DE2139076A1

DE2139076A1 - Kurzwellenantenne

Info

Publication number: DE2139076A1
Application number: DE19712139076
Authority: DE
Inventors: Elizabeth Radiert Hertford Lavenck (Großbritannien)
Original assignee: Elliott Brothers London Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1970-08-04
Filing date: 1971-08-04
Publication date: 1972-02-10
Also published as: DE2139076C2; US3771160A; FR2101220A1; GB1330175A; FR2101220B1

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel DipL-Ing. Wolf gang Reichel

6 Frankfurt a. M. 1
Parksiraße 13

ELLIOTT BROTHERS (LOlH)OIi) LIMITED, London, England

Kurzwellenantenne

Die Erfindung "betrifft Kurzwellenantennen und "bezieht sich insbesondere auf solche Antennen, die linear polarisierte Kurzwellen verwenden, um eine selektive Reflektion und Ausstrahlung an bestimmten Oberflächen zu erhalten.

Beispiele solcher Antennen sind in den GB-PS 700 868, 716 939 und 898 933 beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht auf die in diesen Patentschriften angegebenen Anordnungen und Konstruktionen beschränkt.

Die Möglichkeit, eine Drehbewegung oder Schwenkung der Polarisationsebene einer linear oder eben polarisierten Welle zu erzeugen, ist besonders in Verbindung mit Oberflächen von Bedeutung, die in Abhängigkeit von dem Winkel der Polarisationsebene die auf die Oberfläche auftreffende Welle reflektieren oder durchlassen. Ein Nachteil der bekannten Anordnungen dieser Art besteht darin, daß sie auf den Betrieb mit einer einzigen Frequenz beschränkt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe augrunde, bei einer Kurzwellenantenne Einrichtungen zu schaffen, äi& eine

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Schwenkung oder Drehung der Polarisationsebene einer einfallenden linear polarisierten -Welle für mindestens zwei Frequenzen der einfallenden Welle ermöglichen.

Die Erfindung geht von einer Kurzwellenantenne aus, die eine Reflektoranordnung zur Erzeugung einer Drehung der Polarisationsebene einer einfallenden linear polarisierten Welle enthält. Gemäß der Erfindung enthält die Anordnung eine Anzahl von leitenden Gittern, die vor einem Reflektor angeordnet sind und deren Scheinleitwerte und gegenseitigen Abstände und deren Abstände gegenüber dem Reflektor so bemessen sind, daß bei jeder von mehreren Betriebsfrequenzen die betreffenden Scheinleitwerte der Anordnung für aufeinander senkrecht stehende Komponenten einer vorbestimmten linear polarisierten auf die Anordnung auftreffenden Welle eine relativ inverse Größe und entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen.

Es können zwei Gitter vorgesehen sein, die ;je eine Anordnung von parallelen Leitern aufweisen, welche in einer Richtung verlaufen, die um etwa 45° gegenüber der Polarisationsebene der einfallenden Welle geneigt ist. '

Das eine der beiden Gitter kann vom dem Reflektor einen Abstand von etwa 1/4 Wellenlänge einer ersten vorgegebenen Frequenz aufweisen, und das zweite Gitter ist in einem Kurzschlußbereich bezüglich des Eingangsscheinleitwertes angeordnet, der einer einfallenden Schwingung dieser Frequenz dargeboten wird.

Die Reflektoranordnung kann vorzugsweise einen ebenen metallischen Reflektor, eine Schicht eines dielektrischen Schaummaterials, ein erstes Gitter au3 parallelen Drähten, dine zweite Schicht eines dielektrischen Sohaummaterials

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und ein zweites Gitter aus parallelen Drähten enthalten, wobei die Drähte jeden Gitter mit einer zugehörigen dielektrischen Schicht beklebt sind, die ihrerseits an die benachbarte Schaumschicht angeklebt ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält eine Cassegrain-Radarantenne, d.h·. eine Spiegelreflektorantenne eine örtliche Quelle einer linear polarisierten Welle, die in Richtung auf einen Hilfsreflektor ausgestraht Wird, der eine Anordnung von Leitern aufweist, die in einer Richtung parallel zur elektrischen Ebene der polarisierten "Welle verlaufen, und eine Schwenkreflektoranordnung mit einem ebenen Reflektor, mit einem ersten Gitter aus parallelen Leitern, die einen Abstand von 1/4 Wellenlänge der ersten vorgegebenen Frequenz von dem ebenen Reflektor haben, sowie ein zweites Gitter aus parallelen Leitern, die im Bereich des Kurzschlusses bezüglich des Eingangsscheinleitwertes der ersten vprgegebenen Frequenz angeordnet sind, der beim Betrieb einer linear polarisierten Welle dargeboten wird, die von dem Hilfsreflektor reflektiert und von dem Schwenkreflektor aufgefangen wird, wobei die Leiter der beiden Gitter in einer Richtung verlaufen, die einen Winkel von 45° gegenüber der Polarisationsebene der Welle aufweist, die von dem Schwenkreflektor aufgefangen wird und wobei die einzelnen Scheinleitwerte der beiden Gitter so bemessen sind, daß eine linear polarisierte Welle der ersten oder einer zweiten vorbestimmten Frequenz, die von der örtlichen Quelle ausgeht und von dem Hilfsreflektor reflektiert wird, so daß sie auf die Schwenkreflektoranordnung fällt, von der Schwenkreflektoranordnung unter Drehung der Polarisationsebene um 90° reflektiert wird, so daß sie durch den Hilfsreflektor hindurchgeht.

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Eine Kurzwellenantenne, die mit zwei Frequenzen betrieben werden kann und gemäß der Erfindung ausgeführt ist, wird nun im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Pig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Antenne in einer Ebene, die die Antennenachse enthält.

Pig. 2 ist ein Teilschnitt der Schwenkreflektoranordnung der Pig. 1 und

Pig. 3 zeigt Ersatzschaltungen für die Schwenkreflektor-

andrdnung der Pig. 2.in bezug auf orthogonale ■ Komponenten einer einfallenden Welle.

Die in Pig. 1 dargestellte Antennenanordnung hat folgenden Aufbau. Ein Hornstrahler 1 ist auf einen parabolischen Reflektor 2 gerichtet und befindet sich am Brennpunkt des Reflektors 2, so daß die von dem Reflektor 2 reflektierte Welle einen Parallelstrahl bildet. Die vom Hornstrahler 1 ausgehende Welle ist linear polarisiert, wobei der elektrische Vektor E senkrecht zur Papierebene steht.

Der parabolische Reflektor 2 arbeitet auch als durchsichtiges Penster, je nach dem Winkel der Polarisationsebene der einfallenden Welle.. Er besteht aus einer Anzahl von parallelen leitenden Streifen 3, die in Pig. 1 im Schnitt gezeigt sind. Mindestens der vordere Rand der Streifen ist jeweils so geformt, daß er der parabolischen Oberfläche des Reflektors 2 als Ganzes entspricht. Die Streifen 3 sind in ein dielektrisches Medium, zum Beispiel ein wabenartiges Material aus Piberglas, eingebettet und eine dielektrische Haut kann auf die Vorder- und Rückseiten aufgeklebt sein und dazu dienen, die Starrheit des ganzen Aufbaues zu erhöhen.

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Anstelle der Streifen 3 können auch parallele Drähte verwendet werden. In jedem Pail müssen die Abstände der Leiter genügend klein sein, um einen hohen Reflexions-Koeffizienten bei der höchsten Betriebsfrequenz zu erzeugen und ihre Dicke (Durchmesser) muß genügend klein sein, um eine hohe Abstrahlung der Energie zu erreichen, die den leitern gegenüber senkrecht polarisiert ist.

Der E Vektor der von dem Hornstrahler 1 emittierten Welle ist senkrecht zur Papierebene polarisiert und wie aus Pig. 1 hervorgeht auf die Richtung der Streifen. 3 ausgerichtet. Man erhält daher eine nahezu vollständige Reflexion und ein Parallelstrahl wird in Richtung auf eine Schwenkreflek-

türanordnung 4 reflektiert. Wie der Farne der Schwenkreflektoranordnung besagt, dient sie dazu, die Polarisationsebene der einfallenden Welle zu schwenken oder zu drehen. Eine Schwenkung der Ebene um 90° bewirkt, daß die von dem Schwenkreflektor 4 reflektierte Welle in einer Ebene parallel zur Papierebene und, daher quer zu den Streifen 3 des Reflektors 2 polarisiert ist. In diesem PaIIe findet ein vollständiger Durchgang der Welle durch den Reflektor 2 hindurch statt.

Um den ausgestrahlten Strahl zu steuern, ist der Schwenkreflektor 4 um eine nicht dargestellte Achse, die senkrecht zur Papierebene steht, schwenkbar gelagert. Der Schwenkwinkel des Strahlers ist doppelt so groß wie der Ablenkungswinkel des Schwenkreflektors 4.

Der Aufbau und die Wirkungsweise des Schwenkreflektors 4 wird im folgenden näher beschrieben.

Pig. 2, die nicht maßstäblich ist, zeigt zwei Kupferdrahtgitter 5 und 6, die vor einer durchgehenden Aluminiumplatte 7 angeordnet sind. Die Abstände D1 und D2 zwischen der

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Platte 7 und dem Gitter 5 bzw. dem Gitter 6 sind in der weiter unten angegebenen Weise bemessen. Die Abstände der einzelnen Drähte 8 und 9 der Gitter müssen genügend klein sein, um eine einwandfreie Reflexion zu erzeugen, während sie gleichzeitig in Verbindung mit dem Drahtdurchmesser so gewählt sind, daß der gewünschte Gitterwiderstand erhalten wird.

Die Gitter 5 und 6 sind dadurch hergestellt, daß die Drähte je an eine Haut angeklebt werden. Die Häute oder Schichten sind dann mit einem dielektrischen Schaummaterial niedriger Dichte in Porm je einer Schicht 11 verklebt, die die Ab-" stände D1 bzw. D2 ergeben. Die Rückseite der Schaumstoffschicht 11 ist an der Aluminiumplatte 7 angeklebt.

Die Arbeitsweise des Schwenkreflektors 4 hängt von der Herstellung einer Phasenverschiebung zwischen verschiedenen Komponenten einer linear polarisierten einfallenden Welle ab. Im vorliegenden Beispiel werden zunächst die orthogonalen Komponenten betrachtet, die parallel bzw. senkrecht zu den Drähten 8 und 9 der Gitter 5 und 6 verlaufen. Die Gitter sind entsprechend mit ihren Drähten 8 und 9 um 45° gegenüber der Polarisationsebene der einfallenden Welle orientiert.

In der Schaltung der Pig. 3 zeigt der obere Kreis die Ersatzschaltung des Schwenkreflektors gegenüber der parallelen Komponenten des E-Peldes der einfallenden Welle. Der untere Kreis zeigt das entsprechende Ersatzschaltbild für die senkrechte Komponente. Die Diagramme auf der linken Seite der Pig. 3 zeigen die Peldkomponenten in Beziehung zu den Gitterdrähten.

Die Gitter 5 und 6 bilden für die parallele Komponente induktive Neben-^schlüsse zu der Leitung, während die

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Gitter 5 und 6 für die senkrechte Komponente kapazitive Nebenschlüsse bilden. In beiden Fällen werden die Gitter durch eine kleine Kapazität 10 überbrückt, die sich aus der dielektrischen Haut ergibt, auf der die Drähte montiert sind. Diese Fehlerkapazität wird durch eine entsprechende kleine Erhöhung der Gitterinduktivität über den berechneten Wert hinaus kompensiert.

Bei dem angegebenen Beispiel wird das Gitter 5 erst so bemessen und eingestellt, daß sich ein Betrieb bei einer bestimmten Frequenz ergibt, d.h. es befindet sich im Abstand von 1/4- Wellenlänge dieser Frequenz vor der Platte 7, wobei die Drähte 8 des Gitters unter einem Winkel von 45° zu der Polarisationsebene der einfallenden Wellen angeordnet sind.

Wie in der GB-PS 700 868 erwähnt ist, bewirkt die Anordnung eines Gitters im Abstand von 1/4- Wellenlänge vor einer leitenden Platte und der Empfang einer linear polarisierten Welle in einer Ebene, die einen Winkel von 45° gegenüber den Drähten des Gitters hat, eine Phasenverschiebung von 180° zwischen der parallelen und senkrechten Komponente der Ε-Welle. Dies ist der Fall, weil die parallele Komponente von dem Gitter mit einer Phasenverschiebung von 180° reflektiert wird, während die senkrechte Komponente das Gitter nicht "sieht", sondern es ungehindert durchsetzt und von der rückseitigen Platte infolge der länge des Weges und der reflektierenden Eigenschaften der Platte mit einer Gesamtphasenverschiebung von 360° reflektiert wird. Die resultierende Phasenverschiebung beträgt 180°.

Wenn eine Phasenverschiebung von 180° zwischen der parallelen und senkrechten Komponente bei der Reflexion erzeugt wird, dann wird die gewünschte Schwenkung der Polarisationsebene um 90° erzielt. Es läßt sich zeigen, daß dies eine

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- 8 allgemeine Bedingung ist, die durch die Formel

ausgedrückt werden kann, wobei Y__e und Y__ö die Scheinleitwerte sind," die der parallelen bzw. der senkrechten Komponente dargeboten werden. Die "parallelen" und "senkrechten" Scheinleitwerte haben daher inverse Größe und entgegengesetztes Vorzeichen.

Das Gitter 6 wird dann in der ersten oder in einer weiteren Kurzschlußebene der ersten Frequenz in der Bahn zum Gitter 5 und der Rückplatte 7 so eingestellt, daß der Scheinleitfwert des Gitters 6 keine Wirkung auf diese ausgewählte Frequenz hat, da das Gitter parallel zu einem Kurzschlußkreis liegt, d.h. einen unendlich großen Scheinleitwert aufweist. Es besteht dann vollständige Freizügigkeit, den Durchmesser und Abstand der Drähte 9 des Gitters 6 so einzustellen, daß bei verschiedenen niedrigeren Frequenzen die notwendigen inversen parallelen und senkrechten Scheinleitwerte, wie oben erwähnt, in Verbindung mit dem ersten Gitter erzeugt werden.

Die Art und Weise, in der der Scheinleitwert eines Drahtgitters von dem Durchmesser, dem Abstand und der Frequenz abhängt, ist an sioh bekannt und in dem Band Kr. 10 des M.I.T. Radiation Laboratory Series, "Waveguide Handbook" beschrieben, das von H". Marcuvitz herausgegeben worden ist.

Außerdem kann die Lage des zweiten Gitters 6 in gewissem Außmaß verändert werden, ohne in unzulässiger Weise die höhere Frequenz zu beeinflussen. Dies ist der Fall, weil der Scheinleitwert für ein begrenzten Abstand zu beiden Seiten der Kurzsohlußebene des unendlich großen Scheinleit-

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wertes genügend groß "bleibt, wie aus der Bezugnahme auf ein Smith Diagramm entnommen werden kann, um den übertragenen Scheinleitwert des zweiten Gitters 6 auszulöschen.

Auf diese Weise gelingt es, eine Abweichung gegenüber der Beziehung der dritten Harmonischen innerhalb eines Bereiches von 2 und 5 zu 1 erhalten.

Um den Bereich der Betriebsfrequenzen, für den ein Schwenkreflektor entworfen werden kann, zu bestimmen, kann eine bestimmte Frequenzbeziehung zugrunde gelegt werden, die eine Folge von dritten Harmonischen ist, d.h. A₁; 3A₁J 9A₁; 27A₁; usw. .

Diese Erweiterung der Zahl der Betriebsfrequenzen kann mit einem einzigen Gitter erzielt werden, wobei dieses Gitter eine große Induktivität bei der höchsten Frequenz aufweist und bei der niedrigsten Frequenz einen Abstand von 1/4 Wellenlänge von einer geerdeten Platte aufweist. Auf diese Weise würde bei jeder Frequenz das Gitter eine große Induktivität aufweisen und es würde einen Abstand eines ungradzahligen Vielfachen einer 1/4 Wellenlänge von der geerdeten Ebene aufweisen. Diese Anordnung würde daher als Schwenkreflektor wirken. Bei den hohen Frequenzen würde die Anordnung jedoch eine schmale Bandbreite aufweisen.

Andererseits kann eine Ausführung für zwei Frequenzen, bei der zuerst ein Gitter für die hohe Frequenz eingestellt und dann ein zweites Gitter für die niedrigere Frequenz hinzugefügt wird, eine große Bandbreite sowohl für die hehe als auch für die niedrige Frequenz aufweisen. Es ist anwendbar, wenn die beiden Frequenzen in ungradzahlig harmonischer Beziehung zueinander stehen, d.h. A₂- ^5λι» 5A₁, 7A₁, usw.

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Die zuerst beschriebene Ausführung entspricht dem ersten dieser Frequenzpaare.

Verhältnisbereiche, die dem 2- bis 5-fachen der dritten harmonischen Beziehung entsprechen, ergeben sich für andere Paare der obigen ungradzahligen harmonischen Reihe, z.B. für die Paare 1 : 7; 1 : 9 usw., obwohl die mögliche Veränderung des Verhältnisses umso kleiner ist, je größer das Paarverhältnis ist.

Man sieht daraus, daß die Anordnung in der lage ist, auch _fc mit mehreren verschiedenen Frequenzen zu arbeiten, voraus-™ gesetzt, daß ihre Verhältniszahlen günstig sind.

Bei dem Entwurf eines Schwenkreflektors für mehrere Frequenzen wird zuerst ein Gitterpaar entsprechend der obigen Ausführung eingestellt, so daß es bei den beiden höchsten Frequenzen arbeitet. Dann wird ein drittes Gitter im Bereich einer Kurzschlußebene hinzugefügt, das mit der nächstniedrigeren Frequenz arbeitet, jedoch keinen Einfluß auf die beiden oberen Frequenzen hat. Weitere Gitter können dann in ähnlicher Weise hinzugefügt werden.

Diese Anordnung ermöglicht es, mit Frequenzen im Verhältnis 1 : 3 : 9 : 27 usw. zu arbeiten.

Da es möglich ist die Gitterinduktivitäten in gewissen Grenzen zu wählen, können die genauen Verhältnisse der Frequenzen eingestellt werden.

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Claims

6771 Patentansprüche'

1.) Kurzwellenantenne mit einer Reflektoranordnung zur Erzeugung einer Drehung der Polarisationsebene einer einfallenden linear polarisierten Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (4) eine Anzahl von leitenden Gittern (5, 6) vor einem Reflektor (7) enthält, deren Scheinleitwerte und gegenseitige Abstände und deren Abstände gegenüber dem Reflektor (7) so bemessen sind, daß bei jeder von mehreren Betriebsfrequenzen die betreffenden Scheinleitwerte der Anordnung (4) für aufeinander senkrecht stehende Komponenten (E__, E__) einer vor-

ρ& pe

bestimmten linear polarisierten auf die Anordnung auftreffenden Welle eine relativ inverse Größe und entgegengesetztes Torzeicben aufweisen.

2. Kurzwellenantenne nach Anspruch 1, -dadurch gekennzeichnet , daß zwei Gitter (5, 6) vorgesehen sind, die je eine Anordnung von parallelen Leitern (8, 9) enthalten, die in einer Richtung verlaufen, weiche einen Winkel von etwa 45° gegenüber der Polarisationsebene der einfallenden Welle aufweist.

3. Kurzwellenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine (5) der beiden Gitter (5» 6) von dem Reflektor (7) einen Abstand hat, der etwa 1/4 Wellenlänge der ersten Frequenz beträgt, und daß das zweite Gitter (6) im Bereich einer Kurzschlußebene mit Bezug auf den Eingangsscheinleitwert angeordnet ist, der einer einfallenden Welle der ersten Frequenz dargeboten wird.

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4. Kurzwellenantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Reflektoranordnung (4) in Kombination einen ebenen Metallreflektor (7)» eine Schicht (11) aUs einem dielektrischen Schaummaterial, ein erstes Gitter (5) au3 parallelen Drähten (8), eine zweite Schicht (11) aus einem dielektrischen Schaummaterial und ein zweites Gitter (6) aus parallelen Drähten (9) enthält, wobei die Drähte jeden Gitters an einer dielektrischen Haut festgeklebt sind, die ihrerseits mit der benachbarten Schaumschicht verklebt ist.

5. Radarspiegelantenne nach Anspruch 1 mit einer örtlichen Quelle einer linear polarisierten Welle, die in Richtung auf einen Hilfsreflektor ausgestrahlt wird, der eins Anordnung von leitern enthält, die parallel zu der elektrischen Ebene der polarisierten Welle verlaufen, dadurch gekennzeichnet , daß eine Schwenkreflektoranordnung (4) einen ebenen Reflektor (7), ein erstes Gitter (5) aus parallelen Leitern (8) im Abstand von 1/4 Wellenlänge der ersten Frequenz von dem ebenen Reflektor (7), und ein zweites Gitter (6) aus parallelen Leitern (9) enthält, das im Bereich einer Kurzschlußebene des Eingangsscheinleitwertes * der ersten Frequenz angeordnet ist, wobei diese Reflektoranordnung im Betrieb einer linear polarisierten Welle ausgesetzt wird, die von dem Hilfsref lektor (2) reflektiert wird und auf die Schwenkreflektoranordnung (4) auftrifft, wobei die Leiter (8, 9) der beiden Gitter (5, 6) in einer Richtung verlaufen, die einen Winkel von 45° gegenüber der Polarisationsebene der auf den Schwenkreflektor (4) auffallenden Welle hat, und daß die einzelnen Scheinleitwerte der beiden Gitter (5, 6) so gewählt sind, daß eine linear polarisierte Welle der ersten oder einer zweiten Frequenz, die von der örtlichen Quelle (1) ausgestahlt und von dem Hilfsreflektor (2)

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reflektiert wird, so daß sie auf die Schwenkreflektoranordnung (4) aiiftrifft, von der Schwenkreflektoranordnung (4) mit einer Phasenverschiebung der Polarisationsebene von 90° durch den Hilfs'reflektor (2) hindurch reflektiert wird.

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