DE2513486B2

DE2513486B2 - Einrichtung zur stufenweisen elektronischen Steuerung der Phase eines für zirkulare Polarisation ausgelegten Einzelstrahlers

Info

Publication number: DE2513486B2
Application number: DE19752513486
Authority: DE
Inventors: Rafael Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Reitzig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-03-26
Filing date: 1975-03-26
Publication date: 1980-01-10
Also published as: DE2513486A1; DE2513486C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur stufenweisen elektronischen Steuerung der Phase eines für zirkuläre Polarisation ausgelegten Einzelstrahlers, der Bestandteil einer phasengesteuerten Gruppenantenne und aus mehreren gleichartigen Strahlerelementen mit übereinstimmender Strahlungsrichtung zusammengesetzt ist, die in der gemeinsamen Ebene ihrer Apertur gegeneinander verdreht und ineinandergeschachtelt angeordnet sind und deren Speisephase durch an der Speisestelle angeordnete Schalter einstellbar ist.

Eine phasengesteuerte Antenne besteht im allgemeinen aus einer Gruppe von mehreren Einzelstrahlern. Hinter jedem dieser Einzelstrahier 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 Festzeicheminterdrükkung; außerdem hat es sich bis jetzt noch nicht als kostensparender erwiesen. Der technologische und elektrische Aufwand ist verhältnismäßig groß. Aus diesem Grund wird das Prinzip der Phasendrehung in der Zwischenfrequenzebene im wesentlichen nur bei kleineren Strahlergruppen angewandt.

Aus der DE-OS 24 24 819 ist eine mit einer Strahlsteuerung in der Hochfrequenzebene arbeitende phasengesteuerte Antenne bekannt, die in ihrer Erregerphase stufenweise schaltbare, zirkularpolarisierte Einzelstrahler aufweist Jeder dieser Einzelstrahler ist aus mehreren gleichartigen Strahlerelementen mit übereinstimmender Strahiungsrichiung zusammengesetzt, die in der gemeinsamen Ebene ihrer Apertur gegeneinander verdreht und ineinandergeschachtelt angeordnet sind Die Speisephase der Strahlerelemente eines Einzelstrahlers ist durch an der Speisestelle angeordnete Hf-Schalter einstellbar. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß der mechanische Drehwinkel einer zirkulär 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. Eine Spiralantennenanordnung mit mechanischer Drehbewegung der genannten Art ist aus dem Aufsatz von 1. R. Donnellan, »A Spiral-Doublet Scanning Array« aus IRE Transactions AP-9, 1961, Seiten 276—279 bekannL Es handelt sich bei der aus der DE-OS 24 24 819 bekannten Phase.umschaltung um die Phasenumschaltung bei den Einzelstrahlcrn einer strahlungsgespeisten zirkulär polarisierten Strahlergruppe, die nach dem Reflexionsprinzip arbeitet, mittels einer Umschaltung von Kurzschluß in Leerlauf und umgekehrt

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Möglichkeit zu schaffen, das aus der DE-OS 24 24 819 bekannte Prinzip der Einstellung der Phase in einer zirkulär polarisierten strahlungsgespeisten Gruppenantenne auch bei einer leitungsgespeisten Gruppenantennc anzuwenden.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch jelöst, daß der Einzelstrahler jeweils über eine Speiseleitung gespeist ist und mittels der Schalter jeweils eines der Strahlerelemente zur Speiseleitung durchschaltbar ist, daß bei einem Gesamtphasenhub von 180° die Anzahl der Strahlerelemente und damit auch der einschaltbaren Phasenstufen η beträgt und die η

180°

Strahlerelemente zueinander jeweils um verdreht

sind, was auch dem inkrementalen Phasenhub entspricht, und daß bei einem Gesamtphasenhub von 360° die Anzahl der Strahlerelemente q beträgt, wobei die q

180°

Strahlerelemente jeweils um verdreht sind und eine

zusätzliche Schaltereinrichtung in der Speiseleitung vorgesehen ist, welche für einzustellende Phasenwerte zwischen 180° und 360° eine Phasenumschaltung von 180° ergibt (Phasenumkehrung), so daß sich insgesamt

2q Phasenschritte einschalten lassen.

Es bleiben bei dieser Art von Phasenumschaltung alle Eigenschaften der Leitungsspeisung bei einer phasengesteuerten Antenne erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen mahrarmiger Spiralantennen nach der Erfindung, und

F i g. 3 die thematische Darstellung der Spiralarmpaarumschaltung und der 180°-Phasenumschaltung eines Syrnmetriernetzwerkes durch Mikrowellenschaltdioden.

F i g. 1 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 Spiralannpaare 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 30° simuliert

Wird die Spiralantennenapertur mit weiteren, beispielsweise entsprechend Fig.2 mit /J=4 voneinander unabhängigen, zeitlich nacheinander erregbaren Spiralarmpaaren 12, 16 bzw. 13, 17 bzw. 14, 18 bzw 15, 19 versehen, so ist eine inkrementale Phasendrehung von

- des abgestrahlten Feldes möglich. Für /7=4

entsprechend der Anordnung nach F i g. 2 beträgt der digitale Phasenhub 45°. Die bei einem Gesamtphasenhub von 360° erforderlichen acht unterschiedlichen Phasenwerte sind durch eine 180°-Phasenumschaltung der symmetrischen Erregung der Spiralarme möglich. Die Zahl der Spiralarme 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.

Für größere Strahlergruppen ist grundsätzlich ein minimaler Phasenhub von 45° bereits ausreichend. Dieser Wert ist identisch mit dem minimalen Phasenhub eines 3-bit-Phasenschiebers.

In der in F i g. 3 gezeigten schematischen Darstellung der Phasenumschaltung in einem Einzelstrahler einer leitungsgespeisten, phasengesteuerten Gruppenantenrie wird ein Erreger mit nur einem unsymmetrischen Eingang 20 sowie einem Symmetrienetzwerk 21 verwendet Die symmetrischen Ausgangspole 22 und 23 des Symmetrienetzwerkes 21 werden durch Mikrowellendioden 24 bis 27 an das jeweils gewünschte Spiralarmpaar 28, 30 bzw. 29, 31 geschaltet. Für jedes ein Strahlerelement bildendes 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 Spiralarme bestimmt Die Gleich-Stromsteuergrößen für die Dioden können über die Enden der Spiralarme zugeführt werden. Man kann auch davon ausgehen, daß die Zahl der Spiralarme 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 F i g. 3 mit zwei um —λ/4 und +A/4 transform!' -enden Leitungsreaktanzen 32 und 33 ist noch eine Umschaltung 34 der 180°-Phase, wie sie für einen Gesamtphasenhub von 360° erforderlich ist, vorgesehen. Im Interesse möglichst geringer Dämpfungsverluste sind Schaltdiodtn mit möglichst geringem Durchlaßwiderstand und mit möglichst hohem Sperrwiderstand erforderlich. In der in F i g. 3 schematisch dargestellten Ausführungsform fließt die gesamte, dem Strahler zugeführte Energie durch die Schaltdioden, die damit verbundenen Nachtei-

jo Ie 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

j5 Weise die Umschaltung der Spiralarme zu bewerkstelligen.

Grundsätzlich ist diese Art der Phasenumschaltung nicht auf die Spiralantenne beschränkt Die Spiralantenne ist lediglich deswegen als Ausführungsbeispiel für die Umschalteinrichtung gewählt, weil mehrarmige Spiralar'.ennen bereits bekannt sind und sie im wesentlichen auch technologisch beherrscht werden. Anstelle von mehrarmigen Spiralantennen lassen sich auch mehrere Kreuzdipolantennen verwenden, die in einer Apertur-5 fläche entsprechend der gewünschten Phasendrehung zueinander verdreht angeordnet sind. Aber auch zirkulär polarisierte Hornstrahler mit winkelversetzten Erregerelementen, die zeitlich nacheinander aktiviert werden können, sind grundsätzlich möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur stufenweisen elektronischen Steuerung der Phase eines für zirkuläre Polarisation ausgelegten Einzelstrahlers, der Bestandteil einer phasengesteuerten Gruppenantenne und aus mehreren gleichartigen Strahlerelementen mit übereinstimmender Strahlungsrichtung zusammengesetzt ist, die in der gemeinsamen Ebene ihrer Apertur gegeneinander verdreht und ineinandergeschachtelt angeordnet sind und deren Speisephase durch an der Speisestelle angeordnete Schalter einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelstrahler jeweils über eine Speiseleitung gespeist ist und mittels der Schalter (24 bis 27) jeweils eines der Strahlerelemente (29, 31 bzw. 28, 30) zur Speiseleitung durchschaltbar ist, daß bei einem Gesamtphasenhub von 180° die Anzahl der Strahlerelemente und damit auch der einschaltbaren Phasenstufen η beträgt und die π Strahierelemente zueinander

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jeweils um verdreht sind, was auch dem

inkrementalen Phasenhub entspricht, und daß bei einem Gesamtphasenhub von 360° die Anzahl der Strahlerelemente q beträgt, wobei die q Strahlerele-

ISO' .... . mente zueinander jeweils um ·-— verdreht sind und

eine zusätzliche Schaltereinrichtung (34) in der Speiseleitung vorgesehen ist. welche für einzustellende Phajonwerte zwischen 180° und 360° eine Phasenumschaltung von 180° ergibt (Phasenumkehrung), so daß sich insgesamt 2q Phasenschritte einschalten lassen.

2. Einrichtung nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlerelement durch eine zweiarmige Spirale (28, 30 bzw. 29, 31) gebildet ist und daß die jeweils zweiarmigen Spiralen derart ineinandergeschachtelt sind, daß sie insgesamt einen Einzcistrahler mit mehreren zueinander verdrehten 4i> Spiralarmpaaren ergeben.