DE3728976A1 - Cassegrain-antenne fuer den mikrowellenbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Cassegrain-Antenne für den Mikrowellenbereich, insbesondere Millimeterwellenbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Antenne ist beispielsweise aus dem Artikel von Peter W. Hannan:­ "Microwave Antennas Derived from the Cassegrain Telescope" erschienen in: IRE Trans. Antennas Propagat.; Vol. AP-9 (März 1961), Seite 136-149 bekannt.

Im Mikrowellenbereich, insbesondere Millimeterwellen­ bereich werden Cassegrain-Antennen häufig eingesetzt, z.B. als Millimeterwellen-Radarsensoren, in Peilsystemen oder in der hochfrequenten Datenübertragung wie z.B. in Richt­ funkstrecken.

Cassegrain-Antennen sind Doppelreflektorantennen, die in ihrem Aufbau dem aus der Optik bekannten Cassegrain- Teleskop entlehnt worden sind. Die wesentlichen Bau­ elemente sind der Hauptreflektor, der Subreflektor und die Speiseeinrichtung. Üblicherweise ist die Kontur des Haupt­ reflektors parabolisch konkav gekrümmt, während die Kontur des Subreflektors hyperbolisch konvex gekrümmt ist. Sub­ reflektor, Hauptreflektor und Speiseeinrichtung sind dabei so angeordnet, daß der virtuelle Brennpunkt des Sub­ reflektors mit dem Brennpunkt des Hauptreflektors zu­ sammenfällt und daß die Speiseeinrichtung sich im realen Brennpunkt des Subreflektors befindet.

Je nach Anwendungszweck sind aber auch andere Bauformen denkbar. So kann beispielsweise die Kontur des Sub­ reflektors planar oder elliptisch konkav gekrümmt sein, während die Kontur des Hauptreflektors parabolisch konkav gekrümmt ist. Ferner kann die Kontur des Hauptreflektors planar und die des Subreflektors hyperbolisch konkav gekrümmt sein. Es gibt auch Cassegrain-Antennen mit einem parabolisch konvex gekrümmten Hauptreflektor und einem elliptisch konkav gekrümmten Subreflektor.

Mit Cassegrain-Antennen können insbesondere bei höheren Frequenzen beispielsweise im Millimeterwellenbereich höhere Wirkungsgrade erzielt werden als mit planaren Antennen. Außerdem kann im Gegensatz zu den üblichen Cassegrain-Antennen mit einer planaren Antenne nur je­ weils eine Polarisationsrichtung realisiert werden.

Im Vergleich mit konventionellen Einzelreflektor-Antennen haben Cassegrain-Antennen den Vorteil, daß mit ihnen flachere Bauformen realisiert werden können. Nachteilig wirkt sich bei ihnen aus, daß der zentrale Antennen­ bereich durch den Subreflektor abgeschattet wird, so daß sich dadurch im Antennendigramm der Nebenkeulenabstand verringert.

Bei der Twisting-Cassegrain-Antenne, die ebenfalls in dem eingangs genannten Artikel von Peter W. Hannan be­ schrieben wird, werden diese Abschattungseffekte weit­ gehend vermieden, allerdings nur jeweils für eine Polarisationsrichtung. Der Fertigungsaufwand für Cassegrain-Antennen dieser Art ist extrem hoch. Außerdem werden höchste Anforderungen an die Fertigungstoleranzen gestellt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Cassegrain- Antenne zu schaffen, welche bei jedem für die Antenne zur Verfügung stehenden Volumen, insbesondere bei einer möglichst flachen Bauform, für beliebige Polarisations­ richtungen einen möglichst hohen Antennengewinn und einen möglichst großen Nebenkeulenabstand aufweist. Die er­ findungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten weitere Details vorteilhafter Ausführungsformen.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht für ein vorgegebenes Speisesystem, bestehend aus einer Speiseeinrichtung mit einem Öffnungswinkel α des Strahlungsdiagramms und einem Subreflektor, einen Hauptreflektor vor, der aus mehreren konkav gekrümmten Kreisringen mit unterschiedlichem Außendurchmesser besteht, die konzentrisch und in Stufen versetzt angeordnet sind.

Vorzugsweise handelt es sich dabei um kreisringförmige Paraboloidausschnitte, die unterschiedliche Brennweiten haben, wobei die Brennweite eines Paraboloidausschnitts mit einem größeren Außendurchmesser größer ist als die Brennweite eines Paraboloidausschnittes mit einem kleineren Außendurchmesser. Vorzugsweise unterscheiden sich dabei die Brennweite benachbarter Paraboloidaus­ schnitte annähernd um ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge λ/2 einer vorgegebenen Mikrowellenlänge (z.B. des Mittelwerts aus einem vorgegebenen Frequenz­ band).

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung werden im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Cassegrain-Antenne im Querschnitt

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Cassegrain-Antenne im Quer­ schnitt

Fig. 3 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Cassegrain-Antenne im Quer­ schnitt

Fig. 4 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Cassegrain-Antenne im Quer­ schnitt mit relativ zueinander verschiebbaren Paraboloidausschnitten des Hauptreflektors.

Der Übersichtlichkeit halber sind die Bauteile der ein­ zelnen Ausführungsbeispiele in den Figuren einheitlich durchnumeriert. Mit 1 wird die Speiseeinrichtung be­ zeichnet, mit 2 der Subreflektor, mit 3 der Haupt­ reflektor, mit 4 das Einbauvolumen für die Antenne bzw. das Formteil zur Aufnahme des Hauptreflektors 3, mit 31, 33, 35 die einzelnen kreisringförmigen Paraboloidaus­ schnitte des erfindungsgemäßen Hauptreflektors, mit 32, 34 die nichtstrahlenden kreisförmigen Flächen des erfindungs­ gemäßen Hauptreflektors 3, mit 41, 43, 45 Teile des Ein­ bauvolumens für die Antenne bzw. des Formteils 4 zur Aufnahme des Hauptreflektors 3, mit D der Durchmesser des Einbauvolumens für die Antenne, mit D 3 der Außendurch­ messer des Hauptreflektors 3 der herkömmlichen Cassegrain-Antenne mit D 2 der Außendurchmesser des Sub­ reflektors 2, mit D 31, D 33, D 35 der Außendurchmesser des jeweiligen Paraboloidausschnitts 31, 33, 35 und mit D 32, D 34 der Außendurchmesser der jeweiligen nichtstrahlenden kreisförmigen Fläche 32, 34 des erfindungsgemäßen Haupt­ reflektors 3, mit F der Brennpunkt des herkömmlichen Hauptreflektors 3 bzw. der Paraboloidausschnitte 31, 33, 35 des erfindungsgemäßen Hauptreflektors 3, mit L die Tiefe des Einbauvolumens für die Antenne bzw. die kleinste Brennweite des Hauptreflektors 3, mit α der Öffnungswinkel des Strahlungsdiagramms der Speiseeinrichtung 1, mit λ die Wellenlänge einer vorgegebenen Mikrowelle (n, m: beliebige Zahlen) und mit S der Scheitel des Hauptreflektors 3.

Die erfindungsgemäße Lösung gemäß den Fig. 2 bis 4 sieht für ein vorgegebenes Speisesystem, bestehend aus Speiseeinrichtung 1 mit dem Öffnungswinkel α des Strahlungs­ diagramms und dem Subreflektor 2, einen in kreisring­ förmige Paraboloidausschnitte 31, 33, 35 unterteilten Hauptreflektor 3 vor (Fig. 2). Im dargestellten Beispiel besitzt Abschnitt 31 eine Brennweite von L; die Abschnitte 33 und 35 haben Brennweiten von L + n · bzw. L + m · , wobei die ganzzahligen Größen n und m frei gewählt werden können. Die aus ihrem gemeinsamen virtuellen Brennpunkt F gespeisten Paraboloidausschnitte 31, 33, 35 wandeln die aus F einfallenden sphärischen Phasenfronten in ebene Phasenfronten senkrecht zur Paraboloidachse um. Die Anzahl der Reflektorsegmente kann nach obiger Bedingung frei gewählt werden, ebenso die Größe der einzelnen Aus­ schnitte.

Wird wie in den Figuren für eine Antenne ein Volumen mit dem Durchmesser D und der Höhe L für den Einbau fest vorgegeben, so kann dieses durch die erfindungsgemäße Lösung voll ausgenutzt werden. Die Wahl der Parameter n und m sowie gegebenenfalls zusätzliche Reflektoraus­ schnitte ermöglichen dies. Die Vorteile der erfindungs­ gemäßen Lösung werden besonders im direkten Vergleich mit einer herkömmlichen Cassegrain-Antenne deutlich, welche gemäß Fig. 1 in das gleiche Volumen gebaut werden soll. Bei einer Brennweite von L besitzt die herkömmliche Cassegrain-Antenne einen Durchmesser D 3 und stellt für das vorgegebene Volumen und das vorgegebene Speisesystem keine optimale Lösung dar, da der zur Verfügung stehende Durch­ messer im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Lösung nicht voll ausgenutzt werden kann. Ebenso ist das relative Blocking (D 3/ D 2) größer als das der erfindungsgemäßen Lösung (D 35/ D 2).

Der Antennengewinn sowie der Nebenkeulenabstand können daher durch die erfindungsgemäße Lösung gleichzeitig auf optimale Werte für das vorgegebene Volumen gebracht werden, welche die der herkömmlichen Cassegrain-Antenne gemäß Fig. 1 übertreffen.

Die bei dieser Lösung entstehenden kreisringförmigen Bereiche 32, 34 werden vom Speisesystem 1, 2 nicht be­ leuchtet und stellen somit nichtstrahlende Flächen dar. Ihre Gesamtfläche kann jedoch in jedem Falle kleiner gehalten werden als die der nichtstrahlenden Fläche 30 bei der herkömmlichen Cassegrain-Antenne gemäß Fig. 1.

Die nichtstrahlenden kreisringförmigen Flächen 32, 34 können wie in Fig. 2 als kegelstumpfförmige Stufen aus­ gebildet sein, wobei Stufen 32 oder 34 zwischen benach­ barten Paraboloidausschnitten 31, 33 oder 33, 35 zu Kegeln gehören, deren Spitze jeweils annähernd im Brennpunkt F des Paraboloidausschnitts 31 oder 33 mit dem jeweils kleineren Außendurchmesser D 31 oder D 33 liegt.

Alternativ hierzu können, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, die nichtstrahlenden Flächen 32, 34 zwischen benachbarten Paraboloidausschnitte 31, 33, 35 auch zylindrisch aus­ gebildet werden, wobei die Hauptachsen der Zylinder mit den Hauptachsen der Paraboloidausschnitte 31, 33, 35 zusammenfallen.

Darüber hinaus stellen die durch die nichtstrahlenden Flächen 32, 34 entstehenden Schattenbereiche Nullstellen in der Stromverteilung auf der Antennenapertur dar.

Diese können bei geeigneter Verteilung zur näherungsweisen Realisierung von Stromverteilungsfunktionen ausgenutzt werden, welche einen großen Nebenkeulenabstand oder andere Besonderheiten des Antennen-Diagramms gewährleisten.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Wissen auf vielerlei Art und Weise abgewandelt, weiter­ entwickelt oder an die unterschiedlichen Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

Ebenso wie bei vorgegebenen Gesamtvolumen eine optimale Antenne durch die erfindungsgemäße Lösung gefunden werden kann, so kann z. B. auch bei anderen baulichen Ein­ schränkungen (Hauptreflektortiefe, Subreflektor-Durch­ messer, Abstand Speiseeinrichtung-Subreflektor, Eintauch­ tiefe der Speiseeinrichtung in den Hauptreflektor) eine jeweils optimale Antenne unter Ausnutzung allen zur Ver­ fügung stehenden Volumens gefunden werden, was mit einer Cassegrain-Antenne nicht möglich ist. Die Wahl der Parameter n, m sowie der Anzahl der Ausschnitte gewähr­ leistet dies.

Ferner bleibt bei der erfindungsgemäßen Lösung die Möglichkeit der Variation der Phase des Aperturfeldes durch Abweichung von der Parabolform bzw. Wahl von nicht ganzzahligen Parametern n und m voll gegeben. Schließlich kann (beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4), durch Verschiebung der einzelnen Paraboloidausschnitte 31, 33, 35 in ihrer Lage relativ zueinander (z.B. entlang der Hauptachse der Paraboloidausschnitte) die Antenne auf einfache Weise an die Wellenlänge λ der verwendeten Mikrowelle angepaßt werden.

Die Beispiele in der Fig. 2 bis 4 stellen die Realisierung mit den größten Abschattungseffekten dar. Wird die Brenn­ weite des innersten Reflektorabschnitts 31 größer als L gewählt, so werden mit wachsender Brennweite auch die Abschattungszonen kleiner.

Denkbar ist auch, den Hauptreflektor im Scheitel S eines der Paraboloidausschnitte um das Speisesystem, bestehend aus Speiseeinrichtung und Subreflektor schwenkbar anzubringen.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind der hohe Wirkungsgrad und die einfache und preiswerte Her­ stellung. Beispielsweise kann der Hauptreflektor als Formpreßteil realisiert werden. Schließlich kann die erfindungsgemäße Lösung bei Anwendungen, bei denen es nur darauf ankommt, die Antenne nur jeweils bei einer be­ stimmten Polarisation mit hohen Antennengewinn und großen Nebenkeulenabstand zu betreiben, auch als Twisting- Cassegrain-Antenne realisiert werden.

Claims (16)

1. Cassegrain-Antenne für Mikrowellen, insbesondere Millimeterwellen, mit einer Speiseeinrichtung, einem Subreflektor und einem Hauptreflektor, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hauptreflektor (3) aus mehreren konkav gekrümmten Kreisringen (31, 33, 35) mit unterschiedlichem Außendurchmesser (D 31, D 33, D 35) besteht und daß die Kreisringe (31, 33, 35) konzentrisch und in Stufen ver­ setzt angeordnet sind.

2. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kreisringe (31, 33, 35) kreisringförmig ausgebildete Paraboloidausschnitte sind.

3. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Paraboloidausschnitte (31, 33, 35) unterschiedliche Brennweiten aufweisen und daß die Brenn­ weite eines Paraboloidausschnittes (33 oder 35) mit dem größeren Außendurchmesser (D 33 oder D 35) größer ist als die Brennweite eines Paraboloidausschnittes (31 oder 33) mit dem kleineren Außendurchmesser (D 31 oder D 33).

4. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Brennweiten benachbarter Paraboloidausschnitte (31, 33 oder 33, 35) annähernd um ein ganzzahliges Vielfaches (n oder m) der halben Wellen­ länge (λ/2) einer vorgegebenen Mikrowellenlänge unter­ scheiden.

5. Cassegrain-Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Paraboloidausschnitte (31, 33, 35) einen gemeinsamen Brennpunkt (F) haben.

6. Cassegrain-Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite (S-F) des Paraboloidausschnittes (31) größer oder kleiner ist als die gesamte Tiefe (L) des Hauptreflektors (3).

7. Cassegrain-Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (32 oder 34) zwischen benachbarten Paraboloidausschnitten (31, 33 oder 33, 35) kegelstumpfförmig ausgebildet sind und daß die Spitzen der zugehörigen Kegel jeweils annähernd im Brenn­ punkt des Paraboloidausschnittes (31 oder 33) mit dem jeweils kleineren Außendurchmesser (D 31 oder D 33) liegen.

8. Cassegrain-Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (32 oder 34) zwischen benachbarten Paraboloidausschnitten (31, 33 oder 33, 35) zylindrisch ausgebildet sind und daß die Haupt­ achsen der Zylinder (32, 34) mit den Hauptachsen der Paraboloidausschnitte (31, 33, 35) zusammenfallen.

9. Cassegrain-Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Paraboloidausschnitte (31, 33, 35) an einem Formteil (4) angebracht sind und in ihrer Lage zueinander fixiert sind.

10. Cassegrain-Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Paraboloidaus­ schnitte (31, 33, 35) an einem aus mehreren beweglichen Teilen (41, 43, 45) bestehenden Formteil (4) jeweils an einem dieser Teile (41, 43, 45) angebracht sind und in ihrer Lage zueinander entlang ihrer Hauptachse verschieb­ bar sind.

11. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Subreflektor (2) eine konvex hyperbolisch gekrümmte Kontur hat.

12. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Subreflektor (2) eine konkav elliptisch gekrümmte Kontur hat.

13. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Subreflektor (2) eine planare Kontur aufweist.

14. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hauptreflektor (3) relativ zum Sub­ reflektor im Scheitel (S) schwenkbar ist.

15. Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hauptreflektor (3) mindestens ein Formpreßteil (4; 41, 43, 45) ist.

16. Cassegrain-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Twisting- Cassegrain-Antenne.