DE2707819A1 - Spiralelementenantenne - Google Patents

Description

2707819 Dipl.-Phys. O.E. Weber d-s München η

Patentanwalt If Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber münchen

MOOX)ROLA, INC.
I3O3 East Algonquin Road Schaumburg, 111. 60196, USA

Spiralelementenantenne

Die Erfindung betrifft allgemein eine Antenne und bezieht sich insbesondere auf eine asymmetrische Spiralelementenantenne und speziell auf Bereiche solcher Antennen, um eine im wesentlichen frequenz- und phasen-unabhängige Antennenanordnung zu schaffen, die vorzugsweise in Monopuls-Bahnverfolgungs-Systemen und Lenksystemen zu verwenden ist.

Antennen und Antennenbereiche mit Einzelarm-Spiralelementen, die entweder als logarithmische oder als archimedische Spiralen ausgebildet sein können, sind grundsätzlich bekannt. Antennen dieser Art arbeiten über einen speziellen begrenzten Frequenzbereich ordnungsgemäß. Derartige Einzelspiraleleraente arbeiten jedoch kaum über einen breiten Frequenzbereich. Das Strahlungsmuster und der Gewinn solcher Antennenbereiche ver-

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ändern sich mit der Frequenz beträchtlich. Außerdem müssen derartige Antennenarten gegen eine Erdebene oder Grundfläche arbeiten, weil sie über einen einzigen Eingang gespeist werden. Dies führt dazu, daß derartige Antennen sehr frenuenzempfindlich sind. Wegen der oben aufgezeigten Probleme, welche bei Einzelarm-Spiralelementen auftreten, wird ein verhältnismäßig schwaches Monopuls-Ansprechen erreicht, wenn Elementenbereiche solcher Antennen in einem Monotmls-Bahnverfolgungssystem verwendet werden.

Es sind gegenwärtig auch HonoOuls-Systeme bekannt, welche eine einzige mehrarmige Mehrmodus-Spiralelementenantenne aufweisen. Obwohl einzelne Elemente dieser Antennenarten dazu in der Lage sind, einen Breitband-Frequenzbereich zu ermöglichen, rotieren die Strahlungsmuster und die daraus resultierenden X- sowie Ϊ-Achsenfehler mit der Frequenz um eine Achse, welche normal zu der Spirale angeordnet ist. Wenn daher keine aufwendige Schaltung verwendet wird, um diese Rotation zu unterbinden, körnen diese Arten von Antennenelementen das erforderliche Monopuls-Ansprechen für ein Monoouls-Bahnverfolgungssystem nicht liefern. Außerdem ist die erforderliche komplizierte Kompensationsschaltung nicht nur unvollständig und unvollkommen sowie auch teuer, sondern sie führt auch zu einem Ansteigen der Gesamtenergieverluste des Systems, wodurch der Gewinn des Antennenbereichs beträchtlich vermindert wird.

In dem Bestreben, die Bandbreite von Spxralelementenantennen zu vergrößeren, ist bereits versucht worden, mit Antennenelementen zu arbeiten, welche seitlich versetzt oder verschoben gewickelte, quadratische oder runde archimedische und logarithmische Spiralen haben. Da jedoch jedes einzelne Spiralelement eines Antennenbereichs, welcher solche versetzt oder verschoben gewickelten Spiralen aufweist, einzeln gespeist

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wird, müssen derartige Elemente gegen eine Erdfläche oder eine Bodenebene arbeiten, wie es oben bereits erläutert wurde. Obwohl daher solche Arten von Spiralelementen über einen größeren Frequenzbereich arbeiten können, als dies bei nicht versetzt oder verschoben gewickelten Elementen der Pail ist, sind sie dennoch frequenzempfindlich. Da weiterhin Einzelarm-Elemente in verschiedenen, wenn auch nicht vielen, unterschiedlichen Frequenzarten oder Modusarten arbeiten können, wenn sie in einem Bereich für Monopuls-Bahnverfolgungssysterae verwendet werden, werden unerwünschte Ergebnisse erreicht. Da einzelne Muster von den einzelnen Elementen des Bereichs nicht unbedingt in einer Richtung orientiert sein müssen, werden in dem Strahlungsmuster 4bnormitäten erzeugt, die zu einem verhältnismäßig unzureichenden Ansprechverhalten im Monopuls-Betrieb führen. Deswegen wird auch ein Phasenfehler erzeugt, der zu unerwünschten Verschiebungen in dem Null-Muster des Monopuls-Strahlungsmusters führt, welches durch solche Bereiche erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, welche unter Überwindung der oben aufgezeigten Probleme im wesentlichen frequenzunabhängig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß mehrarmige Spiralelemente vorgesehen sind, daß jedes einzelne Spiralelement eine vorgebbare Anzahl von Windungen aufweist, daß jedes einzelne Spiralelement auf einer Innenseite endet, welche die Elementenmitte der Antenne darstellt, daß die Windungen in vorgegebener Weise nach außen geführt sind, wobei ihr Abstand auf einer Seite des Elementes

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von der Mitte aus komprimiert ist, um eine Asymmetrie in der Geometrie herbeizuführen, und zwar in bezug auf die Mitte, so daß die Antennenphasenmitte sich räumlich entlang derjenigen Achse verändert, welche durch die Asymmetrie gebildet ist, so daß auf diese Weise ein im wesentlichen frequenzunabhängiges Antennenbereichs-Strahlungsmuster gebildet ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß ein Spiral-Antennenelement entweder die Form einer logarithmischen oder einer archimedischen Spirale aufweist und entweder rund, quadratisch oder kreissektorförmig ausgebildet ist, wobei eine Asymmetrie in bezug auf den Elementenmittelpunkt besteht.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung eine Antennenanordnung geschaffen, welche eine Mehrzahl von mehrarmigen asymmetrischen Spiralelementenantennen aufweist, die dazu geeignet sind, in einem Monopuls-Bahnverfolgungssjötem verwendet zu werden.

Gemäß der Erfindung wird somit eine Antennenanordnung geschaffen, welche mehrarmige, seitlich versetzt oder verschoben gewundene Spiralelemente aufweist, die rund, quadratisch oder kreissektorförmig ausgebildet sein können und die Form von logarithmischen oder archimedischen Spiralen aufweisen können, so daß die Phasenmitte mit der Frequenz verschoben wird, um ein im wesentlichen frequenzunabhängiges Antennenstrahlungsmuster zu erreichen. Der aktive Bereich oder die Strahlungsmittenseparation bleibt elektrisch konstant und ist normalerweise eine halbe Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz oder Betriebsfrequenz. Die einzelnen mehrarmigen Spiralelemente können zu einer Antennenanordnung von wenigstens drei Elementen kombiniert werden, um ein Monopuls-Bahnverfolgungssystem und ein Richtungsfindungssystem zu bilden, so daß eine verbesserte Genauigkeit, eine größere Bandbreite und ein wesentlich vereinfachtes Speisenetzwerk gewährleistet sind.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben\ in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Grundriß eines seitlich versetzt oder verschoben gewickelten, mehrarmigen, quadratischen Antennenelementes in der Form einer archimedischen Spirale gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Grundriß eines seitlich versetzt oder verschoben gewickelten, logarithmischen, mehrarmigen Spiral-Antennenelementes gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Grundriß eines seitlich versetzt oder verschoben gewickelten, mehrarmigen Antennenelementes in der Form einer archimedischen Spirale gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 4- einen Grundriß eines seitlich versetzt oder verschoben gewickelten, kreissektorförmigen, mehrarmigen Antennenelementes in der Form einer archimedischen Spirale gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 5 einen Grundriß, welcher einen Vier-Elementen-Bereich eines seitlich versetzt oder verschoben gewickelten, mehrarmigen, in der Form einer archimedischen Spirale ausgebildeten Antennenelementes gemäß Fig. 1 veranschaulicht, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche eine Phasenmittenseparation eines logarithmischen, asymmetrischen Spiral-Antennenelementes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Abhängigkeit von der Frequenz veranschaulicht.

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In der Fig. 1 ist ein mehrarmiges Spiralelement 10 veranschaulicht, welches seitlich versetzte oder verschobene, quadratisch gewickelte oder asymmetrische Spiralen 12 und 14 in der Konfiguration einer archimedischen Spirale aufweist. Antennenelemente in der Form von archimedischen Spiralen sind grundsätzlich bekannt, und es ist möglich, ein mehrarmiges quadratisches Element 10 auf einer (nicht dargestellten) dielektrischen Fläche anzuordnen, indem eine entsprechende Photoätztechnik oder eine grundsätzlich bekannte Ablagerungsmethode angewandt wird. Die inneren Enden 16 und 18 der ,jeweiligen Spiralelemente 12 und 14 bilden das Elementenzentrum des mehrarmigen Spiralelementes 10. Jedes Spiralelement 12, 14 weist eine asymmetrische Geometrie um das Mittelelement entlang der Diagonale 20 auf. Die Anzahl der Windungen, welche die Spiralelemente 12 und 14 aufweisen, ist durch die Frequenz bei dem höheren Frequenzband festgelegt, bei welcher die Antenne arbeiten soll, wobei eine ordnungsgemäße Strahlung bei vorgegebenen und bekannten Antennenkonstruktionsgleichungen gewährleistet ist. Der allgemeine Abstand zwischen den Spiralelementen 12 und 14 wird ebenfalls durch bekannte Konstruktionsgleichungen festgelegt.

Die inneren Enden 16 und 18 der jeweiligen Spiralelemente 12 und 14 sind derart ausgebildet, daß sie von einem Ausgleichs- oder Abgleichs-Speisenetzwerk gespeist werden, so daß die angelegten Signale gegeneinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Der Vorteil bei der Verwendung von seitlich verschoben oder versetzt gewickelten mehrarmigen Spiral-Antennenelementen besteht darin, daß ein Ausgleichs- oder Abgleichs-Speisenetzwerk verwendet werden kann, welches derart angeordnet und ausgebildet ist, daß die Anordnung gemäß Fig. 1 nicht gegen eine Erdebene arbeiten muß. Indem somit eine entsprechende Notwendigkeit entfällt, wird die

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Frequenzerapfindlichkeit des Antennenelementes 10 nicht nachteilig beeinflußt, und zwar aufgrund des Abstandes zwischen den einzelnen Spiralelementen und der erforderlichen Erdebene oder Erdfläche. Somit kann die Ausführungsform gemäß Fig. 1 über größere Bandbreiten arbeiten als einzeln gespeiste Antennenelemente.

Eine Antennenstrahlung von einem mehrarmigen Spiralelement 10 erfolgt bei der Frequenz, bei welcher der Umfang der Windungen der Spiralelemente 12, 14 einer Wellenlänge entspricht, wobei zugleich eine Koinzidenz von Polaritäten der zwei Signale besteht, welche den inneren Enden 16, 18 zugeführt werden. Somit wird eine Modusreinheit erreicht, welche durch Einzelelementen-Spiral-Antennenanordnungen nicht erreichbar ist, die nämlich in das Strahlungsmuster von der Antenne Abnormalitäten einführen.

Im Betrieb des mehrarmigen Spiralelementes 10 gemäß Fig. 1 ist der Abschnitt des Spiralelementes 12, 14-, welcher strahlt, derjenige Teil davon, der einen Umfang von einer Wellenlänge hat. Der mittlere Bereich der Windungen des Spiralelementes 12, 14-, der einen Umfang von einer Wellenlänge hat, ist als StrahlungsZentrum oder Phasenzentrum des Spiralelementes bei der bestimmten Frequenz definiert, bei welcher die Antenne strahlt. Die Asymmetrie um die Elementenmitte bewirkt daher, daß das Phasenzentrum in einer Ebene des mehrarmigen Spiralelementes entlang der Diagonalen 20 in einer vorgegebenen Weise bewegt wird. Wenn die Betriebsfrequenz abnimmt, bewegt sich das Phasenzentrum entlang der obengenannten Ebene nach außen. Obwohl das Phasenzentrum sich entlang der Asymmetrie des Spiralelementes verändert, bleibt der aktive Bereich (das Strahlungsmuster) elektrisch in seiner Größe konstant, da der Umfang der Windungen mit einer Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz zusammenfallen muß. Somit bleibt das Strahlungsmuster im wesentlichen frequenzunabhängig.

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In den Fig. 2 bis 4- ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung jeweils dargestellt, welche im wesentlichen in derselben Weise arbeitet wie die oben beschriebene asymmetrische Anordnung mit quadratischer Struktur in der Form eines Elementes 10, welches als archimedische Spirale ausgebildet ist. Das Antennenelement 20 ist ein logarithmisches, mehrarmiges Spiralelement. Das Element 22 ist ein mehrarmiges, als archimedische Spirale ausgebildetes Element. Schließlich ist das Element 24-ein mehrarmiges, kreissektorförmiges Element, welches die Form einer archimedischen Spirale aufweist. Alle obengenannten Antennenelemente haben eine Asymmetrie in ihrer Geometrie, und zwar jeweils in bezug auf die Elementenmitte, so daß die Antenne im wesentlichen frequenzunabhängig ist. Die Fig. 5 ver.-anschaulicht ein Antennenfeld oder einen Antennenbereich 26 mit vier Elementen, welche jeweils als asymmetrisches, mehrarmiges, quadratisches Spiralelement gemäß Fig. 1 ausgebildet sind. Die Spiralelemente 28, 30, 32 und 34- sind derart versetzt angeordnet, daß die entsprechende Phasenmitte von dem Zentrum des Bereichs aus in diagonaler Richtung nach außen bewegt wird. Der Antennenbereich 26 kann derart ausgebildet sein, daß er dazu geeignet ist, eine Monopuls-Bahnverfolgung durchzuführen, indem geeignete Summen- und Differenz-Speisenetzwerke verwendet werden, so daß der Summen- und der Differenz-Kanal in der Weise abgeleitet werden können, daß die entsprechende Bahnverfolgungsinformation und die entsprechende Richtungssuchinformation geliefert werden können.

Der Vorteil des Antennenbereichs 26 in bezug auf bekannte Antennenbereiche, welche für eine Monopuls-Bahnverfolgung verwendet wurden, besteht darin, daß ein Richtungsmuster erreicht werden kann, indem die Strahlung von den einzelnen Mehrspiralen-Elementen summiert wird, wodurch eine größere Genauigkeit als bei bekannten Einrichtungen ebenso erreichbar ist wie auch eine größere Bandbreite. Weiterhin kann ein

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wesentlich einfacheres Speisenetzwerk verwendet werden, da ein Ebenenrotations-Kompensationsnetzwerk nicht erforderlich ist. Somit kann ein höherer Gewinn erreicht werden, da die Energieverluste und die Bündelbreiten vermindert sind. Weiterhin ist zu bemerken, daß beliebige der oben beschriebenen einzelnen mehrarmigen Spiralelemente in ähnlicher Weise zu einem Antennenbereich vereinigt werden können, wie es in der Fig. 5 veranschaulicht ist, wobei ein solcher Antennenbereich oder ein solches Antennenfeld dann die oben beschriebenen Vorteile aufweist.

In der Fig. 6 ist die gemessene Phasenzentrumsseparation über der Frequenz einer logarithmischen, asymmetrischen Spiralelementenantenne gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgetragen. Die Kurve 36 gibt die tatsächlich gemessene Leistung der Antenne an. Die Kurven 38 und 4-0 veranschaulichen theoretische Eigenschaften von asymmetrischen und nicht-asymmetrischen Spiralantennen.

Es ist zu bemerken, daß die Spiralelementenantennen gemäß Fig. 1-4 derart abgewandelt werden könnten, daß die Windungen um die Elementenmitten symmetrisch angeordnet wären. Die äußeren Windungen könnten in bezug auf die Elementenmitten asymmetrisch angeordnet sein. Indem das Maß der Asymmetrie der Windungen entsprechend eingestellt wird, können die Bahnverfolgungsfehler oder die Kursfehler vermindert werden, welche durch einen Winkelfehler des Musters verursacht werden.

- Patentansprüche -

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Leerseife

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Antenne für einen vorgegebenen Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, daß mehrarraige Spiralelemente (10, 20, 22, 24) vorgesehen sind, daß jedes einzelne Soiralelement eine vorgebbare Anzahl von Windungen aufweist, daß jedes einzelne Spiralelement auf einer Innenseite endet, welche die Elementenmitte der Antenne darstellt, daß die Windungen in vorgegebener Weise nach außen geführt sind, wobei ihr Abstand auf einer Seite des Elementes von der Mitte aus komprimiert ist, um eine Asymmetrie in der Geometrie herbeizuführen, und zwar in bezug auf die Mitte, so daß die Antennenphasenmitte sich räumlich entlang derjenigen Achse verändert, welche durch die Asymmetrie gebildet ist, so daß auf diese iVeise ein im wesentlichen frequenzunabhängiges Antennenbereichs-3trahlungsmuster gebildet ist.

   2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennz eich-

   n e t , daß die einzelnen Spiralelemente (10) jeweils eine rechteckige Konfiguration aufweisen.

   $. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius aufeinanderfolgender Windungen der einzelnen Spiralelemente (22) mit dem Drehwinkel linear anwächst.

   4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spiralelemente (24) eine kreissektorförmige Konfiguration haben.

   5. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius aufeinanderfolgender Windungen der einzelnen Spiralelemente (20) exponentiell mit dem Drehwinkel anwächst.

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   - yf -

   6. Antennenbereich, dadurch gekennz eichnet , daß er eine Vielzahl von Antennen gemäß Anspruch 1 aufweist.

   7. Antennenbereich für ein vorgegebenes Frequenzband, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von mehrarraigen Spiralelementen (10, 20, 22, 24) vorgesehen sind, von denen jedes wenigstens ein Paar von einzelnen Spiralarmen aufweist, wobei jeder einzelne Spiralarm eine vorgebbare Anzahl von Windungen hat, die sowohl innere als auch äußere Windungen umfassen, welche dann in einer vorgegebenen Richtung nach außen rotieren, wobei die innere Windung des wenigstens vorhandenen Paares von einzelnen Spiralarmen an einem inneren Ende mündet, welches die Elementenmitte darstellt, und zwar für jede Anzahl von mehrarmigen Spiralelementen, und daß der Abstand jedes Spiralelementes des wenigstens vorhandenen Paares von einzelnen Spiralarmen auf einer Seite der El einen tenmitte komprimiert ist, so daß dadurch ein asymmetrisch aufgebautes mehrarmiges Spiralelement gebildet ist.

   8. Anordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Windungen des wenigstens vorhandenen Paares von einzänen Spiralarmen rechteckige Konfigurationen aufweisen.

   9· Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius aufeinanderfolgender Windungen des wenigstens vorhandenen Paares einzelner Spiralarme mit ihrem Drehwinkel linear ansteigt.

   10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius aufeinanderfolgender Windungen von jedem der vorhandenen Paare einzelner Spiralarme exponentiell mit dem Drehwinkel ansteigt.

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   11. anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Windungen des wenigstens vorhandenen Paares von einzelnen Spiralarmen kreisförmige Konfigurationen aufweisen.

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