DE1541464A1 - Mehrband-Antennensystem - Google Patents

Description

-Inn

154Η64 Miincbn «sj (-otfctsti. 31

Telefon 'Ji, !/ o2

Compagnle Francaise Thomson Houston-Hotchkiss Brandt, Paris 8, Boulevard Haussmann 173 (Frankreich).

Mehrband-Antennensystem.

Französische Priorität vom 15. Oktober 19Ö5 aus der französischen Patentanmeldung Mr. 35 191 (Seine).

Die Erfindung betrifft ein neues Herstellungsprinzip für Mehrband-Antennen-Systeme, insbesondere in Bezug auf die primären Ausstrahlungsquellen in solchen Systemen, durch die solche Antennenkombinationen dargestellt sind.

Die Erfindung löst den Konflikt, der bisher zwischen den beiden Zielen bestanden hat, (l) den Gewinn des Antennensystems auf ein Höchstmaß zu bringen und (2) das Auflösungsvermögen auf ein Höchstmaß zu bringen und ermöglicht es, Mehrband-Antennensysteme, sowie diese Systeme verkörpernde Radarinstallationen herzustellen, wodurch eine erhebliche Leistungssteigerung gegenüber

__x_ 209808/0349

ORIGINAL INSPECTED

dem bisherigen Stand der Technik erzielt wurde.

Im Grunde werden diese Ergebnisse so erzielt, daß die primäre Antennenkombination in einem Mehrbandsystem so hergestellt und betrieben wird, daß der gesamte Energieverteilungsverlauf an der Ausstrahlungsoberfläche der Kombination die Form eines Paars getrennter, stetiger sinusartiger Kurven aufweist, die symmetrisch in rechtwinkliger Beziehung zueinander ineinandergreifen, wobei die beiden Kurven im wesentlichen durch die Querausdehnung der Ausstrahlungsöffnung eines Strahlers der Kombination wechselseitig bewegt werden und jede Wellenbewegung einer jeden Kurve sich im wesentlichen über die den beiden Ausstrahlungsöffnungen von zwei angrenzenden Ausstrahlern in der Kombination entsprechende Querausdehnung erstreckenj jede Wellenbewegung einer jeden Kurve stimmt im wesentlichen mit dem Diffraktionsverlauf überein, der mittels des mit der Kombination verbundenen Bündelungsvorrichtung von einer Punktquelle im Unendlichen erzeugt wird.

Hintergrund der Erfindung.

In den gegenwärtigen Radarsystemen der sog. dreidimensionalen Art werden Mehrband-Antennensysteme weitgehend verwendet, um gleichzeitig eine Vielzahl von Radarenergiestrahlen zu erzeugen, die über eine Abtastfläche oder zwei koordinierte Abtastflächen verteilt sind, wodurch die gleichzeitige Überwachung

-2- 209808/0349

vieler über weite Raumbereiche verteilter Ziele möglich ist.

Ein solches Mehrbandantennensystem besteht grob gesehen aus zwei Teilen, nämlich einer primären Ausstrahlungsquelle in Form einer Kombination von Trichterantennen oder entsprechenden Ausstrahlungseinheiten, und einer Bündelungsvorrichtung wie ein Parabolspiegel oder -linse, die in wechselseitiger Strahlungsbeziehung zu der primären Quelle angeordnet ist. Diese grundlegende Anordnung ist schematisch in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt, wo mit den Bezugszeichen la die vorstehend erwähnte Bündelungsvorrichtung bezeichnet wird, hier als Linse dargestellt, und 2a allgemein eine Kombination von die Primärquelle bildenden Trichterantennen bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß die Ausstrahlungsöffnungen sämtlicher Ausstrahler der Kombination entlang einer Teil-kugelförmigen (oder teilzylindrischen) Oberfläche Sa angeordnet sind, die die Bündelungsoberfläche der Bündelungsvorrichtung la bildet, wobei die Achsen sämtlicher Ausstrahler zum Zentrum der Bündelungsvorrichtung hin zusammenlaufen.

Bei dem Betrieb einer solchen Anordnung während der Übertragung wird ultrakurze elektromagnetische Wellenenergie an die Ausstrahler 21a, 22a, ... mittels der

209808/0349

154H64

Zuleitungsführer 31a, 32a, ... von einer geeigneten nicht dargestellten Übertragungsquelle angelegt. Diese Energie wird von den Ausstrahlern gegen die Linse 1 ausgestrahlt, wobei die Kurve PD ein typisches mit einer Trichterantennenkombination nach dem bisherigen Stand der Technik erhältliches primäres Ausstrahlungsdiagramm darstellt· Die Linse 1 strahlt dagegen die Energie in einer Vielzahl getrennter Strahlen zurück, die durch die Strahlungskeulen SDl, SD2, SD3, ... das sekundäre Ausstrahlungsdiagramm, das das Gesamtausstrahlungsdiagramm des Antennensystems darstellt.

Beim Empfang durch das bekannte Umkehrbarke its prinzip der elektromagnetischen Wellenfortpflanzung ist der Vorgang im wesentlichen der gleiche, jedoch in umgekehrter Folge. Mit anderen Worten, die von einem oder mehreren in dem allgemeinen Bereich der Strahlen zurückgestrahlte Energie wird von der Linse 1 in Übereinstimmung mit den Strahlungskeulen der sekundären Ausstrahlungs- (oder Richtwirkungs-)diagrammen SDl, SD2, ... empfangen. Die Energie wird dann durch die Linse la in der Bündelungsoberfläche Sa zusammengefaßt, die mit der Oberfläche übereinstimmt, auf der die Ausstrahlungsöffnungen der primären Ausstrahler angeordnet sind. Hier wird ebenfalls das Ausstrahlungs- (oder Richtwirkungs-)diagramm der primären Ausstrahler durch die

209808/0349

Kurve PD angegeben. Schließlich wird die Energie mittels der Zuleitungsführer 31a, 32a... zu dem nicht dargestellten Empfangsgerät übertragen·

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß entsprechend der üblichen im Antennenbau verwendeten Terminologie das Verb "ausstrahlen" und seine Ableitungen zur Beschreibung sowohl der Umwandlung von elektromagnetischer Energie von der . tcanalisierten Form, in der sie sich durch die Zuleitungen wie 31a, 32a fortbewegt, in sich von der Antenne oder dem Ausstrahler weg verpflanzende Raumwellen, und der umgekehrten Umwandlung von Energie aus der Form von sich zur Antenne oder dem Ausstrahler hin fortpflanzenden Raumwellen in kanalisierte Energie, die sich durch die Zuleitungen fortbewegt, dienen. In gleicher Weise dient das Wort "zuführen" und seine Ableitungen zur Beschreibung der Übertragung kanalisierter Energie durch die Zuleitungen oder Wellenführer, gleichgültig, ob die Energie sich zu dem Ausstrahler hin oder von ihm weg bewegt, mit dem die Leitung verbunden ist. Diese Definitionen sind beim Lesen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche zu berücksichtigen.

Jeder Versuch, die Leistung eines Mehrkeulenantennensystems der erfindungsgemäßen Art zu erhöhen, muß danach

- 5 - 209 8 0 8/0349

6 154U64

trachten, zwei Hauptmerkmale des Systems, nämlich erstens öden Gewinn und zweitens die Auflösung auf ein Höchstmaß zu bringen. Der Gewinn, der als grobe, aber passende Darstellung als proportional zur Länge der Hauptkeule des primären Ausstrahlungsdiagramms PD oder des sekundären Ausstrahlungsdiagramms SD angesehen werden kann, muß erhöht werden, um den Bereich des Antennensystems zu erweitern, was eine wesentliche Überlegung bei der heutigen Radararbeit darstellt. Die Auflösung, die die in angemessener Weise mit der Winkeltrennung zwischen zwei Strahlen oder Keulen wie SDl, SD2, SD5, verglichen werden kann, ist in gleicher Weise wichtig, um es dem System zu ermöglichen, zwischen nahe gelegenen Zielen zu unterscheiden. Hieraus ist ersichtlich, daß die beiden Merkmale Gewinn und Auflösung voneinander getrennt und verschieden sind. Mehr als dies wurde jedoch bisher angenommen, daß die beiden Merkmale in Widerspruch zueinander oder in Konflikt zueinander stehen! was als Verstärkung des Gewinns angesehen wurde, brachte notwendigerweise jenseits eines bestimmten Punktes einen Auflösungsabfall mit sich und umgekehrt.

Der Grund für diese widersprüchliche Beziehung zwischen Gewinn und Auflösung ist ohne weiteres aus folgenden Überlegungen verständlich. Es ist ersichtlich, daß

209808/0349

zur Erhöhung des Gewinns es notwendig ist, die Querausdehnung eines jeden Ausstrahlers der Kombination zu vergrößern, da hierdurch die Menge der auftreffenden von einem Ziel gesammelten Energie erhöht wird. Andererseits ist ebenfalls verständlich, daß zur Erhöhung der Auflösung oder des Trennvermögens des Systems die Querdimension der Ausstrahlungsöffnung verkleinert werden muß, um eine größere Anzahl schmaler Ausstrahler nebeneinander in der Kombination anordnen zu können, wobei die Hauptrichtungskeule oder —strahl eines jeden Ausstrahlers die Energie von nur einem einzelnen Ziel auffängt. Der Konflikt liegt somit klar zutage.

Noch genauer kann im folgenden bewiesen werden, daß der Gewinn auf ein Höchstmaß gebracht werden kann, wenn die Querdimension der AusStrahleröffnung gleich dem Durchmesser der mittleren Keule des Diffraktions-Verlaufs ausgelegt werden kann, der durch eine unendlich entfernte oder Punktquelle durch die mit dem Ausstrahler verbundene Bündelungsvorrichtung erzeugt wird! eine Erhöhung der Ausstrahlerdimension über diesen Wert ergibt keinen weiteren Anstieg des Gewinns. Die Dimension der Ausstrahleröffnung, bei der der Ge winn ein Höchstmaß erreicht, ist 2 ^ P/D, wobei5\ die Wellenlange ist, F die Brennweite der verwendeten Bündelungsvorrichtung und D die öffnung der genannten Vorrichtung.

^_7- 209808/0349

15AU64

Es kann ebenfalls bewiesenwerden, daß die Auflösungskraft auf ein Höchstmaß gebracht werden kann, wenn die Querdimension der Ausstrahleröffnung gleich dem Wert *A P/D gemacht wird, da das Trennvermögen des Systems dann dem Trennvermögen der Bündelungsvorrichtung entspricht, so daß eine weitere Verminderung der Ausstrahlerabmessung keinerlei Verstärkung der Auflösung mit sich bringt.

Es ist demnach offenbar, daß die Dimensionierung der Ausstrahler vorbestimmt werden kann, um ein Höchstmaß an Gewinn oder ein maximales Auflösungsvermögen zu erzielen, jedoch nicht so bestimmt werden kann, daß beide Paktoren zur gleichen Zeit ein Höchstmaß erreichen. Demzufolge wurden die primären aAusstrahlerkombinationen in herkömmlichen Mehrbandantennensystemen im allgemeinen so dimensioniert, daß ein Komrpomiß zwischen den beiden Im Widerspruch zueinandersteilenden Wünschen getroffen wurde, und die Leistungsmerkmale waren dementsprechend erheblich eingeschränkt. In

ü einigen Fällen wurde die primäre Kombination hergestellt, um ein Höchstmaß an Auflösungsvermögen zu vermitteln, jedoch nur auf Kosten hoher Verluste, die den Gewinn und damit die Reichweite des Systems beinträchtig ten.

Iia einer unerwarteten und doch einfachen und direkten Art und Weise vermeidet die Erfindung diesen bisher als unvermeidlich angesehenen Konflikt zwischen dem

209808/0349

Gewinn und dem Auflösungsvermögen der primären Aus« Strahlerkombination in einem Mehrbandantennensystem völlig und steigert dadurch erheblich die Leistung dieser Systeme.

Um die Darstellung über die Grundlagen der Erfindung abzuschließen, wird darauf hingewiesen, daß zwei allgemeine in früheren Patentanmeldungen und Veröffentlichungen eines der gegenwärtigen Mitanmelder offenbarten Konzeptionen eine wesentliche Rolle bei der Entstehung und Entwicklung der Erfindung gespielt haben. Die erste Konzeption kann als Anwendung der Signaltheorie an Antennen bezeichnet werden, und die . zweite ist die Konzeption von Mehrfachwellenausstrahler aufbauten.

Das Prinzip der Anwendung der Signaltheorie an Antennen wurde in "Application de la th6orie du signal aux Antennes" von S. Drabowitch, Soci^tl fransaise des Radio-Electriclens, Paris, 20. Januar I965, veröffentlicht. Zusammengefaßt erkennt dieses Prinzip an, daß der gleiche mathematische Pormalismus in der Lage ist, das Verhalten von Signalen sowohl in einem Signalübertragungssystem in bezug auf die Variable Zeit und in einem Antennensystem in bezug auf die Raum-Koordinate zu beschreiben. Wegen dieser grundlegenden Gleichwertig«

209808/031,9

keit kann ein Antennensystem als eine Art Filter angesehen werden. Genau wie ein gewöhnlicher Filter elektromagnetischer Wellen auf ein Eingangssignal in Form eines kurzen Impulses antwortet, indem es ein Ausgangssignal von nicht vernachläßigbarer Länge und im allgemeinen mit einem Schwingungscharakter erzeugt, dessen Merkmale nicht durch das Eingangsimpulssignal, sondern durch die Filterkomponenten bestimmt werden, antwortet ein Antennensystem, wenn es ein Eingangssignal von einer unendlich entfernten (oder Punkt-)QueHe erhält, durch die Erzeugung eines Brennbildes von wesentlicher räumlicher Ausdehnung, der sogenannte Diffraktionsverlauf der Antenne, daß sich nach der Gestalt geometrischer Merkmale wellenförmig fortbewegt, die von der Antennenstruktur und nicht von der das Bild erzeugenden Punktquelle abhängen. Das Prinzip der Anwendung der Signaltheorie an Antennen ist von großem Wert insofern, da es den .intennenfachleuten die weitreichenden Kenntnisse zur Verfügung stellt, die in den letzten 20 oder 30 Jahren in bezug auf Nachrichtenübertragungssysteme gesammelt wurden.

Das zweite Prinzip, der Mehrfachwellenausstrahleraufbauten, wurde in der ebenfalls laufenden Patentanmeldung No. C 26 357 von S, Drabowitch, eingereicht am 27, Februar 1962, und den Einreichern der vorliegenden Erfindung gewährt, offenbart» In Kurse ist ein

209808/Ü343

« iü -

Mehrfachwellenausstrahler ausgebildet, um wahlweise den elektrischen Feldverteilungsverlauf an der Aus« Strahlungsöffnung der Antenne und damit dessen Richtungs- oder Ausstrahlungsdiagramm zu überwachen. Dies erfolgt durch Überlagerung einer Vielzahl erregender elektromagnetischer Wellen mit vorbestimmten Phasen- und Amplitudenmerkmalen, die an entsprechende parallele Eingänge der Antenne angeleg twerden, und durch Dimensionierung der Antenne in der Weise, daß sie die Fortpflanzung bestimmter ausgewählter Energieschwingungsarten (energy modes) aushalten, die sich an der Ausstrahlungsöffnung miteinander verbinden, um den vorgeschriebenen Feldverlauf zu erzeugen. Im Laufe der Beschreibung werden die vorstehend kurz beschrie« benen Konzeptionen weiter erläutert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen in AusfUhrungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Mehrbandantennensystems der allgemeinen Art, auf die sich die Erfindung bezieht, und zeigt die damit zusammenhängenden primären und sekundären Ausstrahlungsdiagramme,

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Antennensystems nach der Erfindung und zeigt die mit

209808/0349

- Ii -

15AU64

der primären Kombination hiervon verbundenen primären Feldverteilungsverläufe;

Fig. 5 veranschaulicht die primären Feldverteilungsverläufe von Figur 2 in größeren Einzelheiten;

Fig. H- zeigt die Feldverteilungskurve eines Diffraktionsverlaufs, der durch eine Punktquelle mittels der Bündelungsvorrichtung erzeugt wurde.

Fig. 5 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Form einer Mehrfachwellenausstrahlerquelie nach einem früheren Patent eines der Miteinreicher und dessen Verwendung in einer Kombination nach der Erfindung;

Fig. 6a und 6b zeigen Feldverteilungsverläufe in Verbindung mit dem Mehrfachwellenausstrahler von Fig. 5 bei einer hypothetischen Betriebsart;

Fig. 7a, 7b, 7c und 7c zeigen schematisch, wie die Vektor« summe von zwei Energieschwingungsarten (energy modes), die sich durch den Mehrfachwellenausstrahler von Fig. bei einer anderen hypothetischen Betriebsart fort» pflanzen, einen anderen und verschiedenen Feldver«* teilungsverlauf erzeugt;

- 12 -

209808/0349

Fig. 8a, 8b und 8c zeigen in gleicher Weise, wie die bei beiden vorstehend erwähnten hypothetischen Betriebsarten erzeugten Peldverteilungsverlaufe in bezug auf ihre Vektoren addiert werden, um einen Feldverteilungsverlauf zu erzeugen, der bei dem ge«· genwärtigen Betrieb vorhanden ist;

Fig. 9 ist eine sinngemäß Fig. 5 gleiche Darstellung, zeigt jedoch eine andere Form eines Mehrßchwellenausstrah«- lersj

Fig. 10a und 10b entsprechen Fig, 6a und 6b, beziehen sich jedoch auf den Ausstrahler von Fig. 9i

Fig. 11a und 11b entsprechen Fig. ¹Ja. bis Jb, beziehen sich jedoch auf den Ausstrahler von Fig. 9j

Fig. 12 entspricht Fig. 8a - 8c im Falle des Ausstrahlers von Fig. 9j

· 13 ist Fig. 5 sinngemäß im Falle des Ausstrahlers von Fig. 9;

Fig. 14, 15 und 16 sind typische Richtwirkungsdiagramme, die die Leistung des erfindungsgemäßen Antennen-· systems veranschaulichen;

20980870349

limiüi!'■■''■ ^:.i:j 3¹W !VOjflii .„.

154H64

7*1

Fig. 17 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht und zeigt eine Abwandlung des in Fig. 5 gezeigten Mehrfachwellenausstrahlers;

Fig. 18 ist eine Schnittansicht einer praktischen Ausführungsform eines in der Erfindung verwendbaren Mehrfachwellenausstrahleraufbaus;

Fig. 19 zeigt typische Gewinnkurven in einem System nach der Erfindung und einem vergleichbaren herkömmlichen Systemi

Fig. 20 ist eine Fig. 2 gleichartige Ansicht, zeigt aber das Prinzip der Zielinterpolation; und

Fig. 21 veranschaulicht die in einer bevorzugten Ausführungs· form der Erfindung verwendete Interpolatorschaltung.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das verbesserte Mehrkeulenantennensystem eine als Linse dargestellte Bündelungsvorrichtung 1 und eine primäre Ausstrahlungsquelle in Form einer allgemein mit 2 bezeichneten Strahlerkombination, die vier Mehrfachwellenstrahleraufbauten 21, 22, 2^ und 24 aufweist. Die Mehrfachwellen-Strahleraufbauten werden später in größeren Einzelheiten beschrieben; und hier folgt lediglich eine schematische Beschreibung. Jeder Strahleraufbau, wie beispielsweise 21, umfaßt ein paar paralleler Erregerabschnitte Al und Bl, die

209808/0349

- 14 -

^154U64

von einem gemeinsamen Hauptabschnitt Gl gefolgt sind. Die Querbreite des Hauptabschnitts wird hier als den vereinigten Breiten der Erregerabschnitte gleich dar« gestellt. Die Hauptabschnitte Cl, C2, C^ und C4 der vier Strahleraufbauten der Kombination haben ihre Strahlungsöffnungen in angrenzender Beziehung auf der Brennfläche S der Bündelungsvorrichtung 1 angeordnet.

Die Erregerabschnitte A, B der Mehrfachwellenstrahleraufbauten sind so verbunden, daß sie mit Signalenergie aus den Reihen von Ausgangs leitungen 30 - J54 mittels der Hybriden 40 - 44 nach de« dargestellten Schema gespeist werden. Die angrenzenden Erregerabschnitte, wie Bl und A2 von entsprechenden angrenzenden Strahleraufbauten sind mit den entsprechenden Ausgangszweigen 411 und 412 einer gemeinsamen Hybride 4-1 verbunden, deren Eingangszweig mit der dazugehörigen Zuleitung Jl verbunden ist. Es ist ersichtlich, daß die Hybride 40 und 44 in Zusammenhang stehen mit den Erregerabschnitten Al und B4 der Endstrahleraufbauten 21 und 24 der Kombination, und daß ihre freien Ausgangszweige mit zusammenpassenden Belastungen 401 und 442 verbunden sind.

Wie in der oben näher bezeichneten Patentanmeldung von Drabowitch ist der Peldverteilungsverlauf in der Ausgangsebene eines jeden Mehrßohwellenstränieraufbaus, beispielsweise 21, die Vektorsumme der teilweisen Feldverteilungen auf Grund der von beiden Erregerabschnitten

209808/0349

- 15 -

Al und Bl des S tr ahle rauf bans gespeisten Wellenenergien. Wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird, wird die gjBsaBEte Feldverteilungsfunktion, die an der Strahlungsoberfllelie S von allen ^MA"-Erregerabschni.tten der Kombination eraeugt wird, durch, die ausgezogene wellige Kurbe P,

dargestellt, und dl© von den "b"-ErregeraJaschnitten erzeugte gesamte Peldverteilungsfunktion wird durch, dl© gesferiLebelte wellige Kurve F, dargestellt» Die Kurvest F* ιεβο Fg sind klarer in der· Ansieht von Fig* 3". sei seium* worin ule Bcemioberf !Ache S zum besaserem einer Ebene ausgebreitet ist«

Es ist erkennbar, daß die beiden Kurven F- und F_ß wellige, im wesentlichen sinusförmige Kurven sind, die symmetrisch ineinandergreifen und wechselseitig um eine Entfernung "b" verschoben werden, die der allgemeinen Breite der Strahlungsöffnungen der Strahleraufbauten gleicht.

Die Zyklusperiode einer jeden Kurve hat die Länge 2b, die doppelte Breite der Strahlungsöffnung eines Strahlers. Des weiteren ist ersichtlich, daß die sinusartigen Kurven in der Richtung positiver Feldwerte durch die mit S_E angegebene Menge verschoben werden, so daß der Verlauf große positive Keulen und kleine negative Ohren zwischen den positiven Keulen aufweist.

Wie später in Einzelheiten dargestellt, können die durch die beiden Kurven F^ (y) und F_(y) dargestellten FeId-

209808/0349

- 16 -

stärken oder Energien so ausgebildet werden, daß sie im wesentlichen vollständig voneinander entkuppelt werden. Dies bedeutet, daß das Hiehtwirkungsdiagramm der primären Kombination, das durch die Fourier'sehe Transformation des Feldverteilungsverlaufs echte Strahlungskeulen besitzt, die jeder Spit.ze einer jeden der beiden Kurven F. und· F^ entsprechen» Da der Abstand zwischen den .Spitzen der entsprechenden Kurven der Breite ⁿb^M einejr Str-ahleTöffnung entspricht, ist ersichtlich, daß das Auflösungsvermögen der Kombination das gleiche sein wird «de dasjenige einer herkömmliehen Kombination, die doppelt so sehraale Strahlungsöffnungen aufweist, wobei die Feldverteilungsschleifen nicht ineinandergreifen, wie dies bei der erfindungsgemäSen Kombination der Fall ist.

Die durch eine Punktquelle mittels der Bündelungsvorrichtung erzeugte Feldverteilungskurve eines Diffraktionsverlaufs an einer einem beliebigen der Strahler der Kombination entsprechenden Stelle entspricht der allgemeinen in Fig. 4 gezeigten Form, einschließlich einer großen positiven mittigen Keule und einer symmetrischen Reihe von sich schnell vermindernden negativen und positiven Seitenkeulen. Es kann bewiesen werden (mittels der Lehren der an Antennen angewendeten Signaltheorie), daß der Gewinn eines Strahlers maximal ist, wenn der Feldverteilungslauf des Strahlers mit dem an der Stelle des Strahlers durch eine Punktquelle erzeugte Diffraktionsverlauf

.-» 209808/0349

15AU64

»Ο

übereinstimmt. Es ist unmittelbar aus einem Vergleich der Fig. 3 und 4 ersichtlich, daß jede der Schleifen einer jeden der bdden Feldverteilungskurven F. und F„ in Fig. 3, einschließlich der großen positiven mittigen Keule und einer halben jeder der kleineren negativen Seitenkeulen sehr stark den entsprechenden Diffraktionsverlauf gemäß Fig. 4 mit seiner großen positiven mittigen Keule und den Keilen der anfänglichen negativen kleineren Seitenkeulen entspricht. Wie zu einem späteren Zeitpunkt mathematisch gezeigt wird, ist es möglich, die Feldverteilungskurven F. und F„ so einzurichten, daß sie im wesentlichen mit den entsprechenden Diffraktionskurven übereinstimmen. Der Gewinn durch einen jeden der Strahler der Kombination hat dann ein Höchstmaß erreicht.

Demzufolge ergibt sich, daß die scheinbare Unvereinbarkeit zwischen der Eaeichung eines Höchstmaßes für den Gewinn und für das Auflösungsvermögen, die die Leistung herkömmlicher Mehrbandantennensysteme wie vorstehend beschrieben beschränkt hat, nach der Erfindung vollständig vermieden wird. Dieses ,unerwartete und auf den ersten Blick paradoxe Ergebnis wird im wesentlichen als eine Folge der beiden sich überlappenden, jedoch getrennten und nicht sich gegenseitig beeinflussenden Feldverteilungskurven F^ und Fg erreicht, die an der Strahlungsoberfläche S einer primären Strahlerkombination erzeugt werden, die nach der Erfindung hergestellt wurde.

" ¹⁸ "209808/0349

Das Verfahren, nach dem dieser Zweikurven-Feldverteilungsverlauf erzeugt wird, wird nachstehend im einzelnen beschrieben.

Fig. 5 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines in der Kombination 2 von Fig. 2 verwendbaren elementaren Mehrfachwellenstrahlerauf baus. Der hier dargestellte Mehrfahwellenaufbau ist von der sogenannten Ebene-Art und ist geeignet für die Verwendung in einer primären Kombination, die eine Vielzahl von Übereinandergeschichteten Strahlen erzeugt, die entlang der RichtungOY parallel zu dem Ε-Vektor, der sich durch den Strahler fortpflanzenden Energie verschoben werden, wobei die Fortpflanzungsrichtung mit OZ bezeichnet wird. Die dritte Koordinate OX bezeichnet die Richtung des Η-Vektors. Der Ε-Ebene-artige Mehrfachwellenaufbau ist so dargestellt, daß er die beiden parallelen Erregungsabschnitte A und B und den gemeinsamen Hauptabschnitt C einschließt, wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 besehrieben. Die Erregungsabschnitte A und B sind rechteckige Wellenleiterabschnitte gleicher Dimensionen und in übereinandergeschichteter Beziehung angeordnet, wobei ihre Breitseiten parallel und in einem Abstand zueinander in der Richtung OY angeordnet sind. Der Hauptabschnitt C weist eine Breite auf,die vorzugsweise derjenigen der Erregungsabschnitte gleicht, sowie eine Höhe B, die gleich oder wie hier gezeigt geringfügig größer sein kann als

.. _lg .209808/034

JO 154H64

die kombinierte Höhe der Erregungsabschnitte. Der Hauptabschnitt C, der hier mit einer konstanten. Quer fläche dargestellt ist, hat eine Länge L und seine Strahlungsöffnung (am rechten Ende inder Zeichnung) liegt auf der mit S in Fig. > und 2 bezeichneten Oberfläche. Die Abschnitte sind in Querrichtung so dimensioniert, daß Jeder der Erregungsabschnitte A und B den Grandtyp (fundamental mode) TE₁₀ der UHP-Energie fortpflanzen kann, die hieran angelegt ist,, während der Hauptabschnitt C sowohl den Grundtyp (fundamental mode) TS-iQ ¹^¹** ^^ββ ^der unteren, oberen Oberschwingungen (harmonic modes) einschließlich der ungeraden (oder asymmetrischen) Schwingungen (odd modes) TE^₁ und TM. -· Höhere Oberschwingungen (higher modes) können sich nicht fortpflanzen oder liegen unter der Grenzfrequenz .

In Betrieb werden die Erregungsabschnitte A und B

f unabhängig durch später zu beschreibende Einrichtungen erregt, mit einer Energie, deren Phasenverhältnisse nicht im gegenseitigen Verhältnis zueinander stehen, d.h. daß die an den Abschnitt A angelegte Erregungsenergie wahllos in Phase gebracht wird in bezug auf die an den Abschnitt B angelegte Energie. Um den Charakter des Ausgangsfeldvertellungsverlaufs zu bestimmen, wenn nur einer der Erregungsabschnitte, A oder B, erregt wird, ist darauf hinzuweisen, daß ein solcher Feldverlauf als das Ergebnis aus der Vektorsumme von

_{m 20}209808/0349

zwei anderen Feldverläufen angesehen werden kann., nämlich (a) derjenige, der bei der Erregung beider Abschnitte A und B mit kohärenten Wellen gleicher Amplitude in gleichphasiger Beziehung erzielt wird, und (b) derjenige, der bei der Erregung beider Abschnitte mir kohärenten Wellen gleicher Amplitude in gegenphasiger Beziehung erzielt wird; die Amplituden einer jeden der beiden Komponenetenwellen betragen dabei die Hälfte der gewünschten Amplitude der Einzeleingangs-ErregungsweHe · Demzufolge ist es notwendig, die in jedem der beiden Fälle (a) und (b) erhaltenen Ausgangsfeldverläufe nacheinander in Betracht zu ziehen.

(a) Wenn die Erregungsenergie bei beiden Abschnitten A und B von gleicher Phase ist, kann leicht gezeigt werden, daß aus Gründen der Symmetrie nur gleichmäßige (oder symmetrische) Oberschwingungen (even modes) sich den Hauptabschnitt C hinunter fortpflanzen können. Da die einzige gleichmäßige (oder symmetrische) Oberschwingung (even mode), deren Fortpflanzung durch den Aufbau auf Grund der Dimensionierung der Wellenleiterabschnitte zugelassen ist, die Grundoberschwingung (fundamental mode) TE₁₀ ist, erscheint nur diese letztere Oberschwingung auf der Strahlungsöffnung. Der Feldverteilungsverlauf dieser Grundoberschwingung (fundamental mode) ist gut bekannt und wird in Fig. 6a und 6b veranschaulicht. In Fig. 6a werden die Vektoren der elektrischen Feldkompo··

209808/0349

- 21 -

nenten in ausgezogenen Pfeilen und die magnetischen Vektoren in gestrichelten Pfeilen dargestellt, gemäß der üblichen Darstellungsweise. Der elektrische Vektor ist über die öffnung konstant, wie eindeutig aus Fig. 6b hervorgeht, während die Abszissen Amplituden des elektrischen Feldes darstellen.

(b) Wenn die den Abschnitten A und B zugeführte Erregungsenergie in einer AntiphasenbeZiehung ist, kann in gleicher Weise gezeigt werden, daß nur ungerade (oder asymmetrische) Oberschwingungen (odd modes) der Energie sich durch den Ausgangsabschnitt C des Mehrfachwellenaufbaus fortpflanzen können. Dies bedeutet, daß nur die TE₁₁ und TM₁ . -Oberschwingungen (modes) zur Fortpflanzung in der Lage sind, und daß der sich ergebende Feldverlauf an der Strahlungsöffnung die Vektorsumme der Feldverläufe auf Grund dieser beiden Oberschwingungen (modes) ist. Die Umstände sind dann so wie in Fig. 7 dargestellt. Fig. 7a zeigt den Feldverlauf in der Ebene der Strahlungsöffnung, erzeugt durch die TE₁₁- Oberschwingung (mode), wobei die elektrischen Kraftlinien wiederum als ausgezogene Pfeile und die magnetischen Linien als gestrichelte Pfeile dargestellt sind· Fig. 7b zeigt die Ausgangsfeldverteilung, erzeugt durch die TM₁₁ Oberschwingung (mode), wobei die gleiche Symbolik verwendet wurde. In diesem Fall, wie ohne weiteres mathematisch gezeigt werden kann, weist der durch die Überlagerung der beiden zuletzt berücksichtigten Verläufe

„ 22 .209808/0349

erzeugte Verlauf die durch Fig. 7c und 7d in Vorder- und Seitenansicht gezeigte Form. Das heißt, die elektrischen Feldvektoren sind in der oberen und unteren Hälfte der Strahlungsöffnung in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet, wobei die Feldintensitäten entsprechend einer halben Sinuskurve wechseln, wie eindeutig in Fig. 7d gezeigt wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß, da die anteiligen Erregungsoberschwingungen (exciting modes) TE₁₁ und TM,., die den beiden Eingängen der Mehrfachwellenquelle zugeleitet werden, die gleiche Abschneidfrequenz (cut-off frequency) und die gleiche Phasengeschwindigkeit aufweisen, die sich ergebende Feldform wie durch die Verläufe von Fig. 7c und fd gezeigt als eine "pseudo-Oberschwingung" (pseudo-mode) angesehen werden können, und daß diese passenderweise als "EM₁₁" pseudo-Oberschwingung (pseudo-mode) bezeichnet werden kann.

Wenn nun nur ein einziger der Eingänge A und B mit Energie erregt wird, dann ist, wie vorstehend vermerkt, der sich ergebende Feldverlauf die Vektorsumme der in den Fällen (a) und (b) erhaltenen Verläufe. Dies wird in Fig. 8 eindeutig gezeigt. Die Figur 8a ist der Figur 6b ähnlich und zeigt., daß im Falle (a) erzeugte konstante Ausgangsfeld, während Fig. 8b der Fig. 7d ähnlich ist und in ausgezogenen Linien das im Falle (b) erzeugte halbsinusförmige Ausgangsfeld zeigt. Wie ohne weiteres ersichtlich, weist der endgültige in ausgezogenen Linien in Fig. 8c ge-

- 23 -

209808/0349

ft 154H64

zeigte Feldverlauf die gleiche halbsinusförmige Form wie 'im Falle (b), wird aber in Richtung auf die.höheren Feldwerte um einen Betrag verschoben, der dem im Falle (b) erhaltenen konstanten Feldwert entspricht. Fig. 8c zeigt in ausgezogenen Linien bei F. (y) den Feldverlauf, der erzeugt wird, wenn ein einziger der beiden Eingänge (beispielsweise Eingang A), erregt wird. Wenn nur der andere Eingang, beispielsweise B, erregt wird, wird ein Feldverlauf erzeugt, der dem als F* (y) gezeigten ähnlich ist,jedoch in bezug auf den Mittelpunkt 0 der senkrechten Dimension der Ausgangsöffnung umgekehrt ist, wie in gestrichelten Linien durch die ^{Kurve f}b (^y) S⁸²⁶¹S^ wird.

Um die obigen Ergebnisse mathematisch zusammenzufassen kann gesagt werden, daß im Falle (a) der Ausgangsfeldverlauf durch eine flache Gleichungskurve S(y) = Steine Konstante) darstellbar ist, in dem Intervall (- J2 > + b)j

- 2

im Falle (b) der Ausgangsfeldverlauf durch eine Sinuskurve der Gleichung D(y) = D_Q sin (ffy/b) über denselben Intervall darstellbar ist. Der Ausgangsfeldverlauf in dem Falle, wo nur ein Eingang erregt wird, wird dann durch die Gleichung

F(y) - B(y) t D(y),

dargestellt, wobei das Pluszeichen verwendet wird, wenn ein Eingang, beispielsweise A, erregt wird, und das Minus-·

- 24 -

209808/0349

zeichen, wenn der andere Eingang B erregt wird. Hieraus ergeben sich die folgenden beiden Gleichungen für die Kurven P.(y) und F_B(y), die die Ausgangsfeld« verlaufe darstellen, wenn Eingang A oder Eingang B wahlweise und beziehungsweise erregt werden:

*_A(y) - s_E,Ti + k sin (TT y/b)_7 F_B(y) - s_e2Ti - k sin (Tf y/b)J7

wobei k = Dq/S_e ist. Diese Gleichungen sind echt über

den Intervall (- b, + Jo), - 2' 2

Im folgenden werden zwei angrenzende Mehrwellenstrahler der in Fig. 2 und 3 gezeigten Kombination berücksichtigt, beispielsweise die Strahler 21 und 22.

Wenn die Eingangsenergie einer geeigneten Frequenz an den Zuleitungseingang j51 von mit beiden Strahlern verbundenen Hybriden 41 angelegt wird, dann wird diese Energie in gleichphasiger Beziehung an die Erregungsabschnitte B, und A2 der beiden angrenzenden Strahler 21 und 22 weitergeleitet. Wie aus den vorstehenden Erklärungen ersichtlich ist, ergibt die an den Eingang Bl angelegte Energie an der Ausgangsöffnung des Ausgangsabschnitts Cl des Mehrfachwellenstrahlers einen Feldverteilungsverlauf F_B(y), wie durch die obige Gleichung (2) dargestellt und mit der in Fig. 2 oder 3

- 25 209808/0349

gezeigten gestrichelten Kurve F_ß(y) dargestellt. Die an den Eingang A2 angelegte Energie ergibt an der Ausgangsöffnung des Ausgangsabschnitts C2 einen Feldverteilungsverlauf F»(y), wie durch die Gleichung (1) und durch die gestrichelte Kurve F^(y) dargestellt. Hieraus ergibt sich, daß in der Kombination von Fig. 2, die in sämtliche der ungerade numerierten Zuleitungskanäle 31* 55, ... gespeiste Energie zusammenwirkt, um eine kontinuierliche sinusförmige Kurve der Energieverteilung, wie in ausgezogener Linie dargestellt, zu erzeugen, und gleichermaßen trägt die in sämtliche der gerade numerierten Zuleitungskanäle 50* 52, .. zur Bildung einer anderen und umgekehrten sinusförmigen Kurve der Feldverteilung bei, wie in gestrichelten Linien dargestellt.

Unter Berücksichtigung der gesamten Feldverteilungsverläufe, die durch die Kombination von Mehrfachwellenstrahlern erzeugt werden, wie durch die Kurven in ausgezogener und gestrichelter Linie dargestellt, ergeben sich mehrere wichtige Merkmale dieses Verlaufs.

Zunächst können die beiden Feldstärkenkurven, während sie ineinandergreifen (oder sich gleichmäßig überlappen), so daß ihre Spitzen um einen Mindestabstand voneinander entfernt sind, gleichzeitig und wechselseitig crthogonal in analytischem Sinne des Wortes gemacht werden, so daß

- 26 -

209808/0349

keine wechselseitige Kopplung der entsprechenden Feldenergien stattfindet, die durch die beiden Kurven dergestellt werden. Es wird daran erinnert, daß zwei Funktionen über einen Intervall orthogonal sind, wenn die Integrale des Produkts der beiden Funktionen über diesen Intervall gleich Null ist. Wenn wir das Integral des Produkts der beiden Funktionen FpXy) undals durch die Gleichungen (1) und (2) über den

Intervall (-b, b/2) bilden, d.h.
- 2

b/2

P_A(y).P_B(y).dy

-b/2

ist ohne weiteres ersichtlich, daß diese Integrale gleich Null ist, wenn k = V2 ist. Wenn diese Bedingung daher erfüllt ist, werden die von der Kombination ausgestrahlten Felder, wie durch die beiden ineinandergreifenden Kurven dargestellt, voneinander entkuppelt, und da die Spitzen der Kurven die Richtungen der Hauptkeulen des Richtwirkungsverlaufs des Antennensystems anzeigen, ist ersichtlich, daß, (wie vorstehend angegeben) das so offenbarte System es ermöglicht, die Auflösung für eine gegebene Strahlerbreite und damit Anzahl über diejenige zweifach zu verstärken, die durch eine herkömmliche Kombination erzielt werden kann, in der die Energiespitzen als die Spitzen der einen oder der anderen der beiden Kurven des Feldverlaufs des verbesserten Systems

209808/0349

- 27 -

voneinander entfernt wären.

Ein weiteres und gleichermaßen wichtiges Merkmal des verbesserten Feldverteilungsverlaufs, dargestellt durch die sich regelmäßig überlappenden Kurven von Fig. 2 und 5 ist ihre starke Ähnlichkeit, geometrisch gesehen, mit dem Diffraktionsverlauf, der in der Brennebene der Bündelungsvorrichtung 1 in Verbindung mit der Kombination von einer Strahlungsquelle im Unendlichen erzeugt würde. Wenn die Feldverteilung so hergestellt werden kann, daß sie mit diesem Diffraktionsverlauf übereinstimmt, dann zeigt die Theorie, daß der Gewinn des Systems ein Höchstmaß erreichen würde. In Übereinstimmung mit !einem Merkmal der Erfindung sind die Kombinationselemente so abgemessen und andere Parameter so vorbestimmt, in wechselseitiger Beziehung mit den Merkmalen der verwendeten Bündelungseinrichtung 1, daß diese Bedingung ebenfalls erfüllt wird.

Um zu verstehen, wie dies erfolgt, ist es zunächst notwendig, die Merkmale des Diffraktionsverlaufs in größeren Einzelheiten zu berücksichtigen. Der durch eine Linse 1 oder eine gleichwertige Bündelungsvorrichtung durch eine Punktquelle erzeugte elementare Diffraktionsverlauf oder -fleck in einer gegebenen Richtung weist die in Fig. 4 gezeigte Form auf, wobei

- 28 209808/0 3 49

154H64

die Ordinaten die Feldstärke oder Signalamplitude anzeigen. Die Peldkurve des Diffraktionsverlaufs ist so dargestellt, daß sie eine positive mittige Keule mit großer Amplitude aufweist, und eine unendliche Reihe von wechselweise negativen und positiven Seitenkeulen von sich stets verringernder Amplitude. Eine solche Kurve hat die Gleichung der allgemeinen .Form SiS-H.

u Wenn sämtliche Seitenkeulen mit Ausnahme der ersten negativenKeulen unberücksichtigt bleiben, was eine zulässige Näherung in Hinsicht auf die sich rasch verringernden Amplituden der Seitenkeulenreihe ist, dann ist ersichtlich, daß die resultierende abgestumpfte Diffraktionskurve um einen Zyklus der verschobenen oder versetzten Sinuswellenkurve gemäß Fig. J5 stark angenähert ist. Dies sei durch die folgende summarische Analyse klargestellt.

Die Gleichung (l) der Kurve F_A(y) in Fig. j5 kann wie folgt umgeschrieben werden, wenn die Koordinate y in der Gleichung (1) durch eine Koordinate ζ = y + b er-

2 setzt wird, d.h. wenn der Ursprung der Koordinaten am einen Ende der Ausgangsöffnung eines elementaren Strahlers angenommen wird:

F. (ζ) = S„(A + k COS⁷JIz.. ) (4)

^A- ^E- b

-29 -

209808/034

Die Gleichung der Diffraktionsfeldkurve kann wie folgt geschrieben werden:

sin G (z) = m

2S" (5)

wobei D die effektive Öffnung der Bündelungsvorrichtung ist, beispielsweise ein Spiegel oder eine Linse,in Verbindung mit der primären Kombination,^ die Wellenlänge der übertragenen Energie und F die Brennweite.

Um die durch die entsprechenden Gleichungen (4) und (5) dargestellten Kurven aneinander anzupassen, so daß die Feld· Verteilungskurve F« (z) eine gute Näherung der Diffraktionskurve G (z) darstellen soll, muß der Parameter b so ausgewählt werden, daß die Nullen der Kurve F.(z) an beiden Seiten des Ursprungs mit den Nulka der Kurve G (z) übereinstimmen. Die Funktion G (z) entspricht 0 für ΤΓόζ = +

-vF d.h. ζ = + 2ϊϊί* uttd die Funktion F.(z) = 0 bei ^

w " ^D

cos V ζ - JL . Wenn daran erinnert wird, daß k = V2 jst,

b k

um die Bedingung der Orthogonal!tat zu erfüllen, so ergibt sich die Bedingung D = 4 ^ F .

Hieraus ergibt sich, daß, durch die geeignete Auswahl der Breite b der . .elementaren Strahler in der Kombination in bezug auf die Brennweite und die Öffnung der Bündelungsvorrichtung 1 und der Wellenlänge es möglich ist, die Feldverteilungskurve am Ausgang der Kombination

209808/0349

15A1464

si

von Pig. 2 so anzupassen, daß sie im wesentlichen mit dem in der Brennebene der Bündelungsvorrichtung durch eine im Unendlichen befindliche Strahlungsquelle gebildeten Diffraktionsverlauf übereinstimmt. Wenn dies erfolgt ist, erreicht der Gewinn des sich ergebenden Antennensystems ein Höchstmaß, und das Außengeräusch wird auf ein Minimum verringert.

Um die Offenbarung bis zu diesem Punkt zusammenzufassen, wurde gezeigt, daß durch die Verwendung einer primären Antennenkombination in einem Mehrbandantennensystem, wobei die Energiezuführung zu den elementaren Strahlern so durchgeführt wird und die Dimensionierung in bezug auf die Merkmale der mit der Kombination verbundenen Bündelungsvorrichtung so ausgewählt wird, daß der Feldverteilungsverlauf an der Ausgangsoberfläche der Kombination (wobei diese Oberfläche die Brennoberfläche der Bündelungsvorrichtung bildet) dem von einer unendlich entfernten Strahlungsquelle durch die Bündelungsvorrichtung erzeugten Diffraktionsverlauf stark ähnelt, die Auflösung und der Gewinn des Mehrbandantennensystems gleichzeitig auf ein Höchstmaß gebracht werden können, ein Ergebnis, dessen Erzielung bisher für unmöglich galt.

Es ist ersichtlich, daß die praktische Verwirklichung der vorstehend erwähnten Ergebnisse gewisse zusätzliche Maßnahmen erfordert, dieberücksichtigbwerden müssen.

Während festgestellt wurde, daß die Feldverteilungskurven F» und F„ der abwechselnden Strahler der Kombination so orthogonal gemacht werden können, daß sie Jede wechselseitige Kupplung oder gegenseitige Beeinflussung ausschließen, es eine Bedingung von größer Bedeutung für den richtigen Betrieb der erfindungsgemäßen Kombination ist, wie leicht erkennbar ist, ist diese Feststellung nur dann wirklich zutreffend, wenn die angrenzenden Abschnitte einer jeden Mehrwellenquelle (multimode source) sowohl in dem symmetrisch erregten Zustand als auch in dem asymmetrisch erregten Zustand voneinander entkuppelt sind, d.h. wenn sowohl die "A" und die "B"«Zuleitungen in Phase erregt werden, und wenn sie in Gegenphase erregt werden. Entsprechend einer bevorzugten Ausfiährungsform der Erfindung werden daher Mittel geschaffen, um die Me' »'fachwellenquellenabschnitte (multi-mode source sections) sowohl in bezug auf symmetrische (oder gerade) Oberschwingungen (symmetrical modes) und asymmetrische (oder ungerade) Oberschwingungen (skew-symmetrical modes) getrennt zu entkuppeln. Für die Entkupplung in bezug auf die geraden Oberschwingungen (even modes) können geeignete Energie absorbierende Elemente in Form von Streifen, Lamellen, induktive und/oder kapazitive Elemente können in den entsprechenden Eingangsabschnitten A und B angeordnet werden, wie dies für die Fachleute der Wellenleitertechnik verständlich ist und für die Endkopplung in

209808/0349

154H64 33

bezug auf die ungeraden Schwingungsarten (odd modes) werden ein oder mehrere Streifen in der Mittelebene des Hauptwellenleiterabschnitts C angeordnet, vorzugsweise in einer einstellbaren Entfernung von dem Ende der Trennwand zwischen den Eingangsabschnitten A und B. Ein solcher Streifen wird schematisch in den Mehrfachwellenstrahler 2;5, der in Fig„ 2 gezeigten Kombination mit P bezeichnet. Der Streifen wirkt als paritätsselektives Hindernis (parity-selective obstacle), insofern als er in keiner Weise die fundamentalen und höheren symmetrischen, (d.k. geraden) Energieschwingungsarten beeinflußt, während er darauf einwirkt, die reflektierten asymmetrischen,(d.h. ungeraden) Energieschwingungsarten unwirksam zu machen, woraus sich die gewünschte Endkopplung zwischen den beiden Eingangsabschnitten ergibt. Herkömmliche Mittel, die die vorstehend erwähnten Endkopplungselemente in den einzelnen Eingangsabschnitten enthalten können, werden vorzugsweise ebenfalls vorgesehen, um die Eingangsadmittanzen an die dazugehörigen Zuleitungen anzupassen.

209808/03 4 9

Zusätzlich zu der wichtigen Bedingung der Erfindung, daß die FeldVerteilungskurve eines jeden Strahlers zu der Diffraktionskurve passen soll, wobei diese Bedingung im wesentlichen die Ausgangsabs chnittbrel te b des in Fig. 5 gezeigten Mehrfach— wellenquellenaufbaus zeigt, Detrifft, müssen weitere Dimensionsbedingungen erfüllt werden, damit der Aufbau die erforderlichen Schwingungsarten durch seine verschiedenen Wellenleiterabschnitte hindurch übertragen kann. Wie vorstehend angegeben, dürfen die Erregungsabschnitte A und B nur die fundamentale Schwingungsart TS₁₀ übertragen, während der Hauptabschnitt C beide Schwingungsarten TS₁₀ und EM,, übertragen darf,- während die höheren Schwingungsarten unter der Grenzfrequenz liegen (are evanescent). Im übrigen müssen die relativen Phasen der beiden letztgenannten Schwingungsarten die gleichen sein, sowohl in der Eingangs- wie der Ausgangsendebene des Hauptabschnitts C.

Es kann mittels der herkömmlichen Wellenleitertheorie gezeigt v/erden, daß die ersten beiden Bedingungen in Bezug auf die Übertragung der erforderlichen Schwingungsarten erfüllt werden, wenn die folgende Relation erfüllt wird:

Λ'ο < λ < Λο (7)

wobei X 'c die Grenzwellenlänge der Pseudoschwingunesart EM,. und /, c die Grenzwellenlänge der ersten

209808/0349

- 34 - bad ORIGINAL

heileren Schwingung ε art, die unter der Grenzfreauenz lie_ot {hi_e,h evanescent r.>ode) ist, wobei X/c und JLo von den ^uerdimensionen a und b des Singangsabsohnitts des !Jellenleiters abhängen. Die dritte Bedingung.» die Phasen betreffend, betrifft die Dimensionierung der Ausgaiigsabschnittlänge L, Es hann gezeigt v/erden, da3 die Bedingung erfüllt wird, v;enn L die folgende Relation erfüllt:

2 -JT

10 "Tl

v;...oei .3« und ß,» die '-.'elienfortpflanZun^siroeffiaienten in den Schwingungsar ten TE, _Q und, Ls-,;. "SK₁₁"' sind, d.h.

«* S₁₁- ^ A- (i)^s-(#^a

•4 T7

'ierm b - -~=r- wie aus Gleichung ( 6), taid voraussetzend

-'ρ F

'"erte, se ergibt sich L= 6.8. Selbstverständlich seilen die auletst angegebenen '.'arte nur zur 7eranschi,iiliol:u:i..": dienei,.

Der in Fig. 5 gezeigte und vorstehend beschriebene Kehrfach'./ellenaufbau ist, wie'oben angegeben,. von der E-Sbene-Art. Wenn Aufbauten dieser Art als elementare Strahler in einem föehrfachwellemntennensystem nach der Erfindung verwendet -werden, kann das System Abtastoperationen auf der elektrischen Ebene ( der vfeilenpolarisationsebene) ausführen, und die Strahlerkombination kann selbstverständlich so angeordnet werden, diese Ebene senkrecht ist, für die wahlweise Senkrecht-, Waagerecht- oder Azimuthaiabtastung. Das erfindungsgemäße

209808/0349

- 35 -

_a£ 154H64

«56

System kannwahlweise Mehrfachwellenaufbauten der H-Ebene-Art als elementare Quellen in deren primärer Kombination verwenden. Ein solcher Aufbau wird beispielartig in Fig. 9 dargestellt. Dieser Aufbau ist so ausgelegt, daß er im wesentlichen in so fern von dem E-Ebenen-Aufbau von Fig. 5 abweicht, daß die Erregungswellenleiterabschnitte A und B in diesem Fall mit ihren Breitseiten koplanar und mit ihren Schmalseiten angrenzend und parallel nebeneinandergestellt sind, anstatt mit ihren Breitseiten angrenzend und parallel und ihren Schmalseiten koplanar übereinander geschichtet sind, wie in Fig. 6. Die Erregungsabschnitte A und B weisen so abgemessene Querdimensionen auf, daß sie nur die fundamentale Schwingungsart TE. fortpflanzen. Der Hauptleiterabschnitt C hat die Querdimensionen a und b so abgemessen, daß er nur die Schwingungsarten TE₁₀ und TE_2o fortpflanzt, wobei höhere Schwingungsarten unter der Grenzfrequenz liegen (are evanescent). Die Länge L des Hauptabschnitts wird so eingerichtet, daß der Pharenunterschied zwischen den Schwingungsarten TE_1o und TE₅₀ die gleiche ist sowohl in der Eingangsebene des Hauptabschnitts C, wie in dessen Ausgangsebene ( die Strahlungsöffnungsebene).

Der allgemeine Arbeitsvorgang ist der gleiche wie bei dem E-Sbene-Artigen-Aufbau. Wenn beide Eingangsabsohnitte A und B mit in Phase miteinander liegenden Signalen erregt v/erden, kann sich nur die symmetrische

209808/0349 -36-

J? 154U64

)gerade) fundamentale Schwingungsart TE- durch den Ausgangsabschnitt C fortpflanzen,und die FeIdverteilung in der Ausgangsebene kann durch eineFunktion der Formel D(x) = D_H cos —— /. %

dargestellt werden. Die Form der Feldverteilungskurve wird in Fig. 10a gezeigt, und die Verteilung der elektrischen Feldkraftlinien in einer Querebene des Ausgangsabschnitts wird in Fig. 10b durchPfeile angezeigt.

Uenn die Eingangsabschnitte A und B mit Signalen in Gegenphase-Beziehung erregt werden, \</ird in der Ausgangsebene des Abschnitts C, von der TE₂₀ Schwingungsartenergie, die sich durch diesen Abschnitt fortpflanzt, ein asymmetrisiies oder ungerades Feldverteilungsgesäbz der Formel

S(x) = Sr₁ sin 2.% -S (ll)

gebildet, die durch die Sinuskurve in Fig. 11a gezeigt wird. Die elektrischen Feldkraftlinien werden dann wie in Fig. 11b gezeigt, verteilt.

Wenn beide Eingangsabschnitte A und B unabhängig voneinander erregt werden, so ist die resultierende Feldverteilung die Summe der Feldverteilungen in den ersten beiden vorstehend erwähnten Fällen, wie in Fig. 12 dargestellt. Die Feldverteilungsfunktionen, die in der Ausgangsebene des Strahlers durch die an die entsprechenden Eingänge A und B gespeiste Erregungsenergie erzeugt werden, werden durch die

209808/0349 - 37 -

154H64

Summe, bzw. Differenz der Gleichung (lü) und (ll) dargestellt. l-Jenn 1: - Dg/Sp- als Verhältnis der "geraden" zu den "ungeraden" SchvriLngungsartarr.plituden angesetzt v;ird, die Anwendung der Orthogonalitätsbedinsung, sinngemäß zu der vorstehend geschriebenen Gleichung (3) so zeigt dies, daß die beiden resultierenden Feldverteilungsgesetze P_A(>0 und F_B(z) orthonogonal sind wenn k = 1 ist. Die letzten Gleichungen für die Feldverteilungskurven in einer erfindungsgemäßen Kombination unter Verwendung von H-Ebene-artigen Mehrfachwellenstrahlern sind demnach:

F_A(x) - S_H £«, %f ₊ sin SJL*J (12) P_B(x) = S„ /cos yfx - sin 2 J χ 7 iX>)

ο» a

Eine Strahlerkoiv.b!nation die vier Η-artige Mehrfach-•jellenstrahler umfaßt, Ist teilvreise und schematisch in Fig. 13 gezeigt, zusammen mit dem damit zusammenhängenden Zweikurven-Feldverteilungsverlauf, wie er durch die Gleichungen (12) und (1.5) gegeben ist. Die vier angrenzenden Η-artigen Strahler werden mit 2IH bis 24h bezeichnet. Es Ist verständlich, daß bei dieser Darstellung, die derjenigen von Fig. ρ gleicht, die gemeinsame Brennoberfläche (S) auf der die Strahlungsöffnungen sämtlicher Strahler angeordnet sind, zur besseren Vers tändlichkelt zu einer Ebene ausgebreitet worden sind. Die Breitendimension eines jeden Strahlers, gemessen entlang der QX-Koordinate ( parallel zu den Η-Vektor), wird mit a bezeichnet. Bei dem Vagleich von Fig. 13 mit Fig. 3 ist festzustellen, daß die Spitzen und Täler ddr resultierenden Feldverteilungskurye in Fig. 13 doppelt so häufig vorkommen wie in dem Falle

209808/0349

- 38 -

154H64

O- einer E-artigen Kombination wie in Fig. Z>. Demzufolge bilden sich spaltar'tige Lücken oder Unterbrechungen zwischen angrenzenden F_A und F_p-Kurven, die gegenüber jeder einzelnen der Ttennungswände zwischen angrenzenden Η-artigen Strahlern. In vielen praktischen Fällen jedoch, insbesondere wenn die Brennweite der mit der Kombination verbundenen Bündelungsvorrichtung verhäitnisüiässig kurz ist, beeinträchtigt dies nicht erheblich die Arbeitsweise des Systems. Die spaltartigen Lücken in dem Feld können nämlich als überbrückt angesehen werden, wie durch die strichpunktierten Überbrückungsliniai in Fig. Yj angezeigt.

Bei weiteren Abwandlungen der Erfinde .ig können die einzelnen Strahler der primären Kombination die Form von zusammengesetzten E- und H-Ebene-Mehr fiehwellenaufbauten aufweisen. !Jährend eine solche Abwandlung hier nicht dargestellt wurde, um eine unnötige Vervielfachung der Zeichnungen zu vermeiden, ist sie aus der vorliegenden Anmeldung, in Verbindung mit Bezug auf die gleichzei tig lauöide Anmeldung C 26 ohne weiteres verständlich. In Fig. 5 dieser AnmeJ&ing wird ein zusammengesetzter Mehrfachwellenstrahleraufbau scienatisch dargestellt, der so aufgebaut ist, daß er unabhängige gegenseitig entkoppelte FeIdverteilungsverlaufe in zwei orthogonalen Richtungen zu ihrer Ausgangsebene erzeugen kann. Entsprechend der Erfindung kann eine Reihe solcher zusammengesetzter Mehrfachwellenstrahler zusammengesetzt werden, um eine primäre Kombinationfür ein verbessertes Mehrfach-

209808/0349

154H64 HO

antennensystem zu schaffen, wobei beide Querdimensionen ("b" und "a") des Aufbaus, entlang der E und H-Richtungen, getrennt inBsziehung auf die Brennweite und die öffnung der damit verbundenen Bündelungsvorrichtung vorbestirnrnt werden, und die Amplitudenverhältnisse der an die "A" und "B"-Eingänge gespeiste Srregungsenergie in beiden Richtungen werden getrennt vorbestimmt, entsprechend den vorstehend ausgeführten Lehren, so daß die Ausgangsfeldverteilungen der Kombination entlang der E- und Η-Richtungen der in Fig. y und Fig. lp gezeigten Arten sind. Der Gewinn und des Auf. lösungsvermögen des Mehrbandantennensysterns wird dann für alle Richtungen ein Höchstmaß erreichen.

Vorstehendes hat im einzelnen die Form und die Merkmale des elektrischen FeldverteilungsVerlaufs offenbart, der am Ausgang einer der Erfindung entsprechend hergestellten primären Antennenkombination erzeugt wurde. Diese primäre Feldverteilung erzeugt ihrerseits ein Strahlungsdiagramm, das primäre Strahlungsdiagramm des Antennensystems, das die mit der Kombination verbundene Bündelungsvorrichtung erhellt. Wie aus der Antennentheorie bekannt ist, stimmt die Forai dieses Strahlungsdiagramms wesentlich mit der Forier-Transfor^ation des Strahlungsverlaufs zusammen, aus dem es erzeugt wird. Das primäre aus dem FeIdverteilungsverlauf eines einzelnen Elementar-E-artigen Strahlers, der in Fig. 2 oder 2 gezeigten. Art erzeugte primäre Strahlungsdiagramm wird in Fig. lh veranschaulich·;.

2 0 9 8 0 8/0349

- ^⁰ - BAD ORIGINAL

Diese Kurve wurde experimentiell bei einer Frequenz von ca. 10.000 Megahertz bestimmt und entspricht ziemlich genau dem theoretischen Diagramm, das von der Fourier'sehen Transformation der Funktionen F.(y) und -FgCy) abgeleitet ist, die durch die Gleichungen (1) und (2) gegeben sind, llenn dieses Diagramm mit dem E-Ebene-Strahlungsdiagrar-im eines herkömmlichen Hornstrahl-ers verglichen wird, das unter vergleichbaren Bedingungen erhalten wurde, so ist festzustellen, daß die Hauptkeulen wesentlich steilere Seiten haben und die Seitenkeulen oder Ohren wesentlich niedriger sind. Hieraus kann erwartet werden, daß das durch das System erzeugte gesamte oder sekundäre Strahlungsdiagramm einen größeren Gewinn aufweisen wird, sowie .einen verringerten Verzerrungs- (spill-over) und einen geringeren Geräuschpegel hat, zusätzlich zu der Verstärkung dss Auflösungsvermögens, das seiner Natur nach von der verbesserten Kombination wie vorstehend erklärt, geschaffen wird.

In Fig. 14 sind die Abszissen dimensionslose Nummern, die proportional zu der Breite b des E-artigen Mehrfachuellensträniers sind, und die Ordinaten in Dezibel stellen Strahlungsleistung Pr in der senkrechten Ebene in einer Richtung dar, die um den Winkel # zu der Achse geneigt ist.

Das zweite Strahlungsdiagramm eines elementaren

Strahlers kann seinerseits durch eine einfache

209808/0349

mathematische Analyse abgeleitet werden. Obwohl die Analyse hier aus Gründen der Kürze nicht gegeben wird, wird darauf hingewiesen, daß der allgemeine Vorgang die Berücksichtigung des Systems betrifft, das aus dem Mehrfachwellenstrahler plus der Bündelungsvorrichtung als zusammenpassende Filterkombination besteht, in Übereinstimmung mit den Anwendungsprinzipien

an der Signaltheorie an Antennerisysteinen, auf die/einer anderen stelle eingegangen wurde. Die Komponenten des Systems werden so behandelt, als ob es zusammenpassende Bandfilter wären, so daß aus der Kenntnis der Beleuchtungslehre ( oder des Peldverteilungsverlaufs) des Kehrfachuellen-primären Strahlers und des Diffraktionsverlaufs dercBündelungsvorrichtung die Stärke des ausgestrahlten Feldes in einer gegebenen Richtung errechnet werden kann. Die Ordinaten des gewünschten Strahlungsdiagramm, die den Gewinn des Systems in der ebenen Richtung darstellen, können dann als proportional zu dem Quadrat der Feldstärke bestimmt werden. Das zweite in Verbindung mit einem Elementarstrahler oder -quelle verbundene sekundäre Diagramm wird in Fig. 15 gezeigt, v/o die Abszissen Ψ dieErhebungswinkel in Grad darstellen und die Ordinaten in Dezibel den Gewinn Ge. Hier nähert sich die Experimentenkurve, die bei etwa lo.ooo Megahertz mit einer kreisförmigen Bündelungslinsenvorrichtung von ca. 50 cm Öffnungsdurchmesser (D), und einer Brennweite von F = 50 cm erhalten wurde, wiederum stark der wie oben erklärt, errechneten theoretischen Kurve. In Fig. 15 zeigt die senkrechte gestrichelte

209808/0349

~ 42 «

BAD ORIGINAL

> Linie die ungefähre Stellung der Schnittpunkte des Strahlungsdiagramms mit denjenigen einer nächsten angrenzenden Quelle. Der Schnittpunktpegel ist bei einer Kombination nach der Erfindung wesentlich vergrößert, was insofern vorteilhaft ist, als der Mindestgewinn entsprechend erhöht wird.

Fig. 16 veranschaulicht in ähnlicher Weise den sekundären oder gesaraten Strahlungsverlauf des Dreibandantennensystems nach der Erfindung, einschließlich einer Kombination von vier Ε-artigen Mehrfaehwellenquellenaufbauten und der soeben beschriebenen Bündelungsvorrichtung. Die gleichen Koordinaten wie in ig. werden verwendet. Die Seitenkeulen mit niedrigem Pegel wurden bei dieser Darstellung nicht verwendet, um die Zeiciinung klarer zu gestalten. Es wurde festgestellt, de.fi ihre Wirkung bei angemessenen Öffnungen unbedeutend ist und nur für kleine öffnungswerte feststeller ist.

Bei der vorstehenden Beschreibung des E-artigen I-lehrfaehquellenaufbaus unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist noch einmal zu wiederholen, daß die Breitendimension b durch eine Proporvicnalitätsbesiehung a.n das Verhältnis F. D der- Brennweite zur öffnung der Bündelungsvorrichtunggebunden ist. Weiterhin müssen die Querdi.-nensionen a und b den notvrendigen Relationen entsprechen, irn sicher austeilen, daß nur die gewünschter. TE, ^ und TE^₁ sich

209808/0349

BAD

den Ausgangsabschnitt des Mehrfachwellenaufbaus hinunter fortpflanzen können, wie auch vielter verstehend vermerkt wurde. Da diese letztere Dimensionsbedingung ziemlich streng ist, ergibt sich daraus, daß das F/D-Verhältnis des Antennensystems selbst innerhalb ziemlich enger Grenzen bestimmt wird und daß diese Begrenzung in vielen praktischen Fällen sich als störend herausstellen kann. Diese Beschränkung kann jedoch durch die Verwendung von trichterförmigen Mehrfachwellenquellenaufbauten wie die Elementarstrahleraufbauten der primären Kombination vollständig ausgeschaltet werden, entsprechend der nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Ein trichterförmiger Ε-artiger Mehrfachwellenaufbau wird schematisch in Fig. 17 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß dieser Aufbau von dempjnigen von Fig. im weser -,liehen nur dadurch abweicht, daß sein Hauptoder Ausgangsabschnitt zusätzlich zu einem ersten Unte·- abschnitt Cl von gleichbleibenden Q,uerdimensionen einen Endunterabschnitt C2 von Trichterform aufvjeisen. Bei einem solchen Aufbau werden die Dimensionen al und bl des ersten Unterabschnitts Cl wie vorstehend beschrieben ausgewählt, um die Fortpflanzung von nur den gewünschten Schwingungsarten TE₁₀ und TI-L₁ durch den Aufbau zu gewährleisten. Die Querdimensionen a2 und b2 am Strahlungsöffnungsende des Unterabschnitte C2 werden ihrerseits so

- 44 -209808/0349

gewählt, daß sie der vorgeschriebenen Proportional!tätsrelation in Beuug auf das F,'D-Verhältnis zur Erzeugung einer Ausgangsfeldverteilung entsprechen, wodurch der Diffraktionsverlauf durch die damit verbundene Eündelungsvorrichtung simuliert wird und dadurch der Gewinn durch das System auf ein Höchstmaß gebracht wird, entsprechend den vorstehend gegebenen Lehren. Schließlich v/erden die Längen L. und Lp des Unterabschnitts C₁ und C₂ in Bezug zueinander so vorbestiüimt, daß sie die vorstehend erwähnte Bedingung erfüllen, daß die entsprechende Phasenabgleichung der TE₁ und TM₁

JL w JL JL

Schwingungsarten die gleiche ist, sowohl an dem Eingangs- wie dem Ausgangsende des trichterförmigen Unterabschnitts. Eine einfache Kalkulation ergibt eine analytische Beziehung zwischen den Längen L₁ und L₂, die diese Bedingung erfüllt. Diese Beziehung kann erfüllt v/erden, wenn L- auf null verringert wird, und der sida ergebende Aufbau, worin der gleichmässige Abschnittsteil Cl weggefallen ist, wird in der Tat sowohl aus strukturellen wie aus elektrischen Gründen für besonders praktisch geeignet angesehen. In diesem Fall wird die für die Länge Lp oder L des Trichterabschnitts erforderliche Bedingung nachstehend gegeben:

2(a2 - al)

2 (cotan tg-cotan t.)+(t₂-t.)-K(cotan Ug-ootan U₁)-K(U₃-U

wobei sin t.= ^ , sin t_o= λ , sin U₁= Kr--", sin u_o= %T~* 2*T ^a ^X

und K=

209808/03A9

Demzufolge kann festgestellt werden, daß mit einem solchen Aufbau aufgrund des zusätzlichen Grades an Freiheit, der durch den Unterschied im Querschnitt ermöglicht wurde, es Möglich ist, den Strahleraufbau an jeglichen vorher festgelegten Wert des F/D-Verhältnisses der mit der Strahlerkombination verbundenen Bündelungsvorrichtung anzupassen, wodurch die vorstehend erwähnte Beschränkung überwunden wird.

Eine praktische Konstruktion eines trichterförmigen Ε-artigen Mehrfachwellenstrahlers der vorstehend beschriebenen Art wird in Pig. l8 dargestellt. Der Strahler umfaßt den einheitlich trichterförmigen Ausgangsabschnitt C, der an seinem Ausgangsende wie in 210 gezeigt, abgeschrägt ist. Die Abschrägungen dienen zur Verbindung des gezeigten Ausgangsabsehnitts mit dem Ausgangsabschnitt eines gleichartigen angrenzenden (in der Zeichnung nicht dargestellten) Strahlers, ohne eine Unterbrechung zwischen beiden auftreten zu l^en. An seinem Eingangsende ist der trichterförmige Ausgangsabschnitt C mittels einer Trage- und Verbindungsstruktur 212 mit den Zwillingserregungsabschnitten A und B verbunden, die in einem Winkel von 150⁰ bezogen auf die Bohrungsrichtung des Strahlers wie bei 214 angegeben, voneinander weggebogen sind. Das Eingangsende eines jeden der Eingangsabschnitte A und B enthält ein herkömmliches VierteIwellenanpassungsglied 220, das zu der Ε-Ebene paßt und dazu dient, die Höhe des Eingangsleiterabschnitts auf die Höhendimension

209808/0349

" ⁴⁶ " BAC ORIGINAL

ff 154U64

eines normalen "iellenleiterabschnitts herabzubringen, der im vorliegenden Beispiel ( lo.ooo Megahertz Frequenz) Z/ ein be trägt. Die Eingangs leitung A und B von angrenzenden Strahleraufbauten werden mittels der Flansche 2l6 an die entsprechenden Schenkel eines symmetrischen Y-Brenners öder Hybride h verbunden. Der gemeinsame Schenkel des 6-Trenners h ist in einem Träger 218 angebracht und enthält ein Viertelwellenanpassungsglied 221, das zu einer Η-Ebene paßt und dazu dient, den Y-Trenner-Leiter an einem (nicht dargestellten) Zuleitungsleiter von normaler Hohe (3 cm) anzupassen, der in dem Träger 218 damit verbunden ist. Die Verringerung der Wellenleiternöhe war erforderlich, um das Abscnalten der TE₁,-Schwingungsenergie in dem gemeinsamen Schenkel des Y-Trenners sicherzustellen.

Der zwischen den Schenkeln des Y-Trenners in jedem Strahleraufbau gebildete Winkel wurde geometrisch so bestimmt, daß die Ausgangsöffnungen sämtlicher Strahler auf einer gemeinsamen sphärischen Oberfläche ai liegen kommen, die nachstehend zu beschreibende Brennsphäre der Bündelungsvorrichtung.

Die Hauptdimensionen des Strahleraufbaus waren folgende:

Querdiinensionen des Trichterabschnitts C an seinem schmalen oder Eingangsende: Sl₁ = 3.125 cm, b_x = 2.08 cm;

- 47 *
209808/0349

ff 15AU64

Querdimensionen des Trihterabschnitts an seinem breiten oder Ausgangsende:

a₂ = 7·4 cm, b₂ = 4.94 cm. Länge des Trichterabschnitts: L= 21.7 cm.

Die Bündelungsvorrichtung 1 (eine Linse), mit der die Strahlerkombination verbunden war, v/urde mit einer Öffnung von D = 50 cm und einer Brennweite von F - 50 cm angegeben, so daß das Verhältnis F/D = 1 1st. Mit diesem Wert des F/D-Verhältnisses und den vorstehend angegebenen Strahlerdimensionen trat die gewünschte Übereinstimmung zwischen dem Peldverteilungsverlauf des Strahlers und dem Diffraktionsverlauf durch die Blinde lungs verrichtung sowohl in der E wie der H-Ebene für eine übertragene Frequenz von 9·6οο Megahertz.

An jedem Ende der Kombination von vier Strahlern wurden dl''· freien Enden der Y-Trenner verbunden, urn Lastgrenzen aneinanderzupassen. Diese dienen lediglich dazu, die Endstrahler der Kombination aneinanderzupassen, der Kraftverlust bei den zusammenpassenden Belastungen ist vernachlässlenswert gering, wobei dieser Verlust in der Theorie gleich null ist, \βώχι die Übereinstimmung zwischen dem Feldverteilungsverlauf und dem Diffraktionsverlauf vollkommen wäre.

Die in dieser Ausführungsform verwendete Bündelungsvorrichtung war eine kreisförmige Linse aus Polystyrol, umgeben von einem absorbierenden Diaphragma des Nutzdurchmessers D = pO cm .

209808/0349

- 48 - BAD ORIGINAL

Pig. 19 vergleicht den Gewinn der primären Kombination nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit dem Gewinn einer vergleichbaren Kombination aus herkömmlichen Hornstrahlern, auf verschiedene Verschiebungswerte zwischen angrenzenden Strahlen hin. Die verwendeten Koordinaten sind dimensionslose Nummern, proportional zu den vorstehend im einzelnen bezeichneten Variablen. Die Kurve (l) bezieht sich auf die Quelle nach der Erfindung und die Kurve (2) auf die herkömmliche Quelle. Die senkrechte Linie zeigt die Auflösungsgrenze für die Hornstrahler an, ca. 0.9²I- mit den für die Abszissen verwendeten Einheiten. Es ist ersichtlich, dai3 bei diesem Wert der Zwischenstrahlverschiebung die Kombination nach der Erfindung einen wesentlich höheren Gewinn ergibt und-daß deren Gewinn wesentlich höher bleibt als derjenige der herkömmlichen Kombination bei gleichbleibender Auflösung über den gesamten Arbeitsbereich hinweg.. Es ist ebenfalls darauf hinzuweisen, daß die Gewinnkurven nach Fig. 19 für den Einweg-Arbeitsgang (Übertragung oder Aufnahme ) aufgetragen wurden. Im Falle von Zweiwegarbeitsbedingungen nüssen die Gewinnwerte zum Qudat erhoben werden, so daß die durch die Erfindung bewirkte Verbesserung sogar noch erheblicher ist als aus der Figur hervorgeht.

l'lerin die Kombination nach der Erfindung und die herkömmliche Kombination so eingestellt sind, daß jede einen maximalen Gewinn in der Richtung des Schnittpunktes angrenzender Strahlen ergibt, und die Leistung

9808/0349

- 49 - BAD ORIGIN*¹·

OV

der so eingesBllten Systeme verglichen wird, so ergibt sich, daß der Hochstgewinn des verbesserten Systems denjenigen des herkömmlichen um 1.2 db (im Einwg-Betrieb) übersteigt, während gleichzeitig der absolute Pegel der Ausstrahlungskraft in Richtung des Schnittpunktes ebenfalls höher (als vorher angegeben) ist. Des weiteren verleiht die verbesserte Kombination dem System eine verstärkte Auflösungskraft und ermöglicht eine Trennung zwischen einer Höchstzahl von Zielen, wie früher erklärt, während eine kleinere Anzahl von Strahlern Verwendung findet.

Die Einrichtungen zur Zuleitung von Energie zu und von einer primären Antennenkorcbination nach der Erfindung mittels der Hybriden kQ -#4 (Pig. 2) oder gleichartiger Zuleitungseinrichtungen können eine beliebige von verschiedenen Formen annehmen, die im allgemeinen herkömmlich sein können, mit Ausnahme dessen, daß sie den vorstehend angegebenen Anweisungen in Bezug auf die Amplituden und Phasen der an die angrenzenden Strahlerabschnitte angelegten Signale entsprechen müssen, urn FeIdVerteilungsverläufe zu erzeugen, die nach der Erfindung verwendet werden. Nach einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wanden/jedoch sogenannte Iterpolationseinrichtungen in den Pfaden der empfangenen Signale vorgesehen, die von den Strahlern der Kombination abgeleitet wurden, wodurch die Trennkraft des Antennensystems weiter erhöht wird. Das Arbeitsprinzip dieser Ausführungsform der Erfindung

209808/0349

~ 50 «

BAD ORIGINAL

St

wird zunächst unter Bezugnahme auf.,Pig. 20 beschrieben.

Die Kurve i>0 stellt eine fiktive "Zie!oberfläche" in einer weiten Entfernung von dea Antennensystem dar, über die eine Vielzahl von Punktzielen verstreut dargestellt sind, beispielsweise wit einem Kehrbandradar zu steuernde, flugzeuge, mit der.- das. Antennensystem nach der Erfindung- verbunden; ist. Einige der Punictziele, insbesondere die mit LL, M₀ bezeichne Gen, sind in solchen Stellungen angeordnet, da£ ihre Bilder durch die Eündelungslinse 1 mit den Spitzen der Feldverteilungskurven der Strahler über einstImmen, wobei die atsprechencien Bildpunlcte als i.i-, in_o dargestellt sind. Im allgemeinen jedoch.-ist ein Zielpunkt irgendwo zwisehen zwei derart bevorzugten Stellungen angeordnet, die beispielsartig für den Zielpunkt M dargestellt ist. Ein solches Swischenziel erzeugt ein Bild durch die Bündelungslinse 1, das zwischen den Spitzen...Hi₁ und -rn_? angrenzender Feldverteilungssehleifen liegt. VJie aus friliieren Erklärungen hervorgeht, La-nn.'ein solches Z",;ischenbild als aus zwei zusammengesetzten Feldv?erten resultierend angesehen werden, die durch die Ordinaten M^ bzw. K_ß der beiden angrenzenden, sich überschneidenden Feldverteilungs-Echleifen P.(y) und F„(y) bezeichnet sind. Demzufolge ^ei_ot die Länge des Segments oder die Differenz

"•Γ -"T-:

der mit den beiden Abschnitten " ~~ A und B eines von dem Ziel M. angestrahlten Strahlers verbundenen Signalfeldstärken genau an den Uinl:ei der Verschiebung dieses

209808/03 49 :

St

Ziels gegenüber dem Strahl genau an. Die nachstehend beschriebene Interpolationsschaltung leitet eine solche Angabe ab.

Fig. 21 stellt sohematisoh eine solche

Interpolationsschaltung in Verbindung mit dem Zuleitungsansohluß 4l des Strahlerpaars 21 und 22 der Kombination dar. Der Zuleitungsanschluß 41 kann eine herkömmliche Hybride oder eine magische T-Einrichtung (magic T-device) sein, wie vorstehend angegeben und für die Zwecke der vorliegenden Ausführungsform werden sämtliche vier Schenkel oder Klemmen der Einrichtung verwendet. Zwei der mit 411 und 412 bezeichneten Schenkel werden an die Abschnitte B₁ und A₂ der angrenzenden Strahler verbunden, um Energie wie vorstehend beschrieben, zu ihnen hin und von ihnen weg zu übertragen. Ein dritter Schenkel 413 der Einrichtung trägt ein Signal, das die Summe der in den Schenkeln 411 und 412 vorhandenen Signale darstellt, und der vierte Schenkel 4l4 trägt ein Signal, das die Differenz der in den Schenkeln 411 und 412 vorhandenen Signale darstellt.

Der Summensignalschenkel 4lj5 wird mit einer Klemme 52 einer Zirkulatoreinheit 5 verbunden, der zwei weitere Klemmen 51 und 53 aufweist. Die Klemmen

eine
51 ist/mit einer herkömmlichen Radarübertragungseinheit 54 verbundene Eingangsklemme, und die Klemme 53 ist eine Empfangs- oder Ausgangsklemme.

20§fiF§ 8/0349

Die Binheit 5 kann eine beliebige herkömmliche Zirkulatorelnriohtung sein, beispielsweise unter Verwendung von eisenmagnetisohem Material (Ferrit oder Granat), um die an ihre Klemmen angelegte Energie rijohtungsmäeeig zu kuppeln. Der Zirkulator arbeitet so, daß die von dem Radarsender 5^ an die Zirkulatoreingangsklemme 51 angelegte Signalenergie die Klemme 52 mit praktisch keiner Absahwäohung verläßt, und die an die Zirkulatorklemme 52 angelegte empfangene Radarsignalenergie verlädt die Zirkulatorausgangsklemme 53 ntlt fast keiner AbeohwHonung , während die an die Eingangsklemme 51 angelegte Energie an der Klemme 53 im wesentlichen nicht erscheint, aufgrund der hohen Absahwäohung des Qegenetromes um den Zirkulator herum in der bekannten Art.

Der Zirkulator 5 wirkt daher als Riohtwirkungs- j kuppler, so daß während der Sendung RadarSignalenergie von dem Sender 54 über die Hybride 4l an die Strahlerabschnitte Bl und A3 wie vorstehend beschrieben* ange-

j legt werden kann, während bei dem Smpfang die aufgenommene jSlgnalenergie von den Strahlerabsohnitten Bl und :

A2 sich verbinden, um ein Summeneignal ( mit £ bezeichnet)

zu ergeben, das von der Zirkulatorausgangsklemra· 5? geliefert wurde. Dieses Summensignal wird an einen Eingang «in·? herkömmlichen Miechsohaltung 8 angelegt.

Der Differenzsignalsohenkle 4l4 der Hybride ²U wird mittels einer herkömmlichen Riohtleitsohaltung (isolator airouit) 6 mit einem Blngang eines Miaohers

_ö BAD OFUGiNAt=

'154 UJM

verbunden, wobei der Rlohtleiter 6 den Rückfluß der reflektierten Signalenergie von dem Mischer 9 zu der Hybride ^l verhindert.

Die zweiten Eingänge der Mischer θ und 9 werden mit dem Atqgang eines üblichen IiOkal-Oszillators 10 gespeist. Die Überlagerten Summen- und Differenzsignale, geliefert durch die Mischer 8 und 9, werden duroh Zwischenfrequenzverstärker 11 bzw. 12 geleitet, und die verstärkten Signale werden an die entsprechenden Eingänge eines Demodulators 15 angelegt vorzugsweise der kohärenten symmetrischen Träger-Unterdrückungsart, wie beispielsweise ein sogenannter Produkt-Demodulator (produot demodulator), der in der Teohnik gut bekannt ist.

Der Ausgang des SummensignalVerstärkers 11 wird ebenfalls mittels einer Detektordiode 14 an einem Eingang einer Komparatorsohaltung 15 angelegt, deren anderer Eingang ein konstantes einstellbares Signal von einer geeigneten Vergleiohsquell· erhält. Der Ausgang des Komparator» 15 wird'an die gewinneteu«rnden Eingänge beider Zwischenfrequenzverstärker 11 und 12 angelegt.

Beim Betrieb dieser Interpolatoraohaltung ist ersichtlich, daß während des Empfangs von Radar-Signalen durch die Strahler 21 und 22 von einem Ziel wie beispielsweise M (Fig. 2o), ein Signal, das die

BAD ORIGINAL

- 54 - —

209808/0349

Summe der von dem gemeinsamen Ziel durch die Abschnitte B₁ und A₁ der zwei beteiligten Strahler gesammelten Signale darstellt, in den Mischer 8 überlagert wird und in dem Verstärker 11 verstärkt wird. Wie aus einer Berücksichtigung der Kurven P. und P_ß in Figur 20 (oder Figure j) ersichtlich wird, bleibt die genannte Summe der Signale jederzeit einem gleichbleibenden Wert gleich, der der doppelten Feldstärke am Sohnittpunkt ja zwischen den beiden Kurven entspricht, ohne Rücksicht auf die Verschiebung des Zieles gegenüber der Achse, sofern die Empfangskraft konstant bleibt. Gleichzeitig wird ein Signal A $ das die Differenz der gesammelten Signale darstellt, in dem Mischer 9 überlagert und in dem Verstärker 12 vrestärkt. Wie bereits angegeben, stellt das Differenzsignal & das Segment numo in Fig. 20 dar und ist demzufolge ein Maß der Verschiebung des Zieles gegenüber der Achse, sofern die Smpfangskraft konstant bleibt. Die automatische Gewinnsteuerun^schaltung&ie die Detektordiode 14 und den Komparator 15 umfaßt, dient zur Normalisierung der verstärkten Summen- und Differenzsignale in Bezug auf die Amplitude, um ihre Amplituden unabhängig von der Bmpfangskraft zu machen. Wenn demzufolge die normalisierten Summen- und Differenzsignale in dem kohärenten symmetrischen Demodulator 15 mit einander demoduliert werden, ßo stellt der Ausgang des Demodulators die Winke1-fÖrmige Verschiebung des Zieles M gegenüber der Achse in Bezug auf die Achse des einen Strahlers dar, hier die Achse

- 55 - 209808/0349

$6

des Strahlers 22 wie durch den Punkt ja abgegrenzt, wodurch eine genaue Anzeige der Zielposition erzeugt wird.

Hieraus ergibt sich, daß das System nach der Erfindung in dieser Ausführungsform bei Verwendung einer begrenzten Anzahl nicht kontinuierlicher Energiestrahlen eine kontinuierliche Raumanalyse ermöglicht, in dem Sinn, daß die Position eines Ziels ohne Berücksichtigung seiner Stellung gegenüber der Achse eines beliebigen Strahls genau bestimmt werden kann.

-56 -

209808/0349

Claims (1)

1. Patentansprüche :

   Mehrbandantennensystem, das eine primäre Quellenvorrichtung und eine Bündelungsvorrichtung für elektromagnetische Wellenenergie, in wechselseitig ausstrahlender Beziehung zueinander angeordnet, wobei die primäre Quellen-" vorrichtung eine Kombination von Strahleraufbauten umfasst, die angrenzend aneinander auf einer Strahlungsoberfläche der Kombination angeordnete Strahlungsöffnungen aufweist, wobei die Strahlungsoberfläche mit einer Brennoberfläche der Bündelungsvorrichtung im wesentlichen übereinstimmt, und eine mit den Enden der Strahleraufbauten entfernt •von den Strahlungsöffnungen in einer Energie übertragenden Beziehung verbundene Zuleitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahleraufbauten so ausgeführt und die Zuleitungseinrichtungen 30 angeschlossen sind, dass sie 'einen gesamten Energieverteilungsverlauf an der Strah^ungaoberflache in Form von zwei getrennten, im wesentlichen durchgehenden wellenförmigen Kurven erzeugen, die sioh symmetrisch in einer orthogonal-überschneidenden Beziehung überlappen, wobei jede Wellenbewegung einer jeden Kurve im wesentlichen mit dem von einer Punktquelle von Strahlungsenergie durch die Bündelungsvorrichtung auf der Brennoberfläohe erzeugten Diffraktionsverlauf übereinstimmt*

   209808/0349

   154H64

   st

   2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strahleraufbau einen Mehrfachwellenstrahler umfasst, der einen an der Strahlungsöffnung endenden Hauptwellenleiterabschnitt aufweist, sowie ein Paar Erregungswellenleiterabschnitte, die sich von dem Hauptwellenleiterabschnitt zu dem entfernt liegenden Ende des Aufbaus zur Verbindung mit der Zuleitungseinrichtung erstrecken.

   2. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungseinrichtungen so angeschlossen sind, dass sie gleichphasige Energie an angrenzende Wellenleiterabschnitte jeweilig entsprechender angrenzender Strahleraufbauten übertragen, und Energie übertragen, die keine wechselseitige Phasenbeziehung zu beiden Erregungswellenleiterabschnitten eines gemeinsamen Strahleraufbaus aufweist.

   k. System nach Anspruch 2 oder 5* dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Erregungswellenleiterabschnitte vorbestimmte Querdimensionen aufweist, um die Fortpflanzung von im wesentlichen nur der fundamentalen Energie schwingung art TE₁₀ aufrecht zu erhalten, und dass der Hauptwellen·!· leiterabschnitt vorbestimmte Querdimenslonen aufweist, um die Portpflanzung von im wesentlichen nur der fundamentalen Energieschwingungsart TE₁₀ und ausgewählter höher Sohwingungsarten aufrecht erhält.

   209808/0349 ·

   154H64 S3

   5. System nach Anspruch H-, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachwellenaufbauten E-Ebene-artige Strahleraufbauten sind und dass ausgewählte höhere Schwingungsarten die Schwingungsarten TE₁₁ und TM₁₁ einschliessen.

   6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachwellenstrahleraufbauten so angeordnete Strahlungsöffnungen aufweisen, dass diese mit ihren Breitseiten parallel zu dem magnetischen Feldvektor und in angrenzender Beziehung zueinander angeordnet sind, und die Erregungsabschnitte mit ihren Breitseiten nebeneinander entlang einer zu dem elektrischen Feldvektor parallel Richtung angeordnet sind.

   7. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachwellenaufbauten H-Ebene-artige Strahleraufbauten sind, und die ausgewählten höheren Schwingungsarten die Schwingungsarten TE₁₀ und TEp₀ einschliessen.

   8» System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsöffnungen der Mehrfachwellenstrahleraufbauten so angeordnet sind, dass ihre Schmalseiten parallel zu dem elektrischen Feldvektor in angrenzender Beziehung zueinander angeordnet sind, und die Erregungsabschnitte mit ihren Schmalseiten nebeneinander entlang einer zu dem elektrischen Feldvektor parallelen Richtung angeordnet sind.

   209808/0349

   9. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachwellenstrahleraufbauten zusammengesetzte Ε-Ebene- und H-Ebene-artige Aufbauten sind.

   10. System nach einem beliebigen der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwellenleiterabschnitt eine vorbestimmte Länge aufweist, um den ausgewählten höheren Schwingungsarten an beiden Enden des Hauptabschnitts gleiche Phasenbedingungen zu vermitteln.

   11. System nach einem beliebigen der Ansprüche 4 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungsabschnitte auf entgegengesetzten Seiten einer gemeinsamen Trennwand abgegrenzt sind und ihre kombinierte Reichweite nicht wesentlich geringer ist als diejenige des angrenzenden Endes des Hauptwellenleiterabschnitts.

   12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es einen anpassungsfähigen Streifen einschliesst, der ein in dem Hauptwellenleiterabschnitt auf einer gemeinsamen allgemeinen Ebene mit derjenigen der gemeinsamen Trennungswand und in einer bestimmbaren Entfernung hiervon angeordnet ist und ein paritätsselektives Hindernis bildet,um die ausgewählten höheren Energieschwingungsarten voneinander zu entkoppeln.

   - 4 -209808/0349

   154U64

   13. System nach einem beliebigen der Ansprüche 2 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiterabschnitt über mindestens einen Teil seiner Länge eine Trichterform aufweist, die sich bis zu der Strahlungsöffnung erstreckt.

   14. System nach Anspruch 3 oder einem beliebigen der Ansprüche 4-13 wie vorstehend angegeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungsvorrichtung Hybriden aufweist, deren entsprechende Schenkel an angrenzenden Erregungsabschnitten entsprechender angrenzender Strahleraufbauten verbunden sind und die mindestens einen weiteren Schenkel aufweisen, der mit einer gemeinsamen Signalenergie-Ubertragungsvorrichtung verbindbar ist.

   15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Schenkel der mit den am entgegengesetzten Ende der Kombination angeordneten Strahleraufbauten verbundenen Hybriden mit zusammenpassenden Belastungen verbunden sind.

   16. System nach Anspruch 14 oder 15* dadurch gekenn-, zeichnet, dass die Hybriden magische T-Vorrichtungen (magic-T devices) umfassen.

   17. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1-16,

   - 5 209808/0349

   dadurch gekennzeichnet, dass es eine mit jeder der Zuleitungseinrichtungen verbundene Interpolationsschaltung umfasst, und erste Einrichtungen zur Entwicklung eines Summensignals einschliesst, das der Summe der Signalenergien von einem gemeinsamen Punktziel, wie durch die entsprechenden Energieverteilungskurven angegeben, entspricht, zweite Einrichtungen zur Entwicklung eines Differenzsignals, das der Differenz der Signalenergien von dem gemeinsamen Ziel, wie durch die entsprechenden Kurven angegeben, entspricht, und Einrichtungen zur Kombinierung der Summen- und Differenzsignale, um eine Angabe der Verschiebung des Ziels gegenüber einer mit der Zuleitungseinrichtung verbundenen Bezugsachse zu erzeugen.

   18. System nach Anspruch 17 im Anschluss an Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolationsschaltung ein Paar paralleler Kanäle aufweist, die mit entsprechenden anderen Schenkeln einer der magischen T-Einrichtungen (raagic-T devices) so verbunden ist, dass das Summensignal, bzw.das Differenzsignal abgegeben wird, wobei jeder der Kanäle einen Regelverstärker einschliesst, wobei eine automatische Gewinnsteuerungsschaltung mit einem Eingang an dem Ausgang des Verstärkers in dem Summensignalkanal verbunden ist und mit einem Ausgang an den gewinnverändernden Eingängen (gain-varying inputs)

   - 6 209808/0349

   154H64

   beider Verstärker verbunden ist, und die Eingänge einer Demodulatorschaltung mit den Ausgängen der entsprechenden Verstärker verbunden sind, wobei ein Ausgang das die Verschiebung anzeigende Signal liefert.

   19. System nach Anspruch l8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Zirkulatoreinrichtung einschliesst, die in dem Summensignalkanal vor dem darin angeordneten Verstärker angeordnet ist, und von deren drei Klemmen eine mit dem entsprechenden Schenkel der magischen T-Vorrichtung (magic-T device) verbunden ist, eine zweite mit dem Eingang des entsprechenden Verstärkers und die dritte Klemme mit einer Energieübertragungsquelle, wobei die Zirkulatoreinrichtung so ausgebildet ist, dass sie den Energiefluss von der dritten zu der ersten Klemme und von der ersten zu der zweiten Klemme ermöglicht, während sie den umgekehrten Energievluss verhindert.

   20. Mehrbandantennensystem, dadurch gekennzeichnet, dass es im wesentlichen so beschaffen ist, wie vorstehend beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.

   - 7 -209808/0349