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Dokumentenidentifikation DE3214949C2 25.04.1991
Titel Mehrfachreflektorantenne
Anmelder Kokusai Denshin Denwa K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Watanabe, Fumio;
Mizuguchi, Yoshihiko, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Eitle, W., Dipl.-Ing.; Hoffmann, K., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat.; Lehn, W., Dipl.-Ing.; Füchsle, K., Dipl.-Ing.; Hansen, B., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 22.04.1982
DE-Aktenzeichen 3214949
Offenlegungstag 11.11.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 25.04.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.04.1991
IPC-Hauptklasse H01Q 19/18
IPC-Nebenklasse H01Q 25/04   H01Q 3/18   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachreflektorantenne mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Eine Mehrfachantenne dieser Art ist bekannt aus der JP-OS 52-73 655. Sie ist darauf ausgerichtet, die sphärische Aberration der Antenne zu beseitigen.

Ferner ist eine aberrationsfreie Ringreflektorantenne mit einem Subreflektor aus DE 25 23 800 A1 bekannt.

Eine herkömmliche Antenne weist einen Hauptreflektor 1, einen Subreflektor 2, einen Speisungsdipol (Antennenhorn) als Primärstrahler 3 gemäß Darstellung der Fig. 1 auf. Sie ist in voneinander abgesetzter Form konstruiert, um den Abfall des Antennengewinns aufgrund von in der Bahn der elektrischen Wellen vorhandenen Hindernissen zu verringern und die Zahl und Größe der Seitenkeulen herabzudrücken.

Legt man ein rechtwinkliges Koordinatensystem mit seinem Ursprung O in eine Öffnungsebene 7 der Antenne, so ist die Oberfläche des Hauptreflektors 1 als Teil der Fläche definiert, die durch Rotation der Querschnittskurve 4 um die y-Achse entsteht oder die y&min;-Achse 5, die um einen bestimmten Winkel zur y-z-Ebene geneigt ist. Die Antenne, deren Schnittlinie 4 eine Parabelkurve ist, wird üblicherweise als Torusantenne bezeichnet, während eine solche Antenne, deren Schnittlinie ein Kreisstück mit dem Mittelpunkt im Punkt C auf der y&min;-Achse ist, eine sphärische Reflektorantenne genannt wird.

Um einen Verlust an Antennengewinn aufgrund sphärischer Aberration des Hauptreflektors 1 zu vermeiden, ist ein Subreflektor 2 vorgesehen, dessen gekrümmte Oberfläche so bestimmt ist, daß sie folgenden zwei Bedingungen genügt:

  • (1) Die Länge der Wellenbahn 8 vom Punkt 9 in der Antennenöffnungsebene 7 durch den Punkt 10 auf dem Hauptreflektor 1 und dem Punkt 11 auf dem Subreflektor 2 zum Brennpunkt 6, der das Phasenzentrum des Speisungshorns 3 ist, muß für alle Wellenbahnen gleich sein.
  • (2) Am Punkt 10 auf dem Hauptreflektor und am Punkt 11 auf dem Subreflektor muß die Wellenbahn 8 dem Lichtreflexionsgesetz gerecht werden.


Das Arbeitsprinzip einer derartigen herkömmlichen Antenne wird bei ihrer Verwendung als Empfangsantenne nun erläutert. Die elektrische Welle, die am Punkt 9 in die Öffnungsebene 7 eintritt, folgt der Wellenbahn 8, der mit strichpunktierter Linie dargestellt ist, wird dann am Punkt 10 des Hauptreflektors 1 reflektiert und auf den Punkt 11 auf dem Subreflektor 2 gerichtet. Da dieser Hauptreflektor eine sphärische Aberration aufweist, wird die am Hauptreflektor 1 reflektierte elektrische Welle nicht in einen Punkt fokussiert. Um die sphärische Aberration zu beseitigen, ist der Subreflektor 2 angeordnet, der die am Hauptreflektor 1 reflektierte Welle auf das Phasenzentrum (Brennpunkt) 6 des Speisungshorns 3 fokussiert.

Bei einer Torusantenne, deren Hauptreflektor 1 rotationssymmetrisch zur y&min;-Achse 5 ist, können Subreflektor 2 und Speisungshorn 3 um die y&min;-Achse 5 rotieren oder gedreht werden, wobei ihre relative Stellung konstant bleibt, so daß eine Strahlabtastung durchgeführt werden kann, die frei von sphärischer Aberration ist. Bei einer sphärischen Hauptreflektoroberfläche 1 mit Zentrum im Punkt C kann der Strahl durch eine Drehung des Subreflektors 2 und des Speisungshorns 3 um eine beliebige Achse, die durch den Punkt C und durch die y&min;-Achse geht, abgetastet oder gerichtet werden.

Faktoren wie Öffnungswirkungsgrad der Reflektorantenne, Gestalt des abgestrahlten Hauptstrahls, Nebenkeulencharakteristik der nahen Achse, Querpolarisationsisolation, Verfolgungs- oder Aufsucheigenschaft im Nachlaufsystem höherer Art usw. sind hauptsächlich durch die Verteilung des elektromagnetischen Feldes über die Antennenöffnungsebene bestimmt.

Bei einer herkömmlichen Antenne gemäß Fig. 1 mit einem Speisungshorn 3, dessen Abstrahlungsmuster Äquipotentiallinien von konzentrischen Kreisen gemäß Fig. 2(a) hat, ist die Verteilung des am Subreflektor 2 und am Hauptreflektor 1 reflektierten elektromagnetischen Feldes zwangsläufig in der Antennenöffnungsebene 7 verzerrt, wie in Fig. 2(b) dargestellt. Eine solche Verteilungsverzerrung in der Antennenöffnungsebene verschlechtert die Querpolarisationscharakteristik und die Nachlaufcharakteristik (tracking characteristic) in einem Nachlaufsystem höherer Art. Diese Verteilungsverzerrung gemäß Fig. 2(b) kann in eine Verzerrung der Form von Äquipotentiallinien (Kreise) der Fig. 2(a) und eine Verzerrung im Verhältnis der Radien konzentrischer Kreise oder in der Amplitude der Verteilung klassifiziert werden. Die erstere (Verzerrung in der Form der Äquipotentiallinien) verschlechtert die Querpolarisationscharakteristik und die Nachlaufcharakteristik in einem Nachlaufsystem höherer Art. Mit Korrektur der Spiegelfläche der gewöhnlichen Cassegrain-Antenne für hohen Wirkungsgrad oder Unterdrückung von Nebenkeulen wird ein bestimmtes Maß der zweiten Verzerrung (Amplitudenverzerrung) absichtlich erzeugt, um eine gewünschte Öffnungsfeldverteilung zu erhalten. Die herkömmliche Antenne nach Fig. 1 hat jedoch den Mangel, daß die erstgenannte Verzerrung nicht minimiert werden kann und daß auch Verzerrungen der zweiten Art nicht minimiert werden können.

Bei einem weiteren Beispiel herkömmlicher Antennen gemäß JP-OS 52 73 655 ist zusätzlich zu einem sphärischen Hauptreflektor und einem Subreflektor mit nicht-quadratisch gekrümmter Oberfläche ein Hilfsreflektor vorgesehen, so daß die Strahlabtastung oder -schwenkung bei feststehendem Speisungshorn erfolgen kann. Dieser Hilfsreflektor hat eine gekrümmte Oberfläche, bestehend aus Kurven zweiten Grades, die um eine Achse gedreht sind, welche durch das Zentrum einer Kugel verläuft und parallel zur z-Achse der Fig. 1 liegt. Die Verteilung des elektromagnetischen Feldes über die Öffnungsebene dieser Antenne ist ebenfalls verzerrt, wie es in der Fig. 2(b) gezeigt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aberrationsfreie Mehrfachreflektorantenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung zu schaffen, bei der zusätzlich auch die Verzerrung der elektrischen Feldverteilung in der Aperturebene der Antenne möglichst gering ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden näher beschrieben und anhand von Fig. 3 bis 8 der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 das Schema des Aufbaus einer herkömmlichen Torus- oder sphärischen Antenne;

Fig. 2 Erläuterungsdiagramme der Feldverteilung in der Antennenöffnung bei den herkömmlichen Antennen;

Fig. 3 das Schemabild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenne für die Erläuterung des Prinzips zur Realisierung der gewünschten Feldverteilung in der Antennenöffnung;

Fig. 4 die Gestalt einer ersten Ausführungsform der Antenne gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer nach den Grundsätzen der Erfindung bemessenen Antenne;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Feldverteilung in der Antennenöffnung bei dem Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne; und

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Antennengerätes mit gemäß der Erfindung hergestellter Antenne.

Zunächst wird das Prinzip der Erfindung erläutert. Dieses ist in der Fig. 3 dargestellt, in der mit 20 ein Subreflektor, mit 21 ein Hilfsreflektor, mit 22 ein angenommener Schirm, mit 25 die Strahlungsfeldverteilung des Speisungshorns als Schemadiagramm auf dem angenommenen Schirm 22 und mit 26, 27, 28 und 29 die Verteilung des elektromagnetischen Feldes auf Hilfsreflektor 21, Subreflektor 20, Hauptreflektor 1 bzw. Öffnungsebene 7 bezeichnet sind. Die Feldverteilung vom Speisungshorn 3 wird auf jeder Reflektoroberfläche und Öffnungsfläche im Verlauf des Wellenfortschritts modifiziert. Es ist Prinzip der Erfindung, daß die Feldverteilung bewußt durch zwei Reflektoren 21 und 20 deformiert wird, damit die am Hauptreflektor 1 hervorgerufene Verzerrung in der Feldverteilung in der Aperturebene aufgehoben wird.

Als nächstes wird anhand der Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Subreflektor 20 und Hilfsreflektor 21 besitzen Oberflächen, die nach nicht quadratischen Kurven gekrümmt sind und dem obengenannten Prinzip gerecht werden. Einzelheiten der Bemessung oder Auslegung werden anschließend erläutert. Der Hauptreflektor 1, der Subreflektor 20 und der Hilfsreflektor 21 haben nachfolgend aufgeführten Bedingungen (1) bis (5) zu genügen. Im übrigen sind die in der Fig. 4 verwendeten Bezugszeichen mit denen in der Fig. 1 gleich.

Beim Senden oder bei der Übertragung durch die Antenne von dieser Gestaltung nimmt eine vom Speisungshorn 3 abgestrahlte elektrische Welle den Weg der Wellenbahn 14, die mit strichpunktierter Linie eingezeichnet ist, und wird an den Punkten 13 auf dem Hilfsreflektor 21, 12 auf dem Subreflektor 20 und 10 auf dem Hauptreflektor 1 reflektiert, so daß sie den Punkt 9 in der Öffnungsebene 7 erreicht.

Beim Empfang nimmt die elektrische Welle den Weg in umgekehrter Richtung. Sie tritt am Punkt 9 in der Öffnungsebene 7 ein, wird an den Punkten 10 des Hauptreflektors 1, 12 des Subreflektors 20 und 13 des Hilfsreflektors 21 reflektiert und schließlich in den Brennpunkt 6 fokussiert.

Bei der erfindungsgemäßen Antenne hat jede Wellenbahn vom Brennpunkt 6 zu jedem Punkt der Öffnungsebene 7 die gleiche Länge, und an jedem Reflexionspunkt der Reflektoren gilt das Reflexionsgesetz, so daß keine Aberration auftritt. Da darüber hinaus die Antenne dieses Ausführungsbeispiels so konstruiert ist, daß sie obigem Prinzip folgt, ist erreicht, daß auch die Verzerrung in der Form der Feldverteilung in der Antennenöffnung äußerst gering ist.

Die Bemessungsregeln für den Subreflektor und den Hilfsreflektor in dem Ausführungsbeispiel werden nachfolgend anhand der Fig. 3 und 4 im einzelnen erläutert. Folgende Bedingungen müssen erfüllt sein:

  • (1) Die Hauptreflektorfläche wird mit der Querschnittskurve 4 als Erzeugende gewonnen, die um die y&min;-Achse 5 rotiert.
  • (2) Die Gesamtlänge der Wellenbahn 14 vom Phasenmittelpunkt 6 des Speisungshorns 3 über die Punkte 13 auf dem Hilfsreflektor 21, 12 auf dem Subreflektor 20 und 10 auf dem Hauptreflektor 1 zum Punkt 9 in der Öffnungsebene 7 muß für alle Wellenbahnen gleich sein.
  • (3) Die die zwei Punkte 9 und 10 verbindende Gerade der Wellenbahn muß zur z-Achse parallel verlaufen.
  • (4) In den jeweiligen Punkten 13, 12 und 10 auf den Oberflächen der Reflektoren muß das optische Reflexionsgesetz erfüllt sein.
  • (5) Bei einer bestimmten Strahlungsfeldverteilung des Speisungshorns 3 und gewünschter Feldverteilung in der Antennenöffnung muß die Feldverteilung 29 über die Antennenöffnung 7 vollständig mit der angestrebten Verteilung auf der y-Achse übereinstimmen, wobei sie sich dann auch gut in den übrigen Bereichen annähert.


Eine Form der Reflektoroberfläche, die diese Bedingungen erfüllt, kann durch Lösen einer Differentialgleichung und eines Optimierungsproblems bestimmt werden. Die Bedingungen (1) bis (4) werden unter Bezugnahme auf Formeln erläutert. Vektoren, die durch Pfeile gekennzeichnet sind, die vom Ursprung O zum Phasenzentrum 6 des Speisungshorns 3, zum Punkt 13 auf dem Hilfsreflektor 21, zum Punkt 12 auf dem Subreflektor 20 bzw. zum Punkt 10 auf dem Hauptreflektor 1 verlaufen, sind durch , Vektor , Vektor und Vektor gekennzeichnet. In der folgenden Erläuterung stellt die Kennzeichnung → einen Vektor dar.

Nach Bedingung (1) ist die Oberfläche des Hauptreflektors 1 der Teil einer Drehfläche, gewonnnen durch die Rotation der Erzeugenden um die y&min;-Achse. Der Vektor ist deshalb allgemein durch folgende Gleichung (1) dargestellt, wenn die Schnittkurve 4 die Bezeichnung

z&min; = g(y&min;)

in den y&min;-z&min;-Koordinaten hat.



Darin sind t und η Parameter, mit denen eine gekrümmte Fläche ausgedrückt wird, während α den Winkel zwischen den beiden Achsen y und y&min; bezeichnet.

Das Einheitsnormal M des Hauptreflektors 1 ist durch Gleichung (2) bestimmt



Wenn die Oberfläche des Hauptreflektors 1 eine Kugelfläche mit dem Radius Ro den Mittelpunkt C (y&min;=tc, z&min;=O) auf der y&min;-Achse ist, ist die Funktion g(t) durch folgende Gleichung vorgegeben:



Die Krümmungsfläche des Hilfsreflektors 21 kann durch folgende Gleichung bestimmt werden, wobei Polarkoordinaten mit Ursprung im Punkt 6 der Fig. 4 verwendet werden, weil eine allgemeinere Reflektoroberfläche als üblich bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird:

r = f(R,φ) (4)

Die Funktion f(R,φ) ist durch die Gleichungen (4) und (5) bestimmt, die anschließend noch erläutert werden. Der Vektor , der die Gerade zwischen Ursprung O und Punkt 13 auf dem Hilfsreflektor 21 darstellt und das Einheitsnormal Vektor B des Hilfsreflektors 21 sind durch die folgenden Gleichungen (5) und (6) bestimmt:



Hierin ist β der Winkel zwischen der Scheitelachse der Polarkoordinaten mit ihrem Ursprung im Punkt 6 und der z-Achse.

Da die vom Punkt 9 in der Öffnungsebene 7 des Hauptreflektors 1 ausgehende Wellenbahn parallel zur z-Achse verläuft [Bedingung (3)] ist der Einheitsvektor M, der vom Punkt 10 auf dem Hauptreflektor zum Punkt 12 auf dem Subreflektor 20 gerichtet ist, durch die Gleichung (7) gegeben, weil das Reflexionsgesetz im Punkt 10 anzuwenden ist [Bedingung (4)]:

M = + 2 ( M · ) M (7)

Hierin ist der Einheitsvektor in z-Richtung.

Ähnliches gilt für den Einheitsvektor Vektor B, der vom Punkt 13 auf dem Hilfsreflektor 21 zum Punkt 12 gerichtet ist und nach folgender Gleichung (8) bestimmt wird:

B = B - 2 ( B · B) B (8)

mit Vektor



Außerdem ist der Vektor , der die Gerade vom Ursprung O zum Punkt 12 auf dem Subreflektor 20 darstellt, durch Gleichung (9) gegeben, wobei λM die Länge der Wellenbahn zwischen Punkt 10 auf dem Hauptreflektor 1 und Punkt 12 auf dem Subreflektor 20 und λB die Länge der Wellenbahn zwischen Punkt 13 auf dem Hilfsreflektor 21 und dem Punkt 12 sind.

= + λMM= + λBB (9)

Wenn die Länge der Wellenbahn zwischen Punkt 9 auf der Öffnungsebene 7 und Punkt 10 auf dem Hauptreflektor 1 λA ist, führt die Bedingung (2), daß die Gesamtlänge der Wellenbahnen 14 untereinander gleich auf lo zu halten ist, zu folgender Gleichung (10):

lo = λA + λM + λB + r (10)

Mit vorgegebenem Hauptreflektor 1 und Hilfsreflektor 21 oder gegebenen Funktionen g(t) und f(R,φ) erhält man Vektor durch Lösen der Gleichungen (9) und (10), wodurch die Oberfläche des Subreflektors 20 bestimmt wird. Die Gleichungen (9) und (10) stellen ein Gleichungssystem mit vier Variablen t, η, λM und λB plus den unabhängigen Variablen R und φ dar oder Gleichungen, die vier Variable R,φ,λM und λB plus den unabhängigen Variablen t und η enthalten.

Als nächstes soll eine Erläuterung gegeben werden, wie die gekrümmte Fläche f(R,φ) des Hilfsreflektors 21 unter der Bedingung (5) bestimmt werden kann. Die Funktion f(R,φ) wird in folgenden zwei Operationsschritten bestimmt;

  • (a) um vollständige Übereinstimmung der Feldverteilung der Antennenöffnung mit einer gewünschten Verteilung in bezug auf die y-Achse der Antennenöffnungsebene 7 zu bekommen, werden die Kurven in der y-z-Schnittebene, d. h.



    unter Verwendung gewöhnlicher Differentialgleichungen bestimmt. Da die Schnittebenenkurve 4 des Hauptreflektors 1, g(t), wie oben beschrieben, eine Parabel oder ein Kreis ist, kann



    auf dieselbe Weise erhalten werden, wie bei der Oberflächenkorrekturtechnik der gewöhnlichen Cassegrain-Antenne vorgegangen wird, wenn eine gewünschte Feldöffnungsverteilung und ein Strahlungsmuster des Speisungshorns vorgegeben sind.
  • (b) Die gekrümmte Oberfläche des nicht im y-z-Schnitt liegenden anderen Teils des Hilfsreflektors kann nach folgendem Verfahren bestimmt werden.


Unter Verwendung von



aus dem Schritt (a) läßt sich f(R,φ) folgendermaßen ausdrücken:

f(R,φ) = fo(R,φ) + fc(R,φ) (11)

worin



Gleichung (13) gibt die Partialsumme der Taylor-Erweiterung bezüglich Polar-Koordinaten, in der anm einen Koeffizienten des n-ten und m-ten Terms darstellt.

f(R,φ) kann auch durch irgendeine andere endliche Funktionenreihe ausgedrückt werden, die gleich ist



die durch den Schritt (a) erhalten wird und eine endliche Zahl von Koeffizienten enthält. Der Wert des Koeffizienten anm

mit n = 1, . . . N und m = 0, 1, . . . M

wird so angenommen, daß die Feldverteilung der Öffnungsebene die stärkste Annäherung an die gewünschte erhält. In der Praxis kann anm durch Anwendung des Optimierungsvorganges bestimmt werden. Als objektive Funktion ε, die eine Funktion der zu minimierenden Koeffizienten anm ist, können wir beispielsweise die folgende Gleichung (14) verwenden.

ε = ∫ ∫ (E(ρa,φa) - Ed(ρa,φa))²ρadρadφa (14)

Darin bedeutet Ed(ρa,φa) eine gewünschte Öffnungsfeldverteilung, während E(ρa,φa) die tatsächliche Feldverteilung des Reflektorsystems darstellt. E(ρa,φa) in obiger Gleichung wird folgendermaßen unter Verwendung des Strahlungsmuster Ep(R,φ) des Strahlungshorns 3 ausgedrückt:



Rm ist die Hälfte des Winkels, unter dem der Hilfsreflektor 21 vom Phasenzentrum 6 des Speisungshorns gesehen wird.

Wie bereits erwähnt, kann die Beziehung zwischen (R,φ) und (ρa,φa) durch Lösen der Simultangleichungen (9) und (10) erhalten werden, so daß dann E(ρa,φa) durch die Gleichung (15) berechnet werden kann.

Die objektive Funktion für das Optimierungsproblem ist nicht auf die Gleichung (14) beschränkt, sondern es kann auch die folgende Gleichung (16) verwendet werden.



Hierin ist (Xm, Ym) ein Koordinatenpunkt 9, an dem die Wellenbahn 14 (auf der die Welle vom Brennpunkt 6 unter den Winkeln R und φ verläuft) die Öffnungsebene 7 durchstößt, und (Xmo, Ymo) ist der gewünschte Koordinatenpunkt, der durch die Beziehung zwischen Ep(R,φ) und Ed(ρa,φa) bestimmt wird.

Wenn die Öffnungsfeldverteilung vollständig mit der angestrebten Verteilung übereinstimmt, wird die objektive Funktion der Gleichungen (14) oder (16) zu Null.

Eine Ausführungsform der Antenne, die gemäß der Bemessungs- und Gestaltungsmethode der Flächen von Sub- und Hilfsreflektor ausgelegt ist, wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 und den Tabellen 1 und 2 beschrieben.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt in der y-z-Ebene einer Antenne, in der der Hauptreflektor 1 eine kugelförmige Oberfläche hat, wobei der Mittelpunkt im Punkt C liegt. Punkte auf der zentralen Wellenbahn 15 wie der Punkt 32 auf dem Hilfsreflektor 21, der Punkt 31 auf dem Subreflektor 20 und der Punkt 30 auf dem Hauptreflektor 1 haben die nachstehend aufgeführten Koordinaten.

Punkt 30 (0, 0, -1)

Punkt 31 (0, -0.2634, -0.5046)

Punkt 32 (0, -0.2843, -0.6228)

Punkt 6 (0, -0.3357, -0.5615)

Die Werte von βO, β&sub1; und β&sub2; sind 28°, 10° bzw. 140°. Außerdem sind die Parameter R und ρa so angenommen, daß die Beziehung



erfüllt ist. Die gewünschte Öffnungsfeldverteilung Ed(ρa,φa) ist dann durch folgende Gleichung (17) gegeben:



ρm steht für einen Antennenöffnungsradius, und der Wert kann 0,23 sein. Der Wert von Rm kann 10° sein.

Die Kurven



in der y-z-Ebene des Hilfsreflektors 21, die nach dem Bemessungsverfahren (a) unter dieser Bedingung bestimmt sind, sind in der nachstehend aufgeführten Tabelle 1 wiedergegeben. In der Tabelle 1 sind yb und zb die Koordinatenwerte des Schnittes des Hilfsreflektors 21, die mit Gleichung (5) berechnet wurden, ys und zs die Koordinatenwerte des Schnittes des Subreflektors 20, berechnet mit den Gleichungen (9) und (10), in die die Werte yb und zb eingesetzt sind.

Die gekrümmte Oberfläche des Hilfsreflektors 21, die nach der Methode gestaltet ist, die im Bemessungsverfahren (b) erläutert wurde, wird durch die Gleichungen (11), (12) und (13) dargestellt.

Tabelle 1


Die Werte des Expansionskoeffizienten anm der Gleichung (13) sind mit N=2 und M=3 in der anschließenden Tabelle 2 aufgelistet.

Tabelle 2 a&sub1;&sub0; 0.01734 a&sub1;&sub1; -0.02967 a&sub1;&sub2; 0.08213 a&sub2;&sub0; 0.06052 a&sub2;&sub1; -0.05824 a&sub2;&sub2; -0.05455


Die Antenne dieses obenbeschriebenen Ausführungsbeispiels ist mit einer Kombination von speziellen Reflektoroberflächen konstruiert, durch die die vom Hauptreflektor eingeführte Aberration und Verzerrung mittels Subreflektor und Hilfsreflektor eliminiert werden. Die Feldverteilung in der Öffnungsebene 7 dieser Antenne hat deshalb praktisch die Form konzentrischer Kreise, wie in Fig. 6 dargestellt, sofern das Strahlungsmuster des Speisungshorns 3 durch Äquipotentiallinien von konzentrischen Kreisen darzustellen ist, wie in Fig. 2(a) gezeigt. Es wird bei dem Vergleich der Fig. 2(b) und 6 deutlich, daß die Antenne dieser Ausführungsform der Erfindung, verglichen mit herkömmlichen Antennen dieser Art, wesentlich verminderte Verzerrung aufweist. Die Minimierung der Verteilungsverzerrung führt also zu einer Verbesserung der Querpolarisationscharakteristik und der Nachlaufcharakteristik in Nachlaufsystemen höherer Art.

Da der Hauptreflektor bei dieser Ausführungsform eine Kugeloberfläche besitzt, können das Speisungshorn 3 und die beiden Reflektoren 20 und 21 um den Mittelpunkt C der Kugel geschwenkt werden, während ihre gegenseitigen Positionen unverändert bleiben. Es ist deshalb nicht nötig, den Hauptreflektor 1 zu bewegen, wenn der Antennenstrahl eine Schwenkbewegung ausführen soll.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Mehrfachreflektorantenne der Erfindung in einer Verwendung als Mehrfachstrahlantenne. Da der Hauptreflektor 1 eine Oberfläche besitzt, deren Form durch Rotation einer Kurve um die y&min;-Achse 5 erhalten worden ist, bringen mehrere Sätze von Speisungshörnern 3&min; mit zwei Reflektoren 20&min; und 21&min;, die um die Rotationsachse y&min; angeordnet sind, eine Mehrzahl von Antennenstrahlen hervor. Darüber hinaus kann jeder Antennenstrahl individuell schwenken. Bei diesem Ausführungsbeispiel läßt sich die gewünschte Öffnungsfeldverteilung jedes einzelnen Antennenstrahls unterschiedlich gestalten, womit eine Mehrfachstrahlantenne gebaut werden kann, deren verschiedene Antennenstrahlen unterschiedliche Form haben.

Fig. 8 zeigt eine Gestaltung einer Antenne, deren Hauptreflektor eine Kugeloberfläche besitzt. Der Speisungsteil mit Speisungshorn 4, Hilfsreflektor 21 und Subreflektor 20 ist auf einem beweglichen Teil 40 untergebracht, wobei der Subreflektor 20 auf einem bewegbaren Support 41 gehaltert ist und der ganze bewegliche Teil 40 auf Schienen 43 fahrbar ist, die auf einem Tragboden 42 angeordnet sind. Der bewegliche Teil 40 kann dadurch den ganzen Speisungsteil um den Kugelmittelpunkt des kugelförmigen Reflektors verschwenken, wobei die Verschwenkung in einer zum Tragboden 42 parallelen Ebene geschieht und ein weiterer Mechanismus eine Verschwenkung in einer Ebene senkrecht dazu ausführt. Um den gesamten Speisungsteil in der zum Tragboden 42 parallelen Ebene zu verschwenken, dienen die Schienen 43 als Führung. Die Stellung des Subreflektors 20 wird geringfügig am bewegbaren Support 41 eingestellt. Wenngleich diese Art der Einstellung zu einer leichten Verzerrung der Antennencharakteristik führt, indem eine Aberration in Kauf genommen wird, ist sie ihrer Einfachheit wegen für einige Anwendungsfälle günstig. In der Zeichnung ist der Tragboden 42 horizontal angeordnet, doch kann er auch unter einem beliebigen Winkel stehen.

Die beschriebene Vielfachreflektorantenne nach der Erfindung hat einen Aufbau, durch den Aberration und Verzerrung, die durch den Hauptreflektor eingeführt werden, mittels Subreflektor und Hilfsreflektor eliminiert werden, so daß die in der Antennenöffnungsfläche auftretende Verteilung des elektromagnetischen Feldes eine sehr gute Form hat. Folglich hat die Feldverteilung in der Öffnungsfläche eine äußerst geringe Verzerrung, so daß aufgrund dieses Vorteils die Antenne eine bessere Querpolarisationscharakteristik und Nachlaufcharakteristik in Nachlaufsystemen höherer Art hat als herkömmliche Antennen für diesen Zweck. Da die Amplitudenverteilung in der Öffnungsfläche in vollständige Übereinstimmung mit einer gewünschten Verteilung in einem Querschnitt kommen kann, kann eine Antenne mit geringem Nebenkeulenpegel und hohem Antennengewinn erhalten werden. Da die erfindungsgemäße Antenne außerdem einen abgesetzten oder gekröpften Aufbau hat, besitzt sie ausgezeichnete Antennengewinn- und Nebenkeuleneigenschaften.

Wegen obiger Eigenschaften kann die Antenne einem Satelliten nachgeführt werden, ohne daß der großflächige Hauptreflektor bewegt werden muß, so daß dieser gegen starke Windkräfte sehr stabil aufgestellt werden kann, wenn die Antenne als Erdstation für Satelliten-Kommunikations-Systeme verwendet wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Mehrfachreflektorantenne, umfassend
    1. (a) einen Hauptreflektor, dessen Oberfläche durch einen Teil einer um eine Rotationsachse rotationssymmetrischen Fläche, insbesondere einer sphärischen Fläche mit ihrem Zentrum auf der Rotationsachse gebildet ist,
    2. (b) einen Subreflektor mit nicht-quadratisch gekrümmter Oberfläche,
    3. (c) wenigstens einen Hilfsreflektor und
    4. (d) eine Erregeranordnung,
    5. (e) wobei die Rotationsachse zur Aperturebene der Antenne parallel ist, vorzugsweise in der Aperturebene liegt, oder geringfügig zu ihr geneigt ist,
  2. dadurch gekennzeichnet, daß
    1. (f) der Subreflektor (20) und der Hilfsreflektor (21) nicht-quadratisch gekrümmte Oberflächen aufweisen derart, daß in einem Koordinatensystem, dessen Ursprung (O) in der Aperturebene (7) liegt, ein Vektor , der eine Bahn vom Ursprung (O) zu einem Punkt auf dem Hilfsreflektor (21) darstellt, sowie ein Vektor , der eine Bahn vom Ursprung (O) zu einem Punkt auf dem Subreflektor (20) darstellt, durch die folgenden beiden Gleichungen (1) und (2)



      bestimmt sind,
    2. (g) wobei in den Gleichungen (1) und (2) die Funktion f(R,φ) durch die Lösung des Extremwertproblems einer von dieser Funktion f(R,φ) abhängigen Funktion F(f) bestimmt ist und wobei die Funktion F(f) die Differenz darstellt zwischen einer bekannten, in Abhängigkeit von der jeweiligen Verwendung und der jeweiligen Ausführung gewählten Idealfunktion und der tatsächlichen Funktion der Feldverteilung in der Aperturebene der Antenne, und
    3. (h) wobei in den Gleichungen (1) und (2) folgende Beziehungen gelten:



      worin bedeuten:

      Vektor einer Bahn vom Ursprung (O) zum Brennpunkt (6) des Erregerhorns (3) der Erregeranordnung,

      R=Zenitwinkel in einem Polarkoordinatensystem, dessen Ursprung im Brennpunkt (6) des Erregerhorns (3) liegt und bei dem die Zenitrichtung auf das Zentrum des Hilfsreflektors (21) weist,

      φ=Azimutwinkel in diesem Polarkoordinatensystem,

      β=Winkel zwischen der Zenitachse der Polarkoordinaten und der Wellenbahn vom Hauptreflektor (1) zur Aperturebene (7),

      lo=Länge der Wellenbahn vom Brennpunkt (6) über den Hilfsreflektor (21) den Subreflektor (20) und den Hauptreflektor (1) zur Aperturebene (7) der Antenne,

      λM=Wellenbahn vom Subreflektor (20) zum Hauptreflektor (1),

      λA=Wellenbahn vom Hauptreflektor (1) zur Aperturebene (7).
  3. 2. Mehrfachreflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sätze aus jeweils einem Subreflektor (20, 20&min;), Hilfsreflektor (21, 21&min;) und Erregerhorn (3, 3&min;) um die Rotationsachse (y&min;) angeordnet sind.
  4. 3. Mehrfachreflektorantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Subreflektor (20), Hilfsreflektor (21) und Erregerhorn (3) bestehende Gruppe in einem Gehäuse um die Rotationsachse (y&min;) angeordnet ist.






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