DE1541463C3 - Antenne mit elektrischer Diagrammschwenkung, bestehend aus mehreren Einzelstrahlern - Google Patents

Description

.!sin α,

folgt, worin A die Wellenlänge und «_x die Hälfte des maximalen Schwenkwinkels bedeutet, und daß jeder Einzelstrahler (1 bis n) eine Aperturbelegung besitzt, die zumindest innerhalb eines Bereiches von a(K — 1) bis a(K + 1) hinreichend genau durch die Formel

τ-

angenähert wird, worin K die Ordnungszahl des Einzelstrahlers, X den Wert der Koordinate längs der Geraden OX und A den Betrag des sich aus der Anwendung des Shannonschen Abtasttheoremes ergebenden Abtastwertes der Aperturbelegung der Antenne bedeuten, und daß die Einzelstrahler (1 bis r.) Vielfach-Wellentyp-Hohlleiterstrahler mit einer Trennwand (13 bis η 3) in der Strahlerachse sind und in dieser durch einen Speisehohlleiter (11 bis nl) gespeist sind.

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Die Erfindung betrifft eine Antenne mit elektrischer Diagrammschwenkung zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen in einem bestimmten, symmetrisch um die Antennenhauptachse liegenden Winkelbereich, bestehend aus mehreren, längs einer Geraden OX gleich ausgerichteten Einzelstrahlern, in deren Speiseleitungen Phasenschieber liegen.

Eine derartige Antenne ist bekannt. Die Einzelstrahler können dabei im übrigen auch längs mehrerer paralleler Geraden angeordnet werden, so daß sie ein Strahlerfeld bilden. Mit einer solchen Antenne lassen sich unterschiedliche Richtdiagramme erreichen, die eine vorgegebene geometrische Gestalt haben. Beispielsweise können ebene Wellen, die sich in einer vorgeschriebenen Richtung ausbreiten oder kugelförmige Wellen, die auf einen bestimmten Brennpunkt gerichtet sind, abgestrahlt werden.

Hierzu müssen bekanntlich die Phasenschieber in den Speiseleitungen der Einzelstrahler derart eingestellt werden, daß die Phasenverschiebung der elektromagnetischen Energie von einem Ende der Antenne bis zum anderen Ende etwa derjenigen einer einzigen kontinuierlichen Welle der vorgegebenen Form entspricht. Bei gleicher Einstellung aller Phasenschieber strahlt die Antenne somit beispielsweise eine ebene Welle in Richtung der Antennenhauptachse ab. Durch geeignete unterschiedliche Einstellung der einzelnen Phasenschieber kann aber auch erreicht werden, daß die Antenne eine Kugelwelle in eine ebene Welle umwandelt und umgekehrt.

Auf Grund dieser vorteilhaften Eigenschaften werden Antennen dieser Gattung vielfach in Radar- und Fernmeldesystemen verwendet. Dabei müssen jedoch derzeit auch gewisse, nicht unerhebliche Mangel in Kauf genommen werden. So ist es bei der elektrischen Diagrammschwenkung nicht möglich, unter Beibehaltung eines zur Vermeidung unechter Kopplungen ausreichend großen Abstandes zwischen den Einzelstrahlern gleichzeitig große Schwenkwinkel und kleine Nebenkeulen zu erzielen. Vielmehr können die Nebenkeulen bisher nur dann klein gehalten werden, wenn entweder der gegenseitige Abstand der Einzelstrahler vermindert wird, wobei jedoch verhältnismäßig hohe Verkopplungen in Kauf zu nehmen sind, oder der Schwenkwinkel begrenzt wird. In aller Regel muß also ein unbefriedigender Kompromiß zwischen den interessierenden Eigenschaften hinsichtlich Schwenkwinkel, Nebenzipfeln und Kopplung geschlossen werden, Die unechte oder Strahlungskopplung zwischen benachbarten Einzelstrahlern der Antenne bewirkt dabei unkontrollierbare Veränderungen des Antennengewinns und des Richtdiagramms während der Diagrammschwenkung. Die Ausbildung der Nebenzipfel, die die Erreichung großer Schwenkwinkel behindert, ist auf dem diskontinuierlichen Aufbau der Antenne aus diskreten Einzelstrahlern zurückzuführen, die die Einstellung der Phase der abgestrahlten Welle nicht kontinuierlich über die Antennenapertur, sondern nur an einzelnen, in regelmäßigem Abstand voneinanderliegenden Punkten gestatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, mit der ein vorgegebenes Diagramm möglichst gut angenähert wird und innerhalb eines gegebenen Schwenkwinkels erhalten bleibt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand α zwischen zwei benachbarten Einzelstrahlern der Beziehung

a =

2sin<

folgt, worin λ die Wellenlänge und H₁ die Hälfte des maximalen Schwenkwinkels bedeutet, und daß jeder Einzelstrahler eine Aperturbelegung besitzt, die zumindest innerhalb eines Bereiches von a (K — 1) bis a(K + 1) hinreichend genau durch die Formel

angenähert wird, worin K die Ordnungszahl des Einzelstrahlers, X der Wert der Koordinate längs der Geraden OX und A den Betrag des sich aus der Anwendung des Shannonschen Abtasttheoremes ergebenden Abtastwertes der Aperturbelegung der Antenne bedeuten, und daß die Einzelstrahler Vielfach-Wellentyp-Hohlleiterstrahler mit einer Trennwand in der Strahlerachse sind und in dieser durch einen Speisehohlleiter gespeist sind.

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Durch diese Festlegung des Abstandes zweier benachbarter Einzelstrahler und der Aperturbelegung jedes Einzelstrahlers werden in vorteilhafter Weise Strahlungskopplungen zwischen den Einzelstrahlern weitgehend vermieden, so daß die Nebenkeulen klein und das Richtdiagramm über einen vorgegebenen großen Schwenkwinkel nahezu unverändert erhalten bleibt.

In der Zeichnung ist die Antenne nach der Erfindung in einer beispielsweise gewählten, schematisch vereinfachten Ausführungsform zusammen mit erläuternden Diagrammen dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Antenne zur Abstrahlung ebener Wellen in einer vorgegebenen Richtung innerhalb eines großen Schwenkwinkels,

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Aperturbelegung,

F i g. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der Antenne nach der Erfindung,

F i g. 4 die Aperturbelegung eines Einzelstrahlers und

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform der Antenne nach der Erfindung zur Abstrahlung von Kugelwellen.

Für die nachfolgende Beschreibung wird willkürlich angenommen, daß die Antenne elektromagnetische Wellen abstrahlt, also als Sendeantenne arbeitet. Auf Grund des Reziprozitätsgesetzes könnte ebensogut vom umgekehrten Fall ausgegangen werden.

Die in F i g. 1 schematisch vereinfacht dargestellte Antenne besteht aus längs einer Geraden OX gleich ausgerichteten Einzelstrahlern 1 bis n, wobei je zwei benachbarte Einzelstrahler einen Abstand α besitzen. Die Gesamtbreite der Antenne ist demnach d — na. Der Mittelpunkt der Antenne ist mit / und die Senkrechte auf die Gerade OX ist mit IZ bezeichnet. Diese Antenne kann beispielsweise ebene, parallele Wellen in einer vorgeschriebenen Richtung abstrahlen, die durch den mit der Geraden IZ eingeschlossenen Winkel « definiert ist, wobei die Wellenfronten senkrecht zu dieser vorgegebenen Richtung verlaufen. Dieser Anwendungsfall tritt z. B. bei Verwendung der Antenne als Richtstrahler oder als Radarantenne ein.

Das Richtdiagramm der Antenne wird üblicherweise durch Beeinflussung der Phase der den Einzelstrahlern zugeführten elektromagnetischen Energie gesteuert. Wenn alle Einzelstrahler parallel aus einer gemeinsamen Quelle gleichphasig gespeist werden, strahlt die Antenne eine ebene Welle in Richtung der Antennenhauptachse ab. Wenn die dem jeweils nächsten Einzelstrahler zugeführte elektromagnetische Energie gegenüber derjenigen des vorhergehenden Einzelstrahlers um einen konstanten Betrag phasenverschoben ist, strahlt die Antenne weiterhin eine ebene Welle ab, deren Fortpflanzungsrichtung jedoch von der Richtung der Antennenhauptachse in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Phasenverschiebung nach rechts oder links um einen Winkel abweicht, der von dem Phasenverschiebungswinkel abhängt. In ähnlicher Weise kann durch passende Bemessung der gegenseitigen Phasenverschiebung der den Einzelstrahlern zugeführten Energie erreicht werden, daß die Antenne Kugelwellen in Richtung auf einen vergegebenen Brennpunkt abstrahlt. Auch andere geometrische Formen der abgestrahlten Welle können in analoger Weise erzielt werden.

Mit anderen Worten läßt sich also durch geeignete Steuerung der Phasenverschiebung der den Einzelstrahlern zugeführten elektromagnetischen Energie eine elektrische Diagrammschwenkung der Antenne erreichen. Bei bekannten Antennen mit einer solchen elektrischen Diagrammschwenkung bestehen die Einzelstrahler im allgemeinen aus Rundstrahlern, die in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, der größer als die halbe Betriebswellenlänge (γ) ist. Bei

einer solchen Antenne besitzt das Strahlungsdiagramm eine Hauptkeule und zwei Nebenkeulen, die im wesentlichen symmetrisch zu beiden Seiten der Hauptkeule liegen. Bei großen Schwenkwinkeln der Hauptkeule, z. B. in der Gegend von ± 90°, wachsen die Nebenkeulen erheblich und können nahezu ebensogroß wie die Hauptkeule werden. Hierdurch wird die Richtcharakteristik der Antenne erheblich beeinträchtigt. Bei einem Radarsystem kann dies beispielsweise zu Irrtümern bezüglich der Richtung des Zielechos führen. Zur Vermeidung dessen mußte bislang der Schwenkwinkel, d. h. der Abtastbereich, drastisch begrenzt werden.

Wenn statt Rundstrahlern Richtstrahler als Einzelstrahler verwendet werden, begrenzt wiederum die Breite der Hauptkeule jedes Einzelstrahlers den maximalen Schwenkwinkel, der noch ohne erhebliche Verringerung des Antennengewinns erreichbar ist.

Ein weiterer Mangel derartiger bekannter Antennen beruht auf der unerwünschten Strahlungskopplung zwischen benachbarten Einzelstrahlern. Bei Änderung des Schwenkwinkels ruft diese Kopplung Änderungen in den Strahlungsdiagrammen der Einzelstrahler hervor, die wiederum zu unerwünschten Änderungen des Antennengewinns in Abhängigkeit von dem Schwenkwinkel führen.

Aus dem Aufsatz von S. Drabowitch, »Application de la Theorie du Signal aux Antennes« in der Zeitschrift »L'Onde Electrique«, Mai 1965, S. 550ff., ist es bekannt, daß sich die Beziehungen der Signaltheorie auch auf Antennen anwenden lassen, bei welcher übertragung im wesentlichen an die Stelle der Veränderlichen »Zeit« die Veränderliche »Raum« zu setzen ist. Insbesondere kann die Aperturbelegung einer Antenne als Eingangssignal, die Antenne selbst als Signalübertragungssystem (etwa als Filter mit gegebener übertragungsfunktion), und das Richtdiagramm der Antenne als Ausgangssignal aufgefaßt werden.

Zur Veranschaulichung der sich aus der Signaltheorie ergebenden Möglichkeiten sei zunächst eine kontinuierliche Strahlungsquelle wie etwa ein Schlitzstrahler mit einer öffnung der Länge d betrachtet, dessen Gesamtform mit der in F i g. 1 dargestellten Antenne übereinstimmt. Die Aperturbelegung einer solchen Strahlungsquelle kann in folgender Form geschrieben werden:

= A(X)exp{j<t>(X)},

worin A(X) den Betrag der komplexen Amplitudenverteilungsfunktion längs der Geraden OX und Φ(Χ) die Phasenverteilung längs dieser Geraden bedeuten. Da aus der Signaltheorie bekannt ist, daß das Frequenzspektrum eines SignaL und dessen Zeitfunktion Fourier-Transformationen voneinander sind, läßt sich zeigen, daß analog hierzu das Strahlungsdiagramm einer Strahlungsquelle die Fourier-Transformation ψ von η der Aperturbelegung F(X) ist, worin « der in F i g. 1 angegebene Winkel zwischen der Antennen-

hauptachse und der Symmetrieachse der Hauptkeule ist. Für gewöhnlich soll die Fourier-Transformierte für Winkel α außerhalb eines gegebenen maximalen Schwenkwinkels ( — H₁, +^₁) gleich Null sein, d.h.. die Strahlungsquelle soll außerhalb dieses Bereiches keinerlei Energie abstrahlen. Im vorliegenden Fall wird angenommen, daß diese Bedingung erfüllt ist. Unter dieser Bedingung kann die Aperturbelegung als Abtastintervall betrachtet werden, analog zu dem Abtastintervall der Shannonschen Abtasttheorems für zeitabhängige Signale (»Information Theory« von Stanford Goldman, Kapitel II, Prentice-Hall inc., New York 1955).

Durch analoge Anwendung des Shannonschen Abtasttheorems kann nun die Aperturbelegung F(X) nach Gleichung 1 in eine Summe von Ausdrücken zerlegt werden:

jedes Einzelgliedes der Summe

sin

'■ J

(2)

worin K eine ganze Zahl und λ die Betriebswellenlänge

darstellen. Der Faktor

stellt das »Abtastintervall« dar, das der Einfachheit halber als I >· be-

zeichnet wird. Das kurz mit i' bezeichnete Verhältnis —

/.

kann als »Raumfrequenz« aufgefaßt werden.

Bei der Antenne nach der Erfindung ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Einzelstrahlern gleich dem Produkt des vorstehend definierten Abtastintervalls und der Wellenlänge, d. h. a — y^— . Die Aperturbelegung jedes Einzelstrahlers folgt der durch die entsprechenden Glieder der Gleichung 2 gegebenen Beziehung.

Nach Einfügung des zuvor definierten Abstandes a der Einzelstrahler kann die Gleichung 2 in folgender Form neu geschrieben werden:

Fi- I =

(3)

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Die Antenne besteht dann aus einer Anzahl von in

gleichem gegenseitigen Abstand a =

2 sin

- ange-

ordneten Einzelstrahlern, wobei jeder Einzelstrahler eine Aperturbelegung der folgenden Form hat:

F_K(X) =

worin K die Ordnungszahl des Einzelstrahlers in der Antenne darstellt. Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Einzelstrahlern zugeführten Signalen ist durch den Ausdruck φ(^κ~·) gegeben. Dabei

ist darauf hinzuweisen, daß das Strahlungsdiagramm jedes Einzelstrahlers auf den Winkelbereich (— H₁, + «,) beschränkt ist.

Die vorstehenden Erkenntnisse sollen nun in einer ersten Ausführungsform der Antenne nach der Erfindung verwirklicht werden, die zur Abstrahlung und zum Empfang ebener Wellen aus innerhalb des maximalen Schwenkwinkels einstellbaren Richtungen dient.

Bei Annahme eines fiktiven kontinuierlichen Schlitzstrahlers mit einem Schlitz der Länge d ergibt sich durch einfache Überlegung, daß im Falle einer ebenen Welle, die unter einem Winkel α zur Antennenhauptachse abgestrahlt werden soll, die Phase der Energie längs der Schlitzöffnung sich linear mit der Entfernung X vom Anfang O in Übereinstimmung mit folgender Gleichung ändern muß:

Da hierbei die Feldamplitude über die Lange el

aus der Gleichung 4, also

= exp

sin a

}■

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55 Der Abstand zwischen den Einzelstrahlern wird

wiederum zu a = -^—^— gewählt.
2 sin U₁

Das durch die Fourier-Transformierte ψ(<ή gegebene Strahlungsdiagramm einer solchen Quelle liegt in dem endlichen Winkelbereich (-U₁, +U₁), so daß die analoge Anwendung des Shannonschen Abtasttheorems auf die Funktion F (-A in diesem Intervall

Eine Antenne, die die vorstehend angegebenen Beziehungen verwirklicht, besitzt im wesentlichen das gleiche Gesamtstrahlungsdiagramm wie eine fiktive kontinuierliche Strahlungsquelle gleicher Abmessungen bezüglich abgestrahlter Wellen, die die durch die — J beschriebene Form haben.

f X\

Wenn die komplexe Funktion F (yj eine Aperturbelegung mit über die Apertur konstanter Amplitude zulässig ist.

darstellt, was ein häufiger Fall der Praxis ist, ist der 6o In F i g. 2 ist die Aperturbelegung für drei Einzel-Ausdruck A(X) in Gleichung 1 eine Konstante, und strahler einer derartigen Antenne dargestellt. Den die Aperturbelegungsfunktion nimmt die vereinfachte Einzelstrahlern wird die Energie mit unterschiedlichen Form . Phasenverschiebungen 0,, 0₂, Φ₃ zugeführt. Die

gegenseitige Phasenverschiebung zwischen zwei be-

(4) 65 nachbarten Einzelstrahlern

an, und in der Gleichung 3 wird der zweite Faktor läßt sich aus Gleichung 7 bestimmen. Wenn X₁ und

X_{i + i} die Abszisse von zwei beliebigen benachbarten Einzelstrahlern ist, ergibt die Gleichung 7

Φ = 0(ΛΓ_{ί + 1}) - 0(ATf) =
und da

- sin α.

■f + l

ergibt sich, daß

X₁)

Φ = η

a =

2 sin

sin u
sin O₁

Für die Aperturbelegung folgert dann aus Gleichung 6 durch Einsetzen der jeweiligen Ordnungszahl K des betreffenden Einzelstrahlers:

Einzelstrahler	1	. X sin ,-τ— α
	U,
Einzelstrahler	2
		sin ( rr
F1	(X)	a
Einzelstrahler	3
		■ ί*Χ -, λ sin 2.-7
F2	(A-)	V α ν
		TtX 2^
	α

Die Aperturbelegung ist also für alle Einzelstrahler die gleiche und besitzt die allgemeine Form -^- ,

Λ.

worin X der Wert der Koordinate längs der Geraden OX in Richtung der Apertur und bezogen auf den an einem Seitenende der Antenne gewählten Punkt O ist:

X kann aber auch geschrieben werden als—(X — Ka).

Demnach sind die einzelnen Aperturbelegungskurven um den konstanten Wert α in Richtung der Geraden OX verschoben, so daß die Belegungen benachbarter Einzelstrahler in einem orthogonalen Zusammenhang stehen, d. h., daß an demjenigen Punkt, bei dem die Feldstärke des einen Einzelstrahlers Null ist, die Feldstärke des nächsten Einzelstrahlers ihren Maximalwert besitzt. Aus diesem Grund kommt praktisch keine Strahlungskopplung zwischen aufeinanderfolgenden Einzelstrahlern der Antenne zustande.

In F i g. 3 ist eine Ausführungsform der Antenne zur Abstrahlung ebener Wellen im einzelnen dargestellt. Die Einzelstrahler 1 bis η sind als Vielfach-Wellentyp-Hohlleiterstrahler ausgeführt und bestehen aus je zwei Hornstrahlern 24 bzw. 25, die durch eine sich von der Strahlungsöffnung nach einwärts erstreckende Trennwand 13 bzw. 23 bzw. 33 voneinander getrennt sind, welche Trennwand in der Strahlerachse verläuft. die mil der Achse der die einem Iiinzelslrahler zuuehörigen Hornstrahler gemeinsam speisenden Speisehohlleiter 11 bis /il zusammenfällt. Zwischen benachbarten, jedoch verschiedenen Einzelstrahlern angehörigen Hornstrahlern erstreckt sich eine Wandung 26 in Richtung auf die Strahlungsöffnung. Die beiden am rechten und am linken Ende der Antenne liegenden Einzelstrahler bestehen nur aus je einem Hornstrahler, der über einen Hohlleiter 40 bzw. 50 abgeschlossen ist. Aufbau und Wirkungsweise derartiger Vielfach-Wellentyp-Hohlleiterstrahler bilden den Gegenstand der deutschen Patentanmeldungen P 14 41 013.0 und P 14 41 615.0. Kurz zusammengefaßt erhalten die Einzelstrahler die Energie über die Speiseleitungen 11. 21,31 bis n\, welche Energie durch die Trennwände 13 bzw. 23 bzw. 33 auf die beiden Hornstrahler 24 bzw. 25 aufgeteilt werden. In den Bereichen 12, 22, 32 überlagern sich die jeweils zwei verschiedenen Speisehohlleitern entstammenden Energien unter Bildung von Wellentypen höherer Ordnung, die sowohl vom transversalelektrischen als auch vom transversalmagnetischen Typ sein können, derart, daß sich die gewünschte Aperturbelegung der Einzelstrahler ergibt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der transversalelektrische Wellentyp zugrunde gelegt, so daß der E-Vektor in der Strahlungsöffnung senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft. Derartige Vielfach-Wellentyp-Hohlleiterstrahler gestatten eine Aperturbelegung, die in guter Näherung der —^ Funktion

folgt, und zwar mit beliebiger Genauigkeit bezüglich der Hauptkeule und der ersten Nebenkeulen des Antennendiagramms. Dies wird durch das Diagramm im oberen Teil der F i g. 3 veranschaulicht, wo die Aperturbelegung für jeden Einzelstrahler dargestellt ist, die die Form zweier symmetrischer Kurven hat. von denen die eine ausgezogen, die andere gestrichelt dargestellt ist, wobei beispielsweise im Abschnitt 20 die eine Kurve durch die dem Speisehohlleiter 11 entstammende Energie, die andere durch die dem Speisehohlleiter 21 entstammende Energie erzeugt wird. An Stelle der Abschnitte 10, 20, 30 bis ;;0, in denen die Hornstrahler benachbarter Einzelstrahler sich vereinigen, können jedoch diese Einzelstrahler mit gleicher Berechtigung auch unmittelbar als Ausgangspunkt der Betrachtung der Arbeitsweise der Antenne gewählt werden. Dabei wird jeder Einzelstrahler als ein einziger Hornstrahler aufgefaßt, dessen Strahlungsöffnung durch eine Trennwand 13, 23, 33 unterteilt ist. Bei dieser Betrachtungsweise ergibt sich, daß jeder einzelne Hornstrahler der Antenne eine Aperturbelegung besitzt, die im wesentlichen durch den

mittleren Teil der Kurve

sin AT

wiedergegeben wird,

wobei diese Kurven sich in der dargestellten Weise überlappen.

Die den Einzelstrahlern zugeführte Energie durchläuft zuvor die Phasenschieber 19,29, 39 bis «9, die so eingestellt sind, daß die Energie in jeder Speiseleitung in bezug auf die Energie der vorhergehenden Speiseleitung eine bestimmte konstante Phasenverschiebung besitzt, die dem gewünschten Schwenkwinkel des Diagramms entspricht.

Bekanntlich kann das Richtdiagramm einer aus nebeneinanderliegenden Einzelstrahlern bestehenden Antenne durch die Funktion

A((->) = B(M)C (<->)
beschrieben werden, worin A(<->)die relative Feldstärke

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der Antenne darstellt und das Produkt zweier Funktionen oder Faktoren ist. Die Funktion B((-)) kennzeichnet das Richtdiagramm eines beliebigen Einzelstrahlers der Antenne, während die Funktion C(^) das Richtdiagramm einer Antenne wiedergibt, in der die Einzelstrahler — wie bei der hier betrachteten Ausführungsform der Antenne — längs einer Geraden gleich ausgerichtet, im Unterschied zur vorliegenden Antenne jedoch als Rundstrahler ausgebildet sind. Für die betrachtete Ausführungsform der Antenne hat die Funktion C(O) den in F i g. 4 dargestellten Verlauf, sofern die ebenen Wellen in Richtung der Antennenhauptachse abgestrahlt werden. Wenn durch passende Beeinflussung der Phasenschieber in den Speisehohlleitern eine Diagrammschwenkung erzeugt wird, verschiebt sich die Kurve C(Q) in F i g. 4 lediglich um einen entsprechenden Wert längs der Abszisse. Wenn die abgestrahlten ebenen Wellen eine konstante Amplitude für alle Schwenkwinkel innerhalb des Abtastintervalls (-U₁, + U₁) beibehalten sollen und das Auftreten von größeren Nebenkeulen im Richtdiagramm innerhalb des genannten Abtastintervalls verhindert werden soll, muß demzufolge die das Richtdiagramm jedes Einzelstrahlers wiedergebende Funktion B(Q) einen konstanten Wert haben, d. h., jeder Einzelstrahler muß ein auf den Bereich (-O₁, +O₁) begrenztes Richtdiagramm besitzen, wie dies in F i g. 4 angedeutet ist. Ein solches, auf einen »Abtastintervall« begrenztes Richtdiagramm bedeutet, daß jeder Einzelstrahler eine Aperturbelegung der Form haben

muß. Auch diese Überlegung bestätigt somit den Grundgedanken der Erfindung, bezüglich der für ein optimales Verhalten der Antenne erforderlichen Art der Aperturbelegung der Einzelstrahler.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Antenne nach der Erfindung dargestellt, die statt ebener Wellen Kugelwellen abstrahlt. Die Antenne besteht aus einem Primärstrahler S, z. B. einer Hornantenne, und aus sekundären Einzelstrahlern, 1,2...«, z. B. ebenfalls Hornstrahlern, die alle von der Primärquelle S ausgeleuchtet werden. Die in üblicher Weise gespeiste Primärquelle S strahlt Kugelwellen ab. Die sekundären Einzelstrahler sollen die gesamte Energie innerhalb des durch den Winkel 2«₂ begrenzten Bereiches der Kugelwelle ohne Verlust an Antennengewinn aufnehmen. Der Winkel 2 «₂ ist dabei durch die Breite d der Einzelstrahleranordnung bestimmt. Umgekehrt soll den Einzelstrahlern 1,2 ... η der Antenne zugeführte Energie kugelförmig in dem Primärstrahler S als Brennpunkt konvergieren, so daß dieser sie verlustfrei (mit Ausnahme eines unvermeidlichen Beugungseffektes) absorbieren kann.

Zunächst wird für einen fiktiven kontinuierlichen Strahler gleicher Ausdehnung wie die Einzelstrahleranordnung die Phasenbedingung untersucht, bei der dieser fiktive Strahler Kugelwellen mit dem Brennpunkt S abstrahlt. In einem Punkt A in der Entfernung X vom einen Ende O des fiktiven Strahlers ergibt sich der erforderliche Phasenwinkel Φ(Χ) = —?- -AM,

worin M der Punkt mit der Koordinate X auf der in der Figur gestrichelt gezeichneten, durch O verlaufenden Kugelwelle ist. Aus einfachen geometrischen Überlegungen ergibt sich, daß

AM = )/ R² + X(d - X) - R,
worin R der Abstand zwischen der Primärquelle S und der Einzelstrahleranordnung und d die Breite der Einzelstrahleranordnung bedeutet. Daraus ergibt sich

Da auch hier die Amplitude über die Apertur konstant sein muß (die Feldstärke ist über die gesamte Kugeloberfläche der Welle konstant) kann unter Verwendung der Gleichung 4 die Aperturbelegungsfunktion wie folgt geschrieben werden:

F(X) =

X(d- X)-

Die Fourier-Transformierte ψ (u) dieser Funktion, die das Richtdiagramm des fiktiven kontinuierlichen Strahlers mit gleicher Abmessung wie die Einzelstrahleranordnung darstellt, ist in einem endlichen Intervall ( — «₂, + "2) definiert. Daher kann wiederum das Shannonsche Abtasttheorem auf diesen Fall übertragen werdea und das »Abtastintervall« hat den Wert

Des weiteren beträgt der Abstand der Einzelstrahler

a = λ Λ ν-, =

2 sin U₂

Schließlich ergibt sich die Aperturbelegung für jeden Einzelstrahler aus der Formel

sin

Ki -^k

F_x(X)-=-

worin K die Ordnungszahl des Einzelstrahlers bedeutet und α den sich aus der vorhergehenden Beziehung ergebenden Wert hat.

Jeder Einzelstrahler 1, 2 ... η der Antenne nach F i g. 5 kann ein Vielfach-Wellentyp-Hohlleiterstrahler ähnlich der in Fig. 3 dargestellten Art sein. Die Einzelstrahler sind mit Speiseleitungen verbunden, in denen geeignete Phasenschieber liegen, die so eingestellt sind, daß sie der zugeführten Energie die durch Gleichung 9 gegebene Phasenverschiebung erteilen. Die Phasenverschiebung für die dem Einzelstrahler K zugeführte Energie ergibt sich somit zu

Φ_Κ(Χ) = '/HKa) = ^j- f VR² + Ka(d - Ka) - r\ .

Bei der Antenne nach F i g. 5 empfangen die Einzelstrahler die von der Primärquelle S abgestrahlten Kugelwellen unter Winkeln, die vom Mittelpunkt zu beiden Seiten der Einzelstrahleranordnung abnehmen.

Die der Beziehung. folgende Aperturbelegung

der Einzelstrahler, die ein durch ein vorgegebenes Intervall begrenztes Richtdiagramm zur Folge hat, führt dazu, daß auch die außenliegenden Einzelstrahler der Antenne die von der Primärquelle abge-

strahlte Energie ohne Verringerung des Gewinns im Vergleich zu den mittleren Einzelstrahlern empfangen. Es wird also praktisch die gesamte innerhalb des gegebenen Winkelbereiches abgestrahlte Energie benutzt.

Der Einfachheit halber wurden der vorstehenden Beschreibung eindimensionale Ausführungsformen der Antenne nach der Erfindung, bei der also die Einzelstrahler längs einer einzigen Koordinate nebenein-

anderliegen, zugrunde gelegt. Ebenso lassen sich jedoch auch zweidimensionale Anordnungen, also Einzelstrahlerfelder, verwirklichen, wie sie in der Praxis meist benötigt werden. Für diesen Fall ist der Abstand der Einzelstrahler sowie deren Aperturbelegung und die Phasenverteilung über die gesamte Antenne für jede der beiden zweckmäßigerweise senkrecht zueinander angenommenen Koordinatenrichtungen getrennt zu ermitteln.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Antenne mit elektrischer Diagrammschwenkung zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen in einem bestimmten, symmetrisch um die Antennenhauptachse liegenden Winkelbereich, bestehend aus mehreren, längs einer Geraden OX gleich ausgerichteten Einzelstrahlern, in deren Speiseleitungen Phasenschieber lie- ίο gen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand α zwischen zwei benachbarten Einzelstrahlern (1 bis ri) der Beziehung