DE2854133A1

DE2854133A1 - Ebene antennengruppe

Info

Publication number: DE2854133A1
Application number: DE19782854133
Authority: DE
Inventors: Jun Thomas William Lawson; Jeffrey Thomas Nemit
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1977-12-19
Filing date: 1978-12-15
Publication date: 1979-06-21
Also published as: FR2412178A1; GB2010590A; GB2010590B; FR2412178B1; US4197541A

Description

Ebene Antennengruppe

Die Erfindung betrifft eine ebene Antennengruppe wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Solche Antennengruppen werden beispielsweise bei Radargeräten benötigt und ermöglichen eine gerichtete Abstrahlung bzw. einen gerichteten Empfang. Bei bestimmten Anwendungen ist es erwünscht, die Polarisationsebene der empfangenen oder abgestrahlten HF-Energie zu ändern, wobei eine elektronisch gesteuerte trägheitslose Änderung vorteilhaft ist.

Es sind verschiedene Arten von Radargeräten mit Antennen, bei denen die Polarisationsebene verändert werden kann, bekannt. Die Verwendung von Gittern und Linsen im Nahfeld sind allgemein bekannte Mittel zur Erzeugung einer Drehung oder Rotation einer Polarisationsebene. Mit solchen elektromechanischen Mitteln läßt sich jedoch nicht immer die gewünschte Beweglichkeit bei der Änderung der Polarisationsebene erzielen. Es sind daher zur nahezu trägheitslosen Änderung elektronische Steuereinrichtungen erwünscht. Da sie oft mit Einrichtungen zur Strahlschwenkung mittels Frequenz- oder Phasenänderung verbunden sind, ist es aus bekannten Gründen notwendig und wichtig, daß der Polarisationswechsel relativ schnell durchgeführt wird.

Verglichen mit den nach dem optischen Prinzip gespeisten Antennen bekannter Konzeption haben ebene Antennengruppen Vorteile durch einen höheren Gewinn und kleinere Nebenkeulen.

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Außerdem sind sie zur trägheitslosen Strahlschwenkung mittels Frequenz- oder Phasenänderung geeignet. Sie sind deshalb vorteilhaft bei Radargeräten einsetzbar.

Es ist bekannt, einzelne Dipole in ebenen Antennengruppen mit einer zentralen Speiseeinrichtung und Verzögerungseinrichtungen zur Vergrößerung der Strahlschwenkwinkel als Funktion des Frequenz- oder Phasenwechsels zu verwenden.

Ebene und phasengesteuerte Antennengruppen sind in "Radar Handbook" von Merill I.Skolnik, McGraw Hill-Verlag, New York 1970 im Kapitel 13 (insbesondere auf Seite 13.3) und im Kapitel 11 beschrieben.

Das allgemeine Prinzip, die Phase der Speiseenergie für eine erste Gruppe von· diskreten Dipolen, die jeweils lineare Antennenzeilen bilden, die Teil einer ebenen Antennengruppe

^5 sind, gegenüber der Phase der Speiseenergie für eine zweite Gruppe von diskreten Dipolen, die ebenfalls jeweils lineare Antennenzeilen bilden, die Teil der genannten ebenen Antennengruppe sind, wobei die Antennenzeilen ineinander verzahnt sind, zu ändern, um eine Änderung der Polarisation zu erhalten, ist bekannt. Es ist jedoch schwierig und manchmal sogar unmöglich, die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Dipolen zu überwachen. Geschlitzte Ilohlleiterantennenzeilen sind - obwohl sie bei Antennenzeilen, bei denen durch Frequenzoder Phasenänderung eine Strahlschwenkung durchgeführt wird, verwendet werden - nicht dafür geeignet, verwendet zu werden, wenn die Änderung oder Steuerung der Polarisationsebene nach dem Prinzip der differentiellen Phasenverschiebung erfolgen

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soll, und zwar deshalb, weil die elektrische Weglänge in einem Hohlleiter relativ lang ist, was zur Folge hat, daß die strahlenden Schlitze einen relativ großen Abstand voneinander haben. Wenn keine dielektrische Last vorgesehen ist, die die tatsächliche Weglänge vermindert, gibt dies Anlaß zu unerwünschten Keulen im Strahlungsdiagramm. In einer Ilohlleiteranordnung ist solch ein Hilfsmittel teuer und schwer.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Änderung der Polarisationsebene bei einer ebenen Antennengruppe anzugeben, die preiswert ist.

Von der neuen ebenen Antennengruppe kann die HF-Energie über eine schmale Keule abgestrahlt werden.

Die ebene Antennengruppe besteht erfindungsgemäß aus einer Vielzahl einzelner linearer und parallel angeordneter Antennenzeilen. Die linearen Antennenzeilen sind so in zwei Gruppen eingeteilt, daß jeweils die einander benachbarten Antennenzeilen zu unterschiedlichen Gruppen gehören. Die Speisung der beiden Gruppen erfolgt unabhängig voneinander.

Jede lineare Antennenzeile besteht aus einer Vielzahl von Schlitzen auf einer Seite einer koaxialen übertragungsleitung/ deren Außenleiter einen rechteckigen und dessen Innenleiter einen kreisförmigen Querschnitt hat. Die Schlitze sind um 45° gegen die Längsrichtung einer Antennenzeile geneigt. Die Schlitze in einer Antennenzeile sind jeweils parallel zueinander und um 90° gegenüber den Schlitzen der benachbarten Antennenzeile gedreht.

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Die linearen Antennenzeilen der einen Gruppe werden direkt und die der anderen Gruppe über einen steuerbaren Phasenschieber gesteuert. Durch den steuerbaren Phasenschieber wird die Polarisationsebene der ebenen Antennengruppe als Funktion der erzeugten Phasenverschiebung gesteuert. Durch eine Steuerung der relativen Amplitude der Speiseenergie für die beiden Gruppen kann eine elliptische Polarisation mit unterschiedlicher Elliptizität erzeugt werden.

Die Einrichtung arbeitet reziprok.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig.1 eine schematische Darstellung der ebenen Antennengruppe und der dazugehörigen Sende/Empfangseinrichtung;

Fig.2 wesentliche Bestandteile einer linearen Antennenzeile;

Fig.3-5 Querschnitte durch die Antennenzeile;

Fig.6 ein Blockschaltbild der Einrichtung, die zur Erzeugung einer elliptischen Polarisation verwendet wird.

In der Fig.1 ist eine ebene Antennengruppe 10 dargestellt, die sechs lineare Schlitzstrahler-Antennenzeilen 11, 12, 13, 14, 15 und 16 enthält. Die Auswahl von sechs Antennenzeilen in der Fig.1 hat mit der optimalen Anzahl von Antennenzeilen für die ebene Antennengruppe keine Bedeutung. Sie hängt unter anderem von der gewünschten Richtwirkung der ebenen Antennen-

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Jede der Antennenzeilen 11 bis 16 wird über eine entsprechende Speiseleitung 23, 24, 25, 26, 27 oder 28 gespeist. Diese Speiseleitungen können bekannte flexible Koaxialkabel sein, die für das gewünschte Frequenzband geeignet sind und die eine nominelle Impedanz von beispielsweise 50 Ohm haben.

Die erwähnten Speiseleitungen sind mit den ihnen zugeordneten Antennenzeilen über entsprechende Übergangsstücke 17, 18, 19, 20, 21 oder 22 wie in Fig.1 dargestellt verbunden. Ilit den einzelnen Antennenzeilen sind ähnliche Impedanz-Anpaßabschlüsse 11a, 12a, 13a, 14a, 15a und 16a verbunden. Somit ist jede der einzelnen Antennenzeilen 11-16 eine an einer Seite gespeiste übertragungsleitung mit mehreren Lecks, die an ihrem anderen Ende mit einem Widerstand abgeschlossen ist.

Bevor die Fig.1 weiter erläutert wird, werden zunächst anhand der Fig.2 bis 5 Einzelheiten der identischen linearen Antennenzeilen 11 bis 16 mit ihren übergangsteilen 17 bis 22 erläutert.

In der Fig.2 ist eine Koaxialleitung dargestellt, die die Basis der linearen Antennenzeile ist. Der Außenleiter 41 hat einen rechteckigen Querschnitt und der Innenleiter 43 hat einen kreisförmigen Querschnitt, der von einem spiralförmig angeordneten "Draht" 44 aus dielektrischem Material gestützt wird. Abgesehen davon, daß die dielektrische Spirale 44 den inneren Leiter 43 stützt und zentriert, wirkt sie auch noch als dielektrische Last für die homogene Leitung, um zu bewirken, daß der Abstand der Schlitzstrahler, z.B. 11b und 12b in Fig.1, relativ klein gehalten werden kann. Die Funktion einer dielektrischen Last in einer Übertragungsleitung, die

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effektive Weglänge hierin zu verändern, ist an sich bekannt. Dies hat einen Einfluß auf die Gesamtlänge der Leitung und den Abstand der Strahler hinsichtlich der Anforderung an das Strahlungsdiagramm.

Eine dielektrische Manschette 45 umgibt den inneren Leiter und ist in Kontakt mit ihm. Sie berührt die innere Wand des rechteckigen Außenleiters 41 nicht. Diese Manschette stellt einen Impedanzanpaßteil dar, dessen axiale Länge und äußerer Durchmesser von den jeweiligen Anforderungen abhängen.

Seine axiale Länge ist allgemein so gewählt, daß seine elektrische Länge im wesentlichen eine viertel Wellenlänge ist in der koaxialen übertragungsleitung, von der 41 der rechteckige Außenleiter ist. Der Durchmesser 52 des dielektrischen Anpaßteils 45 hängt mit der Impedanz zusammen wie die dielektrische Konstante des Materials, aus dem es gefertigt ist. Die Speiseleitungen (23 bis 28) sind, wie bereits erwähnt, Standardkabel mit 50 Ohm, während die charakteristische Impedanz der durch 41 und 43 dargestellten Koaxialleitung in der Größenordnung 57 Ohm und höher liegt.

Dementsprechend muß die dielektrische Impedanzanpaßmanschette auf bekannte Weise so bemessen werden, daß sie selbst eine charakteristische Impedanz hat, die das geometrische Mittel der Eingangsimpedanz von 50 Ohm und der nominellen Impedanz der rechteckigen Koaxialleitung, die in der Größenordnung von 57 0hm liegt, ist.

Fig.4 zeigt zum besseren Verständnis einen Querschnitt der dielektrischen Manschette 45.

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Der in der Fig.5 dargestellte Querschnitt ist typisch für die rechteckige Koaxialleitung von der dielektrischen Manschette 45 zu dem Abschluß und somit für jede der linearen Antennenzeilen nach Fig.1.

Typische Materialien für das Dielektrikum sind dem Fachmann allgemein bekannt; z.B. Polytetrafluoräthylen (allgemein bekannt unter der Bezeichnung Teflon).

Die Abschlüsse 11a bis 16a enthalten aus bekannten Gründen, insbesondere zur Vermeidung von Rückreflexionen in die Leitung, Widerstände. Sie sind entsprechend der bekannten Lehre für den Abschluß von Koaxialleitungen konstruiert.

Die Beschreibung wird anhand der Fig.2 weitergeführt. Das speiseseitige Ende des Außenleiters 41 besteht aus einem pyramidenförmigen Teil 42 und der Innenleiter 43 besteht aus einem konischen Teil 49, um einen übergang zwischen den 50 Ohm-Standardleitungen und der rechteckigen Koaxialleitung zu ermöglichen.

In der Fig.3 ist ein Querschnitt durch den pyramidenförmigen Teil 42 mit Blick auf das speiseseitige Ende des Koaxialleitungsverbindungsstückes dargestellt. Der spitz zulaufende Innenleiter 49 ist so dargestellt, als ob er ein hohles rohrförmiges Teil wäre, was er vorzugsweise auch ist. Der Leiter 43 kann auch ein voller Draht oder eine volle Stange sein, die sich bis in 49 erstreckt. In der Fig.3 läuft das Teil 49 nach 47 hin spitz zu und paßt in das kleine Ende des hohlen pyramidenförmigen Teils 42. Das innere Verbindungsstück des Koaxialleitungsverbinders 46 und 47 paßt in das kleine Ende von 49 wie angegeben.

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Ein leitender Stift 48 kann in eine mit einem Gewinde versehene Buchse in der Wand von 42 an der angegebenen Stelle eingeschraubt sein und er kann selbst ein mit einem Gewinde versehenes Teil sein, so daß seine Position hinsichtlich der Verbindung 53 justiert werden kann. Wegen der nicht perfekten Geometrie bei der Verbindung 53 (d.h. die Anpassung des im Querschnitt rechteckigen Teils 42 an seinem kleinen Ende an ein im wesentlichen kreisförmiges Eingriffsstück 46) können kapazitive Effekte auftreten, die mittels des induktiven Stiftes 48 kompensiert werden. Die Funktion hiervon ist dem Fachmann bekannt.

Anhand der Fig.1 wurde eine typische lineare Antennenzeile, z.B. die Antennenzeile 11 mit ihrem Übergangsstück 17 beschrieben. Die Speiseleitungen 23, 25 und 27 haben vorzugsweise gleiche Längen, so daß die zugehörigen Antennenzeilen gleichphasig gespeist werden. Dasselbe gilt für die Speiseleitungen 24, 26 und 28.

Die eine Hälfte der 50 Ohm-Koaxialleitungen (im angegebenen Beispiel also drei) wird über eine Verteiler- und Impedanzanpaßschaltung 29 und die andere Hälfte wird über eine Verteilerund Impedanzanpaßschaltung 50 gespeist. Diese Blöcke 29 und 50 sind Leistungsteiler oder -verteiler, in denen eine mögliche Fehlanpassung berücksichtigt wird, die durch die Auslegung und die Impedanzen der Leitungen 30 und 34 entstehen könnte.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1 sind ein bekannter Impuls-Radarsender 38 und -Empfänger 37 vorgesehen, die mit einem Duplexer 36 verbunden sind. Der Empfänger 37 hat einen Ausgang 39. Der Duplexer ist über eine Leitung 35

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mit Leitungen 33 bzw. 34 verbunden, die mit einem steuerbaren Phasenschieber 31 bzw. mit der Schaltung 50 verbunden sind. Die Verteiler- und Anpaßschaltung 50 ist mit den Leitungen 24, 26 und 28 verbunden. Der steuerbare Phasenschieber 31 ist über eine Leitung 30 mit der Verteiler- und Anpaßschaltung 29 verbunden. Der steuerbare Phasenschieber kann ein bekannter analoger oder digitaler HF- oder Mikrowellenphasenschieber sein. Es kann auch der sogenannte Reggia-Spencer-Phasenschieber verwendet werden. Weiterhin können digitale stufenweise schaltbare Phasenschieber mit PIN-Dioden und Streifenleitern verwendet werden. Diese beiden Phasenschiebertypen ermöglichen einen relativ schnellen Phasenwechsel abhängig vom Steuersignal auf einer Leitung Die Reaktion des gesamten Systems auf einen Phasenwechsel hinsichtlich des Polarisationswinkels für die ebene Antennengruppe 10 ist sehr schnell und voll vergleichbar mit den Geschwindigkeiten, die man bei trägheitslosen Strahlschwenksystemen erzielt.

In der Fig.6 ist ein Ausschnitt der Fig.1 dargestellt.

Dem steuerbaren Phasenschieber 31 ist in der Leitung 33 ein steuerbares Dämpfungsglied 40 vorgeschaltet. Damit erzielt man eine fest gewählte oder eine steuerbare Dämpfung, wodurch man für die Antennengruppe eine elliptische Polarisation erhält. Die Elliptizität hängt vom Verhältnis der Amplituden der Speisesignale für die Gruppen ab, das durch das steuerbare Dämpfungsglied 40 eingestellt werden kann.

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Ebene Antennengruppen werden häufig bei Strahlschwenksystemen verwendet. In die SpeiaäLeitungen 23 bis 28 zwischen der Antennengruppe und den Anpaßschaltungen 29, 50 kann eine programmierbare Phasenschieberanordnung eingefügt werden. Diese kann so programmiert werden, daß in einer Ebene der ebenen Antennengruppe 10 eine elektronische Strahlschwenkung durchgeführt wird. Die ebene Antennengruppe kann auch mechanische Nickschwingungen oder kontinuierliche Rotationen, zumindest in einer Ebene, durchführen. Es sind auch noch weitere Anwendungen dieser ebenen Antennengruppe, bei der die Polarisation verändert werden kann, möglich. Diese werden jedoch hier nicht weiter erörtert.

Es wird nochmals erwähnt, daß die Schlitzstrahler in den Antennenzeilen gegen die Axialrichtungen der linearen Antennenzeilen um 45 geneigt sind und daß die Schlitzstrahler benachbarter Antennenzeilen zueinander orthogonal sind. Die Neigung eines Strahlers, z.B. 11b ist -45 und die eines anderen, der zu einer benachbarten linearen Antennenzeile gehört, z.B. 12b, ist +45° oder umgekehrt.

Durch die Verwendung von Schlitzstrahlern in der Stirnseite des äußeren rechteckigen koaxialen Leiters entsprechend der Erfindung wird die Wechselwirkung zwischen den Antennenzeilen, die bei mechanischen Dipol-Strahlern vorhanden ist, sehr stark verringert. Es ist im wesentlichen kein "Herumgreifen" der Schlitze vorhanden, wie es bei einigen Schlitzstrahlern der Fall ist. Dort ist die Tiefe der Schlitze so gewählt, daß der Schlitz von der Hauptfläche in die beiden zu ihr senkrechten Flächen hineinragt. Bei Koaxialleitungen, bei denen der äußere Leiter 41 in der Aperturebene der Antennengruppe

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keine ebene Fläche aufweist, tritt eine V7echselwirkung auf, die bei der Polarisationssteuerung unerwünscht ist. Die Innen- und die Außenleiter der Ubertragungsleitungen der linearen Antennenzeilen 11 bis 16 bestehen aus leitenden Metallen oder aus für solche Anwendungszwecke allgemein bekannten Metallegierungen.

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Claims

Patentanwalt Dipl.-Phys.Leo Thul αΛγ 4t* Kurze Str.8 2854133 7 Stuttgart 30 J.T.Nemit 10-1 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Patentansprüche

1./Ebene Antennengruppe, die aus mehreren parallelen Schlitzstrahlerantennenzeilen besteht/ und die mit einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzstrahlerantennenzeilen (11 bis 16) so in zwei Gruppen eingeteilt sind, daß einander benachbarte Schlitzstrahlerantennenzeilen zu unterschiedlichen Gruppen gehören, daß die Schlitze (11b, 12b) in den Schlitzstrahlerantennenzeilen um 45° gegen die Längsrichtungen der Schlitzstrahlerantennenzeilen geneigt sind, daß die Schlitze von einander benachbarten Schlitzstrahlerantennenzeilen einen Winkel von 90° miteinander bilden und daß jede der beiden Gruppen über eine Verteiler- und Anpaßschaltung (29, 50) mit der Sende- und/oder Empfangseinrichtung (37, 38) verbunden ist.

2. Ebene Antennengruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzstrahlerantennenzeilen jeweils aus einer Koaxialleitung mit einem Innenleiter (43) und einem im Querschnitt rechteckigen Außenleiter (41) besteht, wobei sich die Schlitze in den Wänden der Außenleiter befinden.

Sm/Sch
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ORIGINAL INSPECTED

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3. Ebene Antennengruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen die Verteiler- und Anpaßschaltung (29) für die eine Gruppe und der Sende- und/oder Empfangseinrichtung (37, 38) ein Phasenschieber (31) eingefügt ist, durch den die Polarisation der ebenen Antennengruppe beeinflußt wird.

4. Ebene Antennengruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (31) ein steuerbarer Phasenschieber ist, so daß durch ein Steuersignal für den Phasenschieber die Polarisation verändert werden kann.

5. Ebene Antennengruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Amplitudensteuereinrichtung (Fig.6) vorgesehen ist, die die Amplitude der Speisesignale so steuert, daß sie für die beiden Gruppen unterschiedlich ist, so daß eine elliptische Polarisation entsteht.

6. Ebene Antennengruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (43) einen kreisförmigen Querschnitt hat und daß dielektrische Einrichtungen (44) vorgesehen sind, durch die der Innenleiter innerhalb des hohlen Außenleiters zentriert und isoliert wird.

7. Ebene Antennengruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Einrichtung (44) spiralförmig um den Innenleiter (43),gewunden ist, wobei der Abstand der einzelnen Windungen voneinander ein Vielfaches des Durchmessers einer Windung ist,und die Windungen tangential alle vier Seiten des äußeren Hohlleiters berühren.

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8. Ebene Antennengruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Impedanz der Speiseleitungen kleiner als die der Antennenzeilen ist und daß zur Anpassung in jeder der Antennenzeilen ein Anpaßteil (45) vorgesehen ist.

9. Ebene Antennengruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anpaßteil (45) aus einer um den Innenleiter (43) herum angeordneten dielektrischen Manschette besteht, daß sich diese Manschette in axialer Richtung bis zu einer effektiven elektrischen Länge einer viertel Wellenlänge der Betriebsfrequenz erstreckt, daß die Parameter der Anpaßteile so gewählt sind, daß eine effektive Impedanz entsteht, die das geometrische Mittel der charakteristischen Impedanz einer übertragungsleitung und der restlichen axialen Länge einer Antennenzeile ist.

10. Ebene Antennengruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitungen (23 bis 28) bekannte Koaxialkabel mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt sind, wobei die Abmessungen von Innen- und Außenleiter kleiner als diejenigen der Antennenzeilen sind,und daß jede Antennenzeile zur Anpassung an die unterschiedlichen Abmessungen einen übergangsteil (17 bis 22) besitzt.

11. Ebene Antennengruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der durch die Übergangsgeometrie verursachten kapazitiven Effekte in der Nähe des speiseseitigen Endes des Übergangsteils ein leitender Stift (48) vorgesehen ist, der eine Induktivität bildet.

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