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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Hornstrahler und insbesondere
Hornstrahler, die bei zwei oder mehr getrennten Frequenzen zu arbeiten und
ausgeglichene Muster in E- und H-Ebenen bei jeder der Frequenzen
bereitzustellen vermögen.
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Im
Bereich der Kommunikation gibt es eine Anzahl Systeme, die Antennensysteme
benötigen, um
bei zwei oder mehr getrennten Frequenzen arbeiten zu können. Beispielsweise
ist es bei militärischen und
kommerziellen Satellitensystemen üblich, dass das Uplink-Signal
von einer Bodenstation zu dem Satelliten eine erste Frequenz hat,
während
das Downlink-Signal von dem Satelliten zu der Bodenstation eine
zweite Frequenz hat. Kommerzielle und militärische Ka-Band-Kommunikationssatelliten
sind ein Beispiel hierfür,
wo die Uplink-Frequenz 20 GHz und die Downlink-Frequenz 30 GHz betragen.
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In
der Vergangenheit haben Kommunikationssatellitensysteme, wie zum
Beispiel die oben genannten, die zwei Frequenzen behandelt, indem
Reflektorantennensystem in dem Satelliten verwendet wurden, die
mit einer Antennenspeisung (beispielsweise ein Speisehorn) und einem
Reflektorsystem (im Allgemeinen unter Verwendung eines Primärreflektors
und eines untergeordneten Reflektors) ausgeführt waren. Bei eine solchen
Anordnung werden oftmals separate Hornstrahler (engl.: horn antennas) als
Speisungen verwendet, wobei für
jede abzudeckende Frequenz ein Hornstrahler vorgesehen ist. Andererseits
wurden verschiedene Systeme entwickelt, die ein einzelnes Horn verwenden,
das bei zwei Frequenzen arbeitet. U.S.-Patent
3,938,159 , U.S.-Patent
4,785,309 und
U.S.-Patent
5,003,321 sind drei Beispiele derartiger
Speisehörner
für zwei Frequenzen;
die in einem Satellitenkommunikationssystem verwendet werden können. Diese
Anordnungen sind jedoch etwas kompliziert aufzubauen und nicht auf
einfache Weise anzupassen, um die Muster in den E- und den H-Ebenen
bei den unterschiedlichen Frequenzen auszugleichen.
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In
ihren Studien haben die Erfinder die Möglichkeit berücksichtigt,
ein mit Wellen versehenes Horn zu verwenden, das bei zwei oder mehr
getrennten Frequenzen arbeitet, wie z. B. den oben genannten Frequenzen
von 20 GHz und 30 GHz in dem Ka-Band. Mit Wellen versehene Hörner (d.
h. Hörner, wo
gewellte Ausnehmungen vorgesehen sind, die jeweils eine sich radial
zur zentralen Achse des Horns erstreckende Tiefe aufweisen) haben
den Vorteil, dass sie ohne weiteres Antennenmuster bereitstellen,
die in den E- und H-Ebenen gleich sind, indem auf wirksame Weise
im Wesentlichen alle Ströme
parallel zur Innenwand des Horns begrenzt werden (so dass das Horn
die gleichen Grenzbedingungen aufweist, die für das E- Feld senkrecht zur Wand vorliegen).
Zu diesem Zweck haben die Erfinder ein mit Wellen versehenes Horn,
wie z. B. das in 1 gezeigte,
aufgebaut und überprüft.
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Bei
der in 1 gezeigten Anordnung
weist ein mit Wellen versehenes Horn 10 eine Mehrzahl gewellter
Ausnehmungen 12 auf, die allmählich hinsichtlich Tiefe und
Breite von einem inneren Abschnitt des Horns zu einem äußeren Abschnitt
größer werden.
Aufgrund der unterschiedlichen Tiefen ist die Minenfrequenz jeder
Ausnehmung 12 leicht unterschiedlich von der der benachbarten
Ausnehmung 12. Typischerweise wird die Tiefe auf λ/4 festgelegt, um
eine Abstimmung auf die gewünschte
Frequenz zu erreichen. Die Breite jeder gewellten Ausnehmung 12 bestimmt
die Bandbreite dieser speziellen Ausnehmung um die Minenfrequenz.
Daher kann das Horn von 1 eine
durchgehende Abdeckung eines gewünschten
Frequenzbandes bereitstellen, indem die Tiefe und die Breite jeder
Ausnehmung 12 geeignet ausgelegt wird. Wie oben festgestellt,
können
auch ausgeglichene Muster in den E- und H-Ebenen innerhalb dieses
Frequenzbandes bereitgestellt werden, indem die Tiefe und Breite
der gewellten Ausnehmungen geeignet festgelegt werden.
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Beim
weiteren Betrachten dieser Struktur überprüften die Erfinder die Möglichkeit,
zwei oder mehr Gruppen gewellter Ausnehmungen 12 in einem herkömmlichen
Horn, wie z. B. 1, bereitzustellen,
um dadurch ein Horn aufzubauen, das in zwei unterschiedlichen Frequenzbändern (z.
B. zentriert um beispielsweise 20 GHz und 30 GHz) arbeiten würde, wobei
ausgeglichene Muster in den E- und H-Ebenen in jedem dieser getrennten
Frequenzbänder
bereitgestellt werden. Nach dieser Überlegung stellten die Erfinder
jedoch ein grundsätzliches
Problem fest, welches bei einer solchen Anordnung vorliegen würde. Insbesondere
würde,
wie in 1 gezeigt, die
elektrische Apertur des mit Wellen versehenen Horns 10 auf
den Innendurchmesser des Horns begrenzt sein. Wegen des Aufbaus
mit gewellten Ausnehmungen ist dieser Innendurchmesser wesentlich
kleiner als der tatsächliche
maximale physikalische Durchmesser des Horns. Mit anderen Worten,
das mit Wellen versehene Horn 10 von 1 hat eine deutlich größere physikalische
Apertur als seine elektrische Apertur. Dies kann einen bedeutsamen Nachteil
darstellen, insbesondere im Sinne von Überlegungen hinsichtlich Größe und Gewicht,
die beim Aufbau einer Satellitenantenne erforderlich sind. Auch
der relativ große
physikalische Durchmesser eines solchen Horns könnte eine bedeutsame Beschränkung bei
Reflektorsystemen darstellen, die bei Satelliten verwendet werden,
wo eine Mehrzahl von Speisehörnern
einander benachbart angeordnet sein könnten, um von einem einzelnen
Reflektorsystem Strahlen mit mehrfacher Abdeckung bereitzustellen.
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Der
Artikel "A dual
frequency, dual polaruized feed for radioastronomical applications", von M. E. J. Jeuken
et al., Nachrichtentechnische Zeitschrift, August 1972, Westdeutschland,
Band 25, Nr. 8, Seiten 374 – 376
offenbart eine Antenne für
zwei Frequenzen, die einen äu ßeren Abschnitt
und einen zentralen Abschnitt umfasst, die relativ zu einander koaxial
angeordnet sind. Der zentrale Abschnitt ist ausgelegt, um bei einer
speziellen höheren
Frequenz, nämlich 4995
MHz, zu arbeiten, wohingegen der äußere Abschnitt ausgelegt ist,
um bei einer speziellen niedrigeren Frequenz, nämlich 610 MHz, zu arbeiten.
Die äußeren und
zentralen Abschnitte umfassen Drosseln, die an den entsprechenden äußeren Enden
angeordnet sind.
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EP 0 421 757 A2 offenbart
eine Mikrowellenantenne, die aus einem strahlenden Zylinder besteht, dessen
vorderes Ende eine abstrahlende Apertur bereitstellt. Die abstrahlende
Apertur ist von einem Ring Drosseln umgeben, die aus einer Mehrzahl
konzentrischer Kanäle
bestehen, deren Tiefen derart ausgestaltet sind, dass jede Drossel
auf eine Viertelwellenlänge
einer Frequenz eingestellt ist, auf die die entsprechende Drossel
abgestimmt ist.
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GB
1 219 872 offenbart einen Hornstrahler, der einen Wellenleiter
kreisförmigen
Querschnitts umfasst, wobei ein Ende des Wellenleiters eine abstrahlende
Apertur definiert. Außerhalb
der abstrahlenden Apertur ist eine Vorrichtung mit dem Wellenleiter
verbunden, die ein Bauteil aufweist, das eine in der Ebene liegende
Stirnfläche
und eine Apertur in der Stirnfläche
aufweist. Eine Mehrzahl ringähnlicher Strahlungsbegrenzer
ist auf dem Bauteil befestigt und koaxial zu der Apertur des Bauteils
angeordnet. Die Begrenzer und das Bauteil erstrecken sich von der
Ebene in einer Richtung entgegengesetzt der Strahlungsapertur. Die
Begrenzer sind in Form koaxialer ringförmiger Ausnehmungen.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Horn bereitzustellen,
das bei zwei oder mehr getrennten Frequenzen zu arbeiten vermag.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hornstrahler
bereitzustellen, der bei zwei oder mehr Frequenzen zu arbeiten vermag,
wobei im Wesentlichen ausgeglichene Muster in den E- und H-Ebenen
bei jeder der unterschiedlichen Frequenzen bereitgestellt werden.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hornstrahler
bereitzustellen, der bei zwei oder mehr getrennten Frequenzen zu
arbeiten und im Wesentlichen ausgeglichene Muster in den E- und
H-Ebenen bereitzustellen vermag, wobei die elektrische Apertur des
Horns hinsichtlich der Größe der physikalischen
Apertur nahe kommt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hornstrahler
bereitzustellen, der bei zwei oder mehr Frequenzen zu arbeiten vermag,
der einfach aufzubauen ist, hinsicht lich der Größe kompakt ist und gleiche
Muster in den E- und H-Ebenen bei mehreren getrennten Frequenzen
bereitzustellen vermag.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
diese und weitere Aufgaben zu erreichen, ist ein Hornstrahler gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein herkömmliches,
mit Wellen versehenes Horn, das von den Erfindern beim Entwickeln
der vorliegenden Erfindung untersucht wurde.
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2 zeigt eine perspektivische
Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebauten Horns.
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3 ist ein vereinfachter
Querschnitt eines Horns, das gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, um bei zwei getrennten Frequenzen zu arbeiten.
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4 ist eine Querschnittsansicht
längs der Line 4-4 von 2, die Einzelheiten einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist eine Darstellung eines
gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebauten Horns, das in einem Satellitenreflektorantennensystem
verwendet wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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2 stellt eine perspektivische
Gesamtansicht eines Horns 20 zur Verfügung, das gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Wie unten im Einzelnen
beschrieben, ist das Horn 20 dieser Ausführungsform als
konisches Horn mit einer Mehrzahl Drosseln 22 aufgebaut,
die in dem Horn konzentrisch so angeordnet sind, dass sie Tiefen
aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zu der zentralen Längsachse 24 des
Horns erstrecken. Die Breiten dieser Drosseln 22 erstrecken
sich im Wesentlichen radial, wobei zu beachten ist, dass das Horn
vorzugsweise um die Längsachse 24 rotationssymmetrisch
ist. Der Durchmesser des Horns vergrößert sich allmählich von
einem Kopplungsabschnitt 26, der eine Verbindung mit einem
Eingabe- oder einem Ausgabeelement (beispielsweise ein kreisförmiger Wellenleiter)
einer Kommunikationsvorrichtung (beispielsweise ein Empfänger und/oder
Sender) ermöglicht.
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Wie
unten detaillierter diskutiert, sind die Drosseln 22 angeordnet,
um in getrennten Frequenzbändern
zu arbeiten, wobei der Betrieb bei höheren Frequenzen in den dem
Kopplungsabschnitt 26 am nächsten liegenden Drosseln stattfindet,
wohingegen der Betrieb bei der niedrigsten Frequenz in den der maximalen
Apertur des Horns am nächsten
liegenden Drosseln stattfindet. Daher können beispielsweise die Hörner in
zwei oder mehr getrennten Frequenzbändern arbeiten, die um 20 GHz
und 30 GHz zentriert sind, wenn das System, wie oben diskutiert, in
einem Ka-Band-Kommunikationssatellitensystem verwendet wird.
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Hinsichtlich
der in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Terminologie wird
angemerkt, dass der Begriff "getrennte
Frequenzen" zwei diskrete
Frequenzen bezeichnen soll, die durch einen Bereich von Frequenzen
von einander getrennt sind. Mit anderen Worten, dies würde Situationen
wie oben diskutiert einschließen,
bei denen die "getrennten
Frequenzen" 20 GHz
und 30 GHz sind. Natürlich würde eine
gewisse Bandbreite jeder dieser getrennten Frequenzen zugeordnet
sein. Als solcher soll der Begriff "getrennte Frequenzen" Situationen bezeichnen, wo die Bandbreiten
der getrennten Frequenzen nicht so bedeutsam groß sind, dass die Frequenzen wirksam
ineinander einblenden, um einen kontinuierlichen Bereich von Frequenzen
zu bilden.
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In
vergleichbarer Weise soll der Begriff "Frequenzband" eine diskrete Frequenz, wie z. B. 20 GHz,
und eine vorbestimmte Bandbreite um diese diskrete Frequenz herum
bezeichnen. Beispielsweise könnte
der Begriff "Frequenzband" im Fall von 20 GHz
19,99 GHz bis 20,01 GHz einschließen. Mit anderen Worten, mit
dieser Definition werden die Frequenzen 20 GHz und 30 GHz mit deren
entsprechenden Bandbreiten als zwei getrennte Frequenzbänder betrachtet,
ungeachtet des Umstands, dass sie sich beide in dem gesamten Ka-Band
befinden. Anders ausgedrückt,
es ist beabsichtigt, zwei Frequenzbereiche zu definieren, die durch
einen weiteren Bereich von Frequenzen von einander getrennt sind
(auch wenn sie innerhalb eines gesamten Frequenzbandes, wie z. B.
dem Ka-Band, vorliegen könnten),
im Gegensatz zu einer Abdeckung eines großen Bereichs, wie z. B. alle
Frequenzen zwischen 20 GHz und 30 GHz.
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3 ist eine vereinfachte
Darstellung der vorliegenden Erfindung, die bereitgestellt ist,
um das Verständnis
der bei der vorliegenden Erfindung einbezogenen Prinzipien zu unterstützen. In
dieser Figur sind die Tiefen- und Breitenabmessungen aus Darstellungszwecken
vergrößert. In 3 ist der Kopplungsabschnitt 26 als
verjüngter Übergang
aufgebaut, der mit einem kreisförmigen
Wellenleiter 28 verbunden ist, der als Anregungsanschluss
arbeiten kann. Bei der Ausführungsform,
die 20 GHz und 30 GHz als Minenfrequenzen verwendet, kann der kreisförmige Wellenleiter 28 verwendet
werden, um sowohl das 20 GHz-Signal von dem Horn zu empfangen, um
diese Signale einem Satellitenempfänger bereitzustellen, als auch
das 30 GHz-Signal von dem Satellitensender zu dem Horn zu übertragen,
um es als Downlink-Signal zu übertragen.
Andererseits könnte,
wenn höhere
Frequenzen betroffen sind, eine koaxiale Speisung oder eine andere
Zufuhrvorrichtung in Verbindung mit einem Wellenleiter bereitgestellt
sein. Es wird ferner angemerkt, dass jeder Verbindungstyp verwendet
werden könnte
und die Erfindung nicht auf die veranschaulichte verjüngte Verbindung
beschränkt
ist.
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Ein
innerer Abschnitt 30 ist mit dem Kopplungsabschnitt 26 verbunden,
um die Hochfrequenzkomponente des Horns 20 bereitzustellen.
Ein äußerer Abschnitt 32 ist
mit dem inneren Abschnitt 30 verbunden, um die niederfrequente
Komponente des Horns 20 bereitzustellen. Zwischen diesen
zwei Abschnitten 30 und 32 sind die Drosseln 22 (siehe 1) so aufgebaut, dass sie
in eine Gruppe erster Drosseln 34 und eine Gruppe zweiter
Drosseln 34 aufgegliedert sind. Wie in 3 zu sehen, sind die Tiefe und Breite
der ersten Drosseln 34 deutlich kleiner als die Tiefen
und Breiten der zweiten Drosseln 36, so dass der innere
Abschnitt 30 bei einer höheren Frequenz arbeitet.
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Insbesondere
vergrößern sich
die Tiefen und Breiten der ersten Drosseln allmählich von der kleinsten, unmittelbar
dem Kopplungsabschnitt 26 benachbarten zu der größten, unmittelbar
dem äußeren Abschnitt 32 benachbarten.
Auf diese Weise wird ein Betriebsfrequenzband bereitgestellt. Beispielsweise kann,
wenn die hohe Frequenz von 30 GHz beabsichtigt ist, eine zentrale
der ersten Drosseln 34 mit einer Tiefe aufgebaut sein,
die abgestimmt ist, um bei 30 GHz in Resonanz zu treten. Diejenigen
ersten Drosseln 34, die sich näher zu dem Kopplungsabschnitt 26 befinden,
können
abgestimmt sein, um progressiv höhere
Mittenfrequenzen aufzuweisen (indem sie kleinere Tiefen aufweisen),
während
diejenigen ersten Drosseln 34, die sich näher zu dem äußeren Abschnitt 32 befinden,
so abgestimmt sein können,
dass sie progressiv niedrigere Mittenfrequenzen aufweisen (durch
Vergrößern der
Tiefe). Die Breite der ersten Drosseln 34 steuert die Betriebsbandbreite
von jeder der ersten Drosseln 34 um ihre spezielle Mittenfrequenz.
Indem die Tiefen und Breiten geeignet abgestimmt sind, kann daher
ein kontinuierlicher Frequenzbereich von beispielsweise 29,99 GHz
bis 30,01 GHz bereitgestellt werden, um für einen zufriedenstellenden
Betrieb bei der Frequenz von 30 GHz zu sorgen, indem eine geringe Bandbreite
zugegeben wird, um geringe Variationen in dem Downlink-Signal zu
berücksichtigen.
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Beispielshalber
kann dies erreicht werden, indem fünf der ersten Drosseln 34 verwendet
und die Breiten der entsprechenden Drosseln festgelegt werden, um
für eine
ausreichende Bandbreite um jede der Mittenfrequenzen zu sorgen,
so dass die fünf Drosseln
insgesamt die Frequenzen zwischen 29,99 GHz und 30,01 GHz vollständig abdecken.
Es sollte beachtet werden, dass die Tiefen der Drosseln deutlich
größer als
die Breiten sein sollten, um für
einen ordnungsgemäßen Drosselbetrieb
zu sorgen. Typischerweise können
die Breiten der Drosseln zwischen λ/10 und λ/20 festgelegt werden, auch
wenn die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Je größer die
Breite der Drossel ist, desto größer ist
natürlich die
Bandbreite der speziellen Drossel. Hinsichtlich des Abstands sollten
die Drosseln im Allgemeinen so beabstandet sein, dass elektrische
Interferenz zwischen diesen verhindert wird. Dies hängt von
der Betriebsfrequenz und -bandbreite jeder Drossel ab. Schließlich bestimmt
die Anzahl von Drosseln, die entweder in den inneren oder äußeren Abschnitten (oder
beliebigen internren Abschnitten für diese Aufgabe) verwendet
werden, die gesamte Bandbreite dieses Abschnitts (wobei jede Drossel
ein schmales Band in dem größeren Gesamtband
abdeckt).
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Auf
die gleiche Weise können
die Tiefe und Breite der zweiten Drosseln 36 des äußeren Abschnitts 32 variiert
werden, um für
eine Abdeckung eines Frequenzbereichs von beispielsweise 19,99 GHz
bis 20,01 GHz zu sorgen, um für
einen angemessenen Empfang des 20 GHz Uplink-Signals zu gewährleisten.
In dieser Hinsicht wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung
bei zwei getrennten Frequenzen (oder Frequenzbändern), wie z. B. 20 GHz und
30 GHz, arbeiten soll, die sich im Wesentlichen von einander unterscheiden.
Es wird angemerkt, dass diese Frequenzen hier natürlich nur
beispielshalber vorgesehen sind und dass die vorliegende Erfindung
wie gewünscht
bei verschiedenen Frequenzen arbeiten kann. Beispielsweise ist die
vorliegende Erfindung auch sehr gut für einen Betrieb bei Frequenzen
in dem X-Ku-Band geeignet. Es wird ferner angemerkt, dass das Horn
lediglich der Einfachheit halber als Horn mit zwei Frequenzen beschrieben
wurde und es auf einfache Weise aufgebaut werden könnte, um
bei drei oder mehr getrennten Frequenzen zu arbeiten, indem ein
mittlerer Abschnitt zwischen dem inneren Abschnitt 30 und
dem äußeren Abschnitt 32 hinzugefügt wird,
wobei Drossel des einen oder der mehreren mittleren Abschnitte auf
dazwischenliegende Frequenzen abgestimmt sind. Auch wenn die obige
Beschreibung eine Anordnung zum Empfangen einer Frequenz und zum Übertragen
einer anderen Frequenz darstellt, kann die vorliegende Erfindung
auch für
reine Empfangssysteme oder reine Sendesysteme verwendet werden,
die ebenfalls zwei oder mehr Frequenzen nutzen.
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Im
Allgemeinen sind die Drosseln im Wesentlichen so ausgelegt, dass
sie eine Tiefe haben, die λ/4
für die
Mittenfrequenz entspricht, auf die diese speziell abgestimmt sind.
Vergleichbar zu dem Fall, wie für 1 beschrieben, Wellen zu
verwenden, besteht ein Vorteil der Verwendung von Drosseln darin, dass
sie einen Ausgleich der Muster der E- und H-Feldebenen bei jeder der Frequenzen
zulassen. Wenn das Horn als Speisung für ein Reflektorsystem verwendet
werden soll, sollten andererseits die aktuellen Strahlbreiten für die Muster
des Horns für
jede der zwei Frequenzen im Allgemeinen unterschiedlich sein, da
das Reflexionssystem selbst die Muster abhängig von der Differenz hinsichtlich
der Frequenzen unterschiedlich reflektiert. Mit anderen Worten,
wenn die Strahlbreite des Horns für beide Frequenzen identisch
sein soll, wird sie so reflektiert, dass die Strahlbreite für die höhere Frequenz
größer als
die Strahlbreite für
die niedrigere Frequenz ist (unter der Annahme, dass der Durchmesser
der reflektierenden Fläche
für beide
Frequenzen gleich ist). Daher sollte in einem Reflektorsystem die
Strahlbreite für
die unterschiedlichen Frequenzmuster des Horns so festgelegt sein,
dass die endgültigen,
von einem Primärreflektor
des Antennensystems reflektierten Muster gleiche Strahlbreiten aufweisen.
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Im
Gegensatz zu der in 1 gezeigten
Anordnung eines mit Wellen versehenen Horns hat die vorliegende
Erfindung den bedeutsamen Vorteil, eine elektrische Apertur bereitzustellen,
die hinsichtlich der Größe der physikalischen
Apertur nahe kommt. Wie in 3 gezeigt,
kann dies der Fall sein, weil es die axiale Richtung der Tiefen
der Drosseln ermöglicht,
dass sich die elektrische Apertur nahezu bis zu der äußersten
physikalischen Kante des Horns erstreckt. Im Wesentlichen ist die
elektrische Apertur durch den Innendurchmesser der größten Drossel definiert,
wohingegen der physikalische Durchmesser durch den Außendurchmesser
der größten Drossel
definiert sein kann. Daher definiert nur die Wanddicke zwischen
den Innen- und Außendurchmessern der
größten Drossel
den Unterschied zwischen der elektrischen Apertur und der physikalischen
Apertur. Da die elektrische Apertur die Antennenverstärkung bestimmt,
ermöglicht
dies einen bedeutsamen Anstieg der Antennenverstärkung innerhalb der Größeneinschränkungen,
für die
das Antennensystem ausgelegt ist.
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Als
Beispiel aktueller Größe kann
die in 3 gezeigte Ausführungsform
so aufgebaut sein, dass sie einen maximalen Hornaußendurchmesser (d.
h. die physikalische Apertur) von 3,6 Inch (9,144 cm) aufweist,
während
die elektrische Apertur der äußersten
Drossel 3,4 Inch (8,636 cm) beträgt.
Daher unterscheidet sich die elektrische Apertur von der physikalischen
Apertur lediglich um 0,2 Inch (0,508 cm). Hinsichtlich der Größe der physikalischen
und elektrischen Aperturen im Sinne der Wellenlänge der Betriebswellen betragen
die physikalischen und elektrischen Aperturen in diesem speziellen
Fall etwa 6 λ (basierend
auf λ =
0,6 Inch (1,524 cm) für
die Frequenz von 20 GHz). Im Allgemeinen können die Aperturen zwischen λ und 10λ festgelegt
sein, auch wenn dies nicht einschränkend sein soll.
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4 ist ein Querschnitt des
in 1 gezeigten Horns,
der eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind insgesamt 29
Drosseln 22 für
einen Betrieb bei zwei Frequenzen in den Frequenzbändern 20
GHz und 30 GHz vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform werden kreisförmige Strahlen
erzeugt, weil das spezielle Horn ausgelegt ist, kreisförmige Strahlen
zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation zu erzeugen. Andererseits
ist die vorliegende Erfindung nicht auf kegelförmige oder kreisförmige Strahlen
beschränkt
und könnte
mit anderen Anordnungen verwendet werden, beispielsweise rechteckige
oder pyramidenartige Hörnern.
Lediglich beispielshalber wird auch angemerkt, dass das in 1 gezeigte Horn äußerst kompakt
sein, einen anderen Durchmesser von 1,125 Inch (2,858 cm) am Eingang
des Kopplungsabschnitts, einen maximalen Außendurchmesser von 3,6 Inch
(9,144 cm) an der Hornöffnung
und eine Gesamtlänge
von etwa 11,5 Inch (29,21 cm) aufweisen kann.
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Vorzugsweise
sind die gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebauten Hörner
aus äußerst leichtem,
aber steifem Material aufgebaut. Beispielsweise könnte sehr
dünnes
Nickel (beispielsweise 0,005 Inch (0,0127 cm) dünn) beim Aufbau der in den 1 und 4 gezeigten, bevorzugten Ausführungsform
verwendet werden. Andere Materialien könnten jedoch ebenfalls verwendet
werden, wie z. B. Aluminium, falls erwünscht.
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5 zeigt ein Cassegrain-Reflektor-Satellitensystem
für eine
Satellitenantenne, bei der die vorliegende Erfindung verwendet werden
kann. Insbesondere kann eine Mehrzahl Hörner 20 der vorliegenden
Erfindung bei dem untergeordnetem Reflektor 38 und dem
Primärreflektor 40 verwendet
werden, um eine Mehrzahl kreisförmiger
Strahlen von dem Primärreflektor 40 zu
erzeugen, um unterschiedliche Abschnitte der Erdoberfläche getrennt
abzudecken. Bei dem bevorzugten Ka-Band-System, das 20 GHz für das Uplink-Signal
und 30 GHz für
das Downlink-Signal verwendet, wird dieses System im Allgemeinen
so ausgelegt sein, dass kreisförmig
symmetrische Strahlen mit einer halben Leistungsstrahlbreite von
9° erzeugt
werden. Diese Abmessungen sind natürlich lediglich beispielhaft.
Auch wenn rechteckige oder pyramidenförmige Hörner verwendet werden, ist
es möglich,
nicht kreisförmige
Strahlen zu erzeugen, um unterschiedlich geformte Bereiche auf der Erdoberfläche abzudecken.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung als Hornstrahler für ein Antennensystem
in einem Satelliten sehr brauchbar ist, kann sie auf einfache Weise bei
anderen Antennensystemen ebenfalls verwendet werden, einschließlich beispielsweise
Bodenstationen oder TVRO-Systemen
(d. h. Systeme lediglich zum Empfang von Fernsehen; engl.: televiusion
receive only systems). Zusätzlich
wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung mit einer Vielzahl
von Reflektorsystemen verwendet werden kann, einschließlich, ohne
darauf beschränkt
zu sein, versetzten, Cassegrain-, frontgespeisten, seitengespeisten
und Gregorian-Reflektoren.
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Die
obige Beschreibung schildert einen Hornstrahler, der eine elektrische
Apertur bereitzustellen vermag, die nahezu so groß wie die
physikalische Apertur ist, während
gleichzeitig ein Betrieb bei zwei oder mehr Frequenzen mit ausgeglichenen Mustern
in den E- und H-Ebenen für
jede dieser Frequenzen bereitgestellt wird. Ein weiterer Vorteil
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie relativ einfach
aufzubauen ist, verglichen mit den relativ komplizierten Strukturen,
die zuvor verwendet wurden, um einen Betrieb bei zwei Frequenzen
zu erreichen, und aufgrund der geringen Anzahl erforderlicher Teile
relativ wartungsfrei ist. Dies ist natürlich insbesondere bei der
Auslegung von Satellitenantennen wichtig, wo Wartung recht schwierig
ist.
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