[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine rotationssymmetrisch aufgebaute Zweireflektor-Mikrowellen-Richtantenne
mit niedrigen Nebenzipfelpegeln des Strahlungsdiagramms in vorgegebenen Raumbereichen
unter Verwendung eines Hauptreflektors, eines den Hauptreflektor ausleuchtenden, die
Nebenzipfeldämpfung ungünstig beeinflussenden Subreflektors, der gemäß dem Gregory-Prinzip
konkav gekrümmt ist, und eines mit seiner Öffnung zwischen dem Hauptreflektorscheitel
und dem Subreflektorscheitel angeordneten Primärhornstrahlers, wobei die Aperturbelegung
torusförmig derart ausgelegt ist, daß sie sowohl zum Hauptreflektor- als auch zum
Subreflektorrand, ausgehend von einem dazwischen liegenden Maximum, abfällt.
[0002] Richtantennen finden eine vielfältige Anwendung auf dem Gebiet der Funktechnik, insbesondere
der Richtfunktechnik und des Satellitenfunks. In den meisten Anwendungsfällen wird
von solchen Richtantennen eine gute Dämpfung der Nebenzipfel verlangt. Bei Richtantennen
für Satellitenbodenstationen können dadurch beispielsweise Störungen terrestrischer
Richtfunknetze verringert werden. Terrestrische Richtfunkstrecken können bei Verwendung
nebenzipfelarmer Antennen enger vermascht werden. Die zunehmend dichtere Besetzung
der Satellitensynchronbahn mit Nachrichtensatelliten und die immer stärker werdende
Vernetzung terrestrischer Richtfunkverbindungen führen aber dazu, daß die am Boden
eingesetzten Richtfunkantennen winkelmäßig benachbarte Funkstrecken mehr stören oder
von diesen selbst mehr gestört werden. Solche Antennen sollen deshalb künftig eine
verbesserte Nebenzipfeldämpfung aufweisen. Bei rotationssymmetrischen Zweireflektorantennen
üblicher Bauart mit einem Aperturdurchmesser von weniger als etwa 200 Wellenlängen
ergeben sich aufgrund erhöhter Beugung und, damit zusammenhängend, stärkerer vom Subreflektor-
und Erregerrand ausgehender Störstrahlung besondere Probleme. Für Satellitenfunkverbindungen
kommt es dabei vor allem auf den Winkelbereich von 1° bis 20°, für terrestrische Verbindungen
dagegen zur Zeit mehr auf den Bereich von 20° und darüber an.
[0003] Ein annähernd typisches Beispiel für bisherige Bauweisen für Richtantennen ist die
in "Telcom Report" 9 (1986), Sonderheft "Nachrichtenübertragung auf Funkwegen", Seiten
82 bis 84 beschriebene 3,5 m-Zweispiegelantenne für das deutsche Fernmeldesatellitensystem.
Diese Antenne ist nach dem Cassegrain-Prinzip aufgebaut und vor allem auf einen hohen
Wirkungsgrad hin optimiert, um den Durchmesser des Hauptreflektors klein halten zu
können. Die Reflektoren sind deshalb so geformt, daß sich noch eine einigermaßen homogene
Belegung in der Antennenapertur ergibt. Ein gewisser allmählicher Feldabfall in Richtung
zum Hauptreflektorrand hin soll allerdings schon der Verbesserung der Nebenzipfeldämpfung
im hauptkeulennahmen Bereich und vor allem im Bereich um ± 90° (Hauptreflektorüberstrahlung)
dienen. Bei einer Fehlausrichtung der Antennenkeule, wie sie beispielsweise bei Satellitenbewegungen
immer vorkommen kann, ist eine leicht abfallende Belegung auch vom Wirkungsgrad her
günstiger. Um die Störwirkung der Subreflektorstützen auf das Nebenzipfeldiagramm
zu reduzieren, werden z.B. bei der 3,5 m-Antenne gekrümmte Stützen verwendet.
[0004] Das Antennendiagramm und damit die räumliche Verteilung der abgestrahlten Energie
einer Richtantenne mit ungestörter Kreisapertur ist theoretisch ausschließlich von
der vorgegebenen Belegungsfunktion der Feldstärke des Strahlungsfeldes in der Apertur
abhängig. Wie beispielsweise der Literaturstelle aus dem Buch von S. Silver: "Microwave
Antenna Theory and Design", MIT-Serie, 1949, Seiten 186 bis 198 zu entnehmen ist,
ergibt sich im Vergleich zur konstant belegten Antennenapertur dann eine definierte
Abnahme des Nebenzipfelpegels, wenn zum Aperturrand hin die Feldstärke allmählich
abfällt.
[0005] Aus "Nachrichtentechnische Fachberichte", Band 43, 1972, Seiten 104 und 105, ist
es bekannt, Nebenmaxima bei Richtantennen mit innerhalb des Strahlungsfeldes liegenden
und damit die Neben zipfeldämpfung ungünstig beeinflussenden Vorrichtungen, z.B.
bei Cassegrain-Antennen, dadurch zu verkleinern, daß die Belegung zum Aperturrand
hin gleichmäßig abfallend ausgebildet wird. Diese Maßnahme zur Nebenzipfelpegelreduzierung
genügt hier jedoch häufig nicht. Ursache des noch zu hohen Nebenzipfelpegels ist
dabei der starke Feldgradient am Subreflektorrand. Durch einen allmählichen Feldabfall
in Richtung zum Subreflektorrand kann dieser Nachteil im Prinzip wieder weitgehend
beseitigt werden, wie aus der DE-PS 23 42 9O4 für eine Cassegrain-Antenne bekannt
ist.
[0006] Aus der bereits erwähnten Literaturstelle aus dem "Telcom Report", insbesondere
Seite 83, ist es darüber hinaus bereits bekannt, daß eine radikale Veränderung der
homogenen Aperturbelegung in Richtung der in der DE-PS 23 42 904 erläuterten Torusbelegung
gerade bei den kleineren Antennen in bestimmten Winkelbereichen eine noch stärkere
Wirkung auf die Nebenkeulendämpfung hat. In Bild 13 dieser Literaturstelle ist der
konstruktive Aufbau einer 4,2 m-Antenne dargestellt, bei der das Gregory-Prinzip
mit dem Prinzip der Torusbelegung kombiniert ist.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zweireflektor-Mikrowellen-Richtantenne der eingangs
genannten Art so zu gestalten, daß sich auch die heutzutage sehr hohen Anforderungen
an die Nebenzipfeldämpfung, insbesondere auch in den von der Hauptstrahlrichtung
weiter abliegenden Winkelbereichen, erfüllen lassen.
[0008] Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Reflektoren
so ausgebildet sind, daß das Subreflektorstreufeld in Richtung zum Rand des Primärhornstrahlers
einen bestimmten niedrigen Strahlungspegel von z.B. - 8 dBi, in Richtung der Projektion
des Subreflektorrandes in den Hauptreflektor einen bestimmten niedrigen Strahlungspegel
von z.B. - 6 dBi und in Richtung zum Hauptreflektorrand einen bestimmten niedrigen
Strahlungspegel von z.B. - 10 dBi nicht überschreitet, was zu einem Amplitudenverlauf
des Aperturfeldes führt, der ein etwa in der Mitte zwischen dem Sub- und Hauptreflektorrand
liegendes Maximum aufweist und sowohl in Richtung des Haupt-als auch des Subreflektorrandes
allmählich auf Pegel von etwa -15 dB oder mehr abfällt, und daß dieser Amplitudenverlauf
dabei so gewählt ist, daß die ersten Nebenzipfel im Mittel etwa zwischen - 11 und
- 14 dB und die zweiten sowie die weiteren Nebenzipfel des Strahlungsdiagramms unter
einer Kurve A = (Z - 25 log ϑ) mit z.B. Z = 29 liegen, wobei A der Strahlungsdiagrammpegel
in dBi und ϑ der Diagrammwinkel in bezug auf die Antennensymmetrieachse ist. Nach
der Erfindung wird somit ein allmählicher Feldabfall in Richtung zum Hauptreflektorrand
mit einem allmählichen Feldabfall in Richtung zum Subreflektorrand hin kombiniert,
wobei der Pegel von dem etwa in der Mitte zwischen dem Sub- und dem Hauptreflektorrand
liegenden Strahlungsmaximum zunächst langsam und dann rascher bis auf Pegelwerte
von etwa - 15 dB abfällt. Der Pegel, vor allem am Hauptreflektorrand, kann dabei auch
noch tiefer liegen. Das Strahlungsmaximum soll dabei nicht wesentlich weiter außen
liegen, weil sonst der zentrale Belegungsteil zu einem unzulässig hohen ersten Nebenzipfel
führen würde. Bei der Realisierung einer derartigen Belegung durch geeignete Reflektorformung
ergibt sich der wesentliche weitere Vorteil, daß der Rand des Primärhornstrahlers
vom Subreflektor und der Rand des Subreflektors vom Hauptreflektor erheblich weniger
stark angestrahlt werden. Da die von diesen Rändern ausgehende Störstrahlung vor allem
die von der Hauptkeule weiter abgelegenen Nebenzipfel erhöht, ergeben sich dort durch
die gewählte Belegung wesentliche Verbesserungen.
[0009] Es hat sich herausgestellt, daß es im Hinblick auf die Störstrahlungen und die Nebenzipfeldämpfung
günstiger ist, wenn statt des konvexen Cassegrain-Subreflektors ein konkav gekrümmter
Gregory-Subreflektor verwendet wird. Obwohl die Belegung nach der Erfindung auch
beim Cassegrain-Prinzip wirksam ist, ergeben sich in Kombination mit dem Gregory-Prinzip
insgesamt bessere Ergebnisse. Obwohl der Wirkungsgrad der Antenne bei der Belegung
nach der Erfindung etwas zurückgeht, lassen sich noch Wirkungsgrade von etwa 62 %
bis 72 % realisieren. Im Vergleich z.B. mit der im angegebenen Telcom-Report beschriebenen
3,5 m-Antenne, welche einen Wirkungsgrad von 73 % hat, muß der Antennendurchmesser
daher nur wenig vergrößert werden, um den gleichen Gewinn zu erzielen.
[0010] Die durch die Erfindung angegebenen Maßnahmen sind besonders vorteilhaft, wenn sie
bei Antennen angewendet werden, deren Hauptreflektor einen Aperturdurchmesser von
etwa 200 Wellenlängen oder weniger aufweist. Es handelt sich dabei meist um Antennen
kleinerer Bauart.
[0011] In zweckmäßiger Weise wird der Subreflektor von mehreren außen am Subreflektor angebrachten
Stützen gehalten, deren Fußpunkte im Bereich des Hauptreflektorrandes liegen. Es wird
dann eine Anstrahlung durch den Subreflektor weitgehend vermieden. Die Stützen können
gerade oder gekrümmt ausgebildet werden. Messungen haben gezeigt, daß bei gekrümmten
Stützen der Nebenkeulenanstieg geringer ist, weil die Störstrahlung über einen größeren
Winkelbereich verteilt ist. In vorteilhafter Weise werden vier Stützen in X-förmiger
Anordnung vorgesehen.
[0012] In vorteilhafter Weise kann auch der Rand an der Öffnung des Primärhornstrahlers
durch Absorbermaterial, d.h. einen Absorberring, abgedeckt sein. Zusätzlich kann
auch der Subreflektor rundum in einer Randzone durch Absorbermaterial abgedeckt werden.
Dabei erstreckt sich die durch das Absorbermaterial abgedeckte Randzone über etwa
ein Drittel des Subreflektorradius, ausgehend vom Rand. In vorteilhafter Weise ist
die Randzone des Subreflektors ausgefräst, wobei in die Ausfräsung das Absorbermaterial
mit passendem Konturverlauf eingesetzt wird. Das Absorbermaterial sowohl für die
Abdeckung des Randes des Primärhornstrahlers als auch der Subreflektor-Randzone besteht
in zweckmäßiger Weise aus einem wetterfesten Material. Es hat sich gezeigt, daß die
nebenzipfelerhöhende Wirkung einer unzureichenden Absenkung des Subreflektorstreufeldes
im zentralen, achsnahen Bereich durch die erwähnte Abdeckung des Primärhornstrahlerrandes
und/oder auch durch die Abdeckung der Randzone des Subreflektors verringert werden
kann.
[0013] Im folgenden wird die Erfindung anhand von vier Figuren erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die seitliche Schemadarstellung einer nach dem Gregory-Prinzip gespeisten rotationssymmetrischen
Zweireflektor-Mikrowellen-Richtantenne,
Fig. 2 die Streu- und Beugungseffekte einer rotationssymmetrischen Gregory-Antenne
in einer schematischen Darstellung,
Fig. 3 eine geschnittene Darstellung eines mit Absorbermaterial am Öffnungsrand versehenen
Primärhornstrahlers,
Fig. 4 einen mit Absorbermaterial in seiner Randzone versehenen Subreflektor in einer
Schnittansicht.
[0014] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine rotationssymmetrisch aufgebaute
Zweireflektor-Mikrowellen-Richtantenne mit einem Hauptreflektor 1, einem den Hauptreflektor
1 ausleuchtenden, gemäß dem Gregory-Prinzip konkav gekrümmten Subreflektor 2 und einem
mit seiner Öffnung zwischen dem Scheitel des Hauptreflektors 1 und dem Scheitel des
Subreflektors 2 angeordneten Primärhornstrahler 3. Der Primärhornstrahler 3 wird über
eine Hohlleitung 4 gespeist, die durch eine Scheitelöffnung des Hauptreflektors 1
nach hinten herausgeführt ist. Der Subreflektor 2 wird von vier X-förmig angeordneten
geraden Stützen 5 gehalten, deren Fußpunkte im Bereich des Randes des Hauptreflektors
1 liegen. Die in Fig. 1 dargestellte Antenne hat den grundsätzlichen Nachteil, daß
insbesondere der Subreflektor 2 und die Stützen 5 notwendigerweise im Strahlengang
des Hauptreflektors 1 liegen und dabei Störungen verursachen, die sich in einer Verschlechterung
der Nebenzipfelcharakteristik niederschlagen. Wenn sich der Primärhornstrahler 3
dabei noch relativ nahe am Subreflektor 2 befindet, so ist mit zusätzlichen Störungen
zu rechnen, die eine Erfüllung der Nebenzipfelspezifikationen zumindest im Weitwinkelbereich
nicht gestatten.
[0015] Zur Verdeutlichung der Streu- und Beugungseffekte, die bei einer rotationssymmetrischen
Gregory-Antenne nach Fig. 1 auftreten können und die durch die besondere torusförmige
Belegung nach der Erfindung reduziert werden, dient Fig. 2. Darin ist mit 9 ein Strahl
vom Primärhornstrahler 3 zum Rand 7 des Subreflektors 2, mit 10 ein Strahl vom Subreflektor
2 zum Rand 6 des Primärhornstrahlers 3, mit 11 ein Strahl vom Subreflektor 2 zum Hauptreflektor
1 und mit 12 ein Strahl vom Subreflektor 2 zum Rand 8 des Hauptreflektors 1 bezeichnet.
Der Strahl 9 beschreibt die Überstrahlung und Beugungseffekte am Subreflektor 2.
Der Strahl 12 beschreibt die Überstrahlung und die Kantenbeugung am Hauptreflektor
1. Der Strahl 11 beschreibt die Rückstrahlung vom Hauptreflektor 1 auf den Subreflektorrand
7. Die dominierende Störquelle ist jedoch die sekundäre Streustrahlung des vom Subreflektor
2 angestrahlten Primärhornstrahlers 3, die durch den Strahl 10 verursacht wird.
[0016] Der Hauptreflektor 1 und der Subreflektor 2 sind nach der Erfindung so ausgebildet,
daß das durch den Strahl 10 angedeutete Subreflektorstreufeld in Richtung zum Rand
6 des Primärhornstrahlers einen bestimmten niedrigen Strahlungspegel von z.B. - 8
dBi, das durch den Strahl 11 angedeutete Subreflektorstreufeld in Richtung der Projektion
des Subreflektorrandes 7 in den Hauptreflektor 1 einen bestimmten niedrigen Strahlungspegel
von z.B. - 6 dBi und das durch den Strahl 12 in Richtung zum Hauptreflektorrand 8
angedeutete Subreflektorstreufeld einen bestimmten niedrigen Strahlungspegel von z.B.
- 10 dBi nicht überschreitet. Diese Bemessungen führen zu einem Amplitudenverlauf
des Aperturfeldes, der, in radialer Richtung gesehen, ein etwa in der Mitte zwischen
dem Subreflektorrand 7 und dem Hauptreflektorrand 8 liegendes Maximum aufweist und
sowohl in Richtung des Haupt-als auch des Subreflektorrandes 7 und 8 allmählich auf
Pegel von etwa - 15 dB oder mehr abfällt. Dabei ist dieser Amplitudenverlauf so gewählt,
daß die ersten Nebenzipfel im Mittel etwa zwischen - 11 und - 14 dB und die zweiten
sowie die weiteren Nebenzipfel des Strahlungsdiagramms unter einer Kurve A = (Z -
25 log ϑ) mit z.B. Z = 29 liegen, wobei A der Strahlungsdiagrammpegel in dBi und ϑ
der Diagrammwinkel in bezug auf die Antennensymmetrieachse ist.
[0017] Fig. 3 zeigt eine Längsschnittansicht eines mit Rillen versehenen Primärhornstrahlers
3, der vorne an seinem Rand 6 an der Öffnung mit einem Ring aus Absorbermaterial 13
abgedeckt ist. In der praktischen Ausführung ist beispielsweise das Absorbermaterial
13 graphitierter Polyurethanschaum mit einer wetterfest imprägnierten Textilgewebehaut
oder eine wetterfeste, absorbierende Gummimatte.
[0018] Fig. 4 zeigt einen Subreflektor 2, der rundum in einer Randzone durch Absorbermaterial
15 abgedeckt ist. Die durch das Absorbermaterial 15 abgedeckte Randzone erstreckt
sich über etwa ein Drittel des Subreflektorradius R, ausgehend vom Rand. Die Randzone
des Subreflektors 2 ist ausgefräst. In die Ausfräsung 14 ist das Absorbermaterial
15 mit einem passenden Konturverlauf 16 eingesetzt. Vorzugsweise wird hier mechanisch
bearbeitbares Absorbermaterial 15, z.B. Ferrit verwendet. Man erhält so einen glatten
Oberflächenverlauf, der in bezug auf Schnee- und Eisansatz sowie Verschmutzung günstigere
Eigenschaften aufweist als ein nachträglich aufgeklebter Absorber, z.B. eine Gummimatte.
[0019] Es hat sich gezeigt, daß die nebenzipfelerhöhende Wirkung einer unzureichenden Absenkung
des Subreflektorstreufeldes im zentralen, achsnahen Bereich durch die in den Figuren
3 und 4 dargestellten Abdeckmaßnahmen des Primärhornstrahlerrandes und/oder durch
die Abdeckung der Randzone des Subreflektors mit geeignetem wetterfesten Absorbermaterial
stark verringert werden kann und sich somit eine unterstützende Wirkung der durch
die Erfindung angegebenen Belegung ergibt.
1. Rotationssymmetrisch aufgebaute Zweireflektor-Mikrowellen-Richtantenne mit niedrigen
Nebenzipfelpegeln des Strahlungsdiagramms in vorgegebenen Raumbereichen unter Verwendung
eines Hauptreflektors, eines den Hauptreflektor ausleuchtenden, die Nebenzipfeldämpfung
ungünstig beeinflussenden Subreflektors, der gemäß dem Gregory-Prinzip konkav gekrümmt
ist, und eines mit seiner Öffnung zwischen dem Hauptreflektorscheitel und dem Subreflektorscheitel
angeordneten Primärhornstrahlers, wobei die Aperturbelegung torusförmig derart ausgelegt
ist, daß sie sowohl zum Hauptreflektor- als auch zum Subreflektorrand, ausgehend
von einem dazwischen liegenden Maximum, abfällt,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflektoren (1, 2) so ausgebildet sind, daß das Subreflektorstreufeld
in Richtung zum Rand (6) des Primärhornstrahlers (3) einen bestimmten niedrigen Strahlungspegel
von z.B. - 8 dBi, in Richtung der Projektion des Subreflektorrandes (7) in den Hauptreflektor
(1) einen bestimmten niedrigen Strahlungspegel von z.B. - 6 dBi und in Richtung zum
Hauptreflektorrand (8) einen bestimmten niedrigen Strahlungspegel von z.B. - 10 dBi
nicht überschreitet, was zu einem Amplitudenverlauf des Aperturfeldes führt, der ein
etwa in der Mitte zwischen dem Sub- und Hauptreflektorrand liegendes Maximum aufweist
und sowohl in Richtung des Haupt- als auch des Subreflektorrandes allmählich auf Pegel
von etwa - 15 dB oder mehr abfällt, und daß dieser Amplitudenverlauf dabei so gewählt
ist, daß die ersten Nebenzipfel im Mittel etwa zwischen - 11 und - 14 dB und die
zweiten sowie die weiteren Nebenzipfel des Strahlungsdiagramms unter einer Kurve
A = (Z - 25 log ϑ) mit z.B. Z = 29 liegen, wobei A der Strahlungsdiagrammpegel in
dBi und ϑ der Diagrammwinkel in bezug auf die Antennensymmetrieachse ist.
2. Richtantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor (1) einen Aperturdurchmesser von etwa 200 Wellenlängen oder
weniger aufweist.
3. Richtantenne nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Subreflektor (2) von mehreren außen am Subreflektor angeordneten Stützen
(5) gehalten wird, deren Fußpunkte im Bereich des Hauptreflektorrandes (8) liegen.
4. Richtantenne nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stützen (5) gerade ausgebildet sind.
5. Richtantenne nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stützen (5) gekrümmt ausgebildet sind.
6. Richtantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß vier Stützen (5) in X-förmiger Anordnung vorgesehen sind.
7. Richtantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (6) an der Öffnung des Primärhornstrahlers (3) durch Absorbermaterial
(13) abgedeckt ist.
8. Richtantenne nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß als Absorbermaterial (13) graphitierter Polyurethanschaum mit einer wetterfest
imprägnierten Textilgewebeabdeckung vorgesehen ist.
9. Richtantenne nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß als Absorbermaterial (13) ein wetterfestes Gummimattenmaterial vorgesehen ist.
10. Richtantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Subreflektor (2) rundum in einer Randzone durch Absorbermaterial (15) abgedeckt
ist.
11. Richtantenne nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die durch Absorbermaterial (15) abgedeckte Randzone über etwa ein Drittel
des Subreflektorradius (R), ausgehend vom Rand (7), erstreckt.
12. Richtantenne nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Randzone des Subreflektors (2) ausgefräst und in die Ausfräsung (14) das
Absorbermaterial (15) mit passendem Konturverlauf (16) eingesetzt ist.
13. Richtantenne nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanisch bearbeitbares Absorbermaterial (15), z.B. Ferrit, vorgesehen
ist.