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Antennenanordnung mit veränderbarer Abstrahlrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine aus mehreren Einzelstrahlern und
einer dielektrischen Kugellinses insbesondere einer Lzneberg-Linse, bestehenden
Antennenanordnung mit veränderbarer Abstrahlrichtung innerhalb eines Weitwinkelbereichs.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 421 494 ist eine Antennenanordnung
mit einer aus einem verlustarmen, homogenen oder geschichteten Dielektrikum bestehenden
Kugellinse, z.m. der sogenannten Luneberg-Linse, und sehr vielen Einzelstrahlern
bekannt.
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Diese besetzen eng einen Teil der Linsenoberfläche und werden beispielsweise
durch kleine Hornstrahler oder nebeneinander angeordnete, offene Hohlleiter gebildet.
Wird einer dieser Strahler gespeist, so strahlt die Linse in dcr entgegengesetzten
Richtung ei.nen gebündelten Strahl ab. Die strahlende Apertur entspricht etwa dem
Linsendurchmesser. Der Auslenkberelch der Strahlungskeulen ist ein Kegel mit einem
Öffnungsw -Rel von maximal etwa 1000. Besetzen die Strahler einen größeren Bereich
der Kugellinsenoberfläche, so schatten diese einen Teil der Strahlung ab.
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Eine Rundumstrahlung im ganzen oberen Halbraum ist damit also nicht
möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schwenkstrahl-Antennenancrdnung
mit einer dielektrischen Kugellinse, z.B. einer Luneberg-
Linse,
so auszubilden, daß keine Strahlungsabschattungen stattfinden und somit eine gebündelte
Abstrahlung über einen erheblichen größeren Winkelbereichmöglich ist. Gemäß der
Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einzelstrahler einer ebenen
phasengesteuerten Strahlergruppe angehören, welche unterhalb der Kugellinse angeordnet
ist und deren Strahlung mittels der Einzelstrahlerphasensteuerung auf verschiedene
Zonen der Linsenoberfläche fokussierbar ist. Die jeweils fokussierte Zone entspricht
etwa einem Hornerreger bei der bekannten Linsenantenne. Die inauptstrahlrichtung
der durch die Kugellinse gebündelten Strahlung liegt dann der fokussierten Zone
gegenüber.
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Eine Rundumüberdeckung durch eine einzige ebene phasengesteuerte Strahlergruppe
ist zwar bereits bekannt. Sie ist jedoch nur möglich, wenn die Gruppe gleichzeitig
in der Horizontalebene mechanisch gedreht wird. Ist die mechanische Drehbewegung
aufgrund der Systemspezifikationen nicht zulässig, so sind mehrere ebene phasengesteuerte
Strahlergruppen erforderlich, die je einen bestimmten Raumsektor ausleuchten. Ein
Antennenkonzept dieser Art hat zwar eine äußerst hohe Systemflexibilität, jedoch
ist der Aufwand infolge der Notwendigkeit von mehreren vollständig ausgeristeten
Antennensystemen für die praktische Realisierung zu hoch.
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Der Effekt, daß bei der Antennenanordnung nach der Erfindung bei schrägem
Strahleinfall auf der Linsenoberfläche die Strahlrichtung aufgrund der geneigten
Phasenfront etwas vom Zentral strahl abweicht und somit das Diagramm verschlechtert
wird, läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dadurch beseitigen, daß
eine Baueinheit vorgesehen ist, welche aus Kollektorstrahlern zur Aufnahme der von
der phasengesteuerten Strahlergruppe kommenden Strahlung, aus an der Linseoberflche
angebrachten Emitterstrahlern und aus Verbindungsleitungen zwischen den Kollektor-
und Emitterstrahlern besteht, in welchen ggf. Laufzeitunterschiede ausgeglichen
werden.
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Ein noch größerer Auslenkbereich läßt sich dadurch erreichen, daß
die dielektrische Kugellinse von einem sich nach oben verjüngenden, kegelstumpfförmig
ausgebildeten Reflektor umgeben ist, der aus um 450 zur Mantellinie des Kegelstumpfes
geneigten Paralleldrähten oder -lamellen besteht und im Strahlauslenkbereich der
phasengesteuerten Strahlergruppe liegt, und daß die lineare Polarisationsrichtung
des von der phasengesteuerten Strahlergruppe abgestrahlten elektromagnetischen Feldes
in Abhängigkeit vonder jeweiligen azimutalen Strahlrichtung stets so gesteuert ist,
daß sie im angestrahlten Bereich des Reflektors möglichst parallel zu den Reflektordrähten
bzw. -lamellen ist. Bei paralleler 450-Polarisation wird die Strahlung umgelenkt,
so daß auch seitliche Oberflächenbereiche der Linse angestrahlt werden. Auf der
gegenüberliegenden Seite ist das Drahtgitter des Kegelstumpfreflektors orthogonal
gerichtet und die Strahlung geht weitgehend ungestört hindurch. Dieses Verfahren
ist bei der sogenannten Helisphere-Anordnung bekannt (Hansen: Microwave Scanning
Antennas, Band 1, Seite 221). Es gelingt dadurch sogar, die Strahlrichtung der Linsenantenne
bis etwas unterhalb des Horizontes zu bringen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der
drehsymmetrische Kegelstumpfreflektor doppelt gekrümmt ausgebildet ist, derart,
daß die von der phasengesteuerten Strahlergruppe kommende und an ihm reflektierte
Strahlung stets senkrecht auf die Linsenoberfläche auftrifft. Soll auch die direkte
Strahlung, d.h. die nicht am Kegelsturnpfrefl-ektor umgelenkte Strahlung, senkrecht
auf die Kugellinse auftreffen, so wird zweckmäßig die bereits beschriebene Baueinheit
mit den Kollektor- und Emitterstrahlern in diesem Strahlungsbereich verwendet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von drei in jeweils
einer Figur dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig.
1 die Schnittdarstellung einer Linsen-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem
einfach gekrvizmten Kegelstumpfreflektor,
Fig. 2 die Schnittdarstellung
einer Linsen-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem doppelt gekrümmten Kegelstumpfre
flektor, Fig. 3 in einer Schnittdarstellung eine Antennenanordnung entsprechend
derjenigen nach Fig. 2, jedoch mit einer zusätzlichen Baueinheit; bestehend aus
Emitter- und Kollektorstrahlern.
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Bei der Antennenanordnung nach Fig. 1 wird mit einer ebenen, phasengesteuerten
Strahlergruppe 1 die Strahlung nacheinander auf unterschiedliche Zonen der Oberfläche
3 einer dielektrischen Kugellinse 4, d.h. einer kugelförmig ausgebildeten Linse
aus einem verlustarmen, homogenen oder geschichteten Dielektrikum, fokussiert. Im
Beispiel ist dazu der Strahl 2 dargestellt. Die Hauptstrahlrichtung der durch die
Linse 4 gebündelten Strahlung liegt dann der fokussierten Zone gegenüber. Bei schrägem
Einfall auf der Linsenoberfläche 3 weicht die Strahlrichtung auf Grund der geneigten
Phasenfront geringfügig vom Zentralstrahl ab, was anhand des aus der Kugellinse
4 austretenden Strahls 2 verdeutlicht wird. Mit M ist der Mittelpunkt der Kugellinse
4 bezeichnet, für die eine Luneberg-Linse verwendet werden kann, welche einen vorgegebenen
Verlauf der Dielektrizitätskonstante über den Querschnitt aufweist.
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Ein größerer Auslenkbereich wird durch einen kegelstumpfförmig ausgebildeten
Reflektor 5 aus Dielektrlkummaterial mit einem eingelegten Paralleldrahtgitter erreicht.
Das Gitter liegt unter 450 zur Mantellinie des Kegelstumpfreflektors 5. Je nachdem,
ob die Polarisationsrichtung der Strahlergruppe 1 parallel oder senkrecht zu den
Drähten des Gitters liegt, erfolgt Reflexion oder Durchgang der Strahlung. Bei paralleler
450-Polarisation wird die Strahlung umgelenkt, so daß auch seitliche Oberflächenbereiche
der Linse 4 angestrahlt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist das Drahtgitter
im Kegelstzmpfreilektor orthogonal gerichtet und die Strahlung kann weitgehend ungestört
passieren.
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Es gelingt durch diese Maßnahme, die Strahlrichtung der Linsenantenne
sogar bis etwas unterhalb des Horizontes zu richten. Die phasengesteuerte Strahlergruppe
1 muß außer unterschiedlichen Strahlrichtungen, z.B. 6 und 7, und verschiedenen
Bündelungen eine vom Azimut abhängige Polarisationsrichtung haben. Bei der Umlenkung
wird die Fokussierung, entsprechend dem größeren Abstand und der Reflektorkrümmung
korrigiert, vergleiche beispielsweise die Strahlen 6 und 7. Der Durchmesser D der
ebenen Strahlergruppe 1 ist geringer bemessen als der Durchmesser der Kugellinse
4. Er muß aber so groß sein, daß. eine Fokussierung auf der Linsenoberfläche 3 möglich
ist, d.h. der Abstand nicht größer wird als der Rayleigh-Bereich (= D2/2 wobei x
die Betriebswellenlänge ist.
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Fig. 2 zeigt eine Antennenanordnung, welche in gleicher Weise wie
diejenige nach Fig. 1 arbeitet. Sie enthält jedoch eine Verbesserung aufgrund der
Verwendung eines geeignet gekrümmten drehsymmetrischen Kegelstumpfreflektors 8,
welcher im Anstrahlungsbereich der phasengesteuerten Strahlergruppe 1 liegt, die
die Strahlauslenkung, Fokussierung und Polarisationsdrehung bewirkt.
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Der Reflektor 8 ist so geformt, daß die reflektierte Strahlung immer
senkrecht auf die Oberfläche der Linse 4 fällt. Als Beispiel hierfür sind die Strahlen
9, 10, 11 und 12 dargestellt.
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Dabei ist das im Kegelstumpfreflektor eingelegte Paralleldrahtgitter
an die Krümmung angepaßt und liegt angenähert unter 45°.
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In diesem Ausführungsbeispiel trifft die direkte Strahlung mit Ausnahme
des Zentral strahls nicht senkrecht auf die Kugellinse 4.
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Als Beispiel hierfür sind die Strahlen 13 und 14 eingezeichnet, die
nicht genau gegenüber von der Eintrittstelle in die Kugellinse 4 bezogen auf den
Mittelpunkt M austreten (Winkelabareichung)* Soll auch die direkte Strahlung von
der phasengesteuerten Strahlergruppe 1, welche die Strahlauslenkung, Fokussierung
und Polarisationsdrehung bewirkt, auf der Kugellinse 4 senkrecht auftreffen, so
wird das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 verwendet. Dabei werden zwei Hornstrahlergruppen,
nämlich die Kollektorgruppe 21
und die Emittergruppe 22 verwendet.
Zwischen der sphärisch angeordneten Kollektorstrahlergruppe 21 und der auf der Kugeloberfläche
liegenden Emitterstrahlergruppe 22 sind Leitungen 23 eingeschaltet, welche eventuelle
Laufzeitunterschiede ausgleichen.
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Die an sich direkt auf die Kugellinse 4 auftreffenden Strahlen 15,
16 und 20 durchlaufen zunächst die räumlich zugeordneten Kollektor- und Emitterstrahler,
bevor sie die Kugellinse 4 selbst passieren. Die Strahlen 17, 18 und 19 werden am
doppelt gekrüwrnten Kegelstumpfreflektor 8 so umgelenkt, daß sie ebenfalls senkrecht
auf die Kugellinse 4 treffen und diese ohne Winkelabweichung durch laufen.
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5 Patentansprüche 3 Figuren