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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf
Mikrowellenantennen vom Reflektortyp und insbesondere auf
eine einzigartige Stützstruktur, die sich speziell für VSAT-
Antennen (Very Small Aperture Terminal-Antennen) eignet.
Bekannte Formen von Mikrowellenantennen des Reflektortyps und
ihrer Stützstrukturen sind in den UK-Patentschriften 2120856A
und 2114376A sowie in der deutschen Patentschrift 3621532A1
offenbart.
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VSAT-Antennen werden im Ku-Band verwendet, wobei sie im
11,70- bis 12,20-GHz-Band empfangen und im 14,00- bis 14,50-
GHz-Band senden. VSAT-Systeme werden immer häufiger in
privaten Kommunikationssystemen eingesetzt. Ein einzelnes
System kann Tausende von Antennen erfordern, insbesondere
wenn eine der Hauptfunktionen des Systems darin besteht, eine
kontinuierliche Kommunikation zwischen einer großen Zahl von
Einrichtungen, wie z. B. Verkaufsstellen, regionalen und
lokalen Büros, Service-Centern, und ähnlichem,
sicherzustellen. Aufgrund der Vielzahl von Antennen, die in
diesen Systemen erforderlich sind, ist es nicht nur von
Bedeutung, daß diese Antennen kostengünstig in
Massenfabrikation hergestellt werden können, sondern auch,
daß sie in der Praxis von ungelernten Kräften unter Erzielung
gleichmäßiger Ergebnisse leicht zusammengebaut und
installiert werden können.
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Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Mikrowellenantenne des Reflektortyps zur
Verfügung zu stellen, die in Massenfertigung kostengünstig
hergestellt und in der Praxis schnell zusammengebaut werden
kann, ohne daß die kritische Form des Reflektors verändert
wird, selbst wenn die Montage von ungelernten Arbeitern, die
nicht mit den Methoden zur Installation von
Mikrowellenantennen vertraut sind, durchgeführt wird.
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Eine weitere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, solch eine Mikrowellenantenne des
Reflektortyps zur Verfügung zu stellen, die
selbsteinstellende Verbindungsstücke zwischen
Parabolreflektor und Stützgerüst aufweist, so daß die
kritische Form des Reflektors nicht verändert wird, auch wenn
die in Massenfertigung hergestellten Teile in einem relativ
breiten Bereich von Herstellungstoleranzen variieren.
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Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
eine verbesserte Mikrowellenantenne des Reflektortyps
bereitzustellen, die verbesserte Diagramme sowohl in der
horizontalen als auch in der vertikalen Ebene erzeugt.
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Die vorliegende Erfindung hat ferner die Aufgabe, eine
kostengünstige Struktur zum Stützen und Montieren von
Reflektoren zur Verfügung zu stellen, die das Ausrichten der
Antenne erleichtert und gleichzeitig eine angemessene
strukturelle Integrität gewährleistet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die oben genannten
Ziele realisiert, indem eine Mikrowellenantenne vom
Reflektortyp zur Verfügung gestellt wird, die eine
Kombination aus Parabolreflektor und Speisehorn aufweist, das
am Brennpunkt des Reflektors zum Aussenden von
Mikrowellensignalen zum Reflektor und zum Empfangen von
Mikrowellensignalen vom Reflektor angeordnet ist, ein
Stützgerüst für den Reflektor und das Speisehorn, wobei das
Gerüst drei Arme aufweist, die sich entlang der Rückseite des
Reflektors zu drei im Abstand angeordneten Montagestellen auf
der Rückseite des Reflektors erstrecken, und Mittel zum
Befestigen der Arme an den beabstandeten Montagestellen auf
der Rückseite des Reflektors, wobei jedes der
Befestigungsmittel einen losen Zustand einnimmt, in dem der
jeweilige Arm an dem Reflektor angebracht ist, jedoch in der
Lage ist, sich gegenüber dem Reflektor zu bewegen, sowie
einen festgezogenen Zustand, in dem der jeweilige Arm fest an
dem Reflektor angebracht ist, wobei die Befestigungsmittel
auch Schwenkmittel umfassen, die eine Kippbewegung des
jeweiligen Arms gegenüber der Reflektoroberfläche gestatten,
wenn sich das Befestigungsmittel in dem losen Zustand
befindet, und die dem Arm erlauben, verschiedene Positionen
gegenüber dem Reflektor einzunehmen, wenn sich das
Befestigungsmittel in dem festgezogenen Zustand befindet.
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In seiner bevorzugten Ausführungsform weist das
Befestigungsmittel ein schalenförmiges Element mit einem an
der Rückseite des Reflektors befestigten peripheren Flansch
auf, so daß zwischen den jeweiligen Armen und dem Reflektor
übertragene Kräfte über die durch die Flansche eingefaßte
Fläche des Reflektors verteilt werden, sowie einen Bolzen,
der den Mittelabschnitt eines jeden der schalenförmigen
Elemente an einem der radialen Arme befestigt; zwischen jedem
der Bolzen und den jeweiligen Armen ist das Schwenkmittel
angeordnet, damit die Arme gegenüber der Achse des Bolzens
kippbar sind.
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Um die nachteilige Auswirkung der Speisehornstütze auf die
Antennendiagramme zu reduzieren, umfaßt das Stützgerüst einen
Ausleger, der sich von der Kante des Reflektors nach vorne in
die Öffnung des Reflektors erstreckt, um das Speisehorn zu
stützen, wobei die der Achse der Antennenöffnung zugewandte
Auslegeroberfläche einen diagonalen Querschnitt in Form eines
umgekehrten V hat. Der Winkel des Querschnitts in Form eines
umgekehrten V beträgt vorzugsweise etwa 100º.
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Obgleich die Erfindung in verschiedenen alternativen
Ausführungsformen eingesetzt werden kann, werden im folgenden
bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand von
Beispielen in den Zeichnungen gezeigt und genauer
beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, daß die
Erfindung nicht auf die speziellen beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt werden soll; vielmehr soll sie
alle Abänderungen, Äquivalente und Alternativen, die in den
durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzumfang der
Erfindung fallen, abdecken.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer VSAT-Antenne gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine vertikale Schnittansicht im allgemeinen
entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 und zeigt eine Rückansicht
des Hauptabschnitts der Antennenstruktur;
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht im allgemeinen
entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;
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Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich der eines Abschnitts der Fig.
3, zeigt aber eine modifizierte Konstruktion dieses
Abschnitts der Antennenstruktur;
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Fig. 5 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Auslegers, der
das Speisehorn in der Antenne nach Fig. 1 stützt; und
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Fig. 6 ist eine Schnittansicht im allgemeinen entlang der
Linie 6-6 in Fig. 5.
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Die in Fig. 1 dargestellte Antenne weist einen
Parabolreflektor 10 auf, der sowohl gesendete als auch
empfangene Mikrowellensignale zwischen einer entfernten
Station und einem Speisehorn 11 reflektiert. Der Reflektor 10
ist vorzugsweise aus einer Aluminiumscheibe biaxial
streckgezogen, wobei der Umfang der Scheibe nach hinten und
dann nach außen gebogen wurde, um den Reflektor zu
versteifen. Das Speisehorn 11 ist an dem Brennpunkt F des
Paraboloids angeordnet, das die konkave Oberfläche des
Reflektors 10 definiert.
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Die Leistungsfähigkeit einer Mikrowellenantenne des
Reflektortyps wird bekanntermaßen optimiert, wenn die
reflektierende Oberfläche nicht nur so angefertigt ist, daß
sie der gewünschten paraboloiden Form entspricht, sondern daß
sie auch während der Installation und des Betriebes der
Antenne diese angestrebte Form beibehält. Das Ausmaß, in dem
die Reflektoroberfläche von der gewünschten theoretischen
paraboloiden Form abweicht, wird gewöhnlich in "RMS"-
Einheiten angegeben, bei denen es sich um das numerische
Ergebnis einer bekannten Methode zur Bewertung der Präzision
der Reflektoroberfläche auf der Grundlage einer Anzahl von
Messungen der tatsächlichen Abweichung verschiedener Punkte
der Reflektoroberfläche von der gewünschten theoretischen
Form handelt.
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Wie aus Fig. 1 deutlich hervorgeht, handelt es sich bei der
dort gezeigten Antenne um eine Antenne des "Offset-Typs", da
der Brennpunkt F der paraboloiden Oberfläche von der
Mittellinie CL der Antennenöffnung versetzt ist. Aufgrund
dieser versetzten Anordnung ist das Speisehorn 11 von dem
Bereich höchster Feldstärke in der Antennenöffnung entfernt,
wodurch die nachteilige Auswirkung der
Einspeisungsblockierung der Öffnung verringert wird. Die
versetzte Anordnung ermöglicht es auch, die Stützstruktur für
das Speisehorn 11 in einem Bereich relativ niedriger
Feldstärke gegen das Ende der Antennenöffnung hin anzuordnen,
wodurch der negative Effekt der Stützstruktur auf die
Antennendiagramme reduziert wird.
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Auf der Rückseite des Reflektors ist die Antenne auf einem
senkrechten Ständer 12 mittels eines Rahmens befestigt, der
einen gekrümmten senkrechten Träger 13 und ein Paar
Seitenarme 14 und 15, die sich seitlich von
gegenüberliegenden Seiten des Trägers 13 erstrecken,
aufweist. Die beiden Seitenarme 14 und 15, bei denen es sich
vorzugsweise um Aluminiumgußstücke handelt, sind fest an den
entgegengesetzten Seiten des senkrechten Trägers 13, der
passend aus rechteckigem Aluminiumrohrmaterial hergestellt
ist, verschraubt.
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Die Seitenarme 14 und 15 weisen auch nach hinten verlaufende
Flansche 16 und 17 auf, um die Antenne schwenkbar an einem
passenden Halterungsgußstück 18, das an der Spitze des
Ständers 12 angebracht ist, zu befestigen. Diese schwenkbare
Lagerung erleichtert das Ausrichten der Antenne, da sie in
der Höhe durch eine Einstellstrebe 19 problemlos eingestellt
werden kann. Wenn die Antenne in der gewünschten Höhe
eingestellt ist, werden die Flansche 16 und 17 an dem
Halterungsgußstück 18 fest arretiert, indem eine Mutter auf
einem Bolzen 20, der durch die Flansche und die
Befestigungsklammer geführt ist, festgezogen wird.
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Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind
die äußeren Enden der beiden Seitenarme 14 und 15 und das
obere Ende des senkrechten Trägers 13 an der Rückseite des
Reflektors an drei beabstandeten Befestigungspositionen
angebracht; das Befestigungsmittel an jeder dieser drei
Positionen umfaßt Schwenkmittel, die eine relative
Kippbewegung zwischen den Gerüstelementen und der
Reflektoroberfläche ermöglichen, bevor das Befestigungsmittel
festgezogen wird. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform
ist das äußere Ende des Seitenarms 15 an einem Stützelement
30 auf der Rückseite des Reflektors mittels eines Bolzens 31
befestigt, der ein Paar kugelförmiger Muttern 32, 33 trägt,
die in komplementären konkaven Unterlegscheiben 34 und 35 auf
gegenüberliegenden Seiten des Arms 15 angeordnet sind. Die in
dem Arm 15 und den Unterlegscheiben 34 und 35 gebildeten
Löcher zum Aufnehmen des Bolzens 31 haben Durchmesser, die
größer als der des Bolzens 31 sind, so daß zwischen dem
Bolzen 31 und dem Arm 14 ein ringförmiger Zwischenraum
verbleibt, der ein begrenztes Maß an Schwenkbewegung zwischen
Arm und Bolzen gestattet. Wenn die Muttern 32 und 33 nicht
festgezogen sind, kann daher der Arm 15 gegenüber der Achse
des Bolzens 31 gekippt werden, indem er um die von den
Muttern 32, 33 und den Unterlegscheiben 34, 35 gebildeten
Drehgelenke geschwenkt wird.
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Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, wird die Achse
des Bolzens 31 letztendlich durch die Form des Reflektors 10
und der Stützelemente 39 festgelegt. Dementsprechend
ermöglichen es die Drehgelenke dem Arm 15, verschiedene
Positionen gegenüber der Reflektoroberfläche einzunehmen.
Wenn die Muttern 32 und 33 anschließend festgezogen werden,
um den Arm 15 fest an dem Bolzen 31 und dem Stützelement 30
anzubringen, kann der Arm aufgrund der Drehgelenke in seiner
eingenommenen Position verbleiben, ohne daß auf den Arm 15
oder den Reflektor 10 Verwindungsspannungen ausgeübt werden.
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Wenn die verschiedenen Bauteile der Antennenanordnung unter
Anwendung von Schnellfertigungsverfahren in Massenproduktion
hergestellt werden, variieren die Positionen der
verschiedenen zusammenzubauenden Elemente innerhalb des
normalen Bereichs der Herstellungstoleranzen. In der
speziellen Unteranordnung gemäß Fig. 3 treten beispielsweise
Abweichungen in der Position des äußeren Abschnitts des
Stützarms 15, der Position des in dem Arm zur Aufnahme des
Bolzens 31 gebildeten Bolzenloches, den Winkeln zwischen der
Achse des Bolzenlochs und den Ebenen der angrenzenden
Oberflächen des Stützarms 15 sowie dem hintersten Abschnitt
des Stützelements 30, der Position des Stützelements 30
gegenüber den beiden anderen Stützelementen, die an der
Rückseite des Reflektors 10 befestigt sind, und der Position
des den Bolzen aufnehmenden Lochs in dem Stützelement 30.
Dank der durch die kugelförmigen Muttern und Unterlegscheiben
gebildeten Drehgelenke werden Abweichungen in der Ausrichtung
der verschiedenen Bauteile aufgrund von
Herstellungstoleranzen aufgefangen, indem der Arm 15
verschiedene Winkelpositionen gegenüber der Achse des Bolzens
31 und dem Stützelement 30 einnehmen kann. In der Tat stellt
sich die Anordnung selbst ein, da der Arm 15 während der
Montage der verschiedenen Bauteile automatisch kippt, um sich
an jede mögliche Fehleinstellung bzw. versetzte Einstellung
anzupassen.
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Eine modifizierte Drehgelenksanordnung ist in Fig. 4
dargestellt. In dieser Anordnung sind die kugelförmige Mutter
33 und die entsprechende Unterlegscheibe 35 durch eine
einzelne kugelförmige Unterlegscheibe 36 ersetzt, die eine
kugelförmige Oberfläche 37 aufweist, welche in einer
komplementären, in der Vorderseite des Arms 15 gebildeten
Ausnehmung angeordnet ist. Die kugelförmige Unterlegscheibe
36 befindet sich am Kopfende eines rundköpfigen Bolzens 38
mit Vierkantansatz, der durch den Arm 15 geführt ist. Das
andere Ende des Bolzens 31 ist mit der gleichen kugelförmigen
Mutter 32 und Unterlegscheibe 34 wie in Fig. 3 versehen,
wobei zusätzlich eine Sicherungsmutter 39 vorgesehen ist. In
dieser Anordnung sind wiederum Drehgelenke auf beiden Seiten
des Arms 15, d. h. an gegenüberliegenden Enden des Bolzens 38,
vorgesehen, um eine begrenzte Schwenkbewegung zwischen dem
Bolzen 38 und dem Arm 15 zu ermöglichen.
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Der zweite Seitenarm 14 und der Hauptträger 13 sind an dem
Reflektor 10 mittels Befestigungsanordnungen ähnlich der für
den Seitenarm 15 beschriebenen Anordnung angeschlossen. Diese
Befestigungsanordnungen umfassen Stützelemente 40 und 50, die
mit dem dem Seitenarm 15 zugeordneten Stützelement 30
identisch sind. Ähnliche Drehgelenke sind in den Verbindungen
mit jedem der drei Stützelemente 30, 40 und 50 vorgesehen, so
daß die relativen Bewegungen, die zur Anpassung an eine
Versetzung oder Fehlausrichtung an allen drei
Befestigungsstellen erforderlich sind, problemlos ausgeführt
werden können.
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Gemäß einem anderen wichtigen Aspekt der vorliegenden
Erfindung weist das Stützelement an jeder der drei
Befestigungsstellen ein schalenförmiges Element mit einem an
der Rückseite des Reflektors befestigten peripheren Flansch
auf, so daß zwischen dem Gerüst und dem Reflektor übertragene
Kräfte über die durch den Flansch eingefaßte Fläche des
Reflektors verteilt werden. Übermäßige Spannungen könnten in
den Reflektor hineingetragen werden, wenn die drei
Befestigungen an dem relativ dünnen Reflektor nur an drei
einzelnen Stellen vorgesehen wären. Aufgrund der
schalenförmigen Befestigungselemente werden solche
übermäßigen Spannungen oder Beanspruchungen vermieden, da
Kräfte über einen relativ großen Bereich des Reflektors an
jeder der drei Befestigungsstellen verteilt werden. Im Falle
eines für VSAT-Anwendungen eingesetzten 1,8-Meter-Reflektors
hat beispielsweise jedes der schalenförmigen Stützelemente
30, 40 und 50 vorzugsweise einen Durchmesser von 10 bis 12
Inch, wodurch übertragene Kräfte über eine Fläche von etwa
100 Inch² verteilt und nicht auf drei einzelne Punkte
konzentriert werden.
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Gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist das
schalenförmige Stützelement 30 als einteiliger Preßling
ausgebildet, der einen sich nach außen erstreckenden Flansch
60 um seinen äußeren Umfang aufweist, welcher mittels dreier
Bolzen 61, 62, 63 und entsprechenden Muttern 64, 65 und 66 an
dem Reflektor befestigt ist. Der Mittelabschnitt des
Stützelements 30 erstreckt sich nach hinten von dem Reflektor
weg, um an dem Seitenarm 15 mittels des Bolzens 31 befestigt
zu werden, der durch ein Loch geführt wird, das in der Mitte
des hintersten Abschnitts des Stützelements 30 gebildet ist.
Die nach hinten verlaufenden Wände des Stützelements 30
können etwas nachgeben, um zu verhindern, daß kleine Kräfte
oder ein entsprechender Bruchteil größerer Kräfte einen
nachhaltigen Einfluß auf die Gestalt des Reflektors ausüben.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist
das Speisehorn 11 auf dem Ende eines freitragenden Auslegers
gestützt, dessen nach innen gewandte Oberfläche einen
diagonalen Querschnitt in Form eines umgekehrten V hat, um
die nachteilige Auswirkung des Auslegers auf das
Antennendiagramm in dem von dem Ausleger besetzten Bereich zu
verhindern. Selbst mit der versetzten Einspeisung und der
Verwendung eines einzelnen freitragenden Stützelements zum
Halten des Speisehorns können Reflexionen von der
Speisehornstütze immer noch deutliche Verzerrungen in den
Antennendiagrammen hervorrufen. Es hat sich gezeigt, daß ein
Speisehornstützausleger mit der erfindungsgemäßen
Oberflächengeometrie die Diagramme deutlich verbessert, und
zwar in dem Maße, daß sie den FCC-Bestimmungen entsprechen.
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In dem in den Zeichnungen gezeigten speziellen
Ausführungsbeispiel ist das Speisehorn 11 auf dem Ende eines
Auslegers 70, der sich freitragend von dem Boden des
senkrechten Trägers 13 erstreckt, gelagert. Der Träger 13 und
der Ausleger 70 sind durch ein Paar Einsatzstücke 71 und 72,
die mit dem Träger und dem Ausleger verschraubt sind,
verbunden. Der Ausleger 70 erstreckt sich nach vorne vorbei
an der Kante des Reflektors 10 in Richtung des Brennpunkts
der paraboloiden Oberfläche, d. h. in die Öffnung der Antenne.
Das Speisehorn 11 ist auf einem V-förmigen Tragarm 73, der
mit dem Vorderende des Auslegers 70 verschraubt ist,
befestigt.
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Wie am deutlichsten aus Fig. 6 hervorgeht, weist der Ausleger
70 einen fünfeckigen Querschnitt mit drei orthogonalen Wänden
74, 75 und 76 auf. Die beiden anderen Wände 77 und 78 treffen
auf die Wände 74 und 76 in einem Winkel von 130º, wodurch ein
Öffnungswinkel von 100º zwischen den Wänden 77 und 78
gebildet wird. Die beiden Wände 77 und 78 bilden somit die
oben beschriebene Oberfläche in Form eines umgekehrten V;
diese Oberfläche ist der Achse der Antennenöffnung zugewandt.
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Natürlich braucht die spitze, von den nicht-orthogonalen
Wänden 77 und 78 gebildete Oberfläche nicht von tragenden
Wänden des Auslegers 70 gebildet sein; der Ausleger könnte
aus herkömmlichem rechteckigen Rohrmaterial hergestellt sein,
wobei ein relativ dünner Reflektor in Form eines umgekehrten
V an einer Seite des Rohrmaterials befestigt ist.
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Aus der oben gegebenen Beschreibung geht hervor, daß die
erfindungsgemäße Antennenstützstruktur in der Praxis leicht
von ungelernten Arbeitskräften zusammengebaut werden kann und
dabei kaum die Gefahr besteht, daß sich die Parabolform des
Reflektors verzieht. Die verschiedenen Bestandteile der
Stützanordnung können unter Verwendung konventioneller
Bolzen, Muttern und Schrauben aneinander befestigt werden;
die anpassungsfähigen Verbindungsstücke an dem Reflektor
verhindern nicht nur eine Verwindung oder ein Verziehen der
Reflektorform, sondern passen sich auch an
Herstellungstoleranzen in den verschiedenen zu montierenden
Teilen an. Außerdem kann die Montage ohne teure
Befestigungsvorrichtungen oder Spezial-Haftmittel erfolgen
und auch in der Praxis rasch durchgeführt werden. Ferner
können alle Einzelteile unter Verwendung herkömmlicher
Verfahren, wie z. B. Stanzen und Gießen, problemlos in
Massenfertigung hergestellt werden, ohne daß zusammengehörige
Teile einer Präzisionsbearbeitung unterzogen werden müssen.