DE60107939T2

DE60107939T2 - Reflektorantenne mit gemeinsamer apertur und verbessertem zuführungsentwurf

Info

Publication number: DE60107939T2
Application number: DE60107939T
Authority: DE
Inventors: W. Kenneth BROWN; A. Thomas DRAKE
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: AU2001245334B2; AU4533401A; DE60107939D1; KR100758043B1; RU2002125502A; WO2001063694A1; RU2257649C2; JP2003524975A; EP1269570A1; ATE285626T1; KR20020079911A; IL151464A; IL151464A0; US6295034B1; EP1269570B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Antenne und insbesondere eine Antenne mit gemeinsamer Apertur und einer hocheffizienten Einspeisung sowie ein Verfahren zum Konstruieren derselben.
Hintergrund
Antennen mit gemeinsamer Apertur sind allgemein bekannt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 5,214,438 eine Millimeterwelle und einen Infrarotsensor bei einer gemeinsamen Empfangsapertur. Das US-Patent 5,307,007, auf dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, offenbart ebenfalls eine Antenne mit gemeinsamer Apertur. Die europäische Patentanmeldung EP 0859427 offenbart eine Doppelreflektor-Mikrowellenantenne, bei der der Subreflektor derart geformt ist, dass eine Aperturleistungsverteilung erzeugt wird, die im Wesentlichen auf den Bereich des Hauptreflektors außerhalb des Schattens des Subreflektors beschränkt ist. Der Artikel „An Array Feed Approach to Compact Range Reflector Design" von J. P. McKay et al. in Ausgabe 41, Nr. 4 von „IEEE Transaction on Antenna and Propagation", der am 1. April 1993 veröffentlicht wurde, offenbart ein Einspeisungsarray für einen versetzten Parabolreflektor. Diese Referenz offenbart ein Einspeisungsarray mit einer tiefen Arraymusternull, die mit dem Reflektorrand zusammenfällt. Dort wird ein Mehrfachringarray mit zwei oder mehreren konzentrischen Ringen gelehrt, die außer Phase angeregt werden. Durch Auswählen der Anzahl der Ringe, Abstände, etc. kann ein Einspeisungsmuster mit einem konstanten (abgeflachten) Strahl mit einer spezifischen Welligkeit erhalten werden, wobei sich Nullen an dem Reflektorrand befinden.
Früher haben falsche Zielerfassungen die Kosteneffektivität einzelner Sensorsucher verschlechtert. Wetterbedingungen und die Tageszeit können die Fähigkeit des Sensors, das Ziel zu erfassen, nachteilig beeinflussen. Millimeterwellen(MMW-)Energie ist bei nachteiligen Wetterbedingungen nützlich. Jedoch zeigt sich die Auflösung nicht so präzise wie bei optischen Systemen, die im Infrarot-(IR)Bereich betrieben werden. Bei einem optischen System wird eine Auflösung nachteilig durch Regen, Nebel oder Feuchtigkeit beeinflusst. Diese Bedingungen können die Effektivität solcher Sensoren im optischen Spektralbereich verringern. Eine Zielerfassung kann im Wesentlichen durch Kombinieren von Millimeterwellen- und optischen Infrarotsignalen verbessert werden, was den Einfluss klimatischer Bedingungen wesentlich verringert. IR und MMW sind auch für bekannte Gegenmaßnahmen zahlreicher Art zugänglich, und deshalb ist ein System mit gemeinsamer Apertur weniger empfänglich für einen einzelnen Typ von Gegenmaßnahme.
Trotz der zuvor erwähnten Vorteile, die mit solchen Antennen mit gemeinsamer Apertur verknüpft sind, haben die Anmelder herausgefunden, dass verschiedene Probleme bei herkömmlichen Konstruktionen existieren. Zum Beispiel könnte eine Hauptfokusreflektor-Antennenkonstruktion eine abnormal große Menge einer zentralen Blockierung bzw. Versperrung ("blockage") aufweisen (, die viel größer als die von der Einspeisung normalerweise hervorgerufene ist), die durch einen anderen Teil des Gesamtsystems erzeugt wird. In einer solchen Situation ist es dem Antennenkonstrukteur überlassen, die Reflektorantennenleistung in Anwesenheit dieser Blockierung zu maximieren.
Als spezifischeres Beispiel könnte ein IR-Sensor innerhalb der Antenne mit gemeinsamer Apertur sich die gleiche Hauptreflektoroberfläche mit einer RF-Reflektorantenne (Mikrowelle oder Millimeterwelle) teilen. In einer solchen Situation wird die Reflektorkonfiguration oft durch strengere IR-Systemerfordernisse diktiert. Dies hat üblicherweise eine nachteilige Auswirkung auf die Leistung des RF-Systems. Dies soll bedeuten, dass das, was für das IR-System vorteilhaft ist, üblicherweise nicht das ist, was für das RF-System vorteilhaft ist.
Angesichts der zuvor erwähnten Mängel, die mit herkömmlichen Konstruktionen verbunden sind, besteht im Stand der Technik ein starkes Bedürfnis nach einer Antenne mit gemeinsamer Apertur, die einen effizienten Betrieb in Bezug auf jedes der Systeme ermöglicht. Zum Beispiel gibt es ein starkes Bedürfnis nach einer Reflektorantenne mit gemeinsamer Apertur, die für ein IR-System optimiert und auch effizient für ein RF-System konfiguriert werden könnte. Des Weiteren besteht im Stand der Technik ein starkes Bedürfnis nach einem Verfahren zum Konstruieren einer solchen Antenne.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Reflektorantenne mit gemeinsamer Apertur, die aufweist: einen Hauptreflektor mit einer gewöhnlichen parabolischen Reflexionsoberfläche und einer Mittelachse, die sich von einem Scheitelpunkt des Hauptreflektors durch einen Brennpunkt des Hauptreflektors erstreckt; eine Einspeisung, die sich gewöhnlich an dem Brennpunkt befindet, zum Ausleuchten des Hauptreflektors mit und/oder zum Empfangen einer Funkfrequenz(RF)-Energie mit einer vordefinierten RF-Wellenlänge von dem Hauptreflektor, um RF-Energie zu senden/zu empfangen; und zumindest entweder einen Subreflektor oder einen Sensor, der sich gewöhnlich an dem Brennpunkt befindet, zum Reflektieren oder Empfangen von Energie einer vordefinierten Wellenlänge, die sich von der vordefinierten RF-Wellenlänge unterscheidet; wobei eine Blockierung des Hauptreflektors auf Grund des Subreflektors oder des Sensors entlang der Mittelachse größer oder gleich einer Blockierung des Hauptreflektors auf Grund der Einspeisung ist; und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einspeisung konfiguriert ist, um mehr RF-Energie von der Einspeisung in Richtung zu Bereichen des Hauptreflektors, die nicht durch den Subreflektor oder den Sensor blockiert sind, als in Richtung zu Bereichen des Hauptreflektors zu lenken, die durch den Subreflektor blockiert sind.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einspeisung ein Array individueller Elemente. Die Arrayelemente sind konfiguriert, um die Gesamteffizienz einer Reflektorantenne durch Nivellieren ("flattening") der Aperturausleuchtung und auch durch Nullabgleichen der Ausleuchtung innerhalb des zentral blockierten Teils der Reflektorantennenoberfläche zu erhöhen. Insbesondere werden die Arrayelemente vorsichtig in Bezug auf eine Beabstandung und eine Anregung derart konfiguriert, dass das Array zum Beispiel lediglich den nicht blockierten Teil des Hauptreflektors ausleuchtet. Zusätzlich ist das Arraymuster derart optimiert, dass der nicht blockierte Teil der Reflektorantenne quasi gleichmäßig ausgeleuchtet ist.
Zur Erzielung des vorher Gesagten und damit verbundener Ergebnisse weist die Erfindung dann die hiernach vollständig beschriebenen und insbesondere in den Ansprüchen herausgestellten Merkmale auf. Die folgende Beschreibung und die angehängten Zeichnungen setzen detailliert bestimmte veranschaulichende Ausführungsformen der Erfindung fort. Diese Ausführungsformen zeigen jedoch nur einige der verschiedenen Arten an, auf die die Prinzipien der Erfindung angewendet werden könnten. Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung verständlich werden, wenn dies in Verbindung mit den Zeichnungen gesehen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine perspektivische Ansicht einer Reflektorantenne mit gemeinsamer Apertur gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
2 stellt eine diagrammartige Seitenansicht der Antenne der 1 dar.
3 stellt eine Vorderansicht eines exemplarischen Einspeisearrays gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
4A stellt ein geschätztes E-Ebenenmuster für das Einspeisearray der 3 dar.
4B stellt ein geschätztes E-Ebenenmuster für eine Antenne dar, in die das Einspeisearray der 3 eingebaut ist.
5 stellt eine Vorderansicht eines Einspeisearrays gemäß einem vergleichbaren Beispiel dar.
6A stellt ein geschätztes E-Ebenenmuster für das Einspeisearray der 5 dar.
6B stellt ein geschätztes E-Ebenenmuster für eine Antenne dar, in die das Einspeisearray der 5 eingebaut ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, wobei durchweg gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen.
Bezug nehmend zuerst auf 1 und 2 ist eine Reflektorantenne 10 mit einer gemeinsamen Apertur gemäß der vorlie genden Erfindung gezeigt. Die Antenne 10 umfasst einen Hauptreflektor 12 mit einer Oberfläche 14, die sowohl Mikrowellen/Millimeterwellen-RF-Energie als auch Infrarot(IR)-Energie reflektiert. Bei der exemplarischen Ausführungsform weist der Hauptreflektor 12 eine kreisförmige Apertur mit einem Durchmesser D auf, wie in 1 gezeigt. Der Hauptreflektor ist im Querschnitt parabolisch oder quasi-parabolisch mit einem Brennpunkt FP, der sich bei einer Brennweite F von einem Scheitelpunkt 16 des Hauptreflektors 12 aus befindet. Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich eine Mittelachse 18 der Antenne 10 von dem Scheitelpunkt 16 des Hauptreflektors 12 durch den Brennpunkt FP hindurch und wird anschließend während einer Verwendung in Richtung eines interessierenden Ziels gerichtet.
Die Antenne 10 umfasst des Weiteren eine RF-Einspeisung 20, die sich gewöhnlich im Brennpunkt FP des Hauptreflektors 12 befindet. Die RF-Einspeisung 20 ist derart positioniert, dass für den Fall einer Übertragung eines RF-Signals die RF-Einspeisung 20 den Hauptreflektor 12 mit einer RF-Energie ausleuchtet, so dass die RF-Energie durch den Hauptreflektor 12 entlang der Mittelachse 18 in Richtung des Ziels (nicht gezeigt) reflektiert wird. Im Falle eines Empfangens eines RF-Signals ist die RF-Einspeisung derart positioniert, dass die dorthin reflektierte RF-Energie durch den Hauptreflektor 12 empfangen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich ein IR-Subreflektor 22 annähernd im Brennpunkt FP, zwischen dem Hauptreflektor 12 und der RF-Einspeisung 20. Wie bspw. im Patent US 5,214,438 beschrieben, könnte ein solcher IR-Subreflektor 22 aus einem dichroitischem Element hergestellt sein, welches IR-Energie reflektiert, noch RF-Energie sendet. Der IR-Subreflektor 22 reflektiert IR-Energie, die er von dem Hauptreflektor 12 empfangen hat, an einen IR-Sensor 24, der sich gewöhnlich im Scheitelpunkt 16 des Hauptreflektors 12 befindet. Zur gleichen Zeit ermöglicht der IR-Subreflektor 24, dass RF-Energie zwischen dem RF-Sensor 20 und dem Hauptreflektor 12 dort hindurchläuft. Ein dritter Sensor 26, wie zum Beispiel ein Laserradarsystem, ist vor der RF-Einspeisung 20 angebracht, wie in 2 gezeigt. Der dritte Sensor 26 könnte bei Bedarf einen relativ großen Durchmesser verglichen zu der RF-Einspeisung 20 und zu dem IR-Subreflektor 24 aufweisen. Eine oder mehrere Streben 28 dienen zum Halten des IR-Subreflektors 22, der RF-Einspeisung 20 und/oder des dritten Sensors 26.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform könnte die Antenne 10 entweder nur den IR-Subreflektor 22/IR-Sensor 24 oder den dritten Sensor 26 aufweisen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Die RF-Einspeisung 20 der IR-Subreflektor 24 und/oder der dritte Sensor 26 repräsentieren in jedem Fall eine Gesamtblockierung 30 in Bezug auf RF-Energie mit einem Maximumdurchmesser b relativ zu dem Hauptreflektor 12. Wie in 2 gezeigt, dient die Blockierung 30 dazu, einen blockierten Bereich 32 auf der Oberfläche des Hauptreflektors 12 zu erzeugen. Ein so blockierter Bereich 32 ist als durch den maximalen Durchmesser b der Blockierung 30 auf den Hauptreflektor 12 entlang der Mittelachse 18 projiziert gezeigt. Die Streben 28 dienen verständlicherweise auch dazu, eine Blockierung auf dem Hauptreflektor 12 zu schaffen. Nicht blockierte Bereiche 34 des Hauptreflektors 12 umgeben den blockierten Bereich 32.
Es versteht sich, dass die oben beschriebene Antenne 10 in Bezug auf 1 und 2 von einem RF-Standpunkt aus normalerweise nicht optimal sein wird. Tatsächlich können mehrere Aspekte der Konstruktion (geschaffen durch den IR-Sensor/IR-Subreflektor 22 und/oder den dritten Sensor 26) im Wesentlichen die Leistung des RF-Systems verschlechtern. Erstens könnte die Parabolform des Hauptreflektors 12 nicht notwendigerweise optimal für die effizienteste RF-Leistung sein. Besonders geformte Hauptreflektoren zur Verwendung in Cassegrain-Systemen können verwendet werden, um die RF-Antennenverstärkung wesentlich zu erhöhen. Jedoch verhindert die Tatsache, dass das IR-System einen Subreflektor verwendet, mehr als wahrscheinlich die Verwendung eines Cassegrain-RF-Systems. Zweitens kann die Verwendung eines IR-Subreflektors 22 zwischen der RF-Einspeisung 20 und dem Hauptreflektor 12 einen Phasenfehler bei der RF-Welle induzieren. Dieser Phasenfehler hat das Potenzial, die RF-Antennenleistung zu verschlechtern. Drittens schafft der Ort des IR-Sensors 24 und der relativ große Durchmesser des dritten Sensors 26 eine ungewöhnlich große Menge an Zentralblockierung 30 für das RF-System. Die Energie von der RF-Einspeisung 20, die auf den zentralen Bereich des Hauptreflektors 12 einfällt, ist im Wesentlichen vergeudet, da sie blockiert und/oder durch den IR-Sensor 24/Subreflektor 22 und/oder den dritten Sensor 26 gestreut wird. Diese Blockierung wird normalerweise die RV-Verstärkung verschlechtern und die Nebenkeulenpegel erhöhen. Solche Probleme sind noch komplizierter, wenn vom RF-System verlangt wird, monopulsartig zu sein, wie bei der exemplarischen Ausführungsform. Dafür sind insgesamt vier Einspeisungsapparate für das RF-System erforderlich.
Um eine Vorstellung des Ausmaßes der Blockierung, die durch den IR-Sensor 24/Subreflektor 22 und/oder den dritten Sensor 26 verursacht wird, zu vermitteln, könnte ein exemplarischer Fall einen Hauptreflektor 12 mit einem Durchmesser D (1) gleich 8 λ aufweisen, wobei λ die Wellenlänge der gewünschten RF-Betriebsfrequenz darstellt. Die Brennweite F (2) liegt in der Größenordnung von 3 λ und der Blockierungsdurchmesser b (2) liegt in der Größenordnung von 3 λ. Folglich ist ein großer Teil 32 der Mitte des Hauptreflektors 12 blockiert (zum Beispiel ein Durchmesser in der Größenordnung von 30% bis 40% des Durchmessers D des Hauptreflektors 12).
Die vorliegende Erfindung überwindet viele dieser Beschränkungen kraft einer besonders konfigurierten RF-Einspeisung 20. Bei der exemplarischen Ausführungsform besteht die RF-Einspeisung 20 aus einem Array von Einspeisungselementen. 3 veranschaulicht zum Beispiel eine Monopuls-RF-Einspeisung 20 mit einem Array 38 aus Einspeiseelementen 40. Durch vorsichtiges Konfigurieren der Arrayelemente 40 können einige und/oder alle der oben erwähnten Beschränkungen vermindert werden.
Erstens ist das Array 38 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konfiguriert, um im Wesentlichen lediglich den nicht blockierten Teil oder die nicht blockierten Teile 34 des Hauptreflektors 12 (siehe 2) auszuleuchten. Dadurch wird die RF-Energie nicht an dem blockierten Teil 32 des Hauptreflektors 12 vergeudet. Wie es nachfolgend umfänglicher beschrieben wird, wird dies durch Erzeugen einer RF-Einspeisung 20 mit einem Einspeisungsmuster gemacht, das ein „Loch" in seiner Mitte aufweist.
Zweitens ist das Array 38 vorzugsweise konfiguriert, um die RF-Energieausleuchtung auf dem Hauptreflektor 12 zu nivellieren. Bei einer Reflektorantennenkonstruktion gibt es üblicherweise einen Kompromiss zwischen einer Ausleuchtungseffizienz und einem Überlaufverlust. Eine nivellierte Ausleuchtung könnte ein Überlaufen von mehr Energie über den Rand des Hauptreflektors erfordern. Für eine normale Reflektorantenneneinspeisung (wie zum Beispiel ein Horn) wird eine Maximalverstärkung oder -effizienz mit einer Hauptreflektor-Randausleuchtung von ungefähr –11 dB (relativ zu der Ausleuchtung der Mitte des Hauptreflektors) erhalten. Dies resultiert in einer schlechten Apertureffizienz und einem Überlauf von ungefähr 10% der Einspeisungsenergie. Dieses Szenario kann mit der Verwendung eines Cassegrain-Systems verbessert werden, welches einen Subreflektor verwendet. Die Subreflektorform und die Hauptreflektorform können derart abgestimmt werden, dass die Ausleuchtungsverjüngung im Wesentlichen 0 dB mit einem sehr kleinen Überlauf beträgt. Da ein Cassegrain für das obige System mit gemeinsamer Apertur nicht möglich ist, ist dieser effiziente Weg zum Speisen des Hauptreflektors nicht möglich. Jedoch könnte unter Verwendung eines Arrays 38 als Einspeisung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung die Ausleuchtung des Hauptreflektors 12 nivelliert werden, wodurch die Apertureffizienz optimiert wird. Die Strahlung der Arrayeinspeisung 20 kann auch so gemacht werden, dass sie schnell bei dem Rand des Hauptreflektors 12 abfällt, was den Überlaufverlust reduziert.
Drittens kann die Phaseneinstellung zwischen den Arrayelementen 40 modifiziert werden, um jeglichen durch den semitransparenten IR-Subreflektor 22 induzierten Phasenfehler zu korrigieren.
Beispiel
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung konstruierten und testeten eine Antenne 10 in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Erfindung. Die Antenne 10 war zur Operation mit einer Millimeterwellenfrequenz von 35 Gigahertz (GHz) konstruiert.
Ein Parabolhauptreflektor 12 mit einem Durchmesser D = 2,7'' ('' bezeichnet Inch, 1 Inch = 2,54 cm) und eine Brennweite F = 1,09'' wurde ausgewählt. Diese Parameter wurden durch die IR-Sensorerfordernisse geschaffen. Die aufgezwungene Zentralblockierung des dritten Sensors 26 stellte eine Maximalblockierung 30 mit einem Durchmesser von b = 1'' dar. Deshalb war die Größe der RF-Einspeisung 20 auf diesen 1''-Durchmesser begrenzt. Bei der gewünschten Millimeterwellenfrequenz von 35 GHz bei den oben auferlegten Dimensionen wurde für die Einspeisung 20, wie in 3 repräsentiert, ein Mikrostreifen-Patchantennenarray 38 bestimmt, optimal zu sein. Das Patchantennenarray 38 wurde aus einem Substrat 42 gebildet, das aus RT Duroid^TM 6002 unter Verwendung herkömmlicher Herstellungsverfahren hergestellt ist. Die Verwendung von RT Duroid^TM 6002 als Substrat 42 für das Patcharray 38 (welches eine dielektrische Konstante von 2,94 aufweist) erforderte quadratische Patchelemente 40, die eine Seitenlänge von ungefähr 0,090'' hatten, was es ermöglichte, innerhalb des 1''-Durchmesser-Einspeisungsbereichs ein 4 × 4-Array aus Patchelementen 40 (16 insgesamt) zu verwenden.
Die Anregung und Beabstandung jedes Patchelements 40 in dem Array 38 aus 16 Elementen wurde für eine maximale Reflektorantenneneffizienz unter Verwendung einer physikalischen Optik optimiert, wie es nachfolgend detaillierter erläutert werden wird. Die resultierende optimierte Array-Beabstandung und die gewünschten Eingangsspannungen für jedes Patch sind in 3 gezeigt und werden durch die folgende 4 × 4-Matrix mit der entsprechenden Amplitude und Phase jedes Elements 40 repräsentiert:
Man beachte, dass die äußeren 12 Patchelemente 40 um den Rand des Arrays 38 180°-phasenverschoben relativ zu den zentralen vier Patchelementen 40 zu speisen sind. Auch beschreiben die jeweiligen Quadranten, die durch die Linien 46 in 3 gebildet sind, die entsprechenden Gruppen, die gemeinsam für einen Monopulsbetrieb gespeist werden. Durch Anpassen der Leistungsmenge, die zwischen den Patchelementen 40 geteilt wird, und einer Leitungslängendifferenz in Mikrostreifenleitungen, die die Patchelemente 40 speisen, wurde die Aperturarrayverteilung erhalten, wie in 3 definiert. Ein Streifenleitungsarithmetische Schaltungsschicht wurde verwendet, um das Summenmuster und das Differenzmuster zur Monopulsverfolgung zu erzeugen. Die Details zum Bilden eines Patcharrays und zum Vorsehen der geeigneten Amplituden- und Phasendifferenzen sind im Stand der Technik wohl bekannt und werden somit hier aus Gründen der Kürze nicht diskutiert werden.
Das vorhergesagte Summenkanalmuster dieses optimierten Arrays 38 ist in 4A für die E-Ebene gezeigt. Man beachte, dass das Muster des Arrays 38 derart optimiert ist, dass die Mehrheit der Einspeisungsenergie von der RF-Einspeisung 20 in Richtung der nicht blockierten Bereiche 34 des Hauptreflektors 12 gerichtet ist. Tatsächlich zeigt jeder der nicht blockierten Bereiche 34 Spitzen 50, die jede Spitze bzw. jegliche Spitzen in dem blockierten Bereich 32 überschreiten. Der zentrale Bereich 32 des Hauptreflektors 12, der durch den Durchmesser b blockiert wird, ist mehrfach geschwächt. Tatsächlich läuft sehr wenig RF-Einspeisungsenergie über den äußeren Rand des Hauptreflektors 12 oder wird in dem zentralen blockierten Bereich 32 verschwendet. Ferner ist zu beachten, dass die Ausleuchtungsfunktion in den nicht blockierten Bereichen 34 des Parabolreflektors 12 quasi gleichförmig (bei einem Winkel von ungefähr 40°) ist. Für einen Fachmann ist es verständlich, dass, falls eine größere Anzahl von Arrayelementen 40 verwendet wird, diese Ausleuchtungsfunktion weiter nivelliert sein könnte.
Die Spannungsanregung der Patchelemente 40 durfte während einer Optimierung komplex sein, jedoch ergab die Optimierung reelle Anregungswerte. Man geht davon aus, dass dies aus der Arrayfläche resultierte, die koinzident mit der Parabolfokusebene ist, wie in 2 gezeigt.
Das vorhergesagte H-Ebenenmuster für die Einspeisung 20 war im Wesentlichen ähnlich zu dem der E-Ebene. Zusätzlich entsprachen gemessene E- und H-Ebenenmuster der Einspeisung 20 gut mit den vorhergesagten Werten.
4B zeigt das vorhergesagte Summenkanal-E-Ebenenmuster für die 2,72''-Durchmesser-Reflektorantenne 10, wenn sie mit der optimierten Arrayeinspeisung 20 der 3 gespeist wird. Man beachte, dass die Spitzenverstärkung 25,5 dBi beträgt, was einer Effizienz von 56% relativ zu der Fläche des 2,7''-Durchmesser-Hauptreflektors 12 entspricht. Wieder folgten die gemessenen E- und H-Ebenenmuster der Antenne 10 gut den vorhergesagten Resultaten.
Vergleichsbeispiel
Im Gegensatz zu der vorhergesagten Leistung der oben vorgeschlagenen Erfindung könnte man über die Leistung eines herkömmlichen Monopuls-Einspeisungssystems nachdenken. 5 zeigt ein 4-Patcharray mit vier Elementen 40, welches in der Vergangenheit verwendet wurde, um eine Reflektorantenne zu speisen. Dieses Array wurde für eine maximale Verstärkung optimiert, wenn der 2,7''-Durchmesser-Reflektor 12 mit gemeinsamer Apertur, wie oben beschrieben, gespeist wird. Jedes Patchelement 40 wird mit Spannungen gleicher Amplitude und Phase gespeist. Das Summen-E-Ebenenmuster dieses Arrays ist in 6A gezeigt. Bei 6A ist zu beachten, dass ein guter Teil der Einspeisungsenergie bei dem blockierten Zentralbereich 32 der Reflektorantenne verschwendet wird. Diese Blockierung hat eine schädliche Wirkung auf die Verstärkung und das Muster der Reflektorantenne, wie es in 6B gezeigt ist. Aus diesem Muster erkennt man, dass die vorhergesagte Spitzenverstärkung der Reflektorantenne 23,8 dBi beträgt, was einer Effizienz von lediglich 41% relativ zu der Gesamtfläche des Hauptreflektors 12 entspricht. Diesen Ergebnissen kann man entnehmen, dass die Verwendung dieser Erfindung die Effizienz der Reflektorantenne um ungefähr 20% erhöht.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung ist die RF-Einspeisung 20 gemäß der folgenden Technik konstruiert und optimiert. Bei der exemplarischen Ausführungsform wird die Konstruktion und Optimierung des Einspeisungsarrays 38, welches die RF-Einspeisung 20 ausmacht, unter Verwendung eines physikalischen Optikanalysecomputerprogramms oder -codes erzielt, welches/er die Wirkung des blockierten Bereichs 32 des Hauptreflektors 12 berücksichtigt. Eine solche physikalische Optikanalyse wird detailliert in Analysis of Reflector Antennas, Academic Press, New York, 1970 von W. V. T. Rush und P. D. Potter erläutert.
Zu Beginn ist die Antenne 10 wie in 2 modelliert. Der Hauptreflektor 12 mit Durchmesser D und Brennweite F wird durch eine Struktur mit einem Durchmesser b blockiert. Wie zuvor festgestellt, könnte so ein Durchmesser b ein Ergebnis der RF-Einspeisung 20, des IR-Subreflektors 22 und/oder des dritten Sensors 26 sein, je nach dem, was größer ist. Zu Optimierungszwecken wird bei der exemplarischen Ausführungsform angenommen, dass die Energie, die von dem Hauptreflektor 12 auf die Blockierung 30 einfällt, absorbiert wird. von der Arrayeinspeisung 20 wird angenommen, dass sie an der Unterseite der Blockierung 30 bei einer Entfernung F von dem Hauptreflektorscheitelpunkt 16 angebracht ist.
Eine besondere Einspeisungskonstruktion wird gewählt. Für diese hier beschriebene, besondere exemplarische Konstruktion werden Mikrostreifen-Patchelemente 40 als Elemente des Einspeisungsarrays verwendet. Jedoch wird zugestimmt werden, dass andere Einspeisungselemente verwendet werden könnten, um das Array zu bilden. Zum Beispiel könnte die RF-Einspeisung 20 aus einem Array aus Einspeisungshörnern, einem geschlitzten Array, einem Linsenarray, etc. bestehen. Die vorliegende Erfindung umfasst jeglichen Arraytypen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Der Optimierungsprozess wird durch Auswählen einer Startannahme für die RF-Einspeisungsarray-Konfiguration (zum Beispiel Anzahl Arrayelemente, Elementabstand und/oder Elementamplitudenanregung) mit einem vordefinierten Hauptreflektordurchmesser D, einer Brennweite F und einem Blockierungsdurchmesser b ausgewählt. Dann wird eine Güte (unter Verwendung des zuvor erwähnten physikalischen Optikcodes) berechnet, der minimiert ist, wenn die Reflektorantenneneffizienz maximal ist. Eine Simplex-Optimierungsroutine wird anschließend verwendet, die den Arrayelementabstand und die Arrayelementanregung durch Minimieren der Güte optimiert (vgl. zum Beispiel G. Dahlquist, Numerical Methods, Prentice-Hall, New Jersey, 1974). Man beachte, dass die Amplitudenanregung der Arrayelemente bei dieser Optimierung komplex ist – wobei die Größe und Phase jedes Elements optimiert ist.
Andere Verfahren könnten verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Deshalb versteht sich, dass die vorliegende Erfindung eine Antenne mit gemeinsamer Apertur und ein Verfahren zum Herstellen derselben vorsieht, welches die Antenneneffizienz maximiert. Die Erfindung verwendet ein besonders konfiguriertes Antennenarray als primäre Fokuseinspeisung. Durch vorsichtiges Konfigurieren der Arrayelemente (Beabstandung und Anregung) leuchtet das Array lediglich den nicht blockierten Teil des Hauptreflektors aus. Zusätzlich ist das Arraymuster derart optimiert, das der nicht blockierte Teil der Reflektorantenne quasi gleichförmig ausgeleuchtet ist.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist es klar, dass einem Fachmann Äquivalente und Modifikationen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung klar werden. Die vorliegende Erfindung umfasst all diese Äquivalente und Modifikationen und ist nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

Reflektorantenne mit gemeinsamer Apertur, die aufweist: einen Hauptreflektor (12) mit einer gewöhnlichen parabolischen Reflexionsoberfläche (14) und einer Mittelachse (18), die sich von einem Scheitelpunkt (16) des Hauptreflektors (12) durch einen Brennpunkt (F. P.) des Hauptreflektors (12) erstreckt; eine Einspeisung (20), die sich gewöhnlich an dem Brennpunkt (F. P.) befindet, zum Ausleuchten des Hauptreflektors (12) mit und/oder zum Empfangen von dem Hauptreflektor (12) einer Funkfrequenz(RF)-Energie mit einer vordefinierten RF-Wellenlänge, um RF-Energie zu senden/empfangen; und zumindest entweder einen Subreflektor (22) oder einen Sensor (26), der sich gewöhnlich an dem Brennpunkt (F. P.) befindet, zum Reflektieren oder Empfangen von Energie einer vordefinierten Wellenlänge, die sich von der vordefinierten RF-Wellenlänge unterscheidet, wobei eine Blockierung (32) des Hauptreflektors (12) auf Grund des Subreflektors (22) oder des Sensors (26) entlang der Mittelachse (18) größer oder gleich einer Blockierung des Hauptreflektors (12) auf Grund der Einspeisung (20) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung (20) konfiguriert ist, um mehr RF-Energie von der Einspeisung (20) in Richtung zu Bereichen (34) des Hauptreflektors (12), die nicht durch den Subreflektor (22) oder den Sensor (26) blockiert sind, als in Richtungen zu Bereichen des Hauptreflektors zu lenken, die durch den Subreflektor blockiert sind.
Antenne nach Anspruch 1, wobei ein E-Ebenenstrahlungsmuster der Einspeisung (20) Spitzen (50) in den Bereichen (34) des Hauptreflektors (12) zeigt, die nicht durch den Subreflektor (22) oder den Sensor (26) blockiert sind.
Antenne nach Anspruch 2, wobei die Spitzen (50) in den Bereichen (34), die nicht durch den Subreflektor (22) oder den Sensor (26) blockiert sind, alle Spitzen in einem Bereich (32) überragen, der durch den Subreflektor (22) oder den Sensor (26) blockiert ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Einspeisung (20) ein Array (38) individueller Einspeisungselemente (40) aufweist.
Antenne nach Anspruch 4, wobei die Einspeisungselemente (40) Elemente aufweisen, die außer Phase gegenüber anderen Elementen gespeist werden, die in den Einspeiseelementen enthalten sind.
Antenne nach Anspruch 4, wobei die Einspeisung (20) ein Mikrostreifen-Patch-Array (38) mit einer Vielzahl individueller Patchelemente (40) aufweist.
Antenne nach Anspruch 6, wobei das Mikrostreifen-Patch-Array (38) zumindest sechzehn individuelle Patchelemente (40) aufweist.
Antenne nach Anspruch 4, wobei die individuellen Einspeiseelemente (40) in einem geometrischen Array angeordnet sind.
Antenne nach Anspruch 8, wobei das geometrische Array im Allgemeinen quadratisch ist.
Antenne nach Anspruch 8, wobei die individuellen Einspeiseelemente (40) entlang eines äußeren Umfangs des geometrischen Arrays mit entgegengesetzter Phase relativ zu individuellen Einspeiseelementen (40) innerhalb des Umfangs des geometrischen Arrays gespeist werden.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die vordefinierte RF-Wellenlänge im Mikrowellen- oder Millimeterwellenband liegt, und wobei die Antenne den Subreflektor (22) im Brennpunkt (F. P.) aufweist, um Energie in dem Infrarotband zu reflektieren.
Antenne nach Anspruch 11, wobei die Antenne des Weiteren den Sensor (26) im Brennpunkt (F. P.) aufweist, um Energie bei einer anderen vordefinierten Wellenlänge zu empfangen.
Antenne nach Anspruch 1, wobei der Hauptreflektor (12) einen Durchmesser D aufweist und die Blockierung (32) des Hauptreflektors (12) auf Grund des Subreflektors oder des Sensors einen Durchmesser in der Größenordnung von 3D/8 oder größer aufweist.
Antenne nach Anspruch 13, wobei die Antenne eine Brennweite von ungefähr 3D/8 aufweist.
Antenne nach Anspruch 13, wobei D innerhalb eines Bereichs von zwei bis drei Zoll liegt.
Antenne nach Anspruch 13, wobei die Einspeisung (20) ein Mikrostreifen-Patch-Array (38) aufweist, das eine Vielzahl individueller Patchelemente aufweist.