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DE2262810A1 - Mikrowellenantenne mit antennendom - Google Patents

Mikrowellenantenne mit antennendom

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Publication number
DE2262810A1
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DE
Germany
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antenna
reflector
dome
microwave
microwave antenna
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DE2262810A
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English (en)
Inventor
Robert James Grenzeback
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Individual
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Publication date
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    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
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Description

OR. -INQ.
DIPL.-ΙΝβ. M. SC. D1Pl-PHYS. DR. piPt-PMVS.
HÖGER - STELLRECHT- GRIESSBACH .- HAECKHR
PATENTANWÄLTE JN STUTTGART
A 39 935 b . .
k - 157 ■ . J
5.12.1972
Herr
Robert James Grenzeback 16 Mason Street
Winchester, Mass. 01890 .USA
Mikrowellenantenne mit Antennendom
Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne mit einem parabolischen Reflektor und einem'Antennendom.
Zum Schutz der parabolischen elektrisch leitenden Innenfläche des Reflektors gegen Beschädigungen, beispielsweise gegen ein Vereisen und gegen andere Witterungseinflüsse, ist es üblich, einen elektrisch nicht leitenden Antennendom gekrümmter Form vorzusehen, welcher zusammen mit dem Reflektor eine geschlossene Antennenkonstruktion bildet. Die üblicherweise verwendeten Antennendome sind häufig von konischer Gestalt und besitzen abgerundete Nasen. Antennen, welche mit Antennendomen versehen sind, werden mit oder ohne Ummantelungen hergestellt, wobei letztere üblicherweise zylinderförmig sind und elektrisch leitende Innenseiten aufweisen. Eine Ummantelung ist nützlich, um Streureflex.ionen und Energieverluste. am kreisförmigen Rand des Reflektors zu verhindern ,und zwar einschließlich der Beu-
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gungseffekte und des "tlbersprechens (cross talk)" zwischen dicht benachbarten Antennen, welche im wesentlichen die gleiche Senderichtung besitzen.
Die üblicherweise verwendeten Reflektorantennen haben häufig eine Brennweite, die ungefähr 4/10 des Durchmessers des kreisförmigen Randes des Reflektors beträgt. Die Öffnungsgröße der Antenne, welche im Fall eines parabolischen Reflektors dessen Durchmesser entspricht, bestimmt die Abstrahlfläche der Antenne, welche ihrerseits den Antennengewinn bestimmt. Bei großen Antennen,welche mit Antennendomen versehen sind, ergeben sich bei der Herstellung und beim Transport Probleme infolge des großen Volumens der zusammengebauten Antennenkonstruktion und infolge der Forderung nach einer ausreichenden konstruktiven Starrheit und Maßhaltigkeit sowohl beim Transport als auch im Gebrauch.
Ferner ergeben sich im allgemeinen auch Schwierigkeiten infolge der Tatsache, daß der Antennendom gegenüber einfallender Mikrowellenenergie nur unvollkommen transparent ist und in der Praxis bis zu 20 % "der einfallenden Energie reflektieren kann. Dies führt zu einer Verringerung der Sendeleistung. Darüberhinaus haben an den Antennendomen auftretende Reflexionen normalerweise eine schädliche Interferenz mit dem Signal zur Folge, und zwar in einer Weise, die sowohl eine Funktion der Geometrie bzw. der Form des Antennendoms als auch der Frequenz des Signals ist. Aus diesem Grunde ist der Entwurf von Antenne und Antennendom kompliziert und dies Verwendung der Antenne wird letztlich durch diese schädlichen Interferenzen beschränkt. Mit anderen Worten kann man feststellen, obwohl der Reflektor selbst von Natur aus eine Breitbandeinrichtung bzw. fr« quenζunabhängig ist, sein Zusammenbau mit einem üblichen Antennendom zu einer erhöhten Frequenzabhängigkeit führt.
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Ausgehend yon dem vorstehend erläuterten Stand der Technik lag der vorstehenden Erfindung nun die Aufgabe zugrunde,eine verbesserte Antenne mit einem Antennendom vorzuschlagen,, welehe die Nachteile der vorbekannten Anordnungen dieser Art vermeidet.
Diese Aufgäbe wird durch eine Mikrowellenantenne der eingangs beschriebenen Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus mehreren Segmenten aufgebaujb ist, von denen jedes einen Teil eines parabolischen Reflektors und einen Teil eines Antennendoms bildet, und daß die Segmente an ihrem Rand mit Verbindungseinrichtungen zur Herstellung einer geschlossenen Antennehkonstruktiori versehen sind.
Die erfindungsgemäße Antennenkonstruktion ist also dadurch gekennzeichnet,' daß zwischen der Innenseite des Reflektors und der Innenseite des Antennendoms ein fester konstruktiver Zusammenhang besteht, wobei bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antennenkonstruktion sowohl der Reflektor als auch, der Antennendom parabolisch sind und .· einen gemeinsamen Brennpunkt aufweisen, an welchem die Antennenspeisung zum Abstrahlen und/oder Empfangen der Energie angeordnet ist.
Um die Reflektor- und Antennendomflachen räumlich genau gegeneinander auszurichten, bilden diese Teile vorzugsweise Bestandteile eines einstückigen segmentförmigen Elements, wobei die Segmente für den Transport raumsparend stapelbar sind und wobei die Antenne an Ort und Stelle durch Verbinden der Segmente installiert wird, um so eine vollständige geschlossene Äntennenkonstruktion zu erhalten»
In Abhängigkeit vom Verwendungszweck kann eine erfindungsgemäße Antenne mit einer Ummantelung bzw. einem Ummantelungs-
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Rückansicht einer erfindungsgemäßen Antenne,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Antenne gemäß Fig. 1 längs der Linie 2-2 in dieser Fig. als Seitenansicht,
Fig. 3 eine Ansicht mehrerer zum Zwecke des Transports und/ oder der Lagerung gestapelter Antennensegmente,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antennenkonstruktion zur Erläuterung der räumlichen Beziehungen zwischen den einzelnen Teilen und
Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche schematische Darstellung für eine erfindungsgemäße Antenne ohne Ummantelung.
Die in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung gezeigte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne mit einem tellerförmigen Reflektor, einer Ummantelung und einem Antennendom ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet. Die Antennenanordnung umfaßt eine Anzahl von im wesentlichen identischen Segmenten 14 bis 20, von denen jedes eine einstückige starre Konstruktion bildet.
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Gemäß einer bevorzugten Form der Herstellung der Segmente wird jedes Segment aus einem mit einem wärmehärtenden Kunstharz getränkten Fiberglasgewebe hergestellt, welches über eine starre Form gelegt und zum Aushärten des Harzes erwärmt wird, wodurch eine starre Konstruktion erhalten wird. Das Harz kann ein Polyesterharz oder ein Epoxydharz sein oder aus irgendeinem anderen Material'bestehen, welches für Mikrowellenstrahlung im wesentlichen transparent bzw. durchlässig ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Segmentkonstruktion durch Vakuumformen oder unter Anwendung irgend eines anderen dem Fachmann geläufigen Herstellungsverfahren herzustellen.
Anhand der Fig. 2 soll nunmehr der Aufbau des Segmentes mehr ins einzelne gehend erläutert werden, wobei, wie erwähnt, die anderen Segmente diesem Segment im wesentlichen gleich sind. Wie Fig. 2 zeigt ist das Segment 20 ein Viertelelement, wobei es sich jedoch versteht, daß der Winkel, welchen das Segment erfaßt größer oder kleiner als 90° sein kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Summe der Winkelgrade, welche von den Segmenten überdeckt wird 360°* Aus der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird jedoch deutlich, daß die Lehren der Erfindung auch auf Antennen anwendbar sind, welche mit Reflektoren arbeiten, die nur Bruchstücke bzw. Teile von Paraboloiden bilden.
Das Segment 20 umfaßt einen Reflektorteil 22, einen ümmantelungsteil 24 und einen Antennendomteil 26, wobei die Teile 22 und parabolisch geformte Innenflächen 28 bzw. 30 besitzen. Die Brennpunkte der Innenflächen 28 und 30 fallen in einem Punkt P zusammen. Der Ummantelungsteil 24 ist vorzugsweise von im wesentlichen zylindrischer Gestalt uncl besitzt einen Durchmesser der gleich oder geringfügig größer als der Durchmesser der Re-
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flektor- und der Radomteile an den kreisförmigen Schnittlinien der letzteren mit der Ummantelung ist. Längs der Randbereiche des Segments, welche sich an angrenzenden Segmenten abstützen ist ein einstückig angeformter Flansch 32 vorgesehen, in welchem öffnungen 34 vorgesehen sind, um Bolzen 36 oder andere äquivalente Befestigungselemente aufzunehmen.
Für die Montage der Antenne können geeignete Klammern 38 oder andere Eisenwaren verwendet werden, die mit den Flanschen der Segmente oder anderen geeigneten Teilen der Anordnung verschraubt oder auf andere Weise verbunden werden.
Eine Mikrowellen-Antennenspeisung 40 ist so angebracht, daß sie die Energie ausgehend von dem Punkt P gegen die parabolische Innenfläche 28 des Reflektors abstrahlt. Zu diesem Zweck kann jede geeignete Antennenspeisung jeder Mikrowellen- -emitter oder -strahler verwendet werden, welcher so angeordnet ist, daß die punktförmige Quelle, von welcher die Strahlung scheinbar ausgeht, mit dem Punkt P zusammenfällt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Antennenspeisung 40 durch einen Hohlleiter 42 gebildet, welcher durch eine mit Flanschen versehene öffnung 44 in das Innere der Antenne ge-
ist
führt, wobei der Hohlleiter 42 in einem Hornstrahler 46 endet. Vorzugsweise ist mit dem Hohlleiter 42 eine Halterung 48 verbunden, welche durch eine der öffnung bzw. Muffe 44 ähnliche Muffe in die Antenne hineinragt. Wenn es erwünscht ist können auch andere Formen von Antennenspeisungen verwendet werden, die dann gegebenenfalls auch an anderen Stellen als im Bereich der axialen öffnungen bzw. Muffen 44 und 50 gehaltert sind.
Die Innenfläche 28 des Reflektors wird elektrisch leitend gemacht, indem man eines von verschiedenen bekannten Verfahren
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anwendet, beispielsweise durch Aufsprühen von Metall oder durch Anbringen eines Gitters, einer metallischen Folie oder eines Metallblechs. In ähnlicher Weise kann die Innenseite 52 des Ummantelungsteils 24 elektrisch leitend gemacht werden, wobei die leitenden Innenflächen 28 und 52 elektrisch kontinuierlich und elektrisch längs der Kreisli- . nie 54, die durch den Rand des Reflektorteils 22 gebildet wird verbunden sind. Die Innenfläche 52 ist vorzugsweise gewellt, so daß sie eine Diffusion der Streureflexionen, die auf sie auftreffen,herbeiführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ummantelungsteil 24 mittels einer gewellten Form hergestellt. Falls dies erwünscht istf können aber auch andere Formen mit unebener Oberfläche verwendet werden. Der Ausdruck "gewellt" soll also im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung zum Ausdruck bringen, daß die Fläche eine unregelmäßige, eine gewellte, eine noppige oder in anderer Weise geformte oder deformierte Oberfläche mit entsprechenden Eigenschaften aufweist.
Die gewellte Form hat den weiteren Vorteil, daß sie der Konstruktion eine mechanische Steifigkeit verleiht, wodurch es möglich ist, leichtere Materialien zu verwenden, ohne daß damit ein Verlust der Genauigkeit der Abmessungen verbunden wäre. Auf jeden Fall besteht keine Lücke zwischen dem Rand des Reflektorteils 22 und der Ummantelung 24 durch welche Energie austreten könnte und eine Beugung oder Rückwärtsstrahlung zur Folge haben könnte.
Wie Fig. 3 zeigt,können Segmente 14, 16, 18 und 20 bequem gestapelt werden, wodurch das Volumen bei der Lagerung und beim Transport beträchtlich reduziert wird. Ferner wird deutlich, daß aufgrund der Tatsache, daß die Reflektor-, Ummantelungs- und Antennendomteile jedes■Segmentes in der Fabrik
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unter günstigen Bedingungen als Teile einer einstückigen Konstruktion hergestellt werden, sichergestellt ist, daß die Brennpunkte der Reflektor- und der Antennendomteile genau zusammenfallen.
Die vorstehend aufgeführten Konstruktionsmerkmale und Vorteile gestatten ohne weiteres den Bau großer Antennen^ mit hohem Gewinn und hoher Leistung. Dies kann der neuen Segmentkonstruktion zugeschrieben werden, welche zu guter konstruktiver Festigkeit, guter Maßhaltigkeit und guter Präzision führt, wobei zusätzlich das Volumen der Antenne für den Transport verringert wird.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der vorstehend beschriebenen Antenne ergeben sich aus der geometrischen Form mit zusammenfallenden Brennpunkten und sollen nachstehend anhand der schematischen Darstellung gemäß Fig. 4 näher erläutert werden. In dieser Fig. ist angedeutet, daß die parabolische Reflektorfläche 28 eine Brennweite f. haben soll und daß die parabolische Antennendom-Innenfläche 30 eine Brennweite f2 haben soll. Die Antennenanordnung besitzt einen Durchmesser D und die axiale Länge bzw. die Höhe der Ummantelungsfläche 52 beträgt L. Der PunktP liegt im Schnittpunkt der gemeinsamen Achse der beiden parabolischen Oberflächen und einer zu dieser Achse senkrechten Brennebene 60.
üblicherweise wird der Wert des Durchmessers D entsprechend dem geforderten Antennengewinn von vorneherein festgelegt sein. Die Brennweite f. des parabolischen Reflektors ist ebenfalls vorgegeben und liegt üblicherweise in der Nähe von 4/10 des Durchmessers D, obwohl die Erfindung keineswegs auf diesen speziellen Zusammenhang beschränkt ist. Es versteht sich, daß bei vorgegebenen T-ferten I> und iL die Tiefe D1J der Reflektorinnenflächc 28 durch die Farabelgltfichttttg
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(§)2=4fidi
gegeben ist.
Die Höhe L der Ummantelung kann dann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
L = fx + H-dx (2)
wobei der Wert H ausgehend von Versuchsergebnissen ermittelt und groß genug gewählt wird, um eine beträchtliche Streustrahlung infolge von längs der Ummantelung austretender Energie zu verhindern.
Die Brennweite f_ und die Tiefe d2 des Antennendoms werden dann in einfacher Weise wie folgt berechnet: Da
2
(τ? ) = 4fodo (3)
und da d_ = fo~H/ ^ann &ie folgende quadratische Gleichung abgeleitet werden:
- Hf2 -
für welche sich die folgende Lösung ergibt:
Il
+ /h2 + ?2
f2 - 3 i- 45)
Wenn die Brennweite f2 bestimmt ist, läßt sich die Tiefe d_ ohne weiteres mit Hilfe der Gleichung (3) feststellen."
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In einigen Anwendungsfällen wird keine Ummantelung benötigt, so daß die anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterte Konstruktion derart vereinfacht werden kann, wie dies Fig. 5 schematisch zeigt. Es läßt sich zeigen, daß bei der Anordnung gemäß Fig. 5 aufgrund der Bedingung
dl + d2 = fl + f2 (6>
und aufgrund der Tatsache, daß auch für diese Konstruktion die Gleichungen (1) und (3) gelten, die folgende Gleichung gilt:
d2 = fxund f2 = dx (7)
Man erkennt, daß aufgrund der vorstehend erläuterten Zusammenhänge, sämtliche von dem Brennpunkt P ausgehende Energie, welche von der Innenfläche 28 des Reflektors reflektiert wird auf die Innenfläche 30 des Antennendoms parallel zur Achse 58 auftrifft und daß die von der Innenfläche 30 des Antennendoms reflektierte Energie auf den Brennpunkt P gebündelt wird und von dort erneut auf die Innenfläche 28 des Reflektors auftrifft, um ein zweites Mal von dieser reflektiert zu werden, und zwar in der gleichen Richtung wie bei der ersten Reflexion. Tatsächlich gilt diese Bedingung für eine Anzahl von Refelxionen und für jede Sendefrequenz.
Es kann ferner gezeigt werden, daß die gesamte Weglänge von dem Brennpunkt P zu der Reflektorinnenfläche 28 und von dort zu der Innenfläche 30 des Antennendoms und zurück zu dem Punkt P durch folgende Gleichung bestimmt ist:
S =
und daß somit Reflexionen von allen Teilen der Innenfläche des
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:. J [J-
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Antennendoms zu dem Punkt P in Phase miteinander, und mit dem ursprünglichen Signal1 zurückkehren.' Dies ergibt sich aufgrund einer fundamentalen Eigenschaft einer Parabel, nämlich daß die Weglänge eines Strahls vom Brennpunkt zu irgendeinem Punkt auf der Kurve und von dort durch Reflexion zu der Brennebene stets doppelt so groß ist wie die Brennweite. Durch diese Eigenschaft wird die Kohärenz des Signals unabhängig von der Frequenz aufrechterhalten und mit einem Antennendom versehene Antennen haben diese Eigenschaft nur, wenn sie entsprechend den vorstehend erläuterten Gleichungen und Diagrammen aufgebaut sind.
Aus den vorstehenden Gleichungen und Diagrammen bzw. schematischen Darstellungen wird auch deutlich, daß trotz der Beschränkung der Beschreibung auf Rotations-ParaboIoide die erörterten Eigenschaften des gemeinsamen Brennpunktes auch bei anderen praktisch vorkommenden Antennenformen verwirklicht werden können, beispielsweise für Antennen, welche mit parabolischen Zylindern arbeiten. Bei diesen kann der Reflektor von einer Antennenspeisung angestrahlt werden, welche linienförmig oder anders als punktförmig strahlt und Reflektor und Antennendom können parabolische Querschnitte besitzen, welche bezogen auf die linienförmige oder anders geformte Abstrahlung in allen Querschnittsebenen gleich sind. Auch für solche Antennenkonstruktionen gelten die Fig. 4 und 5. Das Wort "parabolisch" , wie es in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezieht sich also lediglich auf eine Querschnittsform der Teile und soll die Form dieser Teile in Richtung senkrecht zu diesem Querschnitt im übrigen nicht einschränken·
/iltl

Claims (1)

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    5.12.1972 & - yt -
    Patentansprüche
    Mikrowellenantenne mit einem parabolischen Reflektor und einem Antennendom, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren Segmenten aufgebaut ist,von denen jedes einen Teil eines parabolischen Reflektors und einen Teil eines Antennendoms bildet,und daß die Segmente an ihrem Rand mit Verbindungseinrichtungen zur Herstellung einer geschlossenen Antennenkonstruktion versehen sind.
    2. Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennendom parabolisch ausgebildet ist.
    3. Mikrowellenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkte des Reflektors und des Antennendoms zusammenfallen.
    4. Mikrowellenantenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Segmente einen Ummantelungsteil umfaßt, der zwischen dem Reflektorteil und dem Antennendomteil liegt.
    5. Mikrowellenantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie längs der Schnittlinie zwischen der Ummantelung und dem Umfang des Reflektors elektrisch kontinuierlich ist.
    6. Mikrowellenantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen des Reflektors und der Ummantelung elektrisch leitende Oberflächen aufweisen.
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    Λ 39 935 b 22G2ii IO
    5.12.1972 - 3f5 -
    7. Mikrowellenantenne nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine gewellte Oberfläche aufweist. · '
    8. Mikrowellenantenne nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antennen-Speisung vorgesehen ist, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß der -'scheinbare Ausgangs·* punkt der Strahlung mit dem (gemeinsamen Brennpunkt von Reflektor und Antennendoin ζ us räumen.Füllt.
    li. Mikrowellenantenne mit einem parabolifjchen Reflektor, mit einer Antennen«peilung '.'Λΐηι Ausstrahlen und Kmpfangen von Energie im Bronnpunkt: de;; Reflektors und m-it einem Antennendom, inrjl>a:5ondar(i nach einem oder m-ihror«n der vorangegangenen AnfJprüt.'ho, dadurch g'";kt>nnzei.»lmct, ä>xii die nichbleitenria Innenrseite da3 Antenndontr; parciboli.sch ausgebildet ist und bezüglich des Reflektor.1; so angeordnet ist, daß die Brenn-' punk U1 der beiden parabolirjchen Fliehen 'SU:-; aminen fallen.
    10. Mikrowellenantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor und dar Antennendom iTchalenförmig aü'>cTe— bildet sind und längs ihrer Ränder miteuuindor .verbandwn' sind,
    11. Mikrm.'nll!»nantenn'· ηα?Ί Aaspi-uch^ 10, daiurch cjokenru'-^i-i daß e iriu Uiiinuintel iiitq vuiq^yeheii i:it.f dit; dt'ii . Hof lok Kor tine] den An tonne η d jm l.iti i.; iitrtjü Rande.; ii,-i .J 'L^n 1 »/one iu4iic|.;r h'ilt un-1 dij-»i?lbt'u ..i in in irr.it» r Vfrbiiul ^ .
    12, Mikrc»iöllenan"tennii nach einem oder" πκί1ικ«-ΐ."«ϊη der Anspruohü
    9 bi£» 11, dadurch gi-koinizeichnut, daß Jei: ■«{€.*■««inisaim-» Jlrannpunkt im Abstand von und :mP:srhalh di*r ri-nie liegt:, dip durch den Rand des Reflektors definiert wird..
    ' BAD
    A i) 1U'i b
    κ-15, ^ 22G2ÜIO
    5. 12. H 72 '^ -M
    13. Mikrowel lenantonne nach einom odor mehreren eier Ansprüclu; 9 bis 11, dadurch cjekennze Lehnet, daß de.r «ferne ins η mo Brennpunkt in tUir Ebene liticjt, die durch (Jon Rand dos Π« Π ok ro rs definiert wird.
    309329/0782 ^1.,.,
    BAD ORIGINAL
    Leerseite
DE2262810A 1972-01-12 1972-12-21 Mikrowellenantenne mit antennendom Withdrawn DE2262810A1 (de)

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