DE2850492A1 - Antennenreflektor mit parabolisch- elliptischer reflektorflaeche - Google Patents

Description

Antennenreflektor mit parabolisch-elliptischer Reflektorfläche

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antennenreflektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs T, also im allgemeinen einen Mikrowellen-Antennenreflektor, dessen Haupt-Strahlungskeule elliptischen Querschnitt aufweist, und auf ein Verfahren zu seiner Bestimmung,

Reflektorantennen mit elliptisch geformtem Strahlungsverlauf sind insbesondere für die -Satellitenkommunikationen nützlich. Häufig können nämlich die zu bedienenden Flächen zufriedenstellend durch einen Ellipsenumriß angegeben werden, der dadurch geeignet verändert werden kann, daß die beiden Ellipsenachsen getrennt beeinflußt werden.

Das Erfordernis, die vom Satelliten abgestrahlte Energie nur in diejenigen Flächen zu strahlen, die damit zu beliefern sind, hängt streng genommen von der Ausnützung der Sendeleistung mit hohem Wirkungsgrad und von der Vermeidung der elektromagnetischen Überladung oder "Verunreinigung" des Raums ab. Die Strahlung in Gebiete, die nicht zu beliefern sind, stellt nämlich eine nutzlose Energieverschwendung dar und bedingt jedenfalls Komplikationen aufgrund von Interferenzen mit anderen Funkdiensten, die möglicherweise in diesen Gebieten in den gleichen Frequenzbändern tätig sind. Um leicht Funkbündel mit einem Querschnitt gegebener Form, insbesondere elliptischem Querschnitt, zu erhalten, sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt,

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die in den folgenden drei Vorgehensweisen zusammengefaßt werden • können:

1. Einwirken auf das Strahlungsmuster des Speisungshorns;

2. Formung des Antennenreflektors; *

3. Darstellung einer entsprechend geformten Strahlungsapertur im Reflektor.

Das erste Vorgehen führt nicht immer zum gewünschten Ergebnis, außer wenn kompliziertere und häufig vergleichsweise unwirtschaftliche Lösungen verwendet werden, wie beispielsweise

- Speisungserregung durch Mehrmoden (Mehrmodenspeisung),

- Strahlungsapertur der Speisung von gegebener Form, die jedoch mechanisch schwierig darzustellen ist,

- Speisungssystem aus einem Satz von Speisungshörnern, die geeignet phasen- und amplitudenerregt sind.

Hinsichtlich der Reflektorform basieren die Rechenverfahren zu de r en Bestimmung im allgemeinen auf der Theorie der geometrischen Optik. Da jedoch diese Prinzipien auf dem Gebiet der Radiowellen nur in entfernter Annäherung gelten, ist zum Bestimmen einer optimalen Reflektorform ein langes und iteratives Vorgehen erforderlich. Gemäß diesem Vorgehen wird dann die Reflektorfläche nicht durch eine analytische Funktion ausgedrückt, sondern auf diskrete Weise, beispielsweise durch Punkte oder Linien. Die Definition einer Fläche auf diskrete Weise führt jedoch häufig zu hohen Kosten, beispielsweise aufgrund der Unterschiede zwischen den mechanischen und den elektromagnetischen Aufzeichnungserfordernissen. So kann es etwa aus dem Gesichtspunkt der genauen Berechnung der elektromagnetischen Charakteristiken der Antenne heraus erforderlich sein, die Oberfläche aus einer Anzahl von Punkten zu wissen, die geringer ist, als es für die mechanische Verwirklichung innerhalb der Genauigkeitserfordernisse notwendig wäre. In diesem Fall muß die Oberfläche nur zur Erfüllung der mechanischen Erfordernisse in einer größeren Zahl von Punkten berechnet werden, mit entsprechend höheren Entwicklungskosten.

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Das dritte Vorgehen ist, wenn es allein angewandt wird, im allgemeinen unzureichend. Aus diesem Grund wird es mit den beiden erläuterten Vorgehensweisen zusammen angewandt.

Für den Fall einer Reflektorantenne mit elliptisch geformtem Strahlenbündel werden die beschriebenen Schwierigkeiten mit Hilfe der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung durch Reflektoren überwunden, die eine parabolisch-elliptische Oberfläche haben, die als Hüllkurve von Parabeln mit gemeinsamem Scheitel, gemeinsamer Achse und veränderlicher Brennweite erhalten werden. Das Brennweitenveränderungsgesetz sieht vor, daß an der Strahlungsapertur ein quadratischer Phasenfehler erzeugt wird, dessen Amplitude am Aperturrand eine elliptische Form hat. Das Segment der Achse gemäß Anspruch 1 bildet den geometrischen Ort der Brennpunkte.

Die erfindungsgemäße Lösung kann zwar theoretisch als der zweiten beschriebenen Vorgehensweise untergeordnet angesehen werden, sie führt jedoch im Vergleich zu den bekannten Systemen zu erheblichen Vorteilen, insbesondere den folgenden:

- zur Verwendung einer analytisch ausgedrückten Oberfläche, die deshalb mechanisch im Vergleich zu einer Punkt-für-Punkt-Darstellung leichter dargestellt werden kann;

- zur Möglichkeit der Veränderung bei gleicher Speisungsquelle des Axialverhältnisses des elliptischen Querschnitts der Hauptstrahlungskeule dadurch, daß beim Entwurf des Reflektors am Veränderungsfeld der Reflektor-Brennpunkte operiert wird. Hierdurch können leicht synthetische Kurven erhalten werden, da die Elliptizität des abgestrahlten Bündels eine Funktion der paraboloiden Elliptizität ist, also vom Verhältnis zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert des Brennweitenveränderungsfelds .

Da eine solche Funktion zu einer grafischen Darstellung führen kann, ergibt es sich, daß der Synthesevorgang der Antenne erheblich vereinfacht ist.

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Weiterhin ergibt sich als Folge der Verwendung des erfindungsgemäßen Reflektors der wesentliche Vorteil, daß die Herstellung von mehrstrahligen Antennen mit differenzierter Elliptizität für die verschiedenen Strahlenbündel möglich ist, also von Antennen, die gleichzeitig eine Mehrzahl elliptischer Strahlenbündel in verschiedene Richtungen abstrahlen können, wobei der Querschnitt jedes Strahlenbündels einen für dieses Strahlenbündel charakteristischen festgelegten Elliptizitätswert aufweist.

Anspruch 6 gibt ein Verfahren zur Synthese des erfindungsgemäßen Reflektors an.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 die Geometrie einer von vorn gespeisten Antenne mit parabolisch-elliptischem Reflektor;

Fig. 2 die Geometrie einer versetzten, unsymmetrischen Antenne (Muschelantenne) mit parabolisch-elliptischem Reflektor;

Fig. 3 eine Kurvenschar der Beziehung eines Verhältnisses D'2/D'1 der Strahlungsapertur zu einem Brennpunktverhältnis f2/f1 des parabolisch-elliptischen Reflektors der unsymmetrischen Antenne nach Fig. 2;

Fig. 4 die berechneten Umrisse der Querschnitte der Hauptstrahlungskeule, in verschiedenen Pegeln in Bezug zur Maximalstrahlung aufgetragen;

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Elliptizität der Hauptstrahlungskeule und dem Brennpunktverhältnis f2/f1 des Reflektors für den Fall einer unsymmetrischen Antenne und für fl/D'1 ·-- 1 ;

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Fig. 6 das Verhältnis zwischen dem Antennenwirkungsgrad und dem Verhältnis f2/f1 des Reflektors für die Bedingungen nach Fig. 5;

Fig. 7 die Beziehung zwischen der Elliptizität der Hauptstrahlunijskeule und der Anordnung des Phasenzentrums der Speisunj.

Die bekannte Gleichung einer parabolisch-ellipitschen Fläche, von der der Antennenreflektor gemäß der Erfindung abgeleitet ist, lautet gemäß allgemeiner Formel:

2L· ■ + zf. = 2z (1 )

wobei: x, y, ζ = drei kartesische Achsen, an deren Ursprung der Scheitel der Fläche angeordnet wird;

p/2 = Brennweite in Bezug zum Brennpunkt (F2) der Parabel, die erhalten wird, wenn diese Fläche mit einer Ebene xz (y=O) geschnitten wird;

q/2 = Brennweite in Bezug zum Brennpunkt (F1) der Parabel, die erhalten wird, wenn diese Fläche nn't einer Ebene yz (x=O) geschnitten wird.

Fig. T zeigt eine von vorne gespeiste Antenne mit einem Reflektor einer geometrischen Fläche P mit zwei Erzeugenden G1 , G2, die in Ebenen x=0 bzw. y=O liegen und aus Parabelbögen bestehen, die als Brennpunkte Punkte F1 bzw. F2 auf einer Achse f der Fläche P haben.

In einem allgemeinen Punkt F befindet sich das Speisungs-Phasenzentrum eines Speisungshorns. Das Veränderungsfeld von F besteht aus einem Bereich nahe der Achse Γ eines sphärischen Segments, das durch zwei konzentrische Kugeln begrenzt ist, deren Mittelpunkte im Scheitel V der Fläche P liegen und deren Radien gleich den Abständen zwischen V und FI bzw. F2 sind. Mit der Ebene X=O haben die beiden Kugelflächen Schnittlinien »1 und *2.

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Sofern F zum geschlossenen Intervall F1, F2 gehört, ist ersichtlich die Richtung des abgestrahlten Strahlenbündels entlang der Achse {, während sich in allen anderen Fällen entsprechend den bekannten Reflektionsgesetzen unterschiedliche Strahlungsrichtungen ergeben.

Außerdem beeinflußt allgemein die Stellung von F in Bezug zu F1 und F2 bei gleicher Antennengeometrie das Axialverhältnis des elliptischen Querschnitts des Hauptstrahlungsbündels und den Antennenwirkungsgrad.

Die optimalen Positionierungsbedingungen für die Speisung im Hinblick auf den Wirkungsgrad liegen dann vor, wenn das Phasenzentrum der Speisung mit dem Brennpunkt F1 zusammenfällt. Auf diesen speziellen Zustand wird später genauer eingegangen.

Für die folgende Beschreibung wird angenommen, daß die Punkte F1, F2, F in einem jeweiligen Abstand f1, £2 bzw. f vom Scheitel V der Fläche P liegen.

Eine konische Fläche mit der Spitze in F1 und einem gegebenen Öffnungswinkel θ-, zur Achse schneidet die Fläche P des elliptischen Paraboloids entlang einer im allgemeinen nicht in einer Ebene liegenden Kurve, die die Umrißlinie des Rands des Reflektors darstellt. 9„ ist dann der Winkel, unter dem der Reflektor vom Punkt F1 aus gesehen wird.

Die Projektion der den Rand des Reflektors begrenzenden Kurve auf die Ebene x,y (z=O) ist eine Pseudo-Ellipse A mit Durchmessern D1 entlang der y-Achse und D2 entlang der x-Achse.

Fig. 2 zeigt ebenfalls die geometrische Fläche P wie Fig. 1 , von der jedoch diesmal ein Ausschnitt gewählt ist, der einen unsymmetrischen, also versetzten, Muschelreflektor bildet. Für G1 , G2, F, F1, F2, f, f1, f2 _τ £ (entsprechend £ in Fig. 1) und

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Θ_Μ gelten die gleichen Gesichtspunkte wie bei Fig. 1.

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Im einzelnen fällt beispielsweise gemäß Fig. 2 der Punkt F mit dem Brennpunkt F1 zusammen. Ein Winkel θ₀ stellt den Winkel zwischen der Richtung der maximalen Strahlung der Erregung und der Achse f der Fläche P dar. Die Achse £ und der untere Rand des versetzten Reflektors haben voneinander einen Abstand d. In diesem Fall wird der Reflektorrand dadurch erhalten, daß die Fläche P mit einer Kegelfläche eines Öffnungswinkels 9„ - Θ» θ und einem Scheitel in F= F-1 geschnitten wird, θ ist hierbei der zwischen der Achse \ und der den Punkt F mit dem unteren Rand des Reflektors verbindenden Linie liegende Winkel. Die Projektion der den Reflektor umfangsmäßig umgrenzenden, allgemein nichtebenen Kurve auf die Ebene x,y (z=O) ergibt eine Pseudo-Ellipse A^T mit Durchmessern D'1, D'2 analog A, D1, D2 nach Fig. 1.

Die mechanische Herstellung des beschriebenen Antennenreflektors stellt nach den dargelegten Erläuterungen für den Fachmann kein Problem mehr dar. Es genügen die Gleichung (1) zusammen mit der Kenntnis der Werte von Θ_Μ im Fall einer von vorn gespeisten Antenne bzw. θ₀ und θ im Fall einer unsymmetrischen Antenne zur exakten Definition der Reflektorfläche, deren praktische Realisierung beispielsweise mit Hilfe einer digital gesteuerten Einrichtung durchgeführt werden kann.

Im folgenden sei zur Vereinfachung auf eine unsymmetrische Antenne Bezug genommen.

Fig. 3 zeigt eine Kurvenschar, die die Beziehung zwischen dem Durchmesserverhältnis D'2/D'I und dem Brennweitenverhältnis f2/f1 für einen Wert d = 4 cm und für verschiedene Werte von f1/D'1 angibt. In diesem speziellen Fall ist zu beobachten, daß die Apertur-Elliptizität (D'2/D'1) stets sehr nahe bei 1 liegt, was bedeutet, daß die Elliptizität der Hauptstrahlungskeule hauptsächlich von der Phasenverteilung an der Öffnung und nicht von der Form der Öffnung bestimmt wird.

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Fig. 4 zeigt in Form von Pegelkurven ein Beispiel der Entwicklung der Hauptkeule mit elliptischem Querschnitt im Raum, wie sie mit Hilfe einer unsymmetrischen Antenne nach Fig. 2 erhalten wird, und zwar von Kurven C1 , C2, C3, C4, C5, die die Schnitte der Strahlungskeule bei den Pegeln -1 , -2, -3, -4, -5 dB in Bezug zum Strahlungsmaximum darstellen. Das Verhältnis OA/OB zwischen den beiden Halbachsen der Kurve C3 für -3 dB wird als Elliptizitätswert e« der Hauptkeule angenommen:

^ef ~ OB

Die Kurve nach Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Elliptizität e~ der Hauptkeule und dem Verhältnis f2/f1 für den speziellen Fall, da/3
d = 6 cm
f 1 /D¹I = 1
F 5 F1 .

Fig. 5 bekräftigt die Aussage der Fig. 3 in Bezug zur die Elliptizität der Hauptstrahlungskeule erzeugenden Ursache.

Beispielsweise für f2/f1=0,9, wofür sich eine Apertur-Elliptizität D'2/D'1=0,994 ergibt, beträgt die Elliptizität e_f der Hauptkeule

e_f = 0,74

was bedeutet, daß einer nahezu kreisförmigen Apertur eine hohe Elliptizität entspricht, und zwar aufgrund des Effekts der Phasenverteilung über der Apertur, wobei sich diese Phasenverteilung vom Aufbau der Antenne mit dem erfindungsgemäßen Reflektor ableitet.

Die Kurve nach Fig. 6 betrifft den Wirkungsgrad (y ) der Antenne in Bezug zum Verhältnis f2/f1 unter den gleichen speziellen Bedingungen., die der Fig. 5 zugrundeliegen. Die Auswertung der Fig. 6 erfolgt bei der Beschreibung des Entwurfs.

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Die Kurve von Fig. 7 betrifft die Beziehung zwischen der Elliptizität en der Hauptkeule und dem Verhältnis f/D'1 zwischen der Brennweite f des Punkts, an dem das Phasenzentrum der Speisung angeordnet ist, und dem Durchmesser. D^rT entlang der Achse y (Fig.2). Diese Figur zeigt, wie es bei einer gegebenen Antennengeometrie möglich ist, das Elliptizitätsverhältnis e« der Hauptkeule zu verändern, indem einfach die Speisungshornposition in Bezug zu den Brennpunkten F1, F2 der reflektierenden Fläche geändert wird. Selbst, wenn von einem Antennenaufbau gemäß den beschriebenen Ausführungen ausgegangen wird, bei dem die Hauptkeule mit elliptischem Querschnitt auftritt, kann eine Hauptkeule mit kreisförmigem Querschnitt (e~=1) erhalten werden.

Unter den bisher zwecks Einfachheit der Beschreibung gewählten speziellen Bedingungen und unter Bezugnahme auf die beschriebene Zeichnung wird ein Beispiel einer Konstruktion einer Antenne mit erfindungsgemäßem Reflektor beschrieben.

Zum Erzielen der vorgegebenen Elliptizität e« der Hauptkeule so, daß die zu beliefernde gewünschte Fläche gedeckt wird, wird aus der Kurve nach Fig. 5 das korrekte Verhältnis f2/f1 abgeleitet. ■ Zwischen den beiden Werten von f2/f1, die jedem der Werte von €n entsprechenV wird derjenige Wert ausgewählt, der aufgrund der Kurve nach Fig. 6 den größeren Wirkungsgrad erbringt. Somit wird also aus Fig. 6 der Wirkungsgrad η abgeleitet.

Aus der bekannten Beziehung

G = 4TrVj-I. _}

wobei: ■

S = die Aperturfläche, die eine Funktion der Durchmesser D¹I, D'2 ist,

χ = die Wellenlänge
G = die Antennenverstärkung,

ergibt sich bei bereits bekanntem.Wert für vj und bei vorgegebenem Wert von G der Wert der Fläche S.

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Aus den Kurven nach Fig. 3 ergeben sich auf der Grundlage des für f2/f1 gewählten Werts verschiedene mögliche Werte für das Durchmesserverhältnis D'2/D'1, das dann so gewählt wird, daß es auch die für den ermittelten Wert von S gegebene Bedingung erfüllt, die vom Produkt der Durchmesser D¹I, D'2 abhängt. Folglich ergibt sich, daß die Werte für die Durchmesser DM, D'2 gegeben sind.

Nachdem auf diese Weise e^, f2/f1,η , G, S, DM und D'2 bekannt sind, stellt auf der Grundlage der vorhergehenden Betrachtungen die Bestimmung aller weiteren geometrischen Parameter, die zur Festlegung des Antennenreflektors notwendig sind, für den Fachmann kein Problem mehr da.

Im Hinblick auf die Absichten der Erfindung hat die Art der Speisung der in Verbindung mit dem wie beschrieben festgelegten Reflektor verwendeten Antenne keine spezielle Bedeutung. Sie braucht deshalb hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Es sei jedoch hervorgehoben, daß zum Erhalten eines hohen Wirkungsgrads V\ der Antenne und zur Verminderung der Beitragung von durch die Antenne abgestrahlter Kreuzpolarisation die Verwendung einer Antennenspeisung erforderlich ist, die ein Strahlungsmuster mit Kreissymmetrie aufweist, also beispielsweise eine zylindrische oder konische Speisung mit gewellter Innenfläche.

Die die Stellung des Phasenzentrums F (Fig. 1 und 2) der Speisung als Funktionen der geforderten Eliiptizität e_f der Hauptkeule und des geforderten Wirkungsgrads rj- bestimmenden Kriterien sind bereits beschrieben werden.

Wird bei einer selben Antenne die Strahlung nicht nur des Hauptbündels, sondern auch einer gegebenen Anzahl von Nebenbündeln in verschiedenen Richtungen gefordert, und zwar jeweils mit einer eigenen Eliiptizität e_f der Hauptkeule, so muß die gleiche Zahl sekundärer Speisungen innerhalb der durch die Kugelflächen gemäß den Schnittlinien «1 , a.2, begrenzten sphärischen Zone angeordnet sein. Die genaue Anordnung jeder sekundären Speisung

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hängt sowohl von der Richtung, in der das daraus resultierende Sekundärbündel gesendet werden soll, als auch von der für dieses Bündel geforderten Elliptizität e~ auf der Grundlage der Kurve nach Fig. 7 ab. Die entsprechende Realisierung stellt für den Fachmann kein Problem mehr dar.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   1 J Antennenreflektor mit parabolisch-elliptischer Reflektorfläche, dessen Haupt-Strahlungskeule einen elliptischen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfläche aus einer Hüllkurve einer Parabelschar (G1 , G2, ...) besteht, deren Scheitel in einem gemeinsamen Punkt (V) zusammenfallen, deren Hauptachsen in einer gemeinsamen Achse (f₅f) zusammenfallen und deren Brennpunkte (F1, F2, ...) entlang einem Abschnitt dieser Achse angeordnet sind.
2. 2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elliptizität (e~) des abgestrahlten Strahlenbündels von der Elliptizität der parabolisch-elliptischen Fläche abhängt und nach 1 tendiert, wenn der Betrag der Differenz zwischen der maximalen Brennweite (f1) und der minimalen Brennweite (f2) gegen 0 tendiert.
3. 3. Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine geometrische Konfiguration so ist, daß er ein von der Antennenspeisung empfangenes Strahlungsbündel mit kreisförmigem Querschnitt in ein emittiertes Strahlungsbündel mit elliptischem

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   - 2 Querschnitt umwandelt.
4. 4- Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß seine Fläche analytisch durch eine kontinuierliche Funktion ausgedrückt ist.
5. 5. Reflektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er praktisch durch Verwirklichung der kontinuierlichen analytischen Funktion mit Hilfe eines digitalgesteuerten Fertigungsautomaten dargestellt ist.
6. 6. Verfahren zur Herstellung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reflektorfläche im wesentlichen durch Schneiden einer parabolischelliptischen Fläche (P) mit einer Kegelfläche, deren Spitze (F) auf der Achse (£,£) der parabolisch-elliptischen Fläche (P) liegt, bestimmt.

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