DK141221B - Rotationssymmetrisk cassegrain-antenne - Google Patents

Description

OD FREMLÆ66ELSESSKRIFT 141221 DANMARK (en int.ci.3 h 01 q 19/18 i (21) Ansøgning nr. 5095/75 (22) indleveret den 12. nov. 1975 (23) Løbedag 12. HOV. 1975 (44) Ansøgningen fremlagt og

fremlæggelsesskriftet offentliggjort den 4. feb. I98O

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet begæret fra den

25. dec. 1974, 2461283, DE

(71) SIEMENS AKTIENGESELLSCHAfT, Berlin und Muenchen, 8 Mienchen 2, Wittels= ‘Uacherplatz 2, DE.

(72) Opfinder: Wolfgang Rebhan, 8000 Muenchen 90, Schoenetraese 62, JE.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Internationalt Patent-Bureau.

(64) Rotationssyrametrisk Cassegrain-antenne.

Opfindelsen angår en rotationssynmetrisk Cassegrain-antenne med to indbyrdes uafhængige omdrejningsakser for elevation og azimut, hvor sende/modtage-apparaturet for informationssignalet er anbragt stationært i antennesoklen, hvor azimutaksen og hovedreflektorens oadrejningeakse er beliggende i ét plan, og hvor raikrobølgefødearrangementet, via hvilket det stationære sende/modtageappara-tur står i forbindelse med hovedreflektorens centrale fødeåbning, på sende/mod-tagesiden har et antennens azimutbevægelse optagende mikrobølgedrejeled og på hovedreflektorsiden et antennens elevationsbevægelse optagende 2-spejIsarrangement, som omfatter et første uden for azimutaksen men på elevationsaksen anbragt spejl og et andet i elevations- og azimutaksernes skæringspunkt anbragt og om den førstnævnte akse drejeligt spejl. Antenner af denne art egner sig i særlig grad til at formidle radioforbindelsen med legemer, der flyver i det ydre rum, hvor 2 141221 det af hensyn til de svage signaler, der modtages, er nødvendigt at have en antenne med et skarpt afgrænset strålebundt og med en stor antenneforstærkning til rådighed. De antenner, som er opbygget efter de af Cassegrain opstillede principper, som er analoge med de i optikken gældende, kræver fremfor alt i forbindelse mpd de ved satellitkommunikation ofte anvendte frekvenser imellem 2 og 6 GHz en betydelig teknisk indsats på grund af hovedreflektorens størrelse med diametre på indtil 30 meter og derover, og kravene øges yderligere af den omstændighed, at en antenne i almindelighed skal være sporingsdygtig, dvs. være bevægelig omkring to indbyrdes uafhængige omdrejningsakser for elevation og azimut.

Som det tydeligt fremgår af meddelelser fra Siemens AG*s centrallaboratorium for transmissionsteknik "Nachrichtentechnische Fachberichte",bind 32, 1967, side 23-33, er der anstillet en mangfoldighed af overvejelser, som angår en egnet måde at opbygge det mikrobølgefødearrangement på, som danner forbindelsen imellem sende/ modtageapparaturet og antennens hovedreflektor. Et bølgelederdrejeled for fødehornet er tilstrækkelig, når det rum, sende/modtageapparaturet er anbragt i, deltager i antennens azimutbevægelse. Det samme litteratursted (fig. 10 med tilhørende beskrivelse) og tillige tysk offentliggørelsesskrift 1.541.611 anviser også løsninger på, hvordan det kontrolrum, som indeholder sende/modtageapparaturet, kan anbringes stationært i antennesoklen. I dette tilfælde anvendes der som mikrobølgefødearrangement en knækket hornparabol, der imellem knækket og parabolreflektoren er forsynet med et andet drejeled til optagelse af antennens bevægelse omkring elevationsaksen. Denne konstruktive løsning reducerer ganske vist det tekniske opbud, men medfører dog ulemper for så vidt angår antennens elektriske egenskaber. Navnlig i dette tilfælde må visse usymmetrier i fødehornets strålingsfelt tages med i købet, hvilket blandt andet bevirker en uønsket overstråling af primærstrålingen ud over randen på Cassegrain-antennens hjælpereflektor, og medfører større sidesløjfer i antennens strålingsdiagram. Herudover forringes Cassegrain-antennens forstærkning og virkningsgrad.

I tidsskriftet "Frequenz", årgang 22, 1968, hefte 5, side 151-156 og i "IEEE Transactions on Antennas and Propagations", november 1973, side 884-886 angives en anden løsning på konstruktionen af en Cassegrain-antennes mikrobølgefødearrangement, ved hvilken sende/modtageapparaturet ligeledes kan være anbragt stationært i antennesoklen. Dette mikrobølgefødearrangement udgør her et 4-spejls mikrobølgelederarrangement. Det består af en langs azimutaksen anbragt stationær primærstråler, hvis stråling rettes igennem hovedreflektorens centrale åbning og hen på hjælpereflektoren via fire spejle, der hver foretager en 90°'s afbøjning. Funktionen af de til fødearrangementet nødvendige drejeled for antennens elevations- og azimutbevægelser varetages af de hver for sig indbyrdes drejelige par 141221 3 bestående af primærstråleren og det første spejl samt det tredje og fjerde spejl. 4-Spejlsmikrobølgelederarrangementet giver mulighed for at udforme strålingsfeltet tilnærmet rotationssymmetrisk ved en passende udformning af primær-stråleren. Praksis har dog vist,at 4-spejls .mikrobølgelederarrangementet nødvendiggør en meget omfattende justering af de fire spejle, idet unøjagtigheder i justeringen summeres, hvorfor strålingsforvrængninger med hensyn til amplitude, fase og polarisation allerede ved små justeringsfejl kan antage et betydeligt omfang. Polarisationsfejl må fremfor alt i forbindelse med såkaldt dobbeltfrekvensudnyttelse (udstråling henholdsvis modtagelse af to ortogonalt polariserede signaler) være ekstremt små. Selv ved eksakt justering medfører et sådant spejlsystem på grund af dets principielle usymmetrier endnu visse strålingsforvrængninger, som tiltager med antallet af spejle. Tabene ved et sådant system tiltager også med antallet af spejle, idet spejlenes overstrålinger i praksis ikke kan undgås fuldstændigt.

Det er opfindelsens formål i forbindelse med en rotationssymmetrisk Casse-grain-antenne, hvor sende-modtageapparaturet er stationært anbragt i antennesok-len, at anvise en anden løsning på mikrobølgefødearrangementet, der forener de ved de kendte løsninger givne fordele uden at have de dermed forbundne ulemper.

Dette formål opnås ifølge opfindelsen ved, at mikrobølgefødearrangementet indeholder en et symmetrisk strålingsfelt frembringende hornstråler, der via et bølgelederstykke er forbundet med mikrobølgedrejeleddet og ved fri stråling og uden egne bølgeledningsmidler bestråler det første spejl, og at mikfobølgestrålin-gen på strækningen mellem det første spejl og hovedreflektorens centrale fødeåbning via det andet spejl ligeledes udelukkende dirigeres ved fri stråleudbredelse uden egne bølgeledningsmidlers mellemkomst. Herved dirigerer det første spejl strålingen i elevationsaksens retning mod det andet spejl, som igen dirigerer strålingen igennem hovedreflektorens centrale fødeåbning og hen på hjælpereflektoren.

Fra tidsskriftet "Japan Telecommunications Review", april 1973, side 101-110, kendes ganske vist allerede en rotationssynmetrisk Cassegrain-antenne, der i stedet for et drejeled til optagelse af antennens bevægelse omkring elevationsaksen gør brug af en 2-spejls. mikrobølgeleder.I denne kendte udførelsesform er den primærstråler, der beetråler det første spejl i 2-spejls mikrobølgelederen, ligeledes anbragt stationært i antennesoklen ved siden af sende/modtageapparatu-ret.. For at gøre dette muligt er antennens omdrejningsakse imidlertid forskudt i forhold til azimutaksen, hvilket vil sige, at de to akser i dette tilfælde ikke er beliggende i samme plan. Denne detalje medfører en overordentlig kompliceret konstruktion, der som følge af de særlige krav, der stilles til stabiliteten og til antennens maksimale omløbshastighed, i praksis kun kan realiseres i forbindelse med små antenner, der har en ringe vagt.

141221 4

Ved den ifølge opfindelsen givne løsning, nemlig kombinationen af en 2-spejls mLkrobølgeleder og et mikrobølgedrejeled, realiseres et mikrobølgeføde-arrangement til Cassegrain-antenner af vilkårlig størrelse og med et stationært sende/modtageapparatur, der er de beskrevne kendte løsninger overlegen i et ikke ubetydeligt omfang.2-Spejls mikrobølgelederarrangementet ifølge opfindelsen sikrer en optimal antenneforstærkning på grund af meget små tab og på grund af et ringe justeringsarbejde i forbindelse med de to spejle som følge af den hermed opnåelige symmetri af strålingsfeltet. Det tillader også, at azimutaksen og antennens omdrejningsakse anbringes i ét plan, hvilket er af udslaggivende betydning for en gunstig mekanisk opbygning af antennekonstruktionen. Det som følge af det lille antal spejle og tilsvarende ringe antal af justeremekanismer reducerede pladskrav til fødesystemet har ligeledes en gunstig indvirkning på antennens mekaniske opbygning.

Det er hensigtsmæssigt at anbringe det første spejl i 2-spejls mikrobølgelederen i hornstrålerens nærfelt. Ved en foretrukken udførelsesform for 2-spejls mikrobølgelederarrangementet er hornstråleren udformet som et bølgehorn og det første spejl scm et ellipsoidespejl. Det andet spejl kan enten være krumt eller plant. Bølgelederstykket er herved samnensat af et krumt bølgelederstykke og et hertil sluttet lige bølgelederstykke.

For at opnå et så ringe tab som muligt inden for 2-spejls mikrobølgeleder-.arrangementet er det fordelagtigt at det lige bølgelederstykkes tværsnit er udvidet i forhold til et sådant bølgeledertværsnit, hvor kun hovedsvingningen kan udbrede sig. Overgangene til det krumme bølgelederstykke og til hornstråleren er herved indrettet således, at fremkomsten af højere svingningstyper bliver så lille som muligt.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en rotationssymmetrisk Cassegrain-antenne af kendt art med to indbyrdes uafhængige omdrejningsakser for elevation og azimut, og hvor sende-modtageapparaturet befinder sig stationært i antennesoklen, og fig. 2 en modifikation ifølge opfindelsen af den i fig. 1 viste antenne.

Ved den i fig. 1 viste kendte antenne er hovedreflektoren betegnet med 1, hjælpereflektoren med 2, hjælpereflektorstativet med 3, hovedreflektorens centrale fødeåbning med 4, mikrobølgefødearrangementet i form af en knækket homparabol med et rundt horntværsnit med 5, drejeleddet for antennens elevationsbevægelse, der hvor knækket i den knækkede hornparabol befinder sig, med 6, bølgeledertilgangen for den knækkede hornparabol i form af et krumt bølgelederstykke med 7, bølgelederdrejeleddet med 8, et kontrolrum med 9 og det i kon- . trolrummet anbragte sende-modtageapparatur med 10. Elevationsaksen og azimutaksen er betegnet med henholdsvis E og A.

5 141221

Ved en bevægelse af antennen omkring azimutakeen A kompenseres den knækkede hornparabol 5's drejebevægelse af bølgelederdrejeleddet 8 oven for kontrolrummet 9's loft. Drejeleddet 6 ved hompårabolen 5's knæk, som ligger i elevationsaksen E, kompenserer for antennens bevægelse omkring elevationsaksen.

Som allerede nævnt giver den knækkede hornparabol 5 anledning til en vie usymmetri i strålingsfeltet omkring den centrale fødeåbning 4, der primært skyldes, at hornparabolen fødes med den ikke-rotationssymmetriske H^-hovedsvingning fra den runde bølgeleder. Den i det væsentlige omkring azimutaksen A spejlsymmetriske opbygning af totalkonstruktionen, tilvejebragt ved at anbringe azimutaksen og hovedreflektorens symmetriakse i- et fælles plan,muliggøres ved denne kendte konstruktion derved,at hornet i hornparabolen 5 i den nederste ende munder ud i det langs azimutaksen A anbragte bølgelederdrejeled via det krumme bølgelederstykke 7.

Ifølge opfindelsen er, som vist i fig. 2, den knækkede hornparabol 5, som udgør mikrobølgefødearrangementet, erstattet af et 2-spejls mikrobølgelederarraige-ment. Til det krumme bølgelederstykke 7, som har et rundt tværsnit, og i den ende der vender bort fra mikrobølgedrejeleddet 8, er der sluttet et lige bølgelederstykke 11 med et eventuelt rundt tværsnit, som udmunder i hornstråleren 12. Hornstråleren 12 er et såkaldt bølgehom, eksempelvis af den art der er beskrevet i tidsskriftet "Microwaves", januar 1973 på * siderne 44-49. I et sådant bølgehorn frembringes hybride svingningstyper, der resulterer i et i høj grad symmetrisk strålingsfelt for en sådan hornstråler. Det krumme bølgelederstykke 7 fastlægger en strålingsretning for hornstråleren 12, som afviger fra azimutaksen A's retning.Hornstråleren 12 bestråler med sit strålingsfelt det første spejl 13 i 2-spejls mikrobølgelederen,der herved kan have en ellipsoideformet kontur.

Det første spejl 13 afbøjer strålingen i retning af elevationsaksen E på det andet spejl 14, der er anbragt i skæringspunktet imellem elevationsaksen og azimutaksen, og som i den her beskrevne udførelsesform kan være en let krummet konveks reflektor. Det andet spejl 14 afbøjer på sin side strålingen igennem hovedreflektoren l's centrale fødeåbning 4 og hen på hjælpereflektoren 2, således som de med stiplede linjer antydede pile viser. Som det endvidere fremgår af fig. 2,er hovedreflektoren i området omkring den centrale fødeåbning forsynet med et rørformet mundstykke 15, som herved udøver en skærmende funktion over for den i retning af hjælpereflektoren 2 ved det andet spejl 14 afbøjede stråling.

Det første spejl 13's ellipsoideformede kontur dimensioneres hensigtsmæssigt således, at ellipsoidens ene brændpunkt kommer til at ligge i hornstråleren 12's fasecentrum. Det andet virtuelle brændpunkt lægges således, at der,således som forløbet af strålegangen antyder, opnås et let konvergent strålebundt, hvorved tab som følge af overstråling af det andet spejl 14, som på grund af det i iMtå

Claims (2)

1. 6 U1221 høj grad rotationssymmetriske tværfelt i sig selv nok kan holdes lille, reduceres endnu mere. Ved at anvende et strålebundt, der konvergerer i retningen fra reflektoren 13 mod reflektoren 14, skabes der yderligere mulighed for at gøre reflektoren 13 større end reflektoren 14. Herved kan man ikke blot reducere overstrålingstabene ved reflektoren 13 yderligere, men der består yderligere den konstruktivt gunstige mulighed at øge afstanden imellem bølgehornet 12 og reflektoren 13 og derved formindske længden af det forbindende bølgelederstykke 11. I fig. 2 er det andet spejl 14 plant. Såfremt der imidlertid i retningen mod hjælpereflektoren 2 skal udstråles et let konvergent strålebundt, tildeles spejlet 14 en passende let konkav form. Det lige bølgelederstykke 11 bevirker så på grund af dets længde uønskede tab, når dets tværsnit er således dimensioneret, at kun bølgelederens hovedsvingning kan udbrede sig heri. Disse tab lader sig let reducere væsentligt ved, at dets tværsnit udvides i forhold til ovennævnte tværsnit. For i dette tilfælde at undgå fremkomsten af højere svingningstyper så meget som muligt skal dets overgange til det krumme bølgelederstykke 7 og til hornstråleren 12 tilpasses. De bevægelsesforhold, der gælder for det i fig. 2 viste 2-spejls. mikrobølge-lederarrangement, svarer til dem,der gælder for den i fig. 1 viste knækkede hornparabol.Det samlede 2-spejls mikrobølgelederarrangement deltager i azimutbevægelsen, mens det kun er det andet spejl 14, der deltager i elevationsbevægelsen. Den i fig. 2 viste udførelsesform har i forhold til den i fig. 1 viste kendte konstruktion ikke blot fordelen af, at der er strålingssymmetri, men også den væsentlige fordel,at det i fig. 1 viste og som følge af dets store diameter forholdsvis kostbare HF-drejeled 6 kan undværes. Som det fremgår af fig. 2, er der i transmissionsvejen imellem det lige bølgelederstykke 11 og det krumme bølgelederstykke 7 anbragt endnu et tilpasningsled 13', der er nødvendig, såfremt antennen samtidigt skal benyttes til pejlingsformål.
2. 1. Rotationssymmetrisk Cassegrain-antenne med to indbyrdes uafhængige omdrejningsakser for elevation og azimut, hvor sende/modtageapparaturet for informationssignalet er anbragt stationært i antennesoklen, hvor azimutaksen og hovedreflektorens omdrejningsakse er beliggende i ét plan, og hvor mikrobølgefødearran-gementet, via hvilket det stationære sende/modtageapparatur står i forbindelse med hovedreflektorens centrale fødeåbning, på sende/modtagesiden har et antennens azimutbevægelse optagende mikrobølgedrej eled (8)og på hovedreflektorsiden et antennens elevationsbevægelse optagende 2-spejlsarrangement, som omfatter et første uden for azimutaksen men på elevationsaksen anbragt spejl (13) og et andet i eleva-