Ergänzung zum Dualband Feed-Vergleich

Als Ergänzung zum letzten Beitrag wird hier noch ein weiteres interessantes S/X-Band Feed-Konzept vorgestellt.

S/X-Band Feed nach G0MJW, PA3FYM & M0EYT

In [1] wurde dieses S/X-Band-Feed ausführlich beschrieben. Auch bei diesem Feed wird das S-Band mit einem Patch-Strahler realisiert.

S/X-Band Feed nach G0MJW, PA3FYM & M0EYT

Um ein linksdrehend zirkular polarisiertes Signal zu erzeugen sind zwei gegenüberliegende Ecken vom quadratischen Patch facettiert.

S-Band Berechnungen für das S/X-Band Feed nach G0MJW, PA3FYM & M0EYT

CST-Modell mit 3D S-Band Strahldiagramm (LHCP)
S-Band LHCP & RHCP Strahldiagramm-Schnitte
S-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach G0MJW & PA3FYM in einem 2m Reflektor

X-Band Berechnungen für das S/X-Band Feed nach G0MJW, PA3FYM & M0EYT

CST-Modell mit 3D X-Band Strahldiagramm (lin V mit offenem Rundhohlleiter)
X-Band Co & Cross Strahldiagramm-Schnitte
X-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach G0MJW & PA3FYM in einem 2m Reflektor

Der offene Rundhohlleiter strahl sehr breit. Das ergäbe nur in einem stark gekrümmten, frontgespeisten Reflektor mit einem f/D von 0.3 einen vernünftigen Wirkungsgrad. Um den X-Band-Gewinn zu erhöhen wird in [1] eine dielektrische Linse vorgeschlagen, damit das Feed in einem handelsüblichen Offsetreflektor eingesetzt werden kann. Als Linsenmaterial wird PA6 (Nylon) erwähnt. Für diese Material habe ich keine Angaben für die Dielektrizitätskonstante und die Verluste bei 10GHz gefunden.

Sehr gut geeignete Materialen für dielektrische Linsen sind Teflon und Rexolite. Für diese Materialien habe ich ein Design für eine geeignete dielektrische Linse gemacht.

Mit diesem Design ergeben sich folgende X-Band-Eigenschaften:

CST-Modell mit 3D X-Band Strahldiagramm (lin V)
X-Band Co & Corss Strahldiagramm-Schnitte
X-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach G0MjW & PA3FYM mit dielektrischer Linse in einem 2m Reflektor

In einem Offsetspiegel mit einem f/D von 0.6 ist der Apertur-Wirkungsgrad mit einer geeigneten dielektrischen Linse nahezu 80%. Auch das S-Band erreicht noch gute 60% Apertur-Wirkungsgrad in einer handelsüblichen Offsetantenne.

Quelle

[1] Mike Willis G0MJW, Remco den Besten PA3FYM, Paul Marsh M0EYT, ES’hail-2 Oscar 100 Dual Band Patch Antenna

Dualband Feed-Vergleich

QO-100 ist seit Mitte Februar offiziell in Betrieb und wird rege genutzt. Für viele Amateurfunker ist der Betrieb über QO-100 die erste technische Auseinandersetzung mit den Mikrowellenbändern.

Die Entwicklung eines Dualband-Feeds ist eine interessante technische Herausforderung. Im Folgenden werden drei Feed-Konzepte vertieft untersucht und verglichen.

In einem Gedankenexperiment kann durch Variation der Spiegelkrümmung die optimale Reflektorgeometrie für das entsprechende Feed analysiert und festgelegt werden.

0.25 <= f/D <= 0.8

Ist der Reflektor in Bezug zur Wellenlänge genügend gross (D >> 10 λmax) sind die berechneten Wirkungsgrade unabhängig von der Reflektorgrösse.

S/X-Band Feed nach DJ7GP

Das Dualband-Feed von DJ7GP wird schon von vielen Funkamateuren erfolgreich eingesetzt.


S/X-Band Feed nach DJ7GP [1]

Durch den einfachen Aufbau kann das Feed günstig hergestellt werden. Auch für den Selbstbau ist das einfache Konzept gut geeignet. In [1] wurde dieses S/X-Band Feed ausführlich beschrieben.

Der X-Band Strahler basiert auf einem offenen Rundhohlleiter. Ein runder Patch wird für das S-Band eingesetzt. Der S-Band-Strahler ist nahezu linear polarisiert (leicht elliptisch). Da der Uplink rechtsdrehend zirkular polarisiert ausgelegt ist, hat dieses Feedkonzept ca. 2.7dB Polarisationsverlust im Uplink zur Folge. Das lässt sich aber einfach durch eine etwas höhere Sendeleistung ausgleichen.

Die folgenden Betrachtungen beziehen sich im S-Band auf ein zirkular polarisiertes Signal (Feed linksdrehend, Antenne rechtsdrehend). Aus diesem Grund erscheint der resultierende S-Band-Wirkungsgrad etwas bescheiden.

S-Band Berechnungen für das DJ7GP-Feed

CST-Modell mit 3D S-Band Strahldiagramm (LHCP)
S-Band LHCP & RHCP Strahldiagramm-Schnitte

Die koaxiale Einspeisung und der Abstimmzapfen verursachen eine Asymmetrie im Strahldiagramm.

S-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach DJ7GP in einem 2m Reflektor

X-Band Berechnungen für das DJ7GP-Feed

CST-Modell mit 3D X-Band Strahldiagramm (lin V)
X-Band Co & Cross Strahldiagramm-Schnitte
X-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach DJ7GP in einem 2m Reflektor

Aus den berechneten Daten ist ersichtlich, dass das S/X-Band Feed nach DJ7GP den höchsten Wirkungsgrad in einem Reflektor mit einem f/D im Bereich von 0.4 bis 0.45 erzielt.

S/X-Band Feed nach OM6AA

Das koaxiale S/X-Band Feed nach OM6AA wurde in [2] ausführlich beschrieben.

S/X-Band Feed nach OM6AA [2]

Auch hier wird das X-Band Feed mit einem Rundhohlleiter realisiert. Eine Rille (Choke) am Ende des Rundhohlleiters sorgt für ein rotationssymmetrisches X-Band Strahldiagramm und minimiert die Rückstrahlung in das S-Band Feed.

Das S-Band Feed wird mit einem koaxialen Rundhohlleiter realisiert. Vier 90° versetzte Einspeisungen ermöglichen die Anregung von zwei orthogonalen Wellentypen. Für eine zirkulare Polarisation müssen die vier Eingänge phasen- und amplitudenrichtig gespiesen werden. Die Qualität der zirkularen Polarisation hängt deshalb im Wesentlichen von der Amplituden-Balance und den korrekten Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Komponenten ab. Die notwendigen Phasenverschiebungen können beispielsweise durch unterschiedliche Kabellängen erreicht werden. Für die Signalaufteilung braucht es dann noch einen Vierfach-Leistungsteiler.

S-Band Berechnungen für das OM6AA-Feed

CST-Modell mit 3D S-Band Strahldiagramm (LHCP)
S-Band LHCP & RHCP Strahldiagramm-Schnitte
S-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach OM6AA in einem 2m Reflektor

X-Band Berechnungen für das OM6AA-Feed

CST-Modell mit 3D X-Band Strahldiagramm (lin V)
X-Band Co & Cross Strahldiagramm-Schnitte
X-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach OM6AA in einem 2m Reflektor

Auch das S/X-Band Feed nach OM6AA erzielt den höchsten Wirkungsgrad in einem Reflektor mit einem f/D im Bereich von 0.4 bis 0.45.

S/X-Band Feed nach HB9PZK

Mein Feedkonzept basiert auch auf einem koaxialen Ansatz und wurde hier auf diesem Blog schon im Detail vorgestellt.

S/X-Band Feed nach HB9PZK

Das X-Band Feed besteht aus einem Rundhohlleiter mit einem dielektrischen Strahler. Gegenüber einem offenen Rundhohlleiter hat der dielektrische Strahler den Vorteil, dass das Strahldiagramm mehr gebündelt werden kann, ohne dass der Durchmesser vergrössert werden muss. Damit kann das Strahldiagramm einfach für einen Einsatz in einem Offsetspiegel optimiert werden.

Das S-Band Feed wird durch vier Dipole in einem offenen Resonator gebildet. Auch diese vier Dipole müssen amplituden- und phasenrichtig gespeist werden.

S-Band Berechnungen für das HB9PZK-Feed

CST-Modell mit 3D S-Band Strahldiagramm (LHCP)

S-Band LHCP & RHCP Strahldiagramm-Schnitte
S-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach HB9PZK in einem 2m Reflektor

X-Band Berechnungen für das HB9PZK-Feed

CST-Modell mit 3D X-Band Strahldiagramm (lin V)
X-Band Co & Cross Strahldiagramm-Schnitte
X-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach HB9PZK in einem 2m Reflektor

Aus den berechneten Daten lässt sich herauslesen, dass das S/X-Band Feed nach HB9PZK den höchsten Wirkungsgrad in einem Reflektor mit einem f/D im Bereich von 0.6 bis 0.65 erzielt.

Vergleich der S/X-Band Feeds in 1.2m Reflektoren

S/X-Band Feed nach DJ7GP in einem Reflektor mit einem Durchmesser von 1.2m

Mit dem DJ7GP-Feed wird der beste Wirkungsgrad in einem rotationssymmetrischen Reflektor mit einem f/D im Bereich von 0.4 bis 0.45 erzielt.

S/X-Band Feed nach DJ7GP in einem 1.2m Reflektor

Da das DJ7GP-Feed das S-Band nur leicht elliptisch polarisiert abstrahlt, sind die Sekundärdiagramme kaum zirkukar polarisiert. Die Unterschiede zwischen RHCP und LHCP sind deshalb gering. Eine zirkular polarisierte Betrachtung liefert aus diesem Grund einen eher kleinen Gewinn im S-Band.

1.2m Reflektor mit DJ7GP-Feed
S-Band Strahldiagramm

Das resultierende X-Band Strahldiagramm und der resultierende Gewinn sind einwandfrei.

1.2m Reflektor mit DJ7GP-Feed
X-Band Strahldiagramm

S/X-Band Feed nach OM6AA in einem Reflektor mit 1.2m Durchmesser

Auch das OM6AA-Feed Feed eignen sich für den Einsatz in einem rotationssymmetrischen Reflektor mit einem f/D im Bereich von
0.4 bis 0.45.

S/X-Band Feed nach OM6AA in einem 1.2m Reflektor

Für die Simulation wurde eine perfekte Reflektorkontur ohne Oberflächenfehler angenommen. Ebenso sind keine Phasen- und Amplitudenfehler für die Speisung der vier S-Band-Ports angesetzt. Aus diesem Grund liegen die 0° und 90° Diagramm-Schnitte exakt aufeinander.

1.2m Reflektor mit OM6AA-Feed
S-Band Strahldiagramm

Im 45° Diagrammschnitt (grün) macht sich der Einfluss der Streben bemerkbar.

1.2m Reflektor mit OM6AA-Feed
X-Band Strahldiagramm

S/X-Band Feed nach HB9PZK in einem Offsetreflektor mit 1.2m Durchmesser

Für das HB9PZK-Feed beträgt der optimale Ausleuchtwinkel hingegen 84°. Dieses Feed ist daher gut geeignet für den Einsatz in einem Offsetreflektor.

S/X-Band Feed nach HB9PZK in einem 1.2m Offsetreflektor

Zirkular polarisiert Signale verursachen in einem Offsetreflektor eine geringe Strahlschwenkung gegenüber der optischen Achse. Dieser Effekt ist im S-Band-Strahldiagramm erkennbar.

1.2m Offsetreflektor mit HB9PZK-Feed
S-Band Strahldiagramm

Im linear polarisierten X-Band sind die Maxima der Kreuzpolarisation in einem Offsetreflektor höher, als in einem rotationssymmetrischen Reflektor. Die Feed-Streben stören in der Offsetantenne kaum noch, obwohl sie im Randbereich noch teilweise den Strahlengang abdecken.


1.2m Offsetreflektor mit HB9PZK-Feed
X-Band Strahldiagramm

Zusammenfassung

Die Tabelle unten zeigt eine Übersicht der berechneten Direktivitätswerte. In der praktischen Anwendung kommen noch einige störende Einflüsse hinzu, die in den gemachten Betrachtungen nicht berücksichtigt wurden. Die wichtigsten sind Oberflächentoleranzen der Reflektoren, Abweichungen vom Fokuspunkt und nicht zu vergessen die ohmschen Verluste. Werden diese Einflüsse auch berücksichtigt, erhält man den zu erwartenden Antennengewinn.

S-Band
2.4 GHz RHCP
X-Band
10.5 GHz lin V
DJ7GP22.7 dBi40.9 dBi
OM6AA27.8 dBi41.2 dBi
HB9PZK28.0 dBi41.3 dBi

Das weit verbreitete S/X-Band Feed wurde von DJ7GP experimentell entwickelt und bewusst einfach gehalten, um kleine Herstellungskosten zu realisieren. Dieses einfache Feedkonzept bietet auch Raum für eigene Experimente, beispielsweise durch den Einsatz einer dielektrischen Linse für die Gewinnoptimierung beim Einsatz in einem Offsetreflektor. Eine Modifikation für Zirkularpolarisation im S-Band dürfte ohne die Hilfe moderner Simulations- und Optimierungstools eher schwierig sein.

Das koaxiale Feed nach OM6AA eignet sich sehr gut für rotationssymmetrische Reflektoren. Allerdings sollte der Spiegeldurchmesser grösser als 1m sein, da sonst die Interaktionen zwischen Feed und Reflektor störend werden. Für den Schutz vor Wettereinflüssen sollte die Feedöffnung noch durch eine RF-transparente Folie abgedeckt werden.

Das S/X-Band Feed nach HB9PZK kann gut in einem Offsetreflektor eingesetzt werde. Das bietet die Möglichkeit, Transverter und Vorverstärker direkt hinter dem Feed zu platzieren, ohne dass der Strahlengang zusätzlich gestört wird.

S/X-Band Feed in einem 1m Offsetreflektor

Durch die kurzen Verbindungskabel und geringen Verluste können mit diesem Konzept die Systemeigenschaften optimiert werden.

Quellen

[1] Peter-Jürgen Gödecke – DJ7GP, Selbstbau einer Duoband-Antenne für 2.4 GHz und 10 GHz, FA 5/16 & FA 6/16

[2] Rastislav Galuscak – OM6AA, Pavel Hazdra, Milos Mazanek, A Simple S/X Dual-Band Coaxial Feed for Satellite Communication, DUBUS Technik XVI

Polarisation

Eine wichtige Kenngrösse einer elektromagnetischen Welle ist die Polarisation, welche die zeitliche und örtliche Orientierung des elektrischen Feldes beschreibt. Bewegt sich der Endpunkt des elektrischen Feldvektors zeitlich auf einer Geraden, handelt es sich um eine lineare Polarisation. Bezogen auf unsere unmittelbare Umgebung bezeichnet man eine parallel zur Erdoberfläche ausgerichtete Schwingungsebene als horizontale Polarisation  (rot in Abbildung 1) und eine vertikale ausgerichtete als vertikale Polarisation (grün). Für Antennen, die sich auf Flugzeugen oder Raumsonden befinden, können diese Definitionen nicht mehr angewendet werden. Die orthogonalen Polarisationen werden dann mit Eθ und Eφ bezeichnet.

Setzt sich eine elektromagnetische Welle aus zwei orthogonalen, phasenverschobenen Anteilen zusammen, spricht man von einer elliptisch polarisierten Welle. Ist die Phasenverschiebung 0°, resultiert aus der vektoriellen Addition der beiden Komponenten wieder eine lineare Polarisation. Sind die Amplituden der orthogonalen Komponenten gleich gross und ihr Phasenunterschied +90° oder -90°, geht die elliptische Polarisation in eine zirkulare Polarisation über. Je nach Vorzeichen des Phasenunterschieds spricht man dann von rechtsdrehender Polarisation oder von linksdrehender Polarisation (RHC – right hand circular, LHC – left hand circular). Man kann also alle möglichen Polarisationen als elliptische Polarisationen betrachten mit den beiden Spezialfällen Linear- und Zirkular-Polarisation.

Abbildung 1 zeigt eine Momentaufnahme einer rechtsdrehend polarisierten Welle, die sich in z-Richtung (schwarzer Pfeil) ausbreitet. Die Momentaufnahme der zirkular polarisierten Welle (blau) bildet in Ausbreitungsrichtung eine linksdrehende Schraubenlinie. Diese Schraubenlinie wird in Ausbreitungsrichtung durch eine fiktive Ebene geschoben. Verfolgt man das Ende des Summenvektors, bewegt es sich im Gegenuhrzeigersinn (rechtsdrehend) auf einem Kreis.

Polarization_1

Abbildung 1: Moment-Darstellung der räumlichen Orientierung des E-Vektors bei rechtsdrehender Zirkular-Polarisation

Die vielen Vektoren in der Skizze sind möglicherweise etwas verwirrend. Das File 3D-Pdf RHC kann heruntergeladen werden. Mit den Browser Plugins sieht man in der Regel nur eine leere weisse Fläche, da 3D-Pdfs nur mit einem aktuellen Acrobat-Reader dargestellt werden können. Am einfachsten speichert man das heruntergeladene Pdf-File ab und öffnet es anschliessend direkt mit dem Acrobat Reader. Die Skizze kann mit gedrückter linken Maustaste beliebig gedreht werden. Mit der rechten Maustaste kann eine Werkzeugliste eingeblendet werden. Legt man eine Schnittebene an eine geeignete Stelle auf der z-Achse, kann man gut erkennen, wie durch die vektorielle Addition des grünen, vertikalen Vektors und des roten, horizontalen Vektors der blaue Summen-Vektor gebildet wird.

vector_addition

Abbildung 2: Vektorielle Addition der orthogonalen, linear polarisierten Komponenten

Antennen, die linear polarisierte Wellen erzeugen, können zwei Grundarten zugeordnet werden. Bei einem Dipol ist das elektrische Feld entlang des Dipols ausgerichtet. Das Gegenstück zum Dipol ist die Schlitzantenne, bei der die Polarisationsebene quer zum Schlitz ausgerichtet ist. Hornantennen können auf Schlitzantennen zurückgeführt werden.

Zirkular polarisierte Antennen können in zwei Kategorien aufgeteilt werden. Antennen der ersten  Kategorie sind zirkular polarisiert aufgrund ihrer physikalischen Struktur. Zu dieser Kategorie zählen Spiral und Helix Antennen. Die Polarisationsrichtung (RHC oder LHC) wird durch den Drehsinn der Struktur bestimmt.

Antennen der zweiten Kategorie bestehen aus zwei orthogonalen Strahlern die in Phasen-Quadratur kombiniert werden. Ein Beispiel der zweiten Kategorie ist eine Kreuzdipolantenne kombiniert mit einem 90°-Hybrid. Antennen dieser Kategorie können links- und rechtsdrehende Polarisationen simultan erzeugen.

Zirkular polarisierte Antennen sind grundsätzlich komplexer, als linear polarisierte Antennen. Für eine hohe Polarisationsreinheit müssen die Amplitudenbalance und die Phasenverschiebung zwischen den beiden orthogonalen Komponenten sehr genau sein. Zu beachten ist auch die Tatsache, dass bei einer Reflexion einer zirkular polarisierten Welle in einer Reflektorantenne eine linksdrehende Polarisation rechtsdrehend wird oder umgekehrt. Zirkular polarisierte Übertragungen habe dafür den Vorteil, dass keine Polarisationsausrichtung notwendig ist.

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.

offset_1

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.

offsetgeometrie

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.

offset_theo1

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.

1m-offset_lin_rhc_lhc

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.

diel_rad

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.

pattern_diel_rad

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.

sx_feed

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.

pattern_sx

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.

sx_offset_0-8m

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).

pattern_sx_0-8m

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.