DE2812736A1

DE2812736A1 - Antennensystem, insbesondere mit einstellbaren mikrostreifen-uebertragunsleitungen

Info

Publication number: DE2812736A1
Application number: DE19782812736
Authority: DE
Inventors: Richard F Frazita
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1977-03-31
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1978-10-05
Also published as: FR2414257A1; JPS53124951A; FR2386153A1; CA1099013A; AU3160777A; BR7801969A; IT7867704A0; NL186985C; FR2414257B3; DD135263A5; AU508110B2; NL186985B; NL7803452A; IT1107252B; FR2386153B1; US4117494A; DE2812736C2; GB1594988A; SE425037B; SE7803498L

Description

HAZELTINE CORPORATION, Greenlawn, New York 11740 / USA

Antennensystem, insbesondere mit einstellbaren Mikrostreifen-Ubertragungsleitungen

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zur Abstrahlung von Wellenenergiesignalen in einen bestimmten Raumwinkel, dessen Strahlungsanordnung eine Vielzahl von Elementgruppen aufweist, das eine Vielzahl von ersten Kopplungsgliedern besitzt, die jeweils zur Weiterleitung der Wellenenergiesignale zu den Elementen in entsprechenden Elementgruppen dienen, bei dem weiterhin zweite Kopplungsglieder vorgesehen sind, welche die ersten Kopplungsglieder in der Weise miteinander verbinden, daß den ersten Kopplungsgliedern zufließenden Wellenenergiesignale auch bestimmten Elementen in anderen Elementgruppen zugeführt werden.

Aus der DT-OS 26 31 026, einer früheren Anmeldung der Anmelderin, ist ein Antennensystem bekannt, bei dem ein Kopplungsnetzwerk einzelne Gruppen von Elementen der Gesamt-Antennenanordnung.miteinander verbindet. Die am Eingang jeder Elementgruppe anstehenden Wellenenergiesignale werden einmal den Elementen der betreffenden Gruppe direkt zugeführt und gelangen außerdem über das Kopplungsnetzwerk zu vorbestimmten Elementen in den übrigen Elementgruppen der Anordnung. Demzufolge steht am Ausgang der Antennenanordnung eine resultierende Antennenanregung an, die sehr nahe dem erstrebten Ideal der Antennenanregung ist, die ein Elementstrahlungsbild mit einer im wesentlichen nur in den gewünschten Raumbereich gerichteten Strahlung erzeugt.

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In der früheren Patentanmeldung wird die Technik beschrieben, mittels derer die Winkellage des wirksamen Strahlungsbildes der Anordnung durch lineare Vergrößerung der Phaseneinstellung zwischen den Antennenelementen und den Kopplungsnetzwerken verändert wird. In den zu der bekannten Anmeldung gehörigen Zeichnungen ist dargestellt, wie z. B. das effektive Elementstrahlungsbild auf eine Seite der Achse bezüglich der Breitseite der Antennenanordnung verlagert werden kann. Diese bekannte Methode hat zur Folge, daß bei einer Verlagerung des effektiven Elementstrahlungsbildes auch das ausgesendete Gesamtstrahlungsbild winkelmäßig um den gleichen Betrag verschoben wird; dies rührt daher, daß die Phasensteuereinrichtungen unmittelbar bei den Strahlungselementen angeordnet sind. Durch diesen Einsatz von Phasensteuereinrichtungen der bekannten Art werden also bei einer Antennenanordnung, wie sie z. B. auch in Fig. 1 dieser Anmeldung gezeigt ist, sowohl das Elementstrahlungsbild als auch der Antennenhauptstrahl im Raum verschoben.

Ein ähnlicher Effekt tritt dann auf, wenn derartige Phasensteuereinrichtungen in Verbindung mit einem Antennensystem benutzt werden, bei dem am Eingang ein Umschalter vorgesehen ist. Ein solches Antennensystem sendet ein Strahlungsbild, in dem in Abhängigkeit vom Strahlungswinkel gegen die Breiteeitenachse die Frequenz sich ändert. Die Phasensteuereinrichtungen ändern nicht nur das effektive Elementstrahlungsbild, sondern auch' die Frequenzcodierung des abgestrahlten Signals.

Die in Verbindung mit dieser bekannten Technik unter bestimmten Umständen auftretenden Schwierigkeiten seien kurz dargestellt. In Fig. 2 sind die Verhältnisse zeichnerisch dargestellt.

Ein bekanntes Antennensystem der beschriebenen Art sei neben einer Flughafenlandepiste aufgestellt. In der Nähe be-

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finde sich unebenes Gelände. Wenn nun ein Flugzeug sich der Landebahn nähert, empfängt es Signale direkt von der Antenne, gleichfalls empfängt es aber auch vom unebenen Gelände reflektierte Signale. In einer solchen Anlage ist es dann wünschenswert, die Lage des effektiven Elementstrahlungsbildes der Antenne so zu verschieben, daß die in Richtung des unebenen Geländes ausgesendete Strahlung vermindert wird und die ursprünglichen Navigationsfehler vermieden werden. Unter Anwendung der bekannten Technik wird bei einer Winkeländerung des Elementstrahlungsbildes auch die Richtung des Antennenstrahles verändert. Beim Einsatz eines mit einem sog. "Abtaststrahl" arbeitenden Systems, in welchem ein schmaler Atennenstrahl periodisch im Raum bewegt wird besteht die Änderung des Antennenstrahls in einer sich in jedem Augenblick ändernden Winkelrichtung des Antennenstrahls. Wenn die Antenne im Rahmen eines "Doppler"-Landesystems unter Anwendung einer bekannten Umschalteinrichtung eingesetzt werden soll, dann stellt der Antennenstrahl das Signal dar, das von einem schmalbandigen Empfänger aufgenommen wird, da die Antenne in den gesamten Winkelbereich ein festgelegtes Strahlungsbild aussendet, dessen ausgesendete Frequenz sich mit dem Winkel ändert. Die bekannte Technik führt bei einem solchen Doppler-System dazu,daß sich die winkelabhängige Frequenzcodierung ändert und auch das ausgesendete Signal in jeder Winkelstellung eine Frequenzänderung erfährt.

Falls man mit einem derartigen bekannten System unter Beachtung der dargestellten Schwierigkeiten ein für unebenes Gelände geeignetes Antennensystem erreichen will, so führt dies zu einem sehr komplizierten Aufbau der Navigationseinrichtungen. Dies führt z. B, dazu, daß dem Empfänger im Flugzeug ein Rechner beigegeben wird, der die notwendigen Korrekturrechnungen durchführt; ein anderer Weg wäre eine Zusatzeinrichtung, mittels derer die Frequenz- oder Zeitcodierung im Antennensystem entsprechend korrigiert würde.

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Eine andere Schwierigkeit beim Einsatz der bekannten Anordnung mit Phasensteuereinrichtungen am Eingang der bestimmten Antennenelemente besteht darin, daß durch diese Technik keine Möglichkeit für den gleichartigen Aufbau - z. B. als komplette Bausteine - aller Elementgruppen besteht. Jede solche Gruppe enthält Antennenelemente, Leistungsteiler, Zwischenübertragungsleitungen, Koppelglieder und Verbindungsnetzwerke. Gleiches gilt für die Phasensteuereinrichtungen selbst auch, abgesehen davon, daß auch der zahlenmäßige Aufwand dieser Einrichtungen für größere Antennensysteme beträchtlich wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die geschilderten Nachteile der bekannten Antennensystem« zu vermeiden und ein Antennensystem zu schaffen, bei dem eine winkelabhängige Änderung des Elementstrahlungsbildes einfach erreichbar ist.

Dies wird bei einem eingangs genannten Antennensystem dadurch ermöglicht, daß den zweiten Kopplungsgliedern eine Vielzahl von ersten Phaseneinstellgliedern zugeordnet sind, von denen jedes mit einer der Elementgruppen verbunden ist, daß die Phaseneinstellglieder gegenläufige Phasenverschiebungen für die in Bezug auf die Gesamtanordnung in entgegengesetzter Richtung eingespeisten Signale bewirken und die Winkellage des Raumausschnittes, bezogen auf die Gesamtanordnung, mittels der Phaseneinstellglieder justierbar ist.

Ein geringer Aufwand bezüglich der Phaseneinstellglieder ergibt sich dadurch, daß identische Phaseneinstellglieder allen Elementgruppen zugeordnet sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß jede Elementgruppe erste und zweite Elementbausteine mit einer oder mehreren Antennenelementen enthält und jedes der ersten Kopplungsglieder einen Leistungsteiler mit einem ersten und

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einem zweiten Ausgang aufweist, die jeweils an die ersten und zweiten Elementbausteine angeschlossen sind, daß die zweiten Kopplungsglieder jeweils aus einer ersten, mit dem ersten Ausgang des Leistungsteilers verbundenen übertragungsleitung und einer zweiten, mit dem zweiten Ausgang des Leistungsteilers verbundenen Übertragungsleitung bestehen und daß die Phaseneinstellglieder jeweils unterschiedliche Phasenlänge in den ersten und zweiten Übertragungsleitungen besitzen.

Eine zweckmäßige Dimensionierung der Übertragungsleitungen besteht darin, daß die erste übertragungsleitung zwischen entsprechenden Teilen der ersten Kopplungsglieder eine Phasenlänge besitzt, die einen kleinen Betrag größer als ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist und die zweite Übertragungsleitung zwischen entsprechenden Teilen der ersten Kopplungsglieder eine Phasenlänge hat, die einen kleinen Betrag kleiner als ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist.

Eine besonders vorteilhafte, da einfache Möglichkeit für den Aufbau der Übertragungsleitungen wird darin gesehen, daß zumindest ein Teil der Kopplungsglieder Mikrostreifen-Übertragungsleitungen besitzen und die Phaseneinstellglieder eine Anordnung aufweisen, die in der Weise mit dem Mikrostreif en zusammenwirkt, daß das den Mikrostreifen .umgebende Feld und damit die Fortpflanzungskonstante des Mikrostreifens zumindest über eine Teillänge änderbar ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung können den übrigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen entnommen werden.

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Pig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antennensystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt ein Mikrowellen-Landesystem mit einer Einrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 zeigt ein Teilstrahlungsbild und ein Gesamtstrahlungsbild einer bekannten Antennenanordnung,

Fig. 4 zeigt das Teilstrahlungsbild und das Gesamtstrahlungsbild der Antennenanordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 zeigt den Amplitudenverlauf der Antennenanregung für ein Element der Antennenanordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 6 zeigt die Phasenlage der Antennenanregung für ein Element gemäß Fig. 1,

Fig. 7 zeigt einen perspektivischen Querschnitt einer übertragungsleitung,

Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch die übertragungsleitung gemäß Fig. 7,

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt einer phaseneinstellbaren Übertragungsleitung gemäß der Erfindung,

Fig.10 zeigt im Querschnitt eine andere Ausführung der phaseneinstellbaren übertragungsleitung gemäß der Erfindung,

Fig.11 zeigt den Querschnitt einer dritten Art von phaseneinstellbarer Übertragungsleitung gemäß der Erfindung,

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Fig.12 zeigt die Draufsicht der Übertragungsleitung gemäß Fig. 9,

Fig.13 zeigt ebenfalls die Draufsicht einer phaseneinstellbaren übertragungsleitung gemäß der Erfindung,

Fig.14 ist ein Diagramm, in dem die Phase als Funktion des Abstandes d der Übertragungsleitung gemäß Fig.9 dargestellt ist; dabei ist die Abszisse in Finheiten von 0,2 5 mm geteilt und

Fig.15 zeigt ein Diagramm, in dem die Phase als Funktion des Abstandes c und der dielektrischen Konstanten für die übertragungsleitung gemäß Fig. 10 dargestellt ist; dabei ist die Abszisse in Einheiten von 0,25 mm geteilt.

Die schematische Darstellung des Antennensystems in Fig. 1 entspricht der vorliegenden Erfindung. Dieses Antennensystem stimmt in seinem schematischen Aufbau in vieler Beziehung mit einem in der früheren Patentanmeldung gemäß der DE-OS 26 31 026 gezeigten Antennensystem überein. Das Antennensystem gemäß Fig. 1 besitzt eine Vielzahl von Elementgruppen und zugehörigen Koppelgliedern. Jede Elementgruppe 20 des Antennensystems besteht aus zwei Elementen 21 und 23, diese sind über Mischleistungsteiler 22 und Übertragungsleitungen 24 und 26 an eine Elementgruppeneingangsklemme 27 angeschlossen. Der Differenzausgang des Mischleistungsteilers liegt an einem Widerstand 25. Die Übertragungsleitungen 24 und 26 verbinden die gleichartigen Ausgänge des Mischleistungsteilers 22 mit dem zugehörigen Antennenelement 21 bzw. 23.

In Übereinstimmung mit der Lehre der früheren Anmeldung sind die Übertragungsleitungen 24 und 26 jeder der Elementgruppen

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mittels Koppelgliedern untereinander verbunden und unter Einschluß der Übertragungsleitungen 28 und 30. Die Übertragungsleitung 28 ist innerhalb jeder Elementgruppe 20 mit der übertragungsleitung 26 über ein Koppelglied 34 verbunden. Gleichfalls sind die Enden der Übertragungsleitungen 28 und 30 an einen Widerstand 46 angeschaltet. Die Übertragungsleitungen enthalten ohmsche Lastwiderstände 36 und 38, die zwischen diejenigen Punkte geschaltet sind, in denen die Übertragungsleitungen 28 und 30 mit den Ubertragungsleitungen 24 und 26 in jeder der benachbarten Elementgruppen 20 verbunden sind. Der Mischleistungsteiler 22 und die an ihn angeschlossenen Übertragungsleitungen 24 und 26 enthalten erste Koppelglieder - eines für jede Elementgruppe 20 - zur Übertragung der Wellenenergiesignale, die den Antennenelementen 21 und 23 jeder Elementgruppe über die Eingangsklemme 27 zugeführt werden. Ebenso enthalten die Übertragungsleitungen 28 und 30 zweite Koppelglieder, die die ersten Koppelglieder untereinenader verbinden, wodurch die an der Klemme 27 für jedes der ersten Koppelglieder eingespeisten Signale auch bestimmten Elementen in den übrigen Elementgruppen der Anordnung zugeführt werden.

Weitere Beispiele derartiger Netzwerke zur Signaleinspeisung einer Anordnung sind in den Fig. 6 und 7 der DE-OS 26 31 026 dargestellt.

Das Netzwerk gemäß Fig. 1 besteht aus einem Oszillator 50, einem Leistungsteiler 48 und Phasenschiebern 44 und entspricht insoweit der erwähnten bekannten Anordnung. Eine andere Lösung der früheren Anmeldung enthält einen Oszillator und eine Umschalteinrichtung, über welche die Wellenenergiesignale sequentiell den Eingangsklemmen 27 der Elementgruppen zugeführt werden. Die vorliegende Erfindung ist in gleicher Weise bei beiden bekannten Antennenanordnungen anwendbar, also bei einer Anordnung, die einen schmalen Antennenabtaststrahl erzeugt oder bei einer Anordnung mit einem

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breiten Strahlungsbild, worin die Strahlungsfrequenz als
Funktion des Winkels variiert in Bezug auf die Gesamtanordnung der Antennenelemente.

Wie schon erwähnt, wird bei der vorliegenden Erfindung eine räumliche Bewegung des effektiven Elementstrahlungsbildes,
das mit jedem der Eingänge 27 der Antennengruppen des Systems nach Fig. 1 verknüpft ist, erzeugt.

Dementsprechend sind in dem System nach Fig. 1 in die Übertragungsleitungen 28, 30 und 26, die mit jeder der Elementgruppen 20 verbunden sind, Phaseneinstellglieder 40, 42 und 100 eingeschaltet.

Gemäß der Erfindung wirken die Phaseneinstellglieder in den Übertragungsleitungen 28 in entgegengesetztem Sinne wie
diejenigen, die in Verbindung mit den Übertragungsleitungen 30 und 26 stehen. Die Wahl, welches der Phaseneinstellglieder positiv wirkt, wird durch die gewünschte Richtung der Änderung des Elementstrahlungsbildes bestimmt.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 erscheinen Phaseneinstellglieder 40, 42 und 100 schematisch als Verlängerung der
Übertragungsleitungen; in Wirklichkeit ist das so zu verstehen, daß sowohl eine positive als auch eine negative
Phasenverschiebung möglich ist.

Bei einer möglichen Betriebsweise gemäß der Erfindung sei
angenommen, daß die Phaseneinstellglieder 40 negativ wirken; das bedeutet eine verkürzte Übertragungsleitung und die Phaseneinstellglieder 42 und 100 wirken positiv. Die Beträge der
durch die Phaseneinstellglieder 40 und 42 erreichten Phasenverschiebungen sind untereinander gleich und doppelt so groß wie die durch die Phaseneinstellglieder 100.

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In Übereinstimmung mit der früheren Anmeldung ergeben die dem Eingang 27c zugeführten Wellenenergiesignale am Antennenausgang eine Antennenanregungs-Amplitude 70 in Fig. 5, die annähernd den Idealwert 72 in Fig. 5 erreicht. Die Übertragungsleitungen 28 und 30 haben eine wirksame Länge, die ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge zwischen den Koppelgliedern 32 und 34 in benachbarten Elementgruppen betragen. Das führt dazu, daß man eine Phasenverschiebung von 180° bezüglich der den Elementen in den wechselnden Elementgruppen zugeführten Wellenenergiesignalen erreicht.

Ohne die Einschaltung des Phaseneinstellgliedes 100 haben die Wellenenergiesignale, die über den Eingang 27c eingespeist werden, an den Antennenelementen 21c und 23c gleiche Amplitude und Phase. Ein Teil des Signales wird von der Übertragungsleitung 26c zu der übertragungsleitung 28 aufwärts (Fig. 1) eingekoppelt. Das Signal auf der Übertragungsleitung 28 gelangt mit verminderter Amplitude zu dem Element 23b. Ohne die Einschaltung des Phaseneinstellgliedes 40 hätte das dem Antennenelement 23b zugeführte Signal die gleiche Phasenlage wie dasjenige an den Elementen 21c und 23c, da die Phasenverschiebung von 180° durch die Übertragungsleitung 28 zwischen den Gruppen 20c und 20b tatsächlich infolge der 90 -Phasenverschiebung durch jedes der Koppelglieder 34 kompensiert wird, über welche das Signal zu dem Antennenelement 23b gelangt. Das Signal auf der Übertragungsleitung 28 wird auch dem Antennenelement; 23a zugeführt. Ohne die Wirkung des Phaseneinstellgliedes 40 ergäbe sich auf der übertragungsleitung 28 eine zusätzliche Phasenverschiebung zwischen den Gruppen 20a und 20b; das Signal am Element 23a hat gegenüber dem Signal an den Elementen 23b, 21c und 23c eine Phasenverschiebung von 180°. Die Phasenbeziehung ist in Fig. 5 durch die negative Polarität des Anregungssignales dargestellt.

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Die Signale der Übertragungsleitung 24c werden in ähnlicher Weise über die übertragungsleitung 30 den Antennenelementen 21d und 21e zugeführt und bilden so die entgegengesetzte Seite der Antennenanregung in der Darstellung der Fig. 5.

Gemäß der Erfindung soll die effektive Antennenelementanregung nach Fig. 5 mit der gleichen linearen Phasenänderung entlang der Antennenanordnung herrschen. Ebenso soll diese Phasenänderung so geschehen, daß die gleiche absolute Phasenlage der Antennenanregung erhalten bleibt, die durch die Zusammensetzung der den Eingängen 27 zugeführten Signale entsteht. Die Phaseneinstellglieder 40, 42 und 100 nach Fig. 1 sorgen für die notwendige lineare Phasenänderung der Elementanregung, ohne daß die zusammengesetzte Anregung in irgendeiner abweichenden Weise entsteht; also geschieht die winkelabhängige Änderung des Elementstrahlungsbildes ohne daß die Phasencharakteristik des zusammengesetzten Strahlungsbildes geändert wird, die aus der Kombination aller Antennenanregungen an den Eingängen 27 entsteht. Wenn demnach ein Antennensystem mit einem Abtaststrahlbetrieb benützt wird, dann bleibt die Strahlungsrichtung des Hauptstrahles unverändert, aber die Amplitude des Hauptstrahles erscheint für jeden Winkel in veränderter Größe,und zwar in Übereinstimmung mit der Änderung des Elementstrahlungsbildes für die jeweilige Richtung. Für den Fall, daß ein Antennensystem benützt wird, das ein frequenzcodiertes Strahlungsbild abstrahlt, bleibt die Frequenzcodierung unverändert, aber die Amplitude der Strahlung ändert sich für jede Richtung in Übereinstimmung mit den Änderungen im Elementstrahlungsbild. Wenn die durch die Phaseneinstellglieder 40 verursachte Phasenänderungen negativ sind, entsprechend den verminderten Leitungslängen$" zwischen den entsprechenden Teilen der Gruppen 20, dann eilt die Phase am Element 23b und 23a der Phase am Element 23c um <f bzw. 2ß voraus. Wenn die durch die Phaseneinstellglieder 42 in der Übertragungsleitung 30 verursachte Phasenänderung positiv ist, entsprechend der größeren Leitungslänge Q ,

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dann eilt die Phase an den Elementen 21d und 21e der Phase am Element 21c um (T bzw. 2<γ nach. Das Ergebnis besteht in einer Strahlungsbildverschiebung in + Q Richtung nach Fig. 1. Das Phaseneinstellglied 100 verursacht eine Phasenänderung von etwa S/2 zwischen den Antennenelementen 21c und 23c. Die resultierende Phase der Antennenanregung 70 ist in Fig. 6 dargestellt; sie besitzt einen exakt linearen Verlauf. Jedes der Phaseneinstellglieder 40 und 42 hat den Wert £, der 2mal so groß ist wie derjenige des Phaseneinstellgliedes 100. Der Verlauf der Linie 74 entspricht daher einer Phasenänderung S für jeden Abstand S entlang der Antennenanordnung, der dem Abstand zwischen den Elementgruppen 20 entspricht. Für den Fachmann ist es nun leicht, den erforderlichen Wert von S in Übereinstimmung mit der gewünschten Winkelbewegung des Antennenelementstrahlungsbildes zu errechnen. Sofern die Anforderungen an den Verlauf des Strahlungsbildes nicht sehr kritisch sind, dann kommt es auf die Pha seneinstellglieder 100 nicht so an, man erhält dennoch eine gute Annäherung an den linearen Phasenverlauf·

Eine typische Bewegung des Elementstrahlungsbildes ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Diese Darstellungen zeigen ein Elementstrahlungsbild 68, das eine Funktion des Winkels θ mit der Achse der Breitseite 67 der Anordnung ist. Es ist ein Winkelbereich 69 gezeigt, der einem Elevationswinkel Θ-] entspricht. Innerhalb dieses Bereiches 69 mögen nun Hindernisse oder Geländeerhebungen liegen, die unerwünschte reflektierte Signale erzeugen. Das zusammegesetzte Antennenstrahlungsbild für eine Richtstrahlantenne gemäß Fig. 1 ist das schmale Strahlungsbild 71·. Ein Fachmann sieht sofort, daß die relative Amplitude des Strahlungsbildes 71 für jeden Winkel θ der Amplitude des Elementstrahlungsbildes 68 entspricht. Die Fig. 4 verdeutlicht die Wirkung der Phaseneinstellglieder 40, 42 und 100 auf das Elementstrahlungsbild 68. Diese Elementstrahlungsbild ist um einen gewünschten

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Betrag in die positive Richtung des Winkels θ verschoben, so daß die Amplitude des Elementstrahlungsbildes 68' im Bereich 69 zwischen der Achse der Breitseite 67 und dem Winkel Θ-] wesentlich reduziert ist. Diese Verschiebung des Elementstrahlungsbildes beeinflußt die Winkellage des Gesamtstrahlungsbildes 71 nicht, aber die Amplitude des Strahlungsbildes 71 erscheint vielmehr verringert, sobald der Strahl in den Bereich 69 gelenkt wird, in dem Störeffekte auftreten.

Benützt man ein Antennensystem, mit dem ein frequenzcodiertes Strahlungsbild erzeugt wird, dann verursachen die Phaseneinstellglieder 40, 42 und 100 gegebenenfalls eine winkelabhängige Änderung der Strahlungsbildamplitude ohne Beeinflussung der Winkel-Frequenzcodierung. Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise in jedem der alternativen Antennensysteme eingesetzt werden kann. Dies läßt sich auch leicht durch einen Blick auf die bekannten Netzwerk-Konfigurationen der eingangs genannten früheren Anmeldung feststellen.

Die Kopplungsnetzwerke der Antennenanordnung gemäß Fig. 1, insbesondere die zur Verbindung der Übertragungsleitungen 28 und 30, bestehen in vorteilhafter Weise aus sog. Mikrostreifen-übertragungsleitungen, wie in Fig. 7 dargestellt. Diese übertragungsleitung besteht aus einer Grundfläche 76, die mit einem Substrat 78 aus dielektrischem Material versehen ist. Auf der anderen Seite des dielektrischen Substrates 78 der Grundfläche 76 befindet sich ein leitender Streifen 80. Die Grundfläche 76 besteht aus einem dünnen Kupferbelag auf dem Dielektrikum, der Streifen 80 ist der Rest eines ähnlichen Kupferbelages, dessen größter Teil durch Photoätzen entfernt wurde. Der Streifen 80 und die Grundfläche 76 bilden eine Zweileiter-Übertragungsleitung, deren Impedanz durch die Stärke (t) und die Dielektrizitätskonstante (k) des Substrates 78 und die Breite (w) des lei-

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tenden Streifens 80 bestimmt wird. Eine typische 50 ohmübertragungsleitung kann aus einem Teflonglas-Dielektrikum mit (k) = 2,2 und einer Stärke (t) =0,5 mm bestehen, wobei der leitende Streifen eine Breite (w) = 1,3 mm hat. Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch die Übertragungsleitung gemäß Fig. 7 und zeigt schematisch die elektrische Feldverteilung, wie sie für ein Wellenenergiesignal typisch ist. Eine schmale Randzone des Feldes 82 verläuft durch die Luft neben dem leitenden Streifen,bevor das Feld in das Dielektrikum eintritt. Im Rahmen der Arbeiten an der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, daß man durch entsprechende Ausbildung der Konfiguration die Randzone des Feldes beeinflussen kann, was technisch schließlich zur Einstellbarkeit der Phase der Wellenenergiesignale bei der Mikro-Übertraungsleitung ausgewertet wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können positive und negative Phaseneinstellungen in Abhängigkeit von der Art der Feldänderung erreicht werden.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführung ist eine leitende Platte 84 vorgesehen, zu der im Abstand (d) ein leitender Streifen 80 angeordnet ist. Die leitende Platte 84 zeigt in ihrem Querschnittsbild eine Ausnehmung, deren Tiefe zur genauen Einstellung des Abstandes (d) veränderbar ist. Zur elektrischen Verbindung zwischen der Grundfläche 76 und der leitenden Platte 84 sind Schrauben 85 vorgesehen.

Ein Fachmann erkennt, daß die leitende Platte 84 einen Teil des elektrischen Feldes vom leitenden Streifen 80 über den Luftspalt (d) aufnimmt. Sobald ein größerer Teil des elektrischen Feldes also durch die Dielektrizitätskonstante der Luft beeinflußt wird, verkleinert sich auch die Fortpflanzungskonstante der Mikrostreifen-Ubertragungsleitung. Man erkennt auch, daß der Phasenschiebereffekt umso größer wird, je näher die leitende Platte 84 dem leitenden Streifen 80 kommt. Fig. 14 zeigt eine näherungsweise Darstellung der erreichbaren Phasenverschiebung bei 5 GHz, die mit einer

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Anordnung gemäß Fig. 9 bei einer Länge (L), die der halben Wellenlänge entspricht und gegebener Fortpflanzungskonstanten der Übertragungsleitung erreicht wird.

Fig. 12 zeigt die Draufsicht auf eine solche leitende Platte, es sind dabei die Lage der Erdungsschrauben 85 und die Länge (L) der leitenden Platte eingezeichnet.

Fig. 10 und 11 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, bei denen feldformende Maßnahmen in der Nähe des leitenden Streifens 80 zur Änderung der Fortpflanzungskonstanten der Übertragungsleitung vorgesehen sind. In Fig. 10 ist ein dielektrisches Teil 86 mit der gleichen Größe wie die leitende Platte 84 im Abstand (g) vom leitenden Streifen 80 angebracht. Dieses dielektrische Teil 86 unterbricht einen Teil des Randfeldes vom leitenden Streifen 80_/ und da dieses Teil eine größere Dielektrizitätskonstante als die vorherige Luftstrecke hat, ergibt sich eine größere Dielektrizitätszahl für die Übertragungsleitung und folglich eine größere Fortpflanzungskonstante. Die Wirkungen der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Anordnungen sind also entgegengesetzt. Die ausgezogene Kurve in Fig. 15 ist die Darstellung der gemessenen Phasenänderung bei 5 GHz als Funktion des Abstandes (g) bei einer Alaunerdeplatte, die eine halbe Wellenlänge lang und (c) = 3,2 mm dick war und eine Dielektrizitätskonstante (k) = 9 hatte. In der Darstellung sind Näherungkurven für entsprechende Anordnungen bei Dielektrizitätskonstanten (k) = 4 und (k) = 2.

Es wird angenommen, daß die effektive Phasenänderung etwa annähernd proportional zu 1/gγκ ist.

In Fig. 11 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform mit einem dielektrischen Teil 88, das hier in direktem Kontakt mit dem leitenden Streifen 80 steht. Die Phasenänderung ge-

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schieht hier durch Änderung der Dicke (b) des dielektrischen Teiles 88.

Auch Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform der einstellbaren Mikrostreifen-Übertragungsleitung. Ein toroidförmiges Ferritteil 90 ist über dem leitenden Streifen 80 angebracht. Durch Induktion eines magnetischen Gleichfeldes wird die Permabilität des Ferrits geändert und es ist möglich, kleine Änderungen der Fortpflanzungskonstanten in der übertragungsleitung und damit Phasenänderungen zu erreichen. Wenn der Ferrit die gezeigte Toroidform hat, dann behält sie das magnetische Gle'ichfeld auch nach dem Abschalten des Batteriestromes .

Die in Fig. 13 gezeigte Anordnung kann insofern als vorteilhaft für ein Antennensystem gemäß Fig. 1 angesehen werden, als das Ferritmaterial sowohl den ohmschen Widerstand hat als auch die geforderte Phasenänderung in den Übertragungsleitungen 28 und 30 verursacht.

Für den Fachmann ist es erkennbar, daß die Wahl der Länge (L) der feldbeeinflussenden Anordnung vorteilhafterweise gleich der halben Wellenlänge oder ein ganzes Vielfaches davon beträgt, auf diese Weise löschen sich die auftretenden Signalreflektionen aus.

Anordnungen dieser Art können auch zur Korrektur fertigungsbedingter Toleranzen anderer Bauelemente in entsprechenden Netzwerken verwendet werden.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Rüger

7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach 348

21. MärZ 1978 Telefon

T]J on Vn Stuttgart (0711) 356539

±ά J y KU _35S619

Telex 07256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche

1. Antennensystem zur Abstrahlung von Wellenenergiesignalen in einen bestimmten Raumwinkel, dessen Strahlungsanordnung eine Vielzahl von Elementgruppen aufweist, das eine Vielzahl von ersten Kopplungsgliedern besitzt, die jeweils zur Weiterleitung der Wellenenergiesignale zu den Elementen in entsprechenden Elementgruppen dienen, bei dem weiterhin zweite Kopplungsglieder vorgesehen sind, welche die ersten Kopplungsglieder in der Weise miteinander verbinden, daß den ersten Kopplungsgliedern zufließende Wellenenergiesignale auch bestimmten Elementen in anderen Elementgruppen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß den zweiten Kopplungsgliedern (28, 30; 36, 38) eine Vielzahl von ersten Phaseneinstellgliedern (40, 42) zugeordnet sind, von denen jedes mit einer der Elementgruppen verbunden ist, daß die Phaseneinstellglieder gegenläufige Phasenverschiebungen für die in Bezug auf die Gesamtanordnung in entgegengesetzter Richtung eingespeisten Signale bewirken und die Winkellage des Raumausschnittes, bezogen auf die Gesamtanordnung, mittels der Phaseneinstellglieder justierbar ist.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß identische Phaseneinstellglieder (40,42) allen Elementgruppen zugeordnet sind.

3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elementgruppe erste (21) und zweite (23) Elementbausteine mit einer oder mehreren Antennenelementen enthält und jedes der ersten Kopplungsglieder einen

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Leistungsteiler (22) mit einem ersten und einem zweiten Ausgang aufweist, die jeweils an die ersten und zweiten Elementbausteine (21, 23) angeschlossen sind, daß die zweiten Kopplungsglieder (28, 30; 36, 38) jeweils aus einer ersten, mit dem ersten Ausgang des Leistungsteilers (22) verbundenen Übertragungsleitung (30) und einer zweiten, mit dem zweiten Ausgang des Leistungsteilers (22) verbundenen Übertragungsleitung (28) bestehen und daß die Phaseneinstellglieder (40, 42) jeweils unterschiedliche Phasenlänge in den ersten und zweiten Übertragungsleitungen (28, 30) besitzen.

4. Antennensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Übertragungsleitung (30) zwischen entsprechenden Teilen der ersten Kopplungsglieder eine Phasenlänge besitzt, die einen kleinen Betrag (S) größer als ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist und die zweite übertragungsleitung (28) zwischen entsprechenden Teilen der ersten Kopplungsglieder eine Phasenlänge hat, die einen kleinen Betrag (S) kleiner als ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist.

5. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Vielzahl von zweiten Phaseneinstellgliedern (100) vorhanden ist, von denen jedes mit einem (26) der ersten Kopplungsglieder verbunden ist.

6. Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der zweiten Phaseneinstellglieder (100) den Amplitudenwert (S ) besitzt.

7. Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (40, 42) und die zweiten (100) Phaseneinstellglieder für jede Elementgruppe gleich sind.

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8. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Kopplungsglieder (30, 28) Mikrostreifen-Ubertragungsleitungen (76, 78, 80) besitzen und die Phaseneinstellglieder (40, 42, 100) eine Anordnung (84, 86, 88, 90) aufweisen, die in der Weise mit dem Mikrostreifen (8O) zusammenwirkt, daß das den Mikrostreifen (80) umgebende Feld und damit die Fortpflanzungskonstante des Mikrostreifens (80) zumindest über eine Teillänge änderbar ist (Fig. 7 bis 13).

9. Antennensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die das Feld ändernde Anordnung (84, 86, 88, 90) gleich einer halben Wellenlänge ist und oberhalb (L) des Mikrostreifens angebracht ist (Fig. 12).

10. Antennensystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die das Feld ändernde Anordnung (84, 86, 88, 90) mit einer dielektrischen Platte (78) vorbestimmter Stärke (t) und Dielektrizitätskonstante ausgestattet ist (Fig. 10, 11).

11. Antennensystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die das Feld ändernde Anordnung eine leitende Platte (84) oberhalb des Mikrostreifens (80) aufweist, die einen bestimmten Abstand (d) vom Mikrostreifen (80) hat (Fig. 9).

12. Antennensystem nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine das Feld ändernde Anordnung, die einen Ferriten (90) mit bestimmter Dielektrizität und bestimmten magnetischen Eigenschaften besitzt (Fig. 13).

13. Antennensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ferriten ein magnetisches Gleichfeld erzeugt wird (H; Gleichstrom) und dies zur Einstellung der Phase auf der Übertragungsleitung dient.

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14. Antennensystem nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen toroidförmigen Ferriten (90) mit permanentem Magnetfeld.

15. Antennensystem mit einstellbaren Mikrostreifen-ttbertragungsleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikrostreifen-Übertragungsleitung aus einer Grundplatte

(76) und einem damit verbundenen dielektrischen Substrat (78) sowie einem auf der entgegengesetzten Seite des Substrates entgebrachten leitenden Streifen (80) besteht und eine das elektrische Feld ändernde Anordnung (84, 86, 88, 90) vorgesehen ist, die auf der den leitenden Streifen (80) tragenden Seite des Substrates (78) in vorbestimmtem Abstand angeordnet ist, die bestimmte Abmessungen und elektrische Eigenschaften hat.

16. Antennensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die das Feld ändernde Anordnung aus einer leitenden Platte besteht (84), die einen bestimmten Abstand (d) zum leitenden Streifen (80) hat.

17. Antennensystem nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Vertiefung in der leitenden Platte (84), deren Tiefe den gewählten Abstand (d) bestimmt.

18. Antennensystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Platte (84) eine Länge (L) hat, die in Richtung des Mikrostreifens ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge des anstehenden Signales beträgt.

19. Antennensystem nach Anspruch 16, 17 oder 18, gekennzeichnet durch eine elektrische Verbindung zwischen leitender Platte (84) und der Grundplatte (76).

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20. Antennensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die die Phase ändernde Anordnung aus einer dielektrischen Platte (84, 86) bestimmter Dielektrizitätskonstante und Stärke (c; b) besteht, die getrennt vom Substrat (76) auf der Seite des Mikrostreifens (80) angebracht ist.

21. Antennensystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Platte (88) in Kontakt mit dem Mikrostreifen (80) steht (Fig. 11).

22. Antennensystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet", daß die dielektrische Platte (86) im Abstand zu dem Mikrostreifen (80) angeordnet ist (Fig. 10).

23. Antennensystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Platte (86) eine den Abstand (g) vom Mikrostreifen bestimmenden Vertiefung aufweist.

24. Antennensystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der dielektrischen Platte (84, 86) in Richtung des Mikrostreifens (80) ein ganzes Vielfac hes der halben Wellenlänge des anstehenden Signales ist.

25. Antennensystem nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine das Feld ändernde Anordnung, die einen Ferriten (90) mit bestimmten Dielektrizität und bestimmten magnetischen Eigenschaften besitzt.

26. Antennensystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ferriten ein magnetisches Gleichfeld erzeugt wird (H; Gleichstrom) und dies zur Einstellung der Phase auf der Übertragungsleitung dient.

27. Antennensystem nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen toroidförmigen Ferriten (90) mit permanentem Magnetfeld.

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28. Antennensystem nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferrit (90) eine Länge (L) aufweist, die in Richtung des Mikrostreifens ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge des in dem Mikrostreifen anstehenden Signales beträgt.

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