DE2362913A1

DE2362913A1 - Breitbandmikrowellenantennenanordnung

Info

Publication number: DE2362913A1
Application number: DE2362913A
Authority: DE
Inventors: Roger Dale Hall; Robert Peter Johnson
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1972-12-26
Filing date: 1973-12-18
Publication date: 1974-06-27
Also published as: FR2211767B1; JPS5746241B2; DE2362913C3; GB1388230A; IL43841A; FR2211767A1; JPS4998558A; US3820117A; IL43841A0; DE2362913B2

Description

Patentanwälte Dr. Ing. H. Negendanlc

Dipl Ing.H.H*uck-CHI Fhye.W.Schmitt

Dipl Ing. E. Gras»? - Dip!, ing. Vv, Wohnert

8 München Z, fttexartsUaBe 25

Telefon 5530586

The Bendix Corporation

Executive Offices

Bendix Center 17. Dezember 1973

Southfield,Mich.48075,USA Anwaltsakte M-2935

Breitbandmikrawellenantennenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Breitbandmikrowellenantennenanordnung mit einem Hohlraum und einem davor angeordneten Spiral-Antennenelement.

Bei Radarwarn-Peilsystemen an Bord von Plugzeugen, die entfernt angeordnete Antennen benutzen, insbesondere Antenne^die in cer Nähe der Radom-Aufbauten angeordnet sind, wird es gelegentlich erforderlich, die Betriebsfrequenzen in Richtung auf niedrigere Frequenzen auszudehnen, ohne daß größere Abänderungen der vorhandenen Antennenlagen und Radomkonfigurationen vorgenommen werden. Zusätzlich zur Ausdehnung des Ansprechbereiches der bekannten zirkular-polarisierten Spiral-Antennen in Richtung auf niedrigere Frequenzen kann es auch erforderlich sein, daß die Antenne auf Links- oder Rechtszirkularpolarisation, Linearpola-

409826/0831

risation und insbesondere auf horizontalpolarisierte NF-Strahlungen anspricht.

In den meisten Anwendungsfällen benutzen die Radarwarn-Peilsysteme zirkularpolarisierte vor einem Hohlraum angeordnete Spiral-Antennenelernente, die im Axial-Modus schwingen und ein Kosinus-Ausgangssignal erzeugen. Bei dieser Betriebsart wird die Maximalstrahlung längs einer Linie auftreten, die senkrecht auf der Ebene des Spiralelements steht. Wenn ein reflektierender Hohlraum hinter dem Spiralelement angeordnet wird, tritt ein Strahlungsmuster mit einer Keule senkrecht zur Ebene der Spirale auf. Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausdehnung dieser Betriebsart in die NF-Bänder hinein und das Ansprechen auf Linksund Rechtszirkularpolarisation und auf lineare Polarisationen, insbesondere auf horizontale Polarisationen in den NF-Bändern.

Für die Axial-Mode ist die allgemein anerkannte theoretische Grundlage für den Betrieb der Spiralantenne die "Stroirt'-Bandtheorie. Wenn eine Spiralantenne so gespeist wird, daß die in der Mitte in die beiden Spiralspuren eintretende Energie um 180 phasenverschoben ist, tritt das erste Stromband dort auf, wo der Strom in einem Arm in einen gleichphasigen Zustand mit dem anderen Arm zurückkehrt. Dieser Zustand wird wegen der Geometriedes Spiralelements auftreten, d.h. jede folgende Windung der Spirale ist fortschreitend länger. Die Analyse zeigt, daß der Strom in benachbarten Leitern in einen gleichphasigen Zu- : stand kommt, wenn der Umfang des Ringes gleich der Wellenlänge

-3-

409826/0831

Um die Niederfrequenzfähigkeit einer vor einem Hohlraum angeordneten Spiralantenne (cavity-backed spiral antenna) auszudehnen wurde allgemein der Vorschlag akzeptiert, den Durchmesser der Antenne so weit zu vergrößern, daß der Umfang gleich der Wellenlänge der niedrigsten erforderlichen Frequenz ist. Diesem Vorschlag steht aber das Bedürfnis entgegen, die Betriebsfrequenzen ohne größere Änderungen der vorhandenen Antennenanordnungen zu erweitern. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß über dem zylindrisch ausgebildeten Hohlraum ein Antennenelement aus einem Substrat aus einem isolierenden Werkstoff und zwei ineinander greifenden spiraligen Antennenspuren angeordnet ist, welche Spuren auf dem Substrat befestigt sind, und ein Niederfrequenz-Ansatz vorgesehen ist, der aus zwei vor einem Hohlraum angeordneten und jeweils mit dem äußeren Ende einer der Antennenspuren verbundene Dipolelementen besteht.

ί Die Anmelderin benutzt also eine Spiralantenne, deren Speise- :

system einen l80°-Phasenunterschied für eine geeignete Bandbreite gewährleisten, um sowohl der Anfangsfrequenz und den er-

zu weiterten, (niedrigeren) Betriebsfrequenzen/genügen. Die äußeren ■ Enden der vor dem Hohlraum angeordneten Spiralelemente werden jeweils durch die Integration eines vor einem Hohlraum angeordneten Dipolelementes verlängert, deren wirksame Apertur einer

ι I halben Wellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz gleichkommt. Die selektive Erfassung einer vorherrschenden linearen

-4-

409826/0831

Polarisation ist möglich und durch die Orientierung der Dipolelemente bezüglich des Radiusvektors des Anfangspunktes der Spiralelemente bestimmt.

Weitere Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung. Diese soll nun anhand der beigefügten Figuren 1 bis 3 genauer beschrieben werden. Es zeigt:

; Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit erweitertem Frequenzbe-

reiche,

. Fig. 2 eine schematische Darstellung der in der Fig. 1 gezeigten Antenne, und

Fig. 3 eine zum Teil al& Schnitt dargestellte Ansicht eines typischen Radoms, in dem eine erfindungsgemäße Antenne installiert ist.

In der Fig. 1 ist ein ebenes Mikrowellen-Spiralantennenelement 10 dargestellt, das zwei voneinander getrennte, aber ineinander verflochtene Spiralspuren 10a und 10b aufweist. Die Spiralspuren 10a und 10b werden vorzugsweise in Form einer gedruckten Schaltung auf einem Substrat aus isolierendem Werkstoff ausgebildet. Das Antennenelement 10 ist über einem Mikrowellenhohlraum angeordnet, der von einem zylindrischen Behälter 12 gebildet wird. Der Behälter 12 ist innen normalerweise mit einem Mikrowellen absorbierenden Material verkleidet, welches durch aufgeschäumten

mm ζ —

409826/0831

Kunststoff gehalten werden kann« Einzelheiten einer vergleichbaren Mikrowellenantenne mit rückwärtigem Hohlraum sind in der US-PS 3 441 937 beschrieben. Mit den äußeren Enden der aus einem leitenden Material hergestellten Spiralspuren 10a und 10b sind Dipolelemente 14a bzw. 14b verbunden. Jedes der Dipolelemente 14a und 14b wird auf einem isolierenden Substrat 16a bzw. 16b gehalten, das seinerseits von Gehäusen 18a bzw. 18b gehalten wird. Die Gehäuse 18a und 18b sind Ansätze des zylindrischen Behälters 12.

ι Diese Ansätze sind ebenfalls mit mikrowellenabsorbierendem Ma-'■ terial ausgekleidet,

Das in der Fig. 2 gezeigte Diagramm soll der Erklärung einiger elektrischer Eigenschaften der in der Fig. 1 gezeigten Antennen-

' anordnungdienen. Ein Leiterpaar bestehend aus den Leitern 20 und '. 22 dient dem Anschluß der Antenne, und zwar ist der Leiter 20 mit der Spiralspur 10a des Antennenelements verbunden, während der Leiter 22 mit der Spiralspur 10b verbunden ist. Diese Leiter werden normalerweise als Koaxialleitung mit einem Außenleiter 24 herangeführt. Die Dipolelemente 14a und 14b sind in der oben beschriebenen Weise mit den Spiralspuren 10a bzw, 10b verbunden und • werden mit Abstand von der Rückseite des Hohlraumelements 12 ge-, halten. In den Raum zwischen der Rückseite des Mikrowellenhohl- _t raums und den Elementen 10a, 10b, 14a und 14b ist eine Schicht ! ι aus mikrowellenabsorbierendem Material eingebracht.

!

In der Fig. 3 ist ein Radom 25 zum Teil als Schnitt dargestellt, ί in dem eine erfindungsgemäße Antennenanordnung an der Innenwandung befestigt ist. Bei diesem Einbau ist das isolierende Substrat

-6-

A09828/0831

— 6 —
des Antennenelementes 10 in seiner Formgebung der Formgebung des Radoms angepaßt,um den Luftspalt zwischen der Antennenoberfläche und der Innenfläche des Radoms 25 so klein wie möglich zu halten. Die Dipolelemente 14a und 14b liegen an der Innenfläche des Radoms an und sind gekrümmt, um dessen Formgebung folgen zu können. An dem unteren Teil des Behälters 12 sind Metallplatten 26a und 26b befestigt, die die Gegengewichte 26a und 26b (ground plane elements) für die Dipolartennenelemente 14a bzw. 14b darstellen. Zwischen dem Gegengewichtelement 26a und dem Antennenelement 14a ist eine Materialschicht 28a angeordnet, die zur Gänze aus mikrowellenabsorbierendem Werkstoff oder um einen Teil aus mikrowellenabsorbierendem Werkstoff und zum anderen Teil aus einem geschäumten Kunststoff bestehen kann, der als Abstandselement benutzt wird. Eine vergleichbare Schicht 28b aus demselben Werkstoff wird zwischen dem Gegengewicht 26b und dem Antennenelement 14b angeordnet. Um einen möglicherweise verbleibenden Luftspalt zwischen der Oberfläche des Antennenelements 10 und der Innenfläche des Radoms 25 auszugleichen, kann zwischen diesen beiden Bauteilen ein Abstandsstück 30 aus einem flexiblen zusammendrückbaren Werkstoff eingeschoben werden. Ein solches Abstandsstück kann aus Silikongummi oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt werden, dessen dielektrische Kennwerte den Kennwerten des Radom-Materials sehr ähnlich sind.

Der Abstand der Spiralspuren 10a und 10b und der Dipolelemente 14a und 14b von den Rückwänden (Boden des Behälters 12, Gegen- :

gewichtselement 26a, Gegengewichtselement 26b)der zugeordneten

-7-

4G9826/0831

Mikrowellenhohlräume (Behälter 12, Schichten 28a bzw. 28b) ist vorzugsweise kleiner als 1/4 Wellenlänge über den· Bereich der empfangenen Frequenzen.

Während in diesem Abschnitt der Beschreibung anhand der Figuren nur eine Ausführungsform beschrieben worden ist, so können doch verschiedene Abweichungen vorgenommen werden, um die erfindungsgemäße Antennenanordnung an besondere Einbaugegebenheiten anzupassen. Die gekrümmte Anordnung gemäß Fig. 3 führt zu einer Abflachung oder Verbreiterung der Antennencharakteristik, zeigt aber in anderer Hinsicht keine weitere Beeinflussung. Aus dem vorstehenden geht hervor, daß die von der Anmelderin offenbarte Antennenanordnung, die den inneren Dimensionen des Radoms angepaßt ist, den großen Vorteil bringt, daß sie wesentlich kleiner jst als eine vor einem Hohlraum angeordnete Spiralantenne von

! wesentlich größerem Durchmesser, zugleich aber eine vergleichbare·.

Leistung zeigt. i

-8-

409826/0831

Claims

Dr. Ing. H. N^^

Dipl. Ing. H. H- ■::..'.: ir ; i-">ys. V·.¹. Schmitt

Dipi. Ing. E. G (· ^:- - -V-■· l-g. Vv. Wehnelt

8 Milndii,»:, i, .ViGiaiikirsSe 23

Telefon 5380586

The Bendix Corporation Executive Offices Bendix Center

Southfield,Mich.48075,USA

17. Dezember 1973 Anwaltsakte M-2935

Patentangrüche

I 1.)Breitbandmikrowellenantennenanordnung mit einem Hohlraum und I einem davor angeordneten Spiral-Antennenelement, dadurch gekennzeichnet, daß über dem zylindrisch ausgebildeten Hohlraum ^; (12) ein Antennenelement (10) aus einem Substrat aus einem j isolierenden Werkstoff und zwei einander verflochtenen spiraligen Antennenspuren (10a, 10b) angeordnet ist, welche Spuren auf dem Substrat befestigt sind, und ein Niederfrequenzansatz vorgesehen ist, der aus zwei jeweils vor einem Hohlraum angeordneten und jeweils mit dem äußeren Ende einer Spiralspur (10a;10b) verbundenen Dipolelementen (14a; 14b) besteht.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, j daß die Dipolelemente (14a, 14b) so ausgelegt sind, daß die : Gesamtbreite der Anordnung angenähert einer halben Wellen-

-9-

409826/0831

länge der niedrigsten Frequenz entspricht, für die die Antenne einen signifikanten Antennengewinn aufweisen soll.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (12) und die hinter den Dipolelementen (14a, 14b) angeordneten Hohlräume mit mikrowellenabsorbierendem Material (28a,28b) ausgekleidet oder ausgefüllt sind.
4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralspuren (10a, 10b) und die Dipol-' etoiente (14a, 14b) so ausgebildet sind, daß sie sich gegen eine abgerundete Radomform legen (Fig. 3).
5. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat radomförmig ist und die Dipolelemente (14a, , 14b) gekrümmt sind. j
6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich-ί net, daß der Abstand der Spiralspuren (10a, 10b) und der Di- ; polelemente (14a, 14b) der Antenne von den Rückwänden (12,26a,;

i 26b) der zugeordneten Hohlräume kleiner als 1/4 Wellenlänge

über den Bereich der empfangenen Frequenzen ist.

409826/0831

Leerseite