DE60015822T2

DE60015822T2 - Mehrkeulenantenne mit frequenzselektiven oder polarisationsempfindlichen Zonen

Info

Publication number: DE60015822T2
Application number: DE60015822T
Authority: DE
Inventors: Te-Kao Wu; Charles W. Chandler
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1999-01-15
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: CA2293189A1; JP2000216623A; CA2293189C; EP1020953A2; EP1020953A3; EP1020953B1; US6169524B1; DE60015822D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Spiegelantennen und insbesondere eine Spiegelantenne, die frequenzselektive oder polarisationsempfindliche Zonen hat, um eine Mehrzahl Antennendiagramme mit verschiedenen Polarisationen oder Frequenzen von einem einzigen Spiegel bereitzustellen.
Beschreibung des Standes der Technik
Spiegelantennen werden häufig an Raumfahrzeugen verwendet, um mehrere Uplink- und Downlink-Kommunikationsstrecken zwischen dem Raumfahrzeug und dem Boden bereitzustellen. Die Downlinks arbeiten bei einer Frequenz, die typischerweise bei 20 GHz liegt, und die Uplinks arbeiten bei einer zweiten höheren Frequenz, die typischerweise ca. 30 oder 44 GHz beträgt. Typischerweise ist es für ein einziges Raumfahrzeug wünschenswert, mehrere Uplink- und Downlink-Antennen zu haben, so dass jede Antenne ein eigenes Antennendiagramm bereitstellt, das eine vorgegebene Ausleuchtzone auf der Erde abdeckt. Es ist ebenfalls typischerweise wünschenswert, sowohl ein Uplink- als auch ein Downlink-Antennendiagramm mit dem gleichen Öffnungswinkel bereitzustellen, so dass Benutzer sowohl vom selben Raumfahrzeug empfangen als auch an dasselbe Raumfahrzeug senden können. Ein einzelnes Raumfahrzeug kann z. B. eine Uplink-Antenne haben, die eine 3°× 6°-Antennenkeule bei 30 GHz für Uplink-Kommunikationen vom Nachrichtensystem CONUS (Continental United States) und eine Downlink-Antenne bei einer Frequenz von 20 GHz, die eine 3° × 6°-Antennenkeule für Downlink-Kommunikationen zum CONUS bereitstellt. Das typischerweise verwendete Verfahren zur Bereitstellung mehrerer Uplink- und Downlink-Antennendiagramme zu und von einem einzigen Raumfahrzeug besteht in der Bereitstellung getrennter Spiegel für jede Uplink- und Downlink-Antenne. Dies bedingt einen sehr großen Raumbedarf am Raumfahrzeug, ist aufwändig und bedeutet zusätzliches Gewicht.
Ein Verfahren, mit dem versucht wurde, Gewicht einzusparen, besteht in der Kopplung einer Uplink- und einer Downlink-Antenne zu einem einzigen Antennenspiegelkörper. Zu diesem Zweck wird eine Beleuchtungsquelle so konfiguriert, dass sie den Antennenspiegelkörper mit zwei Hochfrequenzsignalen beleuchtet, von denen das eine eine Frequenz von 20 GHz und das andere eine Frequenz von 30 GHz hat. Der Antennenspiegel wird typischerweise aus einem Verbund- oder Honigwabenmaterial hergestellt, das mit einem reflektierenden Material, typischerweise Aluminium, beschichtet ist, das Hochfrequenzsignale sämtlicher Frequenzen reflektiert. Der Nachteil bei diesem System besteht darin, dass es schwierig ist, Antennendiagramme mit vorgegebenen Öffnungswinkeln bei verschiedenen Frequenzen vom typischen Spiegel bereitzustellen. Der Öffnungswinkel einer Antenne ist umgekehrt proportional zur Größe des Spiegels und der Frequenz der Beleuchtung. Beim gleich großen Spiegel hätte das Uplink-Antennendiagramm bei 30 GHz einen kleineren Öffnungswinkel als das Downlink-Antennendiagramm bei 20 GHz, wodurch eine kleinere Ausleuchtzone als die des Downlink-Antennendiagramm abgedeckt werden würde. Um diesem Problem zu begegnen, verwenden herkömmliche Spiegelantennen speziell konzipierte Feed-Hörner, wodurch ein Antennendiagramm bei 30 GHz mit einem weiteren Öffnungswinkel erzeugt wird. Dies ist nicht effizient und häufig schwierig zu bewerkstelligen, da sich Feed-Hörner extrem empfindlich bei Toleranz- und Bandbreiteneinschränkungen verhalten.
Die US 4,851,858 A offenbart eine Spiegelantenne, die verschiedene Öffnungsbereiche auf einem konkaven Spiegelkörper der Antenne für verschiedene Frequenzbereiche bereitstellt. Die Öffnungsbereiche haben eine kreisförmige oder elliptische Querschnittskonfiguration und überlappen einander. Zur Bildung der verschiedenen Öffnungsbereiche besteht der Spiegelkörper aus einer Mehrzahl Spiegelzonen, die hinsichtlich ihrer Reflexionseigenschaften voneinander verschieden sind. Eine erste Zone, die in einer Überlappungsregion der Öffnungsbereiche liegt, ist mit einer durchgehenden Beschichtung eines reflektierenden Materials versehen und so reflektierend für alle von der Antenne abgedeckten Frequenzbänder. Weitere Zonen, die nur zu einem Teil der Öffnungsbereiche gehören, sind selektiv für einen entsprechenden Teil der Frequenzbänder reflektierend und übertragen das (die) restliche(n) Frequenzband (Frequenzbänder). Um das frequenzselektive Reflexionsvermögen oder die Durchlässigkeit zu erzielen, sind die weiteren Zonen mit einem regelmäßigen Muster aus reflektierenden oder übertragenden Elementen versehen, die über der Oberfläche der betreffenden Zone verteilt sind. Die einzelnen Elemente können beispielsweise die Form von Kreuzdipolen, Ringen oder Löchern haben.
Aus der US 4,757,323 A ist eine Spiegelantenne bekannt, die einen parabolischen Spiegelkörper aufweist, auf dessen Oberfläche zwei sich überlappende Polarisierungsgitter ausgeformt sind. Die Drähte der Polarisierungsgitter verlaufen zueinander senkrecht. Beide Polarisierungsgitter haben eine elliptische Konfiguration und ihre Mittelpunkte fallen zusammen. Eines der Polarisierungsgitter erstreckt sich über die ganze aktive Oberfläche des Spiegelkörpers, das andere Polarisierungsgitter deckt nur einen mittleren Abschnitt desselben ab. Auf diese Weise werden zwei Spiegelzonen auf dem Spiegelkörper ausgeformt, wobei eine erste innere Zone vom Umfang des kleineren Polarisierungsgitter begrenzt wird, und eine zweite äußere Zone vollständig um die innere Zone verläuft und vom Umfang des größeren Polarisierungsgitters begrenzt wird. Da jedes Polarisierungsgitter nur entsprechende der beiden orthogonal polarisierten elektromagnetischen Wellen reflektiert, ist die äußere Spiegelzone eine polarisationsempfindliche Zone, die nur für eine Polarisationsrichtung re flektierend ist, während die innere Spiegelzone polarisationsunempfindlich ist und beide Polarisationsrichtungen reflektiert.
Die EP 0 593 903 A1 offenbart eine Spiegelantenne, die zwei hintereinander angeordnete konkave Spiegelkörper aufweist. Jeder Spiegelkörper ist mit einem Polarisierungsgitter versehen. Die Gitter der Spiegelkörper verlaufen zueinander orthogonal, um die jeweiligen orthogonal polarisierten Signale zu reflektieren. Somit ist jeder Spiegelkörper mit einer einzigen polarisationsempfindlichen Zone ausgebildet, die eine der beiden Polarisationsrichtungen reflektiert und die andere Polarisationsrichtung durchlässt.
Es besteht ein Bedarf für einen einzigen Spiegel, der eine Mehrzahl Antennendiagramme bereitstellt, von denen ein jedes einen vorgegebenen Öffnungswinkel hat, so dass für ein Raumfahrzeug nur das Gewicht und die Kosten eines Spiegels anfallen, wobei die Fähigkeit der Bereitstellung mehrerer Uplink- und Downlink-Antennendiagramme gegeben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der obige Bedarf wird von der vorliegenden Erfindung erfüllt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, die eine Antenne mit frequenzselektiven und polarisationsempfindlichen Eigenschaften auf einem einzigen Spiegel bereitstellt, um eine Mehrzahl Antennendiagramme bereitzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird auf die detaillierte Beschreibung verschiedener Beispiele verwiesen, die zum Verständnis der Erfindung beitragen, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist; es zeigen:
1a eine Draufsicht eines Spiegelkörpers gemäß einem zum Verständnis der Erfindung beitragenden Beispiel;
1b eine Seitenansicht einer Spiegelantenne mit dem in 1a dargestellten Spiegelkörper;
1c Antennendiagramme, die von der in 1b dargestellten Spiegelantenne erzeugt werden;
2a eine Draufsicht eines Spiegelkörpers gemäß einem zum Verständnis der Erfindung beitragenden zweiten Beispiel;
2b eine Seitenansicht einer Spiegelantenne mit dem in 2a dargestellten Spiegelkörper;
2c Antennendiagramme, die von der in 2b dargestellten Spiegelantenne erzeugt werden;
3a eine Draufsicht frequenzselektiver Kreisringelemente gemäß einem zum Verständnis der Erfindung beitragenden dritten Beispiel;
3b und 3c Draufsichten geschachtelter frequenzselektiver Kreisringelemente gemäß einem zum Verständnis der Erfindung beitragenden vierten Beispiel;
beitragenden Beispiel;
4a eine Draufsicht eines Spiegelkörpers gemäß einem zum Verständnis der Erfindung beitragenden fünften Beispiel;
4b eine Seitenansicht einer Spiegelantenne mit dem in 4a dargestellten Spiegelkörper;
4c Antennendiagramme, die von der in 4b dargestellten Spiegelantenne erzeugt werden;
5a eine Draufsicht eines Spiegelkörpers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 5b eine Seitenansicht einer Spiegelantenne mit dem in 5a dargestellten Spiegelkörper;
5c Antennendiagramme, die von der in 5b dargestellten Spiegelantenne erzeugt werden;
6a eine Draufsicht eines Spiegelkörpers gemäß einem zum Verständnis der Erfindung beitragenden sechsten Beispiel;
6b eine Seitenansicht einer Spiegelantenne mit dem in 6a dargestellten Spiegelkörper;
6c Antennendiagramme, die von der in 6b dargestellten Spiegelantenne erzeugt werden;
7a eine Draufsicht eines Spiegelkörpers gemäß einem zum Verständnis der Erfindung beitragenden siebten Beispiel;
7b eine Seitenansicht einer Spiegelantenne mit dem in 7a dargestellten Spiegelkörper; und
7c Antennendiagramme, die von der in 7b dargestellten Spiegelantenne erzeugt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1a bis 1c zeigen eine Spiegelantenne 10 zur Bereitstellung mehrerer Antennendiagramme 12 bis 16. Die Spiegelantenne 10 kann als Primär-Fokus-Einspeisereflektor, Versatzreflektor, Cassagrain-Reflektor oder dgl. konfiguriert sein. Die Spiegelantenne 10 enthält einen Spiegelkörper 18 und eine Beleuchtungsquelle 20. Der Spiegelkörper 18 weist eine Mehrzahl Zonen 22 bis 26 auf, wobei jede Zone 22 bis 22 so konfiguriert ist, dass sie eine frequenzselektive oder eine polarisationsempfindliche Zone ist. Die Beleuchtungsquelle 20 ist so konfiguriert, dass sie den Spiegelkörper 18 mit einer Mehrzahl HF-Signalen beleuchtet, die durch die mit 28 bis 32 gekennzeichneten Linien veranschaulicht sind, wobei jedes HF-Signal 28 bis 32 eine vorgewählte Frequenz oder Polarisation hat. Jede Zone 22 bis 26 ist so konfiguriert, dass sie gewählte HF-Signale 28 bis 32 mit vorgewählten Frequenzen oder mit vorgewählter Polarisation selektiv reflektiert, durchlässt oder absorbiert. Jedes der reflektierten HF-Signale 34 bis 38 erzeugt Antennendiagramme 12 bis 16, wobei die Eigenschaften jedes Antennendiagramms 12 bis 16 einschließlich der Form und des Öffnungswinkels von der Form und den Abmessungen der Zonen 22 bis 28 bestimmt werden. Die Größe und Form jeder Zone 22 bis 28 ist vorgewählt, so dass Antennendiagramme 12 bis 16 mit den gewünschten Formen und Öffnungswinkeln erzeugt werden. Durch die Konfigurierung eines einzigen Spiegelkörpers 18, der eine oder mehrere frequenzselektive oder polarisationsempfindliche Zonen 22 bis 26 aufweist, kann eine Mehrzahl Antennendiagramme 12 bis 16 von einer einzigen Spiegelantenne 10 erzeugt werden, von denen ein jedes eine vorgewählte Form und einen vorgewählten Öffnungswinkel hat.
Bei einem in den 2a bis 2c dargestellten zum Verständnis der Erfindung beitragenden Beispiel weist der Spiegelkörper 40 drei konzentrische Zonen 42 bis 46 auf. Die erste Zone 42 ist so konfiguriert, dass sie HF-Signale mit den Frequenzen f1 bis f3 reflektiert; die zweite Zone 44 ist so konfiguriert, dass sie HF-Signale mit den Frequenzen f2 und f3 reflektiert und HF-Signale mit der Frequenz f1 durchlässt. Die dritte Zone 46 ist so konfiguriert, dass sie HF-Signale mit der Frequenz f3 reflektiert und HF-Signale mit den Frequenzen f1 und f2 durchlässt. Die Beleuchtungsquelle 48 ist so konfiguriert, dass sie drei HF-Signale, die durch die mit 50 bis 54 gekennzeichneten Linien veranschaulicht sind, erzeugt, wobei jedes der HF-Signale 50 bis 54 eine andere Frequenz f1 bis f3 hat.
Das erste HF-Signal 50 trifft auf den Spiegelkörper 40, wobei der Anteil des ersten HF-Signals 50, der auf die erste Zone 42 fällt, von der ersten Zone 42 reflektiert wird. Der Anteil des ersten HF-Signals 50, der auf die zweite 44 und dritte 46 Zone fällt, wird jedoch nicht reflektiert und von der zweiten 44 und dritten 46 Zone durchgelassen. Somit reflektiert nur die erste Zone 42 das erste HF-Signal 50, um ein erstes reflektiertes Signal 56 zu erzeugen, das ein erstes Antennendiagramm 58 mit Eigenschaften einschließlich Form und Öffnungswinkel bildet, die im Wesentlichen von der Form und den Abmessungen nur der ersten Zone 42 bestimmt werden. Form und Abmessungen der ersten Zone 42 sind somit vorgewählt, um eine erstes Antennendiagramm 58 mit vorgegebenen Diagrammeigenschaften wie Form und Öffnungswinkel bereitzustellen.
Die erste Zone 42 wird vorzugsweise aus einem leichten Kern 60 aus einem Material wie Graphit, Kevlar^TM, Nomex^TM, Aluminiumwabenmaterial oder dgl, hergestellt, bei denen es sich sämtlich um handelsüblich erhältliche Materialien handelt, wobei Kevlar^TM und Nomex^TM von der Hexcel Corporation in Huntington Beach, Kalifornien, hergestellt werden. Eine stark reflektierende Beschichtung 62 wie Aluminium wird typischerweise auf die obere Oberfläche 64 des leichten Kerns 60 vorzugsweise durch Abscheidung aus der Dampfphase oder Sputtern aufgebracht, um eine Oberfläche bereitzustellen, die für die HF-Signale 50 bis 54 mit einer Mehrzahl Frequenzen stark reflektierend ist. Eine ausführlichere Beschreibung der Prozesse wie Abscheidung aus der Dampfhase oder Sputtern zum Aufbringen von Materialien findet sich in Microelectronic Processing and Device Design von Roy A. Colclaser, 1980.
Das zweite HF-Signal 52 trifft auf den Spiegelkörper 40, wobei der Anteil des zweiten HF-Signals 52, der auf die erste 42 und zweite 44 Zone fällt, von der ersten 42 und zweiten 44 Zone reflektiert wird. Der Anteil des zweiten HF-Signals 52, der auf die dritte 46 Zone fällt, wird jedoch nicht reflektiert und von der dritten 46 Zone durchgelassen. Somit reflektieren nur die erste 42 und zweite 44 Zone das zweite HF-Signal 52, um ein zweites reflektiertes Signal 66 zu erzeugen, das ein zweites Antennendiagramm 68 mit Eigenschaften bildet, die im Wesentlichen von der Form und den Abmessungen sowohl der ersten 42 und der zweiten 44 Zone gemeinsam bestimmt werden.
Das dritte HF-Signal 54 trifft auf den Spiegelkörper 40 und wird von allen drei Zonen 50 bis 54 reflektiert 70. Ein drittes Antennendiagramm 72 wird vom dritten reflektierten HF-Signal 70 erzeugt, dessen Eigenschaften mit den Abmessungen aller drei Zonen 42 bis 46 gemeinsam in Zusammenhang stehen.
Jede frequenzselektive Zone 44 und 46 weist typischerweise eine strukturierte metallische oberste Schicht 74 oder 76 über einem dielektrischen Kern 78 bzw. 80 auf. Die dielektrischen Kerne 78 und 80 werden aus Materialien wie Kevlar^TM, Nomex^TM, Ceramic Foam, Rohacell Foam^TM oder dgl. hergestellt, bei denen es sich um handelsüblich erhältliche Materialen handelt, von denen gemäß dem Stand der Technik bekannt ist, dass sie HF-Signale durchlassen, wobei Rohacell Foam^TM von der Richmond Corporation in Norwalk, Kalifornien, hergestellt wird. Zur Vereinfachung der Fertigung werden alle dieser drei Kerne 60, 78 und 80 typischerweise aus den gleichen Materialien hergestellt. Zur Erzeugung der strukturierten metallischen oberen Schichten 74 und 76 wird zuerst eine metallische obere Schicht mittels Abscheidung aus der Dampfphase oder Sputtern auf den dielektrischen Kernen 78 und 80 aufgebracht, und Abschnitte der metallischen oberen Schicht werden durch eine Ätztechnik entfernt, wodurch die strukturierten metallischen oberen Schichten 74 und 76 ausgebildet werden. Eine ausführlichere Beschreibung der Prozesse der Abscheidung aus der Dampf phase, Sputtern und Ätzen findet sich in der oben genannten Fachliteratur. Alternativ können die strukturierten oberen Schichten 74 und 76 auf getrennten Materialfolien ausgeformt und dann mit den Kernen 78 bzw. 80 verbunden werden. Die strukturierten Schichten 74 und 76 enthalten typischerweise Kreuze, Quadrate, Kreise, "Y"-Formen und dgl., wobei das exakte Design und die Abmessungen der strukturierten oberen Schichten 74 und 76 durch experimentelle Daten gekoppelt mit Design-Gleichungen und Computeranalyse-Werkzeugen bestimmt werden, wie sie sich in dem Buch Frequency Selective Surface and Grid Array von T. K. Wu, veröffentlicht von John Wiley and Sons, Inc., finden. Das Design und die Abmessungen der ersten strukturierten oberen Schicht 74, die den zweiten Kern 78 abdeckt, wird so gewählt, dass HF-Signale mit den Frequenzen f2 und f3 reflektiert und HF-Signale mit der Frequenz f1 durchgelassen werden, während die strukturierte obere Schicht 76, die den dritten Kern 80 abdeckt, so gewählt wird, dass HF-Signale mit der Frequenz f3 reflektiert und HF-Signale mit den Frequenzen f1 und f2 durchgelassen werden.
So könnte beispielsweise wie aus den 2a, 2b und 3a, 3b und 3c ersichtlich ist, die erste strukturierte metallische obere Schicht 74 aus einer Mehrzahl einzelner kreisförmiger Ringe 81 bestehen, von denen ein jeder einen Durchmesser D1 und eine Breite W1 hat. Alternativ könnte die erste strukturierte metallische obere Schicht 74 aus einer Mehrzahl verschachtelter kreisförmiger Ringe 82 bestehen, wobei jeder verschachtelte kreisförmige Ring 82 einen inneren Ring 83 und einen äußeren Ring 84 aufweist. Jeder innere Ring 83 hat einen Durchmesser D2 und eine Breite W2 und jeder äußere Ring 84 hat einen Durchmesser D3 und eine Breite W3, wobei D2 < D3 und W2 < W3. Sowohl die einzelnen kreisförmigen Ringe 81 als auch die verschachtelten kreisförmigen Ringe 82 lassen HF-Signale mit einer Frequenz von 44 GHz durch und reflektieren HF-Signale mit den Frequenzen 29 und 30 GHz. Die verschachtelten kreisförmigen Ringe 82 werden für Ausführungsformen, die HF-Signale nahe beieinander liegender Frequenzen durchlassen und reflektieren, bevorzugt.
Die zweite metallische obere Schicht 76 könnte auch aus einer Mehrzahl verschachtelter kreisförmiger Ringe 85 bestehen, wobei jeder verschachtelte kreisförmige Ring 85 einen inneren Ring 86 und einen äußeren Ring 87 aufweist. Jeder innere Ring 86 hat einen Durchmesser D4 und eine Breite W4 und jeder äußere Ring 87 hat einen Durchmesser D3 und eine Breite W5, wobei D4 < D5 und W4 < W5. Diese verschachtelten kreisförmigen Ringe 85 lassen HF-Signale mit Frequenzen von 30 und 44 GHz durch, reflektieren jedoch HF-Signale mit einer Frequenz von 20 GHz.
Bei einem in den 4a bis 4d dargestellten zum Verständnis der Erfindung beitragenden Beispiel weist die Spiegelantenne 86 einen Versatzreflektor 88 mit vier Zonen 90 bis 96 auf, wobei jede der Zonen 90 bis 96 so konfiguriert ist, dass sie HF-Signale mit den vor gewählten Frequenzen f1 bis f4 durchlässt oder reflektiert, die durch die Linien 98 bis 104 gekennzeichnet sind. Die Beleuchtungsquelle 106 weist vier Feed-Hörner 108 bis 114 auf, wobei jedes der Feed-Hörner 108 bis 114 jeweils eines der HF-Signale 98 bis 104 erzeugt. Die erste Zone 90 ist so konfiguriert, dass sie die HF-Signale aller Frequenzen reflektiert, so dass alle vier HF-Signale 98 bis 104 von der ersten Zone 90 reflektiert 116 bis 122 werden. Die zweite Zone 92 ist so konfiguriert, dass sie die HF-Signale 100 bis 104 mit den Frequenzen f2 bis f4 reflektiert und die HF-Signale 98 mit der Frequenz f1 durchlässt, so dass die zweiten 100 bis vierten 104 HF-Signale von der zweiten Zone 92 reflektiert 118 bis 122 werden und das erste HF-Signal 98 von der zweiten Zone 92 durchgelassen wird. Die dritte Zone 94 ist so konfiguriert, dass sie die HF-Signale 102 und 104 mit den Frequenzen f3 und f4 reflektiert und die HF-Signale 98 und 100 mit den Frequenzen f1 und f2 durchlässt, so dass die dritten 102 und vierten 104 HF-Signale von der dritten Zone 94 reflektiert 120 und 122 werden und die ersten 98 und zweiten 100 HF-Signale von der dritten Zone 94 durchgelassen werden. Die vierte Zone 96 ist so konfiguriert, dass sie ein HF-Signal 104 mit der Frequenz f4 reflektiert und die HF-Signale 98 bis 102 mit den Frequenzen f1 bis f3 durchlässt, so dass das vierte 104 HF-Signal von allen Zonen 90 bis 96 reflektiert 122 wird.
Die Abmessungen jeder Zone 90 bis 96 bestimmen die Eigenschaften der von ihr erzeugten Antennendiagramme 124 bis 130. Die 4c und 4d zeigen die Hauptschnittebenen der von der Antenne 86 erzeugten Antennendiagramme in der x- bzw. y-Ebene (4a). Die erste 90 und dritte 94 Zone sind mit elliptischen Formen konfiguriert und die zweite 92 und vierte 96 Zone sind kreisförmig konfiguriert. Somit haben die Antennendiagramme 130 und 126, die vom ersten 116 und dritten 120 reflektierten Signal erzeugt werden, elliptische Diagrammformen und die Antennendiagramme 128 und 124, die vom zweiten 118 und vierten 122 reflektierten Signal erzeugt werden, kreisförmige Diagramme. Dieses Beispiel erzeugt vier Antennendiagramme 124 bis 130 von einer einzigen Spiegelantenne 86, wobei jedes Antennendiagramm eine vorgegebene Form und jeweils eine andere Frequenz f1 bis f4 hat.
Wie aus den 5a bis 5c, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigen, zu ersehen ist, reflektiert die erste Zone 132 sämtliche HF-Signale, die zweite Zone 134 ist eine polarisationsempfindliche Zone und die dritte Zone 136 ist sowohl eine frequenzselektive als auch eine polarisationsempfindliche Zone.
Polarisationsempfindliche Zonen lassen HF-Signale mit einer Polarisationsrichtung durch und reflektieren orthogonal dazu polarisierte Signale. Eine polarisationsempfindliche Zone lässt z. B. entweder horizontal polarisierte HF-Signale durch und reflektiert vertikal polarisierte HF-Signale, oder sie lässt vertikal polarisierte HF-Signale durch und reflektiert horizontal polarisierte HF-Signale. Wie die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen frequenz selektiven Zonen weisen die polarisationsempfindlichen Zonen eine strukturierte metallische obere Schicht über einem dielektrischen Kern auf. Für horizontal oder vertikal polarisierte HF-Signale enthält die strukturierte obere Schicht typischerweise metallische parallele Leitungen, die so ausgerichtet sind, dass ein HF-Signal mit einer Polisierungsrichtung durchgelassen und ein orthogonal dazu polarisiertes HF-Signal reflektiert wird. Die Verwendung polarisationsempfindlicher Zonen ermöglicht es, zwei entgegengesetzt polarisierte HF-Signale mit gleicher Frequenz in einem einzigen Spiegel zu koppeln, wobei jedes reflektierte HF-Signal ein eigenes Antennendiagramm mit der gewünschten Form und dem gewünschten Öffnungswinkel bereitstellt.
Die erste Zone 132 ist z. B. so konfiguriert, dass sie sämtliche HF-Signale reflektiert. Die zweite Zone 134 ist als eine polarisationsempfindliche Zone 134 konfiguriert, um alle vertikal polarisierten HF-Signale ungeachtet der Frequenz zu reflektieren. Die dritte Zone 136 ist sowohl als frequenzselektive als auch als polarisationsempfindliche Zone 136 konfiguriert, um nur vertikal polarisierte HF-Signale mit der Frequenz f2 zu reflektieren.
Der Spiegel 138 wird von drei HF-Signalen beleuchtet, die durch die mit 140 bis 144 gekennzeichneten Linien veranschaulicht sind. Das erste HF-Signal 140 hat eine erste Frequenz f1 und ist horizontal polarisiert. Dieses HF-Signal 140 wird von der ersten Zone 132 reflektiert 146, aber von der zweiten 134 und dritten 136 Zone durchgelassen. Ein horizontal polarisiertes Antennendiagramm 152 mit der Frequenz f1 und Eigenschaften, die von den Abmessungen der ersten Zone 132 bestimmt werden, wird vom ersten reflektierten Signal 146 erzeugt.
Das zweite HF-Signal 142 hat ebenfalls die Frequenz f1, ist aber vertikal polarisiert. Dieses zweite HF-Signal 142 wird sowohl von der ersten 132 als auch von der zweiten 134 Zone reflektiert, aber von der dritten Zone 136 durchgelassen. Ein vertikal polarisiertes Antennendiagramm 154 mit der Frequenz f1 und Eigenschaften, die von den Abmessungen der ersten 132 und zweiten 134 Zone bestimmt werden, wird vom ersten reflektierten Signal 148 erzeugt.
Das dritte HF-Signal 144 ist ebenfalls vertikal polarisiert, hat aber eine andere Frequenz f2. Die dritte Zone 136 ist sowohl eine frequenzselektive als auch eine polarisationsempfindliche Zone 136, die so konfiguriert ist, dass sie alle horizontal polarisierten HF-Signale ungeachtet der Frequenz durchlässt, aber vertikal polarisierte HF-Signale der Frequenz f2 reflektiert. Das dritte HF-Signal 144 wird von allen drei Zonen 132 bis 136 reflektiert 150. Ein vertikal polarisiertes Antennendiagramm 156 mit der Frequenz f2 und Eigenschaften, die von den Eigenschaften des gesamten Spiegels 138 bestimmt werden, wird vom dritten reflektierten Signal 150 erzeugt.
Bei dem in den 6a bis 6c zum Verständnis der Erfindung beitragenden dargestellten Beispiel erzeugt die Spiegelantenne 158 zwei Antennendiagramme 160 und 162, von denen ein jedes etwa die gleiche Form und den gleichen Öffnungswinkel hat, wobei das erste Antennendiagramm 160 auf einer Frequenz von ca. 20 GHz und das zweite Antennendiagramm 162 auf einer Frequenz von ca. 30 GHz liegt. Die Spiegelantenne 158 enthält eine Beleuchtungsquelle 164 und einen Spiegelkörper 166. Die Beleuchtungsquelle 164 ist so konfiguriert, dass sie den Spiegelkörper 166 mit zwei HF-Signalen beleuchtet, die durch die mit 168 und 170 gekennzeichneten Linien veranschaulicht sind. Das erste 168 und zweite 170 HF-Signal haben Frequenzen von 20 bzw. 30 GHz. Die erste Zone 172 des Spiegelkörpers 166 ist so konfiguriert, dass sie HF-Signale mit Frequenzen von 20 und 30 GHz reflektiert, und die zweiten Zone 174 ist eine frequenzselektive Zone 174, die so konfiguriert ist, dass sie HF-Signale mit einer Frequenz von 20 GHz reflektiert und HF-Signale mit einer Frequenz von 30 GHz durchlässt. Die erste 172 und zweite 174 Zone des Spiegelkörpers 166 sind so dimensioniert, dass sie Antennendiagramme 160 und 162 mit gleichen Öffnungswinkeln bei Frequenzen von 20 bzw. 30 GHz erzeugen. Da der Öffnungswinkel der Antennendiagramme 160 und 162 umgekehrt proportional sowohl zur Frequenz als auch zum Durchmesser d1 oder d2 der das Antennendiagramm 106 bzw. 162 erzeugenden reflektierenden Zonen 172 und 174 ist, sollte der Durchmesser d1 der ersten Zone 172 etwa zwei Drittel des Durchmessers d2 der zweiten Zone 174 betragen, um Antennendiagramme sowohl mit 20 als auch mit 30 GHz zu erzeugen, die den gleichen Öffnungswinkel haben.
Wie aus den 7a bis 7c zu ersehen ist, ist der Spiegelkörper nicht auf konzentrische Zonen beschränkt, sondern kann auch mit einem Spiegelkörper 176 implementiert werden, der eine Mehrzahl Zonen 178 bis 184 innerhalb des Spiegelkörpers 176 hat, wobei jede Zone 178 bis 184 eine vorgewählte Form und vorgewählte Abmessungen hat. Bei diesem zum Verständnis der Erfindung beitragenden Beispiel ist die Beleuchtungsquelle 186 so konfiguriert, dass sie drei HF-Signale erzeugt, die durch die mit 188 bis 192 gekennzeichneten Linien veranschaulicht werden. Die erste und zweite Zone 178 und 180 sind so konfiguriert, dass sie das erste HF-Signal 188 reflektieren, wobei ein erstes Antennendiagramm 194 davon erzeugt wird, während die dritte 182 und vierte 184 Zone so konfiguriert sind, dass sie das erste HF-Signal 188 durchlassen. Die zweite 180 und dritte 182 Zone sind so konfiguriert, dass sie das zweite HF-Signal 190 reflektieren, wobei ein zweites Antennendiagramm 196 davon erzeugt wird, während die erste 178 und vierte 184 Zone so konfiguriert sind, dass sie das zweite HF-Signal 190 durchlassen. Alle vier Zonen 178 bis 184 sind so konfiguriert, dass sie das dritte HF-Signal 192 reflektieren und ein drittes Antennendiagramm 198 davon erzeugen.
Die Anteile des ersten 188 und zweiten 190 HF-Signals, die von den Zonen 178 bis 184 des Spiegelkörpers 176 durchgelassen werden, können Probleme in anderen elektronischen Bauteilen (nicht dargestellt) hervorrufen, die sich sehr nahe am Spiegelkörper 176 befinden. HFabsorbierendes Material 200 kann an der Unterseite 202 des Spiegelkörpers 176 angebracht werden und die durchgelassenen HF-Signale 188 bis 190 absorbieren.
Es ist typischerweise wünschenswert, dass die vom Spiegelkörper 176 erzeugten Antennendiagramme 196 bis 198 niedrige Nebenkeulenpegel 204 bis 208 haben. Zu diesem Zweck kann ein Ring aus Widerstandsmaterial 210 wie R-card^TM, hergestellt von der Southwall Technologies Corporation, Palo Alto, Kalifornien, mit dem Spiegelkörper 176 gekoppelt werden. Eine Untersuchung hat ergeben, dass die Nebenkeulenpegel 204 bis 208 der vom Spiegelkörper 176 erzeugten Antennendiagramme 194 bis 198 gesenkt werden, wenn das Widerstandsmaterial 210 mit der Kante des Spiegelkörpers 176 gekoppelt wird.
Die vorliegende Erfindung bedient sich einer vorgewählten Mehrzahl frequenzselektiver und/oder polarisationsempfindlicher Zonen, um von einer einzigen Spiegelantenne mehrere Antennendiagramme bereitzustellen. Indem jede Zone nach einer vorgewählten Form und vorgewählten Abmessungen konfiguriert wird, erzeugt die vorliegende Erfindung eine Mehrzahl Antennendiagramme von einem einzigen Spiegelkörper, wobei jedes Antennendiagramm die gewünschte Form und den gewünschten Öffnungswinkel hat. Auf diese Weise kann ein einziger Spiegel mehrere Spiegelantennen ersetzen, wodurch Gewicht, Kosten und Raumbedarf eingespart werden.
Für den Fachmann versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das oben Dargestellte und Beschriebene beschränkt ist. Der Gültigkeitsbereich der Erfindung wird einzig durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

Mehrkeulenantenne, mit: einem konkaven Antennenspiegelkörper (138); und einer Beleuchtungsquelle (20), die so konfiguriert ist, dass sie den Antennenspiegelkörper (138) mit einer Mehrzahl HF-Signalen (140, 142, 144) verschiedener Typen mit unterschiedlichen Frequenzen oder Polaritäten beleuchtet; einer Mehrzahl Antennenspiegelzonen (132, 134, 136), die auf dem konkaven Antennenspiegelkörper (138) ausgeformt sind, von denen eine jede so konfiguriert ist, dass sie vorgewählte Typen der HF-Signale reflektiert, und mindestens zwei (134, 136) so konfiguriert sind, dass sie vorgewählte Typen der HF-Signale nicht reflektiert, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine (134) der Mehrzahl Antennenspiegelzonen (132, 134, 136) eine polarisationsempfindliche Zone ist, die so konfiguriert ist, dass sie HF-Signale mit einer ersten Polarisierungsrichtung reflektiert und HF-Signale mit einer zweiten Polarisierungsrichtung durchlässt, wobei mindestens ein Typ der HF-Signale die erste Polarisierungsrichtung hat, mindestens ein anderer Typ der HF-Signale die zweite Polarisierungsrichtung hat, und mindestens eine andere (136) der Mehrzahl Antennenspiegelzonen (132, 134, 136) eine frequenzselektive Zone ist, die so konfiguriert ist, dass sie HF-Signale einer ersten Frequenz durchlässt und HF-Signale einer zweiten Frequenz reflektiert, wobei mindestens ein Typ der HF-Signale auf der zweiten Frequenz liegt und mindestens ein anderer Typ der HF-Signale auf der ersten Frequenz liegt; die Mehrzahl die Mehrzahl der Antennenspiegelzonen (132, 134, 136) konzentrisch konfiguriert sind, wodurch eine innerste Zone (132) und eine Mehrzahl sich anschließender Zonen (134, 136) geschaffen werden, von denen eine jede die vorige Zone umschließt, wobei die innerste Zone (132) so konfiguriert ist, dass sie alle Typen der HF-Signale (140, 142, 144) reflektiert, und jede sich anschließende Zone (134, 136) so konfiguriert ist, dass sie weniger Typen der HF-Signale reflektiert als die innerste Zone (132).
Antenne nach Anspruch 1, bei der mindestens eine (134) der Mehrzahl Antennenspiegelzonen (132, 134, 136) eine polarisationsempfindliche Zone ist, während mindestens eine andere (136) der Mehrzahl Antennenspiegelzonen (132, 134, 136) eine frequenzselektive Zone ist.
Antenne nach Anspruch 1, bei der mindestens eine (136) der Mehrzahl Antennenspiegelzonen (132, 134, 136) sowohl eine polarisationsempfindliche als auch eine frequenzselektive Zone ist.
Antenne nach einem der vorigen Ansprüche, bei der eine erste sich anschließende Zone (134), die die innerste Zone (132) umschließt, eine polarisationsempfindliche Zone ist, die so konfiguriert ist, dass sie HF-Signale mit der ersten Polarisierungsrichtung reflektiert und HF-Signale mit der zweiten Polarisierungsrichtung ungeachtet ihrer Frequenz durchlässt und bei der eine zweite sich anschließende Zone (136), die die erste sich anschließende Zone (134) umschließt, sowohl eine polarisationsempfindliche als auch eine frequenzselektive Zone ist, die so konfiguriert ist, dass sie HF-Signale mit der ersten Polarisierungsrichtung und der ersten Frequenz reflektiert und HF-Signale mit der zweiten Polarisierungsrichtung und der zweiten Frequenz, durchlässt.
Antenne nach Anspruch 4, bei der die erste Polarisationsrichtung eine vertikale Polarisation und die zweite Polarisationsrichtung eine horizontale Polarisation ist.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der sich mit dem Antennenspiegelkörper gekoppeltes Widerstandsmaterial weiter vom Mittelpunkt des Antennenspiegelkörpers aus erstreckt als die Mehrzahl Antennenspiegelzonen.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der HF-absorbierendes Material (200) mit der Unterseite des Antennenspiegelkörpers gekoppelt und so konfiguriert ist, dass es die durchgelassenen HF-Signale absorbiert.