DE3624897C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein derartiges Antennensystem ist aus der GB-PS 7 41 897 bekannt. Bei diesem bekannten Antennensystem erfolgt die Energieabstrahlung in herkömmlicher Weise unter Ausnutzung der Strahlungshauptkeule, welche sich vom benachbart zum Reflektor gelegenen Ende der Wendel in Richtung des freien Wendelendes erstreckt. Eine nennenswerte Energieabstrahlung in entgegengesetzter Richtung wird durch besagte Scheibe verhindert, deren Abmessungen den Durchmesser der Wendel übertrifft. Aus diesem Grunde ist dieses bekannte Antennensystem nicht dazu geeignet, im Rückstrahlmodus betrieben zu werden.

Antennensysteme, die im Rückstrahlmodus betrieben werden, sind beispielsweise bekannt aus der US-PS 40 14 028 sowie aus dem Artikel "Frequency characteristics of tapered backfire helical antenna with loaded termination" von H. Nakano et al, IEE Proceedings, Vol. 131, Pt.H., Nr. 3, Juni 1984, Seiten 147 bis 152. Demnach wird ein Rückstrahlmodus jeweils realisiert mit Hilfe eines Primärstrahlers, der die Gestalt zweier Wendel aufweist. Voraussetzung für eine Energieabstrahlung im Rückstrahlmodus ist dabei, daß die Ströme in den beiden Wendeln gleichphasig zueinander verlaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennensystem der in Rede stehenden Art zu schaffen, das eine Energieabstrahlung im Rückstrahlmodus ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach besteht der Kern der Erfindung darin, eine Energieabstrahlung im Rückstrahlmodus auf der Grundlage eines eine einzige Wendel umfassenden Primärstrahlers durch eine geeignete Dimensionierung der Wendel und der Scheibe zu erreichen, die an dem zum Reflektor gelegenen Ende der Wendel am Außenleiter des Koaxialkabels angeschlossen ist, welches als Speiseleitung für den Primärstrahler dient.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden; in dieser zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Antennensystem,

Fig. 2A bis 2C der in dem Antennensystem gemäß Fig. 1 verwendete Primär-Strahler in unterschiedlichen Ausführungsformen,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des Primär-Strahlers,

Fig. 4 eine Ausführungsform des Primär-Strahlers in Gestalt einer auf einem dielektrischen Zylinder ausgebildeten Wendel,

Fig. 5 bis 8 graphische Darstellungen von Meßwerten, die an dem Primärstrahler des erfindungsgemäßen Antennensystems gemäß der Fig. 2 bis 4 ermittelt worden sind,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems;

Fig. 10A und 10B weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antennensystems bzw. dessen Primär-Strahlers,

Fig. 11A, 11B und 11C unterschiedliche Verbindungen des Koaxialkabels des erfindungsgemäßen Antennensystems mit einem externen Schaltkreis,

Fig. 12 und 13 verschiedene Ausführungsformen der Anpassungsscheibe des erfindungsgemäßen Antennensystems und

Fig. 14A, 14B und 14C graphische Darstellungen von Meßwerten, die an dem Primärstrahler des erfindungsgemäßen Antennensystems gemäß den Fig. 12 und 13 ermittelt worden sind.

Das Antennensystem in Fig. 1 umfaßt einen Parabolreflektor 1, in dessen Brennpunkt ein im Rückstrahlmodus betriebener Primärstrahler 5 angeordnet ist. Dieser Primärstrahler 5 ist als in Längsrichtung gedehnte Wendel mit einem Paar äußerer Enden 5a und 5b ausgebildet und entlang der Achse des Reflektors 1 angeordnet. Das nahe zum Reflektor 1 angeordnete Ende 5a dient als Beaufschlagungspunkt und ist an ein Koaxialkabel 6 angekoppelt. Das entfernter vom Reflektor 1 angeordnete andere Ende 5b ist freistehend.

Bei dieser Anordnung wird eine Mikrowelle W durch den Reflektor 1 reflektiert und im Primärstrahler 5 konzentriert.

Die Fig. 2A bis 2C zeigen verschiedene Ausführungsformen der als Primärstrahler dienenden Wendel. Demnach besteht der Primärstrahler 5 aus einer leitfähigen Wendel 8, einem Koaxialkabel 6 und einer Anpassungsscheibe 7, die direkt an den Außenleiter 6a des Koaxialkabels 6 angeschlossen ist. Der Innenleiter 6b des Kabels 6 ist am Punkt 5a an die Wendel 8 angekoppelt. Das andere Ende 5b der Wendel 8 ist freistehend.

Gemäß der Ausführungsform des Primärstrahlers nach Fig. 2A ist die Wendel 8 als Solenoid mit festem Durchmesser über die gesamte Wendellänge ausgebildet. In der Ausführungsform gemäß den Fig. 2B und 2C ist zumindest ein Teil der Wendel 8 konusförmig ausgebildet.

In den Fig. 2A-C ist die Umfangslänge einer Wendelwindung mit S bezeichnet, (α) ist der Steigungswinkel der Wendelwicklung, c die Umfangslänge der Anpassungsscheibe 7 und (β) ist der Öffnungswinkel des Konusteils 8T bzw. 8F. Bei den Ausführungsformen, bei denen die Wendel 8 konusförmig erweitert ist, bezieht sich die Länge S auf den nicht erweiterten Wendelteil. Der Wendeldurchmesser ergibt sich als S/π und der Durchmesser der Anpassungsscheibe als c/π, wobei π = 3,14 ist.

Wie aus den Fig. 3A bis 3C ersichtlich, weist die Wendel 8 am Beaufschlagungspunkt 5a einen sich linear erstreckenden Leiterabschnitt 9 auf, der parallel zur Anpassungsscheibe 7 angeordnet ist.

Der Abstand (a) zwischen der Anpassungsscheibe 7 und dem linearen Leiterabschnitt 9 ist kritisch für die bevorzugte Anpassung zwischen dem Kabel 6 und der Wendel 8 zur Reduzierung des V.S.W.R. (voltage standing wave ratio), dessen Wert durch das Einjustieren des Abstandes (a) minimiert wird. Alternativ hierzu kann dieser Wert auch durch Einstellen des Konuswinkels (β) eingeregelt werden. Beide Einstellmethoden lassen sich auch miteinander kombinieren.

Die Zentralachse der Wendel und der Innenleiter 6b des Koaxialkabels 6 fallen vorzugsweise zusammen mit der Achse des Reflektors 1. Für diese Anordnung ist die Hauptkeule des Primär-Feeders 5 dargestellt durch die gestrichelte Linie MB von Fig. 1. Während des Betriebs wird die vom Reflektor 1 empfangene Mikrowelle W gemäß Fig. 1 reflektiert und im Brennpunkt fokussiert, in welchem der Primärstrahler angeordnet ist. Die Hauptanwendung der Antenne von Fig. 1 liegt im Empfang einer zirkularpolarisierten Welle.

Die soeben beschriebene Antenne weist den Vorteil auf, daß der Aufgabepunkt des Primärstrahlers dem näher zum Reflektor 1 angeordneten Punkt 5a entspricht, so daß deshalb die Länge des Koaxialkabels 6 kurz gewählt sein kann. Dementsprechend ist der Energieverlust in der Zuleitung gering und außerdem stört diese Zuleitung nicht die Kenndaten der Antenne, da sie den Reflektor 1 nicht kreuzt. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Primärstrahler 5 vom Koaxialkabel 6 selbst getragen werden kann, wenn ein starres Koaxialkabel oder ein semi-starres Koaxialkabel als Zuleitung verwendet wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen des bisher beschriebenen Primärstrahlers.

Entsprechend Fig. 3 sind die Anpassungsscheibe 7 und die Wendel 8 mit Polystyrenschaum 10 bedeckt, um die Wendel wasserdicht zu machen, und um eine Verwindung oder Verformung der Wendel zu vermeiden.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Wendel 8 dargestellt. Auf einem zylindrischen dielektrischen Körper 20 ist eine Leiterbahn 21 in Wendelform niedergeschlagen und bildet die Wendel 8. Die leitende Bahn 21 ist auf dem Zylinderkörper mittels eines Plattinierverfahrens, eines Verdampfungsverfahrens oder eines Ätzverfahrens niedergeschlagen.

Einige experimentelle Daten des bisher beschriebenen Primärstrahlers sind in den Fig. 5 bis 8 in Kurvenform dargestellt.

Fig. 5 zeigt den kurvenförmigen Verlauf zwischen der Umfangslänge S der Spule des Primärstrahlers und der Rückwärtsdämpfung der Antenne bzw. des Vorwärts-/Rückwärtsverhältnisses der Antennenstrahlung. Längs der Ordinate ist dieses Verhältnis aufgetragen als 10 log(F/B), wobei F die Stärke der Haupt- oder Vorderkeule ist und B die Stärke der Rückkeule. In Fig. 5 beträgt der Winkel (α) = 6°, der Winkel (β) = 0°, c ist 0,9 S und (λ) ist die Wellenlänge. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist S vorzugsweise zwischen 0,5 · (λ) und 1,2 · (λ) zu wählen, um ein Vorwärts-/Rückwärtsverhältnis größer als 10 dB zu erhalten.

Fig. 6 zeigt den Kurvenverlauf zwischen dem Steigungswinkel (α) und dem Vorwärts-/Rückwärtsverhältnis der Antennenstrahlung, wenn S = 1,0 · (λ) ist, (β) 6° beträgt und c = 0,9 · S ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, liegt der bevorzugte Bereich für den Steigungswinkel (α) zwischen 3° und 20°, um eine Rückwärtsdämpfung größer als 10 dB zu erreichen.

Fig. 7 zeigt den Kurvenverlauf zwischen dem Konuswinkel (β) und dem Vorwärts-/Rückwärtsstrahlungsverhältnis, wenn S = 1,0 · (λ) ist, (λ) 6° beträgt und c = 0,9 · S ist. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, liegt der bevorzugte Bereich von (β) zwischen 0° und 45°, um ein Vorwärts-/Rückwärtsstrahlungsverhältnis größer als 10 dB zu erhalten, wobei (β) = 0 bedeutet, daß die Wendel keinen konusförmigen Abschnitt aufweist.

Fig. 8 zeigt den Kurvenverlauf zwischen der Umfangslänge c der Anpassungsscheibe und dem Vorwärts-/Rückwärtsstrahlungsverhältnis, wenn S = 1,0 · (λ), (α) ist 6°, (β) ist 0°. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, liegt der bevorzugte Bereich für c zwischen 0 und 1,2 · S, wobei c = 0 bedeutet, daß keine Anpassungsscheibe verwendet ist.

Unter Würdigung der in den Fig. 5 bis 8 dargestellten experimentellen Ergebnissen lassen sich folgende Grenzwerte für den vorzugsweisen Betrieb einer Rückstrahl-Wendelantenne ableiten:

0,5 · (λ) ≦ S ≦ 1,2 · (λ)
3° ≦ (α) ≦ 20°
0° ≦ (β) ≦ 45°
0 ≦ c ≦ 1,2 · S.

Nachfolgend sollen weitere für die Praxis bedeutsame Ausführungsformen des vorstehenden Antennensystems bzw. dessen Primärstrahlers beschrieben werden.

In der Ausführungsform von Fig. 9 ist ein Radom bzw. eine Antennenkuppel 25 vorgesehen, das bzw. die die Öffnung des Reflektors 1 abdeckt. Bei dieser Ausführungsform liegt der Brennpunkt des Reflektors 1 bevorzugt zwischen der Linie e-e der Außenkante des Reflektors 1. Es ist ein BS-Konverter 40 zur Frequenzumwandlung zwischen einer Radiowellenfrequenz und einer Zwischenfrequenz vorgesehen, der auf der Rückseite des Reflektors 1 befestigt ist. Die Antennenkuppel 25 besteht aus einer Plastikfolie, die den Durchgang von Mikrowellenenergie nicht behindert. Die Antennenkuppel 25 dient zum wasserdichten Abschluß des Primärstrahlers und ist besonders vorteilhaft, da die Primärstrahler- Zuleitung nicht durch die Antennenkuppel geführt werden muß.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10A wird der Primärstrahler durch ein Radom 26 abgedeckt, und das Koaxialkabel 6 wird mittels einer hohlen Zylinderstrebe 27 abgestützt. Diese Strebe 27 ist ihrerseits mittels einer Schraube am Reflektor 1 befestigt und weist eine Bohrung auf, in der eine Primärstrahler- Zuleitung derart festgelegt ist, daß sie von der Strebe 27 geschützt ist. Diese in Fig. 10A dargestellte Ausführungsform eignet sich besonders für solche Antennen, bei denen die Fokuslänge des Reflektors 1 zu lang ist, um das Koaxialkabel 6 durch die Primärstrahler-Zuleitung selbst abzustützen.

Vorzugsweise besteht zumindest die Oberfläche der Strebe 27 aus leitendem Material. Wenn die Strebe 27 aus dielektrischem Material hergestellt wäre, würde das elektromagnetische Feld gestört werden, was wiederum zur Folge hätte, daß die Kenndaten der Antenne verschlechtert wären.

Fig. 10B zeigt eine Abwandlung zu der Ausführungsform von Fig. 10A. In Fig. 10B ist die Strebe 27 konusförmig verjüngt ausgeführt derart, daß der Durchmesser d₂ der Strebe 27 am Vereinigungspunkt mit dem Koaxialkabel 6 geringer ist als der Durchmesser d₁ der Anpassungsscheibe 7. Durch die konusförmige Ausgestaltung der Strebe wird deren mechanische Festigkeit verbessert, da die Strebe mit dem Reflektor über den dicken Strebenabschnitt verbunden ist.

Die Fig. 11A, 11B und 11C betreffen verschiedene Ausführungsformen der Verbindung des Koaxialkabels 6 mit einem externen Schaltkreis wie beispielsweise einem BS-Konverter (Frequenzwandler). Da der Primärstrahler mittels eines Koaxialkabels ohne die Verwendung eines Wellenleiters beaufschlagt wird, ist die Primärstrahler-Zuleitung 6 direkt mit einer gedruckten Schaltkarte verbunden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 11A ist der Innenleiter des Koaxialkabels 6 mit einem Anschlußstift 33 auf der gedruckten Schaltkarte 32A verbunden. Der Außenleiter des Koaxialkabels 6 ist mit dem Null-Leiter der gedruckten Schaltkarte 32A verbunden. Das Bezugszeichen 30A betrifft das Gehäuse eines Frequenzwandlers, welches die gedruckte Schaltplatine 32A haltert. In Fig. 11B ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in der ein Koaxialkabelverbinder 34 mit dem Gehäuse 30A fest verbunden ist. Das Koaxialkabel 6 ist mit der gedruckten Schaltplatine 32A durch Verwendung des Koaxialkabelsteckers 34A verbunden.

Fig. 11C zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsform der Verbindung nach Fig. 11A. In Fig. 11C ist der Frequenzwandler 40 fest mit der Rückseite des Reflektors 1 verbunden. Der Frequenzwandler 40 umfaßt gedruckte Schaltkarten 32A und 32B, und das Koaxialkabel 6 ist direkt mit der gedruckten Schaltkarte 32A fest verbunden. Damit sind also sowohl der Innenleiter wie auch der Außenleiter des Koaxialkabels 6 direkt mit der gedruckten Schaltkarte verbunden. Die Anordnung von Fig. 11C erlaubt es mit Vorteil, die Größe der Antenne und des dazugehörigen äußeren Schaltkreises zu verringern, wodurch auch der Verlust in der Zuleitung 6 verringert wird.

In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform der Wendel 8 dargestellt. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel 8 integral mit dem Innenleiter 6B des Koaxialkabels 6 ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Wendel 8 dadurch erzeugt, daß der Innenleiter des Koaxialkabels in Form einer Wicklung ausgebildet ist. Die Anordnung von Fig. 12 hat den Vorteil einer hohen mechanischen Festigkeit, da die Wendel 8 integral mit dem Koaxialkabel ausgebildet ist, und daß der Herstellungsprozeß zur Verbindung der Wendel 8 mit dem Koaxialkabel 6 entfällt.

In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform des Aufbaus der Anpassungsscheibe 7 dargestellt. Gekennzeichnet ist die Anpassungsscheibe 7 nach Fig. 13 dadurch, daß sie nicht als flache Scheibe ausgebildet ist, sondern eine flache Vorder­ seite 7a aufweist, sowie eine konisch ausgebildete Rück­ seite 7b. Die flache Seite 7a liegt der Spule 8 gegenüber. Der konisch zulaufende Abschnitt 7b der Scheibe 7 erleichtert die feste Verbindung der Scheibe 7 mit dem Koaxialkabel 6. Da die Scheibe 7 verjüngt bzw. konisch ausgebildet ist, ist sie elektromagnetisch gesehen dünn, aber mechanisch gesehen dick. Mit anderen Worten, wenn die Scheibe 7 dick ausgebildet wäre, würde sie den magnetischen Fluß stören, wodurch die Antennenkenndaten verschlechtert wären. Da die Scheibe 7 jedoch nach Fig. 13 konisch verjüngt ausläuft, verschlechtert sie die Antennenkenndaten nicht und ist außerdem gleichzeitig mechanisch äquivalent zu einer entsprechend gleichmäßig dicken Scheibe, so daß eine hohe mechanische Festigkeit gewährleistet ist.

In den Fig. 14A bis 14C sind experimentelle Kurven dargestellt, die mit einem Exemplar des Primär­ strahlers gewonnen wurde, der eine integrale Wendel gemäß Fig. 12 aufweist sowie eine konisch ausgeformte Anpassungs­ scheibe gemäß Fig. 13. Die Anzahl der Wendelwindungen ist 7, die Frequenz beträgt 12 GHz und der Durchmesser des Reflektors ist 750 mm.

Fig. 14A zeigt die Gewinnkurven des Primärstrahlers (ohne Benutzung eines Reflektors). Bei diesem Experiment ist der Gewinn der Hauptkeule 6,3 dB, der V.S.W.R. beträgt 1,17, das Vorwärts-/Rückwärtsverhältnis beträgt 17 dB und der Gewinn in der ±60°-Richtung beträgt -8 dB.

Fig. 14B zeigt die Gewinnkurven des gesamten Antennensystems, das sowohl den Primärstrahler wie auch den Parabolreflektor aufweist, und Fig. 14C zeigt Detailkurven nahe der Hauptkeule von Fig. 14B. In den Fig. 14B und 14C beträgt der Gewinn 37,5 dB, die Halbwertsbreite (3 dB nach unten) beträgt etwa 2 Grad, der Flankenkeulenpegel ist geringer als -23 dB, und der Rückkeulenpegel ist geringer als -45 dB.

Claims (5)

1. Antennensystem mit einem Reflektor, einem Primärstrahler in Gestalt einer Wendel, der im Brennpunkt des Reflektors annähernd koaxial zu dessen Zentralachse angeordnet ist, mit einer Speiseleitung in Gestalt eines Koaxialkabels, das den Reflektor in dessen Zentrum durchsetzt und die Wendel trägt, und dessen Innenleiter an das benachbart zum Reflektor gelegene Ende der Wendel angeschlossen ist, und mit einer an diesem Ende der Wendel angeordneten Scheibe, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler im Rückstrahlmodus betrieben ist, wobei die Scheibe eine an den Außenleiter (6a) des Koaxialkabels (6) angeschlossene elektrisch leitende Anpassungsscheibe ist, und daß die folgenden numerischen Beziehungen erfüllt sind: 0,5·(λ) ≦ S ≦ 1,2·(λ),
0° ≦ (β) ≦ 45°
3° ≦ (α) ≦ 20°,
0 ≦ c ≦ 1,2 · S,wobei S die Umfangslänge einer Windung der Wendel (8) ist, (α) der Steigungswinkel der Wendelwicklung (8), (β) der Konuswinkel am freien Endabschnitt der Wendel und c die Umfangslänge der Anpassungsscheibe (7).

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (8) aus einer Leiteranordnung (21) besteht, die auf einem dielektrischen Zylinderkörper (20) ausgebildet ist.

3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (8) am Verbindungspunkt mit dem Koaxialkabel (6) einen linearen Abschnitt aufweist und so angeordnet ist, daß dieser lineare Abschnitt parallel zur Anpassungsscheibe (7) verläuft.

4. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (8) integral mit dem Innenleiter (6b) des Koaxialkabels (6) ausgebildet ist.

5. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsscheibe (7) eine der Wendel (8) gegenüberliegende flache Vorderseite (7a) sowie eine konusförmig ausgebildete Rückseite (7b) aufweist.