DE69521728T2

DE69521728T2 - Abtastende Antenne mit festem Dipol im rotierenden becherförmigen Reflektor

Info

Publication number: DE69521728T2
Application number: DE69521728T
Authority: DE
Inventors: Frank Boldissar; Michael F. Caulfield; Barry J. Forman; Mark A. Schalit; Roy J. Virkler
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1994-02-02
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2015-01-28
Also published as: US5929820A; EP0666611B1; EP0666611A1; JPH088641A; DE69521728D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Napf-Dipol-Antenne mit wenigstens einem Dipol, einer Dipol-Speiseeinrichtung, die mit dem Dipol gekoppelt ist, und einem Antennennapf, der um den Dipol herum angeordnet ist.
Eine derartige Napf-Dipol-Antenne ist bekannt aus der US-A 3 740 754.
Herkömmliche Napf-Dipol-Antennen sind in großem Umfang verwendet worden, um für kleine Antennen-Aperturen, die etwa eine Wellenlänge überdecken, einen hohen Apertur-Wirkungsgrad bereit zu stellen. Der Napf ist aus einem zylindrischen Leiter gebildet, der an seiner Basis mit einer leitenden Platte kurzgeschlossen ist. Innerhalb des Napfes ist ein Dipol aufgenommen und weist eine koaxiale Übertragungsleitung auf, die die Basis des Napfes durchdringt. Ein herkömmliches Verfahren zum Erzielen eines Abtaststrahles ("scanned beam") besteht darin, den Dipol und die Napfanordnung als eine einzelne Einheit zu drehen, was es notwendig macht, eine RF-Verbindung ("RF joint") zu verwenden, wie ein flexibles Koaxialkabel oder eine Drehverbindung. Herkömmliche RF-Verbindungen, insbesondere Drehverbindungen, sind jedoch sowohl in der Konstruktion als auch der Herstellung sehr teuer. RF-Verbindungen stellen für langlebige Weltraumflugkörper ein Verlässlichkeitsproblem dar und sind für die Erzeugung von passiven Intermodulationen (PIM) und selbsterhaltende Entladungen ("multipaction") im Rahmen von Weltraumanwendungen empfänglich. RF-Verbindungen sind generell massiv und umständlich zu verpacken und rufen unerwünschte ohmsche Verluste und Reflexionen hervor. Folglich verwenden herkömmliche Antennen keine Rotation des Napfes, während die Dipol- /Speiseanordnung feststehend verbleibt. Demzufolge ist eine RF- Verbindung erforderlich gewesen, mit ihren inhärenten Nachteilen, wie sie oben erwähnt sind.
Ein besseres Verständnis von herkömmlichen Napf-Dipol- Antennen ergibt sich aus einer Lektüre eines Buches mit dem Titel "Microwave Cavity Antennas" von A. Kunar und H. D. Hristov, veröffentlicht von Artech House, Boston (1989). Es wird insbesondere Bezug genommen auf Kapitel 5, in dem verschiedene herkömmliche Napf-Dipol-Antennen erörtert sind.
Ein direktives Antennensystem mit einem Paraboloid- Reflektor ist bekannt aus der US-A-2 759 182.
Der Paraboloid-Hauptreflektor weist eine Apertur im Scheitelpunkt bzw. der Spitze auf und eine Koaxialleitung, die mit einem Radar-Transceiver verbunden ist, erstreckt sich durch diese Apertur hindurch. Ein Dipol ist vor dem Hauptreflektor angeordnet und an beide Leiter der Koaxialleitung angeschlossen. Ferner ist ein zylindrischer Reflektor vor dem Dipol angeordnet und an dem äußeren Leiter der Koaxialleitung angebracht. Ein passives lineares Antennenelement ist vorgesehen zwischen dem Hauptreflektor und dem Dipol und wird gelagert von dem äußeren Leiter der Koaxialleitung.
Der Haupt-Parabolreflektor wird gelagert in einem exzentrischen napf-förmigen Abschnitt einer Getriebeplatte, die mit einem Getriebeabschnitt kämmt, der von einem Motor angetrieben ist. Die Koaxialleitung ist stationär.
Ferner ist eine konische Abtastradarantenne bekannt aus der FR-A-2 581 257. Die Antenne weist einen Haupt- Parabolreflektor und eine primäre, Rückseitenspeise-Quelle auf, die von einem Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt gespeist wird und in Bezug auf den Brennpunkt des Parabolreflektors versetzt ist. Ein konisches Abtasten wird hervorgerufen durch eine Drehbewegung des Parabolreflektors um die rückseitig gespeiste Quelle herum, wobei die Quelle und der Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt feststehend verbleiben.
Aus "Introduction to Radar Systems" von Merrill Skolnik, 2. Auflage, Seite 155, ist es bekannt, daß eine der einfachsten konischen Abtastantennen bzw. Antennen mit konischer Abtastung eine Parabel ist, mit einer versetzten rückseitigen Speiseeinrichtung, die um die Achse des Reflektors herum gedreht wird. Wenn die Antenne klein ist, kann es leichter sein, die Antennenplatte ("Dish") zu drehen, die versetzt ist, anstelle der Speiseeinrichtung, wodurch das Problem einer Dreh- oder flexiblen RF-Verbindung in der Speiseeinrichtung vermieden wird.
Es ist in Anbetracht des obigen Standes der Technik eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Napf-Dipol-Antenne vom Scan-Typ anzugeben, die hinsichtlich der Konstruktion und der Herstellung kostengünstig ist.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Napf-Dipol- Antenne, wobei die Antenne eine Abtast- bzw. Scan-Antenne ist, wobei der Dipol feststehend ist und der Antennennapf drehbar ist, und wobei eine Antennen-Drehvorrichtung mit dem Antennennapf gekoppelt und dazu ausgelegt ist, den Antennennapf relativ zu dem feststehenden Dipol zu drehen.
Die vorliegende Erfindung stellt generell verbesserte Napf-Dipol-Antennen vom Scan-Typ bereit, die einen feststehenden Dipol, oder Dipole, und einen sich drehenden Napf aufweisen. Der Napf ist gebildet aus einem zylindrischen Leiter, der an seiner Basis mit einer leitenden Platte kurzgeschlossen ist. Ein Dipol ist innerhalb des Napfes aufgenommen und weist eine koaxiale Übertragungsleitung auf, die die Basis des Napfes durchdringt und mit dem Dipol gekoppelt ist. Die vorliegende Erfindung löst das Scannen eines Strahls ("Beam scanning") auf neuartige Weise, indem allein der Napf mechanisch gedreht wird, und wobei die Dipol- und Speiseanordnung feststehend verbleiben.
Eine Vielzahl von Dipolen können innerhalb des Napfes in einem symmetrischen Array angeordnet sein, wobei die Dipole für jede gewünschte Frequenz skaliert sein können. Die vorliegenden Antennen unterstützen eine Übertragung von linear oder zirkular polarisierter Energie. Durch Verwenden eines Hybridrichtungskopplers und von symmetrischen Dipolarmen läßt sich zirkular polarisierte Energie abstrahlen. Ferner kann zirkular polarisierte Energie ohne die Verwendung des Hybridrichtungskopplers abgestrahlt werden, indem asymmetrische Dipolarme verwendet werden.
Genauer gesagt ist die vorliegende Erfindung eine Napf- Dipol-Antenne vom Scan-Typ, mit einem feststehenden Dipol, einer Dipol-Speiseeinrichtung, die mit dem feststehenden Dipol gekoppelt ist, einem drehbaren Antennennapf, der um den feststehenden Dipol herum angeordnet ist, und einer kardanischen Aufhängung, die mit dem Antennennapf gekoppelt und dazu ausgelegt ist, den Antennennapf relativ zu dem feststehenden Dipol zu drehen. Die Antenne kann ferner einen zweiten feststehenden Dipol aufweisen, der senkrecht bzw. orthogonal zu dem feststehenden Dipol ausgerichtet ist. Bei einer Ausführungsform kann die Dipol-Speiseeinrichtung ein Hybridrichtungskoppler-Netzwerk aufweisen, das mittels einer Vielzahl von koaxialen Übertragungsleitungs-Speiseeinrichtungen und eines vierständrigen Baluns mit den feststehenden Dipolen gekoppelt ist.
Ein Kurzschlußring ist um den Umfang des vierständrigen Balun herum angeordnet und ist in einer axial angeordneten Öffnung in einer Napf-Basisplatte angeordnet. Der Antennennapf besteht aus einer leitenden Napf-Basisplatte und einem zylindrischen Napfrand, der damit verbunden ist. Der erste und der zweite gekreuzte Dipol liegen in einer Ebene, die generell orthogonal ist zu einer zentralen Achse der Antenne. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Dipol eine Drehkreuz- Dipolspeiseeinrichtung aufweisen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Dipolspeiseeinrichtung mittels einer koaxialen Übertragungsleitungs-Speiseeinrichtung mit einem einzelnen, feststehenden, linear polarisierten Dipol gekoppelt sein.
Da der sich drehende Napf von der Dipol- und Speiseanordnung gelöst ist, ist eine Funkfrequenz-Verbindung (RF- Verbindung) (z. B. eine Drehverbindung oder eine flexible Übertragungsleitung) nicht erforderlich. Für Hochleistungsanwendungen ist die vorliegende Erfindung daher weniger kostenaufwendig zu konstruieren und herzustellen als herkömmliche Antennen, ist verlässlicher und ist für die Erzeugung von passiven Intermodulationen (PIM) und selbsterhaltende Entladungen ("multipaction") in Weltraumanordnungen nicht empfänglich, und erzeugt ferner keine unerwünschten ohmschen Verluste oder Reflexionen.
Die vorliegende Erfindung kann ausgelegt sein zur Verwendung als Hochleistungs-Sendeantenne für einen Satelliten, um ein Beispiel zu nennen. Die vorliegende Erfindung stellt ein Strahl-Scannen aus einer Vorrichtung bereit, die einen hohen Apertur-Wirkungsgrad aufweist, leichtgewichtig ist, verlässlich bzw. zuverlässig ist und kostengünstig herzustellen ist.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leichter unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche strukturelle Elemente beziehen und in der:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht von einigen Ausführungsformen von Napf-Dipol-Antennen vom Scan-Typ mit einem feststehenden Dipol und einem sich drehenden Napf gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Endansicht der Antenne der Fig. 1 zeigt; und
Fig. 3 eine Ausführungsform der vorliegenden Antenne mit einem Array von Dipolen zeigt.
In den Figuren zeigt Fig. 1 eine Querschnittsansicht von einigen Ausführungsformen einer Napf-Dipol-Antenne 10 vom Scan- Typ gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die Napf- Dipol-Scan-Antenne 10 weist einen feststehenden Dipol 11 (oder Dipole 11) und einen sich drehenden Antennennapf 22 auf. In einer Ausführungsform weist die scannende Napf-Dipol-Antenne 10 ein (3 dB)-Hybridrichtungskoppler-Netzwerk 12 auf, das elektrisch voneinander isolierte Polarisations-Ports 13, 15 für eine rechtsgängige bzw. linksgängige zirkulare Polarisation und einen ersten und einen zweiten Hybridausgangsport 15, 16 aufweist. Der erste und der zweite Hybridausgangsport 15, 16 des Hybridrichtungskoppler-Netzwerkes 12 sind mit einer Dipol- Speiseeinrichtung 17 gekoppelt. Die Dipol-Speiseeinrichtung 17 weist eine Vielzahl von koaxialen Übertragungsleitungs- Speiseeinrichtungen 18 und einen vierständrigen Balun 19 ("four post balun") auf. Die Vielzahl von koaxialen Übertragungsleitungs-Speiseeinrichtungen 18 sind zwischen dem ersten und dem zweiten Hybridausgangsport 15, 16 und dem vierständrigen Balun 19 angeschlossen. Ein Kurzschlußring 21 ist um den Umfang eines Abschnittes des vierständrigen Balun 19 herum angeordnet. Der vierständrige Balun 19 ist mit einem ersten und einem zweiten gekreuzten Dipol 11 gekoppelt, die in einer Ebene liegen, die orthogonal ist zu einer zentralen Achse der Antenne 10. Es versteht sich jedoch, daß in der Antenne 10 auch ein einzelner Dipol 11 verwendet werden kann, der zum Erzeugen einer einzigen Polarisation verwendet wird.
Der Antennennapf weist eine leitende Napf-Basisplatte 23 und einen zylindrischen Napf-Rand 24 auf. Der Kurzschlußring 21 ist in einer axial angeordneten Öffnung 25 in der Napf- Basisplatte 23 angeordnet. Der Napf 22 (der in durchgezogener Linie gezeigt ist) ist konzentrisch zu einer Speiseachse der Dipole 11. Ein Antennen-Drehmechanismus 26 ist mit dem Antennennapf 24 gekoppelt und dazu ausgelegt, den Antennennapf 24 entlang einer ausgewählten Achse oder eines Satzes von Achsen zu drehen, die generell orthogonal zu der Achse der Antenne 10 liegen. Eine nicht-abtastende Napfachse 27 der Antenne ist durch einen durchgezogenen Pfeil bezeichnet. Ein erster gestrichelter Pfeil zeigt eine Scan-Achse 28 des Napfes 24, wenn die Antenne 10 gescannt wird. Ferner zeigt ein zweiter gestrichelter Pfeil eine Richtung einer Spitzenverstärkung 29 der Antenne 10. Der Antennennapf 24 ist ferner in einer zweiten Orientierung gezeigt, die durch den gestrichelten Napf 24 in Fig. 1 dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt eine Endansicht der Antenne 10 der Fig. 1 und zeigt den Kurzschlußring 21, den vierständrigen Balun 19, den ersten und den zweiten gekreuzten Dipol 11, die Öffnung 25 in der Napf-Basisplatte 23 und den Napfrand 24 in größerer Deutlichkeit.
Eine erste Rotationsebene 31 ist in Fig. 2 gezeigt, die generell entlang einer Linie parallel zu einem ersten gekreuzten Dipol 11 ausgerichtet ist. Die Antenne 10 kann auch entlang einer zweiten Richtung gedreht werden, die generell orthogonal ist zu der ersten Rotationsebene 31 und die entlang einer Linie parallel zu dem zweiten gekreuzten Dipol 11 ausgerichtet ist.
Die Verwendung der gekreuzten Dipole 11 und des Hybridrichtungskopplers 12 ermöglichen bspw., daß zwei zirkulare Polarisationen von der Antenne 10 abgestrahlt werden, indem die zwei elektrisch gegeneinander isolierten Ports 13, 14 für die rechtsgängige bzw. linksgängige zirkulare Polarisation gespeist werden. Wenn es gewünscht ist, kann bei einer alternativen Ausführungsform ein einzelner Dipol 11, gespeist von einer einzelnen koaxialen Übertragungsleitungs-Speiseeinrichtung 18, in dem rotierenden Napf 22 angeordnet werden, um einen gescannten, linear polarisierten Strahl zu erzielen.
Der in Fig. 1 in durchgezogenen Linien gezeigte Napf 22 liegt konzentrisch zu der Achse der Dipol-Speiseeinrichtung 17, was ein Fernfeld-Antennenmuster mit einer Spitzenverstärkung 29 in Richtung der Speiseachse der Dipole 11 liefert. Der im Hintergrund (mit gestrichelten Linien) gezeigte Napf 22 ist gedreht, wobei die Dipol-Speiseeinrichtung 17 und das Hybridrichtungskoppler-Netzwerk 12 an Ort und Stelle festgelegt bleiben. Eine mechanische Drehung des Napfes 22 führt zu einem Scannen des Antennenstrahlmusters.
Das Hybridrichtungskoppler-Netzwerk 12 muß nicht bei sämtlichen Konfigurationen der scannenden Napf-Dipol-Antenne 10 vorhanden sein, was durch die gestrichelte Box dargestellt ist, die dieses Netzwerk umgibt. Dabei werden die Übertragungsleitungs-Speiseeinrichtungen 18 direkt aus den Eingangs-Ports mit dem vierständrigen Balun 19 gekoppelt. Die Eliminierung des Hybridrichtungskoppler-Netzwerks 12 liefert eine zweite Ausführungsform der scannenden Napf-Dipol-Antenne 10. Ferner kann, wie es unter Bezugnahme auf den länglichen Dipol 11 mit dem gestrichelten Umriß gezeigt ist, der einzelne Dipol 11 in dem rotierenden Napf 22 angeordnet sein, und kann gespeist sein durch eine einzelne koaxiale Übertragungsleitungs-Speiseeinrichtung 18, um einen gescannten, linear polarisierten Strahl zu erzielen. Dies liefert eine dritte Ausführungsform der scannenden Napf-Dipol-Antenne 10. Es versteht sich, daß die Dipole 11, die in irgendeiner der offenbarten Ausführungsformen verwendet werden, für jede gewünschte Frequenz skaliert werden können. Die vorliegende Erfindung kann implementiert werden, um eine zirkulare Polarisation zu erzeugen, ohne das Hybridrichtungskoppler- Netzwerk 12 zu verwenden, indem eine Dipol-speiseeinrichtung 17 verwendet wird, die eine Drehkreuz-Dipol-speiseeinrichtung 17 aufweist. Die Drehkreuz-Dipolspeiseeinrichtung 17 ersetzt das Hybridrichtungskoppler-Netzwerk 12 und die gekreuzte Dipolspeiseeinrichtung 17 der Fig. 1.
Zum Zwecke der Vollständigkeit zeigt Fig. 3 eine Ausführungsform der vorliegenden Antenne mit einem Array von Dipolen. Eine Vielzahl von Dipolen 11 ist innerhalb des Napfes 22 in einem symmetrischen Array angeordnet.
Eine Lochrasterplatten-Antenne 10 wurde aufgebaut und getestet, um die Scan-Fähigkeiten der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. Die Lochrasterplatten-Antenne 10 verwendete die Ausführungform der Fig. 1 mit zwei gekreuzten Dipolen 11 und dem Hybridrichtungskoppler-Netzwerk 12, um eine zirkulare Polarisation zu erzeugen. Es wurde herausgefunden, daß das Antennenmuster in Richtung der Achse des gedrehten Napfes 22 mit minimaler Verschlechterung der Verstärkung 29 des Musters und des Axialverhältnisses scannte.

Claims

1. Napf-Dipol-Antenne (10), mit:

- wenigstens einem Dipol (11);

- einer Dipolspeiseeinrichtung (17), die mit dem Dipol (11) gekoppelt ist; und

- einem Antennennapf (22), der um den Dipol (11) herum angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Antenne eine Scan-Antenne (10) ist,

- der Dipol (11) feststehend ist und der Antennennapf (22) drehbar ist; und

- eine Antennendrehvorrichtung (26) mit dem Antennennapf (22) gekoppelt und dazu ausgelegt ist, den Antennennapf (22) relativ zu dem feststehenden Dipol (11) zu drehen.

2. Antenne (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten feststehenden Dipol (11), der im wesentlichen orthogonal zu dem feststehenden Dipol (11) ausgerichtet ist.

3. Antenne (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolspeiseeinrichtung (17) ein Hybridrichtungskoppler-Netzwerk (12) aufweist, das mittels einer Vielzahl von koaxialen Übertragungsleitung-Speiseeinrichtungen (18) und einem vierständrigen Balun (19) mit dem feststehenden Dipol gekoppelt ist.

4. Antenne (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hybridrichtungskoppler-Netzwerk (12) elektrisch isolierte Eingangsports (13, 14) für rechtsdrehende und linksdrehende Zirkularpolarisation und einen ersten und einen zweiten Hybridausgangsport (15, 16) aufweist, die mit den koaxialen Übertragungsleitung-Speiseeinrichtungen (18) gekoppelt sind.

5. Antenne (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolspeiseeinrichtung (17) eine Drehkreuz- Dipolspeiseeinrichtung aufweist.

6. Antenne (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Array von Dipolen (11), die in dem Antennennapf (22) angeordnet sind.

7. Antenne (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Array aus Dipolen (11) in dem Antennennapf (22) symmetrisch angeordnet ist.

8. Antenne (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Array aus Dipolen (11) in dem Antennennapf (22) asymmetrisch angeordnet ist.

9. Antenne (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, gekennzeichnet durch:

- eine feststehende Vielzahl von Kreuzdipolen (11);

- die Tatsache, daß die Dipolspeiseeinrichtung (17) einen ersten und einen zweiten Eingangsport (13, 14) und einen ersten und einen zweiten Ausgangsport (15, 16) aufweist, die mit der feststehenden Vielzahl von Kreuzdipolen (11) gekoppelt sind;

- die Tatsache, daß der drehbare Antennennapf (22) um die feststehende Vielzahl von Kreuzdipolen (11) herum angeordnet ist;

- die Tatsache, daß die Antennendrehvorrichtung (26) dazu ausgelegt ist, den Antennennapf (22) entlang einer ausgewählten Achse relativ zu der feststehenden Vielzahl von Kreuzdipolen (11) zu drehen.

10. Antenne (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolspeiseeinrichtung (17) ein Hybridrichtungskoppler-Netzwerk (12), einen vierständrigen Balun (19) und eine Vielzahl von koaxialen Übertragungsleitung-Speiseeinrichtungen (18) aufweist, die zwischen dem Hybridrichtungskoppler-Netzwerk (12) und dem vierständrigen Balun (19) angeschlossen sind.