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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Mehrfachkeulen-Satellitenantennen und im besonderen
Satelliten-Mehrfachkeulenantennen, die in zellularen Kommunikationssystemen
verwendet werden, um eine Abdeckung über weite geographische Bereiche
der Erde bereitzustellen.
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HINTERGRUND
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Moderne
zellulare Kommunikationssysteme verwenden satellitengestützte Verbindungen
zum Weiterleiten von Mikrowellensignalen zwischen unterschiedlichen
erdgestützten
Stationen, von denen eine oder beide mobil sein können, und
welche sich in unterschiedlichen, weit voneinander getrennten geographischen
Regionen befinden können.
Der Satellit umfasst Radiofrequenz- (RF-) bzw. Hochfrequenz- (HF-)
Transponder- bzw. Antwortsendersysteme, welche in der Lage sind,
Signale von vielen verschiedenen Stationen auf der Erde simultan
zu empfangen und – durch
seinen Mikrowellensender – zu
anderen Stationen simultan weiterzuleiten. Eine Schlüsselkomponente
in diesem Transpondersystem ist die Mikrowellen übertragende (oder empfangende)
Antenne, welche typischerweise eine Reflektorantenne ist. Eine Reflektorantenne,
wie sie bisher bekannt ist, verwendet ein Mikrowellen-Zuführungshorn bzw.
Speisehorn und einen parabolischen Reflektor. Von der Zuführung ausgehende
Mikrowellenenergie wird auf den parabolischen Reflektor gelenkt
und wird folglich von diesem Reflektor in den Raum ausgestrahlt.
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Idealerweise
würde man
mit allen Gebieten auf der Erde über
ein einziges satellitengestütztes zellulares
Kommunikationssystem kommunizieren wollen. Jedoch ist es technologisch
nicht möglich, dieses
Ziel zu realisieren. Es ist die Realität, dass die geographische Abdeckung
eines Einzelsatellitensystems bezüglich seines Bereichs viel
beschränkter
ist. Der Grund dafür
ist grundsätzlich
zweifach: der übertragene
Leistungspegel des Senders des Transponders, welcher die Wattleistung
ist, und die Richtungseigenschaften der übertragenden Antenne (oder
Antennen).
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Die
Richtungseigenschaft der Parabolantenne ist gut bekannt. Das meiste
der der Antenne zugeführten
RF-Energie wird in einem bestimmten Muster ausge strahlt, welches
als ihre Hauptstrahlungskeule bezeichnet wird. Die Hauptstrahlungskeule
ist in der gewünschten
Richtung entlang der parabolischen Achse des Reflektors ausgerichtet,
während
etwas RF-Energie von dieser Achse weggerichtet abgestrahlt wird,
was als Seitenstrahlungskeulen bezeichnet wird. Um die Form dieser
Strahlungskeulen bildlich darzustellen, und damit die Bündelung
der Antenne, unter Verwendung einer geeigneten Strahlungsmessvorrichtung,
misst man an verschiedenen Winkelpositionen um die Antenne herum,
um die Stellen zu finden, an welchen die Feldstärke oder Leistung, ausgedrückt in Vlm (in Watt), ein festes Verhältnis aufweist,
geeigneterweise 6 dB, in Bezug auf die Spitzenleistung, und diese
Stellen werden graphisch relativ zum Winkelabstand von der Antennenachse
aufgetragen. Diese Technik stellt eine graphische Darstellung oder
Auftragung dieser Intensität
bereit. Die Form dieser Auftragung ist die Richtungseigenschaft der
Antenne.
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Das
oben Gesagte beschreibt die Antenne als eine übertragende bzw. sendende Antenne.
Wie es den Fachleuten klar ist, können die oben genannten Antennen
alternativ sowohl zum Übertragen
als auch zum Empfangen von Mikrowellen unter Verwendung bekannter
Sende- und Empfangsvorrichtungen verwendet werden. Weiterhin ist
es so zu verstehen, dass die Antenne in ihren elektromagnetischen
Eigenschaften reziprok ist. Das heißt, dass ihre Richtungseigenschaft
zum Empfangen im Wesentlichen die gleiche Charakteristik ist, welche
zum Aussenden von Mikrowellenenergie erreicht wird. Während diese
Beschreibung aus Gründen
der Bequemlichkeit und einfachen Beschreibung daher in Ausdrücken einer übertragenen
Mikrowellenenergie spricht, ist es ausdrücklich so zu verstehen, dies auch
auf die Antenne anzuwenden, wenn sie in einer Empfangsbetriebsart
verwendet wird.
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Die
Hauptstrahlungskeule einer Parabolantenne ist normalerweise am intensivsten
entlang der Antennenachse und nimmt in jeder Richtung von dieser
Achse ab. Je größer der
von der Achse abweichende Winkel ist, desto geringer ist die Intensität, bis die
Energie in radialer Richtung ansteigt, um die Seitenstrahlungskeulen
zu bilden.
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Wenn
diese RF-Feldmessungen entlang einer Ebene, welche senkrecht zur
Parabolachse steht, durchgeführt
und aufgezeichnet werden, erhält man
ein im Wesentlichen kreisförmiges
Muster für die
Hauptstrahlungskeule. Stellen inner halb des Kreises haben allgemein
eine höhere
Intensität
als Punkte außerhalb
des Kreises. Die letztere Situation ist ähnlich zu dem Verhältnis einer
Parabolantenne an Bord eines Satelliten hunderte von Meilen oder
mehr überhalb
der Erde, in welchem die Antenne in Richtung einer Stelle auf der
Erde gerichtet ist.
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Von
der Stelle des Reflektors an dem Satelliten, welcher übertragene
Mikrowellenenergie zur Erde sendet, und mit der RF-Leistung, die
durch die Mikrowellenzuführung
in den Reflektor gerichtet wird, als einer Konstante, findet man
eine Region auf der Erde, wo der Pegel der empfangenen Energie ausreichend
für eine
zuverlässige
Telekommunikation mit dem Satelliten ist. Diese Region wird die "Ausleuchtzone" der Antenne genannt.
Außerhalb
dieser Region ist eine Telekommunikation mit normalen Kommunikationsempfängern nicht
verlässlich,
weil die empfangenen RF-Signale an oder unter dem elektronischen
Rauschpegel des Empfängers
liegen und elektronisch unverständlich
werden. Qualitativ ist die Ausleuchtzone der kreisförmigen Parabolantenne
im Wesentlichen ein Kreis oder genauer ein auf eine Kugel projizierter
Kreis, welcher eine Ellipse formt. Sollten in Zukunft bei Kommunikationsempfängern oder Hochleistungssendern
Fortschritte auftreten, wird eine solche fortschrittlichere Ausrüstung es
einem natürlich
erlauben, die Ausleuchtzone der Antenne auszudehnen, um zusätzliche
Grundstücke
auf der Erde abzudecken. Sogar mit solchen Verbesserungen werden
jedoch die Fachleute erkennen, dass die Erdabdeckung durch eine
einzige hochverstärkende Antenne
nicht durchführbar
ist.
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In
der Praxis erkennt man, dass die Antenne aus dem oben genannten
System eine Ausleuchtzone besitzt, welche keine ausreichend große geographische
Region abdeckt. Um diese Situation ein wenig zu verbessern, sind
Mehrfachstrahlkeulen-Antennensysteme vorgeschlagen worden. Idealerweise würde ein
Mehrfachkeulensystem eine Folge getrennter Strahlkeulen einer Mikrowellenstrahlung
erzeugen, deren individuelle Ausleuchtzonen auf der Erde im Wesentlichen
zusammenhängend
bzw. ununterbrochen zueinander sind und eine gewisse Überdeckung
aufweisen dürfen.
Um das oben genannte Empfangsmuster gleichförmig z erreichen, müssen die
gebildeten Keulen hochgradig kreisförmig in ihrer Symmetrie sein,
die Hauptkeule oder Strahlungskeule besitzt einen steilen Abfall
bzw. "Roll-off" und erzeugt schwache
Seitenstrahlkeulen, um eine Interferenz mit umgebenden Bereichen
zu vermeiden, welche durch andere Keulen abgedeckt sind.
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Jede
solche Strahlkeule stammt von einer zugeordneten Mikrowellenzuführung bzw.
-speiseelement, welche auf einen einzelnen Reflektor gelenkt wird.
Eine typische Mehrfachkeulenantenne umfasst drei oder mehr unterschiedliche
Mikrowellenzuführungen.
Aus Notwendigkeitsgründen
sind solche Zuführungen
auf eine maximale Größe beschränkt, welche
durch die effektive Brennweite und Winkeltrennung benachbarter Strahlen
bestimmt ist. Häufig
sind sie leicht überdeckend,
um eine hohe Grenze der Abdeckungsverstärkung aufrecht zu erhalten.
Mit einer beschränkten
maximalen Zuführungsgröße kann
die Zuführungsbeleuchtung
des parabolischen Reflektors nicht jede gewünschte Amplitudenverteilung
haben, und die erzeugte Keule garantiert keine kreisförmige Keulensymmetrie,
steilen Hauptkeulenabfall und schwache Seitenstrahlungskeulen.
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Wie
bekannt ist, beeinflusst die Größe der Mikrowellenzuführung die
räumliche
Verteilung der von dem Antennenreflektor reflektierten Mikrowellenenergie.
Bei Größe bezieht
man sich auf den physikalischen Durchmesser der Ausgabe oder des
Ausgangs des Mikrowellenhorns, welches dazu dient, die Mikrowellenenergie
auf den zugeordneten Reflektor zu übertragen, von wo aus diese
Energie in den Raum ausgestrahlt wird. Die Zuführung mit der kleinsten Größe erzeugt
einen Strahl, welcher gleichförmiger
die volle Oberfläche
des Reflektors, einschließlich
der Reflektorkanten und darüber
hinaus, bestrahlt, wodurch er eine schmale Hauptstrahlungskeule
zu dem Strahl erzeugt, aber nachteiligerweise auch starke Seitenstrahlungskeulen
erzeugt. Da die Seitenstrahlungskeulen von der Peilrichtung weg
gerichtet sind und nicht in Richtung des Winkels, auf den die Reflektorachse
gerichtet ist, geht die Energie in diesen Seitenstrahlungskeulen
im Wesentlichen verloren oder ist ungenutzt oder interferiert mit
Strahlen eines benachbarten Abdeckungsbereichs. Um mehr der Strahlung
besser in die Hauptstrahlungskeule zu konzentrieren, verwendet man
normalerweise eine größere Mikrowellenzuführung.
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Mit
einer größeren Mikrowellenzuführung ist die
durch die Zuführung
in Richtung des Reflektors abgestrahlte Energie fokussierter, d.h.,
sie ist mehr auf den zentralen Bereich des Reflektors beschränkt und
weniger oder gar nicht auf die äußeren Kanten des
Reflektors. Der Effekt davon ist, die Hauptstrahlungskeule zu maximieren
und die Seitenstrahlungskeulen zu minimieren, wodurch die von der
Mikrowellenzuführung
ausgehende Mikrowellenenergie effizienter verwen det wird. Die letztere
Anordnung kann auch einen zusätzlichen
Effekt bewirken, welcher für die
vorliegende Erfindung vorteilhaft ist. Das "Roll-off" oder Abfallen des Strahls wird verbessert. Das
bedeutet, dass die Intensität
der Hauptstrahlungskeule schneller abfällt, wenn der Peilrichtungswinkel
von der Reflektorachse weg einen bestimmten Winkel erreicht, und
vernachlässigbar
wird, wenn der Winkel darüber
hinaus ansteigt, bis die Nähe
der Seitenstrahlungskeule auf niedrigem Pegel an Stellen extremer
Achsenabweichung erreicht wird. Letzteres ist die anerkannte Ingenieurpraxis
für eine
Einzelkeulenantenne.
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Eine
Mehrfachkeulenantenne benötigt
viele einzelne Mikrowellenzuführungen,
welche gemeinsam einen einzelnen Parabolreflektor nutzen. Bestenfalls
kann sich nur eine dieser Zuführungen
am Brennpunkt des Reflektors befinden. Wenn man versucht, einen
Vorteil aus dem Nutzen der großen
Mikrowellenzuführungen
zu ziehen, findet man, dass ein Plazieren einer Zahl großer Zuführungen
Seite an Seite in einer Brennebene, die dem Reflektor gegenüberliegt,
zu viel Platz einnimmt. Abgesehen von der einen Zuführung, welche
sich an dem Brennpunkt befinden kann, sind die übrigen Zuführungen zu weit vom Brennpunkt
versetzt, um die Art der räumlichen Abstrahlung
des Reflektors bereitzustellen, welche notwendig ist, die gewünschte Richtung
der Strahlungscharakteristiken zu erreichen, welche durch die Einzelstrahlkeulenantenne
erreicht wird. Als eine Konsequenz bedecken die erzeugten Mikrowellenkeulen
getrennte Regionen auf der Erde, welche miteinander nicht verbunden
sind, d.h., dass sie unterbrochen sind; ihre entsprechenden Ausleuchtzonen sind
getrennt. Solch eine Antennenstruktur ist daher für zellulare
Kommunikationssysteme unannehmbar, wo eine Kontinuität der Grundstücks- bzw.
Bodenabdeckung gewünscht
wird. Diese offensichtliche physikalische Beschränkung macht dies für die Mehrfachkeulen-Anordnung
unpraktisch.
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Daher
verwenden existierende Mehrfachkeulenantennen für zellulare Kommunikation aus
der Notwendigkeit heraus weiterhin kleine Mikrowellenzuführungen,
und zwar trotz der beschriebenen Unzulänglichkeiten.
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Die
erfindungsgemäße Mehrfachkeulen-Satellitenantenne
für zellulare
Kommunikation verwendet ebenfalls kleine Mikrowellenzuführungen.
Jedoch hat die Anmelderin die Mittel entdeckt, damit diese kleinen
Mikrowellenzuführungen
die großen
Zuführungen
emulieren bzw. nachahmen. Die Erfindung akzeptiert da her die physikalische
Beschränkung
der Zuführungsgröße, während sie
die vorteilhaften räumlichen
Charakteristiken der größeren Zuführungen
erreicht. Diese Emulation wird erreicht durch Erkennen eines bisher
unbekannten Effekts, der sich auf ein Widerstands-bezogenes Verjüngen von
Reflektoren bezieht, und auf eine Verwendung dieses Effekts innerhalb
einer Mehrfachkeulenantenne.
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Ein
im Stand der Technik erkanntes interessantes Phänomen ist, dass eine Widerstandsbeschichtung
an dem parabolischen Reflektor verwendet werden kann, um die Seitenstrahlkeulen
der Antenne zu reduzieren, was im US-Patent 5,134,423, erteilt am
28. Juli 1992 an Haupt (das "Haupt"-Patent), offenbart
ist. Nicht erkannt in dem Haupt-Patent und entdeckt durch den vorliegenden
Erfinder ist, dass die Widerstandsbeschichtung auch einen Effekt auf
die Eigenschaften der Hauptstrahlungskeule der Antenne hat. Beim
Erlangen der neuen Mehrfachzuführungsantenne
verwendet die vorliegende Erfindung auch einen Widerstandskonus
des parabolischen Reflektors durch Ausnutzen und Quantifizieren
des vorher unbekannten Effekts.
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Ein
Dokument von Yeongming Hwang, betitelt "Satellite Antennas", Proceedings of the IEEE, IEEE, New
York, USA (1992), 80(1), Seiten 183-193, beschreibt Variationen
von Mehrfachkeulenantennen, welche aus Fokussieroptiken bestehen,
welche durch ein Feld von Zuführungs-
bzw. Speiseelementen beleuchtet werden. Jedes Zuführungselement beleuchtet
die optische Apertur bzw. Blende und erzeugt einen einzelnen Strahlkeule.
Jede geformte Strahlkeule kann aus einer Anzahl dieser einzelnen Keulen
mittels der Prinzipien der Superposition gebildet werden.
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US-Patent
5,134,423 betrifft eine Parabolantenne, welche eine sich verjüngende bzw.
konische Widerstandskantenlast hat. Eine solche Parabolantenne umfasst
eine dielektrische Antennenschüsselstruktur,
welche eine parabolische Form mit einer konkaven Seite aufweist,
welche eine Mitte und eine äußere Kante
und eine konvexe Seite hat, wobei die dielelektrische Antennenschüsselstruktur
aus Materialien aufgebaut ist, welche aus der Gruppe ausgewählt sind,
welche umfasst: Kunststoffsilikon, Keramiken und Glasfaser. Auch
enthalten ist eine metallische Reflexionsbeschichtung, welche auf
der konkaven Seite der dielektrischen Antennenschüssel mit einer
sich verjüngenden
bzw. konischen Beschichtung angebracht ist, um dadurch die konische
Widerstandskantenlast bereitzustellen.
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Die
konische Beschichtung der metallischen reflektierenden Beschichtung
umfasst eine Verminderung in der Dichte und Dicke der metallischen Schicht,
wenn man in Richtung der äußeren Kante der
dielektrischen Antennenschüssel
läuft,
wobei die Abnahme eine Beschichtungsdichte umfasst, welche nahezu
100 % in der Mitte der konkaven Seite beträgt und welche mit einer linearen
Korrelation zum physikalischen Abstand abnimmt, wenn man sich der
Außenkante
der konkaven Seite der Schüsselstruktur der
Parabolantenne nähert.
Zusätzlich
hat die Parabolantenne eine mittige kreisförmige reflektierende Oberfläche mit
einer 100 %igen Dichte bezüglich
der metallischen reflektierenden Beschichtung, und einen Radius,
welcher sich zwischen einem halben und drei Viertel des Radius der
Antennenschüsselstruktur erstreckt.
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US-Patent
3,314,071 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Präzisionssteuerung
von Antennenbeleuchtungskegeln bzw. -koni. Eine solche Vorrichtung
umfasst eine konische bzw. sich verjüngende Oberfläche aus
Radiofrequenzabsorptionsmaterial, das daran angepasst ist, in der
Nähe der
Außenkante eines
Antennenreflektors plaziert zu werden. Die Oberfläche erhöht sich
in ihrer Dicke von der inneren Kante zur äußeren Kante der Vorrichtung.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Mehrfachkeulen-Satellitenantennenstruktur
bereitzustellen.
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Es
ist eine zusätzliche
Aufgabe, eine Parabolantenne mit kleinen Mikrowellenzuführungen
bzw. -speiseelemente bereitzustellen, welche eine vorhergehende
parabolische Antenne emulieren, die große Mikrowellenzuführungen
aufweist.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mehrfachkeulenmikrowellenantenne
herzustellen, deren Keulen eine Abdeckung zusammenhängender
Regionen auf der Erde vorsehen.
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Und
noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, in einer Satellitenantennenstruktur
mehrfache, zusammenhängend
positionierte, kleine Mikrowellenzuführungen bereitzustellen, welche
elektromagnetisch Mikrowellenzuführungen
einer größeren physikalischen
Größe emulieren
bzw. nachbilden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der oben
gestellten Aufgaben und Vorzüge,
und wie in Patentanspruch 1 ausgeführt, ist die neue Mehrfachkeulen-Parabolantenne
durch lineare Widerstandsverjüngungen
bzw. -koni einer Dicke einer Viertel Wellenlänge gekennzeichnet, welche
dem parabolischen Reflektor hinzugefügt werden, um eine konische
Reflektivität
an einem äußeren Bereich
der Reflektoroberfläche
zu erzeugen, welche effektiv die Seitenstrahlungskeulen reduziert und
ein steileres Abfallen der Hauptstrahlungskeule in der Nähe der Kante
der Bedeckungswinkel erzeugt. Dies erlaubt die Verwendung einer
Mikrowellenzuführung
mit einem kleineren Durchmesser als es von einer Antenne benötigt wird,
welche den konischen Oberflächenreflektionswiderstand
nicht aufweist. Das Ergebnis ist es, eine herkömmliche Reflektorantenne nachzubilden,
welche eine größere Mikrowellenzuführung enthält. Durch
den oben beschriebenen Reflektor ermöglicht eine kleine Mikrowellenzuführung, d.h.,
eine Zuführung
mit einem Durchmesser von einer Wellenlänge oder kleiner, in Kombination,
was durch eine größere Zuführung erreicht
wird, d.h., eine Zuführung
mit einem Durchmesser von zwei Wellenlängen oder größer in der vorgenannten
Kombination.
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Konzentriert
in einem Band zwischen einem Durchmesser, der für den Reflektor innen liegt,
und dem äußeren Durchmesser
an der Kante des Reflektors, verjüngt bzw. verringert sich die
Beschichtung von einer vollständig
reflektierenden zu einer vollständig
absorbierenden Beschichtung an dem äußeren Durchmesser des Reflektors.
Als eine Folge des kleineren Zuführungsdurchmessers
wird es möglich, mehrfache
Zuführungen
durchgängig
zu positionieren, um Mehrfachstrahlkeulenantennen zu bilden, welche
den Vorteil des steileren Abfalls in den Hauptstrahlungskeulen nutzen,
um im wesentlichen zusammenhängende
Keulenmuster zu erzeugen. Eine Mehrfachstrahlkeulenantenne für satellitengestützte zellulare
Kommunikation, welche die Erfindung beinhaltet, erreicht eine größere regionale
bis globale Bedeckung der Erde.
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Die
oben genannten und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung zusammen
mit der dadurch gekennzeichneten Struktur, welche nur kurz in den
oben niedergeschriebenen Zeilen zusammengefasst wurde, wird dem
Fachmann durch Lesen der genauen Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
klarer, welche dieser Beschreibung folgt, zusammengenommen mit der
in den beigefügten Zeichnungen
aufgeführten
Darstellung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen:
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1 ist
eine bildliche Darstellung der Mehrfachkeulen-Parabolantenne;
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2A ist
eine frontseitige Ansicht des parabolischen Reflektors der Antenne
aus 1, verkleinert gezeichnet, und 2B ist
eine Seitenansicht dieses Reflektors;
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3 ist
ein Diagramm der Oberflächenreflektivität der inneren
Oberfläche
des Reflektors aus 2A;
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4 stellt
die vorderseitige Ansicht eines alternativen Reflektors für die Antenne
aus 1 dar;
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5 ist
ein Diagramm der Oberflächenreflektivität der inneren
Oberfläche
des Reflektors aus 4;
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6 ist
eine bildliche Darstellung einer verwendeten Parabolantenne in Verbindung
mit einer Erklärung
des Betriebs der Erfindung; und
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7, 8 und 9 stellen
Richtungs- bzw. Bündelungs-Muster
dar, welche in Verbindung mit 6 verwendet
werden.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezüglich 1 wird
bildlich eine erfindungsgemäß aufgebaute
Mehrfachkeulenantenne dargestellt. Die Hauptelemente der Antenne
sind der parabolische Reflektor 1 und drei Mikrowellenzuführungen 3, 5 und 7,
welche teilweise dargestellt sind. Die drei Zuführungen bzw. Speiseelemente
sind in ihrer Struktur identisch. Jede enthält ein Ausgabeende oder Blende
bzw. Apertur, welche geometrisch kreisförmig ist, und die Durchmesser
dieser kreisförmigen Enden
sind von gleicher Größe, Die
Zuführungsaperturflächen sind
dem Reflektor 1 zugewandt, um den Reflektor mit Mikrowellenenergie
zu beleuchten, welche von einem externen Sender oder Sendern stammt,
die hier nicht dargestellt sind. Sie sind am oder nahe dem Brennpunkt
des parabolischen Reflektors zusammengepackt. Da es physikalisch
nicht möglich
ist, alle Zuführungen
genau am Brennpunkt zu positionieren, sind sie so zusammengefasst,
dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden und, als ein Kompromiss,
die Mitte dieses imaginären
Dreiecks an dem Brennpunkt plaziert ist. In alternativen Ausführungsformen
können
die Zuführungen
miteinander zusammenhängend
in einer geraden Linie plaziert werden, und zwar mit der mittleren
Zuführung
an dem Brennpunkt positioniert.
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Zur
klaren Darstellung, und um es dem Leser zu erlauben, die Erfindung
besser zu verstehen, sind verschiedene Trägerstrukturen zum Tragen der
oben genannten Mikrowellenzuführungen
und des Reflektors, welche dem Fachmann gut bekannt sind, nicht dargestellt
und brauchen nicht beschrieben zu werden.
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Mit
einer Ausnahme ist Reflektor 1 aus herkömmlichen Materialien aufgebaut,
wie beispielsweise einem Metall oder einer leitenden Metallbeschichtung
auf nicht-leitenden oder teilweise leitenden Verbundmaterialien,
und zwar auf herkömmliche
Weise, um das Material in eine reflektierende Oberfläche der gewünschten
paraboloiden Geometrie zu formen. Die Ausnahme ist, dass ein bandähnlicher
Bereich oder Segment des äußeren Durchmessers
der dem Reflektor zugewandten Zuführungen 3, 5 und 7 auch eine
Oberflächenbeschichtung
aus resistivem bzw. Widerstandsmaterial 9 umfasst, deren
Reflektivität für Mikrowellenenergie
als eine lineare Funktion des Radius des Paraboloids anwächst. Das
Widerstandsmaterial weist eine Dicke einer Viertel Wellenlänge an der
Mittenfrequenz f der Mikrowellenenergie auf, für welche die Antenne entworfen
wurde. Dies ist besser in 2A dargestellt,
auf die man sich nun bezieht.
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2A stellt
den Reflektor 1 aus 1 dar, wie
von der aus Parabelachse 11 gesehen, und zwar in einem
kleineren Maßstab
gezeichnet. Aus dieser Sicht erscheint die Geometrie kreisförmig und
erstreckt sich zu einem Außenradius
R2. Die Widerstandsbeschichtung wird beginnend bei einem Radius
R1 aufgetragen. Die Beschichtung wächst bezüglich ihrer Oberflächenreflektivität linear
mit ansteigendem Radius. Dies wird als eine reflektierende Widerstandsverjün gung bzw.
als ein reflektierender Widerstandskonus bezeichnet. Der Bereich
des Reflektors 1 zwischen Radius R1 sowie der äußere Radius
(und die Kante) R2 sind dadurch mit der konisch reflektierenden
Widerstandsbeschichtung 9 vorbestimmter Dicke beschichtet,
während
der Bereich zwischen der Mitte des Reflektors und Radius R1 als
offene leitende Oberfläche
verbleibt. 2B ist lediglich zur Vollständigkeit
beigefügt,
um Reflektor 1 in einer Seitenansicht zu zeigen, welche
seine parabelförmige Krümmung zeigt.
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Die
oben beschriebene Widerstandsschicht kann zum einen durch Verwenden
eines Kohlenstoff-gefüllten
Wabenmaterials erreicht werden. Um diese Beschichtung zu bilden,
wird eine Schicht herkömmlichen
Wabenmaterials – ein
Dielektrikum, das eine Viertel Wellenlänge dick ist – auf die
leitende Oberfläche
des Reflektors in einem kreisförmigen Band
in dem Bereich des Reflektors zwischen den Radien R1 und R2 aufgeklebt
oder sonstwie dauerhaft befestigt. Dieser Bereich des Reflektors
wird dann "kopfüber" in ein Bad einer
Kohlenstoff-Harz-Lösung eingetaucht,
was es der Kohlenstofflösung
erlaubt, die Waben zu durchdringen. Der Reflektor wird dann aus
dem Kohlenstoffbad herausgenommen und kann mit der Vorderseite der
Antenne nach unten trocknen. Während
sie noch nass ist, können
Teile der Kohlenstofflösung
unter dem Einfluss der Schwerkraft in Richtung der Außenkante des
Reflektors absinken, während
der Reflektor trocknet. Als eine Folge ist weniger Kohlenstoff am Bereich
des kleineren Radius des Bandes, R1, vorhanden, und eine größere Menge
Kohlenstoff konzentriert sich am Außenradius, R2, wodurch ein
sich verjüngender
bzw. konischer Widerstand erzeugt wird. Einfallende Mikrowellenenergie
von den Mikrowellenzuführungen,
welches auf den äußeren Umfang
des Reflektors bei R2 auftritt, dringt in die reflektierende Widerstandsschicht
und wird idealerweise durch das Widerstandsmaterial vollständig absorbiert.
Mikrowellenenergie, welche auf den inneren Teil des Bandes bei R1
auftritt, wird idealerweise vollständig reflektiert, da an dieser
Stelle wenig oder kein Widerstandsmaterial vorhanden ist, um die
Mikrowellenenergie zu absorbieren. Mikrowellenenergie von der Zuführung, welche
an einer Stelle an dem Widerstandsband zwischen diesen Extremen
auftritt, wird teilweise reflektiert und teilweise in der Zwischenmenge
am Widerstandsmaterial an dieser Stelle absorbiert. Idealerweise
ist die Verteilung der Widerstandsbeimengungen so, dass sie die
Reflektivität als
eine Funktion des Durchmessers linear machen. Der Bereich des Reflektors
zwischen sei ner Mitte und Radius R1, welcher eine leitende Metalloberfläche ist,
bleibt selbstverständlich
voll reflektierend.
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Allgemein
können
jegliche der verschiedenen Radar-absorbierenden Materialien und
Techniken, die in dem Buch von Knott, Shaeffer & Tuley, "Radar Cross Section", Artech House, Inc., Copyright 1985,
Kapitel 9, Radar-Absorber, Seiten 239-272, beschrieben sind, verwendet
werden. Obwohl es die Aufgabe der in dem genannten Buch vorgestellten Radarabsorber
ist, Mikrowellenenergie vollständig
zu absorbieren, beispielsweise, um Flugzeuge vor aktiven Mikrowellenradarsignalen
zu verstecken, sind die Techniken nützlich für, und können angepasst werden an, die
vorliegende Erfindung, in welcher wechselnde Grade an Reflexion
gewünscht
werden. Es sollte mit bedacht werden, dass bis jetzt die beste Mischung
von Widerstandsbestandteilen und Schichtdicke für die beste praktische Umsetzung
der vorliegenden Erfindung noch nicht bestimmt worden ist und durch
zusätzliche
Experimente entlang der beschriebenen Vorgehensweisen bestimmt werden könnte.
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Wie
die Fachleute es aus einem Verständnis der
vorliegenden Erfindung verstehen, können andere äquivalente
Widerstandsmaterialien und Anwendungstechniken als eine Alternative
zu dem zuvor Genannten verwendet werden. Wie in der nächsten Ausführungsform
beschrieben, können
unterschiedliche Widerstandsmaterialien in unterschiedlichen ringförmigen Bereichen
des Reflektors verwendet werden.
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Der
oben genannte reflektierende Konus ist graphisch in 3 dargestellt,
welche die Reflektivität
entlang der Ordinate des Diagramms zeigt, die von einem Wert von
1,0, oder voller Reflektivität, beim
Radius R1 auf 0,1 dB, einer fast nicht vorhandenen Reflektivität, am Außenradius
R2, aufgezeichnet gegen die Abszisse des Diagramms, absinkt, während die
Reflektivität
der offen liegenden, elektrisch leitenden Reflektoroberfläche zwischen
der Mitte des Reflektors und R1 bei einem Maximum bei 1,0 verbleibt.
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Um
die Mikrowellenkeule in der oben beschriebenen Mehrfachkeulenantenne
zu bilden, weist jede Zuführung
einen Durchmesser von beispielsweise DX auf.
Die Bildung einer solchen Keule in einer Einzelkeulenantenne, welcher
einen herkömmlichen
parabolischen Reflektor verwendet, d.h., einen, welcher keine re flektiv-resistive
Oberflächenabeschichtung
wie beschrieben umfasst, benötigt
eine Zuführung,
deren Durchmesser beispielsweise DY beträgt, wobei
DY größer ist
als DX. Bei Vergleich dieser beiden ist
der Durchmesser DX der kleineren Zuführung ungefähr 20 %
kleiner als derjenige der größeren.
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In
Bezug auf 4 wird ein alternativer Parabolreflektoraufbau 13 gezeigt,
wie von der Parabelachse 15 aus gesehen, gezeichnet im
gleichen Maßstab
wie der Reflektor aus 2A. Aus dieser Sicht ist die
betrachtete Geometrie kreisförmig
und erstreckt sich zu einem äußeren Radius
Rc.
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In
dieser alternativen Ausführungsform
ist die innere Oberfläche
des Reflektors in drei Bereiche unterteilt. Der erste ist der Bereich
zwischen der Mitte und dem Radius Ra. Dieser Bereich bleibt von
jeglichem Widerstandsmetall frei und lässt eine Oberfläche von
im Wesentlichen 100 %-iger Reflektivität offen. Der zweite ist der
Bereich zwischen den Radien Ra und Rb. Dieser Bereich ist durch
ein Band aus Widerstandsmaterial bedeckt, welches einen ersten Widerstandswert
aufweist, wie beispielsweise das Kohlenstoffmaterial aus der vorhergehenden
Ausführungsform
in einer Dicke von einer Viertel Wellenlänge der Mittenfrequenz, an
welcher die Antenne betrieben werden soll. Der oben genannte Widerstandswert
wird linear als eine Funktion des Radius zwischen den beiden Radien
verjüngt
unter Verwendung der gleichen Techniken wie im Zusammenhang mit
dem Reflektor in der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben, um
eine konische Reflektivität
zu erzeugen. Der dritte Bereich ist derjenige zwischen Radius Rb
und der Außenkante,
Radius Rc. Dieser dritte Bereich ist durch ein anderes Widerstandsmaterial
mit einem zweiten Widerstandswert bedeckt, wie beispielsweise einem
Nickel-Chrom (NiCr)-Material ("Nichrom") oder Indiumzinnoxid
("Indium Tin Oxide;
ITO") in einer Schicht
von ebenfalls einer Viertel Wellenlänge Dicke. Der Widerstandwert dieses
dritten Bereichs verjüngt
sich ebenfalls linear bzw. läuft
konisch linear zu als eine Funktion des Radius zwischen den beiden
Radien unter Verwendung der gleichen Technik wie im Zusammenhang
mit dem Reflektor in der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben, um
eine konische Reflektivität
in diesem dritten Bereich zu erzeugen. Günstigerweise stimmt der maximale
Widerstandswert an der Vorderkante des ersten beschriebenen Bereichs
oder Bandes mit dem niedrigsten Widerstrandswert des zweiten beschriebenen
Bereichs oder Bandes überein.
Im Wesentli chen ist das Widerstandsmaterial in zwei Zonen unterteilt,
und diese Ausführungsform
kann als ein Zweizonensystem bezeichnet werden.
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Die
oben beschriebene konische Reflektivität ist graphisch im Diagramm
von 5 aufgezeichnet, welches den Radius R entlang
der Abszisse und den Oberflächenwiderstand
entlang der Ordinate des Diagramms einträgt.
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Wie
vorher beschrieben, emuliert eine Parabolantenne mit einer Zuführung, welche
die beschriebene reflektierende Beschichtung enthält, die
vorherige Parabolantenne mit einzelner Zuführung, welche eine Zuführung mit
viel größerem Durchmesser
benötigt.
Als Beispiel zeigt 6 die Form der Mikrowellenkeule,
die durch Zuführungen
dreier verschiedener Größen in Richtung
des zugeordneten parabolischen Reflektors 2 in einer Antenne
herkömmlicher Struktur
ausgesandt wird. Die allerkleinste Zuführung 4, dargestellt
durch das kleinste Dreieck in der Figur, erzeugt eine Zuführungsstrahlkeule 10.
Die kleine oder mittelgroße
Zuführung 6,
dargestellt durch das mittelgroße
Dreieck, erzeugt eine Zuführungskeule 12,
welche durch kleine Striche dargestellt ist. Die größere Zuführung 8 erzeugt
eine Zuführungskeule 14,
welche in großen
gestrichelten Linien wiedergegeben ist. Es ist offensichtlich, dass
die Keule von der größten Zuführung näher innerhalb
der Grenzen des parabolischen Reflektors 2 fokussiert ist.
Die zugehörige
Mikrowellenkeule, welche von dem Reflektor mit jedem dieser Zuführungen
abgestrahlt wird, wird in den 7, 8 bzw. 9 dargestellt.
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Die
Mikrowellenstrahlkeule, die von der Antenne mit der kleinsten Zuführung abgestrahlt
wird, ist in 7 dargestellt. Wie gezeigt,
enthält
die Keule bescheidene Seitenstrahlungskeulen 16 und 18 an jeder
Seite der Hauptkeule 20. Der Ausdruck Mikrowellenkeule,
wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf den Winkelbereich,
der Mikrowellenenergie innerhalb der Hälfte der Leistungspunkte enthält. In dem
absoluten Sinne fällt
die Mikrowellenenergie auch außerhalb
dieses Bereichs mit niedrigeren Leistungspegeln ab. Aber diese niedrigeren
Leistungspegel werden in unseren Überlegungen beiseite gelassen,
da ein Empfang mittels vorhandener Empfangsausrüstungen mindestens diesen Leistungspegel
für einen
verlässlichen
Empfang benötigt.
Durch Akzeptieren dieses Leistungspegels als der Ortskurve der Keule,
kann die Keule definiert und quantifiziert werden; jede Keule und
ihr Verhältnis
zueinander kann dann wie hierin beschrieben quantifiziert werden.
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Die
von der Antenne mit der kleinsten Zuführung 6 ausgestrahlte
Keule ist in 8 dargestellt. Hier enthält die Keule
schwächere
Seitenstrahlungskeulen 22 und 24 und ein viel
schärferes
Abfallen zur Hauptstrahlungskeule 26. Das Abfallen ist
als die Steilheit definiert, mit welcher das Profil der Hauptstrahlungskeule
mit seitlichem Abstand senkrecht zu der Reflektorachse absinkt.
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Die
Mikrowellenkeule, die von der Antenne mit der größten Zuführung 8 abgestrahlt
wird, ist in 9 dargestellt. Diese Keule enthält ebenfalls schwache
Seitenstrahlungskeulen 28 und 30. Wichtigerweise
umfasst die Keule den schärfsten
oder steilsten Abfall zur Hauptstrahlungskeule 32. Es ist die
letztere Ausführungsform,
welche die Einzelzuführungsversion
der Erfindung emuliert.
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Mit
der beschriebenen Widerstandsbeschichtung kann die Antenne eine
kleine Zuführung umfassen,
wie beispielsweise Zuführung 4.
Anstatt jedoch das Ergebnis aus 7 zu erreichen,
wird das Ergebnis aus 9 erreicht, welches das gleiche wie
das einer physikalisch großen
Zuführung
ist. Effektiv emuliert die neue Struktur eine Antenne mit einer
großen
Mikrowellenzuführung.
Die vorliegende Erfindung gibt dieser Emulation bzw. Nachahmung einen
sinnvollen Zweck als Teil einer Mehrfachkeulenantenne.
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Der
steile Keulenabfall erlaubt es, getrennte Mikrowellenkeulen Seite
an Seite zu plazieren, wodurch zusammenhängende geographische Regionen
abgedeckt werden. Die kleine Größe der Zuführungen
erlaubt es, mehrfache Zuführungen
eng zusammen um den Brennpunkt des parabolischen Reflektors herum
zu packen, was es ermöglicht,
zusammenhängende
bzw. ineinander übergehende
Mehrfachkeulen zu erzeugen. Wie in dieser Beschreibung und den anhängenden
Patentansprüchen
verwendet, bedeutet der Ausdruck klein in Bezug auf eine Mikrowellenzuführung, dass
der Durchmesser der Zuführung
eine Wellenlänge
oder kleiner beträgt;
und der Ausdruck groß bedeutet,
dass der Durchmesser der Zuführung
nicht kleiner als zwei Wellenlängen
in der Länge
beträgt.
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Es
wird angenommen, dass die obige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ausreichend genau ist, um es dem Fachmann zu ermöglichen,
die Erfindung zu erzeugen und zu nutzen. Es ist jedoch explizit
so zu verstehen, dass die Genauigkeit der vorgestellten Elemente
für den
obigen Zweck nicht dazu gedacht ist, den Erfindungsbereich zu beschränken insoweit Äquivalente dieser
Elemente und andere zugehörige
Modifikationen, welche alle innerhalb des Bereichs der Erfindung
liegen, den Fachleuten beim Lesen dieser Beschreibung offenbart
werden. Daher ist die Erfindung innerhalb des gesamten Bereichs
der angehängten Patentansprüche breit
auszulegen.