EP0140199A2 - Einrichtung zur Kompensation von Kreuzpolarisationskomponenten bei einer Antenne mit einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich einstrahlenden Primärstrahler - Google Patents

Einrichtung zur Kompensation von Kreuzpolarisationskomponenten bei einer Antenne mit einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich einstrahlenden Primärstrahler Download PDF

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EP0140199A2 EP84111834A EP84111834A EP0140199A2 EP 0140199 A2 EP0140199 A2 EP 0140199A2 EP 84111834 A EP84111834 A EP 84111834A EP 84111834 A EP84111834 A EP 84111834A EP 0140199 A2 EP0140199 A2 EP 0140199A2
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reflector
waveguide
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Uwe Dipl.-Ing. Leupelt
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    • H—ELECTRICITY
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    • 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 device for compensating for disturbing cross polarization components caused by the deflection on a curved reflector in an antenna provided for linear polarization, on the curved reflector of which is radiated laterally by a primary radiator designed as a horn or waveguide radiator, in whose waveguide feed waves of one are excited in comparison to the fundamental wave of a higher wave type, which have the same amplitudes in opposite phases as the waves of the wave type which would cause the same disturbing cross-polarization components as the curved reflector actually causes.
  • a combination of a curved reflector and a side-mounted (off-set) horn is often used.
  • a reflector is usually a section of a surface of revolution that is generated by a conic curve.
  • a focal point of the reflector usually coincides with the phase center of the horn.
  • Such arrangements are used either as separate antennas for directional radio, for example in the form of horn parabolic antennas and shell antennas, or also for feeding large reflector antennas in satellite radio, for example as horn parabolic or with a beam waveguide 1 .
  • Typical of the radiation behavior of these side-fed reflectors in linear polarization is a relatively high proportion of cross polarization in the diagram plane of the far field diagram that is assigned to the transverse plane perpendicular to the symmetry plane of the reflector.
  • Illuminated rotationally symmetrical parabolic reflector with a linearly polarized primary radiator which: generates a cross-polarization-free and rotationally symmetrical field (Huygens source)
  • the aperture field created after the reflection at the reflector is polarized in parallel and has no cross-polarized components. If the emitter axis is inclined against the reflector axis when feeding from the side, the aperture field is distorted in such a way that cross-polarized field components now occur.
  • the far field distribution belonging to such an aperture field shows a cross-polarized diagram with a zero in the axial direction or in the plane of symmetry and with relatively high maxima of the cross-polarization (typically about -18 dB) in the orthogonal plane.
  • the configuration of the undesired 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, which are excited by the reflector in addition to the existing basic wave type (analogy to the excitation of higher wave types in waveguides due to impurities). If such a distorted field, which arose from a wave that was originally free of cross polarization by deflection at the reflector, onto the aperture of one at the location of the Focal point arranged waveguide hits, so higher wave types can be excited in the waveguide. They can spread out in the waveguide until the cross section becomes too small. From then on, these wave types are reflected. However, the cross section cannot often be made so small, since modes with limit frequencies similar to those of the interference modes are used, for example, for direction finding purposes.
  • the principle of compensating the frequency and polarization-dependent cross-polarization components in a laterally fed reflector antenna is known and consists in the excitation of a corresponding antiphase wave type of the same amplitude by means of measures in the feed waveguide or in the primary radiator itself.
  • the field generated by the primary radiator becomes that of the Deflection reflector optimally adapted in the sense of compensation.
  • the prerequisite here is that the primary radiator used already delivers correspondingly low cross-polarization contributions.
  • the object of the invention is to achieve broadband compensation of the frequency and polarization-dependent cross-polarization components in a laterally fed reflector antenna with relatively simple means.
  • this object is achieved in that in the waveguide feed of the primary radiator, a mode coupler constructed in the manner of a DF shaft coupler is installed, which has an external signal input to which a correction signal is applied, which excites the 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 a broadband effect, ie Frequency-matched passive phase and amplitude adjusters are arranged, which are dimensioned such that the necessary correction signal characteristic is set over the desired frequency band, and that the correction signal path is connected on its input side via a coupler to the part of the waveguide supply that only guides the fundamental wave in such a way that a Part of the fundamental wave signal is coupled into the correction signal path.
  • a mode coupler constructed in the manner of a DF shaft coupler is installed, which has an external signal input to which a correction signal is applied, which excites the compensating wave of the higher wave type in the waveguide feed that the
  • a special mode coupler which has an external signal input is thus used to excite the compensating higher wave in the feed waveguide.
  • this allows the construction of an external correction tursignalweg, in the course of which broadband effective, ie frequency-matched passive phase and amplitude setting elements are installed.
  • broadband effective, ie frequency-matched passive phase and amplitude setting elements are installed.
  • a predetermined phase and amplitude characteristic is simulated over a wide frequency range, it only having to be set or adjusted once.
  • This signal path is coupled to the fundamental wave signal via the coupler.
  • the method can be used in the round as well as in the rectangular / square waveguide cross-section, with a separate compensation circuit having to be set up for each polarization direction.
  • the correction signal is set by means of the correction network in such a way that, in addition to the cross-polarization component generated by the reflector in each case, dispersions of the phase positions in the waveguide feed and in the free space and also the. Properties of the mode coupler are taken into account.
  • the antenna consists of a curved reflector 9 onto which a horn radiator 8 arranged with its feed center in the reflector focal point radiates laterally.
  • the horn 8 is fed via a feed waveguide 7.
  • a signal coupler 3 is used to convert part 1, which only carries the fundamental wave a certain proportion of the incoming fundamental wave signal is derived from the feed waveguide and fed to a correction network 4 via a line 2.
  • the circuit contained in the network 4 consists of various damping circuits 11 and phase elements 10 which serve to adjust the amplitude and are dimensioned such that they set the necessary signal characteristic over the desired frequency band.
  • the correction signal taken from the network 4 is then input to an external input 5 of a mode coupler 6 and is coupled there again as a higher wave type into the feed waveguide 7 and emitted together with the fundamental wave from the horn antenna 8 to the reflector 9.
  • the additional signal supplied to the outer input 5 of the mode coupler 6 is of such a type that it compensates for the cross polarization component generated by the reflector 9, ie the correction network 4 must also, for example, dispersions of the phases in the waveguide 7, in free space (near field) and properties of the mode coupler 6 consider. Examples of corresponding combinations of waveguide shaft types that can be generated in different emitters for compensation are listed in the following table.

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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

Im Zuführungshohlleiter (7) zum Antennenhornstrahler (8) werden mittels eines einen äußeren Signaleingang (5) aufweisenden Modenkopplers (6) Wellen eines im Vergleich zur Grundwelle höheren Wellentyps eingekoppelt, die gegenphasig die gleiche Amplitude haben wie Wellen desjenigen Wellentyps, der die gleichen störenden Kreuzpolarisationskomponenten hervorrufen würde, wie der gekrümmte Reflektor sie tatsächlich verursacht. Der Modenkoppler wird am äußeren Signaleingang von einem Korrektursignal beaufschlagt, das vom Grundwellensignal im Zuführungshohlleiter mittels eines Kopplers (3) abgeleitet und in einem Korrektursignalweg mittels eines Korrekturnetzwerks (4) phasen- und amplitudenmäßig passend eingestellt wird, so daß eine breitbandige Anregung der gegenphasigen Kompensationswelle möglich ist. Die Einrichtung nach der Erfindung ist zur Anwendung bei Satelliten- und Richtfunkantennen geeignet.

Description

  • 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, in dessen Hohlleiterzuführung Wellen eines im Vergleich zur Grundwelle höheren Wellentyps angeregt sind, die in entgegengesetzter Phasenlage gleiche Amplituden haben wie die Wellen desjenigen Wellentyps, der die gleichen störenden Kreuzpolarisationskomponenten hervorrufen würde, wie sie der gekrümmte Reflektor tatsächlich verursacht.
  • Für Antennen im Mikrowellenbereich wird vielfach eine Kombination aus einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich (off-set) einstrahlenden Hornstrahler verwendet. Ein derartiger Reflektor ist meist ein Ausschnitt aus einer Rotationsfläche, die durch eine Kegelschnittkurve erzeugt wird. Ein Brennpunkt des Reflektors fällt in der Regel mit dem Phasenzentrum des Hornstrahlers zusammen. Solche Anordnungen werden entweder als eigene Antennen für Richtfunk, z.B. in Form von Hornparabolantennen und Muschelantennen, oder auch zur Speisung großer Reflektorantennen im Satellitenfunk, beispielsweise als Hornparabol oder bei einem Strahlwellen- leiterleingesetzt.
  • Typisch für das 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 senkrechten Transversalebene zugeordnet ist.
  • Die Entstehung dieser kreuzpolarisierten Anteile des Feldes läßt sich rein geometrisch folgendermaßen verdeutlichen.
  • Wird ein z.B. rotationssymmetrischer Parabolreflektor mit einem linear polarisierten Primärstrahler ausgeleuchtet, der: ein kreuzpolarisationsfreies und drehsymmetrisches Feld erzeugt (Huygens-Quelle), so-ist das nach der Reflexion am Reflektor entstehende Aperturfeld parallel polarisiert und weist keine kreuzpolarisierten Komponenten auf. Wird bei seitlicher Speisung die Strahlerachse gegen die Reflektorachse geneigt, so tritt eine Verzerrung des Aperturfeldes dergestalt auf, daß jetzt kreuzpolarisierte Feldanteile entstehen. Die zu einem derartigen Aperturfeld gehörende Fernfeldverteilung zeigt ein kreuzpolarisiertes Diagramm mit einer Nullstelle in Achsrichtung bzw. in der Symmetrieebene und mit relativ hohen Maxima der Kreuzpolarisation (typisch etwa -18 dB) in der dazu orthogonalen Ebene.
  • 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 (Analogie zur Anregung höherer Wellentypen in Hohlleitern durch Störstellen). Wenn ein derart verzerrtes Feld, das aus einer ursprünglich kreuzpolarisationsfreien Welle durch Umlenkung am Reflektor entstanden ist, auf die Apertur eines am Ort des Brennpunktes angeordneten Hohlleiterstrahlers auftrifft, so können entsprechende höhere Wellentypen auch im Hohlleiter angeregt werden. Sie können sich im Hohlleiter solange ausbreiten, bis der Querschnitt zu klein wird. Von da an werden diese Wellentypen reflektiert. Der Querschnitt kann aber häufig nicht so klein gemacht werden, da z.B. für Peilzwecke Moden mit ähnlichen Grenzfrequenzen wie die der Störmoden verwendet werden.
  • Das Prinzip, eine Kompensation der frequenz- und polarisationsabhängigen Kreuzpolarisationskomponenten bei einer seitlich gespeisten Reflektorantenne zu erreichen, ist bekannt und besteht in der Anregung eines entsprechenden gegenphasigen Wellentyps gleicher Amplitude durch Maßnahmen im Zuführungshohlleiter oder im Primärstrahler selbst. Dabei wird das vom Primärstrahler erzeugte Feld demjenigen des Umlenkreflektors im Sinne der Kompensation möglichst optimal angepaßt. Vorausgesetzt ist dabei, daß der verwendete Primärstrahler bereits entsprechend niedrige eigene Kreuzpolarisationsbeiträge liefert.
  • Experimentelle Untersuchungen über Verfahren, die nach diesem Prinzip in einem stark eingeschränkten Frequenzbereich arbeiten, sind bereits veröffentlicht worden. In diesem Zusammenhang wird auf den Aufsatz von A.W. Rudge und N.A. Adatia: "Offet-Parabolic-Reflector Antennas", in Proceedings IEEE, Vol.66, No.12, Dez.1978, Seiten 1592-1618 und auf den Aufsatz von E.Gillitzer und W.Löw: "Schrägparabolantenne mit kompensierter Kreuzpolarisation" in den NTG-Fachberichten Band 78 über die Tagung "Antennen", 16.-19.3.1982 hingewiesen. Der wesentliche Nachteil aller dieser bekannten Lösungen liegt jedoch darin, daß die Anregung der kompensierenden höheren Wellen stets durch Stifte oder ähnliche Störstellen, z.B. Schlitze in der Wand mit außen angesetzten Blindhohlleitern, innerhalb des
  • Zuführungshohlleiters oder in der Apertur des Primärstrahlers erfolgt. Mit.diesen bekannten Anordnungen ist eine breitbandige Anregung der gegenphasigen Kompensationswelle nicht möglich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine breitbandige Kompensation der frequenz- und polarisationsabhängigen Kreuzpolarisationskomponenten bei einer seitlich gespeisten Reflektorantenne mit verhältnismäßig einfachen Mitteln zu erreichen.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in die Hohlleiterzuführung des Primärstrahlers ein nach Art eines Peilwellenkopplers 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 breitbandig wirksame, d.h. frequenzangepaßte passive Phasen- und Amplitudeneinstellglieder angeordnet sind, die so bemessen sind, daß über das gewünschte Frequenzband die notwendige Korrektursignalcharakteristik eingestellt wird, und daß der Korrektursignalweg an seiner Eingangsseite über einen Koppler mit dem nur die Grundwelle führenden Teil der Hohlleiterzuführung derart verbunden ist, daß ein Teil des Grundwellensignals in den Korrektursignalweg eingekoppelt wird.
  • Bei der Einrichtung nach der Erfindung wird somit zur Anregung der kompensierenden höheren Welle im Zuführungshohlleiter ein spezieller Modenkoppler verwendet, der einen äußeren Signaleingang besitzt. Dieser erlaubt im Gegensatz zu den bekannten Lösungen den Aufbau eines externen Korrektursignalwegs, in dessen Verlauf breitbandig wirksame, d.h. frequenzangepaßte passive Phasen- und Amplitudeneinstellglieder eingebaut sind. Mit deren Hilfe wird eine vorgegebene Phasen- und Amplitudencharakteristik über einen weiten Frequenzbereich nachgebildet, wobei sie nur einmalig fest eingestellt bzw. abgeglichen werden muß. Dieser Signalweg wird über den Koppler mit dem Grundwellensignal gekoppelt. Das Verfahren ist gleichermaßen im Rund- wie im Rechteck-/Quadrathohlleiterquerschnitt anwendbar, wobei für jede Polarisationsrichtung ein eigener Kompensationskreis aufzubauen ist.
  • In vorteilhafter Weise wird das Korrektursignal mittels des Korrekturnetzwerks so eingestellt, daß außer dem vom Reflektor jeweils erzeugten Kreuzpolarisationsanteil auch Dispersionen der Phasenlagen in der Hohlleiterzuführung und im Freiraum und außerdem die. Eigenschaften des Modenkopplers berücksichtigt sind.
  • Mit einer entsprechend der Erfindung ausgebildeten Kompensationseinrichtung läßt sich bei Linearpolarisation in einem breiten Frequenzbereich eine wesentliche Verbesserung des Kreuzpolarisationsverhaltens bei seitlich gespeisten Reflektorantennen erreichen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Figur dargestellten Schaltungsbeispiels erläutert.
  • Die Antenne besteht aus einem gekrümmten Reflektor 9, auf den ein mit seinem Speisezentrum im Reflektorbrennpunkt angeordneter Hornstrahler 8 seitlich einstrahlt. Gespeist wird der Hornstrahler 8 über einen Zuführungshohlleiter 7. Bei Betrachtung in Senderichtung wird über einen Signalkoppler 3 aus einem nur die Grundwelle führenden Teil 1 des Zuführungshohlleiters ein bestimmter Anteil des ankommenden Grundwellensignals abgeleitet und über eine Leitung 2 einem Korrekturnetzwerk 4 zugeführt. Die im Netzwerk 4 enthaltene Schaltung besteht aus verschiedenen, der Amplitudeneinstellung dienenden Dämpfungskreisen 11 und Phasengliedern 10, die so bemessen sind, daß sie über das gewünschte Frequenzband die notwendige Signalcharakteristik einstellen. Das dem Netzwerk 4 entnommene Korrektursignal wird dann einem äußeren Eingang 5 eines Modenkopplers 6 eingegeben und dort als höherer Wellentyp wieder in den Zuführungshohlleiter 7 eingekoppelt und zusammen mit der Grundwelle vom Hornstrahler 8 zum Reflektor 9 hin abgestrahlt. Das dem äußeren Eingang 5 des Modenkopplers 6 zugeführte zusätzliche Signal ist so geartet, daß es den vom Reflektor 9 jeweils erzeugten Kreuzpolarisatiönsanteil kompensiert, d.h. das Korrekturnetzwerk 4 muß auch beispielsweise Dispersionen der Phasen im Hohlleiter 7, im Freiraum (Nahfeld) und Eigenschaften des Modenkopplers 6 berücksichtigen. Beispiele für entsprechende Kombinationen von Hohlleiterwellentypen, die in verschiedenen Strahlern zur Kompensation erzeugt werden können, sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
    Figure imgb0001

Claims (3)

1. 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, in dessen Hohlleiterzuführung Wellen eines im Vergleich zur Grundwelle höheren Wellentyps angeregt sind, die in entgegengesetzter Phasenlage gleiche Amplituden haben wie die Wellen desjenigen Wellentyps, der die gleichen störenden Kreuzpolarisationskomponenten hervorrufen würde, wie sie der gekrümmte Reflektor tatsächlich verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hohlleiterzuführung (7) des Primärstrahlers (8) ein nach Art eines Peilwellenkopplers aufgebauter Modenkoppler (6) eingebaut ist, der einen äußeren Signaleingang (5) 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 (5) des Modenkopplers (6) angelegte Korrektursignal dem Ausgang eines externen Korrektursignalwegs entnommen wird, in dessen Verlauf als Korrekturnetzwerk (4) breitbandig wirksame, d.h. frequenzangepaßte passive Phasen- und Amplitudeneinstellglieder (10, 11), angeordnet sind, die so bemessen sind, daß über das gewünschte Frequenzband die notwendige Korrektursignalcharakteristik eingestellt wird, und daß der Korrektursignalweg an seiner Eingangsseite (2) über einen Koppler (3) mit dem nur die Grundwelle führenden Teil (1) der Hohlleiterzuführung derart verbunden ist, daß ein Teil des Grundwellensignals in den Korrektursignalweg eingekoppelt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Polarisationsrichtung der Antenne ein eigener Korrektursignalweg vorgesehen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal mittels des Korrekturnetzwerks (4) so eingestellt ist, daß außer dem vom Reflektor (9) jeweils erzeugten Kreuzpolarisationsanteil auch Dispersionen der-Phasenlagen in der Hohlleiterzuführung (7) und im Freiraum und außerdem die Eigenschaften des Modenkopplers (6) berücksichtigt sind.
EP84111834A 1983-10-06 1984-10-03 Einrichtung zur Kompensation von Kreuzpolarisationskomponenten bei einer Antenne mit einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich einstrahlenden Primärstrahler Expired - Lifetime EP0140199B1 (de)

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