NO163928B

NO163928B - REFLECTOR ANTENNA WITH SELF-SUSTAINABLE MEASUREMENT ELEMENT.

Info

Publication number: NO163928B
Application number: NO880464A
Authority: NO
Inventors: Per-Simon Kildal
Original assignee: Sintef
Priority date: 1986-06-03
Filing date: 1988-02-03
Publication date: 1990-04-30
Also published as: NO864563D0; EP0268635B1; ATE70924T1; NO880464L; JPH01500790A; NO880464D0; DE3775528D1; NO163928C; NO864563L; EP0268635A1; WO1987007771A1

Abstract

A reflector antenna with a dish-shaped main reflector (10), and a self-supporting feed (11) for the transmission or reception of polarized electromagnetic waves. The feed (11) consists of a tube (12) which is attached to the middle of the main reflector (10) and is terminated by a subreflector (13) so that an intermediate space (14) is formed between the subreflector and the end of the tube. The part of the tube that is nearest the intermediate space (14) contains a cylindrical waveguide (15), or is the waveguide itself, and has an approximately circular or quadratic cross-section. Externally, the intermediate space (14) is bounded by a circular, cylindrical surface (16) with the same diameter as the outer diameter of the tube (12) this being called the aperture surface. The surface of the subreflector (13) which is located just outside the surface of the aperture (16) has circular corrugations (17), or other means of creating a reactive, anisotropic surface impedance, to ensure that the electromagnetic waves are propagated along the surface disregardless of whether the electrical field is tangential to the surface or is normally on it. The part of the subreflector (13) that is located within the aperture surface (16) is shaped as a central conical element (18) with reflecting characteristics and which is inclined towards the tube (12).

Description

Oppfinnelsen vedrører en reflektorantenne med et selv-boerende mateelement av det slaget som er angitt i innledningen til patentkrav 1, for utstråling eller mottaking av polariserte elektromagnetiske bølger. Bruken er hovedsaklig til mottaking av TV-signaler fra satelitt, men den kan også anvendes til radiolinje-formål, og som jordstasjon for satelitt-kom-munikasjon. The invention relates to a reflector antenna with a self-supporting feed element of the type specified in the introduction to patent claim 1, for radiating or receiving polarized electromagnetic waves. The use is mainly for receiving TV signals from satellite, but it can also be used for radio line purposes, and as an earth station for satellite communication.

Slike reflektorantenner benyttes særlig fordi de er enkle og billige å tilvirke. De gir også høyere antenneeffektivitet, og lavere sidelober i st rålingsdiagrammet enn om mateelementet må festes ved å bruke skråstilte stag. Slike stag blokkerer nemlig hovedreflektoren. Et selvbærende mateelement er også lett tilgjengelig fra baksiden av reflektoren. Derfor brukes det ofte når senderen og/eller mottakeren ønskes plassert der. Det gir lavere tap enn om bølgene alternativt må ledes i kabel langs et skråstilt stag. Such reflector antennas are used in particular because they are simple and cheap to manufacture. They also provide higher antenna efficiency, and lower side lobes in the radiation pattern than if the feed element has to be fixed using inclined struts. Such struts block the main reflector. A self-supporting feed element is also easily accessible from the rear of the reflector. Therefore, it is often used when the transmitter and/or receiver is to be placed there. This results in lower losses than if the waves must alternatively be guided in a cable along an inclined strut.

Fra A. Chlavin, "A New Antenna Feed Håving Equal Eand H-Plane Patterns", IRE Trans. Antennas Propagat., Vol.AP-2, pp.113-119, July 1954, er det kjent en reflektorantenne med selvbærende mateelement. I denne antennen er det imidlertid benyttet en bølgeleder med utpreget rektangulært tverrsnitt. Antennen kan derfor bare sende eller motta bølger med én bestemt lineær polarisasjon. From A. Chlavin, "A New Antenna Feed Håving Equal Eand H-Plane Patterns", IRE Trans. Antennas Propagat., Vol.AP-2, pp.113-119, July 1954, a reflector antenna with a self-supporting feed element is known. In this antenna, however, a waveguide with a pronounced rectangular cross-section is used. The antenna can therefore only transmit or receive waves with one specific linear polarization.

Fra C.C.Cutler, "Parabolic-antenna design for micro-waves", Proe. IRE, Vol.35, pp.1284-1294, Nov. 1947, er det kjent en dobbelt-polarisert ref lektorantenne med to varianter av et selvbærende mateelement som kalles hhv. et "r ing-focus" mateelement, og et "waveguide cup" mateelement. I disse to mateelementene benyttes en sirkulær bølgeleder med en reflekterende gjenstand foran åpningen av bølgelederen, der denne gjenstanden har form som hhv. en plan skive og en kopp. Begge disse to mateelementene gir imidlertid høy krysspolarisasjon innenfor strålingsdiagrammets hovedlobe. From C.C.Cutler, "Parabolic-antenna design for micro-waves", Proe. IRE, Vol.35, pp.1284-1294, Nov. 1947, a double-polarized reflector antenna is known with two variants of a self-supporting feed element called respectively a "r ing-focus" feed element, and a "waveguide cup" feed element. In these two feed elements, a circular waveguide is used with a reflective object in front of the opening of the waveguide, where this object has the shape of a flat disc and a cup. However, both of these two feed elements provide high cross-polarization within the main lobe of the radiation pattern.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skape en reflektorantenne som er dobbelt-polarisert med lav krysspolarisasjon innenfor strålingsdiagrammets hovedlobe. Dobbelt-polarisert betyr at antennen er i stand til å sende eller motta to bølger med orthogonal lineær eller sirkulær polarisasjon samtidig. Da må bølgelederen i mateelementet ha tilnærmet sirkulært eller kvadratisk tverrsnitt. The main purpose of the invention is to create a reflector antenna that is double-polarized with low cross-polarization within the main lobe of the radiation diagram. Dual-polarized means that the antenna is capable of transmitting or receiving two waves with orthogonal linear or circular polarization simultaneously. Then the waveguide in the feed element must have an approximately circular or square cross-section.

Formålet oppnås ved hjelp av de trekk som er angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 1. Ytterligere detaljer ved oppfinnelsen er angitt i patentkrav 2 - 10. The purpose is achieved with the help of the features stated in the characterizing part of patent claim 1. Further details of the invention are stated in patent claims 2 - 10.

Subreflektorens overflate blir gitt en slik beskaffenhet at de elektromagnetiske bølgene reflekteres fra, og forplanter seg langs overflaten på tilnærmet samme måte enten det elektriske feltet er normalt på overflaten eller det tangerer overflaten, og at dette sammen med en gunstig utforming av den øvrige geometrien til mateelementet forårsaker at kryss-polar isas jonen blir lav innenfor strålingsdiagrammets hovedlobe . The surface of the subreflector is given such a quality that the electromagnetic waves are reflected from, and propagate along the surface in approximately the same way whether the electric field is normal to the surface or it is tangent to the surface, and that this together with a favorable design of the other geometry of the feed element causing the cross-polar isas ion to be low within the main lobe of the radiation diagram.

Det skal nevnes at en dobbelt-polarisert reflektorantenne med selvbærende mateelement er kjent bl.a. fra P. Newham, "The Search for an Efficient Splashplate Feed", Proceedings of the Third International Conference on Antennas and Propagation (ICAP 83), IEE Conference Publication No. 219, pp. 348-352. April 1983, og i tidligere artikler av samme forfatter. I denne antennen har subreflektoren en glatt overflate. En kan imidlertid også her oppnå lav krysspolarisasjon da subreflektoren er plassert så langt fra åpningen av bølgelederen at bølgene ikke er radielle og slik at de ikke forplanter seg langs subreflektorens overflate. Derved unngås den glatte subreflektorens polarisasjonsavhengige ref leksjonskoeffisient for radielle bølger. Oppfinnelsen derimot beskriver en antenne der denne avstanden et så liten at noen av bølgene forplanter seg langs subreflektorens overflate. Lav krysspolarisas jon oppnås da bare ved å gi overflaten en slik beskaffenhet at reflek-sjonskoeffisienten for radielle bølger blir polar isasjons-uavhengig. It should be mentioned that a double-polarized reflector antenna with a self-supporting feed element is known, among other things. from P. Newham, "The Search for an Efficient Splashplate Feed", Proceedings of the Third International Conference on Antennas and Propagation (ICAP 83), IEE Conference Publication No. 219, pp. 348-352. April 1983, and in previous articles by the same author. In this antenna, the subreflector has a smooth surface. However, low cross-polarization can also be achieved here as the subreflector is placed so far from the opening of the waveguide that the waves are not radial and so that they do not propagate along the surface of the subreflector. Thereby, the smooth subreflector's polarization-dependent reflection coefficient for radial waves is avoided. The invention, on the other hand, describes an antenna where this distance is so small that some of the waves propagate along the surface of the subreflector. Low cross-polarization is then only achieved by giving the surface such a quality that the reflection coefficient for radial waves becomes polarization-independent.

Hovedfordelen ved oppfinnelsen sammenliknet med P.Newhams løsning er at subreflektorens diameter kan gjøres mindre, slik at blokkeringen i sentrum av hovedreflektoren blir mindre. The main advantage of the invention compared to P.Newham's solution is that the diameter of the sub-reflector can be made smaller, so that the blockage in the center of the main reflector is smaller.

Det skal videre nevnes at en dobbelt-polarisert antenne som stråler rundt en sylinder er kjent fra A.W.Love, "Scale Model Development of a High Efficiency Dual Polarized Line Feed for the Arecibo Spherical Reflector", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-21, pp.628-639, Sept. 1973. Denne antennen er imidlertid en rekkeantenne som består av flere elementer, og den mater en hovedreflektor med sfærisk form. Dessuten har antenne ingen subreflektor. Den har imidlertid vært kjent for oppfinneren. It should further be mentioned that a dual-polarized antenna radiating around a cylinder is known from A.W.Love, "Scale Model Development of a High Efficiency Dual Polarized Line Feed for the Arecibo Spherical Reflector", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-21, pp.628-639, Sept. 1973. However, this antenna is an array antenna consisting of several elements, and it feeds a spherical main reflector. Also, the antenna has no subreflector. However, it has been known to the inventor.

Det skal også nevnes at et dobbelt-polarisert element som stråler rundt en glatt ledende sylinder er kjent fra P-S.Kildal, "Study of Element Patterns and Excitions of the Line Feed of the Spherical Reflector Antenna in Arecibo", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.AP-34, pp. 197-207, Feb. 1986. It should also be mentioned that a double-polarized element radiating around a smooth conducting cylinder is known from P-S.Kildal, "Study of Element Patterns and Excitations of the Line Feed of the Spherical Reflector Antenna in Arecibo", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.AP-34, pp. 197-207, Feb. 1986.

I kapittel II av denne artikkelen studeres et slikt element teoretisk. Her er heller ingen subreflektor, og elementet mater ingen hovedreflektor. Imidlertid springer oppfinnelsen ut av disse teoretiske studiene. In Chapter II of this article, such an element is studied theoretically. There is no sub-reflector here either, and the element does not feed any main reflector. However, the invention springs from these theoretical studies.

I US-Patentskrift 3162858 er det beskrevet en dobbelt-polarisert reflektorantenne med selvbærende mateelement som består i hovedsak av en radiell bølgeleder, som formes av to plane flater eller av to koaksiale koniske flater med samme topp-punkt. I oppfinnelsen finnes ingen slik radiell bølgeleder. I steden benyttes en subreflektor. US-Patent 3162858 describes a double-polarized reflector antenna with a self-supporting feed element which consists mainly of a radial waveguide, which is formed by two flat surfaces or by two coaxial conical surfaces with the same top point. In the invention, there is no such radial waveguide. A subreflector is used instead.

I oppfinnelsen danner subreflektoren og utsiden av røret ingen radiell bølgeleder, da røret i hovedsak er sylindrisk og ikke konisk. Derved forplanter ikke bølgene seg i form av radielle bølgemodi i dette området, som blir gjort i US-Patentskriftet. 1 US-Patentskriftet beskrives at antennen har et ringformet fokus (tilsvarende mateelementets fasesenter) i åpningen eller aperturen av den radielle bølgelederen, og det er ingen subreflektor utenfor dette fasesenteret. I oppfinnelsen derimot ligger mateelementets ringformete fasesenter i nærheten av den sylindrisk formete apertur-flaten mellom enden av røret og midten av subreflektoren. I oppfinnelsen ligger derfor subreflektoren i hovedsak utenfor fasesenteret. In the invention, the subreflector and the outside of the tube do not form a radial waveguide, as the tube is essentially cylindrical and not conical. Thereby, the waves do not propagate in the form of radial wave modes in this area, which is done in the US patent. 1 The US patent describes that the antenna has an annular focus (corresponding to the phase center of the feed element) in the opening or aperture of the radial waveguide, and there is no sub-reflector outside this phase centre. In the invention, on the other hand, the annular phase center of the feed element is located near the cylindrically shaped aperture surface between the end of the tube and the center of the subreflector. In the invention, therefore, the subreflector is mainly located outside the phase centre.

I US-Patentskriftet har begge vegger i den radielle bølgelederen sirkulære korruger inger som er ca 0,25K/ bølgelengder dype. Disse kor rugeringene gir veggene en anisotrop overflateimpedans som forårsaker at de radielle bølgene forplanter seg polarisasjonsuavhengig i bølgelederen. I oppfinnelsen er først og fremst bare subreflektoren forsynt med en slik anisotrop og reaktiv overflateimpedans. Ved hjelp av studier basert på formlene i den tidligere nevnte artikkelen i IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.AP-34, Feb. 1986, har man funnet at det i de fleste tilfeller ikke er nødvendig å forsyne utsiden av røret med en slik overflateimpedans. Derved er oppfinnelsen billigere å tilvirke enn den kjente antennen, der to flater må korrugeres. In the US patent, both walls of the radial waveguide have circular corrugations that are approximately 0.25K/wavelengths deep. These corrugations give the walls an anisotropic surface impedance which causes the radial waves to propagate independent of polarization in the waveguide. In the invention, primarily only the subreflector is provided with such an anisotropic and reactive surface impedance. Using studies based on the formulas in the previously mentioned article in IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.AP-34, Feb. 1986, it has been found that in most cases it is not necessary to provide the outside of the pipe with such a surface impedance. Thereby, the invention is cheaper to manufacture than the known antenna, where two surfaces must be corrugated.

I oppfinnelsen kan man imidlertid også forsyne utsiden av røret med en anisotrop og reaktiv overflateimpedans, da det i noen anvendelser med spesielt strenge krav til krysspolarisasjon kan være nødvendig. In the invention, however, one can also provide the outside of the tube with an anisotropic and reactive surface impedance, as in some applications with particularly strict requirements for cross-polarization it may be necessary.

Oppfinnelsen bygger på en teoretisk modell for hvordan en spalte i et sylindrisk rør stråler (se den tidligere nevnte artikkelen i IEEE Trans. Antennas and Propagat., Vol. AP-34, Feb. 1986). The invention is based on a theoretical model for how a slit in a cylindrical tube radiates (see the previously mentioned article in IEEE Trans. Antennas and Propagat., Vol. AP-34, Feb. 1986).

Båndbreddeproblemet er i oppfinnelsen løst ved de trekk som er nevnt i Patentkrav 6 og 10. Det vil si at den midtre del av subreflektoren utformes som en konisk spiss som peker i retning av hovedreflektoren. Denne spissen reflekterer en innfallende bølge fra bølgelederen i radiell retning slik at den bølgen, som reflekteres tilbake i bølgelederen, får liten amplitude. Derved blir ref leksjonstapet lite. Samtidig blir det en riktig balanse mellom de aksielle og rundtgående feltene som settes opp over apertur-flaten, slik at en får lav krysspolarisas jon. Dette er mulig å oppnå over en relativ båndbredde på ca 10 %. The bandwidth problem is solved in the invention by the features mentioned in Patent Claims 6 and 10. That is to say, the middle part of the sub-reflector is designed as a conical tip that points in the direction of the main reflector. This tip reflects an incident wave from the waveguide in the radial direction so that the wave, which is reflected back into the waveguide, has a small amplitude. Thereby, the reflection loss is small. At the same time, there is a correct balance between the axial and circumferential fields that are set up above the aperture surface, so that you get low cross-polarisation. This is possible to achieve over a relative bandwidth of about 10%.

Alle mekaniske dimensjoner mellom midten av subreflektoren og enden av røret er kritiske, men samtidig finnes det et stort antall kombinasjoner av dimensjoner som gir godt resultat. All mechanical dimensions between the center of the subreflector and the end of the tube are critical, but at the same time there are a large number of combinations of dimensions that give good results.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et eksempel på en reflektorantenne med selvbærende mateelement, The invention will be described in more detail below with reference to the drawings, where: Fig. 1 shows an example of a reflector antenna with a self-supporting feed element,

fig. 2 viser et aksialsnitt gjennom et mateelement utformet i samsvar med oppfinnelsen, fig. 2 shows an axial section through a feed element designed in accordance with the invention,

fig. 3 viser et aksialsnitt gjennom en subreflektor som har riller i overflaten, fig. 3 shows an axial section through a subreflector which has grooves in the surface,

fig. 4 viser et aksialsnitt gjennom et rør med sirkulære riller i overflaten, fig. 4 shows an axial section through a tube with circular grooves in the surface,

fig. 5 viser et snitt normalt på et rør med langsgående riller fig. 5 shows a normal section of a pipe with longitudinal grooves

i overflaten, in the surface,

fig. 6 viset aksialsnitt gjennom en utførelsesform av et mateelement i samsvar med oppfinnelsen, og fig. 6 showed an axial section through an embodiment of a feeding element in accordance with the invention, and

fig. 7 viser hvilke dimensjoner for utførelsesformen i fig. 6 som må inntrimmes og er kritiske. fig. 7 shows which dimensions for the embodiment in fig. 6 which must be adjusted and are critical.

Antennen i fig. 1 omfatter en skålfbrmet hovedreflektor 10. I midten av denne er det festet et selvbærende rørformet mateelement 11. Dette består av et sylindrisk rør 12, og en subreflektor 13. Røret og subreflektoren er adskilt av et mellomrom 14 som er begrenset utad av en rundtgående og sylindrisk åpningsflate 16 som heretter kalles apertur-flaten eller bare aperturen. The antenna in fig. 1 comprises a shell-shaped main reflector 10. In the middle of this a self-supporting tubular feed element 11 is attached. This consists of a cylindrical tube 12 and a sub-reflector 13. The tube and the sub-reflector are separated by a space 14 which is limited externally by a circular and cylindrical opening surface 16 which is hereafter called the aperture surface or simply the aperture.

Fig. 2 viser et aksialsnitt gjennom mateelementet. Røret 12 inneholder en sylindrisk bølgeleder 15 med fortrinnsvis sirkulært tverrsnitt. Røret kan også selv innvendig forme en slik bølgeleder. Bølgelederen er konstruert for å forplante grunnmodus. Dette er TE^modus når det innvendige tverr-snittet er sirkulært med glatte og ledende vegger. Bølgelederen har da en diameter større enn ca 0,6 bølgelengder?*' og mindre enn ca 1,2 7^ . Røret og bølgelederen er hovedsakelig laget av elektrisk ledende materiale. Overflaten er tegnet glatt, men kan også være tilvirket på en slik måte at overflate-impedansen blir anisotrop og reaktiv. Veggtykkelsen i røret, målt mellom bølgelederens innside og rørets ytterside, er mindre enn ca 1,0 Tv- . Veggen kan også være meget tynn. Figuren viser et tilfelle der mellomrommet 14 strekker seg litt inn i røret, slik at det der dannes en sirkulær bølgeleder med større diameter enn bølgelederen 15. Mellom- rommet kan imidlertid også ha annen utforming. Fig. 2 shows an axial section through the feeding element. The tube 12 contains a cylindrical waveguide 15 with a preferably circular cross-section. The tube itself can also internally form such a waveguide. The waveguide is designed to propagate the fundamental mode. This is TE^mode when the internal cross-section is circular with smooth and conductive walls. The waveguide then has a diameter larger than about 0.6 wavelengths?*' and smaller than about 1.2 7^ . The tube and the waveguide are mainly made of electrically conductive material. The surface is drawn smooth, but can also be manufactured in such a way that the surface impedance becomes anisotropic and reactive. The wall thickness in the tube, measured between the inside of the waveguide and the outside of the tube, is less than about 1.0 Tv- . The wall can also be very thin. The figure shows a case where the space 14 extends slightly into the pipe, so that a circular waveguide with a larger diameter than the waveguide 15 is formed there. However, the space can also have a different design.

Subreflektoren 13 er tegnet som en plate med et konisk element i midten, men kan også ha andre former. Den delen av subreflektorens overflate som ligger utenfor apertur-flaten 16 er tegnet glatt, men er i virkeligheten tilvirket på en slik måte at overflateimpedansen blir anisotrop og reaktiv, for å oppnå at de elektromagnetiske bølgene reflekteres fra og forplanter seg langs overflaten på tilnærmet samme måte enten det elektriske feltet er normalt på overflaten eller det tangerer den. Dette er viktig foc å få lav krysspolarisas jon. Best resultat oppnås ved å lage overflateimpedansen slik at man får liten utstråling i radiell retning langs subreflektoren både når feltet er normalt på overflaten og når det tangerer den. Diameteren på subreflektoren er alltid større enn diameteren på røret, typisk mellom 3\ og 6X . The subreflector 13 is drawn as a plate with a conical element in the middle, but can also have other shapes. The part of the subreflector's surface that lies outside the aperture surface 16 is drawn smooth, but is in reality manufactured in such a way that the surface impedance becomes anisotropic and reactive, in order to achieve that the electromagnetic waves are reflected from and propagate along the surface in approximately the same way either the electric field is normal to the surface or it is tangent to it. This is important to get low cross-polarization. Best results are achieved by making the surface impedance so that you get little radiation in the radial direction along the subreflector both when the field is normal to the surface and when it is tangent to it. The diameter of the subreflector is always larger than the diameter of the tube, typically between 3\ and 6X .

Apertur-flaten 16 er i fig. 2 markert med en stiplet linje. Tverrsnittsmålet på aperturen 16 er mindre enn 1,0 fortrinnsvis ca 0.57L • Likeså er enden av bølgelederen 15 markert med en stiplet linje. Mellom aperturen og enden av bølgelederen, og begrenset av subreflektoren og røret er det et mellomrom 14. Både mellomrommet og aperturen er tegnet som om de ikke er fylt med annet enn luft. I virkeligheten vil de helt eller delvis være fylt med dielektrisk materiale, eller The aperture surface 16 is in fig. 2 marked with a dashed line. The cross-sectional dimension of the aperture 16 is less than 1.0, preferably about 0.57L • Similarly, the end of the waveguide 15 is marked with a dashed line. Between the aperture and the end of the waveguide, and bounded by the subreflector and the tube, there is a space 14. Both the space and the aperture are drawn as if they are filled with nothing but air. In reality, they will be completely or partially filled with dielectric material, or

■de kan være delvis lukket med metalliske eller dielektriske staver eller skiver som fortrinnsvis ligger i plan med symme-triaksen. Dette er nødvendig for å feste subreflektoren til røret, men blir også brukt til å kontrollere strålingsegen-skapene. ■they can be partially closed with metallic or dielectric rods or disks which preferably lie in the plane of the symme-triax. This is necessary to attach the subreflector to the pipe, but is also used to control the radiation properties.

Fig. 3 viser et aksialsnitt av en subreflektor 13 der den ytre delen som ligger utenfor aperturen 16 har sirkulære riller eller spor 17 i overflaten. Sporene er ca 0,25 7\, dype. Fig. 3 shows an axial section of a subreflector 13 where the outer part which lies outside the aperture 16 has circular grooves or grooves 17 in the surface. The grooves are about 0.25 7\, deep.

Dette er en måte å realisere den anisotrope og reaktive overflateimpedansen. Formålet er som før nevnt å få liten utstråling i radiell retning langs subreflektoren både når feltet er normalt på overflaten, og når det tangerer den. This is a way to realize the anisotropic and reactive surface impedance. As previously mentioned, the purpose is to get little radiation in the radial direction along the subreflector both when the field is normal to the surface and when it is tangent to it.

Dette er viktig for å få lav krysspolarisasjon. Formålet kan også oppnås ved andre beskaffenheter av overflaten. Fig. 4 viser et aksialsnitt av et rør 12 der det er sirkulære riller 18 i overflaten. Rillene er ca 0,25 7v- dype. Dette gir en anisotrop og reaktiv overflateimpedans. Formålet er å få liten stråling langs røret både når feltet er normalt på overflaten, og når det tangerer den. Formålet kan også oppnås med andre beskaffenheter av overflaten. Fig. 5 viser et snitt normalt på et rør 12 der overflaten har langsgående spor 19, som er fylt med dielektrikum med relativ permittivitet £ . Dybden på sporene er ca 0,25?»./V£~1 ■ Spotene gir en anisotrop og reaktiv over flateimpedans. Formålet er å få kraftig stråling langs røret både når feltet er normalt på overflaten, og når det tangerer den. Formålet kan også oppnås ved andre beskaffenheter av overflaten. This is important to obtain low cross-polarization. The purpose can also be achieved by other properties of the surface. Fig. 4 shows an axial section of a pipe 12 where there are circular grooves 18 in the surface. The grooves are approx. 0.25 7v deep. This gives an anisotropic and reactive surface impedance. The purpose is to get little radiation along the pipe both when the field is normal to the surface and when it is tangent to it. The purpose can also be achieved with other properties of the surface. Fig. 5 shows a normal section of a pipe 12 where the surface has longitudinal grooves 19, which are filled with dielectric with relative permittivity £. The depth of the grooves is approx. 0.25?./V£~1 ■ The grooves provide an anisotropic and reactive surface impedance. The purpose is to get strong radiation along the pipe both when the field is normal to the surface and when it is tangent to it. The purpose can also be achieved by other properties of the surface.

Fig. 6 viser en mulig utførelsesform av mateelementet. Mellomrommet 14 er fylt med en dielektrisk plugg 21 som er limt eller skrudd fast til røret og til subreflektoren ved hjelp av en ekstra rille 23 innenfor apertur-flaten eller ved hjelp av et sentralt uttak 22 i Fig. 6 shows a possible embodiment of the feeding element. The space 14 is filled with a dielectric plug 21 which is glued or screwed to the tube and to the subreflector by means of an additional groove 23 within the aperture surface or by means of a central outlet 22 in

den koniske delen 20 av sub- reflektoren 13. Den delen av subreflektoren som ligger utenfor apertur-flaten er plan og forsynt med sirkulære spor. Den dielektriske pluggen 21 går inn i røret og danner ytterst i dette en sylindrisk bølgeleder med større diameter enn bølge- lederen 15. the conical part 20 of the sub-reflector 13. The part of the sub-reflector which lies outside the aperture surface is flat and provided with circular grooves. The dielectric plug 21 goes into the tube and forms a cylindrical waveguide with a larger diameter than the waveguide 15 at its outermost end.

Fig. 7 viser også utførelsesformen i fig. 6. De kritiske dimensjonene som må trimmes inn på en laboratorie- modell er avmerket som x, y, z og 2a. Det kan gjøres ved å lage det koniske elementet 20 slik at det kan skrues inn i subreflektoren, ved å lage bølgelederen 15 slik at den kan skrues inn i røret 12, og ved å lage den dielektriske pluggen 21 slik at den kan skrues inn i røret 12. Fig. 7 also shows the embodiment in fig. 6. The critical dimensions that must be trimmed onto a laboratory model are marked as x, y, z and 2a. This can be done by making the conical element 20 so that it can be screwed into the subreflector, by making the waveguide 15 so that it can be screwed into the pipe 12, and by making the dielectric plug 21 so that it can be screwed into the pipe 12.

Virkemåten for utførelsesformen i fig. 6 er for lineær polarisasjon forklart i neste avsnitt. For sirkulær polarisasjon blir virkemåten tilsvarende fordi geometrien er rotasjons-symmetrisk. Virkemåten er forklart for sending, men blir tilsvarende for mottaking pga. resiprositet. The operation of the embodiment in fig. 6 is for linear polarization explained in the next section. For circular polarization, the behavior is similar because the geometry is rotationally symmetric. The way it works is explained for sending, but is similar for receiving due to reciprocity.

I bølgelederen 15 forplantes en bølge i TE^modus. In the waveguide 15, a wave is propagated in TE^ mode.

Denne bølgen kobler til to modi over apertur-flaten 16. Ett modus der de elektriske feltene er rettet utelukkende i This wave couples two modes over the aperture surface 16. One mode in which the electric fields are directed exclusively in

i z-retning (z-modus), og ett modus der feltene er rettet i azimut-retning transversalt til z-retningen (<p-raodus). Disse modiene stråler ut av aperturen 16, z-moduset hovedsaklig i E-plan og ( f -moduset hovedsaklig i H-plan. For å få et rotasjonssymmetrisk strålingsdiagram med lav krysspolarisasjon må strålingsdiagrammene i E-plan og H-plan være like både i amplitude og fase. Den anisotrope og reaktive overflateimpedansen til sub- reflektoren 13 forårsaker at in the z-direction (z-mode), and one mode where the fields are directed in the azimuth direction transverse to the z-direction (<p-raodus). These modes radiate out of the aperture 16, the z-mode mainly in the E-plane and the ( f -mode mainly in the H-plane. To obtain a rotationally symmetric radiation diagram with low cross-polarization, the radiation diagrams in the E-plane and H-plane must be equal both in amplitude and phase The anisotropic and reactive surface impedance of the sub-reflector 13 causes that

z-moduset stråler nesten likedan iE-plan som ( p-moduset stråler i H-plan. Samtidig kontrolleres de innvendige dimensjoner i mateelementet slik at z-moduset og^-moduset eksiteres med relativt sett riktig amplitude og fase. Z-moduset og^?-moduset stråler forskjellig langs røret. Dette kan forbedres, ved å gjøre overflateimpedansen langs røret anisotrop og reaktiv, som beskrevet tidligere. Dette er fordyrende og ble ikke funnet nødvendig i denne utførelses-formen. Den reaktive og anisotrope overflateimpedansen til subreflektoren er realisert v.h.a. sirkulære riller 17 . Ved hjelp av disse unngår man at z-moduset stråler kraftig i radiell retning. Eksiteringen av q -moduset og z-moduset er kontrollert ved å variere dimensjonene x, y, z og 2a i figur 7. Man får best resultat hvis den ytre del av røret danner en bølgeleder med større diameter enn bølgelederen 15, slik at både TE1:L- °9 TM modus kan forplante seg der. Det resulterende strålingsdiagrammet fra mateantennen har lav kryss-polar isas jon. Det har imidlertid store fasefeil, fordi strålingskilden, dvs. aperturen 16, ligger langt fra aksen. Disse fasefeilene kan rettes opp ved å forme hovedreflektoren slik at den blir litt forskjellig fra en parabolsk flate. Dersom diameteren på røret er ca IA, vil den optimale reflektorformen avvike med opptil 1,6 mm fra den best tilpassete parabolen. De resulterende strålingsegenskaper til hele antennen er meget gode med lav krysspolarisasjon. The z-mode radiates almost as well in the E-plane as the p-mode radiates in the H-plane. At the same time, the internal dimensions of the feed element are controlled so that the z-mode and ^-mode are excited with a relatively correct amplitude and phase. The Z-mode and^ The ?-mode radiates differently along the tube. This can be improved by making the surface impedance along the tube anisotropic and reactive, as described earlier. This is expensive and was not found necessary in this embodiment. The reactive and anisotropic surface impedance of the subreflector is realized by circular grooves 17. These prevent the z-mode from radiating strongly in the radial direction. The excitation of the q-mode and the z-mode is controlled by varying the dimensions x, y, z and 2a in Figure 7. The best result is obtained if the outer part of the tube forms a waveguide of larger diameter than the waveguide 15, so that both TE1:L- °9 TM modes can propagate there The resulting radiation pattern from the feed antenna has low cross-polar isa's ion. However, it has large phase errors, because the radiation source, i.e. the aperture 16, is far from the axis. These phase errors can be corrected by shaping the main reflector so that it is slightly different from a parabolic surface. If the diameter of the tube is approx. IA, the optimal reflector shape will deviate by up to 1.6 mm from the best adapted parabola. The resulting radiation properties of the entire antenna are very good with low cross-polarization.

Fig. 6 viser en utførelsesform av antennen, men det er klart fra patentkravene at det finnes et stort antall flere mulige utførelsesformer. Felles for alle er at den delen av subreflektorens overflate som ligger utenfor aperturen 16 har en anisotrop og reaktiv overflateimpedans, og at subreflektoren er plassert så nær enden av bølgelederen 12 at feltet over apertur-flaten 16 beskrives av to modi. Felles er også at geometrien til den midtre del 20 av subreflektoren 13 og beskaffenheten til mellomrommet 14 er utformet slik at de ønskede modiene eksiteres med relativt sett riktig fase og amplitude. Fig. 6 shows one embodiment of the antenna, but it is clear from the patent claims that there are a large number of possible embodiments. Common to all is that the part of the subreflector's surface that lies outside the aperture 16 has an anisotropic and reactive surface impedance, and that the subreflector is placed so close to the end of the waveguide 12 that the field above the aperture surface 16 is described by two modes. It is also common that the geometry of the middle part 20 of the subreflector 13 and the nature of the space 14 are designed so that the desired modes are excited with a relatively correct phase and amplitude.

Ved denne utformingen tas det særlig hensyn til hvordan modiene stråler nedover langs røret og langs subreflektorens overflate. Den ønskete form er slik at når sttålingsdiagram-mene fra begge modi settes sammen på optimal måte så blir det resulterende diagrammet rotasjonssymmetrisk med lav kryss-polar isas jon. Av de ting som brukes til å påvirke den relative eksiteringen av modiene er f.eks. å forandre mellomrommets form, eller å fylle det helt eller delvis med dielektrikum. With this design, particular consideration is given to how the modes radiate downwards along the tube and along the surface of the subreflector. The desired shape is such that when the st-stole diagrams from both modes are put together in an optimal way, the resulting diagram is rotationally symmetric with low cross-polarization. Of the things used to influence the relative excitation of the modes are e.g. to change the shape of the space, or to fill it completely or partially with dielectric.

Til slutt skal nevnes at den selvbærende mateantennen har fått et navn, nemlig en hatt-antenne eller en matehatt. Finally, it should be mentioned that the self-supporting feeding antenna has been given a name, namely a hat antenna or a feeding hat.

De forskjellige elementene som er vist i fig. 2 og 3 kan kombineres og modifiseres på forskjellige måter. Røret 12 kan være et firkantrør eller på annen måte polygonalt. Subreflektoren 13 kan være tilvirket av plast med metallisk overflate. Pluggen 21 i mellomrommet kan være forbundet med subreflektoren 13 på andre måter enn den som er vist, f.eks. med bare ett av elementene 22 og 23. Hvis bare elementet 22 benyttes vil subreflektoren ikke ha noe sentralt uttak i spissen 20. Hvis bare elementet 23 benyttes vil subreflektoren ikke ha noen rille innenfor aperturen 16. The various elements shown in fig. 2 and 3 can be combined and modified in different ways. The tube 12 may be a square tube or otherwise polygonal. The subreflector 13 can be made of plastic with a metallic surface. The plug 21 in the space can be connected to the subreflector 13 in other ways than that shown, e.g. with only one of the elements 22 and 23. If only the element 22 is used, the subreflector will have no central outlet in the tip 20. If only the element 23 is used, the subreflector will not have any groove within the aperture 16.

Claims

Patent claim: 1. Reflector antenna consisting of a curved bowl-shaped main reflector (10), and a self-supporting feed element (11) for sending or receiving polarized electromagnetic waves, where the feed element (11) essentially consists of a supporting straight tube (12), as in one end is attached to the center of the reflector (10), and in the other is terminated with a sub-reflector (13) in such a way that a space (14) is formed between the sub-reflector and the end of the pipe, where the part of the pipe ( 12) which is closest to the space (14) contains a cylindrical waveguide (15) or is itself such a waveguide, where this waveguide (15) has an approximately circular or square cross-section, where the space (14) constitutes a connection between the waves inside the waveguide and the waves outside the feed element, and where the space (14) is limited to the outside by a circumferential and cylindrical surface (16) which has the same diameter as the outer diameter of the pipe (12) and which is called the aperture surface, characterized in that that part of the pipe (12) which is closest to the aperture surface has an outer surface which is essentially cylindrical with a circular cross-section, so that the outer surface of the tube (12) and the part of the subreflector (13) which lies outside the aperture surface (16) do not form a radial waveguide in which only one or a small number of elementary radial wave modes can propagate, and so that the phase center of the feed element is annular and located approximately in the aperture surface (16), and in that the part of the subreflector's (13) surface that lies outside the aperture -the surface (16), is provided with means to create an anisotropic and reactive surface impedance, thereby achieving that the radial cylindrical electromagnetic waves are reflected from and propagate along the surface in approximately the same way whether the electric field is normal to or tangential to the surface , so that this, together with the design of the other geometry of the feed element, causes the radiation pattern of the feed element to have a low cross-polarization and to approximate a rotationally symmetrical one around the tube (12).

2. Reflector antenna as stated in claim 1, where the main reflector (10) is rotationally symmetrical and has an approximately parabolic shape, characterized in that the tube (12) has a diameter smaller than about 1.0 wavelengths ?v- .

3. Reflector antenna as specified in claim 1, where the main reflector (10) is rotationally symmetrical, characterized in that the main reflector (10) deviates from a parabolic shape in such a way that it corrects phase errors in the radiation diagram of the feed element when the tube (12) has a diameter greater than about 1.0 wavelengths 71 .

4. Reflector antenna as specified in one of claims 1-3, characterized in that the subreflector's anisotropic and reactive surface impedance is achieved by using rotationally symmetrical grooves or grooves (17) in an otherwise smooth electrically conductive surface, where the grooves have a depth of approx. 0.25 wavelengths 71 , and where the grooves are so close that there are more than about 2 grooves per wavelength in the radial direction.

5. Reflector antenna as specified in one of claims 1-4, characterized in that the tube (12) has a reflective surface which is either smooth or where means have been used in whole or in part to create an anisotropic and reactive surface impedance to achieve that the waves propagates in approximately the same way along this part of the tube, whether the electric field is normal to the surface or it is tangential to the surface, where this is preferably achieved by using grooves in the surface, either circular grooves (18) where the depth of the grooves is about 0.25 wavelengths 7«-. or longitudinal grooves filled with dielectric material (19) in an otherwise smooth electrically conductive surface, where the grooves have a depth of about 0.25/Vk-1 wavelengths \ , where £ is the relative permittivity of the dielectric material.

6. Reflector antenna as stated in one of claims 1-5, characterized in that the part of the subreflector (13) which lies within the aperture surface (16) is designed as a central conical or corresponding converging element (20) which has reflective properties and which faces the pipe (12), so that incident waves from the waveguide (15) are reflected in such a way that there is a balance between the axial field and the thin-going field that is set up above the aper tur surface (16) and so that the wave that is reflected back into the waveguide has a low amplitude over a large frequency range.

7. Reflector antenna as stated in patent claim 7, characterized in that the conical part (20) of the subreflector is manufactured in one with the subreflector (13) or as a separate element (20) inserted in a central opening in the subreflector (13).

8. Antenna in accordance with one of the patent claims 1-7 characterized in that the space (14) between the waveguide (15) and the subreflector (13) is completely or partially filled with a dielectric element (21), which preferably engages with the waveguide (12 ) and with the subreflector (13).

9. Antenna in accordance with patent claim 8, characterized in that the filling element (21) has a central pin (22) facing and engaged in a corresponding outlet in the conical element (20) or preferably an annular rib (23) which engages with a ring groove (17) in the sub-reflector (13).

10. Antenna as specified in one of the patent claims 1-9, characterized in that the space (21) extends slightly into the tube (12) in such a way that in this area a cylindrical waveguide is formed which has a larger diameter than the waveguide (15 ), so that both the two circular waveguide modes TE^ and TM^^ can propagate there, and so that both of these are excited by the TE^ mode in the waveguide (15).