EP0284883A1 - Zweispiegel-Mikrowellen-Richtantennenanordnung - Google Patents

Zweispiegel-Mikrowellen-Richtantennenanordnung Download PDF

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EP0284883A1 EP88104119A EP88104119A EP0284883A1 EP 0284883 A1 EP0284883 A1 EP 0284883A1 EP 88104119 A EP88104119 A EP 88104119A EP 88104119 A EP88104119 A EP 88104119A EP 0284883 A1 EP0284883 A1 EP 0284883A1
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    • 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
    • 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 invention relates to a two-mirror microwave directional antenna arrangement constructed symmetrically with respect to an imaginary central plane according to the so-called Gregory or Cassegrain principle, consisting of a main reflector in the form of a non-rotationally symmetrical rotary paraboloid cutout, a catch reflector shaped as an ellipsoid or hyperboloid cutout and a primary radiator, from which the catch reflector is illuminated, which in turn illuminates the main reflector, the primary radiator and the catch reflector being arranged in relation to the main reflector in such a way that the catch reflector and the primary reflector, according to the so-called off-set feeding principle, are outside the beam path of the Main reflector.
  • Microwave directional antennas to be used for directional or satellite radio to which very high demands are placed with regard to the attenuation of the secondary zip field of the radiation diagram, are often set up in the form of so-called "off-set” antennas or oblique parabolic antennas with side feed.
  • a section of a paraboloid of revolution is used as the antenna reflector.
  • the radiating aperture is completely free from disturbing, i.e. shading elements, which are a major cause of interference radiation in conventional, rotationally symmetrical parabolic antennas.
  • a known method for improving the cross-polarization attenuation of these antennas is that the asymmetrical main reflector is combined with a correspondingly shaped catch reflector in such a way that the polarization distortions generated by both reflectors largely cancel each other out.
  • a hyperboloid section (Cassegrain antenna) or more often an ellipsoid section (Gregory antenna) can be used as a catch reflector.
  • This antenna shows a section through the plane of symmetry of a Gregory antenna.
  • This antenna consists of a main reflector 1 in the form of a non-rotationally symmetrical rotational paraboloid cutout, a catch reflector 2 shaped as a rotational ellipsoid cutout and a primary radiator 3 from which the catch reflector 2 is illuminated.
  • the catch reflector 2 in turn illuminates the main reflector 1.
  • F1 is the focal point of the paraboloid of revolution and at the same time one of the two focal points of the ellipsoid of revolution, of which a section forms the catch reflector 2.
  • ⁇ 1 and ⁇ 3 are the two edge ray angles. If the position of the second ellipsoid focal point F2, which coincides at least approximately with the phase center of the primary radiator 3, is determined, then according to the article by Y Mizuguchi, M. Akagawa, H.Yokoi: “Offset Gregorian Antenna" in the magazine “Electronics and Communications in Japan ", Vol. 61-B, No. 3, 1978, pages 58 to 66 all other sizes and angles of the arrangement are mandatory.
  • the cross-polar maxima of a mussel antenna diagram could be reduced from -17 dB with direct feeding to about - 30 dB with a capture reflector 2 of about 12 wavelengths in diameter.
  • the object of the invention is to provide measures by which the cross-polarization attenuation is further improved when using electrically relatively small capturing reflectors in a directional antenna of the type mentioned.
  • the catch reflector has the shape of a section symmetrical with respect to the central plane of a general three-axis ellipsoid in the case of the Gregory antenna or of a general three-axis hyperboloid in the case of the Cassegrain antenna, the three semi-axes of which are different are measured.
  • the length of the not in the center plane of symmetry depends on the length that results from the theoretical dimensioning of the usual ellipsoid of revolution or hyperboloid of revolution, depending on the overall structure.
  • FIG. 2 shows a catch reflector 2 designed according to the invention and provided for a Gregory antenna, which is not a section of an ellipsoid of revolution but a general ellipsoid 4 with three differently dimensioned semiaxes a, b and c.
  • a Gregory antenna which is not a section of an ellipsoid of revolution but a general ellipsoid 4 with three differently dimensioned semiaxes a, b and c.
  • its semiaxis c which is not in the plane of symmetry x - y
  • the transition from the original rotational body to a general ellipsoid 4 with three semi-axes a, b, c which are different in pairs is thus carried out.
  • the equation of the ellipsoid of revolution is:
  • the specified measure can also be applied to the case in which the catch reflector 2, as is required in the case of a Cassegrain antenna, is designed as a hyperboloid, with the improved contour then analogously to a section of a general three-axis hyperboloid becomes.

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Abstract

Der bei einer off-set-gespeisten Gregory- oder Cassegrain-Antenne vorgesehene Fangreflektor (2) ist nicht der Ausschnitt eines Rotationsellipsoids bzw. Rotationshyperboloids, sondern eines allgemeinen Ellipsoids (4) bzw. Hyperboloids mit drei unterschiedlich bemessenen Halbachsen (a, b, c). Der Einsatz der Erfindung ist bei Richtfunk- und Satellitenfunkantennen vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine in bezug auf eine gedachte Mittelebene symmetrisch aufgebaute Zweispiegel-Mikrowellen-­Richtantennenanordnung nach dem sogenannten Gregory- oder dem Cassegrain-Prinzip, bestehend aus einem Hauptreflektor in Form eines nicht rotationssymmetrischen Rotationsparaboloidaus­schnitts, einem als Ellipsoid- bzw. Hyperboloidausschnitt geformten Fangreflektor und einem Primärstrahler, von dem der Fangreflektor angestrahlt wird, der seinerseits den Hauptre­flektor ausleuchtet, wobei der Primärstrahler und der Fangre­flektor derart in bezug auf den Hauptreflektor angeordnet sind, daß der Fangreflektor und der Primärstsrahler entsprechend dem sogenannten Off-Set-Speiseprinzip außerhalb des Strahlengangs des Hauptreflektors liegen.
  • Für den Richt- oder Satellitenfunk einzusetzende Mikrowellen-­Richtantennen, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Nebenzipfeldämpfung des Strahlendiagramms gestellt sind, werden häufig in Form sogenannter "Off-Set"-Antennen oder Schrägpa­rabolantennen mit seitlicher Speisung aufgebaut. Als Antennen­reflektor findet hierbei ein Ausschnitt aus einem Rotations­paraboloid Verwendung. Bei dieser Anordnung ist die strahlende Apertur völlig frei von störenden, d.h. abschattenden Elemen­ten, die bei konventionellen, rotationssymmetrisch aufgebauten Parabolantennen eine wesentliche Ursache für Störstrahlungen sind.
  • Eine derartige, direkt aus dem Brennpunkt gespeiste Schrägpa­rabolantenne besitzt jedoch einen schwerwiegenden Nachteil. In derjenigen Ebene nämlich, die senkrecht zur Symmetrieebene der Anordnung steht, befinden sich beiderseits der Hauptstrahl­richtung zwei ausgeprägte Maxima der unerwünschten Kreuzpola­risation. Diese Maxima werden durch eine Verzerrung der (ge­dachten) Polarisationslinien im dazugehörigen Aperturfeld verursacht, die grundsätzlich bei allen unsymmetrischen Re­flektoranordnungen auftritt, selbst wenn die Speisung durch eine ideale, sogenannte Huygensquelle erfolgt.
  • Erwünscht sind daher alle Maßnahmen, die zu einer wirkungs­vollen und breitbandigen Verringerung der Polarisationsver­zerrungen führen, ohne daß die sonst guten Eigenschaften der Antenne beeinträchtigt werden.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Kreuzpolarisa­tionsdämpfung dieser Antennen besteht darin, daß der asymme­trische Hauptreflektor so mit einem entsprechend geformten Fangreflektor kombiniert wird, daß sich die von beiden Re­flektoren erzeugten Polarisationsverzerrungen weitgehend auf­heben. Als Fangreflektor kann dabei ein Hyperboloidausschnitt (Cassegrain-Antenne) oder häufiger ein Ellipsoidausschnitt (Gregory-Antenne) verwendet werden.
  • Bei infinitesimal kleiner Wellenlänge (geometrisch-optisches Ausbreitungsmodell) funktioniert diese Kompensation ideal und breitbandig. Die tatsächlich erreichbare Kompensationsgüte hängt jedoch vor allem von den Abmessungen des Fangreflektors in Wellenlängen ab. Das technische Problem besteht allgemein darin, auch bei elektrisch kleinen Fangreflektoren mit Dimen­sionen von nur etwa zehn oder etwas mehr Wellenlängen möglichst gute Kreuzpolarisationseigenschaften zu erreichen. Die Abmes­sungen werden dabei durch den in der Antenne verfügbaren Ein­bauraum begrenzt, d.h. die Schwierigkeiten steigen bei niedri­ger werdender Frequenz.
  • Der Aufbau einer Schrägparabolantenne mit Ellipsoid-Fangre­flektor (Gregory-Anordnung) oder Hyperboloid-Fankgreflektor (Cassegrain-Anordnung), wie sie z.B. aus der DE-OS 15 16 828 bekannt sind, erfolgte bisher nach rein geometrisch-optischen Kriterien.
  • In Fig. 1 ist ein Schnitt durch die Symmetrieebene einer Gregory-Antenne dargestellt. Diese Antenne besteht aus einem Hauptreflektor 1 in Form eines nicht rotationssymmetri­schen Rotationsparaboloidausschnitts, einem als Rotations­ellipsoidausschnitt geformten Fangreflektor 2 und einem Pri­märstrahler 3, von dem der Fangreflektor 2 angestrahlt wird.
  • Der Fangreflektor 2 seinerseits leuchtet den Hauptreflektor 1 aus. Dabei ist F₁ der Brennpunkt des Rotationsparaboloids und zugleich einer der beiden Brennpunkte des Rotationsellipsoids, von dem ein Ausschnitt den Fangreflektor 2 bildet. γ₁ bzw. γ₃ sind die beiden Randstrahlwinkel. Ist die Lage des zweiten Ellipsoidbrennpunktes F₂ , der zumindest angenähert mit dem Phasenzentrum des Primärstrahlers 3 zusammenfällt, festgelegt, so ergeben sich nach dem Aufsatz von Y Mizuguchi, M. Akagawa, H.Yokoi: "Offset Gregorian Antenna" in der Zeitschrift "Elec­tronics and Communications in Japan", Vol. 61-B, No. 3, 1978, Seiten 58 bis 66 alle weiteren Größen und Winkel der Anordnung zwigend. Weiter folgt aus dem Modell gemäß der geometrischen Optik zwangsweise, daß der Fangreflektor 2 als Ausschnitt aus einem Rotationsellipsoid definiert ist, bei dem bekanntlich zwei der drei Halbachsen a, b und c die gleiche Länge besitzen (b = c). Auf diese Art und Weise konnten im Frequenzbereich 3,4 bis 4,2 GHz mit einem Fangreflektor 2 von ca. 12 Wellenlängen Durchmesser die kreuzpolaren Maxima eines Muschelantennendia­gramms von -17 dB bei direkter Speisung auf etwa - 30 dB abgesenkt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, durch die bei einer Richtantenne der eingangs genannten Art die Kreuz­polarisationsdämpfung bei Verwendung von elektrisch relativ kleinen Fangreflektoren weiter verbessert wird.
  • Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Fang­reflektor die Form eines in bezug zur Mittelebene symmetri­schen Ausschnitts aus einem allgemeinen dreiachsigen Ellipsoid im Falle der Gregory-Antenne bzw. aus einem allgemeinen drei­achsigen Hyperboloid im Falle der Cassegrain-Antenne aufweist, dessen drei Halbachsen unterschiedlich bemessen sind.
  • In vorteilhafter Weise weicht die Länge der nicht in der Symmetriemittelebene liegenden Halbachse abhängig vom Gesamt­aufbau um einen Betrag, der im Bereich von einigen Zehnteln einer Wellenlänge liegt, von derjenigen Länge ab, die sich bei theoretischer Dimensionierung des üblichen Rotationsellipsoids bzw. Rotationshyperboloids ergibt.
  • Eine zusätzliche Verbesserung des kreuzpolaren Strahlungsver­haltens kann sich bei einer Richtantennenanordnung der eingangs genannten Art dann ergeben, wenn die Form des in bezug zur Mit­telebene symmetrischen Fangreflektors von der Form eines Aus­schnitts aus einem allgemeinen dreiachsigen Ellipsoid bzw. Hy­perboloid geringfügig abweicht, d.h. wenn zu einer noch allge­meineren geometrischen Form übergegangen wird.
  • Fig. 2 zeigt einen nach der Erfindung ausgebildeten, für eine Gregory-Antenne vorgesehenen Fangreflektor 2, der nicht ein Aus­schnitt eines Rotationsellipsoids, sondern eines allgemeinen Ellipsoids 4 mit drei unterschiedlich bemessenen Halbachsen a, b und c ist. Dabei ist abweichend von der theoretischen Dimen­sionierung des Rotationsellipsoids seine nicht in der Symme­trieebene x - y befindliche Halbachse c abhängig vom Gesamtauf­bau um einen bestimmten Betrag verändert, der im Bereich von einigen Zehnteln einer Wellenlänge liegt. Es wird damit der Übergang vom ursprünglichen Rotationskörper zu einem allgemei­nen Ellipsoid 4 mit drei paarweise verschiedenen Halbachsen a, b, c vollzogen. Die Gleichung des Rotationsellipsoids lautet:
    Figure imgb0001
  • Die Gleichung des allgemeinen Ellipsoids 4 dagegen lautet:
    Figure imgb0002
  • Am Beispiel einer für den Frequenzbereich 3,58 bis 4,2 GHz entwickelten Schrägparabolantenne mit Abmessungen des Fang­reflektors 2 zwischen 10,7 λ und 12,6 λ ließen sich Maximalwerte der Kreuzpolarisation im Vergleich zu einer Aus­führung mit konventionell geformter Kontur deutlich verringern, d.h. die Pegel wurden je nach Polarisation bzw. Frequenz zwi­schen 3 und 7 dB verbessert.
  • Prinzipiell in gleicher Weise läßt sich die angegebene Maßnahme auch auf den Fall anwenden, daß der Fangreflektor 2, wie es bei einer Cassegrain-Antenne erforderlich ist, als Hyperboloid aus­gebildet ist, wobei in Analogie dazu die verbesserte Kontur dann ein Ausschnitt aus einem allgemeinen dreiachsigen Hyper­boloid wird.

Claims (3)

1. In bezug auf eine gedachte Mittelebene symmetrisch aufge­baute Zweispiegel-Mikrowellen-Richtantennenanordnung nach dem sogenannten Gregory- oder dem Cassegrain-Prinzip, bestehend aus einem Hauptreflektor in Form eines nicht rotationssymmetrischen Rotationsparaboloidausschnitts, einem als Ellipsoid- bzw. Hy­perboloidausschnitt geformten Fangreflektor und einem Primär­strahler, von dem der Fangreflektor angestrahlt wird, der sei­nerseits den Hauptreflektor ausleuchtet, wobei der Primärstrah­ler und der Fangreflektor derart in bezug auf den Hauptreflek­tor angeordnet sind, daß der Fangreflektor und der Primärstrah­ler entsprechend dem sogenannten Off-Set-Speiseprinzip außer­halb des Strahlengangs des Hauptreflektors liegen,
dadurch gekennzeichnet, daß der Fangreflektor (2) die Form eines in bezug zur Mittelebene symmetrischen Ausschnitts aus einem allgemeinen dreiachsigen Ellipsoid (4) im Falle der Gregory-Antenne bzw. aus einem all­gemeinen dreiachsigen Hyperboloid im Falle der Cassegrain-An­tenne aufweist, dessen drei Halbachsen (a, b, c) unterschied­lich bemessen sind.
2. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der nicht in der Symmetrieebene liegenden Halbachse (c) abhängig vom Gesamtaufbau um einen Betrag, der im Bereich von einigen Zehnteln einer Wellenlänge liegt, von derjenigen Länge abweicht, die sich bei theoretischer Dimensionierung des üblichen Rotationsellipsoids bzw. Rotationshyperboloids ergibt.
3. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Form des in bezug zur Mittelebene symmetrischen Fangre­flektors (2) von der Form eines Ausschnitts aus einem allge­meinen dreiachsigen Ellipsoid bzw. Hyperboloid geringfügig abweicht.
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