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Cassegrain-Antenne
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Cassegrain-Antenne, insbesondere
Nahfeld-Cassegrain-Antenne, die mit einem Primärstrahler, einen Fangreflektor, einem
Hauptreflektor und einer Einrichtung zur reversiblen Strahlungskeulenverbreiterung
versehen ist, die durch Erzeugung einer konzentrischen, eine Höhe von beispielsweise
etwa einer viertel Wellenlänge aufweisenden Abstufung im Fangreflektor realisiert
ist, so daß sich durch diese Abstufung eine Wellenphasenverschiebung der am Fangreflektor
in diesem Bereich reflektierten Wellen von beispielsweise etwa 1800 ergibt.
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Die Ausrichtung von Richtantennen auf ein vorgegebenes Ziel ist um
so schwieriger, je schmäler die von ihnen erzeugte Strahlungskeule ist. Selbst in
solchen Fällen, in denen eine automatische Nachführung, beispielsweise unter Verwendung
eines Peildiagramms möglich ist, muß das zu erfassende Ziel erst in den sogenannten
Fangbereich der Richtantenne gelangen. Der Fangbereich üblicher Antennen
hängt
aber eng mit der von ihnen erzeugten Keulenbreite zusammen. Das Problem der Ausrichtung
wird besonders gravierend, wenn die Positionsdaten des zu erfassenden Zieles nicht
oder nur ungenau bekannt sind, und wenn ein häufigerer Wechsel auf verschiedene
Ziele erfolgen soll. Ein solcher Wechsel ist beispielsweise bei Satellitenbodenstationen
nötig, die zur Weltraumfunküberwachung dienen.
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Eine Keulenverbreiterung der Antenne während der Zielsuche verkürzt
die Zielsuche erheblich, was eine bei bewegten Objekten oft unabdingbare Voraussetzung
ist.
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Eine bekannte und in "NTG-Fachberichte" Band 22, 1975, Seiten 178
bis 186, insbesondere Bild 6d, dargestellte Methode zur Keulenverbreiterung ist
die Erregerdefokussierung bei Reflektorantennen. Bei Cassegrain-Antennen ist dazu
eine axiale Verschiebung des Fangreflektors möglich. Messungen an Nahfeld-Cassegrain-Antennen,
wie sie im Satellitenfunk vielfach verwendet werden, haben jedoch ergeben, daß durch
Fangreflektorverschiebungen nur geringe Änderungen der Strahlbreite erreicht werden
können.
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Eine andere Methode zur Strahlungskeulenverbreiterung bei einer Cassegrain-Antenne
ist aus Bild 6e derselben Literaturstelle bekannt. Hierbei werden ein innerer und
ein äußerer Bereich des Fangreflektors in Axialrichtung so gegeneinander verschoben,
daß gegenphasige Aperturfeldbereiche und ein sektorähnlich geformtes Diagramm entstehen.
Durch die Maßnahme wird etwa eine Verdoppelung der Strahlbreite erreicht. Bei konstanter
Belegungsamplitude in der Antennenapertur, wie sie beispielsweise bei Satellitenfunkantennen
meist angestrebt wird, treten jedoch im verbreiterten Diagramm der Antenne Nebenzipfel
von oftmals störender Größenordnung auf. Außerdem läßt sich die Verschiebung der
Fangreflektorringe ge-
geneinander aus mechanischen Gründen oft
nicht oder nur schwer mit der erforderlichen Geschwindigkeit ausführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Strahlungskeulenverbreiterung
bei einer Cassegrain-Antenne der eingangs genannten Art eine Lösung anzugeben, bei
der zum einen eine erhebliche Strahlverbreiterung und zum anderen eine Nebenzipfelreduzierung
sowie eine Beschleunigung des Fokussierungs- und Defokussierungsvorgangs ermöglicht
wird.
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Gemaß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beispielsweise
etwa eine viertel Wellenlänge hohe Abstufung durch eine Vielzahl von strahlungsreflektierenden
und Abschnitte eines Kreisringes darstellenden Segmenten gebildet ist, die rund
um den Fangreflektor an diesem außen angelenkt und mittels einer Klappvorrichtung
so betätigbar sind, daß sie in ihrer Betriebsstellung auf dem Fangreflektor aufliegen
und in ihrer Außerbetriebsstellung sowohl außerhalb des Strahlengangs zwischen dem
Primärstrahler und dem Fangreflektor als auch außerhalb des Strahlengangs zwischen
dem Fangreflektor und Hauptreflektor liegen. Durch das Einklappen der mit einer
geeigneten Krümmung versehenen metallischen Segmente auf den Fangreflektor ergibt
sich die Möglichkeit, insbesondere durch Abflachung der Segmente gegenüber dem festen
Fangreflektor, einen an den Phasenwechsel besser angepasten Amplitudengang in der
Apertur zu erzeugen. Dadurch können die Nebenzipfel des Sektordiagramms reduziert
werden. Bezüglich der Nebenzipfeldämpfung besser angepaßt ist ein Amplitudengang,
wenn die Amplitude am Aperturrand und im Bereich des Phasensprungs (von beispielsweise
1800) abgeschwächt ist, und der Ubergang in diese Abschwächungszonen möglichst gleichmäßig
erfolgt. Durch Abflachung der Segmente wird die von ihnen reflektierte Energie stärker
auf einen ringförmigen Teil-
bereich des Hauptreflektors konzentriert,
wodurch sich eine Feldabschwächung am äußeren Rand des Hauptreflektors und in dem
weiter innen liegenden Bereich des Phasensprungs ergibt. Durch das Klappen der Segmente
wird eine raschere Änderung der Strahlbreite der Antenne ermöglicht, als dies bei
Translationsbewegungen zur Axialverschiebung eines konzentrischen Fangreflektors
möglich ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in 3 Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische seitliche
Ansicht einer Nahfeld-Cassegrain-Antenne mit Strahlaufweitung durch Phasenwechsel
in der Apertur, Fig. 2 die schematische Seitenansicht eines Fangreflektors mit Klappsegmenten
zur Verwendung in einer Cassegrain-Antenne nach Fig. 1, und Fig. 3 eine Draufsicht
auf den Fangreflektor nach Fig. 2.
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Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Nahfeld-Cassegrain-Antenne
besteht aus einem Primärerreger 1 in Form eines Hornstrahlers, einem eine Primärstrahlumlenkung
bewirkenden Hilfsreflektor 2, einem Fangreflektor 3 und einem Hauptreflektor4. Der
Hauptreflektor 4 weist in seinem Scheitelbereich eine Öffnung 5 auf, durch welche
die Strahlung zwischen dem Hilfsreflektor 2 und dem Fangreflektor 3 gelangt. Am
Fangreflektor 3 ist ein in ist ein inder Fig. 1 gestrichelt dargestellter ringförmiger
äußerer Bereich 6 gegenüber dem eigentlichen Fangreflektor 3 abgestuft. Die Abstufung
beträgt beispielsweise eine viertel Wellenlänge. Dieser Bereich 6 ist insgesamt
hinter den Fangreflektor 3 auf die dem Hauptreflektor abgewandte Seite klappbar
und dient der Keulenverbreiterung. Der bei Einschaltung der Keulenverbreiterung
wirk-
same Fangreflektor besteht somit aus einem inneren Bereich
7 und dem äußeren, ringförmigen und abgestuften Bereich 6. Die Ausführung des Fangreflektors
3 mit dem klappbaren Bereich 6 ist in den später beschriebenen Fig. 2 und 3 im einzelnen
dargestellt. Rechts von der Antennenapertur sind in Fig. 1 zwei Aperturbelegungsfunktionen
8 und 9 eingezeichnet. Die durchgezogen dargestellte, bei Antennen hoher Richtwirkung
auftretende Belegungsfunktion 8 tritt dann auf, wenn die Cassegrain-Antenne ohne
den gestrichelt dargestellten ringförmigen Bereich 6 betrieben wird, während die
gestrichelt dargestellte Belegungsfunktion 9 dann entsteht, wenn der ringförmige
Bereich 6 auf den Fangreflektor 3 geklappt ist und die entstehende Stufe eine Tiefe
von #/4 hat.
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Der Belegungsfunktion 8 entspricht die in Fig. 1 rechts außen dargestellte
und durchgezogen gezeichnete Strahlungskeule 10, d.h. die normale Antennekeule ohne
Aufweitung.
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Dagegen ergibt sich bei der Belegungsfunktion 9 die gestrichelt gezeichnete
und in Fig. 1 ebenfalls rechts außen dargestellte Strahlungskeule 11, die gegenüber
der Strahlungskeule 10 hinsichtlich ihrer Breite etwa verdoppelt ist. Die Nebenzipfel
der breiten Keule 11 sind zwar höher als bei der schmalen Keule 10, jedoch niedriger
als die bei konstanter Belegungsamplitude und Phasensprung sich ergebenden Nebenzipfel.
Das technische Problem der Strahlaufweitung wird somit dadurch gelöst, daß mittels
zueinander abgestufter konzentrischer Bereiche 6 und 7 des Fangreflektors 3 in der
Antennenapertur ebenfalls konzentrische Belegungsbereiche mit beispielsweise 1800
Phasenunterschied erzeugt werden, vgl.
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dazu die Belegungsfunktion 9. Bei geeignetem Flächenverhältnis dieser
Bereiche 6 und 7 wird, abhängig von der jeweils vorliegenden Amplitudenverteilung,
in der Apertur die sektorähnliche Antennenkeule 11 erzeugt, deren Breite prinzipiell
von der Zahl der Phasenwechsel ab-
hängt. Tritt, wie in Fig. 1 dargestellt,
nur ein Phasenwechsel auf, ist also der äußere Aperturbereich in der Belegungsfunktion
9 in Gegenphase zum inneren Bereich, dann tritt etwa eine Verdoppelung der Strahlbreite
auf.
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Je nach Aperturbelegung und Antennendurchmesser kann es vorteilhaft
sein, die Fangreflektorstufe auch so zu bemessen, daß in der Antennenapertur ein
Phasensprung zwischen etwa 1200 und 1800 auftritt.
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Im Bereich der Strahlungskeule 11 ergibt sich ein annährend konstanter
Pegel, was vielfach erwünscht ist.
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Durch Verstärkung der gegenphasigen Belegungsanteile kann eine zentrale
Einsenkung mit vorgegebener Tiefe in der Hauptkeule 11 erzeugt werden. Eine solche
Einsenkung kann die Zielausrichtung auf die Mitte der Strahlungskeule 11 erleichtern.
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Die Antenne wird somit auf das zu erfassende Ziel ausgerichtet, wenn
die breitere Strahlungskeule 11 erzeugt wird, d.h. wenn der ringförmige Bereich
6 auf den Fangreflektor 3 geklappt ist und somit gegenüber dem zentralen Bereich
7 eine Abstufung entsteht. Nachdem mittels der verbreiterten Antennenkeule 11 die
Antenne auf das Ziel ausgerichtet wurde, wird der äußere, ringförmige Bereich 6
wieder weggeklappt, so daß eine glatte Kontur des Fangreflektors 3 entsteht. Damit
ist die ursprüngliche schmale Antennenkeule 10 wieder hergestellt.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen in einer schematischen Seitenansicht bzw.
Draufsicht die Ausbildung des Fangreflektors 3 nach der Erfindung im einzelnen.
Der abgestufte, ringförmige äußere Bereich 6 nach Fig. 1 wird durch eine Vielzahl
von strahlungsreflektierenden, metallischen Segmenten 12 gebildet, welche Abschnitte
eines Kreisrings
darstellen. Die metallischen Segmente 12 sind
rund um den Fangreflektor 3 an diesem außen an Gelenken 13 gelagert und befestigt.
mittels einer Klappvorrichtung sind die Segmente 12 so betätigbar, daß sie in ihrer
Betriebsstellung I auf dem Fangreflektor 3 aufliegen und in ihrer Außerbetriebsstellung
II sowohl außerhalb des Sträiengangs zwischen dem Primärstrahler und dem Fangreflektor
als auch außerhalb des Strahlengangs zwischen dem Fangreflektor und dem Hauptreflektor
liegen. Die Klappvorrichtung ist durch eine auf der Spiegelrückseite des Fangreflektors
3 angeordnete zentrale Spannvorrichtung 14 realisiert, wobei jedem Segment 12 ein
Zugseil 15 zugeordnet ist. Die Zugseile 15 sind jeweils am äußeren Ende eines Segments
12 befestigt. Die Gelenke 13, über welche die Segmente 12 rund um den Fangreflektor
3 befestigt sind, sind mit Spannfedern 16 - im gezeichneten Ausführungsbeispiel
Schraubenfedern - versehen, unter deren Federspannung die Segmente 12 in der Betriebsstellung
T auf den Fangreflektor 3 angepreßt sind. Der in Stellung I tatsächlich wirksame
Fangreflektor besteht somit aus einem zentralen Bereich 7 und einem äußeren Bereich
6, welcher durch den aus den Klappsegmenten 12 bestehenden Ring gebildet wird. Jedes
der dargestellten Klappsegmente 12 ist durch ein Blechteil realisiert, welches an
seinem dem Gelenk 13 abgewandten inneren Ende mit einer Umwinkelung 17 versehen
ist, welche ungefähr die Höhe einer viertel Wellenlänge hat.
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An der Rückseite des Fangreflektors 3 sind Anschlagstücke 18 angebracht,
so daß die metallischen Segmente 12 in ihrer Außerbetriebsstellung II nach Betätigung
der Zugseile 15 mittels der zentralen Spannvorrichtung 14 unter Federspannung fixiert
sind. Die Spannvorrichtung 14 wird zweckmäßig durch einen extern gesteuerten Motor
betätigt.
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In der Betriebsstellung I wird somit die verbreiterte Antennenkeule
11 (in Fig. 1) erzeugt, wogegen die Stellung II der Bildung der schmalen Antennenkeule
10 (in Fig. 1 ) dient.
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5 Patentansprüche 3 Figuren
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