DE10012790C2

DE10012790C2 - Vorrichtung zum richtungsselektiven Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen

Info

Publication number: DE10012790C2
Application number: DE2000112790
Authority: DE
Inventors: Gerald Staats
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: DE10012790A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum richtungsselektiven Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 196 36 084 A1 ist eine phasengesteuerte Antenne bekannt, bestehend aus einer vorgebbaren Anzahl von zeilen- und/oder matrixförmig angeordneten Sende- /Empfangsstrahlerelementen, an die zugehörigen Sende-/Empfangsmodule angeschlossen sind. Die Sende-/Empfangsstrahlerelemente bestehen zeilenweise aus einem metallischen Hohlleiter mit einem rechteckförmigen Querschnitt. Das Problem bei derartigen Antennen besteht darin, dass zur Ansteuerung der einzelnen Sende-/Empfangsstrahlerelemente, zur Erzeugung einer Neigung der Keule, eine umfangreiche Steuerelektronik notwendig ist. Ein Schwenken der Keule um die Azimutachse ist bei derartigen Antennen nur mechanisch möglich.

Abhilfe für das Schwenken der Keule um die Azimutachse schafft die sogenannte bikonische Antenne, die als solche seit langem aus Kühn, R.: Mikrowellenantennen, Verlag Technik Berlin, 1964 bekannt ist. Dieses trifft auch auf die unterschiedlichen Arten der Speisung zu. Beispiele für die Speisung sind z. B. die koaxiale Speisung, bei der der Außenleiter des speisenden Koaxialkabels mit dem unteren Kegel und der Innenleiter mit dem oberen Kegel verbunden ist oder die Speisung im Hohleitermode TE01 (vertikale Polarisation der abgestrahlten Welle), angeregt durch einen Koppelstift.

Bei dieser Art der Speisung kann durch die Verwendung einer Koppelschleife auch der TM01- Mode (horizontale Polarisation der abgestrahlten Welle) angeregt werden. Alle bisherigen Ausführungen der bikonischen Antenne weisen in der horizontalen Ebene ein omnidirektionales Richtdiagramm auf und bündeln stark in der vertikalen Ebene. In vertikaler Richtung ist durch die Veränderung der Kegelgeometrie eine mechanische Einstellung des Tilts (Richtung des Strahlungsmaximums in vertikaler Richtung) möglich.

Aus der DE 196 52 595 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur richtungsselektiven Abstrahlung elektromagnetischer Wellen bekannt. Als Antenne dient eine einfach-konische oder bi-konische Antenne. Die bi-konische Antenne wird durch zwei Kegel gebildet, die mit ihren Spitzen einander zugewandt sind. Die Spitze des oberen Kegels ist zu einem Innenleiter und die verbreiterte Spitze des unteren Kegels zu einem Außenleiter eines gemeinsamen koaxialen Wellenleiters ausgeformt. Zur Einkopplung elektromagnetischer Felder in den koaxialen Wellenleiter sind an dessen Außenleiter radialaußenseitig Anschlußbuchsen verteilt, mittel derer auf einer Leiterplatte angeordnete Kopplungselemente kontaktiert sind und eine elektromagnetische Welle im koaxialen Wellenleiter induziert wird. Verschiedene Schwingungszustände im koaxialen Wellenleiter führen zu entsprechenden Schwingungsmoden in der elektrisch mit dieser verbundenen bi-konischen Antenne.

Nachteilig ist, dass verschiedene Schwingungsmoden nur in der Koaxialleitung erzeugt werden können. Die Anordnung ist mechanisch nicht sonderlich stabil.

Aus der US 5.134.420 ist eine bikonische Antenne mit hemisphärischen bzw. omnidirektionalen Beam bekannt. Als Antenne dient eine einfach-konische oder bi-konische Antenne. Die bi konische Antenne wird durch zwei Kegelstümpfe gebildet, die mit ihren abgeflachten Seiten einander zugewandt sind und von einem Rundhohlleiter durchdrungen werden. Der Rundhohlleiter weist im Bereich zwischen den beiden abgeflachten Enden der Kegelstümpfe vertikale Schlitze auf, die dazu dienen, einen Teil der Speiseleistung auskoppeln und horizontal polarisiert abzustrahlen, nachdem diese einen unterhalb des ersten Kegels der bikonischen Antenne angeordneten, dielektrischen Polarisator passiert hat. Das obere Ende des Rundhohlleiters durchdringt die abgeflachte Seite des oberen Kegelstumpfes, endet dort mit offener Apertur und bildet mit der Innenseite des oberen Kegels einen Hornstrahler, der eine zirkular polarisierte Welle abstrahlt. Das Richtdiagramm dieser Antenne ist elektronisch nicht steuerbar, die Antenne weist keinen großen Gewinn auf, ist omnidirektional bzw. hemisphärisch und die beiden Polarisationen sind nicht unabhängig voneinander.

Aus der DE 32 37 136 A1 ist eine Antenne mit elektronisch schwenkbarem Richtdiagramm bekannt. Als Antenne dient eine zirkulare Parallel-Platten-Anordnung mit zentraler Einspeisung. Senkrecht zwischen den Platten befindet sich eine Vielzahl, als Kurzschlüsse zwischen die Platten schaltbaren Metallstäben, die ein oder mehrere Reflektorgitter nachbilden können. Am Rande der Parallel-Platten-Anordnung befinden sich zwei Kegelstümpfe, die einander mit ihren abgeflachten Seiten zugewandt sind. Diese Antenne ist nur für die vertikale Polarisationsebene geeignet, da die schaltbaren Metallstäbe als Reflektorgitter polarisationssensitiv sind, d. h. das schaltbare Reflektorgitter ist nur für die vertikale Polarisation wirksam. Eine horizontal polarisierte Welle wird nicht beeinflußt und kann demzufolge auch nicht gesteuert und abgestrahlt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der zur Schwenkung des Strahlungsdiagramms nur wenig elektronische Mittel eingesetzt werden müssen, die in einfacher Weise ansteuerbar sind. Die Vorrichtung soll in ihrer Ausführung sehr stabil sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß die Erregerbaugruppe aus einer oberen und einer unteren Platte gebildet wird, im Zentrum der Erregerbaugruppe wenigstens ein Erregerelement vorgesehen ist, die Platten durch eine am Rand verlaufende Schlitzblende beabstandet sind, die Schlitzblende horizontal und/oder vertikal verlaufende Schlitze aufweist, die durch Bauelemente in ihrem Strahlungsverhalten steuerbar sind, wobei durch die Ansteuerung der Bauelemente eine elektronische Strahlschwenkung erfolgt.

Die Vorrichtung läßt sich mit einer einfach-konischen oder bikonischen Antenne realisieren. Bei Verwendung einer bi-konischen Antenne sind die zur Grundfläche parallelen Ebene einander zugewandt, und die parallelen Ebenen der beiden Kegelstümpfe durch zumindest eine Erregerbaugruppe beabstandet.

Das Erregerelement im Zentrum der Erregerbaugruppe wird durch einen Koppelstift oder durch eine Koppelschleife gebildet. Es ist auch möglich Koppelstift und Koppelschleife gemeinsam vorzusehen. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz eines Hohlleiters als Erregerelement, der im Zentrum der Erregerbaugruppe endet. Hierbei kommen als Anregungsmoden solche Moden in Betracht, die zur Hohleiterachse rotationssymetrische Feldverläufe aufweisen, d. h. z. B. TE01- und TM01-Mode, und als orthogonale Moden voneinander entkoppelt sind.

Vorteilhaft wird die am Rand der Platten verlaufende metallische Schlitzblende durch h-förmige Elemente gebildet, die so zueinander angeordnet und beabstandet sind, dass sich aus den Einschnitten und dem Abstand zweier Elemente jeweils ein Kreuzschlitz bildet.

Für einfachere Ausführungen können auch nur vertikal oder horizontal verlaufende Schlitze ausreichend sein.

Diese horizontal und/oder vertikal verlaufenden Schlitze in der Schlitzblende sind durch Bauelemente in ihrem Strahlungsverhalten beeinflußbar.

Weiterhin läßt sich die Vorrichtung bezüglich der Ausbildung der Kegelstümpfe, also der Horngeometrie, variieren. Das kann bezüglich des Öffnungswinkels, einer Profilierung oder durch Betreiben der Kegelstümpfe als dielektrisch belastetes Horn erfolgen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass bei minimalen Aufwand die Richtcharakteristik der Antenne elektronisch (trägheitslos) 360° in der horizontalen Ebene mittels einer Ansteuerung der Bauelemente schwenkbar ist, wobei die elektronische Strahlschwenkung ohne Phasenschieber realisiert wird. Die Antenne ist multibeamfähig; beide Polarisationsebenen können voneinander entkoppelt und unabhängig verwendet werden (auch bei verschiedenen Strahlen).

Durch einen Phasenunterschied von 90° in der Anregung zwischen beiden Polarisationsebenen kann darüber hinaus auch die Erzeugung von zirkularer Polarisation ermöglicht werden. In der vertikalen Ebene weist die Antenne eine große Direktivität (kleiner Öffnungswinkel) bei gut unterdrückten Nebenkeulen auf. Es besteht die Möglichkeit durch die Anordnung mehrerer Erregerbaugruppen übereinander, mit einem größeren Ansteueraufwand, auch einen elektronisch einstellbaren Tilt zu realisieren. Desweiteren ist die Antenne reziprok, d. h. für Sende- und Empfangsfall gleichermaßen geeignet. Hierfür von besonderer Bedeutung ist die Verlustarmut etwaiger Bauelemente.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäßen Vorrichtung mit bi-konischer Antenne in Explosivdarstellung

Fig. 2 eine erste Ausführung eines Erregerteils

Fig. 3 eine zweite Ausführung eines Erregerteils

Fig. 4 eine dritte Ausführung eines Erregerteils

In der Fig. 1 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer bi-konischen Antenne in Explosivdarstellung gezeigt. Die Vorrichrung besteht aus den beiden Kegelstümpfen 1 und 5, die mit ihren zur Grundfläche parallelen Ebenen einander zugewandt sind. Zwischen diesen parallelen Ebenen befindet sich eine Erregerbaugruppe 3, die mit den Kegelstümpfen 1, 5 durch Platten 2 und 4 aus Blech elektrisch leitend verbunden ist. Die Platten 2, 4 bilden mit der Erregerbaugruppe 3 eine Radial-Platten-Leitung. Alle Teile sind metallisch und bilden eine stabile Konstruktion.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Erregerbaugruppe 3 in Explosivdarstellung, bei der auf die Darstellung der Kegelstümpfe verzichtet wurde. Die obere Begrenzung bildet eine scheibenförmige Platte 2. Zur unteren Begrenzung ist die Platte 4 mit gleicher Abmessung vorgesehen. Die beiden Platten 2, 4 sind durch eine metallische Schlitzblende 11 an deren Rand beabstandet. Die metallische Schlitzblende 11 wird aus gleichmäßig am Umfang der Platten 2, 4 verteilten h-förmigen Elementen 12 gebildet, wobei die h-förmigen Elemente 12 mit ihren Seitenkanten auf den Platten 2, 4 stehen. Zwei benachbarte Elemente 12 bilden mit ihren Einschnitten einen horizontalen und dem Abstand einen vertikalen Schlitz in Form eines Kreuzschlitzes. Zur Ansteuerung der horizontalen Schlitze ist an jeweils einem Einschnitt eines jeden Elementes 12 ein Bauelement 8 zur Erzeugung hochohmiger oder niederohmiger Zustände vorgesehen. Zur Ansteuerung der vertikalen Schlitze sind Bauelemente 9 zwischen jeweils benachbarten Elementen 12 vorgesehen. Zu den Bauelementen 8, 9 führen Leitungen 10. Im Zentrum der kreisrunden Anordnung ist ein Koppelstift 7 vorgesehen, der die untere Platte 4 durchstößt. Der Koppelstift ist von einer Koppelschleife 6 umgeben.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Erregerbaugruppe 3 in Explosivdarstellung, bei der auf die Darstellung der Kegelstümpfe verzichtet wurde. Zwei kreisrunde Platten 2, 4 sind hier ebenfalls durch h-förmige Elemente 12 beabstandet, wobei die Elemente 12 ohne Abstand aneinandergereiht sind. Somit ergeben sich bei dieser Ausführung nur horizontale Schlitze, die durch Bauelemente 8 ansteuerbar sind. Zu den Bauelementen 8 führen Leitungen 10. Im Zentrum der kreisrunden Anordnung ist ein Koppelstift 7, die untere Platte 4 durchstoßend angeordnet.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsvariante einer Erregerbaugruppe 3 in Explosivdarstellung, bei der auf die Darstellung der Kegelstümpfe verzichtet wurde. Zur Beabstandung der Platten 2, 4 sind rechteckige Elemente 12 vorgesehen. Es ergeben sich aus einem Abstand zwischen den Elementen 12 vertikale Schlitze, die durch Bauelemente 9 ansteuerbar sind. Im Zentrum der kreisrunden Anordnung ist eine Koppelschleife 6 vorgesehen.

Von einer zentralen Anregung (Koppelstift 7 oder -schleife 6, Primärstrahler) ausgehend, wird die bikonische Ausführung der Vorrichtung durch eine (auch mehrere) Radial-Platten-Leitung (gebildet aus den Platten 2 und 4) gespeist. Der äußere Rand der Radial-Platten-Leitung ist auf dem gesamten Umfang dieser Erregerbaugruppe 3 durch eine metallische Schlitzblende 11 verschlossen. In diese Schlitzblende 11 sind entsprechend den Ausführungsvarianten horizontale, vertikale oder gekreuzte Schlitze (Sekundärstrahler) eingebracht. Diese Schlitze sind resonant auf der Arbeitsfrequenz der Antenne und werden in ihrem Strahlungsverhalten durch im Feldstärkemaximum oder in dessen Nähe angeordnete, elektronische Bauelemente 8, 9 beeinflußt. Grundlage hierfür ist das grundsätzlich andere Strahlungsverhalten einer bei leitfähigem Bauelement 8, 9 aus dem halbierten Schlitz gebildeten Apertur im Vergleich zu dem Verhalten des resonanten Schlitzes bei gesperrten Bauelement 8, 9. Die Bauelemente 8, 9 können durch Leitungen 10 elektronisch oder vorzugsweise optisch über Lichtwellenleiter (analog oder digital) angesteuert werden. Horizontale Direktivität und Nebenkeulen-Unterdrückung können also durch die Anzahl der strahlenden Schlitze und damit durch die Ansteuerung der Bauelemente 8, 9 in weiten Grenzen variiert werden.

Nach der Formung des horizontalen Richtdiagramms erfolgt nun die des vertikalen Richtdiagramms. Vertikale Direktivität, Nebenkeulen und Tilt werden maßgeblich durch die mechanische Ausführung der beiden Kegelstümpfe 1 und 5 bestimmt. Tilt und Nebenkeulen können auch elektronisch beeinflußt werden, wenn zur Speisung statt einer zwei (oder mehrere) Erregerbaugruppen 3 verwendet werden. Die prinzipbedingte, massive, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen unterem und oberen Kegelstumpf 5, 1 durch die Schlitzblende und die Abschirmung der Primärstrahler durch dieselbe führen zu einem hervorragenden Blitzschutz der Antenne und zu einer mechanisch äußerst stabilen Konstruktion.

Die Strahlschwenkung erfolgt durch einfache Ansteuerung der Bauelemente 8, 9 mit analogen, oder vorzugsweise, digitalen Ansteuersignalen. Öffnungswinkel und Direktivität einer oder mehrerer Hauptkeulen werden bestimmt durch die Anzahl der offenen, also strahlenden Schlitze. Eine Beeinflussung der Nebenkeulen ist durch einen analoge Ansteuerung der aktiven Bauelemente 8, 9 und/oder durch eine nicht äquidistante Anordnung der offenen Schlitze, ebenfalls durch die Ansteuerung erreicht, möglich.

Der oder die so realisierten Sektoren strahlender Schlitze können auf dem gesamtem Umfang der Schlitzblende 11 trägheitslos elektronisch in durch
ϕ = 360°/n (n-Anzahl der Schlitze auf 360° in horizontaler Richtung)
definierten Schritten beliebig verschoben werden, so daß in Azimutrichtung 360° Schwenkwinkel der Hauptkeule in n-Schritten erreicht werden.

Unabhängig davon kann bei Verwendung von zwei oder mehreren Erregerbaugruppen 3 der Tilt (Elevation) elektronisch auf konventionelle Art und Weise durch die Phasenlage zwischen den Ansteuersignalen unterschiedlicher Erregerbaugruppen 3 eingestellt werden, falls ein elektronisch veränderbarer Tilt erforderlich sein sollte.

Bezugszeichenliste

1

Kegelstumpf

2

Platte

3

Erregerbaugruppe

4

Platte

5

Kegelstumpf

6

Koppelschleife

7

Koppelstift

8

Bauelement

9

Bauelement

10

Leitung

11

Schlitzblende

12

Element

Claims

1. Vorrichtung zum richtungsselektiven Senden oder Empfangen elektromagnetischer Wellen, bestehend aus einer einfach-konischen oder bi-konischen Antenne, mit ein oder zwei Kegelstümpfen (1; 5), und zumindest einer Erregerbaugruppe (3) an der zur Grundfläche parallelen Ebene eines Kegelstumpfes (1; 5), wobei alle Einzelteile (1, 3, 5,) aus elektrisch leitfähigem Material bestehen und elektrisch leitfähig verbunden sind, und wenigstens ein elektrisch isoliertes Erregerelement (6; 7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erregerbaugruppe (3) aus einer oberen und einer unteren Platte (2, 4) gebildet wird,
im Zentrum der Erregerbaugruppe (3) wenigstens ein Erregerelement (6; 7) vorgesehen ist,
die Platten (2, 4) durch eine am Rand verlaufende Schlitzblende (11) beabstandet sind,
die Schlitzblende (11) horizontal und/oder vertikal verlaufende Schlitze aufweist, die durch elektronische Bauelemente (8, 9) zur Erzeugung hochohmiger oder niederohmiger Zustände in ihrem Strahlungsverhalten steuerbar sind,
wobei durch die Ansteuerung der Bauelemente (8, 9) eine elektronische Strahlschwenkung erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer bi-konischen Antenne die zur Grundfläche parallelen Ebenen einander zugewandt sind, und die parallelen Ebenen der beiden Kegelstümpfe (1, 5) durch die zumindest eine Erregerbaugruppe (3) beabstandet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerelement (6; 7) durch einen Koppelstift (7) und/oder eine Koppelschleife (6) gebildet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerelement (6; 7) durch einen Hohlleiter gebildet wird, der im Zentrum der Erregerbaugruppe (3) endet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die am Rand der Platten (2, 4) verlaufende metallische Schlitzblende durch h-förmige Elemente (12) gebildet wird, die so zueinander angeordnet und beabstandet sind, dass sich aus den Einschnitten und dem Abstand zweier Elemente (12) ein Kreuzschlitz bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die am Rand der Platten (2, 4) verlaufende metallische Schlitzblende (11) durch h-förmige Elemente (12) gebildet wird, die so aneinandergereiht sind, dass sich horizontale Schlitze ergeben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die am Rand der Platten (2, 4) verlaufende metallische Schlitzblende durch rechteckige Elemente (12) gebildet wird, die so angeordnet sind, dass sich vertikale Schlitze ergeben.

8. Vorrichtung nach Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelstümpfe (1, 5) als dielektrisch belastetes Horn betrieben werden.

9. Vorrichtung nach Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelstümpfe (1, 5) profiliert sind.