DE2727980C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zum Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzteilbereichen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei dem im Hauptpatent DE 26 45 058 C2 beschriebenen Antennensystem ergibt sich, insbesondere im nieder­ frequenten (unteren) Teilbereich, daß die dann nicht zum Einsatz kommenden Einzelantennen 1′ der zweiten Antennen- Unteranordnung infolge der Strahlungskopplung zwischen benachbarten Antennen als parasitäre Störstrahler das Richtdiagramm der ersten Unteranordnung negativ beein­ flussen. Ein Antennensystem nach dem Hauptpatent ist zu Figur 1 skizziert.

Aus der DE-OS 25 13 611 ist es bereits bekannt, daß sich die Phasenlage des Strahlungsfeldes parasitärer Antennen in bestimmten Grenzen durch einen reaktiven Abschluß der Antennen steuern läßt. Diese Maßnahme ist jedoch nicht anwendbar, wenn die Einzelantennen für den oberen und den unteren Frequenz-Teilbereich auch zugleich betrieben werden sollen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Antennensystem nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß der störende Einfluß durch infolge von Strahlungskopplung parasitären Einzelantennen wesentlich verringert ist.

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.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren noch eingehend veran­ schaulicht.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich eine Steuerung der Phasenlage der parasitären Einzelantennen (beim Betrieb im unteren Teil-Frequenzbereich einer kombinierten Strahlergruppe) in vorteilhafter Weise dadurch erreichen läßt, daß ein Teil der Energie in den Zweigen der aktiven Einzel­ antennen mit geeigneter Phaese in die Zweige der parasitären Einzelantennen überkoppelt wird.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der eine solche Maßnahme reali­ siert ist.

Sie unterscheidet sich von der bereits vorgeschlagenen An­ ordnung nach Fig. 1 durch die zusätzlich eingefügten Richt­ koppler 6, in denen jeweils eine große und eine kleine Ein­ zelantenne 1 und 1′ verkoppelt sind. Beim Betrieb im unteren Frequenz-Teilbereich wird die den Einzelantennen 1 über das Richtdiagrammformungsnetzwerk 4 zugeführte Energie zu einem gewissen Teil nach Maßgabe des Koppelfaktors k der Richt­ koppler 6 auf die dann an sich parasitären Einzelantennen 1′ ausgekoppelt. Der Koppelfaktor k ist dabei so gewählt, daß die auf diese Weise auf die Einzelantennen 1′ gebrachte Energie gegenüber der durch die Strahlungskopplung zwischen den Einzelantennen 1 und 1′ übergekoppelten Energie ein Übergewicht hat. Dadurch wird es möglich, die Phasenlage des von den Einzelantennen 1′ abgegebenen Strahlungsfeldes in geeigneter Weise zu steuern. Die Phasenlage des Strahlungs­ feldes der Einzelantennen 1′ wird durch Zwischenschaltung eines festen Phasengliedes 5 mit der Phase ϕ _K zwischen Richt­ koppler 6 und Einzelantenne 1′ festgelegt. Die Phase ϕ _K läßt sich experimentell einfach dadurch ermitteln, daß entweder die Phasenlage des von den Einzelantennen 1 und 1′ abgestrahlten Feldes mit Hilfe von Meßsonden in engem Abstand vor den Ein­ zelantennen gemessen wird oder aber die Strahlungscharakte­ ristik der Antennengruppe in Abhängigkeit von der Bemessung der Phase ϕ _K untersucht wird. Bei optimalem Wert von ϕ _K zeigt die Strahlungscharakteristik ein Maximum an Gewinn und Neben­ keulendämpfung.

Das Phasenglied 5 kann in den meisten Fällen durch ein Lei­ tungsstück geeigneter Länge realisiert werden. Der Phasen- Frequenzgang darf vernachlässigt werden, falls ein Richt­ koppler mit Resonanz-Eigenschaften verwendet wird. Die Reso­ nanz-Frequenz dieses Richtkopplers wird näherungsweise mit der oberen Grenzfrequenz des unteren Frequenz-Teilbereichs in Übereinstimmung gebracht, weil sich hier die nachteilige Strahlungskopplung am stärksten auswirkt.

Nach tieferen Frequenzen hin wird die Strahlungskopplung wegen der dann relativ zur Wellenlänge zu kleinen Abmessungen der Einzelantenne 1′ immer kleiner. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Koppelfaktor des Richtkopplers 6 in diesem Frequenz­ bereich rasch abnimmt, der Phasen-Frequenzgang des zwischen­ geschalteten Phasengliedes 5 wirkt sich dann in geringerem Maße auf die Strahlungscharakteristik aus und die starke Fehlanpassung der Einzelantennen 1′ hat eine verminderte Rückwirkung auf die Anpassung des Gesamtnetzwerkes.

Beim Betrieb der kombinierten Antennengruppe im oberen Fre­ quenz-Teilbereich ist es erforderlich, das in den Zuleitungs­ zweig zu den Einzelantennen 1′ eingefügte Phasenglied 5 mit der Phase ϕ _K auch - wie in Fig. 2 dargestellt - im Zuleitungs­ zweig zu den Einzelantennen 1 vorzusehen, um die ursprünglich vorgegebene Phasenbelegung der Strahlungsapperatur nicht zu stören. Das Phasenglied 5 im Zuleitungszweig zu den Einzel­ antennen 1 muß jedoch - wie in Fig. 2 dargestellt - vor dem Richtkoppler 6 angeordnet sein, um die für die untere Fre­ quenz-Teilbereich optimale Phasenbeziehung zwischen der Be­ legung der Einzelantennen 1 und 1′ beibehalten zu können. Bei hinreichend großem Richtfaktor des Richtkopplers 6 - dieses ist gleichbedeutend mit einer guten Entkopplung der beiden Eingänge bzw. Ausgänge - bringt der Einbau dieses Bau­ elements keine merkliche Beeinflussung des Strahlungsver­ haltens der Antenne im oberen Frequenz-Teilbereich mit sich.

Fig. 3 zeigt zwei vorteilhafte Richtkoppler mit Resonanz- Eigenschaften, und zwar ist in Fig. 3a ein Schlitz-Leitungs­ koppler und in Fig. 3b ein Zweig-Leitungskoppler dargestellt.

Die erfindungsgemäße Ankopplung parasitärer Einzelantennen bei einer kombinierten Antennengruppe der beschriebenen Art bringt noch zusätzliche Vorteile mit sich im Falle, daß es sich um Antennengruppen mit gekrümmter Apertur, wie z. B. Zylinder- oder Kreisgruppenantennen, handelt.

Bei derartigen Antennengruppen besteht nämlich die Schwierig­ keit, daß ihre Strahlungscharakteristik bereits bei relativen Antennenabständen von weniger als einer Wellenlänge hohe Se­ kundär-Maxima im Winkelbereich Φ = ±50 bis ±100° zeigt, die als sogenannte "grating lobes" bezeichnet werden. Der Pegel dieser "grating lobes" hängt außer vom relativen An­ tennenabstand und der Verbündelung der Einzelantennen auch noch von der Krümmung der Antennenapertur ab. Als Beispiel hierfür sei angeführt, daß bei einer Durchbiegung der Apertur entsprechend einem Kreisbogen von 90° und bei einem Antennen­ abstand von 0,85 · λ der relative Pegel der "grating lobes" bezogen auf das Maximum der Strahlungskeule etwa -12 dB be­ trägt, wobei die Sekundär-Maxima bei Φ = ±70° erscheinen.

Durch die erfindungsgemäße Verkopplung der Einzelantennen wird erreicht, daß sich der effektive Abstand benachbarter Belegungspunkte der Antennenapertur bei den oberen Frequenzen des unteren Frequenz-Teilbereiches verringert. Das läßt sich dadurch erklären, daß durch die teilweise Ankopplung der parasitären Einzelantennen eine "Auffüllung" von Belegungs­ lücken herbeigeführt wird.

Bei Anwendung der Erfindung bei Zylinder- oder Kreisgruppen­ antennen ist zu berücksichtigen, daß bei unsymmetrischer An­ kopplung der Einzelantennen 1′ bezüglich des Standortes der Einzelantennen 1 die Strahlungskeule ihre Richtung in Abhän­ gigkeit vom Frequenzgang des Koppelfaktors k ändert. Diese Verschiebung des Strahlungs-Maximums läßt sich vermeiden, wenn die Ankopplung der Einzelantennen 1′ symmetrisch in bezug auf den Standort der Einzelantennen 1 vorgenommen wird. Beispiele für derartige Anordnungen sind in Fig. 4 bis 6 dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die sowohl in den Zuleitungs­ zweigen der Einzelantennen 1 als auch in jenen der Einzel­ antennen 1′ Doppel-Richtkoppler 6 enthält, um eine symmetri­ sche Verknüpfung der Einzelantennen zu erreichen.

Die Koppelfaktor k der Koppelstrecken entspricht hier der Quadratwurzel des gewünschten Koppelfaktors für eine Einzel­ antenne 1′, da jeweils zwei Koppelstrecken in Serie geschal­ tet sind. Die erforderlichen Phasenbeziehungen zwischen den Strahlungsfeldern der Einzelantennen 1 und 1′ werden durch in Fig. 4 nicht dargestellte Phasenglieder in den Ver­ bindungsleitungen zwischen den Richtkopplern erzeugt. Ein geringfügiger Nachteil der Anordnung nach Fig. 4 könnte da­ rin gesehen werden, daß ein Teil der überkoppelten Energie in den geschlingelt dargestellten Abschlußwiderständen der Richtkoppler 6 verbraucht wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere Anordnung mit symmetrischer Ver­ kopplung der Einzelantennen 1 und 1′. Die Einzelantennen 1′ sind hier jeweils über ein Paar von 1 : 1-Leistungsteilern 3 mit den Richtkopplern 6 in den Zuleitungszweigen der beiden benachbarten Einzelantennen 1 verbunden. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß die Verzweigung praktisch ver­ lustfrei arbeitet.

Fig. 6 zeigt ebenfalls eine Anordnung mit symmetrischer An­ kopplung der Einzelantennen 1′ an die Einzelantennen 1. Von Vorteil ist in diesem Fall die Tatsache, daß hier weniger Richtkoppler 6 benötigt werden. Als Nachteil erweist sich hier jedoch die Variation der Ampltiudenbelegung der Einzel­ antennen 1, die darauf zurückzuführen ist, daß nur aus dem Zuleitungszweig jeder zweite Einzelantenne 1 Energie für die Einzelantennen 1′ entnommen wird. Bei einem Koppelfaktor k von -10 dB betragen die Schwankungen der Amplitudenbelegung beispielsweise etwa 1 dB.

Berechnungen der Strahlungscharakteristik kombinierter Kreis­ gruppenantennen der beschriebenen Art haben gezeigt, daß auf eine symmetrische Ankopplung der parasitären Einzelantennen 1′ verzichtet werden kann, falls für die Ankopplung ein Koppelfaktor k von maximal -12 dB ausreicht.

Die Abweichungen der Keulen-Strahlrichtung im unteren Fre­ quenz-Teilbereich liegen dann unter 3% der Keulen-Halbwerts­ breite.

Die Auswirkungen der erfindungsgemäßen Verkopplung auf die Strahlungscharakteristik einer kombinierten Antennengruppe für zwei Frequenz-Teilbereiche sind in Fig. 7 bis 9 darge­ stellt. Ausgegangen wird hier von einer Kreisgruppenantenne mit einer Aperturdurchbiegung entsprechend einem Sektor von Ψ = 53 ¹/₃° mit N = 8 Einzelantennen 1 und einem relativen Elementabstand für die Einzelantennen 1 von d = 0,95 · λ für die obere Eck-Frequenz des unteren Frequenz-Teilbereichs. Zwischen je zwei der acht Einzelantennen 1 für den Gesamt­ frequenzbereich ist jeweils eine kleinere Einzelantenne 1′ für den oberen Frequenz-Teilbereich angeordnet, d. h. es sind insgesamt N = 7 Einzelantennen 1′, die erfindungsgemäß über Richtkoppler an die großen Einzelantennen 1 angekoppelt sind. Der Koppelfaktor k der Richtkoppler ist mit -13 dB so gewählt, daß die Ankopplung über die Richtkoppler gegenüber einer vorgegebenen Strahlungskopplung der Einzelantennen 1 und 1′ von -18 dB ein Übergewicht hat.

Fig. 7 zeigt das berechnete Strahlungsdiagramm dieser Antennen­ gruppe bei der oberen Eck-Frequenz des unteren Frequenz- Teilbereichs für den Fall, daß die Anwesenheit der kleinen Einzelantennen 1′ vernachlässigt wird. Es zeigt sich, daß der Pegel der unter einem Abstrahlwinkel Φ von +70 bzw. -70° auftretenden sogenannten "grating lobes" in diesem Fall bei etwa -11 dB liegt, was vorwiegend auf den relativ großen Antennenabstand d von 0,95 · λ zurückzuführen ist.

Fig. 8 zeigt eine berechnete Strahlungscharakteristik der­ selben Antennengruppe unter der Voraussetzung, daß die Einzel­ antennen 1′ durch Strahlungskopplung mit einem Koppelfaktor von -18 dB angeregt sind und ihr Strahlungsfeld gegenüber demjenigen der Einzelantennen 1 eine Phasendifferenz von 120° aufweist.

Diese Phasendifferenz deckt sich mit Erfahrungswerten für Gruppenantennen. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß die Sekundär-Maxima durch den Einfluß der erwähnten Strahlungs­ kopplung um etwa 2 dB auf -9 dB ansteigen.

Fig. 9 zeigt die Strahlungscharakteristik derselben Antennen­ gruppe für den Fall, daß die Einzelantennen 1′ zusätzlich zu der erwähnten Strahlungskopplung erfindungsgemäß über Richt­ koppler an die Einzelantennen 1 angekoppelt sind. Der Pegel der Sekundär-Maxima liegt hier mit -14 dB um etwa 5 dB tiefer als in Fig. 8. Damit verbunden ist eine Anhebung des Antennen­ gewinns des Strahlungsmaximums um rund 2 dB.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung sich natürlich nicht auf den ausführlich erläuterten Spezialfall der kombinierten Antennengruppe beschränkt, sie erstreckt sich vielmehr auch auf Anordnungen mit bezüglich der Gruppen­ anzahl und der Gruppenfrequenzbereiche beliebigen Gegeben­ heiten.

Claims (4)

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 alle Einzelantennen (1, 1′) dieselbe obere Grenzfrequenz, die Einzelantennen der zweiten Unteranordnung (1′) jedoch eine höhere untere Grenz­ frequenz als die der ersten Unteranordnung (1) aufweisen und zum Betrieb im niederfrequenten Teilbereich nur Einzelantennen der ersten Unteranordnung (1), zum Betrieb im höherfrequenten Teilbereich hingegen Einzelantennen der ersten (1) und der zweiten (1′) Unteranordnung zusammengeschaltet sind, nach Patent 26 45 058, dadurch gekennzeichnet, daß zu verschiedenen Unteranordnungen gehörende benachbarte Einzelantennen (1, 1′) über Richtkoppler (6) miteinander verkoppelt sind (Fig. 2).

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Richtkoppler (6) und Einzelantenne (1′) ein justier­ bares Phasenglied (5), vorzugsweise in Form eines Stückes Verbindungsleitung, eingefügt ist (Fig. 2).

3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Richtkoppler (6) als Resonanz-Richtkoppler ausgebildet sind, deren Resonanzfrequenz annähernd mit der oberen Grenzfrequenz des niederfrequenten Teilbereichs über­ einstimmt.

4. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei symmetrischer Anordnung der Einzel­ antennen (1′) der einen Unteranordnung bezüglich der Einzel­ antennen (1) der anderen Unteranordnung die Richt­ koppler (6) als symmetrische Doppel-Richtkoppler ausgebildet sind, in denen jeweils zwei Einzelantennen (1′) der einen Unteranordnung mit einer Einzelantenne (1) der anderen Unter­ anordnung verkoppelt sind (Fig. 4, 5, 6).