DE2316842A1

DE2316842A1 - Mehrfrequenzantenne, insbesondere speisestrahler

Info

Publication number: DE2316842A1
Application number: DE2316842A
Authority: DE
Inventors: James S Ajioka; William A Leeper; George I Tsuda
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-04-14
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1973-10-18
Also published as: DE2316842C3; US3803617A; CA977047A; JPS5224369B2; DE2316842B2; JPS4921045A; BR7302624D0; FR2180114A1; FR2180114B1; IT988143B; GB1355030A

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 2. April 1973

Hughes Aircraft Company P 2692 L/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Mehrfrequenzantenne, insbesondere Speisestrahler

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrfrequenzantenne, insbesondere Speisestrahler, für drei Frequenzbänder, mit einer Hornantenne, die eine gemeinsame Strahlungsöffnung für die Signale des mittleren und des höchsten Frequenzbandes aufweist, mit einer mit der Hornantenne verbundenen Einrichtung, um in der Hornantenne mehrere Moden des höchsten Frequenzbandes anzuregen, und mit einem die Hornantenne umgebenden Hohlraum für das niedrigste Frequenzband·

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Bei bekannten Antennen dieser Art werden ineinander angeordnete Hornantennen oder ineinander angeordnete Dipolgruppen benutzt* Im Falle ineinander angeordneter Hornantennen ist eine Hornantenne für die höchste Frequenz innerhalb einer Hornantenne für die mittlere Frequenz angeordnet, die ihrerseits innerhalb einer Hornantenne für die niedrigste Frequenz angeordnet ist«. Dieses System hat wegen der gegenseitigen Abschattung der Strahlungsöffnungen einen niedrigen Wirkungsgrad» Im Falle ineinander angeordneter Dipolgruppen ist eine Vierer-Anordnung "von Dipolen für die höchste Frequenz innerhalb einer Vierer-Anordnung von Dipolen für die mittlere Frequenz angeordnet₉ die ihrerseits innerhalb einer Vierer-Anordnung von Dipolen für die niedrigste Frequenz angeordnet ist« Ineinander angeordnete Dipol— gruppen dieser Art haben im allgemeinen wegen gegenseitiger Kopplungseffekte einen niedrigen Wirkungsgrad.

Aufgabe der Erfindung ist es*, eine Mehrfrequenz antenne zu schaffen, bei der sich die den verschiedenen Frequenzbereichen zugeordneten Strahlungselemente nicht stören_o

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst₃ daß zwei Dipolarme vorgesehen sind, die in Verbindung mit der Hornantenne in dem niedrigsten Frequenzband resonant sind und sich von gegenüberliegenden Rändern der Hornantenne aus nach außen erstrecken, und daß zur Erregung der Dipolarme eine Einrichtung vorgesehen ist, die mit den der Hornantenne nächstgelegenen Enden der Dipolarme verbunden ist.

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Die Erfindung vermeidet also eine gegenseitige Abschattung und wechselseitige Kopplung durch die Verwendung einer einzigen gemeinsamen StrahlungsÖffnung für das höchste und das mittlere Frequenzhand, "beispielsweise das 6-GHz- und das 4~-GHz-Frequenzband, und eines ggf. gekreuzten Dipols für das niedrigste Frequenzband, bei dem es sich beispielsweise um das 1-GHz-Frequenzband handeln kann. Der Dipol ist insofern kein gewöhnlicher Dipol, als er an zwei Punkten erregt wird und die Ränder der Hornantenne seinen Mittelteil bilden. Um einen hohen Wirkungsgrad zu- erreichen, muß das Diagramm eines Speisestrahlers den Reflektor oder die Linse ausleuchten, ohne über den Rand der Sekundärstrahlung übermäßig hinauszugehen und ohne so stark gebündelt zu sein, daß die Aus— leuchtung unvollständig ist. Im Endergebnis muß das Strahlungsdiagramm für alle drei Frequenzbänder in allen Ebenen nahezu identisch sein und ein gemeinsames Phasenzentrum aufweisen. Dies wird bei der für das 6— und das 4—GHz-Signal gemeinsamen Hornantenne dadurch erreicht, daß sie "bei 6 GHz in verschiedenen Moden betrieben wird, so daß ihre effektive Strahlungsöffnung (Apertur) geringer ist als ihre lichte Weite, nämlich nur etwa drei Viertel ihrer linearen Ausdehnung beträgt, während das 4-GHz-Signal in nur einem Modus angeregt wird, so daß die volle lichte Weite als StrahlungsÖffnung wirkt. Als Ergebnis sind die Strahlungsdiagramme im 6-GHz- und im 4—GHz-Frequenzbänd im wesentlichen gleich und ergeben eine gute Aus leuchtung eines Reflektors oder einer Linse. Für das 1-GHz-Frequenzband wird ein Satz von gekreuzten Streifendipolen benutzt, -:1=ί ^r: zwei· Punkten gespeist werden.

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Bei einer "bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlungsöffnung von einer oder von mehreren λ/Μ— Drosseln umgeben_s die eine Kopplung der höheren Frequenzen mit dem Dipol verhindern,-Zur weiteren Unterdrückung der Kopplung mit den mittleren Frequenzen ist auch in die Dipolarme eine Drossel eingebaut* Die höchsten Frequenzen sind, hinreichend weit von den niedrigsten Frequenzen entfernt, so daß eine Kopplung mit dem Dipol allein durch die um die Hornantenne verlaufende Drossel hinreichend unterdrückt wird«. Die Trennung der höchsten und mittleren Frequenzen wird mit Hilfe konventioneller Frequenzweichen erreicht. Schließlich sind die beiden Kontaktpunkte der an zwei Stellen gespeisten Dipole mit einer Hybride, beispielsweise einem "magischen T'\ miteinander verbunden» Wenn der Differenzeingang 4er Hybride benutzt wird_s so sind die Ströme in den Dipolarmen in. Phase, was ein gutes "Summen"-Strahlungsäiagramm ergibt_e Wenn der "Summen"-Eingang der Hybride benutzt wird, so sind die Ströme in den Dipolarmen in G-egenphase und es entsteht ein "NuIl"-Strahlungsdiagramm, Der "Summen"-Eingang kann daher für gewisse Polarisationsrichtungen zur. Monopuls-Zielverfolgung benutzt werden« Dies® Betriebsart ist insbesondere bei Systemen anwendbar_s die mit zirkularpolafisierten Wellen arbeiten« . · ■

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Z^eichnungo Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei

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anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die StrahlungsÖffnung eines erfindungsgemäßen, für mehrere Frequenzen geeigneten SpeiseStrahlers,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch den Speisestrahler nach Fig. 1,

Fig. J bis 5» Strahlungsdiagramme in den H-, E- und

Diagonalebenen für die Betriebsfrequenzbänder des Speisestrahlers nach den Fig. und 2,

Fig. 6 in schematischer Darstellung die Stromverteilung bei einem an zwei Punkten gespeisten Dipol,

Fig. 7 die Verwendung der Hornantenne für höhere Frequenzen als mittleres Teil des an zwei Punkten gespeisten Dipols nach Fig. 6,

Fig. 8 die Signalzuführung zu dem Dipol nach.Fig. 7 durch e:
und die

durch eine 180°-Hybride mit vier Eingängen

Fig. 9 bis 12 in Draufsicht verschiedene Ausbildungen

der Strahlungsöffnung bei Mehrfrequenzantennen nach der Erfindung·

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Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Speisestrahler tritt; eine quadratische Hornantenne 10," deren Abmessungen zur Bildung einer gemeinsamen Strahlungsöffnung für 6-GHs- und 4-GHz-Signale geeignet sind, durch die Mitte einer leitenden Grundplatte 12 hindurch» Auf der Rückseite der Grundplatte 12_S "bezogen auf die Strahlungsöffnung, geht die quadratische Hornantenne in einen abgesetzten, in mehreren Moden betreibbaren Abschnitt 14 über, aer für 6-GHz ausgelegt ist und an seinem Ende einen Flansch 15 aufweist« Der in mehreren Moden betreibbare Abschnitt 14 ist symmetrisch sur Längsachse der Horn™ antenne 10 angeordnet« Äia Rand der Hornantenne 10 ist ein den äußeren Umfang der Hornantenne 10 umgebender Drosselabschnitt 16 angeordnet, der in erster Linie dazu dient, eine Ausbreitung von 4—GHz-Energie in Querrichtung zu · verhindern. .

Für das 1-GHz-Band ist eine dielektrische Scheibe 18,vorgesehen, die sich in radialer Richtung vom äußeren Rand des Drosselabschnitts 16 hinreichend weit nach außen erstreckt, um mit UHF-Drosseln versehene Dipolarme -20, 21, 22 und 23 zu tragen, die sich von den vier Seitenmitten der Hornantenne 10 nach außen erstrecken Die dielektrische Scheibe 18 wird an ihrem äußeren Umfang von aus Metall bestehenden Stützen 24- getragen₉ die sich bis zu der Grundplatte 12 erstrecken· Durch Metallbänder 26 und 28, die die Stützen 24 in ihrem mittleren Teil bzw_o nahe der Grundplatte umgeben, ist ein UHF-Hohlraum gebildete Das der Hornantenne unmittelbat benachbarte Ende des mittleren Schenkels der UHF-gedrosselten Dipolarme 20 bis 23 wird

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jeweils durch die Innenleiter von Koaxialleitungen 30 "bis 33 gespeist. Die Koaxialleitungen 30 bis 33 ragen parallel zur Mittellinie der Hornantenne 10 durch die Grundplatte 12 hindurch und sind an ihren Enden mit Steckern 34- his 37 versehen· Die Außenleiter der Koaxialleitungen 30 bis 33 sind mit dem äußeren Umfang des Drosselabschnitts 16 und mit; der Grundplatte 12 elektrisch leitend verbunden· Schließlich ist symmetrisch um die aus Metall bestehenden Stützen 24- ein Metall— zylinder 40 angeordnet, der in einen Plansch 4-2 ausläuft. Der Metallzylinder 40 ist mit der Grundplatte 12 verbunden und weist eine Höhe auf, die etwas größer ist als die Länge der durch die Grundplatte 12 hindurchragenden quadratischen Hornantenne 10, Der Flansch 42 dient bei Bedarf zur Abstützung einer Antennenkuppel·

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Mehrfrequenz-Speisestrahlers werden die Signale des 4-GHz- und des 6-GHz— Frequenzbandes über den in mehreren Moden betriebenen Abschnitt 14 der Hornantenne 10 zugeführt. Zur Anregung mehrerer Moden im 6-GHz-Frequenzband und eines einzigen Modus im 4-GHz-Frequenzband werden gängige Einrichtungen benutzt. Insbesondere sind die an dem Flansch 15 angeschlossenen Einrichtungen zur Anregung der Moden so ausgelegt, daß sie für das 4-GHz- und das 6-SHz-Frequenzband geeignet sind und es ist die gemeinsame Strahlungs— öffnung der Hornantenne 10 so dimensioniert, daß ihre Grenzwellenlänge unterhalb der V/ellenlängen der höheren 4-GHz-Moden liegt. Die Trennung des 4-GHz- und 6-GHz-Frequenzbandes wird mit konventionellen, nicht dargestellten Frequenzweichen erreicht. Der λ/4-Drosseiabschnitt 16,

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der die Strahlungsöffnung der 6--/4-«-GHz-Hornantenne 10 ■umgibt, verhindert eine Einkopplung der 4-GHz- und 6-GHz-Signale in die 1-GHz-Dipolarme. 20 bis 23. Auch ist in geden der Dipolarme 20 bis 23 eine Drossel 51 eingebaut, die zusätzlich eine Einkopplung der 4—GHz-Signale verhindert« Die 6-GHz-Frequenzen liegen genügend weit weg, so daß der die Hornantenne 10 umgebende Drosselabschnitt 16 ausreicht, um eine Kopplung mit den 1-GHz-Dipolarmen 20 bis 25 au verhindern

In den Pig» 6 bis 3 ist die Art und Weise dargestellt„ in der die einander gegenüberliegenden Dipolarme 20 und 22 bzw. 21 und 23 arbeiten* Im einzelnen zeigt Figo 6 einen an zwei Stellen gespeisten Dipol mit Segmenten 50, 51 und 52j'die von Spannungsquellen 53 und 5^ gespeist werden«, die eine Signalspannwig V. abgeben,* Wenn die Spannungsquellen 53? 5^ die Dipolsegmente 5O₉ 51 und 52 in Phase erregen, so wächst der Strom I vom linken äußeren Ende, wie in der Zeichnung dargestellt₉ über ein Maximum längs des mittleren Segments und fällt am rechten äußeren Ende des Segments 52 auf Full ab«, Diese Stromverteilung ist ähnlich derjenigen eines typischen Dipols_? abgesehen davon, daß die Signaleinspeisimg an swei Punkten anstatt •an nur einem erfolgt«

Bei der Dipolanordniang nach Figo 7 ist das mittlere Segment 51 nach Fig« 6 durch die Hornantenne 10 ersetzt» In diesem Fall wird der Strom_s der zuvor durch das mittlere Segment 51 geflossen ISt₅, aufgeteilt und fließt an-den einander gegenüberliegenden Seiten der Hornantenne 10 entlang.

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Schließlich zeigt die Fig. 8 eine Dipolanordnung, in der die Dipolsegmente 50» 52 durch die gedrosselten Dipolarme 23 bzw. 21 ersetzt sind und die Spannungsquellen 53» 5^ von den Koaxialleitungen 33 und 31 nach Pig. 1 gebildet sind. Die Koaxialleitungen 31 und 33 werden ihrerseits über eine Trierarmige 180°-Hybride gespeist. Bei Speisung durch einen Summeneingang (£) der Hybride sind die Spannungen an den Ausgängen der Koaxialleitungen 31 und 33 in Gegenphase, so daß ein "ITulldiagramm" entsteht. Y/enn stattdessen die Einspeisung über den Differenzeingang (Δ) 58 erfolgt, so sind die Spannungen an den Ausgängen der Koaxialleitungen 31 und in Phase, so daß ein gutes "Summendiagramm" entsteht. Bei einer bestimmten Polarisation können daher die Hull- und Summendiagramme zur Zielverfolgung im Monopulabetrieb ausgenutzt werden. Schließlich können die übrigen Dipolarme 20 und 22 im Normalbetrieb über nicht dargestellte zweite Hybride in Phase gespeist werden, die ihrerseits mit einem Signal gespeist ist, das bezüglich des an die Hybride 56 angelegten Signals 90° außer Phase ist, so daß ein zirkularpolarisiertes Ausgangssignal erzeugt wird.

Bei dem mit mehreren Frequenzen arbeitenden Speisestrahler ist es erwünscht, daß die Strahlungsdiagramme für alle drei Frequenzbänder in allen Ebenen etwa identisch sind und einen gemeinsamen Phasenmittelpunkt aufweisen. Bei der für 6 und 4- GHz gemeinsam verwendeten Hornantenne wird dies dadurch erreicht, daß sie im 6-GHz-Bereich in verschiedenen Moden betrieben wird, so daß ihre effektive

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Strah-liingsöffnung in linearer Richtung etwa um den Faktor 3/4- gegenüber der lichten Weite der Strahlungs» öffnung der 6-/4—GHz-Hornantenne 10 vermindert ist, während sie im 4—GHz-Bereich nicht in mehreren Moden betrieben wird, so daß die volle lichte Weite der Strahlungsöffnung wirksam ist₀ Dies führt dazu, daß die 6-GHz- und 4—GHz-Frequenzbänder gleichartige Strahlungsdiagramme zur geeigneten Ausleuchtung des Reflektors oder der Linse aufweisen» Die Horn-Dipol-Anordnung ist in einem i-GHz-Hohlraum enthalten, der durch die Grundplatte 18 und die Metallbänder 26 und 28 gebildet 'ist,- deren Kenngrößen so gewählt sind₉ daß sie die Form des 1-GrHz-Strahlungsdiagrammes bestimmen_s ohne die-6= und 4—GHz— Strahlungsdiagramme au beeinflussen

In den Fig. 3 bis 5 sind die in horizontaler, vertikaler und diagonaler Richtung für die-4-GHz-,-"6-GH-z- und 1-GHz-Freqüenzbänder gemessenen Strahlungsdiagramme dargestellt, die von dem Speise strahler nach "den 3?ig_o 1 und 2 erzeugt werden. Im einzelnen zeigt Figo 3 das horizontale Strahlungsdiagramm 60, das vertikale Strahlungsdiagramm 61 und das diagonale Strahlungsdiagramm 62 für das 4—GHz— Frequenzband, und Fig«, 4- das horizontale Strahlungsdiagramm 63, das vertikale Strahlungsdiagramm .64 und das diagonale Strahlungsdiagramm 68 für das 1-GHz-Fre— quenzbande Wie aus diesen Figuren zu ersehen ist, sind die Strahlungsdiagramme des Speisestrahlers nach den Fig. 1 und 2 nahezu in allen Ebenen für jedes der drei Frequenzbänder identisch^ wie es für Speisestrahler dieser Art erforderlich ist«. Obwohl die beschriebene Ausführungsform der Erfindung für das 3₅7 bis 4₅2 GHz-Band, das 5,9 bis 6,4 GHz-Band und das 0₉8 bis 1. GHz-Band ausgelegt-

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worden war, können die zur Anwendung gelangten Prinzipien auch auf andere Frequenzbänder übertragen werden.

In den Fig. 9 bis 12 sind andere mögliche Ausführungs— formen der erfindungsgemäßen Antennenanordnung dargestellt, Fig. 9 zeigt eine Ansicht einer Strahlungsöffnung mit zwei Drosselschlitzen 70 und 71» die die Hornantenne 10 umgeben· Der Drosselschlitz 70 kann so ausgelegt sein, daß er das 4—GH ζ-Frequenzband unterdrückt, während der Drosselschlitz 71 das 6-GHz-F-requenzband unterdrückt. In den Fig. 10 und 11 ist anstelle der quadratischen Hornantenne 10 eine runde Hornantenne 72 bzw· eine kreuzförmige Hornantenne 75 dargestellt. Bei der kreuzförmigen Hornantenne 73 gehen die gedrosselten Dipolarme 20 bis 23 von den Innenecken der Hornantenne aus. Schließlich zeigt die Fig. 12 eine Hornantenne 74 niit Einbuchtungen, die die Koaxialleitungen 30 bis 33 aufnehmen und denen der am Rand der Hornantenne entlang laufende Drosselschlitz 75 folgt.

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Claims

Patentansprüche

( 1.J Hehrfrequenzantenne, insbesondere Speisestrahler, * für drei Frequenzbänder,-mit einer Hornantenne, die eine gemeinsame Strahlungsöffnung für die Signale des mittleren und des höchsten Frequenzbandes aufweist, mit einer mit der Hornantenne verbundenen Einrichtung, um in der Hornantenne mehrere Moden des höchsten Frequenzbandes anzuregen, und mit einem die Hornantenne umgebenden-Hohlraum für das niedrigste Frequenzband, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dipolarme (21, 25) vorgesehen sind,' die in Verbindung mit der Hornantenne (10) in dem niedrigsten Frequenzband resonant sind und sich von gegenüberliegenden Rändern der Hornantenne (10) .aus nach außen erstrecken, und daß zur Erregung der .Dipolarme (21, 23) eine Einrichtung (31, 33) vorgesehen ist, die mit den der Hornantenne (10) nächstgelegenen Enden der Dipolarme (21, 23) verbunden ist.
2. Mehrfrequenzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere in Verbindung mit der Hornantenne (10) in dem niedrigsten Frequenzband resonante Dipolarme (20, 22) vorgesehen sind, die sich von gegenüberliegenden Rändern der Hornantenne in der Mitte zwischen den beiden anderen Dipolarmen (21, 23) nach außen erstrecken.

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3· Mehrfrequenzantenne nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch ■ gekennzeichnet, daß die sich von gegenüberliegenden Seiten des Randes der Hornantenne (10) nach außen erstreckenden Dipolarme (20, 21, 22, 25) mit einer Drossel zur Trennung des niedrigsten Frequenzbandes von dem mittleren Frequenzband versehen sind,
4. Mehrfrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Hornantenne (1O) die Form eines Quadrats aufweist.
5· Mehrfrequenzantenne nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten des Quadrats in ihrem mittleren Bereich eingebuchtet sind·
6. Mehrfrequenzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt'der Hornantenne (1O) rund ist.

7· Mehrfrequenzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Hornantenne (1O) die Form eines vollsymmetrischen Kreuzes aufweist.

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