DE2058550C3

DE2058550C3 - Antenne mit einem sphärischen Hauptreflektor

Info

Publication number: DE2058550C3
Application number: DE2058550A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hoya Tokio Karikomi (Japan)
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1969-11-28
Filing date: 1970-11-28
Publication date: 1974-03-14
Also published as: FR2073432A1; JPS5028148B1; DE2058550A1; DE2058550B2; FR2073432B1; GB1302399A; US3680141A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Antenne mit einem sphärischen Hauptreflektor, einem die sphärische Aberration des Hauptreflektors korrigierenden drehbaren Fangreflektor, mit einem Zusatzreflekior, dessen Brennpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt des Hauptreflektors zusammenfällt und der im Sendefall die elektromagnetischen Wellen zum Fangreflektor reflektiert, sowie mit einem Primärstrahler.

Antennen dieser Art sind besonders für Ferntneldeverbindungen über sogenannte synchrone Raumsatelliten geeignet.

Diese Synchron-Satelliten bewegen sich nur über einen außerordentlich kleinen Winkel in bezug auf die Bodenstation, so daß die Strahlen, die auf den Satelliten gerichtet werden, nur über einen kleinen Winkel verschoben werden müssen.

Ea ist nun bereits bekannt (französische Patentschrift 1 569 747), eine Antenne mit sphärischem Hauptreflektor so auszubilden, daß der Primärstrahler festgehalten wird und das Überstreichen des Hauptreflektors allein durch Drehen eines Fangreflektors um die Mittelachse des Hauptreflektors. erfolgt. Bei dieser bekannten Ausführung werden jedoch der »Ausnützungsfaktor«, der das Verhältnis des Teils des Hauptreflektors, der von den elektro- 6c magnetischen Wellen überstrichen wird, zur gesamten reflektierenden Oberfläche angibt, und der Antennengewinn mit zunehmendem Drehwinke! des Fangreflektors schnell schlechter. Diese Gewinnverringerimg ließe sich zwar dadurch vermeiden, daß der Primärstrahler in Abhängigkeit von der Drehung des Fangreflektors so verstellt wird, daß in jeder Lage des Fangreflektors die von diesem zum Primärstrahler reflektierten Strahlen auf die Mitte des Primärstrahlers trefTun. Es ist jedoch nicht vorteilhaft, den Primärstrahler zu bewegen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Antenne der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die geschilderte Gewinnminderung bei Drehung des Fangreflektors in einem gewissen Winkelbereich nicht auftritt, ohne daß hierzu der Primärstrahler bewegt werden müßte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zusatzreflektor ein Parabolreflektor ist und daß in den Strahlengang zwischen Primärstrahler und Zusatzreflektor ein ebener Reflektor eingefügt ist, der durch einen Mechanismus in Abhängigkeit von der Drehung des Fangreflektors bewegbar ist.

Durch diese Ausbildung der Antenne erhält man eine große »wirksame Öffnungsfläche«, wobei der volle Antennengewinn auch bei Strahlschwenkungen um Winkel, wie sie für Verbindung mit synchronen Nachrichtensatelliten üblich sind, erhalten bleibt.

Im folgenden werden beispielweise, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Antenne, bei der nur die wesentlichen Teile dargestellt sind;

Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Antenne nach Fig. T, wobei die relative Lage zwischen dem Reflektorsystem und der Richtung, in die die Strahlen reflektiert werden, angegeben ist;

Fig. 3 ist eine Draufsicht und zeigt die Anordnung des Primärstrahlers und des ebenen Reflektors, die in Fig. 2 gezeigt sind;

Fig. 4 ist eine Ansicht eines Mechanismus zum Drehen des Fangreflektors der Fig. 1 in einer vertikalen Ebene;

Fi g. 5 zeigt eine Ansicht eines Mechanismus zum Verschieben des ebenen Reflektors der Fig. 1 parallel zu seiner Ausgangsstellung;

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Steuerungssystems für die Strahlablenkung, das dafür sorgt, daß die Mechanismen der Fig. 4 und 5 elektrisch zweckentsprechender angetrieben werden;

Fig. 7 veranschaulicht die Anordnung einer bekannten Cassegrain-Antenne mit parabolischem Hauptreflektor, Fangreflektor und Primärstrahler;

F i g. 8 zeigt verschiedene Richtdiagramme der Antenne der Fig. 7 bei Schwenkung des Antennenstrahls in der horizontalen Ebene;

Fig. 9 und 10 sind schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Antenne und der bekannten Cassegrain-Antenne;

Fig. 11 ist ein Diagramm des Antennengewinns der Antenne der Fig. 9 und 10 für eine Frequenz von 4 GHz;

Fig. 12 ist ein Diagramm, das den Antennengewinn der Antennen der Fig. 9 und 10 für eine Frequenz von 18GHz zeigt;

Fig. 13 veranschaulicht die Anordnung der Reflektoren in einer Antenne bei einer anderen Aus führungsform der Erfindung.

Entsprechend Fig. 1 und 2 ist ein sphärische! Hauptreflektor 1 über eine Stütze 2 an einei Halterung 3 befestigt. Zwischen dem Krümmungs mittelpunkt 5 und der reflektierenden Oberfläche de Hauptreflektors 1 ist ein Fangreflektor 4 angeordnet der die sphärische Aberration ausgleicht. Eil Mechanismus 6 zum Antreiben des Fangreflektors < wird durch Stützen 7 gehalten, die an dem Haupt

reflektor ί befestigt sind, und dreht den Fangrellekior 4. In der Mitte des Hauptreflekiors 1 ist ein parabolischer Zusalzreflektor 8 vorgesehen, dessen Brennpunkt mit dem Krümmungsmiltelpunkt 5 des sphärischen Hauptreflektors 1 zusammenfällt. Ebene Reflektoren 9 und 10 sind so ausgebildet, daß sie sich parallel zu ihrer Ausgangsstellung bewegen können. Ein konischer Hornreflektor bildet den Primärstrahler 12. Dieser Primärstrahler 12 ist mit einer feststehenden Übertragungs- und Empfangsvorrichtung verbunden und strahlt ebene Wellen aus. Die relative horizontale Stellung des Primärstrahlers 12 und der ebenen Reflektoren 9 und 10 der F i g. 2 ist in Fi g. 3 dargestellt. In Fi g. 2 ist mit 14 die Mittellinie bezeichnet, die den Mittelpunkt der Reflexionsfläche des sphärischen Hauptreflektors 1 und dessen Krümmungsmittelpunkt 5 verbindet. Die Bezugsziffer 15 bezeichnet die axiale Mittellinie des parabolischen Zusatzreflektors 8, und mit 16 ist die axiale Mittellinie des Primärstrahlers 12 bezeichnet.

Bei der oben beschriebenen Antenr.· nimmt die axiale Mittellinie 17 (die in ausgezogener Linie dargestellt-ist) des Fangreflektors 4 eine Stellung ein, die um den Krümmungsmittelpunkt 5 in einer vertikalen Ebene (d. h. in einer Ebene parallel zu der Zeichenebene der Fig. 1) um einen Winkel (-) in bezug auf die zuerst erwähnte axiale Mittellinie 14 gedreht ist. Der Fangreflektor 4 ist so ausgebildet, daß er die sphärische Aberration des sphärischen Hauptreflektors 1, beispielsweise in bezug auf Strahlen, die in Richtung der axialen Mittellinie \ⁿ eintreffen, ausgleicht. Andererseits werden, wie durch ausgezogene Linien angegeben ist, die ebenen Wellen aus dem Primärstrahler 12 durch die ebenen Reflektoren 10 und 9 nacheinander reflektiert. Die so reflektierten ebenen Wellen werden parallel zu einer Linie 15', die ihrerseits parallel zu der axialen Mittellinie 15 verläuft, auf den parabolischen Zusatzreflektor 8 geleitet. Dieser parabolische Zusatzreflektor 8 besitzt einen Brennpunkts auf der axialen Mittellinie 15, so daß die auf den Zusatzreflektor 8 treffenden elektromagnetischen Strahlen so reflektiert werden, daß sie sich im Brennpunkt 5 treffen. Die Strahlen werden weiterhin durch den Fangreflektor 4 und den Hauptreflektor 1 reflektiert, wieder in Phase in Richtung der axialen Mittellinie 17 gelenkt und als stark gerichtete Strahlen in dieser Richtung ausgesendet.

Im folgenden soll beschrieben werden, wie ausgesandte Strahlen ohne Bewegung des Haupt- 5" reflektors abgelenkt werden. Wenn Strahlen in die Richtung 17' in einer senkrechten, d. h. in der Zeichnungsebenc der Fig. 2 liegenden Ebene abgelenkt werden, dann wird die axiale Mittellinie 17 um den Punkts gedreht, so daß sie mit der Linie 17' fluchtet. In diesem Falle ist der Fangreflektor 4 in die mit 4' bezeichnete Position verschoben. Zur gleichen Zeit wird der ebene Reflektor 9 bis zu dem Punkt 9' parallel zu seiner Ausgangsstellung und entlang der Axiallinie 16 verschoben. In diesem 6c Falle verlaufen die Strahlen längs der gestrichelten Linie, d. h., die ebenen Wellen aus dem Primärstrahler 12 werden durch den ebenen Reflektor bei 9' und den parabolic hen Zusatzreflektor 8 reflektiert und verlaufen zu dem Brennpunkt 5 bzw. dem Krümmungsmittelp'inkt des Hauptreflektors 1 hin, werden wiederum durch den Fangreflektor bei 4' und den Hauptreflektor 1 reflektiert und in gebündelter Form, vollständig in Phase, in Richtung der axialen Mittellinie IT abgestrahlt.

Wenn Strahlenbündel in einer horizontalen Ebene (d. h. in einer Ebene senkrecht ?.ur Zeichenebene) abgelenkt werden, dann wird der ebene Reflektor 10, wie in F i g. 3 gezeigt ist, zu dem Punkt 10' parallel zu seiner Ausgangsstellung und entlang der ΑγΙλ-linie 18 verschoben. In dieser Richtung treten die ebenen Wellen aus dem Primärstrahler 12 aus, und der Fangrellektor 4 wird um den Brennpunkt 5 in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene geschwenkt.

Ls wird nun der Fall beschrieben, bei dem ausgesandte Strahlenbündel in vertikaler und horizontaler Ebene abgelenkt werden. Wenn in diesem Falle die ebenen Reflektoren 9 und 10 und der Fangrellektor in Beziehung zueinander entsprechend der Richtung, in die die Strahlen abgelenkt werden sollen, bewegt werden, so kann den optischgeomcxrischen Bedingungen in einem konischen Bereich mit einem halben vertiL<ien Winkel (-) um die axiale Mittellinie 14 herum in vc'.lem Umfange entsprochen werden. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Antenne einen synchronen Raumsatelliten verfolgen, ohne daß der Hauptreflektor bewegt und der Antennengewinn merklich verschlechtert wird.

Im folgenden werden die Einrichtungen beschrieben, die ein Zusammenarbeiten des Fangreflektors 4 und der ebenen Reflektoren 9 und 10 ermöglichen. Der Fangreflektor 4 besitzt, wie in F i g. 4 gezeigt ist, eine Halterung 19, die sich in Richtung der Axiallinic 17 erstreckt und mit einem Zahnrad 20 verbunden ist, das seinerseits durch einen Motor angetrieben wird, dessen Welle mii 22 bezeichnet ist. Der Fangreflektor 4 ist außerdem mit einer beweglichen Führungseinrichtung 25 versehen, die einen gezahnten Bereich 23 hat, der mit dem genannten Zahnrad 20 kämmt und mit ihm als Zahnstangen-Ritzel-Mechanismus wirkt, und die ferner eine Nul 24 aufweist, durch die zwei Rollen geführt werden, die drehbar an zwei Stützen angebracht sind, die an der Rückseite des Fangreflektors 4 befestigt sind. Wie aus F i g. 4 zu ersehen ist. verursacht eine Drehung der Motorwelle 22 eine Neigung des Fangreflektors 4 in vertikaler Ebene. In diesem Falle wird die Axiallinie 17 des Fangreflektors 4 um einer Maximalwert H in bezug auf die axiale Mittellinie 1-1 abgelenkt. Wenn der Fangreflektor 4 in einei horizontalen libene geneigt werden soll, ist es lediglich erforderlich, die gesamte Anordnung 26 dei F i g. 4 in einer horizontalen Ebene um einer Maximalwinkel <-) um den Punkt 5 der F i g. 2 /1 schwenken. Ein in diesem Falle verwendeter An triebsmechanismus kann dem soeben beschriebene! Mechanismus für eine vertikale Schwcnkbewegimi entspreche'· Dieser durch den Motor 27 (Fig. Ci angetriebene Mechanismus ist nicht dargestellt.

Im folgenden soll der Mechanismus bcscluicbei werden, durch den ein ebener Reflektor 9 parallel zi seiner Ausgangsstellung und entlang der Axiallini 16 der Fi g. 2 verschoben wird. In diesem Falle sini entsprechend Fig. 5 zwei Führungsgliec'er 28 hinte dem Hauptreflektor 1 angeordnet. Jedes der Füll rungsglieder 28 besitzt eine Führungsnut 30. in de eine der zwei Rollen 29, die an dem ebenen Reflek tor 9 befestigt ist, gleitet, so daß der Reflekto parallel zu der Axiallinie 16 der F i g. 2 verschöbe wird. Der ebene Reflektor 9 ist mit einem Zahnra

33 verbunden, das durch einen Motor mit einer Welle 32 angetrieben wird und mit einer Zahnstange

34 im Eingriff steht. Dementsprechend ermöglicht eine Drehung der Motorwcllc 32 eine Verschiebung des ebenen Reflektors 9 parallel zur Axiallinic 16.

Wenn der andere ebene Reflektor 10 parallel zur Axiallinic 18 verschoben wird, so wird eine gleich ausgebildete Antriebseinrichtung verwendet, die jedoch in anderer Richtung angeordnet ist. Das dem

aus Γ i g. 8 zu ersehen ist, verursacht schon eine Neigung des Strahls von 1 oder 2° in jeder Richtung gegenüber der Atisgangsrichtung einen beträchtlichen Abfall des Antennengewinns.

F i g. ^l) zeigt schematisch die Antenne gemäß der Erfindung, und Fig. K) zeigt eine bekannte Cassegrain-Antenne mit parabolischem Hauptreflcktor. Die experimentell bestimmten Richtungscigenschaften der Antennen bei einem Mittendurchmcsscr

genau folgt. Fchlersignalu werden in einen Analysator 37 eingespeist, der Signale erzeugt, die Fehlern in bezug auf die vertikale Ebene entsprechen, sowie in l

Zahnrad 33 entsprechende Zahnrad der Antriebs- io des Haupticflcktors beider Antennen von 1250 cm einrichtung für den ebenen Reflektor 10 wird durch sind in den Fig. 11 und 12 verglichen. Fig. 11 bceinen Motor 35 (Fig. 6) angetrieben. zieht sich auf den Fall, daß Strahlen mit einer

Im folgenden werden die Einrichtungen be- Frequenz von 4 GHz verwendet werden. Fig. 12 schrieben, durch die der Fangreflektor 4 und die betrifft die Verhältnisse bei 18 GHz. In diesen ebenen Reflektoren 9 und 10 in Abhängigkeit von- 15 Figuren bezeichnet die Abszisse die Ablenkung des einander bewegt werden. Wie in Fig. (i gezeigt ist. Strahlenbündel^ in horizontaler Ebene in bezug auf ist ein Detektor 36 zum Feststellen von Fehlern beim die Achse des Hauplreflcktors und die Ordinate den Ablenken der Strahlenbündel vorgesehen. In diesem auf Vergleichsbasis gemessenen Antennengewinn. Zusammenhang bedeutet der Ausdruck »Fehler« den Die Kurven 46« und 46 ft zeigen die Richtungswinkel, um den das Strahlenbündel abgelenkt wer- 20 abhängigkeit des Gewinns der bekannten Antenne ilen sollte, damit es einem synchronen Raumsalclliten der Fig. K) und die Kurven 47 a und 47 ft die der

erfindimgsgcmäßen Antenne. Diese Kurven wurden gezeichnet, indem die Scheitelpunkte der jeweiligen

g p Antennendiagrammc verbunden wurden. Wie aus

einen anderen Analysator 38, der Signale erzeugt, »5 den Fig. 11 und 12 hervorgeht, erhält man mit der die Fehlern in einer horizontalen Ebene entsprechen. erfindungsgemäßen Antenne einen etwa gleich-Dadurch entstehen die Steuersignale 39 und 40. bleibenden Antennengewinn, wenn die Strahlen um Diese Steuersignale 39 und 40 werden in eine einen Winkel innerhalb des Bereiches von ± 2" ab-Schaltimg 42 zur Steuerung der Motoren 22 und 32 gelenkt werden. Die erfindungsgemäße Antenne zur Behebung der Fehler in der senkrechten Ebene 30 eignet sich daher gut für Fernmeldeverbindungen und ebenso in eine Schaltung 43 zur Steuerung dei mit synchronen Raumsatclliten. Drehung der Motoren 27 und 35 zur Ausschaltung ρ ig. 13 veranschaulicht eine andere Ausführungs-

VdIi Fehlem in der horizontalen Ebene eingespeist. form der vorliegenden Erfindung, mit der mehrere so daß die Servomotoren dieser Schaltungen betätigt Strahlenbündel so erzeugt werden können, daß die werden. Jetzt werden die Motoren 22. 7.2, 27 und 35 35 Ablenkung der Strahlen bei Verwendung eines dh d A d Shl 42 d einzigen sphärischen Reflektors getrennt gesteuert

werden kann. Zwei parabolische Zusatzrcflektoren 8 ft und 8' ft sind symmetrisch in bezug auf die Achse 14 des sphärischen Hauptreflektors 1 angeordnet. Winkel H um die axiale Mittellinie 17 herum <ib- 40 Der Brennpunkt der beiden parabolischen Zusatzgclenkt werden. reflckt'oren wird durch den Krümmungsmittelpunkl 5

Im folgenden wird an Hand der Fig. 7 bis 12 des Hauptreflektors 1 gebildet. Für diese paarweisen die erfindungsgemäße Antenne hinsichtlich des parabolischen Zusatzrcflekto'-cn 8 ft und 8' ft sind, erzielbaren Antennengewinns mit der bekannten wie dargestellt, entsprechende Fangreflektoren 4 ft Cassegrain-Antenne mit parabolischem Hauptrcflek- 45 und 4'ft. zwei Gruppen von ebenen Reflektoren 9 ft tor verglichen, bei der die Schwenkung des An- und 9'ft und 10 ft und 10'ft und als Primärstrahler tennenstrahls ebenfalls durch Drehung des Fang- konische Hornreflektoren 12 ft und 12' ft vorgesehen, refkktors bewirkt wild. Fig. 7 zeigt eine bekannte Zwei Strahlersysteme werden verwendet, die alle Cassegrain-Antenne mit einem . Parabolreflektor 1 α, Teile vom konischen Hornreflektor bis zum Fangdessen äußerer Durchmesser gleich 100 cm ist. mit 50 reflektor aufweisen. Die Anordnung jedes Strahlereinem Fangreflektor 4« von 12 cm Außendurch- systems und seine optische Stellung in bezug auf den messer und einem konischen, als Primärstrahler sphärischen Hauptreflektor 1 sind die gleichen wie dienenden Hornreflektor 12a mit einer Strahlungs- j_n Fig. 2. Wenn dementsprechend die Achse des öffnung von 9.84 cm Durchmesser. Der Fangreflektor Fangreflektors 4 b aus der axialen Mittellinie 14 b 4 α ist so ausgebildet, daß er um einen Winkel c, in 55 abgelenkt und die ebenen Reflektoren 9 b und 10 b bezug auf seine Ausgangsachse um den Punkt 41 ge- m Verbindung mit der genannten Ablenkung durch schwenkt werden kann. dieselben EinrichtungenT die bei der Ausführungs-

F i g. 8 gibt die Richtcharakteristiken dieser An- form nach F i g. 2 verwendet werden, bewegt wertenne bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln 7 des den. so können die Strahlen 17 ft abgelenkt werden. Fangreflektors und einer Frequenz von 50 GHz 60 Ebenso können die Strahlen 17 b' unabhängig von wieder. Die Abszisse bezeichnet die Neigung der den Strahlen 17 ft abgelenkt werden, wenn die Achse Hauptkeule in horizontaler Ebene in bezuc auf die des Fangreflektors 4' b aus der axialen Mittellinie Richtung der Hauptkeule. wenn der Fangreflektor 14'ft abgelenkt und die ebenen Reflektoren 9'ft und 4 α nicht geneigt ist (Winkel^ - 0). Die Kurven 44« 10'ft in Verbindung mit der Ablenkung verschoben bis 44/1 stellen die Richtcharakteristiken dar bei 65 werden. Obwohl die Ausführungsform nach Fi g. einer Neigung des Fangreflektors 4 «7 um Winkel zwei Primärstrahlersysteme aufweist, ist die Erfinvon 0. —8. ^-8. — 16. -"·-16. — 20 und -20 . Wie dung auf diese Zahl nicht begrenzt.

durch den Ausgangsstrom der Schaltungen 42 und 43 angetrieben. Auf diese Weise kann der Strahl in eine beliebige Richtung innerhalb des zuvor erwähnten konischen Bereichs mit dem halben

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Antenne mit einem sphärischen Hauptreflektor, einem die sphärische Aberration des Hauptreflektors korrigierenden drehbaren Fangreflektor, mit einem Zusatzreflektor, dessen Brennpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt des Hauptreflektors zusammenfallt und der im Sendefan die elektromagnetischen Wellen zum Fangreflektor reflektiert, sowie mit einem Primärstrahler, gekennzeichnet dadurch, daß der Zusatzreflektor (8) ein Parabolreflektor ist, daß in den Strahlengang zwischen Primärstrahler (12) und Zusatzreflektor (8) ein ebener Reflektor (9) eingefügt ist, der durch einen Mechanismus in Abhängigkeit von der Drehung des Fangrcflcktvors (4) bewegbar ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem genannten ebenen Re- ao flektor in den Strahlengang zwischen dem Primärstrahler (12) und dem ebenen Reflektor (9) ein weiterer ebener Reflektor (10) eingefügt ist.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Primärstrahler (12 ft, 12'ft) und zugehörige ebene (9 b, 9'ft; 10 ft, 10'ft), Zusatz- (8 ft, 8'ft) und Fangreflektoren (4 ft, 4. ft) vorhanden sind.