DE60026432T2

DE60026432T2 - Quadratische Mehrmodenhornantenne mit hohlraumunterdrückten Moden höherer Ordnung

Info

Publication number: DE60026432T2
Application number: DE60026432T
Authority: DE
Inventors: Sudhakar Torrance Rao; Arun El Segundo Bhattacharyya
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: EP1111716B1; EP1111716A2; CA2328526A1; JP2001211023A; JP3472259B2; DE60026432D1; US6535174B2; US20010052881A1; EP1111716A3; CA2328526C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Antennen und insbesondere eine quadratische Mehrmodenhornantenne mit hohlraumunterdrückten Moden höherer Ordnung.
2. Beschreibung des allgemeinen Standes der Technik
Kommunikationssatelliten sind in weit verbreitetem Gebrauch. Die Kommunikationssatelliten werden eingesetzt, um Fernseh- und Kommunikationssignale für den öffentlichen, privaten und militärischen Gebrauch um die Welt zu verteilen.
Die Hauptanforderungen hinsichtlich des Entwurfs von Kommunikationssatelliten sind die Antennenstrahlüberdeckung und die ausgestrahlte Hochfrequenz (HF) Leistung. Diese zwei Entwurfsanforderungen werden typischerweise als übergeordnet bei der Satellitenentwicklung angesehen, da sie festlegen, welche Kunden auf der Erde in der Lage sein werden, Satellitenkommunikationsdienste zu empfangen. Ferner wird das Satellitengewicht zu einem Faktor, da die Trägerfahrzeuge in Bezug auf Gewicht begrenzt sind, das sie in die Umlaufbahn bringen können.
Viele Satelliten werden über festen Überdeckungsgebieten betrieben, die geographisch durch die Strahlüberdeckung und die verfügbare HF-Leistung begrenzt sind. Die Ineffizienz der HF-Systeme, Verluste aufgrund von Kabeln, und andere Systemeinschränkungen begrenzen die verfügbare Leistung des Gesamtsystems, und als solches begrenzen sie die Signalstärke, die für die Kommunikationsverbindungen verfügbar ist. Um eine stabile verlässliche Kommunikationsverbindung bereitzustellen, muss das geographische Gebiet, das von dem Satelliten bedient wird, begrenzt sein.
Viele Satellitensysteme würden effizienter sein, wenn sie Speisehörner bzw. Einspeisehörner enthielten, die eine höhere Verstärkung oder effizientere Einspeisehornsysteme besäßen. Allerdings sind die bekannten Speisehörner, die eine erhöhte Effizienz besitzen, größer und schwerer als die Standard-Antennen, und erfordern als solches größere Nutzlastvolumina. Ferner erhöht das gestiegene Gewicht die Startkosten.
Unterschiedliche Einspeisehorn-Entwürfe sind in FR-A-2 739 226, US-A-4 764 775 oder DE 21 41 142 A offenbart.
Es gibt im Stand der Technik ein Bedürfnis nach Antennensystemen mit erhöhter Effizienz. Es gibt ebenfalls ein Bedürfnis im Stand der Technik nach Antennensystemen, die effizientere Einspeisehörner haben, die vergleichbar in Größe und Gewicht sind. Es gibt ebenfalls ein Bedürfnis im Stand der Technik nach Antennensystemen, die eine vollständigere Benutzung des Raums bereitstellen, ohne die Kosten der Herstellung und des Betriebs eines Satelliten dramatisch zu erhöhen. Es gibt ebenfalls ein Bedürfnis im Stand der Technik nach Antennenelementen in Grup penanwendungen mit höherer Elementeffizienz, so dass die Anzahl der Elemente reduziert werden kann. Eine Reduzierung der Anzahl der Elemente in einer Gruppenantennenanwendung reduziert die Anzahl der Speisekomponenten und Verstärker, verringert die Masse des Systems und reduziert die Kosten und die Antennenkomplexität.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um diese Beschränkungen im Stand der Technik, wie sie zuvor beschrieben wurden, zu überwinden und um die Beschränkung zu überwinden, die sich beim Lesen und Verstehen der vorliegenden Beschreibung ergeben werden, offenbart die vorliegende Erfindung eine Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, die eine erhöhte Effizienz besitzt.
Eine erfindungsgemäße Antenne stellt ein Antennensystem mit vergrößerter Effizienz bereit. Eine erfindungsgemäße Antenne stellt ebenfalls ein Antennensystem bereit, das Speisehörner mit erhöhter Effizienz besitzt, die in Größe und Gewicht vergleichbar sind. Eine erfindungsgemäße Antenne stellt ebenfalls Antennengruppensysteme bereit, die eine vollständigere Ausnutzung des Raums ermöglichen, ohne die Kosten der Herstellung und des Betriebs eines Satelliten dramatisch zu erhöhen. Ferner stellt die erfindungsgemäße Antenne Antennenelemente in Gruppenanwendungen bereit, die höhere Elementeffizienz besitzen, derart, dass die Anzahl der Elemente reduziert werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen ähnliche Bezugszeichen durchweg entsprechende Teile bezeichnen:
1 zeigt eine Seitenansicht eines Einspeisehorns aus dem Stand der Technik;
2 zeigt ein Stufenhorn aus dem Stand der Technik;
3 zeigt das Hohlraum-Einspeisehorn der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt die Strahlungseffizienz des Einspeisehorns der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik;
4b–4G zeigen alternative Ausführungsformen des Hohlraum-Einspeisehorns der vorliegenden Erfindung;
5A–5C zeigen die Apertur-Feldverteilungen für verschiedene Entwürfe der Einspeisehörner einschließlich des Einspeisehorns der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt die Rücksignalverlustleistung eines Hohlraumeinspeisehorns der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt typische Strahlungsmuster eines Hohlraumeinspeisehorns der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine Seitenansicht des Hohlraumeinspeisehorns der vorliegenden Erfindung;
8b zeigt den Vergleich zwischen dem gemessenen und dem berechneten Strahlungsmuster des Hohlraumeinspeisehorns der vorliegenden Erfindung; und
9 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte darstellt, die zur Ausführung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil der Beschreibung sind und in denen illustrativ eine spezifische Ausführungsform gezeigt ist, in der die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Überblick
Viele Satelliten werden über festen Abdeckungs- bzw. Erfassungsgebieten betrieben, die geografisch durch die Strahlabdeckung und die verfügbare HF-Leistung begrenzt sind. Die Ineffizienzen der HF-Systeme, Kabelverluste und andere Systemeinschränkungen begrenzen die verfügbare Leistung des Gesamtsystems und begrenzen somit die Signalstärke, die für die Kommunikationsverbindungen verfügbar ist. Um eine stabile verlässliche Kommunikationsverbindung bereitzustellen, muss das von dem Satelliten bediente geographische Gebiet beschränkt sein.
Viele Satellitensysteme würden effizienter arbeiten, wenn sie Speise- bzw. Einspeisehörner enthielten, die kleiner und effizienter wären. Die bekannten Speisehörner, die eine vergrößerte Verstärkung besitzen, sind jedoch größer und schwerer als die Standard-Antennen und erfordern folglich größere Nutzlastvolumina. Ferner steigen die Startkosten durch das vergrößerte Gewicht.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein hocheffizientes quadratisches Mehrmodenhorn, das als Strahlerelement für eine Gruppe sowie als Reflektorantenne geeignet ist. Das Horn der vorliegenden Erfindung kann in Kommunikationssatelliten eingesetzt werden, sowie bei anderen Antennenanwendungen. Das Horn hat eine über 90%-ige Effizienz und kann eine duale Polarisation handhaben, bspw. eine vertikale/horizontale Polarisation oder eine links/rechts Zirkularpolarisation.
Die vorliegende Erfindung benutzt eine Kavität bzw. einen Hohlraum, um unerwünschte Moden des abgestrahlten Signals zu unterdrücken. Typischerweise sind bei einem Transverse Electric (TE) TE₁₀- und TE₀₁-Moden Eingangswellenleiter quadratischer Form, die unerwünschten Moden die Transverse Electric (TE)12 und die Transverse Magnetic (TM)12 Mode. Die Leistung der unerwünschten Moden wird umgelenkt oder in gewünschte Moden höherer Ordnung umgewandelt, typischerweise die TE₃₀- und TE₀₃-Moden, die zusätzlich zu den dominierenden TE₁₀- und TE₀₁-Moden eine gleichmäßigere Bestrahlung der H-Ebene der Antenne erzeugen. Diese gleichmäßigere Bestrahlung der H-Ebene erzeugt ein Horn höherer Effizienz.
Beschreibung des Hohlraums
1 zeigt eine Seitenansicht eines bekannten Speisehorns. Das Speisehorn 100 besteht typischerweise aus einer Strahlungskammer 102 und Antennenwänden. Die Strahlungskammer 102 ist typischerweise das offene Ende eines Wellenleiterstücks, kann aber einstückig sein mit der Antenne und zur Verbindung mit einem HF-System über Kabel, falls gewünscht. Die Strahlungskammer 102 ist an Antennenwänden 104 an der Öffnung 106 angebracht. Die Antennenwände 104 begrenzen die Strahlung, die in der Strahlungskammer 102 erzeugt wird und richten die Strahlung in eine bestimmte Richtung. Die Antennenwände 104 bilden eine Pyramidenform und das Speisehorn 100 wird als solches typischerweise als Pyramidenhorn 100 bezeichnet.
Pyramidenhörner 100 werden allgemein als Strahlerelemente in phasengesteuerten Gruppenantennen oder als Speiseelemente für geformte Reflektorantennen bei Kommunikationssatelliten eingesetzt. Pyramidenhörner strahlen elektromagnetische Strahlung in der TE₁₀-Mode aus. Die typischen Größen dieser Pyramidenhörner 100 liegen im Bereich von 1,8 Wellenlängen auf etwa 4,0 Wellenlängen, d.h. bei einer Frequenz von 8 GHz ist die Wellenlänge etwa 3,75 Zentimeter (cm), was zu einer Länge des Pyramidenhorns von 6,75 cm bis 15 cm führt. Bei solchen großen Antennenhornabmessungen leiden die Pyramidenhörner 100 an großen Phasenfehlern über die Apertur 108 und besitzen eine zum Rand der Apertur 108 abfallende Bestrahlung in der H-Ebene. Das Ergebnis dieser beiden Effekte besteht darin, dass die Effi zienz dieser Pyramidenhörner 100 typischerweise im Bereich von 75% bis 80% liegt und leiden an den Nachteilen der großen axialen Länge.
2 zeigt ein Stufenhorn aus dem Stand der Technik. Die Effizienz eines typischen Pyramideneinspeisehorns kann um etwa 85% verbessert werden, indem die TE₃₀-Mode zusätzlich zu der dominierenden TE₁₀-Mode des Pyramidenhorns 100 eingeführt wird. Das Stufenhorn 200 benutzt einen Stufenübergang 202 in den Antennenwänden 204, um eine andere Strahlungsmode zu erzeugen, die TE₃₀-Mode, aus den Signalen, die aus der Öffnung 206 ausgehen. Der Stufenübergang 202 erzeugt jedoch auch andere Moden des Signals, bspw. die unerwünschten TE₁₀- und TM₁₂-Moden, die die Effizienz des Stufenhorns 200 beschränken. Die axiale Länge des Stufenhorns 200 ist typischerweise kürzer als die eines vergleichbaren Pyramidenhorns 100.
3 zeigt eine Ausführungsform des Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist ein Hohlraumspeisehorn 300 mit einem Hohlraum bzw. einer Kavität 302, die zwischen den Öffnungen 304 und der Apertur 306 des Hohlraumspeisehorns 300 liegt, um die unerwünschten TE₁₂- und TM₁₂-Übertragungsmoden zu unterdrücken. Der Hohlraum 302 wandelt ebenfalls die Leistung in den unerwünschten TE₁₂- und TM₁₂-Moden in die gewünschten TE₁₀- TE₃₀-Moden um, um die Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300 zu verbessern. Der Hohlraum 302 macht die Ausleuchtung der Apertur 306 gleichmäßiger und erhöht die Effizienz auf etwa 92%. Die Umrisslinie 308 der Apertur 306, die ein Längsquerschnitt des Hohlraumspeisehorns 300 ist, bleibt im Wesentlichen quadratisch. Das Hohlraumspeisehorn 300 ist etwa 12% effizienter als das Pyramidenhorn 100 und 6% effizienter als das Stufenhorn 200.
Diese Steigerung der Effizienz des Horns 300 kann benutzt werden, um die Anzahl der Hornelemente 300 in einer Antennengruppe zu reduzieren, um gleiche Leistung wie bei einer Gruppe mit Pyramidenhörnern 100 zu erreichen, oder um die HF-Leistung um etwa 12% bis 17% zu reduzieren, die zum Anregen eines Speisehorns 300, oder einer Gruppe von Speisehörnern 300 im Gegensatz zu einem Pyramidenhorn 100 oder einer Gruppe von Pyramidenhörnern 100 benötigt wird. Diese Reduktion der Anzahl der benötigten Hörner 300 verringert das Gewicht und die erforderliche Leistung des Antennensystems, und reduziert damit die Herstellungskosten und die Betriebskosten. Ferner verringert die Reduktion der HF-Leistung, die zur Vervollständigung der Kommunikationsverbindung erforderlich ist, das Gewicht der Energieversorgung, die auf dem Satelliten benötigt wird, und reduziert damit die Kosten und das Gewicht des Weltraumfahrzeugs.
Ein Hohlraumspeisehorn 300 hat typischerweise eine vierfache Symmetrie, wie in dem Umriss 308 gezeigt, und umfasst zwei Stufen 310 und 312 in zwei entgegengesetzte Richtungen, die einen Hohlraum 302 bilden. Der Hohlraum 302 ist typischerweise in gleichem Abstand von der Öffnung 304 und der Apertur 306 gebildet, kann aber auch irgendwo zwischen der Öffnung 304 und der Apertur 306 ausgebildet sein, wenn dies gewünscht ist. Der Hohlraum 302 regt gewünschte Übertragungsmoden an und unterdrückt die unerwünschten Übertragungsmoden und erhöht damit die Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300, das auch als quadratisches Mehrmodenhorn bezeichnet wird, auf etwa 92%.
Obgleich mit Bezug auf die gewünschten Moden TE₁₀ und TE₃₀ und den unerwünschten Moden TE₁₂ und TM₁₂ beschrieben, kann jede Übertragungsmode durch den Hohlraum 302 angeregt oder unterdrückt werden.
Die vorliegende Erfindung lässt auch zu, dass Gruppenantennen eine Doppelpolarisation verwenden, bspw. eine duale lineare oder eine duale zirkulare Polarisation, da der Umriss 308 der Apertur 306 quadratisch ist. Der quadratische Umriss 308 ist gewünscht, da der Eingang (Öffnung 304) des Hohlraumspeisehorns 300 direkt mit dem quadratischen Wellenleiter 102 gekoppelt werden kann, der ein zirkular polarisiertes Signal überträgt. Ferner maximieren die quadratischen Aperturen 306 die Gruppenaperturfläche, da kein Zwischenelementabstand zwischen benachbarten Hohlraumspeisehörnern 300 existiert. Falls die Apertur 306 kreisförmig wäre, würden Zwischenräume zwischen den Hohlraumspeisehörnern 300 existieren.
Vorteile der vorliegenden Erfindung
4A zeigt die Strahlungseffizienz 400 des Speisehorns der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik. Um die Anzahl der Speisehörner in einer Gruppe zu minimieren, sollten die Speisehörner eine hohe Strahlungseffizienz besitzen. Die typische Strahlungseffizienz im X-Band-Frequenzbereich eines großen Pyramidenhorns 100 beträgt etwa 80%, wie durch die Kurve 402 gezeigt. Die Strahlungseffizienz eines H-Ebenen Stufenhorns 200 mit einem rechteckigen Eingang, der die TE₁₀-Mode unterstützt und die TE₁₀-Mode nicht unterstützt, beträgt etwa 84% bis 86%, wie durch die Kurve 404 gezeigt.
Ein rechteckiger Eingang kann jedoch nicht für Anwendungen mit dualer-linearer oder dualer-zirkularer Polarisation verwendet werden, wie zuvor beschrieben. Für eine gute zirkulare Polarisation mit minimaler Quer-Polar-Leistung nahe der Justierungsrichtung besitzt das Horn vorteilhafterweise eine vierfache Symmetrie, wie durch einen quadratischen Umriss 308 angegeben. Ein quadratischer Umriss 308 macht das Hohlraumspeisehorn 300 auch direkt kompatibel mit einem Wellenleiter 310, der das Signal liefert, das von dem Hohlraumspeisehorn 300 übertragen werden soll. Um die zuvor erwähnten Anforderungen zu erfüllen und die Effizienz eines quadratischen Horns zu erhöhen, müssen in allen vier Wänden 204 Stufen 202 ausgebildet werden, um die TE₃₀- und die TE₀₃-Mode zu erzeugen. TM₁₂-Moden, die geringere Abschneidefrequenzen als die der TE₃₀-Moden haben. Diese zwei Moden verjüngen die Aperturverteilung, die wirksam die Strahlungseffizienz reduziert, wie durch die Kurve 404 gezeigt.
Die Intensität der unerwünschten Strahlungsmoden wird bei der vorliegenden Erfindung durch Hinzufügen einer zweiten Stufe 312 als Diskontinuität an einer geeigneten Stelle unterdrückt, um somit eine Kavität 302 zu erzeugen, die mit Bezug auf die 3 beschrieben wurde. Ein typisches Stufenhorn 200 mit höchstmöglicher Effizienz wird eine Gesamtleistung, die durch die TE₁₀-, TE₃₀-, TE₁₂/TM₁₂-Moden übertragen wird, von 95,9%, 1,6% bzw. 2,5% haben. Mit der zweiten Stufe 312, die an einer geeigneten Stelle hinzugefügt wurde, wie bei dem Hohlraumspeisehorn 300 der vorliegenden Erfindung, wird die Gesamtleistung, die durch die TE₁₀-, TE₃₀- und TE₁₂-Moden übertragen wird, 94,6%, 4,2% bzw. 1,2%. Bei einer idealen Situation eines Zwei-Moden-Horns wird die Gesamtleistung, die durch TE₁₀, TE₃₀ und TE₁₂ übertragen wird, 94,3%, 5,7% bzw. 0,0%. Die zweite Stufe 312 der vorliegenden Erfindung bringt das modale Leistungsverhältnis näher an die ideale Grenze.
Als ein Ergebnis des Hohlraums 302, der in das Hohlraumspeisehorn 300 eingeführt wurde, wird die Hohlraumspeisehorneffizienz auf etwa 91% erhöht, wie durch die Kurve 406 gezeigt. Die Kurve 406 zeigt eine 6%-ige Erhöhung der Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300 im Vergleich zu einem Stufenhorn 200, und eine 12%-ige Erhöhung im Vergleich zu einem Pyramidenhorn 100. Das Hohlraumspeisehorn 300, wenn es in einer Gruppe verwendet wird, ermöglicht dem Entwickler, die Anzahl der Elemente (Speisehörner) in der Gruppe um etwa 6% bis 12% im Vergleich zu den Entwürfen, die Stufenhörner 200 oder Pyramidenhörner 100 verwenden, zu reduzieren, um damit signifikante Kosten und Gewichtseinsparungen herbeizuführen.
Die vorliegende Erfindung zieht einen Vorteil aus Führungs-Wellenlängenunterschieden zwischen den unterschiedlichen Übertragungsmoden, um selektiv die unerwünschten Übertragungsmoden zu unterdrücken. Bei der vorliegenden Erfindung erzeugt die Diskontinuität der ersten Stufe 310 die TE₃₀-, TE₁₂- und TM₁₂-Moden. Kurz nach der Diskontinuität der ersten Stufe 310 sind die TE₁₀-, TE₁₂- und TE₃₀-Moden-Felder in Phase, wobei der Phasenbezugspunkt auf der Achse des Hohlraumspeisehorns 300 liegt. Dieses Phasenverhältnis gewährleistet die Kontinuität der elektrischen Felder an beiden Seiten der Diskontinuität der Stufe 310.
An der Diskontinuität der zweiten Stufe 312 sind die TE₁₀- und TE₃₀-Übertragungsmoden außer Phase, da die Aperturöffnung sich abrupt reduziert. Falls der Abstand zwischen der Stufe 310 und der Stufe 312 richtig gewählt wird, bspw. wird die Länge des Hohlraums 302 als eine halbe Führungswellenlänge der TE₁₂/TE₁₀-Moden ausgewählt, wird dann die TE₃₀-Mode, die durch die TE₁₀-Mode und die zwei Diskontinuitäten erzeugt wird, im Wesentlichen in Phase hinzugefügt, und die TE₁₂/TM₁₂-Signale addieren sich außer Phase an der Diskontinuität der zweiten Stufe 312. Als Ergebnis wird der unerwünschte Modeninhalt auf Grund der TE₁₂/TM₁₂-Moden reduziert, während der gewünschte TE₃₀-Modeninhalt verbessert wird.
Die gewünschte TE₁₀- und die unerwünschte TE₁₂-Übertragungsmode erreicht die Diskontinuität der zweiten Stufe 312 im Wesentlichen in Phase, da diese beiden gewünschten Übertragungsmoden nahezu gleiche Phasengeschwindigkeiten besitzen. Diese zwei Moden produzieren gemeinsam die TE₁₀-Übertragungsmode nach der Diskontinuität der zweiten Stufe 312 bei einem minimalen Betrag der TE₁₂-Mode, was der entgegengesetzte Effekt der ersten Diskontinuität ist. Nach der Diskontinuität der zweiten Stufe 312 wird folglich die gewünschte TE₃₀-Übertragungsmode intensiviert und die unerwünschte TE₁₂-Übertragungsmode wird unterdrückt, indem die Leistung in der unerwünschten Mode in Leistung der gewünschten Mode umgewandelt wird. Andere Unterdrückungsformen, wie bspw. Elimination der Übertragung, Reflektion oder andere Mittel sind ebenfalls möglich, indem die Stufe 312 der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Durch Umwandeln der Leistung von den unerwünschten Übertragungsmoden in die gewünschten Übertragungsmoden wird die Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300 erhöht.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Hohlraumspeisehorns 300 arbeitet im X-Band, das zwischen 7,8 und 8,5 GHz liegt. Die bevorzugte Ausführungsform hat einen Hohlraum 302, der im Wesentlichen auf halber Strecke zwischen der Eingangsöffnung 304 und der Apertur 306 liegt. Der Hohlraum 302 ist typischerweise 5 cm lang, was etwa eine halbe Führungswellenlänge der TE₁₂-Übertragsungsmode ist. Die Apertur 306 hat Seiten von 2,75 Inch Länge und ist im Wesentlichen quadratisch. Andere Ausführungsformen sind innerhalb des Arbeitsfrequenzbands möglich, die gewisse gewünschte Übertragungsmoden anregen und gewisse andere unerwünschte Übertragungsmoden unterdrücken. Ferner kann das Hohlraumspeisehorn entworfen sein, um in anderen Frequenzbändern zu arbeiten, wie bspw. dem C-Band, dem Ku-Band, dem Ka-Band oder anderen Frequenzbändern, indem passende Größen- und Längenverhältnisse des Hohlraumspeisehorns 300 benutzt werden.
Obgleich mit einem Hohlraum 302 gezeigt, der sich vollständig um den Umfang des Hohlraumspeisehorns 300 erstreckt, kann der Hohlraum 302 andere Formen annehmen. Bspw. kann der Hohlraum 302 auf einer Seite des Hohlraumspeisehorns 300 vorhanden sein, auf zwei Seiten des Hohlraumspeisehorns 300, auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Hohlraumspeisehorns 300 oder auf drei Seiten des Hohlraumspeisehorns 300. Der Hohlraum 302 kann nur auf Teilen einer oder mehrerer Seiten des Hohlraumspeisehorns 300 ebenfalls existieren. Mehr als ein Hohlraum 302 kann verwendet werden, um Übertragungsmoden, wie gewünscht, anzuregen und zu unterdrücken.
Der Querschnitt des Hohlraums 302 ist rechteckförmig gezeigt, kann aber auch andere Formen annehmen, wie bspw. dreieckförmig, sägezahnförmig, quadratisch, rund, stückweise linear oder andere Formen, um die Übertragungsmoden, die bei dem Hohlraumspeisehorn 300 gewünscht sind, anzuregen und zu unterdrü cken. Obgleich als Hohlraum 302 gezeigt, der sich weg von den Wänden des Hohlraumspeisehorns 300 erstreckt, kann ferner eine Änderung der Wandform, die sich in die Öffnung des Hohlraumspeisehorns erstreckt, die gleichen Vorteile wie der Hohlraum 302 bereitstellen. Als solches betrifft der Hohlraum 302, wenn er hier verwendet wird, nicht nur eine Vergrößerung des Querschnitts des Hohlraumspeisehorns 300 sondern bezieht sich auch auf eine Reduzierung oder eine andere Änderung des Querschnitts des Hohlraumspeisehorns 300, der sich gegenüber der Winkelabmessungen des Hohlraumspeisehorns 300 unterscheidet, vorausgesetzt, dass der Hohlraum zwischen zwei Stufen in zwei entgegengesetzte Richtungen ausgebildet wird.
4B–4G zeigen alternative Ausführungsformen des Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung.
4B zeigt einen Hohlraum 302 mit einem dreieckförmigen Querschnitt, und der Hohlraum 302 ist nicht symmetrisch um eine Achse des Hohlraumspeisehorns 300. Die Wände 314 definieren die Apertur 306 und die Eingangsöffnung 302 des Hohlraumspeisehorns 300. Die Wände 314 werden jedoch nicht benötigt, um den Hohlraum 302 symmetrisch um die Achse des Hohlraumspeisehorns 300 zu bilden.
4C zeigt den Hohlraum 302 mit einem gekrümmten Querschnitt. Obgleich die Apertur 306 typischerweise einen quadratischen Querschnitt hat, ist der Hohlraum 302 nicht begrenzt darauf, einen quadratischen Querschnitt zu haben. Die erste Stufe 310 und die zweite Stufe 312, wie in 4C gezeigt, können gerundet sein, und können ausgebildet sein, um eine Diskontinuität zu erzeugen. 4D zeigt einen Hohlraum 302 mit einem asymmetrischen Breiten/Längenverhältnis um eine Achse des Hohlraumspeisehorns 300. 4E zeigt den Hohlraum 302, der innerhalb der Wände 304 liegen kann, anstelle sich weg von einer Mittellinie des Hohlraumspeisehorns 300 zu erstrecken. Ferner können der Hohlraum 302 und der Hohlraum 316 asymmetrisch sein, und sie können auch in unterschiedlichen Abständen von der Apertur 306 der Eingangsöffnung 304 platziert sein. 4F zeigt, dass der Hohlraum 302 im Wesentlichen entgegengesetzt gegenüberliegt ohne im Wesentlichen das Hohlraumspeisehorn 300 zu begrenzen. 4G zeigt, dass der Hohlraum 302 mit einem Material 318 gefüllt werden kann, oder teilweise mit einem Material 318 gefüllt werden kann.
Übertragungs- und Reflektionseigenschaften
5A–5C zeigen die Apertur-Feldverteilungen für verschiedene Entwürfe der Speisehörner einschließlich des Speisehorns der vorliegenden Erfindung.
5A zeigt die Gleichmäßigkeit des Felds, das in der normalen und der parallelen Ebene eines Pyramidenhorns 100 gemessen wird. Die Kurve 500 zeigt die Normal-Feldverteilung und die Kurve 502 zeigt die Parallel-Feldverteilung.
5B zeigt die Gleichmäßigkeit des Felds, das in der Normal- und Parallelebene eines Stufenhorns 200 gemessen wird. Die Kurve 504 zeigt die Normal-Feldverteilung und die Kurve 506 zeigt die Parallel-Feldverteilung.
5C zeigt die Gleichmäßigkeit des Felds, das in der Normal- und der Parallelebene des Hohlraumspeisehorns 300 der vorliegenden Erfindung gemessen wird. Die Kurve 508 zeigt die Normal-Feldverteilung, und die Kurve 510 die Parallel-Feldverteilung. Das Hohlraumspeisehorn 300 hat eine bessere Apertur-Gleichmäßigkeit im Vergleich zu dem Pyramidenhorn 100 und dem Stufenhorn 200, aber verbreitert die Spitze der Feldstärke in der normalen Richtung, wie durch Kurve 508 gezeigt.
6 zeigt die Reflektionsdämpfungsleistung eines Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung. Die Reflektionsdämpfung bzw. Echodämpfung 600 ist besser als 25 dB über 7% der Bandbreite.
7 zeigt typische Strahlungsmuster eines Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung.
Die Übertragungsmuster 700 des Hohlraumspeisehorns 300 sind mit einer einzelnen Frequenz gezeigt, typischerweise einer Mittenfrequenz des Hohlraumspeisehorns 300. Wie zuvor diskutiert beträgt diese Frequenz typischerweise 8,2 GHz. Die H-Ebenen-Leistung ist in der Kurve 702 gezeigt, und die E-Ebenen-Leistung ist in der Kurve 704 gezeigt. Das 45-Grad-Übertragungsmuster ist in der Kurve 706 gezeigt, und die Quer-Polarpegel sind in der Kurve 708 gezeigt. Die Quer-Polarpegel der Kurve 708 liegen 30 dB unterhalb der Spitze der Co-Polar-Spitzen der Kurven 702, 704 und 706.
8A zeigt eine perspektivische Ansicht des Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung. Die Stufen 310 und 312 und die Apertur 306 sind gekennzeichnet.
8B zeigt den Vergleich zwischen den gemessenen und den berechneten Strahlungsmustern des Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung. Die gemessenen Muster 800 und die berechneten Muster 802 in der 45-Grad-Ebene sind gezeigt. Die gemessenen Muster 800 stimmen gut mit den berechneten Mustern 802 überein. Die Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300 wird mit 95% gemessen. Das berechnete Quer-Polarisationsmuster 804 und das gemessene Muster 806 sind ebenfalls gekennzeichnet.
9 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte darstellt, die zur Ausführung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt werden.
Block 900 zeigt den Schritt des Anregens, innerhalb der Antenne, einer gewünschten Übertragungsmode und einer unerwünschten Übertragungsmode des Signals, das übertragen werden soll.
Block 902 zeigt die vorliegende Erfindung, die den Schritt ausführt: Unterdrücken, innerhalb der Antenne, der Leistung innerhalb der unerwünschten Übertragungsmode.
Zusammenfassung
Die nachfolgenden Absätze beschreiben einige alternative Verfahren zur Erreichung der gleichen Ziele und einiger zusätzlicher Vorteile der vorliegenden Erfindung.
In der vorliegenden Erfindung beschriebene Techniken können für mehrere Antennen in Gruppen oder anderen Mehrfachantennen-Konfigurationen eingesetzt werden. Die Speisehörner können ferner mit verschiedenen Reflektoren und reflektiven Oberflächen kombiniert werden, um die Strahlmuster zu modifizieren und andere Systemeigenschaften eines Systems, das das Speisehorn der vorliegenden Erfindung verwendet.
Obgleich mit Bezug auf die gewünschten TE₁₀- und TE₃₀-Moden und den unerwünschten TE₁₂- und TM₁₂-Übertragungsmoden beschrieben, kann der Hohlraum 302 so entworfen sein, dass andere Moden durch den Hohlraum 302 angeregt oder unterdrückt werden, wie gewünscht. Dies kann erreicht werden, indem die Form des Hohlraums 302 verändert wird, oder indem der Hohlraum 302 an eine andere Position zwischen der Apertur 306 und der Eingangsöffnung 304 platziert wird.
Die vorliegende Erfindung kann bei vielen Satelliten-Nutlasten verwendet werden und ist nicht auf ein Frequenzband begrenzt. Bspw. können feste und Broadcast-Satellitendienste im Ku-Band und im C-Band und Satelliten für persönliche Kommunikation im Ka-Band von einer Implementierung der vorliegenden Erfindung profitieren. Die vorliegende Erfindung ist ferner bei direkt-abstrahlenden Gruppenantennen anwendbar, um mehrere geformte Strahlen oder Punktstrahlen für spezifische Anwendungen zu erzeugen.
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung eine Antennenvorrichtung bereit, die eine vergrößerte Effizienz besitzt, und ein Verfahren zum Vergrößern der Effizienz von Mehrmoden-Antennen-Speisehörner. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erregens innerhalb der Antenne einer gewünschten Übertragungsmode und einer unerwünschten Übertragungsmode des Signals, das übertragen werden soll, und Umwandeln innerhalb der Antenne der Leistung innerhalb der ungewünschten Übertragungsmode in Leistung für die gewünschte Übertragungsmode des Signals, das übertragen werden soll.
Eine erfindungsgemäße Antennenvorrichtung umfasst ein Einspeisehorn mit einer Eingangsöffnung, einer Apertur und einem Hohlraum, der zwischen der Eingangsöffnung und der Apertur angeordnet ist, um eine ungewünschte Übertragungsmode der Antenne zu unterdrücken und eine gewünschte Übertragungsmode der Antenne anzuregen.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zu Erläuterungszwecken angegeben und ist nicht als erschöpfend oder als die Erfindung auf die speziell offenbarte Form beschränkend zu betrachten.

Claims

Antenne mit: einem Mehrmoden-Speisehorn (300) mit zumindest einer Wand (314), einer Eingangsöffnung (304) und einer Apertur (306), wobei die Apertur (306) größer ist als die Eingangsöffnung (304); gekennzeichnet durch eine Kavität (302), die zwischen zwei aufeinander folgenden Stufen (310, 312) in entgegengesetzten Richtungen auf der zumindest einen Wand ausgebildet ist, zwischen der Eingangsöffnung (304) und der Apertur (306) und entfernt von der Eingangsöffnung (304), wobei der Querschnitt größer ist als die Eingangsöffnung (304), ausgelegt, um eine unerwünschte Übertragungsmode der Antenne zu unterdrücken und eine erwünschte Übertragungsmode der Antenne anzuregen, wobei das Speisehorn (300) einen Querschnitt aufweist, der sich stetig von der Eingangsöffnung (304) zu der Kavität und von der Kavität (302) zu der Apertur (306) vergrößert.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (302) im Wesentlichen auf halbem Weg zwischen der Eingangsöffnung (304) und der Apertur (306) angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt (308) der Apertur (306) im Wesentlichen rechteckförmig ist.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Übertragungsmode eine TE₁₀ und eine TE₃₀ Mode umfasst.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die unerwünschte Übertragungsmode eine TE₁₂ und eine TM₁₂ Mode umfasst.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–5, gekennzeichnet durch einen Wellenleiter (102), der mit der Eingangsöffnung (304) gekoppelt ist, um ein Signal an die Antenne zu führen.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (302) die unerwünschte Übertragungsmode durch Umwandeln der Leistung von der unerwünschten Übertragungsmode in Leistung der gewünschten Übertragungsmode unterdrückt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (302) sich im Wesentlichen um das Innere des Speisehorns (300) erstreckt.