DE3302727A1

DE3302727A1 - Wellenleiter-strahlzufuehrung

Info

Publication number: DE3302727A1
Application number: DE19833302727
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Mizuguchi; Fumio Watanabe; Matsuichi Tokyo Yamada
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1982-02-15
Filing date: 1983-01-27
Publication date: 1983-09-01
Also published as: JPH0359602B2; GB8302758D0; GB2115229B; US4516128A; JPS58139503A; GB2115229A

Description

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Kokusai Denshin Denwa Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan

Wellenleiter-Strahlzuführung

Die Erfindung betrifft eine Wellenleiter-Strahlzuführung für die Verwendung bei einer Richtantenne, welche ein Speisehorn und mehrere Reflektoren mit Flächen zweiter Ordnung aufweist, wie Drehparaboloidreflektoren oder solchen Reflektoren, die der Paraboloidform sehr nahe kommen.

Eine bekannte Wellenleiter-Strahlzuführung besteht gemäß Darstellung der Fig. 1 aus einem Speisehorn 1 und vier Reflektoren 2,3,4 und 5, von denen der Reflektor 5 eine ebene Oberfläche und die Reflektoren 2,3,4 Oberflächen zweiter Ordnung aufweisen und diese Flächen so angeordnet sind, daß die guerpolarisierten Komponenten, die darauf entstehen, aufgehoben werden. Bei einem Ausführungsbexspiel ist die Anordnung eine Kombination eines ebenen Reflektors 2 mit einem Paar von Paraboloidreflektoren, die jeweils gleiche Brennweiten und Versetzungswinkel haben.

Anhand der Fig. 1 soll eine Erläuterung der Funktionsweise dieser Wellenleiter-Strahlzuführung in Verbindung mit einer Cassegrain-Ubertragungsantenne vorgenommen werden.

Eine elektromagnetische Welle, die vom Sende/Empfangsgerät 12 über ein Speisehorn 1 abgegeben wird, wird an vier Reflektoren reflektiert, zu denen ein ebener Reflektor 2, zwei Paraboloidreflektoren 3 und 4 und ein ebener Reflektor 5 gehören, und auf einen Punkt 8 fokussiert, von wo sie zur Cassegrain-Antenne gelangt, die aus einem Subreflektor 6 und einem Hauptreflektor 7 besteht, von dem aus sie ausgestrahlt wird. Die von der Wellenleiter-Strahlzuführung ausgesandte Welle wird der Antenne so zugeführt, als ob sie von einem imaginären Speisehorn 1¹ mit seinem Bhasenzentrum im Punkt 8 ausginge (dieses Speisehorn wird nachfolgend als äquivalentes Speisehorn bezeichnet). Bei einer solchen Wellenleiter-Strahlzuführung sind die Cassegrain-Antenne und der ebene Reflektor 5 um die Elevationsachse 11 schwenkbar, so daß der Antennenstrahl eine Abtastbewegung um die Elevationsachse 11 vornehmen kann, wobei es nicht erforderlich ist, daß das Speisehorn 1 . bewegt wird.

Zum anderen ist es möglich, daß der Antennenstrahl eine Abtastbewegung um die Azimutachse 10 ausführt, indem die gesamte Antenne aus ebenem Reflektor 2, Paraboloidreflektoren 3 und 4 und ebenem Reflektor 5 um die Azimutachse 10 gedreht wird. Bei einer solchen Wellenleiter-Strahlzuführung kann das Speisehorn 1 stillstehen, während das äquivalente Speisehorn 1' sich bewegt. Diese Speisung erlaubt eine Abtastschwenkbewegung des Antennenstrahls bei mit dem Sender/Empfänger 12, der am Boden feststeht, fest verbundenem Speisehorn 1.

Die bisherige Erläuterung wurde anhand einer Wellenleiter-Strahlzuführung durchgeführt, die in einer Cassegrain-Antenne verwendet wird. Die folgende Erläuterung geschieht anhand einer Wellenleiter-Strahlzuführung, die in einer Kugelreflektorantenne verwendet wird. Wie Fig. 2 zeigt, weist die Kugelreflektorantenne einen Reflektor 15 mit kugelförmiger Oberfläche (Kugelreflektor 15) und ein Spei-

—ο —

sehorn 1 auf und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlverschwenkung durch Drehung des Speisehorns um den Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors 15 vorgenommen wird, anstatt daß der Kugelreflektor 15 bewegt wird.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine herkömmliche Wellenleiter-Strahlzuführung der Fig. 1 mit diesem Kugelreflektor 15 in Verbindung gebracht ist. Der Kugelreflektor 15 wird versetzt verwendet, um eine Schattenbildung durch die Wellenleiter-Strahlzuführung in der Antennenöffnungsfläche zu vermeiden. Um solche Einflußgrößen wie die sphärische Aberration des Reflektors 15 zu korrigieren, können einer oder mehrere Subreflektoren zwischen dem Kugelreflektor 15 und dem äquivalenten Speisehorn 1' vorgesehen sein. Dies wird im einzelnen in der Veröffentlichung des Erfinders Mizuguchi Watanabe mit der Bezeichnung "On the Design Method for Reflector Surfaces of an Offset Spherical Reflector Antenna" in "Paper of Technical Group TGAP 81-29 (1981, 6,25) - Institute of Electro Communication in Japan" beschrieben wurde.

Die Wellenleiter-Strahlzuführung mit Speisehorn 1, ebenem Reflektor 2, Paraboloidreflektoren 3 und 4 und ebenem Reflektor 5 ist gleich der Darstellung nach Fig. 1.

Durch Verdrehen des ebenen Reflektors 5 um die Achse 11, die durch den Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors 15 verläuft, kann der von der Antenne ausgehende Strahl um die Achse 11 geschwenkt werden. Durch Drehen der aus dem ebenen Reflektor 2, den Paraboloidreflektoren 3 und 4 und dem ebenen Reflektor 5 bestehenden Gruppe um eine Achse 10, die durch den Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors 15 und das Phasenzentrum 9 des Speisehorns 1 verläuft, kann der von der Antenne ausgesandte Strahl auch um die Achse 10 verschwenkt werden. Es ist somit bei dem beschriebenen Aufbau nicht erforderlich, den Kugelreflektor 15 und das Speisehorn 1 zu bewegen, wenn der ausgesandte

Antennenstrahl Abtastschwenkbewegungen ausführen soll.

Bei der bekannten Einrichtung nach Fig. 3 muß der Schnittpunkt der Schwenkachsen 10 und 11 der Wellenleiter-Strahlzuführung im Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors 15 liegen, was folgende drei Probleme zur Folge hat:

(1) Bei einer Kugelreflektorantenne ist das äquivalente Speisehorn 1' bei der halben Distanz des Radius R des Kugelreflektors 15 angeordnet. Der ebene Reflektor 5, der sich im Mittelpunkt des Kugelreflektors 15 befindet, muß deshalb so groß wie der Reflektor 15 sein. Wegen dieser einschränkenden Bedingung ist dieser Antennentyp praktisch unbrauchbar.

(2) Da der Reflektor 15 eine sphärische Aberration besitzt, kann die effektive öffnungsweite D der Kugelreflektorantenne nicht größer als der Radius R des Kugelreflektors 15 sein.Speziell für den Fall des versetzten Typs sollte in der Praxis der Radius R des Reflektors 15 etwa das Zweifache der effektiven öffnung D der Kugelreflektorantenne betragen. Dadurch wird die Wellenübertragungsstrecke zwischen Wellenleiterspeisung und Antenne sehr lang, wodurch der übertragungswirkungsgrad gemindert und eine sehr raumaufwendige Konstruktion benötigt werden.

(3) Die Kugelreflektorantenne ist sehr günstig, wenn sie als Vielfachstrahlantenne mit mehreren Speisehörnern für mehrere Strahlen verwendet wird. Die Strahlspeisung nach Fig, 3 ist jedoch für mehrere StrahlZuführungen auf einen einzigen Kugelhauptreflektor nicht brauchbar, da der ebene Reflektor 5 im Mittelpunkt 16 des

Kugelreflektors 15 angeordnet werden muß. 35

Diese Schwierigkeiten (1) bis (3) ergeben sich durch die Tatsache, daß das äquivalente Speisehorn 1¹ nicht über die Drehung um die Achsen 10 und 11 hinaus bewegt werden kann.

Bei solchen Antennen mit steuerbarem Strahl wie einer Kugelreflektorantenne, deren Strahl bei feststehendem Hauptreflektor bewegt werden kann, einer Torusantenne und einer Bifokalantenne, erfordert jeder Antennentyp seine spezielle, entsprechende Speisehornbewegung.

Die oben ausgeführte, bekannte Wellenleiterspeisung jedoch läßt es nicht zu, daß das äquivalente Speisehorn in eine beliebige Position gebracht oder in eine beliebige Richtung ausgerichtet wird, wodurch es praktisch unmöglich wird, das Speisehorn fest anzuordnen.

Mit der Erfindung sollen die mit den bekannten Wellenleiter-Strahlzuführungen in Verbindung stehenden Mängel beseitigt und soll eine Wellenleiter-Strahlzuführung geschaffen werden, bei der bei örtlich festem

Speisehorn das äquivalente Speisehorn in eine beliebige Position gebracht und in eine beliebige Richtung ausgerichtet werden kann. Zur näheren Erläuterung zeigt die Zeichnung im einzelnen:

Fig. 1 eine Wellenleiter-Strahlzuführung in Verbindung mit einer Cassegrain-Antenne;

Fig. 2 eine Zeichnung zur Erläuterung der Bewegung des Speisehorns einer Kugelreflektorantenne;

Fig. 3 eine Erläuterungszeichnung einer herkömmlichen Wellenleiter-Strahlzuführung für eine Kugelreflektoranntenne ;
35

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgeraäßen Wellenleiter-Strahlzuführung;

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine Zeichnung zur Erläuterung des Bewegungsbereiches des äquivalenten Speisehorns der Wellenleiter-Strahlzuführung;
10

Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wellenleiter-Strahlzuführung;

Fig. 8 ein Koordinatensystem, das die Bewegungsrichtungen des äquivalenten Speisehorns zum Ausdruck bringt;

Fig. 9 eine Schnittdarstellung einer versetzt angeordneten Kugelreflektorantenne mit zwei Subreflektoren, mit der die Wellenleiter-Strahlzuführung nach Fig. 7 in Verbindung gebracht ist;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der Strahlzuführung der Antenne nach Fig. 9; und

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht der versetzt angeordneten Reflektorantenne mit zwei zugeordneten Wellenleiter-Strahlzuführungen gemäß Fig. 7.

Es folgt nun eine Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Eine erste Ausführungsform der Wellenleiter-Strahlzuführung (W.S.-Zuführung) gemäß der Erfindung zeigt die Fig. 4, in der das mit 1 bezeichnete Speisehorn sein Phasenzentrum im Brennpunkt 36 hat, während auf einer Achse 18 das Phasenzentrum 9 des Speisehorns 1 und der Reflexionspunkt 30 der Strahlmittenlinie auf dem Reflektor

20 ausgerichtet sind und auf einer Achse 19 die Reflexionspunkte 32 und 33 der Strahlmittenlinie auf den Reflektoren 22 und 23 ausgerichtet sind. Ferner sind Reflektoren 20 bis 25 und Reflexionspunkte 3 0 bis 35 auf diesen Reflektoren 20 bis 25 für die Strahlmittenlinien sowie Brennpunkte 36,36' und 37,37' und eine Achse 40 in der Zeichnung dargestellt, die die Reflexionspunkte der Strahlmittenlinie der Reflektoren 23 und 24 miteinander verbindet. Die übrigen Bezugszeichen stimmen mit denen der Fig. 1 oder 3 überein.

Die Reflektoren 22 und 25 sind ebene Reflektoren. Die Brennpunkte der Reflektoren 20 und 21, die ein Paar von Reflektoren mit Oberflächen zweiter Ordnung sind, durch die die Querpolarisationswellen aufgehoben werden (z.B.

elliptische Oberflächen gleicher Gestalt oder Paraböloidoberflächen mit identischen Brennweiten und Versetzungswinkeln) , liegen in den Punkten 9 bzw. 36'. Die Reflektoren 23 und 24 mit ihren Brennpunkten 36 bzw. 37' sind Paraboloidreflektoren mit gleichen Brennweiten und Versetzungswinkeln oder Reflektoren mit Flächen zweiter Ordnung (z.B. elliptische Reflektoren, die Paraboloidreflektoren sehr nahekommen), die die elektrische Welle praktisch parallel aussenden, wenn man einen Wellenbewegungseffekt betrachtet.

Bei dieser Konstruktion sammelt sich die vom Speisehorn 1 abgestrahlte elektrische Welle nach Reflexion an den Reflektoren 20 und 21 und dem ebenen Reflektor 22 im Brennpunkt 36. Diese im Punkt 36 fokussierte elektrische Welle wird dann an den Reflektoren 23 und 24 und dem ebenen Reflektor 25 reflektiert und erneut im Punkt 37 fokussiert. Sie läuft dann weiter zur Antenne, als stamme sie vom äquivalenten Speisehorn 1'.

Die Punkte 9, 30, 31 und 32 befinden sich in einer Ebene, die weiteren Punkte 32, 33, 34 und 35 außerdem in einer

anderen Ebene. Die Reflektoren 20 und 21, der ebene Reflektor 22, die Reflektoren 23 und 24 und der ebene Reflektor 25 sind um eine Gerade schwenkbar, die durch die Strahlmittenachse des Speisehorns 1 oder die Drehachse 18 definiert ist. Die Gesamtkonstruktion mit den Reflektoren 23 und 24 und dem ebenen Reflektor 25 kann um die Achse 19, die durch die Punkte 32 und 33 verläuft, gedreht werden. Der Reflektor 24 und der ebene Reflektor 25 bewegen sich mit der Achse 40, die durch die Punkte 33 und 34 verläuft, parallel. Diese Achse 40 verläuft parallel zu einer Linie, die durch Brennpunkte 36 und 37' der Reflektoren 23 und 24 hindurchgeht. Der ebene Reflektor 25 ist so konstruiert, daß er in beliebige Richtung um den Fixpunkt 35 gedreht wird.

Allgemein werden derartige Bewegungen, wie die Drehung um die Achse 18, die Drehung um die Achse 19 und die Ausweitung oder Zusammenziehung in Richtung der Achse 40 unter Verwendung von Parametern ψ, θ und γ im Polarkoordinatensystem, dessen Zenit auf der Z-Achse liegt, dargestellt. Da diese drei Variablen voneinander unabhängig sind, kann der Punkt 35 an eine beliebige Stelle bewegt werden.

Das äquivalente Speisehorn 1' kann also in Abhängigkeit von Position und Richtung des ebenen Reflektors 25 an beliebiger Position in beliebige Richtung gedreht werden.

Als Nächstes soll eine Erläuterung über die Wirkung dieser W. S.-Zuführung mit frei bewegbarem äquivalentem Speisehorn 1' gegeben werden, die als Speiseeinrichtung der sphärischen Reflektorantenne verwendet wird.

Bei einer Kugelreflektorantenne gemäß Fig. 2 müssen das Speisehorn oder das äquivalente Speisehorn um den Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors 15 gedreht werden. Bei der W.S.-Zuführung nach Fig. 3 ist es nötig, den ebenen Reflektor 5 im Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors 15 anzubringen. Wie bereits gesagt, hat diese Zuführung den Nachteil, daß ihre Übertragungsdistanz lang ist und für mehrere Strahlen nicht mehrere W.S.-Zuführungen angebracht werden können.

Mit der W.S.-Zuführung gemäß der Erfindung können die Mängel im Stand der Technik überwunden werden, weil der ebene Reflektor 25 ohne Rücksicht auf den Mittelpunkt des Kugelreflektors 15 an irgendeiner Stelle angeordnet werden kann.

Die W.S.-Zuführung nach Fig. 4 sorgt genau wie die nach Fig. 1 dafür, daß die opto-geometrischen Querpolarisationskomponenten beseitigt werden. Es liegt hier eine Ausführungsform vor, bei der der Reflektor 24 und der ebene Reflektor 25 parallel zur Achse 40 bewegt werden. Die Bewegung ist nicht darauf beschränkt, sondern die gesamte Konstruktion aus Reflektor 21, ebenem Reflektor 22, den Reflektoren 23 und 24 und dem ebenem Reflektor 25 kann parallel zu der Achse bewegt werden, die durch die Punkte 30 und 31 verläuft.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der W.S.-Zuführung gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. 26 und 27 sind ebene Reflektoren, 30 und 38 Reflexionspunkte der Strahlmittenlinie auf den Reflektorflächen der ebenen Reflektoren 26 und 27 und 41 eine Achse, die die Reflexionspunkte der Strahlmittenlinien auf den Reflektoren 24 und 27 verbindet, während der Brennpunkt des Reflektors 24 mit 37" gekennzeichnet ist. Im übrigen bezeichnen die Kennziffern gleiche oder äquivalente Teile wie in der Fig. 4.

Die gesamte, aus dem ebenen Reflektor 26, den Reflektoren 23 und 24 sowie den ebenen Reflektoren 27 und 25 bestehende Konstruktion ist um die Strahlmittenachse 18 des Speisehorns 1 drehbar. Die Reflektoren 24 und 27 und 25 bewegen sich, wie in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben, entlang der Achse 40, wobei die Punkte 30, 33, 34 und 37' innerhalb derselben Ebene verbleiben. Der ebene Reflektor 37 dreht sich um die Drehachse 41, und der ebene Reflektor 25 ist, wie bereits bei Fig. 4, so konstruiert, daß er sich in beliebiger Richtung drehen kann, wobei der Punkt 35 ortsf-est bleibt. Bei einer so aufgebauten W.S.-Zuführung, wird die vom Phasenzentrum 9 des Speisehorns 1 abgestrahlte elektrische Welle, deren Richtung am ebenen Reflektor 26 verändert wird, so ausgesendet, als wäre sie im Punkt 37' fokussiert, was mit Hilfe eines Paares von Paraboloidreflektoren 23 und 24 mit identischen Versetzungswinkeln und Brennweiten geschieht. Diese Welle wird dann an zwei ebenen Reflektoren 27 und 25 reflektiert und in Punkt 37 fokussiert.

Es wird jetzt die Bewegung des äquivalenten Speisehorns 1 der W.S.-Speisung mit beschriebenem Aufbau erläutert. Das Diagramm der Fig. 6 stellt den Bereich dar, innerhalb dessen sich der Drehmittelpunkt 35 des ebenen Reflektors 25 bewegen kann. Die Strecke zwischen den beiden Punkten 38 und 35 wird zu L3 angenommen, und Punkt 35 dreht sich um die Achse 41, d.h. bewegt sich auf den Bogensegmenten

60 und 60a.

Proportional zu einer Abstandsänderung zwischen dem Paar der Paraboloidreflektoren 23 und 24 von L1 bis L2, bewegt sich durch parallele Verschiebung das Bogensegment 60a nach 60a¹. Der Punkt 35 kann sich somit innerhalb eines Bereiches 61 umherbewegen, der durch die zwei Bogen 6 0 und 60a¹ eingegrenzt ist. Da die W.S.-Zuführung nach Fig. sich um die Drehachse 18 dreht, läuft auch der Bereich

61 um die Drehachse 18 um. Punkt 35 kann sich deshalb in-

nerhalb eines torusförraigen Raums bewegen, der durch Darstellung der Fig. 6 angedeutet ist.

Da der ebene Reflektor 25 so konstruiert ist, daß er mit dem Punkt 35 als Drehpunkt in jede beliebige Richtung gedreht werden kann, kann das äquivalente Speisehorn 1' an einer beliebigen Stelle im Raum der Fig. 6 eine beliebige Richtung einnehmen.

Die W.S.-Speisung nach diesem Ausführungsbeispiel, bei dem das äquivalente Speisehorn 1' sich frei in dem Raum bewegen kann, hat dieselbe Wirkung wie die in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 erläuterte. Der einzige Unterschied besteht in der Beschränkung des Bewegungsbereichs des äquivalenten Speisehorns auf den Raum nach Fig. 6, während die Zahl von Reflektoren kleiner als die der W.S.-Speisung nach Fig. 4 ist.

Die. Beschreibung eines dritten Ausführungsbeispiels der 2Q W.S.-Speisung erfolgt nun anhand der Fig. 7.

Hierin ist ein ebener Reflektor 29 gezeigt mit einem Reflexionspunkt 39 des Mittenstrahls. Die übrigen Bezugsziffern und Buchstaben betreffen dieselben oder äquivalenten Teile wie in den Fig. 3 und 4.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Reflektoren 23 und 24 eines Paares Paraboloidoberflachen wie bei den Fig. 4 und 5 oder Oberflächen zweiter Ordnung wie Ellipsoid-2Q oberflächen, die den Paraboloidoberflachen sehr nahekommen, und sind parallel zueinander entlang der Achse 4 0 verschiebbar.

Im Vergleich zu den ebenen Reflektoren der Fig. 4 und 5, or welche sich bei festliegendem Punkt 35 in jede beliebige Richtung drehen können, dreht sich der ebene Reflektor 29 des vorliegenden Ausführungsbeispiels nicht nur in belie-

bige Richtung bei festliegendem Punkt 39, sondern bewegt sich auch parallel auf der Achse 42. Zusätzlich ist die gesamte Konstruktion aus den Reflektoren 23 und 24 und dem ebenen Reflektor 29 um die Strahlachse 18 des Speisehorns 1 drehbar.

Es wird nun die Bewegung des äquivalenten Speisehorns 1' der W.S.-Speisung mit vorstehend beschriebenen Aufbau erläutert. Es wird hierzu ein Koordinatensystem verwendet, dessen Ursprungspunkt im Phasenzentrum 9 des Speisehorns liegt und dessen Z-Achse mit der Strahlmittenachse zusammenfällt. Der Abstand zwischen den Punkten 33 und ist durch t., der Abstand zwischen den Punkten 37 und durch t~ gegeben. Außerdem beträgt die Größe der Drehung der Reflektoren 23 und 24 um die Z-Achse 18 \f>.

Der Einheitsvektor P des äquivalenten Speisehorns 1' in Richtung der Strahlachse wird folgendermaßen definiert:

P =

Px Py Pz

(D

Das Phasenzentrum 37 des äquivalenten Speisehorns 1' kann dann mit folgender Gleichung unter Verwendung von ' ^t2'

^unc* ^P beschrieben werden:

cos ^₁ + t₂ Px

sin φ* + t₂ Py

+ t₀ (Pz + 1)

(2)

Diese Gleichung (2) zeigt, daß das äquivalente Speisehorn 1' innerhalb des durch t-, t2 und ψ* vorgegebenen Bereichs in jede Richtung gedreht werden kann.

Eine genaue Beschreibung wird in Verbindung mit der vorliegenden W.S.-Speisung, die einer versetzten Kugelreflektorantenne zugeordnet ist, vorgenommen.

Wie bereits erwähnt, ist es bei einer Kugelreflektorantenne erforderlich, daß das äquivalente Speisehorn 1' sich um ein durch den Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors gegebenes Drehzentrum drehen kann. In Fig. 7 liegt der Ursprung des Koordinatensystems X-Y-Z im Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors, und der Einfachheit halber ist die Z-Achse parallel zur z-Achse angenommen. Der Drehradius des äquivalenten Speisehorns 1' ist r,,, und seine Drehoder Verschwenkwinkel betragen η und £, wie in Fig. 8 dargestellt. Bei der Bezugsstellung, bei der η= ε=0 ist, wird angenommen, daß das Phasenzentrum 37 des äquivalenten Speisehorns 1 gegenüber X-Achse um den Winkel ß_Q versetzt ist und Richtung ß~ hat (positive Zählweise gegen den Uhrzeigersinn).

Wenn sich das äquivalente Speisehorn 1' um die Winkel η und B bewegt, so sind der Positionsvektor OF^ des Punktes 37 und der Einheitsrichtungsvektor P* des äquivalenten Speisehorns folgendermaßen gegeben:

OF₂ C³? , ξ ) = ro

cos (Λ +£ )

cos

sin'?

COS (/?2 +ξ ) COS V

cos (A +f ) sin57
sin

(3) (4)

Bei dieser W.S.-Speisung sind, wie oben bereits ausgeführt, *"11 *~2' V³I ^un<^ ^^^e dichtung des ebenen Reflektors 29 verändert, um das äquivalente Speisehorn 1' zu bewegen.

Gemäß den Gleichungen (2), (3) und (4) müssen die Parame-1 , U2 uiiv- yi den Beziehungen der nachfolgenden Glei-

ter t-, t~ und chung genügen:

cos (A +( ) cos (A +£ ) sin

Xc	+ ti	COS^i	+ t₂
0		sin^i
Zc	0

cos

sin?7

(5)

Darin sind Xc und Zc die Koordinatenwerte des Phasenzentrums des feststehenden Speisehorns 1. Durch Auflösen der Gleichung (5) nach t.. , t₂ und ψ. erhält man die Gleichungen (6), (7) und (8) :

— r₀ sin (Α +ξ ) -

(7)

tan <Pi ( 5? , ζ ) =

sin'i

cos V —

(8)

-18-

mit

ro cos

ro siη(Λ-Α)+Ζc

Die Richtung des ebenen Reflektors 29 ist durch Gleichung (4) festgelegt. Die Größe der Verdrehung des ebenen Reflektors 29 um Achse 42 erhält man durch den Wert y>₂ * und die Größe der Verdrehung um die Achse auf dem ebenen Reflektor 29 und senkrecht zur Achse 42 beträgt <p^' Wegen des Reflexionsgesetzes genügen der Normalvektor η des ebenen Reflektors 29 und der Vektor P folgender Beziehung:

-* ρ + κ

η ;= — ΖΓ7 (W

I P + K I .

worin K für den Einheitsvektor in Z-Achsenrichtung der Fig. 7 steht.

Der Vektor η ist durch

ausgedrückt

j2-2 si

sin

cos%-

Man erhält durch Einsetzen der Gleichungen (4) und (10¹) in die Gleichung (10) und Auflösen nach f₂ und (P-, die nachfolgenden Beziehungen (11) und (12)

<p, = ν αϊ)

(12)

-19-

Durch das Bewegen jedes Reflektors der vorliegenden W.S.-Zuführung gemäß den Gleichungen (6), (7), (8), (11) und (12) kann das Speisehorn der Kugelantenne unabhängig vom Zentrum des Speisehorns an beliebiger Position fest angebracht werden.

Die W.S.-Speisung mit Aufbau nach Fig. 7 hat einen engen Bereich der Bewegung des äquivalenten Speisehorns, wenngleich die Zahl von Reflektoren kleiner als bei den Fig.4 und 5 ist. Bezüglich einer Bewegung der Reflektoren, die durch die Gleichungen (6), (7) und (8) aufgezeigt wird, wird der Bereich, in dem das äquivalente Speisehorn sich bewegen kann, erklärt.

Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch eine versetzt angeordnete Kugelreflektorantenne mit zwei Subreflektoren 50,51 und einer W.S.-Zuführung nach Fig. 7. Die versetzt angeordnete Kugelreflektorantenne ist in der bereits erwähnten Veröffentlichung beschrieben, d.h. in Watanabe, Mizuguchi "On the Design Method for Reflector Surfaces of an Offset Spherical Reflector Antenna" Institute of Electro Communication Paper of Technical Group TGAP 81-29 (1981 , 6, 25) .

Es sei angenommen, daß der Koordinatenursprung sich im Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors 15 befindet, der Abstand zwischen dem Punkt 17 und der Z-Achse 1 ist und der Radius des Kugelreflektors 1,031 beträgt. ß_Q ist 13,1°, B₂ ist 40°, die Brennweite der Paraboloidreflektoren 23 und 24 beträgt für den Abstand 1 zwischen Punkt 17 und Z-Achse 0,065, die Parameter t.. und t₂ betragen 0,13 bzw. 0,06 für den Abstand 1, wenn η und ξ 0 sind, und die Koordinatenwerte des Punktes 9 sind Xc = 0,34 3 und Zc = -0,219.

Bei der Antenne nach Fig. 9 ändern sich die Parameter t₁, t₂ und u>* in den durch die Gleichungen (6), (7) und (8) gegebenen Bereiche, z.B. für den Fall, daß der Antennenstrahl um 15° (-7,5° < η < 7,5°) um die Z-Achse geschwenkt wird, um 3° (-1,5° <%< 1,5°) in der die Z-Achse enthaltenden Ebene:

0,128 < t₁ < 0,142

0,052 < t₂ < 0,067 (13)

-26,3° < ^₁ < 26,3°

In diesem Fall beträgt die Veränderung der Übertragungsstrekke zwischen den beiden Reflektoren 23 und 25 etwa + 5 %. Da t₂ von η unabhängig ist, wenn der Antennenstrahl in η-Richtung schwenkt, braucht der ebene Reflektor 29 lediglich gemeinsam mit den Subreflektoren 50 und 51 bewegt zu werden.

Eine perspektivische Ansicht einer W.S.-Zuführung gemäß der Erfindung nach Fig. 9 ist in der Fig. 10 wiedergegeben, wo mit 52 und 53 Schienen, 54, 55 und 56 Supports und M1 - M6-Motoren bezeichnet sind. Im übrigen stimmen die Buchstaben und Kennzeichen mit denen in den Fig. 7 und 9 überein. Die Motoren M1 - M6 dienen zum Antrieb für die jeweiligen beweglichen Teile, wobei folgende tatsächliche Bewegungen erforderlich sind. Der Motor M1 läßt die beiden Reflektoren 23 und 24 drehen (entsprechend tf~ in jeder Gleichung) .

Durch Motor M2 wird der Reflektor 24 parallel zum Reflektor 23 bewegt (entsprechend t. in den Gleichungen). Die beiden Subreflektoren 50 und 51 sind fest mit dem Support 54 verbunden. Der ebene Reflektor 29 wird gemeinsam mit dem Support 55 durch Motor M3 so angetrieben, daß er sich parallel zum Subreflektor 51 auf dem Support 54 bewegt (entsprechend t₂ in den Gleichungen), und wird durch Motor M4 verdreht (entsprechend ä, ⁱⁿ ^en Gleichungen).

Der Support 54, auf dem der ebene Reflektor 29 und die Subreflektoren 50 und 51 befestigt sind, wird entlang der Schiene 53 durch den Motor M6 bewegt (entsprechend % in den Gleichungen). Außerdem wird der Support 56 durch Motor M5 entlang der Schiene 52 verfahren (entsprechend η in den Gleichungen). Die Form der Schienen 52 und 53 sind Bogenstücke, deren Mittelpunkte auf der Z- bzw. Y-Achse liegen. Die Motoren M1, M2, M3 und M4 sind mit den Motoren M5 und M6 für die Abtastbewegung des Antennenstrahls synchroni-

.10 siert und werden entsprechend den Gleichungen (8), (6), (7) bzw. (12) gesteuert.

Die Zuführung nach Fig. 10 besitzt keinen Antriebsmotor für eine Verdrehung 2 um die Achse' 42 des ebenen Reflektors

29. Der Grund dafür ist, daß die Bewegung praktisch durch die Bewegung des ebenen Reflektors 29 mit Hilfe des Motors M5 zusammen mit dem Support 54 auf der Schiene 52 ausgeführt wird, da <fy gleich η ist, wie aus Gleichung (11) ersichtlich.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht der versetzt angeordneten Kugelreflektorantenne in Verbindung mit zwei erfindungsgemäßen W.S.-Zuführungen gemäß Fig. 10. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird eine Strahlschwenkbewegung bei einer Kugelreflektorantenne durch Drehbewegung des Speisehorns um das Drehzentrum erreicht, welches durch die Mitte der Kugel bestimmt ist, so daß eine Mehrfachstrahlantenne durch Verwendung mehrerer Speisehörner erhalten wird. Bei Verwendung herkömmlicher W.S.-Zuführungen muß, wie Fig. 3 zeigt, der ebene Reflektor 5 im Mittelpunkt 16 des Kugelreflektors angeordnet werden, so daß es nicht möglich ist, für mehrere Antennenstrahlen mehrere W.S.-Zuführungen einzusetzen. Die Position des ebenen Reflektors bei den erfindungsgemäßen W.S.-Zuführungen ist dagegen nicht auf den Mittelpunkt des Kugelreflektors festgelegt, so daß eine Mehrstrahlantenne mit einer Anordnung gemäß Fig.11 realisiert werden kann.

Bei einem Aufbau nach Fig. 11 werden die von zwei Speisehörnern 1'a und 1'b abgestrahlten elektrischen Wellen durch unabhängige W.S.-Zuführungen gemäß Fig. 10 auf den kugelförmigen Hauptreflektor 15 übertragen und als unabhängige Antennenstrahlen von diesem reflektiert. Bei der gezeigten Antenne werden zwei erfindungsgemäße W.S.-Zuführungen eingesetzt, so daß die zwei Antennenstrahlen in ihren eigenen Richtungen unabhängig verschwenkt werden können, wobei der Hauptreflektor und das Speisehorn feststehen. Es versteht sich, daß auch noch mehr als zwei erfindungsgemäße Wellenleiter-Strahlzuführungen eingesetzt werden können.

Wie vorstehend beschrieben, besteht bei der erfindungsgemäßen W.S.-Zuführung die Möglichkeit, das Speisehorn ortsfest zu belassen, während sein äquivalentes Speisehorn, das ein Abbild des Speisehorns ist und durch die W.S.-Zuführung transformiert wird, praktisch als Speisehorn funktioniert, an irgendeiner Stelle positioniert und in jeder Richtung gedreht werden kann. Der Vorteil der W.S.-Zuführung besteht deshalb darin, daß das Speisehorn an irgendeiner Stelle in bezug zur Antenne plaziert werden kann.

Allgemein erfordert bei derartigen Abtaststrahl- oder Schwenkstrahlantennen, wie einer Kugelreflektorantenne, bei der die Strahlverschwenkung mit einem festen Hauptreflektor, einer Torusantenne und einer bifokalen Antenne durchgeführt wird, jede Antenne ihre eigene Bewegung des entsprechenden äquivalenten Speisehorns, wie in Verbindung mit der Technologie vom Stand der Technik dargelegt. Da die W.S.-Zuführung gemäß der Erfindung es möglich macht, das äquivalente Speisehorn in eine beliebige Position zu versetzen, kann die Zuführung als Speisung für diese Antennensysteme eingesetzt werden. Bei einer großflächigen Bodenstationsstation für Satellitenübertragungen, wo eine Strahlablenkantenne verwendet wird,

die mit einer W.S.-Speisung gemäß der Erfindung ausgerüstet wird, können sowohl der Hauptreflektor als auch das Spoisehorn, der Sender/Empfänger usw. am Boden installiert werden, wobei dann die Zuführung den Vorteil hat, daß sie windunabhängig aufgestellt ist und ihre Wartung einfach ist. Ferner hat die erfindungsgemäße Zuführung den Effekt, daß sie in beliebiger Position zur Antenne aufgestellt werden kann und dadurch die Installation mehrerer Zuführungen bei einer Antenne mit steuerbarem Antennenstrahl zur BiI-dung einer steuerbaren Mehrfachstrahlantenne mit fest angeordneten Speisehörnern führt.

Claims

38 116

Kokusai Denshin Denwa Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan

Wellenleiter-Strahlzuführung

Patentansprüche

Wellenleiter-Strahlzuführung mit einem Speisehorn, einem Paar von Reflektoren mit Oberflächen zweiter Ordnung, die einander gegenüberstehen, identische Brennweiten und gleiche Versetzungswinkel haben und deren Brennpunkte und Reflexionspunkte der Mittenstrahlen in derselben Ebene liegen, und wenigstens einem ebenen Reflektor in der angegebenen Reihenfolge bei der Bildung eines Pfades für die elektrischen Wellen, gekennzeichnet durch einen Mechanismus zum Bewegen des Reflektorpaares (23,24) parallel zu einer Linie, die durch die Brennpunkte der Reflektoren mit den Oberflächen zweiter Ordnung verläuft, einen Mechanismus zum Drehen wenigstens eines ebenen Reflektors (25) in beliebiger Richtung in einer beliebigen Position und einen Mechanismus zum Drehen sowohl der Reflektoren (23,24) mit den Oberflächen zweiter Ordnung als auch des ebenen Reflektors (25) um ihre durch die Strahlmittenachse des Speisehorns (1) bestimmte Drehachse.
2. Wellenleiter-Strahlzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die aus Speisehorn (1), dem Drehparaboloidreflektorpaar (23,24) und zwei ebenen Reflektoren (22,25) in dieser Reihenfolge zusammengesetzte Strahlzuführung mit einem Mechanismus zum Drehen des anderen ebenen Reflektors um eine Drehachse, die durch die Strahlmittenlinie definiert ist, welche vom Drehparaboloidreflektor zum ebenen Reflektor verläuft.
3. Wellenleiter-Strahlzuführung nach Anspruch 1, dessen-Speisehorn, erstes Reflektorpaar aus einander gegenüberstehenden Drehparaboloidreflektoren, erster ebener Reflektor, zweites Reflektorpaar aus Drehparaboloidref lektoren, die dieselben Eigenschaften wie das erste Reflektorpaar haben und einander gegenüberstehen, und wenigstens einem zweiten ebenen Reflektor in dieser Anordnung zur Bildung eines Pfades für elektrische WeI-len angeordnet sind, wobei der erste ebene Reflektor so angeordnet ist, daß sein Reflexionspunkt auf einer Linie liegt, wo eine erste Ebene, auf der das Phasenzentrum des Speisehorns und die Reflexionspunkte der Strahlmittenlinie des ersten Drehparaboloidreflektorpaares liegen, eine zweite Ebene schneidet, auf der Reflexionspunkte der Strahlmittenlinie des zweiten Drehparaboloidreflektorpaares liegen und sich der zweite ebene Reflektor befindet, gekennzeichnet durch einen Mechanismus zum Drehen sämtlicher Reflektoren, die auf der Strecke der elektrischen Wellen angeordnet sind, welche vom Speisehorn ausgehen, und die vom ersten ebenen Reflektor weg sind, um die Drehachse, die durch die Strahlmittenlinie definiert ist, welche vom ersten ebenen Reflektor zum nächsten Reflektor verläuft, einen Mechanismus zum Antreiben wenigstens einen der beiden Drehparaboloidreflektorpaare

parallel zu einer Geraden, die die Brennpunkte der Drehparaboloidreflektoren verbindet, einen Mechanismus zum Drehen des zweiten ebenen Reflektors in beliebiger Richtung und einen Mechanismus zum Drehen sämtlicher Paraboloidreflektoren und ebenen Reflektoren um eine Drehachse, die durch die Strahlmittenachse des Speisehorns definiert ist.