DE2263248A1

DE2263248A1 - SATELLITE ANTENNA WITH CURVED REFLECTOR

Info

Publication number: DE2263248A1
Application number: DE19722263248
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Phys Dr R Frisch
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1972-12-23
Filing date: 1972-12-23
Publication date: 1974-06-27

Description

Satellit:enantenne mit gekrümmtem Reflektor Die Erfindung betrifft eine Satellitenantenne, bestehend aus mehrerem Erregern und einem gekrümmten Reflektor, vorzugsweise einem Rotationsellipsoid oder Rotationsparaboloid.Satellite: curved reflector antenna The invention relates to a satellite antenna, consisting of several exciters and a curved reflector, preferably an ellipsoid of revolution or paraboloid of revolution.

Während für die bei Richtfunkverbindungen und in der Radartechnik benutzten Reflektorantennen eine Hauptkeule mit geringer Malbwertsbreite gefordert wird und die Nebenkeulen möglich@t geringe Intensität besitzen sollen, wird bei Satelliten, insbesondere Synchronsatelliten und fUr spezielle Radaranwendungen gefordert, daß mehrere Hauptkeulen vorhanden sein sollen und jede Hauptkeule einen bestimmten Bereich ausleuchten soll. Ein Synchronsatellit soll gleichzeitig mehrere bestimmte Gebiete auf der Erde versorgen, z.B. den Nordatlantik, Afrika und Lateinamerika. Da die höhe der Umlaufbahn der Synchronsatelliten festliegt, sind damit auch die Keulenbreiten der Reflektorantenne vorgegeben.While for microwave links and radar technology reflector antennas used required a main lobe with a narrow Malbwertsbreite and the side lobes should have a low intensity, if possible Satellites, especially synchronous satellites and for special radar applications that several main lobes should be present and each main lobe a certain area should illuminate. A synchronous satellite is supposed to have several specific areas at the same time on earth, e.g. the North Atlantic, Africa and Latin America. Since the height of the orbit of the synchronous satellites is fixed, so are the lobe widths specified by the reflector antenna.

Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse einen Paraboloidreflektor mit mehreren Erregern in der Brennebene zu verwenden, wobei durch entsprechende Überlagerung der einzelnen Keulen eine breitere Hauptkeule entsteht. Hierzu ist eine alternierende Belegungsfunktion erforderlich, die mit mehrerem Erregern mit gegenphas@ger Speisung oder durch stufenförmige Ausbildung der Reflektoroberfläche, wobei die tieferliegenden Reflektoroberflächenanteile eine um 1/4 vergrößert@ Brennweite besitzen, erzeugt wird. Die dadurch hervorgerufene Hauptkeule besitzt nahezu sektorförmige Abmessungen (se@tor sphaped beam). Der nachteil solcher bekannter Anordnungen besteht darin, daß us nicht möglich ist, bestimmte Teile des von der Hauptkeule ausgeleuchteten Gebietes der Erde zu bevorzugen. Da der Bedarf an Sprechkanälen häufig regional sehr unterschiedlich ist, fällt dieser Nachteil stark ins Gewicht. Beispielsweise ist für einen dem Luftverkehr dienenden Satelliten der Bedarf an Sprechkanälen für das Gebiet des Nordatlantiks viel größer als für Afrika und Lateinamerika.It is known to use a parabolic reflector to meet these requirements to use with several pathogens in the focal plane, with appropriate Overlaying the individual lobes creates a wider main lobe. This is an alternating occupancy function required with multiple pathogens with antiphase supply or through stepped design of the reflector surface, whereby the deeper reflector surface portions are enlarged by 1/4 @ focal length own, is generated. The resulting main lobe is almost sector-shaped Dimensions (se @ tor shaped beam). The disadvantage of such known arrangements is in that us is not possible, certain parts of that illuminated by the main lobe Area of the earth. Since the need for speech channels is often regional is very different, this disadvantage is very significant. For example is the need for speech channels for a satellite serving air traffic the area of the North Atlantic is much larger than for Africa and Latin America.

Ferner ist bekannt, mehrere Erreger in der Brennebene eines Paraboloidreflektors anzuordnen, wobei sich die einzelnen Keulen, die von Erregern mit verschiedenen Frequenzen erzeugt werden, so überlappen, daß in den Überlappungspunkten ein vorgegebener minimaler Gewinn nicht unterschritten wird. Auf diese Weise ist das von der Antenne ausgeleuchtete Gebiet der Erde in mehrere Teilgebiete unterteilt, wobei jedes Teilgebiet von derjenigen Keule versorgt wird, welche in diesem Teilgebiet den höchsten Gewinn hat. Auf diese Weise ist es möglich, Jedem Teilgebiet -unabhängig von den übrigen Teilgebieten- die jeweils benötigte Anzahl an Sprechkanälen bereitzustellen. Häufig dienen aufgrund der vorgegebenen, abzustrahlenden Leistung und des Impedanzverlaufs offene Hohlleiter <>der Hörner als Erreger. Außerdem haben diese Erregertypen den Vorteil, daß bei Verwendung mehrerer Erreger in der Brennebene die gegenseitige Kopplung sehr gering ist und daher nur eine minimale Deformation der einzelnen Keulen erfolgt. Vielfach treten jedoch Schwierigkeiten bei der räumlichen Anordnung in der Erregerebene auf. Sind nämlich Keulenbreite und Frequenz vorgegeben, so liegt bei bestimmtem Randabfall auch bereits der Reflektordurchmesser fest. G@bt man noch die Brennweite F oder das Verhältnis F/D vor, s@nd die Stellen in der Brennebene fEstgelegt, an denen sich ctio Phasenzentren der einzelnen Erreger befinden müssen. Dabei kann sich ergeben, daß der Abstand der Phasenzentren kleiner ist als die Kantenlänge der Hchlleiter oder Hörner. Eins solche Anordnung ist jedoch nicht realisierbar, da sich die Hörner gegenseitig durchdringen müßten. Dieser Schwierig@eit kann nicht dadurch begegnet werden, daß die Brennweite F vergrößert wird. Der Erreger sieht dann den Reflektor unter einem entsprechend kleineren Winkel. Unter der Voraussetzung des gleichen Randabfalls auf des Reflektor müßte jetzt die von den Erregern ausgehende Primärstrahlung stärker gebündelt werden. Dies bedingt aber eine entsprechend größere Apertur des Horns. Damit tritt jedoch wieder Durchdringung auf Eine weitere bekannte Nöglichkeit zur Erzielung mehrerer sich überlappender Keulen besteht darin, mehrere Einzelantennen, r.B. drei Paraboloidreflektoren mit je einem Erreger zu verwenden. Die Nachteile dieser Lösung sind hohes Gewicht und großer Platzbedarf.It is also known to have several pathogens in the focal plane of a parabolic reflector to arrange, with the individual clubs, caused by pathogens with different Frequencies are generated, overlap so that in the overlap points a predetermined minimum profit is not fallen below. That way, that's from the antenna illuminated area the earth divided into several areas, each sub-area being supplied by that club which is in this sub-area has the highest profit. In this way it is possible to independent of each sub-area of the other sub-areas - to provide the required number of speech channels. Often serve due to the given power to be radiated and the impedance curve open waveguides <> of the horns as pathogen. They also have types of pathogens the advantage that when using several exciters in the focal plane the mutual Coupling is very low and therefore only minimal deformation of the individual lobes he follows. In many cases, however, difficulties arise with the spatial arrangement the pathogen level. If the lobe width and frequency are given, then lies with a certain edge drop, the reflector diameter is already fixed. You can still do it the focal length F or the ratio F / D in front, s @ nd the places in the focal plane Determined where ctio phase centers of the individual pathogens must be. It can result that the distance between the phase centers is smaller than the edge length the hachlleiter or horns. However, such an arrangement is not feasible, since the horns would have to penetrate each other. This difficulty cannot can be countered by increasing the focal length F. The pathogen sees then the reflector at a correspondingly smaller angle. Provided of the same edge drop on the reflector should now be that of the pathogens Primary radiation are more concentrated. However, this requires a correspondingly larger one Aperture of the horn. With this, however, penetration occurs again. Another known one It is possible to achieve several overlapping clubs by using several Single antennas, r.B. to use three paraboloid reflectors with one pathogen each. The disadvantages of this solution are high weight and large space requirements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Satellitenantenne der eingangs genannten Art zu schaffen, die mehrere sich Uberlappende einzelne Keulen bei annehmbarem Gewinn aufweist, wobei die einzelnen Keulen so geringen Winkelabstand voneinander haben, daß der Gewinn am Rand eines Teilgebietes nur wenig geringer ist als der Gewinn im Zentrum der betreffenden Keule und die zugleich ein geringes Gewicht und kleine Abmessungen besitzt.The invention is based on the object of a satellite antenna To create the type mentioned at the beginning, the several overlapping individual clubs with acceptable gain, the individual lobes so small angular distance have from each other that the profit at the edge of a sub-area is only slightly lower is as the profit in the center of the club in question and at the same time a small one Has weight and small size.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Erreger in bezug auf den Reflektor so angeordnet sind, daß -mindestens nach den Gesetzen der geometrischen Optik- das Phasenzentrum jedes Erregers in einen reellen Bildpunkt abgebildet ist.According to the invention, this object is achieved in that the pathogens with respect to the reflector are arranged so that -at least according to the laws geometrical optics - the phase center of each exciter in a real image point is shown.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht da in, daß der Reflektor als Rotationsellipsoid ausgebildet ist, daß die Erreger in einer der beiden Brennebenen desselben angeordnet sind und ihre reellen Blldpunkte in der anderen Brennebene liegen.An advantageous embodiment of the invention consists in that the The reflector is designed as an ellipsoid of revolution that the exciter in one of the two Focal planes of the same are arranged and their real image points in the other Focal plane.

Ebenso kann die erfindungsgemäße Satellitenantenne mit einem Paraboloidreflektor ausgeführt werden, bei dem die Erreger aus der Brennebene heraus in axialer Richtung vom Reflektor weg verschoben sind, wobei eine Abbildung in reelle Bildpunkte erfolgt.The satellite antenna according to the invention can also have a parabolic reflector be carried out, in which the exciter out of the focal plane in the axial direction are shifted away from the reflector, with an imaging in real pixels.

Die Bre1.te jeder Hauptkeule hinter dem reellen Bildpunkt im Fernfeld ist nach Ausbildung der Erfindung gleich der summe aus der durch Beugung und reeller Abbildung erfolgten Ablenkungswinkel α und ß.The breadth of each main lobe behind the real image point in the far field according to the invention is equal to the sum of the diffraction and real Figure made deflection angles α and ß.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die einzelnen Erreger so eng nebeneinander angeordnet, wie es ihre Abmessungen erlauben, daß sich ihre einzelnen Hauptkeulen Uberlappen, wobei der Gewinn in den Vberlappungspunkten nur wenig geringer ist als der Gewinn im Zentrum der einzelnen Hauptkeulen.According to a further embodiment of the invention, the individual pathogens are As close together as their dimensions allow their individual main lobes overlap, where the profit is in the overlap points is only slightly less than the gain in the center of the individual main lobes.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der Erzeugung eines Bündels von Hauptkeulen bei Verwendung einer Antenne mit einem Reflektor, wobei sich die Hauptkeulen sehr eng überlappen, ohne daß dabei @äumliche Schwierigkeiten bei der Anordnung der einzelnen Err@ger auftreten. Da die Keulenbreite von der Summe der durch Beugung und reeller Abbildung hervorgerufenen Ablenkungswinke@ α und ß abhängig und α umgekehrt proportional zum Durchmesser des Reflektors ist, kann ein größerer Reflektor gewählt werden. Dadurch wird bei gleichem Verhältnis F/D gegenüber der bekannten Anordnung der erforderliche Abstand der Phasenzentren der Erreger größer.The advantages achieved with the invention consist in the production a bundle of main lobes when using an antenna with a reflector, whereby the main lobes overlap very closely without any spatial difficulties occur in the arrangement of the individual errors. Since the club width depends on the sum the deflection angles @ α caused by diffraction and real imaging and β dependent and α inversely proportional to the diameter of the reflector a larger reflector can be selected. This results in the same ratio F / D is the required distance between the phase centers compared to the known arrangement the pathogen is bigger.

Daraus @rgibt sich der große Vorteil, daß man den erforderlichen Abstand der Phasenzentren nahezu beliebig wählen kann.This has the great advantage that you have the required distance the phase centers can be chosen almost arbitrarily.

Um den Reflektordurchmesser nicht größer wählen zu müssen, als £1Jr die Unterbringung der E:reger erforderlich ist, wird man die Aufteilung zwischen α und ß so wählen, daß die äußeren Abmessungen der Erreger sich fast berühren Gegenüber der bekannten Lösung mit mehreren Reflektoren besitzt die erfindungsgemäße Lösung ein geringeres Gewicht und hat einen geringeren Platzbedarf.In order not to have to choose the reflector diameter larger than £ 1Jr the accommodation of the E: active is required, one will be dividing between Select α and ß so that the external dimensions of the pathogens almost touch each other Compared to the known solution with several reflectors, the inventive Solution is lighter in weight and takes up less space.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.

Es zeigen: Fig. 1 die Keulenbreite infolge reeller Abbildung an einem gekrümmten Reflektor von der Form eines Rotationsellip@oids; Fig. 2 die Keulenbreite infolge Beugung an einem gekrümmten Reflektor mit endlichen Abmessungen.They show: FIG. 1 the lobe width as a result of a real mapping on a curved reflector in the shape of an elliptic of revolution; Fig. 2 shows the lobe width due to diffraction at a curved reflector with finite dimensions.

In Fig. 1 ist mit R ein gekrümmter Reflektor von der Form eines Rotationsellipsoide bezeichnet. F1 und F2 sind die beiden Brennpunkte des Rotationsellipsoids, 0 ist der linke Scheitelpunkt. Im Abstand t von der großen Halbachse is in der linken Brennebene ein Erreger Er angeordnet. Obzwar in der Zeichnung der Übersicht halber nur ein Erreger Er gezeigt ist, steit dieser stellvertretend für beliebig viele Erreger.In Fig. 1, R is a curved reflector in the shape of an ellipsoid of revolution designated. F1 and F2 are the two focal points of the ellipsoid of revolution, 0 is the left vertex. At a distance t from the major semi-axis is in the left Focal plane an exciter He arranged. Although in the drawing for the sake of clarity only one pathogen is shown, it is representative of any number Pathogen.

Aufgrund der geometrischen Eigenschaften eines Rotationsellipsoids wird ein von F1 ausgehender Primärstrahl S1 so Reflektiert, daß der reflektierte Strahl SR1 durch F2 geht.Due to the geometric properties of an ellipsoid of revolution an emanating from F1 primary beam S1 is reflected so that the reflected Ray SR1 goes through F2.

Zwischen SR 1 und dem dazu symmetrischen Strahl SR2 liegt der Winkel ß , der ein Maß für die Ke@lenbreite ist. Der Erreger Er wird entsprechend den Strahlen S3 und SR3 in Er abgebildet.The angle lies between SR 1 and the symmetrical beam SR2 ß, which is a measure of the lobe width. The exciter He becomes according to the rays S3 and SR3 shown in Er.

Um Überstrahlung am Rand des Reflektors zu vermindern, erfolgt die Anordnung der Erreger in der Brennebene so, daß auf dem Reflektor ein Abfall von ca. 10 db vom Scheitelpunkt O zum Rand hin auftritt. Der 3 db Abfall liegt dann bei 0,275 D.In order to reduce overexposure to the edge of the reflector, the Arrangement of the exciters in the focal plane so that on the reflector a drop of occurs approx. 10 db from the vertex O to the edge. The 3 db drop is then at 0.275 D.

Im Ausführungsbeispiel beträgt die Frequenz f r 1,55 GHz und die gewünschte, auf einen Abfall von 3 db bezogene Breite der Hauptkeule 10,5°. Der Durchmesser des Reflektors beträgt D = 1,75 m. Daraus ergibt sich eine durch die Beugung bedingte Keule@breite α = 7,8°. Der infolge reeller Abbildung sich ergebend Ablenkwinkel ß muß dann ca. 30 betragen. Damit engibt sich der Abstand 0F2, die sogenannte Bildweite zu 16,7 m.In the exemplary embodiment, the frequency f r is 1.55 GHz and the desired width of the main lobe 10.5 ° related to a drop of 3 db. The diameter of the reflector is D = 1.75 m, which results in a diffraction effect Club @ width α = 7.8 °. The deflection angle resulting from the real mapping ß must then be approx. 30. This gives the distance 0F2, the so-called image distance to 16.7 m.

Infolge er Anordnung der Erreger in der Brennebene erhäl@ man nur einen durch laterale Defokussierung verursachten Bildfehler. Um diesen Fehler gering zu halten, wird das Verhältnis von Abstand OF1 zum Durch@esser des Reflektors gleich oder groößer 0,45 gewählt. Im Ausführungsbeispiel ist OF1 @ 0,8 s.As a result of the arrangement of the exciters in the focal plane, you only get an image error caused by lateral defocusing. To make this mistake small the ratio of the distance OF1 to the diameter of the reflector becomes the same or greater than 0.45. In the exemplary embodiment, OF1 @ 0.8 s.

Figur 2 zeigt die Keulenverbreiterung infolge Beugung an einem gekrümmten Reflektor. Der Ablenkwinkel ergibt sich wieder dtrch den Schnitt zweier, zur Geraden OF1 symmetrischen Strahlen S5 und Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Reflektoren von der Form eines Rotationsellipsoids beschränkt. Es kann vielmehr jeder gekrümmte Reflektor, z.B. auch ein Rotationsparaboloid Verwendung finden. Da die Abbildung dann -strang genommen- nur im Gültigkeitsbereich der geometrischen Optik genau erfolgt, ist diese beispielsweise bei einen rotationsparaboloidförmigen Reflektor infolge des großen Öffnungswinkels des Primärbündels schlec@ter als bei einem rotationsellipso@dförmigen Reflektor. Infolge der schlechteren Ab@ildungsqualität und der größeren Deformation der Keulen wi:d auch der Wirkungsgrad schlechter.Figure 2 shows the lobe broadening due to diffraction on a curved one Reflector. The deflection angle results from the intersection of two to a straight line OF1 symmetrical beams S5 and The invention is not based on that Use of reflectors restricted to the shape of an ellipsoid of revolution. It Rather, any curved reflector, e.g. also a paraboloid of revolution, can be used Find. Since the mapping then - taken - only in the scope of the geometric Optics is done exactly, this is for example a paraboloid of revolution Reflector because of the large opening angle of the primary bundle worse than at a rotational ellipsoidal reflector. As a result of the poorer educational quality and the greater deformation of the lobes wi: d also the efficiency worse.

P a t e n t a n s p r ü c h e: P a t e n t a n s p r ü c h e:

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Satellite antenna, consists of several exciters and a curved reflector, preferably an ellipsoid of revolution or Paraboloid of rotation, in that it is not shown that the pathogen (Er) with respect to the reflector are arranged so that - at least according to the laws the geometric op @ ik - the phase center of each exciter in a real pixel (He ') is pictured.

2. Satellite antenna according to claim 1, characterized in that g e -k a n n z e i c h n e t that the reflector (R) is known as an ellipsoid of revolution is designed that the exciter (Er) in one of the two focal planes of the same are arranged and their real pixels are in the other plane.

3. Satellite antenna according to claim 1, d a d u r c h g e -k *! n n z e i c h n e t that the reflector (R) in a manner known per se as a paraboloid of revolution is designed that the exciter (Er) out of the focal plane in the axial direction are shifted away from the reflector, with an imaging in real pixels.

4. Sai: ellite antenna according to claims 1 to 3, thereby g e k It is noted that the width of each main lobe behind the real pixel (Er) in the far field is equal to the sum of the diffraction and plate imaging Deflection angles α and ß.

5. Satellite antenna according to claims 1 to 4, thereby g e k e n It is not shown that the individual pathogens (Er) are so close to one another are, as their dimensions allow their individual main lobes to overlap, where the gain in the overlap points is only slightly less than the gain in the center of the individual main lobes.

L e r s e i t e