DE2608987A1

DE2608987A1 - Antennenelement

Info

Publication number: DE2608987A1
Application number: DE19762608987
Authority: DE
Inventors: Kenneth M Jagdmann; Harry Richard Phelan
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1975-03-06
Filing date: 1976-03-04
Publication date: 1976-09-16
Also published as: DK60576A; US3949407A; GB1533463A; DK144578C; DK144578B; JPS51112250A; FR2303391A1; CA1064608A

Description

Licht, Schmidt, Hansmann & Herrmann Patentanwälte

München: Dipl.-Ing. Martin Licht

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann *) 6 Π 8 9 8 7 Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

' Patentanwälte Licht, Hansmann, Herrmann-8München2·Theresienstr.33 " OppenaiK Dr. Reinhold Schmidt

8 München 2
Theresienstraße 33

1 . März 1976
Lü

HARRIS CORPORATION
55 Public Square
Cleveland, Ohio 44113
V. St. A.

Antennenelement

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Antennen und insbesondere auf ein verbessertes, direkt gespeistes Antennenelement, welches sich besonders für die Anwendung in phasengesteuerten Antennengruppen eignet.

Das Antennenelement eignet sich vor allem für die Anwendung in
solchen phasengesteuerten Antennengruppen, in welchen die einzelnen Antennenelemente direkt von einer Hochfrequenzquelle gespeist werden und elektromagnetische Energie abstrahlen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich also auf eine Vorrichtung, in welcher jedes Antennenelement vorzugsweise aus mehreren spiral-

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Telefon (089) 281202 Telegramm: Lipatli München Bayer. Vereinsbank München. Kto.-Nr. 882495 Postscheck München Nc 163337-802

förmigen Armen besteht, wobei jeder Arm einen inneren und einen äusseren Endpunkt besitzt und den äusseren Endpunkten Hochfrequenzenergie direkt zugeführt wird. Die Hochfrequenzenergie besitzt ein Phasenverhältnis von der Art, dass dann, wenn der Strom nach innen fliesst, keine wirksame elektromagnetische Abstrahlung stattfindet. Wird die Stromwelle am inneren Endpunkt eines Armes reflektiert oder wird Strom zwischen den Armen über eine gewählte Verbindung der inneren Endpunkte der Arme mit dem Ziel einer gewünschten Phasensteuerung übergeleitet, dann tritt eine elektromagnetische Abstrahlung ein.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung im Vergleich zur deutschen Patentanmeldung P 24 52 703.5 dar. In dieser Anmeldung sind verschiedene Antennenkombinationen von intern phasengesteuerten Antennenelementen erläutert, von denen jedes Antennenelement aus mehreren Spiralarmen besteht. Die dort dargestellten Antennengruppen sind Reflexionsgruppen, weil sie von einer Raumquelle gespeist werden. Die Phasensteuerung der wieder abgestrahlten Energie wird durch eine Kopplung bestimmter innerer Endpunkte der Arme erzielt. Es ist in der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, ähnliche Antennenkombinationen, wie in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben, zu verwenden. Die Raumspeisung wird aber durch eine direkte Speisung der Antennenelemente ersetzt und die Energiezufuhr erfolgt nur an den äusseren Endpunkten der Antennenarme.

Die direkte Speisung von mehrarmigen Spiralantennenelementen ist in der Technik bekannt. Es ist bisher üblich gewesen, solche Antennenelemente an den inneren Endpunkten und nicht an den äusseren Endpunkten der Arme zu speisen. Dies ist zum Beispiel in der US-PS 3 039 099 beschrieben. Es wird dort erläutert, dass dann_s wenn

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eine zweiarmige Spiralantenne an den inneren Endpunkten mit gegenphasigen Strömen versorgt wird, die Ströme nach aussen fliessen und graduell an einer Stelle phasengleich werden, die man als aktive Zone bezeichnet und deren Radius etwa gleich "λ/Ο-ΊΓ ist. Zu diesem Zeitpunkt findet eine wirksame Abstrahlung statt. Wird ein solches Antennenelement an den äusseren Endpunkten der Arme mit gegenphasiger Energie versorgt, dann findet eine wirksame Abstrahlung statt, wenn die Ströme nach innen fliessen und die aktive Zone erreichen, wo der Radius ebenfalls Χ/27Γbeträgt.

In der deutschen Patentanmeldung P 24 52 703.5 ist keine Vorrichtung zur direkten Speisung eines Antennenelementes beschrieben. Statt dessen werden die Antennenelemente in einer Reflexionskombination benutzt und erhalten ihre Energie von einer Raumquelle. Sollen Antennenelemente direkt mit Energie versorgt werden, dann müsste, dem Stand der Technik entsprechend und so wie in der USA-Patentschrift 3 039 099 erläutert, die Energie den inneren Endpunkten der Antennenarme zugeführt werden. Sind die inneren Endpunkte, so wie in der oben erwähnten USA-Patentschrift dargestellt, nicht miteinander verbunden, dann treten keine störenden Wirkungen ein. Sind jedoch die inneren Endpunkte, so wie in der deutschen Patentanmeldung P 24 52 703.5 beschrieben, kurzgeschlossen, dann würde dies dazu führen, dass die zugeführte Energie zur Energiequelle zurückreflektiert werden würde und keine Abstrahlung stattfände. Wird die Energie an den äusseren Endpunkten der Antennenarme zugeführt, so wie in der US-PS 3 039 099 vorgeschlagen, dann findet eine Abstrahlung statt, wenn der Strom zunächst nach innen fliesst und die aktive Zone erreicht. Dabei ist jedoch keine Phasensteuerung durch Stromüberleitung zwischen den inneren Endpunkten der Arme mit Hilfe von Kurzschluss-

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bügeln oder dergleichen, mit denen die Endpunkte wahlweise verbunden werden könnten, möglich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antennenelement zu schaffen, das in einer Kombination oder Gruppe solcher Elemente verwendet werden kann, wobei jedes Antennenelement aus mehreren Spiralarmen besteht, welche direkt von einer Hochfrequenzenergiequelle gespeist werden, indem die Energie den äusseren Endpunkten der Spiralarme in der Weise zugeführt wird, dass die Ströme nach innen durch die aktive Zone hindurch fliessen müssen und dann an den inneren Endpunkten reflektiert oder von Arm zu Arm übergeleitet werden, bevor sie die aktive Zone wieder erreichen und eine wirksame Abstrahlung hervorrufen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Phasensteuerung der abgestrahlten Energie durchzuführen und die Energie trotzdem direkt zuzuführen.

Ausserdem soll ein Antennenelement geschaffen werden, das sehr leicht gebaut ist und zu diesem Zweck etwa aus gedruckten Schaltungen besteht, welche eine billige Herstellung im grossen Stil erlauben.

Ferner soll ein Antennenelement geliefert werden, welches geringe Abmessungen besitzt und ein geringes Gewicht aufweist, was durch Integration der Phasensteuerungsfunktion in das Antennenelement hinein erreicht wird, wodurch äussere Übertragungsleitungen und Komponenten entfallen, die zu einer Phasenverschiebung oder Dämpfung im herkömmlichen Sinn beitragen.

Ausserdem soll ein Antennenelement geschaffen werden, das eine geringe Betriebsdämpfung in der Grössenordnung von 1,0 db oder weniger besitzt, indem man die Phasenänderungsfunktion in der Antennengruppe und innerhalb des Elementes unterbringt.

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Ferner soll ein Antennenelement geliefert werden, welches keine Raumspeisung und keine massige Phasenänderungseinrichtung benötigt, so dass man eine äusserst dünne Antennengruppe erhält, wobei die Stärke in der Grössenordnung von einem Viertel der Wellenlänge beispielsweise liegt.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Antennenelement vor, das aus mehreren elektrisch leitenden Spiralarmen besteht, welche räumlich voneinander getrennt sind und eine gemeinsame Rotationsachse besitzen. Jeder Arm hat einen inneren und einen äusseren Endpunkt. Die inneren Endpunkte der Arme sind um die Rotationsachse herum relativ zueinander versetzt angeordnet, um eine bestimmte Phasenprogression in der Drehung um die Rotationsachse zu erzielen. Ausserdem ist vorgesehen, dass jedes Antennenelement mit einer Phasensteuerungseinrichtung versehen ist, wodurch die Spiralarme um die Rotationsachse herum elektrisch "gedreht" und das Phasenverhältnis der vom Antennenelement abgestrahlten elektromagnetischen Energie gesteuert wird. Die Phasensteuerung enthält Kopplungseinrichtungen, etwa Kurzschlussbügel oder steuerbare Schalter mit Dioden oder Transistoren, zum Verbinden wenigstens eines Paares der inneren Endpunkte der Arme miteinander, so dass elektrische Signale in den verbundenen Paaren der Antennenarme mit einer relativen Phasenänderung ausgetauscht werden können, wobei diese Änderung vom Rotationsphasenverhältnis der miteinander verbundenen inneren Endpunkte der Antennenarme abhängt.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird den äusseren Endpunkten der Arme der Antennenelemente Hochfrequenzenergie zugeführt, so dass Strom durch jeden Arm von aussen durch die aktive Zone bis zum inneren Endpunkt jedes Armes eines Antennenelementes

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fliessen kann. Am inneren Endpunkt werden die Ströme entweder reflektiert oder von einem Arm zu einem anderen übergeleitet, falls eine Kopplung hergestellt worden ist. Dann fliessen die Ströme wieder nach aussen und gelangen erneut, aber gleichphasig in die aktive Zone, wodurch eine v/irksame Abstrahlung hervorgerufen wird.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird den äusseren Endpunkten der Antennenarme Hochfrequenzenergie mit Hilfe von Übertragungsleitungen direkt zugeführt. Die Übertragungsleitungen sind von gleicher Länge und Impedanz und erstrecken sich jeweils vom äusseren Endpunkt der Antennenarme zur Quelle der Hochfrequenzenergie.

Die Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Es wird ein direkt gespeistes Spiralantennenfeld zur Abstrahlung elektromagnetischer Energie beschrieben. Jedes Antennenelement dieses Feldes besteht aus mehreren spiralförmigen Armen mit inneren und äusseren Endpunkten. Eine Phasenänderung wi^d mittels interner Phasensteuerung erzielt, wobei Schalteinrichtungen zur Verbindung bestimmter innerer Endpunkte der Antennenarme dienen. Jedes Antennenelement wird direkt von einer Versorgungsschaltung gespeist, welche den äusseren Endpunkten der Spiralarme die Ströme direkt zuführt.

Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung.

Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

— τ —

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Fig. 1 einen Aufriss einer Gruppe von Antennenelennenten mit Spiralarmen, welche direkt von einer Hochfrequenzenergiequelle gespeist werden,

Fig. 2 einen Seitenaufriss längs der Linie 2-2 in Richtung der in Fig. 1 gezeigten Pfeile gesehen, wobei eine Seite der Antennengruppe dargestellt ist,

Fig. 3 eine vergrösserte Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. in Richtung der Pfeile gesehen, wobei ein Abschnitt eines Antennenelementes dargestellt ist,

Fig. 4 in einer vergrösserten Darstellung den Aufbau eines solchen Antennenelementes,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Antennenelementes mit einem Kurzschlussbügel, der zwei innere Endpunkte der Arme verbindet,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Antennenelementes mit einem Diodenschaltnetzwerk zum Verbinden bestimmter innerer Endpunkte der Antennenarme unter der Steuerung bestimmter Schalter,

Fig. TA und 7B graphische Darstellungen von Schaltkonfigurationen, Fig. 8A-8D graphische Darstellungen von Schaltkonfigurationen,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines direkt gespeisten Antennenelementes zusammen mit einer Energiequelle, und

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Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Paares von direkt gespeisten Antennenelementen und einer Energiequelle.

Es soll nun auf die Zeichnungen Bezug genommen werden. Die Zeichnungen zeigen eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung, ohne dabei aber eine Begrenzung darstellen zu wollen. In Fig. 1,2 und 3 ist eine ebene Antennengruppe 10 wiedergegeben. Dieses Antennenfeld besteht aus mehreren Antennenelementen 12, welche auf einem Träger befestigt sind. Der Träger 14 kann aus elektrisch isolierendem Material bestehen, etwa Kunststoffschaum. Die Antennenelemente 12 bestehen jeweils aus mehreren Spiralarmen. Eine Grundplatte 16, etwa aus Aluminium, ist auf dem Kunststoff schaum befestigt, und zwar gegenüber den Antennenelementen 12. Die Antennenelemente 12 werden direkt mit Hochfrequenzenergie aus einer Versorgungsschaltung FN gespeist, so dass sie elektronnagnetische Energie in Vorwärtsrichtung, so wie durch den Pfeil 18 angedeutet, abstrahlen können. Die abgestrahlte elektromagnetische Energie kann in verschiedene Richtungen gelenkt werden, so wie durch den mit unterbrochener Linie gezeichneten Pfeil 20 angedeutet, und zwar unter Steuerung einer Phasensteuerschaltung PC.

Aus Fig. 3 und 4 geht hervor, dass jedes Antennenelement vorzugsweise aus vier Spiralarmen besteht, wobei die Arme praktisch in der gleichen Ebene liegen. Die Antennenelemente 12 besitzen von der Grundplatte 16 einen Abstand von einem Viertel der Wellenlänge. Der Durchmesser der Spirale, bezogen auf die äusseren Endpunkte, liegt in der Grössenordnung einer halben Wellenlänge. Die Arme jedes Antennenelementes 12 können auf dem Kunststoff belag 14 in irgendeiner geeigneten Weise, etwa mittels Epoxydharz, befestigt sein.

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Aus Fig. 3 ist am besten ersichtlich, dass für jedes Antennenelement eine axiale Bohrung 22 vorgesehen sein kann, welche als Zugang für Übertragungsleitungen von der Phasensteuerschaltung PC zu einem Schaltnetzwerk SW dient. Das Schaltnetzwerk SW liegt innerhalb der inneren Endpunkte der Arme eines Antennenelementes. Es wird im einzelnen in Verbindung mit Fig. 6 näher beschrieben'. Die Versorgungsschaltung FN enthält vorzugsweise mehrere Koaxialkabel zum Zuführen von Hochfrequenzenergie an die äusseren Endpunkte der Arme des Antennenelementes. Bezüglich der zwei in Fig. 3 dargestellten Arme sieht die Versorgungsschaltung zwei Koaxialkabel 24 und 26 von gleicher Länge und Impedanz zwischen der Versorgungsschaltung und den äusseren Endpunkten der Antennenarme vor. Diese Konstruktion wird im einzelnen unten in Verbindung mit den schematischen Schaltbildern in Fig. 9 und 10 beschrieben.

Es soll nun auf Fig. 4 Bezug genommen werden. In Fig. 4 ist der Aufbau eines Antennenelementes dargestellt. Ein solches Spiralantennenelement besteht aus vier spiralförmigen Armen 34, 36, 38 und 40. Die Arme können in Form einer gedruckten Schaltung hergestellt werden, wobei die vier Arme aus leitenden Kupferstreifen auf der Oberfläche eines Kunststoffträgers bestehen und elektrisch voneinander isoliert sind. Jeder Arm besteht aus einer Kombination einer archimedischen und einer logarithmischen Spirale. Der innere archimedische Abschnitt jedes Armes, gekennzeichnet durch die Bezugszahl 42, erstreckt sich vom inneren Endpunkt des Armes nach aussen und geht in den logarithmischen Abschnitt, allgemein gekennzeichnet durch die Bezugszahl 43, über. Der logarithmische Abschnitt erstreckt sich nach aussen bis zum äusseren Endpunkt. Die inneren Endpunkte der Antennenarme haben die Bezugszahlen 34A, 36A, 38A und 4OA. Die äusseren End-

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punkte der Arme sind durch die Bezugszahlen 34B, 36B, 38B und 4OB gekennzeichnet.

Fig. 4 zeigt ein linksdrehendes Antennenelement, dessen innere Endpunkte der Antennenarme um eine gemeinsame Achse herum versetzt angeordnet sind, und zwar relativ zueinander jeweils um einen Winkel von 90 , so dass sich in der Drehung eine Phasenprogression von 0 , 90 , 180 und 270 ergibt. Wenn das Antennenelement seine Übertragungsfunktion ausübt, fliessen Antennenerregungsströme von den inneren Endpunkten der Arme zu den äusseren Endpunkten auf spiralförmigen Wegen nach aussen und erreichen dabei eine Zone in der Antenne, welche für die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen mit der benutzten Erregungsfrequenz geeignet ist. Diesen Bereich auf dem Antennenarm nennt man die aktive Zone, deren genaue Lage von der Frequenz abhängt. Es handelt sich dabei um eine ringförmige Zone und ein Teil dieser Ringzone ist in Fig. 4 angedeutet und durch die Bezugszahl 44 gekennzeichnet. Diese Zone ist nur ein Teil der eigentlichen Ringzone, welche sich koaxial um die zentrale Achse des Antennenelementes herum erstreckt. Die aktive Zone ist nicht genau abgegrenzt. Die Empfindlichkeit der Antenne steigt statt dessen mit zunehmendem Radius an und nimmt mit noch weiter steigendem Radius wieder ab. Ein Maximum der Empfindlichkeit ist bei einem sogenannten Hauptradius 45 in der Zone 44 gegeben.

Der Umfang des Hauptkreises der aktiven Zone beträgt etwa eine Wellenlänge Λ der sich längs der Antennenarme ausbreitenden Welle. Diese Wellenlänge ist etwas kleiner als im freien Raum, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf den Antennenarmen etwas kleiner ist als im freien Raum. In der aktiven Zone tritt eine Phasenver-

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Schiebung von etwa 360 für jeden Arm der Spiralantenne bei einem vollständigen Umlauf der Spirale zu einem bestimmten Zeitpunkt auf.

Da die strukturbedingte Phasenänderung von den inneren Endpunkten 34A, 36A, 38A und 4OA zur aktiven Zone 0°, 90°, 180° und 270° beträgt, kommen gleichphasige Ströme, welche an den inneren Endpunkten der Antennenarme zugeführt worden sind, in der aktiven Zone nicht phasengleich an und verhindern damit eine wirksame Abstrahlung. Um ein Phasenverhältnis von 0 zu erreichen, müssen also die den inneren Endpunkten der Antennenarme zugeführten Ströme ein Phasenverhältnis von 0 , 270 , 180 und 90 entsprechend besitzen, so dass die resultierende Phase der Ströme in der aktiven Zone für jeden Antennenarm 0 beträgt. In diesem Fall findet eine wirksame Abstrahlung elektromagnetischer Energie statt. Ein solches Antennenelement bietet jedoch in einer Gruppenanordnung noch keine Möglichkeit der Phasensteuerung, d.h. die Möglichkeit, elektromagnetische Energie in eine bestimmte Richtung zu lenken, so wie in Fig. 1 durch den Pfeil 20 angedeutet. Eine solche Phasenänderung kann durch mechanische Drehung der verschiedenen Antennenelemente oder durch die Verwendung einer Phasensteuerung-Schalteinrichtung, welche unten in Verbindung mit Fig. 5 und 6 beschrieben wird, erreicht werden.

Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit zur Phasensteuerung durch "Drehung" des Antennenelementes. Anstelle mechanischer Einrichtungen für die Drehung wird eine elektrische "Drehung" durchgeführt, indem man bestimmte innere Endpunkte der Arme des Antennenelementes verbindet. In Fig. 5 dient eine elektrisch leitende Verbindung oder ein Kurzschlussbügel 50 für die Kopplung der inneren Endpunkte 36A und 4OA. In der Praxis kann dieser Kurzschlussbügel ein Halbleiter, etwa eine

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Schaltdiode oder ein Transistor, sein. Ein anderer Kurzschlussbügel kann zur Verbindung der inneren Endpunkte 34A und 38A benutzt werden. Die inneren Endpunkte der Antennenarme können auch wahlweise in ihren Verbindungen geöffnet werden. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel mit nur einem Kurzschlussbügel 50 zur Kopplung der inneren Endpunkte 36A und 4OA findet eine Phasenänderung in der unten beschriebenen Weise statt.

Die längs der Spiralarme 34 und 38 nach innen fliessenden Ströme werden reflektiert, wenn sie auf die offenen Endpunkte 34A und 38A treffen und erzeugen Stromwellen, welche längs der gleichen Spiralarme nach aussen laufen. Der empfangene Strom im Arm 34 wird, wenn er den inneren Endpunkt 34A erreicht, zum negativen Abbild des nach innen fliessenden Stromes auf dem gleichen Arm. In gleicher Weise stellt der nach aussen fliessende Strom im Antennenarm 38 das negative Abbild des nach innen fliessenden Stromes auf dem gleichen Antennenarm dar. Der auf dem Arm 40 nach innen fliessende Strom wird über den Kurzschlussbügel 50 zum inneren Endpunkt 36A des Armes 36 geleitet, so dass der nach innen fliessende Strom des Armes 40 zum Übertragungsstrom inn Arm 36 wird und dort nach aussen fliessf. Umgekehrt wird der im Arm 36 nach innen fliessende Strom im Arm 40 zum auswärts fliessenden Strom. Über den Kurzschlussbügel 50, welcher in der Praxis eine Schaltdiode oder ein Transistor sein kann, findet also eine Stromübertragung zwischen den beiden Armen statt.

Wenn die nach auswärts fliessenden Stromwellen die aktive Zone des Antennenelementes erreichen, findet eine Abstrahlung elektromagnetischer Energie statt, falls die Ströme in den Antennenarmen gleich-

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phasig sind. Verbindet der Kurzschlussbügel 50 die inneren Endpunkte 34A und 38A anstelle der Endpunkte 36A und 40A, dann ergibt sich eine andere Phasenverschiebung, welche sich um 180 vom vorherigen Wert unterscheidet.

Die relative Phase zwischen den nach innen fliessenden Strömen im Bereich der aktiven Zone und den nach auswärts fliessenden Strömen in der aktiven Zone ist eine Funktion des bogenförmigen Weges von der aktiven Zone nach innen zu den inneren Endpunkten und dann zurück nach aussen längs der Spiralarme. Der Weg kann in Wellenlängen ausgedrückt werden. Die Phasendifferenz kann durch Änderung der Verbindung an den inneren Endpunkten 34A, 36A, 38Aund 4OA geändert werden, so wie oben beschrieben.

Vorzugsweise werden im Rahmen dieser Erfindung anstelle eines Kurzschlussbügels (Fig. 5) Schaltdioden verwendet. Eine brauchbare Diodenschaltung für diesen Zweck ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt. Fig. 6 zeigt eine aus vier Armen bestehende Spiralantenne, deren innere Endpunkte mit Dioden verbunden sind. Die inneren Endpunkte sind mit den Bezugszahlen 1,2,3 und 4 gekennzeichnet und entsprechen den inneren Endpunkten 34A, 36A, 38A und 4OA der in Fig. 5 gezeigten Antenne. Ein Schaltnetzwerk zur Phasensteuerung kann von der dargestellten Form sein und mehrere einpolige Zweiwegschalter 100, 102, 104 und 106 enthalten, welche zur Zuführung von Gleichspannung zu den Endpunkten 1,2,3 und 4 dienen, um Schaltoperationen in den Dioden durchführen zu können. Die erreichten Verbindungen entsprechen der Verwendung von Kurzschlussbügeln, so dass die E ndpunkte entweder geöffnet oder kurzgeschlossen sind.

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Wenn in Fig. 6 am Anschluss 1 eine positive Spannung liegt, weil der Schalter 104 nach oben gelegt ist, und wenn am Anschluss eine negative Spannung liegt, weil der Schalter 102 nach unten gelegt ist, und wenn an den Anschlüssen 1 und 3 keine Vorspannung liegt, weil die Schalter 106 und 100 in ihrer neutralen Position sind, dann sind die folgenden Diodenpaare für kleine Signale elektrisch leitend: A, B, E, F, G und H. Die Diodenpaare C und D sind nichtleitend. Die relative Phase der Übertragungsströme für diesen Schaltzustand stellt einen speziellen Phasenzustand dar. Durch geeignete Manipulation der Schalter 100, 102, 104 und 106 können verschiedene innere Endpunkte 1,2,3 und 4 der Antennenarme wahlweise kurzgeschlossen oder geöffnet werden.

Zwei Phasenzustände, welche in den folgenden Ausführungen als Zustand "A" und Zustand "B" bezeichnet werden, erfordern unterschiedliche Diodenzustände. Entsprechend diesen beiden Zuständen gibt es Verbindungsmuster für die Anschlüsse 1,2,3 und 4 des Antennenelementes in Fig. 6. Diese werden im einzelnen unten erläutert. Es soll nun auf Fig. 7A und 7B Bezug genommen werden, welche die Diodenzustände oder Schaltkonfigurationen für einen Phasenzustand von 0 oder für einen Phasenzustand von 180 für den Modus "A" darstellen. Das bedeutet, dass für den Modus "A" ein Phasenzustand von 0° erreicht wird, wenn alle Verbindungen geöffnet sind, während ein Phasenzustand von 180 erreicht wird, wenn die Dioden so vorgespannt sind, dass sie die Anschlüsse 1 und 3 und die Anschlüsse 2 und 4 miteinander koppeln.

In gleicher Weise sind für den Modus "B" die Schaltkonfigurationen für einen Phasenzustand von 0 , 90 ,
Fig. 8A, 8B, 8C und 8D dargestellt.

für einen Phasenzustand von 0 , 90 , 180 und 270 entsprechend in

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Die Phasenzustände oder Modi "A" und "B" erfordern die in Fig. 7 und 8 gezeigten Schaltkonfigurationen und erlauben entsprechend 1-Bit- und 2-Bit-Operationen. Eine 1-Bit-Operation wie in Fig. TA und 7B liefert zwei Phasenzustände, während eine 2-Bit-Operation, so wie in Fig. 8A bis 8D, vier Phasenzustände bringt. Diese verschiedenen Phasenzustände ermöglichen die Steuerung der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen wahlweise in der Richtung 18 (siehe Fig.1) oder ausserhalb dieser Achse etwa in einer Richtung 20. Wenn man ein Feld von Antennenelementen benutzt, ist es wünschenswert, eine solche Phasensteuerung zur Strahllenkung durchzuführen. Mit Ausnahme des Phasenzustandes von 0 für die 1-Bit-Phasenschiebeoperation des Zustandes "A" (siehe Fig. TA) benötigt man für die anderen Phasenzustände Kurzschlussverbindungen zwischen wenigstens zwei inneren Endpunkten der Arme eines Antennenelementes.

Wird ein Antennenelement an den inneren Endpunkten seiner Arme direkt gespeist (im Gegensatz zu einer Versorgung durch eine Raumquelle), dann treten Schwierigkeiten in jedem Phasenzustand auf, wobei wenigstens zwei innere Endpunkte durch einen Kurzschlussbügel oder eine Schaltdiode kurzgeschlossen werden müssen. Für den Phasenzustand von 0 (Fig. 8A) müssen daher beispielsweise die inneren Endpunkte 2 und 3 miteinander verbunden werden. Werden diese inneren Endpunkte direkt gespeist, d.h. nicht über die äusseren Endpunkte, dann werden Ströme sofort an der Kurzschlussverbindung der Stromquelle reflektiert und die Abstrahlung elektromagnetischer Energie wird verhindert. Wird andererseits eine direkte Speisung an den äusseren Endpunkten der Antennenarme durchgeführt, dann muss dafür Sorge getragen werden, dass die zunächst nach innen fliessenden Ströme beim Erreichen der aktiven Zone noch keine Abstrahlung her-

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vorrufen, bevor sie die inneren Endpunkte und Schaltverbindungen erreicht haben. Dies erlaubt die Abstrahlung von Energie, es erlaubt jedoch keine Phasensteuerung durch Austausch von Strönnen von einem Antennenarm zu einenn anderen über die gekoppelten inneren Endpunkte der Antennenarme.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden.Erfindung wird die Hochfrequenzenergie daher direkt an den äusseren Endpunkten der Arme des Antennenelementes zugeführt, so wie in Fig. 3 dargestellt. Die Eingangserregung ist aber dergestalt, dass die Ströme bei der Ankunft im aktiven Bereich der Spirale (dies entspricht einem Durchmesser von etwa7\/ir) nicht in Phase sind, wodurch eine Abstrahlung verhindert wird. Die Ströme fliessen nun weiter nach innen zu den inneren Endpunkten, wo sie reflektiert oder über bestimmte Verbindungen (Kurzschlussbügel) in bestimmte andere Antennenarme übergeleitet werden. Es muss dafür Sorge getragen werden, dass die Ströme, wenn sie nach aussen fliessen, beim Wiedereintritt in die aktive Zone phasengleich sind, um eine wirksame elektromagnetische Abstrahlung herbeizuführen.

Die nach innen fliessenden Ströme sollen folglich bei der Ankunft in der aktiven Zone nicht phasengleich sein, um eine Abstrahlung zu unterbinden. Ein möglicher Phasenzustand, der diese Forderungen erfüllt, verlangt, dass die Ströme zuerst in die aktive Zone mit einem Phasenzustand von O , 180 ,0 und 180° auf den entsprechenden Antennenarmen 34, 36, 38 und 40 eintreten. Durch einen solchen nicht phasengleichen Zustand wird die Abstrahlung elektromagnetischer Energie verhindert. Dieser Zustand wird als Zustand oder Modus "A" in den folgenden Ausführungen bezeichnet. Ein anderer Phasenzustand, Zustand oder Modus "B", der diese Forderung erfüllt, verlangt, dass die nach

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innen fliessenden Ströme in der aktiven Zone mit einer Phasendifferenz von 0°, 0°, 180° und 180° auf den entsprechenden Antennenarmen 34, 36, 38 und 40 ankommen.

Um den Zustand "A" oder den Zustand "B" zu erreichen, muss die richtige relative Phasenverschiebung der Eingangsströme bestimmt werden. Wie oben bereits ausgeführt, bewirken die Antennenarme 34, 36, 38 und 40 eine entsprechende relative Phasenprogression von 0 , 90 , 180 und 270 . Werden folglich die Ströme an den äusseren Endpunkten der Antennenarme phasengleich zugeführt, dann erreichen sie

ο unter anderem die aktive Zone mit einer Phasenprogression von 0 , 90 , 180 und 270 . Diese Phasenprogression wird als Einführungsphase für das Antennenelement bezeichnet. Die korrekte Phasenlage für den Zustand ¹A" oder "B" kann erreicht werden, indem man den gewünschten Phasenzustand "A" zur Einführungsphase oder den gewünschten Phasenzustand "B" zur Einführungsphase addiert. Dies liefert dann den geforderten Phasenzustand am Ende der Spirale für den Zustand "A" oder "B". Die geforderte Phasenlage am Ende der Spirale für den Zustand "A" ist 0 , 270 ,180 und 90 relative Phase für die an den äusseren Endpunkten 34B, 36B, 38B und 4OB eingespeisten Ströme. Benutzt man die gleiche Überlegung für den Zustand "B" (0 , 0 , 180 und 180 ), dann ergeben sich relative Phasen von 0°, 90°, 0° und 90° für die an den äusseren Endpunkten 34B, 36B, 38B und 4OB entsprechend eingespeisten Ströme.

Es soll nun auf Fig. 9 Bezug genommen werden, wo ein Antennenelement dargestellt ist, das im 1 -Bit-Modus (zwei Phasenzustände von 0 und 180 ) in Übereinstimmung mit dem Phasenzustand "A" betrieben wird. Das Versorgungsnetzwerk FN* ist in herkömmlicher Weise aufgebaut

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und liefert Hochfrequenzenergie zu den äusseren Endpunkten 34B', 36B'j 38B' und 4OB' eines Antennenelementes, welches den in Fig. 4 und 5 beschriebenen Antennenelementen entspricht. Die inneren Endpunkte der Antennenarme sind mit den Bezugszahlen 1,2,3 und 4 gekennzeichnet und entsprechen den Anschlusspunkten in Fig. 7A und 7B für den Betriebsmodus mit dem Phasenzustand"A". Ein Schaltnetzwerk SW' ist schematisch dargestellt und mit den inneren Endpunkten 1,2, 3 und 4 der Arme verbunden. Es kann entweder aus Kurzschlussbügeln oder Schaltdioden bestehen, so wie oben beschrieben. Hat das Schaltnetzwerk die Gestalt von Schaltdioden, dann können diese Dioden wahlweise in Übereinstimmung mit der Phasensteuerungsschaltung von Fig. 6 vorgespannt sein oder nicht. Da in dieser Ausführungsform der Betriebsmodus für den Phasenzustand "A" dargestellt wird, liefert die Versorgungsschaltung FN* Hochfrequenzenergie zu den äusseren Endpunkten der Antennenarme mit einer entsprechenden Phase von 0 , 270°, 180° und 90° zu den Anschlusspunkten 34B^J, 36B', 38B' und 4OB'. Dies entspricht der geforderten Phasenlage für den Betriebsmodus "A". Um einen Phasenzustand von 0 zu erreichen, muss die Schaltkonfiguration vollkommen geöffnet sein, so wie in Fig. TA dargestellt. Für einen Phasenzustand von 180 muss die Schaltkonfiguration eine Kurzschlussverbindung zwischen den Anschlusspunkten 1 und 3 und zwischen den Anschlusspunkten 2 und 4 herstellen, so wie in Fig. 7B gezeigt.

Für den Zustand "A" mit der Phasenlage von 0 sind die inneren Endpunkte der Antennenarme 1, 2, 3 und 4 nicht miteinander gekoppelt. Die Operationen, welche bewirken, dass die Ströme nach innen zu den inneren Endpunkten und dann nach aussen und phasengleich in die aktive Zone mit einer relativen Phase von 0 fliessen, werden nun anhand von Fig. 7A, Fig. 9 und Tabelle I erläutert.

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TABELLE I

Phasenzustand "A" O Phasenverschiebung

Stromzustand /
Einführungsphase

Stromflussrichtung Relative Phasenwinkel der Spiralen

12 3 4

. Strom an den Einwärts

äusseren Enden
der Antennenarme zugeführt

2. Einführungsphase Einwärts

in die aktive
Zone

. Ströme erreichen Einwärts die aktive Zone

4. Einführungsphase Einwärts zu den inneren

Endpunkten der
Antennenarme

5. Ströme erreichen Einwärts die inneren Endpunkte der Arme

6. Einführungsphase Auswärts in die aktive Zone

7. Ströme erreichen Auswärts die aktive Zone

0° 270° 180° 90°

0° 90° 180° 270°

0° 180° 0° 180°

0° 90° 180° 270°

0° 270° 180° 90° 0° 90° 180° 270°

0° 0° 0°

Die Versorgungsschaltung FN* liefert Hochfrequenzenergie zu den äusseren Endpunkten 34B*, 36B^J, 38B^J und 40B' der Antennenarme (in Tabelle I als Spirale 1, 2, 3 und 4 entsprechend bezeichnet) mit einer entsprechenden relativen Phasenprogression von 0°, 270°, 180 und 90 . Die Ströme fliessen dann nach innen auf die aktive Zone zu. Wie bereits oben beschrieben, beträgt die Einführungsphase

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für die aktive Zone von den äusseren Endpunkten der Antennenarnne her auf den Spiralen 1, 2, 3 und 4 entsprechend 0 , 90 , 180 und ■

ο
270 . Die nach innen fliessenden Ströme erreichen folglich die aktive Zone mit einer relativen Phasenprogression von 0 , 180 ,0 und 180 . Dieser nicht phasengleiche Zustand verhindert eine wirksame Abstrahlung von elektromagnetischer Energie. Die Ströme fliessen nun aus der aktiven Zone nach innen zu den inneren Endpunkten der Arme (Anschluss 1,2,3 und 4). Die Einführungsphase aus der aktiven Zone zu den inneren Endpunkten beträgt für die Spiralen 1,2,3 und 4 entsprechend 0 , 90 , 180 und 270 . Die Ströme erreichen daher die inneren Endpunkte 1,2,3 und 4 mit einer Phasenprogression von entsprechend 0 , 270 ,180 und 90 . Da in diesem Betriebsmodus die inneren Endpunkte nicht miteinander gekoppelt sind, findet keine Stromüberleitung zwischen den Antennenarmen statt. Die Ströme erfahren daher die gleiche relative Phasenprogression, wenn sie nach aussen fliessen. Die Einführungsphase von den inneren Endpunkten zur aktiven Zone beträgt entsprechend 0 ,90 , 180 und 270 . Dies bedeutet, dass nun die Ströme die aktive Zone im phasengleichen Zustand erreichen, d.h. mit einer relativen Phasenprogression von 0 , 0,0 und 0 . Aufgrund der Phasengleichheit tritt eine wirksame Abstrahlung elektromagnetischer Energie ein.

Wird für den Phasenzustand "A" ein Kurzschluss zwischen den Punkten 1 und 3 und zwischen den Punkten 2 und 4 hergestellt, so wie in Fig.7B dargestellt, dann finden die in Tabelle II wiedergegebenen Operationen statt.

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TABELLE II

Phasenzustand "A" 180 Phasenverschiebung

Stromzustand /
Einführungsphase

Stromflussrichtung Relative Phasenwinkel der Spiralen

12 3 4

. Strom an den Einwärts

äusseren Enden
der Antennenarme zugeführt

2. Einführungsphase Einwärts

in die aktive Zone

. Ströme erreichen Einwärts die aktive Zone

4. Einführungsphase Einwärts zu den inneren

Endpunkten der
Antennenarme

5. Ströme erreichen Einwärts die inneren Endpunkte der Arme

6. Stromaustausch Auswärts

7. Einführungsphase Auswärts in die aktive Zone

8. Ströme erreichen Auswärts die aktive Zone

0° 270° 180° 90°

0° 90° 180° 270°

0° 180° 0° 180°

0° 90° 180° 270°

0° 270° 180° 90°

180° 90° 0° 270°

0° 90° 180° 270°

180° 180° 180° 180°

Aus der Tabelle II geht hervor, dass die ersten fünf Schritte mit den ersten fünf Schritten in Tabelle I übereinstimmen. Aufgrund der Kurzschlüsse für den Phasenzustand von 180 werden jedoch Ströme zwischen den Anschlusspunkten 1 und 3 und zwischen den Anschlusspunkten

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2 und 4 ausgetauscht. Dann fliessen die Ströme nach aussen mit einer relativen Phasenprogression von 180°, 90°, 0° und 270° auf den Spiralen 1, 2, 3 und 4. Die Einführungsphase von den inneren Endpunkten zur aktiven Zone beträgt 0°, 90°, 180° und 270°. Die Ströme erreichen die aktive Zone auf den entsprechenden Antennenarmen mit einer relativen Phasenlage von 180 , 180 , 180 und 180 , d.h. phasengleich, wodurch eine wirksame Abstrahlung elektromagnetischer Energie stattfinden kann.

Es wird nun auf eine Ausführungsform dieser Erfindung in Fig. 10 Bezug genommen. Eine Versorgungsschaltung FN" liefert Hochfrequenzenergie zu den äusseren Endpunkten der Arme mehrerer Antennenelemente einer Antennengruppe. Der Einfachheit halber sind nur zwei Antennenelemente 12" dargestellt. Es ist einzusehen, dass die gleiche Schaltung auch für eine grössere Zahl von Antennenelementen verwendet werden kann. Diese Ausführungsform sieht eine 2-Bit-Operation vor, welche durch die vier Phasenzustände in Fig.8A bis 8D dargestellt sind. Die Versorgungsschaltung FN" liefert Hochfrequenzenergie zu den äusseren Endpunkten 34B", 36B", 38B" und 4OB" jedes Antennenelementes mit einer Phasenprogression von 0 ,

oo ο

90 , 0 und 90 entsprechend. Wie bereits oben in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. 3 erwähnt, besitzen die Leitungsverbindungen zu den äusseren Endpunkten jedes Antennenelementes die gleichen Längen und Impedanzen. Die Versorgungsschaltung kann in herkömmlicher Weise aufgebaut sein, um die oben erwähnte Phasenprogression zu erhalten. Beispielsweise kann die Versorgungsschaltung FN" für jedes Antennenelement einen Hochfrequenzgenerator RF enthalten, der Energie aus einer herkömmlichen Wechselstromenergiequelle erhält und dann Hochfrequenzenergie zu einer Gabelschaltung QH für 90

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Phasenverschiebung liefert. Die Gabelschaltung gibt an ihren zwei Ausgängen jeweils die halbe Energie mit einer Phasendifferenz von O und 90 ab. Die beiden Ausgänge sind wiederum mit Gabelschaltungen H1 und H2 verbunden, welche an ihren jeweils zwei Ausgängen ein Viertel der Energie (bezogen auf die Eingangsenergie der Schaltung QH) abgeben, und zwar mit der gleichen Phasenlage wie die zugeführte Energie. Folglich wird von der Gabelschaltung H1 Energie in einer Phasenlage von 0° zu den äusseren Endpunkten 34B" und 38B" geliefert. Die Gabelschaltung H2 sendet Energie in einer Phasenlage von 90 zu den äusseren Endpunkten 36B" und 4OB". Das Schaltnetzwerk SW" ist mit den inneren Endpunkten 1,2,3 und 4 der Antennenarme verbunden, so wie in Fig. 10 schematisch dargestellt. Es wird vorzugsweise in der Weise betrieben, wie in Verbindung mit Fig. 5 und 6 oben erläutert. Um also einen Pha*enzustand von 0 zu erhalten, muss das Schaltnetzwerk einen Kurzschluss zwischen den inneren Endpunkten 2 und 3 herstellen. Für einen Phasenzustand von 90 muss das Schaltnetzwerk einen Kurzschluss zwischen den inneren Endpunkten 1 und 2 herstellen. Für einen Phasenzustand von 180 muss das Schaltnetzwerk einen Kurzschluss zwischen den inneren Endpunkten 1 und 4 herstellen, und für einen Phasenzustand von 270 muss das Schaltnetzwerk einen Kurzschluss zwischen den Anschlusspunkten 3 und4 herstellen. Dies ist durch die Schaltkonfigurationen in Fig. 8A bis 8D dargestellt. Die Operationen für den Betriebsmodus "B" der vier Phasenzustände sind in den Tabellen III, IV, V und VI unten dargestellt.

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TABELLE III

Phasenzustand "B"

ο 0 Phasenverschiebung

Stromzustand /
Einführungsphase

Stromflussrichtung Relative Phasenwinkel der Spiralen

12 3 4

. Strom an den Einwärts

äusseren Enden
der Antennenarme zugeführt

2. Einführungsphase Einwärts

in die aktive
Zone

. Ströme erreichen Einwärts die aktive Zone

4. Einführungsphase Einwärts zu den inneren

Endpunkten der
Antennenarme

5. Ströme erreichen Einwärts die inneren Endpunkte der Arme

6. Stromaustausch Auswärts

7. Einführungsphase Auswärts in die aktive

Zone

8. Ströme erreichen Auswärts die aktive Zone

0° 90° 0° 90°

0° 90° 180° 270° 0° 0° 180° 180°

0° 90° 180° 270°

0° 90° 0° 90°

0° 0° 90° 90° 0° 90° 180° 270°

0° 90° 270° 0°

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TABELLE IV

Phasenzustand "B" 90 Phasenverschiebung

Stromzustand /
Einführungsphase

Stromflussrichtung Relative Phasenwinkel der Spiralen

1 2 3 4

. Strom an den Einwärts

äusseren Enden
der Antennenarme zugeführt

2. Einführungsphase Einwärts

in die aktive Zone

. Ströme erreichen Einwärts die aktive Zone

4. Einführungsphase Einwärts zu den inneren

Endpunkten der
Antennenarme

5. Ströme erreichen Einwärts die inneren Endpunkte der Arme

6. Stromaustausch Auswärts

7. Einführungsphase Auswärts in die aktive Zone

8. Ströme erreichen Auswärts die aktive Zone

0° 90° 0° 90°

0° 90° 180° 270° 0° 0° 180° 180° 0° 90° 180° 270°

0° 90° 0° 90°

90° 0° 0° 90° 0° 90° 180° 270°

90° 90° 180° 0°

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TABELLE V

Phasenzustand "B"

ο
180 Phasenverschiebung

Stromzustand /
E inführungsphase

StromfLussricn tu ng Relative Phasenwinkel der Spiralen

12 3 4

. Strom an den Einwärts

äusseren Enden
der Antennenarme zugeführt

2. Einführungsphase Einwärts

in die aktive Zone

. Ströme erreichen Einwärts die aktive Zone

4. Einführungsphase Einwärts zu den inneren

Endpunkten der
Antennenarme

5. Ströme erreichen Einwärts die inneren Endpunkte der Arme

6. Stromaustausch Auswärts

7. Einführungsphase Auswärts in die aktive Zone

8. Ströme erreichen Auswärts die aktive Zone

0° 90° 0° 90°

0° 90° 180° 270° 0° 0° 180° 180° 0° 90° 180° 270°

0° 90° 0° 90°

90° 90° 0° 0° 0° 90° 180° 270°

90° 180° 180° 270°

- 27 -

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TABELLE VI

Phasenzustand "B" 270 Phasenverschiebung

Stromzustand /
Einführungsphase

Stromflussrichtung Relative Phasenwinkel der Spiralen

12 3 4

. Strom an den Einwärts

äusseren Enden
der Antennenarme zugeführt

2. Einführungsphase Einwärts

in die aktive Zone

. Ströme erreichen Einwärts die aktive Zone

4. Einführungsphase Einwärts zu den inneren
Endpunkten der
Antennenarme

5. Ströme erreichen Einwärts die inneren Endpunkte der Arme

6. Stromaustausch Auswärts

7. Einführungsphase Auswärts in die aktive Zone

8. Ströme erreichen Auswärts die aktive Zone

0° 90° 0° 90°

0° 90° 180° 270° 0° 0° 180° 180° 0° 90° 180° 270°

0° 90° 0° 90°

0° 90° 90° 0° 0° 90° 180° 270°

0° 180° 270° 270°

-28 -

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Es wird nun auf die obigen Tabellen III bis VI Bezug genommen und es werden die Operationen für den Modus "B" beschrieben. Es handelt sich dabei um ein 2-Bit-System, welches vier Phasenzustände von O ,

O O O O

90 , 180 und 270 vorsieht. Für den Phasenzustand von 0 schliesst die Schalteinrichtung die Verbindung zwischen den inneren Anschlüssen 2 und 3 in Übereinstimmung mit Fig. 8A. Die Versorgungsschaltung FN" liefert Hochfrequenzenergie zu den äüsseren Endpunkten der An-

o ο ο ο

tennenarme mit einer Phasenprogression \/on 0 , 90 , 0 und 90 an den Endpunkten 34B", 36B", 38B" und 4OB". Es wurde bereits oben gesagt, dass die Einführungsphase vom äüsseren Endpunkt eines Antennenarmes in die aktive Zone einer Phasenprogression von 0 , 90 , 180 und 270 auf den entsprechenden Spiralen 1, 2, 3 und 4 entspricht. Folglich erreichen die Ströme die aktive Zone nicht phasengleich,

O O O O

sondern mit einer Phasenprogression von 0 , 0 , 180 und 180 . Diese Phasenverhältnisse verhindern die Abstrahlung von elektromagnetischer Energie. Dann fliessen die Ströme weiter nach innen zu den inneren Endpunkten der Antennenarme und kommen dort mit einer Phasenprogression von 0 , 90 , 0 und 90 auf den Spiralen 1,2,3 und 4 entsprechend an. Da die inneren Endpunkte 2 und 3 miteinander verbunden sind, werden zwischen den Spiralen 2 und 3 Ströme übertragen, welche von den inneren Endpunkten mit einer Phasenprogression von 0,0,

ο ο

90 und 90 auf den entsprechenden Spiralen 1,2,3 und 4 nach aussen

fliessen. Die Einführungsphase in die aktive Zone beträgt 0 , 90°, 180 und 270 und die Ströme erreichen die aktive Zone mit einer Phasenprogression von 0 , 90 , 270 und 0 . Es sei darauf hingewiesen, dass nun in zwei Spiralen die Ströme phasengleich und zwei anderen Spiralen nicht phasengleich sind. Die Ströme in den Spiralen 2 und 3 sind nicht phasengleich und löschen sich aus, während die Ströme in den Spiralen 1 und 4.phasengleich sind, sich addieren und für eine wirksame Abstrahlung elektromagnetischer Energie mit einer relativen Phase von

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0° sorgen.

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Die Operationen für eine Phasenverschiebung von 90 sind in Tabelle IV dargestellt. Dies erfordert eine Schaltkombination wie in Fig. 8B dargestellt, in welcher die inneren Anschlüsse 1 und 2 miteinander verbunden sind. Aus Tabelle IV geht hervor, dass die Schritte 1-5 mit den Operationen für eine Phasenverschiebung von 0 identisch sind. Da die Anschlüsse 1 und 2 miteinander verbunden sind, werden die Ströme in diesen Spiralen ausgetauscht und sie fliessen von den inneren

ο ο ο ο

Endpunkten mit einer Phasenprogression von 0 , 90 , 0 und 90 auf den entsprechenden Spiralen 1, 2, 3 und 4 nach aussen. Die Ströme erreichen dann die aktive Zone mit einer Phasenprogression von 90 , 90 , 180 und 0 . Die Ströme in den Spiralen 3 und 4 löschen sich aus und die Ströme in den Spiralen 1 und 2 sind phasengleich, addieren sich und bewirken eine wirksame Abstrahlung elektromagnetischer Energie mit einer Phasenverschiebung von 90 .

Die Operationen für eine Phasenverschiebung von 180 für den Modus "B" sind in Tabelle V dargestellt. Dafür ist eine Schaltkonfiguration mit einem Kurzschluss zwischen den inneren Endpunkten 1 und 4 erforderlich, so wie durch die Fig. 8C dargestellt. Die Schritte 1 bis 5 sind für diesen Fall identisch mit denen für den Phasenzustand von 0 und von 90 . Über die inneren Endpunkte 1 und 4 werden jedoch Ströme in den Antennenarmen 1 und 4 ausgetauscht, welche nach aussen mit einer Phasenprogression von 90 , 90 , 0 und 0 auf den entsprechenden Spiralen 1,2,3 und 4 fliessen. Die Ströme erreichen dann die aktive Zone mit einer Phasenprogression von 90°, 180°, 180° und 270°. Die Ströme in den Spiralen 1 und 4 löschen sich aus und die Ströme in den Spiralen 2 und 3 addieren sich und bewirken eine wirksame Abstrahlung elektromagnetischer Energie mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 .

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Die Operationen für einen Phasenzustand von 270 im Modus "B" sind in Tabelle VI wiedergegeben. In diesem Phasenzustand sind die inneren Endpunkte 3 und 4 miteinander verbunden, so wie in Fig. 8D dargestellt. Die Operationen für die ersten fünf Schritte in Tabelle VI sind die gleichen wie für den Phasenzustand von 0 , 90 und 180 . Durch die miteinander verbundenen Endpunkte 3 und 4 werden die Ströme in den Spiralen 3 und 4 ausgetauscht. Sie fliessen mit einer entsprechenden Phasenprogression von 0 , 90 , 90 und 0 nach aussen. Die Strönne erreichen dann die aktive Zone mit einer Phasenprogression von 0 , 180 , 270 und 270 auf den entsprechenden Spiralen 1, 2, 3 und 4. Die Ströme in den Spiralen 1 und 2 löschen sich aus und die Ströme in den Spiralen 3 und 4 verstärken sich und sorgen für eine wirksame Abstrahlung elektromagnetischer Energie mit einer relativen Phasenverschiebung von 270 .

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Antennenelement, gekennzeichnet durch mehrere elektrisch leitende, spiralförmige, voneinander räumlich getrennte Arme (34, 36, 38, 40) mit einer gemeinsamen Rotationsachse, wobei jeder Arm ein inneres und ein äusseres Ende (34A, 36A, 38A, 4OA; 34B, 36B, 38B, 40B) besitzt und die inneren Endpunkte relativ zueinander um die Achse herum um einen bestimmten Winkel versetzt angeordnet sind, um eine bestimmte Phasenprogression in der Drehrichtung um die Achse herum zu erzielen, eine ausreichende Länge dieser Arme, so dass jeder Arm eine ringförmige, aktive Zone (44) durchschneidet, welche koaxial zur gemeinsamen Rotationsachse angeordnet ist und in der elektromagnetische Energie vom Antennenelement aufgrund der in den entsprechenden Armen in der gleichen Richtung und phasengleich beim Erreichen der aktiven Zone fliessenden Ströme wirksam abgestrahlt wird, eine Phasensteuerungseinrichtung (PC), mit der die Spiralarme um die Achse herum elektrisch "gedreht" werden können, um das Phasenverhältnis der vom Antennenelement abgestrahlten elektromagnetischen Energie zu steuern, wobei Einrichtungen zum Verbinden wenigstens eines Paares innerer Endpunkte der Arme vorgesehen sind, um einen Kurzschluss herbeizuführen, so dass elektrische Signale in dem gekoppelten Paar zwischen den Armen mit einer relativen Phasenänderung ausgetauscht werden können, welche vom Phasenverhältnis bezüglich der Rotationsachse der gekoppelten inneren Endpunkte der Antennenarme abhängt, und eine Energieversorgungseinrichtung (FN), welche direkt nur mit den äusseren Endpunkten der Antennenarme zur Zuführung von Hochfrequenzenergie aus einer Quelle verbunden ist, so dass Strom in jedem Arm von seinem äusseren Ende zu

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seinem inneren Endpunkt fliesst, wobei die Energieversorgung Einrichtungen zum Einspeisen von Energie an den äusseren Endpunkten der Antennenarme besitzt, so dass die Ströme in diesen Armen zuerst von aussen nach innen fliessen, und zwar mit einer Phasenprogression relativ zueinander, wodurch beim Eintritt der nach innen fliessenden Ströme in den aktiven Bereich eine Phasenungleichheit eintritt, welche eine wirksame Abstrahlung vom Antennenelement verhindert.
2. Antennenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseeinrichtung mehrere Leitungen (24, 26) gleicher Länge und Impedanz beinhaltet, welche jeweils ein äusseres Ende eines Armes mit der Energiequelle verbinden.
3. Antennenelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch vier Spiralarme, wobei die inneren Endpunkte dieser Arme um die Achse herum um jeweils 90 gegeneinander versetzt angeordnet sind, um eine relative Phasenprogression von 0 ,90 ,180 und 270 zu erzielen.
4. Antennenelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme so gestaltet sind und die Energieversorgung Ströme zu den äusseren Endpunkten der Arme in der Weise liefert, dass die nach innen fliessenden Ströme in den Armen zuerst die aktive Zone mit einer relativen Phasenverschiebung gegeneinander von 0°, 180°, 0° und 180° erreichen.
5. Antennenelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einführungsphasenwinkel von den äusseren Endpunkten der Arme zur aktiven Zone für die einzelnen Arme 0 , 90 , 180 und 270° beträgt.

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6. Antennenelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung an den äusseren Endpunkten der Arme Ströme

O O O O

mit einer Phasenprogression von O , 270 ,180 und 90 einspeist, so dass die Ströme in den verschiedenen Armen zunächst in der aktiven Zone nicht phasengleich ankommen, sondern eine relative Phasendifferenz auf den entsprechenden Antennenarmen von 0 , 180 , 0° und

180 aufweisen.
7. Antennenelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenarme in dieser Weise gestaltet sind und die Energieversorgungseinrichtung Ströme zu den äusseren Endpunkten der Arme dergestalt liefert, dass die in diesen Armen nach innen fliessenden Ströme zunächst die aktive Zone mit einer relativen Phasendifferenz von 0°, 0°, 180° und 180° erreichen.
8. Antennenelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

der Einführungsphasenwinkel von den äusseren Endpunkten der Arme in den al·

beträgt.

in den aktiven Bereich für die einzelnen Arme 0°, 90°, 180° und 270°
9. Antennenelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung Ströme an den äusseren Endpunkten der Arme

ο ο ο ο

mit einer entsprechenden Phasenprogression von 0 , 90 , 0 und 90 einspeist, so dass die Ströme in den verschiedenen Antennenarmen zuerst in der aktiven Zone nicht phasengleich, sondern mit einer relativen Phasendifferenz in den einzelnen Armen von 0°, 0°, 180° und 180 ankommen.
10. Antennenelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einführungsphasenwinkel von der aktiven Zone zu den inneren Endpunkten der Arme entsprechend 0 , 90 , 180 und 270 beträgt.

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