DE2461283A1

DE2461283A1 - Otationssymmetrische cassegrainantenne

Info

Publication number: DE2461283A1
Application number: DE19742461283
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Rebhan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1974-12-23
Publication date: 1976-07-01
Also published as: IE42362L; BE837012A; NL7514831A; DK141221C; NL161627B; DK141221B; NL161627C; IE42362B1; LU73599A1; JPS5189371A; DK509575A; GB1532415A; FR2296280A1; IT1051413B; FR2296280B1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAb¹T Münchon, den p, Berlin und München Wittelsoacherplatz 2

VPA 74/6772

Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne

Die Erfindung bezieht sich auf eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne mit zwei voneinander unabhängigen Drehachsen für Elevation und Azimut, bei der sich die Sende-Empfangseinrichtung für das Nachrichtensignal ortsfest im Unterbau der Antenne befindet, und bei der die Azimutdrehachse und die Rotationsachse des Hauptreflektors in einer Ebene liegen.

Antennen dieser Art eignen sich in besonderer Weise für den Funkverkehr mit Raumflugkörpern, bei denen es im Hinblick auf die schwachen Empfangssignale erforderlich ist, eine scharf bündelnde Antenne mit hohem Antennengewinn zur Verfügung zu haben. Die in Analogie zur Optik nach dem Prinzip von Cassegrain aufgebauten Antennen erfordern,vor allem bei den im Satellitenfunk häufig verwendeten Frequenzen zwischen 2 und 6 GHz, wegen der Größe des Hauptreflektors mit Durchmessern bis zu 30 und mehr Metern einen erheblichen technischen Aufwand, der zusätzlich noch dadurch vergrößert wird, daß die Antenne im allgemeinen nachführbar, d.h. in zwei voneinander unabhängigen Drehachsen für Elevation und Azimut bewegbar sein muß. Wie die Literaturstelle Mitteilungen aus dem Zentrallaboratorium für Nachrichtentechnik der Siemens AG "Nachrichtentechnische Fachberichte", Bd. 32, 1967, Seiten 23 bis 33 deutlich macht, sind eine Vielfalt von Überlegungen angestellt worden, die eine geeignete Ausbildung des Mikrowellenspeisesystems betreffen, das die Verbindung zwischen der Sende-Empfangseinrichtung und dem Antennenspiegel herstellt. Eine

VPA 9/643/5001 Jae/Shy. . - 2 -

609827/0496

°48Ί283

Hohlleiterdrehkupplung für das Speisehorn ist ausreichend, wenn der Raum, in dem die Sende-Empfangseinrichtung untergebracht ist, die Azimutbewegung der Antenne mitmacht. Die gleiche Litaraturstelle gibt auch Lösungen an, bei denen der die Sende-Empfangseinrichtung enthaltende Betriebsraum ortsfest im Unterbau der Antenne angeordnet sein kann. In diesem Falle findet als Hikrowellenspeisesystem ein geknickter Hornparabol Verwendung, der zwischen Knick und Parabolreflektor eine zweite Drehkupplung zum Ausgleich der Antennenbewegung um die Elevationsachse aufweist. Diese konstruktive Lösung setzt zwar den technischen Aufwand herab, bringt jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich der elektrischen.Eigenschaften der Antenne. Insbesondere müssen in diesem Falle gewisse Unsymmetrien des Strahlungsfeldes des Speisehorns in Kauf genommen werden, die u.a. ein unerwünschtes Überstrahlen der Primärstrahlung über den Rand des Hilfsreflektors der Cassegrain-Antenne hinaus bedingen und zu größeren Nebenzipfeln des Strahlungsdiagramms der Antenne führen. Außerdem werden Gewinn und Wirkungsgrad der Cassegrain-Antenne erniedrigt.

Durch die Literaturstelle "Frequenz", Jahrg. 22, 1968, Heft 5, Seiten 151 bis 156 und die Literaturstelle "IEEE Transactions on Antennas and Propagations", Nov. 1973, Seiten 884 bis 886, wird eine weitere Lösung für das Mikrowellenspeisesystem einer Cassegrain-Antenne angegeben, bei der ebenfalls die Sende-Empfangseinrichtung ortsfest im Unterbau der Antenne angeordnet sein kann. Dieses Mikrowellenspeisesystem stellt dabei ein Vierspiegel-Strahlwellenleitersystem dar. Es besteht aus einem im Zuge der Azimutachse angeordneten ortsfesten Primärstrahler, dessen Strahlung über vier Spiegel hinweg, die dabei jeweils VPA 9/643/5001 - 3 -

609827/0496

"³ " 243128

eine Strahlablenkung um 90° vornehmen, durch die zentrale Öffnung des Hauptreflektors hindurch auf den Hilfsreflektor gerichtet wird. Die Funktion der für das Speisesystem an sich benötigten Drehkupplungen für Azimut und Elevation wird hier von den jeweils gegeneinander drehbaren Paaren Primärstrahler/1. Reflektor und 3. Reflektor/4. Reflektor wahrgenommen. Das Vierspiegel-Strahlwellenleitersystem gibt die Möglichkeit, durch geeignete Ausbildung des PrimärStrahlers das Strahlungsfeld annähernd rotationssymmetrisch zu gestalten. Wie die Praxis jedoch zeigt, benötigt das Vierspiegel-Strahlwellenleitersystem einen sehr großen Justieraufwand für die vier Spiegel, weil sich deren Justierfehler addieren und daher die Strahlverzerrungen hinsichtlich Amplitude, Phase und Polarisation bereits bei kleinen Justierfehlern ein erhebliches Ausmaß annehmen können. Polarisationsfehler müssen vor allem bei sogenannter Doppelfrequenzausnutzung (Ausstrahlung bzw. Empfang zweier orthogonal polarisierter Signale) extrem klein sein. Auch bei exakter Justierung weist ein solches Spiegelsystem wegen seiner prinzipiellen Unsymmetrien noch gewisse Strahlverzerrungen auf, die mit der Spiegelzahl zunehmen. Ebenfalls mit der Spiegelzahl nehmen auch die Verluste eines solchen Systems zu, weil sich praktisch Überstrahlungen der Spiegel nicht restlos vermeiden lassen. .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne, bei der die Sende-Empfangseinrichtung im Unterbau der Antenne fest angeordnet ist, eine weitere Lösung für das Mikrowellenspeisesystem anzugeben, die die bei bekannten Lösungen gegebenen Vorteile in sich vereinigt, jedoch deren Nachteile nicht aufweist.

VPA 9/643/5001 - 4 -

609827/0.496

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Mikrowellenspeisesystem, über das die ortsfeste Sende-Empfangseinrichtung mit der zentralen Speiseöffnung im Hauptreflektor in Verbindung steht, auf seiten der Sende-Empfangseinrichtung eine die azimutale Antennenbewegung ausgleichende Hohlleiterdrehkupplung und auf seiten des Hauptreflektors einen die Elevati onsb.ewegung der Antenne ausgleichenden Zweispiegel-Strahlwellenleiter aufweist.

Durch die Literaturstelle "Japan Telecommunications Review", April 1973» Seiten 101 bis 110, ist zwar bereits eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne bekannt, die anstelle von einer Drehkupplung zum Ausgleich der Antennenbewegung um die Elevationsachse von einem Zweispiegel-Strahlwellenleiter Gebrauch macht. Bei dieser bekannten Anordnung ist auch der den ersten Spiegel des Zweispiegel-Strahlwellenleiters anstrahlende Primärstrahler neben der Sende-Empfangseinrichtung ortsfest im Antennenunterbau angeordnet. Um dies zu ermöglichen, ist die Rotationsachse der Antenne gegenüber der Azimutdrehachse versetzt, d.h. beide Achsen liegen hier nicht in einer Ebene. Diese Besonderheit bedingt einen außerordentlich komplizierten konstruktiven Aufbau, der sich unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen an die Stabilität und die zu fordernde maximale Drehgeschwindigkeit der Antenne praktisch nur für kleine Antennen mit geringem Gewicht verwirklichen läßt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung der Kombination aus einem Zweispiegel-Strahlwellenleiter und einer Hohlleiterdrehkupplung wird ein Mikrowellenspeisesystem für Cassegrain-Antennen beliebiger Größe mit ortsfester Sende-Empfangs-

VPA 9/643/5001 - 5 -

609827/0496

einrichtung verwirklicht, die den geschilderten bekannten Lösungen in nicht unerheblichem Maße überlegen ist. Das erfindungsgemäße Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem gewährleistet bei sehr geringen Verlusten und geringem «Justieraufwand für die beiden Spiegel auf Grund der hiermit erreichbaren Symmetrie des Strahlungsfeldes einen optimalen Antennengewinn. Es läßt auch die Anordnung der Azimutdrehachse und der Antennenrotationsachse in einer Ebene zu, was für einen günstigen mechanischen Aufbau der Antennenkonstruktion von ausschlaggebender Bedeutung ist. Der durch die geringe Zahl von Spiegeln und entsprechenden Justiervorrichtungen reduzierte Raumbedarf des Speisesystems wirkt sich ebenfalls günstig auf den mechanischen Aufbau der Antenne aus.

Das ein Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem darstellende Mikrowellenspeisesystem weist zweckmäßig einen. Hornstrahler mit symmetrischem Strahlungsfeld auf, der den ersten, außerhalb der Azimutdrehachse angeordneten Spiegel des Zweispiegel-Strahlwellenleiters ausleuchtet und über eine Hohlleiterzuführung mit der Hohlleiterdrehkupplung verbunden ist. Der erste Spiegel lenkt hierbei die Strahlung in Richtung der Elevationsachse auf den zweiten Spiegel um, der im Kreuzungspunkt der. Elevations- und der Azimutdrehachse angeordnet ist und die Strahlung durch . die zentrale Speiseöffnung im Hauptreflektor hindurch auf den Hilfsreflektor umlenkt.

Sinnvoll ist es, wenn sich der erste Spiegel des Zweispiegel-Strahlwellenleiters im Nahfeld des Hornstrahlers befindet,

VPA 9/643/5001 - 6 -

6 0 9827/0496

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Zweispiegel-Strahlwellenleitersystems sind der Hornstrahler ein Rillenhorn, der erste Spiegel ein Ellipsoidspiegel und der zweite Spiegel ein gekrümmter oder ebener Spiegel. Die Hohlleiterzuführung setzt sich dabei aus einem Hohlleiterkrümmer mit einem sich daran anschließenden geraden Hohlleiterabschnitt' zusammen.

Im Hinblick auf möglichst geringe Verluste innerhalb des Zweispiegel-Strahlwellenleitersystems ist es vorteilhaft, wenn der gerade Hohlleiterabschnitt in seinem Querschnitt gegenüber dem Hohlleiterquerschnitt, in dem nur die Grundwelle ausbreitungsfähig ist, erweitert ist. Die Übergänge zum Hohlleiterkrümmer und zum Hornstrahler sind dabei im Sinne einer möglichst geringen Anregung höherer Wellenformen angepaßt.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert v/erden. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 die Darstellung einer bekannten rotationssymmetrischen Cassegrain-Antenne mit zwei voneinander unabhängigen Drehachsen für Elevation und Azimut, bei der sich die Sende-Empfangseinrichtung ortsfest im Unterbau der Antenne befindet,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Modifikation der Antenne nach Fig. 1 in schematischer Darstellung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Antenne bedeuten 1 der Hauptreflektor, 2 der Hilfsreflektor, 3 die Hilfsreflektorhalterung, 4 die zentrale Speiseöffnung des Haupt-

VPA 9/643/5001 . - 7 -

609827/0496

reflektors, 5 das Mikrowellenspeisesystem in Gestalt eines geknickten Hornparabols mit rundem Hornquerschnitt, 6 die Drehkupplung zum Ausgleich der Elevationsbewegung der Antenne im Bereich der Knickstelle des geknickten Hornparabols 5, 7 die Hohlleiterzuführung für den geknickten Hornparabol in Form eines Hohlleiterkrümmers, 8 die Hohlleiterdrehkupplung, 9 ein Betriebsraum und 10 die im . Betriebsraum 9 untergebrachte Sende-Empfangseinrichtung. Die Elevationsdrehachse und die Azimutdrehachse.sind in Fig, 1 mit E und A bezeichnet.

Bei einer Bewegung der Antenne um die Azimutdrehachse A wird die Drehbewegung des geknickten Hornparabols 5 durch die Hohlleiterdrehkupplung 8 über der Decke des Betriebsraums 9 ausgeglichen. Die Drehkupplung 6 im Bereich des Knicks des Hornparabols 5, der in der Elevationsdrehachse E liegt, gleicht eine Bewegung der Antenne um die Elevationsdrehachse aus. Wie bereits ausgeführt worden ist, bedingt der geknickte Hornparabol 5 eine gewisse Unsymmetrie des Strahlungsfeldes im Bereich der zentralen Speiseöffnung 4, die primär von der Speisung des Hornparabols mit der nicht drehsymmetrischen H,,.,-Grundwelle des Rundhohlleiters herrührt. Der im wesentlichen zur Azimutdrehachse A spiegelsymmetrische Aufbau der Gesamtkonstruktion, herbeigeführt durch die Anordnung von Azimutachse und Symmetrieachse des Hauptreflektors in einer gemeinsamen Ebene, wird bei dieser bekannten Anordnung dadurch ermöglicht, daß das Horn des Hornparabols 5 an seinem unteren Ende über den Hohlleiterkrümmer 7 in die in der Azimutdrehachse A angeordnete Hohlleiterdrehkupplung ausmündet.

Gemäß der Erfindung ist, wie Fig. 2 zeigt, hier der das Mikrowellenspeisesystem darstellende geknickte Hornpara-

VPA 9/643/5001 - 8 -

60 98"2 7/(M9 6

tool 5 durch ein Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem ersetzt. An den Hohlleiterkrümmer 7, der einen runden Querschnitt aufweist, schließt sich an dem der Hohlleiterdrehkupplung 8 entgegengesetzten Ende ein gerader Hohlleiter 11 mit ebenfalls rundem Querschnitt an, der in den Hornstrahler 12 ausmündet. Der Hornstrahler 12 ist ein sogenanntes Rillenhorn, wie es beispielsweise in der Literaturstelle "Microwaves", Jan. 1973, Seiten 44 bis 49, -beschrieben ist. In einem solchen Rillenhorn werden hybride Wellentypen angeregt, die ein weitgehend symmetrisches Strahlungsfeld eines solchen Hornstrahlers ergeben. Der Hohlleiterkrümmer 7 legt die von der Richtung der Azimutdrehachse A abweichende Strahlrichtung des Hornstrahlers fest. Dieser leuchtet mit seinem Strahlungsfeld den ersten Spiegel 13 des Zweispiegel-Strahlwellenleiters aus, der hierbei eine ellipsoidförmige Kontur aufweist. Der erste Spiegel 13 lenkt die Strahlung in Richtung der Elevationsdrehachse E auf den zweiten Spiegel 14 um, der dabei im Kreuzungspunkt der Elevationsdrehachse mit der Azimutdrehachse angeordnet ist und beim angegebenen Ausführungsbeispiel einen in sich leicht konvex gekrümmten Reflektor darstellt. Der zweite Spiegel 14 lenkt die Strahlung seinerseits durch die zentrale Speiseöffnung 4 des Hauptreflektors 1 auf den Hilfsreflektor 2, wie die in unterbrochener Linie angedeuteten Pfeile zeigen, um. Wie Fig. 2 ferner erkennen läßt, weist der Hauptreflektor im Bereich seiner zentralen Speiseöffnung einen rohrförmigen Ansatz 15 auf, der hierbei die Funktion einer Abschirmung für die in Richtung auf den Hilfsreflektor 2 am zweiten Spiegel 14 umgelenkte Strahlung ausübt.

Die ellipsoidförmige Kontur des ersten Spiegels 13 wird zweckmäßig so bemessen, daß ein Brennpunkt des Ellipsoids im Phasenzentrum des Hornstrahlers 12 zu liegen kommt.

VPA 9/643/5001 . - 9 -

60 9 827/0496

Der zweite (virtuelle) Brennpunkt wird so gelegt, daß, wie der Verlauf des Strahlengangs andeutet, ein leicht konvergentes Strahlenbündel erzeugt wird, wodurch Verluste durch Überstrahlung des zweiten Spiegels 14, die wegen des v/eitgehend drehsymmetrisehen Querschnittsfeldes an sich schon klein gehalten werden können, noch weiter verringert werden. Bei Verwendung eines in Richtung von Reflektor 13 nach Reflektor 14 konvergierenden Strahlenbündels ergibt sich außerdem die Möglichkeit, Reflektor 13 größer als Reflektor 14 auszuführen. Dadurch können nicht nur die Überstrahlungsverluste am Reflektor 13 weiter herabgesetzt werden, sondern es besteht auch die konstruktiv günstige Möglichkeit, den Abstand zwischen Rillenhorn 12 und Reflektor 13 zu vergrößern und dadurch die Länge des Verbindungshohlleiters 11 zu verringern.

Soll der zweite Spiegel 14 ebenfalls ein leicht konvergentes Strahlenbündel in Richtung auf den Hilfsreflektor 2 abstrahlen, dann kann dies entgegen seiner Darstellung in Fig. 2 dadurch herbeigeführt werden, daß ihm eine ebene oder leicht konkave Form gegeben wird.

Der geradlinige Hohlleiterabschnitt 11 bedingt durch seine Länge dann unerwünschte Verluste, wenn er in seinem Querschnitt so bemessen 1st, daß sich hierin lediglich die Hohlleitergrundwelle ausbreiten kann. Diese Verluste lassen sich leicht dadurch wesentlich herabsetzen, daß er in seinem Querschnitt gegenüber dem erstgenannten Querschnitt erweitert wird. Um in diesem Falle eine Anregung höherer Wellenformen möglichst zu vermeiden, sind seine Übergänge an den Hohlleiterkrümmer 7 und den Hornstrahler 12 anzupassen.

VPA 9/643/5001 - 10 -

509827/0496

Die Bewegungsverhältnisse beim Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem nach Fig. 2 entsprechen denen des geknickten Hornparabols nach Fig. 1. Die Azimutbewegung macht das ganze Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem mit, während die Elevationsbewegung lediglich vom zweiten Spiegel 14 mit ausgeführt wird. Die erfindungsgemäße Ausführung nach Fig. 2 hat gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Konzept nicht nur den Vorteil der Strahlsymmetrierung, sondern auch den wesentlichen Vorteil, daß die in Fig. 1 dargestellte, wegen ihres großen Durchmessers relativ aufwendige HF-Drehkupplung 6 entfällt.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, ist im Verbindungsweg zwisehen dem geraden Hohlleiterabschnitt 11 und dem Hohlleiterkrümmer 7 noch ein Modenkoppler 13 angeordnet, der dann erforderlich ist, wenn die Antenne gleichzeitig für Peilzwecke mit ausgenutzt werden soll.

6 Patentansprüche
2 Figuren

VPA 9/643/5001 - 11 -

60982 7/0496

Claims

Patentansprüche'

1. Rotationssymmetrisehe Cassegrain-Antenne mit zwei voneinander unabhängigen Drehachsen für Elevation und Azimut, bei der sich die Sende-Empfangseinrichtung für das Nachrichtensignal ortsfest im Unterbau der Antenne befindet und bei der die Azimutdrehachse und 'die Rotationsachse des Hauptreflektors in einer Ebene liegen, dadurch gekennzeichnet ,' daß das Mikrowellenspeisesystem, über das die ortsfeste Sende-Empfangseinrichtung· (10) mit der zentralen Speiseöffnung (4) im Hauptreflektor (1) in Verbindung steht, auf seiten der Sende-Empfangseinrichtung eine die azimutale Antennenbewegung ausgleichende Hohlleiterdrehkupplung (8) und auf seiten des Hauptreflektors einen die Elevationsbewegung der Antenne ausgleichenden Zweispiegel-Strahlwellenleiter (13, 14) aufweist.

2. Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ein Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem darstellende Mikrowellenspeisesystem einen Hornstrahler (12) mit symmetrischem Strahlungsfeld aufweist, der den ersten, außerhalb der Azimutdrehachse (A) angeordneten Spiegel (13) des Zweispiegel-Strahlwellenleiters ausleuchtet und über eine Hohlleiterzuführung (7, 11) mit der Hohlleiterdrehkupplung (8) verbunden ist, daß ferner der erste Spiegel (13) die Strahlung in Richtung der Elevationsachse (E) auf den zweiten Spiegel (14) umlenkt und daß der zweite Spiegel, der im Kreuzungspunkt der Elevations- und der Azimutdrehachse angeordnet ist, die

VPA 9/643/5001 - 12 -

609827V0496

Strahlung durch die zentrale Speiseöffnung (4) im Hauptreflektor (1) hindurch auf den Hilfsreflektor (2) umlenkt.

3. Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne nach Anspruch und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (13) des Zweispiegel-Strahlwellenleiters sich im Nahfeld des Hornstrahlers (12) befindet.

4. Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne nach Anspruch und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornstrahler (12) ein Rillenhorn, der erste Spiegel (13) ein Ellipsoidspiegel und der zweite Spiegel (14) ein gekrümmter oder ebener Spiegel sind.

5. Rotationssymmetrisch^ Cassegrain-Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiterzuführung sich aus einem Hohlleiterkrümmer (7) mit einem sich daran anschließenden geraden Hohlleiterabschnitt (11) zusammensetzt.

6. Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade Hohlleiterabschnitt (11) mit seinem Querschnitt gegenüber dem Hohlleiterquerschnitt, in dem nur die Grundwelle ausbreitungsfähig ist, erweitert ist und daß die Übergänge zum Hohlleiterkrümmer (7) und zum Hornstrahler (12) im Sinne einer möglichst geringen Anregung höherer Wellenform angepaßt sind.

VPA 9/643/5001

609827/0496

Leerseite