DE2822875C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verzweigungsnetzwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Strahlergruppe mit einem beispielsweise mehr als eine Oktave umfassenden Arbeitsfrequenzbereich verwendbar. Bei Strahlergruppen, die für den Betrieb innerhalb eines größeren Frequenzbandes von z. B. mehr als einer Oktave ausgelegt sind, stellt sich oft das Problem, daß die Halbwertsbreite der Strahlungskeule bei der oberen und unteren Bandgrenzfrequenz normalerweise stark verschieden ist. Beim Betrieb über eine Oktave ist z. B. bei der unteren Bandgrenze die Strahlungskeule doppelt so breit wie bei der oberen Bandgrenze. Bei manchen Anwendungen, insbesondere bei Richtantennen für Peilsysteme, erweist sich diese starke Frequenzabhängigkeit der Strahlungskeule als großer Nachteil.

Bei einem bekannten Verfahren (DE-OS 25 41 569) werden zur Diagrammangleichung bei der oberen und unteren Bandgrenzfrequenz frequenzabhängige Dämpfungsglieder in die Zuleitungen zu den äußeren Strahlerelementen der Strahlergruppe zwischengeschaltet. Diese Maßnahme wirkt sich in der Weise aus, daß bei den oberen Frequenzen des Betriebsbandes die Dämpfung durch die Dämpfungsglieder größer ist als bei den tieferen Frequenzen und die äußeren Elemente der Strahlergruppe somit am oberen Bandende stärker bedämpft werden. Dieses bewirkt eine Verkleinerung der effektiven Aperturgröße der Strahlergruppe und damit eine Verbreiterung der Strahlungskeule. Am unteren Bandende wird die Bedämpfung auf einem möglichst kleinen Wert gehalten, um hier die geometrisch vorgegebene Aperturgröße der Strahlergruppe voll ausnutzen zu können. Es ist bekannt, daß durch Zwischenschaltung von derartigen frequenzabhängigen Dämpfungsgliedern (Taper-Gliedern) beim Betrieb über eine Frequenzoktave die Keulenbreitenänderungen auf 20 bis 40% verringert werden kann.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines bekannten frequenzabhängigen Dämpfungsgliedes schematisch dargestellt, wobei mit R ohmsche Widerstände, mit C Kapazitäten und mit L Induktivitäten bezeichnet sind. Das Dämpfungsglied besteht aus überbrückten T-Gliedern mit konzentrierten Bauelementen, wobei durch geeignete Auswahl der R-, C- und L-Komponenten der Dämpfungsverlauf dem vorgesehenen Betriebsfrequenzband angepaßt werden kann.

Während diese Ausführungsform vorzugsweise auf Frequenzen unterhalb 500 MHz beschränkt ist, ist für höherliegende Frequenzbereiche der in Fig. 2 dargestellte Netzwerksaufbau zu verwenden. Hier sind die konzentrierten Bauelemente durch definierte Leitungslängen ersetzt.

Bei Verwendung der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bzw. 2 ist zu beachten, daß die frequenzabhängige Steuerung der Strahlergruppen-Apertur durch eine resistive Dämpfung in den erläuterten Dämpfungsgliedern erfolgt. Dieses bedeutet, daß die Diagrammangleichung durch Dämpfungsverluste erkauft wird, die eine Verringerung des effektiven Antennengewinns zur Folge haben. Die Dämpfungsverluste werden zudem sehr rasch größer, sobald die Diagramme besser als auf 30% angeglichen werden sollen. In diesem Fall ist nämlich eine größere Anzahl von seriengeschalteten Dämpfungsglied-Selektionen der in Fig. 1 bzw. 2 dargestellten Art nötig.

Weitere Anordnungen mit frequenzabhängiger Aperturbelegung einer Strahlergruppe zur Erzielung einer weitgehend frequenzunabhängigen Diagrammbreite, vor allem unter Verwendung von Verzögerungsleitungen, sind aus dem Artikel "Constant-Beamwidth Arrays for Wide Frequency Bands" in "Acustica", Vol. 11 (1961), Seiten 341 bis 347 bekannt. Hierbei werden keine resistiven Dämpfungsglieder benutzt.

Aus der Praxis der Verzweigungsnetzwerke ist es bereits bekannt, daß sich eine steuerbare Leistungsaufteilung einfach dadurch erreichen läßt, daß zwischen zwei seriengeschaltete 3dB-90°-Koppler steuerbare Phasenstellglieder eingefügt werden. Der schematische Aufbau einer derartigen Schaltung mit einem Eingang E und zwei Ausgängen A₁ und A₂ ist in Fig. 3 dargestellt. Es läßt sich zeigen, daß das Aufteilungsverhältnis U₁/U₂ der Leistung an den Ausgängen A₁ und A₂ durch die Beziehung U₁/U₂ = tgΦ beschrieben wird, wobei Φ = ½ · ( ϕ₁ - ϕ₂) und ϕ₁ - ϕ₂ die von den Phasenstellgliedern erzeugte Phasendifferenz ist. Die Spannungen an den Ausgängen A₁ und A₂ bleiben dabei gleichphasig. Es sind Ausführungsformen bekannt, bei denen die Phasenstellglieder durch Leitungselemente gebildet sind, wodurch sich eine frequenzabhängige Steuerung der Phasenwerte ϕ₁ und ϕ₂ bzw. des Aufteilungsverhältnisses U₁/U₂ erreichen läßt. Die daraus resultierende Abhängigkeit des Aufteilungsverhältnisses U₁/U₂ von der Frequenz führt jedoch bei einer Verschaltung des Verzweigungsnetzwerks mit einer Strahlergruppe in der Regel zu einer Belegungssteuerung, die nur eine unbefriedigende Diagrammangleichung ermöglicht. Bei einer Bandbreite von einer Oktave sind z. B. noch Diagrammbreitenänderungen von etwa 1 : 1,5 zu erwarten. Ein für derartige Verzweigungsnetzwerke typischer Diagrammbreitenverlauf als Funktion der Frequenz f ist in Fig. 4 dargestellt, wobei mit f _U , f _M und f _O die untere Grenzfrequenz, eine mittlere Frequenz und die obere Grenzfrequenz des Arbeitsfrequenzbandes bezeichnet sind.

Fig. 5 zeigt den typischen Verlauf des Aufteilungsverhältnisses U₁/U₂ an den Ausgängen A₁ und A₂ der Schaltung nach Fig. 3 in Abhängigkeit von der (relativen) Frequenz. Als wesentlich ist hier die Tatsache anzusehen, daß bei der unteren Bandgrenze f _U im allgemeinen keine 1 : 1-Aufteilung erreicht wird, wodurch wiederum die Geometrie einer nachgeschalteten Strahlergruppe nicht voll ausgenutzt werden kann. Die gestrichelt eingezeichnete gewünschte Abhängigkeit des Aufteilungsverhältnisses U₁/U₂ ist in Fig. 5 mit F _o bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein anderes Verzweigungsnetzwerk der eingangs genannten Art anzugeben, welches gleichfalls ohne resistive Dämpfungsglieder auskommt und welches eine frequenzabhängige Belegungssteuerung einer Strahlergruppe zur Erzielung einer innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes weitgehend frequenzunabhängigen Halbwertsbreite des Richtdiagramms der Strahlergruppe ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verzweigungsnetzwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch dessen Merkmale im Kennzeichen gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Die Verwendung von Anordnungen mit zwei Kopplern, die über Allpaßnetzwerke miteinander verbunden sind, ist auch aus der Technik der Höchstfrequenzweichen bekannt. In der DE-OS 21 08 687 ist beispielsweise ein periodischer Frequenzbandmultiplexer bekannt, bei welchem die Ausgänge eines ersten 3dB-Kopplers über Allpässe mit den Eingängen eines zweiten 3dB-Kopplers verbunden sind. Zur Trennung benachbarter Teilbänder eines breiteren Frequenzbandes zeigen die Allpässe an den Grenzen der Teilbänder scharfe Sprünge in ihrer Übertragungsphase. Mit den Allpässen können noch Frequenzfilter mit Bandsperr-Bandpaß-Charakter in Reihe geschaltet werden, die Frequenzteilbereiche auf ein weiteres Ausgangstor des ersten Kopplers reflektieren.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert.

Durch die Serienschaltung eines 3dB-0°-Kopplers mit einem 3dB-90°-Koppler (Quadratur-Koppler) mit dazwischengefügten, definiert dimensionierten Allpaßnetzwerken kann die Belegung bzw. das Aufteilungsverhältnis so gewählt werden, daß bei der unteren Bandgrenze die Apertur einer angeschlossenen Strahlergruppe optimal ausgenutzt werden kann.

Der Verlauf des Aufteilungsverhältnisses U₁/U₂ läßt sich über das gesamte Frequenzband weitgehend variieren bzw. einer gewünschten Funktion - beispielsweise dem gewünschten Verlauf F _o in Fig. 5 - annähern, so daß die Diagrammangleichung erleichtert wird, wobei stets Phasengleichheit an den Ausgängen des Netzwerks vorausgesetzt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Das Verzweigungsnetzwerk weist hier einen 3dB-0°-Koppler 1 mit einem Eingang E und zwei Ausgängen 7 und 8 sowie einen 3dB-90°-Koppler 2 mit zwei Eingängen 9 und 10 und zwei Ausgängen A₁ und A₂ auf. Die Ausgänge 7 und 8 des 3dB-0°-Kopplers 1 sind jeweils über eine Reihenschaltung bestehend aus zwei Allpaß-Netzwerken 3 und 5 bzw. 4 und 6 an je einen Eingang 9 bzw. 10 des 3dB-90°-Kopplers 2 angeschlossen. Im 3dB-0°-Koppler 1 wird die bei E eingespeiste Energie gleichmäßig und phasengleich auf die Ausgänge 7 und 8 aufgeteilt und über die Allpaß-Netzwerke 3 und 5 bzw. 4 und 6 den Eingängen 9 und 10 des 3dB-90°-Kopplers 2 zugeführt. An den Ausgängen A₁ und A₂ kann dann die Energie entsprechend dem jeweiligen Aufteilungsverhältnis U₁/U₂ abgenommen werden, das durch die Phasenlage der Energie an den Eingängen 9 und 10 des 3dB-90°-Kopplers 2 bestimmt wird. Die Funktion der Anordnung besteht im wesentlichen darin, daß bei der oberen Grenzfrequenz eines beliebig vorgegebenen Frequenzbandes ein sehr großes Aufteilungsverhältnis U₁/U₂ der Leistung zwischen den Ausgängen A₁ und A₂ erreicht wird, während bei der unteren Grenzfrequenz das Aufteilungsverhältnis U₁/U₂ den Wert 1 annimmt. Dieses stellt in den meisten Anwendungsfällen der Diagrammangleichung die Voraussetzung für eine optimale Belegungssteuerung der Strahlergruppe dar. Um dieses Ziel zu erreichen, ist zwischen den Spannungen an den Eingängen 9 und 10 des 3dB-90°-Kopplers 2 bei der oberen Grenzfrequenz eine Phasendifferenz von 90°, bei der unteren Grenzfrequenz dagegen eine Phasendifferenz von 0° erforderlich. Das genannte Ziel wird bei der Anordnung gemäß Fig. 6 dadurch erreicht, daß die Allpaß-Netzwerke 5 und 6 so dimensioniert werden, daß sie in Verbindung mit den Allpaß-Netzwerken 3 und 4 bei der oberen Grenzfrequenz die Phasendifferenz von 90° erzeugen.

Zugleich wird die Differenz der Betriebsphase der Allpaß- Netzwerke 5 und 6 dabei durch gezielte Dimensionierung dieser Bauelemente in der Weise frequenzabhängig gehalten, daß die Phasendifferenz bei der unteren Grenzfrequenz möglichst klein ist. Die verbleibende restliche Phasendifferenz wird durch die beiden Allpaß-Netzwerke 3 und 4 kompensiert. Für die Grenzfrequenzen f _U und f _O des vorgegebenen Betriebsfrequenzbandes gilt dann:

ϕ₅(f _o ) - ϕ₆(f _o ) - ( d₄(f _o ) - ϕ₃(f _o )) = 90°

ϕ₅(f _u ) - ϕ₆(f _u ) - ( ϕ₄(f _u ) - ϕ₃(f _u )) = 0°

Der Frequenzgang der Phasendifferenz ϕ₅(f) - ϕ₆(f) bzw. ϕ₄(f) - ϕ₃(f) wird durch den charakteristischen Verlauf der Betriebsphase eines Allpaß-Netzwerkes

bestimmt. Durch gezielte Wahl der Netzwerkkomponenten R bzw. C _i bei Verwendung eines Allpaß-Netzwerks, wie es beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist, kann der Frequenzgang der Phasenbeziehung zwischen den Spannungen an den Eingängen 9 und 10 des 3dB-90°-Kopplers 2 so eingestellt werden, daß bei mehrfacher Anwendung des Verzweigungsnetzwerks in Form einer Stammbaum-Verzweigung eine Belegungsfunktion an den Anschlüssen erreicht werden kann, welche für eine angeschlossene Strahlergruppe eine Optimierung der Diagrammkonstanz über das gesamte Frequenzband ermöglicht. Dabei bietet sich als zusätzliches Hilfsmittel noch die Zwischenschaltung von Leitungselementen in die Verbindungsstrecken zwischen den Anschlüssen 7 und 9 sowie 8 und 10 an.

Claims (3)

1. Verzweigungsnetzwerk für eine Stammbaumverzweigung zur frequenzabhängigen kontinuierlich sich ändernden Leistungsaufteilung bei einer Richtantenne mit mehreren Strahlerelementen zur Erzielung einer weitgehend frequenzunabhängigen Halbwertsbreite des Richtdiagramms der Strahlergruppe durch frequenzabhängige Steuerung der Aperturbelegung der Antenne über ein vorgegebenes Frequenzband, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

• a) ein 3dB-0°-Koppler (1) mit einem Eingang und zwei Ausgängen ist mit seinem ersten und seinem zweiten Ausgang (7, 8) mit je einem Eingang (9, 10) eines 3dB-90°-Kopplers (2) verbunden,
• b) in die Verbindungen ist jeweils eine Reihenschaltung aus zwei Allpaßnetzwerken (3, 4 bzw. 5, 6) eingefügt,
• c) die Allpaßnetzwerke sind so dimensioniert, daß zwischen den beiden Eingängen (9, 10) des 3dB-90°-Kopplers (2), an die die Allpaßnetzwerke angeschlossen sind, bei der oberen Grenzfrequenz des Frequenzbandes eine Phasendifferenz von näherungsweise 90°, bei der unteren Grenzfrequenz des Frequenzbandes dagegen eine Phasendifferenz von annähernd 0° vorliegt.

2. Verzweigungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Allpaßnetzwerke (3 bis 6) zur Erzielung eines gewünschten Frequenzganges mit einem frequenzabhängigen Phasenstellglied, beispielsweise einem Leitungsstück definierter Länge, kombiniert sind (Fig. 6).

3. Verzweigungsnetzwerk nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines gewünschten Frequenzganges Allpaßnetzwerke höheren Grades, beispielsweise zweiten Grades, mit einem Leitungsstück definierter Länge kombiniert sind.