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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Cassegrain-Zuführung für eine Antenne, insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich,
auf eine Cassegrain-Zuführung
für eine
Parabolantenne.
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Es
ist bei Parabolantennen bekannt, dass sie aus einer so genannten
Cassegrain-Zuführung
Anordnung zugeführt
werden. Eine solche Anordnung ist in 1 dargestellt,
in welcher die verschiedenen Bauteile so zu verstehen sind, dass
sie rotationssymmetrisch um die z-Achse verlaufen, und enthält die Reflektionsantenne 10 und
eine durch das Zentrum davon hervorstehende und entlang der z-Achse
verlaufende Zuführ-Anordnung 12.
Die Zuführ-Anordnung
ist in 2 detaillierter gezeigt, und enthält eine
Wellenleiter-Sektion 20, welche an einem Ende 21 durch
das Zentrum der Antenne 10 (in 2 nicht
gezeigt) passiert, und am anderen Ende 22 an dem Ende mit
einem kleinen Durchmesser eines dielektrischen Kerns (cone) 23 anliegt.
Das Ende mit einem großen
Durchmesser des Kerns 23 liegt an einem Subreflektor 24 an,
welcher dazu dient, eine darauf einfallende Strahlung von der Wellenleiter-Sektion zur Antenne 10 (Übertragungsmodus)
oder von der Antenne 10 zur Wellenleiter-Sektion (Empfangsmodus) über den
Kern 23 zu reflektieren. Die Funktion des Kerns ist in "Dielguides – highly
efficient Low-Noise Antenna Feeds" von H.E. Bartlett und R.E. Moseley,
Microwave Journal, vol. 9, Dezember 1966, Seiten 53–58 beschrieben.
Um eine Anpassung der Luft-Kern Schnittstelle zu verbessern, ist
der Kern oft mit Riffelungen 25 bereitgestellt. Ferner
ist, um einen Rückverlust
zu minimieren, ein dielektrischer Mehrfachstufenschritt-Umformer 26 enthalten,
welcher, wie gezeigt, aus dem gleichen dielektrischen Material wie
der Kern hergestellt und einstückig
damit ausgebildet sein kann, und der Subreflektor 24 kann
eine Abstimm-Scheibe 27 an seinem zentralen Abschnitt enthalten,
um wiederum den Rückverlust
zu reduzieren.
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Die
soweit beschriebene Zuführ-Anordnung
ist eine Einzelband-Vorrichtung
zur Zuführung
von einer Strahlung bei einer Mittenfrequenz von beispielsweise
3,9 GHz. Es sind jedoch auch Zuführungen
für einen Dualband-Betrieb
bekannt, wobei der Vorteil jener darin liegt, dass die Notwendigkeit
nach zwei separaten Zuführ-Anordnungen
für die
einzelnen Bänder
vermieden wird, wobei daraus eine Einsparung in Kosten und einer Komplexität resultiert.
Ein Beispiel einer bekannten Dualband Zuführ-Anordnung ist in 3 dargestellt. In 3a führt eine
Wellenleiter-Sektion 30 ein Metallkern-Element 31 zu,
welches eine Mikrowellen-Energie an einen Subreflektor 32 verbreitet,
wobei der Subreflektor mit Bezug auf die Zuführ-Elemente 30, 31 mittels
von Stagen 33 gesichert und positioniert ist. Der konische
Teil 34 des Kern-Elements 31 ist herkömmlicher
Weise mit Nuten 35 (siehe 3b) bereitgestellt.
In der Praxis sind, um einen Betrieb in den zwei betreffenden Frequenzbändern zu
erleichtern, die Nuten derart erstellt, dass sie zwischen zwei Tiefen 36 und 37 abwechseln (siehe 3c).
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Das
Dokument
US 6,020,859 offenbart
eine Reflektor-Antenne mit einer selbstgetragenen Zuführung zum
Empfang und zur Übertragung.
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Die
bekannte Dualband-Vorrichtung von 3 hat
Nachteile hinsichtlich einer Komplexität, Größe und von hohen Kosten.
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Beschreibungen über dielektrische
Zuführungen
sind unter anderen Quellen enthalten in: "Dielektrische Erreger für Richtfunk-Parabolantennen,
Diskussionssitzung des Fachausschusses Antennen der ITG", Lindau im Bodensee,
12–13
Oktober 1988, Seiten 48–50; "Design and Analysis
of arbitrarily shaped Dielektric Antennas", von B. Toland, C.C. Liu und P.G. Ingerson,
Mircorwave Journal, Mai 1997, Seiten 278–286; "Dielectric-Lined Waveguide feed" von Akhileshwar
Kumar, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-27, No. 2. März 1979,
und in "Aperture
Efficiency Enhancement in Dielectrically Loaded Horns" von G.N. Tsandoulas
und W.D. Fitzgerald, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
vol. AP-20, No. 1, Januar 1972. Nicht-dielektrische Hornantennen,
welche eine hohe Nebenkeulen-Unterdrückung und eine Bandbreiten-Entzerrung
erzielen, sind offenbart in: "A
New Horn Antenna with Suppressed Sidelobes and Equal Beamwidths" von P.D. Potter,
Microwave Journal, vol. VI, Seiten 71–78, Juni 1963, und in der
US Patentbeschreibung
US 3,413,641 ("Dual-Mode Antenna" – R.H. Turrin).
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Gemäss eines
ersten Aspektes der Erfindung ist eine Antenne mit Cassegrain-Zuführung bereitgestellt,
welche enthält:
eine Wellenleiter-Sektion, welche einen Endabschnitt hat, wobei
die Wellenleiter-Sektion derartige Innenabmessungen hat, welche
die Verbreitung von einer fundamentalen Quasi-TE11 Mode unterstützt; einen
dielektrischen Kern, welcher ein Ende mit einem kleinen Durchmesser
und ein Ende mit einem großen
Durchmesser hat, wobei das Ende mit dem kleinen Durchmesser am Wellenleiter-Endabschnitt
anliegt; einen Subreflektor, welcher am Ende des Kerns mit großem Durchmesser
anliegt; dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung eine Dualband-Zuführung ist,
welche ein unteres und oberes Frequenzband abdeckt, wobei sie einen
dielektrischen Mehrfachstufenschritt-Umformer innerhalb der Wellenleiter-Sektion
enthält,
und am Ende des dielektrischen Kerns mit kleinem Durchmesser angebracht
ist, um die Impedanz des Kerns mit der Wellenleiter-Sektion anzupassen,
und wobei der Wellenleiter-Endabschnitt an einer Innenwand davon
mit einem Wandimpedanz-Änderungsmittel
bereitgestellt ist, welches eine dielektrische Hülse enthält, welche vom dielektrischen
Kern hervorsteht und im Wellenleiter-Endabschnitt empfangen wird,
um die Impedanz der Innenwand zu ändern, um die Quasi-TM11 Mode
im oberen Frequenzband zu koppeln, und um dadurch eine im wesentlichen
rotationssymmetrische Ausleuchtung des Subreflektors im oberen Frequenzband
zu erreichen.
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Vorzugsweise
regt das Wandimpedanz-Änderungsmittel,
welches die dielektrische Hülse
enthält,
ferner eine Erregung von einer Quasi-TE12 Mode an.
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Vorzugsweise
hat die dielektrische Hülse
eine Dicke von zwischen ungefähr
einem Viertel und ungefähr
einem Sechstel von einer mittleren Wellenlänge des oberen Frequenzbandes,
welches einer Verbreitung in der Hülse zugeordnet ist. Vorzugsweise
hat die dielektrische Hülse
eine Länge,
welche größer als
eine Wellenlänge
im teilweise gefüllten
Wellenleiter bei der höchsten
Frequenz des oberen Frequenzbandes ist. Vorzugsweise hat sie eine
Länge,
welche ungefähr
zwei Wellenlängen
entspricht. Vorzugsweise ist die dielektrische Hülse als ein integraler Bestandteil
des dielektrischen Kerns ausgebildet.
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Die
Wellenleiter-Sektion kann über
ihre Länge
hinweg einen im wesentlichen gleichförmigen Durchmesser haben. Alternativ
hat der Wellenleiter-Endabschnitt einen größeren Durchmesser als der Rest
der Wellenleiter-Sektion, so dass eine Aussparung, welche eine Schulter
hat, ausgebildet ist, wodurch ein korrektes Einsetzen der Hülle in die
Wellenleiter-Sektion möglich
ist.
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Vorzugsweise
ist der dielektrische Umformer als ein integraler Bestandteil des
dielektrischen Kerns ausgebildet.
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Vorzugsweise
hat eine Endstufe des dielektrischen Umformers, welche sich an einer Öffnung des
Wellenleiter-Endabschnittes befindet, einen Durchmesser, welcher
ungefähr
75% dessen des Wellenleiter-Endabschnittes beträgt.
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Vorzugsweise
hat der dielektrische Kern an seiner äußeren aufgeweiteten Oberfläche eine
Serie von Riffelungen. Solche Riffelungen verbessern eine Anpassung
an der Luft-Kern Schnittstelle.
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Vorzugsweise
hat der Subreflektor an seinem Zentralabschnitt eine Scheibe, um
den Rückverlust
von Signalen zu reduzieren, welche auf den Subreflektor einfallen.
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Gemäss eines
zweiten Aspektes der Erfindung ist eine Parabolantennen-Anordnung
bereitgestellt, welche enthält:
einen Parabolspiegel, und, durch einen Zentralabschnitt des Parabolspiegels
verlaufend, eine Cassegrain-Zuführung
nach dem ersten Aspekt der Erfindung.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun lediglich mittels Beispiel mit Bezug auf
die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Antennen-Anordnung ist, welche eine bekannte Einzelband Cassegrain-Zuführung enthält;
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2 eine
detailliertere Darstellung der in 1 gezeigten
Zuführung
ist;
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3 eine bekannte Dualband Cassegrain-Zuführung ist;
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4 eine
Cassegrain-Zuführung
gemäss
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist,
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5a die
Zuführung
von 4 mit verschiedenen enthaltenen Parametern ist,
welche Phasen-Zentren enthalten,
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5b eine
Schnittansicht einer Offset- oder "Ring"-Parabel
darstellt, welche in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, und
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6 eine
Teilansicht der Zuführung
von 4 ist, welche eine Modifikation davon anzeigt.
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Bezugnehmend
nun auf 4, verwendet eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Wellenleiter-Sektion 40,
einen dielektrischen Kern 43, einen Subreflektor 44 und
einen dielektrischen Umformer 46, welche den äquivalenten
Elementen in 2 entsprechen, stellt jedoch
zusätzlich
ein Wandimpedanz-Änderungsmittel 47 bereit,
um eine Impedanz der Innenwand 48 der Wellenleiter-Sektion 40 an
einem Endabschnitt 49 davon zu ändern. Das Impedanz-Änderungsmittel 47 ist
eine dielektrische Hülse,
welche in der gezeigten Ausführungsform
ein im Kern 43 ausgebildeter Vorsprung (Hohlzylinder) ist,
so dass die Hülse ein
integraler Bestandteil des Kerns ist. Sie kann alternativ ein separates
Bauteil sein, obwohl es dann Schwierigkeiten gibt, welche beim Bereitstellen
einer geeigneten Aufnahme für
den Kern selber bekannt sind. Die Hülse hat eine Dicke von zwischen
einem Viertel und einem Sechstel der Wellenlänge (im Dielektrikum), welche der
mittleren oberen Bandfrequenz entspricht. Wie in 2,
ist der dielektrische Umformer 46 in 4 vorzugsweise
aus ein und demselben dielektrischen Material wie der Kern gemacht,
und ist damit einstückig.
Als ein Beispiel, hatte das in einer Testausführungsform der Erfindung verwendete
Dielektrikum eine dielektrische Konstante von ε = 2,56, obwohl andere Konstanten
ebenfalls möglich
sind.
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Die
Wirkungsweise der elektrischen Hülse 47 liegt
darin, die Wandimpedanz zu ändern,
so dass die Quasi-TM11 Mode mit einer korrekten Amplitude und Phase
gekoppelt wird. Zusätzlich
dient die Hülse
als eine mechanische Befestigung zwischen dem Kern und dem Wellenleiter.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine wie in 6 gezeigte
Ausführungsform
verwendet wird, bei welcher eine Aussparung 50 und eine zugehörige Schulter 51 dazu
verwendet werden um die Hülse
unterzubringen. In diesem Fall, wird die Position des Kerns und
des Umformers im Wellenleiter sowohl radial als auch axial sichergestellt.
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Die
Länge von
der dielektrischen Hülse
kann größer als
eine Wellenlänge
im teilweise gefüllten
Wellenleiter bei der höchsten
Frequenz von Interesse im oberen Band sein. Bei dem gezeigten Beispiel
beträgt die
Länge ungefähr zwei
Wellenlängen.
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Ein
weiterer Unterschied zwischen der bekannten Anordnung von 2 und
der Ausführungsform
der in 4 gezeigten Erfindung ist die verringerte Länge des
Bestandteils der Wellenleiter-Sektion 40, welche komplett
mit Dielektrikum gefüllt
ist, wodurch erlaubt wird, dass die angeregte TM11 Mode den elektrischen Kern 43 mit
geringer Zerstreuung erreicht. Diese Länge sollte so kurz wie möglich sein,
um eine Zerstreuung zu minimieren, und beträgt in der dargestellten Ausführungsform
tatsächlich
gleich Null. Die verschiedenen Stufen des Umformers sind empirisch
auf einer im Stand der Technik bekannten Weise bemessen, beispielsweise
indem λ/4
Stufen als ein Startpunkt verwendet werden, um einen minimalen Rückverlust
zu erzielen.
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Bei
einer Testantennen-Anordnung, welche die oben beschriebene Dualband-Zuführung enthält, war die
Antenne eine Parabel mit 3m im Durchmesser (mit einem entgegengesetzten
Winkel von 180°),
wobei die Gesamtlänge
der Wellenleiter-Zuführung
675mm betrug, und der Radius R (siehe 4) der Endstufe 41 des Stufen-Umformers
ungefähr
75% dessen des Innendurchmessers von der Hülse 47 betrug. Weitere
Parameter, welche mit Bezug auf 5a spezifiziert
sind, hatten die in der folgenden Tabelle aufgelisteten Werte:
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Der
Wert von 65 mm für
den Dualband Wellenleiter-Durchmesser d entstieg primär der Anforderung, den
Wellenleiter mit dem Dualband Orthomode-Umsetzer anzupassen, welcher
für die
herkömmliche
Dualband-Anordnung von 3a verwendet wird, wobei das Übergangsstück dessen
65 mm im Durchmesser betrug. Auf jeden Fall wird der Wert von d
von der Position der zwei Frequenzbänder relativ zueinander abhängen. Oberhalb
von 4,5 GHz gibt es im vorliegenden Beispiel eine starke Verschlechterung
des Strahlungsmusters, und wenn d auf beispielsweise 71 mm erhöht wird,
greift diese Verschlechterung im unteren Band bei ungefähr 4,2 GHz
durch, was selbstverständlich
unerwünscht
ist. Beim anderen Extrem sind 54mm im vorgegebenen Beispiel zu gering,
es sei denn, dass eine geeignete große Stufe, welche im Durchmesser
zunimmt (cf ist die in 6 gezeigte Aussparung), verwendet
wird. Der optimale Durchmesser kann empirisch bestimmt werden (beispielsweise
durch Computer-Simulation), und kann dann, wenn notwendig, leicht
abweichen, um, wie in diesem Fall, Abmessungen von Wellenleiter-Bauteilen
(hier das Übergangsstück) unterzubringen,
welche eventuell zu verwenden sind.
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5a zeigt
ebenfalls die Positionen der Phasen-Zentren für die beschriebene Ausführungsform,
und zwar sowohl für
das untere Band ("U") als auch für das obere
Band ("O"). Wie zu erkennen,
stimmen die Phasen-Zentren nicht überein, so dass streng genommen
ein Wellenleiter von unterschiedlichen Längen zur optimalen Leistung
in den zwei betreffenden Bändern
erforderlich sein würde
(Tests enthüllen,
dass diese optimalen Lägen
bei ungefähr
662 mm bei 3,6 GHz und 684 mm bei 6,774 GHz liegen). Jedoch wurde
als Kompromisslösung
eine Wellenleiter-Länge von
ungefähr
675 mm herausgefunden, wobei die Wirksamkeiten für die zwei Bänder sehr
akzeptabel sind und tatsächlich
oberhalb von 64% liegen, wobei ebenfalls eine geeignete Anpassung über die
Subreflektor-Scheibe 27 und den dielektrischen Umformer
berücksichtigt
wird. Eine solche Anpassung wird empirisch, beispielsweise mit Hilfe
von einer Computer-Simulation, durchgeführt. Es sind zwei weitere Phasen-Zentren
("O'") und ("U'") dargestellt, welche
die optimalen Durchdringungs-Punkte des Brennpunkt-Ringes von einer
rotationssymmetrischen Offset-Parabel (eine "RING"-Parabel) sind. Eine
solche Antenne ist im Querschnitt in 5b gezeigt,
in welcher bei einer Parabel 60, welche Enden 61, 62 hat,
angenommen wird, dass sie sich 360° um die z-Achse 63 rotiert.
Die somit geformte Figur hat eine zentrale Apertur, welche mit einer
ebenen Scheibe 64 gefüllt
ist.
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Während soweit
lediglich eine Anregung der Quasi-TM11 Mode im oberen Band erwähnt wurde,
um die gewünschte
verbesserte rotationssymmetrische Bestrahlung des Subreflektors
(und somit ebenfalls des Hauptreflektors) zu erreichen, wird in
der Praxis bei der soweit beschriebenen Testanordnung ebenfalls
eine recht starke Stimulierung der Quasi-TE12 Mode erreicht, welches
ebenfalls zum gewünschten
Effekt beiträgt. Jedoch
war diese weitere Mode wesentlich geringer hinsichtlich eines beitragenden
Faktors als bei der Quasi-TM11 Mode.
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Wie
bereit erwähnt,
wird bei einer Abweichung der in 4 dargestellten
Ausführungsform
(siehe 6) die dielektrische Hülse 47 in einer Aussparung 50 in
der Wellenleiter-Wand aufgenommen. Die Aussparung hat eine Schulter 51,
welche derart angeordnet sein kann, um als einen Stopp für das Einlegen
der Hülse 47 zu
wirken, wobei dadurch eine mehr reproduzierbare Lagerung der Hülse im Wellenleiter
bereitgestellt wird, mit einer daraus folgenden größeren Leistungskonsistenz
von Zuführung
zu Zuführung.
Ebenfalls wird bei dieser Abweichungs-Realisation die Endstufe 41 des
Stufen-Umformers
idealer Weise einen Durchmesser haben, welcher ungefähr 75% des
Innendurchmessers von der Hülse 47 beträgt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Zuführ-Anordnung
ist die Innenwand des Endabschnittes 49 (siehe 4)
der Wellenleiter-Sektion mit Nuten anstelle mit einer dielektrischen
Linierung bereitgestellt. Die Tiefe der Nuten beträgt nominal λ/4 (λ ist die
Wellenlänge
im Material, welches die Nuten füllt),
und die axiale Abmessung der Nuten sollte im Vergleich zu der kürzesten
zu verwendenden Wellenlänge
klein sein. Die Tiefe der Nuten muss sich nicht auf die Weise von 3c abwechseln,
da von ihnen erfordert wird, dass sie eine Wirkung auf eines der
zwei Bänder – nämlich das
obere Band – haben.
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Obwohl
die Erfindung bis hierher in Verbindung mit einer Parabolantenne
beschrieben wurde, ist sie ebenfalls zur Verwendung mit weiteren
Antennenformen, beispielsweise eine Kugelantenne, verwendbar.
