DE2032050A1

DE2032050A1 - Codiertes lineares Antennensystem

Info

Publication number: DE2032050A1
Application number: DE19702032050
Authority: DE
Inventors: Frank Steven Little SiI ver NJ Gutleber (V St A )
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1969-06-30
Filing date: 1970-06-29
Publication date: 1971-04-08
Also published as: US3605106A; FR2063123A7; BE755489A; FR2063123B3

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul

Stuttgart

P.S. Gutleber - 22 . .

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Codiertes lineares Antennensystem

Die Erfindung bezieht sich, ganz allgemein gesagt, auf die Anordnung von Strahlerelementen, Schlitzen bei Wellenleiter-Schlitzantennen, unter Anwendung der allgemein, gültigen Theorie zur Auslegung eines codierten, linearen Antennensystem, insbesondere auf ein Verfahren zur Anbringung der codierten Lagen der Strahlerelemente in die vorhandenen Zwischenräume für eine allgemein gültige Lösung zur Erstellung eines linearen Antennensystems.

Als allgemeine Regel gilt, daß die Erzwingung von Nullstellen im Strahlungsdiagramm einer Antenne die Blind- ' leistung einer Antenne erhöht, was zu einer erhöhten gegenseitigen Verkopplung der einzelnen Strahlerelemente führt. Das erfordert wiederum eine kompliziertere Speisungseinrichtung, um die richtigen Speiseströme für, die einzelnen Strahierelemente zu bekommen. Die Erzwingung von wenigen Nullstellen mag zwar Abhilfe schaffen, wenn jedoch die Anzahl der Nullstellen zunimmt, so wird dabei nur ein unzulänglicher Antennengewinn erzielt.

Ktz/Gr

26. Juni I97O

109815/1259

P.S. Gutleber -22 '

Die Erfindung geht aus von einem codierten, linearen Antennensystem, das in der USA-Patentschrift 2 l]5O 410 beschrieben worden istj bei diesem Antennensystem sind eine bestimmte Anzahl von Strahlerelementen (2ⁿ) vorgesehen, von denen eine gewisse Anzahl ungleiche Abstände voneinander haben, wobei alle Strahlerelemente mit gleichen Hochfrequenz-Energiebeträgen gleicher Phase gespeist werden, um ein Strahlungsdiagramm mit möglichst wenigen und hinsichtlich der Amplitude kleinen Nebenzipfeln zu erhalten.

Ausgehend von einem in der USA Patentschrift J5 I30 410 beschriebenen Antennensystem ist es die Hauptaufgabe der Erfindung, ein Antennensystem dieser Art anzugeben, bei dem die Abstände der Strahlerelemente anstatt ungleichen Abstand gleichen Abstand haben; das ergibt für die Praxis ein Antennensystem, das einfacher zu bauen und daher auch billiger ist.

Es wird gezeigt werden, daß anstatt jedem bereits bestehenden Strahlerelement zum Erzwingen einer Nullstelle im Strahlungsdiagramm ein zweites Strahlerelement zuzuordnen, η Strahlerelemente hinzugefügt werden, deren Strahlungsvektoren die η komplexen Einheitswurzeln sind.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutertj die einzelnen Figuren stellen dars

Fig. 1 die Lage der Codeelemente für den Code IC, ; der durch wiederholte Anwendung der Gleichung (6) erhalten wirdj

Fig. 2 das resultierende normierte Strahlungsdiagramm (relative Feldstärke) für' den Code IQ dew Fig. If

109815/1259 " ./.

'2032ObU

P.S. outleber -22

FIg. 3' den Abstand der Codeelemente und die Amplituden der Speiseströme für den Code 2C und

Fig. 4 das resultierende normierte Strahlungsdiagramm (relative Feldstärke) für den Aufbau nach Fig.

In der oben erwähnten USA-Patentschrift 3 130 410 ist gezeigt, daß die Beeinflussung der Nebenzipfel des Strahlungsdiagrammes durch Amplituden- und/oder Abstandscodierung der Strahlerelemente erreicht werden kann; so kann durch Zuordnen eines zweiten Strahlerelementes zu jedem bereits bestehenden Strahlerelement für einen spezifischen Raumwinkel Θ ein solcher Zustand erreicht werden, daß eine l80° Phasendifferenz zwischen jedem Paar von Strahlerelementen besteht. Eine allgemeinere Lösung würde besagen, daß zu jedem bereits bestehenden Strahlerelement η Strahlerelemente hinzugefügt werden können, um bei einem gewünschten Raumwinkel & eine Nullstelle im Strahlungsdiagramm zu bekommen. Aus der Tatsache geht hervor, daß die folgenden Bedingungen eingehalten werden müssen, um die erwähnten Eigenschaften aufrecht zu erhalten:

1) alle ursprünglich vorhandenen Nullstellen im Strahlungsdiagramm müssen beibehalten werden, wenn neue Nullstellen dazukommen;

2) jede ausgeführte Anordnung von Strahlerelementen, die einem spezifischen Wert des Raumwinkels Θ entspricht, sollte eine bekannte zyklische Serie von Lagen der Nullstellen ergeben.

Diese Bedingungen werden erfüllt für solche Strahlungsvektoren, die durch die h Einheitswurzeln gegeben sind. Tatsächlich beinhaltet die Wechselbeziehung die Addition

109815/1258 ./.

2032QSU

P.S. Gutleber - 22

von Vektoren, deren Phasen den 2-ten Einheitswurzeln (h = 2) in der komplexen'Zahlenebene entsprechen. Diese Analysis ist ein Spezialfall der im folgenden dargestellten allgemeinen Analysis.

In dem oben angeführten USA-Patent 5 130 410 ist ausgeführt worden, daß das Strahlungsdiagramm dieser Antenne durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann:

E_t=e¹+e²+...... + e ^m (1),

wobei n. die relativen Codelagen darstellen. Dabei ist

*ψ - —-- d sin © , und da

Es ist daher;	+ + e ^m	9	-	(2)
E_t = e ¹ + e ²	2trK s der auftritt _B	eine	Anzahl
jn Nun kann zu jedem Term e
von Vektoren

addiert werden, so daß die Gesamtsumme der addierten

109816/ 125Θ ■ -A

P.S. Gutleber - 22

2032U5Ü

Vektoren und des ursprünglichen Vektors für einen spezifischen Wert für 0 oder K gleich Null ist. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Werte der addierten Vektoren die h-ten Einheitswurzeln sind, d.h. wenn

e ^h ist.

Es ist daher auch:

h-1 h-1

ί = η2ττΚ +

h-1 h-1

und J- »- . „ ₊ ^ ^_ ₍₅₎

Die Gleichung (5) gibt die codierten Lagen der Strahlerelemente an, bei denen eine Nullstelle im Strahlungsdiagramm bei irgendeinem gewünschten Raumwinkel 0 oder K hergestellt werden kann. Diese Gleichung wird zum Zwecke der Berechnung der exakten codierten Lage der Strahlerelemente in die folgenden Gleichungen entwickelt:

= η + _2
hK

109815/1253 ./.

2032Ü5Ü

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Wenn h = 2.ist, wird das Gieichungssystera auf die Gleichung

χι¹ = η + ir

reduziert.

(Diese Gleichung entspricht in dem genannten USA-Patenfe 3 130 410 der Gleichung (12).)

Es wird nun gezeigt, daß Nullstellen immer dann auftreten, wenn die Werte für K ganze Vielfache der Auslegewerte von K, (K = ^K _o)> sind, ausgenommen ganze Vielfache von K h. Die Werte für die h-ten Einheitswurzeln sind gegeben durch:

j 2ϊ j 21Γ (2) j 21Γ (h-1)

Eine Gruppe von Vektoren, die durch jede dieser Wurzeln gegeben ist, erfüllt die folgenden Bedingungen:

1 + f + f² + + f ^h~¹ =- h, für f= 1 und

^h"¹ = O, für

dabei bedeutet Ψ irgendeine der

Eine Schar von Vektoren^ deren Lagen aus äem ßleiehungssystem (6) bestimmt worden- sind^ ergibt für das Strahlungsdiagramm folgenden Ausdrucks

E = 1 ■¥ e ⁿ ^o + e

^ 20320bü

-P.S. Gutleber - 22

Wenn man nun (#-) = (k + n) setzt, erhält man ο

E.-l + e . ^h [e ■* *e ^h + ... ■+ Λ- » ■" J (10)

Dieser Wert ist auf Grund der Eigenschaften der Einheitswurzeln gleich Null für:

η = ο, h, 2h ... usw., wenn
■ k = 1, 2, 3 ..... (h-1).

Deshalb werden Nullstellen für alle Werte von K auftreten, wenn

K- K_Qk, K_o(k+h)V Ii₀(k + 2h) etc. ist.

Das verifiziert die obige Peststellung, daß Nullstellen für alle ganzzahligen Vielfache von K auftreten, ausgenommen für K_Qh, 2K_Qh, 3K_Qh ..... etc.

Für h = 2 entspricht dieses Ergebnis den bei allen ungeraden Vielfachen von K auftretenden Nullstellen, was im übrigen auch in dem bereits mehrmals erwähnten USA-Patent 5 1]5Q 410 für h = 2 festgestellt worden ist.

Es viird nun gezeigt, daß alle bereits vorhandenen Nullstellen beibehalten werden, wenn die Anordnung erweitert wird. Wenn man die erste Nullstelle betrachtet, die bei K = a und h = Ji₁ auftritt, so ist das Feldstärke-Diagramm gegeben durch die Formel:

1 ^hl -¹

109816/mS

2032U5U

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Wenn nun zu jedem der vorhandenen Vektoren eine Schar von h Vektoren addiert vird, um bei K = b eine Nullstelle zu erhalten, so ist die sich dann ergebende Feldstärke gegeben durch:

E=I [1

^Jh₁a ^ ^{β Λ} J ^J h₇b ' ^Jh_vb

2trK Γ 3τΛ²^ JviV 2_Vk] (-12)

[I +

jabei ist E=O für K = b, 2b, ^b ... etc., mit der Ausnahme, v*enn K = bh„, b2h_r., b^hp ... etc.j das gilt unter der Voraussetzung, daß h₂ = Iu ... = h ist.

Für diese Bedingung kann Gleichung (12) folgendermaßen ,reachrieben werden:

E « Γ Jl

[l π- e

i ld _2irKi _x

1 H- C H- ... H- e

10981 S/1259 ^, BAD ORIGiNAL

■; ■■■■..■ - - 9 -

2032QbU

P.S. Outleber - 22

Allgemein für η erzwungene Nullstellen kann geschrieben werden:

E =» ^uh.a

Il + e + ... + e

i 1 2TK ,Vi 2ΐτκ1

Das ergibt Nullstellen für Werte von K;

K = a, 2a, ^a ... etc. = b, 2b, Jb ... etc. .- c, 2c, ^o ... etc.

= n, 2n, Jn ... etc.

100815/1259

2032OSU

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Das folgende Auslegungebeispiel (Code IC) wird angeführt, um die Resultate der Analysis zu verifizieren und um zu demonstrieren, welche Resultate für absolut gleichmäßigen Abstand der Nullstellen im Diagramm« in dem S üb«r K aufgetragen ist, realisiert werden können.

Bei der Auslegung sind die Werte für K gegeben durch:

Pur: h - 7, K. - 1

h = 2, K = 3/2, 5/2, 7/2 und 11/2.

Diese Wahl ergibt Nullstellen bei:

K-I, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5 und 6

Die Lage der Codeelemente ist bestimmt worden durch wiederholte Anwendung der Gleichung (6)| das Ergebnis ist in Fig. 1 dargestellt. Die getroffene Wahl der Werte für K und h ergibt 64 Lagen der Codeelemente mit einem digitalen, codierten Amplitudenwert 2. Pur manche Anwendungen mag dies keine praktische Lösung darstellen, aber es sollte oben nur die Gültigkeit der Analysis demonstriert werden zusätzlich zur vielseitigen Verwendbarkeit, die in der allgemein gültigen Art der Auslegung enthalten ist. Das daraus resultierende Peldstärkediagramm ist in Pig. 2 dargestellt. Es ist festzustellen, daß die Nebenzipfel hinsichtlich ihrer Amplitude im interessierenden Bereich nahezu gleich sind, mit Ausnahme des ersten Nebenzipfels; dieser hat eine relative Amplitude von 0,0298, d.h. sie ist gegenüber der Hauptkeule um etwa J>1 dB niedriger. β

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2032UbU

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Die übrigen Nebenzipfel liegen hinsichtlich ihrer Amplitude mehr als 40 dB unter der der Hauptkeule. Eine weitere, in der Nähe von 1 liegende Nullstelle würde den angrenzenden Nebenzipfel noch um einen sehr großen Paktor reduzieren. Das ist auch im Einklang mit den Ergebnissen des mehrfach erwähnten USA-Patentes J 230 410, und das zeigt, daß die allgemeine Theorie gültig ist.

Eine Modifikation der Analysis der Abstandscodierung eines linearen Antennensystems ergibt eine Lösung, die darin besteht, daß die Codelagen einen ganzzahligen Vielfachwert eines bestimmten Minimalabstandes einnehmen. So kann in ähnlicher Weise die Analysis erweitert werden, um sicherzustellen, daß die daraus resultierenden Codelagen in vorbestimmte Codeabstände fallen. Die Analysis und die zwingenden Vorschriften zur Realisierung der vorbestimmten Codeabstände wird weiter unten dargestellt. Es wird auch zusätzlich ein Ausführungsbeispiel gegeben, um die Theorie zu verifizieren und die größere Flexibilität, die in der Lösung enthalten ist, zu illustrieren.

Die allgemeine Gleichung, durch die die relativen Codeabstände festgelegt sind, lautet: ·

ⁿ' ^{= n +}

, (15)

wobei 1 = 1,2, ...... (h-1) ist. Dann ist

n'd = nd + ~~ , oder die Differenz Δ S zwischen zwei Codelagen ist
/ * AS= n*d - nd =

= n*d - nd = ~

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2032Ü5U

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Da AS für i = 1 ein Minimum ist, so ist AS = r4?

JlA λ.

Da auch d = ist, so ist auch

^{S =}

hK

Um nun die Einpassung der Strahlerelemente vornehmen zu können, muß Δ S auf ein ganzzahliges Vielfaches eines bestimmten Bruchteiles der Wellenlänge beschränkt sein, d.h. es muß

(17)

sein, wobei λ die Wellenlänge, λ/Χ der gewünschte Minimal abstand in Wellenlängen ausgedrückt und N eine ganze Zahl ist.

Die Kombination der.Gleichungen (16) und (17) ergibt;

Das ist die für die allgemeine Codiertechnik eines Antennensystems anzuwendende Gleichung. Indem man setzts

D = Ηη$Π ^s ^{erhält man}

2032ObO-..'

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Die Gleichung (19) bestimmt alle zu erhaltenden Auslegungswerte für K, die für einen vorgegebenen Wert des Minimalabstandes -sr· und des Raumwinkels Θ benutzt werden können.

In dieser Lösung können verschiedene Auslegungswerte K vorkommen, wenn verschiedene Mengen von Vektoren zu den bereits bestehenden Vektoren addiert werden, um die gewünschten Nullstellen im Strahlungsdiagramm der Antenne zu erzwingen.

Es wird nun ein typisches Ausführungsbeispiel betrachtet, um die Bedeutung der anzuwendenden Gleichung (l8) zu erhellen und um zu erläutern, daß durch diese Lösung bessere Strahlungsdiagramme für solche Antennensysteme realisiert werden können. Um die Resultate dieser Lösung mit denen der vorher besprochenen Lösung (Code IC) vergleichen zu können, wird ein Wert D = 30 angenommen. Das entspricht einem Minimalabstand von λ/5, wenn sin Θ_Q = 1/6 ist.

Für h = 2 ergibt sich nun für K:

κ - 20 _ Ü- ^Λ.~ 2Ν - N

= 15, 15/2, 5, 15/4, 3, 5/2, 15/7, 15/8, 5/3, 3/2, 15/H, 5/4, 15/13, 15/14, 1.

Für h = 3 ergibt sich nun für K:

10

10, 5, 10/3, 5/2, 2, 5/3, 10/7, 5/4, 10/9, 1.

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2Q32Ü5U

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Für h = 5 ergibt sich für K;

ν 3" C

= 6, 3, 2, 3/2, β/5, 1.

Wenn man die folgenden Auslegungswerte für K und h verwendet, . so ergeben sich als Resultat gleichmäßige Abstände der Nullstellen im Feldstärkediagramm (relative Feldstärke über K aufgetragen), mit der einen Ausnahme* daß in der Nachbarschaft von 5,5 keine Nullstelle auftritt. Dieser Code wird mit Code 2C bezeichnete

Code 2C

Für h = 5 K =
für h«3 K =
für h = 2 K= 3/2 und 15/13.

Wenn man die Gleichung (15) für die Wahl der Auslegungswerte für K und Ii anwendete so ergeben sich die in Fig. 3 dargestellten Werte für die Speiseamplituden und die Abstände der Strahlerelemente. Die Anzahl der mit gleicher Amplitude gespeisten Stralilerelemente entspricht dem Produkt der Werte von h, der zur Potenz erhoben wird mit einer Zahl* die dem Auslegungswerte von K entspricht ₉ der bei dem besonderen h-Wert verwendet wurde» So ergibt sich' für -die Anzahl der Lagen in diesem Beispiel der Wert 5°5°2² = 60= Infolge der

■-.15.-

2032Übü

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Koinzidenz von Strahlerelementen bei 16 dieser Positionen ergeben sich schließlich 44 Codepositionen mit zwei verschiedenen Amplitudenwerten.

Das normierte Peldstarkediagramm für diesen Code ist in Fig. 4 gezeigt. Der'verhältnismäßig große Nebenzipfel zwischen K =5 und K = 6 war vorauszusehen, da in der Nähe von K = 5>5 eine Nullstelle nicht existiert. Diese Bedingung ist aber bei vielen praktischen Ausführungen erwünscht, weil das physikalische Antennendiagramm übers ganze gesehen aus dem Produkt dieses Diagrammes (der Raumfaktor der Antenne) und des Diagrammes des einzelnen Strahlerelementes besteht. Das Diagramm enthält noch einen etwas kleineren Nebenzipfel zwischen K = 3,5 und K = 4, weil bei K = 4 infolge der Verwendung eines Wertes h = 5 für K = 1 eine Nullstelle sieh ausgebildet hat.

Die Resultate, die mit dem Code 2C erhalten worden sind, zeigen, daß die vielseitige Verwendbarkeit dieser Lösung zur Bestimmung der Anordnung der Strahlerelemente herangezogen werden kann, wodurch verbesserte Antennendiagramme auf einfachere und weniger kostspielige Weise erhalten werden können.

3 Bl. Zeichnungen, 4 Fig.

4 Patentansprüche

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Claims

" ^1β ■ , 20320BÜ

P.S. Gutleber -22
Patentansprüche

/lyCodiertes lineares Antennensystem, bestehend aus einer Mehrzahl von Strahlerelementen, denen zur Erzeugung .von in ihrer Lage vorbestimmten Nullstellen im Strahlungsdiagramm zusätzliche Strahlerelemente zugeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Strahler? elemente so angeordnet werden, daß ihre Lage durch die Bedingung

K= i.

h N.sin Θ

festgelegt wird, worin X der in einem Bruchteil der Wellenlänge λ ausgedrückte Minimalabstand der einzelnen Strahlerelemente, Θ der die Lage der gewünschten NuIl-

stelle kennzeichnende Winkel, N eine ganze Zahl und h die h-ten Einheitswurzeln sind.

2.Codiertes lineares Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlerabstände (S) ganze Vielfache (N) des Minimalabstandes ( λ/Χ) verwendet werden.

Ktz/Mr

13.Okt. 1970 109815/1259