DE2029048C3 - Antennenanordnung für ein Luft- oder Raumfahrzeug - Google Patents

Description

anwendbar, da sich bei jeder vollen Umdrehung des Flugkörpers von einer mit diesem Flugkörper in Funkverbindung stehenden Bodenstation aus gesehen die Polarisation mindestens viermal ändert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue Antennenaordnung für Flugkörper der Luft- und Raumfahrt zu schaffen, deren Abmessungen im Verhältnis zur Wellenlänge der benutzten Funkfrequenz groß sind und deren Funkverbindungen zu einer Bodenstation auch bei relativ unkontrollierten Bewegungen dieser Flugkörper nur wenige Polarisationsänderungen anzeigen.

Ausgehend von einer Antennenanordnung der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die erste Einzelantenne eine in einer Ebene rundstrahlende Antenne überwiegend linearer Polarisation ist und als weitere Einzelantenne mindestens eine in ihrer Hauptstrahlrichtung eine zirkuläre Polarisation aufweisende Richtantenne niedrigen Gewinns vorgesehen ist. deren Hauptstrahlrichtung senkrecht zur Ebene der Rundstrahlung der ersten Einzeianienne ausgerichtet ibt, daß bei zwei oder mehreren Richtantennen zwei entgegengesetzte Hauptstrahlrichtungen vorgesehen sind, daß sämtliche Einzelantennen aus einer oder mehreren phjsenstarr gekoppelten Quellen gleicher Frequenz gespeist sind, wobei die erste Einzelantenne immer linear axial zu ihrer Symmetrieachse polarisiert ist und im Uberlappungsbereich beider Strahlungscharakteristiken die Strahlung der Richtantenne eine interferen/vermeidende. elliptische Polarisation aufweist, und die größere Halbachse der Polarisationsellipse senkrecht auf der linearen Polarisation der Einzelantenne steht.

Bei der erfindungsgemäßen Antenne wird also ebenfalls von dem für sich bekannten Prinzip Gebrauch gemacht, daß zueinander senkrecht polarisierte elektromagnetische Wellen nicht miteinander interferieren können, d. h. sich keine Auslöschungen bei der Addition der Strahlungsdiagramme ergeben.

Im Überlappungsbereich der Strahlungsdiagramme zweier senkrecht zueinander polarisierter Antennen bestimmt die Polarisation der Bodenantenne, welche Strahlung der unterschiedlich polarisierten Flugkörperantennen aufgenommen wird. Bei der gemäß der Erfindung ausgebildeten Antennenanordnung wird dabei die Eigenschaft einer Richtantenne niedrigen Gewinns, z. B. einer Hornantenne mit quadratischer Apertur, ausgenutzt, daß in der Ebene des elektrischen Feldvektors und in der senkrecht dazu liegenden Ebene eine jeweils unterschiedlich starke Bündelung der Strahlung auftritt. So besitzt z. B. das Strahlungsdiagramm einer solchen Hornantenne in der Ebene des elektrischen Feldvektors eine wesentlich kleinere Halbwertsbreite als in der dazu senkrecht liegenden Ebene des magnetischen Feldvektors. Bei der Hornantenne wird diese Eigenschaft durch die verschiedenen Belegungsfunktionen in den beiden Ausdehnungsrichtungen der Apertur der Hornantenne hervorgerufen.

Wird die I lornantenne nun so gespeist, daß sie in ihrer Hauptstrahlungsrichtung eine exakt zirkuläre Polarisation aufweist, ergibt sich mit zunehmendem Winkel /u dieser HauptslrahlungsrichtUng eine elliptische Polarisation, deren Achsenverhältnisse Größenordnungen von 1:10 erreichen können, Die großen Achsen dieser Poiarisationsellipsen stehen immer senkrecht auf den Ebenen, die von aVr Hauptstrahlungsrichtung und der jeweiligen Ausbreitungsrichtung gebildet werden. Bei einer bevorzugten Aunführungsform der Erfindung Überlappt das Strahlungsdiagramm der Rundstrahlantenne das oder die Siranlungsdiagramme der Richtantenne^) in Winkelbereichen, in denen die elliptische Polarisation der Richtantenne(n) das größte Achsenverhältnis aufweist.

Bei der gemäß der Erfindung ausgebildeten Antennenanordnung wird also mindestens eine zirkulär polarisierte Richtantenne zusammen mit einer linear polarisierten Rundstrahlantenne mit z. B. dipolähnli-

in chem Strahlungsdiagramm benutzt, wobei die Hauptstrahlungsrichtung der Richtantenne senkrecht zur Rundstrahlebene der Rundstrahlantenne ausgerichtet ist. Die Halbwertsbreite der Rundstrahlantenne sowie die Halbwertsbreiten der in den zwei aufeinander

ii senkrecht stehenden und durch den elektrischen und magnetischen Feldvektor festgelegten Ebenen der Hauptstrahlungsrichtung der Richtantenne sind dabei so zu wählen, daß das Strahlungsdiagramm der Rundstrabiantenne sich mit dem Strahlungsdiagramm

Ji) der Richtantenne in den Winkelbereichen schneidet, in denen die Strahlung der Richtar ine ihre stärkste Eiiiptizität aufweist Das TeilungsvLihiitnis, mit dem beide Antennen über einen Leistungsteiler elektrisch zusammengeschaltet werden, ist gleichzeitig so festzule-

:ϊ gen. daß die jeweils gewünschte allseitige Rundstrahleigensch.ift der Antennenanordnung erreicht bzw. das jeweils festgelegte Pegelminimum nicht unterschritten wird.

Fs ist zusätzlich eine zweite Richtantenne gleicher

i» Art wie die erste vorgesehen, wobei die Hauptstrahlungsrichtungen beider Richtantennen entgegengesetzt sind. Mit Hilfe einer solchen zweiten Richtantenne kann auch das /weite, der Hauptstmlungsnchtung der ersten Richtantenne gegenüberliegende Strahlungsmi-

n nimum der Rundstrahlantenne aufgefüllt werden.

Gemäß einer ersten A,usführungsform der Erfindung ist als Rundstrahlantenne eine Dipol-, eine üoppelkonusantenne oder eine andere dipolähnliche Antenne mit einer Länge von vorzugsweise einer ha'ben b's etwa

•in einer ganzen Wellenlänge an einem Ausleger des Luftoder Raumfahrzeugs befestigt, der etwa senkrecht zur E /ene der Rundstrahlcharaktenstik ausgerichtet ist und eine in der Größenordnung der Hauptabmessungen des Raumfahrzeugs liegende Länge aufweist.

4) Gemäß anderer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird als Rundstrahlantenne eine um einen Umfang des Luft- oder Raumfahrzeugs verlaufende Schlitzantenne entsprechender Schlitzbreite oder aber eine Vielzahl auf einem solchen Umfang angeordneter

■i» Dipole vorgesehen. Als Richtantenne mit niedrigem Gewinn ist vorzugsweise ein Hornstrahler vorgesehen, dessen Apertur quadratisch, rund oder regelmäßig vieleckig ist und deren Abmessung in der Größenordnung einer Wellenlänge liegt.

ii Die Erfindung wird an Hand in der Zeichnung dargestellter Aujführungsbeispiele nähei erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 schematisch das Strahlungsdiagramm eines als Richtantenne verwendeten Hornstrahler mit unter

w> schiedlichen Htibwertsbreiten in den Ebenen des elektrischen und magnetischen. Feld.YektO.rs,

Fig.2 ein zusammengesetztes Strahlungsdiagramm einer bei tier erfindungsgemäßen Antefmenanordnung. verwendeten Rundstrahlantenne und eines zur Auffül* lung eines ihrer Strahlungsminima benutzten Hornstrahlers als Richtantenne,

Fig.3 eine erste Ausfühmngsform einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Antennenanordnung,

F i g. 4 eine zweite Ausführungsform,

F i g. 5 eine dritte Ausführungsfofm und

Fi g. 6 eine weitere Ausführungsform der gemäß der Erfindung ausgebildeten Antennenanordnung.

Wie aus Fi g. 1 zu ersehen ist, hat ein herkömmlicher, als Richtantenne niedrigen Gewinns verwendeter Hornstrahler mit z. B. quadratischer Apertur in der Ebene des elektrischen Feldvektors eine mit A bezeichnete Hauptstfahlungscharakteristik, deren Halbwertsbreite kleiner ist als die der in der Ebene des magnetischen Feldvektors auftretenden und mit B bezeichneten Hauptstrahlungscharakteristik. Weist ein solcher Hornstrahler daher in seiner Hauptstrahlungsrichtung eine genau zirkuläre Polarisation auf. so ändert sich diese Polarisation mit größer werdendem Winkel zur Hauptstrahlungsrichtung zu immer ausgeprägteren elliptischen Polarisationen, wobei die großen Achsen der Polarisationsellipsen immer in Ebenen senkrecht zur Hauptstrahlungsrichtung des Hornstrahler liegen soiien. Ist diese Bedingung erfüllt, so steht der größte elektrische Feldvektor der Strahlung der Richtantenne immer senkrecht auf dem elektrischen Feldvektor der Strahlung der Rundstrahlantenne. Da bei einer beliebigen Ausbreitungsrichtung innerhalb der Strahlung der Richtantenne die Polarisationsellipsen wegen der sich transversal ausbreitenden eleklromagnetischen Wellen immer in Ebenen senkrecht zu dieser jeweiligen Ausbreitungsrichtung liegen, bilden diese Ebenen Schnittlinien mit den senkrecht zur Hauptstrahlungsrichtung liegenden Ebenen. Da diese Schnittlinien jeweils mit den großen Achsen der Polarisationsellipsen zusammenfallen sollen, diese Achsen also auch in den Ebenen senkrecht zur Hauptstrahlungsrichtung liegen sollen, stehen sie als jeweils größter elektrischer Feldvektor auch senkrecht auf der Polarisationsebene der Rundstrahlantenne

Das in F i g. 2 gezeigte Strahlungsdiagramm ist aus dem Einzelstrahlungsdiagramm C einer Rundstrahlantenne und B eines Hornstrahlers zusammengesetzt, wobei je nach Empfang des gerade vom Flugkörper zur Bodenstation hin gerichteten Strahlungsanteils die PoderiS'Stion Ti!* ¹J!*! 90° 7"<?inanHpr api\rphieu linparen Polarisationen arbeiten muß. Im Winkelbereich der Überlappung der beiden einzelnen Strahlungsdiagramme, in dem auch die Umschaltung der Polarisation der Bodenstation erforderlich ist, ergibt sich im Strahlungsdiagramm der Rundstrahlantenne eine Welligkeit, die durch Interferenz mit dem der kleineren Achse der Polarisationsellipse entsprechenden Strahlungsanteil des Hornstrahlers entsteht Von dieser auftretenden Welligkeit ist jedoch nur ein Anteil in der Größenordnung von 3 bis 5 dB in Kauf zu nehmen, da in Winkelbereichen frill stärkerer Welligkeit nur noch das nicht beeinflußte Strahlungsdiagramm der Richtantenne benutzt wird.

In Fig. 3 ist schematisch der Einbau einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Aftteftnenänördnung z. B. in einer Rakete 3 dargestellt. Eine als umlaufender Schlitz ausgebildete Ruhdstrahlantenne 1 erzeugt dabei das dipolähnliche Rundstrahldiagrärnm, das mit einem Hornstrahler 2 zu dem irt F i g* 2 gezeigten Rundstrahl*

ίο diagramm aufgefüllt wird. Zusätzlich kann dabei ein weiterer Hornstrahler 2 benutzt werden, der das in Fig. 2 gezeigte zusaip mengesetzte Strahlungsdiagramm auch im anderen Strahlungsminimum der durch die Schlitzantenne 1 bedingten Rundstrahlung ?u einem

is allseitigen Rundstrahldiagramm auffüllt.

In Fig. 4 ist schematisch die Anordnung einer gleichartigen gemäß der Erfindung ausgebildeten Antennenanordnung an einem kugelförmigen Satelliten 4 dargestellt, wobei die Schlitzantenne ί eiwa im Äquator und ein oder zwei Hornstrahler 2 und 2' jeweils an den Polen der durch den Satelliten gebildeten Kugel angeordnet sind.

In den F i g. 5 und 6 ist schematisch der Einbau einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Antennenanordnung an einem z. B. ?ylinderförmigen Raumflugkörper 6 dargestellt, wobei sich die in F i g. 5 als Doppelkonusantenne und in Fig.6 als kreisförmige Dipolgruppe ausgebildete Rundstrahlantenne I und auch eine der Richtantenne 2 an einem Ausleger 5 des Raumflugkörpers 6 befinden.

Der bei den in den Fig. 5 und 6 gezeigten Raumflugkörpern 6 verwendete Ausleger 5 soll mindestens eine in der Größenordnung der Hauptabmessungen des Raumflugkörpers 6 liegende Länge aufweisen, damit die durch die Hauptabmessungen des Raumflugkörpers 6 gegebenen Abschattungen der Rundstrahldiagramme nicht berücksichtigt werden müssen.

Mit der gemäß der Erfindung ausgebildeten Antennenanordnung ist also mit nur zwei oder drei Einzelantennen auch bei einem theoretisch beliebig großen Raumflugkörper mit höchstens einem Ausleger oder aber ein extrem allseitiges Rundstrahldiagramm erzielbar, das lediglich in schmalen, kegelförmigen Winkelbereichen einen geringen Pegelabfall bezogen auf den idealen Kugelstrahler aufweist Dieses auftretende Pegelminimum ist durch die Auslegung der Antenne einstellbar und kann daher bei bestimmten Anwendungen vergrößert oder verkleinert werden, um dafür z. B. in anderen Raumwinkelbereichen den Gewinn der Antennenanordnung zu erhöhen o<ür aber ein extrem allseitiges Rundstrahldiagramm zu erzielen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Antennenanordnung mit annähernd kugelförmiger Strahlungscharakteristik, bestehend aus zwei oder mehreren zusammengeschaUeten Einzelantennen an einem Luft- oder Raumfahrzeug, dessen Hauptabmessungen groß gegenüber der Wellenlänge der verwendeten Funkfrequenz sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einzelantenne (1) eine in einer Ebene rundstrahlende Antenne überwiegend linearer Polarisation ist und als weitere Einzelantenne (2, 2') mindestens eine in ihrer Hauptstrahlrichtung eine zirkuläre Polarisation aufweisende Richtantenne niedrigen Gewinns vorgesehen ist, deren Hauptstrahlrichtung senkrecht zur Ebene der Rundstrahlung der ersten Einzelantenne (1) ausgerichtet ist, daß bei zwei oder mehreren Richtantennen (2, 2') zwei entgegengesetzte Hauptstrahlrichtungen vorgesehen sind, daß sämtliche Einzelantennen aus einer oder mehreren phasenstar.· gekoppelten Quellen gleicher Frequenz gespeist sind wobei die erste Einzelantenne (1) immer linear axial zu ihrer Symmetrieachse polarisier! ist und im Überlappungsbereich beider Strahlungscharakteristiken die Strahlung der Richtantenne /2, T) eine interferenzvermeidende, elliptische Polarisation aufweist, urt J die größere Halbachse der Polarisationsellipse senkrecht auf der linearen Polarisation der F.inzelantenne(l) steht

2. Antennenanordnung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen (1, 2, 2') über einen gemeinsamen Leistungsteiler derart zusammengeschaltet sind, daß die -■""ewinru· Aer Antennenanordnung in den verchiedenen Hauptstrahlungsrichtungen den jeweiligen Kr' vdernissen angepaßt sind.

3. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß sich das Strahlungsdiagramm der Einzelantenne (1) mit dem oder den Strahlungsdiagrammen der gleichzeitig angeschlossenen Richtantenne oder -antennen (2, 2) vorzugsweise in den Winkeibereichen schneidet, in denen die elliptische Polarisation der Richtantenne^) (2,2') das größte Achsenverhältnis aufweist.

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet.daß als Einzelanten ne (1) eine Dipol-. Doppelkonusantenne oder andere dipolähnliche Antenne mit einer Länge von Vorzugs weise einer halben bis etwa einer ganzen Wellenlän ge an einem Ausleger (5) des Luft- oder Raumfahr zeuges (3, 4, 6) befestigt ist. der etwa senkrecht /ur Ebene der Rundsirahlung ausgerichtet ist und eine in der Größenordnung der Hauptabmessungen des Raumfahrzeugs (3,4,6) liegende Lange aufweist.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet. dall als Einzelanten ne (1) eine am Umfang des luft oder Raumfahrzeugs verlaufende Schlitzantenne mit entsprechender Schlitzbreile oder eine Vielzahl auf einem Umfang des Luft oder Raumfahrzeugs angeordneter Dipole vorgesehen ist.

6< Antennenanordnung flach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Richtahteinrie (2, 2') mit niedrigem Gewinn ein Hornstrahler vorgesehen isl, dessen Apertur¹ quadratisch, rund öder regelmäßig vieleckig ist Und deren Abmessung in der Größenordnung einer Wellenlänge liegt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung mit annähernd kugelförmiger Strahlungscharakteristik, bestehend aus zwei oder mehreren zusammengeschalteten Einzelantennen an einem Luft- oder Raumfahrzeug, dessen Hauptabmessungen groß gegenüber der Wellenlänge der verwendeten Funkfrequenz sind.

Besonders bei unbemannten Flugkörpern der Luft- und Raumfahrt sind Antennen mit möglichst kugelförmiger Strahlungscharakteristik erforderlich, um bei

in jeder Position und auch räumlichen Lage eines solchen Flugkörpers gegenüber einer mit diesem in Funkverbindung stehenden Bodenstation zumindest eine Funkverbindung für die Kommandoübertragung an den Flugkörper aufrechtzuerhalten. An kleineren Flugkör-

Ii pern sind solche Antennen relativ leicht zu realisieren, solange der Durchmesser der Flugkörper klein im Verhältnis zur Wellenlänge der jeweils verwendeten Funkfrequenz ist Nur unter der genannten Voraussetzung liefern Antennenanordnungen nach dem Drehkreuzprinzip eine gute allseitige Rundstrahlung; vgl. zum Beispiel K. K ο ο b. Antennen für Raumfluggeräte: Eine Übersicht über die Probleme und Ausiuhrungslormen. Nachrichtentechnische Zeitschrift 1969, Heft 5. S. 271. Die Elemente der Drehkreuzantenne sind

>> entweder am Umfang des Flugkörpers oder an einem Ausleger, wie z. B. bei dem Forschungssatelliteii HEOS, angeordnet. In dir Ebene der Drehkreuzantenne herrscht lineare Polarisation vor. in der hierzu senkrechten Symmetrieachse /irKulare Polarisation. In

in neurcrer Zeit werden nun aber die Abmessungen der Flugkörper immer größer und auch die für die Funkverbindungen benutzten Frequenzen immer hoher, also deren Wellenlängen immer kleiner. Besonders bei modernen Raumflugkörpern, wie Tragerraketen und

Ii Satelliten, liegt daher das Verhältnis von Durchmesser des Flugkörpers zur Wellenlänge in der Größenordnung von über 10 bis eiwa 100. so daß die Hauptabmessungen solcher Flugkörper groß gegenüber den Wellenlängen der benutzten Funkfrequenzen sind

j» Bei Flugkörpern mit derartig großen Verhältnissen von Durchmesser /u Wellenlänge der benutzten Funkfrequenzen scheidet die Vei"wendung von Anion nenanordnungen nach dem Drehkreuzprin/ip aus. da infolge der Abschattung durch die Flugkörperstruktur keine allseitige R indstrahlung vorliegt.

Bekannte Flugkörper der obengenannten \rt weisen daher eine Vielzahl an Einzelantennt auf. die entweder umschaltbar bei jeder Lage des Raumflugkörpers einzeln eine Funkverbindung zur Bodenstation auf-

ίο rechterhalten können oder aber zusammen eine Antennenanordnung mit kugelförmiger Strahlungscha rakteristik ergeben

/ur Vereinfachung solcher aus einer Vielzahl von F-inzelantennen zusammengesetzter Antennenanord

">■> nungen wurde bereits vorgeschlagen, nur relativ wenige Finzelstrahler über den Umfang eines ζ H zylinder oder kugelförmigen Raumflugkörpers verteilt an/unrd nen und jeweils benachbarte Strahler mit zueinander senkrecht ausgerichteten Polarisationen zu betreiben.

en vgl. deutsches Patent 15 91 008 Mi» Hilfe einer solchen relativ einfachen Antennenanordüs^ig wird eine recht gute allseitige Rtindslrahlchäfäktei-istik erreicht, da die von jeweils benachbarten Emzelslrafilern abgestrahlten Wellenfrönten miteinander nicht interferieren können, wodurch keine Einschnürungen im durch Addition entstehenden Strahlungsdiagramm auftreten. Eine solche Anierinenänofdnuilg ist jedoch bei drallsfabilister* ten oder taumelnden Raumflugkörpern nur bedingt