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Richtstrahlantenne mit schwachen Nebenkeulen Die Erfindung betrifft
Richtstrahlantennen für Zentimeter- und Nillimeterwellen-Richtfunk, für Radar usw.,
insbesondere eine Richtfunkantenne der Offset-?ype (Verschiebungstype) mit einer
Vielzahl von Reflektoren.
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Mit dem raschen Ansteigen der Anforderungen nach Nachrichtenverbindungen
auf der Erde und mit Satelliten in den letzten Jahren sind die dafür verwendbaren
Frequenzbänder stark überbesetzt. Es ist deshalb ein ernstes Problem, den begrenzten
Radiowellenbereich dieser Frequenzbänder möglichst wirkungsvoll auszunutzen.
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Eine sehr wirkungsvolle Maßnahme, um mit diesem Problem zurecltmkommen,
ist die, die Abstrahlung in nichtbenötigten Richtungen so stark wie möglich zu unterdrücken
und Empfang von Radiowellen aus unerwünschten Richtungen zu vermeiden, was mit anderen
Worten bedeutet, daß stark verbesserte Antennen mit schwachen Nebenkeulen verwendet
werden müssen, Um derartige Antennen zu erhalten, sind von zahlreichen Entwicklungsgruppen
Untersuchungen und Studien mit hohem Eifer betrieben worden. Die bisherigen Antennen
erfüllen jedoch die an sie gestellten Anforderungen nicht zur Zufriedenheit.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine in wesentlichen Dingen
verbesserte Richtstrahlantenne mit schwachen Nebenkeulen zu schaffen, die den obengenannten
Anforderungen entspricht und die im Vergleich zu den bekannten Antennen einen besseren
Verstärkungsfaktorverlauf hat.
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Eine Richtstrahlantenne mit schwachen Nebenkeulen gemäß der Erfindung
weist einen Hauptreflektor in der Form eines Rotationsparaboloid und wenigstens
einen Nebenreflektor auf.
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Nach dem Prinzip der Erfindung sind ein Primärabstrahler und der Nebenreflektor
der Antenne außerhalb ein begrenzten Betrachtungsraums des EaXtreflektors installiert
mit dem Ziel, den Hauptreflektor nicht abzuschirmen oder zu blockieren und
in
der Öffnung des Hauptreflektors eine Bestrahlungsverteilung zu erhalten, die zur
Achse des Hauptreflektors symmetrisch ist, wobei diese Achse durch das Öffnungszentrum
des Hauptreflektors verläuft. Der begrenzte Betrachtungsraum ist definiert durch
einen Strahlenraum eines Lichtes, das entlang der Achse des Hauptreflektors von
einem Punkt im Unendlichen ankommt und durch die Öffnung des Hauptreflektors aufgenommen
wird. Als Ergebnis vorstehender Eonstruktion können Nebenkeulen, die sich durch
den Abschirmungseffekt durch den Primärstrahler und den Nebenreflektor ergeben,
wirksam ausgeschaltet werden.
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Das Wesen, der Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung geht aus
der nun folgenden genauen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung in
Verbindung mit der Zeichnung hervor. Es zeigen: Fig. 1 Strahlungscharakteristiken
verschiedener bekannter Antennen; Fig.2A eine schematische Darstellung einer bekannten
Richtantenne und ihre wirksame oeffnung; Fig.2B eine schematische Darstellung einer
imaginären Richtantenne, die der Richtantenne nach Fig. 2A äquivalent ist; Fig.
9 Strahlungscharakteristiken von Leistungsabstrahlungen der obigen imaginären Antenne
und herkömmlicher Parabolantennen;
Fig. 4 eine schematische Ansicht
einer üblichen asymmetrischen (Offset) Parabolantenne zusammen mit ihrer Feldverteilung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig.
6 eine schematische Darstellung des geometrischen Verlaufs von Radiowellen und der
Feldverteilung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; und Fig. 7 eine schematische
Darstellung mit genauer Angabe des geometrischen Verlaufs der Radiowellen und der
Feldverteilung eines weiteren Ausfiihrungsbeispiels der Erfindung.
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Es soll nun eine Zusammenfassung der technischen Grundlagen der Erfindung
gegeben werden, bevor in eine genauere Erläuterung von Einzelheiten der Erfindung
eingetreten wird.
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Antennen wie Parabolantennen - Kurve I in Fig. 1 -, Cassegrain-Antennen
- mit Kurve II in Fig. 1 - und Horn-Reflektorantennen - Kurve III in Fig. 1 - sind
in praktischer Verwertung als hochverstärkende Richtantennen eingesetzt worden.
Die Parabolantenne (I) ist im Aufbau sehr einfach, hat jedoch den Nachteil, daß
ihre Arbeitsfrequenz im wesentlichen durch den Öffnungsdurchmesser des Primärstrahlers
festgelegt ist und daß die Pegel der Seitenkeulen nahe der Hauptachse der Antenne
beträchtliche Größe erreicht. Die Cassegrain-Antenne (II) hat Nachteile wegen ihrer
ziemlich komplizierten Konstruktion, während andererseits eine Vielzahl
von
Reflektoren eine verhältnismäßig große Freiheit in ihrer Bemessung und Auslegung
zulassen. Eine solche Antenne ist z.B über einen sehr großen Frequenzbereich verwendbar,
wenn der Nebenreflektor nahe am Primärstrahler angebracht wird, und auch der Verstärkungsfaktor
der Antenne kann äußerst hoch gemacht werden durch geeignete Formgebung der Spiegelflächen
(siehe hierzu Journal of the Institute of Electronic Communication Engineers of
Japan, 52-B, Februar 1969; Mizusawa: "Effect of the Scattering Pattern of the Subreflector
on Radiation Characteristics of Shaped-Reflector Cassegrain Antennas1). Die Horn-Re.flektorantenne
(III) schließlich ist bezüglich der Nebenkeulen besonders verbessert worden, doch
ist wegen der Asymmetrie ihrer Strahlungsverteilung in der Öffnung die Querpolarisationscharakteristik
schlecht, und ausserdem ist sie teuer in der Herstellung.
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Fig. 1 zeigt verschiedene Strahlungsverteilungen der vorstehend beschriebenen
drei Antennentypen. Es läßt sich aus der Fig. 1 sehen, daß die durch die Kurve III
dargestellte Horn-Reflektorantenne im Vergleich zu den anderen beiden Antennentypen,
die mit den Kurven I und II wiedergegeben sind, bezüglich der Seitenkeulenpegel
ausgezeichnet ist. Die Linie Li ist ein isotroper Pegel.
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Die starken Seitenkeulenpegel der anderen zwei Antennen haben ihre
Ursache darin, daß die Antennenöffnungen durch die Primärstrahler und die Nebenreflektoren
versperrt sind. Dies läßt sich leims inin Verbindung mit den Fig. 2A und 2B verstehen.
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Wenn einmal angenommen wird, daß der Reflektor 1 der Parabolantenne
in Fig. 2A einen Durchmesser D seiner Öffnung hat, so wird diese Öffnung durch den
Primärstrahler 2 mit einem Durchmesser d teilweise versperrt, so daß die tatsächlich
aus der Antennenöffnung abgestrahlten Radiowellen den Radiowellen äquivalent sind,
die durch gegenseitige Uberlagerung der entgegengesetzten Phasen der Radiowellen
entstanden sind, -die von den imaginären zwei Antennenöffnungen mit den Durchmessern
D und d in Fig. 2B abgestrahlt werden. Mit anderen Worten, die Verteilung der Leistungsabstrahlung
einer derartigen Parabolantenne ist annähernd gleich der zusammengesetzten Leistungsabstrahlungsverteilung
zweier imaginärer Antennengemäß der Darstellung der Fig. 2B. Dies ist in der Fig.
3 dargestellt, in der eine tiberlagerung der Strahlungsverteilung a und b der zwei
imaginären Antennen mit den Offnungsdurchmessern D und d etwa eine Strahlungsverteilung
c der Parabolantenne ergibt. Eine entsprechende Erklärung kann für den Abschirmungseffekt
einer Cassegrain-Antenne gegeben werden.
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Neben der Horn-Reflektorantenne wurde eine asymmetrische Parabolantenne
als Reflektorantenne ohne derartigen Absperr-oder Abschirmeffekt vorgeschlagen.
Eine solche ist in Fig. 4 gezeigt. (Siehe Review of the Radio Research laboratories
in Japan, Vol.8, No. 35, March 1962; Uda: "A study öf an Offset Feeding-type Paraboloidal
Antenna"). Die in Fig. 4 gezeigte asymmetrische Parabolantenne hat einen Primärstrahler
2, der im Brennpunkt des Reflektors 1 installiert ist, der ein Rotationsparaboloid
ist. Eine derartige Antenne benötigt jedoch naturgemäß einen großen Öffnungswinkel
als Parabolantenne, so daß der Durchmesser des Primärstrahlers kleingemacht werden
muß bis zur Größenordnung der Betriebswellenlänge, wodurch die Arbeitsfrequenz entsprechend
begrenzt ist. Wie außerdem durch gestrichelte Linien in Fig. 4 angedeutet, ist der
Streuungsleistungsverlust oder die Streuung von Radiowellen im Randbereich des Hauptreflektors
beträchtlich, und die Nebenkeulen nach rückwärts und seitwärts werden groß. Bei
einer derartigen asymmetrischen Parabolantenne ist außerdem die Strahlungsverteilung
in der Öffnung asymmetrisch, was die Fig.
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4 zeigt, und die Querpolarisationscharakteristik ist ziemlich schlecht.
Aus diesem Grunde werden asymmetrische Parabolantennen außer für Spezialanwendungsfälle
nicht mit großer Verbreitung benutzt, obgleich sie bereits vor längerer Zeit zur
Verwendung vorgeschlagen wurden.
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In der Zwischenzeit sind Antennen wie offene Cassegrain-Antennen
und Cashorn-Antennen usw. als besondere Ausführungsformen der Cassegrain-Antennenvorgeschlagen
worden (siehe Miya, Buch unter dem Titel "NewSatellite Gommunication Engineering";
1972, Rateisu Co.,Japan) Bei beiden Antennenarten kann die auf einen Nebenreflektor
zuriickzuführende Sperrwirkung ausgeschlossen werden Da jedoch der Primärstrahler
im Zentrum des Hauptreflektors angebracht ist, bleibt dessen Sperreffekt weiterhin
erhalten, und die Nebenkeule in unmittelbarer Nähe des Eauptstrahls ist beträchtlich
Außerdem ist die Strahlungsverteilung in der Offnungeiner derartigen Antenne asymmetrisch.
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Es wird deshalb mit der Erfindung eine Antenne mit asymmetrisdher
Öffnung geschaffen, in der die obengenannte SperrKirkungvollkommen ausgeschlossen
ist, bei der Nebenkeulen unterdräckt werden können, die auf den Antennenrand überflutende
Beistungsabstrahlungdes Hauptreflektors zurückzuführen sind und die ein derartig
breites Arbeitsfrequenzband wie die Cassegrain-Antenne hat, wobei ferner die Möglichkeit
besteht, die Strahlungsverteilung der Offnungbezüglich der Mittelachse des Hauptreflektors
praktisch symmetrisch zu gestalten.
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Fig. 5 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar,in
der mit 1 ein Hauptreflektor in Gestalt eines Rotationsparaboloids dargestellt ist,
dessen Brennpunkt im Pitt 4 liegt. 5 ist tZentrum der von einem Primärstrahler 2
abgestrahlten Radiowelle. Ein Nebenreflektor 3 hat ebenfalls die Forn eines Rotationsparaboloids
mit den einander entsprechenden Brennpunkten 4 und 5. Der Primärstrahler weist einen
Trichter 2 auf, dessen Scheitel im Punkt 5 liegt. Die Richtung der Antennenstrahlung
ist durch den Pfeil 6 angegebene In der Fig. 5 ist der Trichter 2 mit dem Nebenreflektor
3 zusammengebaut, so daß sich auf den ersten Blick die Gestalt einer Horn-Reflektorantenne
ergibt. Der Trichter und der Nebenreflektor müssen jedoch nicht unbedingt in eins
zusammengefaßt werden. Der Primärstrahl er 2 und der Nebenreflektor 3 befinden sich
außerhalb eines begrenzten Abstrahlraums 10 des Hauptreflektors 1.
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Dieser begrenzte Lichtraum 10, d.h. der abgegebenen Strahlung vom
Hauptreflektor 1 ist definiert durch den Raum, den ein Lichtstrahlenbündel einnimmt,
das parallel zur Achse des Hauptreflektors 1 von einem Punkt aus unendlicher Entfernung
durch die Öffnung des Hauptreflektors aufgenommen wird. Die Achse des Nebenreflektors
3 schließt mit der Achse des Hauptreflektors 1 einen Winkel ß ein. Die Achse des
Rotationsellipsoids des Nebenreflektors 3 fließt mit der Wandung des
Trichters
2 einen Winkel OC. ein.
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Infolge der. vorstehend beschriebenen Konstruktion werden bei Verwendung
dieser Antenne als Empfangsantenne sämtliche Radiowellen, die aus der Richtung 6
ankommen, vom Hauptreflektor 1 so reflektiert, daß sie durch den Brennpunkt 4 hindurchgehen.
Danach werden sie erneut durch den Nebenreflektor 3 reflektiert, derart, daß sie
alle in Punkt 5 zusammentreffen und den Strahlengang 7 erreichen. Da keine Hindernisse
vorhanden sind, die die Radiowellen auf ihrem Weg aus dem Sichtraum 10 auf den Reflektor
1 in der ankommenden Richtung 6 behindern könnten, ist unerwünschte Strahlung in
andere Richtungen als die beabsichtigte aufs äußerste verringert, womit eine Antenne
mit schwachen Nebenkeulen geschaffen ist. Da außerdem der Öffnungsbereich der Antenne
um so vlies ansteigt, wie es der sonst gesperrten Fläche quivalent ist, wird eine
um soviel bessere Verstärkung erzielt.
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Das gleiche gilt dann, wenn die beschriebene Antenne gemäß der Erfindung
als Ubertragungsantenne verwendet wird.
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Die vorstehende Beschreibung hat gezeigt, daß der Primärstrahler
und der Nebenreflektor dieser Mehrreflektor-Richtantenne außerhalb der oeffnung
des Hauptreflektors, gesehen in dessen Hauptabstrahlrichtung, angeordnet sind. Es
lassen sich zahlreiche Vorteile erzielen, wie nachstehend
beschrieben
wird.
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Bei einer Richtantenne mit einem Hauptreflektor und zusätzlich wenigstens
einem Nebenreflektor können, da die Flächen derartiger Reflektoren in geeigneter
Weise modifiziert werden können, die Nebenkeulen wirksam dadurch weitervermindert
werden, daß beispielsweise die Ausleuchtungsverteilung der Offnung des Hauptreflektors
an die Taylor-Verteilung angenähert wird. Die Antenne kann außerdem mit einer bemerkenswert
hohen Verstärkung ausgestattet werden, indem die Amplituden- und die Phasenverteilung
über die Antennenöffnungsfläche vergleichmäßigt wird, indem der Reflektor beispielsweise
wie bei einer Gassegrain-Antenne geformt wird. Daß derartige Versuche zur Reduzierung
der Nebenkeulen durch Modifizierung der Oberfläche in oben beschriebener Weise nicht
so weitgehend durchgeführt worden waren, kann den Grund darin haben, daß die auf
Versperren durch den Primärstrahler oder den Nebenrefle4tor zurückzuführenden Nebenkeulen
um soviel größer sind und daß die Versuche, durch Oberfiächenmodifizierung Einfluß
zu nehmen, daher bedeutungslos waren. Da die Antenne gemäß der Erfindung als Mehrreflektor-Antenne
jedwedes Versperren vermeidbar macht, ist nun der Weg frei zu entsprechender Gestaltung,
um eine Antenne mit geringst-möglichen Seitenkeulen oder maximaler Verstärkung zu
erhalten.
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Bei herkömmlichen Horn-Reflektorantennen, asymmetrischen Parabolantennen,
offenen Cassegrain-Antennen usw. nimmt die Radiowellenflußdichte, die vomBrennpunkt
des Hauptreflektors abgestrahlt wird, gegen die Ränder der Öffnung der Antenne ab,
und die Strahlungsverteilung über die Öffnung wird unsymmetrisch. Aus diesem Grunde
war die Querpolarisationscharakteristik ziemlich schlecht. 3ei der Erfindung jedoch
kann die Dichte der Radiowellenflußverteilung, die unter gleichen Winkeln abgestrahlt
wird, praktisch symmetrisch zur Achse des Hauptreflektors gemacht werden, wenn auch
der Winkel p zu Null gemacht wird, wie dies in der Fig. 6 dargestellt ist, so daß
die Flußverteilung der Radiowellen praktisch gleichförmig ist. Das hat den folgenden
Grund: Nachdem der Radiowellenfluß 8, der unter gleichen Winkeln vom äquivalenten
Phasenzentrum 5 des Primärstrahlers abgestrahlt wurde, am Nebenreflektor 3 reflektiert
wurde, der ein Rotationsellipsoid ist, und durch den gemeinsamen Brennpunkt 4 hindurchgegangen
ist, wird der Fluß vorübergehend asymmetrisch. Dieser nun asymmetrische Fluß wird
jedoch am Hauptreflektor 1 abermals reflektiert, wodurch die Asymmetrie des Radiowellenflusses
aufgehoben und die ursprüngliche symmetrische Strahlungsverteilung wieder hergestellt
wird. Daraus ergibt sich, daß die Antenne im Hinblick auf die Querpolarisationscharakteristik
eine äußerste Verbesserung erfahren hat.
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In herkömmlichen asymmetrischen Parabolantennen tritt Strahlung vom
Primärstrahler über den Rand des Hauptreflektors hinweg, woraus sich die seitwärtigen
und rückwärtigen Nebenkeulen ergeben. Da bei der Erfindung jedoch der Durchmesser
des Nebenreflektors ziemlich groß gemacht werden kann, können die Radiowellen, die
vom Nebenreflektor zum Hauptreflektor geleitet werden, im wesentlichen in eins Sektorverteilung
geformt sein. Somit ist der Energieanteil, der über den Rand des Hauptreflektors
übertritt, sehr gering, und di,e ruckwärtigen und seitwärtigen Nebenkeulen bleiben
dadurch sehr klein.
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Die anderen Vorteile der Antenne nach der Erfindung sind Erhöhung
des Betriebsfrequenzbandes auf die Breite wie bei Cassegrain-Antennen, während das
Frequenzband herkömmlicher asymmetrischer Parabolantennen erheblich begrenzt ist,
während außerdem die unterst mögliche Betriebsfrequenz niedriger gemacht werden
kann als bei den herkömmlichen Cassegrain-Antennen. Bei den üblichen asymmetrischen
Parabolantennen ist die Wellenlänge begrenzt durch-den Öffnungsdurchmesser des Primärstrahlers,
wie oben bereits dargelegt, während bei herkömmlichen Cassegrain-Antennen die Strahlbreite
des Primärstrahlers anwächst, wenn die Betriebsfrequenz gesenkt wird.
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Wenn also eine niedrigere Frequenz verwendet werden soll wird das
Öffnungsdurchmesserverhältnis des Hauptreflektors zum Primärstrahler oder zum Nebenreflektor
sehr klein. Mit
anderen Worten die Sperrwirkung steigt an.und der
Verstärkungsgrad nimmt ab. Aus diesem Grunde haben herkömmliche Antennen eine unterste
Grenzbetriebsfrequenz.. Da bei der Antenne gemäß der Erfindung weder der Primärstrahler
noch ein Nebenreflektor vor dem Hauptreflektor liegen, können ihre jeweilige Größe
frei gewählt werden, so daß diese Antennen auch für ziemlich niedrige Frequenzen
noch verwendbar sind.
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Der Rebenreflektor 3 hat die Gestalt eines Rotationsellipsoides bei
dem oben beschriebenen Ausführiingsbeispiel. Es kann jedoch als Reflektoroberfläche
des Nebenreflektors 3 auch ein Rotationshyperboloid verwendet werden, wie diese
die Fig. 7 zeigt.
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Wenn bei Antennen gemäß der Erfindung der Hauptreflektor und die
Nebenreflektoren Flächen zweiter Ordnung sind, wie sie in den Fig. 5 und 7 gezeigt
sind, läßt sich unter Beachtung folgender Beziehung eine vollständig symmetrische
Strahlungsverteilung erzielen:
worin bedeuten e: Exzentrizität eines Rotations-Ellipsoides (oder -Tlyperboloides)
des Nebenreflektors;
Winkel zwischen der Hauptachse des Rotationsparaboloids
des Hauptreflektors und des Rotationsellipsoides (oder -Hgperboloides) des Nebenreflektors;
Winkel zwischen der Achse des Rotationsellipsoides (oder -Hyperbolnides) des Nebenreflektors
und der Achse des Primärstrahlers.