DE2442884A1

DE2442884A1 - Parabolantenne mit umschaltbarer strahlbreite

Info

Publication number: DE2442884A1
Application number: DE2442884A
Authority: DE
Inventors: Richard Frederick Schmidt
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1973-09-10
Filing date: 1974-09-07
Publication date: 1975-03-13
Also published as: FR2243533A1; JPS5057364A; GB1472139A; NL7410633A; CA997062A; FR2243533B1; US3866233A

Description

DIPL.-ING. KLAUS RUPPRECHT

PATENTANWA LT

D-6 FRANKFURT (MAIN) TTLMENSTRASSE 37 McCANN HAUS • TELEFON 72 6192

!· 5.9.1974^

NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION NASA Headquarters, Washington, D.C., U.S.A.

PARABOLANTENNE MIT UMSCHALTBARER STRAHLBREITE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne mit schaltbarer oder veränderbarer Strahlbreite unter Verwendung eines herkömmlichen HauptparaboIreflektors, der mit wenigstens zwei verschiedenen Strahlbreitenzuständen betreibbar ist.

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Häufig besteht der Bedarf, Sende- und/oder Empfangsantennen schmaler Empfangsbreite um einen "Akquisitions"-Arbeitszustand mit breiter Strahlbreite zu ergänzen.

Im Falle schmaler Strahlbreite oder schmalen Strahldurchmessers (auch als "hohe Antennenverstärkung" bezeichnet) bei einer Empfangsantenne besteht eine große Schwierigkeit darin, das enge Blickfeld der Antenne in Richtung einer Sendestation auszurichten, was erfolgen muß, damit die Antenne empfangen kann. Wenn anfänglich unter Inkaufnahme einer verringerten Antennenverstärkung oder eines verringerten Antennenwirkungsgrades die Antenne auf ein breites Blickfeld (breite Strahlbreite) geschaltet wird, kann die Antenne leichter so ausgerichtet werden, daß sie der Sendestation in breitem Blick- oder Gesichtsfeld gegenüber liegt. Dann kann durch simultane Leitstrahldrehungs-Techniken (lobing-Techniken) ein Hinweis auf Richtfehler gewonnen werden, um z.B. die Antenne genauer auszurichten. Sobald die Antenne ausgerichtet ist, so daß die Sendestation in ihrem engen Blickfeld ist, ist "Akquisition" eingetreten, und die Antenne kann auf enge Strahlbreite umgeschaltet werden, um die größere Antennenverstärkung oder den größeren Antennenwirkungsgrad auszunutzen. Diese schmale Strahlbreite kann dann aufrechterhalten werden, wobei durch simultane Leitstrahldrehungs-Techniken die Sendestation relativ gegenüberliegend aufrechterhalten (oder "verfolgt") wird. Akquisition kann gleichermaßen durchgeführt werden, um eine Radarantenne auf ein Ziel oder eine Sendeantenne auf eine Empfangsstation auszurichten.

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Das Akquisitionsproblem iä: besonders bei Antennen mit schmaler Strahlbreite akut, welche einen großen Hauptreflektor haben, um durch die Erde umlaufende Beobachtungssatelliten gesammelte Daten auf die Erde zu übermitteln. Diese mit 15 Gigahertz betriebenen Antennen haben einen Hauptreflektor in der Größenordnung von 5,3 m im Durchmesser und eine entsprechend schmale Strahlbreite von nur 0,3 Grad. Das anfängliche Ausrichten der Antenne schmaler Strahlbreite des Datenübertragungssatelliten (mit Relais) auf einen Erdbeobachtungssatelliten ist wegen der beträchtlichen Relativbewegung zwischen diesen Satelliten sehr schwer zu bewerkstelligen. Deshalb ist eine Einrichtung zur Vergrößerung der Strahlbreite der Antenne zwecks "Akquisition" erforderlich.

Bei einem bisher bekannten Verfahren wird eine Einspeisung oder ein Subreflektor axial verschoben, um die Antenne zu defokusderen. Obgleich hierdurch die Strahlbreite generell geweitet wird, ist dieses Verfahren doch nicht brauchbar, da die Antennenbildamplitude und die Phasenkenngrößen verzeichnet werden. Bei einem anderen Verfahren wird ein auf Polarisation ansprechendes Gitter vor dem Hauptreflektor angeordnet, um als ein kleinerer Hauptreflektor für einen breiten Strahlbreiten-Arbeitszustand zu dienen. Dieses Gitter - obgleich kleiner als der Reflektor - ist hinreichend vorne, um die gesamte von'einer Einspeisung kommende Strahlung aufzufangen. Das Gitter läßt

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beispielsweise vertikal polarisierte Strahlung zum Hauptreflektor durch und erzeugt eine enge Strahlbreite; es reflektiert jedoch horizontale Polarisation unter Erzeugung einer größeren Strahlbreite. Auf diese Weise kann die Strahlbreite durch Umschaltung der Einspeisungspolarisation geschaltet werden. Dieses Verfahren weist Nachteile wegen der Einschränkungen bei der Einspeisungspolarisation auf. Inbesondere gestattet es nicht die Verwendung von kreisförmiger Polarisation, die sowohl horizontale als auch vertikale Polarisationskomponenten aufweist.

Ein anderes Verfahren zur Vergrößerung der Strahlbreite der Antenne besteht darin, daß die Arbeitsfrequenz geändert wird. Da die Strahlbreite umgekehrt proportional der Fläche des Hauptreflektors gemessen in Wellenlängen ist, kann sie durch Verringerung der Frequenz (Vergrößerung der Wellenlänge) verringert werden. Dies ist für Satellitenbenutzer eine unerwünschte Komplizierung des Antennensystems. Es kann ebenfalls zusätzliche Antenneneinspeisungen und infolgedessen vergrößerte Sperrung des Satelliten-Hauptreflektors erforderlich machen, wodurch eine verringerte Antennenverstärkung oder ein verringerter Antennenwirkungsgrad der Antenne bewirkt wird. Darüber hinaus ist es erwünscht, mit bereits existierenden Ausrüstungen basierend auf einer einzigen Frequenz zu arbeiten.

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Ein weiteres Verfahren zur Vergrößerung der Strahlbreite besteht darin, daß zwei Einspeisungen an einem Speisepunkt vorgenommen werden, wobei eine Einspeisung den gesamten Hauptreflektor zur Erzeugung der schmalen Strahlbreite und eine zweite Einspeisung einen kleineren Bereich des Hauptreflektors zur Erzeugung einer , breiten Strahlbreite anregt. Die Hauptschwierigkeit bei dieser Anordnung besteht darin, daß, wenn die zweite Einspeisung hinreichend genau ist, um nur einen Teil des Hauptreflektors anzuregen, diese geometrisch groß sein muß. Eine derart große Einspeisung würde die Sperrung des Hauptreflektors wesentlich vergrößern, wodurch die Antennenverstärkung oder der Wirkungsgrad herabgesetzt würde. Darüber hinaus existieren offenkundige Schwierigkeiten beim Anordnen zweier Einspeisungen an der selben Stelle. Die zweite Einspeisung muß außerhalb der Antennenachse angeordnet werden, wenn die erste auf der Achse vorgesehen ist. Es ist erwünscht, daß die Möglichkeit der Anordnung der Einspeisung oder Einspeisungen sowohl bei einem Arbeitszustand mit breiter als auch schmaler Strahlbreite auf der Antennenachse besteht.

Die Erfindung weist eine Antenne mit schaltbarer Strahlbreite auf.

Sie hat einen konkaven, parabolischen Reflektor sowie eine Einspeisungseinrichtung, die tatsächlich in einem Brennpunkt auf der Justierachse

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des Reflektors angeordnet ist. Da die Strahlbreite einer Antenne dieser Art umgekehrt proportional zur Fläche des Hauptreflektors ist, kann die Strahlbreite durch wirksame Benutzung nur eines Teils des Hauptreflektors vergrößert werden. Im Falle einer Arbeitsweise mit breiter Strahlbreite regt die Einspeisungseinrichtung nur einen zentralen kreisförmigen Bereich des Hauptreflektors über einen stumpfen Subreflektor an, wohingegen bei Betrieb mit enger Strahlbreite der gesamte Reflektor durch die Einspeisungseinrichtung angeregt wird.

Die Erfindung weist zwei Hauptausführungsbeispiele auf.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Cassegrain-Konfiguration mittels eines konvexen, hyperbolischen Subreflektors bewirkt, der einen äußeren ringförmigen Bereich aufweist, welcher wahlweise längs der Justierachse des Hauptreflektors verschiebbar ist, um verschiedene Flächen des Hauptreflektors als Auswirkung der Anregung durch eine einzige Einspeisung anzuregen, die ebenfalls auf der Justierachse des Hauptreflektors angeordnet ist. Der äußere ringförmige Bereich wird während des Betriebs mit breiter Strahlbreite in eine "unscharfe" Stellung bewegt, so daß nur ein zentraler kreisförmiger Bereich des Subreflektors zur Erregung des Hauptreflektors betätigbar ist. Da zwischen der Strahlung auf den Subreflektor und auf den Hauptreflektor

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im wesentlichen eine 1:1 Abbildung besteht, kann die Einspeisung nicht den äußeren, ringförmigen Bereich des Hauptreflektors erfassen. Man sagt, daß der Subreflektor unter diesen Bedingungen "stumpf" ist. Infolgedessen ist nur der zentrale Bereich des Hauptreflektors tatsächlich wirksam; die Strahlbreite oder -Weite der Antenne wird folglich vergrößert. Somit wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel das Umschalten der Strahlbreite durch mechanisches Abstumpfen des Subreflektors bewirkt.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Strahlumschaltung über eine Gregorianische Konfiguration erzielt. Hierbei weist ein stumpfer, konkaver Ellipsoid-Subreflektor eine Hauptachse auf, die auf der Justierachse des parabolischen Reflektors angeordnet ist. Der Ellipsoid-Subreflektor hat zwei Brennpunkte vor dem Subreflektor, wobei der Subreflektor-Brennpunkt, der dem Subreflektor am nähesten ist, mit dem Brennpunkt des Hauptreflektors zusammenfällt. Bei jedem Subreflektor-Brennpunkt ist eine separate Einspeisung vorgesehen. Sie können wahlweise aktiviert werden, um eine Strahlumschaltung zu erzeugen. Eine erste, im Brennpunkt des Hauptreflektors angeordnete Einspeisung liegt dem Hauptreflektor gegenüber und regt seine gesamte Oberfläche an. Die zweite Einspeisung, die in dem Brennpunkt des Ellipsoids angeordnet ist, der am weitesten von dem Subreflektor vorgesehen ist, liegt dem Subreflektor gegenüber und regt, den Hauptreflektor über den Subreflektor an. Der Ellipsoid weist das

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Charakteristikum auf, daß ein wirkliches Bild der zweiten Einspeisung an seinem näheren Brennpunkt gebildet wird, wobei die zweite Einspeisung gegenüber dem Hauptreflektor ebenfalls so erscheint, als wäre sie im Brennpunkt des Hauptreflektors. Wegen der tatsächlichen Abstumpfung oder Größenreduktion des Ellipsoid-Subreflektors regt die zweite Einspeisung nur einen zentralen Bereich des Hauptreflektors über den Subreflektor an.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der schematischen Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Stirnansicht eines Hauptreflektors der Antenne;

Fig. 2 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Antenne mit schaltbarer Strahlbreite mit einem Hauptreflektor und einem teilweise zurückziehbaren Subreflektor, wobei die Antenne im Arbeitezustand enger Strahlbreite
gezeigt ist.

Fig. 3 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, jedoch mit der
Antenne im Arbeitszustand breiter Strahlbreite;

Fig. 4 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer

Antenne mit schaltbarer Strahlbreite mit einem Hauptreflektor und einem stumpfen Subreflektor, wobei die Antenne im Arbeitszustand enger Strahlbreite gezeigt ist;

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Fig. 5 das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 mit der Antenne im Arbeitszustand breiter Strahlbreite;

Fig. 6 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform zum teilweisen Zurück- oder Einziehen des Subreflektors nach Fig. 2 und 3;

Fig. 7 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels zum teilweisen Zurück- oder Einziehen des Subreflektors nach Fig. 2 und 3;

Fig. 8 eine dritte Ausführungsform zum teilweisen Zurück- oder Einziehen des Subreflektors nach Fig. 2 und 3;

Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung der Strahlbreite der Antenne gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Antenne mit schaltbarer Strahlbreite im Arbeitszustand breiter Strahlbreite gemäß Fig. 5 gegenüber dem Durchmesser des Subreflektors (oder Abstumpfungsgrad) und

Fig. 10 eine Stirnansicht einer Multifrequenz-Einspeisung.

Fig. 1 zeigt die Stirnansicht eines Hauptreflektors 15 einer Antenne, die durch einen imaginären Kreis in einen zentralen, kreisförmigen Bereich 16 und einen umgebenden, ringförmigen Bereich 18 aufgeteilt ist. Wenn eine Einspeisung den gesamten Hauptreflektor 15 anregt,

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d.h. darauf gerichtet ist oder anstrahlt, wird eine enge Strahlbreite erzeugt; demgegenüber wird eine breite oder weite Strahlbreite oder -Weite erhalten, wenn die Einspeisung nur den zentralen Bereich 16 anregt. Damit eine Einspeisung, die nicht sonderlich gerichtet ist, nur den zentralen Bereich 16 anregt, regt die Einspeisung den Hauptreflektor über einen Subreflektor an. Als Besonderheit gilt, daß dieser Subreflektor stumpf oder in seiner Größe gegenüber einer Größe verringert sein muß, die im Falle einer herkömmlichen Antennenausbildung vorliegen würde. Der stumpfe Subreflektor kann dadurch erhalten werden, daß tatsächlich ein äußerer ringförmiger Bereich entfernt wird, der normalerweise auf die Strahlung ansprechen würde, die in den äußeren Bereich 18 des Subreflektors 15 abgebildet wird.

Hinsichtlich der Fig. 2 bis 5 wird die Erfindung unter Verwendung der Prinzipien der geometrischen Optik aus Gründen der besseren Verständlichkeit erläutert. Es sollte jedoch im Auge behalten werden, daß die geometrische Optik nur eine Annäherung erbringt , und daß die komplexeren, umfassenderen Prinzipien der Beugungstfafeorie hin und wieder herangezogen werden müssen, um die Erfindung vollständig zu beschreiben. Es muß ebenfalls berücksichtigt werden, daß Antennen reziproke Einrichtung sind, die die gleichen Strahlbreiten-Kenngrößen für Empfang und Sendung aufweisen. Zur besseren Verständlichkeit

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/I¹I

wird hier die Erfindung in erster Linie mit der erfindungsgemäßen Antenne als Sendevorrichtung beschrieben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Ausdruck "Anregung" sich sowohl auf Empfang als auch auf Sendung bezieht, wie dies herkömmlicherweise der Fall ist.

In den Fig. 2 und 3 ist ein relativ großer, konkaver Paraboloid-Reflektor 15, ein kleinerer, konvexer hyperbolischer Subreflektor und eine Einspeisung 19 mit Cassegrain-Könfiguration dargestellt. Hauptreflektor 15, Subreflektor 17 und Einspeisung 19 sind koaxial mit der Justierachse 20 der Antenne vorgesehen, wobei der Subreflektor 17 dem Hauptreflektor 15 zugewandt ist, während die Einspeisung 19 dem Subreflektor zugewandt ist oder ihm gegenüberliegt. Die Einspeisung 19, die mit Mikrowellenstrahlung von einer Quelle 21 über eine Leitung oder einen Wellenleiter 23 versorgt wird, bestrahlt den Subreflektor 17 mit einem Strahlungskonus, der von den Strahlen 23a und 25a begrenzt ist. Der Konus umschließt optimal einen Winkel O₁, um gerade den gesamten Subreflektor zu bestrahlen. Dieser Strahlungskonus wird vom Subreflektor 17 zum Hauptreflektor 15 reflektiert. Infolge der konvexen Ausbildung des Haupt-Sub-Reflektors 17 weist der von den Strahlen 23 b und 25b eingeschlossene und auf den Hauptreflektor 15 auftreffende Konus einen Winkel ©₂ auf, der größer als Θ. ist; dieser größere eingeschlossene Winkel sollte optimälerweise gerade den Hauptreflektor einschließen. Die Strahlen 23c und 25c definieren

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den Strahlungskonus, der von dem Hauptreflektor 15 reflektiert und längs der Justierachse 20 gesendet wird. Der Winkel des letztlich ausgesendeten Strahlungskonus oder Strahlenbündels ist 0 bezüglich der Justierachse 20; die ausgesendeten Strahlen 23c und 25c sind aufgrund der Prinzipien der geometrischen Optik parallel. Der Paraboloid-Hauptreflektor 15 hat einen Brennpunkt 27 auf der Achse 20 hinter dem Subreflektor 17, wobei, wenn der Hauptreflektor 15 von diesem Punkt angestrahlt werden würde, die Strahlen 23c und 25c parallel sein würden. Der hyperbolische Subreflektor 17 hat zwei Brennpunkte; einen Brennpunkt 29 vor dem Subreflektor und einen Brennpunkt 31 dahinter. Der hintere Brennpunkt 31 ist im Brennpunkt des Paraboloiden angeordnet. Es scheint, als würde die Strahlung der Einspeisung 19 von dem hinteren Brennpunkt kommen, um kollimierte oder parallele Antennen-Ausgangsstrahlung zu erzeugen. (Wenn der hintere Brennpunkt 31 nicht im Brennpunkt 27 des Hauptreflektors angeordnet wäre, wären infolge von Defokussierung tiefe Minima im Antennenbild). Auf diese Weise wird ein virtuelles Bild der Einspeisung 19 durch den Subreflektor 17 am Brennpunkt 27 des Hauptreflektors gebildet.

Obgleich die Ausgangsstrahlung nach den Prinzipien der geometrischen Optik parallel erscheinen, divergiert der Ausgangsstrahl tatsächlich infolge Beugung. Der Strahlbreitenwinkel dieses Ausgangsstrahles ist

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ftk

umgekehrt proportional dem Radius des Hauptreflektors gemessen in Wellenlängen bei der Arbeitsfrequenz der Antenne.

Der Subreflektor 17 ist in einem festangeordneten, zentralen, kreisförmigen Bereich 33, der koaxial zur Achse 20 angeordnet ist und einen zurück- oder einziehbaren ringförmigen Bereich 35 aufgeteilt, welcher den zentralen Bereich koaxial umgibt. Im Gefolge eines Signals einer Strahlbreitensteuerung 39 bewegt ein Linearantrieb 37 axial den ringförmigen Beiäch 35 um eine Entfernung "d" in eine Stellung außerhalb des Brennpunkts, vorzugsweise hinter dem festangeordneten zentralen Bereich 33. Diese Bewegung bewirkt eine Verbreiterung der Strahlbreite oder Strahlweite der Antenne 18. Die Strahlung innerhalb eines reduzierten Winkels ©₃ des Strahlungskonus von der Einspeisung 19 kommend wird durch den festangeordneten zentralen Bereich 33 aufgenommen. Der Konus des verringerten Winkels, der gerade die äußeren Grenzen des zentralen Teils 33 des Subreflektors einschließt, wird von den Strahlen 43a und 45a eingeschlossen. Die Reflexion dieses Strahlungskonus durch den Subreflektor erzeugt einen Strahlungskonus mit einem eingeschlossenen Winkel θ., der von den Strahlen 43b und 45a eingeschlossen wird. Er trifft auf den Hauptreflektor 15 unter einem verringerten Radius auf. Der äußere ringförmige Bereich 18 des Hauptreflektors wird nicht angestrahlt. Der ausgesandte Strahl - begrenzt durch die Strahlen 43c und 45c - erscheint, als käme er von dem zentralen kreisförmigen Bereich 16 mit kleinerem

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Radius des Hauptreflektors. Auf diese Weise stellt sich auf den Grundlagen der Beugungstheorie infolge einer Verringerung der vorliegenden Fläche des Hauptreflektors 15 eine Vergrößerung der Strahlweite ein.

Nicht auf den Subreflektor 17 auftreffende Strahlen 23a und 25a sind in dem Antennen-Fernfeld wegen der geringen Bündelung der Einspeisung vernachlässigbar. Gleichermaßen bewirken jegliche (nicht dargestellte), den zurückgezogenen ringförmigen Bereich 35 treffende Strahlen divergierende oder unkollimierte Strahlen, die vom Hauptreflektor zurückgeworfen werden. Eine unten weiter diskutierte Computer-Simulation zeigte, daß der Abstand "d", um den der ringförmige Bereich 35 zurückgezogen wird, wenigstens vier Wellenlängen betragen sollte, um jegliche merkliche Einwirkung des zurück gezogenen ringförmigen Bereichs 35 des Subreflektors auf die resul-. tierende breite Antennen-Strahlbreite auszuschließen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen im Querschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel 49 einer Antenne mit umschaltbarer Strahlbreite gemäß der Erfindung, wobei zwei Einspeisungen 51 und 53 sowie ein stumpfer oder in seiner Größe reduzierter konkaver, Ellipsoid-Subreflektor 55, welcher auf der Justierachse 20 der Antenne angeordnet ist, in einer Gregorianischen

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Ausbildung mit dem konkaven, paraboloiden Hauptreflektor 15 zusammenwirken. Die Einspeisung 53 ist im Bereich des Brennpunktes 27 des Hauptreflektors mit Blickrichtung auf diesen vorgesehen. Gemäß Fig. 7 versorgt eine Quelle 21 die Einspeisung 53 mit Radiofrequenzoder Mikrowellenstrahlung über die Leitung 23 und den Mikrowellenschalter 57 aufgrund eines Steuerungssignals für enge Strahlbreite, welches Signal vom Schalter 57 ausgeht. Die Einspeisung 53 bestrahlt den Hauptreflektor 15 direkt in Form eines Strahlungskonus, der den Winkel ©„ einschließt und von den Strahlen 59a und 61a begrenzt wird. Im optimalen Falle wird der gesamte Hauptreflektor angestrahlt. Nach Reflexion dieses Konus durch den Hauptreflektor 15 wird ein. kollimierter Ausgangsstrahl oder besser ein kollimiertes Ausgangsstrahlenbündel, das von den Strahlen 59b und 61b begrenzt ist, erzeugt. Es hat einen anfänglichen großen Radius, der gleich dem Hauptreflektorradius ist, und gemäß der Beugungstheorie eine entsprechend schmale oder enge Strahlweite.

Nach Fig. 5 ist dem ellipsoiden Subreflektor 55 die Einspeisung 51 gegenüber angeordnet. Sie strahlt über den Subreflektor den Hauptreflektor an, um eine breite Strahlbreite oder -Weite zu erzeugen. Der ellipsoide Subreflektor hat eine mit der Justierachse 20 zusammenfallende Hauptachse. Auf der Justierachse liegt ein naher Brennpunkt 63 und ein entfernter Brennpunkt 65, die zwischen den konkaven Seiten

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-U- /c η

des Subreflektors und des Hauptreflektors 15 angeordnet sind. Der Subreflektor 55 ist so angeordnet, daß sein naher Brennpunkt 63 mit dem Brennpunkt 27 des Hauptreflektors zusammenfällt; die Einspeisung 51 ist im Bereich des entfernten Brennpunktes 65 des Subreflektors angeordnet. Die Mikrowellenquelle 21 führt über die Leitung 23 und den Schalter 57 der Einspeisung 51 Energie zu; dies nach Erhalt eines Steuersignals für breite Strahlbreite vom Schalter. Die Einspeisung 51 bestrahlt den Subreflektor mit einem Strahlungskonus, der einen kleinen Winkel Θ,- einschließt. Im optimalen Falle erfasst er gerade den Subreflektor. Dieser Strahlungskonus ist definiert durch die Strahlen 67a und 69a. Infolge der konvexen Ausbildung des Subreflektors durchsetzt die dort reflektierte und durch die Strahlen 67b und 69b definierte Strahlung einen Brennpunkt im Bereich des nahen Brennpunktes 63 des Subreflektors. Deshalb erscheint ein Strahlenkbnus mit einem eingeschlossenen Winkel Θ. mit Richtung zum Hauptreflektor als käme er vom Brennpunkt 63. Dieser Strahlungskonus trifft auf den Hauptreflektor 15 mit einem verringerten Radius auf. Mit verringertem Radius wird ein kollimierter Strahl oder ein kollimiertes Strahlungsbündel, das durch die Strahlen 69c und 67c begrenzt ist, erzeugt, da der Subreflektor stumpf oder in seiner Größe zu klein ist im Hinblick auf die Einspeisung, um den äußeren ringförmigen Bereich 18 des Hauptreflektors zu bestrahlen. Damit von der Einspeisung 65 aus der gesamte Hauptreflektor über den Subreflektor 55 bestrahlt werdentönnte, müsste der Subreflektor um einen

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ringförmigen Bereich 71 größer sein (in Fig. 4 - punktiert dargestellt) . Somit wird bei dieser zweiten Ausführungsform die Umschaltung der Breite des Strahls oder des Strahlenbündels dadurch bewirkt, daß die Mikrowellenanregung von der Quelle 21 elektrisch geschaltet wird zwischen der Einspeisung 53 für enge Strahlbreite und der Einspeisung 51 für breite Strahlbreite.

In Fig. 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel 71 zur Zurückziehung des äußeren ringförmigen Bereichs 35 des hyperboloid-Subreflektors gemäß Fig. 2 und 3 dargestellt. Der Subreflektor 17 ist mittels einer Spinne oder einer Gruppe von Streben 73 axial mit Abstand zum Hauptreflektor 15 angeordnet. Die Streben 73 tragen den festangeordneten zentralen Teil 33 des Subreflektors und ebenfalls den Mechanismus zur axialen Zurückziehung des ringförmigen Bereichs 35 des Subreflektors. Der zentrale Teil 33 des Subreflektors weist eine konvexe, reflektierende Stirnfläche 75 auf sowie eine rückwärtige, im wesentlichen flache Fläche 77. Der zurückziebare, äußere ringförmige Bereich weist eine flache Stirnfläche 79 auf, die der flachen Oberfläche entspricht sowie einen umgebenden, konvexen ringförmigen Bereich 81, der mit der konvexen Stirnfläche 75 in seiner nicht zurückgezogenen Lage zusammenwirkt. Ein reversibler Umlaufmotor 91 wird mittels eines Käfigs 89 gehalten, der mit den Streben 73 verbunden ist. Aufgrund eines Signals der Strahlbreitensteuerung 39 bewegt der Motor 91 die zentrale rückwärtige Fläche 77 sowie die Stirnfläche 79 des

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ringförmigen Bereichs 35 axial aneinander, wenn eine Steuerung bezüglich schmaler Strahlweite erfolgt. Er entfernt diese Flächen axial um einen Abstand "d" voneinander, wenn die Steuerung auf breite Strahlbreite lautet. Diese axiale Bewegung oder Translation wird mittels einer Schraube 85 bewirkt, die an einem Ende von dem Motor angetrieben wird und am anderen Ende in einem Lager 87 im Bereich der hinteren Fläche 77 des festangeordneten zentralen Bereichs 33 gelagert ist. Die Schraube 85 ist in eine Ausnehmung in der Mitte des ringförmigen Bereichs 3 5 eingeschraubt. Um einen Umlauf des ringförmigen Bereichs 35 zu vermeiden, ist er über Ausnehmungen 93 im ringförmigen Bereich mit dem Käfig 89 verbunden.

Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform 93 zum Zurückziehen oder Verstellen des'Bereiches 35, wobei dieser als eine metallische hyperboloide Scheibe 79 ausgebildet ist, die zwecks Drehung um eine senkrecht zur Achse 20 vorgesehene Achse 95 angelenkt ist. Die Achse 95 ist an einem äußeren Ende einer ringförmigen,Fläche 81 angeordnet. Ein Motor 97 dreht die Scheibe 79 um die Achse 95 aufgrund eines Signales der Strahlbreitensteuerung 39. Wenn auf enge Strahlbreite gesteuert wird, liegen oder stoßen die Flächen 77 und aneinander an; wenn das Signal auf breite Strahlbreite lautet, sind diese Flächen vorzugsweise unter einem Winkel von 90 Grad voneinander getrennt, über Solenoide betätigte Fallen 97 und 99, die an Verlängerungen 101 und 103 der Streben 73 angeordnet sind, halten die

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' 'Ll

Scheibe 79 in einer zurückgezogenen oder nicht zurückgezogenen Lage. Sobald auf eine Änderung der Strahlbreite geschaltet wird, wird die Sperrung durch die Fallen, die ebenfalls auf die Strahlbreitensteuerung 39 ansprechen, freigegeben, um eine Drehung der Scheibe 79 zu ermöglichen.

In Fig. 8 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel 105 zur Abstumpfung des Subreflektors 17 gezeigt, der hier aus einer Metalliris 107 besteht. Die Iris 107 wird axial durch einen nicht dargestellten Motor gedreht udd zwar zwischen einer zurückgezogenen Stellung, in welcher die Iris unter Bedeckung eines Teils des festangeordneten zentralen Bereichs 33 den umgebenden ringförmigen Bereich 35 freiläßt sowie einer auseinander gezogenen Lage, in der die Iris 107 den Bereich 35 ausfüllt.

Im Hinblick auf die verschiedenen Möglichkeiten, die zwecks Abstumpfung des konvexen Subreflektors 17 zur Erzeugung zweier Strahlbreitenzustände gezeigt sind, sei darauf hingewiesen, daß diese Verfahren weiter zur Abstumpfung des konkaven Subreflektors 55 der Fig. 4 und 5 zur Erzeugung von drei Strahlbreitenzuständen verwendet werden kann.

Fig. 9 zeigt eine Kurve bezüglich des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei die Strahlbreite in Grad auf der Ordinate und der Durchmesser

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des Subreflektors 55 auf der Abszisse wiedergegeben sind. Wie ersichtlich ist, erhält man eine leichte Kurve, die zu einer Multiplikation der Strahlbreite mit bis zu einem Faktor drei führt bei abzustumpfenden Subreflektor. Diese Gregorianische Ausführung 49 ist wegen des unverzüglichen Ansprechens und der zuverlässigen Natur der elektronischen Schaltung des Mikrowellenschalters 57 besonders vorteilhaft.

Eine Computer-Simulation zeigte, daß bei der Cassegrain-Ausführungsform gemäß Fig. 2 und 3 scharfe Interferenzresonanzen existieren, wenn der Abstand "d" geringer als vier Wellenlängen ist. Dann werden diese Resonanzen harmonisch und unscharf, wenn diese Abstände größer als vier Wellenlängen sind.

Fig. 10 zeigt eine zusammengesetzte Multifrequenzeinspeisung 111, die zur Verwendung gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Vier große S-Band-Hörner 113 stoßen aneinander an, um eine vier Einspeisungen aufweisende, quadratische Einheit zu bilden, die um die Achse 20 herum zentriert ist. An den inneren Ecken der Hörner 113 sind wiederum vier kleinere X-Band-Hörner 115 zusammengefasst, die zur Bildung einer kleineren, ebenfalls um die Achse 20 zentrierten quadratischen Einheit aneinander anstoßen. Die erfindungsgemäße Antenne ist bei Benutzung einer solchen zusammengefassten Einspeisung zur Verwendung bei Multifrequenzbetrieb geeignet. Die quadratische Einheit mit vier Einspeisungen ist gleichfalls entweder für Amplituden- oder Phasensimultan-

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Abtastverfahren (lobing techniques) oder Monopuisverfahren zur Bestimmung von Antennenrichtfehlern verwendbar. Bei Simultanabtastung ist es wichtig, daß die Phase und Amplitude von an jedem der vier Hörner erhaltenen Signalen gleich ist, wenn der Sender des Signals auf der Achse 20 gelegen ist. Weiterhin ist es wichtig, daß sich diese Parameter gleichförmig mit einer Winkelabweichung der Sendequelle von der Antennenachse ändern. Eine Computer-Simulation hat gezeigt, daß sich diese Parameter für Quellenwinkel im Bereich von bis gut mehr als die halbe Strahlbreite gleichmäßig ändern.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Antenne, deren Strahlbreite bei einer einzigen vorbestimmten Frequenz zwischen einem breiten und engen Strahlbreitenzustand schaltbar ist, mit einem Hauptreflektor mit einer Justierachse und einer Arbeitsrichtung längs dieser Achse sowie einer Strahlbreiten-Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor (15) mittels einer imaginären, koaxial zur Justierachse (20) angeordneten Kontur in einen Zentralteil (16) und einen an diesen angrenzenden Außenteil (18) aufgeteilt ist, daß eine auf die Strahlbreiten-Steuerung (39) ansprechende Einrichtung zur Speisung im wesentlichen nur des Zentralteils (16) im breiten Strahlbreitenzustand sowie zur Speisung sowohl des Zentral- (16) als auch des Außenteils (18) im engen Strahlbreitenzustand vorgesehen ist und daß die Speisungseinrichtung im breiten Strahlbreitenzustand einen verkürzten Subreflektor (33) aufweist, der zur Speisung des Hauptreflektors (15) angeordnet ist.

2. Antenne nach Anspurch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisungseinrichtung umfaßt:

eine in die gleiche Richtung wie der Hauptreflektor (15) gerichtete Einspeisung (19),

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einen dem Hauptreflektor (15) gegenüber angeordneten Subreflektor (17) , der den verkürzten Subreflektor (33) aufweist, der seinerseits ein festangeordneter Zentralteil ist, über den der Zentralteil (16) des Hauptreflektors (15) mittels der Einspeisung (19) anregbar ist, welcher verkürzte Subreflektor (33) weiterhin ein zurückziehbarer äußerer Reflextionsteil (35) ist, über den der Außenteil (18) des Hauptreflektors (15) mittels der Einspeisung (19) nur im engen Strahlbreitenzustand anregbar ist und

eine Vorrichtung zum Zurückziehen des Außenteils (35) des Subreflektors (17) mit einer auf die Strahlbreiten-Steuerung ansprechenden Betätigungseinrichtung (37).

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisungseinrichtung umfaßt:

eine erste in die gleiche Richtung wie der Hauptreflektor (15) gerichtete Einspeisung (51),

den verkürzten Subreflektor (55) mit einer konkaven,- reflektierenden, dem Hauptreflektor (15) zugewandten Oberfläche, wobei der verkürzte Subreflektor (55) so angeordnet ist, daß er von der ersten Einspeisung (51) anregbar ist und daß er solche

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Dimension hat, daß nur der Zentralteil (16) -des Hauptreflektors (15) durch die erste Einspeisung (51) über den Subreflek- tor (55) angestrahlt ist,

eine zweite, zwischen dem Hauptreflektor (15) und dem Subreflektor (55) angeordnete Einspeisung (53) zur direkten Anstrahlung im wesentlichen des gesamten Hauptreflektors (15),

eine Radiofrequenzleitung (23) und

eine auf die Strahlbreiten-Steuerung (39) ansprechende Radiofrequenz-Schalteinrichtung (57) zur Kupplung der Radiofrequenzleitung (23) mit der ersten Einspeisung (51) im breiten Strahlbreitenzustand und mit der zweiten Einspeisung (53) im engen Strahlbreitenzustand.

4. Antenne nach Anspnuch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor (15) ein konkaver Paraboloid mit vor ihm angeordneten Brennpunkt ist,

daß der Subreflektor (17) ein konvexer Hyperboloid mit ersten und zweiten konjugierten, koaxial zum Hauptreflektor angeordneten Brennpunkten ist, wobei der erste Brennpunkt des Hyperboloiden im Bereich des Brennpunkts des Hauptreflektors vorgesehen ist,

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daß der äußere, zurückziehbare Teil (35) des Subreflektors (17) ringförmig und vor der Zurückziehung des Zentralteils (33) kontinuierlich mit diesem ausgebildet ist, und

daß der Subreflektor (17) koaxial zum Hauptreflektor (15) und im Bereich des zweiten Brennpunkts vorgesehen ist.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zurückziehen eine Einrichtung zur Axialbewegung
des Außenteils (35) des Subreflektors (17) aufweist.

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zurückziehen eine Einrichtung zur Axialbewegung
des Subreflektors (17) bei der einzigen Frequenz um wenigstens vier Wellenlängen aufweist.

7. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zurückziehen eine Einrichtung zur Drehung des
Außenteils (35) der Reflektorfläche um eine im wesentlichen
senkrecht zur Achse (20) des Hauptreflektors (15) angeordnete Achse (95) aufweist.

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8. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil (35) des Subreflektors (17) ein Irisring ist, der eine zurückgezogene, den Zentralteil (33) des Subreffektors (17) überlappende Lage aufweist, wobei die Einrichtung zum Zurückziehen einen Motor zur axialen Rotation der Iris aufweist.

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