DE2645058C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Antennensystem zum Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzteilbereichen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Antennensystem zum Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzteilbereichen kann beispielsweise aus zwei räumlich getrennten Subsystemen für die beiden Teilbereiche mit jeweils einer Mehrzahl von Einzelantennen bestehen (Fig. 1). Der offen­ sichtliche Nachteil eines solchen Aufbaus ist der erhebliche Platzbedarf.

Aus der US-PS 32 43 818 ist ein Antennensystem bekannt, bei dem als Strahlerelemente in einem gemeinsamen Hohlleiter Schlitze unterschiedlicher Abmessung für zwei getrennte Frequenzbänder vorgesehen sind. Alle Schlitze gleicher Abmessung bilden zusammen eine Antennen-Unteranordnung und die beiden Unteranordnungen zu den verschiedenen Frequenzteilbereichen sind platzsparend in­ einander gruppiert. Dieses bekannte Antennensystem ist aber unflexibel hinsichtlich der Beeinflussung der Form der Antennen­ charakteristik und erfordert zudem weit auseinanderliegende Frequenzteilbereiche, damit keine der Antennenanordnungen Wellen aus dem Frequenzbereich der jeweils anderen Antennenunteran­ ordnung aufnimmt oder abstrahlt.

Zur flexibleren Beeinflussung des Antennendiagramms können die Einzelantennen einer Antennengruppe unter individueller, auch frequenzabhängiger Einstellung von Phase und Amplitude in einem Richtstrahlnetzwerk zusammengefaßt werden. In der US-PS 38 18 490 ist ein Antennensystem mit einzeln beeinflußbaren Strahler­ elementen beschrieben, bei welchem zwei ineinander gruppierte Antennen-Unteranordnungen mit Einzelantennen für verschiedene Frequenzteilbereiche vorgesehen sind. Auch bei diesem bekannten Antennensystem ist gefordert, daß die beiden Frequenzteil­ bereiche weit auseinanderliegen.

Es ist darüber hinaus bekannt und zum Teil in der letztgenannten Schrift auch explizit angegeben, daß der Abstand der Mittel­ punkte benachbarter Einzelantennen den Arbeitsfrequenzbereich einer Antennengruppe zu höheren Frequenzen hin wegen der sekundären Nebenzipfel (grating lobes) des Antennendiagramms und zu tieferen Frequenzen hin wegen der gegenseitigen Verkopplung der Antenne begrenzt. Die Abdeckung eines breiteren Gesamt­ frequenzbereich durch nur ein Antennensystem mit zwei inein­ andergruppierten Antennenanordnungen, die jeweils in einem von zwei direkt aneinandergrenzenden Frequenzteilbereichen betrieben werden, wäre daher (ungeachtet der bei den bekannten Anordnungen geforderten mit auseinanderliegenden Frequenzteilbereiche) schon aus solchen geometrischen Gründen nicht möglich, da entweder für die tiefsten Frequenzen des Gesamtfrequenzbereichs die Antennen­ abstände zu gering oder für die höchsten Frequenzen zu groß wären. Ein Antennensystem mit zwei räumlich getrennten Antennen- Unteranordnungen ist, wie anfangs bereits angegeben, aber sehr platzaufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antennen­ system der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß sich die beiden Teilfrequenzbereiche zu einem größeren Gesamtfrequenzbereich ergänzen und daß die genannten geometrischen Einschränkungen hinsichtlich der Antennenabstände bei vertretbarem Platzbedarf berücksichtigt sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Antennensystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unter­ ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen der Erfindung.

Bei den hohen Frequenzen des höherfrequenten Teilfrequenzbereichs werden bei dem erfindungsgemäßen Antennensystem die sekundären Nebenzipfel dadurch verhindert, daß Antennen beider Unteran­ ordnungen in einem Richtstrahlnetzwerk zusammengeschaltet sind, wodurch der maßgebende Abstand der Antennenmittelpunkte aus­ reichend klein bleibt. Bei den tiefen Frequenzen des nieder­ frequenten Teilbereichs hingegen können trotz geringen Antennen­ abstands keine Verkopplungen auftreten, da nur die Einzelan­ tennen der ersten Unteranordnung in einem Richtstrahlnetzwerk zusammengeschaltet sind und wegen der höheren unteren Grenz­ frequenz die Einzelantennen der zweiten Unteranordnung keine Wellen dieser Frequenzen aufnehmen.

Eine vorteilhafte Weiterbildungsform ist dadurch gegeben, daß die Anzahl der zur Erfassung des oberen Teil des Gesamtfrequenz­ bereiches zusammengeschalteten ersten und zweiten Einzelantennen so gewählt ist, daß die relative Apertur des Antennensystems im oberen und im unteren Teil des Gesamtfrequenzbereiches in etwa gleich ist und damit die Halbwertsbreiten der Richtcharakteristik des Antennensystems im oberen und unteren Teil des Gesamt­ frequenzbereiches ungefähr gleich sind.

Bei einer günstigen Ausgestaltungsform sind die ersten und zweiten Einzelantennen in einem einzigen Richtstrahlnetzwerk zu­ sammengeschaltet, wobei zweckmäßigerweise ein Richtstrahl­ netzwerk mit frequenzabhängiger Belegung (Taperung) der Einzelantennen im oberen Teil des Gesamtfrequenzbereiches vorgesehen ist, mit deren Hilfe eine weitgehend frequenzunabhängige Richt­ charakteristik erzeugbar ist und die bei den Frequenzen des unteren Teils des Gesamtfrequenzbereiches die zweiten Einzel­ antennen völlig abschaltet. Bei einer anderen Ausgestaltungs­ form mit nur einem Richtstrahlnetzwerk sind Mittel vorgesehen, die die zweiten Einzelantennen bei den Frequenzen des unteren Teils des Gesamtfrequenzbereiches abschalten.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform weist für die Zusammenschaltung der Einzelantennen für den oberen und für den unteren Teil des Gesamtfrequenzbereiches je ein eigenes Richtstrahlnetzwerk auf, wobei zweckmäßigerweise bei dem Richt­ strahlnetzwerk für den oberen und/oder bei demjenigen für den unteren Teil des Gesamtfrequenzbereiches eine frequenzabhängige Belegung (Taperung) vorgesehen ist.

Ferner ist es möglich, die Einzelantennen in einer von der Anzahl verschiedener Einzelantennenfrequenzbe­ reiche unabhängige Anzahl von Richtstrahlnetzwerken zusammen­ zuschalten. Dabei können auch zwei oder mehr verschiedene Arten von Richtstrahlnetzwerken Verwendung finden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine bekannte, sehr platzaufwendige Antennenan­ ordnung mit einem Reflektor, über dem im Abstand ^g/₄ (λ = mittlere Betriebsfrequenz) eine erste Unteranordnung aus Dipolen 1 für ein erstes Frequenzband B 1 und getrennt davon eine zweite Unteranordnung aus Dipolen 2 für ein höherfrequen­ tes zweites Frequenzband B 2 angeordnet ist. Die einzelnen Dipole werden zur Erzeugung eines Richtstrahles in einem Richt­ strahlnetzwerk zusammengeschaltet, wie er beispielsweise mit acht Antennenanschlüssen 3 ¹ bis 3 ⁸, einer Phasen- und einer Amplitudenbewertungseinrichtung zur Taperung der Antennenspan­ nungen, einem Summierer/Leistungsteiler und einem Aus-/Eingang 4 in Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt eine logarithmisch periodische Antenne 7 mit zwei Ein- und Ausgängen 5 und 6, bei der die inneren Ringabschnitte für die höchsten, die größeren äußeren Ringabschnitte dagegen für die tiefsten von der Antenne erfaßbaren Frequenzen vorge­ sehen sind. Derartige Antennen sind z. B. als Einzelantennen für die erfindungsgemäßen Antennenanordnungen geeignet.

In Fig. 4a ist die maximale Packungsdichte dargestellt, wie sie bei den bisher bekannten Antennenanordnungen mit lauter Einzelantennen 7 einer Größe möglich ist (genaugenommen geben die Kreise nur den Platzbedarf der Einzelantennen wieder, die Elemente benachbarter Antennen dürfen sich na­ türlich keinesfalls berühren). Der Abstand benachbarter Einzelantennen - d. h. der Abstand von Antennenmittelpunkt zu Antennenmittelpunkt - darf einerseits, um Verkopplungen der Antennen zu vermeiden, nicht wesentlich unter einer Wellenlänge der jeweiligen Betriebsfrequenz liegen. Anderer­ seits darf dieser Abstand aber zur Vermeidung untragbarer sekundärer Nebenzipfel (grating lobes) der Richtcharakteristik möglichst eine Wellenlänge nicht überschreiten, da diese dann mit zunehmendem Abstand sehr schnell größer werden. Will man nun mit der Antennenanordnung ein großes Frequenzband über­ decken, so benötigt man breitbandige Einzelantennen 7, d. h. beispielsweise bei Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Art von logarithmisch periodischen Antennen aber, daß diese Ein­ zelantennen einen großen Durchmesser haben müssen. Damit würde jedoch der Abstand der Einzelantennen bei hohen Frequen­ zen bei weitem eine Wellenlänge übersteigen, es käme also zur Ausbildung ausgeprägter sekundärer Nebenzipfelmaxima, die - wie bereits erwähnt - bei derartigen Antennensystemen nicht tragbar sind. Als Ausweg aus dieser Schwierigkeit ist bislang nur eine Unterteilung des Antennensystems in Unteranordnungen für die verschiedenen Frequenzbereiche bekannt, wie sie bei­ spielsweise in Fig. 1 dargestellt ist. Eine solche Aufteilung erhöht aber sowohl den Aufwand als auch den Platzbedarf.

Fig. 4b zeigt ein Beispiel für die maximale Packungsdichte bei einer Antennenanordnung gemäß der Erfindung, bei der zwei ineinander übergehende Frequenzbänder B 1 und B 2 mit einer einzigen Antennenanordnung mit Einzelantennen 7 und 7′ ver­ schiedener Größe überdeckt werden. Die kleinen und die großen Einzelantennen 7′ und 7 sind von derselben Art, beispielsweise handelt es sich dabei um logarithmisch periodische Antennen der in Fig. 3 dargestellten Art, wobei die kleine Antenne 7′ einfach durch Weglassen der äußeren Ringabschnitte bei einer großen Antenne 7 entsteht, d. h. die Antennen 7 und 7′ haben dieselbe obere Grenzfrequenz f _o . Das von den kleinen Einzelan­ tennen 7′ überdeckte obere Frequenzband B 2 wird also auch von den großen Einzelantennen 7 erfaßt, die aufgrund ihrer Gesamt­ bandbreite B = B 1 + B 2 auch noch ein unteres Frequenzband B 1 abdecken. Werden die Einzelantennen 7 und 7′ z. B. in gleichem Abstand über einem - nicht dargestellten - Reflektor angebracht (vgl. hierzu Fig. 1), so haben die kleinen und die großen Ein­ zelantennen 7′ und 7 im oberen Frequenzband B 2 dieselben Eigen­ schaften und können daher zusammengeschaltet werden. Da der Abstand der Antennenmittelpunkte benachbarter kleiner und großer Einzelantennen 7′ und 7 in diesem Fall wesentlich ge­ ringer ist als bei einer Anordnung gemäß Fig. 4a, kommt es im oberen Frequenzband B 2 nicht zur Ausbildung sekundärer Nebenzipfel, die Anordnung kann somit bis zu höheren Frequen­ zen betrieben werden, d. h. die Bandbreite ist größer als bei einer Anordnung nach Fig. 4a. Wählt man den Durchmesser - und damit die Bandbreite - der kleinen Einzelantennen 7′, beispiels­ weise halb so groß wie diejenige der großen Einzelantennen 7, so ist die Packungsdichte, wie das Verhältnis D _S /D _E = 1,4 zeigt, rund 1,4mal größer als bei einer Anordnung nach Fig. 4a und daher läßt sich in diesem Fall auch die obere Grenzfrequenz f _o - und damit die erfaßbare Bandbreite B - auf das 1,4fache erhöhen.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Zusammenschaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung von Einzelantennen 7 und 7′ über Antennenverteiler 8 (das sind Verstärker mit Leistungsauftei­ lern) in Richtstrahlnetzwerken 9 und 9′ mit Eingangs-/Ausgangs­ anschlüssen 10 und 10′. Aufgrund der unterschiedlichen Frequenz­ lage des oberen Frequenzbandes B 2 und des unteren Bandes B 1 sind die Aperturen D 2 bzw. D 1 für diese beiden Bänder so gewählt, daß die relative Apertur ^{D 1}/ _λ und ^{D 2}/ _λ (λ = jeweilige mitt­ lere Betriebsfrequenz) und damit die Halbwertsbreite der Richtstrahlen in beiden Fällen in etwa gleich ist. Dabei werden die unter die Apertur D 2 für das Band B 2 fallenden Einzelantennen 7 und 7′ in dem Richtstrahlnetzwerk 9′ für das Band B 2 und die zur Apertur D 1 für das Band B 1 gehörenden Einzelantennen 7 in dem Richtstrahlnetzwerk 9 für das Band B 1 zusammengeschaltet.

Fig. 6a zeigt die Halbwertsbreite des Richtstrahls als Funktion der Frequenz bei einer bekannten Antennenanordnung mit lauter gleichen Antennen nach Fig. 4a, wobei mit f _o bzw. f _u die obere bzw. untere Grenzfrequenz des von der Anordnung erfaßbaren Frequenzbandes bezeichnet ist. Fig. 6b zeigt ein entsprechendes Diagramm für eine erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 4b bzw. Fig. 5. Wegen der 1,4fachen Packungsdichte ist hier die obere Grenzfrequenz f _o und damit die Bandbreite 1,4mal so groß wie bei der bekann­ ten Anordnung. Aufgrund der gleichen relativen Apertur beim Band 1 und 2 sind außerdem die Halbwertsbreiten und ihre Fre­ quenzabhängigkeit in beiden Teilbändern weitgehend gleich, wobei zu bemerken ist, daß das Band B 1 von der unteren Grenzfrequenz f _u bis zur mittleren Frequenz f _m (des Gesamtbandes!) und das Band 2 von der Frequenz f _m bis zur oberen Grenzfrequenz 1,4 · f _o reicht.

Fig. 7a und b zeigt zwei weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Einzelantennen.

Claims (7)

1. Antennensystem zum Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzteilbereichen, bestehend aus einer ersten und einer zweiten Antennen-Unteranordnung mit jeweils mehreren, in einer Fläche angeordneten Einzelantennen, wobei die Einzelantennen der einen Unteranordnung jeweils zwischen den Einzelantennen der anderen Unteranordnung liegen und in mindestens einem Richt­ strahlnetzwerk zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einzelantennen (7, 7′) dieselbe obere Grenzfrequenz, die Einzelantennen der zweiten Unteranordnung (7′) jedoch eine höhere untere Grenzfrequenz als die der ersten Unteranordnung (7) auf­ weisen, und daß zum Betrieb im niederfrequenten Teilbereich (B 1) in an sich bekannter Weise nur Einzelantennen der ersten Unteranordnung (7), zum Betrieb im höherfrequenten Teil­ bereich (B 2) hingegen Einzelantennen der ersten (7) und der zweiten (7′) Unteranordnung zusammengeschaltet sind.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die beiden Frequenzteilbereiche (B 1, B 2) jeweils ein Richtstrahlnetzwerk (9, 9′) zur Diagrammformung vorhanden ist, in dem die Einzelantennen (7, 7′) zusammengeschaltet sind.

3. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für beide Frequenzteilbereiche (B 1, B 2) die Einzel­ antennen (7, 7′) in einem einzigen Richtstrahlnetzwerk (9, 9′) zusammenge­ schaltet sind und daß Mittel vorgesehen sind, die die zum Betrieb des Antennensystems in dem niederfrequenten Teil­ bereich (B 1) die Einzelantennen der zweiten Unteranordnung (7′) abschalten.

4. Antennensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Einzelantenne (7, 7′) an den Eingang eines Antennenverteilers (8) mit mehreren Ausgängen angeschlossen ist, und dessen Ausgänge mit dem/den Richtstrahlnetzwerken (9, 9′) verbunden sind (Fig. 5).

5. Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Richtstrahlnetzwerk (9, 9′) Mittel zur frequenzabhängigen Belegung der Einzelantennen (7, 7′) vorgesehen sind.

6. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der für den höherfrequenten Teilbe­ reich (B 2) zusammengeschalteten Einzelantennen (7, 7′) so gewählt ist, daß die relative Apertur in beiden Frequenzteilbereichen (B 1, B 2) annähernd gleich ist (Fig. 5).

7. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einzelantennen (7, 7′) logarithmisch periodische Antennen gleicher Art sind.