EP0284883B1

EP0284883B1 - Zweispiegel-Mikrowellen-Richtantennenanordnung

Info

Publication number: EP0284883B1
Application number: EP88104119A
Authority: EP
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. Leupelt; Wolfgang Dipl.-Ing. Löw; Christian Dipl.-Math. Nielsen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-03-18
Filing date: 1988-03-15
Publication date: 1992-01-15
Anticipated expiration: 2008-03-15
Also published as: EP0284883A1; ATE71773T1; DE3867668D1; ES2028922T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine in bezug auf eine gedachte Mittelebene symmetrisch aufgebaute Zweispiegel-Mikrowellen-Richtantennenanordnung nach dem sogenannten Gregory- oder dem Cassegrain-Prinzip, bestehend aus einem Hauptreflektor in Form eines nicht rotationssymmetrischen Rotationsparaboloidausschnitts, einem die Form eines in bezug zur Mittelebene symmetrischen Ausschnitts aus einem dreiachsigen Ellipsoid im Falle der Gregory-Antenne bzw. aus einem dreiachsigen Hyperboloid im Falle der Cassegrain-Antenne aufweisenden Fangreflektor und einem Primärstrahler, von dem der Fangreflektor angestrahlt wird, der seinerseits den Hauptreflektor ausleuchtet, wobei der Primärstrahler und der Fangreflektor derart in bezug auf den Hauptreflektor angeordnet sind, daß der Fangreflektor und der Primärstsrahler entsprechend dem sogenannten Off-Set-Speiseprinzip außerhalb des Strahlengangs des Hauptreflektors liegen.
Eine solche Antennenanordnung ist z.B. aus EP-A1-88 901 bekannt.
Für den Richt- oder Satellitenfunk einzusetzende Mikrowellen-Richtantennen, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Nebenzipfeldämpfung des Strahlendiagramms gestellt sind, werden häufig in Form sogenannter "Off-Set"-Antennen oder Schrägparabolantennen mit seitlicher Speisung aufgebaut. Als Antennenreflektor findet hierbei ein Ausschnitt aus einem Rotationsparaboloid Verwendung. Bei dieser Anordnung ist die strahlende Apertur völlig frei von störenden, d.h. abschattenden Elementen, die bei konventionellen, rotationssymmetrisch aufgebauten Parabolantennen eine wesentliche Ursache für Störstrahlungen sind.
Eine derartige, direkt aus dem Brennpunkt gespeiste Schrägparabolantenne besitzt jedoch einen schwerwiegenden Nachteil. In derjenigen Ebene nämlich, die senkrecht zur Symmetrieebene der Anordnung steht, befinden sich beiderseits der Hauptstrahlrichtung zwei ausgeprägte Maxima der unerwünschten Kreuzpolarisation. Diese Maxima werden durch eine Verzerrung der (gedachten) Polarisationslinien im dazugehörigen Aperturfeld verursacht, die grundsätzlich bei allen unsymmetrischen Reflektoranordnungen auftritt, selbst wenn die Speisung durch eine ideale, sogenannte Huygensquelle erfolgt, wie dies bei der Antenne nach EP-A1-88 901 der Fall ist.
Erwünscht sind daher alle Maßnahmen, die zu einer wirkungsvollen und breitbandigen Verringerung der Polarisationsverzerrungen führen, ohne daß die sonst guten Eigenschaften der Antenne beeinträchtigt werden.
Ein bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Kreuzpolarisationsdämpfung dieser Antennen besteht darin, daß der asymmetrische Hauptreflektor so mit einem entsprechend geformten Fangreflektor kombiniert wird, daß sich die von beiden Reflektoren erzeugten Polarisationsverzerrungen weitgehend aufheben. Als Fangreflektor kann dabei ein Hyperboloidausschnitt (Cassegrain-Antenne) oder häufiger ein Ellipsoidausschnitt (Gregory-Antenne) verwendet werden.
Bei infinitesimal kleiner Wellenlänge (geometrisch-optisches Ausbreitungsmodell) funktioniert diese Kompensation ideal und breitbandig. Die tatsächlich erreichbare Kompensationsgüte hängt jedoch vor allem von den Abmessungen des Fangreflektors in Wellenlängen ab. Das technische Problem besteht allgemein darin, auch bei elektrisch kleinen Fangreflektoren mit Dimensionen von nur etwa zehn oder etwas mehr Wellenlängen möglichst gute Kreuzpolarisationseigenschaften zu erreichen. Die Abmessungen werden dabei durch den in der Antenne verfügbaren Einbauraum begrenzt, d.h. die Schwierigkeiten steigen bei niedriger werdender Frequenz.
Der Aufbau einer Schrägparabolantenne mit Ellipsoid-Fangreflektor (Gregory-Anordnung) oder Hyperboloid-Fankgreflektor (Cassegrain-Anordnung), wie er z.B. aus der DE-A1 15 16 828 oder EP-A1-88 901 bekannt ist, erfolgte bisher nach rein geometrisch-optischen Kriterien.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch die Symmetrieebene einer Gregory-Antenne dargestellt. Diese Antenne besteht aus einem Hauptreflektor 1 in Form eines nicht rotationssymmetrischen Rotationsparaboloidausschnitts, einem als Rotationsellipsoidausschnitt geformten Fangreflektor 2 und einem Primärstrahler 3, von dem der Fangreflektor 2 angestrahlt wird. Der Fangreflektor 2 seinerseits leuchtet den Hauptreflektor 1 aus. Dabei ist F₁ der Brennpunkt des Rotationsparaboloids und zugleich einer der beiden Brennpunkte des Rotationsellipsoids, von dem ein Ausschnitt den Fangreflektor 2 bildet. ∝₁ bzw. ∝₃ sind die beiden Randstrahlwinkel. Ist die Lage des zweiten Ellipsoidbrennpunktes F₂, der zumindest angenähert mit dem Phasenzentrum des Primärstrahlers 3 zusammenfällt, festgelegt, so ergeben sich nach dem Aufsatz von Y Mizuguchi, M. Akagawa, H.Yokoi: "Offset Gregorian Antenna" in der Zeitschrift "Electronics and Communications in Japan", Vol. 61-B, No. 3, 1978, Seiten 58 bis 66 alle weiteren Größen und Winkel der Anordnung zwigend. Weiter folgt aus dem Modell gemäß der geometrischen Optik zwangsweise, daß der Fangreflektor 2 als Ausschnitt aus einem Rotationsellipsoid definiert ist, bei dem bekanntlich zwei der drei Halbachsen a, b und c die gleiche Länge besitzen (b = c). Auf diese Art und Weise konnten im Frequenzbereich 3,4 bis 4,2 GHz mit einem Fangreflektor 2 von ca. 12 Wellenlängen Durchmesser die kreuzpolaren Maxima eines Muschelantennendiagramms von -17 dB bei direkter Speisung auf etwa - 30 dB abgesenkt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, durch die bei einer Richtantenne der eingangs genannten Art die Kreuzpolarisationsdämpfung bei Verwendung von elektrisch relativ kleinen Fangreflektoren weiter verbessert wird.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die drei Halbachsen des Ellipsoids bzw. Hyperboloids allesamt jeweils unterschiedlich bemessen sind, wobei die Länge der nicht in der Symmetrieebene liegenden Halbachse abhängig vom Gesamtaufbau um einen Betrag, der im Bereich von einigen Zehnteln einer Wellenlänge liegt, von derjenigen Länge abweicht, die sich bei theoretischer Dimensionierung des üblichen Rotationsellipsoids bzw. Rotationshyperboloids ergibt.
Eine zusätzliche Verbesserung des kreuzpolaren Strahlungsverhaltens kann sich bei einer Richtantennenanordnung der eingangs genannten Art dann ergeben, wenn die Form des in bezug zur Mittelebene symmetrischen Fangreflektors von der vorstehend angegebenen Form geringfügig abweicht, d.h. wenn zu einer noch allgemeineren geometrischen Form übergegangen wird.
Fig. 2 zeigt einen nach der Erfindung ausgebildeten, für eine Gregory-Antenne vorgesehenen Fangreflektor 2, der nicht ein Ausschnitt eines Rotationsellipsoids, sondern eines allgemeinen Ellipsoids 4 mit drei allesamt jeweils unterschiedlich bemessenen Halbachsen a, b und c ist. Dabei ist abweichend von der theoretischen Dimensionierung des Rotationsellipsoids seine nicht in der Symmetrieebene x - y befindliche Halbachse c abhängig vom Gesamtaufbau um einen bestimmten Betrag verändert, der im Bereich von einigen Zehnteln einer Wellenlänge liegt. Es wird damit der Übergang vom ursprünglichen Rotationskörper zu einem allgemeinen Ellipsoid 4 mit drei paarweise verschiedenen Halbachsen a, b, c vollzogen. Die Gleichung des Rotationsellipsoids lautet:
Die Gleichung des allgemeinen Ellipsoids 4 dagegen lautet:
Am Beispiel einer für den Frequenzbereich 3,58 bis 4,2 GHz entwickelten Schrägparabolantenne mit Abmessungen des Fangreflektors 2 zwischen 10,7 λ und 12,6 λ ließen sich Maximalwerte der Kreuzpolarisation im Vergleich zu einer Ausführung mit konventionell geformter Kontur deutlich verringern, d.h. die Pegel wurden je nach Polarisation bzw. Frequenz zwischen 3 und 7 dB verbessert.
Prinzipiell in gleicher Weise läßt sich die angegebene Maßnahme auch auf den Fall anwenden, daß der Fangreflektor 2, wie es bei einer Cassegrain-Antenne erforderlich ist, als Hyperboloid ausgebildet ist, wobei in Analogie dazu die verbesserte Kontur dann ein Ausschnitt aus einem allgemeinen dreiachsigen Hyperboloid wird, dessen drei Halbachsen allesamt jeweils unterschiedlich bemessen sind.

Claims

In bezug auf eine gedachte Mittelebene symmetrisch aufgebaute Zweispiegel-Mikrowellen-Richtantennenanordnung nach dem sogenannten Gregory- oder dem Cassegrain-Prinzip, bestehend aus einem Hauptreflektor (1) in Form eines nicht rotationssymmetrischen Rotationsparaboloidausschnitts, einem die Form eines in bezug zur Mittelebene symmetrischen Ausschnitts aus einem dreiachsigen Ellipsoid (4) im Falle der Gregory-Antenne bzw. aus einem dreiachsigen Hyperboloid im Falle der Cassegrain-Antenne aufweisenden Fangreflektor (2) und einem Primärstrahler (3), von dem der Fangreflektor angestrahlt wird, der seinerseits den Hauptreflektor ausleuchtet, wobei der Primärstrahler und der Fangreflektor derart in bezug auf den Hauptreflektor angeordnet sind, daß der Fangreflektor und der Primärstrahler entsprechend dem sogenannten Off-Set-Speiseprinzip außerhalb des Strahlengangs des Hauptreflektors liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Halbachsen (a, b, c) des Ellipsoids bzw. Hyperboloids allesamt jeweils unterschiedlich bemessen sind, wobei die Länge der nicht in der Symmetrieebene liegenden Halbachse (c) abhängig vom Gesamtaufbau um einen Betrag, der im Bereich von einigen Zehnteln einer Wellenlänge liegt, von derjenigen Länge abweicht, die sich bei theoretischer Dimensionierung des üblichen Rotationsellipsoids bzw. Rotationshyperboloids ergibt.
Richtantennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des in bezug zur Mittelebene symmetrischen Fangreflektors (2) von der im Anspruch 1 angegegbenen Form geringfügig abweicht.