DE3638461A1 - Antennensystem fuer mehrfachausnutzung des spektrums durch orthogonale polarisationen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein linear polarisiertes Reflektor-Antennensystem und betrifft insbesondere ein von Hornstrahlern gespeistes Antennensystem mit doppeltem Gitterreflektor für orthogonale Polarisationsrichtungen. Ein derartiges System enthält einen ersten Reflektor aus einem Gitter linearer Leiter, die entsprechend der Polarisation einer ersten Speiseeinrichtung orientiert sind. Der erste Reflektor überlappt einen zweiten Reflektor, der aus einem zweiten Gitter linearer Leiter besteht, die orthogonal zu den Leitern des ersten Gitters orientiert sind, im Einklang mit der orthogonalen Polarisation einer zweiten Speiseeinrichtung.

Ein Antennensystem dieses Typs, bei welchem die erste und die zweite Speiseeinrichtung aus einer Gruppe von Hornstrahlern bestehen, wird sehr häufig in Nachrichtensatelliten verwendet, um Strahlenbündel definierter Gestalt zu bilden und dabei das Frequenzspektrum durch orthogonale Linearpolarisation mehrfach auszunutzen. In einem solchen Anwendungsfall ist es zweckmäßig, wenn die Antenne kompakt und leicht ist. Jeder der Reflektoren ist ein Abschnitt eines Rotationsparaboloids mit einem Gitter eng beabstandeter paralleler Leiter oder Reflektorelemente, die parallel zu einer der beiden orthogonalen Linearpolarisationsrichtungen orientiert sind. Die Reflektoren sind so angeordnet, daß ihre Achsen gegeneinander versetzt und zueinander parallel sind. Das Leitergitter in jedem der Abschnitte oder "Parabolschüsseln" verläuft so, daß die Leiter, gesehen aus einiger Entfernung in Ausbreitungsrichtung (d. h. in Richtung der parallelen Reflektorachsen) zueinander parallel erscheinen. Die Hornstrahler sind an den Brennpunkten der zugeordneten Reflektoren angeordnet. Ein Beispiel für ein solches System ist in der US-Patentschrift 38 98 667 beschrieben.

Die Reflektoren des bekannten Antennensystems, wie es in der vorstehend genannten US-Patentschrift offenbart ist und bei welchem die Reflektorachsen und die Brennpunkte zueinander versetzt liegen, haben leider auch die Wirkung, daß kreuzpolarisierte (ungewollte) Signale von den parallelen Elementen in der Oberfläche jeweils des einen Reflektors abgestreut werden, fort von derjenigen Speiseeinrichtung bzw. dem kopolarisierten (gewollten) Signal, das dem anderen Strahlreflektor zugeordnet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kreuzpolarisation bei einem solchen Antennensystem mehr zu unterdrücken, und zwar durch Maßnahmen, die billig sind und wenig zusätzliches Gewicht erfordern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht aus von einem zur Mehrfachausnutzung des Spektrums ausgelegten Antennensystem mit einem ersten Reflektor, der ein erstes Gitter linearer Leiter in einer bestimmten Orientierung enthält und einen zweiten Reflektor überlappt, der ein zweites Gitter in einer zweiten, orthogonalen Orientierung enthält, und mit entsprechend polarisierten Speiseeinrichtungen in Form von Hornstrahlern oder Gruppen von Hornstrahlern, die im oder nahe an den zueinander versetzten Brennpunkten der Reflektoren angeordnet sind. Zur Verbesserung des Kreuzpolarisationsverhaltens ist erfindungsgemäß nahe der Apertur jedes der Hornstrahler ein Gitter linearer Leiter vorgesehen, die orthogonal zu den Leitern des dem betreffenden Hornstrahler zugeordneten Reflektors orientiert sind.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine Vorderansicht eines Doppelgitter- Antennensystems zur Verwendung an einem Satelliten, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Reflektorstruktur des Antennensytems nach Fig. 1, gemäß der Linie 2-2 in dieser Figur;

Fig. 3a zeigt die horizontal polarisierte Hornstrahlergruppe aus der Blickrichtung der Reflektoren;

Fig. 3b zeigt die vertikal polarisierte Hornstrahlergruppe aus der Blickrichtung der Reflektoren;

Fig. 4 zeigt ein Beleuchtungsgebiet des Antennensystems mit Konturlinien, welche den Grad der Entkopplung für den Fall angeben, daß keine Gitter vor den Hornstrahlern angeordnet sind;

Fig. 5 zeigt die Entkopplungs-Konturlinien bei vorhandenen Gittern vor der Hornstrahlern gemäß der Erfindung;

Fig. 6 zeigt das Beleuchtungsdiagramm kopolarisierter Wellen im Bestrahlungsgebiet für den Fall fehlender Gitter vor den Hornstrahlern;

Fig. 7 zeigt das Beleuchtungsdiagramm kopolarisierter Wellen bei vorhandenen Gittern vor den Hornstrahlern gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Antennensystem 11, das an einer Wandung eines Satelliten 10 befestigt ist. Das Antennensystem 11 weist einen Parabolreflektor 13 auf, der aus einer parabolisch geformten dielektrischen Schüssel und einem Gitter horizontal polarisierter Leiter 16 a besteht und in überlappender Weise über einem zweiten Parabolreflektor 15 angeordnet ist, der ebenfalls aus einer parabolisch geformten dielektrischen Schüssel und einem Gitter vertikal polarisierter Leiter 15 a besteht.

In der Fig. 1 ist ein Teil des vorderen Reflektors 13 fortgebrochen, um das Gitter des hinteren Reflektors 15 zu zeigen. Das Antennensystem 11 ist mittels Stützpfosten 17, 18, 19 und 20 an einer Oberfläche 10 a des Satelliten- Hauptkörpers 10 befestigt. Diese Pfosten halten den hinteren Parabolreflektor 15 an der Oberfläche 10 a des Satellitenkörpers 10 fest. Der vordere oder äußere Parabolreflektor 13 ist seinerseits am Reflektor 15 befestigt, z. B. mit Hilfe eines am Umfang laufenden dielektrischen Rings 16, der sich zwischen den Reflektoren 13 und 15 erstreckt. Die genannten Reflektoren können noch zusätzlich über Versteifungsrippen aneinander befestigt sein. Ein typisches Beispiel für solche Versteifungrippen ist in der Patentanmeldung P 35 36 581.1-35 beschrieben.

Die Reflektoren 13 und 15 sind Abschnitte eines Rotationsparaboloids, dessen Scheitel jeweils nahe des unteren Randes des Reflektors liegt, wie es in Fig. 2 angedeutet ist. Der Scheitel für den Parabolreflektor 13 liegt bei V 1, während sich der Scheitelpunkt für den zweiten Reflektor 15 am Ort V 2 befindet. Die beiden Parabolreflektoren sind zueinander versetzt angeordnet, wie es die beabstandeten Orte der Scheitelpunkte V 1 und V 2 zeigen, und zwar derart, daß die leicht zueinander versetzt liegenden Brennachsen der beiden Reflektoren parallel zueinander laufen. Dies entspricht der Anordnung nach der weiter oben genannten US-Patentschrift 38 98 667, bei welcher die kreuzpolarisierten Felder, die von den parallelen Elementen an einer Oberfläche jedes Reflektors aus einem oder mehreren Hornstrahlern der dem betreffenden Reflektor zugeordneten Gruppe erzeugt werden, vom kopolarisierten Strahl des jeweils anderen Reflektors weggestreut werden.

Das Antennensystem enthält für jede der beiden Polarisationen eine Gruppe von Speise-Hornstrahlern 21 bzw. 23, die in den Fig. 3a und 3b dargestellt sind und dem jeweiligen Strahlenbündel die gewünschte Gestalt geben. Die Versetzung zwischen den beiden Reflektoren ist genügend groß, damit um jeden Brennpunkt ausreichend Raum für die Hornstrahlergruppen vorhanden ist.

Die horizontal polarisierte Hornstrahlergruppe 21 befindet sich am Brennpunkt F 1 des Parabolreflektors 13, der die horizontalen Gitterleiter 13 a enthält (vgl. Fig. 2 und 3a). Die Strahlergruppe 21 ist insgesamt bezüglich des Brennpunktes F 1 zentriert, wie es die Fig. 3a zeigt. Die vertikal polarisierte Hornstrahlergruppe 23 befindet sich am Brennpunkt F 2 des Reflektors 15, der die vertikalen Gitterleiter 15 a enthält. Die Strahlergruppe 23 ist in ihrer Gesamtheit bezüglich des Brennpunktes F 2 zentriert, wie es die Fig. 3b zeigt. Jede Hornstrahlergruppe ist auf die Mitte des jeweils zugeordneten Reflektors gerichtet, um den Reflektor hauptsächlich in seiner Mitte voll zu beleuchten.

Jeder der horizontal polarisierten Hornstrahler der Gruppe 21 ist dazu ausgelegt, horizontal polarisierte HF-Wellen abzustrahlen und zu empfangen. In ähnlicher Weise ist jeder der vertikal polarisierten Speisehornstrahler der Gruppe 23 dazu ausgelegt, vertikal polarisierte HF-Wellen abzustrahlen und zu empfangen. Die Fig. 3a und 3b zeigen auch die jeweiligen Eingangs-Wellenleiter (Hohlleiter) am Trichterhals der einzelnen Hornstrahler. Die Eingangs- Wellenleiter 22 der Hornstrahler in der Gruppe 21 haben in der Breite eine geringere Abmessung als in der Höhe, so daß sie Wellen leiten, deren E-Felder senkrecht zu den vertikalen großen Flächen gerichtet sind; diese Wellenleiter regen also horizontal polarisierte Wellen an. Die Eingangs-Wellenleiter 24 der Hornstrahler in der Gruppe 23 haben in der Breite eine größere Ausdehnung als in der Höhe, so daß diese Wellenleiter vertikal polarisierte Wellen anregen. Die Gruppen 21 und 23 sind durch einen in Fig. 2 dargestellten Haltearm 30 am Satellitenkörper 10 befestigt.

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist über die Apertur der horizontal polarisierten Hornstrahlergruppen 21 ein Gitter 21 a aus vertikalen Leitern gelegt. Das Gitter 21 a liegt also nahe oder angrenzend an jedem Hornstrahler der Gruppe 21 (vgl. Fig. 2 und 3). Dieses Gitter 21 a vertikaler Leiter (in Fig. 3a gezeigt) kann gebildet werden durch eine Folie oder Platte eines Dielektrikums wie z. B. Mylar oder eines anderen dielektrischen Materials, auf die flache Leiter aufgedruckt oder anderweitig aufgebracht sind. Diese Leiter können z. B. eine 7 bis 8 µm dicke Kupferfolie sein. Die Gitterplatte kann auf einem Rahmen 21 b montiert sein, der über einen Flansch 31 am Haltearm 30 für die Hornstrahler befestigt ist, so daß die Platte flach gegen die Hornstrahler gedrückt bleibt.

Der Abstand zwischen den Leitern des Gitters 21 a und die Größe der Leiter sind jeweils so wie bei den Gittern 13 a und 15 a der Reflektoren 13 und 15. Hiermit wird erreicht, daß zwischen dem Reflektor 13 und den zugeordneten Hornstrahlern eine Signalkopplung mit geringer Dämpfung stattfindet und dennoch vertikal polarisierte Signale, die vom Leitergitter 15 a kommen, optimal unterdrückt werden. Die Breite der Leiter kann z. B. 0,07 bis 0,08 mm betragen und der Mitte-Mitte-Abstand der Leiter bei etwa 0,5 mm liegen; eine solche Ausführungsform wurde bei Frequenzen von 11 und 14 GHz erfolgreich getestet. Die Geometrie der Gitter (Abstand und Breite der Leiter) ist so gewählt, daß der beste Kompromiß erzielt wird zwischen einerseits der geringsten Durchlaßdämpfung für die kopolarisierte Komponente und andererseits der höchsten Reflexionskraft für die kreuzpolarisierte Komponente.

Über der Apertur der vertikal polarisierten Hornstrahlergruppe 23 liegt ein Gitter 23 a horizontal polarisierter Leiter, die denselben Abstand und dieselbe Breite haben wie die Leiter in den Reflektoren 13 und 15. Auch hier liegt das Gitter 23 a nahe oder angrenzend an jedem Hornstrahler der Gruppe 23 (vgl. Fig. 3b). Dieses Gitter ist ebenfalls vorzugsweise eine Platte aus dielektrischem Material wie z. B. Mylar, auf die flache Leiter aufgedruckt oder anderweitig aufgebracht sind. Die Platte kann an einem Rahmen 23 b befestigt sein, der einerseits über einen Flansch 33 am Haltearm 30 für die Hornstrahler festgehalten wird.

Es wurde experimentell gefunden, daß sich die Unterdrückung von Kreuzpolarisation (Kreuzpolarisationsdämpfung) verbessert, wenn man die beschriebenen Gitter an der Apertur der Hornstrahlergruppen verwendet. Die Fig. 4 zeigt den Kreuzpolarisationseffekt ohne Vorhandensein der Gitter an den Hornstrahlern für einen die westliche Hälfte der USA beleuchtenden Strahl, und die Fig. 5 zeigt die Verminderung der Kreuzpolarisationseffekte im Falle vorhandener Gitter an den Hornstrahlern. Dargestellt in jeder dieser Figuren ist die Kopolarisation minus der Kreuzpolarisation, d. h. die eingezeichneten Konturlinien geben die Entkopplung zwischen Signalen unterschiedlicher Polarisation wieder. Die Messungen wurden für eine Betriebsfrequenz von 11,76 GHz vorgenommen. In beiden Figuren sind Konturlinien für Entkopplungswerte 44 db, 40 db, 36 db und 32 db eingezeichnet. Die Verbesserung, die sich durch Anordnung der Gitter vor den Hornstrahlern ergibt, läßt sich aufgrund folgender Beobachtungen erkennen:

1) Im Falle der Fig. 4, d. h. ohne vorhandene Gitter vor irgendeinem der Hornstrahler, ist für den größten Teil der westlichen Vereinigten Staaten die Entkopplung schlechter als 32 db, denn der größte Teil des Gebietes liegt außerhalb aller gestrichelt eingezeichneten Konturen;

2) Im Falle der Fig. 5, d. h. bei vorhandenen Gittern vor den Hornstrahlern, ist im westlichen Teil der Vereinigten Staaten die Entkopplung besser als 32 db und beträgt über einen großen Teil des abgedeckten Gebiet sogar 36 db.

Die Fig. 6 und 7 zeigen gemessene Kopolarisations- Strahlungsdiagramme für die beiden Strahlen im einen Fall mit und im anderen Fall ohne Gitter vor den Hornstrahlern. Die Figuren offenbaren, daß die Gitter vor den Hornstrahlern die kopolarisierten Signale nicht wesentlich beeinträchtigen.

Claims (5)

1. Antennensystem für Mehrfachausnutzung des Spektrums mit einem ersten linear polarisierten Reflektor, der ein erstes Gitter linearer, in einer ersten Polarisationsrichtung orientierter Leiter enthält und einen zweiten linear polarisierten Reflektor überlappt, der ein zweites Gitter linearer Leiter enthält, die in einer zweiten Polarisationsrichtung orientiert sind, welche orthogonal zur ersten Polarisationsrichtung ist, ferner mit einer ersten Hornstrahler-Speiseeinrichtung, die sich an oder nahe dem Brennpunkt des ersten polarisierten Reflektors befindet und so ausgelegt ist, daß sie über ein gegebenenes Frequenzband elektromagnetische Wellen koppelt, die in der ersten Richtung linear polarisiert sind, und mit einer zweiten Hornstrahler-Speiseeinrichtung, die an oder nahe einem Brennpunkt des zweiten polarisierten Reflektors angeordnet und so ausgelegt ist, daß sie über das gegebene Frequenzband elektromagnetische Wellen koppelt, die in der zweiten Richtung linear polarisiert sind, dadurch gekennzeichet, daß zur Verminderung der Kopplung kreuzpolarisierter Wellen folgendes vorgesehen ist:
ein nahe der ersten Hornstrahler-Speiseeinrichtung (21) befindliches drittes Gitter linearer Leiter (21 a), die in der zweiten Richtung (V) orientiert sind;
ein nahe der zweiten Hornstrahler-Speiseeinrichtung (23) angeordnetes viertes Gitter linearer Leiter (23 a), die in der ersten Richtung (H) orientiert sind.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitte-Mitte-Abstand zwischen den linearen Leitern und die Breite und die Dicke der linearen Leiter (21 a, 23 a) in jedem der dritten und vierten Gitter so gewählt sind, daß die jeweils unerwünschten kreuzpolarisierten Signale reflektiert werden, ohne die jeweils gewünschten polarisierten Signale in einem wesentlichen meßbaren Maß zu dämpfen.

3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Leitern und die Breite der Leiter in jedem der dritten und vierten Gitter (21 a, 23 a) im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Leitern und der Breite der Leiter des jeweils zugeordneten Exemplars der Reflektoren (13, 15) sind.

4. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte und das vierte Gitter (21 a und 23 a) die jeweiligen Leiter auf jeweils einer dünnen dielektrischen Platte oder Folie enthalten.

5. Antennensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte und das vierte Gitter (21 a und 23 a) jeweils aus einer dünnen Metallfolie bestehen.