DE602005005098T2

DE602005005098T2 - Reflektorantenne mit einer 3D Wellenformerstruktur für mehrere Frequenzbereiche

Info

Publication number: DE602005005098T2
Application number: DE602005005098T
Authority: DE
Inventors: Thierry Judasz; Jean-Francois David; Jacques Maurel
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2025-03-26
Also published as: ES2302149T3; US7280086B2; US20050219146A1; FR2868611A1; DE602005005098D1; FR2868611B1; EP1583176A1; CA2500990C; ATE388502T1; EP1583176B1; CA2500990A1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Hyperfrequenzreflektorantennen (oder RF) und insbesondere die Reflektorantennen, die für die Übertragung und/oder den Empfang von elektromagnetischen Wellen bestimmt sind, die mindestens zwei Frequenzbändern angehören.
Unter Frequenzband ist hier ein Band zu verstehen, das mindestens eine Frequenz umfasst.
Eine Reflektorantenne vorgenannten Typs umfasst insbesondere einen Reflektor, der die elektromagnetischen Wellen, die er entweder von einer lokalen Quelle, wenn sie für einen entfernten Kollektor bestimmt sind, oder von einer entfernten Quelle, wenn sie für einen lokalen Kollektor bestimmt sind, empfängt, reflektieren soll. Es ist zu erwähnen, dass eine Antenne entweder eine oder mehrere lokale Quellen oder einen oder mehrere lokale Kollektoren oder auch eine oder mehrere lokale Quellen und einen oder mehrere lokale Kollektoren, die eventuell zusammenfallen, umfassen kann.
Gewisse Anwendungen, wie beispielsweise die Weltraumanwendungen, erfordern spezifische Bestimmungen für die eingebauten Antennen. Beispielsweise sind gewisse Fernmeldesatelliten dazu bestimmt, mehrere Bündel (oder „Strahlen") zu übertragen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ursprünglich vorgeschlagen, mehrere Monofrequenz- und/oder Einbündelantennen parallel zu schalten, die jeweils für die Übertragung oder den Empfang bestimmt sind. Diese einfache Lösung ist unwirksam. Um mit 50 Übertragungsbündeln und 50 Empfangsbündeln mit einem Bündel pro Antenne zu arbeiten, sind nämlich 100 Antennen erforderlich.
Es ist zwar in der Theorie möglich, alle Übertragungsbündel auf einer Übertragungsantenne und alle Empfangsbündel auf einer Empfangsantenne zusammenzufassen. Aber diese Lösung ist in der Praxis nicht einsetzbar, da sie es nicht ermöglicht, alle Quellen (Übertragung oder Empfang) nebeneinander auf Antennen mit einer Größe und einem Gewicht, die mit den Weltraumanwendungen vereinbar sind, anzuordnen.
Eine Zwischenlösung besteht darin, ein vom Fachmann so genanntes „Quellenfarbmosaik" herzustellen. Diese Lösung besteht darin, beispielsweise auf drei oder vier Übertragungsantennen und drei oder vier Empfangsantennen Quellen zu verteilen, die ursprünglich benachbart sein müssen, um für jede Quelle Platz zu schaffen. Jede Antenne ist nun für eine einzige Farbe oder Frequenz bestimmt. Allerdings bleibt die Anzahl von Antennen immer noch hoch (sie ist beispielsweise gleich 6 oder 8).
Überdies sind bei gewissen Anwendungen, wie beispielsweise den Multimediaanwendungen im Ka-Band, die Mehrbündel- und/oder Multifrequenzantennen erfordern, die eine große Richtwirkung nach mehreren unterschiedlichen Frequenzen anbieten, häufig zahlreiche (beispielsweise 50) relativ feine Bündel mit somit starkem Gewinn für jede der Frequenzen und somit spezifische Quellen und/oder Kollektoren erforderlich. Nun ist die Ausführung solcher Quellen und Kollektoren besonders schwierig, bzw. unmöglich, auf Grund der auferlegten Bestimmungen.
Es ist zu erwähnen, dass die Größe des Reflektors die Größe des Bündels und seinen Gewinn definiert. Bei einer guten Annäherung ist die Breite (θ) eines Bündels mit –3 dB nämlich gleich 65-mal der Wellenlänge λ (in Millimetern) der zu übertragenden Wellen, geteilt durch den Durchmesser D (in Millimetern) der Antenne, d. h. θ = 65λ/D. Folglich ist bei Vorhandensein einer einzigen Antenne und von Wellen, die zwei im Wesentlichen unterschiedliche Frequenzen aufweisen, wie beispielsweise 20 und 30 GHz, die Breite des Bündels von 30 GHz schmäler als die Breite des Bündels von 20 GHz, da die Frequenz f (in GHz) und die Wellenlänge λ (in mm) durch das Verhältnis λ = 300/f verbunden sind. Die Zonen, die die beiden übertragenen Bündel empfangen, oder von denen sie ausgehen, sind nun (sehr) unterschiedlich. Ebenso entspricht die Zone, von der eines der beiden Bündel ausgeht, nicht der Zone, die das andere Bündel empfängt. Dies stellt einen echten Nachteil dar.
Um zu versuchen, diesen Nachteil zu beseitigen, wurde insbesondere in dem Patent EP 1 083 625 eine Antenne vorgeschlagen, umfassend einen Reflektor, dessen Vorderseite in einen ersten „zentralen" Teil, der Wellenbündel mit erster und zweiter Frequenz reflektieren soll, und einen zweiten „peripheren" Teil unterteilt ist, der den ersten umgibt und auf selektive Weise nur die niedrigste Frequenz der beiden reflektieren soll, wobei er auf möglichst destruktive Weise die höchste Frequenz beugt oder phasenverschiebt. Die radialen Ausdehnungen der beiden Teile werden derart gewählt, dass die elektrische Dimension des Reflektors (ausgedrückt in Wellenlängenzahl) im Wesentlichen dieselbe für beide Frequenzen ist, und dass folglich die Breiten der beiden reflektierten Bündel im Wesentlichen gleich sind. Beispielsweise im Falle eines Bündels von 20 und 30 GHz werden, wenn R der Radius der Antenne ist und die gesamte Antenne (Reflektor) mit 20 GHz, d. h. R, verwendet wird, nu 2R/3 mit 30 GHz verwendet, um Bündel mit derselben Größe auf beiden Frequenzen zu erhalten.
Um zu verhindern, dass die Wellen, die die höchste Frequenz aufweisen, von dem zweiten Teil der Antenne reflektiert werden, umfasst dieser letztgenannte ein Netz von konzentrischen Bändern, die vorspringend oder zurückspringend sind und identische Abmessungen und konstante Abstände aufweisen. Bei einer ersten Ausführungsart weist jedes Band einen rechteckigen Querschnitt auf, um eine destruktive Phasenverschiebung von 180° zwischen den an der Spitze der Bänder und den in dem Raum zwischen den Bändern reflektierten Wellen einzuleiten. Bei einer zweiten Ausführungsart weist jedes Band einen sägezahnförmigen Querschnitt auf, um die Wellen mit der höchsten Frequenz in alle Richtungen zu beugen.
Damit die erste Ausführungsart das erwartete Ergebnis bringen kann (Unterdrückung durch destruktive Phasenverschiebung), ist es wichtig, dass das rechteckige Profil des Netzes streng eingehalten wird. Ebenso ist es wichtig, damit die zweite Ausführungsart das erwartete Ergebnis bringen kann (Beugung in alle Richtungen), dass das spitze Sägezahnprofil (Dreieck, Rechteck) des Netzes streng eingehalten wird.
Solche abrupten Profile können aus metallischen Materialien (typischerweise mit einer Dichte über 2,7), wie beispielsweise Aluminium oder Stahl oder einer Legierung, hergestellt sein. Es ist aber wesentlich schwieriger, sie mit Hilfe der üblicherweise bei den Weltraumanwendungen verwendeten Materialien zu erhalten, wie beispielsweise den Verbundstoffen Kohlenstofffaser/organisches Harz oder dergleichen (beispielsweise CFRP für „Carbon Fiber Reinforced Plastics"). Folglich kann die in dem vorgenannten Patent vorgeschlagene Lösung zwar im Falle einer terrestrischen Anwendung eingesetzt werden, aber nicht im Falle einer Weltraumanwendung oder, wenn die Masse für den Rest einer Aufgabe ungeeignet ist.
Ferner führt die Technik, die verwendet wird, damit die elektrische Dimension des Reflektors im Wesentlichen dieselbe für alle Frequenzen ist, zu einer Erweiterung der Hauptkeule des Antennendiagramms für die höchste der Frequenzen ohne spezifische und/oder genaue Wirkung auf die Nebenkeulen (oder Seitenkeulen), so dass das Niveau dieser letztgenannten hoch ist, während die Qualität des Hauptbündels, das mit der Hauptkeule verbunden ist, niedrig ist, und dass der zugelassene Isolierparameter (C/I) zwischen den Bündel derselben Frequenz gering ist.
Da überdies diese Technik die Unterdrückung oder Beugung eines Teils des Signals hervorruft, verringert sie wesentlich die energetische Wirksamkeit der Antenne.
Schließlich berücksichtigt diese Technik nicht das Übertragungsdiagramm der Quelle(n), das im Allgemeinen Unvollkommenheiten, die aus diesem Grund nicht korrigiert bleiben, oder auch nicht berücksichtigte Verbesserungen umfasst.
Da keine bekannte Reflektorantenne vollkommen zufrieden stellend ist, soll die Erfindung somit die Situation verbessern.
Sie schlägt zu diesem Zweck eine Mehrfrequenzreflektorantenne vor, umfassend einen Reflektor, der mit einer Vorderseite versehen ist, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Wellenbündel zu reflektieren, die mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbändern angehören.
Diese Antenne ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite ihres Reflektors über ihre gesamte Fläche eine Struktur umfasst, die ein dreidimensionales Motiv (3D) mit Umdrehungssymmetrie (oder Rotationssymmetrie) umfasst, das derart gewählt wird, dass die Bündel derart geformt werden, dass sie im Wesentlichen identische Funkfrequenzmerkmale (RF) aufweisen.
So werden im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem ein Teil des Signals entweder durch destruktive Phasenverschiebung oder durch Beugung unterdrückt wird, hier die Bündel geformt, um im Wesentlichen identische Funkfrequenzmerkmale aufzuweisen.
Das dreidimensionale Motiv kann von vorspringenden oder zurückspringenden konzentrischen Bändern gebildet sein, die Angriffsränder mit einem Kreisradius (oder Krümmungsradius) zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 200 mm und vorzugsweise zwischen ungefähr 10 mm und ungefähr 40 mm umfassen.
Überdies kann sich jedes konzentrische Band auf einer gewählten, festen oder variablen Breite und auf einer gewählten, festen oder variablen Höhe erstrecken, und die verschiedenen konzentrischen Bänder können voneinander um einen konstanten oder variablen Abstand entfernt sein.
Wenn die Antenne für die Übertragung oder den Empfang bestimmt ist, umfasst sie mindestens eine Quelle, die ein erstes zu übertragendes elektromagnetisches Strahlenbündel liefert, das einem ersten Frequenzband angehört, und mindestens einen Kollektor, der mit der Quelle zusammenfällt und ein zweites Bündel sammeln soll, das einem zweiten Frequenzband angehört. In diesem Fall ist der Reflektor derart angeordnet, dass er das erste Bündel, das von der Quelle kommt, nach Reflexion und Formung über seine Vorderseite überträgt und ein elektromagnetisches Strahlenbündel, das dem zweiten Frequenzband angehört, empfängt, um es an den Kollektor in Form des zweiten Bündels nach Reflexion und Formung über seine Vorderseite zu übertragen.
Wenn die Antenne nur für die Übertragung bestimmt ist, umfasst sie mindestens eine Quelle von zu übertragenden Bündeln. In diesem Fall ist der Reflektor derart angeordnet, dass er die elektromagnetischen Strahlenbündel, die mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbändern angehören und von der Quelle kommen, nach Reflexion und Formung über seine Vorderseite überträgt.
Bei beiden vorhergehenden Antennenausführungsarten ist es vorteilhaft, wenn das dreidimensionale Motiv in Abhängigkeit vom Übertragungsdiagramm der Quelle ausgewählt wird.
Wenn die Antenne nur für den Empfang bestimmt ist, umfasst sie mindestens einen Bündelkollektor. In diesem Fall ist der Reflektor derart angeordnet, dass er die elektromagnetischen Wellenbündel empfängt, die mindestens zwei Frequenzbändern angehören, um sie an den Kollektor nach Reflexion und Formung über seine Vorderseite zu übertragen.
Schließlich kann die Struktur entweder auf die Vorderseite aufgesetzt oder Bestandteil der Vorderseite sein.
Die Erfindung ist besonders gut, wenn auch nicht ausschließlich, für das Gebiet der Weltraumtelekommunikation, insbesondere im Ka-Band (17.7 bis 31 GHz) geeignet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Studie der nachstehenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen hervor, wobei:
1 schematisch in einer Querschnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mehrfrequenzreflektorantenne, die für die Übertragung bestimmt ist, darstellt;
2 ein Beispiel für eine Gesamtstromverteilung (C_T in willkürlicher Einheit) in Abhängigkeit vom Radius des Reflektors (in willkürlicher Einheit) darstellt;
3 ein Beispiel für eine Versetzungsfläche oder ein Versetzungsmotiv in Bezug zu einer Referenzparabel darstellt, wobei der rechts im Diagramm angeordnete Balken den Abstand zur Referenzparabel in Abhängigkeit von der Graustufe darstellt;
4, die als Beispiel zum leichteren Verständnis der Erfindung angeführt ist, auf sehr schematische Weise in einer Querschnittansicht ein Beispiel einer Formungsstruktur eines Bündels symmetrischen und vorspringenden Typs darstellt;
5 auf sehr schematische Weise in einer Querschnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Formungsstruktur eines Bündels mit unregelmäßigen Abständen von vorspringenden konzentrischen Bändern darstellt;
6 auf sehr schematische Weise in einer Querschnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Formungsstruktur eines Bündels mit unregelmäßigen Abständen von zurückspringenden konzentrischen Bändern darstellt;
7 auf sehr schematische Weise in einer Querschnittansicht ein konzentrisches Band einer Formungsstruktur von Bündeln darstellt;
8 schematisch in einer Querschnittansicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines Teils einer Formungsstruktur von Bündeln mit unregelmäßigen Abständen von konzentrischen Bändern, wie in 7 dargestellt;
9 schematisch in einer Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Planprojektion eines Teils einer Formungsstruktur von Bündeln mit unregelmäßigen Abständen von konzentrischen Bändern darstellt;
10 schematisch in einer Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Planprojektion eines Teils einer Formungsstruktur von Bündel mit unregelmäßigen Abständen von konzentrischen Bändern darstellt;
11 schematisch in einer Querschnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Teils eines Reflektors darstellt, der mit einer aufgesetzten Formungsstruktur von Bündeln ausgestattet ist;
12 schematisch in einer Querschnittansicht in zweites Ausführungsbeispiel eines Teils eines Reflektors darstellt, umfassend eine Formungsstruktur von Bündeln, die durch einen Hohlguss ihrer Vorderseite hergestellt ist;
13 schematisch in einer Querschnittansicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines Teils eines Reflektors darstellt, umfassend eine Formungsstruktur von Bündeln, die durch Hohlguss ihrer Vorderseite und Aufbauguss auf ihrer Rückseite hergestellt ist;
14 schematisch in einer Querschnittansicht einen Zellreflektor in einer so genannten Technologie mit „dicker Schale" vom Sandwichtyp ähnlich jenem aus 11 darstellt, der auf einem Ausfahrarm montiert ist, der selbst mit einer Satellitenplattform verbunden ist;
15 schematisch in einer Querschnittansicht einen Zellreflektor in einer so genannten Technologie mit „dünner steifer Schale" vom Sandwichtyp darstellt, der auf einer starren Stützstruktur eines Satelliten montiert ist, und
16 schematisch in einer Querschnittansicht einen Reflektor mit ultrafeiner Schale darstellt, der auf einer starren Stützstruktur montiert ist, die aus zusammengefügten monolithischen Elementen gebildet ist.
Die beiliegenden Zeichnungen können nicht nur dazu dienen, die Erfindung zu vervollständigen, sondern auch gegebenenfalls zu ihrer Definition beitragen.
Die Erfindung soll die Formung von Bündeln durch einen Reflektor einer Mehrfrequenzantenne, eventuell und vorzugsweise vom Typ mit mehreren Bündeln, ermöglichen.
Die Erfindung betrifft alle Typen von Mehrfrequenzreflektorantennen, eingebauter oder terrestrischer Art, die im Hyperfrequenzbereich funktionieren, insbesondere jene über ein Gigahertz (GHz) und ganz besonders jene, die dem Ka-Band (17,7 GHz bis 31 GHz) angehören.
In der nachfolgenden Beschreibung wird zur Darstellung angenommen, dass die Antennen in Fernmeldesatelliten eingebaut sind und im Ka-Band funktionieren.
Es wird zuerst auf 1 Bezug genommen, um ein Ausführungsbeispiel einer Mehrfrequenzreflektorantenne AR gemäß der Erfindung zu beschreiben. In diesem Beispiel ist die Antenne mit Reflektor AR beispielsweise ausschließlich für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen nach zwei Frequenzbändern bestimmt, die auf die Werte 20 GHz und 30 GHz zentriert sind. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird im Nachfolgenden das erste Frequenzband seinem zentralen Wert 20 GHz und das zweite Frequenzband seinem zentralen Wert 30 GHz gleichgesetzt.
Natürlich könnte die Antenne entweder ausschließlich für den Empfang von elektromagnetischen Wellenbündeln, die mindestens zwei Frequenzbändern angehören, oder gleichzeitig für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen, die mindestens eine Frequenz aufweisen, und für den Empfang von elektromagnetischen Wellen, die mindestens eine weitere Frequenz aufweisen, bestimmt sein. Ganz allgemein betrifft die Erfindung mindestens die Bi-Band-Frequenzanwendungen.
Die dargestellte Mehrfrequenzreflektorantenne AR umfasst eine Quelle S, die einen Reflektor R mit elektromagnetischen Wellen versorgt, die die erste (20 GHz) und zweite (30 GHz) Frequenz aufweisen. Jeder dem Fachmann bekannte wirksame Quellentyp kann zu diesem Zweck verwendet werden.
Natürlich könnten an Stelle einer einzigen Quelle S, die gleichzeitig die erste und die zweite Frequenz nach den gewählten Übertragungsdiagrammen liefert, zwei Quellen vorhanden sein, die jeweils die erste oder die zweite Frequenz nach einem gewählten Übertragungsdiagramm liefern. Wichtig ist hier nicht die Anzahl von verwendeten Quellen, sondern der Frequenzunterschied zwischen der ersten und der zweiten Frequenz.
Der Reflektor R umfasst eine starre Schale, die hier mit einem Ausfahrarm oder der Struktur des Weltraumgeräts (hier eines Satelliten) verbunden ist. Diese starre Schale, von der später die Rede ist, umfasst eine Vorderseite FA, die dazu bestimmt ist, die elektromagnetischen Wellen, die von der Quelle S gemäß ihren Übertragungsdiagrammen geliefert werden, in Form eines ersten und zweiten Bündels, die zu einer selben terrestrischen Zone gelenkt werden, zu liefern.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorderseite FA des Reflektors R eine Struktur ST, die ein dreidimensionales Motiv (3D) mit Umdrehungssymmetrie (oder Rotationssymmetrie) definiert. Dieses 3D-Motiv ist derart gewählt, dass die beiden Bündel derart geformt werden, dass sie im Wesentlichen identische Funkfrequenzeigenschaften (RF) aufweisen.
Unter „Funkfrequenzeigenschaften" sind hier die elektromagnetischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Bündelbreite (oder „beam width"), die die Richtwirkung der Antenne kennzeichnet, und/oder das elektromagnetische Strahlungsdiagramm, wie beispielsweise die energetische Verteilung in einer Querebene (Hauptkeule und Neben- oder Seitenkeulen), sowie eventuell die Schwächung (oder „Roll off") zu verstehen.
Auf Grund dieser Formung der Bündel durch die Struktur St des Reflektors R können sehr feine Bündel (oder Strahlen) erhalten werden. Beispielsweise können Bündel von 20 und 30 GHz eine Breite zwischen ungefähr 0,5° und 1° aufweisen (was einer Antenne mit großer Richtwirkung entspricht). In diesem Fall beträgt der Durchmesser der Reflektorantenne AR zwischen ungefähr 1500 mm und ungefähr 1600 mm, beispielsweise ungefähr 1560 mm.
Natürlich ist die Erfindung auch für breitere bzw. wesentlich breitere, aber auch für feinere Bündel anwendbar.
Das 3D-Motiv wird mit Hilfe eines Computers unter Berücksichtigung der für die beiden Bündel gewünschten geometrischen Eigenschaften berechnet. Die Berechnung kann auch Übertragungsdiagramme der Quelle S für die erste (hier 20 GHz) und die zweiten (hier 30 GHz) Frequenz berücksichtigen. Dies ermöglicht es nämlich, vorzugsweise zumindest teilweise die Unzulänglichkeiten der Übertragungsdiagramme (aber auch jene des Empfangs, wenn die Antenne mit Empfang oder Übertragung/Empfang funktioniert) sowie die nicht berücksichtigten Verbesserungen zu korrigieren.
Die Berechnung des 3D-Motivs, das die Formung der beiden Bündel ermöglicht, kann in zwei Schritten erfolgen: einem ersten Schritt, der darin besteht, ein zweidimensionales Antennenbeleuchtungsproblem (2D) zu lösen, dann ein zweiter Schritt, der darin besteht, das Problem bei einer 3D-Beleuchtung zu verallgemeinern.
Das zu lösende 2D-Problem betrifft die Bestimmung des elektromagnetischen Feldes E, das von der Öffnung in Abhängigkeit vom Winkel θ stammt, der die Sichtwinkel der Antenne darstellt (im Allgemeinen zwischen 0° und 180°), gegeben durch folgende Formel:
wobei I_d der Strom in der Öffnung ist, k die Wellenzahl (k = 2π/λ) ist, d ein Abstand in der Öffnung ist und λ die Wellenlänge ist.
Um die Auflösung zu vereinfachen, kann die folgende Variablenänderung vorgenommen werden: Ψ = π·cos(θ) + α.
Es wird danach gestrebt, eine Stromverteilung zu bestimmen, die es ermöglicht, ein möglichst nahes Fernfelddiagramm einer Funktion des Typs „Tor" (oder Scharte) oder eines Diagramms des Typs Chebychev zu erhalten, das Nebenkeulen (oder Seitenkeulen) von sehr niedrigem Niveau aufweist (zum Beispiel von –30 dB).
Wenn das gewünschte Fernfeld gewählt ist, wird an dieses eine inverse Fourier-Transfomierte angelegt, um die entsprechende Stromverteilung zu erhalten. Beispielsweise wenn das Fernfelddiagramm eine Torfunktion ist, ist die Stromverteilung nach einer Funktion sinx/x.
Dann kann die Gesamtstromverteilung nach folgender Formel in zwei Teile gegliedert werden: C_T = C_S·C_R, wobei C_T die Gesamtstromverteilung (d. h. die inverse Transformierte des gewünschten Fernfeldes) ist, C_S der Beitrag der Quelle S an Amplitude und Phase im Bereich des Reflektors R ist, und C_R der Beitrag des Reflektors R zur Amplitude und zur Phase des Gesamtstroms ist (beispielsweise der Phasenänderung, die durch eine Formänderung des Reflektors induziert wird).
Es ist hier zu erwähnen, dass der Beitrag C_S der Quelle S von ihrem Übertragungsdiagramm abhängt (das in Abhängigkeit von der Öffnungsbreite der Quelle S angepasst werden kann). Da C_S bekannt ist und C_T bestimmt wurde, kann nun C_R aus der letzten Formel abgeleitet werden: C_R = C_T/C_S.
Es ist wichtig anzumerken, dass der Beitrag C_R des Reflektors gleichzeitig die Amplitude und die Phase inklusive Vorzeichen betrifft.
Diese Funktion C_R hat beispielsweise die Form eines abgekürzten Kosinus, der ein Maximum in der Mitte des Reflektors aufweist, dann abnimmt, dann durch Null verläuft, dann negativ wird.
Um diese Funktion anzunähern, können Reflektorquerschnitte der Höhe 0 mm (normaler Querschnitt) und Querschnitte der Höhe gleich 7,5 mm (überhöhter Querschnitt) oder auch –7,5 mm (abgesenkter Querschnitt) im Falle der beiden Frequenzen 20 und 30 GHz nebeneinander angeordnet werden. Die Wellenlängen sind nun nämlich 15 und 10 mm, und 7,5 mm stellen λ/2 bzw. 3λ/4 für die beiden Frequenzen dar.
Wenn die Welle mit 20 GHz auf einen Querschnitt λ/2 trifft, wird sie reflektiert und um λ in Bezug zum benachbarten Querschnitt phasenverschoben, so dass sie mit der benachbarten Welle phasengleich ist.
Wenn die Welle mit 30 GHz auf einen Querschnitt 3λ/4 trifft, wird sie reflektiert und um 3λ/2 oder 180° in Bezug zum benachbarten Querschnitt phasenverschoben, so dass sie mit der benachbarten Welle phasengleich ist.
Das Integral von benachbarten Querschnitten ist somit umso mehr positiv, als die Querschnitte „normal" sind. Es ist umso mehr negativ, als die Anzahl von überhöhten (oder abgesenkten) Querschnitten groß ist. So kann die Funktion C_R angenähert werden, wobei normale (oder positive) Querschnitte und überhöhte (oder negative oder abgesenkte) Querschnitte in je nach der Amplitude und dem lokalen Vorzeichen von C_R erforderlichen Verhältnissen nebeneinander angeordnet werden.
Die Feinheit oder Präzision des Integrals ist proportional zur Breite der Querschnitte.
Ein Beispiel für eine Gesamtstromverteilung C_T in Abhängigkeit vom Radius des Reflektors ist in 2 angeführt.
Eine einfache Verallgemeinerung mit drei Dimensionen (durch Umdrehungssymmetrie erster Ordnung) ermöglicht es nun, die Form des 3D-Motivs (und somit des Reflektors R) zu erhalten, die es ermöglicht, die gewünschte Gesamtstromverteilung C_T zu erhalten. Das 3D-Motiv hat somit als Hauptfunktion die Veränderung des Phasendiagramms des Reflektors R oder mit anderen Worten die Einleitung eines Phasenverschiebungsmotivs in Bezug zu einer Referenzparabel mit Umdrehungssymmetrie (oder Rotationssymmetrie) in Bezug zur Standardform des Reflektors R, die beispielsweise parabelförmig ist.
Ein Beispiel eines solchen Phasenverschiebungsmotivs ist in 3 dargestellt.
Um das vorgenannte Phasenverschiebungsmotiv einzusetzen, ist das 3D-Motiv vorzugsweise in Form von vorspringenden oder zurückspringenden konzentrischen 3D-Bändern BC ausgeführt. Es ist wichtig anzumerken, dass diese konzentrischen Bänder BC in manchen Situationen über 360° nicht kontinuierlich sein können. Sie können nämlich Zonen aufweisen, in denen sie unterbrochen sind. Allerdings ist die Form eines konzentrischen Bandes BC, d. h. sein Querschnitt, konstant (außerhalb der möglichen Unterbrechungszonen).
Drei Teilbeispiele von 3D-Motiven sind in den 4 bis 6 in einer Querschnittansicht dargestellt. Genauer entspricht das in 4 dargestellte Beispiel, das zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung angeführt ist, einem symmetrischen vorspringenden 3D-Motiv, bei dem die konzentrischen Bänder BC alle identisch sind (Breite d1 konstant und Höhe h konstant) und um einen konstanten Abstand d2 beabstandet sind. Als Variante können die Breite d1 und der Abstand d2 konstant sein, und die Höhe h kann von einem konzentrischen Band BC zum anderen variieren.
Das in 5 dargestellte Beispiel entspricht einen vorspringenden 3D-Motiv, bei dem gewisse konzentrische Bänder BC unterschiedliche Formen und unregelmäßige Abstände aufweisen. Beispielsweise kann ein konzentrisches Band BC eine Breite d1 aufweisen, ein weiteres konzentrisches Band BC kann eine Breite d3 aufweisen, und noch ein weiteres konzentrisches Band BC kann eine Breite d5 aufweisen. In diesem Fall ist der Abstand zwischen benachbarten konzentrischen Bändern vorzugsweise variabel (hier ist der Abstand d2 kleiner als der Abstand d4), und die Höhe variiert vorzugsweise von einem konzentrischen Band BC zum anderen.
Das in 6 dargestellte Beispiel entspricht auch einem zurückspringenden 3D-Motiv, bei dem alle konzentrischen Bänder BC unterschiedliche Formen und unregelmäßige Abstände aufweisen. Beispielsweise kann ein konzentrisches Band BC eine Breite d2 aufweisen, ein weiters konzentrisches Band BC kann eine Breite d4 aufweisen, und noch ein weiteres konzentrisches Band BC kann eine Breite d6 aufweisen. In diesem Fall variiert der Abstand zwischen benachbarten konzentrischen Bändern (hier d1 ≠ d3 ≠ d5 ≠ d7), und die Höhe h variiert vorzugsweise von einem konzentrischen Band BC zum anderen.
Beispielsweise ist die Höhe h gleich ungefähr 7,5 mm, und die Breiten und Abstände di betragen zwischen ungefähr 80 mm und 400 mm.
Wie besser in 7 dargestellt, umfassen die konzentrischen Bänder BC des 3D-Motivs vorzugsweise abgerundete Angriffsränder BA, die einen Kreisradius (oder Krümmungsradius) zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 200 mm und vorzugsweise zwischen ungefähr 10 mm und ungefähr 40 mm aufweisen.
Dies ermöglicht es vorzugsweise, die Struktur ST, die das 3D-Motiv definiert, mit Hilfe der ultraleichten Materialien herzustellen, die üblicherweise bei Weltraumanwendungen eingesetzt werden, insbesondere Verbundstoffe Kohlenstofffaser/organische Matrix oder dergleichen (beispielsweise aus CFRP für „Carbon Fiber Reinforced Plastics") oder jedes andere dem Fachmann bekannte gleichwertige Material, wie beispielsweise vorimprägniertes Laminat Kohlenstoff/Harz (in eine Richtung laufend oder gewebt).
Das Material, aus dem das 3D-Motiv besteht, kann eventuell metallisiert sein, um die funkelektrischen Verluste zu minimieren. Überdies kann eine thermische Kontrolle des Reflektors R herkömmlicherweise mit Hilfe eines Radoms, das auf seiner Vorderseite FA angeordnet wird, oder eines Wärmeisolators in der Technologie SLI (für „Single Layer Insulation" oder Einschichtisolierung) oder in der Technologie MLI (für „Multiple Layer Insulation" oder Mehrschichtisolierung), beispielsweise einer Folie oder einer Kapton-Schicht, die auf seiner Rückseite angeordnet wird, erfolgen.
Es ist wichtig anzumerken, dass die anderen schwereren Materialien, wie beispielsweise Aluminium, Stahl oder eine Legierung, in Anwendungen verwendet werden können, für die das Gewicht keinen Nachteil darstellt, wie beispielsweise bei den terrestrischen Anwendungen.
In 8 ist in einer Querschnittansicht ein Beispiel eines Abschnitts eines 3D-Motivs dargestellt, bei dem die konzentrischen Bänder BC einen Querschnitt von dem in 7 dargestellten Typ aufweisen, d. h. mit abgerundeten Angriffsrändern BA.
Im Allgemeinen erstreckt sich das 3D-Motiv über die gesamte Vorderseite FA des Reflektors R, wie in dem Diagramm der 9 dargestellt, aber es kann sich auch nur auf einem Teil der Vorderseite FA des Reflektors R erstrecken, und in diesem Fall ist nur wenig oder kein konzentrisches Band BC in der zentralen Zone, wie in dem Diagramm der 10 dargestellt. Diese beiden Diagramme stellen in einer Planprojektion die Positionen der verschiedenen konzentrischen Bänder BC (die hier auf Grund der Projektion in Linien umgewandelt sind) in Bezug zur Mitte des Reflektors R dar. Die Abszissenachse ist von 1 bis 201 untereilt und stellt 200 Punkte dar, die zwischen der Mitte und dem Rand des Reflektors R vorhanden sind. Die Ordinatenachse stellt die Höhe h (in mm) der konzentrischen Bänder BC dar, beispielsweise ungefähr 7,5 mm.
Überdies kann die Struktur ST, die das 3D-Motiv definiert, entweder auf die Vorderseite FA des Reflektors R aufgesetzt oder Bestandteil derselben sein. So ist in dem in 11 dargestellten Beispiel (sowie in den Beispielen der 14 bis 16, von denen später die Rede ist) die Struktur ST von mehreren Gruppen von konzentrischen Bändern BC gebildet, die auf die Vorderseite FA der Schale des Reflektors R aufgesetzt sind. In diesem Fall wird jede Gruppe mit Hilfe einer spezifischen Form hergestellt, dann beispielsweise durch Kleben auf die Vorderseite FA der Schale des Reflektors R aufgesetzt.
In dem in 12 dargestellten Beispiel ist die Struktur ST Bestandteil der Schale des Reflektors R. Die Form, die die Ausarbeitung der Schale ermöglicht, umfasst folglich den Negativabdruck der Struktur ST. Das 3D-Motiv wird somit gleichzeitig mit der Schalt durch Brennen bei beispielsweise 180° hergestellt (die Temperatur hängt natürlich vom verwendeten Harztyp ab).
Solche Formen können mit Hilfe der so genannten 5D-Bearbeitungstechnologie erhalten werden. Es ist anzumerken, dass die Schale mit einem Abstandshalter von konstanter Dicke oder nicht hergestellt werden kann.
In dem in 13 dargestellten Beispiel ist die Struktur ST auch Bestandteil der Schale des Reflektors R. Im Gegensatz zum Beispiel der 12, in dem nur die Vorderseite das 3D-Motiv umfasst, umfassen hier die Vorderseite FA und die Rückseite AR das 3D-Motiv. Dies erfordert eine Form, die einen ersten Abschnitt mit dem negativen 3D-Motiv und einen zweiten Abschnitt mit dem positiven 3D-Motiv umfasst. Diese Art der Herstellung der Schale des Reflektors R erleichtert seine Ausarbeitung, insbesondere in Serie durch Formguss oder Heißprägen (zwischen einem Stempel und einem Gegenstempel) oder auch durch jede andere Technik. Es ist wichtig anzumerken, dass nur die Vorderseite FA funktionell ist.
Wie in den 14 bis 16 dargestellt, kann der erfindungsgemäße Reflektor auf dieselbe Weise wie jeder beliebige herkömmliche Reflektor eingebaut werden. So ist in dem in 14 in einer Querschnittansicht dargestellten Beispiel der Reflektor R, vom zellulären Typ in einer Technologie mit so genannter „dicker Schale" in Sandwichausführung, auf einem Ausfahrarm BD montiert, der mit einer Plattform des Satelliten verbunden ist.
In dem in 15 in einer Querschnittansicht dargestellten Beispiel ist der Reflektor R, vom zellulären Typ in einer Technologie mit so genannter „dünner versteifter Schale" in Sandwichausführung auf einer starren Struktur SR des Satelliten beispielsweise mit Hilfe von L-förmigen Clips montiert. Eine solche Anordnung bietet einen guten mechanischen Halt und eine gute Dimensionsstabilität.
In dem in 16 in einer Querschnittansicht dargestellten Beispiel ist der Reflektor mit ultrafeiner Struktur auf einer starren so genannten monolithischen Struktur SR montiert, die von einem einzigen Element oder einer Zusammenfügung von monolithischen beispielsweise mit Hilfe von L-förmigen Clips, die eventuell verklebt sind, gebildet ist. Eine solche Anordnung bietet auch einen Guten mechanischen Halt und eine gute Dimensionsstabilität.
Die erfindungsgemäße Mehrfrequenzreflektorantenne bietet zahlreiche Vorteile im Vergleich mit den Antennen des Standes der Technik.
So ermöglicht sie es, Bündel zu erhalten, die im Wesentlichen identische Bündelbreiten ohne Effizienzverlust aufweisen.
Sie ermöglicht es ferner, die Nebenkeulen (oder Seitenkeulen) zu verringern, unabhängig von der betreffenden Frequenz, was zu einer guten Isolierung der verschiedenen Frequenzen und einem guten Verhältnis C/I der zugelassenen Isolierung führt.
Sie ermöglicht es auch, Bündel zu erhalten, die vergleichbare, wenn nicht sogar identische, und verringerte Roll-offs aufweisen.
Sie ermöglicht es auch, das Sendediagramm der Quelle und/oder das Empfangsdiagramm des Kollektors zu berücksichtigen, um deren möglichen Unzulänglichkeiten zu korrigieren.
Sie ermöglicht schließlich eine Verwendung für jeden Anwendungstyp und insbesondere für Weltraumanwendungen, insbesondere auf Grund der Tatsache, dass die Antennenzahl halbiert werden kann (diese Anzahl kann nämlich auf 3 oder 4 reduziert werden, wenn sie im Stand der Technik 6 oder 8 beträgt).
Die Erfindung ist nicht auf die vorher nur als Beispiele beschriebenen Ausführungen von Mehrfrequenzreflektorantennen beschränkt, sondern schließt alle Varianten ein, die der Fachmann im Rahmen der nachstehenden Ansprüche vorsehen könnte.
So betrifft die Erfindung jede Reflektorantenne, die mit einer Struktur versehen ist, die ein dreidimensionales Motiv mit Umdrehungssymmetrie definiert und Angriffsränder von abgerundeter und „sanfter" Form aufweist.

Claims

Mehrfrequenzreflektorantenne (AR), umfassend einen Reflektor (R), der mit einer Vorderseite (FA) versehen ist, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Wellenbündel zu reflektieren, die mindestens zwei unterschiedlichen Bändern mindestens einer Frequenz angehören, wobei die Vorderseite (FA) eine Struktur (ST) umfasst, die ein dreidimensionales Motiv mit Umdrehungssymmetrie definiert, das derart gewählt wird, dass die Bündel derart geformt werden, dass sie im Wesentlichen identische Funkfrequenzmerkmale aufweisen, wobei das dreidimensionale Motiv von vorspringenden konzentrischen Bändern (BC) gebildet ist, wobei sich jedes konzentrische Band (BC) auf einer gewählten Breite und einer gewählten Höhe erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Breite von einem konzentrischen Band (BC) zu einem anderen konzentrischen Band (BC) variabel ist und/oder dass die konzentrischen Bänder (BC) voneinander um einen variablen Abstand beabstandet sind.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Struktur (ST) im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Vorderseite (FA) erstreckt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale Motiv von vorspringenden konzentrischen Bändern (BC) gebildet ist, die Angriffsränder (BA) mit einem Krümmungs- oder Kreisradius zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 200 mm umfassen.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale Motiv von zurück springenden konzentrischen Bändern (BC) gebildet ist, die Angriffsränder (BA) mit einem Krümmungs- oder Kreisradius zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 200 mm umfassen.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffsränder (BA) einen Krümmungs- oder Kreisradius zwischen ungefähr 10 mm und ungefähr 40 mm aufweisen.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Breite von einem konzentrischen Band (BC) zu einem anderen konzentrischen Band (BC) konstant ist.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Höhe von einem konzentrischen Band (BC) zu einem anderen konzentrischen Band (BC) variabel ist.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Höhe von einem konzentrischen Band (BC) zu einem anderen konzentrischen Band (BC) konstant ist.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrischen Bänder (BC) voneinander um einen konstanten Abstand beabstandet sind.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Quelle (S), die mindestens ein erstes zu übertragendes Bündel von elektromagnetischen Wellen, die einem ersten Frequenzband angehören, liefern kann, und mindestens einen Kollektor umfasst, der mindestens ein zweites Bündel, das einem zweiten Frequenzband angehört, sammeln kann, und dass der Reflektor (R) derart angeordnet ist, dass er das erste Bündel, das von der Quelle (S) stammt, nach Reflexion und Formung über seine Vorderseite (FA) überträgt und ein Bündel von elektromagnetischen Wellen empfängt, die dem zweiten Frequenzband angehören, und es an den Kollektor in Form des zweiten Bündels nach Reflexion und Formung über seine Vorderseite (FA) überträgt.
Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (S) und der Kollektor zusammenfallen.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Quelle (S) von zu übertragenden Bündeln umfasst, und dass der Reflektor (R) derart angeordnet ist, dass er die Bündel von elektromagnetischen Wellen, die mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbändern angehören und von der Quelle (S) stammen, nach Reflexion und Formung über seine Vorderseite (FA) überträgt.
Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale Motiv in Abhängigkeit von einem Übertragungsdiagramm der Quelle (S) gewählt wird.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Kollektor von Bündeln umfasst, und dass der Reflektor (R) derart angeordnet ist, dass er die Bündel von elektromagnetischen Wellen, die mindestens zwei Frequenzbändern angehören, empfängt und sie an den Kollektor nach Reflexion und Formung über seine Vorderseite (FA) überträgt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (ST) auf die Vorderseite (FA) aufgesetzt ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (ST) wesentlicher Bestandteil des Reflektors (R) ist.