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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Antennen und insbesondere eine quadratische
Mehrmodenhornantenne mit hohlraumunterdrückten Moden höherer Ordnung.
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2. Beschreibung des allgemeinen
Standes der Technik
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Kommunikationssatelliten
sind in weit verbreitetem Gebrauch. Die Kommunikationssatelliten werden
eingesetzt, um Fernseh- und Kommunikationssignale für den öffentlichen,
privaten und militärischen
Gebrauch um die Welt zu verteilen.
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Die
Hauptanforderungen hinsichtlich des Entwurfs von Kommunikationssatelliten
sind die Antennenstrahlüberdeckung
und die ausgestrahlte Hochfrequenz (HF) Leistung. Diese zwei Entwurfsanforderungen
werden typischerweise als übergeordnet
bei der Satellitenentwicklung angesehen, da sie festlegen, welche
Kunden auf der Erde in der Lage sein werden, Satellitenkommunikationsdienste
zu empfangen. Ferner wird das Satellitengewicht zu einem Faktor,
da die Trägerfahrzeuge
in Bezug auf Gewicht begrenzt sind, das sie in die Umlaufbahn bringen
können.
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Viele
Satelliten werden über
festen Überdeckungsgebieten
betrieben, die geographisch durch die Strahlüberdeckung und die verfügbare HF-Leistung
begrenzt sind. Die Ineffizienz der HF-Systeme, Verluste aufgrund von Kabeln,
und andere Systemeinschränkungen
begrenzen die verfügbare
Leistung des Gesamtsystems, und als solches begrenzen sie die Signalstärke, die
für die
Kommunikationsverbindungen verfügbar
ist. Um eine stabile verlässliche
Kommunikationsverbindung bereitzustellen, muss das geographische
Gebiet, das von dem Satelliten bedient wird, begrenzt sein.
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Viele
Satellitensysteme würden
effizienter sein, wenn sie Speisehörner bzw. Einspeisehörner enthielten,
die eine höhere
Verstärkung
oder effizientere Einspeisehornsysteme besäßen. Allerdings sind die bekannten
Speisehörner,
die eine erhöhte
Effizienz besitzen, größer und
schwerer als die Standard-Antennen,
und erfordern als solches größere Nutzlastvolumina.
Ferner erhöht
das gestiegene Gewicht die Startkosten.
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Unterschiedliche
Einspeisehorn-Entwürfe sind
in FR-A-2 739 226, US-A-4 764 775 oder
DE 21 41 142 A offenbart.
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Es
gibt im Stand der Technik ein Bedürfnis nach Antennensystemen
mit erhöhter
Effizienz. Es gibt ebenfalls ein Bedürfnis im Stand der Technik nach
Antennensystemen, die effizientere Einspeisehörner haben, die vergleichbar
in Größe und Gewicht
sind. Es gibt ebenfalls ein Bedürfnis
im Stand der Technik nach Antennensystemen, die eine vollständigere
Benutzung des Raums bereitstellen, ohne die Kosten der Herstellung
und des Betriebs eines Satelliten dramatisch zu erhöhen. Es
gibt ebenfalls ein Bedürfnis
im Stand der Technik nach Antennenelementen in Grup penanwendungen
mit höherer
Elementeffizienz, so dass die Anzahl der Elemente reduziert werden
kann. Eine Reduzierung der Anzahl der Elemente in einer Gruppenantennenanwendung
reduziert die Anzahl der Speisekomponenten und Verstärker, verringert
die Masse des Systems und reduziert die Kosten und die Antennenkomplexität.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
diese Beschränkungen
im Stand der Technik, wie sie zuvor beschrieben wurden, zu überwinden
und um die Beschränkung
zu überwinden,
die sich beim Lesen und Verstehen der vorliegenden Beschreibung
ergeben werden, offenbart die vorliegende Erfindung eine Antennenvorrichtung
nach Anspruch 1, die eine erhöhte
Effizienz besitzt.
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Eine
erfindungsgemäße Antenne
stellt ein Antennensystem mit vergrößerter Effizienz bereit. Eine
erfindungsgemäße Antenne
stellt ebenfalls ein Antennensystem bereit, das Speisehörner mit
erhöhter
Effizienz besitzt, die in Größe und Gewicht
vergleichbar sind. Eine erfindungsgemäße Antenne stellt ebenfalls
Antennengruppensysteme bereit, die eine vollständigere Ausnutzung des Raums
ermöglichen,
ohne die Kosten der Herstellung und des Betriebs eines Satelliten
dramatisch zu erhöhen.
Ferner stellt die erfindungsgemäße Antenne
Antennenelemente in Gruppenanwendungen bereit, die höhere Elementeffizienz
besitzen, derart, dass die Anzahl der Elemente reduziert werden
kann.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen ähnliche
Bezugszeichen durchweg entsprechende Teile bezeichnen:
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Einspeisehorns aus dem Stand der Technik;
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2 zeigt
ein Stufenhorn aus dem Stand der Technik;
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3 zeigt
das Hohlraum-Einspeisehorn der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt die Strahlungseffizienz des Einspeisehorns
der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik;
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4b–4G zeigen
alternative Ausführungsformen
des Hohlraum-Einspeisehorns der vorliegenden Erfindung;
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5A–5C zeigen
die Apertur-Feldverteilungen für
verschiedene Entwürfe
der Einspeisehörner
einschließlich
des Einspeisehorns der vorliegenden Erfindung;
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6 zeigt
die Rücksignalverlustleistung
eines Hohlraumeinspeisehorns der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
typische Strahlungsmuster eines Hohlraumeinspeisehorns der vorliegenden
Erfindung;
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8 zeigt eine Seitenansicht des Hohlraumeinspeisehorns
der vorliegenden Erfindung;
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8b zeigt
den Vergleich zwischen dem gemessenen und dem berechneten Strahlungsmuster
des Hohlraumeinspeisehorns der vorliegenden Erfindung; und
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9 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte darstellt, die zur Ausführung einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung benutzt werden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In
der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil der
Beschreibung sind und in denen illustrativ eine spezifische Ausführungsform
gezeigt ist, in der die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht
sich, dass andere Ausführungsformen
verwendet werden können
und strukturelle Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Überblick
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Viele
Satelliten werden über
festen Abdeckungs- bzw. Erfassungsgebieten betrieben, die geografisch
durch die Strahlabdeckung und die verfügbare HF-Leistung begrenzt
sind. Die Ineffizienzen der HF-Systeme, Kabelverluste und andere
Systemeinschränkungen
begrenzen die verfügbare
Leistung des Gesamtsystems und begrenzen somit die Signalstärke, die
für die
Kommunikationsverbindungen verfügbar
ist. Um eine stabile verlässliche Kommunikationsverbindung
bereitzustellen, muss das von dem Satelliten bediente geographische
Gebiet beschränkt
sein.
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Viele
Satellitensysteme würden
effizienter arbeiten, wenn sie Speise- bzw. Einspeisehörner enthielten,
die kleiner und effizienter wären.
Die bekannten Speisehörner,
die eine vergrößerte Verstärkung besitzen,
sind jedoch größer und
schwerer als die Standard-Antennen und erfordern folglich größere Nutzlastvolumina.
Ferner steigen die Startkosten durch das vergrößerte Gewicht.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein hocheffizientes quadratisches
Mehrmodenhorn, das als Strahlerelement für eine Gruppe sowie als Reflektorantenne
geeignet ist. Das Horn der vorliegenden Erfindung kann in Kommunikationssatelliten
eingesetzt werden, sowie bei anderen Antennenanwendungen. Das Horn
hat eine über
90%-ige Effizienz und kann eine duale Polarisation handhaben, bspw. eine
vertikale/horizontale Polarisation oder eine links/rechts Zirkularpolarisation.
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Die
vorliegende Erfindung benutzt eine Kavität bzw. einen Hohlraum, um unerwünschte Moden des
abgestrahlten Signals zu unterdrücken.
Typischerweise sind bei einem Transverse Electric (TE) TE10- und TE01-Moden
Eingangswellenleiter quadratischer Form, die unerwünschten
Moden die Transverse Electric (TE)12 und die Transverse Magnetic (TM)12
Mode. Die Leistung der unerwünschten
Moden wird umgelenkt oder in gewünschte
Moden höherer
Ordnung umgewandelt, typischerweise die TE30-
und TE03-Moden, die zusätzlich zu den dominierenden
TE10- und TE01-Moden
eine gleichmäßigere Bestrahlung
der H-Ebene der Antenne erzeugen. Diese gleichmäßigere Bestrahlung der H-Ebene
erzeugt ein Horn höherer
Effizienz.
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Beschreibung
des Hohlraums
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines bekannten Speisehorns. Das Speisehorn 100 besteht typischerweise
aus einer Strahlungskammer 102 und Antennenwänden. Die
Strahlungskammer 102 ist typischerweise das offene Ende
eines Wellenleiterstücks,
kann aber einstückig
sein mit der Antenne und zur Verbindung mit einem HF-System über Kabel,
falls gewünscht.
Die Strahlungskammer 102 ist an Antennenwänden 104 an
der Öffnung 106 angebracht.
Die Antennenwände 104 begrenzen
die Strahlung, die in der Strahlungskammer 102 erzeugt wird
und richten die Strahlung in eine bestimmte Richtung. Die Antennenwände 104 bilden
eine Pyramidenform und das Speisehorn 100 wird als solches typischerweise
als Pyramidenhorn 100 bezeichnet.
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Pyramidenhörner 100 werden
allgemein als Strahlerelemente in phasengesteuerten Gruppenantennen
oder als Speiseelemente für
geformte Reflektorantennen bei Kommunikationssatelliten eingesetzt.
Pyramidenhörner
strahlen elektromagnetische Strahlung in der TE10-Mode
aus. Die typischen Größen dieser Pyramidenhörner 100 liegen im
Bereich von 1,8 Wellenlängen
auf etwa 4,0 Wellenlängen, d.h.
bei einer Frequenz von 8 GHz ist die Wellenlänge etwa 3,75 Zentimeter (cm),
was zu einer Länge des
Pyramidenhorns von 6,75 cm bis 15 cm führt. Bei solchen großen Antennenhornabmessungen
leiden die Pyramidenhörner 100 an
großen
Phasenfehlern über
die Apertur 108 und besitzen eine zum Rand der Apertur 108 abfallende
Bestrahlung in der H-Ebene. Das Ergebnis dieser beiden Effekte besteht
darin, dass die Effi zienz dieser Pyramidenhörner 100 typischerweise
im Bereich von 75% bis 80% liegt und leiden an den Nachteilen der
großen
axialen Länge.
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2 zeigt
ein Stufenhorn aus dem Stand der Technik. Die Effizienz eines typischen
Pyramideneinspeisehorns kann um etwa 85% verbessert werden, indem
die TE30-Mode zusätzlich zu der dominierenden
TE10-Mode des Pyramidenhorns 100 eingeführt wird.
Das Stufenhorn 200 benutzt einen Stufenübergang 202 in den
Antennenwänden 204,
um eine andere Strahlungsmode zu erzeugen, die TE30-Mode,
aus den Signalen, die aus der Öffnung 206 ausgehen.
Der Stufenübergang 202 erzeugt
jedoch auch andere Moden des Signals, bspw. die unerwünschten
TE10- und TM12-Moden,
die die Effizienz des Stufenhorns 200 beschränken. Die
axiale Länge
des Stufenhorns 200 ist typischerweise kürzer als
die eines vergleichbaren Pyramidenhorns 100.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
des Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende
Erfindung ist ein Hohlraumspeisehorn 300 mit einem Hohlraum
bzw. einer Kavität 302,
die zwischen den Öffnungen 304 und
der Apertur 306 des Hohlraumspeisehorns 300 liegt,
um die unerwünschten
TE12- und TM12-Übertragungsmoden
zu unterdrücken.
Der Hohlraum 302 wandelt ebenfalls die Leistung in den
unerwünschten
TE12- und TM12-Moden
in die gewünschten
TE10- TE30-Moden um,
um die Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300 zu verbessern.
Der Hohlraum 302 macht die Ausleuchtung der Apertur 306 gleichmäßiger und
erhöht die
Effizienz auf etwa 92%. Die Umrisslinie 308 der Apertur 306,
die ein Längsquerschnitt
des Hohlraumspeisehorns 300 ist, bleibt im Wesentlichen
quadratisch. Das Hohlraumspeisehorn 300 ist etwa 12% effizienter
als das Pyramidenhorn 100 und 6% effizienter als das Stufenhorn 200.
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Diese
Steigerung der Effizienz des Horns 300 kann benutzt werden,
um die Anzahl der Hornelemente 300 in einer Antennengruppe
zu reduzieren, um gleiche Leistung wie bei einer Gruppe mit Pyramidenhörnern 100 zu
erreichen, oder um die HF-Leistung um etwa 12% bis 17% zu reduzieren,
die zum Anregen eines Speisehorns 300, oder einer Gruppe von
Speisehörnern 300 im
Gegensatz zu einem Pyramidenhorn 100 oder einer Gruppe
von Pyramidenhörnern 100 benötigt wird.
Diese Reduktion der Anzahl der benötigten Hörner 300 verringert
das Gewicht und die erforderliche Leistung des Antennensystems,
und reduziert damit die Herstellungskosten und die Betriebskosten.
Ferner verringert die Reduktion der HF-Leistung, die zur Vervollständigung
der Kommunikationsverbindung erforderlich ist, das Gewicht der Energieversorgung,
die auf dem Satelliten benötigt
wird, und reduziert damit die Kosten und das Gewicht des Weltraumfahrzeugs.
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Ein
Hohlraumspeisehorn 300 hat typischerweise eine vierfache
Symmetrie, wie in dem Umriss 308 gezeigt, und umfasst zwei
Stufen 310 und 312 in zwei entgegengesetzte Richtungen,
die einen Hohlraum 302 bilden. Der Hohlraum 302 ist
typischerweise in gleichem Abstand von der Öffnung 304 und der Apertur 306 gebildet,
kann aber auch irgendwo zwischen der Öffnung 304 und der
Apertur 306 ausgebildet sein, wenn dies gewünscht ist.
Der Hohlraum 302 regt gewünschte Übertragungsmoden an und unterdrückt die
unerwünschten Übertragungsmoden
und erhöht
damit die Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300, das auch
als quadratisches Mehrmodenhorn bezeichnet wird, auf etwa 92%.
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Obgleich
mit Bezug auf die gewünschten Moden
TE10 und TE30 und
den unerwünschten
Moden TE12 und TM12 beschrieben,
kann jede Übertragungsmode
durch den Hohlraum 302 angeregt oder unterdrückt werden.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
auch zu, dass Gruppenantennen eine Doppelpolarisation verwenden,
bspw. eine duale lineare oder eine duale zirkulare Polarisation,
da der Umriss 308 der Apertur 306 quadratisch
ist. Der quadratische Umriss 308 ist gewünscht, da
der Eingang (Öffnung 304)
des Hohlraumspeisehorns 300 direkt mit dem quadratischen Wellenleiter 102 gekoppelt
werden kann, der ein zirkular polarisiertes Signal überträgt. Ferner
maximieren die quadratischen Aperturen 306 die Gruppenaperturfläche, da
kein Zwischenelementabstand zwischen benachbarten Hohlraumspeisehörnern 300 existiert.
Falls die Apertur 306 kreisförmig wäre, würden Zwischenräume zwischen
den Hohlraumspeisehörnern 300 existieren.
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Vorteile der
vorliegenden Erfindung
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4A zeigt
die Strahlungseffizienz 400 des Speisehorns der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik. Um die Anzahl der
Speisehörner
in einer Gruppe zu minimieren, sollten die Speisehörner eine
hohe Strahlungseffizienz besitzen. Die typische Strahlungseffizienz
im X-Band-Frequenzbereich
eines großen
Pyramidenhorns 100 beträgt
etwa 80%, wie durch die Kurve 402 gezeigt. Die Strahlungseffizienz
eines H-Ebenen Stufenhorns 200 mit einem rechteckigen Eingang,
der die TE10-Mode unterstützt und
die TE10-Mode nicht unterstützt, beträgt etwa
84% bis 86%, wie durch die Kurve 404 gezeigt.
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Ein
rechteckiger Eingang kann jedoch nicht für Anwendungen mit dualer-linearer
oder dualer-zirkularer Polarisation verwendet werden, wie zuvor
beschrieben. Für
eine gute zirkulare Polarisation mit minimaler Quer-Polar-Leistung
nahe der Justierungsrichtung besitzt das Horn vorteilhafterweise
eine vierfache Symmetrie, wie durch einen quadratischen Umriss 308 angegeben.
Ein quadratischer Umriss 308 macht das Hohlraumspeisehorn 300 auch
direkt kompatibel mit einem Wellenleiter 310, der das Signal
liefert, das von dem Hohlraumspeisehorn 300 übertragen
werden soll. Um die zuvor erwähnten
Anforderungen zu erfüllen
und die Effizienz eines quadratischen Horns zu erhöhen, müssen in
allen vier Wänden 204 Stufen 202 ausgebildet
werden, um die TE30- und die TE03-Mode
zu erzeugen. TM12-Moden, die geringere Abschneidefrequenzen
als die der TE30-Moden haben. Diese zwei
Moden verjüngen
die Aperturverteilung, die wirksam die Strahlungseffizienz reduziert,
wie durch die Kurve 404 gezeigt.
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Die
Intensität
der unerwünschten
Strahlungsmoden wird bei der vorliegenden Erfindung durch Hinzufügen einer
zweiten Stufe 312 als Diskontinuität an einer geeigneten Stelle
unterdrückt, um
somit eine Kavität 302 zu
erzeugen, die mit Bezug auf die 3 beschrieben
wurde. Ein typisches Stufenhorn 200 mit höchstmöglicher
Effizienz wird eine Gesamtleistung, die durch die TE10-,
TE30-, TE12/TM12-Moden übertragen
wird, von 95,9%, 1,6% bzw. 2,5% haben. Mit der zweiten Stufe 312,
die an einer geeigneten Stelle hinzugefügt wurde, wie bei dem Hohlraumspeisehorn 300 der
vorliegenden Erfindung, wird die Gesamtleistung, die durch die TE10-, TE30- und TE12-Moden übertragen
wird, 94,6%, 4,2% bzw. 1,2%. Bei einer idealen Situation eines Zwei-Moden-Horns wird
die Gesamtleistung, die durch TE10, TE30 und TE12 übertragen
wird, 94,3%, 5,7% bzw. 0,0%. Die zweite Stufe 312 der vorliegenden
Erfindung bringt das modale Leistungsverhältnis näher an die ideale Grenze.
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Als
ein Ergebnis des Hohlraums 302, der in das Hohlraumspeisehorn 300 eingeführt wurde,
wird die Hohlraumspeisehorneffizienz auf etwa 91% erhöht, wie
durch die Kurve 406 gezeigt. Die Kurve 406 zeigt
eine 6%-ige Erhöhung
der Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300 im Vergleich
zu einem Stufenhorn 200, und eine 12%-ige Erhöhung im
Vergleich zu einem Pyramidenhorn 100. Das Hohlraumspeisehorn 300,
wenn es in einer Gruppe verwendet wird, ermöglicht dem Entwickler, die
Anzahl der Elemente (Speisehörner)
in der Gruppe um etwa 6% bis 12% im Vergleich zu den Entwürfen, die
Stufenhörner 200 oder
Pyramidenhörner 100 verwenden,
zu reduzieren, um damit signifikante Kosten und Gewichtseinsparungen
herbeizuführen.
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Die
vorliegende Erfindung zieht einen Vorteil aus Führungs-Wellenlängenunterschieden
zwischen den unterschiedlichen Übertragungsmoden,
um selektiv die unerwünschten Übertragungsmoden
zu unterdrücken.
Bei der vorliegenden Erfindung erzeugt die Diskontinuität der ersten
Stufe 310 die TE30-, TE12- und TM12-Moden.
Kurz nach der Diskontinuität der
ersten Stufe 310 sind die TE10-,
TE12- und TE30-Moden-Felder
in Phase, wobei der Phasenbezugspunkt auf der Achse des Hohlraumspeisehorns 300 liegt.
Dieses Phasenverhältnis
gewährleistet
die Kontinuität
der elektrischen Felder an beiden Seiten der Diskontinuität der Stufe 310.
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An
der Diskontinuität
der zweiten Stufe 312 sind die TE10- und TE30-Übertragungsmoden
außer Phase,
da die Aperturöffnung
sich abrupt reduziert. Falls der Abstand zwischen der Stufe 310 und
der Stufe 312 richtig gewählt wird, bspw. wird die Länge des
Hohlraums 302 als eine halbe Führungswellenlänge der
TE12/TE10-Moden
ausgewählt,
wird dann die TE30-Mode, die durch die TE10-Mode und die zwei Diskontinuitäten erzeugt
wird, im Wesentlichen in Phase hinzugefügt, und die TE12/TM12-Signale addieren sich außer Phase
an der Diskontinuität
der zweiten Stufe 312. Als Ergebnis wird der unerwünschte Modeninhalt
auf Grund der TE12/TM12-Moden
reduziert, während
der gewünschte
TE30-Modeninhalt verbessert
wird.
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Die
gewünschte
TE10- und die unerwünschte TE12-Übertragungsmode erreicht die
Diskontinuität der
zweiten Stufe 312 im Wesentlichen in Phase, da diese beiden
gewünschten Übertragungsmoden
nahezu gleiche Phasengeschwindigkeiten besitzen. Diese zwei Moden
produzieren gemeinsam die TE10-Übertragungsmode
nach der Diskontinuität
der zweiten Stufe 312 bei einem minimalen Betrag der TE12-Mode, was der entgegengesetzte Effekt
der ersten Diskontinuität
ist. Nach der Diskontinuität
der zweiten Stufe 312 wird folglich die gewünschte TE30-Übertragungsmode
intensiviert und die unerwünschte
TE12-Übertragungsmode
wird unterdrückt, indem
die Leistung in der unerwünschten
Mode in Leistung der gewünschten
Mode umgewandelt wird. Andere Unterdrückungsformen, wie bspw. Elimination
der Übertragung,
Reflektion oder andere Mittel sind ebenfalls möglich, indem die Stufe 312 der
vorliegenden Erfindung benutzt wird. Durch Umwandeln der Leistung
von den unerwünschten Übertragungsmoden
in die gewünschten Übertragungsmoden
wird die Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300 erhöht.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Hohlraumspeisehorns 300 arbeitet im X-Band, das zwischen
7,8 und 8,5 GHz liegt. Die bevorzugte Ausführungsform hat einen Hohlraum 302,
der im Wesentlichen auf halber Strecke zwischen der Eingangsöffnung 304 und
der Apertur 306 liegt. Der Hohlraum 302 ist typischerweise
5 cm lang, was etwa eine halbe Führungswellenlänge der
TE12-Übertragsungsmode
ist. Die Apertur 306 hat Seiten von 2,75 Inch Länge und
ist im Wesentlichen quadratisch. Andere Ausführungsformen sind innerhalb
des Arbeitsfrequenzbands möglich,
die gewisse gewünschte Übertragungsmoden
anregen und gewisse andere unerwünschte Übertragungsmoden
unterdrücken.
Ferner kann das Hohlraumspeisehorn entworfen sein, um in anderen
Frequenzbändern
zu arbeiten, wie bspw. dem C-Band, dem Ku-Band, dem Ka-Band oder anderen
Frequenzbändern,
indem passende Größen- und
Längenverhältnisse
des Hohlraumspeisehorns 300 benutzt werden.
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Obgleich
mit einem Hohlraum 302 gezeigt, der sich vollständig um
den Umfang des Hohlraumspeisehorns 300 erstreckt, kann
der Hohlraum 302 andere Formen annehmen. Bspw. kann der
Hohlraum 302 auf einer Seite des Hohlraumspeisehorns 300 vorhanden
sein, auf zwei Seiten des Hohlraumspeisehorns 300, auf
zwei gegenüberliegenden
Seiten des Hohlraumspeisehorns 300 oder auf drei Seiten
des Hohlraumspeisehorns 300. Der Hohlraum 302 kann
nur auf Teilen einer oder mehrerer Seiten des Hohlraumspeisehorns 300 ebenfalls
existieren. Mehr als ein Hohlraum 302 kann verwendet werden, um Übertragungsmoden,
wie gewünscht,
anzuregen und zu unterdrücken.
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Der
Querschnitt des Hohlraums 302 ist rechteckförmig gezeigt,
kann aber auch andere Formen annehmen, wie bspw. dreieckförmig, sägezahnförmig, quadratisch,
rund, stückweise
linear oder andere Formen, um die Übertragungsmoden, die bei dem Hohlraumspeisehorn 300 gewünscht sind,
anzuregen und zu unterdrü cken.
Obgleich als Hohlraum 302 gezeigt, der sich weg von den
Wänden
des Hohlraumspeisehorns 300 erstreckt, kann ferner eine Änderung
der Wandform, die sich in die Öffnung
des Hohlraumspeisehorns erstreckt, die gleichen Vorteile wie der
Hohlraum 302 bereitstellen. Als solches betrifft der Hohlraum 302,
wenn er hier verwendet wird, nicht nur eine Vergrößerung des
Querschnitts des Hohlraumspeisehorns 300 sondern bezieht
sich auch auf eine Reduzierung oder eine andere Änderung des Querschnitts des
Hohlraumspeisehorns 300, der sich gegenüber der Winkelabmessungen des
Hohlraumspeisehorns 300 unterscheidet, vorausgesetzt, dass
der Hohlraum zwischen zwei Stufen in zwei entgegengesetzte Richtungen
ausgebildet wird.
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4B–4G zeigen
alternative Ausführungsformen
des Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung.
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4B zeigt
einen Hohlraum 302 mit einem dreieckförmigen Querschnitt, und der
Hohlraum 302 ist nicht symmetrisch um eine Achse des Hohlraumspeisehorns 300.
Die Wände 314 definieren
die Apertur 306 und die Eingangsöffnung 302 des Hohlraumspeisehorns 300.
Die Wände 314 werden
jedoch nicht benötigt,
um den Hohlraum 302 symmetrisch um die Achse des Hohlraumspeisehorns 300 zu bilden.
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4C zeigt
den Hohlraum 302 mit einem gekrümmten Querschnitt. Obgleich
die Apertur 306 typischerweise einen quadratischen Querschnitt
hat, ist der Hohlraum 302 nicht begrenzt darauf, einen quadratischen
Querschnitt zu haben. Die erste Stufe 310 und die zweite
Stufe 312, wie in 4C gezeigt, können gerundet
sein, und können
ausgebildet sein, um eine Diskontinuität zu erzeugen. 4D zeigt
einen Hohlraum 302 mit einem asymmetrischen Breiten/Längenverhältnis um
eine Achse des Hohlraumspeisehorns 300. 4E zeigt
den Hohlraum 302, der innerhalb der Wände 304 liegen kann,
anstelle sich weg von einer Mittellinie des Hohlraumspeisehorns 300 zu
erstrecken. Ferner können
der Hohlraum 302 und der Hohlraum 316 asymmetrisch
sein, und sie können
auch in unterschiedlichen Abständen von
der Apertur 306 der Eingangsöffnung 304 platziert
sein. 4F zeigt, dass der Hohlraum 302 im Wesentlichen
entgegengesetzt gegenüberliegt
ohne im Wesentlichen das Hohlraumspeisehorn 300 zu begrenzen. 4G zeigt,
dass der Hohlraum 302 mit einem Material 318 gefüllt werden
kann, oder teilweise mit einem Material 318 gefüllt werden
kann.
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Übertragungs-
und Reflektionseigenschaften
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5A–5C zeigen
die Apertur-Feldverteilungen für
verschiedene Entwürfe
der Speisehörner
einschließlich
des Speisehorns der vorliegenden Erfindung.
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5A zeigt
die Gleichmäßigkeit
des Felds, das in der normalen und der parallelen Ebene eines Pyramidenhorns 100 gemessen
wird. Die Kurve 500 zeigt die Normal-Feldverteilung und
die Kurve 502 zeigt die Parallel-Feldverteilung.
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5B zeigt
die Gleichmäßigkeit
des Felds, das in der Normal- und Parallelebene eines Stufenhorns 200 gemessen
wird. Die Kurve 504 zeigt die Normal-Feldverteilung und
die Kurve 506 zeigt die Parallel-Feldverteilung.
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5C zeigt
die Gleichmäßigkeit
des Felds, das in der Normal- und der Parallelebene des Hohlraumspeisehorns 300 der vorliegenden
Erfindung gemessen wird. Die Kurve 508 zeigt die Normal-Feldverteilung,
und die Kurve 510 die Parallel-Feldverteilung. Das Hohlraumspeisehorn 300 hat
eine bessere Apertur-Gleichmäßigkeit
im Vergleich zu dem Pyramidenhorn 100 und dem Stufenhorn 200,
aber verbreitert die Spitze der Feldstärke in der normalen Richtung,
wie durch Kurve 508 gezeigt.
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6 zeigt
die Reflektionsdämpfungsleistung
eines Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung. Die Reflektionsdämpfung bzw.
Echodämpfung 600 ist
besser als 25 dB über
7% der Bandbreite.
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7 zeigt
typische Strahlungsmuster eines Hohlraumspeisehorns der vorliegenden
Erfindung.
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Die Übertragungsmuster 700 des
Hohlraumspeisehorns 300 sind mit einer einzelnen Frequenz gezeigt,
typischerweise einer Mittenfrequenz des Hohlraumspeisehorns 300.
Wie zuvor diskutiert beträgt
diese Frequenz typischerweise 8,2 GHz. Die H-Ebenen-Leistung ist in der Kurve 702 gezeigt,
und die E-Ebenen-Leistung ist in der Kurve 704 gezeigt. Das
45-Grad-Übertragungsmuster
ist in der Kurve 706 gezeigt, und die Quer-Polarpegel sind in
der Kurve 708 gezeigt. Die Quer-Polarpegel der Kurve 708 liegen
30 dB unterhalb der Spitze der Co-Polar-Spitzen der Kurven 702, 704 und 706.
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8A zeigt
eine perspektivische Ansicht des Hohlraumspeisehorns der vorliegenden
Erfindung. Die Stufen 310 und 312 und die Apertur 306 sind
gekennzeichnet.
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8B zeigt
den Vergleich zwischen den gemessenen und den berechneten Strahlungsmustern
des Hohlraumspeisehorns der vorliegenden Erfindung. Die gemessenen
Muster 800 und die berechneten Muster 802 in der
45-Grad-Ebene sind gezeigt. Die gemessenen Muster 800 stimmen
gut mit den berechneten Mustern 802 überein. Die Effizienz des Hohlraumspeisehorns 300 wird
mit 95% gemessen. Das berechnete Quer-Polarisationsmuster 804 und
das gemessene Muster 806 sind ebenfalls gekennzeichnet.
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9 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte darstellt, die zur Ausführung einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung benutzt werden.
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Block 900 zeigt
den Schritt des Anregens, innerhalb der Antenne, einer gewünschten Übertragungsmode
und einer unerwünschten Übertragungsmode
des Signals, das übertragen
werden soll.
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Block 902 zeigt
die vorliegende Erfindung, die den Schritt ausführt: Unterdrücken, innerhalb
der Antenne, der Leistung innerhalb der unerwünschten Übertragungsmode.
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Zusammenfassung
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Die
nachfolgenden Absätze
beschreiben einige alternative Verfahren zur Erreichung der gleichen
Ziele und einiger zusätzlicher
Vorteile der vorliegenden Erfindung.
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In
der vorliegenden Erfindung beschriebene Techniken können für mehrere
Antennen in Gruppen oder anderen Mehrfachantennen-Konfigurationen eingesetzt
werden. Die Speisehörner
können ferner mit
verschiedenen Reflektoren und reflektiven Oberflächen kombiniert werden, um
die Strahlmuster zu modifizieren und andere Systemeigenschaften
eines Systems, das das Speisehorn der vorliegenden Erfindung verwendet.
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Obgleich
mit Bezug auf die gewünschten TE10- und TE30-Moden
und den unerwünschten
TE12- und TM12-Übertragungsmoden
beschrieben, kann der Hohlraum 302 so entworfen sein, dass
andere Moden durch den Hohlraum 302 angeregt oder unterdrückt werden,
wie gewünscht.
Dies kann erreicht werden, indem die Form des Hohlraums 302 verändert wird,
oder indem der Hohlraum 302 an eine andere Position zwischen
der Apertur 306 und der Eingangsöffnung 304 platziert
wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann bei vielen Satelliten-Nutlasten verwendet werden und ist nicht auf
ein Frequenzband begrenzt. Bspw. können feste und Broadcast-Satellitendienste
im Ku-Band und im C-Band und Satelliten für persönliche Kommunikation im Ka-Band
von einer Implementierung der vorliegenden Erfindung profitieren.
Die vorliegende Erfindung ist ferner bei direkt-abstrahlenden Gruppenantennen
anwendbar, um mehrere geformte Strahlen oder Punktstrahlen für spezifische
Anwendungen zu erzeugen.
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Zusammenfassend
stellt die vorliegende Erfindung eine Antennenvorrichtung bereit,
die eine vergrößerte Effizienz
besitzt, und ein Verfahren zum Vergrößern der Effizienz von Mehrmoden-Antennen-Speisehörner. Das
Verfahren umfasst die Schritte des Erregens innerhalb der Antenne
einer gewünschten Übertragungsmode
und einer unerwünschten Übertragungsmode
des Signals, das übertragen
werden soll, und Umwandeln innerhalb der Antenne der Leistung innerhalb
der ungewünschten Übertragungsmode
in Leistung für
die gewünschte Übertragungsmode
des Signals, das übertragen werden
soll.
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Eine
erfindungsgemäße Antennenvorrichtung
umfasst ein Einspeisehorn mit einer Eingangsöffnung, einer Apertur und einem
Hohlraum, der zwischen der Eingangsöffnung und der Apertur angeordnet
ist, um eine ungewünschte Übertragungsmode der
Antenne zu unterdrücken
und eine gewünschte Übertragungsmode
der Antenne anzuregen.
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Die
vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde
zu Erläuterungszwecken
angegeben und ist nicht als erschöpfend oder als die Erfindung
auf die speziell offenbarte Form beschränkend zu betrachten.