DE3930497A1 - Cassegrain-antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine CASSEGRAIN-Antenne, und insbesondere auf eine mit Hochfrequenz, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 GHz bis 100 GHz arbeitende CASSEGRAIN-Antenne.

Eine bekannte, schematisch in Fig. 1 dargestellte CASSEGRAIN-Antenne besteht aus einem Speisehorn 1 am Scheitel eines parabolischen Hauptreflektors 2. Aus dem Horn 1 austretende Strahlung wird an einem hyperbolischen Hilfsreflektor 3 zurück auf den Hauptreflektor reflektiert, um einen im wesentlichen pa­ rallelen Ausgangsstrahl 4 zu bilden. Ein Problem bei dieser Antennenart besteht darin, daß der Hilfsreflektor ein beträcht­ liches Hindernis für den reflektierten Strahl darstellen kann, der im Betrieb einen "Schatten" 5 in der Mitte der Antennenöff­ nung bildet. Dieser "Schatten" bewirkt sowohl eine Verminderung im verfügbaren Gewinn als auch eine Vergrößerung von Seitenkeu­ lenpegeln.

Wenn das Speisehorn horizontal polarisierte Strahlung erzeugt, hat man den oben erwähnten Schatteneffekt durch einen Hilfsreflektor in Form eines Gitterwerks gemildert, das aus hori­ zontalen Drähten besteht, die vertikal polarisierte Strahlung durchlassen, aber horizontal polarisierte Strahlung reflektieren.

Zusätzlich ist der Hauptreflektor mit einem sogenannten Twist- Reflektor versehen, der eine Drehung der Polarisationsebene der auftreffenden Strahlung um 90° bewirkt. Horizontal polarisierte Strahlung vom Speisehorn wird am Hilfsreflektor reflektiert und erneut unter einer 90°-Änderung ihrer Orientierung am Hauptre­ flektor reflektiert. Auf diese Weise wird horizontal polarisierte Strahlung in vertikal polarisierte Strahlung umgewandelt, die ohne Reflexion durch den Hilfsreflektor verläuft. Eine Anordnung dieser Art hat sich als lästig insofern erwiesen, daß der Betrieb der Antenne auf eine bestimmte Polarisationsebene beschränkt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine CASSEGRAIN-Antenne zu schaffen, die die oben erwähnten Pro­ bleme zumindest verringert.

Die Erfindung geht aus von einer CASSEGRAIN-Antenne zum Senden oder Empfangen von Strahlung, wobei die Antenne einen gekrümmten Hauptreflektor, eine Antenneneinspeisung am oder nahe dem Scheitel des Hauptreflektors und einen Hilfsreflektor ent­ hält, der der Antenneneinspeisung und dem Hauptreflektor zuge­ kehrt ist. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hilfsreflektor teilweise für die Strahlung unab­ hängig von deren Polarisierung durchlässig ist, und daß eine Lin­ senanordnung vorgesehen ist, die die durch den Hilfsreflektor ausgesendete Strahlung kollimiert, um eine Phasenausrichtung der durch den Hilfsreflektor verlaufenden Strahlung mit der am Haupt­ reflektor reflektierten Strahlung zu bewirken.

Der teilweise durchlässige Hilfsreflektor stellt ein geringeres Hindernis dar und vermindert so beträchtlich den "Schatten"-Effekt, der eine unerwünschte Eigenschaft der bisher bekannten CASSEGRAIN-Antennen ist.

Vorzugsweise ist der Hauptreflektor parabolisch und der Hilfsreflektor hyperbolisch, und der Hilfsreflektor kann eine teilweise durchlässige Schicht auf der Oberfläche der Linsenan­ ordnung sein. Diese Schicht kann aus einer mit einer Verteilung von Löchern versehenen Metallschicht bestehen, wobei der Abstand der Löcher zur Verhinderung einer Beugung der auftreffenden Strahlung kleiner als λ/2 sein sollte, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung ist.

Bei einer anderen Ausführungsform besteht der Hilfsre­ flektor aus einer eine Wellenleiterstruktur beinhaltenden Metall­ platte. Die Wellenleiterstruktur kann aus einer Reihe von in der Platte gebildeten Löchern bestehen, wobei die Durchlässigkeit der Struktur von der Tiefe und den Querabmessungen der Löcher ab­ hängt.

Bei einer anderen Ausführungsform wird als Hilfsre­ flektor ein sehr dünner metallischer Film verwendet, der auf einer Oberfläche der Linse gebildet werden kann, wobei die Linse ein hyperbolisches Profil haben kann, und wobei die Dicke des Films so gewählt wird, daß er die gewünschten Reflexions-Durch­ lässigkeitseigenschaften hat.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht der Hilfsreflektor aus einer hyperbolischen Platte oder Schicht mit einer einzelnen Ausnehmung am Scheitel, wobei die Ausnehmung im Betrieb eine zweite Quelle der Strahlung darstellt.

Die Linsenanordnung kann aus einer kollimierenden Linse bestehen, die aus einem geeigneten dielektrischen Material herge­ stellt ist, und sie kann eine Plan-Konvexlinse sein, und zusätz­ lich zu der kollimierenden Linse können Mittel zur Bewirkung einer Phasenverschiebung vorgesehen werden; beispielsweise in Form einer Schicht aus einem dielektrischen Material, die auf der planen Oberfläche der Linse aufgebracht wird.

Es sei hervorgehoben, daß eine CASSEGRAIN-Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung das Prinzip der Reziprozität erfüllt und zum Senden oder Empfangen von Strahlung verwendet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine bekannte CASSEGRAIN-Antenne,

Fig. 2 eine erfindungsgemäß ausgebildete CASSEGRAIN-Antenne,

Fig. 3 eine Teilansicht einer Wellenleiter- Struktur, die als Phasenschieber verwen­ det wird,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen CASSEGRAIN-Antenne und

Fig. 5a + 5b die Verteilung des Antennengewinns bei einer üblichen CASSEGRAIN-Antenne bzw. einer erfindungsgemäßen CASSEORAIN- Antenne.

Die in Fig. 2 dargestellte CASSEORAIN-Antenne 10 ent­ hält einen parabolischen Hauptreflektor 11, vorzugsweise aus Metall (z. B. Aluminium oder Kupfer), ein Speisehorn 12 am Schei­ tel des Hauptreflektors und einen hyperbolischen Hilfsreflektor 13, der gegenüber vom Hauptreflektor und vom Speisehorn angeord­ net ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel arbeitet die Antenne im Sendebetrieb, wobei das Speisehorn 12 eine Quelle von Hochfre­ quenzstrahlung bildet, und - wie durch den beispielsweisen Strahl FABC veranschaulicht ist - wird Strahlung vom Speisehorn am Hilfsreflektor zurück zum Hauptreflektor reflektiert, wo die Strahlung erneut reflektiert wird, um einen parallelen Ausgangs­ strahl zu erzeugen.

Im Gegensatz zu üblichen CASSEGRAIN-Antennen und gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Hilfsreflektor 13 teilweise für die auf ihn auftreffende Hochfrequenzstrahlung durchlässig, und - wie durch den beispielsweisen Strahl FAD veranschaulicht ist - wird der den Hilfsreflektor passierende Strahl durch eine dielektrische Plan-Konvexlinse 14 kollimiert. Durch seine teil­ weise Durchlässigkeit stellt der Hilfsreflektor ein vermindertes Hindernis für auftreffende Strahlung dar und vermindert beträcht­ lich den oben erwähnten Schatteneffekt, der eine unerwünschte Eigenschaft von bisher bekannten CASSEGRAIN-Antennen ist.

Es sei bemerkt, daß in Fig. 2 die Weglänge des reflek­ tierten Strahls FABC größer ist als die des durchgelassenen Strahls FAD. Dennoch ist es in manchen Fällen möglich, eine Geo­ metrie und ein Linsenmaterial so auszuwählen, daß die resultie­ rende Phasendifferenz ein Vielfaches von 2π ist, wobei die Phasen über der gesamten Strahlenfront an der Antennenöffnung weitgehend ausgerichtet sind (dargestellt in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie durch C und D) . Gegebenenfalls kann die Phasenausrichtung mittels einer Schicht 15 aus einem geeigneten dielektrischen Material erreicht werden, das eine zusätzliche Phasenverschiebung einführt. Statt dessen kann die Schicht 15 aus einem Gitter aus im wesentlichen schachtelförmigen Wellenleitern W bestehen, von denen eine Teilansicht in Fig. 3 dargestellt ist. Jeder schach­ telförmige Wellenleiter hat einen quadratischen Querschnitt mit Seiten (a), die zwischen λ und λ/2 lang sind, und mit einer Wand­ dicke (s), die sehr viel kleiner als λ ist, wobei λ die Wellen­ länge der Hochfrequenzstrahlung ist. Diese Anordnung ist von Vor­ teil, weil sie über ein verhältnismäßig breites Frequenzband wirksam ist.

Um eine wirksame Kollimation zu erzielen, sollte die Exzentrizität (e) des Hilfsreflektors 13 an die Dielektrizitäts­ konstante (ε) des Linsenmaterials angepaßt werden, und vorzugs­ weise sollte die Exzentrizität so zugeschnitten werden, daß sie zu einem ausgewählten Material aus einer Anzahl hochqualitativer und im Handel verfügbarer dielektrischer Materialien paßt. Vor­ zugsweise wird eine dielektrische Konstante von etwa 2,5 verwen­ det.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Hilfsreflektor 13 einen Reflexions-Koeffizienten ρ von etwa 0,95, und im Idealfall sollte ρ im Einklang mit der Exzentrizität (e) des Hilfsreflektors stehen. Es kann gezeigt werden, daß der opti­ male Wert von ρ auf die Exzentrizität (e) bezogen ausgedrückt werden kann durch

und die Tabelle 1 listet beispielsweise die optimalen Werte von ρ für drei verschiedene Exzentrizitäten auf.

ρ
e
0,92
5
0,95	3
0,97	2

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung besteht der Hilfsreflektor 13 aus einer Schicht aus einem geeigneten, teilweise durchlässigen Material (z. B. Kupfer), das auf der konvexen Oberfläche der kollimierenden Linse 14 aufge­ bracht wird. Statt dessen kann eine Metallschicht mit einem durch Ätzen erzeugten Lochschema verwendet werden, und um eine Beugung von auftreffender Strahlung zu verhindern, ist die Verteilung der Löcher so, daß ihr Abstand kleiner als λ/2 ist.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Hilfsre­ flektor aus einer Metallplatte bestehen, die eine Wellenleiter­ struktur ähnlich wie die in Fig. 3 verkörpert. In diesem Falle besteht jeder Wellenleiter aus einem entsprechenden, in der Plat­ te gebildeten Loch, wobei der Reflexionskoeffizient ρ der Platte sowohl von der Tiefe als auch von der Querabmessung der Löcher abhängt. Wiederum sollte der Lochabstand kleiner als λ/2 sein.

Bei einem anderen, in Fig. 4 dargestellten Ausführungs­ beispiel der Erfindung besteht der Hilfsreflektor aus einer Me­ tallplatte 13 mit einem einzigen Loch 16 am Scheitelpunkt. Dieses Loch bildet in der Praxis eine zweite Strahlungsquelle, und die Größe des Loches bestimmt den Anteil der auftreffenden Strahlung, die die Platte passieren kann.

Fig. 5a veranschaulicht die Verteilung des Feldes G über der Öffnung einer üblichen CASSEGRAIN-Antenne und zeigt die Wirkung der Blockierung der Öffnung, nämlich die Erzeugung eines mittleren Schattenbereiches S und hervorstehender Beugungskeulen L. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 5b die bei einer erfindungsgemä­ ßen Antenne erzielte Feldverteilung, und es ist dort ersichtlich, daß die Probleme hinsichtlich der Blockierung der Öffnung be­ trächtlich vermindert sind. Tatsächlich ist die durch die Erfin­ dung erzielbare Verteilung nahe bei der theoretischen Verteilung, die unter Verwendung eines Modells ermittelt wird, das davon aus­ geht, daß keine Blockierung der Öffnung vorhanden ist.

Der Hilfsreflektor braucht keine hyperbolische Form zu haben. Es ist bekannt, daß der Gewinn einer üblichen CASSEGRAIN- Antenne durch Erhöhung der Krümmung des Hilfsreflektors begün­ stigt werden kann, wodurch eine gleichmäßigere Verteilung über der Öffnung entsteht. Die vorliegende Erfindung ist auch bei dieser modifizierten Form einer CASSEGRAIN-Antenne anwendbar, jedoch müssen die kollimierende Linse und die phasenverschiebende Schicht (falls erforderlich) einen Abstand vom Hilfsreflektor ha­ ben.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich alle auf Antennen, die im Sendebetrieb arbeiten, wobei das Speisehorn 12 eine Hochfrequenz-Strahlungsquelle bildet. Es sei bemerkt, daß eine erfindungsgemäße Antenne im Sende- und/oder im Empfangsbetrieb arbeiten kann.

Die vorliegende Erfindung, die einen verbesserten Antennengewinn und kleinere Seitenkeulenpegel bietet, findet ins­ besondere, wenn auch nicht ausschließlich, Anwendung bei Radar­ suchvorgängen, bei denen der Flugkörper/Munitionsdurchmesser strenge Zwänge hinsichtlich der Antennenöffnung auferlegt.

Claims (14)

1. CASSEGRAIN-Antenne zum Senden oder Empfangen von Strah­ lung, wobei die Antenne einen gekrümmten Hauptreflektor, eine Antenneneinspeisung am oder nahe dem Scheitel des Hauptreflektors und einen Hilfsreflektor enthält, der der Antenneneinspeisung und dem Hauptreflektor zugekehrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsreflektor (13) teilweise für die Strahlung unabhängig von deren Polarisierung durchlässig ist, und daß eine Linsenan­ ordnung (14) vorgesehen ist, die die durch den Hilfsreflektor (13) ausgesendete Strahlung kollimiert, um eine Phasenausrichtung der durch den Hilfsreflektor (13) verlaufenden Strahlung mit der am Hauptreflektor (11) reflektierten Strahlung zu bewirken.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor (11) ein parabolisches Profil hat.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsreflektor (13) eine teilweise durchlässige Schicht aus metallischem Material enthält.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise durchlässige Schicht aus einer Schicht mit darin verteilten Löchern besteht.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher in der Verteilung einen gegenseitigen Abstand aufwei­ sen, der kleiner ist als die halbe Wellenlänge der Strahlung.

6. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise durchlässige Schicht aus einem verhältnismäßig dün­ nen Film aus metallischem Material besteht, der eine solche Dicke aufweist, daß die teilweise Durchlässigkeit für die Strahlung gegeben ist.

7. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsreflektor (13) aus einer Metallplatte mit einer Wel­ lenleiterstruktur besteht.

8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterstruktur aus einer Gruppe von in der Metallplatte angebrachten Löchern besteht.

9. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsreflektor (13) aus einer Metallplatte oder -schicht mit gekrümmter Form und einer einzigen in ihrem Scheitel angeord­ neten Ausnehmung besteht, wobei die Ausnehmung eine zweite Quelle der Strahlung darstellt.

10. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsreflektor von einer Ober­ fläche der Linsenanordnung (14) getragen ist.

11. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsreflektor (13) ein hyperbo­ lisches Profil hat und die Linsenanordnung (14) aus dielektri­ schem Material besteht, dessen Dielektrizitätskonstante auf die Exzentrizität des hyperbolischen Profils bezogen ist.

12. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung (14) aus einer Plan-Konvexlinse besteht.

13. Antenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan-Konvexlinse (14) auf der planen Oberfläche mit einer Schicht (15) aus dielektrischem Material versehen ist.

14. Antenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (15) aus dielektrischem Material aus einem Gitter von Wellenleitern mit etwa rechteckigem Querschnitt besteht, die eine Breite (a) im Bereich zwischen λ und λ/2 und eine Wandstärkendi­ mension (S), die wesentlich kleiner als λ ist, haben, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung ist.