DE1516829C3 - In Azimut und Elevation schwenkbare Cassegrain-Antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in Azimut und Elevation schwenkbare Cassegrain-Antenne, bestehend aus einem durch einen Paraboloidausschnitt gebildeten Hauptreflektor, einem Fangreflektor, dessen Kontur sowie dessen Abstand vom Hauptreflektor derart gewählt sind, daß sich vom Hauptreflektor eine weitgehend ebene Wellenfront ablöst, und einem Primärstrahler, der mit seinem Aperturbereich den Hauptreflektor in seinem Scheitelbereich durchbricht und als Hornparabolantenne ausgebildet ist, die an der Schnittstelle zwischen der Achse des Hauptreflektorparaboloids und der Elevationsdrehachse mit einem die elektromagnetischen Wellen um 90° umlenkenden Reflektor versehen ist, der so angeordnet ist, daß die Längsachse des an ihn anschließenden Teils der Hornparabolantenne mit der Elevationsdrehachse zusammenfällt, und welche Horn-S parabolantenne in der Nähe der Hornspitze eine Hochfrequenz-Drehkupplung enthält.

Richtantennenanordnungen der vorbezeichneten Art sind beispielsweise aus der Zeitschrift »Frequenz«, Sonderausgabe, Bd. 17, 1963, S. 491 bis 498, bekanntgeworden und werden vorwiegend in Bodenstationen im Satellitenfunkverkehr verwendet. Zur Erzielung eines hohen Antennengewinnes müssen diese Antennen verhältnismäßig große mechanische Abmessungen haben. Bei den bekannten Antennen sind die für den Betrieb erforderlichen hochfrequenten Geräte, wie beispielsweise empfindliche Empfänger, die in der Regel als parametrische Verstärkereinrichtungen mit Stockstoffoder Heliumkühlung ausgebildet sind, unmittelbar an der Spitze der Hornparabolantenne angebracht. Bei der azimutalen Drehbewegung der Antenne müssen demzufolge die gesamten hochfrequenten Geräte mitgeführt werden. Eine Folge davon ist, daß die Wartung und die Versorgung dieser Geräte einen erheblichen _t zusätzlichen technischen Aufwand bedingt, wenn ein einwandfreies Funktionieren der gesamten Anordnung gewährleistet sein soll.

Zur Erzielung auch bei der azimutalen Drehbewegung feststehender Betriebsräume ist zwar aus der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, September 1965, S. 1230 bis 1232, bereits eine Hornparabolantenne bekanntgeworden, welche dreifach so gefaltet ist und bei der eine zweite Hochfrequenzdrehkupplung an einer solchen Stelle vorgesehen ist, daß azimutale Drehachse und die Längsachse der Hornspitze zusammenfallen. Diese Hornparabolantenne dient jedoch nicht als Primärstrahler einer Cassegrain-Antenne, sondern stellt selbst die Richtantenne in einer Satelliten-Bodenstation dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zum Aufbau einer Antenne der eingangs genannten Art aufzuzeigen, bei der einerseits der gesamte Betriebsraum mit sämtlichen erforderlichen Geräten in Ruhe bleibt und gleichzeitig exzentrische Lagerungen der an sich ein verhältnismäßig hohes Gewicht aufweisenden Richtantenne weitgehend vermieden werden.

Ausgehend von einer in Azimut und Elevation schwenkbaren Cassegrain-Antenne, bestehend aus einem durch einen Paraboloidausschnitt gebildeten Hauptreflektor, einem Fangreflektor, dessen Kontur sowie dessen Abstand vom Hauptreflektor derart gewählt sind, daß sich vom Hauptreflektor eine weitgehend ebene Wellenfront ablöst, und einem Primärstrahler, der mit seinem Aperturbereich den Hauptreflektor in seinem Scheitelbereich durchbricht und als Hornparabolantenne ausgebildet ist, die an der Schnittstelle zwischen der Achse des Hauptreflektorparaboloids und der Elevationsdrehachse mit einem die elektromagnetischen Wellen um 90° umlenkenden Reflektor versehen ist, der so angeordnet ist, daß die Längsachse des an ihn anschließenden Teils der Hornparabolantenne mit der Elevationsdrehachse zusammenfällt, und welche Hornparabolantenne in der Nähe der Hornspitze eine Hochfrequenz-Drehkupplung enthält, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Hornparabolantenne an der Schnittstelle zwischen Elevationsdrehachse und Azimutdrehachse zusätzlich mit einem weiteren, die elektromagnetischen Wellen ebenfalls um 90° umlenkenden Reflektor versehen ist, der so an-

geordnet ist, daß die Längsachse des an ihn anschließenden, zu der Hornspitze führenden Teiles der Hornparabolantenne mit der Azimutdrehachse zusammenfällt, und daß in dem zwischen den Umlenkreflektoren liegenden Teil der Hornparabolantenne eine weitere Hochfrequenz-Drehkupplung angeordnet ist, und daß der Hauptreflektor eine von der Rotationssymmetrie derart abweichende Form hat, daß in seiner Zenitstellung sein Schwerpunkt zumindest näherungsweise in der Azimutdrehachse liegt.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die

F i g. 1 schematisch eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antenne, die

F i g. 2 schematisch die Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles, bei dem der Fangreflektor etwa im ersten Drittel des Radius des vom Paraboloidausschnitt des Hauptreflektors gebildeten Kreises liegt.

Die in der F i g. 1 dargestellte Richtantennenanordnung besteht aus einem Hauptreflektor 9, einem Fangreflektor 10 und einem als Hornparabol ausgebildeten Speisehorn 4. Der Hauptreflektor 9 wird von einem Paraboloidausschnitt gebildet, dessen Form von der Rotationssymmetrie abweicht und in dessen Scheitelbereich das Speisehorn 4 den Hauptreflektor durchbricht. Im Bereich des Nahfeldes des Speisehornes 4 liegt der Fangreflektor 10, der über in der Zeichnung nicht näher dargestellte Stützvorrichtungen am Hauptreflektor 9 befestigt ist. Im Speisehorn 4 sind zwei Umlenkspiegel 1 und 2 vorgesehen, die die elektromagnetischen Wellen jeweils um 90° umlenken und an die sich der konische Teil 5 des Speisehornes 4 anschließt. Der konische Teil 5 des Speisehornes 4 mündet in einen Betriebsraum 6, in dem die erforderlichen hochfrequenten Geräte untergebracht werden können. Die Längsachse 11 des konischen Hornteiles 5 des Speisehornes 4 bildet die vertikale Drehachse, um die sich die Antenne bei azimutaler Bewegung dreht, wie es durch den Pfeil 13 angedeutet ist. Der den Hauptreflektor 9 bildende Paraboloid-Ausschnitt ist derart gewählt, daß in der Zenitstellung des Hauptreflektors 9 sein Schwerpunkt zumindest näherungsweise in der Achse 11 des konischen Teiles 5 liegt. Auf diese Weise wird eine nahezu zentrische Lagerung des Hauptreflektors in der Zenitstellung erreicht. Dieser Aufbau ist insbesondere auch dann von Vorteil, wenn sich der Hauptreflektor in einer von der Zenitstellung abweichenden Lage befindet und sich gegebenenfalls um die vertikale Achse dreht, weil sich durch diesen Aufbau eine an sich verhältnismäßig geringe Exzentrizität in der Gewichtsverteilung der gesamten Antenne erzielen läßt. Dadurch ergeben sich insbesondere hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung der für den konstruktiven Aufbau der Antenne erforderlichen Teile, wie beispielsweise der Stützkonstruktion, besonders günstige Verhältnisse, und es kann die Gesamtkonstruktion beispielsweise bei Aufstellung der Antenne im Freien vor allem auch den durch Winddruck hervorgerufenen Einflüssen verhältnismäßig leicht angepaßt werden. Darüber hinaus ergibt sich auch eine relativ gleichmäßige Gewichtsverteilung in den Lagerstellen, in denen die beweglichen Teile der Gesamtkonstruktion für die Schwenkung um die horizontale und die vertikale Achse gelagert sein müssen. Zur ungestörten Fortführung der elektromagnetischen Energie bei Drehung der Antenne um die vertikale Achse 11 ist im konischen Teil 5 des Speisehornes 4 eine Hochfrequenzdrehkupplung 7 vorgesehen. Aus den gleichen Gründen ist eine weitere Hochfrequenzdrehkupplung 8 zwischen den beiden Umlenkspiegeln 1 und 2 angeordnet, die eine ungestörte Fortführung der elektromagnetischen Energie bei Bewegung der Antenne in der Elevationsebene um die Elevationsdrehachse 12 gewährleistet. ;

Die elektrische Wirkungsweise der Anordnung sei nachstehend für den Sendefall noch näher erläutert.

In die Spitze 14 des Speisehornes 4 mündet beispielsweise ein mit einem Sender in Verbindung stehender Hohlleiter ein. Von der Spitze 14 aus breitet sich eine Kugelwelle im konischen Teil 5 aus, die am ebenen Spiegel 1 reflektiert und um 90° umgelenkt wird. Diese Kugelwelle wird in einem weiteren trichterförmigen Teil 15 fortgeführt und trifft auf einen paraboloidförmig ausgebildeten Umlenkspiegel 2, an dem sie abermals reflektiert und um 90° in Richtung zum Fangreflektor 10 umgelenkt wird. Wegen der Parabolform des Spiegels 2 wird die Kugelwelle in eine nahezu ebene Wellenfront umgeformt. Diese ebene Welle wird im zylindrischen Teil 16 zum Ausgang des Speisehornes 4 weitergeleitet und trifft auf den Fangreflektor 10, der sich im Nahfeld des Speisehornes 4 befindet. Die Kontur des Fangreflektors 10 ist so ausgebildet, daß die von ihm reflektierte Wellenfront eine Kugelwelle darstellt, deren Zentrum im Punkt 17 sitzt. Der Punkt 17 wiederum stellt den Brennpunkt des Hauptreflektors 9 dar, und da der Hauptreflektor 9 als Paraboloidausschnitt ausgebildet ist, wird eine auf ihn auftreffende Kugelwelle in eine weitgehend ebene Wellenfront umgeformt und in der gewünschten Strahlungsrichtung abgestrahlt. Dieser Vorgang ist im einzelnen noch durch die Pfeile 18 angedeutet. Wenn der ebene Umlenkspiegel 1, so wie in der F i g. 1 dargestellt, unmittelbar auf den konischen Teil 5 des Hornparabols 4 folgt, dann muß der Leitungsabschnitt 15 ebenfalls kegelförmig ausgebildet sein, d. h. er muß gewissermaßen die Kegelform des konischen Teiles 5 nach der Umlenkung der Welle fortsetzen, um eine ungestörte Fortpflanzung der Kugelwelle zu gewährleisten. Die Spitze 20 des kegeligen Teiles 15 liegt auf der die Spiegel 1 und 2 durchstoßenden Achse 21, die gleichzeitig die Drehachse für die Drehbewegung in der Elevationsebene darstellt, wie es durch den Pfeil 22 angedeutet ist. Durch die gestrichelten Linien 23 und 24 ist noch die besondere Ausbildung des kegeligen Teiles 15 angedeutet. Die von der Kegelspitze 20 ausgehende Linie 23 muß die Begrenzungslinie des kegeligen Teiles 15 bis zum zylindrischen Teil 16 bilden und gleichzeitig im Punkt 19, an dem der paraboloidförmige Spiegel 29 endet, durch den zylindrischen Teil hindurchstoßen. Die von der Kegelspitze 20 ausgehende Linie 24 muß einerseits mit der unteren Begrenzung des Spiegels 1 zusammenfallen und in den Punkt 25 einmünden, der die untere Begrenzung des paraboloidförmigen Spiegels 2 darstellt. Gleichzeitig muß der Punkt 25 eine gedachte Fortsetzung des zylindrischen Teiles 16 des Speisehornes 4 sein, wie es durch die gestrichelte Linie 26 angedeutet ist. Durch diese Ausbildung ist gewährleistet, daß keinerlei unerwünschte Abdeckungen durch die einzelnen unterschiedlich ausgebildeten Teile des Speisehornes auftreten. Derartige Abdeckungen hätten nämlich unerwünschte Dämpfungen und Phasenverzerrungen zur Folge.

Es ist jedoch auch möglich, den Spiegel 1 paraboloidförmig und den Spiegel 2 eben auszubilden. In diesem Fall wird die im konischen Teil 5 des Speisehornes laufende Welle bereits am Spiegel 1 in eine ebene Welle

umgeformt, und es kann das zwischen den Umlenkspiegeln 1 und 2 liegende Verbindungsstück 15 ebenso wie der Endabschnitt 16 als zylindrisches Rohr ausgebildet sein. Die Anbringung der Umlenkspiegel muß dabei ebenfalls so erfolgen, daß keine unerwünschten Abdekkungen auftreten, so daß sich die einzelnen Teilwellen ungestört ausbreiten können und die Umformung der Kugelwelle in die ebene Welle ohne Störung erfolgen kann.

Wie bereits erwähnt, muß die Kontur des Fangreflektors 10 so ausgebildet sein, daß sich von ihm eine Kugelwelle mit dem fiktiven Zentrum im Punkt 17 ablöst, wodurch gleichzeitig gewährleistet ist, daß sich vom Hauptreflektor 9 eine ebene Wellenfront ablöst. Die Kontur des Fangreflektors wird dabei zweckmäßig empirisch erfaßt, da sich eine allgemein gültige Regel für die Ausgestaltung der Kontur des Fangreflektors bei nicht rotationssymmetrischer Form des Hauptreflektors nicht ohne weiteres angeben läßt.

Die F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Verringerung der zentralen Aperturabdeckung des Hauptreflektors in verhältnismäßig einfacher Weise erreicht ist. Hinsichtlich des mechanischen Aufbaues und der elektrischen Wirkungsweise gelten die beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bereits gegebenen Erläuterungen analog. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ist der Fangreflektor in einem Bereich von etwa einem Drittel des Radius des vom Paraboloidausschnitt gebildeten Kreises angeordnet. Ein günstiger Bereich dieser Anordnung des Fangreflektors liegt etwa zwischen einem und zwei Dritteln des Radius. Durch diese Anordnung des Fangreflektors 9 läßt sich erreichen, daß bei einer stärker exzentrischen Anordnung des Fangreflektors und seiner Stützen die zentrale Aperturabdeckung des Hauptreflektors 9, wo die maximale Energie abgestrahlt wird, weitgehend vermieden ist.

ίο Auf diese Weise ergibt sich ein hoher Flächenwirkungsgrad der Antenne bei gleichzeitig außerordentlich geringen Nebenzipfeln. Gleichzeitig ist bei diesem Ausführungsbeispiel noch gezeigt, daß der Spiegel Γ paraboloidförmig und der Spiegel 2' eben ausgebildet ist, wie es bereits beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 erläutert wurde. Der die Umlenkspiegel Γ und 2' verbindende Abschnitt 15 des Speisehornes 4 ist in diesem Fall zylindrisch ausgebildet. Das einzige Erfordernis zur Verwirklichung einer stärker exzentrischen Lage des Fangreflektors besteht darin, das Verbindungsstück 15 zwischen den beiden Umlenkspiegeln Γ und 2' länger als beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 auszubilden und für den Hauptreflektor einen Paraboloidausschnitt zu wählen, bei dem — im Querschnitt betrachtet — der Scheitel noch näher an eine Randzone des Paraboloids herangerückt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. In Azimut und Elevation schwenkbare Cassegrain-Antenne, bestehend aus einem durch einen Paraboloidausschnitt gebildeten Hauptreflektor, einem Fangreflektor, dessen Kontur sowie dessen Abstand vom Hauptreflektor derart gewählt sind, daß sich vom Hauptreflektor eine weitgehend ebene Wellenfront ablöst, und einem Primärstrahler, der mit seinem Aperturbereich den Hauptreflektor in seinem Scheitelbereich durchbricht und als Hornparabolantenne ausgebildet ist, die an der Schnittstelle zwischen der Achse des Hauptreflektorparaboloids und der Elevationsdrehachse mit einem die elektromagnetischen Wellen um 90° umlenkenden Reflektor versehen ist, der so angeordnet ist, daß die Längsachse des an ihn anschließenden Teils der Hornparabolantenne mit der Elevationsdrehachse zusammenfällt, und welche Hornparabolantenne in der Nähe der Hornspitze eine Hochfrequenz-Drehkupplung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Hornparabolantenne (4; 16, 2, 15, 5) an der Schnittstelle zwischen Elevationsdrehachse (12) und Azimutdrehachse (11) zusätzlich mit einem weiteren, die elektromagnetischen Wellen (18) ebenfalls um 90° umlenkenden Reflektor (1, V) versehen ist, der so angeordnet ist, daß die Längsachse des an ihn anschließenden, zu der Hornspitze (14) führenden Teiles (5) der Hornparabolantenne (4,16, 2, 15, 5) mit der Azimutdrehachse (11) zusammenfällt, und daß in dem zwischen den Umlenkreflektoren (1,2; Γ, 2') liegenden Teil (15) der Hornparabolantenne (4) eine weitere Hochfrequenz-Drehkupplung (8) angeordnet ist, und daß der Hauptreflektor (9) eine von der Rotationssymmetrie derart abweichende Form hat, daß in seiner Zenitstellung sein Schwerpunkt zumindest näherungsweise in der Azimutdrehachse (11) liegt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aperturnahe Umlenkreflektor (2) der Hornparabolantenne parabolisch, der andere Umlenkreflektor (1) eben ausgebildet ist, und daß der zwischen diesen Reflektoren (1, 2) liegende Teil der Hornparabolantenne eine konische Form hat.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aperturnahe Umlenkreflektor (2') der Hornparabolantenne eben, der andere Umlenkreflektor (V) parabolisch ausgebildet ist, und daß der zwischen diesen Reflektoren (V, 2') liegende Teil der Hornparabolantenne eine zylindrische Form hat.