DE3241570A1

DE3241570A1 - Antenne

Info

Publication number: DE3241570A1
Application number: DE19823241570
Authority: DE
Inventors: Kenneth Dean Arecibo Puerto Rico Stephens
Original assignee: Focus Communications Inc
Current assignee: Focus Communications Inc
Priority date: 1981-11-12
Filing date: 1982-11-10
Publication date: 1983-05-19
Also published as: JPS5888904A; US4513293A; CA1191945A; GB2113011A

Description

J Z 4 Ί b / U

• "D-8000 München 80 Sck^ll^tessleCI / υ

Telefon (089) 4482496

Telex 5215935

Telegramme patemus münchen

Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang zugelassen beim Europäischen Patentamt - admitted to the European Patent Office - Mandataire agree aupres Γ Office Europeen des Brevets

Antenne

Die Erfindung betrifft eine Antenne, die insbesondere frequenzselektiv ist, parabolische Gestalt hat und bei hohen Frequenzen verwendet wird.

Verschiedene Antennenformen wurden entwickelt und viele Jahre eingesetzt. Zahlreiche Beispiele der Konstruktion und der Verwendung von Antennen sind in dem Buch "The ARRL Antenna Book", veröffentlicht von der American Radio Relay League, Inc., 1974, beschrieben. Während Antennenformen zwischen einem einfachen Draht und komplexen Yagiantennen, Parabolschalen und dgl. variieren, hat die üblicherweise für den Empfang von Hochfrequenzsignalen verwendete Antenne die Gestalt einer Parabolschale wegen deren hohen Antennengewinns. Es handelt sich um Breitband-Antennen, obgleich der Hornstrahler auch so gestaltet sein kann, daß er in vernünftigem Rahmen frequenzselektiv ist. Der Wirkungsgrad der Parabolantennen ändert sich nicht merklich mit ihrer Große. Jedoch sind solche Antennen groß und sperrig, schwer und schwierig zu bauen, haben große, der Windbelastung ausgesetzte Oberflächen, sind unansehnlich und teuer in der Herstellung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne mit großem Antennengewinn zu schaffen, welche die meisten Nachteile der parabolischen Antennen nicht aufweist, stark frequenzselektiv ist und sich insbesondere für hohe Frequenzen eignet.

BAD ORIGINAL-'

Dabei soll die Antenne Frequenzen nahe einer vorgegebenen Frequenz oder einem schmalen Frequenzband oder nahe der Auslegungs-Wellenlänge und .deren Vielfache, selektieren, und vollständig Signale mit der halben Auslegungs-Wellenlänge und nicht ganzzahligen Vielfachen davon unterdrücken.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

Eine Antenne gemäß der Erfindung kann mit verhältnismäßig niedrigen Kosten hergestellt werden und wird vorteilhaft für Mikrowellen-, Radar-, Satelliten- und dgl. -Sende- und Empfangsverkehr sowie für Mehr-Stationen-Verteilersysteme für Fernseh- und Relais-Signalwege einschließlich optischer Reflektion und weiterhin für andere Anwendungen eingesetzt, bei denen ausgewählte Frequenzen über Sammlung von Signalen "in Phase" in einem Brennpunkt verstärkt werden müssen.

Die Antenne nach der Erfindung ist relativ dünn bzw. hat ein schmales Profil. Dies verringert die Windlastfaktoren beträchtlich und schafft ein ästhetischeres, die Umwelt freundlicher bzw. weniger störend gestaltendes Aussehen, wobei die Antenne insbesondere günstig für den Direktempfang von Satelliten-Fernsehsignalen für den Einzelempfang in Wohngebieten ist. In der Anwendung beispielsweise auf dem Dach eines Wohnhauses tritt die Antenne gemäß der Erfindung bedeutend weniger in Erscheinung als übliche Antennen der parabolischen Schalenbauart, die zum Empfang von Signalen ähnlicher Frequenzen ausgelegt sind. Die Antenne ist relativ einfach zu bauen und kann zum Empfang einer unterschiedlichen Frequenz oder eines schmalen Frequenzbandes leicht modifiziert werden. Ferner kann die Antenne nach der Erfindung aus verschiedenen Materialien unter Verwendung verschiedener herkömmlicher Herstellungstechniken in einfacher Weise produziert werden.

Zusammengefaßt zeichnet sich die Antenne nach der Erfindung also durch folgende Vorteile aus:

Die Antenne nach der Erfindung ist frequenzselektiv .

Die Antenne nach der Erfindung ist insbesondere für Signale relativ hoher Frequenzen geeignet und ist relativ dünn bzw. hat ein schmales Profil.

Die Antenne nach der Erfindung ist relativ einfach herzustellen.

Schließlich ist die Antenne nach der Erfindung verhältnismäßig einfach und so gestaltet, daß sie vorzugsweise Signale unterschiedlicher Frequenzen empfangen kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
20

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Antenne gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Antenne nach Fig. 1; Fig. 3a,3b einen Querschnitt der einen Hälfte einer Antenne gemäß der Erfindung;

Fig. 4a,4b schematische Darstellungen, welche bei der Herstellung einer Antenne gemäß der Erfindung zu beachtende geometrische Beziehungen erläutern; Fig. 5-7 abgewandelte Speiseanordnungen für eine Antenne gemäß der Erfindung und

Fig. 8a,-8b schematische Teilansichten ähnlich Fig. 3, in denen abgewandelte Antennen^, formen gemäß der Erfindung dargestellt sind.

Zuerst sei anhand der Fig. 1 und 2 eine Antenne 10 be-

schrieben, die rechteckig ist, wenngleich sie auch rund sein oder eine andere Gestalt haben könnte. Die Antenne weist eine zentrale Sektion 11 auf, die kreisförmig ist, jedoch parabolische Oberfläche hat. Ferner weist die Antenne Sektionen 12 bis 17 in der Form konzentrischer Ringe auf. Jeder Ring 12 bis 17 hat ebenfalls eine parabolische Oberfläche; jedoch basiert jede parabolische Oberfläche 11 bis 17 auf einer Parabel mit unterschiedlicher Brennweite, die jeweils in Beziehung zu den Wellenlänge oder Frequenz der von der Antenne zu empfangenden Signale steht. Die Antenne nach der Erfindung wird im folgenden als Empfänger-Antenne beschrieben, könnte jedoch auch als Sende-Antenne verwendet werden. Da jede Sektion 12 bis 17 axial (in Richtung zur Rückseite der Antenne gemaß den Fig. 1 und 2) versetzt ist, sind Absätze oder Schultern 21 bis 26 zwischen den einzelnen Sektionen gebildet. Der Betrag des jeweiligen axialen Versatzes, die Brennweite und andere Parameter bezüglich der Antennensektionen sind im folgenden diskutiert. Die Fig. 3a und 3b, die ebenfalls noch erläutert werden, zeigen das relativ niedrige oder schmale Profil einer Antenne nach den Fig. 1 und 2.

Die beispielhaft in den Fig. 1 und 2 gezeigte Antenne 10 ist für eine Zentralfrequenz 12,5 GHz (Wellenlänge: 2,4 cm), eine Hauptbrennweite von einem Meter und einem Wert F_L/d von 0,82 ausgelegt, und jede Kante hat eine Länge von einem Meter. Diese Dimensionierung basiert auf einer Antenne mit einem Gesamtradius ("bis zur Ecke 29 des Segments 17) von 61 cm oder einem Gesamtdurchmesser von 122 cm. Wenn also sämtliche Sektionen 14 bis 17 komplette Ringe bilden anstatt abgeschnitten zu sein (Segmente 14 bis 17), um eine quadratische Antenne zu bilden, würde die Antenne einen Durchmesser von 122 cm (vier Fuß) haben. Die Antenne kann kleiner oder größer sein, und im letzteren Falle

können zusätzliche Sektionen bzw. Segmente über das Segment 17 hinaus vorgesehen sein. Die aktive Fläche der Antenne gemäß den Fig. 1 und 2 beträgt angenähert 1 m² (angenähert 10 Quadrat-Fuß) und die Gesamtstärke (von der Rückseite der Antenne bis zur am weitesten vorstehenden Kante der Absätze 21 bis 26 gemessen) angenähert 4 cm (die Abweichung der Absätze oder Schultern beträgt maximal 2 cm und die Basis- oder Stütz-Wandstärke der Antenne beträgt etwa 2 cm). Während diese Antenne eine maximale Stärke von etwa 4 cm aufweist, würde eine äquivalente Parabolschalen-Antenne mit einem Durchmesser von 122 cm und einer Brennweite von 100 cm eine maximale Ausladung gemessen von der äußersten Kante von 9,6 cm plus der Stärke der Antennen-Basis-Wandstärke in der Mitte haben (bei etwa 2 cm Basis-Wandstärke würde die Antenne eine maximale Gesamtstärke oder Profilstärke von etwa 11,6 cm aufweisen). Wenn die Antenne einen Durchmesser von 142 cm aufweist, wie dies bei dem zu erläuternden Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3a bis 3b der Fall ist, beträgt die maximale Auskragung in Stärkenrichtung bis zur äußersten Kante weiterhin etwa 4 cm, während bei einer herkömmlichen Parabolschale eine Ausladung von 12,6 cm (plus Basis-Wandstärke) betragen würde. Somit kann eine Antenne, welche gemäß der Erfindung gestaltet ist, mit bemerkenswert geringerer Wand- bzw. Profilstärke ausgebildet werden, wobei dieser Vorteil insbesondere bei zu- · nehmenden Durchmesser bzw. zunehmender Weite der Antenne ins Gewicht fällt.

Die Fig. 3a und 3b zeigen im Teilquerschnitt eine Hälfte einer Antenne ähnlich derjenigen nach den Fig. 1 und 2 (die Fig. 3a und 3b sind so aneinandergefügt zu denken, daß das rechte Ende der Fig. 3a am linken Ende der Fig. 3b anstößt), wobei jedoch zwei zusätzliche Segmente wie noch beschrieben hinzugefügt sind. Die Fig. 3a und 3b

zeigen deutlicher die typische Gesamtstärke der Antenne, und die gestrichelte Linie 29 in Fig. 3b bezeichnet die Ecke 29 des Segmentes 17 der Antenne nach den Fig. 1 und 2. Die Antenne umfaßt einen parabolischen Zentralabschnitt mit einer Oberfläche 11 gleich derjenigen der Antenne nach den Fig. 1 und 2 und parabolische Ringflächen 12 bis 17. Zusätzlich sind Oberflächen 18 und mit Absätzen 27 und 28 in den Fig. 3a und 3b gezeigt, und es könnten weitere Segmente vorgesehen sein, falls erwünscht. Die noch folgende Tabelle I zeigt die Daten einer Antenne gemäß den Fig. 1 bis 3, bei der jedoch noch mehr Segmente vorgesehen sind und die einen Durchmesser von 200 cm aufweist. Es sei beachtet, daß die Fig. 3a und 3b nur eine Hälfte der Antenne ausgehend von der Mitte des Zentralabschnittes bei einer zentralen Y-Achse 31 der Antenne bis zur Außenkante 32 der Antenne zeigt (wobei die gestrichelte Linie 29 die Außenkante im Falle der Antenne nach den Fig. 1 und 2 bildet).

Die Antenne gemäß den Fig. 3a und 3b kann als in Zonen oder Segmente A bis I unterteilt gedacht werden, in welchen der entsprechende Zentralabschnitt 11 und die Ringflächen 12 bis 19 ausgebildet sind. Da jedes Ringsegment B bis I gegenüber dem vorangehenden Ringsegment in Richtung nach außen gesehen zur Rückseite 41 der Antenne hin zurückgesetzt ist, sind die Absätze oder Schultern 21 bis 28 zwischen den verschiedenen Segmenten A bis I gebildet. Die Winkel dieser Absätze oder Schultern sind wie im folgenden beschrieben so gewählt, daß die Seiten-Zipfel- oder -Keulenstrahlung, welche in die Antennenspeisung geht, minimiert wird;, d. h. diejenige Strahlung, welche in die Antenne von der Seite her achsenversetzt eintritt und von den Oberflächen der Schultern 21 bis 28 zur Antennenspeisung hin reflektiert wird.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Antennen können einfach

durch Gießen eines Harzes mit einer Glasfaserverstärkung in eine Form geschaffen werden. Sie können zu einer Stärke der Art gemäß den Fig. 3a und 3b geformt werden;oder alternativ kann die obere Hälfte der Antenne gemäß Fig. 3a und 3b in dieser Weise aufgebaut und eine Schaumschicht oder eine andere Rückenschicht kann hinzugesetzt werden, um die Steifigkeit zu verbessern und gleichzeitig das Gesamtgewicht der Antenne zu minimieren. Zur Montage der Antenne können sämtliche geeignete Mittel vorgesehen werden; beispielsweise können Bolzen oder Muttern in die Rückseite der Antenne eingebettet werden, Montageflansche können längs der Kanten der Antenne vorgesehen sein und dgl.. Eine abgewandelte Ausbildungsform unter Verwendung eines oder mehrerer Metallpress- oder -prägeteile ist anhand der Fig. 8a und 8b erläutert.

Es sei nun die Konstruktion einer Antenne gemäß der Erfindung detailliert erläutert, wobei die folgende Tabelle I (Abmessungen in Zentimetern) detaillierte Konstruktionsdaten für die exemplarische Antenne der Gestaltung nach den Fig. 1 bis 3 enthält; die Fig. 4a und 4b dienen dabei als Verständnishilfe für das Verstehen der Beziehung der Absatz- oder Rippenabmessungen angrenzender Sektionen bzw. Segmente. Kurzgesagt wird unterstellt, daß die Antenne eine Grundlinie 34 (Fig. 3a, 3b) aufweist, bezüglich der die verschiedenen Segmente sich erheben oder abweichen. Diese Abweichung bezüglich der Grundlinie 34 der verschiedenen Oberflächen (z. B. der Oberfläche 11 in Fig. 3a) ist durch eine Abmessung Z bestimmt. Die Abmessung Z variiert mit der Abmessung X, welche den horizontalen Abstand nach außen von der zentralen Y-Achse 31 der Antenne repräsentiert, und steht senkrecht zu dieser Y-Achse. Die Oberfläche jeder Antennensektion (z. B. der Oberfläche 11) steht an deren jedem Punkt unter einem be-5 sonderen Winkel bezüglich der parallel zur Achse 31 ein-

fallenden Strahlung (und dieser Winkel ist in gleicher Weise der Antennen-Oberflächen-Winkel bezüglich der Achse 31 selbst), und ferner hat jeder gesonderte Punkt einen vorgegebenen horizontalen Abstand X von der Y-Achse 31.

Tabelle I: Tabelle I

Sekt.-Nr.

J
J

K
K

100(FLo)

100

101 ,2

101,2

101 ,2

102,4

103,6

104,8

106,0

107,2

108,4

109,6

110,8

112,0

10 20 25 25 30 35 35 40 42 42 45 48 48 50 53 53 55-. 58 58 60 62 62 65 67 67 70 71 71 ■75 75 79

F_T /X Lo

1,0,00 5,00 4,00 4,00 3,33 2,86 2,86 2,50 2,38 2,38 2,22 2,08 2,08 2,00 1 ,89 1 ,89 1 ,82 1,72 1 ,72 1 ,67 1 ,61 1 ,61 1,54 1 ,49 1 ,49 1,43 1,41 1,41 1,33 1,33 1 ,27

90°

87°10'

84°20'

83°00'

81°40'

80°10'

79°05'

78°36'

77°53'

77°10'

76°42'

76°05^?

76°05'

75°35'

74°57'

74°57·

74°35'

74°05'

73°30'

73°05'

72°30'

72°20'

71°35'

70°50'

0,000 0,250 1 ,000 1 ,563 0,344 1 ,023 1 ,826 0,591 1 ,506 1 ,907 0,657 1 ,287 1 ,960 0,696 1 ,164 1,901 0,625 1 ,134 1 ,934 0,645 1 ,196 1 ,765 0,465 1 ,344 1 ,953 0,640 1 ,577 1 ,899 0,574 1 ,892 0,556 1 ,931

1 ,216 1 ,235 1 ,250 1 ,264 1 ,276 1 ,289 1,300* 1 ,313

1 ,325 1 ,336 1 ,348

- 13 -

Tabelle I (Forts.)

Sekt.-Nr.	^FL	X	*Lo ^/X	θ	°50'	Z	M
L	113,2	79	1,27	70	°20'	0,583
L	113,2	82	1,22	70	°20'	1 ,650	1 ,356
M	114,4	82	1 ,22	70	°50'	0,294
M	114,4	85	1,18	69	°37'	1 ,389
M	114,4	86	1 ,16	69	O₃₇,	1 ,76 3	1,368
N	115,6	86	1 ,16	69	°00'	0,395
N	115,6	90	1,11	69	⁰OO¹	1 ,917	1 ,380
O	116,8	90	1,11	69	°35'	0,537
O	116,8	93	1,08	68	°35'	1,712	1 ,388
P	118,0	93	1 ,08	68	°20'	0,324
P	118,0	95	1 ,06	68	°55'	1 ,121
P	1 18,0	97	1 ,03	67	°55'	1 ,934	1 ,400
Q	119,2	97	1 ,03	67	°30'	0,534
Q	119,2	100	1 ,00	67	1,773

Ein besonders wichtiger Parameter ist die Abmessung M, welche allgemein die Verschiebung in Richtung parallel zur zentralen Y-Achse 31 an der Stelle des axialen Übergangs von einem Segment zu einem anderen .Segment bezeichnet (z. B. an dem Absatz 21 gemäß Fig. 3a). Der Parameter M ist eine Funktion der Wellenlänge und hat einen unteren Grenzwert von der halben Wellenlänge gemessen längs der Y-Achse 31; dieser Grenzwert bezeichnet den Startwert und die untere Grenze für die Abmessung M (obwohl in der Mitte der Antenne bei der Y-Achse 31 kein Absatz oder Übergang vorgesehen ist). Wie aus Tabelle I ersichtlich nimmt die Abmessung M mit zunehmendem horizontalen Abstand X von der zentralen Achse stets zu. M ist geringfügig größer, jedoch nahezu gleich einem Abstand "a" zwischen den Oberflächen benachbarter Segmente (s. die Fig. 3a und 4a, 4b, welche im folgenden noch detaillierter erläutert sind) längs einer radialen Verbindungsgraden zum Brennpunkt der Antenne.

0 Die spezielle Lage der Absätze (z. B. Absatz 21) oder Übergänge ist durch Setzen einer willkürlichen Grenze für die Abmessung Z ausgewählt. Wenn diese Grenze bei zunehmender Abmessung X erreicht ist, wird ein übergang gemacht. Eine beispielsweise willkürliche Grenze für die Abmessung Z, wie sie in Tabelle I benutzt ist, beträgt '2 cm. Die untere Grenze ist vorzugsweise allgemein Null. Aus Tabelle I ist * abzulesen, daß Z nicht 2 cm erreicht. Dies ist deshalb so, weil die Übergänge an gradzahligen Werten von X liegen sollten. Fig. 8a, die im folgenden noch erläutert wird, zeigt ein Beispiel, bei welchem Z jeweils die willkürliche obere Grenze erreicht.

Bei Betrachtung der Tabelle I in Fig. 3 wird deutlich, daß die Oberfläche 11 des ersten Segmentes oder der ersten Zone A bei der Achse 31 an der Grundlinie 34 mit

BAD ORIGINAL

Z gleich Null startet und von der Grundlinie 34 längs einer Parabel ansteigt. In einem Abstand X von 25 cm ist die Abmessung Z auf 1,56 cm angewachsen. Ein Übergang mit M gleich 1,216 cm führt zu einem Absatz 21, wenngleich dieser Übergang bei einem größerem X-Wert mit Z näher an 2 cm hätte gemacht werden können. An dieser Übergangsstelle fällt die Abmessung Z auf 0,34 4 cm ab und steigt dann wieder mit zunehmendem X längs der parabolischen Fläche 12 bis X gleich 35 cm auf 1,826 cm an. Dann wird ein erneuter Übergang mit M gleich 1,235 cm bei X gleich 35 cm vorgenommen, wobei die Abmessung Z auf 0,591 abfällt. Tabelle I liefert die Daten für die verbleibenden Segmente der Antenne nach Fig. 3a bis 3b bis einschließlich Segment 19 der Zone I für eine Antenne mit einem Radius von 71 cm oder einem Durchmesser von 142 cm. Die Daten in Tabelle I beziehen sich auf die Antennen-Ausführungen nach Fig. 1 bis 3 mit, wie früher erwähnt, einer Zentralfrequenz von 12,5 GHz, einer Wellenlänge von 2,4 cm und einer Hauptbrennweite (nämlich der Brennweite an der Achse 31) von 100 cm oder einem Meter. Die Tabelle I liefert zusätzlich Daten über einen Radius von 100 cm oder einem Durchmesser von 2 m hinaus. Es sei hervorgehoben, daß die Brennweiten F_T gemäß Tabelle I die Brennweiten der verschiedenen Segmente der Antenne, gemessen an der Achse 31, sind und daß die aktuelle Brennweite zu jedem Punkt der verschiedenen Antennen-Sektionen 11

2 bis 19 gemäß der Parabel-Gleichung Z=X /4F_T (für den

Zentralabschnitt) und X /4F_T - [f_t - F_T 1 (für nach-

j_in jLin j_iO

folgende Ringe n). Während die Brennweiten nach Tabelle I Zuwächse ' von jeweils einer halben Wellenlänge aufweisen, ändert sich die Brennweite von einem Segment zum nächsten (nämlich die Abmessung "a" in Fig. 3a und in den Fig. 4a, 4b) nicht jeweils um eine halbe Wellenlänge sondern von Segment zu Segment um einen kleinen Wert, und "a" ist angenähert gleich dem Abstand M, wie noch

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anhand der Fig. 4a, 4b erläutert wird.

Im folgenden sind die mathematischen Beziehungen zum Bestimmen der verschiedenen Parameter für Antennen gemäß der Erfindung angegeben. Die Hauptbrennweite der Antenne kann als F bezeichnet werden, die im Beispiel nach der Tabelle I 100 cm beträgt. Die Grenzen von Z ergeben sich (bei90°, 4 5°) aus der Gleichung

F
tan (2Θ - 90°) = ^LO"

X

Der variable Abstand M ist wie folgt definiert:

2 2

M = - J- ₊ AF oder M = (Z_n-1 - Z) , L(n-1) Ln

worin AF_T die Änderung der wirksamen Brennweite von einer Sektion zur nächsten ist, diese jedoch stets längs der Antennen-Mittelachse 31 gemessen ist. Somit ist AF_x = F_x - F , ., > , worin η die jeweilige Antennen-

Xj j-iTi Xj V η— 1 )

Sektion bezeichnet (1 bis 9 für die Sektionen 11 bis 19 der Fig. 3). AF_x ist stets ein grades Vielfaches einer

Xj

halben Wellenlänge und gewöhnlich die halbe Wellenlänge selbst.

Somit bezeichnet M den Abstand oder Übergang in Richtung parallel zur Achse 31 einer Sektion von der nächsten Sektion, und dieser Abstand ist stets größer als eine halbe Wellenlänge, wie aus Tabelle I ersichtlich ist (worin eine halbe Wellenlänge 1,2 cm beträgt und M zwischen 1,216 und 1,4 cm variiert). Der Abstand oder die Auskragung M könnte zweimal so groß sein, z. B. bei einer Antenne für höhere Frequenzen wie 24 bis 25 GHz, um die Anzahl der erforderlichen Antennen-Sektionen zu vermindern. Die Antenne ist jedoch auch frequenzselektiv

für die Hälfte der ausgewählten Auslegungsfrequenz. Die Verlagerung der aufeinanderfolgenden Sektionen um M gewährleistet, daß jede solche Sektion eine Weglänge vorsieht, die um ein grades Vielfaches der Wellenlänge größer als diejenige der vorausgehenden Sektion ist, so daß alle parallel eintretenden Strahlen reflektiert und somit genau auf den Brennpunkt der Antenne fokussiert werden. Die Ausgangskurve der Antenne folgt einer Kosinuskurve, wobei maximale Frequenzselektivität und maximaler Gewinn bei der Zentralfrequenz, dem doppelten der Zentralfrequenz usw. auftreten.

Während oben in Tabelle I spezielle Auslegungsdaten für eine beispielhafte Antenne angegeben sind, ist klar, daß Antennen anderer Brennweiten, Größen und dgl. vorgesehen werden können. In jedem Fall weist die Antenne eine zentrale parabolische Sektion und mehrere konzentrische parabolische Ring-Sektionen auf, wobei die parabolische Oberfläche jeder Sektion einer unterschiedlichen Parabel folgt und die Brennweite von einer Sektion zur nächsten um mehr als die halbe Wellenlänge der entsprechenden Sektion zunimmt. Dies schafft im Unterschied zu einer Breitband-Antenne eine frequenzselektive Antenne mit verhältnismäßig geringer Stärke bzw. niedrigem Profil im Vergleich zu Standard-Parabolschalen-Antennen. Daten für eine andere beispielhafte Antenne sind nachfolgend in Tabelle II angegeben, und diese Antenne hat in gleicher Weise eine Gestalt gemäß den Fig. 1 bis 3 (Abmessungen in cm). Diese Antenne ist für eine Frequenz von 12,0 GHz (Wellenlänge von 2,5 cm) ausgelegt, hat eine Brennweite von 48,8 cm, einen Wert F_T ,, von 0,4 und einen Durchmesser von 122 cm.

Tabelle II: Tabelle II

Sekt.-Nr.

1	48	,8	0	,0	9	-	90	O	0	,000	1	,287	,472
1	48	,8	5	,0	4	,76	87	,07°	0	,128
1	48	,8	10	,0	3	,88	84	,21°	0	,512			,490
1	48	,8	15	,0	2	,25	81	,46°	1	,153	1	,314
1	48	,8	17	,0	2	,87	80	,40°	1	,481			516
2	50	,05	17	,0	2	,87	80	,40°	0	,194
2	50	,05	20	,0	2	,44	78	,86°	0	,748			534
2	50	,05	23	,0	2	,12	77	,38°	1	,392	1	,347
3	51	,3	23	,0	1	,12	77	,38°	0	,078			534
3	51	,3	25	,0	1	,95	76	,44°	0	,546	1	,371
3	51	,3	28	,0	1	,74	75	,03°	1	,321
3	5I₁	r3	29	,0	1,	,68	74	,64°	1	,598
4	52,	,55	29,	,0	1,	,68	74,	,64°	0,	,251	1	,402
4	52,	r55	33,	rO	1 ,	,48	72,	,97°	1,	,431
5	53,	r8 -	33,	,0	1 ,	,48	72,	,97°	0,	,060	1,	,428
5	53,	,8	37,	,0	1,	r32	71,	_Γ42°	1,	_Γ362
5	53,	,8	38,	,0	I₁	,28	71,	,05°	1,	,710	1,	,445
6	55,	,05	38,	,0	1,	,28	71,	,05°	0,	,308		*
6	55,	,05	42',	,0	1,	16	69,	■ 64°	1,	,761	1,
7	56,	3	42,	,0	1,	,16	69,	■ 64°	0,	,333
7	56,	3	45,	,0	1,	■ 08	68,	• 66°	1,	492	1,
8	57,	55	45,	0	0,	08	68,	66°	0,	047
8	57,	55	49,	0	0,	996	67,	44°	1,	680	1,
9	58,	8	49,	0	0,	996	67,	44°	0,	208
9	58,	8	52,	0	0,	938	66,	59°	1,	497	1,
10	60,	05	52,	0	0,	938	66,	59°	0,	007
10	60,	05	56,	0	0,	871	65,	53°	1,	806	1,
11	61,	3	56,	0	ο,	871	65,	53°	0,	290
11	61,	3	59,	0	0,	827	64,	8°	1,	697
12	62,	55	59,	0	0,	827	64,	8°	0,	163
12	62,	55	61,	0	80	64,	3°	1,	122

Die Berechnung der Brennweitenänderung in den unterschiedlichen Sektionen und die Wahl der Winkel der Absätze (z. B. Absatz 21 bis 28) sind im folgenden anhand der Fig. 4a, 4b beschrieben. In diesen Fig. bezeichnet die Bezugszahl 40 eine schematische Kontur der Antenne ähnlich denjenigen gemäß den Fig. 1 bis 3 mit verschiedenen Sektionen 41 bis 43, die sich von der zentralen Achse 44 ausgehend nach außen erstrecken und Absätze 46 bis 48 aufweisen. Ferner sind der Brennpunkt 50 der Antenne, erste und zweite parallel zur Achse 44 eintretende Strahlen 52, 53 und die zugehörigen reflektierten Strahlen 54, 55 dargestellt, welche von der Oberfläche 43 zum Brennpunkt 50 reflektiert werden. Ein Zweck der Fig. 4 besteht darin, die Beziehung zwischen dem Parameter M (der Versatzabstand parallel zur Achse 44 wie oben beschrieben) und dem Abstand "a" (welcher den Brennweitenunterschied von einer Sektion zur nächsten an einer gegebenen horizontalen Stelle X repräsentiert) zu illustrieren und zu erklären. Dieses Beispiel geht von einer axialen Brennweite (der axiale Abstand der Mitte der Oberfläche zum Brennpunkt 50) von etwa 38 cm (15 Zoll) und einer Wellenlänge von 2,54 cm. (ein Zoll) für Erläuterungszwecke aus. Die folgende Tabelle A liefert beispielhafte Parameter (Abmessungen in Zentimetern) für das Schema nach Fig. 4a, das im wesentlichen im 2/3-Maßstab gezeichnet ist.

Tabelle A:

^FL	10
38,	10
38,	10
38,	37
39,	37
39,	64
40,	64
40,	64
40,	91
41,

- 20 -

Tabelle A

X ZM

5,08 10,16 15,24 15,24 20,32 20,32 24,64

10 40,64 25,40

25,40

Das Schema nach Fig. 4a und Tabelle A liefern ausreichende Daten zur Ermittlung des Abstandes "a", der in den Fig. 4a und 4b mit der Bezugszahl 58 bezeichnet und in einem nicht rechtwinkligen Dreieck abc gemäß Fig. 4b durch Anwenden des Sinus-Gesetzes wie folgt ermittelbar ist:

0,	1666	—	3193	73,55° (B₁)
0,	6774	-		73,167° (θ.
ί,	5240	1 ,	3520
0,	2047	-
1,	3520	1,
0,	0000	-	3901
1,	1940	-
1,	4287	1,
0,	0386	_

₂₀ SIN A SIN B

C	C '	55
SIN	b
	73,
SIN	5473
ο,

und damit ^{WOrin bl= M =} °'⁵⁴⁷³'

a _ 0,5473 _ a _ 0,5473

SIN 73,167° SIN 73,55° " 0,9572 0,9609 ' ^woraus

0,9609a = 0,5239, und a = = 0,5452.

Da die Winkel θ^ und 9„ stets nahezu gleich sind, wobei jedoch Θ- geringfügig größer ist, weil der Winkel θ mit zunehmendem horizontalen Abstand X abnimmt, sind die Längen "a" und "b" ("b" ist der Abstand M) ebenfalls nahezu gleich, wobei "a" nur sehr geringfügig kleiner als "b" (oder M) ist. Deshalb wird für alle Absichten und Zwecke a = M gesetzt, weil M mit der Koordinate X zunimmt.

Die folgende Formel liefert eine Näherung für M als Funktion von λ, obgleich die beiden früher genannten Gleichungen einen genaueren Wert für M ergeben: M = [SEC (90° - θ) λ] - -^.
5

Es sei nun die Wahl des Winkels der Absätze betrachtet, wobei Fig. 4a verschiedene alternative Möglichkeiten bezüglich des Absatzes 47 illustriert und die Bezugszah3sn62, 63 und 64 drei unterschiedliche Winkel bezeichnen.

Die Gerade 62 repräsentiert eine radiale Verbindungslinie zum Brennpunkt 50. Diese Verbindungslinie basiert auf der Annahme, daß ein parallel zur Achse 44 einfallender Strahl 64 (strichpunktiert) von der Oberfläche 43 längs der Linie 63 des Absatzes 47 reflektiert wird und den Brennpunkt 50 trifft. Andererseits repräsentieren die Linie 64 einen Absatz mit Ausrichtung parallel zur Achse 44 der Antenne und die Linie 63 einen Kompromiß zwischen den Linien 62 und 64. Der durch die Linie 64 repräsentierte Absatzwinkel gewährleistet, daß keine Seiten-Zipfel- oder -Keulenstrahlung in die Antennenspeisung am Brennpunkt eintreten kann. Es kann jedoch auch jeder Winkel zwischen den Linien 62 und 64 verwendet werden, wie insbesondere Fertigungsüberlegungen es diktieren. Andererseits scheint der durch die Linie 62 repräsentierte Winkel ausreichend und sogar bevorzugt insofern, als dieser Winkel in gleicher Weise Seiten-Zipfel-Strahlung daran hindert, -_ das Horn oder die Speisung im Brennpunkt 50 zu erreichen. Der gewählte Winkel wird·generell für jeden Absatz der Antenne verwendet. Der speziell ausgewählte Winkel kann auch aus anderen Gründen als bezüglich der Seiten-Zipfel-Strahlung, z. B. aus Herstellungsgründen gewählt werden, die anhand der Fig. 8a, 8b erläutert sind.

In diesen Fig. 8a, 8b sind schematisch andere Antennen-Formen dargestellt, in denen jedes parabolische Segment

die maximale Abmessung Z (ζ. B. 2 cm wie früher beschrieben) erreicht, so daß in diesem Sinne eine idealisierte Antennen-Form vorliegt. Die Fig. 8b zeigt schematisch eine weitere Antennen-Form, bei welcher die Abmessung Z graduell zunimmt. Ferner illustrieren diese Fig. eine Antennen-Form, bei welcher die Oberflächensektionen durch Prägen aus Metall und -anschließendes Unterstützen auf der Rückseite zum Schaffen der erforderlichen Steifigkeit geformt sind. Die Verwendung des Winkels 63 gemäß Fig. 4a scheint in dem Fall am besten, wenn die Antenne aus Metall geprägt wird, wobei das Schattengebiet gegenüber einer Antenne verringert wird, die einen Winkel 64 " . aufweist. .

Fig. 8a zeigt eine Antenne 70 mit Segmenten 71 bis 74 usw., Absätzea76 bis 79 und einer zentralen Achse 81. Eine Grundlinie ist mit 82 und eine maximale Auskragung für die Abmessung Z durch eine Linie 83 bezeichnet. Bei dieser Antennenform erreicht jede Sektion (gemäß der Parabel-Gleichung) die Linie 83 und fällt dann um das Maß M in der früher beschriebenen Weise ab. In diesem Fall (in welchem jede Sektion auf den Grenzwert 83 der Abmessung Ii ansteigen darf) würde am Übergang M die nächstfolgende Sektion unterhalb der Grundlinie 82 beginnen. Dies führt zu einer Abflachung der Gründe oder Täler der Rippen, wie bei 85 bis 88 gezeigt, insbesondere dann, wenn die Segmente 71 bis 74 durch Prägen aus Metall geformt worden sind. Diese Abflachungen beeinträchtigen jedoch nicht den Antennenwirkungsgrad, weil die Abflachungen 85 bis 88 in Schattengebieten liegen. Ferner kann der Winkel der Absätze oder Rippen 7 6 bis 7 9 etwas variiert werden, wie oben anhand der Fig. 4 erläutert, so daß die Abflachungen minimiert werden. Andererseits können die Abflachungen 85 bis 88 in vorteilhafter Weise bei Herstellung der Segmente 71 bis 74 durch Prägen aus

dünnem Metall als geeignete Ringflächen in Gemeinschaft mit der mittleren Fläche 89 der Antenne zum Punktschweißen einer ebenen Metallfolie oder-platte benutzt werden, welche durch die Grundlinie 82 in Fig. 8a repräsentiert ist. Bei dieser Konstruktion, bei welcher die Segmente 71 bis 74 durch Prägen aus dünnem Metall geformt sind, wird die fertige Antenne durch Punktschweißen bei 85 bis 89 an einer anderen Metallfolie oder -platte 82 geformt. Ferner ist hervorzuheben, daß die Anordnung nach Fig. 8a mit den abgeflachten Bereichen 85 bis 88 eine sehr wirkungsvolle Ausnützung der Übergangsgebiete (an den Absätzen bis 79)ermöglicht, weil minimale Ausübung von Druck und Formtiefe beim Prägen der Flächenabschnitte 71 bis 74 der Antenne 70 erforderlich sind. Mit der idealisierten Form der Antenne nach Fig. 8a, bei welcher die Abmessung Z jedesmal den gesetzten Grenzwert erreicht, wird jeder nachfolgende Abschnitt (beispielsweise 72, 73, 74 usw.) weniger breit in Richtung der X-Achse als der vorhergehende Abschnitt.

Bei der Antennen-Form gemäß Fig. 8b wird die Grundlinie als feste Grundlinie beibehalten, und die Abmessung Z wächst fortschreitend von Abschnitt zu Abschnitt 91 bis 94 nach außen hin an. Wie aus Fig. 8b erkennbar ist, erheben sich die Absätzeoder Rippen 97,- 98 und 99 zunehmend höher als der durch die Linie 103 repräsentierte Wert von Z. Diese Form der Antenne hat immer noch Stellen · an der Basis der einzelnen Flächenabschnitte, an denen ein Punktschweißen stattfinden kann, wobei diese Stellen jedoch nicht so groß wie bei der Antenne nach Fig. 8a sind.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen verschiedene Anordnungen von Hornstrahlern für Antennen gemäß der Erfindung. In Fig. 5 ist die Antenne nach der Erfindung mit der Be-

zugszahl 110 bezeichnet. Sie weist einen oberen Reflektor 111, einen Hornstrahler 112 und einen Abwärtswandler auf. Der Reflektor 111 kann durch verschiedene (drei bis vier) Stützstreben 115, 116 getragen sein, während der Hornstrahler 112 und der Abwärtswandler 113 von einem starren Rohr 117 unterstützt sein kann, welche in geeigneter Weise an der Mitte der Antenne 110 befestigt sein kann (oder durch diese hindurch zu einem zweckmäßigen Stützarm (nicht gezeigt)ragen kann). Die Bezugszahl 118 bezeichnet ein Speisekabel, das mit dem Abwärtswandler 113 verbunden ist und zur Verbindung mit einem Fernsehgeräteeingang oder einem anderen frequenzverarbeitenden Geräteeingang dient. Der Reflektor 111 ist vorzugsweise geringfügig konvex, so daß er reflektierte Strahlen bezüglich dem Hornstrahler und der Antenne ausbreitet. Die gezeigte Antenne hat eine Brennweite von d, wobei d der Durchmesser der Antenne ist.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung ähnlich Fig. 5 einer Antenne 120 mit einem Reflektor 121, einem Hornstrahler 122, einem Abwärtswandler 123, verschiedenen Stützstreben 125, 126 und einem Speisekabel 128. Die Brennweite beträgt 0,5d. Bei dieser Anordnung sind der Abwärtswandler 123 und der Hornstrahler 122 an oder nahe der mittleren Fläche der Antenne 120 angeordnet. Es ist hervorzuheben, daß bei den Anordnungen nach Fig. 5 und 6 ein typischer quadratischer Hornstrahler besser zu einer quadratischen Gestalt der Antenne gemäß den Fig. 1 und 2 wie zu einer üblichen kreisrunden Antenne _q paßt. Zusätzlich kann ein mit 129 bezeichneter kurzer Zylinder rund um den äußeren Umfang der Antenne nach Fig. 5 oder Fig. 6 vorgesehen sein, um Probleme bezüglich Seiten-Zipfel- oder Keulen-Strahlung weiter zu vermindern.

Fig. 7 zeigt eine andere Speiseanordnung einer Antenne

gemäß der Erfiridung, wobei in diesem Fall die Antenne nur einen halben Abschnitt (von der Mittellinie bei bis zum Außenrand 140) aufweist» Während die Antenne kreisförmig oder andersförmig ausgebildet sein könnte, wird sie vorzugsweise quadratisch oder rechteckig ausgebildet, damit sie besser zu den Eigenschaften eines quadratischen Hornstrahlers 132 paßt. Bei dieser Konstruktion wird der obere Reflektor 131 durch einen Bügel 134 unterstützt, der an einem starren Stützträger 136 befestigt ist und zusätzlich durch eine Strebe unterstützt sein kann, falls erforderlich. Eine Strebe kann zur Unterstützung des Abwärtswandlers 133 und des Hornstrahlers 132 vorgesehen sein. Die gezeigte Antenne hat eine Brennweite von 0,75d.

Die Antenne nach der Erfindung kann wie oben beschrieben auf verschiedene Art hergestellt werden. Zusätzlich kann sie durch Fräsen oder Drehen eines Rohlings in die erforderliche Gestalt, durch Schleifen oder auf andere Weise hergestellt werden. Wenn die Antenne durch Prägen der Sektionen oder Abschnitte aus Metall hergestellt wird, ist keine besoridere Oberflächenbearbeitung erforderlich, außer dem Überziehen mit einem Wetterschutz, wie einer Farbe. Wenn die Antenne durch Formen eines Kunststoffes oder Kunstharzes hergestellt wird, kann sie auf verschiedenartige Weise überzogen werden, z. B. durch Besprühen, Tauchen u. dgl.. Das niedrige Profil der Antenne vermindert die Windbelastung, und ihr Aufbau ermöglicht es, einen Windflügel o. dgl. an der Seite der Antenne vorzusehen, um die Winlast weiter zu vermindern, was alles bei einer üblichen parabolischen Antenne nicht möglich ist. Aufgrund der geringen Stärke der Antenne ist sie relativ '.flach und deshalb für eine Unterteilung in zwei oder mehr Stücke geeignet, was das Verpacken und Transportieren z. B. per Schiff er-

leichtert, wobei die Antenne am Installationsort dann wieder zusammengebaut wird. Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß die Antenne bei niedrigeren Auslegungsfrequenzen größer wird und daß die Hauptanwendung einer Antenne gemäß der Erfindung bei Frequenzen um 1 GHz und darüber liegt. Während die Antenne nach der Erfindung in erster Linie zum,Empfang von Hochfrequenzsignalen geeignet beschrieben ist, kann sie auch als Sende-Antenne verwendet werden, wie schon erwähnt. Zusätzlich kann die Form der Antenne als frequenzselektives, reflektierendes Teleskop, z. B. für die Spektroastronomie, für Laseranwendungen und dgl. verwendet werden.

Leerseite

Claims

D-8000 München 80 Sckellstrasse

Telefon (089) 4 4B 24

Telex 5215935

Telegramme patemus münchen

Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang

zugelassen beim Europäischen Patentamt - admitted to the European Patent Office - Mandataire agree aupres Γ Office Europeen des Brevets

FOCUS COMMUNICATION, INC.
Nashville, Tennessee, USA
P 139 11

Antenne

Patentansprüche

Antenne, die insbesondere frequenzselektiv für eine vorgegebene Auslegungsfrequenz oder ein vorgegebenes schmales Frequenzband ist, gekennzeichnet durch mehrere benachbarte Sektionen (A bis I), von denen jede eine parabolische Oberfläche (11 bis 19) mit unterschiedlicher Brennweite (F_T) aufweist und bezüglich der nächstfolgenden Sektion um einen axialen Abstand (M) versetzt ist, der größer als die halbe Wellenlänge der Auslegungsfrequenz der Antenne ist und fortschreitend zu jeder nach außen folgenden Sektion hin zunimmt.
2. Antenne nach Anspruch ^ 1, gekennzeichnet durch eine erste zentrale kreisförmige Sektion (.A) und darauf folgende Sektionen in Form von konzentrischen Ringen (B bis I).
3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich-

■ Λ · * * t

_ 9 —

net, daß die äußeren Sektionen der Antenne so abgeschnitten sind, daß eine rechteckige Antenne gebildet ist.
4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß (M) durch folgende Gleichung definiert ist:

X² X²

^M - + ^{Δ F} ■

^M - 4F7-T - 4f- + ^{Δ F}L'

^Ln~^{1 Ln}

worin

X der radiale Abstand der entsprechenden Sektion von der Achse,

F_T die Brennweite der entsprechenden Sektion, η die Zahl der Sektion und

AF_T die Änderung der axialen Brennweite einer Sektion

J_I

zur nächsten Sektion und ein geradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Auslegungsfrequenz ist.
20
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen bezüglich der parabolischen Oberflächen (11 bis 19) der Antenne angeordneten Hornstrahler (112), wobei die Antenne Strahlung von oder zu dem Hornstrahler reflektiert.
6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mittelachse und eine längs dieser Achse ausgerichtete Brennweite (F_T) aufweist, die sich von der Mitte der Antennenoberfläche zu einem Brennpunkt (50) erstreckt, und daß jede nach außen folgende Sektion eine längs dieser Achse gemessene Brennweite aufweist, die einem geradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der Auslegungsfreguenz der Antenne entspricht.
7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektionen aus Metall durch Prägen geformt sind.