NO178449B - Antennesystem - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en forbedring av antennesystemer for bruk i fjernsamband på bakken og lignende.

Blant tidligere kjente antennesystemer av den art som omfatter en hovedreflektor, bireflektorer og en primærutstråler, er det utviklet en forbedring med vidvinklet strålingskarakteristikk ved å anvende et antisymmetrisk speil og anbringe bireflektorer, hovedutstråler og en bærestolpe på sådan måte at det ikke foreligger bølgestrålesperring.

Dette tidligere kjente antennesystem har imidlertid den ulempe at en krysspolarisert komponent kan oppstå fordi speilet ikke er rotasjonssymmetrisk. For å eliminere denne virkning er det utviklet et annet konvensjonelt antennesystem som er forsynt med et konisk horn 1 med et fasesenter F0 som primærutstråler, en først bireflektor 2 med samme fasesenter F0 som det koniske horn 1 samt et brennpunkt F1# en andre bireflektor 3 med samme brennpunkt F1 og videre et ytterligere brennpunkt F2 samt en hovedref lektor 4 med samme brennpunkt F2 slik som vist i fig. 2(a) og 2(b). I de antennesystemer som er vist i disse figurer, er første og andre bireflektor 2 og 3 henholdsvis en rotasjonselliptisk reflektor og en rotasjonshyperbolsk reflektor. Hovedreflektoren er en rotasjonsparabolsk reflektor. For det formål å undertrykke dannelse av en krysspolarisert komponent pga. speilets usymmetri, er hver av disse tidligere kjente antennesystemer konstruert geometrisk-optisk på sådan måte at reflektorsystemet har samme virkning som en parabolsk antenne av den art som er vist i fig. 3. I denne figur angir henvisningstallet 5 et parabolsk speil med rotasjonssymmetri.

I dette antennesystem kan den krysspolariserte komponent da undertrykkes fullstendig bare i det tilfelle den utstrålte frekvens fra systemet er uendelig høy, fordi speilene er geometrisk-optisk utført som beskrevet ovenfor. I praktisk drift innenfor sådanne frekvensbånd som mikrobølge- og millimeterbånd, kan imidlertid den dannede krysspolariserte komponent ikke elimineres fullstendig pga. reflektorenes usymmetri. Som en følge av dette har det ovenfor omtalte konvensjonelle antennesystem den ytterligere ulempe at dets krysspolariseringsegenskaper forringes innenfor det frekvensbånd som antennesystemet arbeider med.

I JP-patentskrift nr. 1.361.802 og nr. 1.364.819 er det angitt ligninger med hensyn til å bestemme de geometrisk-optiske forhold som gir undertrykkelse av den krysspolariserte komponent. Sådanne ligninger er også angitt i en artikkel i Electronics and Communications in Japan, Del 1, Bind 68 nr. 8, 1985, Scripta Technica, Inc., Sussex, GB, " Tri- Reflector Antennas with no Cross- Polarized Component", av S. URASAKI m.fl., sidene 85—92. Disse tidligere kjente betingelser for å undertrykke den krysspolariserte komponent avviker imidlertid fra de tilsvarende betingelser for å undertrykke denne komponent i henhold til foreliggende oppfinnelse, og som oppnås ved å ta den elektromagnetiske utstrålings bølgenatur i betraktning, slik det vil bli nærmere beskrevet i det etter-følgende .

Med betingelsene for å undertrykke den krysspolariserte komponent i henhold til kjent teknikk, er de krumnings-eksentrisiteter ex og e2 for henholdsvis den første og den andre bireflektor, som tilfredstiller de geometrisk-optiske betingelser for undertrykkelse av den krysspolariserte komponent, bare bestemt av det geometriske arrangement av bireflektorenes plasseringer, som f.eks. kan være angitt ved polarkoordinater. Mulighetene for å variere reflektorenes plassering er videre begrenset av det forhold at de skal ha felles brennpunkter. Den geometrisk-optiske fremgangsmåte for å undertrykke den krysspolariserte komponent gjelder imidlertid strengt tatt lysfrekvensområdet og har da den ulempe at den ikke tillater undertrykkelse av alle krysspolariserte komponenter for frekvenser i mikrobølgeområdet.

Det er derfor et hovedformål for foreliggende oppfinnelse å overvinne disse ulemper ved den tidligere kjente teknikk ved å frembringe et forbedret antennesystem med gunstige krysspolar-isasjonsegenskaper innenfor det frekvensbånd som det er aktuellt å arbeide med.

For å oppnå dette, er det frembragt et antennesystem hvor reflektorene er konstruert for å undertrykke den krysspolariserte komponent som dannes pga. reflektorenes usymmetri ved visse ønskede frekvenser av utstrålingen fra primærutstråleren.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således et antennesystem av den art som er angitt i innledningen av det vedføyde patent-krav, og som har de særtrekk som er angitt i patentkravets karakteristikk.

Antennesystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse kan da gi gunstige krysspolariseringsegenskaper innenfor de frekvensbånd som antennen arbeider i. Videre er bireflektorenes eksentrisiteter e1 og e2 som tilfredstiller betingelsene i henhold til foreliggende oppfinnelse, ikke bare bestemt ved bireflektorenes geometriske anordning (reflektorposisjoner som f.eks. er angitt ved polarkoordinater), men også bireflektorenes stråleradius, slik som det vil bli nærmere beskrevet nedenfor. Det vil si at antennesystemet i henhold til oppfinnelsen er utformet ut ifra bireflektorenes utforming eller stråleradius, hvilket betyr at man tar den elektromagnetiske strålings bølgenatur i betraktning. Reflektor-arrangementet er derved ikke begrenset til et arrangement hvor bare reflektorenes brennpunkter er felles, og dette fører til at det oppnås en øket frihetsgrad ved konstruksjon av antennesystemet .

Den teknikk som utnyttes for å undertrykke den krysspolariserte komponent i henhold til oppfinnelsen tar således i betraktning strålingens bølgenatur og kan da undertrykke den krysspolariserte komponent ved en gitt frekvens som skal anvendes av antennesystemet.

De ovenfor angitte og andre fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå klarere av følgende beskrivelse under henvisning til de vedføyde tegninger hvor samme henvisnings-tall og tegn angir tilsvarende deler, og på hvilke: Fig. l(a) — (e') hver angir skjematisk relative posisjonsforhold mellom reflektorene og primærutstråleren i et antennesystem i henhold til foreliggende oppfinnelse,

fig. 2(a) og 2(b) samt 3 hver viser relative posisjonsforhold mellom reflektorene og primærutstråleren ved konvensjonelle antennesystemer,

fig. 4 er en skisse som anskueliggjør betingelsene for å

undertrykke den krysspolariserte komponent, når bølgenaturen av den elektromagnetiske stråling tas

i betraktning, og

fig. 5 er et skjema som anskueliggjør mulige sammenstillinger av de tre reflektorer i antennesystemet på sådan måte at de tilfredstiller betingelsene for å undertrykke den krysspolariserte komponent, hvor den elektromagnetiske strålings bølgenatur er tatt i betraktning.

Foretrukkede utførelser av foreliggende oppfinnelse vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger.

Det skal først henvises til fig. l(a) hvor det er vist en utførelse av foreliggende oppfinnelse og hvor en hovedreflektor 4 er anordnet på oversiden av et konisk horn 1 samt første og andre bireflektor 2 og 3, slik det vil fremgå av figuren.

I denne figur utgjøres fasesenteret F0 for det koniske horn 1 av et av brennpunktene for den første bireflektor 2. Ytterligere punkter F2 og F3 er brennpunkter for den andre bireflektor 3, og et punkt F4 er brennpunkt for hovedreflektoren 4. Videre angir henvisningtegnene N-^, N2 og N et punkt hvor en lysstråle utsendt fra fasesenteret for det koniske horn 1 og som forplanter seg langs en midtakse for hornet 2 treffer den første bireflektor 2, samt et punkt hvor lysstrålen treffer den andre bireflektor 3 og det punkt hvor vedkommende stråle faller inn på hovedreflektoren 4. Hvis det antas at et punkt W befinner seg på en stråle reflektert fra hovedreflektoren 4 og at punktene F0, Nx, N2, N og W befinner seg i ett og samme plan, er det, for å hindre dannelse av en krysspolarisert komponent pga. reflektorenes usymmetri, påkrevet at krumningseksentrisitetene e1 og e2 for første og andre bireflektor 2 og 3 tilfredstiller følgende ligninger (1) og (2) : hvor 0^ og co2 er stråleradius for henholdsvis første bireflektor 2 og andre bireflektor 3, som vanligvis varierer i avhengighet av frekvensen av vedkommende elektromagnetiske utstråling. Videre er olf o2 og G3 vinkler mellom den innfallende bølge mot og de reflekterte bølger fra henholdsvis første bireflektor 1, andre bireflektor 2 og hovedreflektoren 4. h1 og L2 er avstanden mellom henholdvis punktene F0 og Fx og punktene F2 og F3. Videre er dx og d2 avstanden mellom henholdvis punktene N1 og N2 og punktene N2 og N. Videre er Ri' &2°5 R3 krumningsradiene av den innfallende bølgefront av strålen eller bølgen mot henholdsvis først og andre bireflektor 2, 3 samt hovedreflektoren 4. Videre er R1' og R2' krumningsradien for bølgefronten av den stråle som reflekteres fra henholdvis første og andre bireflektor 2 og 3. Dessuten oppnås ei ved følgende ligning:

hvor i = 1 eller 2.

De ovenfor angitte ligninger (1) og (2) oppnås ut ifra tidligere kjent teknikk.

Utviklingen av de ovenfor angitte ligninger (1) og (2) er ikke avgjørende for å beskrive foreliggende oppfinnelse, og er derfor kort omtalt i det følgende.

Disse ligninger (1) og (2) kan nemlig utledes på følgende måte ut ifra en ligning (17) som er angitt i en artikkel i Japan Denshi-Tsushin Gakkai Ronbunshi, bind J67-B nr. 2 (februar 1984) med tittelen " 4, 5, 6 GHz Band Offset Antenna Featuring Low Sidelobe and High Cross Polarization Discrimination", av Nobuo Nakajima m.fl., sidene 194 - 201, ved å utnytte resultatene av et studieprogram beskrevet i en artikkel i Mitsu-bishi Denki Gihou, bind 49, nr. 11, 1975, med tittelen " Equalizing Parabolic Representation of Multiple Reflector Type Antenna and its Application", av M. Mitzusawa og T. Katagi, sidene 729 - 732 (senere ganske enkelt omtalt som Mitzusawa).

For å lette beskrivelsen antas at antennesystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse må være slik som vist i fig. 4. Videre er brennviddene ^ og t, 2 f°r første og andre bireflektor samt fokalvidden ^3 for en tredje reflektor som er hovedreflektoren, definert på følgende måte:

hvori Di (i = 1, 2 eller 3) angir en avstand mellom et brennpunkt (her angitt som et første brennpunkt) for den i-te reflektor, som en innfallende stråle forplanter seg gjennom til denne i-te reflektor, og et midtpunkt eller buetoppunkt for den krumme overflate av nevnte reflektor (nemlig et skjæringspunkt mellom den krumme flate for en i-te reflektor og strålens senterlinje), mens Di' angir avstanden mellom et brennpunkt (her angitt som et annet brennpunkt) for den i-te reflektor, og som en reflektert stråle passere gjennom, samt midtpunktet av den krumme overflate av den i-te reflektor, idet disse størrelser Di og ~ D^' anses som negative i det tilfellet de tilsvarende brennpunkter for den i-te reflektor befinner seg i den retning som strålen forplanter seg.

Videre er stråleradien for første og andre bireflektor og hovedreflektoren angitt med henholdsvis px, p2 og p3. Vinklene <j)1( (J>2 og <|)3, er videre definert som angitt i fig. 4. Den største verdi C av det elektriske felt for den krysspolariserte komponent oppnås fra resultatene av det studieprogram som er beskrevet, ved å utnytte resultatet av under-søkelsen beskrevet av Mitzusawa (spesielt ligningene (15) og (20) samt (21) eller (22) angitt i nevnte artikkel) på grunnlag av den maksimale verdi av det elektriske felt for den primære polariserte bølge i det utsendte strålingsmønster, nemlig på følgende måter: hvor 8X = 82 = 53 = 1 i det tilfelle hovedref lektorens reflekterende flate vender nedover mot bunnen av fig. 4, slik det fremgå av figuren, mens 8X = 1 og 52 = 83 = -1 i det tilfelle den reflekterende flate av hovedreflektoren vender oppover mot toppen av figuren. Videre angir X utstrålingens bølgelengde i fritt rom, mens x-l og x2 angir avstanden mellom første og andre bireflektor målt langs forplantningsbanen for strålens midtakse, samt en avstand mellom den andre bireflektor og hovedreflektoren, også målt langs forplantningsbanen for strålens midtakse. Ligningen (d2) kan videre modifiseres ved å utnytte ligningen (d3) på følgende måte:

For fullstendig undertrykkelse av den krysspolariserte komponent er det videre nødvendig at den største verdi C av det elektriske felt i den krysspolariserte komponent som er beskrevet ved ligningene (d4) er lik null. De følgende ligninger (d5) og (d6) må da tilfredstilles:

Ved å eliminere l>1 fra ligningene (d5) og (d6) , oppnås p1 og D-l som funksjoner av andre parametre på følgende måte:

Videre utledes brennviddene i3l og ^2 for første og andre bireflektor fra ligningene (d5) og (d6) på følgende måte:

I det tilfellet (i =1, 2) er positiv, er den tilsvarende bireflektor et konkavt speil. Hvis denne verdi derimot er negativ, er den tilsvarende bireflektor et konvekst speil. Videre er eksentrisitetene og éx og é2 (som hver omfatter sitt fortegn) for første og andre bireflektor gitt ved:

hvor h1 og L2 henholdsvis angir avstanden mellom den første bireflektors fokalpunkter, samt avstanden mellom fokalpunktene for den andre bireflektor. Videre er parameteren 71 lik +1 idet tilfelle bireflektoren er en rotasjonshyperbolsk reflektor, samt -1 i tilfellet den er en rotasjonselliptisk reflek-

tor. Videre er parameteren T lik +1 i tilfellet vedkommende bireflektor er et konkavt speil samt lik -1 i tilfellet den er et konvekst speil. Videre kan følgende ligningssett utledes fra ligningene (dl), (d9) og (10):

Her bør det bemerkes at vinklene (i = 1, 2, 3) ligger innenfor området fra 0 — k, således at verdien tan( §^/ 2) er større enn 0. Videre oppnås parameterene Ki og (i = 1, 2, 3) fra ligningene (d9) og (dll) på følgende måte: hvor Z1 og Z2 er gitt ved:

De mulige sammenstillinger av de tre reflektorer i antennesystemet oppnås da ut ifra ligningssettet (dl2) slik det vil fremgå av fig. 5.

I sådanne antennesystemer vil de reflekterte stråler fra hovedreflektoren anses å være innbyrdes parallelle. Avstanden mellom det annet brennpunkt for bireflektoren og krumnings-toppunktet for hovedreflektoren D3' vil da være ganske stor i praksis. Det innebærer da at D3' » 1 og således 1/D3' = 0. Ut ifra ligning (dl) kan således brennvidden £,3 for hovedref lektoren tilnærmet oppnås ved følgende ligning:

Ligningssettet (dl2) er åpenbart likeverdig med ligningene (1) og (2) under den betingelse som er uttrykt ved ligning (dl3). Utledningen av ligningene (1) og (2) er således fullført.

Man skal da gå tilbake til foreliggende oppfinnelsesgjenstand, hvor brennviddene f1 og f2 for biref lektorene 2 og 3 er gitt ved følgende ligninger (4) og 5):

Hver bireflektorene er et konkavt speil hvis f ± (i = 1, 2) er positiv, mens hver av bireflektorene er et konvekst speil hvis fi er negativ. Verdien for <J^ (i = 1, 2) ligger videre i området fra 0 — rc, og tan(0^/2) er således > 0.

Parametere Pi og Ai for å angir form og art av reflektorene, vil nå bli innført for å lette beskrivelsen. For det første defineres parameteren Pi på følgende: hvis Pi = +1 har vedkommende reflektor form av en krum rotasjonshyperbelflate, og hvis Pi = -1 vil den ha form av en krum rotasjonsellipse-flate.

Parameteren Ai defineres så på følgende måte:

Hvis Ai = +1, er reflektoren et konkavt speil, og hvis Ai = -1 er reflektoren et konvekst speil.

Hvis i = 1 i de ovenfor angitte definisjoner av parameterene Pi og Ai, er reflektoren den første bireflektor 2, mens den er den andre bireflektor 3 hvis i = 2.

Ut ifra ligningene (1) — (5) kan man således oppnå følgende ligningssett (6) og (7):

Alle kombinasjoner av parameterene Pj_ og A± som tilfredstiller de ovenfor angitte betingelser (6) og (7) er da oppstilt i følgende tabell 1.

De utførelser av oppfinnelsen som tilsvarer tabell 1 er vist i fig. l(a) — (h). Fig. 1(a) viser en utførelse av foreliggende oppfinnelse som tilsvarer den kombinasjon av parameterene P.^ og Ai som er angitt i kolonnen lengst til venstre i tabell 1. Fig. 1(b) og (d) viser utførelser av oppfinnelsen tilsvarende den andre kolonne fra venstre i tabell 1. Videre viser fig. l(b) reflektorsammenstillingen i det tilfelle X1 > X2, mens fig. l(d) viser det tilfelle hvor Xx < X2 for reflektorene. Fig. l(c) og (d) viser utførelser som tilsvarer henholdsvis tredje og fjerde kolonne fra venstre i tabell 1. Fig. l(f) og (h) viser utførelser tilsvarende femte kolonne fra venstre side i tabell 1. Videre viser fig. l(f) utførelsene i det tilfelle Xx < X2, mens fig. l(h) viser tilfellet X1 > X2. Endelig angir fig. l(g) en utførelse tilsvarende kolonnen lengst til høyre i fig. 1. Andre foretrukkede utførelser av foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet under henvisning til fig. 1(a') og (e').

Det skal nå henvises til fig. l(a') hvor det er vist en annen utførelse hvor en hovedreflektor 4 er anordnet på undersiden av et konisk horn for bireflektorer 2 og 3. I denne figur angir punktene F0, Flf F2, F3, Nx, N2, N og W det samme som for fig. l(a).

I stedet for den ovenfor angitte betingelse (1) for å hindre dannelse av krysspolarisert komponent i antennesystemet ved ønskede frekvenser under den forutsetning at punktene F0, Nx,

N2, N og W befinner seg i ett og samme plan, bør her eksentri-siteten.ex tilfredstille følgende, betingelse {!'):

hvor clf G3r L]_; d1; d2, Ry og R3 er-definert på samme måte som ved beskrivelsen av betingelsen (1). Videre bør det bemerkes at ££ er gitt ved ovenfor angitte ligning (3).

I dette tilfelle er imidlertid brennvidden fx for den første bireflektor gitt ved følgende ligning (4'):

Brennpunktet f2 for den andre bireflektor 3 er gitt ved ligningen (5) ovenfor.

Ligningen (6') oppnås således fra ligningene (1'), (2), (4') og (5) i stedet for den ovenfor omtalte ligning (6):

På den annen side gjelder ligningen (7) fremdeles i dette tilfelle.

Alle kombinasjoner av parameterene P1# P2 og A2 er oppstilt i tabell 2 nedenfor.

To eksempler på antennesystemet i henhold til oppfinnelsen og tilsvarende tabell 2 er angitt ved figurene l(a') og (e').

Fig. l(a') viser en utførelse tilsvarende kolonnen lengst til venstre i tabell 2, hvilket vil si det tilfelle hvor X1 < X2, mens fig l(e') viser en utførelse tilsvarende kolonnen lengst til høyre i tabell 2. Skjønt det i beskrivelsen ovenfor av antennesystemet er antatt bruk av et konisk horn som primærutstråler, kan godt foreliggende antennesystem utnytte et hvilket som helst horn med sentralakse som primærutstråler.

Skjønt det i beskrivelsen ovenfor av hovedreflektoren og bireflektorene i antennesystemet er antatt at reflektorene utgjøres av en rotasjonsflate av kvadratisk kurve, kan godt foreliggende antennesystem være utført med såkalte formede reflektorer som hovedreflektor og bireflektorer.

Selv om oppfinnelsen nå er blitt beskrevet i detalj under henvisning til spesielle utførelser, vil det være åpenbart for fagfolk på området at forskjellige forandringer og modifika-sjoner av de beskrevne utførelser kan foretas uten å gå utover oppfinnelsens ramme og grunnleggende prinsipper.

Claims (1)

1. Antennesystem som omfatter en primærutstråler (1), en parabolsk hovedreflektor (4) og en første og en andre bireflektor (2, 3) anordnet mellom primærutstråleren og hovedreflektoren, idet den første bireflektor (2) er anordnet i mindre avstand til primærutstråleren enn til den andre bireflektor og den andre bireflektor (3) er anordnet i mindre avstand til hovedreflektoren enn til den første bireflektor,karakterisert ved at antennesystemet er utført på sådan måte at krumningseksentrisiteten (e-^ for den første bireflektor (2) og krumningseksentrisiteten (e2) for den andre bireflektor (3) er bestemt ved henholdsvis:

   idet: hvor: (O-L og 0)2 er stråleradius for henholdsvis den første bireflek

   tor (2) og den andre bireflektor (3), g-l, G2 og G3 er vinkelen mellom den innfallende og reflekterte

   elektriske bølge for henholdsvis den første bireflektor (2), den andre bireflektor (3) og hovedreflektoren (4), h1 er avstanden mellom brennpunktene for den første bireflek

   tor (2), L2 er avstanden mellom brennpunktene for den andre bireflek

   tor (3) , d1 er den lengde som en elektriske bølge utsendt fra primær

   utstråleren (1) forplanter seg langs midtaksen for primærutstråleren mellom første og andre bireflektor (2, 3) , d2 er den lengde som en elektriske bølge utsendt fra primær

   utstråleren (1) forplanter seg langs midtaksen for primærutstråleren mellom den andre bireflektor (3) og hovedreflektoren (4),

   R1, R2 og R3 er krumningsradius for bølgefronten av inn

   fallende bølger mot henholdsvis den første bireflektor (2), den andre bireflektor (3) og hovedreflektoren (4), Ri' R2' °5 %' er krumningsradius for bølgefronten av reflekt

   erte bølger fra henholdsvis den første bireflektor (2), den andre bireflektor (3) og hovedreflektoren (4),

   k = +1, når hovedreflektoren (4) er anordnet høyere enn

   primærutstråleren (1) samt den første og den andre bireflektor (2, 3), eller

   k = -1, når hovedreflektoren (4) er anordnet lavere enn

   primærutstråleren (1) samt den første og den andre bireflektor (2, 3), idet kombinasjoner av utforminger av nevnte første og andre bireflektorer (2, 3) er bestemt av Tabell 1 nedenfor, når k = +1, og av Tabell 2 nedenfor, når k = -1:

   hvor: A > 0 når den andre bireflektor (3) er konkav, A < 0 når den andre bireflektor (3) er konveks, Px og P2 = +1 når den første og den andre bireflektor (2, 3) er hyperboloidiske, og P-L og P2 = -1 når den første og den andre bireflektor (2, 3) er ellipsoidiske.