ITRM940777A1

ITRM940777A1 - Antenna con fascio ellittico ruotabile con possibilita' di riconfigurazione e zoom del fascio

Info

Publication number: ITRM940777A1
Application number: IT000777A
Authority: IT
Inventors: Salvatore Contu; Alberto Meschini; Roberto Mizzoni
Original assignee: Alenia Spazio Spa
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1996-05-25
Also published as: EP0741917A1; JPH09504158A; AU2526695A; DE69531604T2; WO1996017403A1; IT1275349B; FI962951A; DK0741917T3; ES2204951T3; JP3188474B2; EP0741917B1; FI962951A0; US5977923A; ITRM940777A0; DE69531604D1

Description

DESCRIZIONE

relativa a una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: "Antenna con fascio ellittico ruotabile con possibilità di riconfigurazione e zoom del fascio

TESTO DELLA DESCRIZIONE

L'invenzione qui descritta riguarda un'antenna a microonde a doppio riflettore (classificabile nella famiglia delle antenne di tipo Gregoriano) che consente di ottenere con la rotazione del sub-riflettore e/o la traslazione del sub-riflettore stesso o del riflettore principale, la rotazione di una fascio ellittico (fig. 2) senza variazione delle larghezze di fascio e della polarizzazione e/o la rincofigurabilità dello stesso fascio in uno circolare, ellittico espanso (effetto zoom) o ellittico intermedio tra il fascio originale ed il circolare (variazione della forma del fascio, fig. 3a, 3b). Inoltre, con un altro profilo del sub-riflettore, è possibile ottenere anche l'allargamento (zoom) di un fascio circolare in un fascio circolare (fig. 3c).

L'invenzione può essere classificata come appartenente al campo tecnico delle antenne a microonde ed al campo applicativo delle antenne riconfigurabili da impiegare a bordo di satelliti artificiali o stazioni spaziali oppure in sistemi radar terrestri.

Le funzioni di moderata riconfigurabilità richieste ai futuri sistemi di antenna sono le seguenti:

a) Ripuntamento del fascio.

b) Fascio ellittico ruotabile senza rotazione della polarizzazione.

c) Fascio ellittico o circolare con possibilità di zoom. (Allargamento della copertura senza variazione del rapporto tra gli assi dell'ellisse e del prodotto area x guadagno).

d) Possibilità di convertire un fascio circolare in uno ellittico (e viceversa) senza variazione del prodotto area x guadagno).

Di queste solo la funzione a) è già normalmente disponibile per le antenne in banda Ku dei satelliti di comunicazione. Le altre funzioni sono altamente desiderabili, in congiunzione con la prima, e in combinazioni determinate, in linea di principio, solo dalla capacità del tipo di antenna considerato di non degradare la qualità del servizio in conseguenza della maggiore flessibilità in tal modo assicurata. La realizzazione pratica delle funzioni b), c) e d) per quanto detto dovrebbe idealmente soddisfare i seguenti requisiti:

I) Minimo incremento delle dimensioni e delle masse di antenna.

II) Nessun movimento di grosse masse.

Ili) Nessun movimento degli illuminatori (ciò è sconsigliabile in presenza di elevate potenze).

IV) Nessun movimento di parti interne agli illuminatori (ciò è sconsigliabile in quanto potenzialmente capace di generare prodotti di intermodulazione).

V) Massima affidabilità e semplicità, minimo numero di attuatoli.

VI) Minima sensibilità a errori di allineamento ed escursioni termiche. Quanto sopra porta a ricercare soluzioni capaci di realizzare le funzioni di riconfigurabilità agendo sulle ottiche e cercando, per quanto possibile, di evitare movimentazioni del sistema di illuminazione o di grosse masse. La soluzione proposta risponde a tali requisiti.

Essa consiste in una configurazione di antenna (Fig. 1) in grado di realizzare un fascio ellittico ruotabile con larghezze di fascio costanti oppure con contorno riconfi gurabile, con proprietà elettriche di radiazione tipiche delle antenne a doppio riflettore offset di tipo Gregoriano. Queste sono riassumibili in alta efficienza del lobo d'antenna, bassi valori di polarizzazione incrociata e dei lobi laterali.

Tali caratteristiche costituiscono requisiti essenziali per l'impiego come antenne di bordo per satelliti di comunicazione con riuso di polarizzazione in un ambiente operativo con più fasci simultaneamente attivi. Gli aspetti innovativi dell'invenzione qui descritta rispetto alla classe di antenne di tipo gregoriano già note sono i seguenti:

a) le movimentazioni per realizzare le funzioni di riconfigurabilità (rotazione del sub -riflettore; traslazione del riflettore principale e/o del sub -riflettore stesso) non sono mai state implementate o suggerite in passato. Ciò è dovuto al fatto che le ottiche di tipo gregoriano classico non consentono la rotazione del subriflettore.

b) I profili delle superfici e la metodologia con cui tali profili vengono sagomati consentono la rotazione del fascio mantenendo praticamente invariate le caratteristiche elettriche di radiazione sia della componente copolare sia della componente cross-polare mediante una semplice rotazione del sub -riflettore. E' da notare altresì che l'orientazione della polarizzazione del campo elettrico rimane inalterata durante la rotazione. Questo fatto costituisce un aspetto essenziale per la compatibilità di funzionamento dell'antenna in un ambiente operativo composto di più fasci simultanei.

c) Un ulteriore aspetto originale dell'invenzione qui descritta risiede nella combinabilità della rotazione del subriflettore con un'ulteriore movimentazione aggiuntiva (traslazione del sub-riflettore e/o del riflettore principale) lungo degli assi ben determinati, che consente di ottenere un notevole grado di rinconfigurabilità del fascio ellittico di partenza per una qualsivoglia orientazione del fascio stesso, con efficienza, purezza di polarizzazione e lobi laterali comparabili con le antenne di tipo gregoriano a fascio fisso. In particolare con quest'ultimo movimento è possibile variare in maniera graduale il rapporto degli assi principali del fascio ellittico per una qualsivoglia orientazione degli stessi oppure ottenere un fascio con profilo ellittico risagomato in maniera graduale fino a un fascio circolare.

Le antenne capaci di prestazioni elettriche di livello adeguato alle attuali esigenze dei sistemi di telecomunicazione via satellite appartengono alla categoria delle ottiche a doppio riflettore di tipo Gregoriano. Tali ottiche consentono infatti di ottenere elevate efficienze di copertura, bassi lobi laterali e, quando siano soddisfatte alcune relazioni geometriche, elevatissime purezze di polarizzazione con ingombri e masse del tutto compatibili con l'accomodamento dell'antenna a bordo del satellite (antenne di queste tipo sono attualmente previste a bordo dei satelliti INTELSAT Vili).

Come appare evidente dalla fig. 1, la geometria proposta rientra nella famiglia di ottiche gregoriane il cui sistema ottico è illustrato in fig. 4. Queste ottiche si compongono degli stessi elementi costituenti l'antenna proposta (eccetto le movimentazioni ed i profili delle superfici) quali un riflettore principale 3, un sub -riflettore 2 ed un illuminatore opportuno 1.

Nel progetto di antenne gregoriane classiche normalmente si parte da superfici canoniche (con riferimento alla fig. 4 il sub-riflettore 2 è ellissoidale ed il riflettore principale 3 è parabolico). Tali superfici consentono di ottenere dei livelli di polarizzazione incrociata estremamente bassi qualora venga rispettata la condizione geometrica di massima purezza di polarizzazione riportata in fig. 4.

Questa condizione si realizza quando l'eccentricità e dell'ellissoide relativo al sub-riflettore 2 soddisfa la relazione geometrica con gli angoli βf e βs riportati in fig. 4. Con riferimento a tale figura l'angolo βf è l'angolo compreso tra l'asse di simmetria 9 dell'illuminatore 1 il cui centro di fase è posto nel punto 7 che coincide con uno dei fuochi dell'ellissoide del subriflettore 2 e l'asse di propagazione Z. L'angolo βs è invece l'angolo compreso tra detto asse 9 e l'asse 10 che passa per entrambi i fuochi dell'ellissoide.

Si noti che il sub-riflettore 2 di fig. 4 è un ellissoide di rivoluzione attorno all'asse 10, mentre l'ottica della presente invenzione (fig. 1) ha la superificie del subriflettore 2 che non è ottenibile per rivoluzione attorno all'asse passante per i punti 7 e 8.

Il sistema ottico cosi derivato è in grado di generare un fascio d'antenna circolare. La procedura che viene comunemente seguita partendo dall'ottica canonica di fig. 4, nel caso si debba realizzare un fascio con contorno ellittico, consiste nel sagomare numericamente la superficie del sub-riflettore 2 e/o del riflettore principale 3 ed accettare le degradazioni elettriche in termini di purezza di polarizzazione derivanti da questo sistema perturbato.

Tali degradazioni sono peraltro normalmente tollerabili in quanto le deviazioni introdotte sulle superfìci risultano essere piccole.

Appare evidente che un sistema ottico così generato non è in grado di fornire una rotazione del fascio ellittico per rotazione del sub-riflettore.

Non esistono oggi di fatto soluzioni che permettano la ticonfigurabilità del fascio in termini di rotazione e/o rinconfigurazione e/o allargamento (zoom) del contorno del fascio su tali tipi di antenne, attraverso l'uso di un singolo illuminatore.

Di fatto, l'unica funzione ad oggi disponibile su queste antenne è la ripuntabilità del fascio, funzione normalmente svolta con un sistema di attuatori biassiali entro un cono di ± 11° (campo di vista utile della terra da un satellite in orbita geostazionaria).

1 sistemi normalmente in uso per ottenere fasci d'antenna sagomati, nel caso in cui sia richiesto un contorno riconfigurabile ed alta purezza di polarizzazione, sono classificabili in un'altra classe e tipologia di antenne. In particolare si adottano più elementi radianti (feedarray) raggruppati nel piano focale di un sistema ottico a singolo riflettore di tipo "grigliato". Tali sistemi sono caratterizzati da uno sdoppiamento del riflettore principale e dalla grigliatura del riflettore frontale (applicazione di una griglia lineare metallica sulla superficie dielettrica del riflettore frontale) come mostrato a titolo esemplificativo in flg. 27.

In particolare nelle figure 27a (vista frontale), 27b (vista in pianta) e 27c (vista laterale) sono riportate le tre viste principali di questo sistema ottico. Sono in particolare identificabili in forma schematica il gruppo di illuminatori 1 relativo alla polarizzazione del campo elettrico lungo l'asse X ed il corrispondente gruppo di illuminatori 1' per la polarizzazione orientata lungo y; il riflettore frontale 3 grigliato sensibile alla polarizzazione X e quello posteriore 3' (solido o grigliato) sensibile alla polarizzazione y .

Le proprietà di questo sistema ottico sono tali che ogni riflettore opera in singola polarizzazione e trae beneficio dafl'azione di "filtraggio spaziale" esercitata dall'altro riflettore sulle componenti di polarizzazione incrociata altrimenti irradiate sull'area di copertura.

Gli elementi radianti sono normalmente eccitati da una rete formatrice di fascio che contiene componenti a microonde capaci di cambiare l'eccitazione della cortina degli elementi radianti disposti nel piano focale per mezzo diivisori variabili di potenza e/o sfasatoli.

Come già accennato, la tecnica sopra descritta degli elementi a cortina rientra in un'altra classe e famiglia di antenne che non sono comunque di interesse in questa sede in quanto qui l'attenzione è focalizzata su antenne riconfìgurabili a singolo illuminatore, estremamente più semplici e leggere, in grado di sfruttare i gradi di libertà dell'ottica per ottenere prestazioni elettriche superiori a quelle ottenibili dalle antenne con più illuminatori, a parità di dimensioni dell'apertura radiante.

L'invenzione viene ora descritta in riferimento ad una sua forma di realizzazione attualmente preferita, riportata a scopo illustrativo e non limitativo ed in base alle tavole allegate:

Fig. 1: Geometria del sistema ottico proposto. Essa comprende: i seguenti elementi:

1. Illuminatore

2. Sub-riflettore

3. Rifletore principale

4. Asse A-A attorno il quale effettuare la rotazione del subriflettore per ruotare il fascio ellittico

5. Asse B-B lungo il quale traslare il sub-rifletore per la riconfigurabilità del fascio.

6. Asse C-C lungo il quale traslare il riflettore principale per la riconfigurabilità del fascio (in alternativa alla traslazione lungo l'asse B-B).

7. Punto geometrico corrispondente al centro di fase del'illuminatore 1.

8. Fuoco del rifletore principale 3.

9. Asse di simmetria dell'illuminatore 1.

20. Luogo di caustica o pseudo fuoco in cui convergono i raggi dell'illuminatore 1 dopo riflessione dal sub-riflettore 2 (tale luogo coincide col fuoco 8 del riflettore principale 3).

Fig. 2a: Tema di assi cartesiani che mostra le coordinate angolari (Azimuth, = Az Elevazione = El) di una generica direzione di osservazioni all'infinito.

Fig 2b: Rappresentazione schematica del fascio ellittico e sue possibili orientazioni nel piano Azimuth- Elevazione.

Fig. 3a: Riconfigurazione schematica del fascio ellittico in fascio circolare e viceversa.

Fig. 3b: Rappresentazione schematica dell'effetto di zoom su fascio ellittico. Fig. 3c: Rappresentazione schematica dell’effeto zoom su fascio circolare.

Fig. 4: Geometria classica di un sistema ottico Gregoriano che illustra le condizioni di geometriche di massima purezza di polarizzazione. Essa comprende:

1. Illuminatore

2. Sub-riflettore

3. Riflettore principale

7. Punto geometrico corrispondente al centro di fase dell'illuminatore 1

8. Fuoco del riflettore principale

9. Asse di simmetria dell'illummatore 1

10. Asse di simmetria rotazionale della superficie sub-riflettore (ellissoide)

21. Primo fuoco del sub -riflettore coincidente con fuoco del riflettore principale

22. Secondo fuoco del sub-riflettore

Fig. 5: Dettaglio della geometria del sistema ottico proposto che mostra la geometria di partenza del sub -riflettore e la condizione di massima purezza di polarizzazione nel piano di simmetria d'antenna. Essa comprende:

1. Illuminatore

2. Sub-riflettore con profilo sferico

3. Riflettore principale parabolico

4. Asse di rotazione del sub-riflettore

7. Centro di fase del'illuminatore 1

8. Fuoco del riflettore principale 3

9. Asse di simmetria dell'illuminatore 1

11. Centro della sfera cui appartiene il sub-riflettore sferico 12. Punto di intersezione dell'asse 12 deH'illuminatore 1 con la superficie sub-riflettore 2.

13. Prolungamento geometrico della superficie sferica relativa al sub-riflettore

14. Direzione relativa a un raggio che proviene dall'infinito in direzione

(-Z ) dopo riflessione sul prolungamento geometrico della sfera nel punto 16.

15. Asse che descrive la normale alla sfera nel punto 16.

16. Punto di intersezione dell'asse-Z con il prolungamento geometrico della superfìcie sferica 13.

20. Luogo di caustica o pseudo fuoco in cui convergono i raggi deH'illuminatore 2 dopo riflessione dal sub -riflettore (tale luogo coincide col fuoco 8 del riflettore principale 3).

Fig. 6: Dettaglio della geometria finale del sistema ottico proposto che mostra in particolare i piani principali di simmetria del subriflettore. Essa comprende:

1. Illuminatore

2. Sub-riflettore sagomato

3. Riflettore principale sagomato

4. Asse di rotazione del sub-riflettore

5. Asse di traslazione del sub-riflettore

6. Asse di traslazione del riflettore principale

17. Piano di simmetria N° 1 del sub-riflettore sagomato

18. Piano di simmetria N° 2 (ortogonale ai n° 1) del sub-riflettore sagomato.

Fig. 7a: Sub-riflettore con profilo sferico. Essa comprende:

1. Illuminatore.

2. Sub-riflettore sferico.

7. Centro di fase deirilluminatore.

8. Fuoco del riflettore principale

11. Centro della sfera cui appartiene il sub-riflettore.

13. Proseguimento geometrico del subriflettore sferico.

20. Punto in cui convergono i raggi deirilluminatore dopo riflessione dal sub-riflettore (coincide col fuoco del riflettore principale ).

Fig. 7b Sub-riflettore sagomato con profilo ellittico con curvatura nel piano di simmetria d’antenna maggiore del sub-riflettore sferico di partenza. Essa comprende:

1. Illuminatore

2. Sub-riflettore con profilo ellittico

7. Centro di fase dell'illuminatore 1

8. Fuoco del riflettore principale

li. Centro della sfera 13

13 Profilo originale sferico del sub-riflettore

20. Punto in cui convengono i raggi deirilluminatore 1 dopo riflessione dal sub-riflettore 2

21 Fuoco n° 1 del sub-riflettore a profilo ellittico

22 Fuoco n° 2 del sub-rifletore a profilo ellitico

23. Proseguimento analitico del sub-rifletore ellitico.

Fig. 7c: Sub-riflettore sagomato con profilo ellittico con curvatura nel piano di simmetria d'antenna minore del sub-riflettore sferico di partenza. Essa comprende:

1. Illuminatore

2. Sub-riflettore con profilo ellittico

7. Centro di fase del'illuminatore 1

8. Fuoco del riflettore principale

11. Centro della sfera 13

13 Profilo originale sferico del sub-riflettore

20. Punto in cui convengono i raggi dell’illuminatore 1 dopo riflessione dal sub-riflettore 2

21 Fuoco n° 1 del sub-riflettore 2 a profilo ellittico

22 Fuoco n° 2 del sub-riflettore 2 a profilo ellittico

Fig. 8: Geometria iniziale del sistema ottico relativo agli esempi 1 e 2 per dimostrare la capacità di rotazione e riconfigurabilità di un fascio ellittico o la capacità di zoom di un fascio circolare. Essa comprende:

1. Illuminatore

2. Sub-rifletore

3. Riflettore principale parabolico

4. Asse attorno al quale si ruota il sub-riflettore

5,6 Assi (coincidenti) lungo i quali si trasla il riflettore principale o il sub-riflettore

F= Focale del riflettore principale 3

D- Diametro proiettato lungo la direzione di propagazione, del riflettore principale 3

C= Distanza dal vertice del riflettore principale dal bordo inferiore del riflettore stesso

d= Diametro del sub-riflettore

Fig. 9a: Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con subriflettore sferico di partenza che riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 9b: Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore sferico di partenza che riporta le curve isolivello in dB relativi al picco del diagramma copolare. Il valore dei vari livelli è riportato nella Figura stessa.

Fig. 10a : Esempio di rotazione del fascio dittico. Diagramma di irradiazione copulare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica, angolo di rotazione del sub-riflettore: 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fìg. 10b: Esempio di rotazione del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fìg. 8 con sub -riflettore a sagomatura ellittica, angolo di rotazione del sub-riflettore; 0°. Essa riporta le curve isolivello in dB relativi al picco del diagramma copolare. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. Ila: Esempio di rotazione del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica, angolo di rotazione del sub-riflettore: 45°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. llb: Esempio di rotazione del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica, angolo di rotazione del sub-riflettore: 45°. Essa riporta le curve isolivello in dB relativi al picco del diagramma copolare. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 12a: Esempio di rotazione del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica, angolo di rotazione del sub-riflettore: 90°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 12b: Esempio di rotazione del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica, angolo di rotazione del sub-riflettore: 90°. Essa riporta le curve isolivello in dB relativi al picco del diagramma copolare. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 13a: Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del sub-riflettore di 50 mm. angolo di rotazione del sub-riflettore 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 13b: Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del sub-riflettore di 50 mm. angolo di rotazione del sub-riflettore 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fìg. 14a: Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del sub-riflettore di 50 mm. angolo di rotazione del sub -riflettore 45°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 14b: Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del sub -riflettore di 50 mm. angolo di rotazione del sub -riflettore 45°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fìg. 15a: Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del sub-riflettore di 50 mm. angolo di rotazione del sub-riflettore 90°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispeto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 15b: Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellitica e traslazione del sub-riflettore di 50 mm. angolo di rotazione del sub-riflettore 90°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 16a Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-rifletore a sagomatura ellittica e traslazione del rifletore principale di 100 mm. Orientazione del sub-rifletore 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispeto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 16b Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-rifletore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale di 100 mm. Orientazione del sub -riflettore 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 16a Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub -riflettore a sagomatura ellitica e traslazione del rifletore principale di 100 mm. Orientazione del sub-riflettore 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 16b Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale di 100 mm. Orientazione del sub-riflettore 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 17a Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale di 100 mm. Orientazione del sub-riflettore 45°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 17b Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub -riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale di 100 mm. Orientazione del sub -riflettore 45°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 18a Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale di 100 mm. Orientazione del sub-riflettore 90°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 18b Esempio di rotazione e zoom del fascio elittico. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale di 100 mm. Orientazione del sub-riflettore 90°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 19a: Esempio di rotazione e riconfigurabilità del fascio elittico.

Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con subriflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale -50 mm., orientazione del sub-riflettore 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropie o. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 19b: Esempio di rotazione e riconfigurabilità del fascio elittico.

Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con subriflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale -50 mm., orientazione del sub-riflettore 0°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 20a: Esempio di rotazione e riconfigurabilità del fascio elittico.

Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con subriflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale -50 mm., orientazione del sub-riflettore 45°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispeto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli, è riportato nella figura stessa.

Fìg. 20b: Esempio di rotazione e riconfigurabilità del fascio elittico.

Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fìg. 8 con subriflettore a sagomatura ellitica e traslazione del riflettore principale -50 mm., orientazione del sub-rifletore 45°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 2 la: Esempio di rotazione e riconfigurabilità del fascio elittico.

Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con subriflettore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale -50 mm., orientazione del sub-riflettore 90°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 21b: Esempio di rotazione e riconfigurabilità del fascio elitico.

Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fìg. 8 con subrifletore a sagomatura ellittica e traslazione del riflettore principale -50 mm., orientazione del sub-rifletore 90°. Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 22a: Esempio di zoom di un fascio circolare. Diagramma di radiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore con sagomatura a simmetria rotazionale rispetto all'asse 4. Posizione assiale del subriflettore: nominale (fascio circolare non allargato). Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. D valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 22b: Esempio di zoom di un fascio circolare. Diagramma di radiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore con sagomatura a simmetria rotazionale rispetto all'asse 4. Posizione assiale del subriflettore: nominale (fascio circolare non allargato). Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 23a: Esempio di zoom di un fascio circolare. Diagramma di irradiazione copolare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore con sagomatura a simmetria rotazionale rispetto all'asse 4. Posizione assiale del subriflettore: 60 mm (fascio circolare allargato). Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropie o. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 23b: Esempio di zoom di un fascio circolare. Diagramma di irradiazione cross-polare dell'antenna di fig. 8 con sub-riflettore con sagomatura a simmetria rotazionale rispetto all'asse 4. Posizione assiale del subriflettore: 60 mm (fascio circolare allargato). Essa riporta le curve isolivello in dBi rispetto al valore isotropico. Il valore dei vari livelli è riportato nella figura stessa.

Fig. 24: Ottica gregoriana canonica che riporta i parametri geometrici per l'esercizio di zoom di un fascio circolare. Essa comprende:

1. Illuminatore

2. Sub-riflettore ellissoidale

3. Riflettore principale parabolico

6. Asse lungo il quale si effettua la traslazione del riflettore principale per l'allargamento del fascio.

7. Centro di fase dell'illuminatore

8. Fuoco n° 2 del paraboloide

9. Asse di simmetria dell'illuminatore

10. Asse di simmetria rotazionale della superficie sub-riflettore (ellissoide).

21. Fuoco n° 1 dell'ellissoide relativo al sub-riflettore

22. Fuoco n° 2 dell'ellissoide relativo al sub-riflettore

24 Asse di propagazione del riflettore principale 3 (o asse Z).

F= Focale del riflettore parabolico 3

D= Diametro proiettato lungo la direzione di propagazione, del riflettore principale 3

Cl= Distanza del vertice del riflettore 3 dal bordo inferiore del riflettore stesso.

C= Distanza tra: due fuochi del sub-riflettore 2.

e= Eccentricità del sub-riflettore ellissoide 2

β= Angolo tra asse sub-riflettore 10 e asse riflettore principale 24.

βs= Angolo tra asse del sub-riflettore 10 ed asse dell'illuminatore 9.

Fig. 25: Esempio di zoom di un fascio circolare. Diagramma di irradiazione dell'antenna di fig. 24 con sub-riflettore canonico ellissoidale. Riflettore principale nella posizione nominale e sub-riflettore in posizione nominale. Diagramma copolare che riporta le curve isoli vello in dB relativi al picco del fascio. I valori dei vari livelli sono riportati a lato della figura stessa.

Fig. 26: Esempio di zoom di un fascio circolare. Diagramma di irradiazione dell'antenna di fig. 24 con sub-riflettore canonico ellissoidale. Riflettore principale traslato di 128 mm. Diagramma copolare che riporta le curve isolivello in dB relativi al picco del fascio. I valori dei vari livelli sono riportati a lato della figura stessa.

Fig. 27: Geometria di un sistema ottico a riflettori grigliati. Essa comprende:

1. Illuminatore (o gruppo di illuminatori) relativo alla polarizzazione X.

1'. Illuminatore (o gruppo di illuminatori) relativo alla polarizzazione Y .

3. Superficie grigliata sensibile (o riflettente) alla polarizzazione X.

3'. Superfìcie grigliata o solida sensibile alla polarizzazione Y . Fig. 28: Geometria di un sistema ottico a riflettori grigliati di tipo gregoriano capace di rotazione del fascio ellittico tramite rotazione simultanea dei due sub-riflettori. Essa comprende:

1. Illuminatore 1 relativo alla polarizzazione X.

1'. Illuminatore 1' relativo alla polarizzazione Y .

2. Sub-riflettore relativo airilluminatore 1

2’. Sub-riflettore relativo all'illuminatore 1'

3. Superfìcie grigliata sensibile alla polarizzazione X .

3'. Superfìcie grigliata (o solida) sensibile alla polarizzazione Y .

4. Asse di rotazione del sub-riflettore relativo airilluminatore 1.

4'. Asse di rotazione del sub-riflettore relativo all’illuminatore Γ. Fig. 29: Geometria classica di un sistema ottico Gregoriano che illustra i gradi di libertà di traslazione del sub-riflettore e/o del riflettore principale. Essa comprende:

1. Illuminatore

2. Sub-riflettore

3. Riflettore principale

5. Asse B-B lungo il quale traslare il sub-riflettore per la riconfìgurabilità del fascio.

6. Asse C-C lungo il quale traslare il riflettore principale per la riconfìgurabilità del fascio (in alternativa alla traslazione lungo l'asse B-B).

7. Punto geometrico corrispondente al centro di fase dell'illuminatore 1

8. Fuoco del riflettore principale

9. Asse di simmetria dell'illuminatore 1

10. Asse di simmetria rotazionale della superfìcie sub-riflettore (ellissoide)

21. Primo fuoco del sub-riflettore coincidente con fuoco del riflettore principale

22. Secondo fuoco del sub-riflettore

Viene ora descritto il funzionamento dell'invenzione qui descritta, in base alle figure sopra elencate. Il sistema ottico proposto è illustrato qualitativamente in fig. 1. Detta figura riporta anche gli assi interessati alla movimentazione delle superfìci. Con riferimento alla fig. 1, l'ottica d'antenna comprende: un illuminatore 1 con carateristiche radiative adeguate a livello primario (diagramma a simmetria rotazionale e basso livello di polarizzazione incrociata). Detto illuminatore è caratterizzato dal proprio centro di fase visualizzato nel punto 7.

Un sub-riflettore sagomato 2 con superficie caratterizzata da due piani di simmetria ortogonali (si veda la fìg. 6) passanti per l'asse di rotazione 4 (asse A-A). Tale asse di rotazione biseca l'angolo formato dall'asse 9 dell'illuminatore 1 e l’asse di offset 5 del riflettore principale 3 (asse B-B).

Un rifletore principale 3 con profilo opportunamente sagomato. Un asse di rotazione 4 del sub -rifletore (asse A-A). Ruotando il sub -riflettore attorno a questo asse è possibile ottenere la rotazione del fascio ellittico (fig. 2).

Un asse di traslazione 5 del sub-riflettore (asse B-B). Traslando il sub -riflettore lungo questo asse e combinando questo movimento alla rotazione del sub-riflettore, è possibile ottenere la riconfigurabilità del fascio ellittico di partenza (fig. 3a, 3b).

Asse di traslazione 6 del riflettore principale (asse C-C). Deto asse è l'asse alternativo lungo il quale traslare il riflettore principale invece del sub-rifletore per ottenere la riconfigurabilità del fascio d'antenna, secondo la versione presentemente preferita dagli inventori. In tale versione attuale gli assi 5 e 6 coincidono con l'asse di offset del riflettore principale ma più in generale essi potranno differire. In una versione a tre motori indipendenti si possono usare tutte e tre le movimentazioni per ottenere la rotazione del fascio ellittico, lo zoom dello stesso fascio ellittico in uno più grande e/o la riconfigurazione del fascio d'antenna in un fascio ellittico con asse maggiore che può via via può ridursi fino a realizzare un fascio circolare (fìg. 3a). Le stesse possibilità di riconfigurazione sono peraltro possibili usando soltanto due movimentazioni ma con limiti di escursione diversi per la traslazione delle superfici e con prestazioni elettriche simili ma non eguali.

Il sistema ottico proposto adotta una procedura di progetto semplificabile come segue. In fig. 5 è illustrata la geometria di partenza. Il centro di fase 7 dell'illuminatore 1 è opportunamente spostato rispetto al centro 11 della sfera 13 che genera il sub-riflettore 2.

L'orientazione 9 dell'illuminatore 1 è tale da assicurare per questo sistema ottico una condizione ottimale di purezza di polarizzazione che si realizza allorquando l'asse 9 coincide con il raggio 14 riflesso (nel punto 16) dal prolungamento geometrico della sfera 13 per una sorgente che provenga dall'infinito in direzione assiale - Z.

In particolare quindi, l'asse Z deve formare con la normale 15 alla sfera nel punto 16 un angolo uguale all'angolo formato dall'asse dell'illuminatore con la normale 15. Le proprietà di scansione di una superficie sferica sono tali da collimare i raggi dell'illuminatore posto fuori dal centro della sfera (punto 7), approssimativamente nel punto 20 che coincide con il fuoco 8 del riflettore (paraboloide) principale 3.

Scegliendo opportunamente i parametri dell'ottica è possibile realizzare un sistema lievemente aberrato con il risultato di ottenere un diagramma di radiazione pressoché circolare simmetrico.

Per recuperare le aberrazioni residue dell'otica che derivano dal sub-riflettore sferico, si potrà opportunamente sagomare il riflettore principale 3 ed ottenere così un fascio circolare perfettamente focalizzato e simmetrico in uscita del riflettore principale 3.

A questo punto, ruotando il sub -riflettore sferico 2 attorno ad un asse 4 che passa per il centro 11 della sfera 13 e per il punto 12 dato dall'intersezione dell'asse 9 dell' illuminatore 1 con il subriflettore sferico 2, si otterrà un'invarianza del diagramma di radiazione a livello secondario, poiché nulla è cambiato dal punto di vista geometrico.

Il passo successivo consiste nel sagomare opportunamente la superficie sferica del subriflettore al fine di generare la voluta asimmetria nel diagramma di radiazione secondario. Con riferimento alla figura 6, in cui è riproposto lo stesso sistema ottico, la sagomatura del sub-riflettore 2 verrà effetuata mantenendo la simmetria della superficie riflettente rispeto ai piani principali 17 e 18.

Tali piani sono tra loro ortogonali e si intersecano lungo l'asse di rotazione 4 del sub -riflettore 2. Il rispetto dei criteri di progeto sopra indicati è in grado di assicurare con un'otima approssimazione che, a una rotazione arbitraria del sub-riflettore 2 rispetto al suo asse originale di simmetria rotazionale 4, corrisponde una uguale rotazione del diagramma di radiazione secondario dell'antenna.

L'eventuale traslazione del sub-riflettore 2 lungo l'asse 5 o del riflettore principale 3 lungo l'asse 6 (attualmente questi coincidono con l'angolo di offset del riflettore principale) è in grado di assicurare le funzioni di riconfigurabilità e/o zoom del fascio.

La sagomatura del sub-riflettore verrà normalmente effettuata per via numerica conservando la simmetria del sub-riflettore rispetto ai suoi piani principali 17, 18 di fìg. 6. Tuttavia, al fine di mettere meglio in evidenza l'elevato numero di possibilità, è opportuno rappresentare qualitativamente per via analitica i vari profili possibili del sub-riflettore, come mostrato in fig.

7.

In particolare in fig. 7a viene riproposta per chiarezza la geometria relativa al sub -riflettore sferico di partenza già illustrato in fig. 5. Con riferimento alla fig. 7a, il centro di fase 7 deU'illuminatore 1 è spostato rispetto al centro 11 della sfera 13 cui appartiene il sub-riflettore sferico 2.

Dopo riflessione sul sub -riflettore 2 i raggi vengono collimati nel punto 20 che attualmente coincide col fuoco 8 del riflettore principale. Il prolungamento geometrico della sfera 13 è anche riportato per chiarezza in detta figura.

Nelle figure 7b e 7c si illustra come la sezione inizialmente sferica del subriflettore possa essere "sagomata analiticamente" in modo da ottenere due diverse tipologie di profilo ellittico.

In particolare, in fig. 7b viene illustrato il caso in cui il sub-riflettore 2 inizialmente sferico 13 sia sagomato con un raggio di curvatura maggiore rispetto al sub -riflettore sferico. Con riferimento alla fig. 7b, i raggi uscenti dal centro di fase 7 deU'illuminatore 1 vengono ora convogliati dopo riflessione sul sub-riflettore ellittico 2 (con fuochi 21 e 22) nel punto 20 che differisce dal punto 8 originario, reaUzzando cosi la voluta asimmetria nel'illuminazione del riflettore principale il cui fuoco è sempre fisso nel punto 8.

Nella fig. 7c viene invece mostrato il caso corrispondente al sub-riflettore 2 con profilo ellittico con raggio di curvatura minore rispetto alla sfera 13 di partenza. In questo caso i raggi uscenti dal centro di fase 7 dell'illuminatore 1 vengono collimati, dopo riflessione sul sub-riflettore 2, nel punto 20 che questa volta è più vicino alla superficie 2 del sub-riflettore stesso.

Con riferimento alla figura 6, poiché il profilo dell'ellissoide potrà essere diverso lungo i due piani principali 17 e 18, in accordo alle tre tipologie di profilo testé illustrate, risulta evidente come asimmetria generata a livello di sub-riflettore possa essere sfruttata per generare dopo riflessione dal riflettore principale, il fascio ellittico richiesto. Le tre diverse possibilità determinante coprono così per via analitica le principali tipologie di sagomatura per coperture ellittiche e circolari.

Vengono ora mostrate a titolo esemplificativo, con un esempio pratico realizzato sagomando analiticamente il sub-riflettore e non sagomando per brevità il riflettore principale, le tipiche prestazioni e le funzioni di riconfigurabilità ottenibili a fronte di ciascuna movimentazione.

Poiché i parametri geometrici dell'ottica non sono stati assoggettati ad una procedura fine di ottimizzazione, e poiché non sono stati utilizzati al meglio i profili delle superflui, le prestazioni mostrate sono suscettibili di non trascurabili miglioramenti. Vengono proposti due esempi con i parametri geometrici di partenza riportati in fig. 8. Il primo esempio si prefigge di mostrare le capacità di rotazione, allargamento (zoom) e riconfigurabilità di un fascio ellittico. Il secondo caso tende invece dimostrare la capacità di zoom per un fascio circolare.

Esempio n°l: rotazione, zoom e rinconfigurabilità di un fascio ellittico L’esempio è proposto alla frequenza di 12.75 GHz.

In fig. 8 viene illustrata la geometria di partenza del sistema ottico. Esso è della stessa tipologia e si compone degli stessi elementi già illustrati nelle figure 1 e 6.

Con riferimento alla fig. 8, in particolare sono riconoscibili illuminatore 1, il sub-riflettore 2, il riflettore principale 3, l'asse di rotazione 4 del sub-riflettore e l'asse di traslazione 5 del riflettore principale e/o del sub-riflettore (in questo caso assunti coincidenti).

Nella stessa figura sono riportati i valori numerici che definiscono l'ottica e l'equazione della sfera che definisce il sub-riflettore. Il riflettore principale è parabolico con i dati geometrici riportati in fig. 8.

Il diagramma di radiazione della componente copolare che si ottiene a livello secondario è mostrato in fig. 9a in termini di curve isolivello in decibel rispetto all'isotropica con diversi valori assoluti (riportati a lato della figura). Il corrispondente diagramma della componente cross-polare è invece riportato in fig. 9b con rappresentazione data da curve di isolivello in decibel relativi normalizzati al picco della copolare (i valori delle curve sono riportati a lato). E' possibile in particolare notare da queste figure il fascio co-polare a simmetria quasi-circolare (non è qui stato sagomato per brevità il riflettore principale) ed il basso valore di polarizzazione incrociata (<-37 dB rispetto al picco delia co-polare) corrispondente al sistema ottico iniziale,

la) Funzione di rotazione del fascio ellittico

Con riferimento alla figura 8, la superficie del sub-riflettore viene ora sagomata analiticamente con i seguenti parametri: A = 570 mm, B = 640 mm, C = 570 mm. I diagrammi di radiazione ottenuti per tre posizioni del subriflettore, rotato rispettivamente di 0°, 45° e 90° intorno all'asse 4, sono illustrati nelle figure 10, 11 e 12 rispettivamente. La stessa rappresentazione in decibel in termini di curve isolivello, rispetto all'isotropica, già illustrata in fig. 9 è adottata in queste figure per la co-polare (figure 10a, 1 la e 12a). I rispettivi livelli di cross-polare sono anche riportati nelle figure 10b, llb ed 12b con la stessa rappresentazione in decibel relativi, già adottata in fig. 9. Da queste figure si può notare la sostanziale invarianza per rotazione del fascio ellittico copolare, malgrado si sia usata una sagomatura analitica della superficie del sub -riflettore e del riflettore principale. Inoltre i livelli di crosspolarizzazione si mantengono a valori estremamente bassi (in linea con i valori di partenza) rendendo possibile l'impiego come antenna di bordo per satelliti con riuso di polarizzazione in un ambiente operativo con uno o più fasci simultaneamente attivi.

lb) Funzione di rotazione e zoom del fascio ellittico

Esempi di zoom sul fascio ellittico nominale di 1.6° x 3.0° (già mostrato nelle figure 10, 11 e 12) vengono ora mostrati traslando rispettivamente il riflettore principale 3 di figura 8 o il sub -riflettore 2 lungo l'asse 5. Il fascio ellittico viene "allargato" per realizzare una copertura nominale di 1.9° x 4.3°.

Nelle figure 13, 14, 15 viene mostrato l'effetto di zoom del fascio ellittico ottenuto combinando la rotazione del sub-riflettore con la traslazione dello stesso per un valore di 50 mm lungo l'asse 5 (di fig. 8) verso il riflettore principale 3.

Nelle figure 13, 14, 15, sono riportati i diagrammi di radiazione delle componenti copolare e cross-polare per le tre rotazioni del sub-riflettore già analizzate nelle fig. 10, 11 e 12 rispettivamente.

Il particolare nelle figure 13a, 14a, e 15a vengono mostrati i diagrammi di radiazione della co-polare con la stessa rappresentazione in decibel rispetto all'isotropica già utilizzata per gli altri diagrammi di copolare finora mostrati. Le orientazioni del sub-riflettore rispetto all'asse 4 di fig. 8 sono rispettivamente 0°, 45° e 90° in analogia a quelle già mostrate per il fascio ellittico ruotabile originari.

Nelle figure 13b, 14b e 15b vengono rappresentati i corrispondenti valori di cross-polare dei diagrammi relativi alle figure 13a, 14a, 15a. La rappresentazione è in decibel relativi al picco della copolare, come già fatto in precedenza per gli altri diagrammi di cross-polare mostrati.

Appare evidente da questi diagrammi di radiazione come la funzione di zoom del fascio ellittico sia stata praticamente realizzata con buona invarianza rotazionale del fascio ellittico pur mantenendo dei valori di cross-polare estremamente contenuti ed in linea con i valori di polarizzazione incrociata del fascio originale.

Lo stesso effetto di allargamento del fascio ellittico può essere ottenuto traslando il riflettore principale 3 di fig. 8 lungo l'asse 5 invece del subriflettore 2. I risultati, che si ottengono per una traslazione del riflettore principale 3 di 100 mm lungo l'asse 5 di fig. 8, sono mostrati nelle figure 16, 17 e 18, rispettivamente per le stesse tre orientazioni (0°, 45°, 90° del subriflettore rispetto all'asse 4) già analizzate nelle figure 13, 14, e 15. In particolare, nelle figure 16a e 16b viene riportato il diagramma di radiazione copolare (con livelli in dBi assoluti rispeto all'isotropica) e cross-polare (con livelli in dB relativi al picco dalla copolare) per orientazione 0° del subriflettore. Le stesse rappresentazioni sono quindi fomite nelle fig. 17a e 17b per la rotazione di 45°, e nelle figure 18a e 18b per la posizione 90° del subriflettore rispettivamente.

Anche in questo caso è possibile osservare come l'effetto di allargamento del fascio ellittico si mantenga, qualunque sia l'orientazione del sub-riflettore, con valori di cross-polare estremamente bassi.

le) Funzione di rotazione e di rincofigurazione del fascio ellittico La variazione continua del contorno ellittico verso un contorno circolare può essere ottenuta con lo stesso sistema ottico di fig. 8 combinando la rotazione con la traslazione del sub-riflettore o del rifletore principale ma in direzione opposta a quella applicata per l'allargamento del fascio ellittico già dimostrata nel punto lb).

Un esempio pratico di tale riconfigurabilità è mostrato nelle figure 19, 20 e 21 in cui sono mostrati i diagrammi di radiazione a livello secondario ottenuti traslando di 50 mm il riflettore principale 3 di fig. 8 lungo l’asse 5, in direzione opposta a quella applicata precedentemente, per tre orientazioni del sub-riflettore. In particolare in fig. 19a vengono mostrate le curve isolivello in dBi rispeto al valore sull' isotropica del diagramma copolare, per orientazione 0° del sub -riflettore attorno all’asse 4 di fig. 8. In fig. 19b è riportato il corrispondente diagramma di irradiazione della cross-polare con livelli in dB relativi al picco della copolare.

Diagrammi simili sono mostrati nelle fig. 20a e 20b per orientazione del subriflettore di 45°. Il caso relativo alla orientazione del sub-rifletore di 90° è mostrato infine nelle fig. 2 la e 2 lb che riportano il diagramma di radiazione copolare e cross-polare rispettivamente. Dalle figure appare evidente la capacità delle movimentazioni di "riconfigurare" in maniera continua il fascio ellittico nominale in un fascio ellittico con rapporto tra gli assi minore di quello di partenza, qualunque sia l'orientazione del fascio ellittico. In particolare, come caso estremo, è possibile ottenere il fascio circolare rappresentato con un cerchio nelle figure 19a, 20a e 2 la.

Esempio n° 2: zoom di un fascio circolare

Il profilo del sub-riflettore 2 di fig. 8 viene ora modificato analiticamente per dimostrare le potenzialità di allargamento (zoom) di un fascio circolare mediante traslazione lungo l’asse 5 del sub-riflettore o del riflettore principale. Per questo esempio i parametri del sub -riflettore sono i seguenti: A=B=640 mm, C=570 mm. II diagramma di radiazione di partenza corrispondente è mostrato nelle fig. 22a (co-polare) e 22b (cross-polare).

Il fascio copolare ottenuto è pressoché circolare con larghezza di fascio a -3 dB di circa 2°. Più specificatamente, in fig. 22a è riportato ed il diagramma copolare in dBi con livelli assoluti rispetto all'isotropica, mentre in fig. 22b è riportato il diagramma di cross-polare con livelli in dB relativi alla copolare. L'effetto relativo a una traslazione del sub-riflettore di 60 mm lungo l'asse 5 di fig. 8, in direzione del riflettore principale 3, è mostrato in fig. 23. Come è possibile osservare, il diagramma di radiazione copolare mostrato di in fig.

23a è stato "allargato" per raggiungere una larghezza di fascio a -3dB di 3.2°. Il contorno leggermente ellittico può essere migliorato ottimizzando opportunamente la focale del rifletore principale 3 di fig. 8 o sagomando numericamente la superficie di deto riflettore. In fig. 23 a, i valori delle curve isolivello sono riportati in dBi rispetto all'isotropica, mentre in fig. 23b i valori delle curve isolivello sono riportate in dB relativi al picco della copolare. E' possibile ottenere un effetto di allargamento (o zoom) analogo traslando il riflettore principale 3 di fig. 8 lungo l'asse 5 in direzione del subriflettore 2.

La funzione di zoom mantiene le caratteristiche di radiazione estremamente soddisfacenti per entrambe le componenti copolare e cross-polare, consentendo l'impiego come antenna di bordo in satelliti con riuso di frequenza e con più fasci operanti simultaneamente.

Le prestazioni riportate nell'esempio illustrato debbono essere intese come dimostrative delle potenzialità offerte dalla movimentazione suddetta e non delle effettive prestazioni ottenibili con un progetto di dettaglio.

La funzione di zoom o allargamento del fascio circolare è compatibile, con prestazioni eccellenti, anche con ottiche canoniche di tipo gregoriano la cui geometria è già stata illustrata in fig. 4, come verrà ora illustrato in base alla fig. 24.

A titolo illustrativo viene mostrata la funzione di allargamento di un fascio circulare per un fattore 1.6:1 mediante traslazione del riflettore principale lungo l'asse 6 di fig. 24, che riporta i parametri geometrici dell'ottica canonica considerati nell'esempio illustrato. Il diagramma di irradiazione nominale è mostrato in fig. 25a. In queste figure sono riportate le curve isolivello in dB relativi al picco d'antenna. La larghezza di fascio a -3dB è di 2°.

In fig. 26 viene mostrato il fascio "allargato" con 3.2° di larghezza di fascio a -3 dB ottenuto con traslazione del riflettore di 128 mm verso il sub-riflettore lungo l'asse 6 di fig. 24. Il mantenimento della simmetria circolare del fascio e dei bassissimi lobi laterali è rimarchevole.

I livelli di polarizzazione incrociata (qui per brevità non mostrati) si matengono per entrambi i casi a livelli estremamente bassi nella zona di copertura utile (< -34 dB rispetto al valore locale della copolare), tali da permettere l'uso come antenna per sistemi di bordo con riuso di polarizzazione.

E' da notare che, sebbene la funzione di zoom sia compatibile sia con la traslazione del sub-riflettore che del riflettore principale, quest'ultima risulta attualmente preferita poiché sembra meglio ottimizzazione le prestazioni elettriche del fascio circolare allargato.

La funzione di rotazione del fascio ellittico può essere estesa anche ad altre ottiche. In particolare, l'estensione alle ottiche grigliate (descritte in sez. 4, fig. 27) del concetto di rotazione del fascio ellittico per rotazione del subriflettore è possibile e comporta l’introduzione di due sub-riflettori come mostrato in fig. 28. Con riferimento a tale figura, sono identificati nella vista laterale (fig. 28b):

a) l'illuminatore 1 relativo alla polarizzazione X .

b) L'illuminatore 1' relativo alla polarizzazione y .

c) Il sub-riflettore 2 relativo al'illuminatore 1.

d) Il sub-riflettore 2' relativo all'illuminatore 1'.

e) Il riflettore principale frontale 3 grigliato e sensibile alla polarizzazione X.

f) Il riflettore principale posteriore 3' grigliato (o solido) relativo alla polarizzazione y.

g) L'asse di rotazione 4 del sub-riflettore 2 relativo all'illuminatore 1. Ruotando attorno a questo asse il sub-riflettore 2, è possibile ottenere la rotazione del fascio ellittico con polarizzazione lungo l'asse X.

h) L'asse di rotazione 4’ del sub-riflettore 2' relativo all' illuminatore 1'.

Ruotando attorno a questo asse il sub-riflettore 2' è possibile ottenere la rotazione del fascio ellittico con polarizzazione lungo l'asse y.

E1 da notare che i criteri relativi alla costruzione del sistema geometrico per ciascuna polarizzazione sono gli stessi già descritti. Il concetto di rotazione del sub -riflettore è possibile su qualunque tipo di sistema a doppio riflettore grigliato. I vantaggi che possono derivare da questo sistema ottico sono principalmente due:

1) è possibile ottenere coperture ellittiche ruotabili con valori di purezza di polarizzazione di gran lunga più elevati rispetto a quelli ottenibilit con antenne di tipo gregoriano a riflettore solido. Tali valori sono tipici dei riflettori grigliati.

2) E' possibile realizzare due coperture ellittiche indipendenti con orientazioni relative arbitrarie (l'una relativa alla polarizzazione X, l'altra alla polarizzazione y) in un sistema a doppia polarizzazione lineare.

La funzione di allargamento (o zoom) di un fascio circolare o ellittico può essere estesa anche ad altre ottiche. In particolare l'estensione della funzione di allargamento del fascio da circolare a circolare o da ellittico ad ellittico, per mezzo della traslazione del riflettore principale o del sub-riflettore, è applicabile come già menzionato anche alle ottiche gregoriane classiche con superfici canoniche (mostrate nella fig. 4 e nella fig. 24).

In particolare il sistema ottico per il fascio circolare può essere composto da un sub -riflettore ellissoidale e da un riflettore principale parabolico. Con riferimento alla fig. 24, per traslazione del sub -riflettore o del riflettore principale lungo l'asse 6, è possibile ottenere con ottime prestazioni di copolare e cross-polare la funzione di allargamento (o zoom) di un fascio circolare, come già sopra descritto.

Modificando invece il profilo del riflettore principale per via analitica (riflettore parabolico bifocale), o equivalentemente per via numerica, è possibile ottenere un fascio ellittico dalla stessa antenna mostrata in fig. 24. Applicando a detto antenna la traslazione del sub-riflettore 2 e/o del subriflettore principale 3 lungo l'asse 6 di fig. 24, è possibile ottenere l’effetto di zoom e/o riconfigurazione del fascio ellittico.

Caratteristiche determinanti dell'invenzione sono:

• Il concetto di rotazione del fascio ellittico. In particolare è possibile, con una semplice rotazione del sub-riflettore di una antenna classificabile nella famiglia delle antenne Gregoriane, ottenere la rotazione del diagramma di radiazione mantenendo invariata l'orientazione del campo elettrico e la forma del fascio durante la rotazione.

• La metodologia con cui si costruisce il sistema ottico qui descritto e la sagomatura delle superile i, che consente la rotazione del diagramma di copertura ellittica attraverso la rotazione della superficie del subriflettore. Tale rotazione non è attualmente compatibile con i sistemi di antenna gregoriani presentemente noti.

• La compatibilità del sistema ottico qui descritto con le funzioni di allargamento del fascio (zoom) e/o riconfigurabilità dello stesso mediante la traslazione del sub-riflettore o del riflettore principale lungo assi ben determinati.

• L'opportuna combinazione dei gradi di liberta di rotazione e di traslazione, che consente di ottenere un fascio ellittico ruotabile, con possibilità di zoom e riconfigurabilità verso un fascio circolare, per ogni orientazione del fascio ellittico.

• La traslazione separata e/o combinata del sub -riflettore e del riflettore principale, che consente di ottenere, anche in assenza di ritazione del fascio, l’allargamento (o zoom) di un fascio circolare in un fascio circolare allargato di un fattore considerevole (> 2:1), oppure di un fascio ellittico in un fascio ellittico più allargato. E' possibile altresì riconfigurare un fascio ellittico in un fascio circolare, (con un diametro pari all'asse minore del fascio ellittico) o un fascio ellittico orientato a 90° rispetto a quello originario.

• La possibilità di realizzare un allargamento, ma non una rotazione, del fascio anche con ottiche di tipo Gregoriano classico.

• La possibilità di realizzare la rotazione del fascio ellittico con sistemi ottici di tipo grigliato, attraverso due sub-riflettori ruotabili indipendentemente.

Punto essenziale dell'invenzione è la compatibilità delle funzioni suddette con prestazioni elettriche d'antenna tipiche delle antenne a doppio riflettore offset di tipo Gregoriano. Tali prestazioni consistono in alta efficienza del fascio e valori estremamente bassi di polarizzazione incrociata e dei lobi laterali.

Tali caratteristiche ne consentono l'impiego come antenne di bordo per satelliti con riuso di polarizzazione in un ambiente operativo con uno o più fasci simultaneamente attivi. Non costituisce invece oggetto di rivendicazione la funzione di scansione del fascio, peraltro compatibile con la configurazione d'antenna qui proposta e realizzabile con i metodi già noti, quali la rotazione dell'intera antenna con un sistema indipendente di due motori con assi ortogonali, oppure la rotazione indipendente del solo riflettore principale attorno a un punto qualsivoglia.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Antenna a microonde a doppio riflettore di tipo gregoriano (Fig. 1), detta antenna comprendendo i seguenti elementi essenziali: un illuminatore (1), un sub-riflettore (2) con superficie sagomata caratterizzata da due piani di simmetria rispetto a un opportuno asse (4), ed un riflettore principale (3), caratterizzata dal fatto che, ruotando il subriflettore (2) attorno all'asse (4), è possibile ruotare il fascio ellittico dell'antenna mantenendo fìssa l'orientazione del campo elettrico (polarizzazione) e mantenendo invariata la forma del fascio stesso, con valori estremamente bassi di polarizzazione incrociata.
2. Antenna a microonde a doppio riflettore di tipo gregoriano (Fig. 1), secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto di consentire, oltre alla rotazione del fascio definita nella rivendicazione 1, anche ulteriori gradi di libertà quali la traslazione del riflettore principale (3) lungo l'asse (6) e/o la traslazione del sub-riflettore (2) lungo l'asse (5), allo scopo di ottenere un'elevata capacità di riconfigurare il fascio d'antenna. In particolare è possibile ottenere un fascio ellittico allargato oppure variare il rapporto tra l'asse maggiore e l'asse minore del fascio ellittico con una qualsivoglia orientazione di detti assi, oppure realizzare un fascio circolare.
3. Antenna a microonde a doppio riflettore di tipo gregoriano (Fig. 1), secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che la traslazione del sub-riflettore (2) lungo l'asse (5) e/o la traslazione del riflettore principale (3) lungo l'asse (6) consentono l'allargamento di un fascio circolare sfruttando un opportuno profilo del sub -riflettore.
4. Antenna a microonde a doppio riflettore di tipo gregoriano (Fig. 1), secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il riflettore principale (3) può essere singolo come in Fig. 1 oppure sdoppiato in due riflettori principali 3 e 3' selettivi in polarizzazione come in Fig. 28. In quest'ultimo caso il sub-riflettore (2) è sdoppiato in due subriflettori separati (2 e 2'), ciascuno di detti sub-riflettori associato al proprio illuminatore (1 e 1'). Tale configurazione consente di ottenere purezze di polarizzazione nella copertura di servizio caratteristiche dei riflettori grigliati.
5. Antenna a microonde a doppio riflettore di tipo gregoriano classico (Fig. 29), detta antenna comprendendo i seguenti elementi essenziali: un illuminatore (1), un sub-riflettore (2) con superficie sagomata o ellissoidale, ed un riflettore principale (3), caratterizzata dal fatto che, mediante la traslazione del sub -riflettore (2) lungo l'asse (5) e/o la traslazione del riflettore principale (3) lungo l’asse (6), è possibile ottenere l'allargamento di un fascio circolare o ellittico, e ottenere inoltre la riconfigurazione del fascio ellittico in un fascio circolare.