DE2054169A1

DE2054169A1 - Strahler mit verschiedenen Polarisa tionsarten fur phasengesteuerte Antennen

Info

Publication number: DE2054169A1
Application number: DE19702054169
Authority: DE
Inventors: Robert Allen Playadel Rey Calif Witte (V St A )
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1969-11-06
Filing date: 1970-11-04
Publication date: 1971-05-27
Also published as: FR2067016A7; US3603987A; FR2067016B3

Description

Patentanwalt 2 O 5 Λ 1 6

Dipl. -Phys. Leo Thul ^{£ JH} °^Q

Stuttgart

R.A.Witte -1

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Strahler mit verschiedenen Polarisationsarten für phasengesteuerte Antennen

Die Erfindung bezieht sich auf aus mehreren Einzelstrahlern aufgebaute Radarantennen, insbesondere auf einen solchen Einzelstrahler, bei dem die Polarisationsart der ausgesendeten Wellen rasch mit elektronischen Mitteln geändert werden kann.

Bei bekannten Antennen dieser Art wurde die Polarisationsart der Einzelstrahler bzw. der gesamten Antenne auf verschiedene Weise mit mechanischen oder elektrischen Mitteln verändert. Zu den mechanischen Mitteln gehören beispielsweise rotierbare Polarisations gitter im Nahfeld der Antenne. Ein derartiges Antennensystem ist durch die amerikanische Patentschrift 2 930 040 bekannt; ein weniger anpassungsfähiges Antennensystem zur Änderung der linearen Polarisation in eine zirkuläre bei einem linearen Antennensystem ist in der amerikanischen Patentschrift Z $00 657 beschrieben.

Eine elektrische Steuerung der Polarisation erfordert eine Phasenat#uerung der Strahlungefelder In jeder von zwei

Ktz/Sd 28.10.70

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zueinander senkrechten Richtungen in einer zur Strahlungsrichtung senkrechten Ebene. Dazu werden schnell wirkende elektrische Phasenschieber einrichtungen benötigt. Gemäß der amerikanischen Patentschrift 2 982 960 werden zu diesem Zwecke Ferrite als induktive Elemente bei Ringhlenden in einem Wellenleiter-Schlitz strahler verwendet.

Mechanische Systeme haben offensichtlich den Nachteil, daß die Reaktionszeit zu lang ist, so daß eine Polarisations steuerung mit Impulsen nicht möglich ist. Ein elektrisch gesteuerter Wellenleiter-Schlitzstrahler ist auch nicht geeignet für eine Strahleranordnung, bei der jeder einzelne Strahler zur Änderung der Polarisation gesteuert werden soll, überdies sind elektrisch gesteuerte Systeme auch dann nicht recht geeignet, wenn ein lineares oder zweidimensionales Antennensystem verwendet werden soll, weil die Kombination der Einzelstrahler, das Speisesystem und die Steuerungeanordnung für die Phase (und manchmal auch für die Amplitude) der Hochfrequenzenergie ein kompliziertes und räumlich großes Gebilde darstellen, das in einer Strahleranordnung mit notwendigerweise nahe beieinanderliegenden Einzelstrahlern nicht unterzubringen ist.

Bei dem hier beschriebenen Strahlerelement kann die Polarisationsart von einem Steuerimpuls zum anderen willkürlich gelindert werden. Das neiflt, wenn bei einem Impulsradargerät bei einem bestimmten Impuls die Polarisation eiae der vier möglichen Arten, d. i. vertikal, ho*i*oatal, sirkolar rechtsherfam oder zirkulär linksherum, iet, so kam» beim n&cfeatfolgendea Impuls irgendeine andere Polarieationea** eingeschaltet werden.

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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Auswahl der Polarisationsarten dadurch erfolgen kann, daß unabhängig voneinander zwei senkrecht zueinander stehende polarisierte Wellen von gleicher Amplitude und einstellbarer relativer Phase erzeugt werden. Im Laufe der weiteren Beschfeibung wird auch noch offenbar werden, daß irgendeine elliptische Polarisation durch entsprechende Phasenwahl erzeugt werden kann; jedoch werden der Einfachheit der Beschreibung wegen in dem Ausführungsbeispiel nur die horizontale, die vertikale und die beiden zirkulären Polarisationen betrachtet, die oben bereits erwähnt worden sind.

Um ein gemeinsames Phasenzentrum zu bekommen, das notwendig ist, um im Strahlungsfeld der polarisierten Wellen Phasenkohärenz zu gewährleisten, werden zwei senkrecht aufeinander stehende Feldvektoren in einem Strahler erzeugt. Dieser Strahler besteht aus einem an einem Ende offenen, quadratischen Wellenleiter mit vier Stegen in den Ecken, von denen jeder unabhängig mittels einer koaxialen Speiseanordnung am Ende erregt wird. Entgegengesetzte Stege werden paarweise erregt, so daß die elektrischen Felder, die diagonal zwischen den Stegen aufgebaut werden, sich im Wellenleiter vektoriell addieren. Die einen diagonalen Stege können als von Energie mit den relativen Phasen Q _Q und Q₀ +180 erregt gedacht werden, während die anderen Stege mit Energie der relativen Phase Q und Θ +180 erregt sind. Eine zweidimensionale Ring verzweigung, vorzugsweise in Flachbauweise (Stripline-Technik), um Raum zu sparen, liefert diese Phasenbeziehungen aus zwei Eingangs spannungen mit den

Phasen Q und Q . Diese beiden Signale sind es, die ο ο

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auf Grund ihrer relativen Phasen die Polarisation der Strahlung bestimmen. Ein 2-Bit digitaler Phasenschieber (d.h. ein solcher

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mit 2 Zuständen) und die Ring verzweigung, vorzugsweise in Mikrostrip-Technik aufgebaut, liefert die Signale mit den beiden Phasen fö und iff) aus einer einzigen Hochfrequenzquelle, deren Energie die Phase \y hat. Eine Steuer spannung zur Steuerung des Phasenschiebers liefert an seinem Ausgang

die Energie mit den relativen Phasen M und QA . Dieser ^ö V-/ ο ^o

Phasenschieber ist vorzugsweise ein stufenweise arbeitender Digital-Phasensehieber, kann aber auch ein kontinuierlich arbeitender, also ein Ana log-Phasen schieb er sein.

Die Stege im Wellenleiter bewirken eine Erniedrigung der Grenzfrequenz eines Wellenleiters mit quadratischem Querschnitt von gegebenen Ausmaßen. So wird sich Hochfrequenzenergie einer vorgegebenen Wellenlänge in einem Wellenleiter mit Stegen ausbreiten und vom offenen Ende abgestrahlt werden, der einen kleineren Querschnitt hat, als er ohne die Stege erforderlich wäre. Diese Tatsache ist für die Erfindung insofern von Bedeutung, als das Strahlerelement zum Aufbau einer aus mehreren, dicht beieinander angeordneten solchen Strahler elementen bestehenden Strahleranordnung verwendet werden soll, obwohl ein einziges Strahlerelement für sich in dieser Form ebenfalls verwendet werden kann.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird an Hand einer Zeichnung erlätotert; die (einzige) Figur stellt in auseinander-*

-5-

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gezogener, isometrischer Zeichnungsweise (teilweise im Schnitt) die einzelnen Teile des Strahlers, die Phasenschieber-Ringverzweigung und den Phasenschieber dar.

Es erscheint zweckmäßig, der ausführlichen Beschreibung der Erfindung gemäß der Figur eine kurze Betrachtung darüber voranzustellen, wie sich der Abstand der Einzelstrahler, also die gesamte Größe der Strahleranordnung, auf deren Arbeitsweise auswirkt.

Für eine sogenannte phasengespeiste Strahleranordnung, bei der eine Strahlschwenkung durch Frequenzvariation bewirkt wird, ist der Strahlerabstand zur Vermeidung von Nebenzipfeln gegeben durch die Formel

d_r >

1 +

dabei bedeutet: Λ . die Wellenlänge bei der höchsten

mm °

im Tastprogramm vorkommenden Frequenz,

Θ den maximalen Schwenkwinkel

max

bezogen auf die Normale auf der Antennenzeile.

Wenn sich der Schwenkwinkel M seinem größtmöglichen

^v-^/ max ^ö °

Wert 90 nähert, wird d gleich oder etwas kleiner als eine

halbe Wellenlänge, wobei ein Sicherheitsfaktor für eine endliche

-6-

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Strahlbreite einkalkuliert ist. Für weniger als A/2 Abstand der St rahler elemente sind die Dimensionen (der einen Seite) des quadratischen Wellenleiters auf diesen Wert beschränkt. In diesem Falle liegt die Arbeitsfrequenz unter der Grenzfrequenz. Um diese Einschränkung zu umgehen, wurde das Schema der Belastung mit Stegen in den Ecken des Wellenleiters entwickelt, wodurch die Grenzfrequenz des Wellenleiters erniedrigt wird. Infolge der Feldausbildung zwischen diagonal gegenüberliegenden Paaren von Stegen wirkt der quadratische Wellenleiter vergrößert, und ermöglicht so die Fortpflanzung von Wellentypen im Wellenleiter, die sich sonst (wegen der Grenzfrequenz) nicht ausbilden würden, und deren Abstrahlung vom offenen Ende.

Da also sehr wenig oder überhaupt kein Raum für die Erregungseinrichtung übrig bleiben würde, wenn die Strahler zu einer Strahleranordnung zusammengebaut werden, so geschieht die Erregung der einzelnen Strahler mittels koaxialer Speiseleitungen für jeden einzelnen Steg durch die den Wellenleiter abschließende Wand hindurch.

Der Beschreibung der gesamten Strahleranordnung soll jedoch die eines Einzelstrahlers vorangestellt werden, der in der Figur dargestellt ist.

Der Strahler 1 besteht aus einem Stück eines Wellenleiters mit quadratischem Querschnitt, der mit bekannten Verfahren

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aus dünnem Metall hergestellt wird. Der Wellenleiter 1 ist am Einspeisungsende mit einer leitenden Wand abgeschlossen, durch die koaxiale Speiseleitungen 8 und 9 hindurchgeführt sind. Am offenen Ende ist ein Flansch 2 angebracht, der in der Strahlungsebene der ganzen Strahleranordnung zu liegen kommt, die aus einer Mehrzahl solcher Einzelstrahlen aufgebaut ist. In den Ecken des Wellenleiters sind Stege 3,4,5 und 6 angebracht. Offensichtlich gibt es bei eine'r solchen Anordnung zwei verschiedene Anpassungsprobleme. Das erste besteht in der Anpassung der Last, die jede der koaxialen Speiseleitungen bei der Erregung der einzelnen Stege "sieht". Das zweite Anpassungsproblem besteht darin, die Strahlerapertur an den Wellenwiderstand des freien Raumes anzupassen. Das erste Anpassungsproblem wird gelöst durch die Kombination des Abstandes c des unteren Stegrandes von der Abschlußplatte, der Länge h der Abstufung des Steges und dem diagonalen Abstand e der durch die Abstufung entstehenden Randfläche des Steges von der Ecke des Wellenleiters. Das zweite Anpassungsproblem ist zu beherrschen durch eine weitere Abstufung jedes Steges mit der Breite a und einer axialen Länge von etwa \/4 \\⁼ Wellenlänge im Wellenleiter gemessen vom offenen Ende gegen die Abschlußplattel

Die Auslegungsparameter der gesamten Anordnung wurde empirisch ermittelt, da dieser Weg als der einfachste erschien. Zu den empirisch ermittelten Werten kann folgende Betrachtung angestellt werden:

Die empirische Ermittlung der einzelnen Parameter geht von der Tatsache aus, daß zwischen den Stegen eine verteilte Kapazität besteht und daß der Umfang des Wellenleiters wie eine verteilte

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Induktivität wirkt. Diese Parameter sind mit der Grenzfrequenz und dem Wellenwiderstand durch die folgenden Gleichungen verknüpft:

Z=H — und f =

Die Anpassung der koaxialen Speiseleitung an den Steg-Wellenleiter wird durch Abstimmung der resultierenden Kapazität zwischen dem Stegende und der Abschlußplatte (die Abmessungen c, t und s sind auch wichtig) und der Induktivität der Koppelschleife, die durch die Abmessungen von h und e bestimmt ist, erreicht. Die Breite s des Steges

ist durch die Beziehung _fl = * ~

gegeben, wobei d, d' oder d" genommen werden kann, je nachdem in welcher Ebene im Wellenleiter der Umfang betrachtet wird. Da der induktive Parameter vom Umf- ang innen und deshalb von t und s abhängt, geht die Kapazität bei c in komplizierter Weise auf die Abstimmung ein, weil diese Kapazität nicht nur vom Abstand c sondern auch von t und e abhängt; diese Parameter beeinflussen nämlich die Fläche am Ende des Steges, die der Abschlußplatte bei c gegenüberliegt.

Zur Erläuterung der Beziehungen zwischen den einzelnen Abmessungen sind die Werte einer Ausführungsform für den Frequenzbereich zwischen 3 und 4 GHz in Tabelle I zusammengestellt (Maße in Millimeter).

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Parameter Maß Toleranz —

a	5.6	0,05
b	41,9	0,05
C	1.3	0,05
d	22,4	0,05
d'	20,5	0,05
d"	14,9	0,05
d¹"	14,0	0,05
e	2,8	0,08
f	70,1	0,1
g	29.2	0,1
h	7,4	0,08
t	6.4	0,05

Die nach diesen Maßen gebaute Anordnung wurde elektrisch vermessen, und ea wurde festgestellt, daß zwischen den orthogonalen Speiseleitungepaaren des Stehlers eine Entkopplung von mindestens 30 dB imFrequenzbereich zwischen 3 GHz und 3,8 GHz besteht. Das Stehwellenverhältnis (VSWR) ist in diesem Frequenzbereich höchstens 1,75. Die Anordnung ist, wie man sieht, relativ breitbandig und daher für eine phasengespeiste Antennenanordnung recht gut geeignet.

Der Innenleiter der koaxialen Speiseleitung 8 wird an den Zapfen 7 angeschlossen. An den Stegen 4,5 und 6 sind ebensolche Zapfen vorgesehen. Die koaxialen Speiseleitungen sind symmetrisch

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verlegt und haben einen Diagonalabstand von 34, 2 mm - 0,08 mm. bei dem.nach den Maßen in der Tabelle I gebauten Strahler. Als Stecker für die koaxialen Speieeleitungen wurden die im Handel befindlichen 3 mm-fitecker mit 50 Ohm Wellenwiderstand verwendet. In diesem Falle sind Anschlußzapfen an den einzelnen Stegen so ausgelegt, daß sich an diesen Stellen ein Wellenwiderstand von 50 Ohm ergibt.

Die zweidimensionalen Ringverzweigungen 14 und 15 sind an sich bekannt und so ausgelegt, daß sie die Anforderungen erfüllen.

Aus der Figur geht auch hervor, daß die Ausgänge 10 und 12 der Ringverzweigung mit dem koaxialen Anschluß 8 und dem anderen diagonalen Anschluß bündig sind; ebenso stehen die Ausgänge 11 und 13 mit dem koaxialen Anschluß 9 und dem entsprechenden diagonal dazu gelegenen koaxialen Anschluß bündig. Die Ringverzweigungeeingänge 16 und 1? sind mit den Anschlüssen 18 und bündig, die die Ausgänge des Phasenschiebers mit den Phasen @ bzw. darstellen. Am Eingangeanschluß 21 wird die Hochfrequenzenergie mit der Phase (♦? angelegt. An der Kombination von Phasenschieber und Ringver zweigung 20 ist ein Anschluß 22 vorgesehen, an den das digitale Steuersignal angelegt wird. Die Konstruktion des 2-Bit Phasenschiebers und der Ringver sweigung 20 sind bekannt, und ihre Auslegung bereitet dem Fachmann bei gestellter Aufgabe keine Schwierigkeiten.

In der folgenden Tabelle II ist eine Übersicht über die Arbeitsweise des 2-Bit-Phasenschiebers und der mit diesem kombinierten Ringver zweigung gegeben.

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R.A.Witte -1	O	- 11 -	0°	2054169
Digitales Steuersignal	O	O	90°	Polarisation
OO	O	180°	vertikal (linear)
01	O	270°	zirkulär (rechts)
10	horizontal (linear)
11	zirkulär (links)

Ein wesentliches Erfordernis das hier beschriebenen Strahlers ist die Symmetrie des ganzen Systems. Die zwei unabhängig voneinander zwischen jeweils diagonalen Stegpaaren erzeugten TE₁ Wellen sind, wie oben erwähnt, sehr gut voneinander entkoppelt und das über ein verhältnismäßig breites Frequenzband. Eine exakte Konstruktion der zweidimensionalen Ringverzweigung und des Phasenschiebers ist in bezug auf eine gute Entkopplung der beiden Felder von ausschlaggebender Bedeutung. Das bedeutet, daß die Hochfrequenzenergie an den Ausgängen 10 und 12 genau um 180 phasenverschoben ( \*y und \fj + 180 ) und amplitudengleich ist. Das gleiche gilt für die Hochfrequenzenergie an den Anschlüssen 11 und 13. Die Güte der linearen und zirkulären Polarisationen hängt überdies von der Genauigkeit der vier Phasenbeziehungen fr^ ' ab, die am Anschluß 18 verfügbar sind, in bezug auf die Phasenbeziehungen von M am Anschluß 19 sowie auch von der mechanischen Symmetrie des Strahlers selbst.

Offensichtlich wird eine ökonomische Herstellungsweise der Einzelstrahler dann von ausschlaggebender Bedeutung, wenn eine Vielzahl von solchen Einzelstrahlern zu einem Strahlersystem vereinigt werden soll. Das Löten, das Bearbeiten und der Zusammenbau von Hanfl in der Werkstatt werden durch Fertigungs-

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verfahren ersetzt. So wird der Strahlerkörper samt den Stegen nach der Gießmethode mit verlorener Gießform oder sogar im Spritzgußverfahren hergestellt; die Stege sind verjüngt ausgeführt, um den fertigen Guß aus der Form herausziehen zu können. Bei einem von Hand hergestellten Strahler war eine solche Verjüngung der Stege nicht notwendig, aber der Abstimmzapfen und gewisse andere Dimensionen waren wegen der Zusammenhänge der verschiedenen Parameter, wie oben erwähnt, etwas verschieden. Eine Verjüngung der Wandung des Wellenleiterkörpers 1 kann innen vorgenommen werden, wenn es erforderlich erscheint, so daß die Wanddicke dann verschieden wird. Die Herstellung im. Gußvorgang erfordert natürlich, daß der Flansch 2 erst nach Fertigstellung des Gusses aufgesetzt wird.

Bei einer Ausführungsform wurde der Strahler aus Epoxydharz mit großer Genauigkeit hergestellt, einschließlich der Stege usw. Um eine leitende Oberfläche (notwendigerweise nur innen) herzustellen, wurden die Flächen des Epoxydharzes zuerst zum Aufbringen einer elektrolosen Plattierung vorbereitet, dann die Plattierung aufgebracht und darauf eine Kupferschicht von bestimmter Dicke elektrolytisch aufgelegt; dann wurde die verkupferte Fläche noch auf elektrolythischem Wege versilbert.

Bei dieser Herstellungsart ist eine Verjüngung der einzelnen Teile auch notwendig.

4 Patentansprüche 1 Bl. Zeichnung

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Claims

R.A.Witte -1 - 13 - Patentansprüche

1. j Strahler für Mikrowellen mit verschiedenen, steuerbaren Polarisationsarten (horizontal, vertikal, zirkulär links- und rechtsdrehend) der ausgesendeten Wellen, vorzugsweise zum Aufbau eines phasengesteuerten, aus einer Mehrzahl solcher Strahler bestehenden Antennensystems, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahler aus einem am Einspeisungsende mit einer metallischen Abschlußplatte geschlossenen Wellenleiter (1) mit quadratischem Querschnitt besteht, in dessen Ecken längs verlaufende und mit den Innenwänden leitend verbundene Stege (3,4, 5, 6) aus Metall angebracht sind und dessen offenes, strahlendes Ende mit einem Flansch (2) versehen ist, dessen Fläche in der Aperturebene des Antennensystems zu liegen kommt, daß jeweils diagonal gegenüberliegende Stege (3,5 bzw. 2, 6) am Einspeisungsende des Wellenleiters mit Hochfrequenzenergie von jeweils um 180 unterschiedlicher Phase ( Θ , Q + 180

* y\> ο oo

bzw. Q , 0 + 180 ) getrennt gespeist werden, und daß die relative Phase (Q und 0 ) der speisenden Hochfrequenzenergie in Stufen von jeweils 90° ((Q » Θ + 90°, β + 180°, Q +270°) zur Erzeugung der entsprechenden Polarisation der ausgestrahlten Hochfrequenzenergie (linear-vertikal, zirkulär-rechtsdrehend, linear-horizontal, airkular-linksdrehend) in an sich bekannter Weife verändert wird.

Kts/Sd 28.10.70

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2. Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg (z.B. 3) mittels einer koaxialen Speiseleitung (z.B. 8) gespeist wird, deren Innenleiter mit dem unteren Ende des Steges (3) und dessen Außenleiter mit der Abschlußplatte leitend verbunden ist, daß die Anpassung jedes Steges an die koaxiale Speiseleitung durch entsprechende Wahl des Ab Standes (c) des unteren Siegendes von der Abschlußplatte und mittels einer Aussparung des Steges in der Ecke des Wellenleiters von entsprechender Höhe (h) und Breite (e) erfolgt, und daß die Anpassung des strahlenden Endes des Wellenleiters an den freien Raum durch eine Ver schmäle rung des Steges an der in den Wellenleiter gerichteten Seite um eine bestimmte Breite (a) bis zu einer bestimmten Restbreite (s) und Wahl der Länge der Aussparung von etwa einem viertel der Betriebswellenlänge erfolgt.

3. Strahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxialen Speiseleitungen zur Speisung von jeweils diagonal gegenüberliegenden Stegen (3,5; 4,6) eingangsseitig mit den Ausgängen (10,12 bzw. 11,13) je einer Ringverzweigung (14 bzw. 15) verbunden sind, die Hochfrequenzenergie mit 180 relativer

Phase (Θ , Q +180° bzw. θ' , θ' + 180° ) liefern, und

O O OO

daß die Eingänge (16,17) der Ringverzweigungen (14,15) mit den Ausgängen (18,19) eines digital steuerbaren (Steuereingang 22) Phasenschiebers (20) verbunden sind, an dessen Eingang (21) die Hochfrequenzenergie (Phase & ) angelegt ist.

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4. Strahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ring Verzweigungen (14,15) und der Phasenschieber (20) in Flachbauweise (Mikrostrip-Technik) aufgebaut sind.

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