DE2744192A1

DE2744192A1 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE2744192A1
Application number: DE19772744192
Authority: DE
Inventors: Richard Thomas Dover; Christian Otto Hemmi; Oren Byrl Kesler
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1978-04-06
Also published as: FR2366711A1; US4100548A; GB1582174A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung und insbesondere auf eine bifokale Segmentantennemnordnung.

Wenn eine große Richtwirkung in einer Ebene und ein breites Strahlungsdiagramm in der anderen Ebene erforderlich war, wurde bisher die Segmentantenne angewendet. Die Segmentantenne enthält ein kurzes LängenstUck einer parabolzylindrischen Antenne, dessen Enden mit Metallplatten abgeschlossen sind, so daß das Feld auf eine von parallelen Platten gebildete Wellenleiterzone begrenzt ist. Der Abstand zwischen den zwei Metallplatten ist dabei so eng, daß sich nur ein Wellentyp in der gewünschten Polarisierungsrichtung ausbreiten kann. Der mit einer Segmentantenne erreichbare Wirkungsgrad beträgt bis zu 80%.

Zur Strahlschwenkung wurde die Segmentantenne mit einem parabolischen oder zylindrischen Streifenfeflektor benutzt,

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der zwischen parallelen Platten und einer rotierenden Einspeisung befestigt war. Häufiger jedoch wurde eine mehrschichtige Segmentantenne mit einem Feld aus Speiseelementen und einem einzigen parabolischen Reflektor zur Bildung einer elektronisch schrittweise geschwenkten Antenne verwendet. Sie hatte eine Halbwertsbreite von 3 bei einer Strahlschwenkung über einen Winkelsektor von 18 .

Ein Hauptnachteil einer Segmentantenne mit parabolischem Reflektor und Strahlschwenkung ist der Koma-Abbildungsfehler, der auftritt, wenn der Speisungspunkt vom parabolischen Brennpunkt wegbewegt wird. Dieser Abbildungsfehler erzeugt ein asymmetrisches Strahlungsdiagramm und verschlechterte Seitenkeulenpegel,die bei zunehmendem SchwenkwJntel noch schlechter werden. Die Asymmetrien und die hohen Seitenkeulenpegel begrenzen den brauchbaren Schwenkbereich.

Ein Hauptnachteil der mehrschichtigen, mit elektronischer Strahlschwenkung arbeitenden Segmentantenne besteht darin, daß sie bei Seitenkeulen mit -12dB über mehr als die Hälfte des Schwenkbereichs den derzeitigen Anforderungen der Luftverkehr süberwachung nicht gerecht wird.

Mit Hilfe der Erfindung soll daher eine verbesserte Richtantennenanordnung geschaffen werden. Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung der Schwenkbereich einer Richtantenne vergrößert werden. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Richtantenne soll verringerte Seitenkeulenpegel aufweisen. Auch die Strahlbreite der mit Hilfe der Erfindung zu schaffenden Antenne soll verringert sein. Mit Hilfe der Erfindung soll ferner eine bifokale Segmentantenne geschaffen werden.

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Mit Hilfe der Erfindung wird eine anschliessend noch genauer zu beschreibende bifokale Segmentantenne geschaffen, die eine Strahlbreite von etwa 1,5°, einen Schwenksektor von 20° und einen ungünstigsten Seitenkeulenpegel von -24,5dB über den gesamten Schwenkbereich aufweist.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine Ansicht einer bifokalen Segmentantenne beim Einsatz auf einem Flughafen,

Fig.2 ein Blockschaltbild der Schwenkschaltungen für das Speiseantennenfeld,

Fig.3a eine bifokale Segmentantenne mit fünf ebenen Platten mit Speisestrahlerfeld, wobei ein Abschnitt der oberen Platte weggebrochen ist, damit das Innere des ersten Kanalabschnitts freigelegt wird,

Fig.3b die bifokale Segmentantenne von Fig.3a mit entferntem Speisestrahlerfeld und entfernter erster ebener Platte, wobei die obere Platte des zweiten Kanalabschnitts weggebrochen ist, damit das Innere des zweiten Kanalabschnitts erkennbar wird,

Fig.3c die bifokale Segmentantenne von Fig.3b, wobei die zweite ebene Platte entfernt ist, während die obere Platte des dritten Kanalabschnitts weggebrochen ist, damit das Innere des dritten Kanalabschnitts erkennbar wird,

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Fig.3d die bifokale Segmentantenne von Fig.3c mit entfernter dritter ebener Platte, wobei die obere Platte des vierten Kanalabschnitts weggebrochen ist, damit das Innere des vierten Kanalabschnitts erkennbar wird,

Fig.h eine Schnittansicht der bifokalen Segmentantenne,

Fig.5 ein Diagramm der Geometrie der Reflektoren und des Speisestrahlerfeldes für die bifokale Segmentantenne,

Fig.6 eine Schnittansicht des Parallelplattenhorns,

Fig.7a bis 7e berechnete Vertikaldiagramme bei ausgewählten Höhenwinkeln,

Fig.8a bis 8e gemessene Vertikaldiagramme bei ausgewählten Höhenwinkeln und

Fig.9 eine zweite Ausführungsform der bifokalen Segmentantenne .

In Fig.1 ist eine bifokale Segmentantennenanordnung 10 dargestellt, die als Höhenabtaster in einem Höhenleit-Untersystem eines Mikrowellen-Landesystems arbeitet. Die Segmentantennenanordnung 10 leitet gemäß der Darstellung ein Flugzeug 12 zu einer sicheren Landung beim Flughafen 14. Für den Fachmann ist aus der Beschreibung des bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung erkennbar, daß die bifokale Segmentantennenanordnung in vielen anderen Fällen eingesetzt werden kann, in denen eine Strahlschwenkung erforderlich ist. Für das Landen des

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Flugzeugs 12 wird die Segmentantennenanorcnung 10 bei einer vorgewählten Frequenz betrieben, damit ein konisches Strahlungsdiagramm erzeugt wird, das einen gewünschten Winkelbereich α mit einer vorgewählten Ablenkgeschwindigkeit durschschwenkt. Beispielsweise strahlt eine anschliessend zu beschreibende Segmentantennenanordnung 10 ein HF-Signal mit einer Frequenz von 5,18 GHz zur Abtastung eines Winkelbereichs von 0 bis 20° mit einer Schwenkgeschwindigkeit von 20 000° pro Sekunde ab.

Die bifokale Segmentantennenanordnung 10 enthält ein Gehäuse 16 für die Elektronik und für eine Segmentantenne Die Elektronik enthält die Energieversorgungseinheit, ein Steuerwerk und Ablenkschaltungen. Die bifokale Segmentantenne 18 ist elektrisch mit der Ablenkschaltung des Gehäuses 16 verbunden, und sie ist in einem vorgewählten Winkel ß nach oben geneigt.

Für die Beschreibung der Ablenkschaltungen sei auf Fig.2 Bezug genommen; aus einer (nicht dargestellten) Quelle wird einem Vierfach-Leistungsteiler 20 HF-Energie zugeführt. Die Ausgänge des Vierfach-Leistungsteilers sind an vier elektronisch gesteuerte Dämpfungsglieder 22, 24, 26 und 28 angeschlossen. An die vier elektronisch gesteuerten Dämpfungsglieder sind vier einpolige Sechsfachumschalter 30, 32, 34 und 36 angeschlossen.

Die elektronisch gesteuerten Dämpfungsglieder 22 bis 28 und die Schalter 30 bis 36 der Ablenkschaltungen werden von einem Steuerwerk 38 in selektiver Weise mit Energie versorgt. Ein Taktgeber 40 liefert Taktsignale an das Steuerwerk 38. Das Steuerwerk enthält in einem Schaltungs-

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teil einen an einen Digital-Analog-Umsetzer angeschlossenen Festspeicher und in einem anderen Schaltungsteil mehrere Schieberegister. Der Festspeicher ist so programmiert, daß er den Digital-Analog-Umsetzer betätigt, damit dieser den Dämpfungsgliedern 22 bis 28 in zeitlicher Folge Signale mit abgestufter Spannungsamplitude, beispielsweise von 0 Volt bis 10 Volt und auf Wunsch wieder zurück auf 0 Volt zuführt. Die elektronisch gesteuerten Dämpfungsglieder 22 bis 28 werden auf diese Weise zyklisch so betätigt, daß die für das Element Z, d.h. irgendeines der Elemente A bis W verfügbare relative HF-Spannung folgendermaßen darstellbar ist:

V_z (t) = cos²( nt/200 -

für 50 θ_ζ - i00£t^50 θ_ζ + 100 wobei gilt:

V- (t) = 0 für alle anderen Werte von t,

(t in Mikrosekunden und Θ- in Grad).

Die Schieberegister schließen in ausgewählter Weise Klemmen der Schalter 30 bis 36, damit gleichzeitig für die Dauer von 5OyUS die Speiseelemente A, B, C, D, dann für die Dauer von 50*us die Speiseelemente B, C, D, E usw. gespeist werden, bis schließlich das letzte Speiseelement W erreicht ist. Mit dieser Steuerung liefern die Ablenkschaltungen an jedes Speiseelement der bifokalen Segmentantenne glatt aufeinanderfolgend eine kontinuierlich modulierte Energie, damit eine kontinuierliche Strahlschwenkung mit einer Geschwindigkeit von 20 000° pro Sekunde erreicht wird. Wenn diese Folge umgekehrt wird und beim Element W

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beginnt, kann der Strahl in der umgekehrten Richtung von 20 bis 60 geschwenkt werden. Da das Taktsteuerwerk und die Ablenkschaltung dem Fachmann geläufig sind, ist hier keine nähere Beschreibung erforderlich. Für nähere Einzelheiten sei auf die Patentanmeldung P 26 21 211.3 verwiesen.

Nach Fig.3a enthält das Speisestrahlerfeld der bifokalen Segmentantenne beispielsweise 23 Speiseelemente A bis W, die 23 .Strahlen erzeugen.

Die Anzahl der Speiseelemente kann sich zur Erfüllung der hinsichtlich des Schwenkbereichs des kontinuierlich schwenkenden Strahls gestellten Forderungen ändern. Wenn eine zu geringe Anzahl von Speiseelementen benutzt wird, dann entstehen rtörenergiediagramme, die die gewünschten Strahlungsdiagramme verschlechtern. Die Speiseelemente sind an die Klemmen der einpoligen Sechsfachschalter 30 bis 36 folgendermaßen angeschlossen; die Elemente A, E, I, M, Q und U sind an den Schalter 30 angeschlossen; die Elemente B, F, J, N, R und V sind an den Schalter 32 angeschlossen, die Elemente C, G, K, 0, S und W sind an den Schalter 34 angeschlossen und die Elemente, D, H, L, P und T sind an den Schalter 36 angeschlossen. Eine Klemme des Schalters 36 1st nicht benutzt.

In Fig.4 ist ein für die Speiseelemente A bis W repräsentatives Speiseelement in einem Schnitt des Wellenleiters der bifokalen Segmentantenne 18 dargestellt; Jedes Speiseelement weist ein mechanisches Dämpfungsglied 44 auf, das an eine Klemme der Schalter 30 bis 36 und an das Speiseelement 46 angeschlossen ist. Das mechanische Dlmpfungsglied gleicht die Anregungsamplitude des Speiseelements ab. Die

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gewünschte Anregungsphase des Speiseelements wird dadurch erzielt, daß die Länge der zum Verbinden der Schalter bis 36 mit dem zugehörigen Dämpfungsglied verbundenen Koaxialkabel eingestellt wird. Die Speiseelemente 46 sind Koaxialanschlüsse, wie sie von der American Microwave Industries Inc. hergestellt werden; sie sind dadurch modifiziert, daß angrenzend an das Ende des freiliegenden Innenleiters eine Messingbüchse 48 befestigt ist. Der Innenleiter und die Messingbüchse 48 bilden im Wellenleiter 42 ein Strahlerelement. Der Wellenleiter 42 enthält vier Kanalabschnitte 50, 52, 54 und 56, eine Masseebenenschiene 58, einen Teilreflektor 60, einen geraden Reflektor 62 , einen Hauptreflektor 64 und einen Plattenhornstrahler 66. Der Kanalabschnitt 50 verläuft parallel zum Kanalabschnitt 52. Sein Ende, das dem auf der Masseebene aufliegenden Ende gegenüberliegt, steht mit einem Ende des Kanalabschnitts 52 in Verbindung. Der Teilreflektor 60 ist an den Enden der Kanalabschnitte 50 und 52 befestigt. Der Kanalabschnitt 52 verläuft seinerseits parallel zum Kanalabschnitt 54, und sein dem Teilreflektorende gegenüberliegendes Ende steht mit dem Kanalabschnitt 54 in Verbindung. Der gerade Reflektor 62 ist an diesem Ende der Kanalabschnitte 52 und 54 befestigt. Der Kanalabschnitt 54 verläuft parallel zum Kanalabschnitt 56; sein dem geraden Reflektor gegenüberliegendes Ende steht mit dem Kanalabschnitt 56 in Verbindung. Der Hauptreflektor 62 ist an diesem Ende der Kanalabschnitte 54 und 56 befestigt. Das Plattenhorn 66 (Fig.6) ist an Flanschen (Fig.4) dieses Endes des Kanalabschnitts 56 befestigt, das dem Hauptreflektorende gegenüberliegt.

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Die Kanalabschnitte 50 bis 56 sind beispielsweise durch mehrere ebene Platten 70 gebildet. Jede Platte 70 ist beispielsweise dadurch gebildet, daß unter Verwendung eines Epoxydklebers Aluminiumplatten mit einer Dicke von 1,6 mm (1/16 inch) mit Seiten einer Kunststoffwabenstruktur mit einer Dicke von 9,5 mm (3/8 inch) verklebt werden.Zur Erzielung einer zusätzlichen Festigkeit längs der Plattenränder sind Aluminiumstäbe mit einer Dicke von 1,25 mm (1/2 inch) zwischen angrenzende Aluminiumplatten in der Nähe ihrer Ränder eingefügt. Die Platten sind im Abstand von der jeweils anderen Platte beginnend mit der ersten oder oberen Platte ineinandergeschachtelt, wobei Enden über entsprechende Enden angrenzender Platten an einer Seite hinausragen, während die anderen Enden bis kurz vor entsprechende Enden der angrenzenden Platten reichen. Bei dieser Anordnung entstehen die Kanalabschnitte 50 bis 56 mit einem von der Masseplatte abgeschlossenen Ende des Kanalabschnitts 50, mit der 180°-Biegung am anderen Ende des Kanals 50 angrenzend an das angrenzende Ende des vom Teilreflektor und vom geraden Reflektor gebildeten Kanalabschnitts 52, mit der 180°-Biegung am anderen Ende des Kanalabschnitts 52 und dem angrenzenden Ende des vom Hauptreflektor gebildeten Kanalabschnitts 5^ zur Erzeugung einer kontinuierlichen Durchführung von der Masseebene zum Plattenhorn 66 (Fig.6). Das Plattenhorn bildet eine Strahlungsöffnung. Der gewünschte Betriebsmodus der Antenne und die Frequenz bestimmen die Dicke der Wellenleiterkanäle. Für eine TEM-Welle (transversalelektromagnetische Welle) und eine Frequenz von 5,188 GHz, liegen die Platten in einem Abstand von 1,25 mm voneinander entfernt; bei diesem Abstand wird die Ausbreitung von Wellentypen höherer Ordnung in dem Wellenleiterkanal verhindert.

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Nach Fig.3 ist das Speisestrahlerfeld 68 mit 23 Speiseelementen A bis W in gebogener Form an der oberen Platte 70 des Kanalabschnitts 50 befestigt. Die Krümmung des Speisestrahlerfeldes ist so ausgeführt, daß sich die beste Fokussierung für jedes Element ergibt; sie kann dadurch bestimmt werden, daß verschiedene Speisepunkte gewählt werden und daß die Phasenverteilung der Abstrahlung von den Reflektoren für den Speisepunkt berechnet wird. Die beste Fokussierung wird dann erhalten, wenn eine minimale Abweichung von einer linearen Phasenverteilung erzielt wird. Die X-und Y-Koordinaten für den Ort jeder Speisesonde in dem Ausführungsbeispiel sind in der am Schluß der Beschreibung angefügten Tabelle I angegeben. Jede Speisesonde ist in einem Abstand von 14,48 mm (0,57 inch) vor der Masseplatte 58 angebracht. Die Masseplatte 58, die aus Aluminium hergestellt sein kann, weist Außenkanten auf, die der Form des Endabschnitts der den Kanalabschnitt bildenden Platte 70 entsprechen; ihre Dicke entspricht der Kanaldicke, damit ein Ende des Kanalabschnitts 50 abgeschlossen wird, und sie weist eine bogenförmige Innenkantenoberfläche auf, die die Masseebene für die Speiseelemente A bis W bildet. Die Krümmung der Masseebene kann aus der folgenden Polynomgleichung berechnet werden:

X = 0,94112355 + 0,118832666 (1O~⁶) Y² - O,53259O64(1O"⁵)Y^A + O,427OO35O(1O"⁸) Y⁶

Y liegt dabei im Bereich zwischen -30 inches und + 30 inches, wobei die X- und Y-Werte in inch angegeben sind. Die Ränder der oberen Platte 70 des Kanalabschnitts 50 divergieren von den Überschneidungspunkten mit der Masseebene zu den Enden des Teilreflektors 60 hin. Der Divergenzwinkel ist derjenige, der notwendig ist, um die Kanalränder außerhalb des HF-Energiewegs zu halten. Die Außenflächen des Teilreflektors 60 sind so profiliert, daß eine die Kanalabschnitte 50 und

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verbindende 180°-Biegung und eine gekrümmte Vertikalfläche entsteht. Die gekrümmte Vertikal!lache des Teilreflektors ergibt sich aus der folgenden Polynomgleichung:

X = 39,277466 - O,1736O33O(1O~²) Y² - 0,36936757 (10"⁶)Y⁴ + 0,58100011 (10"¹⁰) Y⁶

Y liegt dabei im Bereich zwischen -45 inches und + 45 inches.

Zur Erzielung eines guten Durchlässigkeitswirkungsgrades durch die 180°-Biegung sind die Ecken des Teilreflektors gemäß Fig.4 abgeschrägt. Die untere Platte 70 des Kanalabschnitts 50 (Fig.3b) bildet die obere Platte des Kanalabschnitts 52. Die Ränder der die Oberseite des Kanalabschnitts 52 bildenden Platte 70 divergieren von den Enden des Teilreflektors 60 zu den Enden des geraden Reflektors 62. Auch hier ist der Divergenzwinkel wieder so groß, wie es erforderlich ist, um die Kanalränder aus dem HF-Energieweg herauszuhalten. Der gerade Reflektor 62 ist so angebracht, daß er zwischen den Kanalabschnitten und 54 in einem etwa dem halben Abstand zwischen dem Teilreflektor 60 und dem Hauptreflektor 64 entsprechenden Abstand eine 180°-Biegung bildet. Die Ecken des geraden Reflektors sind ebenfalls abgeschrägt, damit eine gute Durchlässigkeit um die 180°-Biegung erhalten wird.

Die untere Platte 70 des Kanalabschnitts 52 ist die obere Platte des Kanalabschnitts 54 (Fig.3c)j sie weist divergierende Ränder auf, die sich von den Enden des geraden Reflektors 62 aus zu den Enden des Hauptreflektors 64 erstrecken. Auch hier ist der Div«rgenzwinkel so groß, wie es notwendig ist, um die Kanälränder aus dem HF-Energieweg herauszuhalten. Die Außenkanten des Haupt-

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reflektors 64 sind so geformt, daß eine die Kanalabschnitte 54 und 56 verbindende 180°-Biegung und eine gekrümmte Innenfläche entstehen. Das Profil des Hauptreflektors 64 läßt sich aus der folgenden Polynomgleichung ableiten:

X = - 38,255753 + 0,18550104(10~²) Y² -0,6699391 (1Cf⁸) Y⁴ - 0,25855993 (1O~¹¹) Y⁶

Y liegt im Bereich zwischen - 55 inches und + 55 inches.

Die Ecken des Hauptreflektors 64 sind ebenfalls abgeschrägt,

damit eine gute Durchlässigkeit um die 180°-Biegung erhalten

Die untere Platte 70 des Kanalabschnitts 54 bildet die obere Platte des Kanalabschnitts 56 (Fig.3d); dabei erstrecken sich divergierende Ränder von den Enden des Hauptreflektors 64 zu dem die Strahlungsöffnung bildenden Plattenhorn. Die Bodenplatte 70 ist so geformt, daß sie der Form der oberen Platte 70 des Kanalabschnitts 56 entspricht.

Die Kanalabschnitte 50 bis 56 werden dadurch fertiggestellt, daß zwischen den die Kanäle bildenden Platten Seitenleisten angebracht werden, die die Räume zwischen benachbarten Platten verschließen. Zur Aufrechterhaltung des Plattenabstandes können aus Kunststoff bestehende Abstandshalter während der Fabrikation in die Kanalabschnitte eingefügt werden.

Ferner kann angrenzend an die Seitenleisten auf die Platten 70 ein HF-Energie absorbierendes Material wie eine kohlenstoffverstärkte Silikonverbindung aufgebracht werden, damit eine Überlaufenergiestrahlung in die Seitenleisten absorbiert wird. Die Absorption der Überlaufenergie führt

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zu einer beträchtlichen Störungsminderung bei der gewünschten Energieaussendung.

Die zwei speziell geformten Reflektoren 60 und 64 ergeben zwei Brennpunkte. Das mathematische Verfahren zum Zusammensetzen der Reflektorforraen zur Erzielung eines bifokalen Betriebs ist in dem Aufsatz "Bifocal Dual Reflector Antenna" von Rao in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-22, Nr.5, September 1974, Seiten 711-714 be schrieben.Zur Bestimmung der Reflektorformen für eine bifokale Segmentantenne wird das gleiche mathematische Synthese-Verfahren angewendet, doch wird nur ein einer Mittelscheibe des dreidimensionalen Reflektors entsprechender streifen ausgenutzt.

Das Diagramm von Fig.5 zeigt die geometrische Anordnung des Speisestrahlerfeldes und der zwei Reflektoren. Bei diesen Reflektorformen liegen die zwei Brennpunkte bei 5,2 5° zu beiden Seiten der Mittellinie der zwei Reflektoren. Zur Optimierung des Verhaltens der bifokalen Segmentantenne über einen Schwenkbereich von 0° bis 20° sind die zwei Reflektoren und das Speisestrahlerfeld um 7,5° gegenüber der strählenden Öffnung geneigt.

In Fig.6 ist das Parallelplattenhorn 66 dargestellt, das am offenen Ende des Kanals 56 zur Bildung der Strahlungsöffnung der Antenne befestigt ist. Das Parallelplattenhorn ergibt einen angepaßten Übergang in den freien Raum. Die Gestalt des Horns bestimmt die Form des Azimutaldiagramms. Damit eine azimutale Strahlungsform erzielt wird, bei der gegenüber der Strahlung eines gewöhnlichen Horns eine zusätzliche Amplitudenanhebung an der Mittellinie vorliegt, wird ein aus zwei Abschnitten zusammengesetztes Horn mit einer doppelten Erweiterung benutzt. Das Horn 66 besteht aus

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zwei flachen Platten 76 und 78 , die so geformt sind, daß parallele Abschnitte mit Endflanschen zur Befestigung an den entsprechenden Flanschen der Platten des Kanals entstehen, ersten divergierenden Teilen 80 für den ersten Abschnitt, kurzen Umbiegeteilen 82 und zweiten divergierenden Teilen 84 für den zweiten Abschnitt. Die ersten und zweiten Abschnittsteile 80 und 8'» der Platten 76 und 78 divergieren mit vorgewühlten WInKeJnL₁ und Lp.

In der bevorzugten Ausführungsform arbeitet die Antenne mit einem TEM-Wellentyp und mit horizontaler Polarisation, wenn die strahlende öffnung vertikal angeordnet ist. Wenn eine vertikale Polarisation erforderlich ist, wird vor das strahlende Horn Ik ein Polarisator 86 gesetzt. Ein geeigneter Polarisator ist der Lerner-Polarisator, der in dem Aufsatz "A Wave Polarization Converter for Circular Polarization" in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Band Ap-13 beschrieben ist. Der Polarisator besteht aus mehreren (aus sechs) Schichten aus kupferplattiertem Glasfasermaterial, das zur Bildung eines Musters aus Kupferrechtecken und Kupferleitungen geätzt worden ist. Die Schichten werden mittels Kunststoffblöcken mit Bienenwabenstruktur im Abstand voneinander gehäL ten. Im Betrieb setzt ein erster Teil der mit Kupfer beschichteten und geätzten Glasfaserplatten (drei Platte) die horizontale Polarisation in eine zirkuläre Polarisation um, und ein zweiter Teil (drei Platten) setzt die zirkuläre Polarisation in die gewünschte vertikale Polarisation um.

Für den Fachmann 1st erkennbar, daß die bifokale Segmentantenne als Minimum unter Verwendung von zwei geformten Reflektoren, vier ebenen Platten und das Speiestrahlerfeld gebildet werden kann. In einem solchen Aufbau dienen

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die Reflektoren auch als 180°-KrUmmer für die aus parallelen Platten gebildeten Wellenleiter. Zur Reduzierung der Antennenabmessungen können ein oder mehrere gerade Reflektoren wie in dem Ausführungsbeispiel verwendet werden.

Im Betrieb schlie0t das Steuerwerk 38 gleichzeitig Kontakte der Schalter 30 bis 36, damit die Speiseelemente A, B, C und D gleichzeitig erregt werden. Bei einem Höhenwinkel von 0° befindet sich das Element A auf dem Pegel von -6 dB, bei abnehmendem Pegel, das Element B befindet sich auf dem Pegel von 0 dB bei abnehmendem Pegel, das Element C befindet sich auf dem Pegel -6 dB bei steigendem Pegel und das Element D befindet sich auf dem Pegel von -30 dB bei steigendem Pegel. Beim Höhenwinkel von 1° ist das Element A abgeschaltet, das Element B befindet sich auf dem Pegel von -6dB bei abnehmendem Pegel, das Element C befindet sich auf dem Pegel von O dB bei abnehmendem Pegel, das Element D befindet sich auf dem Pegel von -6dB bei steigendem Pegel und das Element E ist eingeschaltet worden und befindet sich auf dem Pegel von 30 dB bei steigendem Pegel. Bei jeweils drei benachbarten Speiseelementen, die mit relativen Leistungspegeln von -6dB, O dB und -6 dB gleichzeitig erregt werden, wird ein Strahl mit einer Ctrahlbreite von 1,5° und einem Seitenkeulenpegel von -24,5 dB oder besser abgestrahlt. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zu der Situation, bei der nur ein Element derAntenne erregt ist und einen rtrahl mit einer Strahlbreite von 1,23° und Seitenkeulenpegeln von -13 dB abstrahlt. Der Richtwinkel jedes f.trahls ist in der Tabelle I angegeben. Die Tabelle I gibt auch die Anregungsphasenlage jedes der Speisenelemente A-W und 6 an. Die richtige Phasenbeziehung

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zwischen jeder Speisung ist dann kritisch, wenn mehrere (U) Speiseelemente gleichzeitig erregt werden. Bei dem Speisefeld und den zwei Reflektoren, die so ausgelegt sind, daß zwei außermittige Brennpunkte entstehen, strahlen die an den Speisesonden erzeugten Energiewellen in allen Richtungen, wobei der auf die Masseebene fallende Anteil gegen den Teilreflektor reflektiert wird. Der Teilreflektor reflektiert die Energiewellen mit einem beträchtlich größeren Radius als dem Radius der empfangenen Wellen zum Hauptreflektor. Die vom Hauptreflektor reflektierten Energiewellen sind im wesentlichen gerade oder lineare Wellen.

Für die als Ausführungsbeispiel dargestellte bifokale Segmentantenne wurden Vertikaldiagramme für 0°, 3 » 5 , 10° und 15° berechnet; diese Diagramme sind in den Figuren 7a bis 7e dargestellt. Ein Vergleich der berechneten Vertikaldiagramme mit den in den Figuren 8a bis 8e dargestellten gemessenen Diagrammen für 0°, 2,8°, 5°, 10° und 15 der bifokalen Segmentantenne gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt, daß die Diagramme im wesentlichen übereinstimmen.

In Fig.9 ist dargestellt, wie die bifokale Segmentantenne 18 zur Speisung eines zylindrischen Rei ektors 88 zur Erzielung eines schmalen Strahlungsdiagramms in einer ■ nderen Ebene benutzt wird.

Die Erfindung ist hier im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch kann der Faclimann erkennen, daß im Rahmen der Erfindung ohne weiteres Abwandlungen möglich s i nd.

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Tabelle I

Speise- Y-Lage X-Lage

element (inch) (inch)

A 13,903 1,1780

B 12,305 0,7432

C 10,693 0,3486

D 9,069 -0,0015

E 7,435 -0,3025

F 5,792 -0,5499

G 4,142 -0,7396

H 2,487 -0,8681

I 0,829 -0,9330

a -0,829 -0,9330

K -2,487 -0,8681

L -4,142 -0,7396

M -5,792 -0,5499

N -7,435 -0,3025

0 -9,069 -0,0015

P -10,693 0,3486

Q -12,305 0,7432

T -13,903 1,1780

D -15,487 1,6495

Y -17,056 2,155^ U -18,608 2,6949

V -20,145 3,2691

W -21,664 3,8812 21° - 634,40^c

Strahlenhöhen- winkel(Richt- winkel)	Anregungs phase
- 1°	- 275,51°
0°	- 219,16°
1°	- 167,88°
2°	- 122,22°
3°	- 82,85°
4°	- 50,40°
5°	- 25,48°
6°	- 8,55°
7°	0,0 °
8°	0,0 °
9°	- 8,55°
10°	- 25,48°
11°	- 50,40°
12°	- 82,85°
13°	- 122,22°
14°	- 167.88°
15°	- 319,16°
16°	- 275,51°
17°	- 336,44°
18°	- 401,66°
19°	- 471,13°
20°	- 545,08°

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Leerseit

Claims

Patentanwälte 97// I Dipl-Ing Dipl-Chem Dipl-Ing E. Prinz - Dr. G. Hauser' - G. Leiser Ernsh ergerstrasse 19 8 München 60 Unser Zeichen; T 2279 27.September 1977 TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED 13500 North Central Expressway Dallas, Texas, V.St.A. Patentansprüche

1. Antennenanordnung gekennzeichnet durch

(a)ein Steuerwerk zur Erzeugung von Steuerspannungen und von aufeinanderfolgenden Schaltsignalen,

(b)mehrere an das Steuerwerk angeschlossene Ablenkschaltungen zur Erzeugung von HF-Ausgangsenergiepegeln abhängig von den Steuerspannungen und den aufeinanderfolgenden Schaltsignalen,

(c)ein profiliertes Speisestrahlerfeld mit mehreren Speiseelementen, die an die Ablenkschaltungen angeschlossen sind und abhängig von den Ausgangssignalen der Ablenkschaltungen zur Abstrahlung von HF-Energie mit nichtlinearer Phasenverteilung sequentiell erregt werden, und

(d)eine an das Speisestrahlerfeld angeschlossene Wellenleitervorrichtung mit einem eine Strahlungsöffnung und mehrere in selektiver Weise geformte Reflektoren aufweisenden Wellenleiter, wobei die Form der Reflektoren mehrere Brennpunkte mit gewünschtem Abstand ergibt, und die Reflektoren so in dem Wellenleiter angebracht sind, daß die von ausgewählten Speiseelementen mit

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ORIGINAL INSPECTED

nichtlinearer Phasenverteilung abgestrahlte HF-Energie zu den Reflektoren geleitet und mit einer im wesentlichen linearen Phasenverteilung reflektiert und ausgesendet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleitervorrichtung außerdem ein Parallelplattenhorn enthält, das eine Strahlungsöffnung für den Wellenleiter bildet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelplattenhorn aus mehreren Strahlungediagrammforraungsabschnitten besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Polarisator, der die von dem Wellenleiter in einer Polarisierungsform abgestrahlte HF-Energie in eine andere Polarisierungsform ändert.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt enthält, und daß jeder dieser Abschnitte aus kupferplattierten Glasfaserplatten besteht, die zur Bildung mehrerer im Abstand voneinander liegender Kupferpolygone und im Abstand davon liegender Kupferleitungen geätzt sind und auf Epoxydharzblöcken mit Bienenwabenatruktur angebracht sind, so daß die Polarisierung der abgestrahlten Energie nacheinander von einer Polarisation in einer Koordinatenrichtung in eine zirkuläre Polarisation und dann in eine Polarisation in einer anderen Koordinatenrichtung geändert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das profilierte Speieestrahlerfeld und mehrere der in ausgewählter Weise geformten Reflektoren bezüglich der Strahlungsöffnung des Wellenleiters im Winkel angeordnet sind.

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7. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen geraden Reflektor, der in dem Wellenleiter in wirkungsmässiger Zuordnung zu den mehreren in ausgewählter Weise geformten Reflektoren angebracht ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, den das profilierte Speisestrahlerfeld und die Reflektoren zur Strahlungsöffnung bilden, etwa halb so groß wie der Schwenkwinkel ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren in selektiver Weise so geformt sind, daß zwei Brennpunkte entstehen, die in ausgewähltem Abstand voneinander liegen, damit sich die gewünschte Strahlbreite und die gewünschten, im ungünstigsten Fall auftretenden Seitenkeulen im Bereich zwischen den Brennpunkten ergeben.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren auch so geformt sind, daß sie Biegungen in dem Wellenleiter bilden.

11. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Masseebenenleiste,die zum Reflektieren von Energie in dem Wellenleiter im Abstand von dem profilierten Speiseantennenfeld angeordnet ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleitervorrichtung mehrere im Abstand voneinander liegende, ineinander verschachtelte Platten enthält, deren Enden so gestaffelt sind, daß ein kontinuierlicher Wellenleiter mit mehreren übereinander gestapelten Abschnitten entsteht, und daß die mehreren in ausgewählter Weise geformten Reflektoren so geformt sind, daß Biegungen

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entstehen, wobei diese Reflektoren Jeweils an den Enden ausgewählter Paare der Wellenleiterabschnitte so angebracht sind, daß die vn einem WeIlenleiterabschnittt der Paare kommende Energie unter beträchtlicher Fokussierung der Energie zur Aussendung in den zweiten Wellenleiterabschnitt eines weiteren Paares reflektiert wird.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den die ersten Wellenleiterabschnitte bildenden Platten eine Masseebenenleiste angebracht ist, die eine reflektierende Oberfläche aufweist, die so geformt ist, daß sie der Form des profilierten SpeiseStrahlerfeldes entspricht, und daß die andere Wellenleiterplatte so an dem profilierten Speisestrahlerfeld befestigt ist, daß die Masseebenenleiste im Abstand vom Speisestrahlerfeld in dem ersten Wellenleiterabschnitt angebracht wird.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Reflektoren an den Enden des ersten Wellenleiterabschnitts und des zweiten Wellenleiterabschnitts so befestigt ist, daß Energie aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt reflektiert wird, während sie teilweise fokussiert wird, und daß ein zweiter Reflektor an den Enden des zweiten Wellenleiterabschnitts und des dritten Wellenleiterabschnitts so befestigt ist, daß Energie aus dem zweiten Abschnitt in den dritten Abschnitt unter beträchtlicher Fokussierung der Energie zur Aussendung reflektiert wird.

15. Anordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen zur Bildung einer Biegung geformten geraden Reflektor, der an den Enden von Paaren der Wellenleiterabschnitte zwischen den Auflagerenden der in selektiver Weise geformten Reflektoren angebracht ist, damit die Länge jedes Wellenleiterabschnitts herabgesetzt wird.

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16. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wellenleiter bildenden Platten aus zwei Aluminiumplatten bestehen, die mit einer Epoxydharz-Bienenwabenstruktur verbunden sind.

17. Bifokale Segmentantenne, gekennzeichnet durch

(a) ein profiliertes Speisestrahlerfeld und

(b) eine Wellenleitervorrichtung mit einem mit dem profilierten Speisestrahlerfeld wirkungsmässig gekoppelten Wellenleiter und mehreren in selektiver Weise geformten Reflektoren, die mehrere im Abstand voneinander liegende Brennpunkte zur Abstrahlung fokussierter Energie bilden..

18. Antenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß

das profilierte Speisestrahlerfeld eine ausgewählte Anzahl von Speiseelementen enthält, die so angebracht s±nd, daß ihre Sonden in ausgewähltem Abstand voneinander innerhalb des Wellenleiters zur Erzielung einer gewünschten Winkelschwenkung angebracht sind.

19. Antenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleitervorrichtung ferner eine Masseebene enthält, deren Oberfläche so verläuft, daß sie der Kontur des profilierten Speisestrahlerfeldes entspricht.

20. Antenne nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch ein Parallelplattenhorn, das eine Strahlungsöffnung für den Wellenleiter bildet.

21. Antenne nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Polarisator, der die von dem Wellenleiter in einer Polarisierungsform abgestrahlte HF-Energie in eine andere Polarisierungsform ändert.

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22. Antenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das profilierte Speisestrahlerfeld undmehrere der in ausgewählter Weise geformten Reflektoren bezüglich der Strahlungsöffnung des Wellenleiters im Winkel angeordnet sind.

23. Antenne nach Anspruch 17, gekennzeichnet duröh einen geraden Reflektor, der in dem Wellenleiter in wirkungsmässiger Zuordnung zu den mehreren in ausgewählter Weise geformten Reflektoren angebracht ist.

24. Antenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren auch so geformt sind, daß sie Biegungen in dem Wellenleiter bilden.

25. Antenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß

die Wellenleitervorrichtung mehrere im Abstand voneinander liegende, ineinander verschachtelte Platten enthält, deren Enden so versetzt sind, daß ein kontinuierlicher Wellenleiter mit mehreren übereinander gestapelten Wellenleiterabschnitten entsteht, und daß die Reflektoren so geformt sind, daß in dem Wellenleiter Biegungen entstehen, während sie in selektiver Weise so angeordnet sind, daß Energie fokussiert und durch den Wellenleiter zur Aussendung reflektiert wird.

26. Antenne nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch einen geraden Reflektor, der zur Bildung einerBiegung in dem Wellenleiter angebracht ist und im Wellenleiter zwischen die in ausgewählter Weise geformten Reflektoren eingefügt ist, damit die Baulänge der Ubereinandergestapelten Wellenleiterabschnitte reduziert wird.

27. Bifokale Segmentantenne, gekennzeichnet durch

(a) ein Steuerwerk zur Erzeugung von Steuerspannungen und von aufeinanderfolgenden SchaltSignalen,

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(b) mehrere an das Steuerwerk angeschlossene Ablenkschaltungen zur Erzeugung von HF-Ausgangsenergiepegeln abhängig von den Steuerspannungen und den aufeinanderfolgenden SchaltSignalen,

(c) ein profiliertes Speisestrahlerfeld mit mehreren Speise lementen, die an die Ablenkschaltungen angeschlossen sind und abhängig von den Ausgangssignalen der Ablenkschaltungen zur Abstrahlung von HF-Energie mit nichtlinearer Phasenverteilung sequentiell erregt werden, und

(d) eine an das Speisestrahlerfeld angeschlossene Wellenleitervorrichtung mit einem eine Strahlungsöffnung und mehrere in selektiver Weise geformte Reflektoren aufweisenden Wellenleiter, wobei die Form der Reflektoren mehrere Brennpunkte mit gewünschtem Abstand ergibt, und die Reflektoren so in dem Wellenleiter angebracht sind, daß die von ausgewählten Speiseelementen mit nichtlinearer Phasenverteilung abgestrahlte HF-Energie zu den Reflektoren geleitet und mit einer im wesentlichen linearen Phasenverteilung reflektiert und ausgesendet wird.

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