EP0030272A1

EP0030272A1 - Cassegrain-Antenne

Info

Publication number: EP0030272A1
Application number: EP80106701A
Authority: EP
Inventors: Kurt Dr. Leuenberger; Peter Füglister
Original assignee: Siemens Albis AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 1979-11-19
Filing date: 1980-10-31
Publication date: 1981-06-17

Abstract

Es wird eine Cassegrain-Antenne angegeben, bei der zwischen den Hornstrahlern (F1, F2, F3, F4) und dem Subreflektor (5) eine dielektrische Mehrkegel-Struktur (D) angeordnet ist, wobei je eine Spitze derselben in den Innenraum eines Hornstrahlers eingefügt ist. Dadurch wird die Strahlungscharakteristik zumindest angenähert symmetrisch und der Strahlungswirkungsgrad der Antenne erheblich erhöht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Cassegrain-Antenne.
Zur Abstrahlung eines Radar-Strahlungsbündels werden sowohl einfache Spiegelantennen mit einem Mikrowellen-Hornstrahler in ihrem Fokus als auch sogenannte Cassegrain-Antennen eingesetzt. Bei der Cassegrain-Antenne wird zuerst das Radar-Strahlungsbündel durch eine axiale Oeffnung im Parabolspiegel geführt und dann in einem sogenannten Cassegrain-Subreflektor ein erstes Mal und im eigentlichen Parabolspiegel ein zweites Mal reflektiert. Dadurch werden störende Effekte, wie sie bei der direkten Einspeisung auftreten, vermieden.
Beide Arten von Antennen, die beispielsweise aus dem "Radar Handbook" von Merrill Skolnik, McGraw-Hill, 1970, Seiten 10-3 und 10-13 bekannt sind, können unter Verwendung einer Vielzahl von getrennten Strahlungsbündeln ebenfalls in Monopuls-Radarsystemen Anwendung finden. Dabei wird eine Strahlablenkung von der Antennenachse durch eine seitliche Verschiebung der Hornstrahler in der Fokusebene der Antenne erreicht.
Zur Abstrahlung eines einzelnen Strahlungsbündels mit Hilfe einer Cassegrain-Antenne ist es ferner aus dem Buch "Electromagnetic Horn Antennas", IEEE Press, 1976, Seite 382ff bekannt, den Hornstrahler durch einen Kegel mit dem Cassegrain-Subreflektor zu verbinden, wobei dieser Kegel aus einem Material hergestellt ist, dessen Verlustfaktor klein ist und dessen Dielektrizitätskonstante relativ wenig grösser als diejenige des freien Raumes ist. Solche Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante zwischen 1,05 und 1,2 sind beispielsweise als Schaumstoffe auf Kunststoffbasis, wie Polyurethan erhältlich. Der Vorteil der Einfügung eines derartigen dielektrischen Kegels besteht darin, dass das Strahlungsdiagramm der Speiseanordnung zumindest angenähert axialsymmetrisch wird,obwohl ein Hornstrahler nicht ohne weiteres eine vollkommen symmetrische Strahlungscharakteristik aufweist.
Ein solcher bekannter Kegel kann indessen in einer Cassegrain-Antenne für ein flonopuls-Radarsystem nicht eingesetzt werden, weil in diesem Fall mehrere Einzelstrahlungsbündel gleichzeitig von den Hornstrahlern zum Subreflektor geführt werden müssen. Um bei einem Monopuls-Radarsystem trotzdem eine symmetrische Strahlungscharakteristik der Hornstrahler zu erreichen, können die Hornstrahler mit inneren Rillen versehen sein. Die Technik der Rillen-Hornstrahler oder der sogenannten "Corrugated feeds" ist beispielsweise aus dem obenerwähnten Buch "Electromagnetic Horn Antennas", Seite 320ff bekannt. Solche Rillen-Hornstrahler haben den Vorteil, dass sie eine symmetrische Strahlungscharakteristik aufweisen. Da die Rillen im Innern der Hornstrahler vorgesehen sind, ist es ohne weiteres möglich, mehrere Einzelstrahlungsbündel gleichzeitig von den Hornstrahlern zum Subreflektor zu führen. Die Herstellung solcher Rillen-Hornstrahler ist jedoch relativ aufwendig.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Hornstrahler für eine Cassegrain-Antenne in einem Monopuls-Radargerät anzugeben, welcher eine zumindest angenähert symmetrische Strahlungscharakteristik aufweist, den Strahlungswirkungsgrad der Antenne erheblich erhöht und der sich mit einem relativ kleinen fertigungstechnischen Aufwand realisieren lässt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Massnahmen.
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Cassegrain-Antenne mit vier Hornstrahlern und einer dielektrischen Vierkegel-Struktur,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer solchen dielektrischen Vierkegel-Struktur,
Fig. 3-5 weitere Beispiele einer erfindungsgemässen Vierkegel-Struktur.

Fig. 1 zeigt eine Cassegrain-Antenne mit vier Hornstrahlern F1, F2, F3, F4, einem Parabolspiegel H und einem Cassegrain-Subreflektor S, der über eine Subreflektor-Befestigung SB mit dem Parabolspiegel H verbunden ist. Der Parabolspiegel H weist eine axiale Oeffnung auf, durch die die vier Hornstrahler F1, F2, F3, F4 teilweise in die konkave Seite des Parabolspiegels hineinragen. In Fig. 1 überlappen sich die Projek- _tionen der Hornstrahler F2 und F4. Die Hornstrahler F1, F2, F3 und F4 sind derart gekröpft, dass sich ihre Achsen in einem Punkt Z auf der Symmetrieachse der Antenne in der Nähe des Durchstosspunktes Y der kreis-symmetrischen Subreflektorkontur treffen. An den vier Hornstrahlern Fl, F2, F3, F4 ist eine dielektrische Vierkegel-Struktur D derart angeordnet, dass je eine Spitze der Vierkegel-Struktur in den Innenraum eines Hornstrahlers eingefügt ist.
Geometrisch wird die Form dieser Vierkegel-Struktur durch vier gleiche sich zunehmend durchdringende Kegel mit je einem Oeffnungswinkel von 2,ferzeugt, deren Achsen sich gemeinsam im Punkt Z auf der Antennensymmetrieachse treffen und deren ein Viereck mit der Seitenlänge d √2 bildende Kegelspitzen in einer gemeinsamen Ebene E liegen. In Fig. 1 projiziert sich die Ebene E auf eine Gerade, zwei Kegelspitzen auf ein und denselben Punkt X und die zwei anderen Kegelspitzen auf die Punkte P und Q. In der Projektion ist d der Abstand PX zwischen den Punkten P und X und der Abstand QX zwischen den Punkten Q und X. Die Mantelflächen der vier Kegel hüllen somit eine Kugel mit dem Radius r ein, deren Zentrum im Punkt Z liegt, so dass der Abstand zwischen einer Kegelspitze und dem Punkt Z
ist. Für den halben Oeffnungswinkel ϕ gilt die Beziehung
Der Neigungswinkel α der Kegelachse zur Antennenachse ist mit
definiert; daraus ergibt sich die Beziehung
Die dielektrische Vierkegel-Struktur an sich (Fig. 2) kann aus vier Teilkegeln Tl, T2, T3, T4 hergestellt werden, welche über dünne Klebflächen miteinander verbunden sind. Dabei kann jeder Teilkegel zunächst als ein vollständiger Kegel gedreht und sodann jeder Kegel in zwei senkrecht zueinander liegenden Ebenen geschnitten werden. Die Drehachse des Kegels befindet sich in der winkelhalbierenden Ebene der beiden Schnittebenen, wobei die Kegelspitze den Abstand d sin (2π/8) =
von den Schnittebenen aufweist. Die Teilkegel können beispielsweise aus einem Schaumstoff auf Kunststoffbasis oder aus einem keramischen Material bestehen.
Die Cassegrain-Antenne nach Fig. 1 funktioniert folgendermassen: Die Mikrowellenstrahlen, die von den Hornstrahlern F1, F2, F3, F4 abgestrahlt werden, gelangen durch die dielektrische Vierkegel-Struktur auf den Subreflektor S. Dabei ist durch die unsymmetrische Anordnung des Dielektrikums bezüglich der Drehachse eines Teilkegels die Verteilung der Wellenmodi gestört. Es hat sich indessen erwiesen, dass in der erfindungsgemässen dielektrischen Vierkegel-Struktur die HEll-Modi wie bei einem Einzelkegel dominieren, so dass die Strahlbreite des Hornstrahlers nicht mehr von dessen Oeffnungsgeometrie, sondern vom effektiven Durchmesser ä der Basis der Kegel-Struktur gegeben ist. Daraus ergibt sich der minimale Wert für den Durchmesser B des Subreflektors
mit
Dies ermöglicht die Verwendung eines Subreflektors mit relativ kleinen Abmessungen, was wichtig ist, um die vom Subreflektor bewirkte unerwünschte Abschattung auf dem Parabolspiegel möglichst klein zu halten.
Die dielektrische Vierkegel-Struktur kann bis zum Subreflektor reichen, der sogar von der Vierkegel-Struktur selbst getragen werden kann. Fig. 1 zeigt einen Fall, bei dem es nicht so ist. Es hat sich erwiesen, dass der Stumpf der Kegelstruktur keine bedeutende Störung für die vom Subreflektor reflektierte Strahlung darstellt.
In Fällen, bei welchen der Anisotropie des Kunststoffmaterials eine gewisse Bedeutung zukommt, können in vorteilhafter Weise die vier Teilkegel derart von den zwei zueinander im Winkele
liegenden Ebenen geschnitten sein, dass in ihrer winkelhalbierenden Ebene ein minimaler Wert der Kreuzpolarisation wie folgt gemessen wird. Ein Sender bestrahlt die Basis eines vollständigen Kegels in seiner Achsenrichtung und ein Empfänger empfängt am Hornstrahler bei der Kegelspitze die Strahlung, wobei der Empfänger derart eingerichtet ist, dass er beispielsweise den räumlich um π/2 gegenüber dem E-Vektor des Senders verdrehten E-Vektor messen kann. Unter dieser Voraussetzung wird dann der noch vollständige Kegel solange um seine Achse gedreht, bis man einen der vier minimalen Werte findet, die der E-Vektor annehmen kann.
Eine Cassegrain-Antenne kann auch mehrere in den Figuren nicht angegebene Hornstrahler aufweisen, die derart gekröpft sind, dass sich ihre Achsen in einem Konvergenzpunkt auf der Symmetrieachse der Antenne in der Nähe des Durchstosspunktes der kreis-symmetrischen Subreflektorkontur treffen. An den Hornstrahlern kann ebenfalls eine dielektrische Mehrkegel-Struktur derart angeordnet sein, dass jede Spitze der Mehrkegel-Struktur in den Innenraum eines Hornstrahlers eingefügt ist.
Geometrisch wird die Form dieser Mehrkegel-Struktur durch eine Anzahl sich zunehmend durchdringenden Kegeln erzeugt, deren Achsen sich gemeinsam im Konvergenzpunkt Z' auf der Antennensymmetrieachse treffen und deren Kegelspitzen ein Vieleck bilden, wobei sie nicht unbedingt in einer gemeinsamen Ebene liegen müssen. Die Mantelflächen der Kegel hüllen eine Kugel mit Radius r' ein, deren Zentrum im Konvergenzpunkt Z' liegt.
Eine solche dielektrische Mehrkegel-Struktur an sich kann aus einer entsprechenden Anzahl n von Teilkegeln aus einem Schaumstoff auf Kunststoffbasis oder Keramik hergestellt werden, welche zusammen verbunden sind. Dabei kann jeder Teilkegel zunächst als ein vollständiger Kegel beispielsweise spanabhebend oder durch Schleifen gedreht und sodann in zwei in einem Winkel Ψi zueinander liegenden Ebenen geschnitten werden, wobei ΣΨi = 21^r ist. Die Drehachse des Kegels befindet sich in der winkelhalbierenden Ebene der beiden Schnittebenen, wobei die Kegelspitze den Abstand d' sin fi von den Schnittebenen aufweist, wenn d' der Abstand der Kegelspitze zur Antennenachse ist.
Solche Mehrkegel-Strukturen mit zwei oder mehr Kegelspitzen können gegebenenfalls auch in einem Stück aus einem isotropen Material mit Hilfe einer Kopierfräsmaschine oder im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Vierkegel-Struktur mit vier kurzen geraden Kreiskegeln Kl, K2, K3, K4, deren kreisförmige Basen auf eine Stirnfläche SF1 eines Kegelstumpfes C1 im Kreis angeordnet und verklebt sind, so dass die Hornstrahler nicht gekröpft sein müssen. Anstelle des Kegelstumpfes C1 kann auch ein Zylinder vorgesehen sein.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Vierkegel-Struktur mit vier kurzen schiefen Kreiskegeln G1, G2, G3, G4, deren elliptische Basen auf eine Stirnfläche SF2 eines Kegelstumpfes C2 oder eines Zylinders im Kreis angeordnet und verklebt sind, wobei die Hornstrahler gekröpft sind. Der Kegel C2 weist vier in axialer Richtung verlaufende Aussparungen auf.
Fig. 5 zeigt eine vereinfachte Vierkegel-Struktur mit vier kurzen schiefen elliptischen Kegeln J1, J2, J3, J4, deren elliptische Basen auf eine Stirnfläche SF3 eines Kegelstumpfes C3 oder eines Zylinders im Kreis angeordnet und verklebt sind.
In den Fig. 1 bis 5 können die Kegelspitzen abgestumpft und die Grundfläche gewölbt sein, wie dies in Fig. 3 oder Fig. 4 angedeutet ist.
Die erfindungsgemässe Vierkegel-Struktur hat den Vorteil, dass sie bei gleichphasiger Erregung der Hornstrahler F1, F2, F3, F4 eine zu den Achsen gl und g2 in Fig. 3 symmetrische Strahlungscharakteristik aufweist.
Bei einer mehrhorngespeisten Reflektor-Satellitenantenne kann zur Erhöhung des Antennen-Wirkungsgrades eine erfindungsgemässe Mehrkegel-Struktur angewendet werden.

Claims

1. Cassegrain-Antenne, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Hornstrahlern (F1, F2, F3, F4) und dem Subreflektor (S) der Antenne eine mehrere Teilkegel aufweisende dielektrische Mehrkegel-Struktur angeordnet ist, wobei je eine Spitze der Mehrkegel-Struktur in den Innenraum eines Hornstrahlers hineinragt und die Grundfläche der Mehrkegel-Struktur (D) dem Subreflektor (S) gegenüberliegt.

2. Cassegrain-Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form der Mehrkegel-Struktur durch sich zunehmend durchdringende Kegel erzeugt wird, deren Achsen sich in einem Konvergenzpunkt (Z) auf der Antennensymmetrieachse treffen und deren Mantelflächen zumindest angenähert eine Kugel mit Zentrum im Konvergenzpunkt (Z) einhüllen, und dass die Hornstrahler (F1, F2, F3, F4) derart gekröpft sind, dass sich ihre Achsen wenigstens angenähert im Konvergenzpunkt (Z) auf der Antennensymmetrieachse in der Nähe des Durchstosspunktes (Y) der Subreflektorkontur treffen.

3. Cassegrain-Antenne nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Mehrkegel-Struktur (Fig. 2) aus einem dielektrischen Werkstoff besteht, dass jeder Teilkegel zwei in einem Winkel ϕi mit Σϕi = 21f zueinander liegende Flachseiten aufweist, wobei die Symmetrieachse der Teilkegel sich im Bereich der winkelhalbierenden Ebene der beiden Flachseiten befindet.

4. Cassegrain-Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basen der Teilkegel auf einer Stirnfläche eines dielektrischen Kegelstumpfes oder Zylinders liegen (Fig. 3-5).