DE9105181U1 - Device for compensating cross-polarization components in an antenna with a curved reflector and a side-firing primary radiator - Google Patents
Device for compensating cross-polarization components in an antenna with a curved reflector and a side-firing primary radiatorInfo
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Description
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Siemens AktiengesellschaftSiemens AG
Einrichtung zur Kompensation von Kreuzpolarisationskomponenten bei einer Antenne mit einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich einstrahlenden PrimärstrahlerDevice for compensating cross-polarization components in an antenna with a curved reflector and a laterally radiating primary radiator
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kompensation von störenden, aufgrund der Umlenkung an einem gekrümmten Reflektor verursachten Kreuzpolarisationskomponenten bei einer für Linearpolarisation vorgesehenen Antenne, auf deren gekrümmten Reflektor von einem als Horn- oder Hohlleiterstrahler ausgebildeten Primärstrahler seitlich eingestrahlt wird.The invention relates to a device for compensating interfering cross-polarization components caused by deflection at a curved reflector in an antenna designed for linear polarization, the curved reflector of which is radiated laterally by a primary radiator designed as a horn or waveguide radiator.
Zum Aufbau von Richtantennen im Mikrowellenbereich wird häufig eine Anordnung verwendet, bei der ein gekrümmter Reflektor mit einem seitlich (offset) einstrahlenden Hornstrahler kombiniert ist. In der Regel ist der Reflektor ein Ausschnitt aus einer Rotationsfläche, deren Form durch eine Kegelschnittkurve definiert wird. Im Normalfall ist dabei das Phasenzentrum des Hornstrahlers einem Brennpunkt der Reflektorfläche zugeordnet. Derartige Anordnungen werden entweder als eigene Antennen für Richtfunkaufgaben, z.B. in Form von Hornparabolantennen oder Muschelantennen, aber auch zur Speisung großer Reflektorantennen im Satellitenfunk, wie etwa als Strahlwellenleiter eingesetzt. To construct directional antennas in the microwave range, an arrangement is often used in which a curved reflector is combined with a horn antenna that radiates from the side (offset). The reflector is usually a section of a surface of revolution whose shape is defined by a conic curve. Normally, the phase center of the horn antenna is assigned to a focal point of the reflector surface. Such arrangements are used either as separate antennas for directional radio tasks, e.g. in the form of horn parabolic antennas or shell antennas, but also to feed large reflector antennas in satellite radio, such as as beam waveguides.
Eine typische und meist unerwünschte Eigenschaft im Strahlungsverhalten dieser seitlich gespeisten Reflektoren ist bei Linearpolarisation ein relativ hoher Anteil der Kreuzpolarisation in derjenigen Diagrammebene des Fernfelddiagramms, die der zur Symmetrieebene des Reflektors orthogonalen Diagrammebene zugeordnet ist.A typical and mostly undesirable property in the radiation behavior of these side-fed reflectors is, in the case of linear polarization, a relatively high proportion of cross-polarization in the diagram plane of the far-field diagram that is assigned to the diagram plane orthogonal to the symmetry plane of the reflector.
Rein geometrisch läßt sich die Entstehung dieser kreuzpolarisierten Feldanteile vereinfacht folgendermaßen verdeutlichen: Betrachtet man zunächst die Ausleuchtung eines rotationssymme-From a purely geometrical perspective, the formation of these cross-polarized field components can be simplified as follows: First, consider the illumination of a rotationally symmetrical
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trischen Parabolreflektors durch einen linear polarisierten Primärstrahler, der ein kreuzpolarisationsfreies und drehsymmetrisches Feld erzeugt (sog. Huyghens-Quelle), so ist das nach der Umlenkung am Reflektor entstandene Aperturfeld paral-IeI polarisiert und weist keine kreuzpolarisierten Komponenten auf. Wird nun bei seitlicher Speisung die Strahlerachse gegen die Reflektorachse geneigt, so tritt eine Verzerrung des Aperturfeldes dergestalt auf, daß jetzt auch kreuzpolarisierte Feldanteile entstehen. Die durch ein derartiges Aperturfeld im Fernfeld entstehende Diagrammverteilung zeigt ein typisches kreuzpolarisiertes Diagramm mit einer Nullstelle in Hauptstrahlrichtung bzw. in der Symmetrieebene und mit relativ hohen beiderseitigen Maxima der Kreuzpolarisation in der dazu orthogonalen Diagrammebene.If a parabolic reflector is replaced by a linearly polarized primary radiator that generates a cross-polarization-free and rotationally symmetrical field (so-called Huyghens source), the aperture field created after deflection at the reflector is parallel-polarized and has no cross-polarized components. If the radiator axis is now tilted against the reflector axis with lateral feed, the aperture field is distorted in such a way that cross-polarized field components are now also created. The diagram distribution created by such an aperture field in the far field shows a typical cross-polarized diagram with a zero point in the main beam direction or in the plane of symmetry and with relatively high maxima of the cross-polarization on both sides in the orthogonal diagram plane.
Die Konfiguration der unerwünschten kreuzpolarisierten Komponenten in der Querschnittsebene des freien Feldes nach dem Reflektor läßt sich auch durch ein Spektrum höherer Wellentypen beschreiben, die zusätzlich zum vorhandenen Grundwellentyp vom Reflektor angeregt werden. Die Amplitudenverteilung über das Strahlungsfeld dieser Wellentypen im freien Raum folgt im wesentlichen einer Gauß-Verteilung, weshalb sie üblicherweise als gauß'sche Wellentypen bezeichnet werden.The configuration of the unwanted cross-polarized components in the cross-sectional plane of the free field after the reflector can also be described by a spectrum of higher wave types that are excited by the reflector in addition to the existing fundamental wave type. The amplitude distribution over the radiation field of these wave types in free space essentially follows a Gaussian distribution, which is why they are usually referred to as Gaussian wave types.
Der Mechanismus der Feldverzerrung läßt sich mit dieser Modellvorstellung relativ einfach verdeutlichen. Dabei entspricht die rotationssymmetrische Feldverteilung eines optimierten Primärstrahlers weitgehend dem gauß'schen Grundwellentyp im freien Raum und die verzerrenden Einflüsse des unsymmetrischen gekrümmten Reflektors können durch Annahme eines einzelnen zusätzlichen höheren Wellentyps angenähert werden. Hierzu zeigt eine Prinzipdarstellung nach Figur 1, daß der gauß'sche Grundwellentyp EQQ im Raum parallele Feldlinien in einer Richtung aufweist und damit dem kreuzpolarisationsfreien Wellentyp HE,, eines Hybridwellenstrahlers entspricht. Bei der Reflexion des unverzerrten Feldes am unsymmetrischen gekrümmten Reflektor wird ein bestimmter Anteil dieses Grundwellen-The mechanism of field distortion can be explained relatively easily using this model. The rotationally symmetrical field distribution of an optimized primary radiator largely corresponds to the Gaussian fundamental wave type in free space and the distorting influences of the asymmetrical curved reflector can be approximated by assuming a single additional higher wave type. A schematic diagram according to Figure 1 shows that the Gaussian fundamental wave type E QQ has parallel field lines in one direction in space and thus corresponds to the cross-polarization-free wave type HE,, of a hybrid wave radiator. When the undistorted field is reflected by the asymmetrical curved reflector, a certain proportion of this fundamental wave
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typs in einen gauß'schen Wellentyp EQ, höherer Ordnung umgewandelt. Bei überlagerung der beiden Wellentypen nach der Reflexion ergibt sich ein verzerrtes Gesamtfeld, das die Entstehung der Kreuzpolarisationskomponenten in der einen Diagrammhauptebene und die Asymmetrie der Strahlungskeule in der dazu senkrechten Ebene erklärt (vgl. die Feldbilder von E£_ in Figur 1). Der Grad der Wellentypenwandlung hängt von der jeweiligen Geometrie der Anordnung ab und wird z.B. wesentlich vom Krümmungsradius des Reflektors und von seiner Randausleuchtung mitbestimmt.type into a Gaussian wave type E Q of higher order. When the two wave types are superimposed after reflection, a distorted total field results, which explains the formation of the cross-polarization components in one of the main diagram planes and the asymmetry of the radiation lobe in the plane perpendicular to it (cf. the field images of E£_ in Figure 1). The degree of wave type conversion depends on the respective geometry of the arrangement and is determined, for example, by the radius of curvature of the reflector and its edge illumination.
Zur Verringerung der verzerrenden Einflüsse sind Verfahren bekannt, die auf dem Prinzip beruhen, dem vom Erregersystem abgestrahlten Feld durch geeignete Maßnahmen korrespondierende Wellentypen beizumischen, die zu den bei der Umlenkung angeregten komplementär sind, d.h. die gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phase besitzen und bei der Überlagerung mit dem verzerrten Feld zu einer weitgehenden Kompensation der Störungen führen. Hierzu ist beispielsweise die Einführung eines sekundären Hilfsreflektors nach dem Gregory- oder Cassegrain-Prinzip bekannt, dessen Krümmung entgegengesetzt ist und der daher korrespondierende höhere Wellentypen mit entgegengesetzter Phasenlage anregt, die bei geeigneter Geometrie der Anordnung eine Kompensation bewirken (vgl. hierzu "Offset Gregorien Antenna" von Mizuguchi Y., Agakawa M., Yokoi H., Electronics and Communications in Japan, Vol. 61-B, No. 3, 1978).To reduce the distorting influences, methods are known that are based on the principle of mixing the field emitted by the excitation system with corresponding wave types that are complementary to those excited during deflection, i.e. have the same amplitude and opposite phase and, when superimposed with the distorted field, lead to a large-scale compensation of the disturbances. For example, the introduction of a secondary auxiliary reflector based on the Gregory or Cassegrain principle is known for this purpose, the curvature of which is opposite and which therefore excites corresponding higher wave types with opposite phase positions, which, with a suitable geometry of the arrangement, bring about compensation (cf. "Offset Gregorien Antenna" by Mizuguchi Y., Agakawa M., Yokoi H., Electronics and Communications in Japan, Vol. 61-B, No. 3, 1978).
Eine andere Möglichkeit besteht in der Anregung der zur Kompensation geeigneten höheren Wellen des Typs H2-, im Hohlleiterbereich des Primärstrahlers durch besondere Stör- oder Koppelelemente, wie es beispielsweise bekannt ist durch "New Class of Primary-Feed Antennas for use with Offset Parabolic-Reflector Antennas" von Rudge A.W., Adatia N.A., erschienen in Electronic Letters Vol. 11, Nov. 1975 oder durch DE 33 36 418 C2.Another possibility is to excite the higher waves of type H 2 -, suitable for compensation, in the waveguide region of the primary radiator by means of special interference or coupling elements, as is known, for example, from "New Class of Primary-Feed Antennas for use with Offset Parabolic-Reflector Antennas" by Rudge AW, Adatia NA, published in Electronic Letters Vol. 11, Nov. 1975 or from DE 33 36 418 C2.
Bei der deutschen Patentschrift 33 36 418 ist vorgesehen, daß in die Hohlleiterzuleitung des Primärstrahlers ein nach ArtIn the German patent specification 33 36 418 it is provided that a waveguide according to type
9t 6 122 2-OE9t 6 122 2-OE
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eines zur Auskopplung von Peilwellentypen verwendeten Wellentypenkopplers aufgebauter Modenkoppler eingebaut ist, der einen äußeren Signaleingang aufweist, an welchen ein Korrektursignal angelegt wird, welches in der Hohlleiterzuführung die jeweils kompensierende Welle vom höheren Wellentyp anregt, daß das an den äußeren Signaleingang des Modenkopplers angelegte Korrektursignal dem Ausgang eines externen Korrektursignalwegs entnommen wird, in dessen Verlauf als Korrekturnetzwerk frequenzangepaßte passive Phasen- und Amplitudeneinstellglieder angeordnet sind, und daß der Korrektursignalweg an seiner Eingangsseite über einen Koppler mit dem nur die Grundwelle führenden Teil der Hohlleiterzuführung verbunden ist, aus der ein Teil des Grundwellensignals in den Korrektursignalweg eingekoppelt wird.a mode coupler is installed which is constructed as a wave type coupler used to couple out direction wave types and has an external signal input to which a correction signal is applied which excites the respective compensating wave of the higher wave type in the waveguide feed, that the correction signal applied to the external signal input of the mode coupler is taken from the output of an external correction signal path, in the course of which frequency-matched passive phase and amplitude setting elements are arranged as a correction network, and that the correction signal path is connected on its input side via a coupler to the part of the waveguide feed which only carries the fundamental wave, from which part of the fundamental wave signal is coupled into the correction signal path.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, mit der die verzerrenden Einflüsse in einfacher Weise verringert werden können.The invention is based on the object of providing a solution with which the distorting influences can be reduced in a simple manner.
Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art in der Weise gelöst, daß in der Apertur des Primärstrahlers oder in einem Abstand davor eine dielektrische Linse angeordnet ist zur Kompensation des verzerrten Feldes.This task is solved in a device of the type described above in that a dielectric lens is arranged in the aperture of the primary radiator or at a distance in front of it to compensate for the distorted field.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments and further developments of the subject matter of the invention are specified in the subclaims.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dieses zeigt in Figur 2 die Prinzipanordnung der Korrekturlinse in einer seitlich gespeisten Antenne. Es sind hierbei ein gekrümmter Reflektor mit 1 und ein seitlich einstrahlender Primärstrahler mit 2 bezeichnet. In die Apertur des Primärstrahlers 2 (symmetrierter Hybridwellenstrahler) oder in einem gewissen Abstand davor ist eine verlustarme dielektrische Linse 3 gesetzt. Ihre Aufgabe besteht darin, in ähnlicher Weise wie bei der Umlenkung am unsymmetrischen Korrekturreflektor eineThe invention is explained in more detail below using an embodiment shown in the drawing. This shows in Figure 2 the basic arrangement of the correction lens in a side-fed antenna. A curved reflector is designated with 1 and a side-fed primary radiator with 2. A low-loss dielectric lens 3 is placed in the aperture of the primary radiator 2 (symmetrical hybrid wave radiator) or at a certain distance in front of it. Its task is to create a
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Vorverzerrung des Feldes zu erreichen und dazu einen definierten Teil des durch sie gestrahlten Feldes in den gewünschten höheren Wellentyp umzuwandeln. Zur Realisierung des hierfür je nach Raumrichtung in Abhängigkeit vom Radius nötigen unterschiedlichen Brechungsindexes ist entweder eine geeignete unsymmetrische Formgebung oder eine nichthomogene Dichteverteilung, z.B. durch Schichtung des Materials, oder eine Kombination beider Maßnahmen möglich.To achieve pre-distortion of the field and to convert a defined part of the field radiated by it into the desired higher wave type. To achieve the different refractive index required for this depending on the spatial direction and the radius, either a suitable asymmetrical shape or a non-homogeneous density distribution, e.g. by layering the material, or a combination of both measures is possible.
Das der erfindungsgemäßen Einrichtung zugrundeliegende Verfahren beruht also auf dem Prinzip einer Kompensation des verzerrten Feldes. Dabei wird die erforderliche Vorverzerrung des vom Erregersystem abgestrahlten Feldes bzw. eine entsprechende Anregung gauß'scher Wellentypen durch Verwendung einer verlustarmen dielektrischen Linse erreicht. Ein Beispiel für eine vorteilhafte Anwendung dieses Prinzips in der Praxis ist bei unsymmetrisch gespeisten Parabolreflektoren zu sehen, bei denen aus Platzgründen oder wegen eines verhältnismäßig tiefliegenden Betriebsfrequenzbereiches die Verwendung eines Korrektur-Hilfsreflektors nicht günstig ist und das Verfahren der diskreten Wellentypanregung im Hohlleiter aufgrund von Bandbreiteforderungen ausscheidet.The method underlying the device according to the invention is therefore based on the principle of compensating the distorted field. The required pre-distortion of the field emitted by the excitation system or a corresponding excitation of Gaussian wave types is achieved by using a low-loss dielectric lens. An example of an advantageous application of this principle in practice can be seen in asymmetrically fed parabolic reflectors, where the use of a correction auxiliary reflector is not advantageous due to space constraints or a relatively low operating frequency range, and the method of discrete wave type excitation in the waveguide is ruled out due to bandwidth requirements.
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