EP0141281A2 - Einrichtung zur Verhinderung einer Strahlungskeulenauslenkung bei einer für Zirkularpolarisation vorgesehenen Antenne mit einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich einstrahlenden Primärstrahler - Google Patents

Einrichtung zur Verhinderung einer Strahlungskeulenauslenkung bei einer für Zirkularpolarisation vorgesehenen Antenne mit einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich einstrahlenden Primärstrahler Download PDF

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EP0141281A2
EP0141281A2 EP84111833A EP84111833A EP0141281A2 EP 0141281 A2 EP0141281 A2 EP 0141281A2 EP 84111833 A EP84111833 A EP 84111833A EP 84111833 A EP84111833 A EP 84111833A EP 0141281 A2 EP0141281 A2 EP 0141281A2
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EP
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correction signal
waves
coupler
correction
curved reflector
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Uwe Dipl.-Ing. Leupelt
Anton Dipl.-Ing. Giefing
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/13—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source being a single radiating element, e.g. a dipole, a slot, a waveguide termination
    • H01Q19/132—Horn reflector antennas; Off-set feeding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/04—Multimode antennas

Definitions

  • the invention relates to a device for preventing a disturbing radiation beam deflection caused by the deflection at an asymmetrical, curved reflector in an antenna, on the curved reflector of which circularly polarized waves are radiated laterally by a primary radiator designed as a horn or waveguide radiator, with the waveguide feed of the primary radiator are excited waves of a higher wave type compared to the fundamental wave, which have the same amplitudes in the opposite phase position as the waves of the wave type which would cause the same disturbing radiation beam deflection as the curved reflector actually causes.
  • a combination of a curved reflector and an off-set horn emitter is often used.
  • a reflector is usually a section of a surface of revolution that is generated by a conic curve.
  • a focal point of the reflector usually coincides with the phase center of the horn.
  • Such arrangements are either used as separate antennas for directional radio, e.g. in the form of horn parabolic antennas and shell antennas, or also for feeding large reflector antennas in satellite radio, for example as a horn parabolic or with a beam waveguide.
  • Typical of the radiation behavior of these side-fed reflectors in linear polarization is a relatively high proportion of cross polarization in the diagram plane of the far field diagram that is assigned to the transverse plane perpendicular to the symmetry plane of the reflector.
  • the aperture field created after the reflection at the reflector is also rotationally symmetrical. If the radiator axis is inclined against the reflector axis when feeding from the side, the aperture field is distorted in such a way that the field lines diverge with increasing center distance and thus have transverse components that are orthogonal to the target polarization.
  • the configuration of the free field responsible for the unwanted main beam deflection in the cross-sectional plane after the reflector can also be described by a spectrum of higher wave types that are excited by the reflector in addition to the existing basic wave type (analogy to excitation of higher wave types in waveguides due to impurities). If such a distorted field, which was created in this form only by the deflection at the curved reflector, strikes the aperture of a waveguide radiator arranged at the location of the focal point, then correspondingly higher wave types can also be excited in the waveguide. They can spread out in the waveguide until the cross section becomes too small. From then on, these wave types are reflected. However, the cross section can often not be made so small, e.g. modes with similar cut-off frequencies as those of the disturbance modes are used for direction finding purposes.
  • the principle of compensating the absolute and frequency-dependent beam deflection (beam squint) in the case of a side-fed reflector antenna for circular polarization is to excite corresponding antiphase wave types of the same amplitude by taking measures in the feed waveguide or in the primary radiator itself.
  • the field generated by the primary radiator becomes the one the deflection reflector is optimally adapted in the sense of compensation.
  • the object of the invention is to achieve a significant reduction in the absolute and frequency-dependent main lobe deflection over a broad band in a laterally fed reflector antenna operated with circular polarization using relatively simple means.
  • this object is achieved in that in the waveguide feed of the primary radiator a mode coupler constructed in the manner of a DF shaft coupler is installed, which has an external signal input to which a correction signal is applied, which excites the compensating waves of the higher wave type in the waveguide feed that the correction signal applied to the outer signal input of the mode coupler is taken from the output of an external correction signal path, in the course of which as a correction network broadband effective, ie frequency-matched passive phase and amplitude adjusters are arranged, which are dimensioned such that the necessary correction signal characteristic is set over the desired frequency band, and that the correction signal path on its input side via a coupler with the part of the signal which only guides the fundamental wave Waveguide feed is connected such that part of the fundamental wave signal is coupled into the correction signal path.
  • a mode coupler constructed in the manner of a DF shaft coupler is installed, which has an external signal input to which a correction signal is applied, which excites the compensating waves of the higher wave type in the waveguide feed that the correction signal applied to the
  • a special mode coupler is thus used to excite the compensating higher waves in the feed waveguide, which has an external signal input.
  • this allows the construction of an external correction signal path, in the course of which broadband effective, i.e. frequency-matched passive phase and amplitude setting elements are installed.
  • broadband effective i.e. frequency-matched passive phase and amplitude setting elements are installed.
  • a predetermined phase and amplitude characteristic is simulated over a wide frequency range, it only having to be permanently set or adjusted once.
  • This signal path is coupled to the fundamental wave signal via the coupler.
  • the correction signal is set by means of the correction network in such a way that, in addition to the lobe deflection generated by the reflector in each case, dispersions of the phase positions in the waveguide feed and in the free space and also the properties of the mode coupler are taken into account.
  • the antenna consists of a curved reflector 9 onto which a horn radiator 8 arranged with its feed center in the reflector focal point radiates laterally circularly polarized waves.
  • the horn 8 is fed via a feed waveguide 7.
  • a signal coupler 3 turns one. only the fundamental wave carrying part 1 of the feed waveguide derived a certain portion of the incoming fundamental wave signal and fed to a correction network 4 via a line 2.
  • the circuit contained in the network 4 consists of various damping circuits 11 and phase elements 10 which serve to adjust the amplitude and are dimensioned such that they set the necessary signal characteristic over the desired frequency band.
  • the correction signal taken from the network 4 is then input to an external input 5 of a mode coupler 6 and is coupled there again as a higher wave type into the feed waveguide 7 and radiated from the horn antenna 8 to the reflector 9 together with the fundamental wave.
  • the additional signal supplied to the outer input 5 of the mode coupler 6 is such that it compensates for the beam deflection component generated by the reflector 9, i.e. the correction network 4 must also take into account, for example, dispersions of the phases in the waveguide 7, in free space (near field) and the properties of the mode coupler 6.

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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Im Zuführungshohlleiter (7) zum Antennenhornstrahler (8) werden mittels eines einen äußeren Signaleingang (5) aufweisenden Modenkopplers (6) Wellen eines im Vergleich zur Grundwelle höheren Wellentyps eingekoppelt, die gegenphasig die gleiche Amplitude haben wie Wellen desjenigen Wellentyps, der die gleiche störende Strahlungskeulenauslenkung hervorrufen würde, wie der gekrümmte Reflektor sie tatsächlich verursacht. Der Modenkoppler wird am äußeren Signaleingang von einem Korrektursignal beaufschlagt, das vom Grundwellensignal im Zuführungshohlleiter mittels eines Kopplers (3) abgeleitet und in einem Korrektursignalweg mittels eines Korrekturnetzwerks (4) phasen- und amplitudenmäßig passend eingestellt wird, so daß eine breitbandige Anregung der gegenphasigen Kompensationswelle möglich ist. Die Einrichtung nach der Erfindung ist zur Anwendung bei Satelliten- und Richtfunkantennen geeignet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verhinderung einer störenden, aufgrund der Umlenkung an einem asymmetrischen, gekrümmten Reflektor verursachten Strahlungskeulenauslenkung bei einer Antenne, auf deren gekrümmten Reflektor zirkularpolarisierte Wellen von einem als Horn- oder Hohlleiterstrahler ausgebildeten Primärstrahler seitlich eingestrahlt werden, wobei in der Hohlleiterzuführung des Primärstrahlers Wellen eines im Vergleich zur Grundwelle höheren Wellentyps angeregt sind, die in entgegengesetzter Phasenlage gleiche Amplituden haben wie die Wellen desjenigen Wellentyps, der die gleiche störende Strahlungskeulenauslenkung hervorrufen würdewie sie der gekrümmte Reflektor tatsächlich verursacht.
  • Für Antennen im Mikrowellenbereich wird vielfach eine Kombination aus einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich (off-set) einstrahlenden Hornstrahler verwendet. Ein derartiger Reflektor ist zumeist.ein Ausschnitt aus einer Rotationsfläche, die durch eine Kegelschnittkurve erzeugt wird. Ein Brennpunkt des Reflektors fällt in der Regel mit dem Phasenzentrum des Hornstrahlers zusammen. Solche Anordnungen werden entweder als eigene Antennen für Richtfunk, z.B. in Form von Hornparabolantennen und Muschelantennen, oder auch zur Speisung großer Reflektorantennen im Satellitenfunk, beispielsweise als Hornparabol oder bei einem Strahlwellenleiter, eingesetzt.
  • Typisch für das Strahlungsverhalten dieser seitlich gespeisten Reflektoren ist bei Linearpolarisation ein relativ hoher Anteil der Kreuzpolarisation in derjenigen Diagrammebene des Fernfelddiagramms, die der zur Symmetrieebene des Reflektors senkrechten Transversalebene zugeordnet ist.
  • Bei Zirkularpolarisation entstehen allerdings keine orthogonal polarisierten Anteile mit entgegengesetzem Drehsinn. Es tritt vielmehr eine kleine Äuslenkung der Haüptstrahlungskeule aus der ursprünglich geforderten Hauptstrahlrichtung und zwar ebenfalls in der Transversalen auf.
  • Die Entstehung dieser ungewünschten Strahlungskeulenauslenkung läßt sich rein geometrisch folgendermaßen verdeutlichen.
  • Wird ein z.B. rotationssymmetrischer Parabolreflektor mit einem zunächst lineare Polarisation abgebenden Primärstrahler drehsymmetrisch ausgeleuchtet (Huyghens-Quelle), so ist das nach der Reflexion am Reflektor entstehende Aperturfeld ebenfalls drehsymmetrisch. Wird bei seitlicher Speisung die Strahlerachse gegen die Reflektorachse geneigt, so tritt eine Verzerrung des Aperturfeldes in der Weise auf, daß die Feldlinien mit zunehmendem Achsabstand divergieren und damit Querkomponenten aufweisen, die orthogonal zur Sollpolarisation stehen.
  • Bei Zirkularpolarisation existieren in jedem Punkt der Apertur zwei zueinander senkrecht stehende, der zirkularen Kopolarisation entsprechende Feldkomponenten, die eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90° auf weisen. Die Kombination dieser beiden Vektoren und die des dazugehörenden phasenunsymmetrischen Paares von kreuz- pol,-arisierten Vektoren haben denselben Drehsinn. Die Summe beider Signale ergibt reine Zirkularpolarisation, die Addition der symmetrischen und der unsymmetrischen Komponenten bewirkt jedoch eine Auslenkung des Strahlungsmaximums.
  • Die Konfiguration des für die unerwünschte Hauptstrahlauslenkung verantwortlichen freien Feldes in der Querschnittsebene nach dem Reflektor läßt sich auch durch ein Spektrum höherer Wellentypen beschreiben, die zusätzlich zum vorhandenen Grundwellentyp vom Reflektor angeregt werden (Analogie zur Anregung höherer Wellentypen in Hohlleitern durch Störstellen). Wenn ein derart verzerrtes Feld, das in dieser Form erst durch die Umlenkung am .gekrümmten Reflektor entstanden ist, auf die Apertur eines am Ort des Brennpunktes angeordneten Hohlleiterstrahlers auftrifft, so können entsprechende höhere Wellentypen auch im Hohlleiter angeregt werden. Sie können sich im Hohlleiter solange ausbreiten, bis der Querschnitt zu klein wird. Von da an werden diese Wellentypen reflektiert. Der Querschnitt kann aber häufig nicht so klein gemacht werden, da z.B. für Peilzwecke Moden mit ähnlichen Grenzfrequenzen wie diejenigen der.Störmoden verwendet werden.
  • Das Prinzip, eine Kompensation der absoluten und frequenzabhängigen Keulenauslenkung (beam squint) bei einer seitlich gespeisten Reflektorantenne für Zirkularpolarisation zu erreichen, besteht in der Anregung entsprechender gegenphasiger Wellentypen gleicher Amplitude durch Maßnahmen im Zuführungshohlleiter oder im Primärstrahler selbst. Dabei wird das vom Primärstrahler erzeugte Feld demjenigen des Umlenkreflektors im Sinne der Kompensation möglichst optimal angepaßt.
  • Untersuchungen über Verfahren, die nach diesem Prinzip die Kompensation der Kreuzpolarisation bei Linearpolarisation in einem stark eingeschränkten Frequenzbereich bewirken, sind bereits veröffentlicht worden. In diesem Zusammenhang wird auf den Aufsatz von A.W. Rudge und N.A. Adatia: "Offset-Parabolic-Reflector Antennas" in Proceedings IEEE, Vol. 66, No. 12, Dez. 1978, Seiten 1592 bis 1618 hingewiesen. Der wesentliche Nachteil dieser _bekannten Lösungen liegt jedoch darin, daß die Anregung der kompensierenden höheren Wellen stets durch Stifte oder ähnliche Störstellen, z.B. Schlitze in der Wand mit außen angesetzten Blindhohlleitern, innerhalb des Zuführungshohlleiters oder in der Apertur des Primärstrahlers erfolgt. Mit diesen bekannten Anordnungen ist eine breitbandige Anregung der gegenphasigen Kompensationswelle nicht möglich. 0
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine deutliche Verringerung der absoluten und frequenzabhängigen Hauptkeulenauslenkung breitbandig bei einer seitlich gespeisten, mit Zirkularpolarisation betriebenen Reflektorantenne mit verhältnismäßig einfachen Mitteln zu erreichen.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in die Hohlleiterzuführung des Primärstrahlers ein nach Art eines Peilwellenkopplers aufgebauter Modenkoppler eingebaut ist, der einen äußeren Signaleingang aufweist, an welchen ein Korrektursignal angelegt wird, welches in der Hohlleiterzuführung die jeweils kompensierenden Wellen vom höheren Wellentyp anregt, daß das an den äußeren Signaleingang des Modenkopplers angelegte Korrektursignal dem Ausgang eines externen Korrektursignalwegs entnommen wird, in dessen Verlauf als Korrekturnetzwerk breitbandig wirksame, d.h. frequenzangepaßte passive Phasen- und Amplitudeneinstellgl'ieder, angeordnet sind, die so bemessen sind, daß über das gewünschte Frequenzband die notwendige Korrektursignalcharakteristik eingestellt wird, und daß der Korrektursignalweg an seiner Eingangsseite über einen Koppler mit dem nur die Grundwelle führenden Teil der Hohlleiterzuführung derart verbunden ist, daß ein Teil des Grundwellensignals in den Korrektursignalweg eingekoppelt wird.
  • Bei der Einrichtung nach der Erfindung wird somit zur Anregung der kompensierenden höheren Wellen im Zuführungshohlleiter ein spezieller Modenkoppler verwendet, der einen äußeren Signaleingang besitzt. Dieser erlaubt im Gegensatz zu den bekannten Lösungen den Aufbau eines externen Korrektursignalwegs, in dessen Verlauf breitbandig wirksame, d.h. frequenzangepaßte passive Phasen- und Amplitudeneinstellglieder eingebaut sind. Mit deren Hilfe wird eine vorgegebene Phasen- und Amplitudencharakteristik über einen weiten Frequenzbereich nachgebildet, wobei sie nur einmalig fest eingestellt bzw. abgeglichen werden muß. Dieser Signalweg wird.über den Koppler mit dem Grundwellensignal gekoppelt.
  • In vorteilhafter Weise wird das Korrektursignal mittels des Korrekturnetzwerks so eingestellt, daß außer der vom Reflektor jeweils erzeugten Keulenauslenkung auch Dispersionen der Phasenlagen in der Hohlleiterzuführung und im Freiraum und außerdem die Eigenschaften des Modenkopplers berücksichtigt sind.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Figur dargestellten Schaltungsbeispiels erläutert.
  • Die Antenne besteht aus einem gekrümmten Reflektor 9, auf den ein mit seinem Speisezentrum im Reflektorbrennpunkt angeordneter Hornstrahler 8 seitlich zirkular polarisierte Wellen einstrahlt. Gespeist wird der Hornstrahler 8 über einen Zuführungshohlleiter 7. Bei Betrachtung in Senderichtung wird über einen Signalkoppler 3 aus einen. nur die Grundwelle führenden Teil 1 des Zuführungshohlleiters ein bestimmter Anteil des ankommenden Grundwellensignals abgeleitet und über eine Leitung 2 einem Korrekturnetzwerk 4 zugeführt. Die im Netzwerk 4 enthaltene Schaltung besteht aus verschiedenen, der Amplitudeneinstellung dienenden Dämpfungskreisen 11 und Phasengliedern 10, die so bemessen sind, daß sie über das gewünschte Frequenzband die notwendige Signalcharakteristik einstellen. Das dem Netzwerk 4 entnommene Korrektursignal wird dann einem äußeren Eingang 5 eines Modenkopplers 6 eingegeben und dort als höherer Wellentyp wieder in den Zuführungshohlleiter 7 eingekoppelt und zusammen mit der Grundwelle vom Hornstrahler 8 zum Reflektor 9 hin abgestrahlt. Das dem äußeren Eingang 5 des Modenkopplers 6 zugeführte zusätzliche Signal ist so geartet, daß es den vom Reflektor 9 jeweils erzeugten Keulenauslenkungsanteil kompensiert, d.h. das Korrekturnetzwerk 4 muß auch beispielsweise Dispersionen der Phasen im Hohlleiter 7, im Freiraum (Nahfeld) und Eigenschaften des Modenkopplers 6 berücksichtigen.
  • Der Aufbau, der in der Figur nur prinzipiell dargestellt ist, berücksichtigt natürlich außerdem, daß bei den zur Erzeugung der zirkularen Kopolarisation vorhandenen Feldkomponenten entsprechende Kompensationsfeldkomponenten, die über den Modenkoppler in den Signalweg eingebracht werden, überlagert werden.

Claims (1)

1. Einrichtung zur Verhinderung einer störenden, aufgrund der Umlenkung an einem asymmetrischen gekrümmten Reflektor verursachten Strahlungskeulenauslenkung bei einer Antenne, auf deren gekrümmten Reflektor zirkularpolarisierte Wellen von einem als Horn- oder Hohlleiterstrahler ausgebildeten Primärstrahler seitlich eingestrahlt werden, wobei in der Hohlleiterzuführung des Primärstrahlers Wellen eines im Vergleich zur Grundwelle höheren Wellentyps angeregt sind, die in entgegengesetzter Phasenlage gleiche Amplituden haben wie die Wellen desjenigen Wellentyps, der die gleiche störende Strahlungskeulenauslenkung hervorrufen würde, wie sie der gekrümmte Reflektor tatsächlich verursacht,
dadurch gekennzeichnet , daß in die Hohlleiterzuführung (7) des Primärstrahlers (8) ein nach Art eines Peilwellenkopplersaufgebauter Modenkoppler (6) eingebaut ist, der einen äußeren Signaleingang (5) aufweist, an welchen ein Korrektursignal angelegt wird, welches in der Hohlleiterzuführung die jeweils kompensierenden Wellen vom höheren Wellentyp anregt, daß das an den äußeren Signaleingang (5) des Modenkopplers (6) angelegte Korrektursignal dem Ausgang eines externen Korrektursignalwegs entnommen wird, in dessen'Verlauf als Korrekturnetzwerk (4) breitbandig wirksame, d.h. frequenzangepaßte passive Phasen- und Amplitudeneinstellglieder (10, 11), angeordnet sind, die so bemessen sind, daß über das gewünschte Frequenzband die notwendige Korrektursignalcharakteristik eingestellt wird, und daß dem Korrektursignalweg an seiner Eingangsseite (2) über einen Koppler (3) mit dem nur die Grundwelle führenden Teil (1) der Hohlleiterzuführung derart verbunden ist, daß ein Teil des Grundwellensignals in den Korrektursignalweg eingekoppelt wird.
2. eingekoppelt nach Anspruch 1, dadurch ge-
kennzeichnet, daß das Korrektursignal mittels des Korrekturnetzwerks (4) so eingestellt ist, daß außer dem vom Reflektor (9) jeweils erzeugten Anteil der Strahlungskeulenauslenkung auch Dispersionen der Phasenlagen in der Hohlleiterzuführung (7) und im Freiraum und außerdem die Eigenschaften des Modenkopplers (6) berücksichtigt sind.
EP84111833A 1983-10-06 1984-10-03 Einrichtung zur Verhinderung einer Strahlungskeulenauslenkung bei einer für Zirkularpolarisation vorgesehenen Antenne mit einem gekrümmten Reflektor und einem seitlich einstrahlenden Primärstrahler Withdrawn EP0141281A3 (de)

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EP0141281A3 EP0141281A3 (de) 1986-07-30

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