DE2127518A1

DE2127518A1 - Antenne mit Toroid-Reflektor

Info

Publication number: DE2127518A1
Application number: DE19712127518
Authority: DE
Inventors: G Hyde; Jr R W Kreutel
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1970-06-08
Filing date: 1971-06-03
Publication date: 1971-12-16
Also published as: CA930042A; GB1342677A; FR2094116B1; NL7107799A; JPS576281B1; SE377232B; FR2094116A1

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. H.E. BÖHMER

703 BOBLINGEN/WÜRTT. · SINDELFINGER STRASSE 49

FERNSPRECHER (07031) 613040 2 I 2 / 5 I

Anmelder: COMMUNICATIONS SATELLITE CORPORATION

Washington D.O, V.St.A.

Amtl. Aktenz.: Neuanme Idung

Böblingen, 2.6.1971

Antenne mit Toroid-Reflektor

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Antennen mit Toroidreflektoren für Senden und Empfang elektromagnetischer Wellen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Antenne mit stationärem Reflektor, der in der Lage ist, die Richtstrahlen der elektromagnetischen Strahlung entlang der quasistationären Umlaufbahn von Satelliten zu verschwenken oder zu führen.

Toroidförmige Reflektoren für Antennen sind seit langem dafür bekannt, daß sie eine rasche Schwenkbewegung eines scharf gebündelten Strahles in einer Ebene gestatten. Antennen dieser Art werden im allgemeinen auf der Erde für Dezimeter-Richtfunksysteme eingesetzt, bei denen einer oder mehrere Richtstrahlen elektromagnetischer Energie wahlweise oder gleichzeitig von einer gemeinsamen Reflektoroberfläche zu einer oder mehreren Empfangsantennen übertragen werden können, die ein weites Gesichtsfeld überspannen. Ein typisches System dieser Art ist von Kenneth S. Kelleher in dem US-Patent Nr. 3 317 912 vom 2.5.1967

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mit dem Titel "Konzentrische Mehrfach-Parabolantenne für Rundumsfrahlung" beschrieben.

Die Schwenkbewegung der von dieser Art von Antennenreflektoren ausgehenden Richtstrahlen definiert eine ebene Fläche, für die die Strahlungsdiagramme aller Richtstrahlen außerhalb des Nahfeldes dieser Ebene identisch sind.Eine solche Antenne hat somit eine Zrrkularsymmetrie in der Strahlungsebene oder Abstrahlebene. Das Überstreichen weiter Winkelbereiche durch die Richtstrahlen kann dadurch erreicht werden, daß man die Einspeisungspunkte für den Reflektor in einer Ebene parallel zu der Abtastebene in Positionen mit gleichem Abstand von der Reflektoroberfläche verschiebt. Ist somit der Richtstrahl für einen Einspeisungspunkt gut fokusiert, dann wird er für alle gleichartigen Einspeisungspunkte in gleicher Weise gur fokussiert oder gebündelt sein.

Die Oberfläche des toroidförmigen Reflektors wird im allgemeinen durch eine Erzeugende definiert, die um eine Achse rotiert wird. Die konkave Seite der Erzeugenden ist in ihrer Geometrie so gestaltet, daß ein Richtstrahl gebildet und in einer Richtung gelenkt wird, die senkrecht auf der Rotationsachse steht. Die Ausbreitungsrichtung des Richtstrahles wird dann als die Achse der Strahlrichtung oder Achse der Strahlungskeule bezeichnet. Die Gleichung für die Erzeugende, die zur Bildung der Reflektoroberfläche dient, läßt sich mathematisch derart berechnen, daß sich eine scharfe Bündelung mit hoher Antennenverstärkung, ein möglichst kleiner Phasenfehler und geringe Nebenkeulenveriuste ergeben. Der Aufsatz mit dem Titel: "Ein Toroid-Mikrowellenreflektor" von G. Peeler und D. Archer in IRE National Convention Record, Teil 1 1956, Seiten 242 bis 247 beschreibt eine typische mathematische Näherungslösung zur Berechnung der Erzeugenden für einen solchen Reflektor. Die Rotation der Erzeugenden um eine Achse zur Bildung einer toroidförmigen Oberfläche ergibt eine Reflektorfläche, die sich dafür eignet, scharf gebündelte elektromagnetische Strahlen zu bilden,

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die von einer Anzahl symmetrisch angeordneter Speisepunkte nach einer Anzahl von Empfangsantennen gerichtet sind, die in einer ebenen oder planaren Abtastfläche liegen.

Bisher war die Erzeugende im allgemeinen auf einen elliptischen oder parabelförmigen Kegelschnitt beschränkt. Der Brennpunkt lag dabei im Inneren der konkaven Seite der Erzeugenden und auf der Achse der Parabel oder Ellipse, die vom Scheitel der Kurve ausgeht. In der Nähe des Brennpunktes abgestrahlte elektromagnetische Energie wird zu einem Strahl gebündelt, und von der Oberfläche längs einer Linie parallel zu der Achse des Kegelschnittes abgestrahlt. Da die toroidförmige Reflektionsfläche durch Rotieren des Kegelschnittes um eine Achse senkrecht zu der Achse der Parabel oder Ellipse erzeugt wird, läßt sich die Reflektoroberfläche als rechteckiger Torusreflektor bezeichnen.

Der Einspeisungspunkt liegt typischerweise auf einer Linie senkrecht zur Rotationsachse und in einem vorgegebenen Abstand von dieser. Eine Abtastbewegung der Richtstrahlen oder Strahlungskeulen erhält man durch Bewegen des Einspeisungspunktes längs eines Kreisbogens, dessen Radius auf der Rotationsachse seinen Mittelpunkt hat, und der in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse liegt. Ferner ist es bereits bekannt, eine Anzahl von Einspeisungspunkten längs eines solchen Kreisbogens anzuordnen, um ein Abtasten oder eine Quasiabtastbewegung durch selektives Erregen eines oder mehrerer dieser Einspeisungspunkte zu erzielen. Die gleiche Einspeisung in verschiedenen Punkten längs eines Einspeisungskreisbogens, dessen Mitte auf der Rotationsachse liegt, und der in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse liegt, bewirkt die Erzeugung von identischen Strahlungskeulen. Da gemäß dem Stand der Technik die Rotationsachse auf eine Richtung senkrecht zur Achse des Kegelschnittes beschränkt ist, liegen notwendigerweise die durch den rechteckigen Toroidreflektor fUr

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gleichartige Einspeisung an gleichartigen Einspeisungspunkten erzeugten Strahlungskeulen in einer gemeinsamen Ebene, die auf der Rotationsachse senkrecht steht.

Rechteckige Torusreflektoren haben eine Phasenverteilung in der Aperturebene, die eine mit Parabolreflektorantennen vergleichbare Antennenverstärkung liefern. Die Antennenverstärkung ist bekanntlich eine Funktion der Wellenlänge, der Veränderung der Toroidparameter und des Einspeisungspunktes. Der bisher bekannte rechteckige Torusreflektor hat durchsehe planare Abtastbewegung Weitwinkeleigenschaften und ist somit für viele Richtfunk- und Radaranwendungsgebiete auf der Erde gut geeignet. Eine leicht in ihrer Lage verschiebbare Einspeisung oder eine Anzahl verteilt angeordneter Einspeisungspunkte gibt der Toroidantenne eine Fähigkeit, die rasche Quasiabtastung oder Schwenkbewegung der Strahlungskeule über einen weiten Öffnungswinkel zu erzeugen. Eine feststehende Reflektorantenne hat offensichtliche Vorteile gegenüber beweglichen Richtantennen, da diese wegen ihrer Größe und ihres Gewichtes nur schwierig mechanisch verschwenkt werden können. Außerdem ist die Torusantenne in der Lage, gleichzeitig eine Anzahl von einer Gruppe von Einspeisungspunkten ausgehenden Richtstrahlen zu reflektieren und über einen weiten Winkelbereich abzustrahlen.

Trotz dieser offensichtlichen Vorteile hat man jedoch festgestellt, daß die dieser Antenne, d.h. der rechtwinkeligen Torusantenne eigene Beschränkung auf eine planare Abtastung die Anwendung der Antenne mit feststehendem Reflektor in vielen anderen Bereichen der Nachrichtenübertragung stark einschränkt. Ein Gebiet beschränkter Anwendbarkeit ist die Aussendung oder der Empfang von Signalen nach oder von Raumsatelliten, die der Nachrichtenübertragung oder Beobachtungsaufgaben auf der Erde dienen, wobei diese Satelliten gewöhnlich in einer quasistationären Umlaufbahn in Bezug auf die Erde umlaufen. Eine quasistationäre Umlaufbahn um die Erde ist im wesentlichen ein Kreis, dessen

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Radius 42.248,4 km beträgt, der konzentrisch und koplanar mit einem Kreis liegt, der durch eine Ebene durch den Äquator der Erde, der sogen. Umlaufebene, definiert ist. Diese Umlaufbahn ist durch eine Umlaufperiode von 24 Stunden gekennzeichnet, die der Umlaufzeit der Erde entspricht.

Die Übertragung von Information zu diesen Synchronsatelliten wird durch Erdfunkstationen mit Antennen bewirkt, deren Strahlrichtung fest auf den quasistationären Satelliten ausgerichtet ist. Richtstrahlen von Erdfunkstellen benötigen eine Nachstellung nur insoweit, wie die in Bezug auf die Erde quasistationären Satellitenpositionen bei Störungen der Umlaufbahn nicht stabil zu halten sind oder für den Fall, daß die Synchronsatelliten sich entweder auf der quasi stationäre η Umlaufbahn bewegen oder selektiv durch eine einzige Erdfunkstelle angestrahlt werden.

Derzeit verwendete Erdfunkstellen benutzen Parabolspiegel oder Homantennen mit nur einer Strahlungskeule. Dabei können die Stellungen der Antennenreflektoren
über einen großen Bereich der sichtbaren Hemisphäre mit Hilfe von Servosteuerungen in allen Richtungen mit hoher Präzision verschwenkt werden. Diese Servosysteme
sind meist im Antennenturm oder dem Unterbau angebracht. Dabei wird im allgemeinen ein automatisches Nachlaufsystem verwendet. Diese Antennen sind notwendigerweise sehr aufwendig und falls eine Anzahl von Richtfunkstrahlen benötigt wird, muß an dem Ort der Erdfunkstelle mehr als eine solche Antennenanlage vorgesehen sein.

Zukünftige Erdfunkstellen, die an vielen Stellen der Erdoberfläche vorgesehen
werden sollen, sollten mit wesentlich weniger aufwendigen Antennen mit hoher
Antennenverstärkung auskommen können, die dabei noch einen oder mehrere
Richtstrahlen erzeugen, die auf Satelliten in einer quasistationären Erdumlaufbahn gerichtet sind. Die Richtung der Strahlungskeulen der Mehrzahl der zukünftigen Erdfunkstellenantennen wird längs der quasistationären Umlaufbahn der Satelliten liegen müssen. Die rechteckige Toroidreflektorantenne, wie sie zuvor be- ,

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schrieben wurde, besitzt sicherlich eine Reihe von wünschenswerten Eigenschaften, wie sie für zukünftige Erdfunkstationen gefordert werden müssen. Insbesondere sind dies einfacher Aufbau, nicht allzu aufwendige Konstruktion, verbunden mit der Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Strahlungskeulen bei hohem Antennengewinn und scharfer Strahl bunde lung zu erzeugen. Betrachtet man den sichtbaren Kreisbogen der quasistationären Umlaufbahn von einem Punkt auf dem Äquator aus, (d.h. einem in ά~τ Umlaufbahnebene liegenden Punkt), dann ist das erforderliche Gesichtsfeld der Antenne eben, d.h auf Satelliten gerichtete Strahlungskeulen, weiche irgendwo in der quasistationären Umlaufbahn liegen, liegen damit notwendigerweise auch in der Ebene der Umlaufbahn, in diesem besonderen Fall wäre eine planare oder ebene Ausrichtbarkeit der Strahlungskeulen der Antenne zu fordern.

Wird jedoch die Position der Erdfunkstelle vom Äquator weg verlegt, dann weichen die Antennenstrahlrichtungen, wie sie zum Verkehr mit Satelliten auf der quasistationären Umlaufbahn erforderlich sind, von dem ebenen Abtastbereich ab. Die Beschränkung der bisher bekannten Toroidreflektorantennen auf die planare Abtastung verhindert damit die vollständige Ausnutzung dieser Antennen, die an sich in der Lage sind, mit ihren Strahlungskeulen einen weiten Gesichtswinkel zu überstreichen. An Punkten oberhalb und unterhalb des Äquators ergeben von einer Erdstation zu einem Satelliten gezogene Linien in Positionen längs der quasistationären Umlaufbahn eine kegelförmige Fläche, wie man dies aus Fig. 1 erkennt. Nimmt man eine scharfe Bündelung bei hohem Antennengewinn an, dann wäre die Abtastebene einer solchen Toroidrefiektorantenne offensichtlich nur in der Lage, einen kleinen Teil dieser kegelförmigen Fläche zu überstreichen. Die Abtastebene kann dabei tangential längs der kegelförmigen Oberfläche verlaufen und den Kreisbogen an einem Punkt berühren oder aber der Kegelfläche gegenüberliegen und damit die quasistationäre Umlaufbahn an zwei Punkten berühren. In jedem Fall ist das Gesichtsfeld in typischer

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Weise auf etwa 20 der Umlaufbahn beschrankt. Ein System, das mit einem solch schmalen Gesichtsfeld aufgebaut ist, würde erhebliche Beschränkungen in Bezug auf die Satellitenposition und den Verkehr mit den Satelliten mit sich bringen. Andererseits würde eine Antenne, deren Gesichtsfeld einem größeren Bogen der quasistationären Umlaufbahn entspricht, eine Reihe von Vorteilen bieten.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Toroid-Reflektorantenne, die dadurch entsteht, daß man eine Erzeugende um eine Achse rotiert, die in einem willkürlich gewählten Winkel zu der Achse der Strahlungsrichtung eines reflektierenden Strahles liegt. Der sich dabei ergebende Reflektor weist eine Zirkularsymmetrie um die Rotationsachse auf. Der der Erzeugenden zugeordnete Speisungspunkt definiert den geometrischen Ort aller Speisungspunkte, die somit auf einem Kreis mit Mittelpunkt auf der Rotationsachse liegen. Die Achse der Strahlungsrichtung und somit die überstreichbare Fläche des von der Toroidflache reflektierten Strahls wird damit der Oberfläche einer Kegelfläche folgen.

Wegen der Zirkularsymmetrie stellt der Reflektor für alle Punkte des durch den Speisepunkt für diese Erzeugende beschriebenen Kreises die gleichen Strahlerzeugungseigenschaften dar. Ein einziger beweglicher Einspeisungspunkt oder eine Anzahl wahlweise erregbarer Speisungspunkte, die auf dem Einspeisungskreis liegen, liefert, wenn die Reflektorfläche angestrahlt wird, identische Richtstrahlen, deren Achsen der Strahlrichtung einen kreisförmigen Kegel beschreiben.

Durch geeigente Auswahl des Winkels zwischen der Achse der Strahlrichtung und der Rotationsachse des Toroidreflektors werden die von der Antenne abgestrahlten Strahlungskeulen eine kegelförmige Oberfläche definieren, die der tatsächlichen kegelförmigen Oberfläche sehr nahekommt, die sich zwischen der ErdfunLitelle und der quasistationären Umlaufbahn erstreckt.

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Innerhalb der kontinentalen und zusammenhängenden Fläche der Vereinigten Staaten ist beispielsweise ein Winkel von 95,5 zwischen der Achse der Strahlrichtung und der Rotationsachse optimal. Das ergibt einen Reflektor, dessen Strahlungskeulen für eine vorgeschlagene Reflektorgröße um weniger als den Strahlungskeulendurchmesser von dem Gesichtsfeld abweichen und dies bei dem exakten Abtastkegel, der für den zusammenhängenden Teil der Vereinigten Staaten erforderlich ist.

Die ERfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 die graphische Darstellung des Gesichtsfeldes einer Erdfunkstellenantenne auf der nördlichen Halbkugel, die längs der quasistationären Umlaufbahn fokussiert oder gebündelt ist;

Fig. 2 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine geometrische Darstellung eines Schnittes durch die Rotationsachse in Fig. 1

und
Fig. 4 schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt das Gesichtsfeld oder den Blickwinkel der Antenne einer Erdfunkstelle für die Übertragung nach Satelliten, die sich auf einer quasistationären Umlaufbahn befinden. Die Erde ist als Kugel E dargestellt, deren polare Nord-Süd-Achse durch die Linie N-S bezeichnet ist. Der Äquator der Erde wird durch eine Ebene definiert (hier als Ebene der Umlaufbahn bezeichnet), die senkrecht auf der Nord-Süd-Achse der Erde steht und die Achse an einem Punkt in der Mitte zwischen Nord- und Südpol schneidet. Der Schnitt der Ebene der Umlaufbahn und der Kugel E ergibt einen Kreis, der in der Umlaufbahnebene liegt. Außerdem liegt

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ebenfalls in der Ebene der Umlaufbahn und konzentrisch mit dem Äquatorkreis die quasistationäre Satellitenumlaufbahn, die im wesentlichen einen Kreis mit einem Radius von 42.248,4 km bildet. Satelliten, die die Erde in diesem Abstand umkreisen, haben eine Umlaufperiode von 24 Stunden, die der Umlaufzeit der Erde entspricht. Erdfunkstellen Al und A2 sind auf der Oberfläche der Erde dargestellt. Die Station Al liegt dabei auf dem Äquator bei der geographischen Länge L und liegt in der Ebene der Umlaufbahn. Die Erdfunkstelle A2 liegt in der nördlichen Halbkugel auf dem gleichen Längengrad wie die Station Al, liegt jedoch oberhalb der Ebene der Umlaufbahn. Obgleich das dargestellte Beispiel auf eine Betrachtung der kontinentalen Verhältnisse in den Vereinigten Staaten abgestellt . ist, lassen sich die Grundprinzipien der Erfindung auch auf Erdfunkstellen anwenden, die sowohl auf der nördlichen als auch auf der südlichen Halbkugel der Erde über einen weiten Bereich von Längengraden stationiert sein können.

Von der Erdfunkstelle Al nach Satelliten in verschiedenen Positionen längs der quasistationären Umlaufbahn der Satelliten übertragene Richtstrahlen sind als ausgezogene Linien dargestellt, die innerhalb der Ebene der Umlaufbahn liegen. Von der Erdfunkstelle A2 nach gleichartigen Satellitenpositionen auf der quasistationären Umlaufbahn gerichtete Funkstrahlen sind gestrichelt eingezeichnet und beschreiben eine kegelförmige Fläche, wobei der Scheitelpunkt des Kegels am Punkt der Erdfunkstelle liegt. Die Achse des Kegels ist um einen Winkel gegen die polare Nord-Süd-Ach se geneigt, wobei dieser Winkel entsprechend der geographischen Breite der Erdfunkstelle A2 sich ändert. In der nördlichen Halbkugel ist dieser Winkel ein kleiner negativer Winkel, der sich als Funktion der geographischen Breite ändert.

Eine rechteckige Toroidantenne mit planarer Strahlabtastung ist nicht in der Lage, die konische Fläche anzunähern, die von der Erdfunkstelle aus gesehen sich über den sichtbaren Teil der quasistationären Umlaufbahn erstreckt. Für den Fall, daß

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die Mitte der Abtastbewegung sich auf gleichem Längengrad mit der Erdfunksfelle befindet, d.h. mit der planaren Abtastung tangential zur Kegelfläche, wurde gefunden, daß für Strahldurchmesser in der Größenordnung von 0,08 bis 0,12 ein Gesichtsfeld in der Größenordnung von 15 bis 20 erzielbar ist. Man kann auch dadurch überkompensieren, daß man die Abtastebene mit der quasistationären Umlaufbahn an zwei Punkten zum Schnitt bringt, deren Längengrade von denen der Erdfunkstelle verschieden sind. In jedem Fall sind Gesichtsfelder mit einem Winkel von etwa 20 typisch für die planare Abtastung, die gewisse Verschiebungen bei der Bewegung des Satelliten zulassen. Da die zusammenhängenden 48 Staaten der Vereinigten Staaten von Amerika sich über 60 Längengrade erstrecken und da die Staaten Alaska und Hawaii diesen Bereich noch beträchtlich erweitern, wäre eine Antenne mit einem Gesichtsfeld, das nahezu den gesamten sichtbaren Teil der quasistationären Umlaufbahn erfaßt, wünschenswert.

Fig.. 2 zeigt einen Toroidreflekror mit einem einfachen Einspeisungspunkt, womit diese Antenne in der Lage ist, eine kegelförmige Abtastung längs der quasistationären Umlaufbahn zu liefern. Für die Beschreibung der Fig. 2 soll die Torusantenne innerhalb eines orrogonalen Koordinatensystems liegen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, bei dem sich die z-Achse parallel zu einer Linie erstreckt, die von der Antenne der Erdfunkstelle zu einem auf gleichem Längengrad liegenden Punkt auf der quasistationären Umlaufbahn führt. Die z-Achse fällt für den gezeigten Teil auch mit der Strahlungsrichtung zusammen. Wenn man jedoch die Erzeugende und den Einspeisungspunkt zur Bildung der Toroidoberfläche um eine Achse rotiert, dann verschiebt sich die Achse der Strahlrichtung zu Punkten auf der quasistationären Umlaufbahn, die nicht auf dem gleichen Längengrad wie die Erdfunkstelle liegen. Es sollte daraus für den Fachmann klar sein, daß in der Praxis die z-Achse sich nicht bis zu einem Punkt gleichen Längengrades auf der quasistationären Umlaufbahn zu erstrecken braucht sondern für eine gegebene Schnittansicht sich von der Antenne nach Punkten unterschiedlicher Längengrade erstrecken kann.

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Der Reflektorabschnitt M ist in dem orthogonalen Koordinatensystem derart angeordnet, daß die von einem Einspeisungspunkt H ausgehende elektromagnetische Strahlung, welche in der xz-Ebene liegt, zu einem Strahl gebündelt und von der Reflektoroberfläche in die Richtung PA ausgerichtet wird, die per Definition parallel zur z-Achse verläuft. Eine Achse R, die die Rotationsachse des Kegelschnittes ist, liegt in der xz-Ebene und bildet mit der z-Achse einen Winkel^.

Ein ebener Schnitt durch den Reflektor in der xz-Ebene in Fig. 2 ergibt das links von der x-Achse in Fig. 3 gezeigte Profil. Fig. 3 zeigt die optisch-geometrischen Verhältnisse des Toroidreflektors gemäß Fig. 2. Außerdem zeigt Fig. 3 ein Spiegelbild des Toroidreflektors um die Rotationsachse R.

Die Erzeugende M in Fig. 3 hat eine Form, die die gewünschten Strahlerzeugungsund Strahlbündelungseigenschaften liefert. Gemäß dem oben erwähnten Stand der Technik sind Verfahren zum Auswählen einer geeigneten Erzeugenden bekannt. Nimmt man einen Einspeisungspunkt als Quelle elektromagnetischer Strahlung an einem optimalen Punkt der konkaven Seite der Erzeugenden an, dann wird auf die konkave Oberfläche auftreffende elektromagnetische Strahlung zu einem Strahl gebündelt und von der Reflektorfläche weg in eine Richtung gelenkt, die in der gleichen Ebene liegt wie der Einspeisungspunkt und die Rotationsachse. Zur besseren Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die Erzeugende eine Parabel sein, die per Definition eine von ihrem Scheitelpunkt ausgehende Achse aufweist, die parallel zur Richtung des zu erzeugenden gebündelten Strahles oder zur Achse der Strahlungsrichtung ist. Innerhalb des ortogonalen Koordinatensystems gemäß Fig. 2 verläuft die Parabelachse parallel zur z-Koordinate des ortogonalen Systems und steht senkrecht auf der xy-Ebene. Der Parabolschnitt bündelt einen von dem Einspeisungspunkt H ausgehenden Fächer von Strahlen zu einem in der xz-Ebene liegenden Strahl, der dann parallel zu der z-Achse verläuft.

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Gemäß dem Stande der Technik wurde eine Rotationsachse senkrecht zur Achse der Strahlrichtung gewählt, die mit der x-Achse zusammenfiel, um den rechteckigen Toroidref lektorabschnitt zu erzeugen. Der in Fig. 3 gezeigte Winkel wäre dabei 90 und die Rotationsachse würde mit der x-Achse zusammenfallen. Die Rotation des Einspeisungspunktes um die gleiche Achse würde eine ringförmige Zirkularsymmetrie ergeben. Es sollte jedoch dem Fachmann ohne weiteres einleuchten, daß dadurch, daß die Rotationsachse senkrecht auf der Achse der Strahlrichtung steht, alle Strahlen für alle symmetrisch angeordneten Einspeisungspunkte in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft die Rotationsachse für die Erzeugende mit einem Winkel cCzur z-Achse, der nicht gleich 90 ist, d.h. die Strahlrichtung steht nicht senkrecht auf der Rotationsachse R. Betrachtet man Fig. 3, so sieht man, daß die Rotationsachse R mit der z-Achse einen WinkelcCbildet, d.h. mit der Achse der Strahlrichtung, wobei dieser Winkel größer ist als 90 . Ein Einspeisungspunkt bei H strahlt in Richtung der Erzeugenden und da diese ein Teil der Parabel ist, reflektiert diese den Strahl parallel zur Achse der Parabel. Damit liegt also die Achse der Strahlrichtung sowie auch die Achse der Parabel bei einem Winkel von mehr als 90 gegen die Rotationsachse.

Da die Erzeugende und der Einspeisungspunkt H um die Rotationsachse R gedreht werden, liegen die durch die Reflektorfläche gebildeten Strahlen nicht länger in der yz-Ebene sondern beschreiben die Form eines Kegels, dessen Achse mit der Rotationsachse zusammenfällt und dessen Scheitelpunkt in dem orthogonalen Koordinatensystem mit V bezeichnet ist.

Durch geeignete Wahl des Winkeisc£wird eine Schwenkbewegung des Strahls längs einer Kegelfläche sich den Positionen auf der quasistationären Umlaufbahn annähern. Es wurde für Bereiche der nördlichen Halbkugel mit einem zu über-

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streichenden Blickfeld von 40 und Orten zwischen 30 und 50 nördlicher Breite gefunden, daß ein Winkel von 95,5 zwischen der Achse des Kegelschnittes und der Rotationsachse des Toroidreflektors eine optimale Lösung ergibt. Dabei ergibt sich eine Reflektorfläche, bei der die so erzeugten Strahlen für die vorgeschlagene Reflektorgröße und für die gewünschte Größe des Blickfeldes von den exakten Abtastkegeln, wie sie für die zusammenhängenden Vereingten Staaten (ohne Alaska und Hawaii) erforderlich sind, um weniger als den Strahldurchmesser abweichen.

Bei einer typischen Antenne gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung wird die Erzeugende um die Achse R über einen Bogen von weniger als 180 rotiert. Der von diesem Teil der Erde aus sichtbare Teil der quasistationären Umlaufbahn kann durch einen begrenzten Abschnitt einer Ringfläche als Reflektor überstrichen werden. Es wird jedoch dem Fachmann sofort einleuchten, daß wegen der kegelförmigen Schwenkbewegung der Toroidantenne eine Reflektoroberfläche, die sich aus einer Rotation der Erzeugenden um 360 ergibt, eine Rundumschwenkbewegung ermöglichen wird. Eine derartige Schwenkbewegung könnte für viele Radaranwendungen nützlich sein.

Um die vorliegende Erfindung noch mehr zu verdeutlichen, ist in Fig. 3 ein Spiegelbild des Reflektorabschnittes gezeigt mit der Erzeugenden M' und dem Speisepunkt H'. Die Kombinastion aus Toroidabschnitt M und seinem Speigelbild ist identisch mit einem Schnitt in der xz-Ebene durch einen Torus, der durch Rotation der Erzeugenden um 360 um die Rotationsachse entstanden ist. Ein Vergleich der Strahlrichtungen der beiden Abschnitte M und M^#, die in Fig. 3 um 180 zueinander versetzt sind, zeigt die Änderung in der Achse der Strahlrichtung PA zu ?'A', wie sie sich aus der erfindungsgemäßen Konstruktion ergibt.

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Die Strahlrichtung der sich aus den Einspeisungspunkten H und H' ergebenden Strahlen verläuft in beiden Fällen längs der Achse des Parabelabschnittes und bildet einen Winkel mit der Rotationsachse R. Wegen der Zirkularsymmetrie werden alle ebenen Schnitte des Torus durch die Rotationsachse zeigen, daß .die Achse der Strahlrichtung mit der Rotationsachse einen Winkel bildet. Trotzdem weicht innerhalb eines orthogonalen Koordinatensystems die Strahlrichtung von der Horizontalen ab. Wird der Parabel abschnitt um die Achse R gedreht, erzeugt die Richtung des Strahles PA eine Fläche, die die Form eines Kreiskegels aufweist. Ebene Schnitte durch die Reflektorfläche, welche die Rotationsachse einschließen, sind alle identisch. Ferner sind ebene Schnitte senkrecht zur Rotationsachse alle kreisförmig. Legt man jedoch ebene Schnitte durch die x-Achse und den Reflektor, dann sind die einzelnen Schnitte nicht identisch gleich sondern jeder Schnitt weicht vom anderen ab.

Die Brennpunkte der Parabelabschnitte M und M' sind durch die Punkte F und F⁷ in Fig. 3 gegeben. Wenn der Brennpunkt F um die Rotationsachse R rotiert wird, ergibt sich als geometrischer Ort alier Brennpunkte ein Kreis. In der Praxis fallen Einspeisungspunkt H und Brennpunkt F nicht zusammen. Um beispielsweise den größten brauchbaren Bereich fUr eine vorgegebene Phasentoleranz zu erzielen, hat man festgestellt, daß der Einspeisungspunkt näher am Reflektor liegen sollte als der Brennpunkt. Für den allgemeinen Fall einer nicht par abeiförmige η Erzeugenden kann die Reflektoroberfläche keinen Brennpunkt besitzen. Jedoch läßt sich die optimale Lage des Einspeisungspunkte in diesen Fällen durch den Fachmann in optimaler Weise bestimmen und sie ist nicht notwendigerweise auf eine bestimmte Position beschränkt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können z.B. eine Anzahl reflektierender Flächen verwendet werden, wie dies Fig. zeigt. Der Einspeisungspunkt H könnte in diesem Fall an einer Stelle des optischen Systems liegen, die nicht der Brennpunkt des Toroidreflektors M ist.

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Typische Parameter für die Erzeugung einer nahezu gleichförmigen Phasenverteilung sind der Brennpunkt der Parabel, der Krümmungsradius des Torus und außerdem der Einspeisungspunkt.

Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung lassen sich eine Anzahl feststehender, eine kegelförmige Schwenkbewegung erzeugender Torusantennen über eine große geographische Fläche, wie z.B. die Vereinigten Staaten verteilt, aufstellen. Damit kann man einzeln oder gleichzeitig mit Satelliten Verbindung aufnehmen, die sich in einer quasistationären Umlaufbahn befinden. Es ist dem Fachmann ohne weiteres einleuchtend, daß eine Anzahl solcher auf der Erde befindlicher Antennensysteme Teil eines Nachrichtenübertragungssystems werden könnte, das der gleichzeitigen Übertragung von Nachrichten zwischen einer Erdfunkstation und einer Vielzahl anderer Antennen über Satelliten dienen kann, die sich auf einer quasistationären Umlaufbahn befinden.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Prinzip der Ablenkung einer elektromagnetischen Strahlung von einem Einspeisungspunkt, obgleich es hier für die Funkübertragung nach in einer quasistationären Umlaufbahn sich befindlichen Satelliten beschrieben wurde, auch auf den Empfang elektromagnetischer Strahlung durch solche Antennen angewandt werden. Die Parameter des Systems würden dabei so zu verändern sein, daß sich eine Konvergenz der elektromagnetischen Strahlung durch die Reflektorantenne ergibt.

Selbstverständlich ist es klar, daß die Erzeugende sowie auch die Einspeisung und die Reflektionseigenschaften der konischen Torusantenne entsprechend bekannter Verfahren zum Stand der Technik abgeändert werden können, um besonders wünschenswerte Strahl durchmesser, Formen von Strahlungskeulen oder Abtasteigenschaften zu erzielen, wie sie für ein Sende- oder Empfangssystem erforderlich sind.

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Claims

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PATE N TANS PRÜC HE

1 J Antenne mit Toroidreflektor, bei dem die Reflektorfläche durch Rotation einer Erzeugenden um eine Rotationsachse beschrieben ist, und bei der die Reflektoroberfläche von einem Einspeisungspunkt ausgehende elektromagnetische Energie zu einem Strahlungsbündel zusammenfaßt, das entlang der Strahlrichtung eine Strahlungskeule bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoroberfläche durch Rotation einer Erzeugenden (M) um eine Rotationsachse (R) gebildet ist, die die Achse der Strahlungsrichtung in einem Winkel von mehr als 90° schneidet.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisungspunkte (H) symmetrisch zur Rotationsachse (R) angeordnet sind, so daß die durch die Reflektoroberfläche gebildeten und gerichteten Strahlen längs der Oberfläche oder in der Oberfläche eines Kegels verlaufen.
3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende ein parabeiförmiger Kegelschnitt ist, dessen Achse parallel zur Achse der Strahlungsrichtung liegt.
4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung aus einer Anzahl von selektiv erregbaren elektromagnetischen Strahlern besteht, die längs eines Kreisbogens mit Mittelpunkt auf der Rotationsachse angeordnet sind.
5. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorobeflache eine über 360 gehende Toroidflache bildet, und daß die Einspei-

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sungspunkte so angeordnet sind, daß sich eine kegelförmige Schwenkbewegung der Strahlung über 360 ergibt.
6. Antenne für eine Erdfunkstelle mit Reflektor zur Erzeugung einer Schwenkbewegung der Strahlung längs einer quasistationären Satellitenumlaufbahn, dadurch gekennzeichnet, daß die toroidförmige Reflektoroberfläche durch Rotation einer Erzeugenden mit einer Achse der Strahlrichtung um eine Rotationsachse beschrieben wird, die die Achse der Strahlrichtung in einem Winkel von mehr als 90 schneidet, und daß eine Quelle elektromagnefischer Energie in einem Abstand von dieser Oberfläche angeordnet ist, die diese Oberfläche an strahlt und damit einen Strahl formt und längs der Achse der Strahlrichtung bündelt, so daß die von dieser Antenne nach Punkten auf der quasistationären Umlaufbahn ausgehende Strahlung eine Kegelfläche beschreibt.
7. Verwendung von Antennen gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 in einem SateMitenfunksystem mit einer Mehrzahl auf einer quasistationären Umlaufbahn sich bewegender Satelliten und einer Anzahl von Erdfunkstellen mit feststehenden Reflektorantennen zum Bestreichen eines Gebietes längs der quasistationären Umlaufbahn, dadurch gekennzeichnet, daß jede Antenne eine toroidartige Reflektoroberfläche mit einer Rotationsachse aufweist, daß die Einspeisungspunkte symmetrisch auf einem Kreisbogen um die Rotationsachse angeordnet sind und die reflektierende Oberfläche anstrahlen, die eine Strahlungskeule bildet, die längs der Achse der Strahlungsrichtung gerichtet ist, und daß die Achse der Strahlungsrichtung und die Rotationsachse sich in einem Winkel von mehr als 90 schneiden.

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