EP0088901A1 - Exzentrische Parabolantenne mit geringer Kreuzpolarisation - Google Patents
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- 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
- H01Q19/192—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 with dual offset reflectors
Definitions
- the present invention relates to a microwave antenna consisting of an eccentric parabolic dome with a feed system containing a horn.
- eccentric parabolic antennas such as horn parabolic or so-called shell antennas are used in this case due to their good angle and reflection attenuation (cf. A. Heilmann: antennas, 3rd part, Bibliographisches Institut, 1970, p. 94, 95) Commitment.
- a disadvantage of these antennas is that they have a high cross polarization.
- the invention is based on the object of specifying a microwave antenna of the type mentioned at the outset, which has the lowest possible cross-polarization component in the radiation diagram.
- the horn emitter illuminates the parabolic dome via an auxiliary reflector, the radiation emanating from the auxiliary reflector corresponding to that of such a Huygens source, the axis of which coincides with the focal axis of the parabolic dome.
- the measures according to the invention make it possible to implement an eccentric parabolic antenna with very little cross polarization in a compact design.
- the undesired cross-polarization component in the radiation diagram of an eccentric parabolic antenna ideally disappears if it is possible to give the radiation field emanating from the feed system such a shape that it is converted into an exactly flat field after reflection on the parabolic mirror. This requirement comes closest when you offer the parabolic mirror the radiation field of a Huygensian source.
- FIG. 1a shows such a Huygensian source.
- Their characteristic is that all field lines form small circles lying on a spherical surface, all of which touch a common point, the Huygens point HP. If one aligns a Huygensian source to a parabolic mirror in such a way that its axis HA (that is the straight line through the Huygens point and the center of the spherical source) coincides with the focal axis of the parabolic, the radiation from the Huygensian source after the reflection on Converted parabolic mirror into a flat radiation field, as shown in FIG. 1b, in the aperture plane.
- the mathematical proof that the small circles lying on a spherical surface merge into horizontal and vertical straight lines in such a mapping should be dispensed with here. In this connection, reference is made to the theory of conforming mappings.
- a radiation source is to be specified for an eccentric parabolic dome, the field of which is also transformed into a field as flat as possible after reflection in the aperture plane of the parabolic dome, in order to reduce the cross-polarization component of the field.
- FIG. 2 shows a parabolic cap 1 with a feed system 2 which very well fulfills the requirement set out above.
- the feed system 2 has been drawn in a greatly enlarged manner compared to the calotte 1.
- the feed system 2 consists of a horn 3 and an auxiliary reflector 4 mechanically connected to it, which has the shape of an ellipsoid cutout. Namely, the ellipsoid section 4 is partly through the on the ellipsoid edge of the horn wall and the other part completely shielded from the side by a truncated cone 5 which also fits on the ellipsoid edge and intersects with the horn. Through the opening 6 of this truncated cone, the beam of rays emerges from the feed system and reaches the parabolic cap 1.
- the auxiliary ellipsoid reflector 4 is aligned with the horn radiator 3 and the parabolic cap 1 so that its first focal point F1 lies on the horn axis and its second focal point F2 with which the parabolic cap coincides. It is also important to dimension the ellipsoid cut-out such that a beam a lying in the horn axis strikes the center of the aperture of the spherical cap after reflection on the auxiliary reflector 4 and after the subsequent reflection on the parabolic cap 1.
- the horn and the auxiliary reflector are to be dimensioned such that the outermost edge rays b and c intersecting at the focal point F1 of the bundle of rays emerging from the feed system enclose an angle which does not exceed a maximum beam expansion angle determined by the spherical dimensions.
- angles just listed have the following values:
- the radiation diagram shown in FIG. 3 shows a clear improvement of the eccentric parabolic antenna according to the invention compared to conventional eccentric parabolic antennas with regard to the cross-polarization component.
- x denotes the copolarized field
- y the cross-polarized field of a known antenna
- z the cross-polarized field of an antenna according to the invention, which is reduced by approximately 20 dB compared to the otherwise occurring cross-polarization component y.
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Abstract
Die Kreuzpolarisationskomponente einer Mikrowellenantenne mit einer exzentrischen Parabolkalotte als Hauptreflektor, soll vermindert werden Zu diesem Zweck ist ein Speisesystem vorgesehen, das die Strahlung einer Huygensschen Quelle erzeugt. Dabei ist das Speisesystem so dimensioniert und derart auf die Parabolkalotte ausgerichtet, daß das Strahlungsfeld nach der Reflexion an der Kalotte in ein ebenes Feld umgewandelt wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne bestehend aus einer exzentrischen Parabolkalotte mit einem einen Hornstrahler enthaltenden Speisesystem.
- Zur Erhöhung der Frequenzökonomie werden große Nachrichtenbündel im allgemeinen simultan auf zwei orthogonalen Polarisationen übertragen. Um eine hohe Übertragungsqualität sicherzustellen, kommen in diesem Fall wegen ihrer guten Winkel- und Reflexionsdämpfung exzentrische Parabolantennen wie Hornparabol- oder sogenannte Muschelantennen (vgl. A. Heilmann: Antennen, 3. Teil, Bibliographisches Institut, 1970, S. 94, 95) zum Einsatz. Nachteilig bei diesen Antennen ist, daß sie eine hohe Kreuzpolarisation aufweisen. Die im Strahlungsdiagramm der Fig. 1 strichpunktiert gezeichneten Höcker neben der scharfen Nullstelle in Hauptstrahlrichtung ( θ= 0°) geben die Kreuzpolarisationskomponente der Strahlung wieder.
- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellenantenne der eingangs genannten Art anzugeben, die im Strahlungsdiagramm eine möglichst geringe Kreuzpolarisationskomponente aufweist.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hornstrahler die Parabolkalotte über einen Hilfsreflektor ausleuchtet, wobei die vom Hilfsreflektor ausgehende Strahlung der einer solchen Huygensschen Quelle entspricht, deren Achse mit der Brennachse der Parabolkalotte zusammenfällt.
- Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
- Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen es, eine exzentrische Parabolantenne mit sehr geringer Kreuzpolarisation in kompakter Bauform zu realisieren.
- Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1a eine Huygenssche Quelle,
- Fig. 1b die Abbildung der kreisförmigen Feldlinien der Huygensschen Quelle in einer planaren Projektionsebene,
- Fig. 2 eine exzentrische Parabolkalotte mit einem Speisesystem in der Seitenansicht und
- Fig. 3 das Strahlungsdiagramm einer exzentrischen Parabolkalotte.
- Die ungewünschte Kreuzpolarisationskomponente im Strahlungsdiagramm einer exzentrischen Parabolantenne verschwindet im Idealfall, wenn es gelingt, dem vom Speisesystem ausgehenden Strahlungsfeld eine solche Form zu verleihen, daß es nach der Reflexion am Parabolspiegel in ein exakt ebenes Feld umgewandelt wird. Dieser Forderung kommt man am nächsten, wenn man dem Parabolspiegel das Strahlungsfeld einer Huygensschen Quelle anbietet.
- Die Fig. 1a zeigt eine solche Huygenssche Quelle. Ihr Charakteristikum ist, daß alle Feldlinien auf einer Kugeloberfläche liegende Kleinkreise bilden, die alle einen gemeinsamen Punkt, den Huygenspunkt HP, tangieren. Richtet man eine Huygenssche Quelle in der Weise auf einen Parabolspiegel aus, daß ihre Achse HA (das ist die Gerade durch den Huygenspunkt und den Mittelpunkt der kugelförmigen Quelle) mit der Brennachse des Parabols zusammenfällt, so wird die Strahlung der Huygensschen Quelle nach der Reflexion am Parabolspiegel in ein ebenes Strahlungsfeld, wie es die Fig. 1b zeigt, in der Aperturebene umgewandelt. Auf den mathematischen Nachweis, daß bei einer derartigen Abbildung die auf einer Kugeloberfläche liegenden Kleinkreise in horizontale und vertikale Geraden übergehen, soll hier verzichtet werden. Es sei in dem Zusammenhang auf die Theorie der konformen Abbildungen verwiesen.
- Bei den vorangehenden Ausführungen bezüglich der überführung eines Huygensschen Strahlungsfeldes in ein ebenes Strahlungsfeld ist von einem vollständigen zentrischen Paraboloid als Reflektor ausgegangen worden.
- Nun soll aber für eine exzentrische Parabolkalotte eine Strahlungsquelle angegeben werden, deren Feld ebenfalls nach der Reflexion in der Aperturebene der Parabolkalotte in ein möglichst ebenes Feld transformiert wird, um die Kreuzpolarisationskomponente des Feldes zu vermindern.
- Die Fig. 2 zeigt eine Parabolkalotte 1 mit einem Speisesystem 2, das die oben gestellte Forderung sehr gut erfüllt. Um die Bauform des Speisesystems 2 deutlicher darzustellen, ist es gegenüber der Kalotte 1 stark vergrößert gezeichnet worden.
- Das Speisesystem 2 besteht aus einem Hornstrahler 3 und einem damit mechanisch verbundenen Hilfsreflektor 4, der die Form eines Ellipsoidausschnitts hat. Und zwar ist der Ellipsoidausschnitt 4 einesteils durch die auf den Ellipsoidrand aufgesetzte Hornwand und andernteils durch einen auch auf den Ellipsoidrand aufgesetzten, sich mit dem Horn verschneidenden Kegelstumpf 5 seitlich völlig abgeschirmt. Durch die öffnung 6 dieses Kegelstumpfes tritt das Strahlenbündel aus dem Speisesystem aus und gelangt auf die Parabolkalotte 1. Der Ellipsoid-Hilfreflektor 4 ist zum Hornstrahler 3 und zur Parabolkalotte 1 so ausgerichtet, daß sein erster Brennpunkt F1 auf der Hornachse liegt und sein zweiter Brennpunkt F2 mit dem der Parabolkalotte zusammenfällt. Es ist weiterhin wichtig, den Ellipsoidausschnitt so zu dimensionieren, daß ein in der Hornachse liegender Strahl a nach der Reflexion am Hilfsreflektor 4 und nach der anschließenden Reflexion an der Parabolkalotte 1 auf die Aperturmitte der Kalotte trifft. Außerdem sind das Horn und der Hilfsreflektor so zu bemessen, daß die äußersten, sich im Brennpunkt F1 schneidenden Randstrahlen b und c des aus dem Speisesystem austretenden Strahlenbündels einen Winkel einschließen, der einen durch die Kalottenabmessungen festgelegten maximalen Strahlaufweitungswinkel nicht überschreitet. Diesem Winkel 9 entsprechend ist auch die Größe der Strahlaustrittsöffnung 6 des Speisesystems zu wählen. Ihr Durchmesser d hängt von dem Strahlaufweitungswinkel u und der Betriebswellenlänge λ in folgender Weise ab: d = 120°...150°.λ.
- Ein Zusammenhang zwischen dem Winkel u, den der unterste Randstrahl c mit der Brennachse PBA der Parabolkalotte einschließt, dem Winkel Qo, den der oberste Randstrahl b mit der Paraboloidbrennachse PBA einschließt, dem halben Aufweitungswinkel 7 des Horns, dem Neigungswinkel γm der Hornachse gegenüber der die beiden Brennpunkte F1 und F2 verbindenden Brennachse EPA des Ellipsoidausschnitts und dem Winkel a zwischen der Ellipsoidbrennachse EPA und der Paraboloidbrennachse PBA ist durch die zwei Beziehungen
-
- Dabei ergibt sich ein Winkel Qm zwischen der Brennachse PBA der Parabolkalotte und dem mittleren Strahl a von etwa 60°. Der Durchmesser d der Strahlaustrittsöffnung 6 des hier zugrundeliegenden Speisesystems beträgt etwa 1,2...1,5X. Es kann als Hilsfreflektor ein Ellipsoidausschnitt eingesetzt werden, dessen Abstand der beiden Brennpunkte F1 und F2 im Bereich von 6...10γ liegt.
- Das in der Fig. 3 dargestellte Strahlungsdiagramm zeigt eine deutliche Verbesserung der erfindungsgemäßen exzentrischen Parabolantenne gegenüber herkömmlichen exzentrischen Parabolantennen bezüglich der Kreuzpolarisationskomponente. Dort ist mit x das kopolarisierte Feld, mit y das kreuzpolarisierte Feld einer bekannten Antenne und mit z das kreuzpolarisierte Feld einer erfindungsgemäßen Antenne gekennzeichnet, das um ungefähr 20 dB gegenüber der sonst auftretenden Kreuzpolarisationskomponente y verringert ist.
Claims (6)
1. Mikrcwellenantenne bestehend aus einer exzentrischen Parabolkalotte mit einem einen Hornstrahler enthaltenden Speisesystem, dadarch gekennzeichne', das der Hornstrahler (3) die Parabolkalotte (1) über einen Hilfsreflektor (4) ausleuchtet, wobei die vom Hilfsreflektor ausgehende Strahlung der einer solchen Huygensschen Quelle entspricht, deren Achse mit der Brennachse (PBA) der Parabolkalotte zusammenfällt.
2. Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornstrahler (3) ein Rillenhorn ist.
3. Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsreflektor (4) der Ausschnitt eines Ellipsoids ist, dessen einer Brennpunkt (F1) auf der Achse des Hornstrahlers (3) liegt und dessen zweiter Brennpunkt (F2) mit dem der Parabolkalotte (1) zusammenfällt.
4. Mikrowellenantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt (4) des Ellipsoids derart bemessen und so auf die Parabolkalotte (1) ausgerichtet ist, daß ein in der Hornachse liegender Strahl (a) nach der Reflexion am Ellipsoidausschnitt (4) und nach anschließender Reflexion an der Parabolkalotte (1) auf die Aperturmitte dieser Parabolkalotte trifft.
5. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ellipsoidausschnitt (4) seitlich abgeschirmt ist einesteils durch die auf den Ellipsoidrand aufgesetzte Hornwand und andernteils durch einen auf den Ellipsoidrand aufgesetzten, sich mit den Horn verschneidenden Kegelstumpf (5), dessen Öffnung (6) in der Nähe des zweiten Brennpunktes (F2) liegt und die Austrittsöffnung für das auf die Parabolkalotte (1) gerichtete Strahlenbündel darstellt.
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