DE2219758C3

DE2219758C3 - Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung

Info

Publication number: DE2219758C3
Application number: DE2219758A
Authority: DE
Inventors: Bernard Nanterre Chiron; Louis Paris Duffau
Original assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS
Current assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS
Priority date: 1971-04-22
Filing date: 1972-04-21
Publication date: 1974-09-05
Also published as: DE2219758A1; BE782329R; FR2134146A1; IT1044994B; GB1390635A; US3765024A; DE2219758B2; CH560469A5; FR2134146B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung, die mehrere rasterförmig angeordnete Strahler enthält, die von einer gemeinsamen Signalquelle mit einer einstellbaren Phasenverschiebung zwischen benachbarten Strahlern gespeist sind.

Es ist bekannt, eine elektronische Schwenkung der Keule oder eine Umschaltung zwischen Keulen mit verschiedenen Strahlungsrichtungen bei einer Antenne dadurch vorzunehmen, daß die Phasenverschiebung zwischen den Speiseströmen verändert wird, die den die Antenne bildenden gleichen Strahlern zugeführt werden. Es ist auch bekannt, daß der nutzbare Schwenkwinkel durch die Zunahme des Bündelungswinkels begrenzt ist, welche die Keule im Verlauf der Schwenkung erleidet.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 21 36 918.6 (deutsche Offenlegungsschrift 2 136 918) sind Strahler in Form von Luneberg-Linsen vorgeschlagen worden, bei denen wenigstens der zentrale kugelförmige Kern aus einem ferrimagnetischen Material besteht, wobei Einrichtungen zur Änderung der Permeabilität des Kerns vorgesehen sind. Dadurch ergibt sich eine Änderung des Bündelungswinkels der vom Strahler abgestrahlten Keule.

In der gleichen Patentanmeldung ist auch ein Strahler vorgeschlagen, dessen Bündelungswinkel rein elektronisch steuerbar ist, und der durch einen Stielstrahler gebildet ist, der wenigstens teilweise mit einem Oberzug aus ferrimagnetischem Material versehen ist, dem Wicklungen zugeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne der eingangs angegebenen Art, bei welcher im Verlauf der elektronischen Strahlschwenkung der Bündelungswinkel der Keule in einer gewünschten vorbestimmten Beziehung zum Schwenkwinke! gehalten wird, so daß insbesondere ein vom Schwenkwinkel unabhängiger konstanter Bündelungswinkel aufrechterhalten wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Strahler eine veränderliche Apertur hat, deren Größe elektronisch durch Änderung des Magnetfeldes steuerbar ist, das in einem Teil des Strahlers ausgebildet ist, der aus einem Material mit veränderlicher Permeabilität besteht, und daß Einrichtungen zur Einstellung des Steuerstroms für die Permeabilität in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung vorgesehen sind, derart, daß zu jedem Schwenkwinkel der Antennenkeule eine vorgegebene Breite der Antennenkeule gehört.

Ein konstanter Bündelungswinkel der Keule ist in den meisten Fällen das gesuchte Ziel, doch kann die Beziehung zwischen der den Schwenkwinkel verändernden Phasenverschiebung und dem die Apertur der Strahier bestimmenden Steuerstrom auch so festgelegt werden, daß eine beliebige vorbestimmte Beziehung zwischen dem Schwenkwinkel und dem Bündelungswinkel der Antennenkeule erhalten wird. Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Dann zeigt:

Fig. la und 1 b eine aus rasterförmig angeordneten Strahlern gebildete Antenne bekannter Art zur Erläuterung der Änderung des Bündelungswinkels ϊικ Verlauf der Strahlschwenkung,

Fig. 2 die mit der Antenne von Fig. la und Ib erhaltene Keule bei verschiedenen Schwenkwinkeln,

Fig. 3 eine kugelförmige Luneberg-Linse mit ferrimagnetischem Kern der in der älteren Patentanmeldung P 2136 918.6 (deutsche Offenlegungsschrift 2 136918) beschriebenen Art,

Fi g. 4 eine aus zwei Strahlern der in Fig. 3 gezeigten Art bestehende Antenne nach der Erfindung,

Fig. 5 die Änderung des Schwenkwinkels α als Funktion der Phasenverschiebung φ für die Antenne von Fig. 4,

Fig. 6 die Änderung des Bündelungswinkels 0 der Antennenkeule als Funktion des Steuerstroms der ferrimagnetischen Luneberg-Linsen für zwei verschiedene Werte des Schwenkwinkels bei der Antenne von Fig. 4,

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der für die Erzielung eines konstanten Bündelungswinkels der re-

sultierenden Keule erforderlichen Änderung des Steuer- leiter 12 gespeist, der sich in zwei Teile 1.3 und 14 ver-

stroms für die Apertur der einzelnen Strahler als zweigt, welche den Strahler 10 bzw. den Strahler 11

Funktion des Schwenkwinkels und speisen. Der Durchmesser der Luneberg-Linsen mil

Fig. 8 eine andere Ausführung der Antenne nach einem Kern aus ferrimagnetischem Material ist iiiei

der Erfindung. 5 geringfügig kleiner als die Wellenlänge der abgestrahl-

Fig. la und Ib zeigen eine dreidimensionale An- ten Welle. In die Hohlleiter 13 und 14 ist jeweils ein tenne bekannter Art, die aus 12 Dipolen besteht, die Ferrit-Phasenschieber 15 bzw. 16 eingefügt, welche ein vorderes Antennenfeld und ein hinteres Antennen- über die Leitungen 17 bzw. 18 Phasenverschiebungsfeld bilden. Das vordere Antennenfeki wird in der in Steuerströme I₁ bzw. Λ empfangen. Die Wicklungen Fig. ia gezeigten Weise gespeist. Die Speisung des io der Antennen 10 und 11 werden in Serie mit einem hinteren Antennenfeldes ist ähnlich, doch sind die Bündelungswinkelsteuerstrom / gespeist. Die Einstel-Ströme durchwegs um 90° phasenverschoben. Es ist lung der Ströme I₁, I₂, I erfolgt nach empirisch aufgebi^spielsweise aus dem Buch »Principles of Radar«, nommenen Kurven in der Weise, daß sich der Bünde-McGraw-Hill 3ook Company, Inc. 1946, Seite 9 bis 60, lungswinkel im Verlauf der Strahlschwenkung nicht bekannt, wie die Intensität des resultierenden Feldes 15 ändert.

an einem Punkt, dessen Richtung den Winkel β mit Fig. 5 zeigt für die Antenne von Fig. 4 die Änderung

der .Y-Achse u.,d den Winkel α mit der senkrecht zum des Schwenkwinkels α der Hauptkeule als Funktion

Antennenfeld su^nden z-Achse (a+ß = 90°) ein- der Phasenverschiebung φ zwischen den Strahlen IC

schließt und der in der Entfernung r vom Antennenfeld und 11, die von den Phasenschiebern 15 und 16 erzeugl

Jiegi, durch eine Gleichung bestimmt werden kann. 20 wird. Diese Änderungsfunktion hängt von dem Ab-

Man kann eine Strahlschwenkung dadurch erhalten, stand zwischen den Strahlern ab. Aus Gründen me-

daß man die Phasenvei ^cniebung ψ zwischen neben- chanischer Art wird der Optimalwert hier nicht ange-

einanderliegenden Strahlen verändert, und Fig. 2 zeigt wendet.

von links nach rechts die Lage der Hauptkeule, wenn Fig. 6 zeigt die Änderung des Bündelungswinkels C

φ ausgedrückt in Bruchteilen einer Periode nachein- 25 der Keule als Funktion des die Wicklungen der Lune-

ander die folgenden Werte annimmt: berg-Linsen aus Ferrit durchfließenden Stroms füi

Ψ = 0; V₆; V₃; V₂; 7₃; ⁵/_e; '· den Fall, daß die Windungszahl jeder Wicklung 10

Es ist zu erkennen, daß man eine Strahlschwenkung beträgt. Die untere Kurve entspricht dem Wert a — C

um 4 20° dadurch erhalten kann, daß man 9 von (7 = 0; die beiden Strahler werden gleichphasig er-

0 bis 4 V₂ ändert. Für die Extremstellung-;n ±20³ 30 regt). Die obere Kurve entspricht dem Wert α = 12^C

wird jedoch der Nebenzipfel ebenso groß wie die (ψ ■■■- 100^J).

Hauptkeule, und wenn man sich auf ± 14° beschränkt, Es sei angenommen., daß ein Bündelungswinkel 6

hat sich der 3dB-Bündelungswinkel von 22^D in der von 28~ im Verlauf der elektronischen Strahlschwen-

Mitte auf 30° an den Rändern des Schwenkbereiches kung aufrechterhalten werden soll. Es ist zu erkennen,

erweitert. Die nachstehend beschriebenen Maßnahmen 35 daß für u = 0{ψ — 0) der durch die Wicklungen dei

haben den Zweck, diesen Winkel im Verlauf der Kerne der Luneberg-Linsen fließende Strom / den

Strahlschwenkung konstant zu halten. Wert IA hat (Punkt M). Damit dieser Bündelungs-

Fig. 3 zeigt eine Luneberg-Linse 1, die aus einem winke! im Verlauf der Strahlschwenkung, also be ferrimagnetischen kugelförmigen Kern 2 und einer einer Zunahme von q entsprechend der Kurve vor hohlkugelförmigen Schicht 3 aus Polyäthylen mit 40 Fig. 5 beibehalten wird, muß der Strom in den Luneeinem Füller aus Titandioxid besteht. Die Dielektrizi- berg-Linsen nach einer Funktion verringert werden tätskonstante der Kugel 2 ist f_r ----- 14,9, und die Di- die experimentell aus den verschiedenen Kurven abge· elektrizitätskonstante der Schale 3 beträgt e_r = 4,0. leitet wird, welche 0 als Funktion von / für die aufein· Ein Hohlleiter 4, der in einem Flansch 5 endet, dessen anderfolgenden Werte von α darstellen. Es ist zu erStirnfläche kugelförmig profiliert ist. ist an die Ober- 45 kennen, daß für den Maximalwert des Schwenkwinkeli fläche der kugelförmigen Luneberg-Linse angelegt. (a --- 12) bei dem betrachteten Beispiel der Wen Der Hohlleiter 4 ist in Fig. 3 von der Schmalseite her / = 1,3 A (Punkt P) erhalten wird,
gesehen; das elektrische Feld der Mikrowellen liegt Der Schwenkwinkel η hängt von dem Phasenver· in der Zeichenebene von Fig. 3, und das Magnetfeld Schiebungswinkel φ ab, der seinerseits im Fall vor der Mikrowellen steht senkrecht zu der Zeichenebene 50 Phasenschiebern mit ferrimagnetischem Kern von derr voti Fig. 3 Natürlich kann die Erregung der Linse Wert eines Phaseiiverschiebungssteuerstroms I₁ bzw. /_; auch auf andere Weise erfolgen. abhängt (Fig. 7). Es ist also zu erkennen, daß jederr

Eine Wicklung 6 umgibt die Kugel 2 und ist zwi- Wert von α bestimmte Werte der Phasenverschiebungs·

sehen dieser und der hohlkugelförmigen Schicht 3 ein- Steuerströme I₁, I₂ einerseits und des Antennenspeise·

gebettet. Wie in der zuvor erwähnten älteren Patent- 55 Stroms / für einen gegebenen Wert des Bündelungs·

anme'dung P 21 36 918.6 näher beschrieben ist, ändert winkeis 0 andererseits entsprechen. Es ist also mög·

sich die Apertur des Strahlers, d. h., der Bündelungs- lieh, die Phasenschieber und die Strahler mit zwei von

winkel der Hauptkeule des Strahlungsdiagramms, in gleichen Winkel abhängigen Strömen zu speisen, bei

Abhängigkeit von dem durch die Wicklung 6 ge- spielsweise mit Hilfe von zwei Potentiometern mi

schickten Steuerstrom. 60 gemeinsamer Welle, die so ausgebildet sind, daß sii

In Fig. 4 sind zwei Strahler 10 und 11 in Form von bei Drehung um den betreffenden Winkel Ströme lie

Luneberg-Linsen dargestellt, deren Kern aus Eisen- fern, die nach der gewünschten Gesetzmäßigkeit vor

Yttrium-Granat besteht, das der Formel 3Fe₂O₁. 3Y₂O₃ dem Drehwinkel abhängen. Vorrichtungen dieser Ar

entspricht. Der Durchmesser des Kerns beträgt 14 mm sind als »Funktionsgeneratoren« zur Nachbildunf

und derjenige der Hohlkugel 22 mm; der Abstand 65 mathematischer Funktionen in Analogrechnern he

zwischen den Mittelpunkten der Hohlkugel]·» beträgt kannt.

30 mm. Die Kugeln werden mit einem von einem Ge- Fig. 8 zeigt das vordere Antennenfeld einer Antcnni

norator 19 erzeugten 9 GHz-Signal über den Hohl- der in Fig. I gezeigten Art, deren Strahler durch Lune

berg-Linsen gebildet sind. Pas hintere Antennenfeld ist dem vorderen Antennenfeld völlig gleich, wird jedoch mit einer Welle gespeist, die gegenüber der das vordere Antennenfeld speisenden Welle um 90° phasenverschoben ist.

Bei dem Antennenfeld von Fig. 8 sind alle Strahler Ferrit-Luneberg-Linsen der in Fig. 3 gezeigten Art. Es sind zwölf solche Strahler für das vordere Antennenfeld und zwölf weitere Strahler für das hintere Antennenfeld vorhanden. In vertikaler und horizontaler Richtung ist der Abstand zwischen den Strahlern nicht der gleiche wie im Idealfall von Fig. 1, denn da die verwendeten Strahler einen Durchmesser haben, der größer als eine halbe Wellenlänge ist, können sie nicht auf weniger als eine Wellenlänge aneinander angenähert werden.

Alle Strahler 21, 22, 25, 26, 29, 30 der linken Hälfte des vorderen Antennenfeldes werden im wesentlichen gleichphasig erregt. Alle Antennen 23,24, 27,28,31,32 der rechten Hälfte des vorderen Antennenfeldes werden im wesentlichen ebenfalls gleichphasig erregt, jedoch mit einer Phasenverschiebung φ (in Periodenbruchteilen) gegenüber den Antennen der linken Häifte. Diese Phasenverschiebung wird von den Phasenschiebern 15 und 16 erzeugt, die jeweils in einem der beiden Hohlleiter 13 und 14 liegen, welche über einen gemeinsamen Hohlleiter 12 mit der Signalquelle 19 verbunden sind. Der Hohlleiter 14 gabelt sich in zwei Hohlleiter 7 und 7', und der Hohlleiter 13 gabelt sich in zwei Hohlleiter 8 und 8'. In die Hohlleiter 7, 8, T, 8' sind Dämpfungsglieder 33, 34, 35 bzw. 36 eingefügt.

Die Strahlschwenkung wird dadurch erhalten, daß die Phasenverschiebung verändert wird, die zwischen

ίο der linken Hälfte und der rechten Hälfte des vorderen Antennenfeldes und des hinteren Antennenfeldes besteht, was mit Hilfe der Phasenschieber 15 und 16 sowie entsprechender, nicht dargestellter Phasenschieber für das hintere Antennenfeld erfolgt. Die Einstellung der Bündelungswinkel der Keulen der einzelnen Strahler des Antennenfeldes wird durch die Speisung der Wicklungen der Luneberg-Linsen mit ferrimagnetischem Kern erreicht. Für diese Speisung sind die Luneberg-Linsen mit fcrrimagneiischern Kern in

Dreiergruppen zusammengefaßt. Die Änderung des Steuerstroms für die Permeabilität der Ferritkerne der Strahler und die gleichlaufende Änderung des Phasenverschiebungssteuerstroms erfolgt durch die Steuerschaltung 37.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung, die mehrere rasterförmig angeordnete Strahler enthält, die.von einer gemeinsamen Signalquelle mit einer einstellbaren Phasenverschiebung zwischen benachbarten Strahlern gespeist sind, d adurch gekennzeichnet, daß jeder Strahler (1; 10,11; 21 bis 32) eine veränderliche Apertur hat, deren Größe elektronisch durch Änderung des Magnetfeldes steuerbar ist, das in einem Teil (2) des Strahlers ausgebildet ist, der aus einem Material mit veränderlicher Permeabilität besteht, und daß Einrichtungen (37) zur Einstellung des Steuer-Stroms für die Permeabilität in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung vorgesehen sind, derart, daß zu jedem Schwenkwinkel der Antemienkeule eine vorgegebene Breite der Antennenkeule gehört.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ao zeichnet, daß jeder Strahler (1; 10, II; 21 bis 32) eine Luneberg-Linse ist, die einen zentralen kugelförmigen Kern (2) aus einem ferrimagnetischen Material und eine dazu konzentrische dielektrische Schicht (3) enthält, and daß um den Kern (2) eine Wicklung zur Steuerung der Permeabilität des ferrimagnetischen Materials angebracht ist.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luneberg-Linse (1; 10, 11; 21 bis 32) mit ferrimagnetischem Kern (2) über Hohlleiter (4; 13, 14; 7, 8, 7',_8') gespeist sind, und daß die Einrichtungen zur Änderung der Phasenverschiebung zwischen benachbarten Strahlern der Antenne Phasenschieber (15, 16; 33, 34, 35, 36) mit ferrimagnetischem Kern sind, die in die Hohlleiter eingesetzt sind.

4. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luneberg-Linsen mit ferrimagnetischem Kern über Koaxialleitungen gespeist sind.

5. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luneberg-Linsen mit ferrimagnetischem Kern Über Mikrobandleitungen gespeist sind.

6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahler ein Stielstrahler ist, der wenigstens teilsweie mit einem Überzug aus magnetischem Material versehen ist, auf dem Wicklungen angebracht sind.