DE3823056A1 - Richtantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantenne, bestehend aus einem rotationssymmetrischen Hauptreflektor, einem Subreflektor (Fangreflektor) und einem durch eine zentrale Öffnung des Haupt­ reflektors durchgeführten, nahe dem Subreflektor angeordneten Erregerhornstrahler (Cassegrain- bzw. Gregory-Prinzip), bei der der Subreflektor in seiner Mittenzone eine gegenüber der hyper­ bolischen Form konvex vorgezogene Ausbildung aufweist.

Eine solche Antenne ist im wesentlichen durch die DE 29 37 251 C2 bekannt, wobei diese zur genauen mechanischen Einstellung und Gewährleistung guter elektrischer Anpassungswerte vor dem Schei­ tel des Subreflektors angeordnete und gegeneinander verschiebba­ re kegelförmige bzw. kegelstumpfförmige Elemente aufweist.

Richtantennen mit nahe dem Erregerhornstrahler angeordnetem Sub­ reflektor, sogenannte Nahfeldcassegrainerreger, werden hauptsäch­ lich in Parabolspiegelantennen mit Durchmessern von etwa 20 bis 200 Freiraumwellenlängen eingesetzt, um kostengünstige und mon­ tagefreundliche Antennen mit guten Kreuzpolarisationseigenschaf­ ten für Richtfunknetze und die Empfangsanlagen kleinerer Satel­ litenbodenstationen aufzubauen. Der Subreflektor wird vorteil­ haft mit dem Erregerhorn über Stützen zu einem kompakten Erre­ gersystem zusammengefaßt, das im Scheitel des Hauptreflektors einfach zu montieren ist. Elektrische Vorteile ergeben sich, wenn der Subreflektor durch ein schwach dielektrisches Fenster gestützt wird und somit unsymmetrische Störfelder metallischer Stützen vermieden werden.

Nachteile des Nahfeldprinzips gegenüber den aufwendigeren Anten­ nen mit Fernfeldcassegrainerregern ergeben sich aus der dichten Positionierung des Subreflektors vor der Erregerhornapertur mit den unterschiedlichen Feldstörungen durch das Horn und aus Rück­ wirkungen mit dem Subreflektor. Bei einer angestrebten kompakten Bauweise muß das Horn aus mechanischen und elektrischen Gründen möglichst klein sein.

Betrachtet man den Einsatz von Nahfeldcassegrainantennen im Richtfunk, so ist festzustellen, daß die Hauptoptimierungsgröße von Richtfunkantennen in engmaschigen Netzen in der bestmögli­ chen Nebenstrahlungsdämpfung der ko- und kreuzpolarisierten Fern­ felddiagramme liegt, einer hohen Kreuzpolarisationsreinheit im Raumwinkelbereich der Hauptkeule und einer guten Anpassung der Antennen an die zum Teil langen Speiseleitungen. Der Flächen­ wirkungsgrad soll ≧ 50% sein. Die Erfüllung all dieser Forde­ rungen über Bandbreiten von 5 bis 20% führt zu der eigentlichen Problematik bei der Entwicklung von Nahfeldcassegrainantennen mit Richtfunk-Spezifikationen.

Fig. 1 zeigt den typischen Aufbau einer Richtfunkantenne mit kompaktem Cassegrainerreger. Bei dieser Antenne ist der Hauptre­ flektor, eine Parabolschale, mit 1 bezeichnet, der Subreflektor mit 2, der Hornerreger mit 3 und eine Halterung zur Befestigung des Subreflektors am Hornerreger mit 4. Am Rand des Hauptreflek­ tors 1 ist ferner ein Absorberkragen 5 angebracht. Der Bereich, in dem Überstrahlung auftritt, ist mit Ü bezeichnet.

Problematisch ist die Belegung anpassungsoptimierter Nahfeld­ cassegrainantennen. Kleine Rundhohlleitererregerhörner mit einem Aperturdurchmesser Dh von etwa 2λ ₀ lassen sich mit zwei bis vier koaxialen Rillen gut symmetrieren, d.h. das Aperturfeld der Hör­ ner entspricht über Bandbreiten von 5% bis 20% ausreichend einer EH11-Feldverteilung. Der Horngewinn liegt bei 10 bis 12 dBi. Wegen der geringen Aperturgröße beträgt die 15 bis 20 dB-Breite im an späterer Stelle beschriebenen Nahfeld etwa ±45° bis ±55°.

Bei einem Hauptreflektordurchmesser Dp von z.B. 85 Freiraumwel­ lenlängen (2 m-Antenne bei 13 GHz) und einem Subreflektordurch­ messer Ds mit der Bedingung Ds=0,1 Dp muß das Horn dann im Ab­ stand Δ 1 von weniger als zwei Freiraumwellenlängen vor dem Scheitel des Subreflektors liegen, um einen Anstieg des Pegels im Überstrahlungsbereich auf <-5 dBi zu begrenzen. Die Bedingung für den maximalen Durchmesser Ds des Subreflektors folgt aus einer möglichst geringen Aperturabschattung, einfacher Fertigung und einem montagefreundlichen Einbau des Erregersystems durch die üblicherweise 0,1 Dp große Scheitelaussparung des Hauptre­ flektors.

Im Abstand Δ 1 herrschen Nahfeldbedingungen. Die Phasenfront der Hornwellen bildet für den Mittenbereich des Subreflektors kein dem Fernfeld entsprechendes definiertes sphärisches Phasenzent­ rum. Für weiter außen liegende Bereiche des Subreflektors kann ein Phasenzentrum PhzH von etwa 5 mm innerhalb des Horns ange­ nommen werden. Ein geometrisch optisch dimensionierter Subre­ flektor wird daher nur in diesen Bereichen ausreichend phasen- und amplitudenrichtig belegt. Es wird hierzu bereits auf Fig. 2 hingewiesen, die an späterer Stelle im Zusammenhang mit dem er­ findungsgemäßen Ausführungsbeispiel näher beschrieben wird.

Der Mittenbereich des Subreflektors wird ohnehin korrigiert (vgl. hierzu die DE 29 37 251 C2 und den Aufsatz "Application of Spherical Wave Theory to Cassegrainian-Fed Paraboloids" von P.D. Potter, erschienen in IEEE AP vol. 15, Nov. 1967, Seiten 727 bis 736), da die Streufeldanteile aus diesem Bereich sonst zum einen in das Horn zurückreflektieren, zum anderen an den Hornkanten starke parasitäre Ströme mit Störfeldern anregen. Bei der Dimensionierung des Horns wird daher auf das bestmögliche Verhältnis von Horndurchmesser zur 15 dB-Breite geachtet. Wegen des geringen Abstandes Δ1 des Horns wird ein Bereich des Subre­ flektors mit einem Durchmesser Dks in der Größenordnung des Horndurchmessers Dh kegelförmig vorgezogen, um zum einen die Primärenergie aus der Hornapertur zu lenken, zum anderen eine Kompensation unvermeidbarer Reflexionen aus dem direkten Mitten­ bereich des Subreflektors und den benachbarten Bereichen einzu­ stellen. Die in Subreflektormitte vorher wegen der ebenen Pha­ senfront zu gering ausgelenkte Primärenergie ist nun für die phasenrichtige Belegung der Hauptapertur tendenziell zu stark ausgelenkt.

Die Wölbung der Phasenfront, die Phasenlage und die Amplituden­ verteilung der Streufeldanteile aus dem Bereich Dks weichen von der Parabol/Hyperbol Reflektorbeziehung der Cassegrainantenne stark ab. Der zu steil auslenkende Teil in der Mitte des Subre­ flektors bewirkt eine über den Durchmesser des Subreflektors hinausgehende undefiniert schwach belegte Zone in der Mitte der Apertur des Hauptspiegels. Die Streufeldanteile aus Dks überla­ gern sich phasen- und amplitudenfalsch dem regulären Streufeld des Subreflektors.

Sie bewirken eine Anhebung der Nebenstrahlungspegel der Fernfeld­ diagramme der Cassegrainantenne, wobei die undefiniert schwach belegte Zone in Aperturmitte vorwiegend die hauptkeulennahen ersten Nebenzipfel vergrößert und die 3 dB-Breite der Keule ver­ mindert, während die durch Überlagerung erzeugte Welligkeit der Amplitude und der Phase über die Apertur des Hauptreflektors die Nebenzipfeldämpfung bei höheren Winkeldämpfungswerten in größe­ ren Raumwinkelbereichen des Fernfeldes verschlechtert.

Ein angenommenes virtuelles Phasenzentrum PhzSt′ des Mittenbe­ reiches des Subreflektors liegt wegen der zu starken Ablenkung an der kegelförmig vorgezogenen Zone versetzt gegenüber Berei­ chen des Subreflektors mit großem Abstand von der Hornapertur PhzSt. Wegen des fehlenden gemeinsamen Phasenzentrums des Streu­ feldes vermindert sich daher auch der Flächenwirkungsgrad der Antenne.

Cassegrainerreger mit dielektrischen Strahlern zur Erzeugung symmetrischer Primärfelder sowie Ableitungen davon wie z. B. dielektrische Splashplate-Systeme nützen den Vorteil des ge­ ringen Strahlerblockings der stärker bündelnden Erreger. Mit solchen Anordnungen, wie sie beispielsweise bekannt sind durch den Aufsatz "A High Efficiency Splashplate Feed, ICAP 81" von P. Neham, erschienen in IEEE Conference Publication No. 1985, Seiten 354 bis 357 sind gute Flächenwirkungsgrade kleiner Anten­ nen zu erreichen. Die Anpassung der Hohlleiterwellen an den di­ elektrischen Stab bzw. Formkörper und die Unterdrückung von Grenzschichtreflexionen an den eingesetzten starken Dielektrika sind jedoch in einer Serienfertigung für high xpd und high per­ formance Spezifikationen schwer beherrschbar.

Bei Satellitenbodenantennen mit Durchmessern < 150λ ₀ wird durch korrigierte Umlenkspiegel und Hauptspiegel eine phasenrichtige Ringbelegung mit einer großen schwach belegten Zone in Apertur­ mitte erzeugt. Solche Antennen sind durch den Aufsatz "Rotations­ symmetrische Gregory-Antennen mit niedrigen Nebenzipfeln und ge­ ringer Kreuzpolarisation" von H. Härtinger und G. Schindler be­ kannt, erschienen in ITG Fachberichte 99, Würzburg 1987, Seiten 45 bis 49. Bei Richtfunkantennen mit festgelegten kleineren Serienparabolspiegeln wird eine Annäherung an dieses Prinzip an­ gestrebt. Insbesondere bei in Wellenlängen kleinen Cassegrain­ erregern ist die getaperte Ringbelegung wegen der geringen Aus­ dehnung der korrigierenden Subreflektorflächen schwer zu errei­ chen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Richtantenne der eingangs beschriebenen Art eine Lösung zur Behebung der hier aufgezeigten Probleme anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß im Bereich des Strahlenganges zwischen Subreflektor und Hauptre­ flektor in geringem Abstand hinter der Hornapertur ein prisma­ tisch wirkender dielektrischer Körper angeordnet ist, in dem eine sich für Wellenanteile im Bereich der vorgezogenen Mitten­ zone des Subreflektors ergebende voreilende Phase gegenüber denen der nicht korrigierten Subreflektorbereiche und eine zu starke Auslenkung dieser Teilstrahlung zum Hauptreflektorrand hin durch eine entsprechende Dimensionierung hinsichtlich Form und Durchgangslängen, abhängig von der Dielektrizitätskonstanten seines Materials, wieder kompensiert werden und sich für das Streufeld des Subreflektors ein bestmögliches Phasenzentrum im Brennpunkt des Hauptreflektors einstellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungs­ gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 2 in einer Skizze den dielektrischen Körper und seine Funk­ tion zum Einsatz in einer Cassegrainantenne, wie sie beispiels­ weise in Fig. 1 wiedergegeben ist.

Die Verbesserung der Aperturbelegung von Nahfeldcassegrainanten­ nen wird mit einem kompakten Erregersystem erreicht, das aus einem kleinen Rillenhorn 3, einem optimiert geformten schwach dielektrischen Stützkörper 6 und einem konvexen korrigierten Um­ lenkspiegel (Subreflektor) 2 besteht. Der wesentliche Punkt der Lösung ist dabei eine selektive Beeinflussung der Phasenfronten der Wellenanteile aus der korrigierten konvex kegelförmig vorge­ zogenen Subreflektormittenzone Dks einer reflexionsoptimierten Nahfeldcassegrainantenne durch ein prismatisch wirkendes Dielek­ trikum.

Das Rillenhorn 3, das in seinem dem Subreflektor 2 zugekehrten Endbereich mit mehreren Rillen versehen ist, ist in einer zen­ tralen Öffnung des prismatisch wirkenden dielektrischen Körpers 7 unter einem Abstand Δ 1 zum korrigierten Subreflektorbereich Dks vertieft angeordnet. Der dielektrische Körper 7 ist mit einer weniger wirksamen dielektrischen Rohrstütze 8 zu einem einheit­ lichen Teil (dielektrischer Stützkörper 6) verbunden. Die Rohr­ stütze 8, deren Einfluß bei der Festlegung der Optimierung der Phasenlage des Streufeldes berücksichtigt wird, schließt sich im Bereich des äußeren Umfangs der Grundfläche des dielektrischen Körpers 7 an und ist längs seiner ringförmigen Stirnfläche als Halterung für den Subreflektor 2 mit diesem verbunden.

Der Durchmesser und die Steigung des korrigierten Subreflektor­ bereichs Dks wird so gewählt, daß die Richtungsvektoren aller Wellenanteile, die den dielektrischen Körper 7 durchlaufen, zu stark zum Hauptreflektorrand gerichtet sind, und gegenüber den nicht korrigierten Subreflektorbereichen voreilende Phase haben. Diese Wellenanteile werden, nachdem sie an den Hornkanten vorbei­ gelenkt wurden, zur Reduzierung der schwach und phasenfalsch be­ legten Mittenzone der Hauptspiegelapertur hinter der Hornapertur durch den dielektrischen Körper 7 in Richtung Aperturmitte zu­ rückgelenkt und in ihrer Phase korrigierend verzögert.

Diese Wirkungen des korrigierten Subreflektorbereichs Dks und des dielektrischen Körpers 7 sind durch Strahlengänge für die einzelnen Wellen in Fig. 2 eingezeichnet. Dabei sind zwei vom Rillenhorn kommende einfallende Wellen EW dargestellt, von denen die eine auf den nicht korrigierten, äußeren Bereich des hyper­ bolischen Subreflektors 2 trifft und als regulär reflektierte Welle W 2 zum Hauptreflektor gelangt. Die andere, auf den korri­ gierten Subreflektorbereich Dks auftreffende Welle gelangt nach Reflexion am Subreflektor zum dielektrischen Körper 7 und wird an diesem beim Eintritt und Austritt an der jeweiligen Grenz­ schicht in der Strahlrichtung abgelenkt. Zur Darstellung dieses Sachverhaltes sind strichpunktiert Hilfslinien H 0 und H 1 einge­ zeichnet, die die Richtung der Welle ohne dielektrischen Körper und die Richtung der gebrochenen phasenkompensierten Welle wie­ dergeben. Der Winkel zwischen der ursprünglichen Richtung der Welle W 1 und der Senkrechten zur Grundfläche des dielektrischen Körpers 7 beträgt dabei α ₀, der entsprechende Winkel der kompen­ sierten Welle α ₁, wobei α ₁ < α ₀ ist. Reflektierte Wellenanteile an den Grenzschichten sind mit P _r dargestellt.

Die im Dielektrikum erreichbare Phasenverzögerung wird, abhängig von der Form und der Ausdehnung der korrigierten Subreflektor­ fläche und den ortsabhängigen Phasenbedingungen durch die Durchgangslängen im Dielektrikum so eingestellt, daß sich ein möglichst konstantes virtuelles Phasenzentrum PhzSt für den Subreflektor im Brennpunkt B des Hauptspiegels ergibt (Hilfs­ linie H 1).

Im einfachsten Fall ist die Subreflektormittenzone in Form eines gegenüber der hyperbolischen Form vorgezogenen geraden Kegels ausgeführt und der dielektrische, prismatische Körper mit der Form eines daran bestmöglich angepaßten geraden Kegelstumpfes versehen. Diese auch in Fig. 2 gezeigten Formen von Subreflek­ tormittenzone und dielektrischem Körper stellen eine mechanisch einfach auszuführende Annäherung dar. Selbstverständlich können die korrigierten Bereiche des Subreflektors und die Form und Länge des dielektrischen Körpers über die vorstehend erläuterten Phasen- und Richtungsbedingungen, wonach nämlich die korrigierte Subreflektorzone so dimensioniert ist, daß sich in ihrem ganzen Bereich eine voreilende Phase und eine zu starke Auslenkung er­ gibt und die Form und die Durchgangslängen des prismatisch wir­ kenden dielektrischen Körpers abhängig von der Dielektrizitäts­ konstanten des eingesetzten Materials so dimensioniert werden, daß diese voreingestellten Phasen- und Richtungsfehler wieder kompensiert werden, abweichend von der Kegelform ausgeführt wer­ den. Solche vornehmlich experimentell vorzunehmenden weiteren Ver­ besserungen der Phasenbedingungen sind wegen der stark von den optischen Bedingungen abweichenden Reflexionsbedingungen der in Wellenlängen kleinen, stark gekrümmten Reflektorbereichen (Spit­ zen) von Vorteil.

Die Flächen des dielektrischen Körpers werden dabei jeweils so angeordnet, daß Reflexionen an den Luft/Dielektrikübergängen von der Hornapertur ferngehalten werden und der unmittelbare Raum zwischen Horn und Subreflektor frei von Dielektrikum ist. Für den dielektrischen Körper werden Dielektrika mit relativ schwacher Dielektrizitätskonstante (ε _r 1,5) eingesetzt, um Grenschichtreflexionen und Toleranzprobleme gering zu halten. Die erforderlichen Phasenkorrekturwerte können dann über ent­ sprechende Längen in der Größenordnung von n×λ (n=0,5 bis etwa 5) im Dielektrikum eingestellt werden.

Der prismatisch wirkende dielektrische Körper kann auch aus Schichten unterschiedlicher Materialkonstanten bestehen. Seine Verwendung ist sehr universell, d. h. der dielektrische Korrek­ turkörper kann in Cassegrainsystemen mit Parabolhauptreflektor und auch in solchen mit von der Hyperbol/Parabolreflektorbe­ ziehung abweichenden Grundkonturen eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Richtantenne, bestehend aus einem rotationssymmetrischen Haupt­ reflektor, einem Subreflektor (Fangreflektor) und einem durch eine zentrale Öffnung des Hauptreflektors durchgeführten, nahe dem Subreflektor angeordneten Erregerhornstrahler (Cassegrain­ prinzip), bei der der Subreflektor in seiner Mittenzone eine ge­ genüber der hyperbolischen Form konvex vorgezogene Ausbildung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Strahlenganges zwischen Subreflektor und Hauptreflektor in ge­ ringem Abstand hinter der Hornapertur ein prismatisch wirkender dielektrischer Körper angeordnet ist, in dem eine sich für Wel­ lenanteile im Bereich der vorgezogenen Mittenzone des Subreflek­ tors ergebende voreilende Phase gegenüber denen der nicht korri­ gierten Subreflektorbereiche und eine zu starke Auslenkung die­ ser Teilstrahlung zum Hauptreflektorrand hin durch eine entspre­ chende Dimensionierung hinsichtlich Form und Durchgangslängen, abhängig von der Dielektrizitätskonstanten seines Materials, wie­ der kompensiert werden und sich für das Streufeld des Subreflek­ tors ein bestmögliches Phasenzentrum im Brennpunkt des Hauptre­ flektors einstellt.

2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Subreflek­ tormittenzone in Form eines gegenüber der hyperbolischen Form vorgezogenen geraden Kegels ausgeführt ist und der dielektrische Körper die Form eines daran bestmöglich angepaßten geraden Kegel­ stumpfes hat.

3. Richtantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen des dielektrischen Körpers so angeordnet sind, daß Reflexionen an den Luft/Dielektrikaübergängen von der Hornapertur ferngehal­ ten werden und der unmittelbare Raum zwischen Horn- und Subre­ flektor frei von Dielektrikum ist.

4. Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektri­ sche Körper zu einem einheitlichen Teil mit einer weniger wirk­ samen dielektrischen Rohrstütze verbunden ist, die eine Halterung für den Subreflektor bildet.

5. Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektri­ zitätskonstante des dielektrischen Körpers ε _r 1,5 beträgt.

6. Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektri­ sche Körper aus Materialschichten unterschiedlicher Dielektri­ zitätskonstante besteht.

7. Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der korrigierten Subreflektorzone in der Größenordnung des Horn­ durchmessers liegt.