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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Antennensysteme
und insbesondere für
Multiband-Betrieb konfigurierte pseudo-parabolische Ringfokusantennen.
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Für
Mikrowellen-Satellitenkommunikationssysteme ist die Fähigkeit
zum Betrieb auf mehreren Frequenzbändern wünschenswert. Wenn aber räumliche
Einschränkungen
die Größe der Reflektorschüssel begrenzen,
sind zur Aufrechterhaltung des Antennenwirkungsgrads besondere Techniken
anzuwenden. Eine dieser Techniken wird im Durham et al. (nachfolgend
als Durham et al. bezeichnet) erteilten U.S.-Patent Nr. 6,211,834
B1 beschrieben, das eine geformte Multiband-Ringfokusantenne beschreibt.
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Bei Durham et al. wird ein Paar austauschbarer
unterschiedlich geformter näherungsgekoppelter Nebenreflektor-Speiseelementpaare
für den
Betrieb auf jeweils unterschiedlichen spektralen Frequenzbändern verwendet.
Bei Austausch der Nebenreflektor/Speiseelementpaare wird der Betriebsbandbereich
der Antenne verändert.
Die Anordnung des geformten Nebenreflektors in enger Nähe zum Speisehorn
bringt einen Vorteil mit sich. Dadurch wird der notwendige Durchmesser
des geformten Hauptreflektors in Bezug auf eine herkömmliche
Doppelreflektorantenne der herkömmlichen
Cassegrain- oder Gregorian-Variante verkleinert. Die obige Anordnung des
Speisehorns in unmittelbarer Nähe
des Nebenreflektors wird als gekoppelte Konfiguration bezeichnet.
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Die bei Durham et al. beschriebene
gekoppelte Konfiguration hat im Allgemeinen einen Abstand zwischen
Nebenreflektor und Speisehorn in der Größenordnung von zwei Wellenlängen oder
weniger. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu dem herkömmlicheren
Abstand zwischen Nebenreflektor und Speisehorn, wie er in einer
entkoppelten Konfiguration benutzt wird, und der typischerweise
mehrere bis mehrere zehn Wellenlängen
beträgt.
Bemerkenswerterweise verhindert die Verwendung einer gekoppelten
Konfiguration auch das Wandern der Phasenmitte mit der Frequenz,
wie dies bei herkömmlichen
Nebenreflektorkonstruktionen mit einer entkoppelten Konfiguration
auftreten kann.
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Ein bei Systemen mit derartigen Ringfokusreflektor-Geometrien
besteht darin, dass die elektrische Größe des Nebenreflektors für jede Nebenreflektor/Speiseelement-Konfiguration
eine Grenze aufweist. In der bei Durham et al. beschriebenen gekoppelten
Konfiguration darf die elektrische Größe des Nebenreflektors nicht
zu groß sein
oder das Speisesystem für
den Nebenreflektor versagt. Tatsächlich ist
im Allgemeinen das Versagen des Speisesystems wegen eines elektrisch
zu großen
Nebenreflektors der einschränkende
Faktor beim Festlegen der höchsten
Betriebsfrequenz eines Antennensystems, wie bei Durham et al. beschrieben.
Im Vergleich kann bei Doppelreflektorsystemen des Typs Cassegrain und
Gregorian mit gemäß einer
entkoppelten Konfiguration angeordneten Speisehörnern und Nebenreflektoren
die elektrische Größe des Nebenreflektors nicht
zu klein sein oder die Systemoptik versagt. Allerdings arbeiten
herkömmliche
Reflektorsysteme des Typs Cassegrain und Gregorian nicht mit einem in
einer gekoppelten Konfiguration angeordneten Nebenreflektor/Speiseelement.
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Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass
Beschränkungen
der Nebenreflektorgröße bei den
verschiedenen Antennentypen und andere leistungsbezogene Faktoren
dem Frequenzbereich, in dem ein einzelnes Antennensystem wirkungsvoll
arbeiten kann, im Allgemeinen eine praktische Grenze gesetzt haben.
Daher werden neue Techniken benötigt,
die den nutzbaren Betriebsfrequenzbereich erweitern, damit Doppelreflektor-Mikrowellenantennensysteme bei
gegebenen Größen- und
Leistungsbeschränkungen
auf vier oder mehr spektral versetzten Frequenzbändern wirkungsvoll betrieben
werden können.
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Die Erfindung betrifft eine Ringfokusantenne und
ein Verfahren zu deren Verwendung. Die Ringfokusantenne kann einen
Hauptreflektor mit der Form eines um eine Antennenhauptstrahlrichtung
gedrehten unregelmäßigen Paraboloids
besitzen. Ein Nebenreflektor/Speiseelementpaar, das einen Nebenreflektor
mit der Form eines um die Hauptstrahlrichtung gedrehten unregelmäßigen Ellipsoids
mit ringförmigem
Brennpunkt aufweist, wird bereitgestellt. An einem in einem Abstand
von einer Spitze des Nebenreflektors in der Antennenhauptstrahlrichtung
angeordneten Einbauort für
ein Speiseelement ist ein Speiseelement eingebaut. Der Hauptreflektor
ist für den
Betrieb mit einem Nebenreflektor/Speiseelementpaar in einer gekoppelten
Konfiguration und mit einem Nebenreflektor/Speiseelementpaar in
einer entkoppelten Konfiguration angepasst. Der Hauptreflektor kann
auf einer Vielzahl spektral versetzter Frequenzbänder betrieben werden. Beispielsweise
kann die Antenne für
den Betrieb im C-Band, X-Band, Ku-Band und Ka-Band ausgelegt werden.
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Eine gekoppelte Konfiguration eines
der Nebenreflektor/Speiseelementpaare wird in vorteilhafter Weise
auf dem Hauptreflektor zum Betrieb der Antenne auf einem der untersten
Frequenzbänder
eingebaut. Das Speiseelement kann ferner eine in einem Abstand von
der Spitze des Nebenreflektors angeordnete Speiseöffnung enthalten.
Der Abstand ist im Allgemeinen kleiner als ungefähr zwei Wellenlängen für die gekoppelte
Konfiguration. Für
die entkoppelte Konfiguration kann eine Speiseöffnung in einem Abstand von
mehr als ungefähr
fünf Wellenlängen von
der Spitze angeordnet werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein vereinfachtes Antennendiagramm einer geformten Multiband-Antenne
mit einem Nebenreflektor/Speiseelementpaar in gekoppelter Konfiguration.
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2 ist
ein vereinfachtes Antennendiagramm der geformten Multiband-Antenne
von 1 mit einem anderen
Nebenreflektor/Speiseelementpaar in entkoppelter Konfiguration.
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Geformte Ringfokusantennenarchitekturen sind
im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist eine Multiband-Ringfokusantenne
mit einem Hauptreflektor mit geformter Geometrie und mit Nebenreflektoreinspeisungen
unterschiedlicher Geometrie im Durham et al. erteilten U.S. Patent
Nr. 6,211,834 B1 beschrieben, dessen Offenbarung hiermit einbezogen
wird. Bei Durham et al. werden austauschbare, unterschiedlich geformte,
näherungsgekoppelte
Nebenreflektor/Speiseelementpaare mit einem einzelnen Multiband-Hauptreflektor
für den
Betrieb auf jeweils verschiedenen spektralen Frequenzbändern verwendet.
Die Anordnung des Speisehorns in nächster Nähe zum Nebenreflektor wird
als gekoppelte Konfiguration bezeichnet. Bei Austausch der Nebenreflektor/Speiseelementpaare
wird der Betriebsbandbereich der Antenne verändert.
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Der Hauptreflektor und der Nebenreflektor
in dem von Durham et al. beschriebenen System sind jeweils als ein
verzerrtes oder unregelmäßiges Paraboloid
und als ein verzerrtes oder unregelmäßiges Ellipsoid geformt. Im
Allgemeinen kann die Form des Hauptreflektors und des Nebenreflektors
nicht durch eine Gleichung ausgedrückt werden, wie dies normalerweise
bei einem regulären
Kegelschnitt wie einer Parabel oder Ellipse möglich wäre. Statt dessen werden die
Formen durch ein Rechnerprogramm erzeugt, das eine vorgeschriebene
Reihe von Gleichungen für
bestimmte vordefinierte Beschränkungen
löst.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann
ein Antennensystem mit einer größeren Gesamtbandbreite
unter Verwendung der von Durham et al. offenbarten Techniken mit
einer Kombination von Nebenreflektor/Speiseelementpaaren, die für Niederfrequenzbetrieb
in einer gekoppelten Konfiguration angeordnet sind, und von anderen
Nebenreflektor/Speiseelementpaaren, die für einen Betrieb mit höheren Frequenzen
in einer entkoppelten Konfiguration angeordnet sind, erzielt werden.
Der Hauptreflektor und der Nebenreflektor können durch Verwendung der Rechnermodellierung
und einer Reihe vordefinierter Beschränkungen vorteilhaft geformt
werden, so dass beide Typen der Nebenreflektor/Speiseelementpaare
mit einem einzigen Multiband-Hauptreflektor arbeiten können. Herkömmliche
Doppelreflektorsysteme des Cassegrain- oder Gregorian-Typs können aus
dieser anderen Speisekombination keinen Vorteil ziehen, da diese
Systeme nicht in einer gekoppelten Konfiguration arbeiten.
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1 ist
eine vereinfachte Zeichnung einer Ringfokusantenne, die zum Verständnis der
vorliegenden Erfindung von Nutzen ist. In 1 wird ein geformter Multiband-Hauptreflektor 102 zusammen mit
einem Nebenreflektor/Speiseelementpaar gezeigt, das ein Speiseelement 104 und
einen Nebenreflektor 108 aufweist. Die Antenne verwendet
den Nebenreflektor 108, der eine geformte Oberfläche 110 hat,
die die vom Hauptreflektor 102 reflektierten Wellen vor
ihrem normalen Brennpunkt auffängt
und zurück
zum Speiseelement 104 reflektiert. Das Speiseelement 104 enthält vorzugsweise
ein Speisehorn 106 zur richtigen Anpassung des Speiseelements
an den freien Raum. Wie in 1 dargestellt,
ist das Speisehorn 106 in einem Abstand zu einer Spitze 114 des
Nebenreflektors 108 angeordnet und durch einen Spalt oder
Zwischenraum 112 getrennt, der innerhalb zwei und vorzugsweise
weniger als ungefähr 2
Wellenlängen
der Betriebsfrequenz des Nebenreflektor/Speiseelementpaars 104, 108 beträgt. Daher wird
die Anordnung des Nebenreflektor/Speiseelementpaars 104, 108 als
gekoppelte Konfiguration bezeichnet.
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Günstigerweise
hat es sich herausgestellt, dass der Hauptreflektor 102 so
konfiguriert werden kann, dass seine Verwendung nicht auf eine gekoppelte
Konfiguration wie in 1 dargestellt
beschränkt
ist. Statt dessen kann die Form des Hauptreflektors 102 so
konfiguriert werden, dass der Hauptreflektor 102 auch mit
einem entkoppelten Nebenreflektor/Speiseelementpaar arbeitet. 2 zeigt den Hauptreflektor 102 von 1 zusammen mit einem zweiten
Nebenreflektor/Speiseelementpaar, das ein Speiseelement 204 und
einen Nebenreflektor 208 umfasst. Das Speiseelement 204 enthält ein Speisehorn 206,
das in einem Abstand zu einer in der Oberfläche 210 des Nebenreflektors 208 definierten Spitze 214 wie
dargestellt angeordnet ist. Das Speiseelement 204 und der
Nebenreflektor 208 sind im Vergleich zum Nebenreflektor/Speiseelementpaar 104, 108 von 1 für einen Betrieb in einem höheren Frequenzband
konfiguriert.
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Die Antennenanordnung von 2 arbeitet im Allgemeinen
in der gleichen Weise wie oben für 1 beschrieben, mit der Ausnahme,
dass der Spalt oder Zwischenraum 212 zwischen der Spitze 214 des
Nebenreflektors 208 und dem Speisehorn 204 im
Vergleich zum Spalt 112 beträchtlich größer ist, zumindest als relative
Anzahl von Wellenlängen bei
der Betriebsfrequenz ausgedrückt.
Beispielsweise kann der Abstand 212 mehr als fünf Wellenlängen betragen
und beträgt
vorzugsweise mehr als acht Wellenlängen bei der Betriebsfrequenz
des Nebenreflektor/Speiseelementpaars 204, 208.
Daher wird die Anordnung des Nebenreflektor/Speiseelementpaars 204, 208 als
entkoppelte Konfiguration bezeichnet. Somit kann der Hauptreflektor 102 in
vorteilhafter Weise so geformt werden, dass er sowohl mit einem Nebenreflektor/Speiseelementpaar
der gekoppelten als auch der entkoppelten Konfiguration arbeitet.
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Ein bedeutender Vorteil der Konfigurierung des
Hauptreflektors 102 in der Weise, dass seine Form gekoppelte
und entkoppelte Nebenreflektor/Speiseelementpaare aufnimmt, besteht
darin, dass die Betriebsbandbreite des Hauptreflektors 102 über die
nur mit einer gekoppelten oder entkoppelten Nebenreflektor/Speiseelementkombination
mögliche
hinaus erweitert werden kann. Genauer gesagt, bei herkömmlichen
Systemen wie Anordnungen des Cassegrain- oder Gregorian-Typs mit
entkoppelten Nebenreflektor/Speiseelementpaar-Konfigurationen darf
die elektrische Größe des Nebenreflektors
nicht zu klein sein, oder die Systemoptik versagt. Dadurch werden
für eine
derartige Antenne mit einem Hauptreflektor eines bestimmten Durchmessers
die unteren Betriebsfrequenzgrenzen eingeschränkt. Umgekehrt darf bei der
gekoppelten Konfiguration die elektrische Größe des Nebenreflektors 108 nicht
zu groß werden
oder das Speisesystem versagt. Daher kann bei einer gegebenen Größe der Antennenschüssel (gewöhnlich festgelegt)
eine entkoppelte Konstruktion bestimmte geforderte Spezifikationen
nicht bis zur niedrigsten gewünschten
Betriebsfrequenz erfüllen, während eine
gekoppelte Konfiguration dazu im Stande ist. Der physikalische Betriebsbereich
der gekoppelten Konstruktion beträgt 1 bis 15 Wellenlängen des
Durchmessers der Nebenreflektorschüssel. Durch Bereitstellung
eines Multiband-Hauptreflektors, der die Vorteile sowohl der gekoppelten
als auch der entkoppelten Einspeisungskonfiguration nutzen kann,
wird der Gesamtfrequenzbereich, über
den der Hauptreflektor 102 mit mehreren Nebenreflektor/Speiseelement-Kombinationen
eingesetzt werden kann, im Vergleich zum früheren Stand der Technik beträchtlich
erweitert. Tatsächlich
kann ein kombiniertes System aus gekoppelten und entkoppelten Ausführungen
von Nebenreflektor/Speiseelementpaaren für einen einzelnen Hauptreflektor
eine Betriebsbandbreite erreichen, die um ungefähr eine Größenordnung im Vergleich zu
Konstruktionen mit ausschließlich
gekoppelten oder ausschließlich
entkoppelten Konfigurationen verbessert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann
die genaue Form des Hauptreflektors 102 durch Rechneranalysen
ermittelt werden. Die Geometrie des Hauptreflektors wird vorteilhaft
auf gegenseitige Austauschbarkeit der jeweils für die verschiedenen Frequenzbänder unterschiedlich
konfigurierten Nebenreflektoren und der zugehörigen Einspeisungen sowohl
in der gekoppelten als auch in der entkoppelten Konfiguration konfiguriert.
Die Reflektorgeometrie wird auch so konfiguriert, dass ein zusammengesetztes
optisches Geometriemerkmal realisiert wird, das die Reihe von Leistungskriterien
(z.B. eine Richtcharakteristik mit verringerter oder im Wesentlichen
unterdrückter
Nebenkeulen-Hüllkurve)
auf den jeweiligen verschiedenen Betriebsfrequenzbändern erfüllt. Die
sich ergebende Form des Hauptreflektors ist eine sich verjüngende Drehkörperfläche, die
allgemein, aber nicht notwendigerweise genau, parabolisch ist. Die
sich ergebende Form des Nebenreflektors ist ebenso eine sich verjüngende Drehkörperfläche, die
allgemein, aber nicht notwendigerweise genau, elliptisch ist.
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Für
gegebene vorgeschriebene Einspeisungseingänge und Grenzbedingungen der
Antenne wird die Form jedes Nebenreflektors und Hauptreflektors
anhand eines Rechenprogramms erzeugt, das eine vorgeschriebene Menge
Gleichungen für die
vordefinierten Beschränkungen
löst. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden Gleichungen verwendet, die:
- 1.
Energieerhaltung quer über
die Antennenöffnung
erzielen;
- 2. Gleichphasigkeit quer über
die Antennenöffnung
sicherstellen;
- 3. Snell's Gesetz
einhalten.
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Einzelheiten zu diesem Verfahren
sind im U.S.-Patent Nr. 6,211,834 an Durham et al. offenbart.
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Für
eine gegebene Menge erzeugter Nebenreflektor/Speiseelement-Konfigurationen
und -Formen sowie Hauptreflektorformen wird dann die Antennenleistung
in einer Rechnersimulation analysiert, um zu ermitteln, ob die erzeugten
Antennenformen eine gewünschte
Richtcharakteristik hervorbringen. Es wird angenommen, dass die
unteren Betriebsfrequenzbänder
ein oder mehrere Nebenreflektor/Speiseelementpaare der gekoppelten
Konfiguration benutzen.
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Ein Beispiel einer Spezifikation
für ein
System im unteren Bandbereich wäre
eines, das die Anforderungen der Intelsat-Nebenkeulen-Hüllkurve
auf einem vorgeschriebenen Betriebsband (z.B. C-Band mit einer Empfangsbandbreite
von 3,7–4,2
GHz und einer Sendebandbreite von 5,9–6,4 GHz) erfüllt. Werden
die Auslegungs-Leistungskriterien nicht beim ersten Mal erfüllt, werden
eine oder mehrere Einschränkungen
der Gleichungsparameter iterativ abgeglichen und die Antennenleistung
für die
neue Formenmenge analysiert. Dieses Verfahren wird nach Bedarf so
lang iterativ wiederholt, bis die Form und die Kopplungs konfiguration
des Nebenreflektors der geformten Antenne sowie die Form des Hauptreflektors
der Spezifikation der gewünschten
Betriebsleistung der Antenne entsprechen.
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Diese iterative Abfolge der Formgebung
und der Leistungsanalyse wird auch für andere (spektral getrennte)
Bänder
wie z.B. für
das X-Band mit einer Empfangsbandbreite von 7,25 –7,75 GHz
und einer Sendebandbreite von 7,9–8,4 GHz durchgeführt, um eine
Reihe von Nebenreflektor- und Hauptreflektorformen auf dem zweiten
Betriebsband zu verwirklichen. Die oberen Betriebsbänder werden
vorteilhaft mit einer entkoppelten Nebenreflektor/Speiseelement-Konfiguration
konfiguriert. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Es
ist festgestellt worden, dass die Form des Hauptreflektors 102 für eine Vielzahl
spektral versetzter Frequenzbänder
im Wesentlichen gleich sein kann, obwohl für jedes Band unterschiedlich
konfigurierte Nebenreflektoren mit unterschiedlichen Kopplungsanordnungen
verwendet werden können.
Obwohl jede Reihe von Nebenreflektor- und Hauptreflektorformen wie
oben beschrieben getrennt abgeleitet werden kann, kann auch eine
erste Formenreihe für
ein erstes Band abgeleitet und dann die Parameter des geformten Hauptreflektors
(des ersten Bands) (der auch für
das zweite Band zu verwenden ist) zur Ableitung der Nebenreflektorform
für das
zweite Band verwendet werden.