DE2262495C2

DE2262495C2 - Antennensystem mit in einem großen Raumwinkelbereich schwenkbaren Richtdiagramm

Info

Publication number: DE2262495C2
Application number: DE2262495A
Authority: DE
Inventors: John Joseph Mahopac N.Y. Stangel; Pasquale Anthony Brooklyn N.Y. Valentino
Original assignee: Sperry Corp 10104 New York NY; Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1972-12-20
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE2262495A1; US3755815A; CA977844A; GB1403769A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem mit in einem großen Raumwinkelbereich schwenkbaren Richtdiagramm, bestehend aus einer gespeisten phasengesteuerten Strahlergruppe und einer Linse mit gekrümmten Ober/lachen, deren Konkavseite der Strahlergruppe zugewendet ist, wobei die Strahlergruppe zur Linse hin ein Strahlenbündel mit einer nichtplanaren Wellenfront und einem Brennpunkt mit einstellbarer Lage abgibt und die Linse dieses Strahlenbündel in ein Strahlenbündel mit ebener Wellenfront umwandelt.

Es ist ein Antennensystem dieser Art bekannt (US-PS 27 95 783), bei dem die Strahlergruppe im Inneren eines kreisringförmigen Linsenelementes in Drehung versetzt wird, um die Antennenrichtcharakteristik zu drehen. Hierbei trifft das Strahlenbündel der Strahlergruppe immer in Normalrichtung zur Strahlergruppe auf den Linsenkörper auf. Die Phasensteuerung der Strahlergruppe wird nicht zur Schwenkung ries Richtdiagramms benutzt, sondern dazu, das abgestrahlte Bündel konvergieren bzw. divergieren zu lassen, d. h. die Lage des Brennpunktes einstellbar zu machen. Die Strahlschwenkung, auch über einen Raumwinkelbereich, erfolgt durch mechanische Drehung der Strahlergruppe.

Das Erfordernis der gleichzeitigen Verfolgung einer Vielzahl von Zielen läßt im Grunde genommen die Verwendung einer Antenne, die die mechanische Bewegung einer großen Masse erfordert, unmöglich erscheinen. Daher sind phasengesteuerte Strahlergruppen, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten elektronisch gesteuert werden können und die gleichzeitig eine Vielzahl von Zielen durch Erzeugung von Radarstrahlen auf einer Zeitteilungsbasis verfolgen können, erforderlich.

Bekannte phasengesteuerte Strahlergruppen wurden üblicherweise in einer von vier geometrischen Formen konstruiert: linear, planar, zylindrisch oder sphärisch. Die Konstruktion und der Entwurf von zylindrischen und sphärischen phäsengesteUerten Strahlergruppen ist komplizierter und aufwendiger als die Konstruktion und der Entwurf von ebenen oder planaren Strahlergrup' pen. Weiterhin sind gekrümmte phasengesteuerte Strahlergruppen weniger wirkungsvoll als eine planare Strahlergruppe, weil sie auf Grund der Krümmung nicht alle Strahlerelemente bei bestimmten Winkeln der Abtastung ausnutzen.

Die am häufigsten verwendete Form ist die ebene Strahlergruppe, die einen maximalen Gewinn G (Θ) aufweist, der durch

die die

begrenzt ist, wobei A die Antennenfläche, λ
Betriebswellenlänge und β der Winkel gegen
Senkrechte auf iie Strahlergruppe ist

Der Maximalwert des Abtast- oder Ablenkwinkels Θ ist im Prinzip auf weniger als 90° und in der Praxis auf weniger als 70° begrenzt und zwar auf Grund der Schwierigkeit der wirtschaftlichen Erzielung eines wirkungsvollen Betriebs über ausgedehnte Ablenkbereiche.

Für einen halbkugelförmigen Erfassungsbereich wurden die Möglichkeiten der Verwendung einer ebenen Strahlergruppe in Proceedings of the IEEE, November 1968, Seiten 1763-1771 zusammengefaßt Aus dieser Literaturstelle geht folgendes hervor:

»In dem Fall, in dem ein halbkugoiförmiger Erfassungsbereich erforderlich ist, kann die Wahl zwischen folgenden Möglichkeiten getroffen werden:
1.

to

15

20

25

Vier Strahlergruppen, die jeweils angenähert Ά der Halbkugel bedecken.

2. Drei Strahlergruppen, die jeweils ungefähr 1/3 der Halbkugel bedecken oder

3. eine Strahlergruppe, die mechanisch im Azimut gedreht wird und bei der ein stiftförmiger Strahl im Höhenwinkel zwischen 0 und 90° abgelenkt wird.

Die einzelne Strahlergruppe kann lediglich dann für einen halbkugelförmigen Erfassungsbereich verwendet werden, wenn sie die Forderungen in bezug auf die Datengeschwindigkeit und die Betriebseigenschaften erfüllen kann und wenn die dynamischen Eigenschaften der Ziele und die Zieldic'iite niedrig genug sind, um eine Zielverfolgungs- und Suchbetriebsweise anstelle einer kontinuierlichen interpolierenden Null-Zie^lverfolgung zu verwenden.«

Es ist weiterhin ein Antennensystem bekannt (Revue Technique Thomson-CSF, Bd. 2, Nr. 1, März 1970, S. 28 bis 36), bei dem eine phasengesteuerte Strahlergruppe relativ kleiner Apertur mit einem relativ großen Schwenkbereich des Richtdiagramms durch ein dieser vorgesetztes Linsensystem zu einem Antennensystem ergänzt wird, das als solches eine größere Apertur und einen reduzierten Schwenkbereich des Richtdiagramms aufweist. Maßnahmen zur Vergrößerung des Schwenkbereichs mit Hilfp des Linsensystems werden jedoch hier nicht gelehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Antennensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das ohne mechanisch bewegte Teile ein in einem großen Raumwinkelbereich schwenkbares Richtdiagramm aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Antennensystem erfordert lediglich eine einzige ebene Strahlergruppe für einen großen Ablenkwinkei, so daß sich der Aufbau gegenüber den bekannten Antennensystemen mit einer Vielzahl von Strahlergruppen oder einer oder mehreren Strahlergruppen, die mechanisch bewegt werden müssen, verringert. Das erfindungsgemäße Antenneniijstem ermöglicht die Erzielung von Ablenkwinkeln, die größer als 180° sind, und es kann zur Erzielung dieses großen Raumwinkelbereiches eine halbkugelförmtge oder parabolische Linse verwendet werden, die passiv vorgegebene Werte des Phasengradienten einführt

Die Linse kann hierbei einen derartigen Phasengradienten aufweisen, daß ein gerichtetes Strahlenbündel mit ebener Wellenfront mit veränderbarem Abienkbereich und einem änderbaren Gewinn erzeugt wird. E)er Gewinn und der Ablenkbereich sind entsprechend spezieller Anwendungen auswählbar, wobei der Gewinn über verschiedene Ablenkwinkel änderbar ist und gegebenenfalls unter geringfügiger Verringerung lies maximal erzielbaren Ablenkwinkels vergrößerbar ist

Wenn die von der Linse hervorgerufenen Phasengradienten derart sind, daß das von dem Mittelpunkt der Strahlergruppe auf die Linse auftreff^nde Strahlenbündel in Richtung auf die Querrichtung gebeugt wird, so besteht die Wirkung der Linse in einer Verringerung des Ablenkbereichs der ebenen phasengesteuerten Strahlergruppe. Um jedoch einen kollimierten Strahl in der Querrichtung zu erzeugen, muß die Strahlergruppe so phasengesteuert werden, daß ein divergierendes Strahlenbündel gebildet wird, wodurch sich eine Vergrößerung des Gewinns des abgestrahlten Strahlenbündels in der Nähe der Querrichtung auf einen Wert ergibt der größer als der ist der mit einer ebenen Strahlergruppe von vergleichbarer Größe und Elementenzahl erzielbar ist

Wenn weiterhin die sich durch die Linse ergebenden Phasengradienten derart sind, daß das von dem Mittelpunkt der Strahlergruppe auf die Linse auftreffende Strahlenbündel von der Querrichtung fort gebrochen wird, so bewirkt die Linse eine Vergrößerung des Ablenkbereichs der Strahlergruppe. Um dann ein kollimiertes Strahlenbündel in der Querrichtung zu erzeugen, muß die Strahlergruppe derart phasengesteuert werden, daß ein konvergierendes Strahlenbündel gebildet wird, wodurch sich eine Verringerung des Gewinns für das abgestrahlte Strahlenbündel in der Nähe der Querrichtung ergibt.

Im allgemeinsten Fall sind die sich Jurch die Linse ergebenden Phasengradienten jedoch derart, daß Strahlen von dem Mittelpunkt der Strahlergruppe mit sich ändernden Werten entweder auf die Querrichtung oder von der Querrichtung fort gebrochen werden, und zwar in Abhängigkeit davon, auf welchen Bereich der Linse sie auftreffen. Dann muß die Strahlergruppe zur Erzeugung von kollimierten Strahlenbündeln so phasengesteuert werden, daß sie für bestimmte Ablenkrichtungen ein überwiegend divergierendes Strahlenbündel oder für andere Richtungen ein überwiegend konvtrgierendes Strahlenbündel bildet, so daß sich eine entsprechende Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Gewinns in diesen Ablenkrichtungen ergibt.

Eine richtige Bestimmung der Änderung der Phasenverzögerung in der Linse bewirkt daß sich die Verstärkung der kollimierten Strahlen mit dem Ablenkwinkel entsprechend einer vorgegebenen Be* triebsforderung ändert Weiterhin besteht eine direkte Konsequenz der Erzielung dieses hohen Grades der Übereinstimmung mit defi Betriebsforderungen darin, daß die Größe und Anzahl der Elemente in der Strahlergruppe in einem Ausmaß verringert wird, das bisher nicht möglich v/ar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, die einen Speise-Tfichterstfählef, eine Strahlergruppe und eine Linse einschließt und die die Brechungswirkung der Linse in bezug auf die Strahlergruppe zeigt,

F i g. 2a ein konvergierendes Strahlenbündel, das von ι ο einer phasengesteuerten Strahlergruppe auf eine Linse mit einem Ablenkverstärkungsfaktor größer als 1 gerichtet wird, wodurch ein Strahlenbündel parallel zur Querrichtung erzeugt wird,

F i g. 2b ein konvergierendes Strahlenbündel, das von |j einer phasengesteuerten Strahlergruppe auf eine Linse mit einem Ablenkverstärkungsfaktor größer als 1 gerichtet wird, wodurch sich ein Strahlenbündel mit einem Winke! vun ungeiäiir 60" in ueiug auf die Querrichtung ergibt,

F i g. 3a ein divergierendes Strahlenbündel, das von einer phasengesteuerten Strahlergruppe auf eine Linse mit einem Ablenkverstärkungsfaktor kleiner als 1 gerichtet wird, wodurch sich ein Strahlenbündel parallel zur Querrichtung ergibt,

F1 g. 3b ein divergierendes Strahlenbündel, das von einer phasengesteuerten Strahlergruppe auf eine Linse mit einem Ablenkverstärkungsfaktor kleiner als 1 gerichtet wird, wodurch sich ein Strahlenbündel mit einem Winkel von ungefähr 10° in bezug auf die Querrichtung ergibt,

Fig.4 eine graphische Darstellung des relativen Öffnungsgewinns aufgetragen gegenüber dem Ablenkwinkel einer kreisförmig gekrümmten zylindrischen Linse,

F i g. 5 eine graphische Darstellung des Gewinns gegenüber dem Ablenkwinkel vom Zenith aus für eine dreidimensionale Weitwinkel-Ablenkanordnung,

F i g. 6 die berechneten Richtdiagramme eines Antennensystems mit einer kreisförmigen zylindrischen Linse und einem Ablenkverstärkungsfaktor von 1,5 für Strahl- Hauptrichtungen von 0.30,60 und 90° gegenüber der Querrichtung,

F i g. 7 eine schematische Darstellung einer Linse, wobei die Linse Dipole enthält,

Fig.8 eine schematische Darstellung einer Linse, wobei die Linse Rundhohlleiterabschnitte enthält,

F i g. 9 eine hyperbolische dielektrische Flugzeugna- · sen-Kegellinse mit Strahlergruppe,

Fig. 10a bis 1Oj graphische Darstellungen von Strahlungsdiagramm^, die für eine hyperbolische Flugzeugnasen-Kegellinse mit einem Kegelhalbwinkel von 5,5° berechnet wurden,

Fig. 10a das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkel von 0° bei einer Anstrahiung durch die Strahlergruppe mit einer Randabschwächung von -4,88 dB,

Fig. 10b das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkel von 0° bei einer gleichförmigen Anstrahiung durch die Strahlergruppe,

Fig. 10c das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkel von 30° bei einer Anstrahiung durch die Strahlergruppe mit einer Randabschwächung von -438 dB,

Pi «τ tfl/4 r\nc Qf-nOhIiiri<Tc/itoert*5imm dtr ριπρπ ΔWIf¹TiL"- ce

winkel von 30° bei einer gleichförmigen Anstrahiung durch die Strahlergruppe,

Fig. 1Oe das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkel von 60° bei einer Anstrahlung durch die Strahlergruppe mit einer Randabschwächung von -4,88 dB,

Fig. 1Of das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkel von 60° bei einer gleichförmigen Anstrahlung durch die Strahlergruppe,

Fig. 10g das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkel von 90° bei einer Anstrahlung durch die Strahlergruppe mit einer" Randabschwächung von -4,88 dB,

Fig. 10h das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkel von 90" bei einer gleichförmigen Anstrahlung durch die Strahlergruppe,

Fig. 1Oi das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkel von 120° bei einer Anstrahlung durch die Strahlergruppe mit einer Randabschwächung von -4,88 dB.

Fig. 1Oj das Strahlungsdiagramm für einen Ablenkwinkei von i2ö" bei einer gleichförmigen Anstrahiung durch die Strahlergruppe,

F i g. 11 einen Querschnitt durch ein Antennensystem mit einer kugelförmigen Linse, das in einer ersten Richtung ein konvergierendes und in einer zweiten Richtung ein divergierendes Strahlenbündel abstrahlt.

F i g. 1 zeigt ein elektronisches Abtast-Antennensystem 10, das eine Linse 11 einschließt, die im wesentlichen halbkugelförmig ist und die eine Vielzahl von Kollektoren 12 aufweist, die über Phasenverzögerungselemente 13 mit entsprechenden Strahlerelementen 14 gekoppelt sind. Eine Speiseanordnung ist in dem Nahfeld der Linse II angeordnet und weist die Form einer Strahlergruppe 15 auf, die Kollektoren 16 einschließt, die über Phasenschieber 17 mit Strahlerelementen 20 gekoppelt sind. Ein Speise-Trichterstrahler 21 strahlt die Kollektoren 16 der Strahlergruppe 15 mit elektromagnetischer Energie an, die dem Eingang des Speise-Trichterstrahlers 21 zugeführt wird. Die Strahlergruppe 15 weist eine ausreichende Größe und Nähe zur Linse 11 auf, damit diese mit einer »Suchlicht«-Wirkung angestrahlt wird, d. h. die Linse 11 befindet sich ausreichend im Nahfeld der Strahlergruppe 15. am die Bildung von stark aufgeriffelten Diagrammen des abgestrahlten Strahlenbündels zu verhindern.

Obwohl die Phasenverzögerungselemente 13 in der Linse 11 veränderlich sein können, werden sie zur Vereinfachung der Erläuterung des Systems als feste Phasenverzögerungen betrachtet, wobei die Phasenschieberelemente 17 in der Strahlergruppe 15 elektronisch gesteuerte Phasenschieberelemente sind, die die Richtung und Konvergenz oder Divergenz des von der Strahlergruppe 15 in Richtung auf die Innenfläche der Linse 11 abgestrahlten Strahlenbündels ändern. Der maximale Öffnungsgewinn der die Linse 11 und die Strahlergruppe 15 umfassenden Antenne in irgendeiner vorgegebenen Richtung ist durch die Gleichung

gegeben, wobei Al (Θ) die in der vorgegebenen Richtung projezierte Fläche der Linse 10 ist

Unter der Annahme, daß die Verzögerungselemente 13 fest sind, jedoch unterschiedliche Werte aufweisen, ist es erforderlich, die Werte der festen Phasenverzögerungen der Elemente 13 zu bestimmen. Es sei angenommen (wie es in F i g. 1 gezeigt ist), daß ein Strahlenbündel 22 von dem Mittelpunkt der Strahlergruppe 15 ausgeht und einen Winkel θ mit der

Senkrechten Λ/zu der Ebene X-X der Strahlergruppe 15 aufweist. Es wird angenommen, daß die Brechungswirkung der Linse U an einer imaginären Oberfläche 23 auftritt, die in der Mitte zwischen der inneren Und der äußeren Oberfläche der Linse 11 liegt. Der Strahlenbündel 22 trifft auf die Oberfläche 23 an einem Punkt 24 auf und v'jd durch die Linse 11 in einem Winkel 0' gebrochän, Diese Brechung definiert in eindeutiger Weise einen Phasengradienten tangential zur Oberfläche 23 am Punkt 24. Durch derartiges Ändern von 0, daß das Strahlenbündel 22 jeweils an einer einem der Kollektoren 12 entsprechenden Stelle auf die Linse 11 auftrifft, kann der Phasengradient an jedem Punkt, der den festen Verzögerungselementen 13 auf der Oberfläche 23 entspricht, bestimmt werden und dadurch können weiterhin die Relativwerte der benachbarten festen Verzögerungselemente 13 bestimmt werden. Das Verhältnis von 0' zu 0 wird als Ablenkverstärkungsfaktor K bezeichnet.

Für eine halbkugelförmige Linse 11 mit dem Radius R und einem konstanten Ablenkverstärkungsfaktor K können die Werte der festen Phasenverzögerungen 13 in der Linse 11 als Funktionen von 0 in Ausdrücken der Wellenlänge durch die folgende Gleichung bestimmt werden:

Verzögerang

K-1

[1-

Wenn die Werte der festen Verzögerungen 13 in der Linse 11 in der vorstehenden Weise festgelegt wurden, muß die Phasensteuerung der Strahlergruppe zur Erzielung eines gut kollimierten Strahlenbündels, das in einer Richtung 0' abgelenkt ist, bestimmt werden. Dies erfolgt dadurch, daß angenommen wird, daß eine ebene Welle auf die äußere Oberfläche der Linse 11 von einer Richtung 0' aus auftrifft und daß das Feld berechnet wird, wenn es die Linse 11 durchdringt und die ebene Strahlergruppe 15 bestrahlt. Die erforderliche Phasensteuerung der Strahlergruppe 15 entspricht dann der komplexen Konjugierten dieses Feldes.

In vielen praktischen Anwendungen des Antennensystems kann die Berechnung zur Bestimmung der erforderlichen Phasensteuerung der Strahlergruppe 15 in einfacher und gültiger Weise durch geometrische optische Techniken durchgeführt werden. Eine halbkugelförmige Linse 11 mit einem Wert von K größer als 1 ist schematisch in den Fig.2a und 2b zusammen mit einer Strahlergruppe 15 gezeigt, die ein konvergierendes Strahlenbündel liefert, wie es durch die Vielzahl der Strahlen 22a bis 22e angedeutet ist

In Fig.2a sind die Strahlen 22a bis 22e in Richtung auf die innere Oberfläche der Linse 11 gerichtet und verlassen die äußere Oberfläche der Linse 11 als ein paralleles Strahlenbündel. In Fig.2b ist das durch die Vielzahl von Strahlen 22a bis 22e dargestellte Strahlenbündel in Richtung auf die innere Oberfläche der Linse 11 rechts von der Senkrechten /^gerichtet und verläßt die äußere Oberfläche der Linse 11 als ein paralleles Strahlenbündel. Es ist zu erkennen, daß die Winkel B₃ bis 0_e (gegenüber der Senkrechten N) auf Winkel 0/ bis 0</, die alle gleich sind, vergrößert wurden. Die Brechung ist für jeden Strahl 11a bis He unterschiedlich, weil die Winkel 0_a bis 0_e nicht gleich sind, während die Winkel 6/ bis 0/ gleich sind.

Das für Äbienkrichtungen in der Nähe der Senkreehten N durch die Linse 11 projizierte Bild der Öffnung der Strahlergruppe 15 ist kleiner als das der Strahlergruppe 15 ohne die Linse 11. Daher wird bei einer Antenne mit einer Strahlergruppe 15 Und einer Linse 11 bei einem Ablenkstärkungsfaktor /C größer als 1 der Ablenkbereich der ebenen Strahlergruppe 15 Vergrößert, andererseits aber eine Verringerung des Gewinns für Strahlen in der Nähe der Querrichtung hervorgerufen.

Eine halbkugelförmige Linse 11 mit Werten von K kleiner als 1 ist in den Fig.3a und 3b zusammen mit einer Strahlergruppe 15 gezeigt, die ein divergierendes Strahlenbündel liefert, wie es durch die Vielzahl von Strahlen 22/"bis 22y dargestellt ist. In F i g. 3a werden die Strahlen auf die innere Oberfläche der Linse 11 gerichtet und treten von der äußeren Oberfläche der Linse 11 als paralleles Strahlenbündel aus. In Fig.3b wird das durch die Vielzahl von Strahlen 22/ bis 22; dargestellte Strahlenbündel auf die innere Oberfläche der Linse 11 im wesentlichen rechts von der Senkrechten N gerichtet und tritt von der äußeren Oberfläche der Linse ii ais Bündei paraiieier Strahlen aus. Es ist zu erkennen, daß die Winkel 0/bis 0, in bezug auf die Senkrechte N auf Winkel 0/ bis Qj, die alle gleich sind, verringert werden. Hierdurch ergibt sich zwar eine Verringerung des Abtast- oder Ablenkbereiches der Antenne, jedoch wird der Gewinn für Strahlen in der Nähe der Breitseite größer als der Gewinn, der mit einer hinsichtlich Größe und Anzahl der Elemente mit der Strahlergruppe 15 vergleichbaren ebenen Strahlergruppe erreichbar ist.

Fig.4 ist eine graphische Darstellung des Ablenkoder Abtastwinkels gegenüber dem relativen Öffnungsgewinn in dB für eine lineare Strahlergruppe 15 und eine kreisbogenförmige zylindrische Linse 11. Das Verhältnis a/p definiert das Verhältnis der Größe der Strahlergruppe zum Radius der Linse, wobei a die Länge der Strahlergruppe und ρ der Radius der Linse ist. Die K= \-Darstellung zeigt den Fall, in dem die Linse der auftreffenden Energie keine Phasenänderung erteilt, und stellt damit die Strahlergruppe allein für alle Werte von a/p dar. Die beiden graphischen Darstellungen für eine Antenne mit einer Strahlergruppe und einer Linse mit einem Ablenkverstärkungsfaktor von K=0,5 zeigen eine Vergrößerung des Gewinnes bei einer gleichzeitigen Verringerung des Abtast- oder Ablenkwinkels. Die beiden graphischen Darstellungen für eine Antenne mit einem Ablenkverstärkungsfaktor K-1,5 und die beiden graphischen Darstellungen für eine Antenne mit einem Ablenkverstärkungsfaktor K=2,0 zeigen eine Verringerung des relativen Öffnungsgewinns mit einer gleichzeitigen Vergrößerung des Ablenkbereiches.

Fig.5 ist eine graphische Darstellung des Abtastoder Ablenkwinkels gegenüber dem relativen Gewinn in dB für eine ebene Speiseanordnung 15 und eine ha'ibkugelförmige Linse 11 mit Ablenkverstärkungsfaktoren AT=I₁O, 1,5, 1,75 und 2,0. Diese graphischen Darstellungen zeigen die Hüllkurve des maximalen Gewinns der Antenne, wenn der Strahl gegenüber der Senkrechten N abgelenkt wird, und zwar relativ zum Gewinn in Querrichtung einer ebenen Anordnung mit einer Größe, die mit der der Strahlergruppe 15 vergleichbar ist

Die graphischen Darstellungen in den Fig.4 und 5 erläutern graphisch, daß für Anwendungen, die einen Ablenkbereich von weniger als 45° von der Senkrechten erfordern, die Wirkung des hier beschriebenen Antennensystems darin besteht, daß die Größe der Strahlergruppe 15 und damit die Anzahl der Phasenschieberelemente 17 verringert wird, die erforderlich sind, um einen gegebenen Gewinn zu erzielen.

,Weiterhin, besteht die Wirkung dieses Antennensystems für Anwendungen, die einen extrem breiten Ablenkberreich, d.h. größer als 70° in bezug auf die Senkrechte, erfordern, darin, daß ein Mechanismus zur wirkungsvollen Erzeugung des gewünschten Winkel-Erfassungsbereichs mit einer einzigen ebenen Anordnung 15 geschaffen wird.

F i g. 6 zeigt He berechneten Richtdiagramme einer Antenne unter Verwendung einer kreisförmigen zylindrischen Linse mit einem Ablenkverstärkungsfaktpr von K-1,5, wobei das kollimierte Strahlenbündei.unter 0°, 30°, 60° und 90° gerichtet ist und wobei die Seitenkeulen auf einen maximalen Wert von 28 dB relativ zum jeweiligen Spitzenwert des Strahlenbündels gehalten werden.

Eine allgemeinere Möglichkeit zur Verwendung des Ablenkverstärkungsfaktors K zur Auswahl der Werte der festen Verzögerungen 13 in der Linse 11 beruht auf der Hüllkurve des maximalen Gewinns der ahgelenkten Strahlenbündel, der dem mittleren Leistungsdiagramm der Elemente in der Strahlergruppe 15 gemessen in dem Fernfeld bei Vorhandensein der Linse 11 entspricht Das mittlere Leistungsdiagramm des Elementes in der Strahlergruppe 15 würde der Gewinn gegenüber der Ablenkänderung der Strahlergruppe allein sein. Die Linse 11 bewirkt eine Änderung des Elementendiagramms der Strahlergruppe 15 und ergibt damit die Gewinn/Ablenk-Änderung der Antenne 10. Ein Verfahren zur Auslegung des Elementendiagramms des mittleren Elementes der Strahlergruppe 15 beruht auf einer Technik, die in der Technik des Entwurfs von geformten Reflektoren gut bekannt ist. Eine ausführliche Diskussion dieser Technik ist in der Literaturstelle »Microwave Antenna Theory and Design« von Samuel Silver, McGraw-Hill, New York, 1949, auf den Seiten 494 bis 500 enthalten. Diese Technik definiert die Beziehung zwischen den Winkeln θ und Θ' unter Verwendung der geometrischen Optik derart, daß sich ein geeigneter Energiefluß ergibt, der erforderlich ist, um die gewünschte Form des Elementendiagramms zu synthetisieren. In einem symmetrischen System wird die Θ-Θ'-Beziehung durch die 'ntegralgleichung

= f

(?_e(0) sin θ dB

45

50

55

ausgedrückt, wobei GJ₁Q) das Elementen-Gewinndiagramm der Strahlergruppe 15 ohne die Linse und g(6) das gewünschte Elementen-Gewinndiagramm der Strahlergruppe 15 mit der Linse 11 oder die gewünschte normalisierte Gewinn-/Ablenk-Änderung der Antenne 10 ist Wenn die Beziehung zwischen θ und Θ' so definiert ist, so werden die Werte der festen Verzögerungen 13 in einer Weise bestimmt, die identisch zu der ist, die in der Technik unter Verwendung des Ablenk-Verstärkungsfaktors beschrieben ist

Diese Möglichkeit der Auswahl der Werte der Phasenverzögerungen 13 in der Linse 11 ermöglicht den Entwurf von Linsen, die höher entwickelte Forderungen erfüllen, als dies unter Verwendung der Lösung mit einem konstanten Ablenkverstärkungsfaktor möglich war. Beispielsweise kann eine Anwendung erfordern, daß ein konstantes Signal von einem erdstationietten System in einer festgelegten Höhe über einen vorgegebenen Bereich beibehalten wird. Dies erfordert ein breites Strahlenbündel mit niedrigem Gewinn direkt nach oben und ein schmales Strahlenbündel mit einem hohen Gewinn unter großen Ablenkwinkeln. Die Fig. 11 zeigt eine halbkugelförmige Linse mit einer phasengesteuerten Strahlergruppe, die für diese Forderung anwendbar ist Die .Phasenverzögerungen in der Linse werden unter Verwendung der in dem vorstehenden Absatz beschriebenen Technik bestimmt. Es wird die Strahlergruppe 15 für eine Äbtastrichtung direkt über der Strahlergruppe so phasengesteuert, daß' sich .ein stark konvergentes Strahlenbündel ergibt. Wie es in Fig. 11 gezeigt ist bewirkt dies, daß lediglich ein schmaler Abschnitt der Linse angestrahlt wird, wodurch sich ein breites Strahlenbündel mit einem niedrigen Richtverstärkungsfaktor ergibt. Für die Ablenkrichtung, die das schmale Strahlenbündel mit dem hohen Richtverstärkungsfaktor erfordert ist die Strahlergruppe 15 so phasengesteuert, daß ein divergierendes Strahlenbündel gebildet wird; wie dies in Fig. 11 gpypigt ist. hpHpiitPt dies, daß ein crrnßer Teil Her I.insp angestrahlt wird, wodurch sich ein schmales Strahlenbündel mit einem hohen Richtverstärkungsfaktor ergibt. Für Ablenkwinkel zwischen diesen beiden Möglichkeiten, erfordern die Phasenverzögerungen in der Linse eine derartige Phasensteuerung der Strahlergruppe, daß ein Teil der Linse angestrahlt wird, der ausreicht, um die Anforderungen an die Breite des Strahlenbündels und den Richtverstärkungsfaktor in der speziellen Ablenkrichtung zu erfüllen.

Im Betrieb wird elektromagnetische Energie von dem ,Speise-Trichterstrahler, wie in F i g. 1 gezeigt, in Richtung auf die Kollektorelemente 16 in der Strahlergruppe 15 abgestrahlt und wird durch die elektronisch gesteuerten Phasenschieberelemente 17 an die Strahlerelemente 20 der Strahlergruppe 15 gekoppelt. Die elektronisch gesteuerten Phasenschieberelemente 17 bestimmen die Richtung der von den Strahlerelementen .20 in Richtung auf die innere Oberfläche der Linse 11 abgestrahlten Energie. Die Phasensteuerung der abgestrahlten Energie von der Strahlergruppe 15 bestimmt, weiche der Anzahl der Kollektorelemente 12 auf der Linse 11 die abgestrahlte Energie von der Strahlergruppe 15 empfängt Diese Kollektorelemente 12 koppeln die empfangene Energie durch die festen Phasenverzögerungselemente 13 an die Strahlerelemente 14 auf der Linse 11 und ergeben ein gerichtetes Strahlenbündel von elektromagnetischer Energie von der Antenne. Die Eigenschaften des von der Antenne 10 abgestrahlten Strahlenbündels werden durch die Phasenverschiebung der Linse, die Länge der Strahlergruppe 15 und die Form der Linse 11 bestimmt

._ Die Linse 11 kann verschiedene Formen von Elementen entsprechend von Techniken umfassen, die in der Linsen- und Antennentechnik gut bekannt sind. ,,Wie es in Fig.7 gezeigt ist schließt ein derartiges ,Ausführungsbeispiel Dipol-Kollektorelemente 30 ein, die über flexible, als feste Phasenverzögerungselemente dienende und in der Linse 11 befestigte Kabel 31 mit Dipol-Strahlerelementen 32 verbunden sind. Die Länge L jedes flexiblen Kabels 31 ist von Element zu Element verschieden, so daß sich die richtige relative Phasenänderung zwischen den Übertragungspfaden in der Linse Hergibt

Eine alternative Ausführungsform für die Linse 11 ist in Fig.8 gezeigt, wobei die Kollektorelemente 33 und 'die Strahlerelemente 35 durch die offenen Enden von Rundhohlleiterabschnitten mit geeigneten Anpaßstrukturen 34 realisiert sind. Diese Abschnitte sind dielektrisch belastet so daß sich eine Größe ergibt die

ausreichend klein ist, um in einem Gitterwerk angeordnet zu werden, das über einen weiten Bereich Von Auftreffwinkeln anpaßbar ist. Die Anpaßanordnung 34 ist ein Rundhohlleiterabschnitt der mit zwei unterschiedlichen dielektrischen Materialien mit jeweiligen Längen L\ und L₂ belastet ist. Die Summe der mechanischen Längen L\ und Li ist eine Konstante für alle Übertragungspfade in der Linse ti, während das Verhältnis der Längen L\ : Li die relative Phasenverzögerung für ein vorgegebenes Element bestimmt.

Obwohl die Elemente in der Linse 11 in einer Vielzahl von Gitterwerkformen angeordnet sein können, sollte der Abstand zwischen den Elementen nicht größer sein als dies dursh die Gitter-Keulenbedingung festgelegt ist:

Amin

1 + sin ar

wobei Amin die minimale Betriebswellenlänge der Antenne und κ der maximale Auftreffwinkel äüf die innere Oberfläche der Linse 11 oder der Übertragung von der äußeren Oberfläche der Linse 11 ist.

Das beschriebene Antennensystem kann außerdem in einem Luftfahrzeug verwendet werden, wobei die Linse eine dielektrische Linse mit stromlinienförmiger Form ist, so daß sie mit dem Nasenprofil eines Hochgeschwindigkeits-Luftfahrzeuges übereinstimmt, wie dies in F i g. 9 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine hyperbolische Nasen-Kegellinse aus Titandioxid hergestellt. Diese Form der Linse ergibt einen weiten Ablenkbereich, der größer als ± 120° in bezug auf den Scheitelpunkt der Linse bei einer Übertragungsfrequenz von 16 GHz ist. Weil der Nasenkegel eine Linse aus homogenen Medium ist, wird die Phasenverzögerung in der dielektrischen Linse beispielsweise durch Verringerung der Wandstärke des Linsenmaterials ausgehend von der Basis bis zum Scheitelpunkt des Nasenkegels erreicht, wie dies iti F i g. 9 geyeigt. is(, oder die gewünschte Phasenverzögerung wird durch Hersfiellung des Nasenkegels aus Materialien mit unterschiidlichen Brechungsindizes erzielt

Die in F i g. 9 dargestellte hyperbolische dielektrische Nasen-Kegellinse weist einen asymptotischen Kegel-Halbwinkel von 5,5°, einen Ablenkverstärkungsfaktor K= 1,7 und eine Länge der Strahlergruppe von 40λ auf. Fig. 10a zeigt das Strahlungsdiagramm für diese Linse mit einem Ablenkwinkel von 0° und einer

is Anstrahlung durch die Strahlergruppe, die an den Kanten um -4,8 dB abfällt, und Fig. 10b zeigt .das Strahlungsdiagramm für die gleiche Linse für einen Ablenkwinkel von 0° bei einer gleichmäßigen Ausstrah-

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ergaben sich für die berechneten Strahlungsdiagramime für den gleichen Nasenkegel unter den gleichen Betriebsbedingungen bei 30°, wie dies in den Fig. 10c und 1 Od gezeigt ist, bei 60°, wie dies in den F i g. 1 Oe und 1 Of gezeigt ist und bei 90°, wie dies in den F i g. 1 Og und 10h gezeigt ist.

Obwohl die berechneten Strahlungsdiagramme für den hyperbolischen Nasenkegel für einen Ablenkwinkel von 120° eine Verringerung der Richtwirkung des abgestrahlten Strahlungsbündels aufgrund der vergirö-Berten Breite der Hauptkeule zeigten, ergab sich trotzdem eine scharfe Unterscheidung in bezug auf die Seitenkeulen.

Hierzu 12 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.Antennensystem mit in einem großen Raumwinkelbereich schwenkbaren Richtdiagramm, bestehend aus einer gespeisten phasengesteuerten Strahlergruppe und einer Linse mit gekrümmten Oberflächen, deren Konkavseite der Strahlergruppe zugewendet ist, wobei die Strahlergruppe zur Linse hin ein Strahlenbündel mit einer nichtplanaren Wellenfront und einem Brennpunkt mit einstellbarer Lage abgibt, und die Linse dieses Strahlenbündel in ein Strahlenbündel mit ebener Wellenfront umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung des Richtdiagramms der Strahlergruppe (15) durch Phasensteuerung erfolgt, und daß die Linse (11) einen solchen Phasengradienten aufweist, daß die ebene Welle abgestrahlt wird.
2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlergruppe (15) ein in Richtung ajf die Linse (11) konvergierendes Strahlenbündel (22a bis 22e) mit einem vorgegebenen Gewinn über einen begrenzten Ablenkbereich erzeugt.
3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasengradient der Linse derart ist, daß sich ein gegenüber dem begrenzten Ablenkbereich der Strahlergruppe (15) vergrößerter Ablenkbereich des Antennensystems ergibt
4. Antennensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (11) einen konstanten Phasengradienten in allen Richtungen aufweist
5. Antennensystem nach . .nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlergruppe (15) ein in Richtung auf die Linse (11) diver gierendes Strahlenbündel (22/bis 22j) mit vorgegebenem Gewinn über einen begrenzten Ablenkbereich erzeugt.
6. Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasengradient der Linse derart ist, daß sich ein gegenüber dem begrenzten Ablenkbereich der Strahlergruppe (15) verringerter Ablenkbereich des Antennensystems bei einer gleichzeitigen Vergrößerung des Gewinns des Antennensystems gegenüber dem vorgegebenen Gewinn der Strahlergruppe (15) ergibt.
7. Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (11) einen konstanten Phasengradienten aufweist.
8. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlergruppe (15) zusät/ lieh Einrichtungen zur Erzeugung eines zweite*
divergierenden Strahlenbündels in einer von der Richtung des konvergierenden Strahlenbündels »bweichende Richtung aufweist, das durch die Linse (11) in ein Strahlenbündel mit ebener Wellenfront umgewandelt wird, das in eine zweite Richtung innerhalb eines vorgegebenen Ablenkbereichs gerichtet ist und einen gegenüber dem vorgegebenen Gewinn vergrößerten Gewinn aufweist (Fig. 11).
9. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (11) eine teil-kugelförmige Form aufweist
10. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (11) eine zylindrische Form aufweist
11. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1, 2,4,5, 7, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus dielektrischem Material besteht.
12. Antennensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus Titandioxyd besteht
13. Antennensystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse die Form eines Hohlkegels (51) aufweist, und daß der Phasengradient durch Verringerung der Wandstärke des Hohlkegels von der Basis bis zum Scheitelpunkt erzielt ist
14. Antennensystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse die Form eines Hohlkegels (51) aufweist und daß der Phasengradient dadurch erzielt wird, daß der Hohlkegel aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes hergestellt ist