DE3329558A1 - Antennenkonstruktion - Google Patents

Description

RCA 77 648 Ks/Ri

UoSο Serial No₀ 408,503

Pileds August 16, 1982

SCl Corporation New York, N₀Yo₉ VoSt.V

Aatenn enkon struktion

Die Erfindung betrifft eine lnt@aa©akoastruktioa, die sich ZoBo für eine kompakte Antenne zur Frequenz-Mehrfachausnutzung eignete Sine Antennenanlage, die zur Frequenz-Mehrfaehausnutzung Quellen und Reflektoren enthält, die auf rechtwinklig zueinander polarisierte Wellen ansprechen, ist in den US-Patentschriften 3 898 667 und 3 096 519 sowie in einem Aufsatz von H₀A₀ Rosen mit dem !Titel "The SBS Communication Satellite «=· An Integrated Design" beschrieben, der das Zeichen CH1352-4/78/0000-0343 "tragt und von IEEE, Seiten 343=347 veröffentlicht ist» Bei der Ausführungsform nach der US-=Patentschrift 3 898 66? sind die Reflektoren so übereinandergelegt, daß ihre Brennpunkte nicht zusammenfallen _o Jeder Reflektor hat eine Reflexionsflache aus parallelen reflektierenden leitenden Elementen, wobei die Elemente des einen Reflektors orthogonal zu den Elementen des anderen Reflektors ausgerichtet siado Die Speisung jedes Reflektors ist jeweils entsprechend der Orientierung seiner Elemente polarisierte Jeder Reflektor ist ein Teil eines Rotationsparaboloidoso Ein Teil des erstes Reflektors, dessen Elemente die erste Orientierung (z_oB_o horizontal)

haben, überlappt einen Teil des zweiten Reflektors, dessen Elemente die zweite Orientierung (z.B. vertikal) haben. Ein Teil eines dritten Reflektors, dessen Elemente genauso orientiert sind wie die Elemente des zweiten Reflektors, überlappt einen Teil eines vierten Reflektors, dessen Elemente wie diejenigen des ersten Reflektors orientiert sind. Die Reflektoren sind mittels Stützpfosten an einem Satelliten befestigt. Als Material für die Stützpfosten ist in der erwähnten US-Patentschrift ein Graphitfaser/Epoxy-Verbundstoff (GFEC) erwähnt, der für elektromagnetische Wellen undurchlässig ist.

In der US-Patentschrift 3 096 519 ist ein zusammengesetzter Mikrowellen-Reflektor offenbart, der eine mit den ansonsten unabhängigen Reflektoren gemeinsame Oberfläche hat und für ein V-Strahl-Höhenmeßradar geeignet ist. Bei dieser Struktur sind zwei gleichgeformte Reflektoren zunächst einander so überlagert, daß die jeweiligen elementaren Flächen überall in inniger Berührung sind. Dann wird einer der Reflektoren um die Rotationsachse der Rotationsfigur gedreht, mit welcher ein Teil jedes Reflektors gleichförmig ist. Hieraus ergibt sich ein zusammengesetzter oder "kombinierter" Reflektor. Nur ein Teil jeder Teilantenne des kombinierten Reflektors ist gleichförmig einem Paraboloid«, Wenn der Winkel der gegenseitigen Verdrehung der Reflektoren größer wird, nimmt das Maß des übrigbleibenden gemeinsamen Bereichs der Antennen ab, so daß die Gesamtfläche der Antenne größer wird.

JO In dem oben erwähnten Aufsatz von H₀A. Rosen ist eine Nachrichtenübertragungsantenne beschrieben, die aus zwei im wesentlichen unabhängigen versetzten Gitter reflektor en besteht, die in ein und derselben Apertur einander überlagert sind. Der eine Reflektor ist horizontal und der andere vertikal polarisiert. Die Durchmesser und Brennweiten der Reflektoren sind für jede Polarisation gleich. Die unteren Enden der beiden Reflektoren sind zueinander versetzt, was eine entsprechende Versetzung der Brennebenen erlaubt. Für

=. Π ο.

Sendung una Empfang können zwei getrennte Strahl er gruppen verwendet werden, die sieh einander physikalisch nicht stören_o Der vordere Heflektor mit horizontalem Gitter ist praktisch durchlässig für vertikal polarisierte KF-Strahlung, die von dem hinteren Eeflektor reflektiert wird* Die Überlagerung der Heflektoren in einer einzigen Apertur erlaubt die Verwendung einer gemeinsamen Stützvorrichtung und einen großen Durchmesser für beide Reflektoren» Dennoch nst die Konstruktion sich überlappender Antennen für orthogonal polarisierte Strahlen nicht ohne Probleme«, Es ist schwierig, einerseits den beiden Antennen ein gutes elektrisches Anspreehvermögen zu geben und andererseits die mechanischen Resonanzfrequenzen für die Struktur relativ hoch auszulegen, so daß die Struktur beim Abschuß und beim Betrieb nicht ins Schwingen gerät, und außerdem ein solches thermisches Verhalten zu bekommene, daß Verformungen infolge unterschiedlicher Ausdehnung der verschiedenen Materialien minimal bleiben_o

Die wesentlichen Merkmale eines erfindungsgemäßen Antennenaufbaus, der solche Forderungen erfüllen kann, sind im Patentanspruch 1 aufgeführte Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht aus von einem Antennenaufbau, in welchem ein erster und ein zweiter Reflektor für elektromagnetische Wellen im Abstand übereinanderliegen_o Jeder Reflektor bildet eine Anordnung aus einer Vielzahl paralleler und beabstandeter langgestreckter Reflexionselemente für elektromagnetische Wellen ο Die Elemente der einen Anordnung erstrekken sich in einer Richtung senkrecht zu den Reflexions elementen der anderen Anordnung,, Um die Elemente jedes Reflektors zu stützen, ist Jeweils ein Elemententräger vorgesehen. Jeder Elemententräger ist ein ^eil, der für elektromagnet!- sehe Wellen undurchlässig ist und eine Porra hat, die der Form der betreffenden Anordnung von Reflexionselementen entspricht ο

«= 8 —

Gemäß der Erfindung ist ein für Strahlung durchlässiges Spantensystem vorgesehen, das zwischen den Elemententrägern liegt und an ihnen befestigt ist, um mit den Elemententrägern eine Sandwich-Konstruktion zu bilden, derart daß HP-Strahlung gegebener Polarität durch den ersten Reflektor hindurch zum zweiten Reflektor gelangt und von den Reflexionselementen des zweiten Reflektors reflektiert wird, um mit geringem Verlust durch den vom Spantensystem eingenommenen Raum, durch den Elemententräger des ersten Reflektors und durch die Anordnung der Reflex lon sei em en te des ersten Reflektors hindurch zurückzulaufen«,

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näh«r erläutert_o 15

Pig. 1 zeigt von vorne eine Draufsicht auf ein Paar übereinanderliegender und orthogonal zueinander orientierter Antennenreflektoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
20

Fig. 2 ist eine Schnittansicht gemäß der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Rückansicht des in Fig. 1 dargestellten Aufbaus;

Fig. 4· zeigt einen zwischen den beiden Reflektoren des Aufbaus nach Fig. 1 hindurchgehenden Schnitt mit Blickrichtung auf den vorderen (oberen) Reflektor; 30

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Aufbaus gemäß der Linie 5-5 der Fig_e 1·

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Aufbaus gemäß der Linie 6-6 der Fig. 5.

Fig. 7 ist eine Schnittansieht eines Teils des Aufbaus

gemäß der Lisaie 7-7 der ^E° 55

Figo 8 ist eine Sehnittansieht gemäß der Linie 8-8 der Figo 1?

Figo 9 ist eine Schnittensieht gemäß der Linie 9~9 der 5igo 81

Figo 10 zeigt in auseinandergezogener isometrischer Darstellung einen Teil des Aufbaus nach den Figuren 1, 2 und 3?

Figo 11 zeigt in auseinandergezogener Darstellung die verschiedenen Teile, die einen Reflektor bilden;

Figo 12 zeigt in auseinandergezogener isometrischer Darstellung die Konstruktion der in Fig. 3 gezeigten Teile 5

Figo 13 zeigt eine Schnittansieht gemäß der Linie 13-13 der Figo 2

Reflektoren für laehriehtenubertragungsarstennen, speziell die in Satellitenverbindungen eingesetzten Ausführungs» formen, haben Reflexionsflächen, die Abschnitte von Rotation spar abo Io iden sindo Ein solches Paraboloid läßt sich durch folgende Gleichung beschreibens

ü² + Y² = 4fW,

wobei U und V die Koordinaten dar Projektion irgendeines Punktes der Reflexionsfläche auf einen durch zwei Achsen U und ? definierten Ort sind, f die Brennweite des Paraboloids ist und ¥ die Projektion des erwähnten Punktes auf die Rotationsachse ¥ des Paraboloids ist» Das Paraboloid erstreckt sich von den Koordinaten U=Y=W=O aus und ist symmetrisch die Achse ¥0 Der "Schwerpunkt"

-ιοί bei X=V=W=O wird gewöhnlich als Scheitel bezeichnet.

Es sind verschiedene Methoden bekannt, um derartige Raflexionsflachen zu bauen. So läßt sich eine HP-Reflexionsfläche beispielsweise durch orthogonal gewebten (EF-)leitenden Metalldraht oder durch solide Metalloberflächen bilden.

Bei einer anderen Konstruktion werden parabolisch gewölbte polarisierende Drahtgitter als Reflexionsfläche verwendet. Die Gitterdrähte verlaufen in ihrer Projektion auf die U-V-Ebene parallel entweder zur U-Achse (horizontale Polarisation) oder zur V-Achse (vertikale Polarisation) des Paraboloids. Eine Oberfläche, die aus solchen in jeweils einer einzigen Richtung orientierten Drähten besteht, reflektiert HF-Strahlung einer dieser Richtung entsprechenden Polarisation und ist durchläßig für HF-Strahlung, die senkrecht zur Richtung der Gitterdrähte polarisiert ist. Man kann also zwei solche Reflexionsflächen üb er ein an der leg en, um die Antennenreflektoren in optimaler Packung innerhalb eines begrenzten Raums unterzubringen, beispielsweise innerhalb des Transportgehäuses eines einen Satelliten aussetzenden Raumfahrzeugs.

Die parabolisch gewölbten, in einer einzigen Richtung orientierten Gitterdrähte müssen jedoch durch Zusatzstrukturen gestützt werden, so daß die Reflexionsflächen ihre vorgeschriebene Gestalt und Position während der verschiedenen Umgebungsbedinguagen im Lauf der Mission beibehalten. Hierzu gehören die Bedingungen auf der Erde, während des Abschusses, im Transfer-Orbit und in der für den Betrieb vorgesehenen Umlaufbahn«, Die erwähnten Zusatzstrukturen sollten außerdem so beschaffen sein, daß sie möglichst wenig in elektrische Wechselwirkung mit den HF-Strahlen treten, d.h. sie sollen durchlässig für HF-Wellen sein. Dies gilt besonders für denjenigen Reflektor, der

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sich zwischen dem HI-Strahl und einem anderen Reflektor befindete Ih einer übereinandergestockten Antennenanordnung sollte also die Stützstruktur für den oberen Horiaontalpolarisations-Reflektor idealerweise vollständig transparent für den vertikal polarisierten HP-Strahl sein, der vom unteren Reflektor zu reflektieren ist. Die nachstehend beschriebene Struktur zum Stützen der beiden Reflektoren zeichnet sich durch minimale elektrische Wechselwirkung aus und hält die Reflektoren in ihrer vorgesehriebenen Gestalt und Position während der unterschiedlichen Umgebungsbediagungen und Temperatureinflüsse im Lauf der Mission_β

Der zu beschreibend© Aufbau enthält zwei sich vollständig überlappende Schalen, deren jede eine geschichtete (Sandwich=) An Ordnung aus faserverstärktem Material mit wabenartig durchlöchertem Kern isto Die beiden Schalen sind durch ein gemeinsames versteifendes Spantensystem miteinander verbunden₉ um ein "Super-Sandwich" zu bilden. Dieser Ausdruck bezeichnet eine Konstruktion, in welcher mehrere Schichtanordnungen₉ die jeweils einen Sandwich-Aufbau bilden 5 ihrerseits wieder zu eiaem weiteren Sandwich überein andergestockt sin do

Die in den figur® 1₉ 2 und 3 dargestellte Antenne 10 besteht aus einem oberen Reflektor 12, einem unteren Reflektor 14-2 einem Spantensystem 16 zum Verbinden der beiden Reflektoren und einer Tragkonstruktion 18, die an der Rückseite des unteren Reflektors 14 befestigt ist. licht dargestellt sind die Hornstrahler zum Bestrahlen der Reflektorflächen mit elektromagnetischen Wellen oder zum Empfang der von den Flächen reflektierten elektromagnetischen Wellen ο

Die Reflektoren 12 und 14- sind aus gleichen Materialien aufgebaute, wobei dieser Aufbau am besten in Fig. 11 zu

isto Der dort gezeigt© Aufbau für den Reflektor

- 12 -

12 enthält einen einer Honigwabe ähnlichen Kern 20, der aus einem epoxyverstärkten Kevlar-Gewebe gebildet ist (vorzugsweise aus dem Material "Kevlar Fabric Style 120" der Firma DuPont). Der Kern kann beispielsweise 3 bis 12 mm (1/8 bis 1/2 Zoll) dick sein» Kevlar ist ein auf E.I. DuPont eingetragenes Warenzeichen für ein Polyparabenzamid-Material, das als Faser oder Gewebe erhältlich ist. Beim Kern 20 gibt es eine sogenannte "Bandrichtung" 22«, Hiermit ist die allgemeine Sichtung gemeint, in weleher sich die gewellten Bänder (d.h.. die den Wabenkern bildenden Gewebelagen) erstrecken« Der Kern besteht aus nebeneinanderlaufenden Stoffbändern, die in einer derartigen Weise gewellt und aneinander befestigt sind, daß die sechseckigen Zellen einer Wabe entstehen, wobei die Längsabmessung jeder Zelle senkrecht zur Bandrichtung 22 liegt. Der Kern 20 ist im Handel erhältlich» Eine Oberfläche 30 des Kerns 20 ist in eine Paraboloidform gebracht, wie es die Figuren 1, 2 und 3 für den Reflektor 12 oder 14 zeigen.

Auf der Kernfläche 30 befindet sich ein erster Überzug 24, der aus zwei Lagen 26 und 28 epoxyverstärkten Kevlar-Gewebes besteht« Der auf der Fläche 30 befindliche Überzug kann jedoch auch weniger oder mehr als zwei Lagen enthalten. Die Gewebelage 28 ist so auf der Fläche 30 des Kerns 20 befestigt, daß ihre "Kettrichtung¹' in einem Winkel zur Bandrichtung 22 verläuft (mit "Kettrichtung" sei diejenige Richtung gemeint, in welcher die Längs- oder Hauptfäden des Gewebes laufen, während die Richtung der senkrecht dazu verlaufenden Quer» oder Zweitfäden als "Schußrichtung" bezeichnet wird)«, Der erwähnte Winkel kann z.B. 45 betragen. Die äußere Lage ist mit einer Kettrichtung von 0° orientiert, d«h. die Hauptfäden dieser Lage laufen in der Bandrichtung 22, welche hier als O°-Bezugsrichtung anzusehen ist.

Über dem Überzug 24 befindet sich die Gitterschicht 32,

aus parallelen j beat» standet en und elektrisch leitenden Elementen 33 wie z,B_e Kupferstreifen besteht. Die Elemente 33 sind in einem für HF-Wellen durchlässigen PoIyimid-Material festgehalten (ein solches Material ist z.B.

bekannt unter der Bezeichnung "Kapton", einem Warenzeichen der DuPont Corporation). Die Elemente 33 der Schicht 32 erstrecken sich senkrecht zur Bandrichtung 22.

Ein zweiter, unterer Überzug 34 besteht ebenfalls aus zwei Lagen 36 und 38 epoxyverstärkten Kevlar-Gewebes.

Die Lage 36 ist direkt auf der unteren Oberfläche 40 des Kerns 20 befestigt« Die Kettrichtung der Lage 36 ist parallel zur Kettrichtung der Lage 28, d.h. sie verläuft Z₀B₀ in einem Winkel von 4-5° zur Bandrichtung 22. Die Kettrichtung der Lage 38 ist parallel zur Kettrichtung der Lage 26, d.h., sie entspricht der O°-Bezugsrichtung. Der untere Überzug 34 kann auch weniger oder mehr als die gezeigten zwei Lagen enthalten. Jede der erwähnten Lagen kann Z₀B₀ 0,12? mm dick sein.

Die Orientierung der Lagen 26 und 26 gegenüber der Bandrichtung 22 und gegenüber den Kettrichtungen der Lagen 36 und 38 ist so, daß eine planare quasi-isotrope Verbundstruktur gebildet wird« Wenn man von der die reflektierenden Elemente 33 enthaltenden Gitterschicht 32 absieht , hat der obere Überzug 24 den gleichen Aufbau wie der untere Überzug 34.» Die parallelen Elemente 33 in der Schicht 32 bilden einen Reflektor zum Abstrahlen (oder zum Empfang) einer linear polarisierten Welle in bekannter Weise«

Der Aufbau des unteren Reflektors 14 ist ähnlich dem vorstehend beschriebenen Aufbau des oberen Reflektors 12. Während die Gitterelemente 33 des oberen Reflektors 12 für horizontale Polarisation aller reflektierten elektromagnetischen Wellen angeordnet sind, haben die Gitter-

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elemente des unteren Reflektors 14 eine Orientierung, die um 90° zur Orientierung der Gitterelemente 33 des oberen Reflektors 12 versetzt ist. Somit reagiert der Reflektor 14 auf HI-Strahlung, die orthogonal zu derjenigen Strahlung polarisiert ist, auf welche der obere Reflektor 12 reagiert.

In der Fig. 1 ist die Kettriehtung der Lage 26 des Reflektors 12 als O°-Bezugsrichtung angezeigt. Die reflektierenden Elemente 33 des Reflektors 12 sind senkrecht zur 0°-Grad-Richtung orientiert. Die Gitterelemente 33' der Schicht 32' des unteren Reflektors 14 haben eine Orientierung, die gegenüber der Orientierung der Elemente 33 der Schicht 32 um 90° versetzt ist. Die Lage 26' des unteren Reflektors, welche der Lage 26 des oberen Reflektors entspricht, hat eine um 90° versetzte Kettriehtung gegenüber der Lage 26. In ähnlicher Weise sind die Kettrichtungen der Lagen 28', 36' und 38', welche den Lagen 28, 36 und 38 des oberen Reflektors 12 entsprechen, um 90° gegenüber den Kettrichtungen der jeweils entsprechenden Lagen des oberen Reflektors versetzt«= Man erkennt also, daß der obere Reflektor 12 und der untere Reflektor 14 aus gleichartigen Teilen aufgebaut sind und gleichartige Sandwich-Konstruktionen bilden»

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig_e 1 sind die Reflektoren 12 und 14 in Vorderansicht allgemein kreisrund, abgesehen von einem rechteckigen Ausschnitt 42, der zur Aufnahme der Haltestruktur für den Speisehornstrahler (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Der untere Reflektor 14 und der obere Reflektor 12 liegen so übereinander, daß sie in der Ansicht der Fig. 1 wie ein einziger Reflektor erscheinen.

Die beiden Reflektoren 12 und 14 werden durch das in Fig.2 zu erkennende Spantensystem 16 als "Super-Sandwich" zusammengehalten. Das Spantensystem 16 ist direkt an der

konkaven reflektierenden Vorderfläche des unteren Reflektors 14 und an der konvexen Rückflache des oberen Reflektors 12 befestigt.

Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, enthält das Sp an ten syst em 16 zwei konzentrische Stege oder Spanten 44 und 46. Der Spant 46 verläuft an den Außenrändern 71 und 73 der beiden Reflektoren 12 und 14 (vgl. Fig. 2). Der Mittelabschnitt der Antenne enthält keinen Teil des Spanten systems 60. Entlang den Seitenrändern des Ausschnitts 42 verlaufen parallele Spanten 48 und 50, die an einem querlaufenden Spant 52 enden„ Die Enden des Spantes 52 stoßen an die innere Oberfläche des Spantes 46. Der Spant 52 grenzt an den langen Rand des Ausschnittes 42.

Das Spastensystem 16 enthält außerdem versteifende Spanten 54, 56, 58 und 60, die sich speichenartig zwischen den Spanten 44 und 46 erstrecken und daran befestigt sind. Alle Spanten 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 und 60 sind ähnlich aufgebaut. Im allgemeinen bestehen die Spanten alle aus einer Sandwich-Konstruktion ähnlich den Reflektoren 12 und 14 (jedoch ohne die reflektierenden Gitterelemente), d.h. sie haben einen Wabenkern aus einlagigem epoxyverstarktem Kevlar~6ewebe und beidseitig eine mehrlagige Deckschicht aus epoxyverstarktem Kevlar-Gewebe. Der Wabenkern der Spanten kann z.B. 3 bis 12 mm (1/8 bis 1/2 Zoll) dick sein*

Wie in den Figuren 8 und 9 gezeigt, sind die Spanten wie z.B. der Spant 58 zwischen dem oberen Reflektor 12 und dem unteren Reflektor 14 fest eingefügt. Der Spant 58 enthält einen Wabenkern 62 und zwei doppellagige Deckschichten 64 und 66. Der Kern 62 besteht aus einer einzigen Lage des aus epoxyverstarktem Kevlar-Gewebe gebildeten Wabenstoffes. Die 0°-Bandrichtung dieses Wabenstoffes läuft allgemein parallel zur Länge der Spanten. Die 0°-Kettrichtung ist parallel zur Bandrichtung des Kerns.

Die Spanten sind so mit den Reflektoren 12 und 14- verbunden, wie es die Figuren 8 und 9 für den Spant 58 als Beispiel zeigen. Dieser Spant ist am unteren Reflektor 14-mit Hilfe von Verstärkungslaschen 68 und 70 befestigt, die jeweils aus einem rechtwinklig geknickten Streifen eines zweilagigen epoxyverstärkten Kevlar-Gewebes bestehen. Der eine Schenkel der Verstärkungslasche 68 ist am Spant 58 und der andere Schenkel an der oberen konkaven Oberfläche des unteren Reflektors 14- angeheftet» Die Verstärkungslasehe 70 ist in ähnlicher Weise an der gegenüberliegenden Seite des Spantes 58 und an der konkaven Oberfläche des Reflektors 14- angeheftet. Die beiden Laschen 68 und 70 bilden zwischen sich einen Kanal, in welchen der Spant 58 paßt.

Eine dritte Lasche 72 mit U-förmigem Profil ist um den oberen Rand des Spantes 58 gelegt. Beim Zusammenbau wird der obere Reflektor 12 gegen die noch klebrige U-Lasche 72 gedrückt, und dann läßt man die gesamte Struktur in ihrer Stellung unter Druck in bekannter Weise aushärten. Alle Verbindungen zwischen den Spanten und den Reflektoren enthalten Laschen wie 68, 70 und 72. Die äußeren Ümfangsränder 71 und 73 der Reflektoren 12 und 14- (vgl. Pig. 2) können mit Deckstreifen umschlossen sein (nicht dargestellt), die jeweils aus einer einzigen Lage epoxyverstärkten Kevlar-Gewebes bestehen und einen ähnlichen Profilquerschnitt haben wie die in Pig. 9 gezeigte Lasche 72.

In der Fig. 2 ist der Scheitel des unteren Reflektors 14-bei V_L und der Scheitel des oberen Reflektors 12 bei V^- eingezeichnet. Der Scheitel jedes Reflektors liegt etwas unterhalb des betreffenden Reflektors. Die Scheitel V_y und V^ haben zueinander und gegenüber den Reflektoren 12 und 14- die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Relativlage. Der Brennpunkt des unteren Reflektors ist bei f-r und der Brennpunkt des oberen Reflektors bei f^ eingezeichnet. Man erkennt, daß die Brennweite des oberen Reflektors

(Abstand zwischen Y* und fy) kurzer ist als die Brennweite des unteren Reflektors (Abstand zwischen V^ und f-jO· Diese Relativpositionen sind nur als Beispiel anzusehen. Die zugehörige Elektronik und die Speisehornstrahler des vollständigen Antennensystems sind an den Orten der Brennpunkte f_L und fy angeordnet.

Die Tragkonstruktion 18 hält den "Super-Sandwich" aus unterem Reflektor 14, oberem Reflektor 12 und Spantensystem 16 an einem Körper wie z_EB. einem Raumfahrzeug 74- (vgl. Fig. 2) fest. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, enthält die Tragkonstruktion 18 zwei über Kreuz liegende Streben 76 und 78. Diese Streben 76 und 78 sind ähnlich aufgebaut wie der oben beschriebene Spant 58 gemäß der Fig. 9. Die Tragkonstruktion 18 enthält außerdem vier rohrförmige Beine 80, 82, 84- und 86 mit kreisrundem Querschnitt. Zwei gebogene Eckbleche 88 und 90 halten das Bein 80 am Reflektor 14 fest. Ähnliche Eckbleche dienen zur Befestigung der übrigen Beine am Reflektor 14. Die Eckbleche 88 und 90 sind im Großen und Ganzen rechtwinklig zur Strebe 78 angeordnet und liegen in Deckung mit dem inneren Ringspant 44 des Spantensystems 16. Wie in der Fig. 12 dargestellt, sind die beiden Streben 76 und 78 jeweils mit einem Schlitz 91 bzw. 92 versehen, so daß sie zur gegenseitigen Verbindung ineinandergreifen können. Nachdem die Streben 76 und 78 so miteinander verbunden sind, wird die Verbindung durch Dopplungsstücke 94, 96, 98 und 100 versteift, wie es die Fig. 13 zeigt. Diese Versteifungsstücke, die aus mehrlagigem ep oxy verstärkt em Kevlar-Gewebe bestehen und allgemein L-förmige Gestalt haben, werden an beiden Streben am Ort ihres Schnittpunktes angeklebt.

Die Fig. 10 zeigt, wie die Beine der Tragkonstruktion mit ihren Eckblechen an der zugehörigen Strebe befestigt werden können. Die in Fig. 10 dargestellte Strebe 78 ist mit zwei Schlitzen 102 und 104 versehen. Das Bein 80 hat ebenfalls zwei Schlitze 106 und 108, in welche die geschlitzten

Bereiche der Strebe 78 greifen, um die Strebe mit dem Bein 80 zu verbinden. Das Eckblech 90 ist an der einen Seite des Beins 80 und das Eckblech 88 an der gegenüberliegenden Seite des Beins befestigt. Die Eckbleche 90 und 88 und die Strebe 78 werden zusätzlich durch Verstärkungsstücke 110 aneinander festgehalten, die jeweils aus einem zweilagigen epoxyverstärkten Kevlar-Gewebe bestehen können. Die Verstärkungsstücke 110 werden am Eckblech und am Bein an den Überschneidungsorten mit der Strebe 78 befestigt.

In ähnlicher Weise werden auch die anderen Beine 82, 84 und 86 mit ihren zugehörigen Eckblechen und der jeweils zugeordneten Strebe 76 oder 78 verbunden. Der in Fig. 10 mit 112 bezeichnete obere Rand der aus Eckblechen, Streben und Beinen bestehenden Struktur wird an der konvexen Außenfläche des unteren Reflektors 114 befestigt. Z^m besseren Festhalten der Eckbleche und Streben 76 und 78 an der konvexen Oberfläche des Reflektors 14 werden Laschen verwendet, die den in den Figuren 8 und 9 gezeigten Laschen 68 und 72 gleichen.

Alle Beine 80, 82, 84 und 86 sind ähnlich konstruiert. Die Beine können z.B. aus epoxyverstärktem Graphitfasergewebe bestehen. An den Enden der Beine können Metallbeschläge 116 z.B. aus Aluminium oder Titan befestigt sein, um die Beine mechanisch am Satelliten 74- zu befestigen (vgl. Fig. 1). Ein solcher Beschlag 116 kann gemäß der Fig. 3 aus einem quadratischen Fußelement bestehen, das eine kreisförmige Öffnung und eine Ringnut enthält. Diese Ringnut nimmt das eine Ende des betreffenden Beins 80 bzw. 82 bzw. 84 bzw. 86 auf. Zunächst wird an jedem Bein der betreffende Beschlag festgeheftet, der dann am Satelliten 74 (Fig. 2) befestigt wird.

Wie in Fig. 6 gezeigt, sind ferner mehrlagige Eckversteifungsstücke wie z.B. 116 und 118 vorgesehen, die senkrecht zu den Reflektoren 12 und 14 liegen und die Enden verschiedener Spanten mit anderen Spanten verbinden, z.B. die Enden

der Spanten 54, 56, 58 und 60 mit den jeweils zugewandten Oberflächen der Spanten 40 und 44. Die Versteifungsstücke 117 und 118 können aus mehrlagigem epoxyverstärktem Kevlar-Gewebe "bestehen.

Das beschriebene Spantensystem 16 zwischen den Reflektoren 14 und 12 besteht aus einem strahlungsdurchlässigen Material wie z.B. Kevlar-Gewebe. Alle Verbindungen zwischen den verschiedenen Gewebestücken werden mit Hilfe von Klebemitteln realisiert, die durchlässig für HF-Strahlung sind. In den Mittelabschnitten der Reflektoren, die jeweils einen relativ großen Teil der betreffenden Reflektorfläche ausmachen, gibt es keine Spanten zwischen den beiden Reflektoren 12 und 14, wie man in Fig. 4 erkennen kann. Das heißt, das Spantensystem erstreckt sich nicht über die relativ großen Mittelabschnitte der Reflektoren. Dies ist wichtig, weil das Spantensystem zwischen den reflektierenden Gitterelementen des unteren Reflektors und dem zugehörigen Speisehornstrahler liegt, der sich am Ort des Brennpunktes f-^ befindet (vgl. Fig. 2). Die HI-Durchlässigkeit des Spantensystems 16 ist wichtig zur Geringhaltung der Einflüsse dieses Systems auf die Strahlen, die durch das System hindurchlaufen, auf die Gitterelemente des unteren Reflektors 14 treffen und von diesem reflektiert werden. Der die Gitterschicht 32 des oberen Reflektors 12 tragende Sandwich-Aufbau ist HF-durchlässig. Somit sind alle strukturellen Elemente zwischen der Gitterschicht 32¹ des unteren Reflektors 14 und dem zugehörigen, im Brennpunkt f^ befindlichen Speisehornstrahler im wesentliehen HF-durchlässig, so daß ihr Einfluß auf den betreffenden Strahl minimal ist.

Dadurch, daß man die verschiedenen strukturellen Elemente in solchen Orientierungen zueinander kombiniert, wie es oben in Verbindung mit den Figuren 1 bis 11 beschrieben wurde, lassen sich die durch TemperaturSchwankungen bedingten Verformungen minimal halten. Auch die Einflüsse

von Feuchtigkeit auf die kombinierte Struktur bleiben dank der beschriebenen Orientierungen minimal. Der Einfügungsverlust bleibt gering, wenn man die Anzahl der Elemente des Spanten systems zwischen den Reflektoren 12 und 14-möglichst gering macht, verlustarme Materialien verwendet und den Materialien und Elementen für die Reflektoren 12 und 14- und für das Spantensystem 16 die beschriebenen Orientierungen gibt.

Die Beine 80, 82, 84- und 86 können aus Graphitgewebe bestehen, das für HF-Strahlung undurchlässig ist. Die Beine befinden sich auf der Rückseite des Reflektors 14- und daher außerhalb des Weges der HP-Strahlung, die sich zwischen den Reflektoren 12 und 14 und den Brennpunkten f^ und f^j fortpflanzt. Daher hat die Strahlungsundurchlässigkeit der Beine keinerlei Folgen für die elektrischen Eigenschaften der Antenne. Das durch die Tragkonstruktion 18 gebildete zusätzliche Spantensystem im Mittelabschnitt der Antenne befindet sich ebenfalls auf der Rückseite des unteren Reflektors 18, so daß es keinen schädlichen Einfluß auf die sich zwischen den Reflektoren 12 und 14- und den Punkten f^ und f^· fortpflanzende HF-Strahlung hat.

Da beim beschriebenen Antennenaufbau relativ wenige strukturelle Elemente verwendet werden, hat die Antenne verhältnismäßig geringes Gewicht. So wiegt z.B. eine nach dem erfindungsgemäßen Prinzip aufgebaute Doppelreflektor-Anordnung für eine kreisförmige Apertur mit einem Durchmesser von 152,4- cm (60 Zoll) weniger als 6,35 kg (weniger als 14- pound). Weitere Vorteile des beschriebenen Antennenaufbaus sind relativ hohe Steifigkeit und hohe Eigenschwingfrequenz (höher als 100 GHz und damit höher als die bei Raumfahrzeugen typischerweise auftretenden mechanischen Schwingfrequenzen)«, Außerdem ist die Wärmeverformung der beschriebenen Antennenkonstruktion unter den Bedingungen im Orbit gering. Der Effektivwert der Wärmeverformungen über den gesamten Durchmesser der Struktur ist typischer-

weise geringer als 0,5 mm und der Spitzenwert geringer als 1,5 mm bei den schlimmstenfalls zu erwartenden Temperaturschwankungen im Orbit. Ebenfalls gering sind die Verformungen, die durch Desorption der auf der Erde absorbierten Feuchtigkeit verursacht werden, sie haben einen Effektivwert von weniger als 0,381 mm und einen Spitzenwert von weniger als 1,14-3

Die beschriebenen kreisförmigen Spanten 4-4- und 4-6 sind relativ schwierig herzustellen, weil sie in parallelen Ebenen liegen (ihre Ränder weisen in die allgemeine Richtung der Apertur). Statt der kreisförmigen Spanten können im Spantensystem auch mehrere geradlinig verlaufende Elemente verwendet werden, die anstelle eines Kreises ein Polygon bilden. Diese alternative Ausführungsform wiegt etwas mehr als die oben beschriebene Struktur und kann auch zur Folge haben, daß im kritischen mittleren Bereich der Apertur zwischen dem oberen und dem unteren Reflektor mehr Sp an ten el em en te angeordnet werden müssen. Während tei der oben beschriebenen Ausführungsform vier Beine vorgesehen sind, ist auch eine geringere oder eine größere Anzahl von Beinen möglich.

Unter den möglichen Materialien zur Herstellung der Antennenkonstruktion sei z.B. der Stoff "Fiberite Kevlar Fabric Style 120/Epoxy 934-" als Material für die Decküberzüge auf beiden Seiten der Reflektoren, die Deckstreifen an den Rändern, die erwähnten Laschen und ähnliche Elemente genannt. Der Wabenkern kann aus dem Material "Kevlar 4-9" hergestellt sein, das von der Hexel Corporation erhältlich ist (Bezeichnung HRH-4-9-1/4--2.1). Geeignete Klebemittel zur Verbindung der verschiedenen Elemente sind z.B. die Klebstoffe EA934-, EA956 und EA9312 des Herstellers Hysol Company.
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Es ist wichtig, daß die zum Aufbau des oberen Reflektors und der ihn stützenden Struktur verwendeten Materialien

jeweils einen geringen Yerlusttangens und niedrige Elektrizitätskonstante haben, weil einige Strahlen durch diese Struktur zum unteren Reflektor dringen. Die beschriebenen Materialien erfüllen diese Forderung. Der Wärmedehnungskoeffizient für den Sandwich-Aufbau jedes Reflektors ist parallel zur Bandrichtung 22 des Kerns (Fig. 11) höher als senkrecht zu dieser Richtung. Die Verwendung von Kupfer oder anderen Metallen für die auf der Oberfläche jedes Reflektors befestigten Gitterelemente 33 gibt dem Reflektor ein hohes Maß an Orthotropie. Wenn die Elemente 33 aus Kupfer bestehen, was für die beschriebene Verwendung typisch ist, dann ist der Wärmedehnungskoeffizient in Längsrichtung der Elemente 33 hoher als senkrecht zur Richtung der Gitterelemente. Die Anisotrophie im Sandwich-Aufbau jedes Reflektors läßt sich also vermindern, indem man die Bandrichtung 22 des betreffenden Kerns senkrecht zur Richtung der Gitterelemente des zugehörigen Reflektors orientiert. Ferner wird die Anisotrophie des Wärmedehnungskoeffizienten wie auch der mechanischen Steifigkeit und Widerstandsfähigkeit jedes Reflektors durch den quasiisotropen Aufbau vermindert, der sich dadurch ergibt, daß die Kettrichtungen der beiden Gewebelagen des oberen Überzuges, die Bandrichtung des Wabenkerns und die Kettrichtungen der beiden Gewebelagen des unteren Überzuges in der genannten Reihenfolge die Winkel 0°-4-5^o-0^o-4-5°-0^o haben. Der Gesamteffekt ist eine Verminderung der Reflektorverformungen bei TemperaturSchwankungen im Raum.

Es sei noch hervorgehoben, daß alle Verbindungen zwischen den verschiedenen Teilen des Antennenaufbaus, auch zwischen den einzelnen Schichten bzw. Lagen der beschriebenen Schichtanordnungen, vorzugsweise Klebverbindungen unter Verwendung strahlungsdurchlässiger Klebemittel sind.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1o/ Antennenkon struktion mit einem ersten und einem zweiten Reflektor₉ die im Abstand übereinanderliegen und elektrische Wellen reflektieren und deren jeder eine Anordnung aus einer Vielzahl paralleler beabstandeter langgestreckter Reflexionseiemente für elektromagnetische Wellen und einen Träger für diese Elemente aufweist, wobei sich die Reflexion sei em en te der einen Anordnung in einer Richtung senkrecht zu den Reflexionselementen der anderen Anordnung erstrecken und wobei jeder Elemententräger ein Glied aufweist, das durchlas= sig für elektromagnetische Wellen ist und eine Gestalt hat, die der Form der betreffenden Anordnung von Reflexion sei em en ten angepaßt ist, dadurch ge- kennzeichnet, daß ein strahlungsdurchläs-

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   siges Sp ant en sy st em (16) zwischen den Elemententrägern angeordnet und an ihnen befestigt ist, um mit den Eiern en ten trägern einen Sandwich-Aufbau zu bilden, so daß HI-Strahlung gegebener Polarisationsrichtung durch den ersten Reflektor (12) hindurch zum zweiten Reflektor

   (14) gelangt und von der Anordnung der Reflexions elemente (wie 33 in Fig. 11) des zweiten Reflektors reflektiert wird, um durch den vom Spant en syst em eingenommenen Raum, durch den Elemententräger des ersten Reflektors und durch die Anordnung der Reflexion sei em en te des ersten Reflektors hindurch zurückzulaufen.

   2. Antennenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spantensystem (16) die mittleren Abschnitte der Reflektoren (12, 14·) umringt, ohne sie auszufüllen.

   3. Antennenkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elemententräger einen ringförmigen Umfangsrand (71, 73) hat, wobei der ümfangsrand des einen Elemententrägers über dem Umfangsrand des anderen Elemententrägers liegt, und daß das Spantensystem (16) folgende Teile enthält: einen äußeren ringförmigen Spant (46), der mit den beiden Elemententrägern im Bereich ihrer Umfangsränder verbunden ist, einen zweiten ringförmigen Spant (44-), der innerhalb des ersten ringförmigen Spantes und konzentrisch mit diesem liegt und ebenfalls mit den beiden Elemententrägern verbunden ist, und eine Vielzahl radial laufencLe³? Spanten (54- bis 60), die sich zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Spant erstrecken und ebenfalls mit den beiden Elemententrägern verbunden sind.

   4. Antennenkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elemententrager (Fig. 11) einen sich plattenartig erstreckenden und wabenartig durchlöcherten Kern (20) und Deckschichten (24, 34) auf

   gegenüberliegenden Oberflächen des Kerns enthält und daß das Spantensystem (Figo 9) eine Vielzahl von Spantea (zoBo 58) aufweist, deren jeder aus einem plattenförmigen, wabeaartig durchlöcherten Kern (62) mit Deckschichten (64·, 66) auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Kerns gebildet ist, und daß der Kern und die Deckschichten der Hemententräger aus den gleichen Materialien bestehen wie der lern und die Deckschichten der Sp an tea ο

   5ο Antennenkon struktion nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (20) jedes Elemententrägers aus Bändern besteht, die in ihrer Längsausdehnung parallel zueinander liegen, und daß die Deckschichten (24-, 34·) jedes dieser Kern© ein epoxyνerstarktes Gewebe enthalten, dessen Kettrichtung parallel zur Richtung (22) der Längsausdehnung der Bänder des betreffenden Kerns und senkrecht zur Srstreckungsrichtuag der zugeordneten Reflexionselemente (33) verläuft»

   Antennenkoastruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5? dadurch gekennzeichnet, daß das Spaatensystem (16) mehrere ringförmige Spanten (44, 4-6) und radial laufende Spanten (54- bis 60) aufweist, die zwischen den Elemententrägern angeordnet und mit diesen verbunden sind.

   Antennenkonstruktion nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Spanten (44-, 4-6) im Abstand und konzentrisch zueinander verlaufen und daß sich die radialen Spanten (54- bis 60) speichenartig zwischen den konzentrischen Spgsten erstrecken.

   Antennenkonstruktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der konvexen Seite des zweiten El em en tenträgers mehrer© von diesen Seiten fortweisenda rohrförmige Beine (80 bis 86) befestigt sind und daß jedes dieser Beine an einer Stelle angeordnet ist, wo einer

   der ringförmigen Spanten (44) mit einem radialen Spant (54, 56, 58, 60) zusammentrifft.

   9. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemententräger und

   das Spantensystem aus epoxyverstarktem Polyparabenzamid-Gewebe hergestellt sind.

   10. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Reflektoren (12,

   14) einen Scheitelpunkt (V^, V^j) nahe seinem Rand und einen Brennpunkt (J^, F^) hat, und daß die Reflektoren so angeordnet sind, daß die Scheitelpunkte im Abstand zueinander liegen und daß die Brennpunkte im Abstand
   zueinander liegen.