DE2300631C2

DE2300631C2 - Hohlraumantennenbaugruppe

Info

Publication number: DE2300631C2
Application number: DE19732300631
Authority: DE
Inventors: Robert E. Boulder Col. Munson
Original assignee: Ball Corp
Current assignee: Ball Corp
Priority date: 1973-01-08
Filing date: 1973-01-08
Publication date: 1984-10-04
Also published as: DE2300631A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 29 90 546 ist es bereits bekannt, zwei oder mehrere Antennenelemente mit zueinander parallelen Leitern auf der Außenhaut eines Flugkörpers vorzusehen, wobei die parallelen Leiter an einem Ende miteinander verbunden sind und im übrigen Bereich einen Abstrahlschlitz bilden. Außerdem ist jedes Antennenelement über eine Leitung an einen Sender angeschlossen. Bei der Ausführungsform mit zwei gegenüberliegenden Antennenelementen, die mit entgegengesetzter Phase gespeist werden, ergibt sich ein Antennendiagramm mit vier symmetrisch angeordneten Keulen.

Aus der GB-PS 6 48 262 ist eine Antenne für Fahrzeuge, Flugzeuge u. ä. bekannt, bei der eine im wesentlichen ebene Grundplatte einen kreisförmigen Abstrahlschlitz aufweist. Unter oder über der Grundplatte liegt ein erster Leiter, der mit der Grundplatte verbunden ist. In der Ebene der Grundplatte, jedoch durch den Abstrahlschlitz getrennt, liegt der zweite Leiter, der zusammen mit dem ersten Leuer die Antenne bildet. Eine derartige Antenne läßt sich nur auf ebenen oder im wesentlichen ebenen Flächen anbringen, also beispielsweise auf dem Dach eines Kraftfahrzeugs oder an der Unterseite eines Flugzeugs (vgl. Seite 7, Zeilen 93 bis 105),

Eine ähnliche Antenne zeigt die US-PS 28 67 803, nämlich eine kreisförmige Hohlraumschlitzantenne, die nur in der Boden- oder Seitenwand eines Flugzeugs unterbringbar ist. Wenn sich das Flugzeug oder der Flugkörper dreht oder verschiedene Richtungen einschlägt, ist die Antenne zeitweise durch den Körperschatten selbst von der Bodenempfangs- und Sendestation blockiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß die Richtcharakteristik, also das Antennendiagramm in bezug auf eine Bodenempfangs- und Sendestation bei jeder möglichen Ausrichtung des die Antenne tragenden Flugkörpers weitgehend gleich ist.

ίο Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Antenne der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Dadurch läßt sich ein nahezu kreisförmiges Antennendiagramm mit lediglich Einbuchtungen in der Raketenachse erzielen, so daß die Antenne bei jeder Lage der Rakete nahezu gleich wirkungsvoll ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine Rakete mit erfindungsgemäßer Antenne;

F i g. 2 einen vergrößerten Teilschnitt der Antenne von Fig. 1;

F i g. 3 einen Ausschnitt aus F i g. 2; und

Fig.4 ein Antennendiagramm des Ausführungsheispiels.

In Fig. 1 erkennt man eine Antenne 10, die einen festen Bestandteil einer Rakete 12 bildet, zu der ein zylindrischer Flugkörper bzw. eine Hajt 14 aus Metall und ein Nasen- oder Kopfteil 15 gehören.

Gemäß F i g. 2 weist die Antenne 10 ein äußeres Element 16 in Form eines zylindrischen Leiters auf, der vorzugsweise aus Messing besteht, konzentrisch zu der Rakete 12 angeordnet ist und in einem Abstand zur Außenseite der Rakete 12 durch eine Schicht 18 aus

j5 einem dielektrischen Werkstoff gestützt wird, der geringe elektrische Verluste aufweist, ζ. B. Polytetrafluoräthylen.

Das Element 16 ist in Richtung auf das vordere Ende der Rakete 12 nach innen umgebogen, und sein vorderes Ende ist von einer Ringnut 20 eines weiteren Leiters 22 aufgenommen, der die Form eines kii.gs hat, die Rakete 12 konzentrisch umschließt und mit ihr durch mehrere in Umfangsabständen verteilte Schrauben 23 verbunden ist. Gemäß F i g. 2 hat der ringförmige Leiter 22 einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt, und die Ringnut 20 ist in eine Ecke dieses Querschnitts so eingeschnitten, daß der durch das Element 16 und den Leiter 22 gebildete Vorsprung eine strömungsgünstige glatte Außenfläche darbietet, um die Wirkung des Luftwider-Standes an der durch den Vorsprung gebildeten Verdikkung auf ein Minimum zu verringern.

Wie im folgenden näher erläutert, bilden das zylindrische Element 16, der ringförmige Leiter 22 und der vordere Teil der Rakete 12 ein Teil eines dicken asymmetrisehen Dipols, dessen zweites Element 1.4 durch den hinteren Teil des Flugkörpers gebildet wird. Das Element 16 begrenzt außerdem zusammen mit einem Teil des Flugkörpers einen ringförmigen Hohlraum 24, der von der dielektrischen Schicht 18 ausgefüllt ist. Wie nachstehend erläutert, entspricht die axiale Länge des Hohlraums 24 unter Berücksichtigung der dielektrischen Schicht 18 annähernd einem Viertel der Trägersignalwellenlänge bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz. Der Hohlraum 24 wird durch eine Signalquelle 25 angeregt, welche im Inneren der Rakete 12 untergebracht ist, und die von bekannter Art sein kann; beispielsweise handelt es sich bei der Signalquelle um einen Hochfrequenzoszillator, dessen Frequenz in Abhängigkeit von

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Informationssignalen moduliert wird, weiche von Fühlvorrichtungen abgeleitet sind, die auf äußere Einflüsse ansprechen.

Die Signalquelle 25 ist durch eine koaxiale Leitung 26 mit einem W-Weg-Leistungsteiler 28 verbunden, wobei N die Anzahl der koaxialen Leitungen ist, auf welche die Signalleistung verteilt wird und von welchen in F i g. 2 zwei koaxiale Leitungen 30 und 32 zu erkennen sind. Bekanntlich kann man solche Leistungsteiler 28 innerhalb breiter Fremienzbänder benutzen, um ihnen zugeführte hochfrequente Eingangssignale in zwei oder mehr Ausgangssignale von gleicher Phase und Amplitude zu verteilen, und um die Signale den einzelnen koaxiaien Leitungen so zuzufühien. daß nur sehr geringe Leistungsverluste eintreten. Die Bauart des zu verwendenden Leistungsteiler 28 richtet sich nach der jeweils benötigten Leistung, der Betnebsfrequenz und dergleichen. Bei der gebräuchlichen, zu telemetrischen Zwekken verwendeten Übertragungsfrequenz von 2,2 GHz und einer Rakete 12 mit einem Durchmesser von z. B. etwa 380 mm würde es aus noch zu erläuternden Gründen zweckmäßig sein, den Hohlraum 24 an vierzehn oder mehr Einspeisungspunkten anzuregen; i^r diesem Fall würde daher das der Signalenergiequelle 25 entnommene Signal durch den Leistungsteiler 28 in eine entsprechende Anzahl von Signalen gleicher Phase und gleicher Amplitude aufgeteilt.

Diese Signale gleicher Phase und gleicher Amplitude des Leistungsteilers 28 werden über die zugehörigen koaxialen Leitungen weitergeleitet, von denen jede einen Innenleiter 34 bzw. 36 und einen Außenleiter 35 bzw. 37 aufweist. Die in Fig. 2 gezeigte koaxiale Leitung 30 und die zugehörigen Anschlüsse sind repräsentativ für den Aufbau der übrigen radial angeordneten koaxialen Leitungen und deren Anschlüsse. Nahe dem Abschluß der koaxialen Leitung 30 ist an dieser Leitung ein Ring 40 befestigt. Ferner ist auf den Ring 40 ein mit einem Innengewinde versehenes Verbindungsstück 42 aufgeschoben, das eine Schulter 43 aufweist und mit einem Befestigungsteil 44 verbunden ist, das ein Außengewinde besi-zt. auf welches das Verbindungsstück 42 so aufgeschraubt ist. daß die Schulter 43 an dem Ring 40 anliegt, um die koaxiale Leitung 30 in ihrer Lage zu halten. Gemäß F i g. 2 endet der Innenleiter 34 in einem hohlen Abschnitt 45. der in das Befestigungsteil 44 hineinragt, wenn die Leitung 30 durch das Verbindungsstück 42 mit dem Befestigungsteil 44 verbunden ist.

Das Befestigungsteil 44 ist auf bekannte Weise ausgebildet und mit einem rechteckigen Flansch 46 versehen, der Bohrungen aufweist, die Schrauben 48 zum Verbinden des Befestigungsteik mit dem Raketenkörper 14 aufnehmen. Zu dem Befestigungsteil 44 gehört ein Mittelleiter 50. dessen eines Ende von dem hohlen Abschnitt 45 fest umschlossen ist, wenn die koaxiale Leitung 30 durch das Verbindungsstück 42 in dem Befestigungsteil 44 festgehalten wird. Der Hauptkörper 52 des Befestigungsteils 44 besteht aus leitfähigem Werkstoff und ist mit einer Aussparung 53 versehen, um das äußere Ende des Außenleiters 35 der Leitung 30 aufnehmen zu können und so eine elektrische Verbindung herzustellen, wenn die Leitung 30 durch das Verbindungsstück 42 in di;m Befestigungsieil 44 in ihrer Lage gehalten wird. Ein dielektrischer Werkstoff 54. bei dem es sich vorzugsweise um den gleichen Werkstoff handelt, mit dem die koaxiale Leitung 30 gefüllt ist. füllt den Raum zwischen dem Mittelleiter 50 und dem Verbindungsstück 42 des Befestigungsteils 44 aus.

Gemäß Fg. 2 weist c';>s Befestigungsieil 44 ferner einen ringförmigen Ansatz 55 auf, der sich von dem Flansch 4ö weg nach außen durch eine dazu passende Öffnung im Körper der Rakete 12 erstreckt. Der Mittelleiter 50 ragt durch den Ansatz 55 und die dielektrische Schicht 18 bis zu dem zylindrischen Element 16. Dieses weist eine Bohrung 56 auf, die einen etwas größeren Durchmesser hat als der Mittelleiter 50. so daß sie den Mittelleiter 50 aufnehmen kann, der z. B. von der Außenseite der Antenne 10 aus festgelötet wird, um die

ίο Schicht 18 aus dem dielektrischen Werkstoff nicht zu beschädigen.

Es ist ersichtlich, daß während des Betriebs der Antenne 10 die hochfrequente Signalleistung zu dem Hohlraum 24 durch mehrere zusammenhängende koaxiale Leitungen von dem Leistungsteiler 28 aus übertragen wird, so daß der Hohlraum 24 angeregt wird und eine TEM-Welle erzeugt. Das zylindrische Element 16 und das den Hohlraum 24 begrenzende Element 14 des Raketenkörpers haben einen Widerstand, der praktisch

dem Widerstand einer koaxialen Übertragungsleitung mit einer einem Viertel der Wellenlänge entsprechenden Länge entspricht, die an dem von ώί;η Einspeisungspunkten abgewandten Ende durch den Loiter 22 kurzgeschlossen ist.

Bekanntlich hat ein Hohlraum von bestimmter L2nge. der als Dielektrikum Luft enthält, einen anderen effektiven Scheinwiderstand als ein gleichartiger Hohlraum, der anstelle von Luft ein anderes dielektrisches Material enthält. Die Beziehung zwischen der effektiven Wellen-

jo länge und der tatsächlichen Wellenlänge ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Hierin bezeichnet Λ die korrigierte Wellenlänge A die tatsächliche Wellenlänge in Luft bei der Betriebsfrequenz und Sn die relative Dielektrizitätskonstante des in dem Hohlraum enthaltenen Materials gegenüber einem luftleeren Raum.

Wird beim Betrieb mit einer Trägerfrequenz von 2.2GHz gearbeitet, und wird wie bei dem beschriebenen Beispiel polymerisiertes Tetrafluoräthylen als Dielektrikum verwendet, ergibt sich eine Wellenlänge von etwa 137 mm. und fk beträgt etwa 2,5. Seizt man diese Werte in die vorsiehende Gleichung ein, ε "hält man:

A₁ = 86.6 min

so Bei den als Beispiel gewählten Parametern ergibt sich somit für einen einem Viertel der Wellenlänge entsprechenden Hohlraum eine Länge von etwas weniger als 25 mm, wenn der Hohlraum 24 als dielektrisches Material polymerisiertes Tetrailuoräthylen enthält. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei dem gewählten Beispie! für eine Trägerfrequenz von 2.2 GHz und einem Durchmesser der Rakete 12 von etwa 380 mm Duichmesser der Umfang der Rakete 12 erheblich größer ist als A₁-, und zwar etwa um das Vierzehnfache.

bo Es hat sich ge^:e^;gt. daß sich das günstigste Strahlungsdiagramm ergibt, wenn der Hohlraum 24 zur Resonanz nach dem TEM-Modus durch Signale von gleichmäßiger Phase und Amplitude angeregi wird, die an Einspeisungspunkten zugeführt werden, welche längs

b5 des Umfangs des zylindrischen Elements 16 in Abständen verteilt sind, die i r, wesentlichen der Einheit der für die dielektrische Schicht 18 in dem Hohlraum 24 korrigierten Wellenlänge entsprechen. Da bei dem hier bc-

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schriebcnen Beispiel die IJmfangsläiigc des Raketenkörpers annähernd dem Vierzehnfatlien der Welleilänge entspricht, würde man einen I4teili.ceii l.eismngsteiler 28 oder eine Kombination von Leistungsteiler!! benutzen müssen, die in der schon angedeuteten V/eise vierzehn Ausgan.ETSsignale von gleicher Phase und gleicher Amplitude liefert: in diesem Fall würden vierzehn innere Leiter entsprechend dem Mittelleiter 50 in zugehörigen Befestigungstcilen entsprechend dem Befestigungsteil 44 mit dem zylindrischen Element 16 an Punkten verbunden werden müssen, die über den Umfang des Raketenkörpiers 12 in gleichmäßigen Abständen verteilt sind.

Da die korrigierte Wellenlänge A,- erheblich kleiner ist als die Umfangslänge des den Flugkörper bildenden Elements 14, bilden das zylindrische Element 16 und die Rakete 12 einen dicken asymmetrischen Dipol. Hätte der Raketenkörper im Vergleich zur korrigierten Wellenlänge eine kleine Umfangslängc, würde in dem auf üCll VJC.SiCnisWifiKCi DCAOgCnCn /-ΛΓϋΟΓΐΓ^Γιυίΰ^""^^"^ f·^-

fe Nullstellen vorhanden sein. d. h. das Antennendiagramm würde sich aus mehreren Keulen zusammensetzen, zwischen denen tiefe Nullstellen erscheinen. Da dieser unerwünschte Betriebszustand dem Erregen des Flohlraums 24 mit Signalenergie bei einer niedrigeren Frequenz gleichwertig ist, läßt sich feststellen, daß die Antenne 10 bei einer Erhöhung der Frequenz besser arbeitet, statt schlechter zu arbeiten, wie es bei der Verwendung getrennter Strahler der Fall ist.

Es ist ersichtlich, daß der am vorderen Ende des Hohlraums 24 vorhandene Kurzschluß einen vernachlässigbar geringen Scheinwiderstand darstellt, der sich praktisch nach hinten in einen einen Abstrahlschlitz bildenden offenen Stromkreis an den Einspeisungspunkten transformiert, d. h. dort, wo die Mittellciter 50 vorhanden sind, die mit dem zylindrischen Element 16 an Punkten verbunden sind, welche gegenüber dem Leiter 22 nnrh hinten um feinen BtMrag versetzt sind, der annähernd gleich A₁J 4 ist. Der scheinbar vorhandene offene Stromkreis ist praktisch mit dem Strahlungsscheinwiderstand des dicken asymmetrischen Dipols parallelgeschaltet. Da die Antenne 10 im Vergleich zur Wellenlänge e^;nen großen Durchmesser hat. ist der Scheinwiderstand an dem asymmetrischen Dipol reell, und er teilt sich auf die Einspeisungspunkte auf.

Fig. 3 zeigt in einem Ausschnitt aus F i g. 2 die mit der Rakete 12 konstruktiv vereinigte Antenne 10. und die gestrichelten Linien, die zwischen dem zylindrischen Leiterelement 16 und dem hinteren Teil des Elements 14 des Raketenkörpers verlaufen, veranschaulichen die von der Antenne 10 ausgehende Signaienergie und insbesondere annäht /nd die Richtung des elektrischen Feldes, das zwischen den Teilen des Dipols in einem bestimmten Augenblick vorhanden ist. Die Richtung dieses elektrischen Feldes kehrt sich auf nicht dargestellte Weise bei jeder halben Wellenlänge vom hinteren Ende des Hohlraums 24 aus sowohl nach vorn als auch nach hinten um, da sich die Polarität des zylindrischen Leiters 16 gegenüber dem hinteren Teil des den Raketenkörper bildenden Element 14 ständig entsprechend der Frequenz des schwingenden Signals ändert.

F i g. 4 veranschaulicht das auf den Gesichtswinkel bezogene Antennendiagramm einer Antenne, bei der die Außenfläche einer Rakete als dicker, asymmetrischer Dipol verwendet wird, wobei die Achse der Rakete im wesentlichen in der das Diagramm enthaltenden Ebene verläuft. Das Diagramm, das den Antennengewinn im Vergleich zum linearen, isotropen Strahler veranschaulicht, ist mit einer Genauigkeit von etwa 1 db repräsentativ für die unendlich große Zahl von auf die Raketenachse bezogenen Antennendiagrammen, die einen Rotationskörper bilden, dessen Achse mit der Raketenachse zusammenfällt. Mit anderen Worten, das in K ig. 4 wiedeigegebene Antennendiagramm entspricht im wesentlichen jedem Diagramm, das sich in einer beliebigen Ebene ergibt, in der ein Querschnitt des Rotationskörpers liegt, der durch sämtliche möglichen Antennendiagramme gebildet wird und die Achse der Rakete enthält.

Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß tiefe Nullstellen nur am vorderen Ende der Rakete bei 0' und am hinteren Ende der Rakete bei 180 vorhanden sind. Wie erwähnt, führt das Vorhandensein von Nullstellen an den Enden von zu telemetrischen Zwecken verwendeten Raketen gewöhnlieh nicht zu Schwierigkeiten. Bei dem Antennendiagramm nach F i g. 4 entspricht die durch die Nullstellen am vorderen und hinteren Ende bestimmte Fläche vvcrii&cr al·. 00!% einer vc!!s!2ndi™er! Kugelfläche, die den durch alle Strahlungsdiagranime gebildeten Rotationskörper umschließen würde.

Ferner ist aus Fi g. 4 ersichtlich, daß der Hauptteil des Antennendiagramms zwischen der Hauptstrahlrichtung und den Nullstellen im Bereich der Gesichtswinkel eine mittlere Änderung der Feldstärke von weniger als 5 db zeigt. Somit ist die Antenne nach der Erfindung sehr gut geeignet, nahezu unabhängig von der Orientierung der Rakete -'.iktromagnetische Wellen zu empfangen oder abzustrahlen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

23 OO 631 Patentansprüche:

1. Antenne für zylindrische Flugkörper, bei der die Antenne aus konzentrischen inneren und äußeren elektrisch leitenden Elementen gebildet ist, die den Flugkörper zumindest teilweise umschließen, und bei der die Elemente an einem axialen Ende leitend miteinander verbunden sind und am anderen Ende einen Abstrahlschlitz bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstrahlschlitz durch die Höhe des zwischen den konzentrischen Elementen (14, 16) gebildeten Hohlraums (24) gebildet ist, daß das äußere Element (16) eine axiale Länge aufweist, die einer Viertelwellenlänge bei der Betriebsfrequenz entspricht, und daß innerhalb des Hohlraums (24) mindestens ein Einspeisungspunki in der Nähe des Abstrahlschlitzes vorgesehen ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstrahlschlitz eine Länge aufweist, die größer als eine Wellenlänge bei der Betriebsfreqsienz ist.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Element (14) von dem Mantel des Flugkörpers gebildet ist.

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichbeabstandete Einspeisungspunkte mit gleichphasiger Signalamplitude vorgesehen sind, und daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Einspeisungspunkten längs des Umfangs maximal eine Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz beträgt.