DE3006528A1 - Mehrstrahlantenne sowie verfahren zur erzeugung wenigstens einer nullstelle in einem antennenstrahlungsdiagramm mit breiter strahlbedeckung - Google Patents

Description

. Patentanwälte "D'i p-l_; - In g. -C u rt Wallach

'P'-~'ⁿ9· Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

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

Datum: 2 1. FEfL

Unser Zeichen: 16 839 H/Nu

Ford Aerospace & Communications Corporation, Dearborn, Mich., USA

Mehrstrahl antenne sowie Verfahren zur Erzeugung wenigstens einer Efullstelle in einem Antennenstrahlungsdiagramm mit breiter Strahlbedeckung

Die Erfindung betrifft allgemein Antennensysteme mit elektronischer Steuerung der Antennenstrahlen, und näherhin solche Antennensysteme, mit denen Nullstellen in ihren Strahlungscharakteristiken erzeugt werden können.

Eine Mehrstrahlantenne kann unter Verwendung einer Anordnung von Antennenelementen, einer Linse oder einem Reflektor ausgebildet werden und sie kann für Jeden einzelnen Komponentenstrahl eine einstellbare Amplituden- und/oder Phasensteuerung besitzen. Diese einstellbaren Phasen- und Amplitudensteuerungen werden für eine Antennenerregung (Antennenspeisung bzw. Antennenanfachung, "excitation") gemäß einer gewünschten Strahlungscharakteristik eingestellt. Das heißt, daß die Mehrstrahlantenne

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ein zusammengesetztes Fernfeld-Strahlungsdiagramm besitzen kann, das einstellbar ist und so eine veränderliche Bedeckung liefert.

Eine Mehrstrahlantennencharakteristik kann mit einer oder mehreren schmalen tiefen, häufig als "Nullstellen" bezeichneten Einbuchtungen innerhalb eines breiten, geformten Strahlantennendiagramms mit flach-ebener Oberseite ausgebildet werden. Me Erzeugung von Nullstellen ist besonders vorteilhaft zur weitestmöglichen Verringerung schädlicher Wirkungen diskreter störender Strahlungsquellen, welche auf die Antennenöffnung auftreffen, während die Antenne in anderen Eichtungen in HF-Verkehr steht. Bei Satellitennachrichtenverbindungen kann es erwünscht sein, eine Nullstelle auf eine Störquelle auszurichten, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Bedeckung des Antennenstrahlungsdiagramms in anderen Winkelrichtungen.

So wird .beispielsweise in dem Beitrag "Optimization of a Communication Satellite Multiple Beam Antenna" von A. R. Dion, Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Lexington, Massachusetts, in: Technical Note 1975-39, vom 27· Mai 1975, pp. 20-4-1, die Ausbildung eines Strahlungsdiagramms unter gleicher Einstellung der Phasen- und Amplitudenerregung für alle Anschlüsse ausgeführt, mit Ausnahme eines, zweier oder dreier benachbarter Anschlüsse, deren zusammengesetzter Strahl in die Eichtung einer gewünschten Nullstelle zeigt. In jeder gewünschten Nullrichtung wird die geeignete Anschlußerregung des betreffenden zusammengesetzten Strahls in der Amplitude und/oder Phase so eingestellt, daß jeweils jeder derartige zusammengesetzte Strahl das Restfeld der

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anderen verbleibenden, gleichförmig erregten Anschlüsse in der gewünschten Fullrichtung kompensiert bzw. auslöscht. Die Hullstelle wird somit durch eine Subtraktion gleicher Amplitudenfelder erhalten.

Eine generalisierte Darstellung einer Hehrstrahlantenne nach dem Stande der Technik ist in Fig. 1 gezeigt. Sie besteht aus einer öffnung (bei der es sich um einen versetzten Parabolreflektor, eine Mikrowellenlinse oder eine phasengesteuerte Antennenkombination bzw. Antennengruppe handeln kann), einem Strahlverbindungsbereich ("beam connection region") (beispielsweise Speisehörner im Brennpunktbereich eines Reflektors, einer Linse oder einer Hartdraht-Mehrstrahlanordnung), sowie Mehrstrahl-Anschlüssen, d. h. jeweils einem Anschluß für jeden sekundären Bleistift-Strahl. Einem Satz von H" Strahlanschlüssen ist ein konisches Bündel von N sich überlappenden Bleistiftstrahlen zugeordnet. Zur Erzeugung eines einzigen steuerbar geformten Strahls liefert eine Strahlerzeugungsschaltung ("Beam Forming network" (BFH")) vom Typ "N-Anschlüsse-äuf-einen-Anschluß" eine Steuerung der relativen Amplitude und Phase der von den ΪΓ Strahlanschlüssen summierten Energie an den einen Anschluß für den endgültigen geformten Strahl. Mittels geeigneter Zwischenverbindungen und Erregungen innerhalb der Strahlerzeugungsschaltung (BFF) lassen sich geformte Mehrfach-Strahlen erzeugen.

Fig. 2 zeigt typische Strahlungsdiagramme eines Mehrstrahlen-Satzes, zusammen mit einem typischen zusammengesetzten Diagramm, das durch einfache Summation einzelner Strahlen in der gleichen Phase gebildet wird. Falls

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"beispielsweise sämtliche Strahlen eines Dreieekgitters •von 61 Strahlen gleichzeitig angetrieben "bzw. "beaufschlagt werden, läßt sich die Strahlerregung mittels eines in Fig. 3 veranschaulichten Strahlerregungsdiagramms anzeigen, worin jeweils ein Pfeil in den einzelnen kreisförmigen Strahlkonturen durch seinen Drehwinkel die Erregungsphase und durch seine länge den Erregungsbetrag, anzeigt. Der Betrag des Drehwinkels wird von einer vertikalen Bezugslinie aus im Uhrzeigersinn gemessen. Fig. 3 veranschaulicht den Fall gleicher Phase und Amplitude sämtlicher 61 Strahlen. Die Erregung gemäß Fig. 3 führt zu einem breitförmigen Strahl mit nahezu flach-ebener Oberseite und geringer Velligkeit, wie in Fig. 4 veranschaulicht. Zur Nachrichtenverbindung mit Stationen im Bereich der flach-ebenen Oberseite des Strahls kann es erwünscht sein, den diskreten Empfang oder die diskrete Ausstrahlung von Signalen aus oder nach anderen diskreten Richtungen, wie beispielsweise dem Punkt A in Fig. 5> weitestmöglich herabzusetzen, durch entsprechende Modifizierung der Strahlerregungen derart, daß an der Stelle des Punkts A eine (als "Nullstelle" bezeichnete) tiefe schmale Einbuchtung im Strahlungsdiagramm erzeugt wird. Falls die Nullerregungen für eine Frequenz f_Q ^optimiert sind, wird für andere, zunehmend von f entfernte Frequenzen f ^, f ο usw. durch .Änderungen in den Nebenkeulen bzw. Seitenzipfeln der Komponenten-Bleistiftstrahlen (Singletts) im allgemeinen die Nullstelle im Punkt A beeinträchtigt, mit zunehmender Null-Auffüllung, wie in Fig. 5 veranschaulicht.

Fig. 6 veranschaulicht in vereinfachter Zeichnungsdarstellung ein mittels Feldsubtraktion arbeitendes

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.Anregungsverfahren zur Erzeugung "von Nullstellen, das darin bestellt, daß man die Phase eines schmalen Strahls, oder einer benachbarten Gruppe von Strahlen, wie beispielsweise eines Dubletts (zwei Strahlen) oder eines Tripletts (drei Strahlen) umkehrt. Als nächstes wird bei dem Subtraktionsverfahren die Amplitude des bzw. der in der Phase umgekehrten Strahls bzw. Strahlen so reduziert, daß der Scheitelwert des schmalen Subtraktionsstrahls gerade die residuellen Nebenkeulenfeider von den anderen, gemeinsame Phase besitzenden Strahlen aufhebt bzw. kompensiert. Die Winkellage der Auslöschung bildet den Boden der gewünschten Diagrammnullstelle. Palis die Nullstelle in einen einzelnen Strahl (beispielsweise Punkt A oder B in Fig. 6) verlegt wird, kann das mit Feldsubtraktion arbeitende Verfahren der Nullstellenerzeugung mit diesem einzelnen Strahl erfolgen. Für eine zwischen zwei benachbarten Singletts (beispielsweise G und D) liegende Nullstelle wird das CD-Dublett mit gleicher aber reduzierter Amplitude erregt, wobei die Phase so eingestellt ist, daß residuelle Nebenkeulenfelder der anderen Strahlen kompensiert werden. Entsprechend können zur Erzeugung einer Subtraktions-Nullstelle im Zentrum eines Strahltripletts die drei das Triplett bildenden Strahlen (beispielsweise E, F und G) gemeinsam und mit umgekehrter Phase erregt werden. Zwei nicht-benachbarte Nullstellen innerhalb des GesamtStrahls mit flach-ebener Oberseite lassen sich unter Verwendung von Strahlen an den beiden Nullstellen (beispielsweise A und B) erzielen, die jeweils außer Phase mit den örtlichen Restfeldern an der betreffenden Nullstelle stehen. Falls erforderlich, können die Nullstellen ferner an jeden beliebigen Punkt in einer örtlichen Einheitszelle um den Singlett-, Dublett- oder

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Triplett-Nullpunkt herum verlegt werden, land, zwar durch ungleiche Erregung der Amplituden der zusammengesetzten Subtraktionsstrahlen.

Der Stand der Technik umfaßt ferner eine Veröffentlichung von Kiyo Tomiysu mit dem (Titel "Sequential Phasing in Multiple Beam Antenna for Interference Reduction", 1977 IEEE AP-S Symposium Digest, pp. 4-28-431, welche die Lenkung einer Nullstelle durch Subtraktion mit ungleicher Erregung von zwei, drei oder vier benachbarten Strahlen beschreibt. Strahlen um die Nullstelle herum erhalten eine Erregung mit fortschreitend zunehmender Phase. Diese Erregung benachbarter Strahlen mit sequentieller Phase dient dem Zweck, einen einfachen Steueralgorithmus zur Steuerung der von den drei Strahlen bedeckten Nullstelle anwenden zu können, bei gleichzeitiger Reduzierung der residuellen Nebenkeulen von umgebenden überdeckenden Strahlen. Das heißt, die jeweilige spezielle Phase und Amplitude der umgebenden Strahlerregungen dient dazu, den Pegel ihrer Nebenkeulen herabzuziehen und unten zu halten, um auf diese Weise die Phasensteuerung des die Nullung bewirkenden zusammengesetzten Strahls zu vereinfachen. Die Veröffentlichung beschreibt keinerlei spezielle Anordnung von Anregungsphasen zum Zweck der Verringerung der Auswirkung veränderlicher Betriebsfrequenz auf die Nullstellen.

Falls beispielsweise die Forderung besteht, daß ein be- . stimmter gewünschter Mindestwert des Antennengewinns ("gain") über die Antennenstrahlbedeckung und über eine 4-%-Prequenzbandbreite erhalten bleibt, und falls die Bedeckung eine Nullstelle vorgegebener Tiefe aufweisen

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soll, hat sich ergeben, daß nach dem bekannten Verfahren nach dem Stande der Technik die Aufrechterhaltung der Nullstelle über die geforderte Bandbreite schwieriger ist als die Aufrechterhaltung des Antennengewinns. Das heißt, es ist bei der vorstehend beschriebenen Subtraktionstechnik verhältnismäßig einfach, den Antennengewinn des Antennenstrahldiagramms über die 4-%-Bandbreite aufrechtzuerhalten, hingegen verhältnismäßig schwierig, eine ausreichend tiefe Nullstelle über die 4-%-Bandbreite nach diesem bekannten Subtraktionsverfahren aufrechtzuerhalten.

Der Stand der Technik zeigt zwar einen Weg zur Erzielung einer Nullstelle in einem bestimmten vorgegebenen zusammengesetzten Strahlungsdiagramm, etwa nach dem vorstehend erläuterten Subtraktionsverfahren, jedoch gibt es häufig unerwünschte Nebeneffekte, wie beispielsweise eine Inderung des zusammengesetzten Strahlungsdiagramms in anderen Richtungen, sowie eine Änderung des zusammengesetzten Strahlungsdiagramms als Funktion der Frequenz, wobei eine Nullstelle frequenzabhängig ist. Es bestand bisher ein Problem in derartigen Nachrichtensystemen hinsichtlich der Erzeugung einer gewünschten Nulltiefe über verhältnismäßig breite Frequenzbandbreiten für einen festen Satz von Strahlanschlußerregungen. Diese Probleme werden unter anderem durch die vorliegende Erfindung gelöst.

Dementsprechend soll durch die Erfindung ein System von Mehrstrahlantennen-Anschlußerregungen geschaffen werden, mit welchem sich ein geformter Strahl mit flachem ebenem Verlauf mit geringer Welligkeit und mit einer Nullstelle an einem oder mehreren speziellen Punkten über eine

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wesentlich, größere ITrequenzbandbreite für eine gegebene Nullstellentiefe aufrechterhalten läßt als nach dem Stande der Technik.

Gemäß einer "bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein Antennenaggregat mehrere Antennenelemente und mit diesen gekoppelte Phasendrehvorrichtungen zur Einstellung der Phase eines jeweiligen jedem der Antennenelemente zugeführten Signals auf. Die Strahlanschlußerregung umfaßt eine Nullstellenerzeugung durch Phasendrehung, wobei gemäß einer besonderen Ausführungsform ein schmaler Strahl an der Nullpunktstelle abgeschaltet werden kann und jeweils jeder Ring von bezüglich der Nullpunktstelle äquidistanten Strahlen auf gleiche Amplitude und zunehmende Phaseninkremente von ■ eingestellt ·

^iNR wird, worin N-p die Anzahl von Strahlen je äquidistantem Eingsatz und M eine ganze Zahl (+ 1, ±2, +_ 3 usw.) sind.

Die Erfindung ermöglicht eine wesentlich breitere Momentan-Frequenzbreite als die bekannten Verfahren nach dem Stande der Technik, was besonders vorteilhaft zur Störunterdrückung bzw. -abweisung ("interference rejection") bei Verwendung von Strahlungsdiagramm-Nullstellenerζeugung mit einer veränderlichen 3?ormstrahlantenne, die aus einer Einzelöffnungs-Mehrstrahlantenne gebildet ist, ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Einstellung der Erregungen (d. h- der einstellbaren Phasen- und Amplitudensteuerungen für die Strahlen) derart, daß eine Nullstelle in einem bestimmten zusammengesetzten Strahlungsdiagramm erzeugt wird, ohne nennenswerte

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Veränderung des zusammengesetzten Diagramms in anderen Eichtungen. Die so erzeugten Hull st eilen ermöglichen die weitestmögliche Ausschaltung schädlicher Effekte von die Antennenöffmmg "beleuchtenden bzw. bestrahlenden diskreten Störstrahlungsquellen, während die Antenne in HF-Verbindung mit anderen Richtungen steht. Die durch die Erfindung erzielte Möglichkeit, die gewünschten Hullstellentiefen über verhältnismäßig breite Frequenzbandbreiten für einen festen Satz von Strahlanschlußerregungen zu garantieren, ist für eine Vielfalt von MTachrichtenverbindungssystemen vorteilhaft.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen

Fig. 1 in Blockbilddarstellung eine Einöffnungs-

Mehrstrahlantenne nach dem Stand der Technik mit Strahlungsdiagramm bzw. -charakteristIk₃

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit vom Strahlwinkel für eine Vielzahl von zur Bildung eines zusammengesetzten geformten Strahls dienenden Einzelstrahlen eines Mehrfachsystems nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 ein Strahlerregungsdiagramm nach dem Stand der Technik mit Bezifferung der einzelnen Komponentenstrahlen

Fig. 4 eine mit Computer berechnete graphische Dar-

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stellung eines Strahlungsdiagramms nach dem Stand der Technik in Gestalt der Antennenstrahlamplitude in Abhängigkeit vom Winkel bezüglich der Vorwärts- oder Null-Azimuth-Lage, bei gleichförmiger Erregung sämtlicher Strahlen eines zusammengesetzten Strahlensystems der beispielsweise in Fig. 3 gezeigten Art;

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende, mit Computer berechnete graphische Darstellung, wobei ein Singlett eines zusammengesetzten Strahls etwa der in Fig. 3 gezeigten Art ein zu den übrigen Strahlen in Subtraktionsbeziehung stehendes Strahlungsdiagramm besitzt, derart daß eine Nullstelle unterschiedlicher Tiefe für verschiedene Frequenzen gebildet wird, wie für Frequenzen f , f, und f_ gezeigt,

Fig. 6 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht mit

Nullstellenerzeugung durch Subtraktion eines SinglettStrahls (bei A), eines DufelettStrahls (bei C und D) und eines Triplettstrahls (bei E,F, und G),

Fig. 7a in der Fig. 3 entsprechender Ansicht eine Anordnung von Phasenvektoren um einen Nullpunkt A in Sechseck-Teilringen R^, Rp ..., R₇ gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 7b eine Darstellung der vom Ring R> stammenden Feld-Phasenvektoren im Punkt A, als ob sie von einem Singlettpunkt ausgingen, zur Veransehaulichung, daß der Ring als solcher

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bezüglich dem Punkt A genullt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Figg, 7c, 7d₃

7e, Jf und 7h jeweils der Fig. 7b entsprechende Darstellungen

für die zugeordneten Ringe R„, R,, R^, R₀-, R< bzw. Ry₃

Fig. 8 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung mit

dem Unterschied, daß die Nullstelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch Phasendrehung erzeugt ist₃ zur Veranschaulichung, daß die so erhaltene Nullstellenerzeugung wesentlich weniger empfindlich bezüglich Frequenzänderungen ist als die Nullstellenerzeugung nach dem Stand der Technik,

Fig. 9 eine Fig. 3 entsprechende Ansicht mit zusätzlicher quantisierter Phasendrehung um eine \ ■ Nullstelle, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine Darstellung ähnlcher Art wie Fig. 9, wobei die Nullstelle durch ein Düblett definiert ist, mit Phasenerregung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 11 eine Darstellung ähnlicher Art wie Fig. 9, ■ mit einer durch ein Triplett definierten

O-Stelle und Phasenerregung gemäß einer weiteren - Ausführungsform der Erfindung,

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Pig. 12 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 11,

für den Fall einer verallgemeinerten Lage der Nullstelle und wiederum mit Phasenerregung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 13 eine Darstellung ähnlicher Art wie Fig. 12,

jedoch mit zwei Nullstellen mit gleicher Phasendrehung und quantisierter Erregung, mit innerhalb einer gestrichelten Umgrenzung liegenden "Flanken", gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. Ik eine Darstellung ähnlicher Art wie Fig.

mit zwei Nullstellen entgegengesetzter Phasendrehung, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 15 eine auf Berechnung beruhende graphische

Darstellung zum Vergleich der Frequenzabhängigkeit der Nulltiefe nach dem Stand der Technik mit der nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß den Figg. 16,10 und erzielten Nulltiefe,

Fig. 16 eine Darstellung ähnlicher Art wie Fig. 11,

mit Quantisierung der Phasendrehungen in 60 -Inkrementen um eine Nullstelle herum, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 17 in Schnittansicht eine Wellenleiterlinse

und Speiseelemente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

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Pig. 18 eine auf Messung beruhende graphische Darstellung des Verlaufs der Antennencharakteristil der Linsenantenne aus Fig. 17 mit der Anregung gemäß Fig. 9, auf der einen Seite einer Nullstelle,

Fig. 19 eine Fig. 18 entsprechende, auf Messung beruhende graphische Darstellung bei einer 2-%-igen Frequenzverringerung gegenüber Fig. 18

Fig. 20 eine Fig. 18 entsprechende Darstellung bei

Frequenzerhöhung um 2 %₃

Fig. 21 eine graphische Darstellung des Frequenzverlaufs der Nulltiefe aufgrund des experimenteller Verhaltens einer erfindungsgemäßen Linsenantennenausführung gemäß Fig. 9-

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Die Anregung "bzw. Speisung einer Mehrstrahl antenne nach dem erfindungsgemäßen Prinzip der Phasendrehung umfaßt die jeweilige Einstellung der Nebenkeulen bzw. Seitenzipfel der den einzelnen Strahlen zugeordneten Signale, derart, daß diese sich in einem gegebenen Punkt unter Bildung einer Nullstelle aufheben. Im folgenden werden vier Ausführungsbeispiele zur Realisierung einer geeigneten Phasendrehung beschrieben. Als erstes kann eine "exakte" Phasendrehung (oder Sequenz) von Null-Anregungen vorgesehen sein, wobei entweder sämtliche von einer Nullsteile äquidistante, d. h. in einem gleichen Abstand befindliche Elemente jeweils mit in gleichen Abständen zunehmenden Anregungsphasen erregt werden, die sich vektoriell zu Null addieren, oder die Elemente besitzen eine Anregungsphase von m0, wobei m eine ganze Zahl und 0 die geometrische Winkellage des Elements um das Nullzentrum herum bedeuten. Das Nullzentrum braucht nicht im Mittelpunkt eines Sirtglett-, Dublett- oder Triplett Strahls zu liegen. Als zweite Möglichkeit können quantisierte Phasendrehungs-Null-Anregungen vorgesehen sein, wobei jeweils die exakten Anregungen abgerundet werden, derart, daß sämtliche Phasen diskrete Werte besitzen. Beispielsweise zeigt Fig. 16 eine quantisierte Version eines Anregungssatzes unter Verwendung von 60°-Phaseninkrementen. Eine dritte Möglichkeit besteht in Form einer Abwandlung der vorstehend erwähnten ersten und zweiten Variationen unter Verwendung von "Flanken", wobei eine Gruppe von im Abstand von einer Nullstelle befindlichen Elementen, die eine "Flanke" bilden, eine konstante Phase besitzen, zur weitestmöglichen Verringerung der Phaseneinstellungen und Verminderung der Strahlungsdiagrammänderungen bzw. -Variationen über den Flankenbereich hin. Als vierte

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yf -

Möglichkeit können sämtliche vorstehend erwähnten Varianten auf zwei oder mehrere Nullstellen angewandt werden, wie beispielsweise in den Figg. 13 und 14- veranschaulicht.

Gemäß der Darstellung in Fig. 7(a) ist zur Erzeugung einer in einem Singlett im Punkt A zentrierten Nullstelle für die Anregung einer Mehrstrahlantenne vorgesehen, daß ein schmaler Strahl im Nullpunkt abgeschaltet wird und jeweils jeder "Ring" (R^, Έ.^ ··· %) ^{aus von äem} Nullpunkt annähernd gleichweit entfernten äquidistanten Strahlen mit jeweils gleicher Amplitude und zunehmenden

Phaseninkrementen von —^S ^- erregt werden, worin N₁₅ die

^iNR . ^K

Anzahl von Strahlen pro äquidistantem Ringsatz und M eine ganze Zahl (+ 1, ±2, + 3 usw.) bedeuten. Das resultierende Phasenvektordiagramm der leider im Nullpunkt A für jeden Ringsatz R^ bis Rg ist ein symmetrischer Stern, gemäß den Darstellungen in den Figg. 7(b) bis 7(g). Der

_,. _ . , . , . , . , -u-,, j.bzw, den. gewinn Ring Rr₇ ist nicht-symmetrisch gewählt, um die Verstärkung/ des Antennendiagramms zu verbessern, was weiter unten diskutiert wird. Als Ergebnis der gezeigten Anordnung ist jeweils, mit Ausnahme des Rings R₇, jeder Ring bezüglich A selbst-genullt, derart, daß, falls die Änderungen in den Nebenkeulen bzw. Seitenzipfeln sämtlicher Strahlen eines Ringsatzes im Punkt A infolge von Frequenzänderungen gleich (unter der Annahme rotationssymmetrischer und betragsmäßig gleicher Strahlformen) oder nahezu gleich sind, wie dies in den meisten realen Antennen der Fall ist, die Selbst-Nullung aufrechterhalten bleibt.

Zwar ist die Selbst-Nullung bezüglich Punkt A für

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■yr-

sämtliche Werte von M gewährleistet, jedoch kann eine Inderung des Wertes von M eine Änderung der Strahlungsbedeckung ("coverage") der Antenne an anderen Punkten in dem Strahl bewirken. Beispielsweise besitzen für M = 2 die benachbarten Strahlen E,, eine Phasendifferenz von 120°, d. h. dem Doppelten der gezeigten Phasendifferenz von 60°. Somit wird mit drei benachbarten Strahlen eine Phasendrehung von 360° durchlaufen. Da es typischerweise erwünscht ist, die maximale Verstärkung mit relativ konstanter Amplitude in allen Punkten mit Ausnahme der Nullstelle zu erhalten, wird zwischen benachbarten Strahlen eine möglichst kleine Phasendifferenz gewünscht. Demzufolge werden typischerweise für M die Werte M = +1 verwendet. Die Wahl eines negativen Wertes von M bewirkt, daß die Phasendrehung zwischen benachbarten Strahlen in der entgegengesetzten Sequenzrichtung erfolgt. So wird beispielsweise bei der Anordnung gemäß I¹Xg. 14 die linke Nullstelle unter Verwendung einer negativen Phasendrehsequenz für die örtlich umgebenden Strahlen erzeugt, und die rechte Nullstelle unter Anwendung einer positiven Phasendrehung. Ein Vergleich der beiden innersten Ringe um die linke und die rechte Nullstelle läßt erkennen, daß in dem Ring um die linke Nullstelle eine größere Phasenänderung zwischen benachbarten Strahlen besteht als in dem Ring um die rechte Nullstelle. Dies könnte zu dem Schluß führen, daß stets M = +1 gewählt werden sollte. Palis jedoch in bestimmten (in S¹Xg. 14 durch die gestrichelt umrandeten !lachen angedeuteten) "S¹lanken"-Bereichen die beste Antennenbedeckung ("antenna coverage") gewünscht wird, so erkennt man, daß benachbarte Strahlen zu beiden Seiten der gestrichelten Umgrenzungslinie in der Phase sehr eng benachbart sind und daher eine gute, hohe

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Antennengewinn-Bedecfcung ergeben ("gain coverage"). Dies steht im Gegensatz zu Fig. 13, wo M für beide Nullstellen mit dem Wert +1 gewählt ist, wobei die Strahlen in den Flankenbereichen eine relativ größere Phasendifferenz besitzen als die in Fig. 14·.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 7> "und insbesondere auf den Ring Ro, ist ersichtlich, daß benachbarte Strahlen Phasen gemäß zwei beliebigen der in Fig. 7c gezeigten Phasenvektoren besitzen können. Vie jedoch bereits erwähnt, ist es unter Gesichtspunkten, wie beispielsweise dem Wunsch nach einheitlicher, gleichförmiger Bedeckung bzw. Erfassung ("coverage") der Antenne erwünscht, daß benachbarte Strahlen benachbarte Phasenvektoren mit minimaler Phasendifferenz gemäß Fig. 7c besitzen. Entsprechend ist die Wahl der relativen ümfangsstellung der schrittweise aufeinanderfolgenden Zuordnung zwischen den Strahlen und den Phasenvektoren an sich beliebig, jedoch können wiederum Überlegungen beispielsweise im Hinblick auf eine gleichförmige, einheitliche Strahlerfassung bzw. -bedeckung ("beam coverage") einen minimalen Phasenunterschied zwischen benachbarten Strahlen verschiedener Ringe nahelegen bzw. diktieren.

Für den Ring Rr₇ gemäß den Figg. 7(a) und 700 wird der Regel, wonach die Phasenlagen der den einzelnen Strahlen in dem Ring zugeführten Signale in Abständen sich um die vollen $60° erstrecken sollen, nicht gefolgt. Zwar soll diese Regel erfüllt werden, falls eine vollständige Aufhebung an der Hüllsteile gewünscht wird, jedoch können andere Überlegungen hinzutreten. Falls die Phasen im Ring 7 in Abständen über die gesamten 360° verteilt wurden,

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ZS

können sich die benachbarten Phasen der Strahlen im Ring 6 von den benachbarten Strahlen im Ring 7 radikal unterscheiden. Somit käme es zu starker gegenseitiger Energieauslöschung zwischen den Ringen 6 und 7· Dies ist nicht

bzw. -ererwünscht, da an diesen Stellen in der Ant ennens tr ahlb e'd e c kung? fassung ("antenna beam coverage") im allgemeinen hohe Werte der Antennengewinn-Bedeckung bzw. -erfassung ("gain coverage") gewünscht werden und die Ausbildung zusätzlicher Nullstellen unerwünscht wäre.

Die Aufeinanderfolge der Phasendrehung entlang den Strahlen und Ringen, wie beispielsweise den Ringen 3₅ 4· und 5? erzeugt eine Fullstelle im Punkt A, da der Punkt A der einzige Punkt ist, der annähernd gleichweit entfernt von sämtlichen Elementen in jedem der betreffenden Ringe ist. Das heißt, nur in diesem Punkt A liegt die gleiche relative Signalstärke von sämtlichen Elementen des Rings vor, derart, daß durch gegenseitige Auslöschung die Nullstelle erzeugt wird. Eine besonders vorteilhafte Strahlkonfiguration ist die in Fig. 7(a) gezeigte, bei welcher die Strahlelemente in einem Dreieck angeordnet sind. Der besondere Vorteil besteht darin, daß die Mittelpunkte sämtlicher einem bestimmten Strahl benachbarter Strahlen gleichen Abstand haben. Somit kann jedes Strahlelement Teil einer Dreiergruppe von Strahlelementen sein, wobei ein Element jeder Dreiergruppe jeweils die beiden anderen Elemente der Dreiergruppe berührt. Dies steht im Gegensatz zu einer Anordnung, bei welcher etwa die Mittelpunkte von vier Strahlen an den Eckpunkten eines Quadrats angeordnet werden, wobei der Abstand zwischen den Strahlmittelpunkten auf einer Diagonale des Quadrats von dem Abstand zwischen Strahlmittelpunkten entlang einer

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Quadratseite verschieden ist.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Verwendung einer Phasenvektordrehung anstelle der Subtraktionsmethode nach dem Stande der Technik eine wesentlich bessere Aufrechterhaltung einer Uullstelle über eine typische Bandbreite ermöglicht, allerdings eine höhere Welligkeit und einen etwas niedrigeren Antennengewinn in anderen Teilen der Antennenstrahlbedeckung zur Folge haben kann. Jedoch ist die Welligkeitszunahme und die Einbuße an Antennengewinn hinreichend klein, daß noch eine typische Bandbreite (von beispielsweise 4 %) über die Bedeckung der -Antennenstrahlcharakteristik hin aufrechterhalten werden kann.

Für praktische Antennenausführungen sind die Singlett-Strahlungsdiagramme nicht identisch oder vollkommen rollsymmetrisch, was zur Folge haben kann, daß Jeweils der Phasenvektorsatz eines Einges geringfügig unabgeglichen ist und daher nicht genau Null ergibt. In diesem Falle kann der Singlett-, Dublett- oder Triplett-Strahlsatz an oder nahe der Nullstelle wieder so erregt oder gespeist werden, daß er die residuellen, nicht auf Full abgeglichenen Felder kompensiert bzw. aufhebt, die nach versuchter Selbstnullung der einzelnen Ringe verbleiben. Obzwar diese abschließende Subtraktions-Abstimmung der durch Phasendrehung erzeugten Fullstelle im Prinzip nicht frequenzunabhängig ist, hat sie sich doch als sehr wirksam erwiesen, da die nach dem ringweisen Abgleich verbleibenden" residuellen Felder gewöhnlich sehr klein sind.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können auch

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diskrete Stufen in den Phasendrehungen zwischen benachbarten Strahlen vorgesehen sein. Fig. 9 zeigt eine quantisierte Version der M = 1 Phasendrehungs-Null-Erregung. bzw. -Speisung, wobei jeweils tortenstückartige 60°-Sek~ toren des Strahlgitters mit konstanter Amplitude und Phase betrieben werden. Die sechs Strahlen des innersten Rings erhalten in der gezeigten Weise eine inkrementelle Phasenverschiebung bzw. -Versetzung von 60° (d. h. 360° geteilt durch 6). Die Strahlen in den anderen Ringen besitzen jeweils Phasen, die nach einer der sechs Phasen im innersten· Ring gewählt sind.

Fig. 10 veranschaulicht die Anwendung einer quantisierten Phasendrehungs-Erregüng (M = 1) zur Erzeugung einer Fullstelle an der Kreuzung bzw. Überlappung zweier benachbarter Singlettstrahlen. Fig. 11 veranschaulicht eine Phasenrotations-Erregung (M = 1) zur Verlegung einer Nullstelle an den Schnittpunkt zwischen drei aneinanderliegenden Singlettstrahlen. Es hat sich ergeben, daß eine Erregung bzw. Speisung mit gleichförmig-einheitlicher Amplitude in den Fällen der Figg. 9 und 10 gut funktioniert, mit der Ausnahme, daß eine abschließende subtraktive Einstellung des aneinanderliegenden Dubletts oder Tripletts sich zur weiteren Verringerung der Nullstellentiefe als hilfreich erwiesen hat.

Eine allgemeine Regel oder Anleitung zur Verlegung einer Phasenrotations-Nullstelle an einen beliebigen, nicht notwendigerweise im Mittelpunkt eines Singletts oder im Schnittpunkt von zwei oder mehreren aneinanderliegenden Strahlen gelegenen Punkt ist in Fig. 12 für m = 1 gezeigt. Hierzu wird in der Weise vorgegangen, daß man den

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co

Mittelpunkt (Punkt O) eines symmetrischen Yektorfelddiagramms in denjenigen Punkt auf dem Strahlgitter legt, für welchen die Phasenrotations-Nullstelle gewünscht wird. Die Phasenerregung für die einzelnen Strahlen entspricht dem räumlich-geometrischen Winkel, um welchen der jeweilige Mittelpunkt des betreffenden Strahls um den Mittelpunkt der beabsichtigten Nullstelle verdreht ist.

Falls sich die Nullstelle in einem beliebigen Punkt, also beispielsweise außerhalb des Mittelpunkts eines Antennenstrahlelements, befindet, muß nicht nur die Phase des dem betreffenden Antennenstrahlelement zugeführten Signals in Betracht gezogen werden, sondern auch die Amplitude, derart, daß die an der Nullstelle vorliegenden Nebenkeulen bzw. Seitenzipfel der Signale sich gegenseitig aufheben. Wegen der großen Zahl von ErregungsSignalen für die Antennenelemente erfolgt die Berechnung der Signal amplituden zur bestmöglichen gegenseitigen Auslöschung in der Nullstelle am einfachsten unter Verwendung von Computern. Im Falle von mehr als einer Nullstelle werden die Phasen für von den Nullstellen entfernte Elemente gemäß einem Kompromiß zwischen den Werten gewählt, die den idealen Werten für jeweils eine einzige Nullstelle entsprechen. Auch hier können die gewählten Kompromißwerte mit einem Computer berechnet werden, welcher jeweils die Nebenkeule, welche ein Antennenstrahl an den Nullstellen erzeugt, mit den anderen vorliegenden Nebenkeulen vergleicht.

Fig. 13 zeigt die Anwendung einer quantisierten Phasendrehung zur Erzeugung von zwei getrennten Nullstellen an den Mittelpunkten zweier getrennter Singletts. Die beiden

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getrennten Singletts werden zunächst abgeschaltet, und an die sich nicht überschneidenden Ringe von um jeden der beiden Nullpunkte herum angeordneten Strahlen wird eine Phasendrehungs-Erregung entsprechend M = +1 (im Gegenuhrzeigersinn) angelegt. Jedoch entspricht im Punkt A das Phasenerregungsdiagramm dem einer "Quelle" (d. h. mit auswärts gerichteten Erregungsphasenvektoren), während im Punkt B das Phasenvektordiagramm dem einer "Senke" (d. h» mit einwärts gerichteten Erregungsphasenvektoren) entspricht. Die verbleibenden beiden "Flanken"-Sektoren von Strahlen erhalten jeweils Erregungs-Phaseninkremente, die einen kontinuierlichen "Fluß" der Phasenänderung ergeben und verhindern, daß zwischen jeweils benachbarten Strahlen größere Unterschiede der Erregungsphase bestehen. Wie oben erwähnt, wird der Antennengewinn des Antennendiagramms um so mehr beeinträchtigt, je größer die Phasenunterschiede werden. Sämtliche erregte bzw. gespeiste Strahlen werden mit gleicher Amplitude beaufschlagt. Schließlich können gegebenenfalls die Singletts an den beiden Nullpunktstellen mit solcher Speiseerregung eingestellt werden, daß jegliche unerwünschten Eestfeider an den beiden gewünschten Nullpunktstellen für die Frequenz f kompensiert bzw. ausgelöscht werden.

Pig. 14- zeigt eine andere Art der Phasendrehungs-Erregung in Anwendung auf dieselben beiden durch Abstand getrennten Nullpunktsteilen wie in Fig» 1J5. Hierbei erhalten die Strahlen um den Punkt A herum die gleiche "Quellen"-Phasenerregung mit M = +1 gegenüber 3?ig. 13, jedoch erhalten die den Punkt B örtlich umgebenden Ringe von Strahlen in der gezeigten Weise eine Phasenumdrehung (im Uhrzeigersinn) gemäß M = -1. Die Flankensektoren erhalten in

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diesem Fall Jeweils konstante, jedoch entgegengesetzte Strahlerregungen. Zur Vereinfachung können die Strahlen in den Flankensektoren nicht-einsteirbar mit fixierter gleicher Phase gewählt werden, sobald dem Umstand Rechnung getragen ist, daß die Strahlen in den Flanken Phasen in der gleichen allgemeinen Eichtung "besitzen. Diese Variante stellt lediglich eine Alternative bei der Anwendung der Phasenrotationstechnik zur Erzeugung zweier gleichzeitiger Nullstellen dar, und kann bessere Strahlungsdiagramme als die in Fig. 13 veranschaulichte Erregung ergeben oder auch nicht.

Berechnung und experimentelle Verifikation

Die durch die erfindungsgemäßen Phasendrehungs-Erregungen gegenüber den Subtraktionserregungen nach dem Stande der Technik erzielte Verbesserung der Bandbreite läßt sich unter Verwendung einer frequenzempfindlichen Wellenleiter-Linse veranschaulichen, wie von A. R. Dion und L. <J. ßicardi in "A Variable Coverage Satellite Antenna System", Proc. IEEE, Februar 1971, pp. 252-262, zur Verwendung als eine Mehrstrahlantenne beschrieben. Für eine derartige Linse mit einem Durchmesser entsprechend 29,4-Wellenlängen (bei f_Q) und mit einem F/D = 1,07, wurde eine dreieckförmige Speisegitteranordnung mit 61 Speisehörnern geschaffen, wobei die Speiseanordnung auf einer Kugelfläche mit einem ßadius gleich der Brennweite der Linse angeordnet war. Die Singlett-Strahlbreiten betragen 2,0° und die Singlett-Abstände 2,5 · Die Amplitudendiagramme gemäß den Figg. 4- und 5 (Stand der Technik) wurden

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mit einem skalaren Computermodell dieser Antenne berechnet. Zu beachten ist, daß die bei f auf 45 dB eingestellte Nullstelle für eine einprozentige Frequenzänderung auf eine Tiefe von nur 16 dB aufgefüllt wurde. Jig. 8 zeigt eine Berechnung für die gleiche Antenne, jedoch mit den erfindungsgemäßen Phasenrotations-Erregungen gemäß I"ig. 7. Hierbei bleibt die Nullstellentiefe für Frequenzänderungen über ± 2 % unterhalb 20 dB und der glatte Verlauf der Strahloberseite und der entsprechende Antennengewinn werden nicht beeinträchtigt.

Mir die in den Figg. 7, 9, 10, 11, 13 und 14 veranschaulichten Erregungs- bzw. Speisungsfälle wurden Nullstellendiagramme unter Verwendung spezieller Ausführungsformen berechnet. In sämtlichen !"allen ergaben sieh Nullstellentiefen von 30 dB oder tiefer über eine Momentan-Bandbreite von wenigstens 4 %. Die Diagrammformen waren sämtlich ganz ähnlieh der von Fig. 8 mit einem flach-ebenen oberen Verlauf der Bedeckung und geringer Spitze-zu-Spitze-Welligkeit. Fig. 15 veranschaulicht die Berechnung der Abhängigkeit der Nullpunktstiefe von der Frequenz, für verschiedene derartige Fälle. Zum Kontrast sind in Fig. 15 auch die Ergebnisse bei Strahlnullpunktserregung nach dem Subtraktionsverfahren nach dem Stande der Technik bei Berechnung unter Verwendung der gleichen Wellenleiter-Linsen-Konstruktion dargestellt. Für eine Bandbreite von ± 2 % bleiben die nach dem erfindungsgemäßen Phasendrehverfahren erzeugten Nullstellen kleiner als - 30 dB, hingegen nur - 10 dB für das Subtraktionsverfahren nach dem Stande der Technik.

Die Erfindung wurde ferner mit Erfolg in einer

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experimentellen. Mehrstrahlantenne (MBA, "multiple beam antenna") getestet. Die Antennenkonfiguration ist eine Wellenleiter-Linse ähnlicher Art,wie in dem oben erwähnten Artikel von Dion und Eicardi beschrieben. Diese Konfiguration besteht aus der Wellenleiter-Linse, einer Speiseanordnung rn.it 61 Elementen und der die Elemente der Speiseanordnung miteinander verbindenden Strahlerzeugungsschaltung. Die Speiseelemente liegen auf einer um den Mittelpunkt der Linse zentrierten sphärischen Fläche. Jedes Speiseelement beleuchtet bzw. bestrahlt jeweils die gesamte Linse, unter Erzeugung eines Sekundärstrahls, dessen Winkelversetzung gegenüber der Antennenachse gleich der des Speiseelements ist, unter Annahme des Ursprungs im Mittelpunkt der Linse. Die Strahlerzeugungsschaltung ermöglicht die gleichzeitige Erregung bzw. Speisung einer beliebigen Anzahl von Speiseelementen, von 1 bis 61, in Kombination und mit veränderlicher Amplitude und Phase. Auf diese Weise können die von den einzelnen Speiseelementen erzeugten jeweiligen schmalen Komponentenstrahlen zu speziell- geformten Strahlen kombiniert werden und es ist eine große Yielfalt von Bedeckungen verfügbar.

lig. 17 zeigt die Anordnung in schematischer Darstellung ; die korbförmige Wellenleiter-Linse 30 besteht aus 1528 rechteckigen bzw. quadratischen Röhren J51 mit 1,004 Zoll Innendurchmesser und Wandstärken von 0,020 Zoll. Mittels Präzisionswerkzeugen bei der Herstellung und optischer Präzisionstechniken bei der Montage wurde eine Genauigkeit von 0,020 Zoll zwischen den Mittelpunkten bei der Anordnung der einzelnen Elemente erzielt. Die Außenoberfläche der Linse ist in einer dreistufigen

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-tC-

Sphäroidal-Kpnfiguration ausgebildet, während die Innenseite eine einzige Kugelflache aufweist, die auf einen Radius von 49,5 ± 0,00J Zoll bearbeitet ist. Ein zur Halterung der Linsenelemente verwendeter kreisförmiger Tragring diente auch als Bezugsebene für die Ausrichtung und bequeme Drehung in dem Bereichstestgestell.

Die Speiseanordnung besteht aus 61 identischen konischen Hornantennen-Speiseelementen 32, die in einem Dreieckgitter angeordnet und auf einer sphärischen Platte von 21,5 Zoll Durchmesser angebracht sind. Die einzelnen Hornelemente werden jeweils im TE..-Mode erregt und besitzen eine öffnung von 2,18 Zoll. Eine koaxiale SMA-Sonde erregt den zylindrischen Abschnitt von 1,160 Zoll Durchmesser, in welchen eine getemperte G-10-G-lasepoxyfolie unter einem Winkel von 45° bezüglich der Referenzsondenausrichtung eingeführt wurde. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird eine zirkulär polarisierte Welle erzeugt. Hinter der Sonde und rechtwinklig zu dieser ist eine absorbierende dreieckige Karte vorgesehen, welche verhindert, daß an der Rückwand des kreisförmigen Wellenleiters reflektierte Energie wieder als ein unerwünschtes kreuzpolarisiertes Signal ausgestrahlt wird.

Die experimentelle Strahlerzeugungsschaltung zur Erzeugung eines koaxialen Strahls (Bi¹N) besteht aus phasen-abgeglichenen 0,14· Zoll halbstarren Kabeln mit SMA-Anschlüssen, 2-, 4~ und 8-Weg-Leistungsteilern, Dämpfungsdioden und Phasenschieberdioden. Die Schaltung verbindet die 61 Elemente mit einem Einstrahl-Anschluß. Die Schaltung war ursprünglich zum Zweck einer Flexibilität bei der Realisierung der meisten Bedeckungs-Modes der

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Mehrstrahlantenne nach dem Stande der Technik unter Außerachtlassung von Einführverlusten geschaffen. Es wurde nun ein Erregungssystem gemäß fünf kreisförmigen Ringen geschaffen, wobei jeweils die Erregungsfunktion (Amplitude und Phase) für jeden Ring, bezogen auf die Nachbarringe, durch an der lestkonsole angeordnete Schaltungen ferngesteuert wurde. Die Steuerungen bewirken O bis ± 180° Phasenänderung und 0 bis 40 dB .Dämpfung in jedem beliebigen Ring von Elementen oder in jedem beliebigen anderweitigen speziellen Elementensatz. Vor jedem Horn wurden jeweils auf 60° Inkremente zugeschnittene Phasendrehkabel eingesetzt zur Erzeugung der in Fig. 9 veranschaulichten Erregung. Für diese Erregung soll jeweils das Feld jedes Rings im Idealfall im Mittelpunkt Null betragen; zur Kompensation eines eventuellen tatsächlich verbleibenden kleinen Restfeldes in diesem Punkt können jedoch die Phase und Amplitude des Mittelpunktelements unabhängig gesteuert werden.

Die Figg. 18, 19 und 20 veranschaulichen typische gemessene Diagramme über eine 4- % Bandbreite. Zur Veranschaulichung der mit dem zirkulär polarisierten Strahl vorliegenden Polarisation wurden Messungen mit umlaufender Linearsonde vorgenommen. Fig. 21 veranschaulicht eine Zusammenfassung der gemessenen Nullstellentiefe für die zirkular polarisierte Hauptkomponente über die vielen diskreten gemessenen Frequenzen. Wie ersichtlich, ist die Nullstellentiefe größer als 25 dB über eine 8 % Bandbreite. Die kreuzzirkular polarisierten Komponenten an der Nullstelle sind über die 8 % Bandbreite hin gleich niedrig.

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Ein Vergleich dieser experimentellen Ergebnisse mit den besten theoretischen Ergebnissen für das Antennenstrahl-Subtraktionsverfahren nach dem Stande der Technik macht das vorteilhafte Verhalten einer erfindungsgemäßen Apparatur offensichtlich. Das Verhalten einer Antenne mit Nullstellenerregung nach dem Subtraktionsverfahren gemäß dem Stande der Technik wurde ebenfalls gemessen, unter Verwendung desselben Mehrstrahllinsen-Antennenmodells. Die Ergebnisse bestätigen die in Fig. 15 veranschaulichten berechneten Daten für den Verlauf der Nullstellentiefe in Abhängigkeit von der Frequenz für die Antenne nach dem Stande der Technik.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, die selbstverständlich in mannigfacher Weise abgewandelt werden können, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Zusammenfassung

Gegenstand der Erfindung ist eine Mehrstrahlantenne, mit welcher sich an einem oder mehreren speziellen Punkten eine Nullstelle mit einer größeren Frequensbandbreite für eine vorgegebene Nullstellentiefe erzeugen läßt. Beispielsweise wird ein Ring von um die Nullstelle herum angeordneten Strahlen so eingestellt, daß Jeweils zwischen benachbarten Strahlen ein Phasenunterschied von 360°

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Claims (24)

Patentanwälte - D \ ρ I. - \ rv g. Cu ft W alia cn Dipl.-lng. öünther Koch 3006528 Dipl.-Phys.Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 2.1. FEB. 1980 Unser Zeichen: 16839 H/Bu Pat ent an Sprüche

1. Verfahren zur Erzeugung wenigstens einer Nullstelle in einem Antennenstrahldiagramm mit breiter Bedeckung ("broad antenna beam coverage pattern") eines mehrere Antennenelemente umfassenden Antennenaggregats, dadurch gekennzeichnet , daß man jeweils sämtliche in gleichem Abstand von einer gewünschten Nullstelle befindliche Antennenelemente mit gleichen Phasenabständen erregt, derart daß sie sich an der gewünschten Nullstelle zu Null addieren.

2. Verfahren nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet , daß man die jeweils von der gewünschten Nullstelle äquidistanten Antennenelemente mit Phasen gemäß der Beziehung M0 erregt, worin M eine ganze Zahl und 0 den Winkel des betreffenden Antennenelements um den Mittelpunkt der gewünschten Nullstelle bedeuten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man zur Wahl der Phasendrehung des dem jeweiligen Antennenelement zugeführten Erregungssignals die relative räumliche Winkellage des Mittelpunkts des betreffenden Antennenelements um die gewünschte Nullstellenlage bezogen auf eine Bezugslinie bestimmt.

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4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zur größtmöglichen Erhöhung des Antennengewinns des Antennenstrahlbedeckuhgsdiagramms die Phasendifferenz zwischen den jeweils benachbarten Antennenelementen zugeführten Erregungssignalen minimalisiert*

5. Verfahren zur Verringerung der Frequenzabhängigkeit einer in einem im wesentlichen flach-ebenen Bereich des Antennengewinndiagramms einer mehrere Antennenelemente umfassenden Mehrstrahlantenne erzeugten Nullsteile, dadurch gekennzeichnet , daß man die Phasenlage des den Antennenelementen der Mehrstrahlantenne zugeführten Erregungssignals so wählt, daß jeweils von der gewünschten Nullstelle äquidistante Antennenelemente bezüglich der gewünschten Nullstelle selbst-genullt sind, indem sich die Nebenkeulen der Signale an der gewünschten Nullstelle aufgrund ihrer relativen Phasenlagen im wesentlichen aufheben.

6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet j daß die Phasen der jeweils benachbarten, bezüglich der gewünschten Nullstelle äquidistanten Antennenelemente sich um einen Betrag ^

N_R unterscheiden, worin N_R die jeweilige Anzahl -

der äquidistanten Antennenelemente ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet j daß mit zunehmender Entfernung der Antennenelemente von der gewünschten Nullstelle die Abhängigkeit der Phaseneinstellung von der Beziehung

36O⁰ . ,

■=ts— gelockert wird.

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8. Antennenaggregat aus mehreren Antennenelementen, denen . jeweils ein Antennenelement-Strahlungsdiagramm zugeordnet ist, die zusammen ein zusammengesetztes Strahlungsdiagramm des Antennenaggregats ergeben, gekennzeichnet durch mit den Antennenelementen gekoppelte Phasendrehvorrichtungen zur Erzeugung eines flach-eben verlaufenden Teils in dem zusammengesetzten Strahlungsdiagramm des Antennenaggregats mit einem im wesentlichen konstanten Antennengewinn und eines Nullpunktbereichs in dem zusammengesetzten Strahlungsdiagramm des Antennenaggregats mit einem wesentlich unter dem Antennengewinn in dem flach-ebenen Bereich liegenden Antennengewinn, und weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendrehvorrichtungen auf ein den Antennenelementen zugeführtes Erregungssignal so einwirken, daß dessen Phasen und Amplitude im Sinn einer gegenseitigen Aufhebung der Nebenkeulen bzw. Seitenzipfeln der einzelnen Antennenelement-Strahlungsdiagramme in dem Nullpunktsbereich des zusammengesetzten Strahlungsdiagramms eingestellt werden, derart daß die Betragsänderung des Antennengewinns in dem Nullstellenbereich in Abhängigkeit von der Frequenz des Erregungssignals verringert wird,

9. Antennenaggregat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Amplituden der Erregung der einzelnen Antennenelemente betragsmäßig gleich sind,

10. Antennenaggregat nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die den bezüglich des Nullpunktbereichs äquidistanten Antennenelementen zugeführten Erregungssignale jeweils Phaseninkremente ge-■ maß der Beziehung —~ aufweisen, worin M eine ganze

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Zahl und N„ die Anzahl derartiger äquidistanter Antennenelemente bedeuten und die Erregungssignale für die äquidistanten Antennenelemente im wesentlichen gleiche Amplitudenbeträge besitzen. ■

11. Antennenaggregat.nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 1O₃ dadurch gekennzeichnet j daß die äquidistanten Antennenelemente ringförmig bezüglich der gewünschten Nullpunktsstelle angeordnet sind und die ihnen zugeführten Erregungssignale jeweils gleiche Amplitude und.gegenseitige- Phaseninkre-

mente gemäß der Beziehung —^ besitzen, worin Ν_τ

R
die Anzahl von Strahlen bzw. Antennenelementen je äquidistantem Ringsatz und M eine ganze Zahl bedeuten.

12. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch mit den Antennenelementen-gekoppelte Strahlunterdrückungsvorrichtungen zur Abschaltung eines schmalen Strahls im Bereich der Nullpunktsstelle.

13·' Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch mit den Antennenelementen gekoppelte Strahlsubtraktionsvorrichtungen zur Einstellung der Phase und des Amplitudenbetrags eines Signals im Bereich der Nullstelle zur Eliminierung eines verbleibenden restlichen Signals bei wenigstens einer den Antennenelementen zugeführten Signalfrequenz.

14. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13j dadurch gekennzeichnet daß

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die äquidistanten Antennenelemente in konzentrischen Kreisen bzw. Teilkreisen um die Nullstelle herum angeordnet sind.

15. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstelle mit einem der Antennenelemente zusammenfällt .

16. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennze-ichnet, daß die Nullstelle zwischen zwei Antennenelementen liegt.

17. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendrehungsvorrichtungen Mittel zur Erzeugung mehrerer Nullstellen beliebiger Lage aufweisen, wobei jeweils die relativen Phasenlagen der Einzelstrahlen um jede der Nullstellen herum um gleiche Phaseninkremente geändert werden.

18. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß die Phasenänderungen bzw. -unterschiede zwischen sämtlichen benachbarten Antennenelementen jeweils einem diskreten, festen Phaseninkrement entsprechen.

19. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 18, gekennzeichnet durch die mit den Phasendrehungsvorrichtungen verbundenen Antennenelemente umgebende Planken-Antennenelemente konstanter Phase, zur Vereinfachung des Antennenaggregats und zur Verbesserung der Antennenbedeckung in den Plankenbereichen.

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20. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Phasendrehungsvorrichtung Mittel zur Einstellung des Phasenvektors von nicht mit einer Nullstelle zusammenfallenden, benachbarten Antennenelementen gemäß der Beziehung M0, worin M eine ganze Zahl und 0 die Winkellage des Antennenelements bezüglich dem Nullstellenmittelpunkt bedeuten.

21. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 2O₅ dadurch gekennzeichnet , daß "die Phasendrehungsvorrichtungen im Sinn einer weitestmöglichen Verringerung der Phasendifferenz der benachbarten Antennenelementen zugeführten Signale ausgebildet sind, um einen maximalen Antennengewinn des Antennenaggregats zu gewährleisten.

22. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 2I₃ dadurch gekennzeichnet , daß die Phasendrehungsvorrichtung mehr als eine im wesentlichen frequenzunabhängige Nullstelle erzeugt, wobei jeweils jede Nullstelle von Antennenelementen mit

ΜΓ3β0^ο>) einer Phase gemäß der Beziehung —¹^ umgeben ist,

und jeweils der Phasenübergang des benachbarten Antennenelementen zugeführten Signals für eine minimale Phasenänderung eingestellt ist.

23. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 22, gekennzeichnet durch mit den Antennenelementen gekoppelte Phasen- ■ drehungsvorrichtungen zur Erzeugung einer im wesentlichen frequenzunabhängigen Nullstelle durch Einstellung der Phase eines jeweils jedem der Antennenelemente zugeführten Signals, wobei die Phase des jeweiligen einem Antennen-

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element zügeführten Signals gleich dem Betrag der Winkelstellung bzw. Drehlage des Mittelpunkts des betreffenden Antennenelements um die Nullstelle bezogen auf eine Bezugslinie ist und die Amplitude der einzelnen den Antennenelementen zugeführten Signale so gewählt ist, daß sie an der Nullstelle im wesentlichen eine resultierende Null ergeben, und daß die Antennenelemente so angeordnet sind, daß jeweils jedes Antennenelement Teil einer Dreiergruppe von Antennenelementen ist, in welcher jeweils jedes Antennenelement den beiden anderen Antennenelementen der betreffenden Dreiergruppe benachbart ist.

24. Antennenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens einige der Antennenelement^ einer Gruppe angehören, die nur einen unvollständigen Kreis um die Nullstelle bildet.

25· Antennenaggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß die Phasendrehungsvorrichtung zur Vereinfachung der Einstellung so ausgebildet ist, . daß die den einzelnen Antennenelementen zugeordneten Phasen in quantisierten Inkrementen einstellbar sind.

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