Antennen-Konzepte Teil 2:

Offset-Gespeiste Reflektor-Antennen

Ein Offset-Reflektor ist ein Ausschnitt aus einem grösseren Rotations-Paraboloid. Dieses Antennenkonzept hat den Vorteil, dass sich bei geeigneter Dimensionierung das Feedsystem nicht im Strahlengang befindet. Abblockungsverluste und Streueffekte treten in einer Offset-Antenne nicht auf.

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Abbildung 15: Offset-Antennenausschnitt aus einem grösseren Paraboloid

Die geometrische Beschreibung einer Offset-Antenne ist einiges umfangreicher, als die einer frontgespeisten Parabolantenne. Abbildung 16 zeigt die wichtigsten geometrischen Grössen einer Offset-Antenne.

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Abbildung 16: Geometrische Grössen einer Offset-Antenne

Die Offsethöhe H sollte so gewählt werden, dass das Feedsystem den Strahlengang nicht stört. Viele Offsetantennen sind so dimensioniert, dass die projizierte Apertur kreisrund wird. In diesem Fall liegt der elliptische Reflektorrand in einer Ebene.

Das Feed im Phasenzentrum der Antenne erzeugt eine sphärische Welle. Darum kann es um den Fokuspunkt gedreht werden, ohne die Phasenbeziehungen in der Antenne zu beeinflussen. Die Amplitudenverteilung in der Aperturebene ändert sich dadurch aber. Üblicherweise wir der Winkel ΨC so gewählt, dass das Amplitudenmaximum ins Zentrum der Apertur projiziert wird. Die Offset-Reflektor Ausleuchtung ist nicht symmetrisch, da ΨU < ΨL.

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Abbildung 17: Asymmetrische Ausleuchtung einer Offset-Antenne

Der gelbe Strahl in Abbildung 17 ist der Zentrumsstrahl. Gut erkennbar ist die asymmetrische Ausleuchtung.

Wie Eingangs schon erwähnt, hat eine Offset-Antenne den Vorteil, dass keine Abblockungen auftreten. Diesen Vorteil erkauft man sich mit einer Asymmetrie, die bei linearer Polarisation eine hohe Kreuzpolarisations-Komponente und bei zirkularer Polarisation eine kleine Strahlschwenkung gegenüber der optischen Achse zur Folge hat.

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Abbildung 18: Strahldiagramme einer 1m Offset-Antenne. Links linear polarisiert, rechts zirkular polarisiert.

Je nach Anwendung muss man diese negativen Einflüsse der Asymmetrie beachten. Beide Effekte sind aber für unsere Anwendung vernachlässigbar klein.

Dielektrischer Strahler

Ein geeignetes Feed für eine Offset-Antenne muss einen etwas höheren Gewinn aufweisen, als ein Feed für eine frontgespeiste Parabolantenne. Sehr verbreitet sind Hornantennen. Für das X-Band (10.5GHz) eignen sich aber auch dielektrische Antennen. Für schmalbandige Anwendungen (Bandbreite < 15%) erreicht man mit dielektrischen Stabantennen hervorragende elektrische Eigenschaften.

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Abbildung 19: Dielektrischer Strahler für das X-Band

Der dielektrische Strahler besteht aus zwei sehr einfachen Drehteilen. Mit der Geometrie des konischen Strahlers kann das Strahldiagramm für eine gegebene Reflektor-Geometrie optimiert werden. Die Impedanz wird mit einem zweistufigen Transformator auf den Rundhohlleiter angepasst.

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Abbildung 20: Strahldiagramm eines dielektrischen X-Band Feeds

Abbildung 20 zeigt das hervorragende Strahldiagramm eines dielektrischen X-Band Feeds. Die Symmetrie ist fast perfekt. Auch die Seitenkeulen und die Kreuzpolarisation sind sehr niedrig.

Dualband-Feed

Der geringe Querschnitt eines dielektrischen Strahlers prädestiniert ihn als Teil eines Dualband-Feeds. Abbildung 21 zeigt eine Kombination eines S-Band Cavity-Backed-Dipole-Feeds mit einem dielektrischen X-Band Feed. Die beiden Fokuspunkte bei 2.4GHz und 10.5GHz sollten idealerweise zusammenfallen. Beim vorgestellten Konzept ist die Spitze des dielektrischen Stahles in der Öffnungsebene des S-Band Resonators. Der S -Band Fokuspunkt befindet sich auch im Zentrum der Öffnung, wohingegen der X-Band Fokuspunkt im hinteren Drittel des dielektrischen Strahlers zu finden ist. Dieser Kompromiss vereinfacht den Wetterschutz des Feeds. Der offene Resonator kann einfach mit einer HF-transparenten Folie abgedichtet werden.

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Abbildung 21: S-X-Band Feed

Wie im ersten Beitrag gezeigt wurde, stört eine Metallstange im Zentrum eines Cavity-Backed-Dipole-Feeds das 2.4GHz Strahldiagramm kaum. Das X-Band Strahldiagramm des dielektrischen Strahlers wird durch die Integration in den offenen S-Band-Resonator etwas beeinflusst.

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Abbildung 22: Zirkular polarisiertes S-Band Strahldiagramm links, linear polarisiertes X-Band Strahldiagramm rechts

0.8m Offset-Antenne mit einem S-X-Band Feed

Abbildung 23 zeigt das Dualband-Feed kombiniert mit einer typischen Offsetantennen-Geometrie mit einem Durchmesser von 0.8m. Da kommerzielle Offsetreflektoren meistens für das Ku-Band (10.7 – 12.75GHz) ausgelegt sind, beträgt die Offsethöhe H oft weniger als 5cm. Der Durchmesser des S-X-Band Feeds beträgt ca. 160mm. Das Feed ist darum nicht vollständig ausserhalb des Strahlengangs. Allerdings ist die Energie am Aperturrand schon auf etwa 10% abgesenkt.

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Abbildung 23: 0.8m Offset-Antenne mit dem Dualband-Feed

Die berechneten Strahldiagramme sind in der Abbildung 23 dargestellt. Im zirkular polarisierten S-Band (2.4GHz) verursacht die Asymmetrie des Offset-Reflektors eine kleine Strahlschwenkung von 1° in der X-Elevationsebene (blaue Kurve, Diagramm links).

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Abbildung 24: Berechnete Strahldiagramme einer 0.8m Offset-Antenne. 2.4GHz zirkular polarisiert links, 10.5GHz linear polarisiert rechts.

Im linear polarisierten X-Band (10.5GHz) ist die Kreuzpolarisation in der X-Elevationsebene ca. 19dB unter dem Gewinnmaximum (blaue Kurve, Diagramm rechts).

In beiden Frequenzbändern erreicht die Antenne einen hervorragenden Wirkungsgrad von 74%. In der Praxis ist dieser Wert aber kleiner, da noch ohmsche Verluste auftreten. Auch die reale Reflektorkontur weicht von der Idealform ab und reduziert dadurch den Wirkungsgrad.

Zusammenfassung und Ausblick

Eine offsetgespeiste Reflektorantenne eliminiert Abblockungsverluste weitgehend, da das Feedsystem nicht mehr im Strahlengang platziert ist. Diesen Vorteil erkauft man sich mit einer geringen Strahlschwenkung von zirkular polarisierten Signalen oder einer relativ hohen Kreuzpolarisation bei linear polarisierten Signalen.

Für das 10.5GHz Band eignet sich ein Feed mit einem dielektrischen Strahler. Der kleine Querschnitt erlaubt die Kombination eines Cavity-Backed-Dipole-Feeds mit einem dielektrischen X-Band Feed. Mit diesem Dualband-Feed erreicht man mit einem Offset-Reflektor einen hervorragenden Wirkungsgrad.

Im dritten Teil werden noch die Speisenetzwerke untersucht. Der Aufbau des Dualband-Feeds wird noch weiter optimiert, um eine möglichst einfache Herstellung zu ermöglichen.

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