DE2812903C2 - Antenne mit einem Primärstrahler, einem Hauptreflektor und einem zu diesem exzentrischen Hilfsreflektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne mit einem Primärstrahler mit Kreisquerschnitt, mit einem Hauptreflektor und einem zu diesem so weit exzentrischen Hilfsreflektor, daß dieser außerhalb des Strahlungsfeldes des Hauptreflektors liegt, wobei die Reflektoren mit ihren konkaven Flächen einander zugewandt und sowohl in ihrem Horizontal- als auch in ihrem Vertikalschnitt zumindest annähernd geometrisch ähnlich zueinander in bezug auf einen zwischen den beiden Reflektoren liegenden, gemeinsamen Fokus sind.

Eine derartige Antenne ist aus IEEE Transactions on Antennas and Progagation, Mai 1974, S. 472—475, bekannt, ohne daß dort nähere Angaben für deren Dimensionierung zur Erzielung einer gleichmäßigen Ausleuchtung bei kleinen Nebenzipfeln und ohne das Entstehen kreuzpolarisierter Wellen insbesondere auch in dem in der Radartechnik häufigen Fall stark voneinander abweichender Diagramme in der Vertikal- und der Horizontalrichtung zu entnehmen sind.

Aus Electronics and Communications in Japan, Band 58-B, Nr. 12,1975, Seiten 71 bis 78 ist eine ähnliche Antenne mit exzentrischem Hilfsreflektor bekannt, bei der aber augenscheinlich sowohl der Hauptreflektor als auch der Hilfsreflektor kreissymmetrisch sind und lediglich die verschiedenen Winkelstellungen von Primärstrahler, Hilfsreflektor und Hauptreflektor zur Vermeidung einer Kreuzpolarisation diskutiert werden.

Aus der GB-PS 14 41 222 ist weiterhin eine Antenne mit Primärstrahler, Hilfsreflektor und Hauptreflektor bekannt, die allerdings nicht wie die Antenne der einleitend genannten Gattung zum Gregory-Typ (Hohlfläche des Hilfsreflektors zur Hohlfläche des Hauptreflektors gewendet) sondern zum Cassegrain-Typ (Konkavfläche des Hilfsreflektors zur Hohlfläche des Hauptreflektors gewendet) gehört und rotationssymmetrische Reflektoren hat Hierbei ist der Primärstrahler relativ weit abgesetzt von dem Hilfsreflektor um eine Abschattung des von dem Hilfsreflektor zu dem Hauptreflektor reflektierten Feldes zu vermeiden. Wegen dieser im Vergleich zur Wellenlänge großen Entfernung kommt es, zumindest bei Verwendung normaler Primärstrahler, also wenn man von aufwendigen Bauformen mit hohem Gewinn und kleinen Nebenzipfeln absieht, bei dem i-lilfsreflektor zu dem sogenannten spill-over, also einer bis über den Rand des Hilfsreflektors hinausgehenden Ausleuchtung desselben, die ihrerseits im Ergebnis zu unerwünschten Nebenzipfeln im Strahlungsdiagramm des Hauptreflektors führt Bei der bekannten Antenne wird i'ieser Nachteil offenbar ganz bewußt in Kauf genommen, um einen astigmatischen Reflektor mittels eines Primärstrahlers ausleuchten zu können, der zur Verringerung der Regen- und Schnee-Empfindlichkeit eine relativ große Apertur hat, die ihrerseits den genannten großen Abstand zu dem Hilfsreflektor bedingt, der seinerseits zur Erzielung einer einigermaßen gleichmäßigen Ausleuchtung des Hauptreflektors astigmatisch sein muß.

Schließlich ist es aus dem Buch Silver: Microwave Antenna Theory and Design, McGraw-Hül Book Company, Inc 1949, S. 474,479—485 bekannt, bei Mikrowellenantennen Reflektoren mit unterschiedlichen Krümmungsradien im Horizontal- bzw. ]n> Vertikalschnitt zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der einleitend angegebenen Gattung weiterzubilden, bei der der Hauptreflektor trotz seines von der Kreisform abweichenden Umrisses gleichmäßig ausgeleuchtet ist und Kreuzpolarisationserscheinungen sowie Nebenzipfel in Folge von spill-over weitgehendst vermieden werden.

Diese Aufgabe ist bei einer Antenne der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reflektoren in ihrem Horizontal- jnd ihrem Vertikalschnitt stark voneinander abweichende Abmessungen haben und astigmatisch sind, und daß die Apertur des Primärstrahlers in der Nähe des gemeinsamen Fokus liegt.

Die Ansprüche 2 und 3 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen dieser Antenne.

In der Zeichnung ist eine Antenne nach der Erfindung anhand mehrerer, beispielsweise gewählter Ausführungsformen schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Antenne mit parabolischem Haupt- und Hilfsreflektor,

F i g. 2 eine Aufsicht auf die Antenne nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Antenne mit doppelt gekrümmten Hauptreflektor und elliptischem Hilfsreflektor,

Fig.4 eine Antenne mit doppelt gekrümmten Hilfsreflektor und von der Kreisform abweichendem Umriß des Hauptreflektors,

F i g. 5 eine Aufsicht auf die Antenne nach F i g. 4 und

Fig.6 eine Antenne, bei der der Hilfsreflektor und der Speisehornstrahler baulich vereinigt sind.

F i g. 1 zeigt eine Antenne mit exzentrischen Reflektoren, die einen konkaven Hauptreflektor 1 parabolischer Form und einen konkaven Hilfsreflektor 2 ebenfalls parabolischer Form umfaßt. Dieser zweite Reflektor liegt exzentrisch in bezug auf den ersten, wodurch sich für die Antenne die durch eine solche Anordnung erzielten Vorteile, insbesondere der Fortfall des Abschuttungseffektes, ergeben. Der Hilfsreflektor 2 wird durch einen Primärstrahler 3, in der Figur einen gcnulc-

ten Hornstrahler, ausgeleuchtet, der eine Welle mit annähernd »reiner« Polarisation liefert Die Reflektoren 1 und 2 sind darüber hinaus geometrisch ähnlich, und zwar zumindest annähernd in bezug auf einen Punkt F, der darüber hinaus die Rolle eines Zwischenbrennpunktes für die gesamte Antenne spielt

Der Hilfsreflektor 2 wird durch den genuteten Hornstrahler 3 im Nahfeld ausgeleuchtet Die von diesem Hornstrahler (im Sendefall) ausgehenden Wellen sind leicht sphärisch oder kugelig und können daher die Einfügung einer Korrekturlinse 4 am Ausgang des Hornstrahlers erforderlich machen, die bewirkt, daß das Nahfeld zu einer ebenen Welle wird. Dann verhält er sich bekanntlich wie eine ideale Huygens'sche Quelle. Das heißt, es liegt eine reine Polarisation vor. Die Ausleuchtung der Außenfläche der Linse besitzt konstante Polarisation mit. einer etwa Gauß'schen Amplitudenverteilung. Da sich der Hilfsreflektor 2 — wie gesagt — im Nahfeld der aus dem Hornstrahler 3 bestehenden Primärquelle befindet, wird er durch eine etwa ebene Welle konstanter Polarisation ausgeleuchtet In F i g. 1 sind verschiedene Strahlen a, b, c, d, a 1, b 1; c 1, d 1, a 2, b 2, c2,d2 eingezeichnet

Wenn man die geometrische Optik als Näherungslösung zugrundelegt was durch die im Nahfeld herrschenden Phasenbedingungen gerechtfertigt ist, und wenn beispielsweise die Polarisation des Hornstrahlers als horizontal angenommen wird, gilt für F i g. 2, die eine Aufsicht auf die Antenne der F i g. 1 zeigt daß die Linien 5 des Stromverlaufes des Hilfsreflektors 2 Schnitten dieses Reflektors mit horizontalen Ebenen entsprechen. Die Reflektoren sind in bezug auf den Zwischenbrennpunkt F geometrisch ähnlich, woraus folgt, daß die entsprechenden Linien 6 des Stromverlaufes des Hauptreflektors 1 ebenfalls Schnitten dieses Reflektors mit horizontalen Ebenen entsprechen. In der Strahiungäöffnung des Hauptreflektors, die die Strahlungsöffnung der Antenne bildet ergibt sich eine Ausleuchtung konstanter, horizontaler Polarisation. Eine Kreuzpolarisation, wie bei den bekannten Antennen mit exzentrischen Reflektoren, tritt nicht auf.

Wenn man mit S den Scheitel der Fläche bezeichnet, der der Hauptreflektor 1 angehört, so ist die Länge des verwendeten, genuteten Hornstrahlers etwas kleiner als die Entfernung SF, die eine Zwischenbrennweite der Antenne darstellt. Dies gestattet die Ausleuchtung des Hilfsreflektors 2 im Nahfeld. Das Feld der von dem Hilfsreflektor 2 reflektierten Welle konvergiert im Bereich des Punktes F, so daß der bis in die Gegend dieses Zwischenbrennpunktes F verlängerte Speisehornstrahler keine Abschattung verursacht. Diese Anordnung gestattet die über den Rand des Hilfsreflektors hinausgehende Strahlung auf einem Minimum zu halten.

Weiterhin ist festzustellen, daß die Verwendung eines genuteten Hornstrahlers, der im Nahfeld strahlt in Verbindung mit dem Umstand, daß die Feldverteilung einer Gauß'schen Glockenkurve entspricht, zu einer raschen Abnahme dieses Feldes außerhalb des Reflektors führt, wodurch sich eine sehr geringe Randstrahlung, die sogar bis auf Null gehen kann, ergibt. Des weiteren ist die frequenzabhängige Änderung dieser Strahlungsverteilung sehr stabil, so daß auch die erhaltene Ausleuchtung selbst sehr frequenzstabil ist.

Die Form dieser Ausleuchtung führt weiterhin zu sehr kleinen Nebenzipfeln.

Vorstehend wurden einige Vorteile der Antenne erläutert.

Die Ausführungsform der Antenne gemäß Fig. 1 ist jedoch mechanisch nicht sonderlich kompakt oder starr, weshalb nachfolgend weitere Ausführungsfornien beschrieben werden, die unter Beibehaltung der grundliegenden Eigenschaften weitere Vorteile bieten.
Beispielsweise ist gemäß F i g. 1 die Einfügung einer Korrekturlinse zwischen der Strahlungsöffnung des genuteten Hornstrahlers 3 und dem Hilfsreflektor 2 vorgesehen. Diese Korrekturlinse ist jedoch unter der Voraussetzung, daß der Hornstrahler hinreichend lang ist

ίο selbst dann nicht unbedingt erforderlich, wenn der Hüfsreflektor nahezu paraboloidförmig bleibt

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Hilfsreflektor 2 Teil eines Ellipsoids ist In diesem Fall ist eine Korrekturlinse nicht erforderlich. Das Ellipsoid, von dem der Hilfsreflektor 2 einen Ausschnitt darstellt hat seinen einen Brennpunkt bei F, dem Streckungszentrum für die geometrisch ähnlichen Reflektoren, und seinen anderen Brennpunkt bei C, dem Phasenzentrum des im Nahfeld von dem genuteten Hornstrahler 3 abgestrahlten Feldes.

F i g. 3 zeigt eine weitere Besonderheit Nicht nur ist der Hilfsreflektor 2 ein Ausschnitt aus einem Ellipsoid sondern der Hauptreflektor 1 braucht auch nicht über seine gesamte, aktive Oberfläche parabolisch zu sein. In diesem Si~ne behält sein oberer Teil AB einen parabolischen Verlauf bei, während sein unterer Teil BD von dem beispielsweise in F i g. 1 gezeigten, parabolischen Verlauf abweicht. Diese Abweichung ist so gehalten, daß der Hauptreflektor einen sogenannttn C-förmigen Verlauf hat Dann kann in bekannter Weise das Strahlungsdiagramm in der Höhenebene beispielsweise Cosecans-Form haben.

Wie aus der Figur erkennbar, reflektiert der untere, verformte Teil des Hauptreflektors 1 die auftreffenden Strahlen zunehmend in Richtung positiver Höhenwinkel. Daher kann die Achse 7 ebenso wie der Speisehornstrahler höhergelegt werden, ohne daß die Gefahr einer Abschattung besteht. Die Antenne erhält dadurch einen gedrängteren Aufbau.

Auch die Ausführungsform gemäß Fig.3 verwirklicht Jen Grundgedanken des vorliegenden Vorschlages, insbesondere der geometrisch ähnlichen Abbildung, vor allem im parabolischen Teil des Hauptreflektors, der die Diagrammkeule erzeugt.

In den zuvor beschriebenen Beispielen wurde davon ausgegangen, daß die Polarisation horizontal ist. Die hierzu gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise auch für eine beliebige, beispielsweise vertikale oder auch zirkuläre Polarisation.

Bei bestimmten Anwendungen kann der Umriß der Reflektoren nicht kreisförmig gehalten werden. Um dessen ungeachtet eine geeignete Ausleuchtung des Hai:ptrc?U;ktors zu erzielen, wird ein genuteter Hornstrahler mit Rechteckquerschnitt benutzt.
Man kann aber aueii den Hornstrahler mit Kreisquerschnitt beib, "ialten und einen Hilfsreflektor mit doppelter Krümmung, also einen astigmatischen Hilfsreflektor, verwenden.

Die F i g. 4 und 5 zeigen im Schnitt und in der Aufsicht eine derartige Ausführungsform, Der Yertikalschnitt 51 und der Horizontalschnitt 52 haben unterschiedliche Krümmung, derart, daß die Ausleuchtung des Hauptreflektors trotz seines von der Kreisform abweichenden Umrisses sichergestellt ist /⁷I und F2 bezeichnen die Brennlinien dieses astigmatischen Systems.

Im Vorstehenden wurde die Verwendung von genuteten Hornstrahlern in den Vordergrund gestellt, die wegen der ihnen innewohnenden Eigenschaften den Auf-

bau von Antennen der hier angegebenen Art ermöglichen. Wenn aber eine nur geringe Bandbreite erforderlich ist, kann der genutete Hornstrahler mit Vorteil durch einen Multimoden-Hornstrahler, also einen Hornstrahler, in dem sich mehrere Wellentypen fort- s pflanzen können, ersetzt werden, welcher einfacher herzustellen ist

Vorstehend wurden Ausführungsformen von Antennen mit exzentrischen Reflektoren beschrieben, bei denen diese Reflektoren geometrisch ähnlich zueinander sind, wobei deren Formen dennoch von der üblichen Parabolform abweichen können und dadurch eine Optimierung der einen oder der anderen Eigenschaft der Antenne wie "wa Gewinn, Diagrammform, Nebenkeulen usw, ermöglichen.

In einer weiteren Ausführungsform der Antenne sind der Speisehornstrahler und der Hilfsreflektor in einer Einheit 8 vereinigt, die — abgesehen von ihrem oberen Teil 9 -- vollständig geschlossen ist. F i g. 6 zeigt eine derartige Ausführungsform.

Die Antenne der angegebenen Art besitzt ferner noch den Vorteil, daß ihr Hauptreflektor eine kurze Brennweite aufweist, was eine Verminderung des Platzbedarfes in der Antennenachse begünstigt, und daß die speiseleitungsseitige öffnung 10 des Hornstrahlers 3 nahe der vertikalen Drehachse 11 des Drehturmes oder Antennenträgers 12 liegt, was eine kurze Verbindung zwischen der Drehkupplung 13 und dem Hornstrahler ermöglicht

Bei Verwendung der Antenne für Verfolgungszwecke arbeitet der als den Hilfsreflektor ausleuchtende Primärquelle benutzte Hornstrahler vorzugsweise im Monopulsbetrieb.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Antenne mit einem Primärstrahler mit Kreisquerschnitt, mit einem Hauptreflektor und einem zu diesem so weit exzentrischen Hilfsreflektor, daß dieser außerhalb des Strahhingsfeldes des Hauptreflektors liegt, wobei die Reflektoren mit ihren konkaven Flächen einander zugewandt und sowohl in ihrem Horizontal- als auch in ihrem Vertikalschnitt zumindest annähernd geometrisch ähnlich zueinander in bezug auf einen zwischen den beiden Reflektoren liegenden, gemeinsamen Fokus sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (1,2) in ihrem Horizontal- und ihrem Vertikalschnitt stark voneinander abweichende Abmessungen haben und astigmatisch sind, und daß die Apertur des Primärstrahlers (3) in der Nähe des gemeinsamen Fokus (F) liegt

2. Antenne nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler (3) ein genuteter Hornstrahler ist, dessen Länge etwas kleiner als die Entfernung zwischen dem Scheitel der den Hauptreflektor (1) enthaltenden Fläche und dem gemeinsamen Fokus (F) ist

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Primärstrahler (3) und dem Hilfsreflektor (2) eine Korrekturlinse (4) angeordnet ist

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