DE2316842C3 - Mehrfrequenzantenne für drei Frequenzbänder - Google Patents
Mehrfrequenzantenne für drei FrequenzbänderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mehrfrequenzantenne für drei Frequenzbänder, mit einem Hohlleiterstrahler, der
eine gemeinsame Strahlungsöffnung für die Signale des mittleren und des höchsten Frequenzbandes aufweist, W)
mit einer mit dem Hohlleiterstrahler verbundenen Einrichtung, um in dem Hohlleiterstrahler mehrere
Wellentypen des höchsten Frequenzbandes anzuregen, und mit einem den Hohlleiterstrahler umgebenden
Ringraum für das niedrigste Frequenzband. "">
Aus der US-PS 35 66 309 ist eine Antenne für zwei Frequenzbänder bekannt, bei der ein Hohlleiterstrahler
für die höhere Freauenz innerhalb eines Hohlleiterstrahlers für die niedrigere Frequenz angeordnet ist. Pie
Ausdehnung dieses Prinzips hätte die Anordnung der beiden Hohlleiterstrahler innerhalb eines dritten Hohlleiterstrahlers für die niedrigste Frequenz zur Folge, Ein
solches System hätte wegen der gegenseitigen Abschattung der Strahlungsöffnung einen nur geringen Wirkungsgrad. Eine ähnliche Antenne für zwei Frequenzbänder ist auch aus den »IEEE Transactions on
Antennas and Propagation«, September 1969, Seiten 637 bis 640, bekannt Bei dieser bekannten Antenne wird
der äußere Hohlleiterstrahler durch zwei diametral angeordnete Sonden angeregt, die durch den Außenleiter des äußeren Hohlleiterstrahlers radial in den
äußeren Ringraum eingeführt sind. Die Form dieser Sonden hat einen gewissen Einfluß auf die Form des
Strahlungsdiagramnnes und die Breitbandigkeit dieses
Antennenteils. Die Anwendung dieses Prinzips auf eine Antenne für drei Frequenzbänder ist nicht ohne
weiteres möglich.
Aus dem »NASA-report X-525-67-430«, September 1967, Seiten 43 bis 51, ist ferner eine Mehrfrequenzantenne bekannt, bei der drei Vierer-Anordnungen von
Dipolen konzentrisch derart zueinander angeordnet sind, daß sich die Vierer-Anordnung für die höchste
Frequenz innen und die Vierer-Anordnung für die niedrigste Frequenz außen befindet Ineinander angeordnete DipolgruipjRen dieser Art haben im allgemeinen wegen gegenseitiger Kopplungseffekte einen
geringen Wirkungsgrad.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mehrfrequenzantenne der eingangs
beschriebenen Art so auszubilden, daß sich die den verschiedenen Frequenzbereichen zugeordneten Strahlungselemente nicht stören.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in der Strahlungsöffnung des Ringraumes
diametral zum Hoh'leiterstrahler zwei leitende Arme angeordnet sind, die jeweils an ihrem dem Hohlleiterstrahler zugewandten Ende mit dem einen Leiter je
einer Zweileiter-Speiseleitung verbunden sind, deren anderer Leiter mit der Hohlleiterstrahler-Außenwand
verbunden ist, und daß die diametralen leitenden Arme zusammen mit den Hohlleiterstrahler-Außenwänden
einen in dem niedrigsten Frequenzband resonanten Dipol bilden.
Die Erfindung vermeidet also eine gegenseitige Abschattung und wechselseitige Kopplung durch die
Verwendung einer einzigen gemeinsamen Strahlungsöffnung für das höchste und das mittlere Frequenzband,
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 des Hohlleiterstrahlers seinen Mittelteil bilden.
Die erfindungsgemäße Mehrfrequenzantenne ist besonders als Speisestrahler zum Ausleuchten eines
Reflektors oder einer Linse geeignet. Um bei dieser Anwendung einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen,
muß ihr Diagramm den Reflektor oder die Linse ausleuchten, ohne über den Rand des Sekundärstrahlers
übermäßig hinauszugehen und ohne so stark gebündelt zu sein, daß die Ausleuchtung 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 dem Hohlleiterstrahler für das mittlere und das
höchste Frequenzband dadurch erreicht, daß im höchsten Frequenzband mehrere Wellentypen angeregt
werden, so daß seine effektive Strahlungsöffnung (Apertur)geringer ist als sejne lichte Weite, nämlich nur
etwa dreiviertel seiner linearen Ausdehnung beträgt, wogegen im mittleren Frequenzband nur ein Wellentyp
angeregt wird, so daß die volle lichte Weite des Hohlleiterstrahlers als Strahlungsöffnung wirkt Als
Ergebnis sind die Strahlungsdiagramme für das höchste und das mittlere Frequenzband im wesentlichen gleich
und ergeben eine gute Ausleuchtung des Sekundärstrahlers. Für das niedrigste Frequenzband läßt sich der
resonante Dipol so ausbilden, daß ebenfalls im wesentlichen das gleiche Strahlungsdiagramm erzielt
wird
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlleiterstrahler von einem oder von
mehreren λ/4-Töpfen oder -Säcken umgeben, die eine Kopplung der von dem Hohlleiterstrahler abgestrahlten
Signale des mittleren und des höchsten Frequenzbandes mit dem Dipol verhindern. Zur weiteren Unterdrückung
der Kopplung zwischen dem Dipol und den Signalen des mittleren Frequenzbandes können die flächig ausgebildeten
leitenden Arme mit symmetrisch zu ihrer Längsachse angebrachten Einschnitten versehen sein,
die ähnlich wie λ/4-Sperrtöpfe oder -Säcke wirken. Das höchste Frequenzband ist von dem niedrigsten Frequenzband
ausreichend weit entfernt, um eine Kopplung mit dem Dipol allein durch den den Hohlleiterstrahler
umgebenden λ/4-Sperrtopf hinreichend zu unterdrücken. Die Trennung der Signale des höchsten
und des mittleren Frequenzbandes wird mit Hilfe konventioneller Frequenzweichen erreicht. Schließlich
sind die beiden Kontaktpunkte der an zwei Stellen gespeisten Dipole mit einer entkoppelten Verzweigung,
beispielsweise einem »magischen T«, miteinander verbunden. Je nachdem, welcher Eingang der entkoppelten
Verzweigung benutzt wird, sind die Ströme in den Dipolarmen gleichphasig oder gegenphasig, und es
werden entsprechend unterschiedliche Strahlungsdiagramme erzielt. Insbesondere der eine gleichphasige
Speisung der Dipolarme ergebende Eingang kann für gewisse Polarisationsrichtungen zur Monopuls-Zielverfolgung
benutzt werden. Diese Betriebsart ist insbesondere bei Systemen anwendbar, die mit zirkular-polarisierten
Wellen arbeiten.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
beschrieben und erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf die Strahlungsöffnung einer Mehrfrequenzantenne nach der Erfindung,
Fig.2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch die Mehrfrequenzantenne nach Fi g. 1,
F i g. 3 bis 5 Strahlungsdiagramme in den H-, E- und Diagonalebenen für die unterschiedlichen Frequenzbänder
der Mehrfachantenne nach den F i g. 1 und 2,
Fig.6 in schematischer Darstellung die Stromverteilung
bei einem an zwei Punkten gespeisten Dipol,
Fig.7 einen Dipol ähnlich Fig.6, dnssen mittlerer
Teil von dem Hohlleiterstrahler der erfindungsgemäßen Mehrfrequenzantenne gebildet wird,
F i g. 8 die Signalzuführung zu dem Dipol nach F i g. 7 über eine entkoppelte Verzweigung und
Fig.9 bis 12 die Draufsicht auf verschiedene Ausführungsformen von Mehrfrequenzantennen nach
der Erfindung.
Bei der in den Fig. I und 2 dargestellten Mehrfreauenzantenne
tritt ein Quadratischer Hohlleiterstrahler.
dessen Abmessungen zur Bildung einer gemeinsamen Strahlungsöffnung für Signale im 6-GHz-Frequenzband
und im 4-GHz-Frequenzband geeignet sind, durch die Mitte einer leitenden Grundplatte 12 hindurch. Auf der
Rückseite der Grundplatte 12, bezogen auf die Strahlungsöffnung, geht der quadratische Hohlleiterstrahler
in einen abgesetzten, mit mehreren Wellentypen betreibbaren Hohlleiterabschnitt 14 über, der für
das 6-GHz-Frequenzband ausgelegt ist und an seinem Ende einen Flansch 15 aufweist. Der mit mehreren
Wellentypen betreibbare Abschnitt 14 ist symmetrisch zur Längsachse des Hohlleiterstrahlers 10 angeordnet.
Am Rand des Hohlleiterstrahlers 10 ist ein dessen äußeren Umfang umgebender A/4-Sperrtopf 16 angeordnet,
der in erster Linie dazu dient, eine Ausbreitung von Signalen des 4-G Hz-Frequenzbandes
in Querrichtung zu verhindern.
Für das 1-GHz-Frequenzband ist eine dielektrische Scheibe 18 vorgesehen, die sich in radialer Richtung
vom äußeren Rand des λ/4-Sperrtopfes 16 hinreichend
weit nach außen erstreckt, um f.'chig ausgebildete,
leitende Dipolarme 20,2!, 22 und 23 zu tragen, die sich
von den Mitten der vier Seiten des Hohlleiterstrahlers 10 nach außen erstrecken. Die vier Arme sind mit
symmetrisch zu ihrer Längsachse angebrachten Einschnitten 51 versehen, die λ/4-Sperren für das mittlere
Frequenzband, also für die Signale des 4-GHz-Frequenzbandes bilden. Die dielektrische Scheibe 18 wird
an ihrem äußeren Rand von aus Metall bestehenden Stützen 24 getragen, die sich bis zus Grundplatte 12
erstrecken. Durch Metallbänder 26 und 28, die die Stutzen 24 in ihrem mittleren Teil und nahe der
Grundplatte umgeben, wird ein UHF-Hohlraumresonator gebildet. Das dem Hohlleiterstrahler unmittelbar
benachbarte Ende der mittleren Schenkel der Dipolarme 20 bis 23 wird jeweils durch die Innenleiter von
Koaxialleitungen 30 bis 33 gespeist. Die Koaxialleitungen 30 bis 33 ragen parallel zur Mittelachse des
Hohlleiterstrahlers 10 durch die Grundplatte 12 hindurch und sind an ihren Enden mit Steckern 34 bis 37
versehen. Die Außenleiter der Koaxialleitungen 30 bis 33 sind mit der Außenseite des λ/4-Sperrtopfes 16 und
mit der Grundplatte 12 elektrisch leitend verbunden. Schließlich ist symmetrisch um die aus Metall bestehenden
Stützen 24 ein Metallzylinder 40 angeordnet, der in einen Flansch 42 ausläuft. Der Metallzylinder 40 ist mit
der Grundplatte 12 verbunden und weist eine Höhe auf, die etwas größer ist als die Länge des durch die
Grundplatte 12 hindurchragenden Abschnittes des quadratischen Hohlleiterstrahlers 10. Der Flansch 42
dient bei Bedarf zur Abstützung einer Antennengruppe. Beim Betrieb der dargestellten Mehrfrequenzantenne
werden die Signale des 4-GHz- und des 6-GHz-Freouetvibfindes
über den mit mehreren Wellentypen betriebenen Hohlleiterabschnitt 14 zugeführt. Zur
Anregung mehrerer Wellentypen im 6-GHz-Frequenzband und eines einzigen Wellentyps im 4-GHz-Frequenzband
werden gängige Einrichtungen benutzt. Insbesondere sind die an den Flansch 15 angeschlossenen
Einrichtungen zur Anregung der Wellentypen so ausgelegt, daß sie für das 4-GHz- und das 6-GHz-Frequenzband
geeignet sind, und es ist die gemeinsame Strahlungsöffnung des Hohlleiterstrahlers 10 so dimensioniert,
daß ihre Grenzwellenlänge unterhalb der Wellenlängen höherer Wellentypen im 4-GHz-Frequenzband
liegt. Die Trennung der Signale des 4-GHz- und des 6-GHz-Frequenzbandes wird mit konventionellen,
nicht dargestellten Freauenzweichen erreicht. Der
λ/4-Sperrlopf 16, der die Strahlungsöffnung des Hohlleiterstrahlers 10 umgibt, verhindert ein Einkoppeln
der Signale des 4-GHz- und des 6-GHz-Frequenzbandes in die I -GHz-Dipolarme 20 bis 23. Auch ist jeder
der Dipolarme 20 bis 23 mit Einschnitten 51 versehen, die zusätzliche λ/4-Sperren bilden, die ein Einkoppeln
der Signale des 4-GHz-Frequenzbandes verhindern. Der den Hohlleiterstrahler 10 umgebende λ/4-Sperrtopf
16 reicht aus, um ein Einkoppeln der weiter weg liegenden Signale des 6-GHz-Frequenzbandes in die
I -GHz-Dipolarme 20 bis 23 zu verhindern.
Die F i g. 6 bis 8 veranschaulichen die Wirkungsweise der von den einander gegenüberliegenden Armen 20
und 22 bzw. 21 und 23 zusammen mit den Außenwänden des Hohlleiterstrahlers gebildeten Dipolen. Im einzelnen
zeigt F i g. 6 einen an zwei Stellen gespeisten Dipol mit Abschnitten 50, 51 und 52, die von Spannungsquel-Erzeugung
gleicher Strahlungsdiagramme für die beiden Frequenzbänder dadurch erreicht, daß im
6-GHz-Frequenzband mehrerer Wellentypen angeregt werden, wodurch die effektive Strahlungsöffnung linear
s um etwa den Faktor 3/4 gegenüber der lichten Weite
der Strahlungsöffnung des Hohlleiterstrahlers vermindert wird. Im 4-GHz-Frequenzband wird dagegen der
Hohlleiterstrahler mit nur einem Wellentyp betrieben, so daß die volle lichte Weite der Strahlungsöffnung
κι wirksam ist. Die Dipol-Anordnung befindet sich in
einem 1-GHz-Hohlraumresonator, der durch die Außenwand des Hohlleiterstrahlers, die Grundplatte 18,
die metallischen Stützen 24 und die die Stützen umgebenden Metallbänder 26 und 28 gebildet ist. Der
π Aufbau dieses Hohlraumresonators bestimmt die Form des Strahlungsdiagrammes im 1-GHz-Frequenzband,
ohne die Strahlungsdiagramme der 6-GHz- 'md
ICH JJ UIIU
nung Vabgeben. Wenn die Spannungsquellen 53 und 54 die Abschnitte 50, 51 und 52 gleichphasig erregen, so
wächst der Strom /vom linken äußeren Ende des Dipols bis zu dessen Mitte hin an und fällt dann in Richtung auf
das rechte äußere Ende wieder bis auf Null ab, wie es in F i g. 6 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Diese
Stromverteilung ist derjenigen eines normalen Dipols ähnlich, abgesehen davon, daß die Signaleinspeisung an
zwei Punkten anstatt an nur einem Punkt erfolgt. Der in Fig. 7 dargestellte Dipol unterscheidet sich von dem
Dipol nach Fig.6 dadurch, daß der mittlere Abschnitt
51 durch die äußere Wandung des Hohlleiterstrahlers 10 ersetzt ist. In diesem Fall wird der Strom, der zuvor den
mittleren Abschnitt 51 durchflossen hat, auf die einander gegenüberliegenden Außenwandabschnitte des Hohlleiterstrahlers
10 aufgeteilt.
Schließlich zeigt F i g. 8 eine Dipolanordnung, in der die äußeren Abschnitte 50 und 52 durch die Dipolarme
23 bzw. 21 ersetzt und die Spannungsquellen 53 und 54 von den Koaxialleitungen 33 und 31 nach Fig. 1
gebildet sind. Die Koaxialleitungen 31 und 33 werden über eine entkoppelte Verzweigung 56 gespeist. Bei
Speisung über den Summeneingang (Σ) 57 der Verzweigung sind die Spannungen an den Ausgängen
der Koaxialleitungen 31 und 33 in Gegenphase, so daß ein Differenzdiagramm entsteht. Wenn statt dessen die
Einspeisung über den Differenzeingang (Δ) 58 erfolgt, so sind die Spannungen an den Ausgängen der Koaxialleitungen
31 und 33 in Phase, so daß ein »Summendiagramm« entsteht. Bei einer bestimmten Polarisation
können daher die Differenz- und Summendiagramme zur Zielverfolgung im Monopulsbetrieb ausgenutzt
weiden. Schließlich können die übrigen Dipolarme 20 und 22 im Normalbetrieb über eine nicht dargestellte
zweite Verzweigung in Phase mit einem Signal gespeist werden, das gegenüber dem Signal, das der ersten
Verzweigung 56 zugeführt wird, um 90° phasenverschoben ist, so daß ein zirkular-polarisiertes Ausgangssignal
erzeugt wird.
Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Mehrfrequenzantenne als Speisestrahler zum Ausleuchten
eines Sekundärstrahlers verwendet wird, ist es erwünscht, daß die Strahlungsdiagramme für alle drei
Frequenzbänder in allen Ebenen etwa gleich sind und einen gemeinsamen Phasenmittelpunkt aufweisen. Bei
dem für das 6-GHz- und das 4-GHz-Frequenzband gemeinsam verwendeten Hohlleiterstrahler wird die
-\JI Ιί,'Ι
In den F i g. 3 bis 5 sind die Strahlungsdiagramme der
Mehrfrequenzantenne nach den Fig. I und 2 für die verschiedenen Frequenzbänder jeweils in horizontaler,
vertikaler und diagonaler Richtung dargestellt. Im einzelnen zeigt Fig.3 das horizontale Strahlungsdiagramm
60, das vertikale Strahlungsdiagramm 61 und das diagonale Strahlungsdiagramm 62 für das 4-GHz-Frequenzband,
F i g. 4 das horizontale Strahlungsdiagramm 63, di 3 vertikale Strahlungsdiagramm 64 und das
diagonale Strahlungsdiagramm 65 für das 6-GHz-Frequenzband und Fig. 5 das horizontale Strahlungsdiagramm
66, das vertikale Strahlungsdiagramm 67 und das diagonale Strahlungsdiagramm 68 für das 1-GHz-Frequenzband.
Wie aus diesen Figuren zu ersehen ist, sind die Strahlungsdiagramme der Mehrfrequenzantenne
nach den F i g. 1 und 2 nahezu in allen Ebenen für alle drei Frequenzbänder gleich, wie es für die Verwendung
einer solchen Mehrfrequenzantenne als Speisestrahler erforderlich ist.
Obwohl die beschriebene Ausführungsform der Erfindung für die Frequenzbänder von 3,7 bis 4,2 GHz,
5,9 bis 6,4 GHz und 0,8 bis 1 GHz ausgelegt ist, können die zur Anwendung gelangten Prinzipien auch auf
andere Frequenzbänder übertragen werden.
In den Fig. 9 bis 12 sind andere mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mehrfrequenzantenne
dargestellt. Fig.9 zeigt eine Ausführungsform,
bei der der Hohlleiterstrahler von zwei λ/4-Sperrtöpfen 70 und 71 umgeben ist. Der eine
λ/4-Sperrtopf 70 kann so ausgelegt sein, daß er eine Sperre für das 4-GHz-Frequenzband bildet, wogegen
der andere λ/4-Sperrtopf 71 eine Sperre ίατ das
6-GHz-Frequenzband bilden kann. Die Ausführungsformen nach den Fig. 10 und 11 weisen an Stelle eines
Hohlleiterstrahlers mit quadratischem Querschnitt einen Hohlleiterstrahler 72 mit rundem bzw. einen
Hohlleiterstrahler 73 mit kreuzförmigem Querschnitt auf. Bei der Mehrfrequenzantenne nach F i g. 11 sind die
mit λ/4-Sperren versehenen Dipolarme 20 bis 23 an die Innenecken der Außenwand des Hohlleiterstrahlers 73
angeschlossen. Schließlich zeigt Fig. 12 eine Mehrfrequenzantenne,
deren Hohlleiterstrahler 74 einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist, jedoch
in der Mitte seiner Außenwände mit Einbuchtungen versehen ist, in welche die Koaxialleitungen 30 bis
33 eingelegt sind. Der λ/4-Sperrtopf 75 folgt hier wiederum der Kontur des Hohlleiterstrahlers.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Mehrfrequenzantenne für drei Frequenzbänder, mit einem Hohlleiterstrahler, der eine gemeinsame ί
Strahlungsöffnung für die Signale des mittleren und des höchsten Frequenzbandes aufweist, mit einer mit
dem Hohlleiterstrahler verbundenen Einrichtung, um in dem Hohlleiterstrahler mehrere Wellentypen
des höchsten Frequenzbandes anzuregen, und mit ι ο einem den Hohlleiterstrahler umgebenden Ringraum für das niedrigste Frequenzband, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Strahlungsöffnung des Ringraumes diametral zum Hohlleiterstrahler (10) zwei leitende Arme (21,23) angeordnet
sind, die jeweils an ihrem dem Hohlleiterstrahler (10) zugewandten Ende mit dem einen Leiter je einer
Zweileiter-Speiseleitung (31 bzw. 33) verbunden sind, deren anderer Leiter mit der Hohlleiterstrahler-Außenw^id verbunden ist, und daß die diametra-
len leitenden Arme zusammen mit den Hohlleiterstrahler-Außenwänden einen in dem niedrigsten
Frequenzband resonanten Dipol bilden.
2. Mehrfrequenzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Hohlleiterstrahler
(10) zwei weitere, in der gleichen Weise wie die erstgenannten ausgeführte und gespeiste leitende
Arme (20, 22) diametral, jedoch zu den beiden anderen Armen (21, 23) senkrecht stehend angebracht sind. )i)
3. Mehrfrequetrzantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flächig ausgebildeten leitenden Arme (20,21, 22, 23) mit symmetrisch
zu ihrer Längsachse angebrachten Einschnitten (51) zur Trennung des niedrigsten F,· iquenzbandes von sr'
dem mittleren Frequenzband versehen sind.
4. Mehrfrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Querschnitt des Hohlleiterstrahlers (10) die Form eines Quadrates aufweist. ■<"
5. Mehrfrequenzantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden
Seiten des Quadrats in ihrem mittleren Bereich eingebuchtet sind (F ig. 12).
6. Mehrfrequenzantenne nach einem der Ansprü- 4<i
ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlleiterstrahlers rund ist
(Fig. 10).
7. Mehrfrequenzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der r>0
Querschnitt des Hohlleiterstrahlers die Form eines vollsymmetrischeii Kreuzes aufweist (F i g. 11).
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