DE2714643A1

DE2714643A1 - Eine mehrzahl von richtstrahlen aufweisende hochfrequenzantenne

Info

Publication number: DE2714643A1
Application number: DE19772714643
Authority: DE
Inventors: George Seymour Hardie
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1976-04-01
Filing date: 1977-04-01
Publication date: 1978-02-16
Also published as: FR2346872A1; DK142377A; AU2305677A; JPS52120744A; ES457393A1

Description

::'G rr;. Π7 ro^! München 2

TL. Gi" ) / 5-i J7C4

fiünchen, den 31. März 1977 /J Anwnltsiiktenz. : 27 - l^Jat. 159

Haytheon Compiitiy, l'il Spring Street, Lexington, Mass. Ü2173i Vereinigte Staaten von Amerika

Eine Mehrzahl von Kichtstrahlen aufweisende Hochfrequenzantenne

Die Erfindung bezieht sich auf ilochfrequenzantenrien und insbesondere auf solche Antennen, welche eine Mehrzahl von Kichtstrahlen aufweisen bzw. erzeugen.

Es ist bekannt, eine Reihe oder Anordnung von Aiiteniienelenieiiten über eine Parallelplat teri-liochfrequeiizlinse in solcher Weise zu speisen, daß einer oder mehrere Richtstrahlen oder Richtcharakteristiken für die Hochfrequenzenergie gebildet werden. In einer bekannten Antennenanordnung dieser liauart sind auf einem gemeinsamen Träger nach Art einer gedruckten Schaltung eine lineare Reihe von Antennenelementen, Ubertragungsleitungen, eine Parallelplatten-ilochfrequenzlinse und eine Anzahl von Speiseeingängen bzw. -Ausgängen vorgesehen. Die Spe i seeiiigänge bzw. -Ausgänge der Parallelplatten-ilochfrequenzlinse sind mit der Antenneneleraentreihe über definierte elektrische Leitungswege gekoppelt, wobei diese Leitungswege die nach Art einer gedruckten Schaltung hergestellten Ubertragungsleitungen sind.

809807/0480

iiei einer anderen Antenne mit einer Antenneiielementanordiiung sind die Parallelplatten-Hochfrequenzlinse und die Speiseeingänge bzw. -Ausgänge als gedruckte Schaltung auf einem kreisscheibenförmigen dielektrischen Träger vorgesehen und die Antennenelemente befinden sich als Aufdruck in einem zweiten dielektrischen Träger ringförmiger Gestalt. Die Speiseeingänge bzw. -Ausgänge und die Antennenelemente sind miteinander über definierte Leitungswege gekoppelt, etwa über Koaxialkabel. In beiden Fällen ist es bei richtiger Einstellung der definierten Leitungswege möglich, eine gewünschte Anzahl von Kichtcharakteristiken oder Richtstrahlen zu erzeugen, welche jeweils einen Verstärkungsgewinn entsprechend der gesamten Antennenöffnung und jeweils unterschiedlichen Abtastwinkel aufweisen. Die bekannten Antennen besitzen jedoch einen vergleichsweise komplizierten Aufbau und sind in der Herstellung kostspielig.

Dtirch die vorliegende Erfindung soll daher die Aufgabe gelöst werden, Aufbau und Herstellung von eine Mehrzahl von Richtstrahlen aufweisenden Hochfrequenzantennen zu vereinfachen und die Herstellungskosten solcher Antennen zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an einer Hochfrequenzwellenlinse, welche uneingegreiizte Wellenübertragungswege in einer Parallelplattenanordnung nach Art gedruckter Schaltungen enthält, längs eines ersten Umfangsabschnittes eine Anzahl von Speiseeingängen bzw. -Ausgängen und längs eines zweiten Umfangsabschnittes eine sich erweiternde Strahleranordnung vorgesehen sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind im übrigen Gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche hier zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird. Nachfolgend soll ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung erläutert werden. Es stellen dar:

8098"7/0480

27U6A3

Ι'.ί,ΐ-. 1 cine perspektivische, teilweise aufgebrochen wiedergegebene Abbildung einer eine Mehrzahl von Kichtstruhieri aufweisenden llochfrequenzan Leim e,

Mg. 2 einen Schnitt durch die Antenne nach Figur 1 entsprecheiid der in dieser Figur angedeuteten Schnittlinie 2-2 und

Fig. 3 eine skizzenhafte Abbildung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Antenne nach Figur 1.

in Figur 1 ist eine eine Mehrzahl von Richtstrahlen aufweisende Jiochfrequenzantenne mit IU bezeichnet und enthält eine Mikrostreifen-Parallelplatten-riochfrequenzlinse 12 vorliegend kreisscheibenförmiger Gestalt mit einem Radius R, welcher 17»1 cm beträgt, wobei die Antenne im Frequenzbandbereich von 2,7 üllz bis 7,U lillz betrieben wird. Längs eines Teiles des Umfanges der Ilochfrequenzweli enlinse 12 befindet sich ein Mikrostr eif en-Anpassungsabschrij 11 l4. Dieser Mi krostreif en-Anpassungsabschnitt enthält eine Vielzahl dreieckig verlaufender Mikrostreifen-Speiseabschnitte 16 bis l6 zur Ankopplung einer entsprechenden Vielzahl von konxialkabelarischlüssen Ii) bis lü¹ an einen jeweils zugehörigen aus einer Vielzahl von Speiseeingängen bzw. -Ausgängen 20. bis 2U , welche um einen Teil der liochfrequenzwellenlinse 12 herum gelegen sind. Die Hochfrequenzwellenlinse und der Anpassurigsabschnitt lk liegen auf einem gemeinsamen Träger 22 und sind nach Art gedruckter Mikrostreifen-Schaltungsanordnungen hergestellt. Um den verbleibenden Teil des Umfanges der Hochfrequenzwellenlinse 12 erstreckt sich eine Strahleranordnung 24, deren Einzelheiten weiter unten diskutiert werden sollen. Es genügt hier festzustellen, daß die Strahleranordnung 24 einen in der Ε-Ebene aufgefächerten, kontinuierlichen Hornstrahler für die Antenne 10 bildet.

Unter Uezugnahme nunmehr auf Figur 2 sei der Anpassungsabschnitt Ik näher betrachtet. Man erkennt, daß die Mittelleiter

26. bis 26 (in Figur 2 ist nur der Mittelleiter 26 dargestellt) in η

— 3 —

8Q9807/0480

27U6A3

der Koaxialkabelanschlüsse lii, bis Id elektrisch mit dem Schei-

1 η

tel der dreieckigen Mikrostreif enleitunirs-Speiseabschn i tte Ib

bj s l6 verbunden sind, etwa durch eine Lötstelle. Die Außenle L-n

ter 2o. bis 2β (in Figur 2 Ist nur der Außenleiter 2o zu sehen) In η

der Koaxialkabel anschlüsse lti, bis Iu sind mechanisch an einem

1 η

Leiterblech ')0, welches beispielsweise aus Kupfer besteht, durch Schrauben 29 befestigt und elektrisch mit diesem Leiterblech verbunden. Das Leiterblech 30 erstreckt sich durchgehend über die gesainte Unterseite des dielektrischen Trägers oder der dielektrischen Platte 22 und hat die Gestalt eines nach ucin Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen aufgebrachten Lei terbelages. Der Leiterbelag )O dient als Erdungsebeue für den Mikros treif en-Anpassungsabschn i 11 l'i und stellt außerdem eine Platte der Parallelplatten-Üochfrequenzwellenlinse dar. Die zweite P1 itte der ParallelpLa tten-llochfrequenzl inse 12 wird von dem ebenfalls beispielsweise aus Kupfer bestehenden Leiterbelag 32 gebildet, ilei dem vorliegenden Ausführuiigsbeispiel betragt der Abstand von dem Mittelpunkt 0 der Linse 12 zu dem ScheiteL Jedes der Mikrostreifen-Speiseabschnitte Ib bis l6 23, 'i cm. Außerdem erstreckt sich der Anpassungsabsclmi tt lA über einen Dogen von vorliegend 200 .

Lie Strahleranordnung 2't soll nun in ihren Einzelheiten untersucht werden. Man erkennt, daß die Strahleranordnun;·, 2^ zwei bogenförmige Leiterelemente 3° und 38 enthalt, die symmetrisch an der dielektrischen Platte 22 befestigt sind. Die Leiterelemente 3b und 3^ öffnen sich, wie aus Figur 2 zu entnehmen ist, in zwei Stufen, um einen gewissen ürad der impedanzanpassung zwischen dem freien Raum und der ilochfrequenzwellenlinse 12 zu erreichen. Die Leiterelemente öffnen sich mit bezug aufeinander zunächst auf einen Winkel von a , im vorliegenden Ausf ühruiigsbeispiel von 3^,23 und nehmen unter diesem Öffnungswinkel eine Län.ve von L ein, welche im vorliegenden FaLIe 1,55 cm beträgt. Dann öffnen sich die Leiterelemente auf einen Winkel a,, von vorliegend 90 und nehmen unter diesem Öffnungswinkel eine Länge von 2,7 cm ein, so daß sie im bereich der größten Öffnung einen Abstand L.

809807/0480

~ 6- 27U643

voiicüianUer haben, welcher im vorliegenden lieispiel b,6 cm beträft. Die Leiterelemente 3b und "}<\ sind elektrisch und mechanisch mit den jeweils benachbarten der Leiterbeläge '}O bzw. 32 verbunden, welche die Para11elpLatten der Hochfrequenzweilenlinse ILJ bilden. Im einzeLnen ist auf einem dog en längs desjenigen Teiles des Unifanges der llochfrequenzwelleniinse 12, welcher im dereich der Strahlernnordnung 2^;i gelegen ist, eine Vielzahl von Defesti ,uungsblöckeii 'iü bzw. k2 in regelmäßigen Abständen voneinander vorgesehen. In der tiasis 25 bzw. 27 der Leiterelemente 36 und 3o sind jeweils mit den üefestigungsblöckeii ^O bzw. ^2 fluchtend Dohrunften hergestellt. In die Üefestigungsblöcke ku und 'l2 reichen jeweils Uefestigungsschrauben kk bzw. Ί6 hinein. Sockelstücke 'lb bzw. ¹Ul_n der mit Gewindebohrungen versehenen lief estigungsblöcke ko und 'l2 sind elektrisch und mechanisch mit der jeweils zugehörigen der Parallelplatten bzw. Leiterbeläge der tlochfrequenzwelleniinse 12 verbunden, was bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels leitfähigen Epoxyharzes erreicht wird. Die genannten Sockelstücke kO und kü sind elektrisch und mechanisch wiederum nrit dem jeweils zugehörigen der liefest igungsblöcke kO und k2 verbunden, was ebenfalls mittels leitfähigen Epoxyharzes geschehen kann. Die Schrauben kk und k6 werden so angespannt, daß sie die Leiterelemente 36 und 3Ö mechanisch sicher an der iiochf requenzwel lenlinse 12 festhalten und auch einen elektrischen Kontakt zu den Sockelstücken kü und 48 der liefestigungsblöcke ko und k'2 herstellen. Somit ist jede der Parallelplatten der flochfrequenzwellenlinse 12 elektrisch mit einem jeweils zugehörigen der Leiterelemente 36 und 3Ö verbunden. Im zusammengebauten Zustand bilden die Leiterelemente 36 und 3Ö einen kontinuierlichen, in der Ε-Ebene aufgefächerten Hornstrahler für die eine Mehrzahl von Richtstrahlen bildende Antenne 10, wobei sich dieser Hornstrahler kontinuierlich über einen Bogen von vorliegend 160 erstreckt.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß die eine Vielzahl von liichtstrahlen aufweisende Antenne 10 als Empfangsantenne eingesetzt wird, wobei der Grundsatz der Reziprozität gilt, wenn die An-

— 5 —

809807/0480

27U643

tenne als Sendeantenne verwendet wird. Ein Teil der Wellenfront einer eintreffenden planaren TEM-WeIIe₁ welche linear polarisiert sei, besitzt einen elektrischen Keldvektor, der senkrecht zur Ebene der dielektrischen Platte 22 gerichtet ist. Dieser Teil der Welle wird von dem sich in der Ε-Ebene öffnenden Hornstrahler konzentriert und regt in der Parallelplatten-liochf requenzwellenlinse 12 einen TEM-Schwinguiigsmodus an. Die Üreclmunp; der empfangenen Wellen aufgrund des Unterschiedes der Dielektrizitätskonstanten des freien Raumes und des dielektrischen Materials der Platte 22 bewirkt eine Fokussierung der Wellenenergie an einem oder mehreren der Speiseeingänge oder -Ausgänge 20 bis 2O entsprechend der Winkelabweichung der Eiiif allsr i chtung der betreffenden Welle von der iilickr i chtung der Antenne längs der Achse 5^>. Die empfangene Wellenenergie wird von dem betreffenden einen oder den mehreren der Speiseeirigänge bzw. -Ausgänge 20 bis 20 an geeignete Geräte angekoppelt, etwa an nicht dargestellte Sende-Empfangseinheiten. Dies geschieht mittels entsprechender der Koaxialkabelanschlüsse lö¹ bis Ib¹ über ebenfalls nicht, dargestellte Koaxialkabel, beispielsweise in soldier Art, wie dies in der US-Patentschrift 3 7&1 936 beschrieben ist.

Figur 3 läßt die Funktionsweise der hier beschriebenen liochfrequenzantenne noch deutlicher werden. Ein ausgewählter Speiseeingang bzw. -Ausgang A am Umfang der kreisscheibenförmigen Hochfrequenzwellenlinse des Radius H wird mit Hochfrequenzenergie gespeist. Ein erster Teil dieser Energie pflanzt sich zunächst durch die Linse hindurch längs einer Durchmesserlinie derselben, also längs des Weges AOE, fort und erreicht dann über den freien Kaum hinweg einen auf der Wellenfront W gelegenen Punkt D. Ein anderer Teil der eingespeisten Energie pflanzt sich durch die Linse hindurch längs des Weges AB fort, wobei dieser Weg einen Winkel a. gegenüber dem Fortpflanzungsweg AOE einnimmt, wonach diese Energie nach einer brechung entsprechend dem Winkel a über den freien Raum hinweg den Punkt C auf der Wellenfront W erreicht. (Es sei darauf hingewiesen, daß der Winkel a zwischen

09 807/0480

27U643

der Strecke liC und der normalen zur Tangente an den Kreis entsprechend der Hochfrequenzwe] lenlinse im Punkt ii gebildet wird). Um mit der Hochfrequenzwellenlinse ein parallelgerichtetes Strahlenbündel erzeugen zu können, wenn die Einspeisung, von liochfrequenzenergie an dem Punkt A erfolgt, müssen bekanntermaßen die elektrischen Weglängeii von dem Punkt A zum Punkt D gleich oder modulo JZTT gleich der elektrischen Weglänge von dem Punkt A zu dem Punkt C sein und weiter müssen die Strecken ED und BC senkrecht auf der Wollenfront W stehen. Setzt man die Dielektrizitätskonstante der Hochfrequenzwellenlinse mit K ein und nimmt man die Dielektrizitätskonstante des freien Raumes zu 1,0 an, so ergibt sich durch Rechnung folgendes für die Hildung eines parallelgerichteten Strahlenbündels:

a) wegen des Snell'sehen Gesetzes

fcjinCt· sr fin Ct _r

und da für Parallelrichtung gilt: 2.&J — Qf

A" = Sin 2a; /sin a; (ι)

b) wegen

^4S = 2.KR. cosd; i

gilt für Parallelrichtung oder Kollimation

.. ^ 4-cos 2a;

* f -c** λ; ₍₂₎

Für einen bereich von a. von + 6ü bis - 6ü erhält man eine zufriedenstellende Lösung der Gleichungen (l) und (2) für K 1,92 (das entspricht einer Dielektrizitätskonstante von etwa 3,7)·

809807/0480

Claims

27U643 Pa ten tan sprue lie

1. Eine Mehrzahl von Kichtstrnhlen aufweisende llochf'requenzantenne, dadurch gekennzeichnet, daß an einer üochfrequenzweilenlinse (12), welche uneingegrenzte Welleriübertragim.^swege in einer Parnllelplattenanordnung (30, 32) nach Art gedruckter Schaltungen enthält, längs eines ersten Umfangsabschnittes eine Anzahl von Speiseeingängen bzw. -Ausgängen (l'l, 2t) bis 20 ) und längs eines zweiten Ümf cuij.sabschui ttes eine sich erweiternde Strahleraiiordiiuiw: (3^» 3") vorgesehen sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dali die Mochfrequenzwellenlinse (12) einen dielektrLschen Träger (22) und nuf gegenüberliegenden Seiten desselben befindliche Le itbelä.ce (3*J> 32) aufweist und dall die sich erweiternde Strnhleranordnung ('Jb₁ 3'ύ) ein Paar mit je einem der Leiterbeläge jeweils verbundener Le itereleinente enthält.

3· Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dali mindestens der zweite Umfangsabschnitt kreisbogenformi g ist.

k. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daii die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Trägers (22) grölienordriungsmälMg 3 »7 beträgt.

8 0 9 8 Π 7 / 0 A 8 0 ORIGINAL INSPECTED