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Antennenanordnung, insbesondere Wanderwellenantennen-
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anordnung Die Erfindung betrifft allgemein Antennenanordnungen und
näherhin Wanderwellenantennenanordnungen.
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Die Abschlußlast einer Wanderwellenanordnung sollte die gesamte, auf
das Anordnungsende einfallende Energie reflexionsfrei absorbieren oder abstrahlen,
um eine große Hinterkeule zu vermeiden. In bekannten Wanderwellenanordnungen wurden
zwei Arten von Abschlußlasten verwendet, nämlich ohmsche und Strahlungsabschlußlasten.
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Ein innerer, nicht-strahlender ohmscher Abschluß absorbiert die gesamte
Energie, typischerweise etwa 10 % der auf das Anordnungsende einfallenden Gesamtenergie,
derart daß im Antennenstrahlungsdiagramm keine reflektierte Hinterkeule auftritt.
Bei Verwendung eines derartigen ohmschen Abschlusses
kann daher
der Wirkungsgrad der Anordnung wegen des Energieverlusts in der ohmschen Last 90
% nicht übersteigen. Des weiteren verzehren die Widerstände für derartige Abschlüsse
im typischen Fall Leistung in der Größenordnung von mehreren Watt bis mehreren 10
Watt oder noch mehr, sie haben einen beträchtlichen Raumbedarf und erfordern Sorgfalt
bei der Montage hinsichtlich der thermischen Kontrolle.
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Demgegenüber bewirken die bekannten Strahlungs-Abschlußlasten eine
Dissipation der gesamten auf das Ende der Anordnung in einer von der hauptsächlichen
Polarisation und Richtung des Haupt strahls verschiedenen Polarisation und Richtung
einfallenden Energie. Diese bekannten Anordnungen mit Strahlungsabschlußlast tragen
daher zum Antennengewinn und zum Wirkungsgrad der Wanderwellenanordnung nicht bei.
Strahlungslasten wurden an den Rückseiten von Wanderwellenanordnungen verwendet.
Die Strahlung findet an der Innenseite des Zylinders statt, in welchem die Anordnung
montiert ist, und geht damit verloren.
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Dies sind einige der Probleme und Schwierigkeiten, welche durch die
Erfindung überwunden und behoben werden sollen.
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Durch die Erfindung wird eine Strahlungsabschlußlast geschaffen, welche
am Ende einer Wanderwellenanordnung einfallende Energie direkt in den Hauptstrahl
der Anordnung mit der gleichen Polarisation wie dieser einbringt, wodurch der Antennengewinn
verbessert wird. Die nicht-dissipative Strahlungslast gemäß der Erfindung ermöglicht
eine Annäherung an einen Wirkungsgrad von 100 % durch Strahlung statt durch Absorption
der auf das Anordnungsende einfallenden Energie.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung bringt keine Störung der typischen
Auslegungs- und Konstruktionsverfahren mit sich, wie sie zur Minimierung des Seitenkeulenpegels
der Wanderwellenanordnung
verwendet werden. Die erfindungsgemäße
Strahlungslast erhöht ferner den Wirkungsgrad, verringert die Gestehungskosten,
vereinfacht den konstruktiven Aufbau bei verringertem Gewicht und trägt zum Antennengewinn
der Anordnung bei.
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Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der
Abschluß von Wanderwellenantennenanordnungen, die in Gruppen auf kleinen Zylindern
montiert sind zur Erzeugung von Leit-, Nachführ- oder Suchstrahlen für mit aktivem
Radar geführte Flugkörpersysteme. Die durch die Erfindung ermöglichte Eliminierung
der ohmschen Widerstands-Abschlußlasten ergibt eine kompakte Konstruktion, welche
die dichte Packanordnung verschiedener Antennen auf einem kleinen Flugkörper ermöglicht,
unter Vermeidung des mit ohmschen Lastabschlüssen verbundenen Aufwands an manueller
Arbeit und Materialaufwands.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist eine
Antennenanordnung einen mit Öffnungen versehenen Wellenleiter mit einer nicht-dissipativen
Abschlußlastvorrichtung zur Energiestrahlung in einer zu dem Wellenleiter im wesentlichen
parallelen Richtung auf. Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die nicht-dissipative
Abschlußlastvorrichtung einen offen-endigen Wellenleiter als Strahlungslast benachbart
einer Schlitzvorrichtung zur Impedanzwandlung in einem Abschnitt des Wellenleiters
benachbart a-periodischen (d.h. nicht in Resonanz stehenden) Schlitzen der Wanderwellenanordnung
aufweisen.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen
Fig. 1 in perspektivischer
Ansicht den Endbereich einer Wanderwellenanordnung-Antenne in Ausbildung gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Strahlungslast in Form eines offenendigen
Wellenleiters, Fig. 2 in perspektivischer Ansicht den Endbereich einer Wanderwellenantennenanordnung
gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit einem in einer Breitwandfläche
vorgesehenen Schlitz mit Strahlungslast benachbart einem geschlossenen Ende einer
Wanderwellenleiterantenne Fig. 3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig.
2 und Fig. 4 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig 2 mit einem koaxialen
Abstimmstutzen, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen jeweils einen Typ einer erfindungsgemäßen
nicht-dissipativen Strahlungslast mit Impedanzwandlerabschnitten zur Verwendung
in Verbindung mit einem mit Dielektrikum gefüllten Wellenleiter als Wanderwellenanordnung
mit a-periodischen (d.h. nicht in Resonanz befindlichen) Querschlitzen in der Breitwandfläche
des Wellenleiters. Die Konfiguration gemäß Fig. 1 eignet sich besonders für lange
Wanderwellenanordnungen, beispielsweise solche mit einer Länge von mehr als dem
10-fachen
der Wellenlänge des ausgestrahlten bzw. empfangenen Signals. Die in Fig. 2 gezeigte
Konfiguration eignet sich besonders zur Anwendung für kurze Wanderwellenanordnungen,
beispielsweise mit einer Länge von weniger als dem 5-fachen der Wellenlänge.
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Fig. 1 veranschaulicht den Abschluß einer Wanderwellenantennenanordnung
12 mit einer offenendigen Wellenleiter-Strahlungslast 20, welcher drei Schlitze
21 vorhergehen, die als Impedanzwandlerabschnitt 22 zwischen der Stralungslast 20
und den letzten aperiodischen (d.h. nicht in Resonanz stehenden) Schlitzen 23 der
Wanderwellenanordnung 12 dient. Die Schlitze 21 und 23 sind jeweils mit engen Abständen
von etwa 0,1 Wellenlänge oder weniger angeordnet. Die Schlitze 21 verändern den
Wellenwiderstand und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impedanzwandlerabschnitts
22 und besitzen eine größere Länge als die Schlitze 23 in der Wanderwellenantennenanordnung
12. Die Schlitze 21 nehmen etwa eine Viertelwellenleiter-Wellenlänge ein. Der veränderte
Wellenleiterwiderstand in dem Impedanzwandlerabschnitt 22liegt,infolge der kürzeren
Länge der Schlitze 23 in der Anordnung 12, etwas über dem Wellenwiderstand der Anordnung
12 und gleichzeitig unter der Impedanz der offenendigen Wellenleiter-Strahlungslast
20 am Ende der Wanderwellenanordnung 12. Der Wellenleiterabschnitt mit den längeren
Schlitzen 21 (d.h. der Impedanzwandlerabschnitt 22) wirkt somit als ein Viertelwellen-Wandler
zwischen der Wanderwellenanordnung 12 und der Strahlungslast 20.
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Zur Minimierung der Hinterkeule der Wand-erwellenanordnung 12 relativ
gegenüber einer nicht-abgeschlossenen Anordnung soll die transformierte Impedanz
der Strahlungslast nicht genau an die charakteristische Impedanz (d.h. den Wellenwiderstand)
der Wanderwellenanordnung 12 angepaßt sein.
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Die transformierte Impedanz soll einen kleinen negativen Reflexionskoeffizienten
bewirken, der eine kleine Reflexionskeule zur Aufhebung*der Hinterkeule der Strahlungslast
hervorruft. Das Erfordernis einer unvollkommenen Impedanzanpassung nimmt mit abnehmendem
Richtcharakter der Anordnung zu.
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*) bzw. Auslöschung
Bei einem zweiten in Fig. 2 veranschaulichten
Typ einer Strahlungslast wird eine Wanderwellenanordnung 13 durch einen einzigen
in der Breitwandfläche vorgesehenen Schlitz 32 abgeschlossen, mit einem nachfolgenden
kurzgeschlossenen Wellenleiter-Impedanzanpassungsabschnitt 33.
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Eine derartige Ausbildung eignet sich besonders für Anordnungen mit
geringer Richtwirkung, welche eine unvollkommene Impedanzanpassung mit einem negativen
Reflexionskoeffizienten (d.h. einem mit Phasenumkehr) benötigen, um die Hinterkeule
der Anordnung weitestmöglich zu minimieren.
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Die Länge des Strahlungslast-Schlitzes 32 und des kurzgeschlossenen
Wellenleiterabschnitts können beide so gewählt und eingestellt werden, daß man einen
weiten Bereich von Werten des negativen Reflexionskoeffizienten zur Minimierung
der Hinterkeule der Wanderwellenanordnung 13 für einen weiten Bereich von Richtwirkungswerten
der Anordnung erhält. In einem elektrischen Äquivalenz- oder Ersatzmodell würde
die Reaktanz des kurzgeschlossenen Wellenleiterabschnitts in Reihe mit der Impedanz
des Strahlungslastschlitzes liegen.
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Die Wanderwellenanordnung 12 gemäß Fig. 1 wurde an einer Wanderwellenlängsstrahleranordnung
aus eng benachbarten, a-periodischen (d.h. nicht in Resonanz stehenden) Querschlitzen
in einem dielektrisch beladenen dünnen Leiter verwendet. Der gemessene Gewinn der
Antennenanordnung bei Betrieb im X-Band betrug 15,5 dB mit der Strahlungslast und
15,2 dB bei Verwendung einer Ohmschen oder Widerstands-Abschlußlast. Die Verbesserung
des Antennengewinns um 0,3 von dB entspricht einer Verbesserung von 0,6 dB im Systemverhalten
bei aktiven Zweiweg-Radar-Anwendungen. Die gemessene Hinterkeule der Anordnung relativ
bezüglich dem Scheitelwert des Antennengewinns betrug -20 dB mit der Strahlungslast
und
-30 dB mit einer ohmschen Abschlußlast. Die Anordnung besaß eine Länge von etwa
16 Zoll, eine Breite von 1/2 Zoll und eine Dicke von 1/16 Zoll und wurde nach bekannten
Druckschaltungsverfahren hergestellt. Das Fehlen einer ohmschen Abschlußlast ermöglichte
die Anordnung von acht Antennen auf einem Zylinder von 3 1/2 Zoll Durchmesser, ohne
daß am Lastende der einzelnen Antennen Löcher in den Aufbau gebohrt werden mußten.
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Die Wanderwellenanordnung 13 gemäß Fig. 2 wurde an einer nahezu einen
Längsstrahler darstellenden Anordnung (mit einer um 230 gegenüber einer Längsstrahlercharakteristik
versetzen Bündelzentrierung) ähnlicher Bauart wie in dem vorhergehenden Absatz beschrieben
verwendet, wobei jedoch dieser Nahezu-Längsstrahler einen niedrigeren Antennengewinn
als die zuvor beschriebene Längsstrahleranordnung besaß. Der gemessene Antennengewinn
der Nahezu-Längsstrahler-Anordnung betrug 13 dB mit der Strahlungslast vom zweiten
Typ. Die auf die Strahlungslast zurückzuführende Verbesserung des Antennengewinns
wurde mit 0,4 dB bestimmt. Die gemessene Hinterkeule relativ bezüglich dem Scheitelwert
des Antennengewinns der Anordnung betrug 15 dB.
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Die vorstehend beschriebene nicht-dissipative Strahlungslast strahlt
in einer Weise, welche zum Vorwärtsgewinn beiträgt, eine Optimierung des Hinterkeulenpegels
relativ bezogen auf eine nicht-abgeschlossene Anordnung ermöglicht und gleichzeitig
das normale Entwurfs-Konstruktionsverfahren zur Minimierung des Seitenkeulenpegels
der Wanderwellenanordnung nicht stört.
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Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen eine Wanderwellenanordnung 13a
mit einem Koaxial-Abstimmstab 40, der in
einem Abstand von etwa
0,43 Zoll vom Ende der Anordnung 13a und um etwa 0,05 Zoll gegenüber der Längsachse
der Anordnung 13a versetzt angeordnet ist. Der vom Ende der Anordnung 13a entfernte
Rand des Strahlungslastschlitzes 32a besitzt von diesem Anordnungsende einen Abstand
von etwa 0,67 Zoll, der vom Anordnungsende entfernte Rand des nächstgelegenen Schlitzes
31a befindet sich in einem Abstand von etwa 0,77 Zoll vom Ende der Anordnung 13a.
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Der Schlitz 31a hat eine Länge von etwa 0,292 Zoll, der Schlitz 32a
eine Länge von etwa 0,43 Zoll. Die Länge der Schlitze 31a verringert sich bis auf
etwa 0,22 Zoll am linken Ende der Anordnung 13a. Im Gegensatz hierzu nimmt die Gesamtbreite
der Anordnung 13a von einem Wert von etwa 0,455 Zoll am rechten Ende auf eine linke
Breite von etwa 0,513 Zoll zu. Der linke Koaxialeingangsanschluß 41 ist um etwa
0,116 Zoll außermittig versetzt und besitzt vom linken Ende der Anordnung 13 einen
Abstand von etwa 0,49 Zoll. Die Dicke der Anordnung 13a beträgt etwa 0,062 Zoll,
ihre Gesamtlänge etwa 5,12 Zoll und der Bereich der Schlitze 31a entlang der Anordnung
13a erstreckt sich über etwa 3,7 Zoll.
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Der kurzgeschlossene Wellenleiter dient als reaktives Abstimmelement,
das sich primär nur auf den letzten Schlitz auswirkt, und zwar derart, daß dieser
Schlitz die gesamte verbliebene, nicht von der Wanderwellenanordnung abgestrahlte
Energie abstrahlt und die ansonsten in dem Wellenleiter auftretende stehende Welle
unterdrückt. In der Praxis bewirkt der Strahlungslastabschluß einen kleinen residuellen
Reflexionskoeffizienten, der betragsmäßig gleich, jedoch gegenphasig mit der Hinterkeule
ist. Somit hebt der Reflexionskoeffizient die Hinterkeule auf. Mit anderen Worten:
Die infolge des Reflexionskoeffizienten reflektierte Energiemenge ist gleich der
normalen Hinterkeule der Wanderwellenanordnung,
derart daß die
Energie der Strahlungslast sich zum Hauptstrahlbündel addieren kann.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 sind vor einer offenendigen Wellenleiterstrahlungslast
drei Schlitze vorgesehen, welche als Impedanzwandlerabschnitt die endständigen a-periodischen
(nicht in Resonanz befindlichen Schlitze der Wanderwellenanordnung abschließen.
Diese Schlitze verändern die charakteristische Impedanz (den Wellenwiderstand) und
die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wellenleiters. Der Wellenleiter-Wellenwiderstand
in dem Impedanzwandlerabschnitt ist etwas größer als der der kürzeren Anordnungsschlitze
und kleiner als die Impedanz der offenendigen Wellenleiterstrahlungslast. Somit
dient der Wellenleiterabschnitt mit den längeren Schlitzen als ein Viertelwellen-Impedanzwandler
zwischen der Wanderwellenanordnung und der Strahlungslast.
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Wie bekannt läßt sich mit einem Viertelwellen-Impedanzwandler jede
beliebige Impedanz mit einer anderen Impedanz koppeln. In Fig. 2 besteht die Strahlungslast
aus einem einzigen, die Wellenleiteranordnung abschließenden, Schlitz in der breiten
Wandungsfläche, mit einem nachfolgenden kurzgeschlossenen Wellenleiter-Impedanzanpassungsabschnitt.
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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. Beispielsweise können
die jeweiligen speziellen Strahlungslast-Impedanzwandlerabschnitte und die Wanderwellenanordnungen
gegenüber den konkret beschriebenen abgewandelt werden. Diese und alle sonstigen
abgeänderten Ausführungsformen, die von. der grundlegenden vorstehend offenbarten
Lehre Gebrauch machen,
liegen im Bereich der vorliegenden Erfindung.
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Zusammenfassung Die Erfindung beschreibt eine nicht-dissipative Abschlußlast
für eine Wanderwellenantennenanordnung, welche gewährleistet, daß am Ende der Antennenanordnung
einfallende Energie direkt dem Hauptstrahlbündel der Anordnung mit der gleichen
Polarisation wie die des Hauptstrahlbündels zugeführt wird, wodurch sich der Antennengewinn
erhöht.
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Patentansprüche:
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