DE2941563A1

DE2941563A1 - Hohlleiter-anordnung

Info

Publication number: DE2941563A1
Application number: DE19792941563
Authority: DE
Inventors: Patrick E Crane; Robert Edward Lazarchik; Arthur Henry Schaufelberger
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1978-10-13
Filing date: 1979-10-13
Publication date: 1980-04-24
Also published as: FR2438847B1; FR2438847A1; US4187507A; NL7907582A; GB2032697B; GB2032697A; IT1209405B; IT7950549A0

Description

Patentanwälte D i ρ I.-1 η g. C J rt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

/ Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

• Dipl.-Ing. Rainer FeJ

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: i3. Oktober 1979 Un_MrZ«lch«n: 16 736 - Fk/Meu

Anmelder: Sperry Rand Corporation

1290 Avenue of the Americas New York, New York 10019
USA

Bezeichnung: Hohlleiter-Anordnung

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29'. 1563

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hohlleiter-Anordnung mit Fokaleigenschaften für die Kollimation und Übertragung von hochfrequenter elektromagnetischer Energie. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Gruppenantennensysteme der Art, bei der eine Vielzahl von zusammenwirkenden Antennenelementen eine Einrichtung zur selektiven Erzeugung von Mehrfach-Strahlungs- oder -Empfangsdiagrammen bildet, wobei derartige Gruppenantennen insbesondere zur Verwendung in an Bord von Luftfahrzeugen angeordneten Mikrowellen-Radiometriesystemen für Suchzwecke und kartographische Zwecke geeignet sind.

Aufgrund der natürlichen Eigenschaften von bisher verwendeten Antennensystemen war es schwierig, eine Gruppenantenne oder Antennenanordnung zu schaffen, die besonders für die kontinuierliche Abtastung oder Betrachtung von Gelände- oder Meeresbereichen über weite Frequenzbereiche zu Beobachtungs- oder Uberwachungszwecken geeignet ist, beispielsweise zur Warnung vor dem Vorhandensein von gefährlichem Eis oder Eisbergen. Zu kartographischen oder tJberwachungszwecken dienende passive radiometrische Systeme erfordern eine sehr große Betriebsbandbreite. Da die Signalamplituden klein sind und die ein Objekt identifizierenden Gradienten ebenfalls klein sind, sind sehr geringe Verluste aufweisende Mikrowellensysteme (insbe sondere mit einer Wellenlänge im Millimeterbereich) erwünscht. Bekannte Anordnungen waren nicht besonders erfolgreich, weil niedrige Verluste und ausreichende Bandbreiten im allgemeinen nicht erreicht wurden. Wenn

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-f-t

bekannte Antennensysteme einen ausreichend breiten Sektor überblicken, wird eine sehr starke Verzerrung der Strahlform und -breite beobachtet, insbesondere an den äußersten Enden des betrachteten oder abgetasteten Sektors. Die Strahlform-Verzerrungen und die große Änderung in der Lage und Amplitude unerwünschter Nebenkeulen trat teilweise aufgrund des Fehlens von gleichförmigen Energiephasenfronten an verschiedenen Teilen der Antennensysteme auf.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (US-Patentschrift 3 697 998) wird ein Mehrfachelement-Gruppenantennensystem gebildet, das für den Betrieb in sowohl passiven als auch aktiven elektronischen Systemen geeignet ist und eine Gruppenantenne aufweist, die mit dem zylindrischen Umriß eines Luftfahrzeuges übereinstimmt. Elemente der Anordnung, wie z. B. geschlitzte Übertragungsleitungsantennen, die Seite an Seite und zusammenwirkend angeordnet sind, ergeben eine Kollimation in einer Ebene der sich in Radialrichtung erstreckenden Antennendiagramme. Hierbei kann eine Vielzahl von derartigen radial gerichteten Richtdiagrammen gleichzeitig gebildet werden oder es können eines oder mehrere dieser Diagramme in Winkelrichtung über einen breiten Sektor abgelenkt werden. Der Antennendiagramm-Erzeugungsmechanismus verwendet ein geodätisches Parallelplatten-Energieführungssystem, das die Aktivitäten der Antennendiagramme bestimmt und weiterhin zusätzlich die Antennendiagramme in einer zweiten Ebene kollimiert.

Diese bekannte Anordnung ist Jedoch für bestimmte Anwendungen aufgrund ihrer Eigenarten zu groß, weil sie ein

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Volumen erfordert, das nicht in allen Fällen mit der geringen Größe von bestimmten überschalluftfahrzeugen vereinbar ist. Weiterhin setzt die bekannte Antennenanordnung die Verwendung einer geodätischen Linse voraus, die durch eine komplizierte winkelgetreue Parallelplatten-Homstrahleranordnung gebildet ist, die sowohl von der Herstellung als auch vom Zusammenbau her schwierig und aufwendig ist. Weiterhin erfordert die Systemapertur dieser bekannten Antennenanordnung eine Ausdehnung, damit eine Ablenkung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hohlleiter-Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die in der Herstellung weniger aufwendig und weniger schwierig ist und die eine wirksame Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Apertur ermöglicht, so daß keine zusätzliche Apertur zur Erzielung einer Ablenkung erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch dia kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Hochfrequenz-Antennensystem, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt, erzeugt symmetrisch angeordnete angepaßte schmale coplanare Bleistiftstrahl-Empfindlichkeitsdiagramme und dient als Gruppenantennenanordnung, die für Mikrowellen-Radiometriesysteme für Such- und Beobachtungszwecke zweckmäßig ist. Das kurze Antennensystem beseitigt die Schwierigkeiten der

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"bekannten Anordnung dadurch, daß symmetrische, mit Abstand angeordnete sektorförmige Empfangshornstrahler verwendet werden, die eine Speisung mit elektromagnetischer Energie über eine planar-hyperbolische Linse ermöglichen, wobei die Hornstrahleranordnung und die Linse in einem parallele Platten aufweisenden Hohlleiter angeordnet sind und die Linse durch Signale angestrahlt wird, die durch eine Breitwand-Schlitzhohlleiteranordnung aufgefangen werden, die eine dünne Wetterschutzbahn auf der Energieempfangsfläche aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Aueführungebeispielen noch näher erläutert .

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Querschnitt gezeigte Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Antennensystems unter Verwendung der Hohlleiter-Anordnung,

Pig. 2 eine teilweise im Querschnitt gezeigte Ansicht des Systems nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Ansicht der Energieempfangsfläche einer der Vielzahl von geschlitzten Hohlleitern des Systems nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine bruchstückhafte teilweise im Querschnitt gezeigte Ansicht, ähnlich einem Teil der Fig. 1, die jedoch Empfangsdiagramme und Verbindungen zu einer diesen Diagrammen entsprechenden

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Empfangseinrichtung zeigt,

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise des Systems,

Fig. 6 eine Zeichnung der Linse 14 des Systems nach Fig. 1, die zur Erläuterung der Konstruktion der Linse dient.

In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung im wesentlichen anhand von Ausführungsformen beschrieben, die am besten beispielsweise für die Verwendung in passiven Hochfrequenz-Radiometrieempfangssystemen geeignet sind, die starr an dem Rumpf eines Luftfahrzeuges befestigt sind. Es ist jedoch verständlich, daß Ausführungsformen der Erfindung auch bei anderen Hochfrequenzsystemen brauchbar sind, unter Einschluß von aktiven Radar- und Nachrichtenübertragungssystemen. Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Hohlleiter-Anordnung von ihrer

her
Eigenartieine sehr große Vielseitigkeit aufweist, weil das Reziprozitäts-Ausbreitungsgesetz für elektromagnetische Energie für alle Bauteile der Anordnung erfüllt ist und damit auch für die Summe dieser Bauteile.

Das Antennensystem wird am besten dadurch verständlich, daß es so aufgefaßt wird, als ob es aus zwei wesentlichen Teilbaugruppen besteht, nämlich einer in Sektoren unterteilten Hörnstrahler-Linsenstruktur 11, die zwischen Ebenen 1a und 16a nach den Fig. 1 und 2 angeordnet ist, sowie aus einer Wanderwellen-Antennenanordnung 10 aus Hohlleiter-übertragungsleitungen, die an der Ebene 16a an der

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Hornstrahler-Linsenstruktur 11 befestigt ist. Die Hornstrahler-Linsenstruktur 11 dient dazu, punktförmige Quellen an der Ebene 1a in linienförmige Quellen an der Ebene 16a zu transformieren, wobei jede linienförmige Quelle einen linearen Phasengradienten aufweist, der der Versetzung derpunktförmigen Quelle gegenüber der Symmetrieachse des Systems zugeordnet ist. Die Wanderwellen-Antennenanordnung 10 dient zur Transformation der linienförmigen Quellen an der Ebene 16a in flächenförmige Quellen längs der geschlitzten Vorderfläche der Anordnung, die ihrerseits die Bildung der abgestrahlten Antennenstrahlen in dem Sekundärdiagramm hervorruft. Damit diese Funktionen innerhalb der Bedingungen des zugehörigen Hochfrequenzsystems für die Polarisationsausrichtung, die zur Verfügung stehende Aperturgröße, die elektromagnetischen Energieverluste, die Seitenkeulenpegel und die Strahlungsdiagramm-Symmetrie erfüllt werden, ist es erforderlich, daß die beiden Teilbaugruppen 10 und 11 in neuartiger und genauer Weise in Wechselwirkung stehen.

Allgemein gesehen, ist die Anordnung 10 eine Breitwand-Wanderwellenanordnung, die übliche Längsresonanz-Nebenechliißschlitzöffnungen verwendet, die bei 40 in Fig. 3 angedeutet sind, um eine Abstrahlung in den Raum hervorzurufen, die linear polarisiert ist, wobei der Vektor E des elektrischen Feldes senkrecht zur Längsachse des typischen Hohlleiters 18 liegt. Die Anordnung 10 schließt eine ausreichende Anzahl derartiger strahlender Hohlleiter 18 ein, damit eich die gewünschte Gesamtapertur ergibt.

Das durch die Struktur 11 gebildete, aus einer aektor-

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förmigen Hornstrahler- und Linsenanordnung bestehende System erstreckt sich oberhalb und allgemein parallel zur Anordnung 10, und zwar von dem Ende der Anordnung 10 aus, die von einem Rahmenelement 25 entfernt ist. Ein erster Teil 1? des Energieverarbeitungssystems schließt eine Vielzahl von Koppelbögen 20 ein, die jeweils mit einem einer gleichen Vielzahl von 90°-Hohlleitertorsionsstücken verbunden sind, wie z. B. mit dem typischen 90°-Torsionsstück 19. Die 90°-Torsionsstücke 19 und die 180°-E-Ebenen-Koppelbögen 20 wirken zusammen, um die sich ausbreitende Energie auf die geeignete Hohlleitermode umzuwandeln, die für eine direkte Kopplung an die Breitwandanordnung 10 geeignet ist, so daß in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit eines Polarisations-Gitterwandlers entfällt. Jedes 90°-Torsionsstück 19 endet in einer Apertur, die in einer gemeinsamen Ebene an der Ebene 16a liegt, die ihrerseits eine Grenzflächenebene zwischen Planschen 16 und 30 (Fig. 2) ist, die zur Befestigung der beiden wesentlichen Teilbaugruppen 10 und 11 des Antennensystems miteinander verwendet werden, beispielsweise mit Hilfe üblicher (nicht gezeigter) Befestigungselemente. Die resultierende Anordnung von Eingangs-Hornstrahlern 21 ergibt einen geeigneten Übergang von den genormten Abmessungen der Hohlleiter, aus denen die Breitwandanordnung 10 aufgebaut ist, auf die Abmessungen des Parallelplattensystems, das als nächstes erläutert wird. Die bisher beschriebene Anordnung dient zur Zuführung von von der Anordnung 10 aufgefangener Energie, derart, daß diese Energie die Ebene 16a mit einer im wesentlichen gleichförmigen Phasenfront erreicht.

An der Ebene 16a ist eine planar-konvexe dielektrische

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Linse 14 eines Linsenabschnittes 13 angeordnet, wobei die ebene Stirnfläche der Linse 14 in der Ebene 16a des Flansches 16 liegt. Die zylindrische Linse 14 wandelt die auf sie auftreffende nahezu gleichförmige Phasenfront an der Ebene 16a in die gekrümmte Phasenfront um, die normalerweise charakteristisch für jede Hornstrahleröffnung 4, 5» 6, 7 der Hornstrahleranordnung 3 ist. Die Linse 14 weist eine hyperbolische zylindrisch konvexe Oberfläche 15 auf, die der mit der Ebene 16a zusammenfallenden ebenen Stirnfläche entgegengesetzt ist. Die hyperbolische Form wurde ausgewählt, weil sie eine ebene Wellenfront an der Ebene 16a in einer solchen Weise erzeugt, daß die Anzahl der Hohlleiter nicht vergrößert werden muß, um die Strahlbreite in der Ε-Ebene aufrechtzuerhalten, wenn Hornstrahler, wie z. B. 4, 5> 6 und 7 nach Fig. 1, verwendet werden, die gegenüber der Linsenachse versetzt sind und zu einem abgelenkten Strahl der Ε-Ebene führen. Die Linse besteht aus einem dielektrischen Material, wie z. B. aus einem üblichen quervernetzten Polystyrolmaterial, das eine sehr geringe Verlusttangente aufweist. Ein geeignetes Material ist ein wärmehärtendes Material, das im wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften wie übliches Polystyrol aufweist, das jedoch mechanisch viel stärker ist und nicht so schnell Haarrisse aufweist, wie dies das übliche Polystyrol oder ähnliches Material aufweist. Das Material steht ohne weiteres im Handel unter dem Warenzeichen "Rexolite" zur Verfügung.

Die Linse 14 weist für ein typisches System, das im K- Band arbeitet, eine Brennweite von 7,62 cm auf und sie ist in einem Paxallelplatten-Hornstrahlerabschnitt ange ordnet, der großflächige, einen geringen Abstand

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aufweisende parallele obere und untere leitende Wände 9» 9a aufweist, die an ihren Kanten durch leitende schmale Vertikal wände 8, 8a "begrenzt sind, die einen sich erweiternden Parallelplatten-Hornstrahler bilden, der eine Apertur an der Ebene 16a aufweist. An der von der Linse 14 entfernten Seite sind die Wände 8, 8a, 9, 9a mit einem Endflansch 1 verbunden, der die Ebene 1a bildet. Die Hornstrahleranordnung 3 und die Linse 14 ergeben ein Medium, durch das die Energiewellenfronten, die an der Ebene 16a vorhanden sind und durch die Linse 14 modifiziert werden, an den einen oder den anderen Hornstrahler der Hornstrahleranordnung 3 angepaßt und auf diesem fokussiert werden. Die Hornstrahleranordnung 3 schließt eine Anzahl von (beispielsweise vier) kleinen Hornstrahlern mit Aperturen 4, 5» 6 und 7 ein, die auf die hyperbolische Oberfläche 15 der Linse 14 gerichtet sind, wobei Jeder derartige Hornstrahler eine Achse, wie z. B. die Achse A¹, B¹, C, D¹, aufweist, die an einem Brennpunkt gerichtet ist, der auf der Stirnfläche 2¹ liegt, auf den die Energie von einer in geeigneter Weise geneigten ebenen Wellenfront, die auf die Ebene 16a auftrifft, fokussiert wird. Jeder Hornstrahler der Hornstrahleranordnung 3 erweitert sich lediglich in der Ε-Ebene. Die Kombination der Strukturen der dielektrischen Linse 14, des Parallelplatten-Hohlleiter-Hornstrahlerabschnittes und der Vielzahl von Hornstrahlern 4 bis 7 arbeitet mit dem E-Feldvektor parallel zu den parallelen Platten oder Wänden 9» 9a des Parallelplatten-Hornstrahlerabschnittes. Auf diese Weise wird jede Impedanzfehlanpassung an der Grenzfläche 16a zwischen der Linse 14 und der Hornstrahleranordnung 21 so weit wie möglich verringert. Ein Gitter, das aus parallelen Platten, wie z. B. den Wänden

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der Hornstrahleranordnung 21, besteht, bildet eine Impedanz, die in der Hauptsache durch den Abstand zwischen den leitenden Grenzflächen bestimmt ist, die parallel zu dem E-PeId der sich ausbreitenden Energie sind. In diesem Fall ist diese Abmessung an beiden Seiten der Ebene 16a identisch, so daß sich eine minimale Fehlanpassung an der Ebene 16a ergibt. Die dielektrische Linse 14 kann eine vierte Wellenlängen-Anpaßstruktur an der ebenen Kante aufweisen, um die Fehlanpassung an die Hornstrahleranoxtdnung 21 weiter zu verringern. Diese Anpaßstruktur kann in üblicher Weise dadurch hergestellt werden, daß Nuten in die ebenen Linsenoberflächen eingeschnitten werden. Die Konstruktion der Linse 14 ist vorzugsweise so gewählt, daß sich ein Verhältnis der Brennweite zur maximalen Linsenabmessung (D in Fig. 6) von 0,5 ergibt, so daß es leicht möglich ist, die Anordnung der Hornstrahler 4, 5» 6, 7 durch übliche (nicht gezeigte) mechanische Einrichtungen einzustellen, damit sich die gewünschte Linsenanstrahlung ergibt, wobei hierdurch weiterhin ein Präzisionsabgleich der Formen der einzelnen Antennendiagramme möglich ist. In dem Medium der dielektrischen Linse 14 ist der Brechungsindex nicht nur durch die dielektrische Konstante des Ausbreitungsmediums, sondern auch durch den Abstand der parallelen Platten oder Wände 9, 9a bestimmt .

Fig. 4 zeigt eine Art und Weise, wie die erfindungsgemäße Anordnung für eine Radiometrie-Anwendung verwendet werden kann. Die vier fächerförmigen Antennendiagramme A, B, C, D stellen Empfindlichkeitsdiagramme des Antennensystems dar, wenn es als Empfangsantenne verwendet wird. Es ist zu erkennen, daß jedes der verschiedenen Diagramme A, B,

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.γ.

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C, D bei Erregung durch eine geeignete Quelle Energie ausbreitet, die dann durch eines der Bauteile 17, 13 und 3 verarbeitet wird. Jeder der Anzahl von Hornstrahlern 4-bis 7 ist mit einem Meßfühler, wie z. B. einem üblichen Kristalldetektor 32a, versehen, der einem Hohlleiterabschnitt zugeordnet ist, der sich beispielsweise von dem Hornstrahler M- aus erstreckt. Jeder der Detektoren der Anordnung 32 ist mit jeweiligen Nutζeinrichtungen gekoppelt, die die Form von Meß- oder Anzeigeeinrichtungen aufweisen können, wie z. B. mit einer Aufzeichnungseinheit 31a der Anordnung von Aufζeichnungseinheiten 31· Die verschiedenen Ausgänge der Detektoranordnung 32 können in irgendeiner bekannten Art einer radiometrischen Nutzeinrichtung zugeführt werden, beispielsweise der Vielkanal-Aufzeichnungseinheiten-Anordnung 31 j in der getrennte Aufzeichnungen der festgestellten Signale auf einem Medium, wie z. B. Papier, aufgezeichnet und gespeichert werden können. Dieses Aufzeichnungsmedium kann beispielsweise an Aufzeichnungs-Schreibstiften vorbei mit einer Geschwindigkeit angetrieben werden, die eine Funktion der Zeit, der integrierten Fluggeschwindigkeit oder der tatsächlichen Entfernung ist, die durchflogen wurde, wie sie beispielsweise mit Hilfe eines Loran-Navigationsempfangssystems oder anderen Navigationshilfen ermittelt wird.

Die Ausgänge der verschiedenen Detektoren können weiterhin für eine optische Auswertung dargestellt werden, wenn dies erwünscht ist, beispielsweise im Fall der Erkennung von Eisbergen. Ein Merkmal des Systems bei der radiometrischen Anwendung ist darin zu sehen, daß es als weit offenes System verwendet werden kann, bei dem Daten von allen Empfängerkanälen für Such- oder Alarmzwecke

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zugeführt werden, oder daß es in einem System verwendet werden kann, das momentan Daten von getrennten Kanälen gleichzeitig aufzeichnet, oder beide Punktionen können gleichzeitig arbeiten.

Auf diese Weise weist das System beispielsweise vier symmetrische, genau angepaßte, an den 3 dB-Punkten eine Breite von 4·° aufweisende Empfangsdiagramme auf, die ein ander an den 6 dB-Punkten überlappen, wobei diese Eigenschaften mit Hilfe einer das gewünschte niedrige Volumen aufweisenden Linsen-Breitwand-Anordnungskombination er zielt werden. Jedem der vier symmetrisch mit Abstand angeordneten Sektor-Hornstrahler 4-, 5» 6, 7> die durch die planar-hyperbolische Linse 14- über den TEQ^-Moden-Parallelplatten-Hohlleiter-Hornstrahlerabschnitt angekoppelt ist, ist ein Empfangsdiagramm zugeordnet. Vier getrennte abgedichtete Hohlleiterausgänge sind in geeigneter Weise an entsprechende getrennte Empfänger, wie z. B. die Empfänger der Aufzeichnungseinheit-Anordnung 31 angepaßt. Diese Anordnung ergibt in vorteilhafter Weise niedrige Seitenkeulen und geringe Verlusteigenschaften ohne unerwünschte Frequenzstreuung. Die Antennenanordnung ermöglicht daher eine maximale Ausnutzung der schmalen Abmes— sung der zur Verfügung stehenden Antenneneingangsapertur. Die Ausrichtung der langen Abmessung der Apertur kompensiert jede Frequenzdispersion aufgrund der Eigenarten des Wellenausbreitungssystems, während die räumliche Polarisation der Diagramme aufrechterhalten wird. Wenn dies erwünscht ist, kann eine dünne Bahn von Wetterschutzmaterial plattenförmig in üblicher Weise und gegen Feuchtigkeit abgedichtet auf die aktive Fläche der Hohlleiteranordnung 10 aufgebracht werden, wobei sich eine

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vernachlässigbare Diagramm-Verzerrung ergibt.

Bei genauerer Betrachtung der Konstruktion und des Aufbaus der geschlitzten Antennenanordnung 10 ist zu erkennen, daß sie in einem Beispiel aus einer Serie von achtzehn parallelen Hohlleitern besteht, die aus der Aluminiumlegierung 6061 hergestellt sind und in die in Längsrichtung verlaufende Schlitze, beispielsweise bei MO, durch die breiten Wände eingeschnitten sind. Die einzelnen Hohlleiter 18 werden nach der Bildung der Schlitze geglüht, um den 180°-E-Ebenen-Koppelbogen 20 und das 90°-Torsionsstück 19 zu erzielen, bevor der Hornstrahler 21 gebildet wird. Die Sektor-Hornstrahler bei 21 werden dadurch gebildet, daß die schmale Hohlleiterwand aufgeweitet wird. Nachdem jeder der einzelnen Hohlleiter 18 gebildet wurde, werden die Hohlleiter 18 miteinander ausgerichtet und tauchgelötet, so daß sie zusammen eine einstückige starre Baugruppe bilden. Nach der Wärmebehandlung kann die gesamte Baugruppe mit einer üblichen Chrom-Korrosionsschutzbehandlung behandelt werden.

Die coplanare geschlitzte Anordnung weist Resonanzschlitze vom längsgerichteten Nebenschlußtyp auf und sie ist für einen Haupt-Strahlungswinkel von 87,5° von der LängsStrahlungsrichtung in der Η-Ebene ausgelegt. Der H-Ebenen-Strahlungswinkel ist eine Funktion des Schlitzabstandes und der Frequenz und er wird durch die Einstellung der Fhasennacheilung zwischen Schlitzen gesteuert. Der Gruppenfaktor einer Breitseitenanordnung von η Quellen ergibt sich aus der Gleichung:

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f(x) = (sin η χ) / (η sin χ) (1)

χ = Τ[_Α. sin θ + 4/2,

__^ = TT - 2 TTd/ X g = Phasennacheilung

d = Trennung zwischen den Elementen (die Trennung entlang der Längsachse der Hohlleiter zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen),

^g = Hohlleiterwellenlänge bei der Mittenfrequenz und

θ = Strahlungswinkel bezüglich der Richtung senkrecht zur Anordnung oder Gruppe.

Der Ausdruck "Gruppenfaktor" ist wie üblich als eine Punktion definiert, die, wenn sie mit dem Strahlungsdiagramm, das von einem einzigen Element der Anordnung oder Gruppe multipliziert wird, eine Funktion ergibt, die das Strahlungsdiagramm für die gesamte Anordnung beschreibt. Der Winkel θ zwischen der Strahlachse und der senkrechten Richtung wird dadurch gewonnen, daß χ = O gesetzt wird und für θ aufgelöst wird:

0 = K± Binj?+ π - /πά/1 (2)

^Af 2- °

so daß

arc sin \f(-'-Jf/2a\ (3).

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-ifΛ* , ■·-.-■

Damit ist der Strahllingswinkel /9 eine Funktion des Schlitzabstandes d und der Frequenz. Diese Abhängigkeit von der Frequenz ruft eine Strahl streuung hervor, die" eine resultierende Strahlbreite von:

- [i + 0,15 (Bandbreite/Strahlbreite)²] Strahlwinkelbreite, wobei die erforderliche Bandbreite = = 3»4-3 °/o beträgt, während die konstruktive Strahlbreite c^. 3»6° ist, so daß

_R = 4,08 und die Dispersion ~ 13 %.

Unter Verwendung der Hornstrahler-Linsen-Kombination ist die Frequenzdispersion in der Ε-Ebene vernachlässigbar, doch ist aus dem Vorstehenden zu erkennen, daß für eine erforderliche Bandbreite von 3,4-3 /« (1200 KHz/35000 MHz) die Dispersion oder Streuung in der Größenordnung von 13 Jo in der Η-Ebene ist. Dies bedeutet, daß die H-Ebenen-Aperturdimension für eine Strahlbreite von 3»6° bei der Mittenfrequenz ausgewählt werden muß. Die Verwendung der Breitwandanordnung erfüllt die Forderung, daß die Polarisation senkrecht zur Längsachse des Luftfahrzeuges ist, und gleichzeitig wird die Forderung erfüllt, daß die größere Abmessung der zur Verfügung stehenden Apertur verwendet wird, um eine Frequenzdispersion zu kompensieren.

Die Auswahl der Anstrahlungsverjüngung für das Antennensystem beruht auf der optimalen Anwendung der Antennenapertur für passive radiometrische Anwendungen. Diese Verjüngung ist erfindungsgemäß getrennt in der E-Ebene durch Ändern der Konstruktion der Hornstrahleranordnung

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und in der Η-Ebene durch die sich ändernde Konstruktion der ResonanzSchlitzverteilung und der Schlitzform steuerbar. Dieses Merkmal ergibt zwei wesentliche Vorteile: Erstens können die beiden Ebenen ohne weiteres unabhängig voneinander gesteuert oder eingestellt werden, und zweitens kann Jedes Strahlungsdiagramm getrennt auf Symmetrie und Winkelversetzung eingestellt werden.

Ein hoher Gewinn kann durch die Verwendung einer Dolph-Tchebyscheff-Anstrahlungsverjüngung erzielt werden. Diese Verjüngung ergibt den größtmöglichen Hauptkeulengewinn für einen vorgegebenen Seitenkeulenpegel und eine vorgegebene Aperturgröße. Alle Seitenkeulen haben jedoch die gleiche Amplitude, selbst in einem Abstand von 90° von dem Hauptkeulen-Mittelpunkt. Dies bedeutet, daß, obwohl der Aperturwirkungsgrad hoch ist, der Hauptstrahlwirkungsgrad niedrig ist. Der Hauptstrahl-Wirkungsgrad ist als der prozentuale Anteil der abgestrahlten Leistung in der Hauptkeule verglichen zur gesamten abgestrahlten Leistung unter Einschluß der Seitenkeulen und der Rückwärtskeulen definiert. Dieser Ausdruck unterscheidet sich von dem Ausdruck "Aperturwirkungsgrad", der sich auf den Antennengewinn gegenüber dem theoretischen maximalen Gewinn für eine vorgegebene Aperturgröße bezieht. Der theoretische maximale Aperturwirkungsgrad tritt für eine gleichförmig angestrahlte Apertur ohne Verluste auf. Für Radiometerzwecke wäre eine gleichförmig angestrahlte Apertur, selbst wenn sie erreichbar wäre, unerwünscht, weil sich hierbei hohe Seitenkeulen (13,5 dB für rechteckige Aperturen und 17 dB für kreisförmige Aperturen) ergeben. Die Folge dieser hohen Seitenkeulen würde ein sehr niedriger Hauptetrahl-Wirkungegrad sein. Daher ist ein hoher

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Apertur-Wirkungsgrad nicht mit einem hohen Hauptstrahl-Wirkungsgrad vereinbar und dieser Hauptstrahl-Wirkungsgrad ist bei Radiometeranwendungen wichtig, weil lediglich ein Signalempfang von dem Hauptstrahl erwünscht ist. Unter Berücksichtigung dieser Tatsachen wird die folgende Anstrahlungsverjüngung ausgewählt:

P(x) - U + (1-U) cos² [ff) (ξ)] (4)

U a gleichförmige Anstrahlung in #/100 und

a = Aperturbreite/2
ist.

Eine Darstellung des resultierenden Strahlungs- oder Empfangsdiagramms zusammen mit dem äquivalenten Dolph-Tchebyscheff-Seitenkeulen-Hüllkurvendiagramm ist in Fig. 5 dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Seitenkeulen-Pegel in erwünschter Weise nach der zweiten Seitenkeule absinken, und zwar im Vergleich zur Dolph-Tchebyscheff-Seitenkeulen-Hüllkurve für den gleichen maximalen Seitenkeulen-Fegel.

Fig. 6 ermöglicht eine ausführlichere Betrachtung der Konstruktion der dielektrischen Linse 14. Hierbei ist t die maximale Dicke der Linse 14, F die Brennweite des Brennpunktes 41 auf der Horastrahlerflache 2' bezüglich der Ortskurve der maximalen Dicke, N_e der Brechungsindex für Mikrowellenenergie innerhalb des luftgefüllten Teils

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der Parallelplatten-Hohlleiterwände 9, 9a, N^, der Brechungsindex für den Bereich, an dem die Hohlleiterwände 9» 9a von der Linse 14 aufgenommen werden, und D ist die maximale Abmessung der Linse. Entsprechend ist:

H² . (P + t)² + (D/2)² (5)

und damit

R N₆ = P N_e + N_f(t) (6)

N_e = (1 - (£f)²)^1/2 (7).

Darin ist a der Abstand zwischen den breiten Wänden 9» 9a. Die Gleichungen 5» 6 und 7 können ohne weiteres kombiniert werden, damit sich die folgende Gleichung er gibt s

(N_f ² - N_e ²)t² + 2F(N_eN_f - N_e ²)t - ((D/2)N_e)² =0 (8).

Der Wert von t ist leicht aus der Gleichung (8) auflösbar. Bei einer typischen, experimentell ausgeführten Lin se 14 ist A₀ 0,86 cm, a » 0,81 cm, F = 7,62 cm, N_f = 1,48 und N - 0,8, so daß t, die maximale Dicke der Linse 14, ungefähr 2,92 cm ist. Weil F, t und D nunmehr bekannt sind, kann die Ortskurve der hyperbolischen Oberfläche 15 in eindeutiger Weise bestimmt werden.

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Entsprechend beseitigt das neuartige preisgünstige Antennensystem die Schwierigkeiten der bekannten Anordnungen und weist zusätzlich verschiedene Vorteile auf. Bei Betrachtung der Fläche der Anordnung 10 wird die Feldverteilung der Ε-Ebene lediglich durch die Form der Diagramme der vier Hornstrahler 4, 5» 6 und 7 gesteuert. Andererseits wird die Feldverteilung in der Η-Ebene unabhängig durch die Schlitze der Anordnung 10 gesteuert. Diese Strukturen sind unabhängig voneinander, so daß eine unabhängige Steuerung der Feldverteilung in beiden Ebenen sichergestellt ist. Die E-Ebenen-Diagrammsymmetrie und -ausrichtung werden leicht durch Einstellung der Positionen und öffnungen der Hornstrahler 4, 5, 6 und 7 erreicht. Das neuartige Antennensystem weist weiterhin niedrige Seitenkeulen für alle Empfangsdiagramme, niedrige Verluste und ein sehr niedriges Volumen mit maximaler Stabilität und Zuverlässigkeit auf.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Süniher Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

29A 1563 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 · KaufingerstraBe 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

Un»*r Zeichen: 15 735 P/Nu

Pat ent ansprüehe

Hohlleiter-Anordnung mit Fokaleigenschaften für die Kollimation und Übertragung von hochfrequenter elektromagnetischer Energie, gekennzeichnet durch mit Abstand angeordnete elektrisch leitende ebene Breitwandteile (9, 9a), die symmetrische abgestumpft dreieckförmige Energieausbreitungselemente mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Energieaustausch-Anschlußteilen (16a, 1a) bilden und eine Spiegelsymmetrieachse aufweisen, in den Energieausbreitungselementen benachbart zu den ersten Anschlußteilen (16a) angeordnete zylindrische dielektrische Linsenelemente (14), die eine im wesentlichen ebene Oberfläche an den ersten Anschlußteilen (16a) aufweisen und weiterhin mit einer konvexen, im wesentlichen hyperbolischen Oberfläche (15) versehen sind, die symmetrisch innerhalb der Energieeusbreitungselemente angeordnet ist, an den ersten Anschlußteilen (16a) angeordnete Mehrfach-Hohlleiterkopplungselemente (17)t die in EnergieaustauechbeZiehung mit der ebenen Oberfläche der zylindrischen dielektrischen

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ORIGINAL INSPECTED

Linsenelemente (14·) stehen, und an den zweiten Anschlußteilen (1a) angeordnete zweite Mehrfach-Hohlleiterkopplungselemente (3)» die mit den zweiten Anschlußteilen (la) in Energieaustauschbeziehung stehen.

2. Hohlleiter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweiten Mehrfach-Hohlleiterkopplungselemente (3) eine Vielzahl von symmetrisch angeordneten hohlen Hohlleiter-Hornstrahlerelementen (4, 5i 6, 7) umfassen, die jeweils eine Richtwirkungsachse aufweisen, die die Spiegelsymmetrieachse und die im wesentlichen hyperbolische Oberfläche (15) schneidet.

3. Hohlleiter-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Mehrfach-Hohlleiterkopplungselemente (17) mit einer Vielzahl von getrennten geschlitzten Hohlleiterelementen (18) zusammenwirken, die jeweils mit einem entsprechenden Hohlleiter-Kopplungselement (17) gekoppelt sind, so daß die geschlitzten Hohlleiterelemente (18) zusammen Gruppenantennenteile (10) bilden.

4. Hohlleiter-Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Mehrfach-Hohlleiterkopplungselemente (17) durch eine Vielzahl von benachbart angeordneten 180°-Hohlleiterkoppelbögen (20) und 90°-Hohlleiter-Torsionsstücken(19) gebildet sind, die jeweils einen Energieaustausch zwischen den jeweiligen geschlitzten Hohlleiterelementen

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(18) und der ebenen Oberfläche (16a) der zylindrischen Linsenelemente (14) ergeben.

5· Hohlleiter-Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß Signaldetektoreinrichtungen (32) mit den jeweiligen hohlen Hohlleiter-Hornstrahlerelementen (4, 5, 6, 7) gekoppelt sind und daß Nut ζ einrichtungen (3Ό zur Verwendung der jeweiligen einzelnen Ausgänge der Signaldetektoreinrichtungen (32) vorgesehen sind.

6· Hohlleiter-Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Vielzahl von getrennten geschlitzten Hohlleiterelementen (18) Seite an Seite derart zusammenwirkend angeordnet ist, daß ebene geschlitzte Antennengruppenelemente (10) für den gerichteten Austausch von elektromagnetischer Energie gegenüber entfernt angeordneten Objekten gebildet werden.

7· Hohlleiter-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Ebene der geschlitzten Gruppenantennenelemente (10) im wesentlichen parallel zu den Ebenen der ebenen Breitwandteile (9, 9a) verläuft.

8. Hohlleiter-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Fokallänge zur maximalen Abmessung der zylindrischen dielektrischen Linsenelemente (14) in

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wesentlichen 0,5 beträgt.

9. Hohlleiter-Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,
daß die zylindrischen dielektrischen Linsenelemente
(14) eine maximale, durch die Gleichung:

(N_f ² - N_e ²)t² + 2F(N_eN_f - N_e ²)t - ((D/2)N_e)² « 0

bestimmte Dicke t aufweisen, worin
t « eine maximale Dicke,

P ■ eine Brennweite des Linsen-Brennpunktes bezüglich der Ortskurve der maximalen Dicke auf der im wesentlichen hyperbolischen Oberfläche,

N. ■ einen Brechungsindex für Mikrowellenenergie in einem luftgefüllten Teil der symmetrischen abgestumpft dreieckförmigen Energieausbreitungselemente,

N- « einen Brechungsindex für Mikrowellenenergie in dem Teil der symmetrischen abgestumpft kegelförmigen Energieausbreitungselemente, der
durch die zylindrischen dielektrischen Linsenelemente (14) eingenommen ist,
und

D * eine maximale Abmessung der zylindrischen dielektrischen Linsenelemente (14)

bedeuten. 10. Hohlleiter-Anordnung nach Anspruch 9» dadurch

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gekennzeichnet , daß die zylindrischen dielektrischen Linsenelemente (14-) aus wärmehärtendem dielektrischem Material hergestellt sind.

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