DE2813916C3

DE2813916C3 - Richtantennenanordnung mit elektronisch steuerbarer Strahlschwenkung

Info

Publication number: DE2813916C3
Application number: DE2813916A
Authority: DE
Inventors: Theodor Dipl.-Ing. 8890 Aichach Schwierz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1981-07-30
Also published as: IT1113047B; JPS54134539A; DE2813916B2; FR2421479B1; US4286267A; GB2018034A; JPS628041B2; GB2018034B; AU509462B2; BE875236A; DK133179A; DE2813916A1; NL7902530A; AU4562679A; IT7921332A0; FR2421479A1

Description

1 + Int.

n — i

40

wobei beim Ausdruck mit dem mathematischen Zeichen Int. der größte natürliche Zahlenwert zu nehmen ist, welcher in dem dem Zeichen Int. nachgestellten Absolutwert enthalten ist;

daß in die von den einzelnen Schaltverzweigungen fS H₁ 512, S21, S22) führenden Leitungsarme (A 1, A 2,..., A 16) von der Steuerschaltung (ST) betätigte Schaltelemente (s\, S2, ■ ■., S\b) eingefügt sind und daß die Steuerschaltung (ST) zum Aktivieren der wählbaren, aus den k χ / Strahlerelementen bestehenden Gruppe für jede Schaltverzweigung von den sich normalerweise im Sperrzustand befindenden Schaltelementen stets nur eines in den Durchlaßzustand schaltet.

2. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltverzweigungen fS 11, 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 (A 1, A2... A 16) angeschlossenen Strahlerelemente einnehmen.

3. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung bzw. Aufsummierung der Gesamtenergie über die Leitungsverzweigung (LZ) und die Schaltverzweigungen fSH, 512, S21, S22) mit ihren Leitungsarmen (A 1, A 2... A 16) hinsichtlich der Strahlenelemente (1,2 ... 16) gleichphasig vorgenommen ist.

4. Richtantennenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente fs 1, s2...sl6) PIN-Uiodenschalter, beispielsweise in koaxialer Ausführung, sind.

5. Richtantennenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente fsl, s2...s 16) in den Leitungsarmen (A 1, A 2...Λ 16) einer Schaltverzweigung (S 11, S12, 521, 522) im Sperrzustand am Sternpunkt im Nutzfrequenzbereich eine extreme Fehlanpassung der zugehörigen Leitungsarme darstellen.

6. Richtantennenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlerfeld (SF) zwei voneinander unabhängigen Schalt- und Steuereinrichtungen (SASl, SAS 2) für Senden und Empfangen aufweist und daß hierzu die den Strahlerelementen (1, 2 ... 16) des Strahlerfeldes zugeordneten Leitungsarme (A 1, A 2... A 16) der Schaltverzweigungen fS 11, 512, S21, S22) beider Schalt- und Steuereinrichtungen über Zirkulatoren (Zl... Z16) an die Strahlerelemente angeschaltet sind.

7. Richtantennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsverzweigungen (LZ) beider Schalt- und Steuereinrichtungen (SASl, SAS2) auf Seiten ihres Hauptanschlusses über einen Zirkulator (ZO) zu einem gemeinsamen Hauptanschluß (HS') zusammengefaßt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantennenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Richtantennenanordnungen dieser Art werden beispielsweise in der Radartechnik für Zwecke der Zielverfolgung und bei Satelliten-Nachrichtenübertragungssystemen zur Ausrichtung einer Bordantenne eines Raumflugkörpers auf eine bodenseitige Gegenstation sowie zur Nachrichten-Übertragung über Troposcatter-Verbindungen benötigt. Grundsätzlich besteht zwar die Möglichkeit, eine Strahlschwenkung 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 Umschaltgeschwindigkeiten von einer Strahlrichtung auf eine andere erforderlich sind. Bei Troposcatter-Verbindungen, beispielsweise, bei denen kurzzeitige Schwundeinbrüche auftreten, ist es nötig, Änderungen der Strahlrichtung innerhalb von 1 bis 3 μβεΰ auszuführen, um einen einwandfreien Betrieb aufrecht erhalten zu können.

Wie die Literaturstelle »Merrill Skolnik, Radar Handbook, McGraw - Hill 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.

Aus den Literaturstellen »IEEE Transactions on Antennas and Propagation«, Mai 1966, Seiten 260 bis 266, und »IEEE Transactions on Antennas and Propagation«, September 1970, Seiten 590 bis 595, sind phasengesteuerte Antennen ohne Reflektor bekannt, deren Strahlsteuerung mittels Leitungs- und Schaltverzweigungen erfolgt, allerdings prinzipiell nach Art z. B. der Butler-Matrix. Es werden somit keine Strahlerelemente in Gruppen entweder ein- oder ausgeschal'et, sondern es werden die Strahierelemente je nach gewünschtem Auslenkwinkel der Strahlen in unterschiedlichen Gruppen phasenmäßig verschieden gespeist Es handelt sich prinzipiell um eine Phasensteuerung.

Durch die Literaturstelle Leon ]. Ricardi: Multibeam Antennas, Communication Satellite Antenna Technology Seminar, Boston University, Okt 31 — Nov. 4,1977, ist es darüber hinausgehend bereits bekannt, die unterschiedliche Strahlauslenkung durch Vc/ändern der Lage der wirksamen Primärstrahlergruppe zu erreichen. So erzeugt z. B. eine aktivierte Strahlergruppe in der Mitte des gesamten Primärstrahlerfeldes eine anders ausgerichtete Gesamtantennenabstrahlung als eine aktivierte Strahlergruppe am Rande des gesamten Primärstrahlerfeldes. Eine Phasensteuerung liegt somit hierbei gerade nicht vor. Die in Fig. 5 der letztgenannten Literaturstelle gezeigte Leistungsverteilereinrichtung mit einer Vielzahl von variablen 3dB-Hybridkopplern läßt nur unter hohem Steuerungs- und Schaltungsaufwand eine gleichmäßige Aufteilung der Leistung auf die Strahlerelemente zu, insbesondere dann, wenn zwei und mehr ausgewählte Strahlerelemente des Primärstrahlers zusammenwirken sollen und alle anderen abgeschaltet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Richtantennenanordnung mit elektronisch steuerbarer Strahlschwenkung der eingangs genannten Art eine Lehre anzugeben, wie ein steuerbarer Leistungsverteiler auszubilden ist, der räumlich und hinsichtlich ihrer Zahl beliebig auswählbare, matrixartige Gruppen von Strahlerelementen aus einem matrixförmigen Strahlerfeld aktivieren kann und dabei die jeweils aktivierten Strahlerelemente gleichmäßig speist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Besonders günstige konstruktive Verhältnisse ergeben sich dann, w enn 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 Gesamtenergie 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 bedeutet

F i g. 1 die schematische Darstellung einer an sich bekannten Antennensteuerung mit einer Schalt- und Steuereinrichtung für das Strahlungsfeld einer Richtantennenanordnung,

Fig.2 die schematische Darstellung einer an sich bekannten Antennensteuerung, allerdings mit zwei Schalt- und Steuereinrichtungen nach F i g. 1 für das Strahlungsfeld einer Richtantennenanordnung zur unabhängigen Steuerung bei Senden und Empfangen,

Fig.3 die Darstellung eines Strahlungsfeldes mit einer Schalt- und Steuereinrichtung zur Leistungsverteilung nach der Erfindung,

Fig.4 ein Blockschaltbild für die in Fig. 1 schematisch dargestellte Steuereinrichtung der Schalt- und Steuereinrichtung bei dem in F i g. 3 gezeigten Strahlungsfeld unter Zugrundelegung der dort dargestellten Leistungsverteilung nach der Erfindung,

F i g. 5 eine die Funktion der Steuereinrichtung nach F i g. 4 näher erläuternde Tabelle.

F ι g. 1 zeigt eins an sich bekannte Schalt- und Steuereinrichtung 5A5 mit den Schaltverzweigungen 511,512,521 und 522, die von der Steuerschaltung ST mit den Stsuereingängen a, b, c, d geschaltet wird. Die Schaltverzwe'gungen sind aufseilen des Anschlusses für den Schaltarm mit der Leitungsverzweigung LZ verbunden, die bsi Senden die am Hauptanschluß HS ankommende Gesamtenergie zu gleichen Anteilen und phasengleich auf die Schaltverzweigungen aufteilt. Bei Empfang werden die über die Schaltverzweigung ankommenden Energieanteile gleichphasig zum Hauptanschluß HS aufsummiert. Das 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. A 2 ... A 16 aufweisenden Schaltverzweigungen 511. 512,521 und 5 22 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 F i g. 2 zeigt, für Senden und Empfangen jeweils eine getrennte Schalt- und Steuereinrichtung 5Λ51 and 5A52 vorgesehen werden. Die nunmehr in zweifacher Ausführung vorhandenen Leitungsarme A 1, A 2 .. .A 16 sind nun paarweise entsprechend ihrer gegenseitigen Zuordnung, über Zirkulatoren Zl...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 5A51 und 5A52 über den Zirkulator ZO zum gemeinsamen Hauptanschluß ί/5'zusammenfassen.

Das nähere Einzelheiten aufweisende Ausführungsbeispiel für das Strahlerfeld SF nach F i g. 3 mit den Schaltverzweigungen 511, 512, 521 und 522 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 511, 512, 521 und 522 mit jrweils vier Leitungsarmen ist hinter dem Strahlerfeld in einer für die an die Leitungsarme angeschlossenen Strahlerelemente zentralen Position angeordnet. Hierdurch ergibt sich für die Schaltverzweigungen ebenfalls eine matrixförmige Anordnung, die der matrixförmigen Anordnung der Strahlerelemente 6, 7, 10 und 11 entspricht. Jede der Schaltverzweigungen ist in ihrem Sternpunkt mit einem Anschluß der Leitungsverzweigung LZ verbunden und weist in jedem der Leitungszweige A 1, A 2... A 16 einen PIN-Diodenschalter s 1,

s2 ... s 16 auf. Die PIN-Diodenschalter werden von der noch zu erläuternden Steuerschaltung ST nach den Fig. 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 Anordnung. Beim Ausführungsbeispiel nach den F i g. 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 STnach Fig.4 weist für jeden der PIN-Diodenschalter si,s2...st6 eine Steuerquelle SCl, SQ2...SQi6 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 la, Ib, Ic und /t/auf. Dem eingangsseitigen NAND-Gatter NG einer Stromquelle SQi, SQ2...SQ16 ist ein Stromverstärker Vnachgeschaltet, dessen Ausgang jeweils den Ausgang der Steuerquelle abgibt. Zum besseren Verständnis ist hinter den Bezeichnungen für die Diodenschalter si, s2...sl6 jeweils in Klammern angegeben, welcher Schaltverzweigung SIl, S12, S21 und S22 nach Fig. 3 der betreffende PIN-Diodenschalter 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

ίο und dder Ruhestrom der Steuerquellen SQi, SQ2... SQ 16 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...sl6 identisch sind mit den Indizes der sie schaltenden Strahlerelementen 1, 2... 16 gibt die oberste Zeile der Tabelle nach F i g. 5 gleichzeitig an, welche Strahlergruppe innerhalb des Strahlerfeldes SFaktiviert ist.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1, 3 und 4 weisen die Schaltverzweigungen SlI, S12, S21 und S22 jeweils eine gleiche Anzahl von Leitungsarmen A 1, A 2... AiS 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Richtantennenanordnung mit elektronisch steuerbarer Strahlschwenkung, bestehend aus einer auf einen Reflektor ausgerichteten Strahieranordnung, die aus nxm (n und m sind positive ganze Zahlen) in einem Strahlerfeld matrixartig angeordneten Strahlerelementen besteht, wobei in diesem Strahlerfeld wahlweise Strahlergruppen mit jeweils kχ I(kund /sind positive ganze Zahlen) matrixartig angeordneten Strahlerelementen bei

(n—k+ l)xf/n—/+1) Wahlmöglichkeiten mittels einer Steuereinrichtung aktivierbar sind, und bestehend aus einer der Strahleranordnung zugehörigen, durch die Steuereinrichtung gesteuerten Leistungsverteilereinrichtung, welche die Gesarotenergie auf die jeweils aktivierten Strahlerelemente verteilt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leistungsverteilereinrichtung die Zweige einer mit der Gesamtenergie beaufschlagten Leitungsverzweigung (LZ) in Schaltverzweigungen (SW, S12, S2i, 522) ausmünden, deren Anzahl kxl beträgt und die aus sternförmig zusammenlaufenden Leitungsarmen (A1,A2,...A 16) bestehen, daß bei der Festlegung der Zahl der Leitungsarme (A 1, A 2,..., A 16) für jede der Schaltverzweigungen (SIl, S12, 521,522) folgende Regel gilt:

a) die Schaltverzweigungen werden mit Sy bezeichnet;

b) der Index / kann alle natürlichen Zahlenwerte von 1 bis k und der Index j kann alle natürlichen Zahlenwerte von 1 bis / annehmen, so daß sich insgesamt die kx /Schaliverzweigungen Sn, S12 ... bis Sa ergeben;

c) für die Schaltverzweigungen S_y beträgt die Leitungsarmzahl