DE2415397A1

DE2415397A1 - Antennensystem

Info

Publication number: DE2415397A1
Application number: DE2415397A
Authority: DE
Inventors: Herbert F Baurle; Raymond J Masak
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1973-04-03
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1974-10-24
Also published as: JPS49131358A; BR7402609D0; FR2224884A1; GB1425141A; US3858218A; NL7404420A; FR2224884B1; CA1024252A; AU6555874A

Description

Patentanwälte Dipl.- Ing. W. Scherrmann Dr.-!ng.R.Riiger

7300 Essüngen (Neckar), Fabrikstraße 24, Postfach 348

28. März 1974 Telefon

V Stuttgart (0711) 35fi539

PA 27 naha ^⁹⁸¹⁹

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Hazeltine Corporation/ Greenlawn, New York 11740/USA

Antennensystem

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zur Ausstrahlung von Wellenenergie in einen beliebigen Bereich des Raumes während einer bestimmten zeitlichen Periode und in einem bestimmten Strahlungsbild, bei dem sich die Frequenz der in den entsprechenden Bereich des Raumes ausgestrahlten Wellenenergie in Abhängigkeit vom Richtungswinkel in einer bestimmten Ebene ändert, bei dem eine Anordnung von Antennensäulen vorgesehen ist, die sich entlang eines Kreisbogen in der bestimmten Ebene erstreckt und über die die zugeführte Wellenenergiesignale ausgestrahlt v/erden und bei dem die Anteünensäulen eines oder mehrere Antennenelemente und eine Koppelanordnung für die Zuführung der Wellenenergie zu den Antennenelementen enthalten.

Derartige Systeme v/erden dazu benutzt, die Winkelposition eines Zieles in Bezug auf einen Referenzort zu bestimmen. Insbesondere wird hier ein System angewendet, bei dem ein frequenzcodiertes Strahlungsdiagramm zur Winkelmessung benutzt wird, allgemein bekannt als "Doppler"-Systerne. Bei einem Doppler-System strahlt eine Antenne Wellenenergie in einen Bereich des Raumes, und zwar in einem solchen Strahlungsdiagramm bzw. Strahlungsbild, in dem die

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Frequenz der Strahlung sich mit dem Winkel, gemessen von der Antenne aus, verändert. Bisher hat man frequenzcodierte Strahlung dadurch erzeugt, daß man Wellenenergie sequentiell von individuellen Antennenelementen einer Antennenanordnung abstrahlte. Dadurch wird eine scheinbare Bewegung der Strahlungsquelle erzeugt, wodurch eine "Doppler"-FrequenzverSchiebung entsteht, die vom relativen Winkel zwischen dem Beobachter und der Antenne abhängt.

In einigen Systemen, in denen Doppler-Strahlungsbilder zur Winkelmessung benutzt v/erden, möchte man solche Antennen haben, die eine frequenzcodierte Aussage über einen Winkel in einer bestimmten Richtung, und zwar gemessen in einer gewählten Ebene^liefern. Dieses Ziel erreicht man dadurch, daß man eine Anordnung von Antennenelementen so auf einem Kreisbogen plaziert, daß der Kreisbogen in der gewünschten Bezugsebene liegt. Eine sequentielle Zuführung von Wellenenergiesignalen von konstant ansteigender Frequenz zu den Antennenelementen auf dem Kreisbogen führt zu dem gewünschten Strahlungsbild. Allerdings hat diese Technik einen Nachteil, da normalerweise nicht alle Antennenelemente die Wellenenergie in alle Richtungen des gewünschten Bereiches im Raum abstrahlen können. Das führt dann dazu, daß es Richtungen gibt, in welchen die Strahlung nur in einem Teil der Periode der sequentiellen Anregung auftreten" kann. Das bedeutet, daß man eine richtungsabhängige zeitlich zweideutige Aussage des in die betroffenen Richtungen abgestrahlten Signales erhält.

Boris Sheleg beschreibt in einem Artikel "A Matrix Fed Circular Array for Continuous Scanning", Proceedings of the IEEE, Vol. 56, tio.11, November 1963 die orthogonalen Wellenformen einer kreisförmigen Anordnung und die Be-

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nutzung einer Butler-Matrix zur Erzeugung der Wellenformen. Allerdings zeigt Sheleg ein System, bei dem eine kontinuierliche Anregung aller Wellenformen zur Bildung eines gerichteten Antennenstrahls benutzt wird. Jede der zylindrischen Wellenformen hat eine rund um die kreisförmige Anordnung verlaufende Phasenänderung, die ein ganzes Vielfaches von 360° beträgt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antennensystem zur Abstrahlung eines Doppler~codierten Strahlungsbildes von einer kreisförmigen Anordnung aus anzugeben, webei die Doppler-Codierung gleichzeitig für alle Richtungen eines gewünschten Bereiches im Raum erfolgt und h^ii dem in der kreisförmigen Anordnung die orthogonalen Wellenformen sequentiell erzeugt werden.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Antennensystem der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche eine Folge impuls förmiger Wellenenergiesignale in der Weise jeder der Antennensäulen zuführt, daß die Signale gleichzeitig während einer zeitlichen Periode an jeder der Antennensäulen "anstehen und daß die Phasendifferenz zwischen Paaren entsprechender Signale an zwei benachbarten Antennensäulen gleich einem entsprechenden, ganzen Vielfache, des Winke?abstandes der Antennensäulen für jedes Paar ist, so daß die _ Frequenz der ausgestrahlten Wellenenergie in dem Bereich des Raumes sich in Abhängigkeit vom Richtungswinkel ändert und das Antennensystem das bestimmte Strahlungsbild erzeugt. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können den Patentansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen entnommen werden.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung des Antennensystems gemäß

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der Erfindung und

Fig. 2 zeigt die Phasenlage der mit einem Antennensystem gemäß Fig. 1 abgestrahlten Signale.

Bei dem Antennensystem nach Fig. 1 handelt es sich um eine kreisförmige Anordnung von acht Antennenelementen 10a bis 10h, die gegeneinander um gleiche Abstände versetzt einen geschlossenen Kreis bilden. Jedes der Antennenelemente 10 ist an einen Ausgang einer üblichen Butler-Matrix 11 über eine Übertragungsleitung eingeschlossen, wobei alle Übertragungsleitungen gleiche Phasenlänge haben.

Die Eingangskreise 13 der Butler-Matrix 11 sind über übertragung sleitungen 14 mit einem Vielfachschalter 15 verbunden. Ein Oszillator 16 gibt Wellenenergiesignale passender Frequenz an den Schalter 15.

Die Antennenelemente 10a bis 10h der Kreisanordnung können von jeglicher passenden Art sein, wie z.B. Dipole, geschlitzte Wellenleiter oder Spiralen.In einigen Anwendungsfällen kann es angebracht sein, anstatt von Einzelelementen zu senkrechten Säulen zusammengefasste Elemente auf dem Kreis anzuordnen. Diese Anordnung wird nachfolgend als Antennensäule bezeichnet. In diesem Falle muß natürlich dafür gesorgt werden, daß jedes der Säulenelemente mit der entsprechenden übertragungsleitung 12 verbunden ist und so mit den Wellenenergiesignalen gespeist wird. Als Übertragungsleitungen zwischen der Butler-Matrix und den Elementen 10 kann jede für die gewählte Frequenz geeignete Leitung benutzt werden. Wie erwähnt, müssen die Leitungen 12 die gleiche elektrische Phasenlänge für die Wellenenergiesignale mit der benutzten Frequenz haben.

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Die Butler-Matrix ist dem Fachmann wohlbekannt. Sie ist von J.L. Butler in einem Kapitel mit dem Titel "Digital, Matrix and Intermediate-Frequency Scanning"/ beschrieben worden und in dem Buch "Microwave Scanning Antennas", Vol.3, R.C. Hansen, Ed., New York Academic Press, 1966, eh.3.

Eine Butler-Matrix ist ein dämpfungsfreies, passives Netzwerk mit N Eingangskreisen und I,^T Ausgängen, wobei N über1icherweise eine ganzzahlige Potenz von 2 ist. Ein Wellenenergiesignal , das an irgendeinen der Eingangskreise angelegt wird, führt zu Signdlströmen gleicher Amplitude an allen Ausgängen, mit konstanter Phasendifferenz an benachbarten Ausgängen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung muß die Phasendifferenz ein ganzes Vielfaches von 27Tgeteilt durch die Gesamtzahl der Ausgänge sein. Die spezielle, in Fig. 1 gezeigte Butler-Matrix hat acht Eingangskreise, welche die Wellenenergiesignale zu den acht Ausgängen koppeln, wobei die Phasendifferenz zwischen Signalen benachbarter Ausgänge ein ganzes Vielfaches von #. ist und von - IT bis + it IT reicht.

Beim Studium des obenerwähnten Artikels von J.L. Butler erkennt man, daß es viele Matrizen mit Vielfach-Eingangskreisen und ähnlichem Verhalten gibt. Dazu zählen auch solche, die bei einer Zwischenfreqaenz arbeiten, d.h. bei einer anderen Frequenz als derjenigen, die ausgestrahlt wird. Wenn letztere Matrizen benutzt werden, dann müssen Frequenzumsetzer am Ausgang der Koppelanordnung vorgesehen werden. Andere, nichtmatrizenförmige Anordnungen können ebenfalls dazu benutzt v/erden, um den erwünschten Kopplungseffekt zu erreichen; z.B. gekoppelte Linsen oder Übertragungslinien mit parallelen Platten (Pillbox).

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Die Übertragungsleitungen 14 verbinden die Butler-Matrix mit dem Schalter 15. Diese Übertragungsleitungen sollten die gleiche elektrische Länge haben, sie können aber auch unterschiedliche Längen haben, um die Streuungscharakteristik der ausgestrahlten Wellenform zu kompensieren,* dies wird weiter unten beschrieben. Der Schalter 15 sollte vorzugsweise eine elektronische Einrichtung sein, mit der die Wellenenergie schnell zwischen den Eingangskreisen der Bui.ler-Matrix weiterzuschalten ist. Der Wert, mit dem sich die AuεStrahlungsfrequenz des abgestrahlten Signals in Abhängigkeit von der Antennenrichtung ändert, wird durch den Wert der Rotationsfrequenz des Schalters 15 bestimmt.

Eine Alternative zu dem Schalter und dem Oszillator nach Fig. 1 wäre eine angezapfte Verzögerungsleitung und eine Quelle für impulsförmige Wellenenergiesignale. Damit lässt sich der gleiche Effekt erreichen, daß sequentielle,impulsförmige Wellenenergiesignale an die Eingangskreise der Butler-Matrix gelangen.

Jeder derEingangskreise 13 der Butler-Matrix entspricht einer anderen "Wellenform" der kreisförmigen Anordnung. Als Wellen- oder auch Schwingungsform wird eine Wellenenergie-Konfiguration verstanden, bei welcher die Phase der Wellenenergie sich mit einem ganzen Vielfachen von 2 TT ändert und bei welcher die Amplitude der Wellenenergie rund um den Umfang des Kreises konstant ist. Die Wellenformen einer Anordnung nach Fig.1 sind in einem Diagramm in Fig. 2 dargestellt.

Diese Wellenformen ändern .sich von der -A- Wellenform bis zur +3-Wellenform. Die +4-Wellenform ist auch möglich, aber sie ist in einer Anordnung mit acht gleichweit entfernten Elementen gleich derjenigen der -4-Wellenform, da die ■Änderung von Element zu Element gleich Tf ist. Die Phase der

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Wellenenergie, die jedem der Elemente der Anordnung zugeführt wird, ist durch den Schnittpunkt der Wellenform-Linie mit der Linie bestimmt, welche die Lage des jeweiligen Elementes wiedergibt. Das Element 1Oe ist zweimal gezeigt, um den kreisförmigen Zusammenhang in Bezug auf diese Wellenformen zu verdeutlichen. Es sei erwähnt, daß die um 2Tf versetzten Phasen identisch sind, so daß das Element 1Oe tatsächlich die gleiche Phase an den beiden Enden gemäß der Darstellung im Diagramm nach Fig. 2 hat.

Wenn die Eingangskreise 13 in Fig.. 1 sequentiell über den Schalter 15 mit dem Oszillator 16 verbunden werden und die Wellenformen gemäß Fig. 2 sequentiell in den JRaum abgestrahlt werden, dann führen die Elemente 10 in Fig. 1 infolge der sequentiellen Anschaltung Signale mit sich ändernder Phase, ausgenommen ist dabei das Element 10a. Diese sich während der zeitlichen Periode für einen Zyklus des Schalters 15 sequentiell ändernde Phase verursacht einen scheinbaren Frequenzwechsel des ausgestrahlten Signals, und zwar betrachtet von dem Standort eines Beobachters im Feld der Anordnung. Ein Beobachter, der in irgendeinem bestimmten Winkel zur Antenne steht, wird ein Signal empfangen können, dessen Phase sich zeitlich sequentiell ändert, wie auch aus Fig.2 ersichtlich. Es erscheint so, daß die gesamte Phasenänderung während einer zeitlichen Periode, und also die beobachtete FrequenzverSchiebung, abhängig ist vom Winkel, in dem der Beobachter zur Antenne steht; für einen Winkel von 0° ergibt sich kein Phasenwechsel,während sich für 180° ein Phasenwechsel von 7ΤΓ" ergibt.

Bei 180° ergibt sich eine Unterbrechung hinsichtlich der Frequenzcodierung insofern, als diese Wellenformen dann zueinander gegenphasig verlaufen. In einem Winkelbereich nahe 180° wird die Frequenzcodierung zweideutig, und zwar wegen des großen Phasenwechsels bei jedem

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Impuls. In allen anderen Bereichen ergibt sich eine positive oder negative Frequenzcodierung, und sie ist linear abhängig vom Winkel.

Die obenerwähnten Wellenformen pflanzen sich in der Nähe der Antennenanordnung nicht mit der gleichen Phasengeschwindigkeit fort. Um diese Phasenstreuung zwischen Wellenformen zu kompensieren, kann die Länge der Übertragungsleitungen 14 in der Anordnung nach Fig. 1 so eingestellt werden, daß sich das erforderliche Bild nach Fig.2 ergibt.

Verschiedene Änderungen hinsichtlich der sequentiellen Schaltungstechnik sind dem Fachmann geläufig. So müssen z.B. nicht alle Wellenformen in die Frequenzcodierung einbezogen werden.

Auch kann der Verlauf der Kodierung im umgekehrten Sinne gewählt werden, indem man einfach die sequentielle Anregung im umgekehrten Sinne ablaufen lässt. Die Frequenzcodierung kann auch für die Dauer mehrerer aufeinanderfolgender zeitlicher Perioden wiederholt werden, da hierdurch eine im wesentlichen kontinuierliche Frequenzcodierung erreicht wird.

Die gegenseitigen Abstände der Antennenelemente sollten genügend klein gewählt werden, damit nur eine Wellenform für jeweils eine bestimmte Anregungsphase möglich ist. Typisch ist in diesem Zusammenhang ein gegenseitiger Abstand von etwa einer halben Wellenlänge.

Es ist einleuchtend, daß für die Richtungen, in die keine codierte Strahlung abgegeben werden soll, auch keine Antennenelemente vorzusehen sind. In einem solchen Fall kann die Anordnung so ausgebildet sein, daß sie nur einen

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entsprechenden Kreisabschnitt bildet. In jedem Fall tritt eine Wellenform dann auf, wenn die Antennenelemente eine gegenseitige Phasenbeziehung haben, die ein ganzes Vielfaches ihrer winkelbezogenen Abstände ist.

In der vorstehenden Beschreibung wurde stets davon ausgegangen, daß es sich bei der Antennenanordnung um ein Sendeantennensystern handelt, aber es ist klar, daß die erfindungsgemäße Einrichtung auch bei Empfangsantennen anwendbar ist. Insofern sollen in den nachfolgenden Patentansprüchen sowohl Sende- als auch Empfangsantennensysteme gemein sein.

Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß es über die in der vorhergehenden Beschreibung angeführten konkreten Ausführungsbeispiele hinaus eine Anzahl weiterer Modifikationen entsprechender Anordnungen gibt, die alle aus der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. dem erfindungsgemäßen System ohne weiteres ableitbar sind.

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Claims

: Patentansprüche

( 1. Antennensystem zur Ausstrahlung von Wellenenergie In einen beliebigen Bereich des Raumes während einer bestimmten zeitlichen Periode und in einem bestimmten Strahlungsbild/ bei dem sich die Frequenz der in den entsprechenden Bereich des Raumes ausgestrahlten Wellenenergie in Abhängigkeit vom Richtungswinkel in einer bestimmten Ebene ändert, bei dem eine Anordnung von Antennensäulen vorgesehen ist, die sich entlang eines Kreisbogens in der bestimmten Ebene erstreckt und über die die

und zugeführte Wellenenergiesignale ausgestrahlt werden/ bei dem die Antennensäulen eines oder mehrere Antennenelemente und eine Koppelanordnung für die Zuführung der Wellenenergie zu den Antennenelementen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche eine Folge impulsförmiger Wellenenergiesignale in der Weise jeder der Antennensäulen zuführt, daß die Signale gleichzeitig während einer zeitlichen Periode an jeder der Antennensäulen anstehen,und daß die Phasendifferenz zwischen Paaren entsprechender Signale an zwei benachbarten Antennensäulen gleich einem entsprechenden ganzen Vielfachen des Winkelabstandes der Antennensäulen für jedes Paar ist, so daß die Frequenz der ausgestrahlten Wellenenergie in dem Bereich des Raumes sich in Abhängigkeit vom Richtungswinkel ändert und das Antennensystem das bestimmte Strahlungsbild erzeugt.

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2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung der Folge impulsförmiger Wellenenergiesignale eine Vielzahl von Eingangskreisen enthält, daß eine derartige Koppelanordnung zwischen den Eingangskreisen undden Antennensäulen vorgesehen ist, daß die Phasendifferenz der zwei benachbarten Antennensäulen über jeden der Eingangskreise zugeführten Wellenenergiesignale ein entsprechendes ganzes Vielfaches des Winkelabstandes zwisehen den Antennensäulen entsprechender Eingangskreise ist und daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche die impulsförmigen Welleneneryiesignale jedem der Eingangskreise während einer zeitlichen Periode zuführen.
3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen mit gleichem Abstand auf dem Kreisbogen verteilt angeordnet sind und daß die zwischen den Eingangskreisen und den Antennenelementen liegende Koppelanordnung eine Butler-Matrix enthält.
4. Antennensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung der Folge impulsförmiger Wellenenergiesignale zu den Eingangskreisen einen Impulsgenerator und eine angezapfte Verzögerungsleitung enthält.
5. Antennensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung der Folge impulsförmiger Wellenenergiesignale zu den Eingangskreisen einen Signalegenerator und Schaltmittel zur sequentiellen Anschaltung der erzeugten Signale an jedem der Eingangskreise enthält.

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6. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Antennensäule ein einziges Antennenelement enthält.
7. Antennensystem nach Anspruch 2,4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Eingangskreisen und den Antennenelementen liegende Koppelanordnung eine Matrix enthält, die mit einer von der auszustrahlenden Frequenz verschiedenen Frequenz betrieben wird, und daß die Ausgänge der Matrix über eine Vielzahl von Frequenzumsetzern für die Wellenenergiesignale mit den Antennensäulen verbunden sind.
8. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge impulsförrciger Wellenenergiesignale während mehrerer aufeinanderfolgender zeitlicher Perioden zugeführt wird.
9. Antennensystem nach einen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Antennensäulen eine ganzzahlige Potenz von 2 ist, daß die Antennensäulen entlang eines Kreisbogens um den gleichen Winkelabstand versetzt angeordnet sind und ein zusammenhängendes Kreissegment bilden, daß die Einrichtung zur Zuführung der Folgen von impulsförmigen Wellenenergiesxgnalen eine Butler-Matrix enthalten, die eine der Zahl der Antennensäulen ^f~ entsprechende Zahl von Ausgängen besitzt, daß die Ausgänge der Butler-Matrix und die Antennensäulen durch elektrisch gleichlange Übertragungsleitungen verbunden sind und daß eine Einrichtung zur sequentiellen Zuführung der Wellenenergiesignale zu den Eingangskreisen der Butler-Matrix während einer zeitlichen Periode vorgesehen ist.

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