EP0086399A1 - Mehrreflektorantenne - Google Patents

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EP0086399A1
EP0086399A1 EP83100957A EP83100957A EP0086399A1 EP 0086399 A1 EP0086399 A1 EP 0086399A1 EP 83100957 A EP83100957 A EP 83100957A EP 83100957 A EP83100957 A EP 83100957A EP 0086399 A1 EP0086399 A1 EP 0086399A1
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reflector
main reflector
focal
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EP83100957A
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Eberhard Dipl.-Phys. Dr. Frisch
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Airbus Defence and Space GmbH
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Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/18—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces
    • H01Q19/19—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces comprising one main concave reflecting surface associated with an auxiliary reflecting surface

Definitions

  • the invention relates to a multi-reflector antenna with a parabolic main reflector and a number of individual radiators which emit in different spatial directions via the main reflector.
  • Such multi-reflector antennas are carried, for example, by geostationary communication satellites. These have the task of illuminating a supply area below them on the earth's surface, subject to certain conditions. This is done by a number of radiation lobes that are assigned to neighboring spatial directions. Each radiation lobe is generated by a single radiator, the radiation of which is directed by the main reflector in the corresponding spatial direction. Each lobe illuminates an associated, generally circular target area on the surface of the earth in such a way that the incident radiation intensity falls radially outwards from the center of this target area. Adjacent radiation lobes overlap in their outer areas and are closer to each other, the less the drop in intensity at the edges of a target area should be.
  • a multi-reflector antenna of the type described is known from DE-OS 25 03 594.
  • an intermediate reflector is switched between the individual emitters and the parabolic main reflector, which deflects the radiation from the individual emitters towards the main reflector.
  • Both the main and the intermediate reflector are arranged offset with respect to the parabolic axis, so that shadowing of the radiation emanating from the main reflector is avoided by the intermediate reflector.
  • a central single radiator is directed so that its radiation is centered on the centers of the intermediate and the main reflector and leaves the latter parallel to the parabolic axis assigned to the main reflector.
  • the individual emitters adjacent to this central single emitter are directed so that their radiation after reflection by the intermediate reflector is also centered on the center of the main reflector, but is reflected by it in different spatial directions that are not parallel to the parabolic axis.
  • Horn radiators are usually used as single radiators for such two-reflector antennas, which can be assigned to the Cassegrain or Gregory type.
  • the dimensions of these, in particular with regard to their aperture, depend on the frequency and the reflector diameters. For this reason, the individual radiators cannot be moved as close together as desired. However, this proves to be very cumbersome if the requirement is to be met that the radiation drop at the edges of the adjacent target areas on the earth's surface should not exceed a certain predetermined value.
  • the stricter the requirements in this regard, the narrower the lobes, the width is approximately fixed at a given frequency and diameter of the main reflector.
  • the radiation intensity in the target area should not drop by more than 3 dB, for example, this is by far the case with the arrangement described above no longer feasible.
  • the invention is therefore based on the object of providing a multi-reflector antenna of the type mentioned at the outset, with which it is possible to illuminate a larger target area with the aid of overlapping radiation lobes in such a way that the intensity drops which occur can be kept as low as possible.
  • This object is achieved according to the invention in that the entirety of the individual emitters is subdivided into a plurality of emitter groups formed by mutually adjacent individual emitters and each emitter group is assigned its own auxiliary reflector which is emitted by the individual emitters of the group and reflects the radiation towards the main reflector.
  • auxiliary reflectors are now used, each of which is assigned a radiator group consisting of individual radiators that are adjacent to one another.
  • the individual emitters in a group of emitters no longer need to be aimed at directly adjacent, for example circular, target areas on the earth's surface.
  • the gaps between the radiation lobes of one radiator group that arise with regard to the permissible intensity fluctuations can be supplied by appropriately aligned radiation lobes of other radiator groups. Immediately neighboring circular target areas are therefore served by individual emitters from different emitter groups.
  • auxiliary reflectors For example, there is a grid of circular, overlapping target areas on the surface of the earth, of which any one is supplied by a single radiator of the first radiator group and is surrounded in a symmetrical manner by six target areas, the alternating of the two other radiator groups are operated, with a total of three individual radiators each of the second and third radiator groups being involved.
  • This grid can also be traced back to a regular basic structure, which consists of three mutually displaced networks based on equilateral triangles, the centers of the radiation lobes assigned to the individual emitters each lying in the corner points.
  • the spatial directions assigned to the individual radiators of a radiator group can be further apart in terms of angle, the more individual radiators are distributed over the more radiator groups or auxiliary reflectors.
  • the auxiliary reflectors In the further configuration of the multi-reflector antenna according to the invention, it proves to be expedient to equip the auxiliary reflectors with curved reflector surfaces each having two focal points. It is important to ensure that one focal point coincides with the focal point of the parabolic main reflector and that the radiator group assigned to the auxiliary reflector is arranged at its other focal point.
  • the radiator groups are all on the focal point of the parabolic main reflector.
  • the reflector surfaces of the auxiliary reflectors can, according to the Cassegrain type, be excerpts from rotational hyperboloids or, according to the Gregory type, excerpts from rotational ellipsoids.
  • optical multi-mirror systems instead of auxiliary reflectors, each of which must have two focal points.
  • the invention is preferably applicable to multi-reflector antennas in an offset arrangement.
  • the use of axisymmetric arrangements is also within the scope of the invention, although shadowing by the auxiliary reflectors must be accepted.
  • the focal point axes given by the focal points of the auxiliary reflectors are inclined relative to the axis of the parabolic main reflector.
  • a simple way of orienting a plurality of auxiliary reflectors is to arrange their other focal points on a single circular line of this type.
  • completely identical reflector surfaces are used, which are only pivoted around different angles of rotation with respect to the axis of the parabolic main reflector.
  • the slope of the assigned focus However, axes with respect to the axis mentioned are the same for all auxiliary reflectors.
  • the focal point distances on the focal point axes assigned to the individual auxiliary reflectors can be at least partially different.
  • the reflector surfaces of the individual auxiliary reflectors can therefore be based on differently curved rotational hyperboloids, and the auxiliary reflectors can thus be arranged at different distances from the focal point of the parabolic main reflector.
  • the inclinations of the focal axes can be different from the axis of the main reflector.
  • auxiliary reflectors partially overlap each other. Then it is only necessary to ensure that these neighboring auxiliary reflectors are selective for orthogonal polarization directions or different frequency ranges.
  • grid-like structures consisting of rigid or tensioned parallel metal strips can be used. If about three auxiliary reflectors are provided, of which the middle one is overlapped by one of the two outer edges at its two opposite edges, the latter can be designed, for example, for horizontal, the former for vertical polarization.
  • auxiliary reflectors The overlapping edge regions of the auxiliary reflectors then do not interfere with the desired radiation reflection.
  • frequency-selective reflectors known per se can be used as auxiliary reflectors which partially overlap each other.
  • the invention also includes the case that one of the radiator groups resulting from the subdivision of the totality of the individual radiators is not assigned an auxiliary reflector, rather this radiator group is arranged at the focal point of the parabolic main reflector and illuminates it directly.

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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Asymmetrische Mehrreflektorantenne mit parabolischem Hauptreflektor sowie einer Anzahl von Einzelstrahlern, die über den Hauptreflektor in jeweils unterschiedliche Raumrichtungen abstrahlen. Die auf einem geostationären Satelliten angeordnete Antenne beleuchtet unterschiedliche Zielgebiete auf der Erde. Um den Abfall der Strahlungsintensität an den Rändern der einander überlappenden Zielgebiete so weit wie möglich zu vermindern, sollten die entsprechenden Strahlungskeulen winkelmäßig möglichst dicht beieinanderliegen. Die Gesamtheit der Einzelstrahler ist in mehrere, von jeweils einander benachbarten Einzelstrahlern gebildete Strahlergruppen unterteilt und jeder Strahlergruppe ist ein eigener, von den Einzelstrahlern der Gruppe angestrahlter und die Strahlung zum Hauptreflektor hin reflektierender Hilfsreflektor zugeordnet. Die Flächen der Hilfsreflektoren können Ausschnitte aus Rotationshyperboloiden und/oder -ellipsoiden sein. Diese Flächen besitzen jeweils zwei Brennpunkte, von denen einer zweckmäßig mit dem Brennpunkt des Hauptreflektors zusammenfällt, während am anderen die zugeordnete Strahlergruppe angeordnet ist. Die durch beide Brennpunkte jeweils gegebenen Brennpunktachsen sind gegenüber der Achse des Hauptreflektors geneigt. Verschiedene Neigungen und Brennpunktabstände sind zugelassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Mehrreflektorantenne mit einem parabolischen Hauptreflektor und einer Anzahl von Einzelstrahlern, die über den Hauptreflektor in jeweils unterschiedliche Raumrichtungen abstrahlen.
  • Derartige Mehrreflektorantennen werden beispielsweise von geostationären Nachrichtensatelliten mitgeführt. Diese haben die Aufgabe, ein unter ihnen auf der Erdoberfläche gelegenes Versorgungsgebiet unter Einhaltung bestimmter Bedingungen auszuleuchten. Dies geschieht durch eine Anzahl von Strahlungskeulen, die benachbarten Raumrichtungen zugeordnet sind. Jede Strahlungskeule wird von einem Einzelstrahler erzeugt, dessen Strahlung vom Hauptreflektor in die entsprechende Raumrichtung gelenkt wird. Jede Strahlungskeule leuchtet ein ihr zugeordnetes, im allgemeinen kreisförmiges Zielgebiet auf der Erdoberfläche aus, und zwar derart, daß die einfallende Strahlungsintensität von der Mitte dieses Zielgebietes radial nach außen hin abfällt. Benachbarte Strahlungskeulen überlappen sich in ihren Außenbereichen und liegen um so enger beieinander, je geringer der Intensitätsabfall an den Rändern eines Zielgebietes sein soll.
  • Eine Mehrreflektorantenne der geschilderten Art ist aus der DE-OS 25 03 594 bekannt. Bei dieser ist zwischen den Einzelstrahlern und dem parabolischen Hauptreflektor ein Zwischenreflektor eingeschaltet, der die Strahlung der Einzelstrahler zum Hauptreflektor hin umlenkt. Sowohl der Haupt- als auch der Zwischenreflektor sind gegenüber der Parabolachse versetzt angeordnet, so daß eine Abschattung der vom Hauptreflektor ausgehenden Strahlung durch den Zwischenreflektor vermieden wird. Ein zentraler Einzelstrahler ist so gerichtet, daß seine Strahlung auf die Mitten des Zwischen- und des Hauptreflektors zentriert ist und letzteren parallel zu der dem Hauptreflektor zugeordneten Parabolachse verläßt. Die diesem zentralen Einzelstrahler benachbarten Einzelstrahler sind so gerichtet, daß ihre Strahlung nach Reflektion durch den Zwischenreflektor ebenfalls auf die Mitte des Hauptreflektors zentriert ist, von diesem aber in unterschiedliche Raumrichtungen reflektiert wird, die zur Parabolachse nicht parallel sind.
  • Als Einzelstrahler für derartige Zweireflektorantennen, die dem Cassegrain- oder Gregory-Typ zuzuordnen sind, werden gewöhnlich Hornstrahler eingesetzt. Diese richten sich in ihren Abmessungen, insbesondere bezüglich ihrer Apertur, nach der Frequenz sowie den Reflektordurchmessern. Deswegen können die Einzelstrahler nicht beliebig dicht aneinandergerückt werden. Dies erweist sich aber als sehr hinderlich, wenn die Forderung zu erfüllen ist, daß der Strahlungsabfall an den Rändern der einander benachbarten Zielgebiete auf der Erdoberfläche einen bestimmten vorgegebenen Wert nicht überschreiten solle. Je strenger die Anforderungen in dieser Hinsicht sind, desto enger müssen die Strahlungskeulen, deren Breite bei vorgegebener Frequenz und Durchmesser des Hauptreflektors in etwa festliegt, beieinanderliegen. Soll bei einer Frequenz von 20 GHz und einem Durchmesser des Hauptreflektors von 4,2 m, woraus eine Halbwertsbreite der Strahlungskeulen von 0,255 folgt, die Strahlungsintensität im Zielgebiet beispielsweise nirgends um mehr als 3 dB absinken, so ist dies mit der oben beschriebenen Anordnung bei weitem nicht mehr realisierbar.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mehrreflektorantenne der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der es möglich ist, ein größeres Zielgebiet mit Hilfe einander überlappender Strahlungskeulen so auszuleuchten, daß die auftretenden Intensitätsabfälle möglichst gering gehalten werden können.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Gesamtheit der Einzelstrahler in mehrere, von jeweils einander benachbarten Einzelstrahlern gebildete Strahlergruppen unterteilt und jeder Strahlergruppe ein eigener, von den Einzelstrahlern der Gruppe angestrahlter und die Strahlung zum Hauptreflektor hin reflektierender Hilfsreflektor zugeordnet ist.
  • Anstelle eines einzigen Zwischenreflektors sind nunmehr mehrere Hilfsreflektoren verwendet, denen jeweils eine Strahlergruppe zugeordnet ist, die aus einander benachbarten Einzelstrahlern besteht. Die Einzelstrahler einer Strahlergruppe brauchen nun nicht mehr auf direkt benachbarte, beispielsweise etwa kreisförmige Zielgebiete auf der Erdoberfläche gerichtet zu sein. Die hinsichtlich der zulässigen Intensitätsschwankungen entstehenden Lücken zwischen den Strahlungskeulen einer Strahlergruppe können durch entsprechend ausgerichtete Strahlungskeulen anderer Strahlergruppen versorgt werden. Unmittelbar benachbarte kreisförmige Zielgebiete werden also von Einzelstrahlern unterschiedlicher Strahlergruppen bedient. Bei der Verwendung von drei Hilfsreflektoren ergibt sich auf der Erdoberfläche beispielsweise ein Raster von kreisförmigen, sich am Rande überlappenden Zielgebieten, von denen ein beliebiges von einem Einzelstrahler der ersten Strahlergruppe versorgt wird und in symmetrischer Weise von sechs Zielgebieten umgeben ist, die abwechselnde von den beiden anderen Strahlergruppen bedient werden, wobei insgesamt jeweils drei Einzelstrahler der zweiten sowie der dritten Strahlergruppe beteiligt sind. Dieses Raster läßt sich auch auf eine regelmäßige Grundstruktur zurückführen, die aus drei gegeneinander verschobenen Netzen auf der Basis gleichseitiger Dreiecke besteht, wobei in den Eckpunkten jeweils die Zentren der den Einzelstrahlern zugeordneten Strahlungskeulen liegen. Durch Vermehrung der Hilfsreflektoren läßt sich das Raster aus den den Einzelstrahlern zugeordneten Zielgebieten beliebig kompliziert gestalten.
  • Die den Einzelstrahlern einer Strahlergruppe zugeordneten Raumrichtungen können winkelmäßig umso weiter auseinanderliegen, auf je mehr Strahlergruppen bzw. Hilfsreflektoren die Gesamtheit der Einzelstrahler verteilt wird.
  • Bei der weiteren Ausgestaltung der Mehrreflektorantenne gemäß der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig, die Hilfsreflektoren mit gewölbten, je zwei Brennpunkte aufweisenden Reflektorflächen auszustatten. Dabei ist darauf zu achten, daß der eine Brennpunkt jeweils mit dem Brennpunkt des parabolischen Hauptreflektors zusammenfällt und die dem Hilfsreflektor jeweils zugeordnete Strahlergruppe an dessen anderem Brennpunkt angeordnet ist. Die Strahlergruppen werden damit sämtlich auf den Brennpunktsbereich des parabolischen Hauptreflektors abgebildet. Die Reflektorflächen der Hilfsreflektoren können, dem Cassegrain-Typ entsprechend, Ausschnitte aus Rotationshyperboloiden oder, dem Gregory-Typ entsprechend, Ausschnitte aus Rotationsellipsoiden sein. Es ist jedoch denkbar, anstelle von Hilfsreflektoren optische Mehrspiegelsysteme zu verwenden, die jeweils zwei Brennpunkte aufweisen müssen.
  • Die Erfindung ist bevorzugt auf Mehrreflektorantennen in Offset-Anordnung anwendbar. Allerdings liegt auch die Verwendung achsensymmetrischer Anordnungen im Bereich der Erfindung, wobei allerdings Abschattungen durch die Hilfsreflektoren in Kauf genommen werden müssen. Es ist vorteilhaft, wenn die durch die Brennpunkte der Hilfsreflektoren jeweils gegebenen Brennpunktachsen gegenüber der Achse des parabolischen Hauptreflektors geneigt sind. Durch Rotation einer derartigen Brennpunktachse um die Achse des parabolischen Hauptreflektors entsteht eine Kegelmantelfläche, deren Spitze vom Brennpunkt des parabolischen Hauptreflektors gebildet wird, der mit dem einen Brennpunkt der Reflektorfläche des Hilfsreflektors zusammenfällt, während der andere Brennpunkt eine koaxial zur Achse des parabolischen Hauptreflektors orientierte Kreislinie durchläuft. Eine einfache Möglichkeit der Orientierung mehrerer Hilfsreflektoren besteht nun darin, deren andere Brennpunkte sämtlich auf einer einzigen derartigen Kreislinie anzuordnen. Es werden in diesem Falle also völlig gleichartige Reflektorflächen verwendet, die lediglich um unterschiedliche Drehwinkel bezüglich der Achse des parabolischen Hauptreflektors herumgeschwenkt sind. Die Neigung der zugeordneten Brennpunktachsen gegenüber der genannten Achse ist jedoch bei allen Hilfsreflektoren dieselbe.
  • Es sind jedoch auch andere, kompliziertere Ausführungsformen denkbar. So ist es möglich, daß die Brennpunktabstände auf den, den einzelnen Hilfsreflektoren zugeordneten Brennpunktachsen zumindest teilweise verschieden sind. Den Reflektorflächen der einzelnen Hilfsreflektoren können also unterschiedlich gekrümmte Rotationshyperboloide zugrundeliegen, die Hilfsreflektoren somit in unterschiedlichen Abständen vom Brennpunkt des parabolischen Hauptreflektors angeordnet sein. Weiterhin können die Neigungen der Brennpunktachsen gegenüber der Achse des Hauptreflektors verschieden sein. Insgesamt ergeben sich somit mannigfache Variationsmöglichkeiten bezüglich der Anordnung der Hilfsreflektoren, so daß eine optimale Abstimmung auf den konkreten Anwendungsfall möglich wird. Insbesondere kann durch geschickte Anordnung vermieden werden, daß die Hilfsreflektoren sich gegenseitig stören oder den Strahlungsbereich des Hauptreflektors abschatten.
  • Andererseits kann auch zugelassen werden, daß benachbarte Hilfsreflektoren sich gegenseitig teilweise überlappen. Dann muß nur dafür Sorge getragen werden, daß diese benachbarten Hilfsreflektoren für jeweils orthogonale Polarisationsrichtungen oder unterschiedliche Frequenzbereiche selektiv sind. Im ersteren Falle können gitterartige, aus steifen oder gespannten parallelen Metallbändern bestehende Strukturen verwendet werden. Sind etwa drei Hilfsreflektoren vorgesehen, von denen der mittlere an seinen beiden gegenüberliegenden Rändern jeweils von einem der beiden äußeren überlappt wird, so können letztere beispielsweise für horizontale, ersterer für vertikale Polarisation ausgelegt sein.
  • Die einander überlappenden Randbereiche der Hilfsreflektoren wirken dann nicht störend auf die gewünschte Strahlungsreflektion, In ähnlicher Weise können an sich bekannte frequenzselektive Reflektoren als sich gegenseitig teilweise überlappende Hilfsreflektoren eingesetzt werden.
  • Die Erfindung schließt noch den Fall ein, daß einer der aus der Unterteilung der Gesamtheit der Einzelstrahler hervorgehenden Strahlergruppen kein Hilfsreflektor zugeordnet, diese Strahlergruppe vielmehr am Brennpunkt des parabolischen Hauptreflektors angeordnet ist und diesen direkt anstrahlt.

Claims (9)

1. Mehrreflektorantenne mit einem parabolischen Hauptreflektor und einer Anzahl von Einzelstrahlern, die über den Hauptreflektor in jeweils unterschiedliche Raumrichtungen abstrahlen, dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtheit der Einzelstrahler in mehrere, von jeweils einander benachbarten Einzelstrahlern gebildete Strahlergruppen unterteilt und jeder Strahlergruppe ein eigener, von den Einzelstrahlern der Gruppe angestrahlter und die Strahlung zum Hauptreflektor hin reflektierender Hilfsreflektor zugeordnet ist.
2. Mehrreflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsreflektoren gewölbte Reflektorflächen mit zwei Brennpunkten aufweisen, wobei der eine Brennpunkt jeweils mit dem Brennpunkt des Hauptreflektors zusammenfällt und am anderen Brennpunkt die jeweils zugeordnete Strahlergruppe angeordnet ist.
3. Mehrreflektorantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Reflektorflächen der Hilfsreflektoren Ausschnitte aus Rotationshyperboloiden und/oder -ellipsoiden sind.
4. Mehrreflektorantenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die durch die Brennpunkte der Hilfsreflektoren jeweils gegebenen Brennpunktachsen gegenüber der Achse des parabolischen Hauptreflektors geneigt sind.
5. Mehrreflektorantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennpunktachsen aller Hilfsreflektoren auf einer Kegelmantelfläche liegen, die durch Rotation der Brennpunktachsen um die Achse des parabolischen Hauptreflektors entsteht.
6. Mehrreflektorantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennpunktabstände auf den einzelnen Brennpunktachsen zumindest teilweise verschieden sind.
7. Mehrreflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß benachbarte Hilfsreflektoren sich gegenseitig teilweise überlappen und für jeweils unterschiedliche Polarisationsrichtungen oder Frequenzbereiche selektiv sind.
8. Mehrreflektorantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß anstelle von Hilfsreflektoren optische Mehrspiegelsysteme mit zwei Brennpunkten verwendet werden.
9. Mehrreflektorantenne mit einem parabolischen Hauptreflektor und einer Anzahl von Einzelstrahlern, die über den Hauptreflektor in jeweils unterschiedliche Raumrichtungen abstrahlen, dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtheit der Einzelstrahler in mehrere, von jeweils einander benachbarten Einzelstrahlern gebildete Strahlergruppen unterteilt, eine erste Strahlergruppe am Brennpunkt des parabolischen Hauptreflektors, diesen direkt anstrahlend, angeordnet und jeder weiteren Strahlergruppe ein eigener, von den Einzelstrahlern der Gruppe angestrahlter und die Strahlung zum Hauptreflektor hin reflektierender Hilfsreflektor zugeordnet ist.
EP83100957A 1982-02-05 1983-02-02 Mehrreflektorantenne Expired EP0086399B1 (de)

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EP0086399B1 (de) 1988-06-22
DE3204029A1 (de) 1983-08-11

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