[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Cassegrain-Antenne.
[0002] Zur Abstrahlung eines Radar-Strahlungsbündels werden sowohl einfache Spiegelantennen
mit einem Mikrowellen-Hornstrahler in ihrem Fokus als auch sogenannte Cassegrain-Antennen
eingesetzt. Bei der Cassegrain-Antenne wird zuerst das Radar-Strahlungsbündel durch
eine axiale Oeffnung im Parabolspiegel geführt und dann in einem sogenannten Cassegrain-Subreflektor
ein erstes Mal und im eigentlichen Parabolspiegel ein zweites Mal reflektiert. Dadurch
werden störende Effekte, wie sie bei der direkten Einspeisung auftreten, vermieden.
[0003] Beide Arten von Antennen, die beispielsweise aus dem "Radar Handbook" von Merrill
Skolnik, McGraw-Hill, 1970, Seiten 10-3 und 10-13 bekannt sind, können unter Verwendung
einer Vielzahl von getrennten Strahlungsbündeln ebenfalls in Monopuls-Radarsystemen
Anwendung finden. Dabei wird eine Strahlablenkung von der Antennenachse durch eine
seitliche Verschiebung der Hornstrahler in der Fokusebene der Antenne erreicht.
[0004] Zur Abstrahlung eines einzelnen Strahlungsbündels mit Hilfe einer Cassegrain-Antenne
ist es ferner aus dem Buch "Electromagnetic Horn Antennas", IEEE Press, 1976, Seite
382ff bekannt, den Hornstrahler durch einen Kegel mit dem Cassegrain-Subreflektor
zu verbinden, wobei dieser Kegel aus einem Material hergestellt ist, dessen Verlustfaktor
klein ist und dessen Dielektrizitätskonstante relativ wenig grösser als diejenige
des freien Raumes ist. Solche Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante zwischen
1,05 und 1,2 sind beispielsweise als Schaumstoffe auf Kunststoffbasis, wie Polyurethan
erhältlich. Der Vorteil der Einfügung eines derartigen dielektrischen Kegels besteht
darin, dass das Strahlungsdiagramm der Speiseanordnung zumindest angenähert axialsymmetrisch
wird,obwohl ein Hornstrahler nicht ohne weiteres eine vollkommen symmetrische Strahlungscharakteristik
aufweist.
[0005] Ein solcher bekannter Kegel kann indessen in einer Cassegrain-Antenne für ein flonopuls-Radarsystem
nicht eingesetzt werden, weil in diesem Fall mehrere Einzelstrahlungsbündel gleichzeitig
von den Hornstrahlern zum Subreflektor geführt werden müssen. Um bei einem Monopuls-Radarsystem
trotzdem eine symmetrische Strahlungscharakteristik der Hornstrahler zu erreichen,
können die Hornstrahler mit inneren Rillen versehen sein. Die Technik der Rillen-Hornstrahler
oder der sogenannten "Corrugated feeds" ist beispielsweise aus dem obenerwähnten Buch
"Electromagnetic Horn Antennas", Seite 320ff bekannt. Solche Rillen-Hornstrahler haben
den Vorteil, dass sie eine symmetrische Strahlungscharakteristik aufweisen. Da die
Rillen im Innern der Hornstrahler vorgesehen sind, ist es ohne weiteres möglich, mehrere
Einzelstrahlungsbündel gleichzeitig von den Hornstrahlern zum Subreflektor zu führen.
Die Herstellung solcher Rillen-Hornstrahler ist jedoch relativ aufwendig.
[0006] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Hornstrahler für eine Cassegrain-Antenne
in einem Monopuls-Radargerät anzugeben, welcher eine zumindest angenähert symmetrische
Strahlungscharakteristik aufweist, den Strahlungswirkungsgrad der Antenne erheblich
erhöht und der sich mit einem relativ kleinen fertigungstechnischen Aufwand realisieren
lässt.
[0007] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruches 1 angegebenen Massnahmen.
[0008] weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben.
[0009] Die Erfindung wird nachfolgend durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Cassegrain-Antenne mit vier Hornstrahlern und einer
dielektrischen Vierkegel-Struktur,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer solchen dielektrischen Vierkegel-Struktur,
Fig. 3-5 weitere Beispiele einer erfindungsgemässen Vierkegel-Struktur.
[0010] Fig. 1 zeigt eine Cassegrain-Antenne mit vier Hornstrahlern F1, F2, F3, F4, einem
Parabolspiegel H und einem Cassegrain-Subreflektor S, der über eine Subreflektor-Befestigung
SB mit dem Parabolspiegel H verbunden ist. Der Parabolspiegel H weist eine axiale
Oeffnung auf, durch die die vier Hornstrahler F1, F2, F3, F4 teilweise in die konkave
Seite des Parabolspiegels hineinragen. In Fig. 1 überlappen sich die Projek-
tionen der Hornstrahler F2 und F4. Die Hornstrahler F1, F2, F3 und F4 sind derart gekröpft,
dass sich ihre Achsen in einem Punkt Z auf der Symmetrieachse der Antenne in der Nähe
des Durchstosspunktes Y der kreis-symmetrischen Subreflektorkontur treffen. An den
vier Hornstrahlern Fl, F2, F3, F4 ist eine dielektrische Vierkegel-Struktur D derart
angeordnet, dass je eine Spitze der Vierkegel-Struktur in den Innenraum eines Hornstrahlers
eingefügt ist.
[0011] Geometrisch wird die Form dieser Vierkegel-Struktur durch vier gleiche sich zunehmend
durchdringende Kegel mit je einem Oeffnungswinkel von 2,ferzeugt, deren Achsen sich
gemeinsam im Punkt Z auf der Antennensymmetrieachse treffen und deren ein Viereck
mit der Seitenlänge d √2 bildende Kegelspitzen in einer gemeinsamen Ebene E liegen.
In Fig. 1 projiziert sich die Ebene E auf eine Gerade, zwei Kegelspitzen auf ein und
denselben Punkt X und die zwei anderen Kegelspitzen auf die Punkte P und Q. In der
Projektion ist d der Abstand PX zwischen den Punkten P und X und der Abstand QX zwischen
den Punkten Q und X. Die Mantelflächen der vier Kegel hüllen somit eine Kugel mit
dem Radius r ein, deren Zentrum im Punkt Z liegt, so dass der Abstand zwischen einer
Kegelspitze und dem Punkt Z

ist. Für den halben Oeffnungswinkel ϕ gilt die Beziehung

[0012] Der Neigungswinkel α der Kegelachse zur Antennenachse ist mit

definiert; daraus ergibt sich die Beziehung

[0013] Die dielektrische Vierkegel-Struktur an sich (Fig. 2) kann aus vier Teilkegeln Tl,
T2, T3, T4 hergestellt werden, welche über dünne Klebflächen miteinander verbunden
sind. Dabei kann jeder Teilkegel zunächst als ein vollständiger Kegel gedreht und
sodann jeder Kegel in zwei senkrecht zueinander liegenden Ebenen geschnitten werden.
Die Drehachse des Kegels befindet sich in der winkelhalbierenden Ebene der beiden
Schnittebenen, wobei die Kegelspitze den Abstand d sin (2π/8) =

von den Schnittebenen aufweist. Die Teilkegel können beispielsweise aus einem Schaumstoff
auf Kunststoffbasis oder aus einem keramischen Material bestehen.
[0014] Die Cassegrain-Antenne nach Fig. 1 funktioniert folgendermassen: Die Mikrowellenstrahlen,
die von den Hornstrahlern F1, F2, F3, F4 abgestrahlt werden, gelangen durch die dielektrische
Vierkegel-Struktur auf den Subreflektor S. Dabei ist durch die unsymmetrische Anordnung
des Dielektrikums bezüglich der Drehachse eines Teilkegels die Verteilung der Wellenmodi
gestört. Es hat sich indessen erwiesen, dass in der erfindungsgemässen dielektrischen
Vierkegel-Struktur die HEll-Modi wie bei einem Einzelkegel dominieren, so dass die
Strahlbreite des Hornstrahlers nicht mehr von dessen Oeffnungsgeometrie, sondern vom
effektiven Durchmesser ä der Basis der Kegel-Struktur gegeben ist. Daraus ergibt sich
der minimale Wert für den Durchmesser B des Subreflektors

mit

[0015] Dies ermöglicht die Verwendung eines Subreflektors mit relativ kleinen Abmessungen,
was wichtig ist, um die vom Subreflektor bewirkte unerwünschte Abschattung auf dem
Parabolspiegel möglichst klein zu halten.
[0016] Die dielektrische Vierkegel-Struktur kann bis zum Subreflektor reichen, der sogar
von der Vierkegel-Struktur selbst getragen werden kann. Fig. 1 zeigt einen Fall, bei
dem es nicht so ist. Es hat sich erwiesen, dass der Stumpf der Kegelstruktur keine
bedeutende Störung für die vom Subreflektor reflektierte Strahlung darstellt.
[0017] In Fällen, bei welchen der Anisotropie des Kunststoffmaterials eine gewisse Bedeutung
zukommt, können in vorteilhafter Weise die vier Teilkegel derart von den zwei zueinander
im Winkele

liegenden Ebenen geschnitten sein, dass in ihrer winkelhalbierenden Ebene ein minimaler
Wert der Kreuzpolarisation wie folgt gemessen wird. Ein Sender bestrahlt die Basis
eines vollständigen Kegels in seiner Achsenrichtung und ein Empfänger empfängt am
Hornstrahler bei der Kegelspitze die Strahlung, wobei der Empfänger derart eingerichtet
ist, dass er beispielsweise den räumlich um π/2 gegenüber dem E-Vektor des Senders
verdrehten E-Vektor messen kann. Unter dieser Voraussetzung wird dann der noch vollständige
Kegel solange um seine Achse gedreht, bis man einen der vier minimalen Werte findet,
die der E-Vektor annehmen kann.
[0018] Eine Cassegrain-Antenne kann auch mehrere in den Figuren nicht angegebene Hornstrahler
aufweisen, die derart gekröpft sind, dass sich ihre Achsen in einem Konvergenzpunkt
auf der Symmetrieachse der Antenne in der Nähe des Durchstosspunktes der kreis-symmetrischen
Subreflektorkontur treffen. An den Hornstrahlern kann ebenfalls eine dielektrische
Mehrkegel-Struktur derart angeordnet sein, dass jede Spitze der Mehrkegel-Struktur
in den Innenraum eines Hornstrahlers eingefügt ist.
[0019] Geometrisch wird die Form dieser Mehrkegel-Struktur durch eine Anzahl sich zunehmend
durchdringenden Kegeln erzeugt, deren Achsen sich gemeinsam im Konvergenzpunkt Z'
auf der Antennensymmetrieachse treffen und deren Kegelspitzen ein Vieleck bilden,
wobei sie nicht unbedingt in einer gemeinsamen Ebene liegen müssen. Die Mantelflächen
der Kegel hüllen eine Kugel mit Radius r' ein, deren Zentrum im Konvergenzpunkt Z'
liegt.
[0020] Eine solche dielektrische Mehrkegel-Struktur an sich kann aus einer entsprechenden
Anzahl n von Teilkegeln aus einem Schaumstoff auf Kunststoffbasis oder Keramik hergestellt
werden, welche zusammen verbunden sind. Dabei kann jeder Teilkegel zunächst als ein
vollständiger Kegel beispielsweise spanabhebend oder durch Schleifen gedreht und sodann
in zwei in einem Winkel Ψi zueinander liegenden Ebenen geschnitten werden, wobei ΣΨi
= 21
r ist. Die Drehachse des Kegels befindet sich in der winkelhalbierenden Ebene der beiden
Schnittebenen, wobei die Kegelspitze den Abstand d' sin fi von den Schnittebenen aufweist,
wenn d' der Abstand der Kegelspitze zur Antennenachse ist.
[0021] Solche Mehrkegel-Strukturen mit zwei oder mehr Kegelspitzen können gegebenenfalls
auch in einem Stück aus einem isotropen Material mit Hilfe einer Kopierfräsmaschine
oder im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
[0022] Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Vierkegel-Struktur mit vier kurzen geraden Kreiskegeln
Kl, K2, K3, K4, deren kreisförmige Basen auf eine Stirnfläche SF1 eines Kegelstumpfes
C1 im Kreis angeordnet und verklebt sind, so dass die Hornstrahler nicht gekröpft
sein müssen. Anstelle des Kegelstumpfes C1 kann auch ein Zylinder vorgesehen sein.
[0023] Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Vierkegel-Struktur mit vier kurzen schiefen Kreiskegeln
G1, G2, G3, G4, deren elliptische Basen auf eine Stirnfläche SF2 eines Kegelstumpfes
C2 oder eines Zylinders im Kreis angeordnet und verklebt sind, wobei die Hornstrahler
gekröpft sind. Der Kegel C2 weist vier in axialer Richtung verlaufende Aussparungen
auf.
[0024] Fig. 5 zeigt eine vereinfachte Vierkegel-Struktur mit vier kurzen schiefen elliptischen
Kegeln J1, J2, J3, J4, deren elliptische Basen auf eine Stirnfläche SF3 eines Kegelstumpfes
C3 oder eines Zylinders im Kreis angeordnet und verklebt sind.
[0025] In den Fig. 1 bis 5 können die Kegelspitzen abgestumpft und die Grundfläche gewölbt
sein, wie dies in Fig. 3 oder Fig. 4 angedeutet ist.
[0026] Die erfindungsgemässe Vierkegel-Struktur hat den Vorteil, dass sie bei gleichphasiger
Erregung der Hornstrahler F1, F2, F3, F4 eine zu den Achsen gl und g2 in Fig. 3 symmetrische
Strahlungscharakteristik aufweist.
[0027] Bei einer mehrhorngespeisten Reflektor-Satellitenantenne kann zur Erhöhung des Antennen-Wirkungsgrades
eine erfindungsgemässe Mehrkegel-Struktur angewendet werden.
1. Cassegrain-Antenne, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Hornstrahlern (F1,
F2, F3, F4) und dem Subreflektor (S) der Antenne eine mehrere Teilkegel aufweisende
dielektrische Mehrkegel-Struktur angeordnet ist, wobei je eine Spitze der Mehrkegel-Struktur
in den Innenraum eines Hornstrahlers hineinragt und die Grundfläche der Mehrkegel-Struktur
(D) dem Subreflektor (S) gegenüberliegt.
2. Cassegrain-Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische
Form der Mehrkegel-Struktur durch sich zunehmend durchdringende Kegel erzeugt wird,
deren Achsen sich in einem Konvergenzpunkt (Z) auf der Antennensymmetrieachse treffen
und deren Mantelflächen zumindest angenähert eine Kugel mit Zentrum im Konvergenzpunkt
(Z) einhüllen, und dass die Hornstrahler (F1, F2, F3, F4) derart gekröpft sind, dass
sich ihre Achsen wenigstens angenähert im Konvergenzpunkt (Z) auf der Antennensymmetrieachse
in der Nähe des Durchstosspunktes (Y) der Subreflektorkontur treffen.
3. Cassegrain-Antenne nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
dielektrische Mehrkegel-Struktur (Fig. 2) aus einem dielektrischen Werkstoff besteht,
dass jeder Teilkegel zwei in einem Winkel ϕi mit Σϕi = 21f zueinander liegende Flachseiten
aufweist, wobei die Symmetrieachse der Teilkegel sich im Bereich der winkelhalbierenden
Ebene der beiden Flachseiten befindet.
4. Cassegrain-Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basen
der Teilkegel auf einer Stirnfläche eines dielektrischen Kegelstumpfes oder Zylinders
liegen (Fig. 3-5).