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Einrichtung zur stufenweisen elektronischen Steuerung der Erregerphase
eines für zirkulare Polarisation ausgelegten Einzelstrahlers Die Erfindung bezieht
sich auf eine Einrichtung zur stufenweisen elektronischen Steuerung der Erregerphase
eines für zirkulare Polarisation ausgelegten Einzelstrahlers, der im Rahmen einer
phasengesteuerten Antenne wirksam ist.
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Eine phasengesteuerte Antenne besteht im allgemeinen aus einer Gruppe
von mehreren Einzelstrahlern. Hinter Jedem dieser Einzelstrahler oder hinter jeder
Untergruppe, die aus mehreren Einzelstrahlern besteht, ist dabei ein elektronisch
steuerbarer Phasenschieber angeordnet. Neben einem hohen Anteil an den Kosten einer
phasengesteuerten Antenne weisen die Phasenschieber auch erhebliche elektrische
Nachteile auf, wie z.B. hohe Durchgangsdämpfung, unterschiedliche Null-Phasen und
begrenzte Frequenzbandbreite. Aber auch in dem hohen konstruktiven Aufwand für die
Unterbringung und Kühlung der Phasenschieber ist ein Nachteil zu sehen. Es ist deshalb
vielfach das Ziel, bei der Auslegung des Antennenkonzepts Hochfrequenz-Phasenschieber
nach Möglichkeit zu vermeiden und sie durch Zwischenfrequenz-Phasenschieber zu ersetzen.
Dafür sind den Einzelstrahlern aktive Mikrowellenbaugruppen nachzuschalten. Dieses
bekannte Konzept ist jedoch nicht für Jedes System geeignet, beispielsweise nicht
für ein Radarsystem mit Festzeichenunterdrückung; außerdem hat es sich bis jetzt
noch nicht als kostensparender erwiesen.
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Der technologische und elektrische Aufwand ist verhältnismäßig groß.
Aus diesem Grunde wird das Prinzip der Phasendrehung
in der Zwischenfrequenzebene
im wesentliche nur bei kleineren Strahlergruppen angewandt. Große, betriebsfähige
Strahlergruppen werden in der Regel nach optischen Prinzipien durch einen zentralen
Generator erregt, d.h.
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die Strahlsteuerung muß durch Phasenschieber in der Hochfrequenzebene
erfolgen. Die Erfindung geht von dieser Forderung einer Strahlsteuerung in der Hochfrequenzebene
aus, wobei der Phasenschieber konventioneller Bauart durch Ausnützung bestimmter
elektrischer Eigenschaften eines zirkular polarisierten Einzelstrahlers ersetzt
werden soll.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß dieser Einzelstrahler
aus mehreren gleichartigen, übereinstimmend ausgerichteten und für die gleiche zirkulare
Polarisation ausgelegten Erregerelementen zusammengesetzt ist, die in der gemeinsamen
Ebene ihrer Apertur zueinander verdreht und ineinandergeschaltet angeordnet sind,
und daß Schaltereinrichtungen vorgesehen sind, mittels derer jeweils eines der Erregerelemente
zur Speisung durchschaltbar ist. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß
der mechanische Drehwinkel einer zirkular polarisierten Antenne in der Ebene ihrer
Apertur identisch mit einer elektrischen Phasenverschiebung der Erregerphase um
den gleichen Betrag ist. Dabei entspricht im Falle einer rechts-zirkular polarisierten
Antenne eine mechanische Drehung im mathematisch positiven Sinne einer elektrischen
Phasenverzögerung. Auf dieser physikalischen Erkenntnis beruht das erfindungsgemäße
Prinzip der elektronischen Strahlsteuerung. Durch geeignetes Einschalten eines der
Erregerelemente wird die mechanische Drehbewegung durch eine elektrische Funktion
ersetzt. Eine Spiralantennenanordnung mit mechanischer Drehbewegung der genannten
Art ist aus dem Aufsatz von I.R. Donnellan, "A Spiral-Doublet Scanning Array" aus
IRE Transactions AP-9, 1961, Seiten 276- - 279 bekannt.
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Beträgt bei einem Gesamtphasenhub von 1800 die Anzahl der Erregerelemente
n, so beläuft sich die Zahl der einschaltbaren Phasenstufen ebenfalls aug n, wobei
die n Erregerelemente zueinander Jeweils um 180 verdreht sind, was auch n dem inkrementalen
Phasenhub entspricht. Beträgt dagegen der Gesamtphasenhub 3600, so ergibt sich folgende
zweckmäßige Möglichkeit. Sie besteht darin, q grregerelemente vorzusehen, die zueinander
jeweils um 180 verdreht sind, wobei q eine zusätzliche Schaltereinrichtung vorgesehen
ist, welche für einzustellende Phasenwerte zwischen 180 und 3600 eine Phasenumschaltung
von 1800 ergibt (Phasenumkehrung), so daß sich insgesamt 2q Phasenschritte einschalten
lassen.
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Weitere Einzelheiten im Zusammenhang mit der Erfindung werden im folgenden
anhand von acht Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 und 2 eine zweiarmige
archimedische Spiralantenne in Draufsicht und in einer Querschnittsansicht, Fig.
3 und 4 schematische Darstellungen mehrarmiger Spiralantennen nach der Erfindung,
Fig. 5 die schematische Darstellung der Spiralarmpaarumschaltung und der 180°-Phasenumschaltung
eines Symmetriernetzwerkes durch Mikrowellenschaltdioden, Fig. 6 eine Prinzipdarstellung
der Strahlungsspeisung einer phasengesteuerten Antenne vom Reflexionstyp, Fig. 7
eine Schrägansicht einer Gruppe aus mehreren Spiralantennen, die optisch entsprechend
der Antenne nach Fig. 6 erregt werden, und Fig. 8 den Prinzipaufbau eines zirkular
polarisierten Einzelstrahlers einer strahlungsgespeisten Gruppe vom Reflexionstyp
entsprechend Fig. 7 in einer Querschnittsdarstellung.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann grundsätzlich bei jedem zirkular
polarisierten Einzelstrahler vorgesehen sein. Im folgenden soll sie jedoch am Beispiel
der Spiralantenne erläutert werden. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des
erfindungsgemäßen Prinzips zur elektronischen Steuerung der Erregerphase der zirkular
polarisierten Einzelstrahler in einer Gruppe werden zunächst einige an sich bekannte
physikalische Grundlagen angeführt.
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Das Strahlungsfeld einer rechtszirkular polarisierten Antenne sei
beschrieben durch
wobei (; ) die Koordinaten des Strahlungsraums sind.
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Werden zwei solche Einzelstrahler in einer Gruppe im Abstand d angeordnet
und mit gleichförmiger Amplitude, Jedoch mit einer Phasendifferenz cpeerregt, so
ist das normierte Strahlungsfeld
also weiterhin ein zirkular polarisiertes Feld, dessen Strahlungsmaximum nach
ausgelenkt ist.
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Das genau gleiche Strahlungsdiagramm wird erhalten wenn die beiden
Einzelstrahler gleichphasig erregt werden und dafür in der Aperturebene um den Winkel
wm = e im mathematisch positiven Sinne relativ zueinander mechanisch verdreht sind.
Es gilt nämlich nach einer Rotation des rechtwinkligen Koordinatensystems um den
Winkel
Der mechanische Drehwinkel einer zirkular polarisierten Antenne innerhalb der Gruppe
ist also bezüglich der Strahlungseigenschaften der Strahlergruppe identisch mit
einer elektrischen Phasenverschiebung der Erregerphase um den gleichen Betrag. Dabei
entspricht im Falle einer rechtszirkular polarisierten Antenne eine mechanische
Drehung im mathematisch positiven Sinne einer elektrischen Phasenverzögerung.
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Auf dieser physikalischen Grundlage beruht das Prinzip der elektronischen
Strahlsteuerung nach der Erfindung. Dabei wird durch geeignete Maßnahmen die mechanische
Drehbewegung durch eine elektrische Funktion ersetzt.
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Fig. 1 und 2 zeigen in einer Draufsicht und in einer Querschnittsansicht
den schematischen Aufbau einer symmetrisch erregten zweiarmigen, quadratischen,
archimedischen Spiralantenne auf einem W tiefen Resonatortopf 1. Die Spiralstruktur
2 ist auf ein verlustarmes dielektrischeslTrägermaterial 3 geätzt. Die beiden Spiralarme
4 und 5 werden im Zentrum der Apertur durch eine impedanztransformierende Symmetrierschaltung
6 erregt, die im folgenden nicht näher erläutert wird, da sie nicht im unmittelbaren
Zusammenhang mit der Erfindung steht. Der Symmetrierschaltung 6 wird die Speiseenergie
an einem Koaxial-Ubergang 7 von außen zugeführt. Andere Ausführungsformen der Spiralantenne,
wie beispielsweise die logarithmische Spiralantenne oder eine Kombination von logarithmischer
und archimedischer Spiralantenne,
sind möglich. Neben den zweiarmigen
Ausführungen gibt es aber auch Ausführungen mit mehreren Arnnpaaren.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine aus vier Armen 8, 9, 10 und 11 bestehende
Spiralstruktur, wobei die beiden Spiralarme 8 und 10 bzw. 9 und 11 zwei senkrecht
zueinander angeordnete Spiralarmpaare ergeben. Im Gegensatz zu der üblichen gleichzeitigen
Erregung aller vier Spiralarme 8 bis 11 werden die beiden Spiralarmpaare 8, 10 bzw.
9, 11 zeitlich nacheinander erregt. Dadurch ist eine mechanische Rotation der Spiralantenne
um 900 simuliert.
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Wird die Spiralantennenapertur mit weiteren, beispielsweise entsprechend
Fig. 4 mit n = 4 voneinander unabhängigen, zeitlich nacheinander erregbaren Spiralarmpaaren
12, 16 bzw. 13, 17 bzw. 14, 18 bzw. 15, 13versehen, so ist eine inkrementale Phasendrehung
von 180 des abgestrahlten Feln des möglich. Für n = 4 entsprechend der Anordnung
nach Fig. 4 beträgt der digitale Phasenhub 45°. Die bei einem Gesamtphasenhub von
3600 erforderlichen 8 unterschiedlichen Phasenwerte sind durch eine 180°-Phasenumschaltungder
symmetrischen Erregung der Spiralarme möglich. Die Zahl der Spiralarmpaare kann
nicht beliebig groß gewählt werden, da dadurch die für das elektrisch jeweils aktive
Spiralarmpaar verbleibende Windungszahl auf der gegebenen Aperturfläche zunehmend
kleiner wird und somit die Strahlungseigenschaften der Antenne zunehmend verschlechtert
werden, wobei insbesondere eine größere elliptische Polarisation eintritt.
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Für größere Strahlergruppen ist grundsätzlich ein minimaler Phasenhub
von 450 bereits ausreichend. Dieser Wert ist identisch mit dem minimalen Phasenhub
eines 3-bit-Phasenschiebers.
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Prinzipiell lä'3t sich jedes einzelne Spiralarmpaar mit einem eigenen
Erregersystem versehen, das entsprechend der gewünschten Phasendrehung durch Schalten
von Mikrowellendioden ausgewählt wird. Der hierfür erforderliche technologische
Aufwand ist jedoch verhältnismäßig hoch.
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Es erscheint daher vorteilhafter, entsprechend der schematischen Darstellung
nach Fig. 5 nur einen Erreger mit einem unsymmetrischen Eingang 20 sowie einem Symmetriernetzwerk
21 zu verwenden und dessen symmetrische Ausgangspole 22 und 23 durch Mikrowellendioden
24 bis 27 an das jeweils gewünschte Spiralarmpaar 28, 30 bzw. 29, 31 zu schalten.Für
Jedes Spiralarmpaar, z.B. 28, 30, ist ein Diodenpaar, in diesem Fall 27 und 25,
erforderlich, das entweder in Sperr- oder in Durchlaßrichtung geschaltet wird. Die
Zahl der Diodenpaare ist durch die Zahl der Spiralarmpaare bestimmt. Die Gleichstromsteuergrößen
für die Dioden können über die Enden der Spiralarme zugeführt werden. Man kann auch
davon ausgehen, daß die Zahl der Spiralarmpaare nicht nur durch die zunehmende Verschlechterung
der elektrischen Eigenschaften der Spiralantenne begrenzt ist, sondern auch von
der maximal möglichen Zahl von Diodenpaaren, die im elektrisch kritischen Bereich
des Antennenfußpunktes konstruktiv und technologisch untergebracht werden können.
Im Leitungszug 35 zum Symmetriernetzwerk 21 der Anordnung nach Fig. 5 mit zwei um
- h/4 und + h/4 transformierenden Leitungsreaktanzen 32 und 33 ist noch eine Umschaltung
34 der 1800-Phase, wie sie für einen Gesamtphasenhub von 3600 erforderlich ist,
vorgesehen. Im Interesse möglichst geringer Dämpfungsverluste sind Schaltdioden
mit möglichst geringem Durchlaßwiderstand und mit möglichst hohem Sperrwiderstand
erforderlich. In der in Fig. 5 schematisch dargestellten Ausführungsform flieht
die gesamte, dem Strahler zugeführte Energie durch die Schaltdioden. Die damit verbundenen
Nachteile werden umgangen, wenn die Mikrowellendioden
nur dazu
herangezogen werden, die reaktive Belastung von Stichleitungen an den Ort der Verbindung
zwischen Symmetriernetzwerk und Antennenfußpunkt als Leerlauf bzw. Kurzschluß zu
transformieren und auf diese Weise die Umschaltung der Spiralarmpaare zu bewerkstelligen.
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Grundsätzlich ist diese Art der Phasenumschaltung nicht auf die Spiralantenne
beschränkt. Die Spiralantenne ist lediglich deswegen als Ausfiihrungsbeispiel für
diese Umschalteinrichtung gewählt, weil mehrarmige Spiralantennen bereits bekannt
sind und sie im wesentlichen auch technologisch beherrscht werden. Anstelle von
mehrarmigen Spiralantennen lassen sich auch mehrere Kreuzdipolantennen verwenden
die in einer Aperturfläche entsprechend der gewlnschten Phasendrehung zueinander
verdreht angeordnet sind. Aber auch zirkular polarisierte Hornstrahler mit winkelversetzten
Erregerelementen, die zeitlich nacheinander aktiviert werden können, sind grundsätzlich
möglich.
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Für das folgende Beispiel wird ebenfalls die Spiralantenne herangezogen,
ohne jedoch damit die allgemeine Gültigkeit der Aussagen für andere zirkular polarisierte
Strahlerkonfigurationen einzuschränken. Die Spiralantenne kann in einer linearen
oder ebenen Strahlergruppe eingesetzt werden, die über ein leitungsgeführtes Verteilernetzwerk
oder durch Strahlungsspeisung vom Transmissionstyp erregt wird. Konstruktur und
technologisch besonders interessant ist jedoch die im folgenden beschriebene Strahlungsspeisung
einer phasengesteuerten Antenne vom Reflexionstyp. Fig. 6 zeigt den schematischen
Aufbau eines solchen Antennenkonzepts. Die von einem Primärerregersystem 36, z.B.
einem Hornstrahler, abgehende Welle 37 trifft auf eine als Kollektorantenne wirkende
Strahlergruppe. Jeder der von den Einzelstrahlern 38 dieser Strahlergruppe aufgenommene
Energieanteil durch läuft einen nachgeschalteten Phasenschieber 39, wird an
einem
Kurzschluß 40 reflektiert, durchläuft noch einmal den reziproken Phasenschieber
39 und wird wieder von dem Jeweiligen Einzelstrahler 38 in Form einer ebenen Welle
41 abgestrahlt. Die Kollektorantenne wirkt also auch als Emitterantenne. Da die
Phasenschieber 39 zweimal durchlaufen werden, ist der für die Fokussierung und Strahlauslenkung
erforderliche Phasenhub jedes Phasenschiebers 39 nur halb so groß wie im Falle der
Strahlungsspeisung vom Transmissionstyp oder der Erregung mit Leitungsverteiler.
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Dieses Konzept der Strahlungsspeisung vom Reflexionstyp läßt sich
grundsätzlich auch auf eine Gruppe von Spiralantennen mit elektronischer Steuerung
der Erregerphase entsprechend der Erfindung anwenden. Da die Position des Kurzschlusses
nicht unbedingt in dem asymmetrischen Leitungsbereich nach dem Symmetriernetzwerk,
sondern auch im Symmetriernetzwerk selbst liegen kann, lassen sich die Abmessungen
des Symmetriernetzwerkes so wählen, daß die Position der Kurzschlußebene mit dem
metallischen Reflektor des Resonatortopfes zusammenfällt. Die seitlichen Wandungen
des Resonatortopfes lassen sich entfernen, ohne daß die Funktion der Spiralantenne
als zirkular polarisierter Einzelstrahler wesentlich beeinträchtigt wird.
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Entsprechend der in Fig. 7 in Schrägansicht dargestellten Anordnung
besteht eine solche Spiralantennengruppe aus einer metallischen, als Kurzschluß
wirkenden Grundplatte 42, die mit einer der erforderlichen Resonatortiefe entsprechend
dicken dielektrischen Platte 43 belegt ist, auf welche die Spiralantennenkonturen
44 mit jeweils mehreren Armpaaren geätzt sind. Die Spiralantennen 44 werden von
einem als Primärerregersystem wirksamen, zirkular polarisierten Hornstrahler 45
angestrahlt. Der auf die Spiralantennen 44 auftreffende Strahl ist mit 46 und der
von diesen Spiralantennen 44 abgegebene Antennenstrahl mit 47 bezeichnet.
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Den geschnittenen Prinzipaufbau eines zirkular polarisierten Einzelstrahlers
einer strahlungsgespeisten Gruppe einer phasengesteuerten Antenne vom Reflexionstyp
entsprechend der Anordnung nach Fig. 7 zeigt Fig. 8. Durch eine Bohrung 48 im Zentrum
der Spiralantennen 44 nach Fig. 7 sind dann die Schaltdioden 49 und 50 einzuführen
und mit der metallischen Trägerplatte 42 und den Spiralarmen der Strahlerstruktur
44 hochfrequenzmäßig zu verbinden. Für jedes Spiralarmpaar ist eine symmetrische
Erregung vorgesehen. Fig.8 gibt diese Anordnung lediglich in einer schematischen
Darstellung wieder. Die für die Steuerung der Dioden 49 und 50 erforderlichen Logik-
und Treiberschaltungen können auf der Rückseite der metallischen Platte 42 untergebracht
werden. Zur besseren Anpassung der Strahlergruppe an das Erregerfeld des Primärstrahlers
kann die Platte mit den geätzten Strahlerstrukturen 44 auch gekrümmt sein. Ein 1800-Phasendrehglied
ist nicht erforderlich, da infolge der doppelten Phasendrehung beim zweimaligen
Durchlaufen der Energie durch die Phasenschieber Phasenwerte über 180° nicht eingestellt
werden mussene Dafur ist die Zahl der Phasenstufen innerhalb eines Gesamthttts von
1800 zu verdoppeln.
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Für einen 3 bit-Phasenschieber sind also acht statt vier Spiralarmpaare
vorzusehen, jedoch kann diese Zahl wieder auf vier Spiralarmpaare verringert werden,
wenn Zwischenwerte des Phasenhubs durch gleichzeitiges Aktivieren von zwei benachbarten
Spiralarmpaaren eingestellt werden.
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7 Patentanspruche 8 Figuren