DE2813916A1 - Richtantennenanordnung mit elektronisch steuerbarer strahlschwenkung - Google Patents

Richtantennenanordnung mit elektronisch steuerbarer strahlschwenkung

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DE2813916A1 DE19782813916 DE2813916A DE2813916A1 DE 2813916 A1 DE2813916 A1 DE 2813916A1 DE 19782813916 DE19782813916 DE 19782813916 DE 2813916 A DE2813916 A DE 2813916A DE 2813916 A1 DE2813916 A1 DE 2813916A1
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Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München 78 P 6 5 8 7 BRD
Richtantennenenordnung mit elektronisch steuerbarer Strahlschwenkung»
Die Erfindung besieht sich auf eine Richtantennenanordnung mit elektronisch Steueroarer Strahlschwenkung, bestehend aus einer gegen einen Reflektor ausgerichteten Strahleranordnung und einer, der Strahleranordnung zugehSrenden Schalt- und Steuereinrichtung.
Riclitantennenanordnungen dieser Art werden beispielsweise in der Radartechnik für Zwecke der Zielverfolgung und bei Satelliten-Nachrichtenübertragungssystemen zur Ausrichtung einer Bordantenne eines Raumflugkörpers auf eine bodenseitigs Gegenstation, sowie zur Nachrichtenübertragung über Troposcatter-Verbindungen benötigt. Grundsätzlich besteht zwar die Möglichkeit, eine Strahl-Schwenkung der Richtantenne durch mechanisches Schwenken der Antenne oder durch mechanische Verlagerung des Primärstrahlers gegenüber dem Reflektor herbeizuführen, doch sind solche mechanischen Lösungen dann nicht mehr anwendbar, wenn relativ hohe Umsehaltgeschwindigkeiten von einer Stralilrichtung auf eine andere erforderlich sind. Bei Troposcatter-Verbindungen, beispielsweise,
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bei denen kurzzeitige Schwundeinbrüche auftreten, ist es nötig, Änderungen der Strahlrichtung innerhalb von 1 bis 3/U see. auszuführen, um einen einwandfreien Betrieb aufrecht erhalten zu können. 5
Wie die Literatursteile "Merrill Skolnik, Radar Handbook, McGraw-Hill Book Company, New York, 1970, Kapitel 11, Seiten 6 und 7 angibt, bestehen mehrere Möglichkeiten, mittels einer aus mehreren Strahlern bestehenden Strahleranordnung auf elektronischem Wege eine Schwenkung der Strahlrichtung herbeizuführen. Letztlich laufen alle diese Möglichkeiten darauf hinaus, durch in der Phase unterschiedliche Speisung der Strahlerelemente des Strahlerfeldes die Phasenfront der resultierenden elektromagnetischen Welle und damit die Strahlrichtung zu beeinflussen.
Durch die Literaturstelle Leon J. Ricardi: Multibeam Antennas Communication Satellite Antenna Technology Seminar, Boston University, Okt. 31 - Nov. 4, 1977, ist es auch bereits bekannt, das Prinzip der Lenkung der Strahlrichtung einer Richtantenne durch Verändern der Lage der Primärstrahleranordnung elektronisch dadurch zu realisieren, daß in Abhängigkeit der gewünschten Strahlrichtung verschiedene Primärstrahler der Primärstrahleranordnung aktiviert werden. Schwierigkeiten bestehen hier hinsichtlich der Realisierung des Leitungs- und Umschaltsystems für die verschiedenen Primärstrahler. Dies gilt besonders für den Fall, daß für die gewünschte Strahlformung des in seiner Richtung schwenkbaren Antennenstrahls zwei und mehr Primärstrahler jeweils zusammenwirken müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Richi> antennenanordnung mit elektronisch steuerbarer Strahlschwenkung der letztgenannten Art ein Konzept anzugeben,
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das bei vorgegebener Strahlform und hoher Genauigkeit der Einstellung der gewünschten Strahlrichtung einen einfachen Aufbau des Leitungs- und Umschaltsystems für die Primärstrahleranordnung zuläßt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Strahleranordnung aus η χ m - für η und m ganze positive Zahlen - matrixartig angeordneten Strahlerelementen besteht, daß ferner in diesem Strahlerfeld wahlweise Strahlergruppen mit jeweils k χ 1 - für k und 1 ganze positive Zahlen - mit matrixartig angeordneten Strahlerelementen bei (n-k+1) χ (m-1-1) Wahlmöglichkeiten aktivierbar sind, daß hierzu eine die Gesamtenergie nahezu verlustlos auf k χ 1 Zweige mit nahezu gleichen Anteilen aufteilende bzw. aufsummierende Leitungsverzweigung vorgesehen ist, deren Zweige in sternförmig aufgebaute Schaltverzweigungen Sij - für 1= i= k und 1= S= 1 - ausmünden, daß außerdem die Schaltverzweigungen jeweils (1+Int. (^JjM) χ (i+Int.jS^-l) zu den Strahlerelementen führende Leitungsarme mit darin eingefügten, von einer Steuerschaltung betätigbaren Schaltelementen aufweisen und daß die Steuerschaltung zum Aktivieren einer wählbaren Gruppe aus k χ 1 Strahlerelementen in jeder Schaltverzweigung von den sich normalerweise im Sperrzustand befindlichen Schaltelementen stets nur eines in den Durchlaßzustand schaltet.
Besonders günstige konstruktive Verhältnisse ergeben sich dann, wenn die Schaltverzweigungen in einer Ebene hinter den ebenfalls in einer Ebene angeordneten Strahlerelementen des Strahlerfeldes jeweils eine zentrale Position in Bezug auf die an ihre Leitungsarme angeschlossenen Strahlerelemente einnehmen.
Diesem Sachverhalt kommt dann besondere Bedeutung zu, wenn die Aufteilung bzw. Aufsummierung der Gesamt-
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energie über die Leitungsverzweigungen und die Schaltverzweigungen mit ihren Leitungsarmen hinsichtlich der Strahlerelemente gleichphasig vorgenommen werden soll.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 bis 7 angegeben.
Anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 die schematische Darstellung einer Schalt- und Steuereinrichtung für das Strahlungsfeld einer Richtantennenanordnung,
Fig. 2 die schematische Darstellung für zwei Schalt- und Steuereinrichtungen für das Strahlungsfeld einer Richtantennenanordnung zur unabhängigen Steuerung bei Senden und Empfangen, Fig. 3 die nähere Einzelheiten aufweisende Darstellung eines Strahlungsfeldes mit einer Schalt- und Steuereinrichtung,
Fig. 4 das Blockschaltbild für die Steuereinrichtung der Schalt- und Steuereinrichtung nach Fig. 1, Fig. 5 eine die Funktion der Steuereinrichtung nach
Fig. 4 näher erläuternde Tabelle. 25
Fig. 1 zeigt die eigentliche Schalt- und Steuereinrichtung SAS mit den Schaltverzweigungen S11, S12, S21 und S22, die von der Steuerschaltung ST mit den Steuereingängen a, b, c, d geschaltet wird. Die Schaltverzwei« gungen sind auf Seiten des Anschlusses für den Schaltarm mit der Leitungsverzweigung LZ verbunden, die bei Senden die am Hauptanschluß HS ankommende Gesamtenergie zu gleichen Anteilen und phasengleich auf die Schaltverzweigungen aufteilt. Bei Empfang wird die über die Schaltverzweigung ankommenden Energieanteile gleichphasig zum Hauptanschluß HS hin auf summiert. Das
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sechzehn Strahlerelemente in matrixförmiger Anordnung aufweisende Strahlerfeld SF hat für jedes Strahlerelement einen Anschluß. Diese sechzehn Anschlüsse des Strahlerfeldes SF sind mit den jeweils vier Leitungsarme A1, A2...A16 aufweisenden Schaltverzweigungen S11, S12, S21, und S22 verbunden.
Besteht der Wunsch, abhängig von der Funktion der Antenne für Senden oder Empfangen unterschiedliche Strahlenrichtungen festzulegen, die auch unabhängig voneinander änderbar sind, so muß, wie das Fig. 2 zeigt, für Senden und Empfangen jeweils eine getrennte Schalt- und Steuereinrichtung SAS1 und SAS2 vorgesehen werden. Die nunmehr in zweifacher Ausführung vorhandenen Leitungsarme A1, A2...A16 sind nun paarweise entsprechend ihrer gegenseitigen Zuordnung, über Zirkulatoren Z1... Z16 an die zugehörigen Anschlüsse der sechzehn Strahlerelemente des Strahlerfeldes SF angeschaltet. In gleicher Weise lassen sich die Hauptanschlüsse HS der Leitungsverzweigungen LZ der beiden Schalt- und Steuereinrichtungen SAS1 und SAS2 über den Zirkulator ZO zum gemeinsamen Hauptanschluß HSf zusammenfassen.
Das nähere Einzelheiten aufweisende Ausführungsbeispiel für das Strahlerfeld SF nach Fig. 3 mit den Schaltverzweigungen S11, S12, S21 und S22 weist eine quadratische Konfiguration auf, in der die sechzehn Strahlerelemente 1, 2...16 in Form von Hohlleiterstrahlern in einer Matrix mit vier Reihen und vier Spalten angeordnet sind, Jede der vier Schaltverzweigungen S11, S12, S21 und S22 mit jeweils vier Leitungsarmen ist hinter dem Strahlerfeld in einer für die an die Leitungsarme angeschlossenen Strahlerelemente zentralen Position angeordnet. Hierdurch ergibt sich für die Schaltver.zweigungen ebenfalls eine matrixförmige Anordnung, die der matrixförmigen Anordnung der Strahlerelemente 6, 7, 10 und 11
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entspricht. Jede der Schaltverzweigungen ist in ihrem Sternpunkt mit einem Anschluß der Leitungsverzweigung LZ verbunden und weist in jedem der Leitungszweige A1, A2...A16 einen PIN-Diodenschalter si, s2...si6 auf. Die PIN-Diodenschalter werden von der noch zu erläuternden Steuerschaltung ST nach den Figuren 1 und 2 betätigt. Die PIN-Diodenschalter sperren im Ruhezustand die zugehörigen Leitungsarme zu den Strahlerelementen und werden von der Steuerschaltung so betätigt, daß je nach Auswahl einer Strahlergruppe immer nur einer der jeweils vier einer Schaltverzweigung zugeordneten PIN-Diodenschalter vom Sperrzustand in den Durchlaßzustand übergeführt wird. Jede der Strahlergruppen besteht aus vier Strahlerelementen in zueinander quadratischer An-Ordnung. Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 3 ergeben sich dabei neun Wahlmöglichkeiten. Die PIN-Diodenschalter sind so ausgeführt, daß sie im Sperrzustand für den betreffenden Leitungsarm am Sternpunkt eine extreme Fehlanpassung ergeben. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die am Sternpunkt vorhandenen Energieanteile praktisch verlustlos entweder in die Leitungsverzweigung eingekoppelt oder zu dem durchgeschalteten Strahlerelement übertragen werden.
Die Steuerschaltung ST nach Fig. 4 weist für jeden der PIN-Diodenschalter si, s2...si6 eine Steuerquelle SQ1, SQ2...SQ16 auf, deren beiden von einem NAND-Gatter NG gebildeten Eingänge über ein Leitungsnetzwerk mit den Anschlüssen a, b, c, d für ein digitales Steuersignal in Verbindung stehen. Dieses Netzwerk weist hierbei im Bereich der Steuereingänge die Inverter Ia, Ib, Ic und Id auf. Dem eingangsseitigen NAND-Gatter NG einer Stromquelle SQ1, SQ2...SQ16 ist ein Stromverstärker V nachgeschaltet, dessen Ausgang jeweils den Ausgang der Steuerquelle abgibt. Zum besseren Verständnis ist hinter den Bezeichnungen für die Diodenschalter si, s2...
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si6 jeweils in Klammern angegeben, welcher Schaltverzweigung S11, S12, S21 xind S22 nach Fig. 3 der betreff fende PIN-Diodensehalter zugeordnet ist.
Die Arbeitsweise der digital über die Eingänge a, b, c und d ansteuerbare Steuerschaltung ST erläutert die Tabelle in Fig. 5. Die Spalten geben jeweils an, bei welcher digitalen Kombination an den Eingängen a, b, c und d der Ruhestrom der Steuerquellen SQ1, SQ2... Q16 abgeschaltet ist. Bei abgeschaltetem Steuerstrom befindet sich der jeweilige PIN-Diodenschalter im Durchlaßzustand, während er bei eingeschaltetem Steuerstrom den Sperrzustand aufweist. Da die Indizes der PIN-Diodenschalter si, s2...si6 identisch sind mit den Indizes der sie schaltenden Strahlerelementen 1, 2...16 gibt die oberste Zeile der Tabelle nach Fig. 5 gleichzeitig an, welche Strahlergruppe innerhalb des Strahlerfeldes SF aktiviert ist.
Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1,3 und 4 weisen die Schaltverzweigungen S11, S12, S21 und S22 jeweils eine gleiche Anzahl von Leitungsarmen A1, A2... A16 auf. Selbstverständlich ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Im allgemeinen sind natürlich auch Konfigurationen möglich, bei denen zumindest ein Teil der Schaltungsverzweigungen gegenüber den übrigen vorgesehenen Schaltungsverzweigungen eine unterschiedliche Anzahl von Leitungsarmen aufweist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn von einer quadratischen Figuration der matrixartig angeordneten Strahlerelemente abgegangen wird.
7 Patentansprüche
5 Figuren.
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ΛΛ
Zusammenfassung 78 P 6 5 8 7 BRQ
Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantennenanordnung mit elektronisch steuerbarer Strahlschwenkung, die aus einer gegen einen Reflektor ausgerichteten Strahleranordnung und einer der Strahleranordnung zugehörigen Schalt- und Steuereinrichtung besteht. Für eine extrem schnelle Schwenkung der Strahlrichtung bei hoher Genauigkeit wird vorgeschlagen, ein Strahlerfeld (SF mit einer größeren Anzahl matrixförmig angeordneten Einzelstrahlern (1...16) vorzusehen, aus denen wahlweise Strahlergruppen einer vorgegebenen Matrixanordnung der zugehörigen Einzelstrahler aktivierbar sind. Die Umschaltung von einer Strahlergruppe auf eine andere bewirkt eine Änderung der Strahlrichtung, da sich hierdurch die räumliche Lage des jeweiligen Primärstrahlers zum ausgeleuchteten Reflektor ändert.
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Claims (7)

  1. 2813816
    Patentansprüche -Jf-
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    (ι J Richtantennenanordnung mit elektronisch steuerbarer Strahlschwenkung, bestehend aus einer gegen einen Reflektor ausgerichteten Strahleranordnung und einer der Strahleranordnung zugehörigen Schalt- und Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleranordnung aus η χ m - für η und m ganze positive Zahlen - matrixartig angeordneten -Strahlerelementen (1, 2...16) besteht, daß ferner in diesem Strahlerfeld (SF) wahlweise Strahlergruppen mit jeweils k χ 1 - für k und 1 ganze positive Zahlen - mit matrixartig angeordneten Strahlerelementen bei (n-k+1) χ (m-1+1) Wahlmöglichkeiten aktivierbar sind, daß hierzu ein die Gesamtenergie nahezu verlustlos auf k χ 1 Zweige mit nahezu gleichen Anteilen aufteilende bzw. aufsummierende Leitungsverzweigung (LZ) vorgesehen ist, deren Zweige in sternförmig aufgebaute Schaltverzweigungen SiJ (S11, S12, S21, S22) - für 1^ i^ k und 1^ j£ 1 - ausmünden, daß außerdem die Schaltverzweigungen jeweils (1+Int. !2^l) x (I+Int·!^!) zu den Strahler-
    elementen führende Leitungsarme (A1, A2...A16) mit darin eingefügten, von einer Steuerschaltung (ST) betätigbaren Schaltelementen (si, s2...si6) aufweisen und daß die Steuerschaltung zum Aktivieren einer wählbaren Gruppe aus k χ 1 Strahlerelementen in jeder Schaltverzweigung von den sich normalerweise im Sperrzustand befindlichen Schaltelementen stets nur eines in den Durchlaßzustand schaltet.
  2. 2. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltverzweigungen (S11, S12, S21, S22) in einer Ebene hinter den ebenfalls in einer Ebene angeordneten Strahlerelementen des Strahlerfeldes (SF) jeweils eine zentrale Position in Bezug auf die an ihre Leitungsarme (A1, A2...A16) angeschlossenen Strahlerelemente einnehmen.
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    ORIGINAL INSPECTED
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  3. 3. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a durch gekennzeichnet, daß die Aufteilung bzw. Aufsummierung der Gesamtenergie über die Leitungsverzweigung (LZ) und die Schaltverzweigungen (S11, S12, S21, S22) mit ihren Leitungsarmen (A1, A2... A16) hinsichtlich der Strahlenelemente (1, 2...16) gleichphasig vorgenommen ist.
  4. 4. Richtantennenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (si, s2...si6) PIN-Diodenschalter, beispielsweise in koaxialer Ausführung, sind.
  5. 5. Richtantennenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (si, s2...si6) in den Leitungsarmen (A1, A2...A16) einer Schaltverzweigung (S11, S12, S21, S22) im Sperrzustand am Sternpunkt im Nutzfrequenzbereich eine extreme Fellanpassung der zugehörigen Leitungsarme darstellen.
  6. 6. Richtantennenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich-
    25η e t , daß das Strahlerfeld (SF) zwei voneinander unabhängigen Schalt- und Steuereinrichtungen (SAS1, SA32) für Senden und Empfangen aufweist und daß hierzu die den Strahlerelementen (1, 2...16) des Strahlerfeldes zugeordneten Leitungsarme (A1, A2...A16) der Schaltver-
    30zweigungen (S11, S12, S21, S22) beider Schalt- und Steuereinrichtungen über Zirkulatoren (ZI...ZI6) an die Strahlerelemente angeschaltet sind.
  7. 7. Richtantennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch 35gekennzeichnet , daß die Leitungsverzweigungen (LZ) beider Schalt- und Steuereinrichtungen
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    - 3 - 78 P 6 5 8 7 BRD
    (SAS1, SAS2) aufSeiten ihres Hauptanschlusses über einen Zirkulator (ZO) zu einem gemeinsamen Hauptanschluß (HS*) zusammengefaßt sind.
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