DE2810483C2

DE2810483C2 - Antenne mit einem Schlitze aufweisenden Speisehohlleiter und einer mit diesem einen Winkel einschließenden Strahlerzeile

Info

Publication number: DE2810483C2
Application number: DE2810483A
Authority: DE
Inventors: Bernard Orsay Daveau; Serge Chatenay Malabry Drabowitch
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-03-11
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1982-09-30
Also published as: IT1101990B; NL182768C; IT7848376A0; US4185286A; GB1585007A; NL182768B; DE2810483A1; FR2383530A1; FR2383530B1; NL7802584A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Antenne gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Antenne ist aus der US-PS 39 77 006

bekannt. An den Speisehohlleiter sind über Richtkoppler Hohlleiterabschnitte angeschlossen, die die Strahlerzeile bildende Hornstrahler speisen. Dabei sind die elektrischen Längen für die verschiedenen Speiseleitungen der Hornstrahler gleich. Diese Antenne ist mechanisch aufwendig, u.a. auch deshalb, weil die einzelnen Hohlleiterabschnitte jeweils doppelt gekröpft sind.

Aus der DE-OS 21 11 685 ist weiterhin eine Antenne mit einer aus einem einzigen Primärstrahler strthlungsgespeiste Strahlerzeile bekannt die aus zahlreichen Kollektorstrahlern, von denen jeder über einen einstellbaren Phasenschieber mit einem Emitterstrahler verbunden ist aufgebaut ist Die Phasenschieber ermöglichen eine elektronische Diagrammschwenkung. Diese Antenne hat den Nachteil, daß ihr Platzbedarf in Strahlungsrichtung gleich der relativ großen Brennweite des Systems ist Außerdem ist eine Uberstrahlung der Strahlerzeile an deren Rändern unvermeidbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in einem breiten Frequenzbereich dispersionsarme Antenne zu schaffen, die sich durch einfache mechanische Herstellung und geringen Platzbedarf auch bei Verwendung von zahlreichen Einzelstrahlern innerhalb der Strahlerzeile auszeichnet

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Antenne gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Antenne,

Fig.3 eine andere Ausführungsform der Antenne gemäß der Erfindung und

Fig.4 eine zweidimensionale Ausführungsform der Antenne gemäß der Erfindung.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Antenne mit mehreren strahlenden Elementen gemäß der Erfindung. Diese Antenne envhält eine erste dispersiv strahlende Reihe von Primärstrahlem, die aus einem Speisehohlleiter 1 mit Schlitz?" bestehen, der an seinem einen Ende 2 gespeist wird und dessen anderes Ende durch einen Absorber 3 abgeschlossen ist Eine Strahlerzeile 4 ist unter einem Winkel <x zu dem Speisehohlleiter 1 angeordnet Die Strahlerzeile 4 besteht aus einer gegen den Speisehohlleiter 1 gerichteten Kollektorstrahlerzeile und einer nach außen gerichteten Emittertirahlerzeile. Die Kollektorstrahler S und die Emitterstrahler 6 bestehen aus Hornstrahlern. Die Hornstrahler 5 und 6 sind jeweils über Phasenschieber 7 mit eingestelltem Festwert verbunden. Im Falle von Hornstrahlern ist die Polarisation der abgestrahlten Welle linear. Im Falle einer Zirkularpolarisation besteht die nach außen gerichtete Emitterstrahlerzeile vorzugsweise aus Wendelstrahlern, deren winkelmäßige Ausrichtung die notwendige Phasenverschiebung erzeugt wodurch die Phasenschieber 7 eingespart werden können.

Die Antenne wird bei 2 gespeist Der Speisehohlleiter 1 sendet eine ebene Welle aus, deren Strahlungsrichtung sich in Abhängigkeit von der Frequenz ändert Diese Welle trifft auf die Kollektorstrahler S, und zwar unter einem schiefen Einfallswinkel und erfährt in den Phasenschiebern 7 eine Phasenverschiebung, deren Betrag sich vom ersten zum letzten Phasenschieber fortschreitend linear ändert so daß die durch die

Emitterstrahler abgestrahlte Welle senkrecht zu der Strahlerzeile orientiert ist Die Phasenverschiebung, die die Welle erfährt, welche die Emitterstrahler erregt, führt folglich dazu, daß die durch das schräge Einfallen der Welle auf die Strahlerzeile hervorgerufenen Phasenunterschiede kompensiert werden und daß auf diese Weise die Abstrahlung durch die Emitterstrahler mit in erster Näherung frequenzunabhängiger Phase erfolgt Die Strahlerzeile 4 spielt also die Rolle eines Prismas, dessen Eigendispersion diejenige der Primärstrahlerreihe kompensiert

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß zur Auslegung der Antenne gemäß der Erfindung eine Frequenz- und Phasenwahl für die die Primärstrahler erregende Welle getroffen werden muß. Ebenso ist die Wahl des Winkels ot zwischen den beiden Primärstrahlerzeilen 1 und der Strahlerzeile 4 von Bedeutung. Der Winkel ot wird durch den Umstand bestimmt, daß es möglich ist -iuf einer Gerade, die einen bestimmten Winkel zur Primärstrahlerreihe einnimmt Punkte zu finden, in denen die Phase in bezug auf die Frequenz konstant ist Wenn eine derartige Gerade oder derartige Geraden existieren, ist eine Strahlerzeile, die auf ^iner solchen Geraden angeordnet wird und die mit stationärer Phase erregt wird, dispersionsfrei, wenn sie rechtwinkelig zu sich selbst abstrahlt Die Phasenschieber 7 müssen dann konstante Pha .unverzögerungen erzeugen, die einem linearen Gesetz gehorchen.

Die graphische Darstellung in F i g. 2 ermöglicht ein mathematisches Verständnis der Antenne gemäß der Erfindung. Sie zeigt eine Gerade D, die in der Strahlungszone in der Nähe der Primärstrahlerreihe 1 die gleichen Punkte gleicher Phase verbindet

In dieser Figur ist angenommen, daß die einzelnen Strahler der dispersionsbehafteten Primärstrahlerreihe auf der Achse ox liegen. Es ist ferner angenommen, daß die Primärstrahler in die Ebene xoz strahlen, wobei oz senkrecht zur Strahlerreihe ist Schließlich ist angenommen, daß die Primärstrahlung die Frequenz fo besitzt Eine ebene Welle in Richtung des Vektors ü?ist durch den Winkel So in bezug auf die Senkrechte oz gekennzeichnet

0 + d0;

Geraden angeordnet wird, wird mit stationärer Phase erregt: Sie ist folglich dispersionsfrei, wenn sie senkrecht zu ihrer Ebene abstrahlt

Für eine solche Gerade Dgilt: z=x tg «.

Damit ergibt sich für die Gleichung (1):

Die Dispersion der Primärstrahlerreihe, d. h. die Fähigkeit in eine andere Richtung als die durch den Winkel Bo gegebene zu strahlen, hängt ab von der Wellenzahl

„ 2π

Für einen Punkt M(x, z) der betrachteten Ebene xoz ist die nach dort gestrahlte Welle für eine gegebene Polarisation durch die folgende Skalarfunktion charakterisiert:

φ(Κ.χ,ζ) = K(OM, «);

φ (K, χ, ζ) = Ä'(x sin Θ + r cos 0);

(D

tp(K.χ,χ

= α:

sin(0 + g)

COS ff

Die Tatsache, daß die Phase auf dieser Gerade stationär sein soll, drückt sich dadurch aus, daß die Ableitung von φ nach K Null ist

δΨ _ δ Γ sin(0 + g) Ί_ _q.
δ K ^X δ K L cos ff J

Unter der Annahme, daß der Index ο die Bezugsfrequenz charakterisiert wird die gefundene Gerade D durch einen solchen Winkel ot definiert, daß gilt:

tg(0o + ff) = - Ko

δθ δ Ko

Im Falle einer Primärstrahlerreihe, die jus einem Hohlleiter mit Schlitzen besteht der durch eine fortlaufende Welle erregt wird, kann diese Bedingung präzisiert werden. Wenn Φ (χ) die Phasenabhängigkeit entlang der f*rimärstrahlerreihe der Länge a beschreibt so besteht für die Phasendifferenz zwischen den Enden des Hohlleiters und der Phasenlage für eine bestimmte Strahlungsrichtung die folgende Beziehung:

Φ(α) - Φ(ο) = Kga+ ηπ = Καύηθ;

(4)

wobei η eine ganze Zahl und Kg die Wellenzahl der im Hohlleiter geführten Welle, nämlich

ist.

Durch Differenziation des Ausdrucks (4) kann die Dispersion erhalten werden:

d(Äj?) = K cos 0 d 0 + sin 0 d K:

45 Es ist bekannt daß zwischen der Wellenzahl Kg im Hohlleiter und der zur Grenzfrequenz des Hohlleiters gehörenden Wellenzahl Kc die Beziehung gilt: Kg⁷+Kc² = K², wobei die Wellenzahl Kc der im Hohlleiter geführten Welle gegeben ist durch:

K = —

Daraus folgt: Kg d(Kg) = KdK.
Mit diesem Ausdruck wird aus Gleichung (5):

60 „ 6Θ _

^kJk ~ - sin ι

cosf*

(6)

Dieser Ausdruck gibt zusammen mit dem allgemeinen Ausdruck (3):

Im folgenden soll nun gezeigt werden, daß Geraden D 1,5 inder Ebene xoz mit der Steigung tg α existieren, für die die Phase in bezug auf A', d. h. in bezug auf die Frequenz, stationär ist. Eine Strahlerreihe. die auf einer solchen

- sin 0o

tg(0O + ff) = -

CCt<l (-in

Dieser Ausdruck liefert die Werte des Winkels λ in Ahhiingigkeit von der Strahlungsrichtung θο der Primärstrahlerreihe für die Frequenz ίο.

Aus Gründen der Bequemlichkeit wird der Winkel β zwischen der Geraden D und der Strahlungsrichtung der Primärstrahler eingeführt, für den gilt:

β = 'j - (θο + a):

damit erhält man

sin/i Kk _ λ sin a K λ«

(7)

(8)

Da der Winkel θο zwischen der Strahlungsrichtung der Primärstrahlerreihe und der Senkrechten zu der Reihe bekannt ist, können ausgehend von den Gleichungen (7) und (8) die Winkel α und β und "!eichsrr.isßen die Zsh! der Schütze des Hohlleiters, die -die Primärstrahlerzeile bilden, bestimmt werden. Somit kann die gesamte Struktur der Antenne nach der Erfindung festgelegt werden.

Nach einem Zahlenbeispiel ist der Winkel θο=30°. Die Wellenzahlen Kg und K sind nicht sehr verschieden. r> Die vorgenannten Beziehungen (7) und (8) geben /?»λ=30°. Wenn die Schlitze im Hohlleiter auf dessen Schmalseite mit alternierender Neigung angebracht sind, so gilt für den Schützabstand p:

ig ι

Für das gewählte Beispiel:

I₊-²A ³'

40

Unter der Annahme, daß die Strahlerteile eine Länge L von ungefähr 40 λ aufweist, gilt für die Länge der Primärstrahlerreihe:

a = ^Lsinß ~-L-sin(a+ß) VT'

Für die Zahl der Schlitze der Primärstrahlerreihe gilt folglich:

JV= « = 40 VT« 69;

In F ig. 2 sind die Wellenebenen Pi, PX P3 und P4 für die gewählte Frequenz fo dargestellt Diese Wellenflächen sind durch einen Abstand, der gleich der entsprechenden Wellenlänge ist, getrennt Wenn sich die Frequenz der Welle, die den Hohlleiter mit entlang der ΟΛΓ-Achse versehenen Schlitzen speist, ändert, ändert sich auch der Winkel β um den Wert άθ, wodurch die aufeinanderfolgenden Wellenebenen /"1, eo P'2, P'3 und ΡΆ um die Punkte mit stationärer Phase auf der Geraden D gedreht werden. Die WeUe, die sich zwischen der Primärstrahlerreihe und der Strahlerzeile fortpflanzt, trifft unter geändertem Einfallswinkel auf die Strahlerzeile auf. Eine entsprechende Nachstellung der Phasenverschiebung in der Reihe ermöglicht es, die Dispersionsfreiheit der Strahlung der Strahlerzeile beizubehalten.

Fig. 3 zeigt die Ausführungsform einer Antenne entsprechend den oben erhaltenen Resultaten. Es ist die Primärstrahlerreihe I zu erkennen, die aus einem Hohlleiter mit Schlitzen besteht, welche Schlitze mit einer Schrittweise ρ entlang seiner Länge a vorgesehen sind. Die Erregung der Primärstrahlerreihe erfolgt durch eine fortschreitende Welle am Ende 2. Das andere Ende ist durch einen Absorber 3 abgeschlossen. Die Strahlerzeile 4 besteht aus einer Anzahl von Wendeln 5, deren aus Dipolen bestehende Eingänge (Kollektorstrahler) gegen den Hohlleiter I mit Schlitzen gekehrt sind. Durch die Verwendung von Wendeln als Emitterstrahler kann die Verwendung von Phasenschiebern mit konstanter Phasenverzögerung vermieden werden, da durch Einstellung der Orientierung der Wendeln die notwendigen Phasenwerte erhalten werden können. Der Winkel <x ist in der Größenordnung von 30°, ebenso wie der Winkel Θ. der die Richtung der Strahlung der von dem Hohlleiter 1 ausgehenden Welle α ηπιΚί

An der dritten Seite des Dreiecks, dessen beiden anderen Seiten die Reihen 1 und 4 darstellen, ist eine Absorberwand 8 vorgesehen. Diese vermeidet ein Überstrahlen der Wellen nach außen und führt gleichzeitig zu einer erhöhten mechanischen Festigkeit der Antenne. Eine solche Ausführungsform weist für den Fall einer Antenne zur elektronischen Abtastung den Vorteil auf, daß die Absorberwand 8 die Strahlung absorbier·., die von den Strahlerreihen, entsprechend deren Aktiv-Reflektionskoeffizienten, wie sie beispielsweise in dem Buch von RC. Hansen, »Microwave scanning antenna«, vol. II, Academic Press 1966, New York und London,-Seite 306, definiert sind, reflektiert wird. In dieser Figur sind gleichermaßen die quasi-Gauss'schen Ausleuchtdiagramme Rl, R2 der Primärstrahlerreihe und der Strahlerzeile dargestellt.

Vorstehend wurde gezeigt, daß es nach der Erfindung möglich ist, eine in erster Näherung dispersionsfreie Antenne herzustellen und daß die Strahlerzeile, die auf der oben definierten Geraden D angeordnet ist, eine ebene Welle mit stationärer Phase des elektrischen Feldes erzeugt, wobei die Strahlerzeile in der Zone des sogenannten Nahstrahlungsbereichs der Primärstrahlerreihe angeordnet wird. Es ist wünschenswert, daß die Primärstrahlerreihe ein Gauss'sches Strahlungsdiagramm oder ein von einem solchen abgeleitetes Strahlungsdiagramm hat Das Belegungsfeld der Primärstrahlerreihe und der Strahlerzeile hat im Prinzip eine Gauss'sche Verteilung, wodurch u. a. die Nebenzipfel klein gehalten werden.

Das Gauss'sche Strahlungsdiagramm ist ein Idealgesetz, dem man sich jedoch in ausreichender Weise nähern kann, um die Dispersionsfreiheit der Antenne in guter Annäherung der zweiten Ordnung zu erhalten.

Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Antenne gemäß den Lehren der Erfindung.

Das Antennenfeld I wird durch eine gewisse Anzahl von Hohlleitern 9i bis % gebildet, die jeweils eine Anzahl von Schlitzen 10 aufweisen. Alle diese Hohlleiter werden parallel über eines ihrer Enden durch einen Kanal 11 gespeist Phasenschieber 12, beispielsweise elektronische Phasenschieber, sind für den Fall vorgesehen, daß mit dieser Antenne eine elektronische Abtastung in einer Vertikalebene senkrecht zur Zeichenebene durchgeführt werden solL

Das Antennenfeld IV besteht aus einem Antennenträger 13, und einer Anzahl von strahlenden Elementen, nämlich Wendelstrahler 14. die durch Dioole 15 errezt

werden. Die dritte Fläche des so gebildeten Iricdcrs ist eine Absorberwand 16. die dieselbe Aufgabe hat wie die Absorberwand 8 der F i g. 3 erfüllt.

Es wird daran erinnert, daß bei dieser Ausfiihmtigsform keine Phasenschieber mit festeingestcllten Phasenverzögerungen vorgesehen sind, wie sie in F i g. t bei 7 dargestellt sind, weil die notwendige Phasenverschiebung durch Drehung der Wendelstrahler um ihre Achse erzeugbu/ ist.

Vorstehend wurde folglich eine dispersionsarme Antenne mit mehreren strahlenden Elementen beschrieben, die sich durch geringe Abmessungen auszeichne;. Ferner wurde als mögliche Ausführungsform eine Antenne zur elektronischen Abtastung erläutert. Für diesen Fall sind die Phasenschieber mit konstanten Verzögerungswerten der Strahlerteiie durch steuerbare variable Phasenschieber zu ersetzen. Diese Antenne zur elektronischen Abtastung hat den Vorteil, daß sie in erster Ordnung aperiodisch ist und keine Abschattung und keinen Überstrahleffekt aufweist.

1 lic

Bliill

Claims

Patentansprüche:

1. Antenne mit mindestens einem mehrere, entsprechend der vorgesehenen Polarisationsrichtung orientierte Schlitze aufweisenden geraden Speisehohlleiter und mindestens einer Strahlerzeile, die mit dem Speisehohlleiter einen Winkel einschließt und von diesem gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Srahlerzeile durch Strahlung erfolgt, indem jeder Strahler der Strahlerzeile (4) einen dem Speisehohlleiter (1) zugewandten im Nahstrahlungsbereich des Speisehohlleiters (1) befindlichen Kollektorstrahler (5) und einen mit diesem verbundenen, in die is Abstrahlrichtung der Antenne weisenden Emitterstrahler (6) umfaßt und die Phasenbeziehung zwischen Kollektor- und Emitterstrahler jeweils durch phasenschiebende Mittel (7) oder phasenbeeinflussende Maßnahmen eingestellt ist, und daß der Winkel (λ) zwischen dem Speisehohlleiter (1) und der Strahleneile (4) so bestimmt ist, daß die Frequenzänderungen der gegenseitigen Phasenbeziehungen der auf einer Geraden (D) liegenden Kollektorstrahler bei einer im Betriebsfrequenzbereich liegenden Bezugsfrequenz eine Nullstelle 1. Ordnung durchlaufen.

2. Antenne nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisehohlleiter (1) an seinem ungespeisten Ende (3) durch einen Absorber abgeschlossen ist

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die phasenschiebenden Mittel (7) oder Malnahm« / erzeugten Phasenschiebungen sich von S'rahler zu Strahler linear ändern.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterstrahler (6) aus zur Einstellung der Phasenverschiebung um ihre Achse drehbaren Wendelstrahlern bestehen.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der offenen Seite des durch den Speisehohlleiter (1) und die Strahlerzeile (4) gebildeten Winkels (α) eine Absorberwand (8) angeordnet ist

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Speisehohlleiter unter Bildung eines ersten Antennenfeldes (I) und mehrere Strahlerzeilen unter Bildung eines zweiten Antennenfeldes (IV) übereinander angeordnet sind, und daß die beiden Antennenfelder (I, IV) zwei Seiten eines Dieders bilden.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß an der freien Seite des Dieders eine Absorberwand (16) angeordnet ist

8. Antenne nach Anspruch 6 oder 7 mit elektronischer Diagrammschwenkung, dadurch gekennzeichnet daß die Speisehohlleiter, die das erste Antennenfeld (I) bilden, parallel über elektronische Phasenschieber (12) aus einer gemeinsamen Speiseleitung (11) gespeist werden.