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GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine doppelpolarisierte Antenne,
die in der Lage ist, elektromagnetische Wellen mit zwei orthogonalen Polarisationen
mit abstrahlarmen Nebenkeulen zu reflektieren.
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Die
vorliegende Antenne kann insbesondere in einem Satelliten-Telekommunikationssystem
mit orthogonaler Polarisation eingesetzt werden, wobei eine Polarisation
horizontal und die andere vertikal verläuft.
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STAND DER TECHNIK
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Die
Technik ist in der Fachwelt gut bekannt, beispielsweise aus dem
US-Patent 4,757,323. Darin wird beschrieben, wie eine doppelpolarisierte
Zweifrequenz-Antenne mit gleichem Versorgungsbereich für Telekommunikationssatelliten
hergestellt wird. Die Antenne dient dazu, elektromagnetische Energie
entlang einer Kommunikationsverbindung zu bündeln und zu lenken.
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Die
Antenne ist mit einem Reflektor und einer Quelle vom Typ „Hornstrahler" ausgestattet. Der
Reflektor reflektiert zwei elektromagnetische Wellen, die orthogonal
zueinander polarisiert sind und unterschiedliche Frequenzen aufweisen,
so dass sie die gleiche geografische Abdeckung auf der Erdoberfläche erreichen.
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Der
zentrale Teil des Reflektors, der aus einem Bereich besteht, der
für das
erste und das zweite orthogonale Gitter gemeinsam ist, reflektiert
beide orthogonal polarisierten Wellen, wobei der Randbereich außerhalb
des zentralen zweiten Gitters nur die niederfrequent polarisierte
Welle reflektiert. Die gleiche Bereichsabdeckung wird erreicht,
indem Bereich und Form des zentralen Gitters so festgelegt werden, dass
sie mit der hochfrequenten Welle die gleiche Bereichsabdeckung erzielen
wie mit dem ersten Gitter für
die niederfrequente Welle.
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Es
ist üblicherweise
erforderlich, eine Polarisationsrichtung der elektromagnetischen
Energie beizubehalten und die Entstehung von Gitter- sowie Nebenkeulenanteilen
zu verhindern, die Interferenzen mit der genannten gewünschten
Polarisationsrichtung und mit der übrigen Nutzlast des Satelliten verursachen.
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Ein
Nachteil beim aktuellen Stand der Technik besteht darin, dass mit
zahlreichen Antennenkomponenten unerwünschte Gitterkeulen im Strahlungsdiagramm
einer Antenne, insbesondere in der gewünschten Richtung, erzeugt werden,
beispielsweise mit verschiedenen Antennenelementen. Außerdem handelt
es sich bei Gitterkeulen um unerwünschte Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm
einer Antenne.
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Auf
der anderen Seite ist es wünschenswert, wenn
zwei Reflektoren zur Reflexion von elektromagnetischen Wellen mit
unterschiedlicher Polarisation eingesetzt werden sollen, eine gemeinsame
Trägerkonstruktion
für beide
Reflektoren zu konstruieren, so dass das Gesamtgewicht der Antenne
gleich bleibt. Eine solche gemeinsame Nutzung der Trägerkonstruktion
erfordert eine Positionierung der Quelle, so dass die jeweiligen,
polarisierten, elektromagnetischen Wellen auf die gewünschten
Reflektoren auftreffen, um die Wellen der jeweiligen Polarisationen in
die gewünschten
Richtungen zu lenken.
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Außerdem muss
die Reflektoreinheit so konfiguriert werden, dass die Anwesenheit
eines Reflektors die Verbreitung der elektromagnetischen Energie
zwischen dem zweiten Reflektor und der ihm zugeordneten Quelle nicht
stört.
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Ein
Problem besteht darin, dass die Konstruktionsmethoden, die derzeit
für eine
Antennenstruktur aus Kompositwerkstoffen mit einer Vielzahl von
Reflektoren verfügbar
sind, ein höheres
Gewicht der Trägerkonstruktion
zur Folge haben als gewünscht.
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Kurz
gesagt beinhaltet der derzeitige Stand der Technik einen zentralen
Bereich mit zwei Gittern, um zwei orthogonale Polarisationen jeweils
auf einer anderen Frequenz für
den gleichen Versorgungsbereich zu reflektieren, der sowohl Gitter-
als auch Nebenkeulen aufweist, die bei der Reflexion der orthogonalen
Polarisationen am Doppelgitter entstehen. Gleichermaßen begünstigt ein
Reflexionsbereich, der aus einem einzigen Gitter gebildet wird,
ebenfalls die Bildung von Nebenkeulen, die eine nachteilige Wirkung
auf die restliche Nutzlast des Satelliten haben können.
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Es
besteht daher Bedarf, eine doppelpolarisierte Antenne mit reduzierten
Gitter- und Nebenkeulen zu entwickeln. Die doppelpolarisierte Antenne weist
einen zentralen Reflexionsbereich zur Reflexion von zwei orthogonalen
Polarisationen mit unterschiedlicher Frequenz und Polarisation für den gleichen
Versorgungsbereich auf sowie einen Randbereich, der eine Polarisation
reflektiert und für
deren orthogonale Polarisation durchlässig ist. Die Antenne muss
auf einer gemeinsamen Konstruktion montiert werden, um das Gesamtgewicht
der Einheit zu reduzieren.
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Im
Dokument US-A-4,335,387 wird eine Radarantenne mit zwei Reflektoren
beschrieben, von denen jeder zum Zweck der Bahnverfolgung und Winkelabweichungsmessung
ein eigenes Gitter aufweist. Im Dokument WO-A-88/04480 wird ein
Antennenreflektor mit polarisiertem Nebenreflektor beschrieben.
Die beiden letztgenannten Lösungen,
die in diesen Dokumenten vorgeschlagen werden, weisen jedoch immer
noch Bildkeulen und ein unzureichendes Temperaturverhalten auf.
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ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
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Um
die oben genannten Nachteile zu beseitigen, bietet die vorliegende
Erfindung eine doppelpolarisierte Antenne mit geringen Bild- und
Gitterstrahlungskeulen, die in einem Funk-Kommunikationssystem eingesetzt werden
kann.
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Die
genannte Antenne umfasst eine Reflektoreinheit, die beispielsweise
von einer Speisequelle vom Typ „Hornstrahler" angestrahlt wird.
Die Reflektoreinheit umfasst einen vorderen Reflektor, der für die Reflexion
von zwei orthogonal polarisierten, elektromagnetischen Wellen mit
jeweils unterschiedlicher Frequenz und Polarisation geeignet ist,
einen Hilfsreflektor, der für
die Reflexion einer der orthogonal polarisierten Wellen geeignet
ist, und eine Ablenkfläche,
die für
die Diffraktion der orthogonal polarisierten, elektromagnetischen
Wellen, die durch den Hilfsreflektor passieren, geeignet ist.
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Bei
dem vorderen Reflektor handelt es sich um eine durchgehende Metalloberfläche, die
auf einer Trägerstruktur
aufgebracht und in der Lage ist, zwei orthogonale Polarisationen
zu reflektieren, ohne die Bildung von Nebenkeulen zuzulassen, die
Interferenzen mit der restlichen Nutzlast des Satelliten verursachen
könnten,
und ohne die Wärmeenergie
in den Reflektor abzuleiten. RF-Verluste werden am vorderen Reflektor
reduziert, da dieser Reflektor durchgehend ausgeführt ist.
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Der
Hilfsreflektor besteht aus einem Satz Metalldrähte mit einheitlichem Abstand,
die einen Ring um den vorderen Reflektor bilden, um auf diese Weise
die Reflexion der Polarisation parallel zu den Drähten zu
ermöglichen
und die orthogonal dazu polarisierte Welle herauszufiltern.
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Die
genannte elektromagnetische Welle wird von der entsprechenden Ablenkfläche abgelenkt,
die die orthogonale Polarisation, die den Hilfsreflektor in den
freien Raum durchquert, vollständig
ablenkt, und auf diese Weise die Bildung von Nebenkeulen auf ein Minimum
reduziert.
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Die
Antenne ist mit einem einzelnen Gitter ausgestattet, das ihre Konstruktion
vereinfacht. Das thermoelastische Verhalten der Reflektoreinheit
ist besser geeignet, da es eine beliebige Verstärkung zulässt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden wird die Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
detailliert beschrieben.
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1 zeigt
einen Querschnitt einer Antenne gemäß der Erfindung entlang der
Linie AA' aus 2,
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2 zeigt
eine Planzeichnung der Antenne gemäß der Erfindung,
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3 zeigt
ein Detail der Trägereinheit
gemäß der Erfindung,
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4 zeigt
einen senkrechten Schnitt einer zweiten Ausführungsvariante der Antenne
gemäß der Erfindung,
und
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5 zeigt
einen senkrechten Schnitt einer dritten Ausführungsvariante der Antenne
gemäß der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Antenne mit Doppelpolarisierung gemäß der Erfindung, die in 1 dargestellt
ist, umfasst eine Reflektoreinheit 12, die von einem Feedhorn 11 von
zwei orthogonal polarisierten elektromagnetischen Wellen angestrahlt
wird, d.h. eine Welle ist in einer vertikalen Achse und die andere
in einer horizontalen Achse polarisiert.
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Das
Feedhorn 11 ist mittels einer Trägereinheit (in 1 nicht
dargestellt) gegenüber
dem niedrigsten Teil (Fokus) der Reflektoreinheit 12 angeordnet.
Das Feedhorn 11 ist in einem bestimmten Abstand von der
Trägerkonstruktion 14 angeordnet.
Die Position des Feedhorns 11 bietet die Möglichkeit,
in der Reflektoreinheit 12 zwei Seiten zu unterscheiden. Somit
ist die eine, konkave Seite gegenüber dem Feedhorn 11 und
die andere, konvexe Seite gegenüber
ersterer angeordnet.
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Die
Reflektoreinheit 12 verfügt über eine Trägerkonstruktion 14,
in der Regel in parabolischer Form, auf der ein vorderer Reflektor 15 aufliegt,
und zwar auf seiner konkaven Seite. Der vordere Reflektor 15 hat
die Aufgabe, zwei orthogonal polarisierte elektromagnetische Wellen
mit unterschiedlicher Frequenz zu reflektieren, so dass es möglich ist,
den gleichen geografischen Versorgungsbereich auf der Erdoberfläche abzudecken.
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Aus
den vorstehenden Erläuterungen
ist ersichtlich, dass die Trägerkonstruktion 14 in
einer Ausführungsvariante
der Erfindung einen bestimmten Krümmungsgrad aufweist, beispielsweise
eine parabolische Form. In einer anderen Ausführungsvariante ist die Trägerkonstruktion
z.B. eine flache Scheibe.
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Ein
zentraler, ringförmiger
Bereich der Trägerkonstruktion 14 ist
mit einer durchgehenden und leitfähigen Oberfläche versehen,
z.B. mit einer Metallbeschichtung. Dieser Bereich bildet den vorderen Reflektor 15,
der auf den Brennpunkt der Parabel zentriert ist. Diese Fläche 15 bietet
den Vorteil, dass sie die beiden orthogonal polarisierten Wellen
perfekt reflektiert. Somit verhindert der vordere Reflektor 15, dass
Bildkeulen erzeugt werden, und der Wärmeverlust wird reduziert.
In gleicher Weise wird die RF-Parasitärstrahlung
reduziert, die mit der restlichen Nutzlast des Satelliten interferieren
könnte.
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Am
Rand des vorderen Reflektors 15 ist ein Hilfsreflektor 16 in
Form eines konzentrischen Rings angeordnet, der an den vorderen
Reflektor 15 grenzt. Der Hilfsreflektor 16 wird
aus einer Vielzahl von Drähten
gebildet, die parallel zueinander angeordnet sind und einen Einzelgitter-Reflektor
bilden. Der Abstand zwischen den Drähten wird mit dem Ziel gewählt, eine
der beiden orthogonalen Polarisationen zu reflektieren, und zwar
die Hauptpolarisation, und ist somit für deren orthogonale Polarisation
durchlässig.
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Es
ist erwünscht,
die Trägerkonstruktion 14 so
dünn wie
möglich
auszuführen,
gleichzeitig jedoch mit einer ausreichenden Steifheit, um die Formbeständigkeit
der Reflektoreinheit 12 zu gewährleisten. Aus 2 ist
ersichtlich, dass der Hilfsreflektor 16 eine zum vorderen
Reflektor konzentrische Fläche darstellt.
Der Einzelgitter-Reflektor 16 bleibt
auf der konkaven Seite der Trägerkonstruktion 14,
und zwar in dem Bereich, der nicht vom vorderen Reflektor 15 belegt
ist.
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Die
Ausrichtung des Gitters gewährleistet das
Herausfiltern einer der beiden orthogonalen Polarisationen und die
Reflexion der entsprechenden, gewünschten orthogonalen Polarisation.
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Wiederum
in Bezug auf 1 weist der Hilfsreflektor 16 eine
entsprechende Ablenkfläche 13 auf,
die die Bildung von Nebenkeulen, die mit der Konfiguration des Gitters 16 zusammenhängen, auf ein
Minimum reduziert. Die Ablenkfläche 13 kann
verschiedene Formen aufweisen, um die Diffraktion zu verbessern:
Beispielsweise kann eine geprägte
MLI eingesetzt werden.
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3 zeigt
im Detail, wie die Ablenkfläche 13 an
der Trägerkonstruktion 14 angebracht
wird, um zu erreichen, dass die Ablenkfläche 13 fest an der Antenne
befestigt ist. Auf diese Weise wird die Ablenkfläche 13 mit der konvexen
Seite auf der Trägerkonstruktion 14 befestigt,
unterhalb der Trennkante, die von dem vorderen Reflektor 15 und
dem Hilfsreflektor 16 gebildet wird.
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Die
Ablenkfläche 13 ist
so angeordnet, dass sie einen Winkel mit der Achse bildet, die durch
das Feedhorn 11 und den Fokus der Trägerkonstruktion 14 verläuft, um
auf diese Weise die Ableitung der Wärmeenergie in den freien Raum
zu ermöglichen, da
die gefilterte orthogonale Polarisationswelle, d.h. die unerwünschte Polarisation
nach außen
reflektiert wird. Somit ist die Trägerkonstruktion 14 für die orthogonale
Polarisation durchlässig,
die durch die Ablenkfläche 13 abgelenkt
wird.
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Die
Ablenkfläche 13 grenzt
an die Verbindungskante zwischen vorderem Reflektor 15 und Hilfsreflektor 16.
Somit ist die Ablenkfläche 13 seitlich auf
der Rückseite
der Trägerkonstruktion 14 angeordnet
und stellt gleichermaßen
eine durchgehende Fläche,
d.h. kein Gitter dar.
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Wiederum
in 3 wird ein Detail des Aufbaus der Reflektoreinheit 12 dargestellt,
insbesondere der Bereich, an dem der vordere Reflektor 15 an den
Hilfsreflektor 16 und die Ablenkfläche 13 grenzt.
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Wiederum
in 1 ist der Fall dargestellt, in dem sich die Reflektoreinheit 12 gemäß der Erfindung
an Bord eines Satelliten befindet, wobei die genannte Einheit durch
eine erste Wärmeregelungsvorrichtung 17,
d.h. durch ein Hitzeschild 17, das die Trägereinheit 12 umgibt,
vor Wärmeeinwirkung
geschützt
wird.
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Eine
weitere Ausführungsvariante
der Erfindung ist in 4 dargestellt, in der die Reflektoreinheit 12 eine
erste mechanische Trägereinheit 41 umfasst,
die die besondere Aufgabe hat, die Stabilität der Reflektoreinheit 12 zu
gewährleisten.
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Die
erste mechanische Trägereinheit 41 ist mit
der Trägerfläche 14 verbunden.
In gleicher Weise ist die erste mechanische Trägereinheit 41 von
einer zweiten Wärmeregelungsvorrichtung 42 umgeben, die
ein Hitzeschild für
die erste mechanische Trägereinheit 41 und
die konvexe Seite der Trägerfläche 14 bildet.
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In
gleicher Weise ist in 5 eine weitere Ausführungsvariante
der Erfindung dargestellt. In diesem Fall umfasst die Reflektoreinheit 12 eine zweite
mechanische Trägereinheit 51,
die ebenfalls die besondere Aufgabe hat, die Stabilität der Reflektoreinheit 12 zu
gewährleisten.
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Die
zweite mechanische Trägereinheit 51 ist ebenfalls
mit der konvexen Seite der Trägerfläche 14 verbunden,
und in gleicher Weise bietet eine dritte Wärmeregelungsvorrichtung 52 ein
Hitzeschild für die
konvexe Seite der Reflektoreinheit 12.
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Die
oben angeführten
Erläuterungen
beziehen sich auf ein zentriertes Antennendesign, mit einer Einspeisung
in der Mitte der Trägerfläche 14,
jedoch auch auf ein versetztes Design, in dem das Feedhorn 11 von
der Reflektoreinheit 12 versetzt angeordnet ist und die
Welle nicht maskiert. Dies ist dem Fachmann gut bekannt.
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Die
beiden Wellen könnten
sehr eng beieinander liegende Frequenzen aufweisen. In letzterem Fall
ergibt sich eine doppelpolarisierte Antenne mit den gleichen Vorteilen.
Der einzige Unterschied besteht darin, dass diese nicht den gleichen
Versorgungsbereich für
beide Polarisationen bieten würde.
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In
einer anderen Ausführungsvariante
kann das Feedhorn 11 verschiedene, unabhängige Hornstrahler
umfassen. Auf diese Weise erzeugt die Einstellung des Hornstrahlers
eine Mehrstrahlabdeckung, die verschiedene, unabhängige Einspeisungen
in der Brennebene impliziert, anstelle einer einzelnen Einspeisung.
Dies gilt auch für
komplexere Einspeisungen, beispielsweise BFNs (Beam Forming Networks),
anstelle einer einzelnen Einspeisung.
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Das
Design des äußeren Teils
der Reflektoreinheit 12 könnte frequenzselektiv sein
(Frequenzfilter). Ein solches Design weist den zusätzlichen
Vorteil auf, dass die beiden Wellen nicht zwingend orthogonal sein
müssten.
Sie können
die gleiche Polarisation aufweisen, wenn dies für das Systemdesign erforderlich
wäre.