EP0097932B1 - Mikrowellen-Richtfunkantenne - Google Patents

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EP0097932B1
EP0097932B1 EP83106196A EP83106196A EP0097932B1 EP 0097932 B1 EP0097932 B1 EP 0097932B1 EP 83106196 A EP83106196 A EP 83106196A EP 83106196 A EP83106196 A EP 83106196A EP 0097932 B1 EP0097932 B1 EP 0097932B1
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EP
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reflector
primary radiator
antenna
aperture
radiator system
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EP83106196A
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EP0097932A1 (de
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Anton Dipl.-Ing. Brunner
Erwin Dr.Rer.Nat. Gillitzer
Uwe Dipl.-Ing. Leupelt
Wolfgang Dipl.-Ing. Löw
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens 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
    • H01Q19/12—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 wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/13—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 wherein the surfaces are concave the primary radiating source being a single radiating element, e.g. a dipole, a slot, a waveguide termination
    • H01Q19/132—Horn reflector antennas; Off-set feeding

Definitions

  • the invention relates to a microwave directional antenna in a shell construction with a reflector designed as an eccentric rotational paraboloid cutout, which is fed according to the offset principle from a primary radiator system and is delimited laterally and at the bottom by the metallic walls.
  • antennas with high secondary attenuation are required at very small angular distances in order to avoid mutual interference of the radio fields.
  • antennas such as parabolic or shell antennas
  • shell antennas are available for radio relay systems, with shell antennas mostly reaching predetermined secondary zip attenuations even at lower angles in the horizontal plane.
  • the object of the invention is to design such shell antennas in such a way that the angular attenuation is increased even with small angular displacements from the main beam direction of the antenna, even at lower frequencies.
  • this object is achieved in a mussel antenna of the type mentioned at the outset in that the lateral boundary walls at the level of the part of the primary radiator system which directly irradiates the reflector are formed in the direction of the antenna radiation for such a long time that this part of the primary radiator system - when it is projected onto the Lateral boundary walls - located approximately in the middle between the aperture and reflector, that the rectilinear aperture-side edges of the two lateral boundary walls run in such a way that the surface vector (e) perpendicular to the aperture runs obliquely upwards when the primary radiator system is at the bottom and obliquely when the primary radiator system is at the top is directed below that the lateral boundary walls are bent inwards and the kink lines run approximately vertically, and that the kink lines - when projecting the part directly irradiating the reflector onto the lateral boundary walls - between between this part and the aperture.
  • the invention is based on the knowledge that a major cause of low angular attenuation in the half space around the antenna axis in the known mussel antennas is the retroreflection of the primary radiator system, e.g. of the exciter horn of the mussel antenna.
  • the side walls of the mussel antenna designed according to the invention are thus lengthened such that the direct radiation from the primary radiator system can only emerge from the antenna in a narrow angular range. Since the retroreflection of the primary radiator system only affects the horizontal diagram in the vicinity of the antenna axis (half-beam-vertex focal point), it is sufficient to extend the lateral boundary walls according to the invention only significantly in this area. This results in a mussel antenna in which the surface vector standing perpendicularly on the aperture does not point obliquely downwards as in the previously known mussel antennas, but obliquely upwards.
  • a mussel antenna designed according to the invention shows no measurable losses in terms of antenna gain compared to the known mussel antennas.
  • the principle specified by the invention is not only for shell antennas fed directly, for example by means of a funnel radiator, but also for those based on the multi-mirror principle, e.g. according to Cassegrain or Gregory, applicable.
  • offset-fed parallel plate antennas which have a narrow parabolic cylinder reflector, two parallel boundary walls running parallel to one another and a primary radiator which is constructed like a horn radiator and with two opposite walls merges into the side boundary walls. It is therefore not a shell antenna that is strongly focused in two planes, in which, as is known, an eccentric paraboloid of rotation is used as a reflector, but rather a directional antenna that is only strongly focused in one plane in the manner of a line radiation source.
  • the side boundary walls are formed at the level of the primary radiator irradiating the reflector for about as long in the direction of antenna radiation that when they are projected onto the side boundary walls - approximately in the middle between the aperture and the reflector, the boundary walls have here a different function than with the shell antenna.
  • the parallel plate antenna they are part of the wave guide system required for the function, whereas they serve as shielding in the case of the shell antenna.
  • the rectilinear aperture-side edges of the two parallel plates run in such a way that the surface vector standing vertically on the aperture is directed obliquely upwards when the primary antenna is below but only so that any reflection energies of the radiation edges can be accommodated in the interior of absorber elements made of dielectric material arranged in the vicinity of the focal point.
  • the aperture-side edges of the parallel plates with the primary radiator lying below run in such a way that the vector perpendicular to the aperture points obliquely downwards, ie differently than according to the invention.
  • US-A-2 724 054 only shows a parabolic cylindrical reflector of a parallel plate antenna which is bent inwards in the aperture area and which, in addition to metal strips arranged vertically between the boundary walls, is intended to improve the aperture assignment and thus a more favorable radiation behavior of the antenna.
  • microwave microwave antenna in shell construction according to the invention has a reflector 1 designed as an eccentric paraboloid of rotation, which according to the offset principle of a Funnel heater 2 is fed with a circular aperture.
  • the antenna is laterally delimited by two boundary walls 3 and 4 and at the bottom by a boundary wall 5 made of metallic material, which is partly provided with an absorber coating.
  • the antenna axis runs through the apex 6 of the reflector 1 and the focal point 7 of the funnel radiator 2.
  • the lateral boundary walls 3 and 4 are formed at the level of the funnel radiator 2 which directly irradiates the reflector 1 in the direction of the antenna radiation for such a long time that the funnel radiator 2 - at its Projection on the side boundary walls 3 and 4 - located approximately in the middle.
  • the radiation from the funnel radiator 2 can thus only emerge directly from the antenna in a narrow angular range.
  • the straight edges of the aperture of the two lateral boundary walls 3 and 4 run obliquely upwards in such a way that the surface vector e perpendicular to the antenna aperture is directed obliquely upwards.
  • an aperture as was customary in the previous shell antennas and as indicated by lines 8 and 9 in FIGS.
  • FIG. 3 shows the oblique view of a mussel antenna according to the invention, which corresponds to that according to FIGS. 1 and 2 with the exception of the bends in the two lateral boundary walls 3 and 4.
  • Lines 10, 11 and 12 are intended to indicate the aperture limits of the shell antenna of the previously customary design.
  • Fig. 4 shows in perspective view the embodiment of Figs. 1 and 2, i.e. with kinked lateral boundary walls 3 and 4.
  • the kink lines correspond to the lateral aperture edge lines 10 and 11 of the shell antenna according to the previously customary design.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellen-Richtfunkantenne in Muschelbauweise mit einem als exzentrischer Rotationsparaboloid-Ausschnitt ausgebildeten Reflektor, der nach dem Offset-Prinzip von einem Primärstrahlersystem gespeist wird und seitlich sowie unten vom metallischen Wänden begrenzt ist.
  • Beim Aufbau und bei der Erweiterung von dichten Richtfunknetzen werden Antennen mit hohen Nebenzipfeldämpfungen bei schon sehr kleinen Winkelabständen benötigt, um eine gegenseitige Beeinflussung der Funkfelder zu vermeiden.
  • Je nach Richtfunksystem, räumlichen Gegebenheiten und Einsatz der Antenne als Knoten oder Endpunkt einer Richtfunkstrecke sind unterschiedliche Pegel erforderlich, die ab einem vorgegebenen Winkelabstand nicht überschritten werden dürfen.
  • Für Richtfunksysteme stehen verschiedene Antennenarten wie beispielsweise Parabol- oder Muschelantennen zur Verfügung, wobei Muschelantennen vorgegebene Nebenzipfeldämpfungen meist schon bei geringeren Winkeln in der Horizontalebene erreichen.
  • Die hohen Forderungen, die speziell bei niedrigen Frequenzen, z.B. bei 2-GHz- und 4-GHz-Systemen, an die Winkeldämpfungen gestellt werden, sind auch mit den zur Zeit zur Verfügung stehenden Muschelantennen nicht erreichbar.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, derartige Muschelantennen so auszubilden, dass sich eine Vergrösserung der Winkeldämpfung bereits bei kleinen Winkelablagen von der Hauptstrahlrichtung der Antenne auch bei niedrigeren Frequenzen ergibt.
  • Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Muschelantenne der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die seitlichen Begrenzungswände in Höhe des den Reflektor unmittelbar bestrahlenden Teils des Primärstrahlersystems etwa so lang in Antennenstrahlungsrichtung ausgebildet sind, dass sich dieser Teil des Primärstrahlersystems - bei seiner Projektion auf die seitlichen Begrenzungswände - etwa in der Mitte zwischen Apertur und Reflektor befindet, dass die geradlinigen aperturseitigen Ränder der beiden seitlichen Begrenzungswände so verlaufen, dass der auf der Apertur senkrecht stehende Flächenvektor(e) bei unten liegendem Primärstrahlersystem schräg nach oben und bei oben liegendem Primärstrahlersystem schräg nach unten gerichtet ist, dass die seitlichen Begrenzungswände nach innen abgeknickt sind und die Knicklinien etwa vertikal verlaufen, und dass sich die Knicklinien - bei Projektion des den Reflektor unmittelbar bestrahlenden Teils auf die seitlichen Begrenzungswände - zwischen diesem Teil und der Apertur befinden.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine wesentliche Ursache geringer Winkeldämpfungen im Halbraum um die Antennenachse bei den bekannten Muschelantennen die Rückstrahlung des Primärstrahlersystems, z.B. des Erregerhorns der Muschelantenne, ist. Gegenüber den bekannten Muschelantennen sind somit die Seitenwände der gemäss der Erfindung ausgebildeten Muschelantenne so verlängert, dass die direkte Strahlung des Primärstrahlersystems nur in einem schmalen Winkelbereich aus der Antenne austreten kann. Da die Rückstrahlung des Primärstrahlersystems das Horizontaldiagramm nur in der näheren Umgebund der Antennenachse (Halbstrahl-Scheitel-Brennpunkt) beeinflusst, genügt es, die seitlichen Begrenzungswände entsprechend der Erfindung nur in diesem Bereich wesentlich zu verlängern. Dies ergibt eine Muschelantenne, bei der der auf der Apertur senkrecht stehende Flächenvektor nicht schräg nach unten wie bei den bisher üblichen Muschelantennen, sondern schräg nach oben zeigt.
  • Hierbei ist der übliche Aufbau der Muschelantennen mit unten liegendem Primärstrahlersystem zugrunde gelegt.
  • Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Muschelantenne zeigt hinsichtlich des Antennengewinns gegenüber den bekannten Muschelantennen keine messbare Einbusse.
  • Das durch die Erfindung angegebene Prinzip ist nicht nur für direkt, beispielsweise mittels eines Trichterstrahlers gespeiste Muschelantennen, sondern auch für solche nach dem Mehrspiegelprinzip, z.B. nach Cassegrain oder Gregory, anwendbar.
  • Aus der US-A-4 051 476 und der US-A-4 349 827 sind offset-gespeiste Parallelplatten-Antennen bekannt, die einen schmalen parabolischen Zylinderreflektor, zwei parallel zueinander verlaufende, seitliche Begrenzungswände und einen Primärstrahler aufweisen, der hornstrahlerartig aufgebaut ist und mit zwei gegenüberliegenden Wänden in die seitlichen Begrenzungswände übergeht. Es handelt sich hierbei also nicht um eine in zwei Ebenen stark bündelnde Muschelantenne, bei der bekanntlich ein exzentrischer Rotationsparaboloid-Ausschnitt als Reflektor verwendet wird, sondern um eine nur in einer Ebene nach Art einer Linienstrahlungsquelle stark bündelnde Richtantenne. Die seitlichen Begrenzungswände sind bei diesen bekannten Parallelplatten-Antennen zwar in Höhe des den Reflektor bestrahlenden Primärstrahlers etwa so lang in Antennenstrahlungsrichtung ausgebildet, dass sich dieserbei seiner Projektion auf die seitlichen Begrenzungswände - etwa in der Mitte zwischen Apertur und Reflektor befinden, doch haben hierbei die Begrenzungswände eine andere Funktion als bei der Muschelantenne. Bei der Parallelplatten- Antenne sind sie Teile des funktionsnotwendigen Wellenleitsystems, wogegen sie bei der Muschelantenne zur Abschirmung dienen. Bei der aus der US-A-4 051 476 bekannten und als Einzelstrahler einer Gruppenantenne verwendeten Parallelplatten-Antenne verlaufen die geradlinigen aperturseitigen Ränder der beiden Parallelplatten so, dass der auf der Apertur senkrecht stehende Flächenvektor bei unten liegendem Primärstrahler schräg nach oben gerichtet ist, dies aber nur deswegen, damit etwaige Reflexionsenergien von den Abstrahlungskanten im Inneren von in der Nähe des Brennpunktes angeordneten Absorberelementen aus dielektrischem Material aufgenommen werden können. Bei der aus der US-A-4349827 bekannten Parallelplatten-Antenne verlaufen die aperturseitigen Ränder der Parallelplatten bei unten liegendem Primärstrahler so, dass der auf der Apertur senkrecht stehende Vektor schräg nach unten zeigt, d. h. anders als nach der Erfindung.
  • Eine Knickung in seitlichen Begrenzungswänden einer Parallelplattenantenne oder einer Muschelantenne ist nicht bekannt. Die US-A-2 724 054 zeigt lediglich einen im Aperturbereich nach innen geknickten parabolischen Zylinderreflektor einer Parallelplatten-Antenne, der zusätzlich zu zwischen den Begrenzungswänden senkrecht angeordneten Metallstreifen eine Verbesserung der Aperturbelegung und damit ein günstigeres Strahlungsverhalten der Antenne ergeben soll.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von vier Figuren erläutert. Es zeigen.
    • Fig. 1 die geschnittene Seitenansicht einer Muschelantenne nach der Erfindung,
    • Fig. 2 die geschnittene Draufsicht dieser Antenne,
    • Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Muschelantenne nach der Erfindung ohne geknickte seitliche Begrenzungswände.
    • Fig. 4 die perspektivische Ansicht einer Muschelantenne nach der Erfindung mit geknickten seitlichen Begrenzungswänden.
  • Die in den Fig. 1 und 2 in einer seitlichen Schnittansicht C-D bzw. in einer Schnittansicht A-B von oben dargestellte Mikrowellen-Richtfunkantenne in Muschelbauweise nach der Erfindung weist einen als exzentrischer Rotationsparaboloid-Ausschnitt ausgebildeten Reflektor 1 auf, der nach dem Offset-Prinzip von einem Trichterstrahler 2 mit kreisrunder Apertur gespeist wird. Die Antenne ist seitlich von zwei Begrenzungswänden 3 und 4 sowie unten von einer Begrenzungswand 5 aus metallischem Material, das zum Teil mit Absorberbelag versehen ist, begrenzt. Die Antennenachse verläuft durch den Scheitelpunkt 6 des Reflektors 1 und den Brennpunkt 7 des Trichterstrahlers 2. Die seitlichen Begrenzungswände 3 und 4 sind in Höhe des den Reflektor 1 unmittelbar bestrahlenden Trichterstrahlers 2 etwa so lang in Antennenstrahlungsrichtung ausgebildet, dass sich der Trichterstrahler 2 - bei seiner Projektion auf die seitlichen Begrenzungswände 3 und 4 - etwa in deren Mitte befindet. Damit kann die Strahlung des Trichterstrahlers 2 nur in einem schmalen Winkelbereich aus der Antenne direkt austreten. Die geradlinigen aperturseitigen Ränder der beiden seitlichen Begrenzungswände 3 und 4 verlaufen derart schräg nach oben, dass der auf der Antennenapertur senkrecht stehende Flächenvektor e schräg nach oben gerichtet ist. Bei einer Apertur, wie sie bei den bisherigen Muschelantennen üblich war und wie sie durch die Linien 8 und 9 in den Fig. 1 und 2 angedeutet ist, verläuft der entsprechende Flächenvektor e' auf der Apertur schräg nach unten. Es hat sich herausgestellt, dass die Rückstrahlung des Trichterstrahlers 2 im Horizontaldiagramm nur die nähere Umgebung derAntennenachse 6-7 beeinflusst, so dass es genügt, entsprechend der Erfindung die seitlichen Begrenzungswände 3 und 4 nur in diesem Bereich wesentlich nach vorne zu verlängern. Eine weitere Verbesserung des Horizontaldiagramms der Muschelantenne wird erreicht, wenn die seitlichen Begrenzungswände 3 und 4 nach innen geringfügig abgeknickt sind. Dies ist in Fig. 1 durch die Linie 8 dargestellt, die mit der Knicklinie identisch ist. Die Strahlung des Trichterstrahlers 2 kann somit nur in einem sehr schmalen Winkelbereich a (Fig. 2) aus der Antenne austreten. Der Knickwinkel β im dargestellten Beispiel beträgt 10° nach innen.
  • Fig. 3 zeigt die Schrägansicht einer Muschelantenne nach der Erfindung, die mit derjenigen nach den Fig. 1 und 2 mit Ausnahme der Abknickungen in den beiden seitlichen Begrenzungswänden 3 und 4 übereinstimmt. Die Linien 10, 11 und 12 sollen die Aperturbegrenzungen der Muschelantenne der bisher üblichen Bauform andeuten.
  • Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht die Ausführungsform der Fig. 1 und 2, d.h. mit geknickten seitlichen Begrenzungswänden 3 und 4. In diesem Beispiel stimmen die Knicklinien mit den seitlichen Aperturrandlinien 10 und 11 der Muschelantenne nach der bisher üblichen Bauform überein.

Claims (4)

1. Mikrowellen-Richtfunkantenne in Muschelbauweise mit einem als exzentrischer Rotationsparaboloid-Ausschnitt ausgebildeten Reflektor (1), der nach dem Offset-Prinzip von einem Primärstrahlersystem gespeist wird und seitlich sowie unten vom metallischen Wänden (3, 4, 5) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Begrenzungswände (3, 4) in Höhe des den Reflektor (1) unmittelbar bestrahlenden Teils (2) des Primärstrahlersystems etwa so lang in Antennenstrahlungsrichtung ausgebildet sind, dass sich dieser Teil (2) des Primärstrahlersystems - bei seiner Projektion auf die seitlichen Begrenzungswände - etwa in der Mitte zwischen Apertur und Reflektor (1) befindet, dass die geradlinigen aperturseitigen Ränder der beiden seitlichen Begrenzungswände (3, 4) so verlaufen, dass der auf der Apertur senkrecht stehende Flächenvektor(e) bei unten liegendem Primärstrahlersystem (2) schräg nach oben und bei oben liegendem Primärstrahlersystem schräg nach unten gerichtet ist, dass die seitlichen Begrenzungswände (3, 4) nach innen abgeknickt sind und die Knicklinien (10, 11) etwa vertikal verlaufen, und dass sich die Knicklinien (10, 11) - bei Projektion des den Reflektor (1) unmittelbar bestrahlenden Teils auf die seitlichen Begrenzungswände (3, 4) - zwischen diesem Teil (2) und der Apertur befinden.
2. Mikrowellen-Richtfunkantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Knickwinkel (ß) etwa 10° nach innen beträgt.
3. Mikrowellen-Richtfunkantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Reflektor (1) unmittelbar bestrahlende Teil des Primärstrahlersystems ein Trichterstrahler (2) z. B. mit kreisrunder oder quadratischer Apertur ist.
4. Mikrowellen-Richtfunkantenne nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Reflektor (1) unmittelbar bestrahlende Teil des Primärstrahlersystems der Subreflektor eines nach dem Mehrspiegelprinzip arbeitenden Systems, z. B. nach Cassegrain oder Gregory, ist.
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