DE7443028U - Rotationssymmetrische cassegrain- antenne - Google Patents

Description

SIEMENS AKTI&NeESELESCHAFT München, den ? 3.OEZ. 197 4

Berlin und München Wittelsbacherplatz 2

VPA 74/6772

Aktenzeichen G 74 43 028.7

Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne

Die Neuerung bezieht sich auf eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne mit zwei voneinander unabhängigen Drehachsen für Elevation und Azimut, bei der sich die Sende-Empfangseinrichtung für das Nachrichtensignal ortsfest im Unterbau der Antenne befindet, und bei der die Azimutdrehachse und die Rotationsachse des Hauptreflektors in einer Ebene liegen.

Antennen dieser Art eignen sich in besonderer Weise für den Funkverkehr mit Raumflugkörpern, bei denen es im Hinblick auf die schwachen Empfangssignale erforderlich ist, eine scharf bündelnde Antenne mit hohem Antennengewinn zur Verfügung zu haben. Die in Analogie zur Optik nach dem Prinzip von Cassegrain aufgebauten Antennen erfordern,vor allem bei den im Satellitenfunk häufig verwendeten Frequenzen zwischen 2 und 6 GHz, wegen der Größe des Hauptreflektors mit Durchmessern bis zu 30 und mehr Metern einen erheblichen technischen Aufwand, der zusätzlich noch dadurch vergrößert wird, daß die Antenne im allgemeinen nachführbar, d.h. in zwei voneinander unabhängigen Drehachsen für Elevation und Azimut bewegbar sein muß. Wie die Literaturstelle Mitteilungen aus dem Zentrallaboratorium für Nachrichtentechnik der Siemens AG "Nachrichtentechnische Fachberichte", Bd. 32, 1967, Seiten 23 bis 33 deutlich macht, sind eine Vielfalt von Überlegungen angestellt worden, die eine geeignete Ausbildung des Mikrowellenspeisesystems betreffen, das die Verbindung zwischen der Sende-Empfangseinrichtung und dem Antennenspiegel herstellt. Eine

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Hohlleiterdrehkupplung für das Speisehorn ist ausreichend, wenn der Raum, in dem die Sende-Empfangseinrichtung untergebracht ist, die Azimutbewegung der Antenne mitmacht. Die gleiche Literaturstelle gibt auch Lösungen an, bei denen der die Sende-Empfangseinrichtung enthaltende Betriebsraum ortsfest im Unterbau der Antenne angeordnet sein kann. In diesem Falle findet als Mikrowellenspeisesystem ein geknickter Hornparabol Verwendung, der zwischen Knick und Parabolreflektor eine zweite Drehkupplung zum Ausgleich der Antennenbewegung um die Elevationsachse aufweist. Diese konstruktive Lösung setzt zwar den technischen Aufwand herab, bringt jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich der elektrischen.Eigenschaften der Antenne. Insbesondere müssen in diesem Falle gewisse Unsymmetrien des Strahlungsfeldes des Speisehorns in Kauf genommen werden, die u.a. ein unerwünschtes überstrahlen der Primäicstrahlung über den Rand des Hilfsreflektors der Cassegrain-Antenne hinaus bedingen und zu größeren Nebenzipfeln des Strahlungsdiagramms der Antenne führen. Außerdem werden Gewinn und Wirkungsgrad der Cassegrain-Antenne erniedrigt.

Durch die Literaturstelle "Frequenz", Jahrg. 22, 1968, Heft 5, Seiten 151 bis 156 und die Literaturstelle "IEEE Transactions on Antennas and Propagations", Nov. 1973, Seiten 884 bis 886, wird eine weitere Lösung für das Mikrowellenspeisesystem einer Cassegrain-Antenne angegeben, bei der ebenfalls die Sende-Empfangseinrichtung ortsfest im unterbau der Antenne angeordnet sein kann. Dieses Mikrowellenspeisesystem stellt dabei ein Vierspiegel-Strahl-. wellenleiter sys tem dar. Es besteht aus einem im Zuge der Azimutachse angeordneten ortsfesten Primärstrahler, dessen Strahlung über vier Spiegel hinweg, die dabei jeweils VPA 9/643/5001 - 3 -

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eine Strahlumlenkung tun 90° vornehmen, durch die zentrale Öffnung des Hauptreflektors hindurch auf den Hilfsreflek- töv gerichtet wird. Die Funktion der für das Speisesystem an sich benötigten Drehkupplungen für Azimut und Elevation wird hier von den jeweils gegeneinander drehbaren Paaren Primärstrahler/1. Reflektor und 3. Reflektor/4. Reflektor wahrgenommen. Das Vierspiegelr-Strahlwellenleitersystem gibt die Möglichkeit, durch geeignete Ausbildung des Primärstrahlers das Strahlungsfeld annähernd rototionssymmetrisch zu gestalten. Wie die Praxis jedoch zeigt, benötigt das Vierspiegel-Strahlwellenleitersystem einen sehr großen Justieraufwand für die vier Spiegel, weil sich deren Justierfehler addieren und daher die Strahlverzerrungen hinsichtlich Amplitude, Phase und Polarisation bereits bei kleinen Justierfehlern ein erhebliches Ausmaß annehmen können. Polarisationsfehler müssen vor allem bei sogenannter Doppelfrequenzausnutzung (Ausstrahlung bzw. Empfang zweier orthogonal polarisierter Signale) extrem klein sein. Auch bei exakter Justierung weist ein solches Spiegelsystem wegen seiner prinzipiellen Unsymmetrien.

noch gewisse Strahlverzerrungen auf, die mit der Spiegelzahl zunehmen. Ebenfalls mit der Spiegelzahl nehmen auch die Verluste eines solchen Systems zu, v/eil sich praktisch Überstrahlungen der Spiegel nicht restlos vermeiden lassen.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne, bei der die Sende-Empfangseinrichtung im unterbau der Antenne fest angeordnet ist, eine weitere Lösung für das Mikröwellenspeisesystem anzugeben, die die bei bekannten Lösungen gegebenen Vorteile in sich vereinigt, jedoch deren Nachteile nicht aufweist.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Neuerung dadurch gelöst, daß das Mikrowellenspeisesystem, über das die ortsfeste Sende-Erapfangseinrichtung mit der zentralen Speiseöffnung im Hauptreflektor in Verbindung steht, auf seiten der Sende-Empfangseinrichtung eine die azimutale Antennenbewegung ausgleichende Kohlleiterdrehkupplung und auf seit3n des Hauptreflektors einen die Elevationsbevegung der Antenne ausgleichenden Zweispiegel-Strahlwellenleiter aufweist.

Durch die Literaturshelle "Japan Telecommunications Review", April 1973, Seiten 101 bis 110, ist zwar bereits eine rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne bekannt, die anstelle von einer Drehkupplung zum Ausgleich der Antennenbewegung um die Elevationsachse von einem Zweispiegel-Strahlwellenleiter Gebrauch lacht. Bei dieser bekannten Anordnung ist auch der den ersten Spiegel des Zweispiegel-Strahlwellenleiters anstrahlende Primärstrahler neben der Sende-Empfangseinrichtung ortsfest im Antennenunterbau angeordnet. Um dies zu ermöglichen, ist die Rotationsachse der Antenne gegenüber der Azimutdrehachse versetzt, d.h. beide Achsen liegen hier nicht in einer Ebene. Diese Besonderheit bedingt einen außerordentlich komplizierten Konstruktiven Aufbau, der sich unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen an die Stabilität und die zu fordernde maximale Drehgeschwindigkeit der Antenne praktisch nur für kleine Antennen mit geringem Gewicht verwirklichen läßt.

Durch die neuerungsgemäße Lösung der Kombination aus einem Zweispiegel-Strahlwellenleiter und einer Hohlleiter drehkupplung wird ein Mikrowellenspeisesystem für Cassegrain-Antennen beliebiger Größe mit ortsfester Sende-Empfangs-

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einrichtung verwirklicht, die den geschilderten bekannten Lösungen in nicht unerheblichem Maße überlegen ist. Das neuerungsgemäße Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem gewährleistet bei sehr geringen Verlusten und geringem Justier auf wand für die beiden Spiegel auf Grund der hiermit erreichbaren Symmetrie des Strahlungsfeldes einen optimalen Antennengewinn. Es läßt auch die Anordnung der Azimutdrehachse und der Antennenrotationsachse in einer Ebene zu, was für einen günstigen mechanischen Aufbau der Antennenkonstruktion von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Der durch die geringe Zahl von Spiegeln und entsprechenden Justiervorrichtunge.n reduzierte Raumbedarf des Speisesyscems wirkt sich ebenfalls günstig auf den mechanischen Aufbau der Antenne aus.

Das ein Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem darstellende Mikrowellenspeisesystem weist·zweckmäßig einen Hornstrahler mit symmetrischem Strahlungsfeld auf, der den ersten, außerhalb der Azimutdrehachse angeordneten Spiegel des Zweispiegel-Strahlwellenleiters ausleuchtet und über eine Hohlleiterzuführung mit der Hohlleiterdrehkupplung verbunden ist. Der erste Spiegel lenkt hierbei die Strahlung in Richtung der Elevationsachse auf den zweiten Spiegel um, der im Kreuzungspunkt der Elevations- und der Azimutdrehachse angeordnet ist und die Strahlung durch . die zentrale Speiseöffnung im Hauptreflektor hindurch auf den Hilfsreflektor umlenkt.

Sinnvoll ist es, wenn sich der erste Spiegel des Zweispiegel-Strahlwellenleiters im Nahfeld des Hornstrahlers befindet.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Zweispiegel-Strahlwellenleitersystems sind der Hornstrahler ein Rillenhorn, der erste Spiegel ein Ellipsoidspiegel und der zweite Spiegel ein gekrümmter oder ebener Spiegel.'Die Hohlleiterzuführung setzt sich dabei aus einem Hohlleiterkrümmer mit einem sich daran anschließenden geraden Hohlleiterabschnitt" zusammen.

Im Hinblick auf möglichst geringe Verluste innerhalb des Zweispiegel-Strahlwellenleitersystems ist es vorteilhaft, wenn der gerade Hohlleiterabschnitt in seinem Querschnitt gegenüber dem Hohlleiterquerschnitt, in dein nur die Grundwelle ausbreitungsfähig ist, erweitert ist. Die Übergänge zum Hohlleiterkrümmer und zum Hornstrahler sind dabei im Sinne einer möglichst geringen Anregung höherer Tfiellenformen angepaßt.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Neuerung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 die Darstellung einer bekannten rotationssymmetrischen Cassegrain-Antenne mit zwei voneinander unabhängigen Drehachsen für Elevation und Azimut, bei der sich die Sende-Empfangseinrichtung ortsfest im Unterbau der Antenne befindet,

Fig. 2 die neuerungsgemäße Modifikation der Antenne nach Fig. 1 in schematischer Darstellung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Antenne bedeuten 1 der Hauptreflektor, 2 der Hilfsreflektor, 3 die Hilfsreflektorhalterung, 4 die zentrale Speiseöffnung des Haupt-

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reflektors, 5 das Mikrowellenspeise system in Gestalt eines geknickten Homparabols mit rundem Hornquerschnitt, 6 die Drehkupplung zum Ausgleich der Elevationsbewegung der Antenne im Bereich der Knickstelle des geknickten Horaparabols 5, 7 die Hohlleiter zuführung für den geknickten Hornparabol in Form eines Hohlleiterkrümners,. 8 die Hohlleiterdrehkupplung, 9 ein Betriebsraum und 10 die im ' Betriebsraum 9 untergebrachte Sende-Empfangseinrichtung. Die Elevationsdrehachse und die Azimutdrehachse sind in Fig- 1 mit E und A bezeichnet.

Bei einer Bewegung der Antenne um die Azimutdrehach.se A wird die Drehbewegung des geknickten Homparabols 5 durch die Hohlleiterdrehkupplung 8 über der Decke des Betriebsraums 9 ausgeglichen. Die Drehkupplung 6 im Bereich des Kn'.cks des Homparabols 5, der in der Elevationsdrehachse E liegt, gleicht eine Bewegung der Antenne um die Elevationsdrehachse auf, Wie bereits ausgeführt worden ist, bedingt . der geknickte Hornparabol 5 eine gewisse Unsymmetrie des Strahlungsfeldes im Bereich der zentralen Speiseöffnung k, die primär von der Speisung des Homparabols mrc der nicht drehsymmetrischen H₁ *-Grundwelle des Rundhohlleiters herrührt. Der im wesentlichen zur Azimutdrehachse A spiegelsymmetrische Aufbau der Gesamtkonstruktion, herbeigeführt durch die Anordnung von Azimutachse und Symmetrieachse des Hauptreflektors in einer gemeinsamen Ebene, wird bei dieser bekannten Anordnung dadurch ermöglicht, daß das Horn des Homparabols 5 an seinem unteren Ende über den Hohlleiterkrümmer 7 in die in der Azimutdrehachse A angeordnete Hohlleiterdrehkupplung ausmündet.

Gemäß der Neuerung ist, wie Fig. 2 zeigt, hier der das Mikrowellenspeisesystem darstellende geknickte Hornpara-

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bol 5 durch ein Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem ersetzt. An den Hohlleiterkrümmer 7, der einen runden Querschnitt aufweist, schließt sich an dem der Hohlleiterdrehkupplung 8 entgegengesetzten Ende ein gerader Hohlleiter 11 mit ebenfalls rundem Querschnitt an, der in den Hornstrahler 12 ausmündet. Der Hornstrahler 12 ist ein sogenanntes Rillenhorn, wie es beispielsweise in der Literaturstelle "Microwaves", Jan. 19.3, Seiten 44 bis 49, beschrieben ist. In einem solchen Rillenhorn werden hybride " Wellentypen angeregt, die ein weitgehend symmetrisches Strahlungsfeld eines solchen Hornstrahlers ergeben. Der Hohlleiterkrümmer 7 legt die von der Richtung der Azimutdrehachse A abweichende 'Strahlrichtung des Hornstrahlers fest. Dieser leuchtet mit seinem Strahlungsfeld den ersten Spiegel 13 des Zweispiegel-Strahlwellenleiters aus, der hierbei eine ellipsoidförmige Kontur aufweist. Der erste Spiegel 13 lenkt die Strahlung in Richtung der Elevationsdrehachse E auf den zweiten Spiegel 14 um, der dabei im Kreuzungspunkt der Elevationsdrehachse mit der Azimutdrehachse angeordnet ist und beim angegebenen Ausführungsbeispiel einen in sich leicht konvex gekrümmten Reflektor darstellt. Der zweite Spiegel 14 lenkt die Strahlung seinerseits durch die zentrale Speiseöffnung 4 des Hauptreflektors 1 auf den Hilioreflektor 2, wie die in unterbrochener Linie angedeuteten Pfeile zeigen, um. Wie Fig. 2 ferner erkennen läßt, weist der Hauptreflektor im Bereich seiner zentralen Speiseöffnung einen rohrförmigen Ansatz 15 auf, der hierbei die Funktion einer Abschirmung für die in Richtung auf den Hilfsreflektor 2 am zweiten Spiegel 14 umgelenkte Strahlung ausübt.

Die ellipsoidförmige Kontur des ersten Spiegels 13 wird z\*eckmäßig so bemessen, daß ein Brennpunkt des Ellipsoids im Phasenzentrum des Hornstrahlers 12 zu liegen kommt.

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Der zweite (virtuelle) Brennpunkt wird so gelegt, daß, wie der Verlauf des Strahlengangs andeutet, ein leicht konvergentes Strahlenbündel erzeugt wird, wodurch Verluste durch überstrahlung des zweiten Spiegels 14, die wegen des weitgehend drehsymmetrischen Querschnittsfeldes an sich schon klein gehalten v/erden können, noch weiter verringert werden. Bei Verwendung eines in Richtung von Reflektor 13 nach Reflektor 14 konvergierenden Strahlenbündels ergibt sich außerdem die Möglichkeit,, Reflektor 13 größer als Reflektor 14 auszuführen. Dadurch können nicht nur die Überstrahlungsverluste am Reflektor 13 weiter herabgesetzt werden, sondern es besteht auch die konstruktiv günstige Möglichkeit, den Abstand zwischen Rillenhorn 12.und Reflektor 13 zu vergrößern und dadurch die Länge des Verbindungshohlleiters 11 zu verringern.

Soll der zweite Spiegel 14 ebenfalls ein leicht konvergentes Strahlenbündel in Richtung auf den HilfsTeflektor 2 abstrahlen, dann kann dies entgegen seiner Darstellung in Fig. 2 dadurch herbeigeführt werden, daß ihm eine ebene oder leicht konkave Form gegeben wird.

Der geradlinige Hohlleiterabschnitt 11 bedingt durch seine Länge dann unerwünschte Verluste, wenn er in seinem Querschnitt so bemessen ist, daß sich hierin lediglich die Hohlleitergrundwelle ausbreiten kann. Diese Verluste lassen sich leicht dadurch wesentlich herabsetzen, daß er in seinem Querschnitt gegenüber dem erstgenannten Querschnitt erweitert wird. Um in diesem Falle eine Anregung höherer Wellenformen möglichst zu vermeiden, sind seine Übergänge an den Hohlleiterkrümmer 7 und den Hornstrahler 12 anzupassen.

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Die Bewegungsverhältnisse beim Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem nach Fig. 2 entsprechen denen des geknickten Hornparabcls nach Fig. 1. Die Azimutbewegung macht das ganze Zweispiegel-Strahlwellenleitersystein mit, während die Elevationsbewegung lediglich vom zweiten Spiegel 14 mit ausgeführt wird. Die erfindungsgemäße Ausführung nach Fig. 2 hat gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Konzept nicht nur den Vorteil der Strahlsymmetrierung, sondern auch den wesentlichen Vorteil, daß die in Fig. 1 dargestellte, wegen ihres großen Durchmessers relativ aufwendige HF-Drehkupplung 6 entfällt.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, ist im Verbindungsweg zwischen dem geraden Hohlleiterabschnitt 11 und dem Hohlleiterkrümmer 7 noch ein Modenkoppler 13 angeordnet, der dann erforderlich ist, wenn die Antenne gleichzeitig für Peilzwecke mit ausgenutzt werden soll.

6 Schutzansprüche
2 Figuren

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Claims (6)

Schutzansprüche

1. Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne mit zwei voneinander unabhängigen Drehachsen für Elevation und Azimut, "bei der sich die Sende-Empfangseinrichtung für das Nachrichtensignal ortsfest im Unterbau der Antenne befindet

. und bei der die Azimutdrehachse und die Rotationsachse des Hauptreflektors in einer Ebene lieg an, dadurch gekennzeichnet , daß das Mikrowellenspeisesystem, über das die ortsfeste Sende-Empfangseinrichtung (-10) mit der zentralen Speiseöffnung (4) im Hauptreflektor (1) in Verbindung steht, auf seiten der Sende-Empfangseinrichtung eine die azimutale Antenneribewegung ausgleichende Hohlleiterdrehkupplung (8) und auf seiten des Hauptreflektors einen die Elevationsbewegung der .Antenne ausgleichenden Zweispiegel-Strahlwellenleiter (13, 14) aufweist.

2. Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ein Zweispiegel-Strahlwellenleitersystem darstellende Mikrowellenspeisesystem einen Hornstrahler (12) mit symmetrischem Strahlungsfeld aufweist, der den ersten, außerhalb der Azimutdrehachse (A) angeordneten Spiegel (13) des Zweispiegel-Strahlwellenleiters ausleuchtet und über eine Hohlleiterzuführung (7, 11} mit der Hohlleiterdrehkupplung (8) verbunden ist, daß ferner der erste Spiegel (13) die Strahlung in Richtung der Elevationsachse (E) auf den zweiten Spiegel (14) umlenkt und daß der zweite Spiegel, der im Kreuzungspunkt der Elevations- und der Azimutdrehachse angeordnet ist, die

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Strahlung durch die zentrale Speiseöffnung (4) im Hauptreflektor (1) hindurch auf den Hilfsreflektor (2) umlenkt.

3. Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne nach Anspruch und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (13) des Zweispiegel-Strahlwellenleiters sich im Nahfeld des Hornstrahlers (12) befindet.

4* Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne nach Anspruch und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornstrahler (12) ein Rillenhorn, der erste Spiegel (13) ein Ellipsoidspiegel und der zweite Spiegel (14) ein gekrümmter oder ebener Spiegel sind.

5. Rotationssymmetrisch^ Cassegrain-Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,, daß die Hohlleiterzuführung sich aus einem Hohlleiterkrümmer (7) mit einem sich daran anschließenden geraden Hohlleiterabschnitt (11) zusammensetzt.

6. Rotationssymmetrische Cassegrain-Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade Hohlleiterabschnitt (11) mit seinem Querschnitt gegenüber dem Hohlleiterquerschnitt, in dem nur die Grundwelle ausbreitungsfähig ist, erweitert ist und · daß die Übergänge zum Hohlleiterkrümmer (7) und zum Hornstrahler (12) im Sinne einer möglichst geringen Anregung höherer Wellenform angepaßt sind.

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