DE2850492C2 - Reflektorantenne mit einer Haupt-Strahlungskeule mitelliptischem Querschnitt - Google Patents

Description

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hat, wobei f\ = Brennweite der der großen Ellipsenachse des elliptischen Paraboloids entsprechenden Schnittparabel und h= Brennweite der der kleinen Ellipsenachse entsprechenden Schnittparabel ist, und daß Ge; Rand der Reflektorfläche durch die Schniuiinie des elliptischen Paraboloids mit einer Kreiskegelfläche, deren Spitze auf der Achse liegt gebildet ist

2. Reflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Primärstrahler innerhalb einer durch Kugelflächen ~nit den Radien /i und /2 um den Scheitelpunkt des elliptischen Paraboloids begrenzten sphärischen Zone angeordnet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reflektorantenne a nach dem Oberbegriff des Anspruch- 1.

Reflektorantennen mit einer Haupt-Strahlungskeule mit elliptisch geformtem Querschnitt sind insbesondere für die Satellitenkommunikation nützlich. Häufig können nämlich die zu versorgenden Gebiete zufriedenste!- lend durch eine derartige Strahlungskeule versorgt werden.

Um leicht Strahlungskeulen mit einem derartigen Querschnitt zu erhalten, sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt:

1. Einwirken auf das Strahlungsdiagramm des Primärstrahlers.

2. Entsprechende Formung der Strahlungsapertur des Reflektors.

3. Entsprechende Formgebung der Reflektorfläche.

Eine Vorgehensweise nach Punkt 2 ist aus NTG-Fachberichte, Band 57, Antennen, Vorträge der NTG-Fachtagung vom 8. bis 11. März 1977 in Bad Nauheim, Seiten 124 bis 128 bekannt Hierbei wird als Antennenreflektor ein Ausschnitt aus einem Rotationsparaboloid dadurch bestimmt, daß es mit einem geneigten elliptischen Kegel, dessen Spitze sich im Brennpunkt des Parabolreflektor befindet schneidet Der die entsprechende Schnittlinie als Aperturrand aufweisende Antennenreflektor wird mit einem Strahlungsdiagiamm mit angenähert elliptischem Querschnitt bestrahlt. Das Verfahren nach Punkt 2 setzt nämlich eine Primärstrahlungskeule mit einem Querschnitt voraus, der an die Form des Antennenreflektors angepaßt ist. Eine entsprechende Primärkeule kann nach dem Stand der Technik mit einem Pyramidenhorn erzeugt werden. Mit einem solchen Horn ist jedoch die Erzeugung von zirkulär polarisierten Wellen nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Antennenreflektor, der auch bei einer primären Strahlungskeule mit kreisförmigem Querschnitt eine elliptische Strahlungskeule abgibt eine leicht im voraus bestimmbare und leicht mit maschineller Steuerung herstellbare Form anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst Die Reflexionsfläche in Form eine.·; elliptischen Paraboloids, die durch Wahl der beiden Brennweiten f\ und f-i bestimmbar ist ergibt bei einer primären Strahlungskeule mit kreisförmigem Querschnitt eine elliptische Haupt-Strahlungskeule. Die zwischen f, und h liegenden Brennweiten der schräg zu den Ellipsen-Hauptachsen liegenden Parabeln sind durch die angegebene Gleichung hinreichend definiert Ihr Veränderungsgesetz wirkt sich so aus, daß an der Strahlungsapertur ein quadratischer Phasenfehler erzeugt wird, dessen Amplitude am Aperturrand eine elliptische Form hat

Die erfindungsgemäßc Lösung führt im Vergleich zu den bekannten Systemen der dritten Vorgehensweise zu erheblichen Vorteilen, insbesondere den folgenden:

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

— zur Möglichkeit der Veränderung bei gleicher SpeisungsqueUe 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 Brennweitenveränderungsfeldipbhängt.

Es ist zwar bekannt (GB-PS Ί4 41 222, Fig.5), aus einer kreiskegeligen Primärkeule über einen Subreflektor eine an die langgestreckte Form eine Paraboloidreflektors angepaßte, etwa die Form eines Ellipsenkegels aufweisende Zwischen-Keule zu machen. Der Subreflektor hat hierbei die Form eine Hyperboloids, dessen Hyperbel-Brennpunkt sich mit winkelmäßig fortschreitenden Axialebenen ändern und in den Schnitten mit den Ebenen der Hauptachsen ihre Extrempunkte haben. Durch diesen Stand der Technik, der eine sehr spezielle Anwendung betrifft wird indessen keine Lösung des Problems nahegelegt eine analytisch bestimmte Form eines Haupt-Antennenreflektors anzugeben, der nicht auf die elliptische Primärkeule angewiesen ist

Die erfindungsgemäße Reflektorantenne weist in der Ausgestaltung nach Anspruch 2 den Vorteil auf, daß bei mehrstrahligen Antennen mit mehreren Primärstrahlen sich die gewünschte Elliptizität der einzelnen Strahlungskeulen leichter einstellen läßt

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die geometrischen Verhältnisse bei einer von vorn gespeisten erfindungsgemäßen Antenne mit parabolisch-elliptischem Reflektor;

Fig.2 die geometrischen Verhältnisse bei einer

erfindungsgemäßen Antenne (Muschelantenne) mit parabolisch-elliptischem unsymmetrisch versetztem Reflektor;

Fig.3 eine Kurvenschar der Beziehung des Verhältnisses D'2/D'i der Strahlungsapertur zum Brennwei- ι tenverhältnis f2lf\ des parabolisch-elektrischen Reflektors der Antenne nach F i g. 2;

F i g. 4 die berechneten Umrisse der Querschnitte der Hauptstrahlungskeule, in verschiedenen Pegeln in Bezug zur Maximalstrahlung aufgetragen; ι η

Fig.5 die Beziehung zwischen der EUiptizität der Hauptstrahlungskeule und dem Brennweitenverhältnis f2lf\ der Reflektorantenne für den Fall einer Antenne nach F i g. 2 und für / HD' 1 = 1;

Fig.6 das Verhältnis zwischen dem Antennenwirkungsgrad und dem Verhältnis /2//1 des Reflektors für die Bedingungen nach F i g. .5;

F i g. 7 die Beziehung zwischen der EUiptizität der Hauptstrahlungskeule und der Anordnung des Phasenzentrums der Speisung.

Die bekannte Gleichung einer parabolisch-elliptischen Fläche, von der der Antennenreflektor gemäß der Erfindung abgeleitet ist, lautet gemäß al'gemeirier Formel:

(1)

wobei: x, y, z==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=0) geschnitten wird;

ς/2 = Brennweite in Bezug zum Brennpunkt (Fl) der J5 Parabel, die erhalten wird, wenn diese Fläche mit einer Ebene yz(x=Q) geschnitten wird.

F i g. 1 zeigt eine von vorne gespeiste Antenne mit einem Reflektor einer geometrischen Fläche P mit zwei Erzeugenden Gi, G2, die in Ebenen x=Q bzw. y=0 liegen und aus Parabelbögen bestehen, die als Brennpunkte Punkte Fi bzw. F2 auf einer Achse ξ der Fläche F haben.

In einem allgemeinen Punkt F befindet sich das Speisungs-Phasenzentrum eines Speisungshorns. Das Veränderungsfeld von Fbesteht aus einem Bereich nahe der Achse ξ 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 Vund Fl bzw. F2 sind. Mit der Ebene x=0 haben die beiden Kugelflächen Schnittlinien <x 1 und α 2.

Sofern Fzum geschlossenen Intervall Fl, F2 gehört, ist ersichtlich die Richtung des abgestrahlten Strahlenbündels entlang der Achse ξ, während sich in allen anderen Fällen Kitsprechend den bekannten Reflektionsgesetzen unterschiedliche Strahlungsrichtungen ergeben.

Außerdem beeinflußt allgemein die Stellung von Fin Bezug zu Fl und F2 bei gleicher Antennengeometrie das Aixalverhältnis 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 Fl zusammenfällt. Auf diesen speziellen Zustand wird später genauer eingegangen.

Für die folgende Beschreibung wird angenommen, daß die Punkte Fl, F2, Fin einem jeweiligen Abstand /Ί,/2 bzw. /vom Scheitel Kder Fläche Fliegen.

Eine konische Fläche mit der Spitze in Fl 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. Θ« ist dann die Hälfte des Winkels, unter dem der Reflektor vom Punkt Fl aus gesehen wird.

Die Projektion der den Rand des Reflektors begrenzenden Kurve auf die Ebene x, y (z=0), die die rechte Darstellung in F i g. 1 zeigt, äst eine Pseudo-Ellipse A mit Durchmessern D1 entlang der .y-Achse und D 2 entlang der Jf-Achse.

F i g. 2 zeigt ebenfalls die geometrische Fläche P wie F i g. 1, von der jedoch diesmal ein Ausschnitt gewählt ist, der einen unsymmetrischen Muschelreflektor bildet Für G 1, G2, F, Fl, F2, f, fi, /2, ξ (entsprechend ξ in Fi g. 1) und θ μ gelten die gleichen Gesichtspunkte wie bei F ig. 1.

Im einzelnen fäiit beispielsweise gerräß F i g. 2 der Punkt Fmit dem Brennpunkt Fl zusammen. Ein Winkel θο stellt den Winkel zwischen der Richtung der maximalen Strahlung der Erregung und der Achse f der Fläche ? dar. Die Achse ξ und der untere Rand des Reflektors haben voneinander einen Abstand d In diesem Fall wird der Reflektorrand dadurch erhalten, daß die Fläche P mit einer Kegelfläche eines Öffnungswinkels Θμ=Θο — Qm und eiiiero Scheitel in F= Fl geschnitten wird. 8_m ist hierbei der zwischen der Achse ξ und der den Punkt Fmit 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'mit Durchmessern D' 1, D'2 analog A, D1, D 2 nach F i g. 1.

Die mechanische Herstellung des beschriebenen Antennenreflektors stellt nach den dargelegten E;Säuterungen für den Fachmann kein Problem mehr dar. Es genügen die Gleichung (1) zusammen mit der Kenntnis der Werte von Θμ im Fall einer von vorn gespeisten Antenne bzw. θο und B_n, 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.

F i g. 3 zeigt eine Kurvenschar, die die Beziehung zwischen dem Durchmesserverhältnis D'2/D'i und dem Brennweitenverhältnis f2/fl für einen Wert d=A cm und für verschiedene Werte von / HD' 1 angibt. In diesem speziellen Fall ist zu beobachten, daß die Apertur-EIliptizität (D'2/D'i) stehts sehr nahe bei 1 liegt, was bedeute;, daß die EUiptizität der Hauptstrahlungskeule hauptsächlich von der Phasenverteilung an der öffnung und nicht von der Form der öffnung bestimmt wird.

F i g. 4 zeigt in F orm von Pegelkurven ein Beispiel der EntwiGklung der Hauptkeule mit elliptischem Querschnitt im Raum, wie sie mit Hilfe einer unsymmetrischen Antenne nach F i g. 2 erhalten wird, und zwar von Kurven Cl, C2, C3, C4, C5, die die Schnitte der Strahlungskeule bei den Pegeln -1, -2, -3, -4, -5 dB in Bezug zürn Strahlungsmaximum darstellen. Das Verhältnis OA/OB zwischen den beiden Halbach-

sen der Kurve C3 für - 3 dB wird als F.lliptizitätswert c, (li-r Hauptkeule angenommen:

SM.

Die Kurve nach F i g. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Elliptizität ei der Hauptkeule und dem Verhältnis {21 { 1 für den speziellen Fall, daß

t/=6cm
Π/ΟΙ =

F i g. 5 bekräftigt die Aussage der F i g. 3 in Bezug zur die Elliptizität der Hauptstrahlungskeule erzeugenden Ursache.

Beispielsweise für f2/fi=0,9, wofür sich eine Apertur-Elliptizität D'2/D'l =0,994 ergibt, beträgt die Elliptizität c/der Hauptkeule

cy= 0,74

was bedeutet, daß einer nahezu kreisförmigen Apertur eine hohe Elliptizität der Strahlungskeule 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 F i g. 6 betrifft den Wirkungsgrad (η) der Antenne in Bezug zum Verhältnis ClI(X unter den gleichen speziellen Bedingungen, die der Fig. 5 zugrundeliegen. Die Auswertung der Fig.6 erfolgt bei der Beschreibung des Entwurfs.

Die Kurve von F i g. 7 betrifft die Beziehung zwischen der Elliptizitä: ei der Hauptkeule und dem Verhältnis i/D' 1 zwischen der Brennweite /'des Punkts, an dem das Phasenzentrum der Speisung angeordnet ist, und dem Durchmesser D'\ entlang der Achse y (Fig. 2). Diese Figur zeigt, wie es bei einer gegebenen Antennengeometrie möglich ist, das Elliptizitätsverhältnis ei der Hauptkeule zu verändern, indem einfach die Speisungshornposition in Bezug zu den Brennpunkten Fl, 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 (ei=\) 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 α der Hauptkeule so, daß die zu beliefernde gewünschte Fläche gedeckt wird, wird aus der Kurve nach Fig. 5 das Verhältnis f2lf\ abgeleitet. Zwischen den beiden Werten von f2lf\, die jedem der Werte von e, entsprechen, 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

wobei:

5 = die Aperturfläche, die eine Funktion der

Durchmesser D' 1, D'2 ist,
λ = die Wellenlänge
G = der Antennengewinn

ergibt sich bei bereits bekanntem Wert für η und bei vorgegebenem Wert von Cder Wert der Fläche S.

Aus den Kurven nach F i g. 3 ergeben sich auf der Grundlage des für f2lf\ 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 Sgegebene Bedingung erfüllt, die vom ^Drodukt der Durchmesser D'\, D 2 abhängt. Folglich ergibt sich, daß die Werte für die Durchmesser D'\, D'2 gegeben sind.

Nachdem auf diese Weise ei. f2lf\, η, G, S. D'\ 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.

Der Antennenreflektor kann auch in der Anwendung ft-i· eine Mehrzahl von Keulen verwendet werden, die in verschiedenen Richtungen abzustrahlen sind und jeweils eine eigene Elliptizität aufweisen sollen. Hierfür wird eine Anzahl von Primärstrahlern in der durch die Kugeiflächen gemäß den Schnittlinien α 1, λ 2, begrenzten sphärischen Zonen angeordnet, wodurch eine gleiche Anzahl entsprechend geformter Bündel mit unterschiedlicher Querschnittselliptizität erhalten wird. Die genaue Anordnung jeder symmetrischen Speisung hängt sowohl von der Richtung, in der die daraus resultierende Keule gesendet werden soll, als auch von der für diese Keule geforderten Elliptizität ei auf der Grundlage der Kurve nach F i g. 7 ab.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Reflektorantenne mit einem die Haupt-Strahlungskeule der Antenne mit elliptischem Querschnitt <> liefernden Reflektor, dessen Reflektorfläche aus einer Hüllfläche einer Parabelschar besteht, deren Scheitel in einem gemeinsamen Punkt zusammenfallen und deren Hauptachsen in einer gemeinsamen Achse zusammenfallen, und mit einem Primärstrah- ι ο ler, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfläche die Form eines elliptischen Paraboloids der Formel