlleiter 3' hinein, wobei seine Wandstärke allmählich im Sinne einer wellenwiderstandsmäßigen Anpassung bis auf den Wert Null abnimmt. Zur Verbesserung der Rotationssymmetrie kann es zweckmäßig sein, die Wandstärke des dielektrischen Einsatzes 7 an den Stellen, wo die elektrischen Feldlinien die Wandung des Dielektrikums senkrecht durchsetzen, größer zu wählen als dort, wo sie parallel zur Wandung liegen. Durch die Länge des dielektrischen Einsatzes und die Dielektrizitätskonstante kann die Feldsymmetrie ebenfalls beeinflußt werden. Gegebenenfalls kann durch konzentrisch angeordnete Schichten verschiedener Dielektrizitätskonstante das Aperturfeld des Erregers noch besser an die gewünschte Verteilung angepaßt werden.

Die Erfindung ist nicht auf eine Parabolantenne der in Fig. 1 angegebenen Grundstruktur beschränkt, sondern läßt sich in gleicher Weise auf eine Cassegrain-Fernfeidantenne anwenden. Der Ringstrahler ist dann im Brennpunkt des Subreflektors angeordnet. Auch

kann sowohl bei der brennpunktgespeisten Parabolantenne als auch bei einer Fernfeld-Cassegrainantenne von der sogenannten »Offset-Anordnung« Gebrauch gemacht werden, bei der die vom Antennenspiegel kommende Strahlung nicht durch das Erregersystem abgeschattet wird.
Ebenfalls kann der Erfindungsgegenstand im Prinzip auf Reflektoren mit nicht kreisförmiger Apertur angewendet werden. Die Strahlungskeule hat dann im allgemeinen ebenfalls nicht kreisförmigen Querschnitt. Dies kommt bei der Anwendung solcher Antennen für die Ausleuchtung beliebig geformter Erdgebiete in Betracht. Entsprechend ist dann auch der Erreger nicht mehr drehsymmetrisch ausgebildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Richtantenne mit einer sektorähnlich geformten Strahlungscharakteristik und mit einem im Bereich der Brennebene eines parabolförmigen Spiegels angeordneten, als Einheit ausgebildeten Einzelerreger, der wenigstens eine ringförmige, strahlende Aperturfläche mit annähernd gleicher Phase aufweist und von dessen Aperturzentrum keine relevante Strahlung ausgeht, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger ein Hornstrahler ist, bei dem die ringförmige Apertur dadurch erzielt ist, daß entweder der Hornstrahler als metallisches, mit einem koaxialen Innenleiter (4) versehenes Rillenhorn (2') ausgebildet ist, bei dem sowohl die Horninnenw&ndung (5) als auch der metallische, konisch ausgebildete Innenleiter (4) mehrere in Längsrichtung hintereinander angeordnete konzentrische Ringblenden (6), Rillen oder dielektrische Einsätze aufweist, deren auf die Wellenlänge bezogene Abstände und Abmessungen in Anlehnung an die bekannten Prinzipien eines Rillenhorns bestimmt sind, oder in den Hornstrahler (2") ein koaxiales, an der Horninnenwandung anliegendes und die ringförmige Apertur ausfüllendes dielektrisches Rohr (7) eingesetzt ist, das über die Öffnung des Homes (2") hinausragt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantenne mit einer sektorähnlich geformten Strah'.ungscharakteristik und mit einem im Bereich der Brennebene eines parabolförmigen Spiegels angeordneten, ais Einheit ausgebildeten Einzelerreger, der wenigstens eine ringförmige, strahlende Aperturfläche mit annähernd gleicher Phase aufweist und von dessen Aperturzentrum keine relevante Strahlung ausgeht.

Bekannte Antennen zur Erzeugung einer sektorähnlich geformten Strahlungscharakteristik 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 36 53 055 und der DE-PS 12 93 255 wird diese Aperturbelegung mit wechselndem Vorzeichen der Amplitude dadurch erreicht, daß der Erreger den Antennenspiegel nicht nur mit seiner Hauptkeule, sondern auch mit seinen Nebenzipfeln ausleuchtet, die ihrerseits in ihrer Aufeinanderfolge wechselnde Vorzeichen aufweisen. Wie die Praxis zeigt, bedingen solche Anordnungen einen erheblichen technischen Aufwand, weil, um eine brauchbare sektorgeformte Charakteristik zu erzielen, die Amplituden der Hauptkeule und der Nebenzipfe! des Fernfeldes des Erregers einschließlich der Winkelablage der Nebenzipfelmaxima von der Hauptstrahlachse des Erregers bestimmten Anforderungen genügen müssen, die mit bekannten Erregern nicht oder nur schwer erfüllbar sind. In der Praxis wirkt es sich dabei besonders nachteilig aus, daß die für die gewünschte sektorähnliche Charakteristik bedeutsamen Amplituden der ersten NebenziDfel eeeenüber 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 jedoch meist auch

ίο einen unerwünschten Anstieg jener Nebenzipfel, mit denen der Erreger am Reflektor vorbeistrahlt Dadurch geht der Antennengewinn zurück.

Durch die Literaturstelle Samuel Silver: »Microwave Antenna Theory and Design«, McGraw-Hill Book Comp. Inc, 1949, Seiten 475 und 477 sind zwei weitere Möglichkeiten bekannt, die gewünschte Charakteristik herbeizuführen. Die eine Möglichkeit besteht darin, daß anstelle von einem Erreger zwei und mehr Erreger verwendet werden, die dabei etwas aus der Brennebene versetzt und gegeneinander so angeordnet sind, daß sich ihre individuellen Strahlungskeulen beim halben Wert der Maximalamplitude kreuzen und gleichphasig so addieren. da3 sich die gewünschte Strahlungscharakteristik ergibt Der Aufwand, den ein solches Erregerfeld bedingt, ist ebenfalls relativ groß. Die andere Möglichkeit besteht darin, den Antennenspiegel in stufenartig gegeneinander abgesetzte Bereiche zu unterteilen, wobei die Stufen ein Viertel der Wellenlänge λ des Erregerfeldes beträgt Werden statt zwei drei und mehr

to solche stufenartig gegeneinander abgesetzte Bereiche des Antennenspiegels vorgesehen, dann läßt sich auch auf diese Weise die Charakteristik der Antenne an eine Sektorcharakteristik zunehmend besser annähern. Wie die Praxis jedoch zeigt, führt die bei diesem Prinzip nicht

π beeinflußbare Amplitudenverteilung in der Apertur zu hohen, den Antennengewinn mindernden Nebenzipfeln und einer zu starken zentralen Einsenkung im Strahlungsdiagramm. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein drehsymmetrisches Sektordiagramm angestrebt

mi wird. Gute Drehsymmetrie ist aber selbst mit größeren Strahlergruppen nur schwer erreichbar.

Durch die US-PS 30 55 004 ist bereits eine Mikrowellenantenne bekannt, deren Strahlrichtung für Raumabtastzwecke veränderbar ist. Sie verwendet einen sphärischen Reflektor mit einem Hornerreger, der von einer ringförmigen Aperturfläche Gebrauch macht. Die spezielle Ausbildung des Hornstrahlers dient hierbei der Anpassung an den sphärischen, keine Brennebene aufweisenden Reflektor im Sinne einer optimalen

V) Ausgestaltung der einen Suchstrahl darstellenden Strahlungscharakteristik der Antenne.

Auch sind durch die Literaturstellen »NTZ« 1965, Heft 7, Seiten 374 bis 379, die DE-PS 8 96 669 und die US-PS 34 13 642 Horn- bzw. Koaxialstrahler bekannt,

ν-, die neben einem Zentralstrahler konzentrisch hierzu angeordnete Ringstrahler aufweisen. Solche Strahler sind in Verbindung mit einem parabolförmigen Reflektor als Sekundärstrahler für die Erzeugung einer Sektorcharakteristik ungeeignet, da hierfür ein Zentral-

Mi strahler neben einem Ringstrahler nicht vorgesehen sein darf.

Eine Richtantenne mit geringerem technischem Aufwand und mit einer verhältnismäßig guten Annäherung an eine gewünschte Sektorcharakteristik ist aus

til der US-PS 28 93 003 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine parabolförmige Spiegelantenne mit einem im Bereich der Brennebene angeordneten Erreger, der wenigstens eine ringförmige, strahlende Aperturfläche