NO156589B - Fremgangsmaate for aa redusere bredden paa straalingsmoensteromhyllingen og konisk, krummet hornreflektorantenne. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å redusere bredden på strålingsmønsteromhyllingen av den art som angitt i innledningen til krav 1 samt en konisk, krummet hornreflektorantenne av den art som angitt i innledningen til krav 4.

Koniske matere for mikrobølgeantenner av reflektortypen har vært kjent i mange år. I en artikkel i 1963 i "The Bell System Techical Journal", beskrives valget av en konisk hornreflektorantenne for bruk ved satelittkommunikasjon med jordstasjoner (Hines et al., "The Electrical Characte-ristics Of The Conical Hornf-Reflector Antenna", "The Bell System Technical Journal", juli 1963, side 1187-1211.

En konisk hornreflektorantenne er også beskrevet i US-patent nr. 3.550.14 2. Koniske matehorn har også blitt benyttet ved store parabolske tallerkenantenner.

Et av problemene med koniske hornreflektorantenner med

glatte vegger er at dets strålingsmønsteromhylling (heretter kalt "RPE") i E-planet er vesentlig bredere enn dets RPE

i H-planet. Når benyttet ved jordkommunikasjonssystemer kan den brede strålebredden i E-planet bevirke interferens med signaler fra andre antenner. Når et glattvegget konisk horn blir benyttet som primærmater for en parabolsk tallerkenantenne utgjør også dens forskjellige strålebredder i E- og H-planet det vanskelig å tilveiebringe symmetrisk bestråling av den parabolske tallerkenen.

Det er et primært formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en økonomisk og effektiv måte å oppnå betydelig innsnevring av E-planet RPE for en antenne av hornreflektor-typen med en kjegleformet mater uten betydelig nedgradering av H-planet RPE eller en annen ytelseskarakteristikk for antennen.

Det er ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe

en forbedret kjegleformet mater som gir smal og hovedsakelig lik RPE i både E- og H-planet og med undertrykkede sidelober.

Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en slik forbedret kjegleformet mater som gir en stor bånd-bredde.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe

en slik forbedret kjegleformet mater som oppnår ovenfor nevnte formål uten noen betydelig skadelig virkning på antennens forsterkning.

Andre formål og fordeler med oppfinnelsen vil fremgå av den følgende detaljerte beskrivelsen og medfølgende tegninger.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er ovenfornevnte tilveiebrakt ved hjelp av en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art hvis karakte-ristiske trekk fremgår av krav 1, og ved hjelp av en konisk, krummet horn-ref lektorantenne av den art son angitt i innledningen og hvis karakte-ristiske trekk fremgår av krav 4.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravene.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et sideriss delvis i snitt av en kjegleformet hornreflektorantenne som utgjør foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser et vertikalsnitt langs linjen 2-2 på fig. 1. Fig. 3 viser et perspektivriss av antennen vist på fig. 1 og 2 med forskjellige referanselinjer overlagret. Fig. 4 viser to E-plan RPE frembrakt av antenne på fig. 1-3 med og uten en absorbsjonsforing i den kjegleformede seksjonen. Fig. 5 viser to H-plan RPE frembrakt av antennen på fig. 1-3 med og uten samme absorbsjonsforing i den koniske seksjonen som på fig. 4. Fig. 6 viser en kurve over feltfordelingsmønstrene langs den kjegleformede seksjonens radius ved antennen på fig. 1-3, med og uten absorbsjonsforingen i den koniske seksjonen. Fig. 7 viser et forstørret enderiss av en av putene med absorbsjonsmaterialet benyttet for å danne en ab-sorbs jonsforing i den kjegleformede seksjonen til antennen på fig. 1-3. For beskrivelse av den beste måten for utførelse av oppfinnelsen skal vi nå henvise til tegningene og først til fig. 1 og 2 som viser en kjeglehornreflektormikrobølgeantenne med en kjegleformet seksjon 10 for føring av mikrobølgesig-naler til en parabolsk reflektorplate 11. Fra reflektor-plafcen 11 blir mikrobølgesignaler sendt gjennom en åpning 12 dannet i fronten av en sylinderseksjon 13 som er festet til både den kjegleformede seksjonen 10 og reflektorflaten 11 for å danne en fullstendig omhyllet antennekonstruksjon i ett stykke.

Den parabolske reflektorplaten 11 er en seksjon av en parabo-loid som representerer flaten til en omdreining dannet ved å rotere en parabolsk kurve om en akse 41 som strekker seg gjennom toppen og brennpunktet til den parabolske kurven. Enhver mikrobølge som oppstår ved brennpunktet til en slik parabolsk overflate vil som kjent bli reflektert av platen 11 i plane bølgefronter perpendikulære på aksen, dvs. i retningen angitt med pilen 14 på fig. 2. Den kjeglformede seksjonen 10 til den viste antennen er anordnet slik at dens topp faller sammen med brennpunktet til paraboliden og slik at aksen 15 til den kjegleformede seksjonen er perpendikulær på aksen 41 til paraboloiden. Med denne geomet-rien blir en divergerende kuleformet bølge som stråler ut fra den kjegleformede seksjonen 10 og støter mot reflektorplaten 11 reflektert som en plan bølge som passerer gjennom åpningen 12 og er perpendikulær på aksen 14. Den sylindriske seksjonen 13 tjener som en skjerm som forhindrer at reflektorplaten 11 frembringer interfererende side og bakoverrettede signaler og hjelper til å fange opp overskuddsenergien fra den kjegleformede seksjonsmateren. Det skal bemerkes at den kjegleformede seksjonen 10, reflektorplaten 11 og den sylindriske skjermen 13 vanligvis er utformet av et ledende metall (selv om det kun er vesentlig at reflektorplaten 11 har en metallisk overflate).

For å beskytte det indre av antennen mot vær og strøsignaler er toppen av reflektorplaten 11 dekket med en panel 20 festet til den sylindriske skjermen 13. En radom 21 dekker også åpningen 12 ved fronten av antennen for å tilveiebringe ytterligere beskyttelse mot vær. Innsideflaten til den sylindriske skjermen 12 er dekket med et absorbsjonsmateriale 22 for å absorbere strøsignaler slik at de ikke degraderer RPE. Slike absorbsjonsskjermmaterialer er i og for seg vel-kjent og innbefatter i alminnelighet et ledende materiale slik som metall eller karbon fordelt i et dielektrisk materiale som har en overflate i form av flere pyramider eller omhyllede kjegler.

I samsvar med ett trekk ved foreliggende oppfinnelse har

den metalliske koniske seksjonen 10 en glatt innvendig vegg og et absorbsjonsforingsmateriale for redusering av bredden RPE i E-planet til antennen. Som vist på fig. 1-3 strekker seg således en foring av absorbsjonsmaterialet 35 fra den øvre enden av den kjegleformede seksjonen 10 nedover langs innsiden av metallkjeglens overflate i en avstand tilstrekkelig for å redusere bredden på RPE i E-planet til antennen tett opptil bredden av RPE i H-planet (bemerk at denne bredden vanligvis er målt ved 65dB ned nivå). Absorbsjonsmaterialet strekker seg kontinuerlig rundt hele omkretsen av kjeglens indre overflate. Det er foretrukket å fortsette foringen av

absorbsjonsmaterialet 35 langs den kjegleformede seksjonens 10 lengde til et punkt 4 0 på den innvendige diameteren til kjeglen er redusert til omkring 7 ganger den lengste bølge-lengden til mikrobølgesignalene som skal bli sendt gjennom kjeglen. Dersom absorbsjonsforingen blir forsatt inn i området av den mindre diameteren i kjeglen kan I 2R-tapene i absorbereren bli for store. Ved den brede enden til den kjegleformede seksjonen skulle absorbsjonsforingen strekke seg hele veien til enden av kjeglen.

Foringen 35 kan være utformet av vanlig absorbsjonsmateriale, ett eksempel er AAP-ML-73 absorbsjonsmateriale fremstilt av "Advanced Absorber Products Inc., 4 Poplar Street, Amesbury, Maine". Dette absorbsjonsmaterialet har en flat overflate som vist på fig. 7 (i motsetning til den pyramidiske eller kjegleformede overflaten til absorberen benyttet i skjermen) og er omkring 3/8 tommer tykk. Absorbsjonsmaterialet kan bli fastgjort til metallveggene til antennen ved hjelp av et klebemiddel. Når absorbsjonsmaterialet nevnt ovenfor blir anvendt er det fortrinnsvis skåret i flere relativt små puter som kan bli støttet opp mot hverandre for å danne et kontinuerlig lag med absorbsjonsmateriale over den kurve-formede overflaten som den blir anbragt på. Puten er vist med gittermønsteret på fig, 1-3.

Absorbsjonsforingen 35 i den kjegleformede seksjonen 10 til antennen kan redusere bredden på E-planets RPE slik at det er vesentlig lik bredden av H-planets RPE (dette gjør den ved å redusere alle sidelobene i E-planet). Denne forbedringen er vist på fig. 4 og 5 som viser henholdsvis E-planets og H-planets RPE. De stiplede linjene på fig. 4 og 5 viser RPE frembrakt uten noen absorberer i den kjegleformede seksjonen til antennen på fig. 1-3 og den heltrukne linjen viser RPE tilveiebrakt med absorbsjonsforing i den kjegleformede seksjonen til antennen. Det fremgår at absorbsjonsforingen bevirker en betydelig reduksjon av bredden på E-planets RPE uten å frembringe noen betydelig endring i bredden på H-planets RPE. Sammenligning av 65-dB nivåene til de to RPE på fig. 4 og 5 (som nevnt ovenfor er 6 5-dB et referansepunkt vanligvis benyttet for å bestemme ytelseskarakteristikken til slike antenner) kan det f.eks. bli sett at bredden på både E-planets RPE og H-planets RPE ved dette nivået er omkring 20° utenfor aksen. Det vil si bredden på E-planets og H-planets RPE er omkring like ved 65-dB nivået. 65-dB E-planets bredde med absorbsjon (fig. 4) er smalere enn omkring en halvdel av den uten absorbsjon, dvs. 0^ = §^^ 2. Disse forbedrelsene blir dessuten tilveiebrakt kun ved ubetydelig tap i forsterkningen, dvs. den totale forsterkningen med omkring 43-dB blir redusert med mindre enn 0,2-dB.

Absorbsjonsforingen i den kjegleformede seksjonen bevirker at feltfordelingen i kjeglen avsmalner skarpere mot innsiden av kjeglens overflate på grunn av det at veggimpedansen til absorbsjonslinjen tenderer til å tvinge det perpendikulære E-feltet til 0. Dessuten gjør den dette mens den trekker kun en liten del av den passerende mikrobølgeenergien som utbreder seg gjennom kjeglen. Dette er vist ved hjelp av kurvene på fig. 6, hvor det er vist flere forskjellige tilsmalninger i feltfordelingen over den kjegleformede seksjonen, idet den horisontale aksen representerer radiusen til den kjegleformede seksjonen. Nullpunktet på den horisontale aksen på fig. 6 representerer nærmere bestemt stedet for aksen til kjeglen i ethvert gitt plan perpendikulært på denne aksen og 1.0 punktet på horisontalaksen utgjør stedet for kjegleveggen i samme plan. Tallverdiene på horisontalaksen utgjør forholdet Ø/a^, hvor 6 er vinkelfor-skyvningen i forhold til den kjegleformede aksen og er kjeglehalvvinkelen (se fig. 6). Nullpunktet ved toppen av den vertikale aksen representerer feltstyrken ved kjegle-aksen og de øvrige tallverdiene på vertikalaksen utgjør reduksjon i feltstyrken, i dB, fra feltstyrken til aksen. Den heltrukne kurven på fig. 6 viser E-planets og H-planets feltfordeling over en kjegle uten absorbsjonsforing og den stiplede kurven viser E-planets og H-planets feltfordeling

over en kjegle med absorbsjonsforing.

Som det fremgår av den heltrukne kurven på fig. 6 er det en vesentlig forskjell i avsmalningen eller fallet i feltfordelingen i E- og H-planene i fravær av absorbsjonsforingen. Den stiplede kurven viser at når absorbsjonsforingen blir benyttet avsmalner E-planfeltfordelingen mye skarpere og nærmerer seg den til H-planfeltet mens der kun er en lett degradering i H-planets avsmalning som bringer den også nærmere E-planfeltet. Den teoretisk ideelle situasjonen er hvor H-planfeltfordelingen ville ha den heltrukne linjeprofilen

og profilen til E-planfeltfordelingen ville sammenfalle med den til H-planet. I praksis kan imidlertid denne teoretisk ideelle tilstanden kun bli tilnærmet, som vist med de stiplede kurvene på fig. 6.

Matematisk kan operasjonen av matehornet bli karakterisert som følgende. Dersom vi setter EØ (r, 9, <(>) og E<f> (r, 0, ()>) lik den polare og azimutale komponenten til det elektriske feltet (med opprinnelse ved spissen av kjeglen og 8 og | henholdsvis den polare og azimute vinkel) så kan det bli vist at de kan bli uttrykt matematisk som: U) EØ (r, 0, = A f (w) cos4>

(2) EØ (r, 0, = A g(w) sin<J)

hvor

(3) A = E° exp(-jkr)/kr

E°= Vilkårlig drivkonstant, k = 2ir/X, X= friromsoperasjons-bølgelengde og funksjonene f(w) og g(w) er gitt ved hjelp av følgende uttrykk:

(4) f(w) = J±( X)/ X + Rs J'1(X)

(5) g(w) = RsJ1(X)/X + J^X)

med

(6) X = E 9/aQ

(7) J^(X) = Besselfunksjon av første orden, argument X

(8) J1(X) = Derivering av J^X) i forhold til X.

Det skal bemerkes at feltene er entydig kjent for området 0<9<ao og 0<6<360° dersom parametrene E "eigenverdi" og Rs (den sfæriske hybridisitetsfaktor) er kjent. Disse parametrene er entydig bestemt som følge av kjeglevegg-materialets art.

Ingen absorbsjon.

Dersom ingen absorbsjon er tilstede kan det vises at E=l,84 og Rs=0, som således gir:

(9) f(w) = J1(l,840/ao)/(l,840/ao)

(10) g(w) = J'1(l/84e/ct0)

hvor amplitudefordelingene (i dB er normalisert på aksen, 6=0) er vist med heltrukne linjer på fig. 6 (Bemerk at E-planet = -201og1Q |f(w)/f(0)| ;

H-planet = -201og10 |g(w)/g(0)| ).

Perfekt absorbsjon.

For det perfekte absorbsjonstilfellet (også et korrugert horn med kvartbølgetenner) kan det bli vist at E = 2.39,

Rs = +1, som således gir

(11) f(w) = g(w) = Jq (2.396/aQ), perfekt absorbsjon hvor identiteten

(12) JX(X)/X + J'1(X) = JQ(X)

har blitt benyttet med J o(X) - Besselfunksjonen av nulte orden, argument X. Det skal bemerkes at dB-opptegningen for (11) i virkeligheten er identisk med den til (10), som således viser at H-planet til den glatte veggen og perfekte absorbsjonsveggen i virkeligheten er identiske. Også for dette perfekte absorbsjonstilfellet kan det sees at E-

planet er identisk med H-planet.

Virkelig absorbsjon.

En virkelig absorbsjon har E som adskiller seg fra ikke-absorbsjonstilfellet med 1.84 og det perfekte absorbsjons-tilf ellet med 2.39 med en hybridisitetsfaktor Rs hverken null (ingen absorbsjon) eller enhetlig (perfekt absorbsjon). Generelt vil begge være kompliserte med endelige tap ved absorbsjonen. Typiske E- og H-plankurver er vist prikket på fig. 6 og viser som tidligere beskrevet at E-planet er stort sett avsvalnet fra ingen absorbsjonstilfelle men H-planet er kun lett utvidet og det oppnåes således den ønskede virkningen.

En ytterligere fordel ved foreliggende oppfinnelse er at RPE-forbedrelsen kan bli tilveiebrakt over et relativt

bredt frekvensbånd. Forbedringene beskrevet ovenfor for antennen vist på fig. 1-3 kan f.eks. bli realisert over vanlige bærefrekvensbånd vanligvis henvist til som 4 GHz-, 6GHz-og 11 GHz-båndene.

Absorbsjonsmaterialer er generelt karakterisert av tre parametre: tykkelse, dielektrisitetskonstant og tapstangent. Absorberere benyttet ved foreliggende oppfinnelse må ha en tykkelse og tapstangent tilstrekkelig til å undertrykke uønskede overflate (langsomme) bølger. Slike overflate-bølger kan lett bli frembrakt ved overgangen fra den metalliske delen på innsiden av overflaten til kjeglen eller veggen og den absorbsjonsforede delen til kjegleveggen, men disse bølgene blir dempet av absorbsjonsmaterialet slik at de ikke interfererer med det ønskede feltmønsteret til energien som slår mot reflektorflaten 11. Sluttresultatet er at alle forbedringene beskrevet ovenfor blir tilveiebrakt uten å frembringe noen uønskede ødeleggelser i feltmønsteret. Den tilsmalnende E-planvirkningen kan i virkeligheten bli til-veiebragt med nulltapstangentmaterialet, men med ikke noe tap er overflatebølgene ikke dempet og operasjonsbåndbredden blir redusert. Det er følgelig foretrukket å benytte et ab-sorbs jonsmateriale med noe tap.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet med spesiell henvisning til en hornreflektorantenne er det klart at oppfinnelsen også

kan bli benyttet med fordel i et primærmatehorn for en tallerkenantenne. Ved sistnevnte anvendelse er hovedsakelig like hovedstrålebredder i E- og H-planene tilveiebrakt ved hjelp av absorbsjonsforet matehorn spesielt fordelaktig på grunn av at de tilveiebringer symmetrisk bestråling av den parabolske tallerkenen. De følgelig tilnærmede like sekundær-mønstrene med deres reduserte sidelober over en stor bånd-bredde og med neglisjerbart forsterkningstap er også viktig ved denne primærmatehornanvendelsen.

Som det fremgår av ovenfor nevnte beskrivelse kan denne oppfinnelsen tilveiebringe en økonomisk og effektiv måte for å tilveiebringe betydelig tilsmalning av E-planets RPE for en antenne av reflektortypen som har en kjegleformet mater uten betydelig degradering av H-planets RPE eller en annen ytelseskarakteristikk for antennen. Absorbsjonsforingen i den kjegleformede materen frembringer et smalt RPE i E-planet mens den tar vare på den allerede smale RPE i H-planet og disse RPE kan bli gjort nesten like i bredden. Disse forbedringene blir dessuten tilveiebrakt over store båndbredder (f.eks. 4 til 12 GHz) med ingen betydelig skadelig virkning på antennens forsterkning eller på den VSWR.

Selv om oppfinnelsen så langt har blitt beskrevet med spesiell henvisning til et kjegleformet matehorn som mater en reflektorantenne er det klart at bruken av absorbsjonsforing på pyramideformede (eller andre former) matehorn som mater en reflektorantenne vil frembringe samme ønskede effekt

(dvs. tilsmalning av E-planets RPE for å gjøre det tilnærmet lik H-planets RPE).

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for å redusere bredden på strålingsmønsterom-hyllingen (RPE) i E-planet til en konisk krummet hornreflektorantenne med reflektor som danner en krummet reflekterende overflate for å sende og motta mikrobølgeenergi og et glatt-bølget konisk matehorn forskjøvet fra reflektoraksen for føring av mikrobølgeenergi fra brennpunktet til den krummede reflektorantennen til reflektoren, karakterisert ved foring av i det minste en del av den indre veggen til matehornet strekkende seg i ett fra hornets brede ende mot hornets smale ende med et absorpsjonsmateriale for å redusere bredden på RPE i E-planet uten vesentlig å øke bredden på RPE i H-planet, idet absorpsjonen øker "eigenverdien" E og den sfæriske hybridisitetsfaktoren Rs tilstrekkelig for å bevirke at E-planets og H-planets RPE'er nærmer seg hverandre.

2 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at foringen med absorpsjonsmaterialet øker avtagningen av feltfordelingen over diameteren til hornet i E-planet tett opptil avtagningen av feltfordelingen over diameteren til hornet i H-planet.

3 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at foringen med absorpsjonsmaterialet strekker seg fra et punkt i hornet hvor horndiameteren er i det minste over syv ganger den lengste bølgelengden av det signalet som med mikrobølgeenergi blir utsendt gjennom hornet kontinuerlig til den brede enden av hornet.

4 . Konisk, krummet hornreflektorantenne innbefattende kombinasjon av en reflektor (11) som danner en krummet reflekterende overflate for å sende og motta mikrobølgeenergi, et glattvegget konisk matehorn (10) forskjøvet fra reflektoraksen for å lede mikrobølgeenergi fra et brennpunkt til den krummede reflekterende overflaten til reflektoren (11), karakterisert ved en foring (35) av absor-berende materiale på den innvendige veggen til hornet (10), som strekker seg i ett fra hornets (10) brede ende og mot hornets (10) smale ende, og er innrettet til å redusere bredden av strålingsmønsteromhyllingen (RPE) i E-planet for antennen uten betydelig økning av bredden på RPE i H-planet, idet absorbereren øker "eigenverdien" E og den sfæriske hybridisitetsfaktoren Rs tilstrekkelig for å bevirke at E-plan- og H-plan-RPE'ene nærmer seg hverandre.

5. Antenne ifølge krav 4,karakterisert ved at foringen med absorpsjonsmaterialet er innrettet til en øket avtagning av feltfordelingen over hornets diameter i E-planet til en tett tilnærmelse til avtagningen av feltfordelingen over hornets diameter i H-planet.

6. Antenne ifølge krav 4,karakterisert ved at foringen (35) med absorpsjonsmaterialet strekker seg fra den brede enden av det koniske hornet (10) mot dens smale ende avsluttende ved et punkt hvor horndiameteren er i det minste omkring syv ganger den lengste bølgelengden til det signalet som ved mikrobølgeenergi blir utsendt gjennom hornet (10).