DE3044532A1 - Hochfrequenzantenne kleiner kreisfoermiger apertur mit einer anordnung von schlitzstrahlern - Google Patents

Description

DORNSR & HUt=NAGEU PATENTANWÄLTE

UkNDWEHRSTR. 37 800O MÖNCHEN 2 TEL. 0 89 / OS BT 84

München, den 26. November 1980 /J Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 282

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Hochfrequenzantenne kleiner kreisförmiger Apertur mit einer Anordnung von Schlitzstrahlern.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Hochfrequenzantennen und insbesondere auf Antennen mit einer ebenen Anordnung von mit Schlitzen versehenen Wellenleitungen.

Beim Bau von Radarantennen für Suchköpfe von Lenkflugkörpern oder ferngelenkten Raketen ist es üblich, sogenannte Resonanzschlitzstrahleranordnungen vorzusehen. Bekanntermaßen wird eine solche Resonanzschlitzstrahleranordnung in der Weise gebildet, daß eine Anzahl gleich dimensionierter, geschlitzter, im Querschnitt rechteckiger Hohlleiter nebeneinandergesetzt wird, so daß die gewünschte Apertur überdeckt wird. An einem Ende jedes Hohlleiters wird ein elektrischer Kurzschluß vorgesehen, so daß jeweils ein resonanzfähiges System entsteht, in dem stehende Wellen auftreten können, um die Beaufschlagung der Schlitze optimal zu machen. Eine Sammeleinspeisung üblicher Bauart wird dann an die jeweils anderen Enden der Hohlleiter angeschlossen, so daß die Resonanzschlitzstrahleranordnung entweder als Sendeantenne oder als Empfanqsantenne, etwa als Monopulsantenne arbeitet.

Wenn eine Resonanzschlitzstrahleranordnung als Antenne in einem Lenkflugkörper verwendet wird, so ist folgendes zu beachten:

130035/0444

1) Es muß ein Sichtlinienstrahl oder eine Sichtlinien-Richtchrakteristik in solcher Weise gebildet werden, daß sich ein maximaler Antennengewinn einstellt und die Amplituden der Nebenmaxima oder Seitenstrahlungskeulen so klein wie möglich sind;

2) Die Energie im Strahl muß linear polarisiert sein, wobei eine Kreuzpolarisationswirkung minimal gehalten werden muß.

Um die vorstehenden Forderungen in dem begrenzten Raum erfüllen zu können, weichet in dem zylindrischen Volumen innerhalb· eines Lenkflugkörpers zur Verfügung steht , ist die Apertur der Resonanzschlitzstrahleranordnung im allgemeinen kreisförmig und die Anordnung selbst ist so gehaltert oder aufgehängt, daß sie bezüglich Steigung und bezüglich Gierbewegungen steuerbar ist, während die Orientierung sämtlicher Schlitze relativ zu den Längsachsen der Hohlleiter konstant bleibt. Wenn weiterhin die Resonanzschlitzstrahleranordnung als Monopulsantenne betrieben werden soll, ist die Anzahl von Hohlleitern und die Anordnung der Schlitze so gewählt, daß in jedem Quadranten der Apertur jeweils eine gleiche Anzahl von Schlitzen liegt. Außerdem müssen die für jede Schlitzstrahleranordnung geltenden Bedingungen beachtet werden, um eine Welligkeit der Richtcharakteristik oder eine Verminderung des Wirkungsgrades zu vermeiden. Das bedeutet, daß für eine vorgegebene Betriebsfrequenz entsprechendes Augenmerk auf die Dimensionierung der Hohlleiter, die Abstände zwischen den Schlitzen und die Lage des elektrischen Kurzschlusses in jedem der Hohlleiter zu richten ist. In einem beispielsweisen Anwendungsfall, bei welchem die Apertur einer Antenne innerhalb eines Lenkflugkörpers einen Durchmesser von 127 mm hat, kann bei Aufbau der Antenne in bekannter Weise eine Schlitzstrahleranordnung mit maximal zwanzig Schlitzen für den Betrieb im X-Band vorgesehen werden. Da der Antennengewinn für jede Schlitzstrahleranordnung unmittelbar zu der Zahl der Schlitze in Beziehung steht, ist der Antennengewinn der Anordnung begrenzt.

130035/0444

Ein weiteres Problem ergibt sich bei herkömmlichen Resonanzschlitzstrahleranordnungen aufgrund der Verwendung von gleich bemessenen Wellenleitungen oder Hohlleitern. Da die Lagen der Schlitze in jedem Hohlleiter längs dessen Längserstreckung festliegen, ist es schwierig, eine symmetrische Richtcharakteristik oder einen symmetrischen Richtstrahl zu erzeugen. Dies führt dazu, daß die Betriebseigenschaften herkömmlicher Resonanzschlitzstrahleranordnungen je nach Abweichungsrichtung eines Zielobjektes von der Sichtlinie verschieden sind.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Hochfrequenzantenne kleiner kreisförmiger Apertur mit einer Anordnung von Schlitzstrahlern so auszubilden, daß die Anzahl der Schlitze gegenüber der Schlitzzahl, wie sie bei bisher bekannten Antennen dieser Art üblich war, erhöht werden kann. Die Antenne soll dabei auch als Monopulsantenne verwendbar sein.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im anliegenden Anspruch 1 angegebenen Merkmale erzielt.

Es zeigt sich, daß erfindungsgemäß der Abstand zwischen den Schlitzen so optimal gewählt werden kann, daß eine symmetische Richtcharakteristik bzw. ein symmetrischer Richtstrahl erzielt wird.

Es wird also eine Resonanzschlitzstrahleranordnung zur Bildung einer Antenne kreisförmiger Apertur geschaffen, wobei eine Anzahl unterschiedlich bemessener, im Querschnitt rechteckiger, geschlitzter Hohlleiter vorgesehen wird, die zur überdeckung der kreisförmigen Apertur nebeneinandergesetzt sind. Der Abstand zwischen den Schlitzen und die Anordnung der erforderlichen Kurzschlüsse in jedem der Hohlleiter bestimmen sich aus der jeweils gewählten Bemessung der einzelnen Hohlleiter.

Einzelheiten werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, wel-

130035/0444

3Q44532

ehe eine Aufsicht oder Stirnansicht einer Antenne der hier vorgeschlagenen Art wiedergibt.

Die in der Zeichnung gezeigte Antenne besitzt eine größte zulässige Apertur, welche durch die Linie 11 angedeutet ist und kreisförmige Gestalt besitzt. Der Durchmesser beträgt 127 mm. Die Antenne weist Wellenleitungen oder Hohlleiter 1Ou, 12u_f 14u, 141, 121 und 101 auf. Die Hohlleiter sind mit Schlitzen versehen, welche eine Resonanzschlitzstrahleranordnung bilden und im X-Band betrieben werden, so daß eine Monopuls-Radarantenne für einen Lenkflugkörper erhalten wird. Nachdem die Schlitze in den Hohlleitern 101, 121 und 141 jeweils in derselben Weise angeordnet sind wie die Schlitze in den Hohlleitern 1Ou, 12u und 14u und nachdem die Abmessungen gleichbezeichneter Hohlleiter jeweils gleich sind, ist es ausreichend, nur die letztgenannte Gruppe von Hohlleitern zu beschreiben. Auch erscheint es nicht notwendig, die Dicke jeder Wand der Hohlleiter und die übliche gemeinsame Einspeisung näher darzustellen oder zu erläutern.

Zunächst sei der Hohlleiter 14u betrachtet. Die Breite W₁₄, genauer gesagt, die innen gemessene Breite der breiteren Wand des im Querschnitt rechteckigen Hohlleiters, ist so gewählt, daß die Grenzfrequenz der dominanten TEg^-Welle im Hohlleiter hier nahe dem unteren Ende des X-Bandes liegt. Die Tiefe, genauer gesagt, die innen gemessene Breite der schmäleren Wand des Rechteckhohlleiters, welche in der Zeichnung nicht wiedergegeben ist, wird so gewählt, daß die Grenzfrequenz der Welle nächsthöherer Ordnung (TE-^g oder TE2Q-Welle) oderhalb der höchsten Frequenz des X-Bandes liegt. Vorliegend wird ein herkömmlicher Rechteckhohlleiter für die Verwendung im X-Band mit einem lichten Querschnitt von 23 χ 10,2 mm vorgesehen.

Man erkennt, daß die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie im X-Band innerhalb des Hohlleiters 12u größer als die Wellenlänge dieser Energie im freien Raum ist und daß die Schlitze in Abständen angeordnet werden müssen, welche durch die Wellen-

130035/0444

länge innerhalb des Hohlleiters bestimmt sind. Bei einer Apertur von 127 mm Durchmesser und der Verwendung von Shuntschlitzen ist es doch noch möglich, sechs Schlitze in einem Abstand von einer halben Wellenlänge, gemessen in dem Hohlleiter längs dessen mit 14u bezeichneten Längsachse vorzusehen und einen elektrischen Kurzschluß in einem Abstand von einem Viertel der Wellenlänge vom letzten Schlitz, beispielsweise dem Schlitz 14u(3') anzubringen.

Die Schlitze 14u(3), 14u(l) und 14u(2') sind in einem gegenseitigen Abstand von einer Wellenlänge längs der Achse 14u aufgereiht. In entsprechender Weise haben die Schlitze 14u(2), 14u (I¹) und 14u(3') einen gegenseitigen Abstand von einer Wellenlänge voneinander und sind gegenüber der zuvor genannten Schlitzreihe um eine Strecke entsprechend einer halben Wellenlänge versetzt, so daß sie auf die Zwischenräume zwischen den Schlitzen 14u(3), 14u(l) und 14u(2') ausgerichtet sind. Zusätzlich haben die Schlitze 14u(l) und 14u(l') längs der nicht näher bezeichneten Gierachse gleichen Abstand von der Achse 14u. Gleiches gilt für das Schlitzpaar 14u(2) und 14u(2") sowie für das Schlitzpaar 14u(3) und 14u(3'). Man erkennt, daß die Schlitze 14u(l) bis 14u(3') eine lineare Reihe von Schlitzstrahlern bilden, wobei eine Amplitudenabnahme längs der Steigungsachse erreicht ist und die Mittellinie des von der Schlitzreihe erzeugten Richtstrahles oder der Richtcharakteristik breitseits zu dem Hohlleiter 14u verläuft und somit senkrecht zur Ebene ist, welche durch die Steigungsachse und die Gierachse aufgespannt wird. Weiter ist die erste Nebenstrahlungskeule oder das erste Nebenmaximum gemessen längs der Hohlleiterachse 14u durch die gewählte Amplitudenabschwächung bestimmt.

Der Hohlleiter 12u ist so bemessen, daß seine Breite geringer als die Breite des Hohlleiters 14u ist. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie in dem Hohlleiter 12u ist somit größer als diejenige der Energie im Hohlleiter 14u. Folglich ist der Abstand zwischen den verschiedenen Schlitzen 12u(l),

130035/0444

12u(2), 12u(l") und 12u(2')» gemessen längs der Hohlleiterlängsachse 12u, größer als die entsprechenden Abstände der Schlitze des Hohlleiters 14u. Es sei hier erwähnt, daß bei einer Einspeisung der Energie von derselben Seite der Hohlleiter 12u und 14u her der elektrische Kurzschluß (nicht dargestellt) im Hohlleiter 12u sich in einem Abstand von einer Viertelwellenlänge von dem Schlitz 12u(2') befindet, so daß sich längs der Gierachse an jedem Paar einander entsprechender Schlitze in den zwei Hohlleitern der geeignete Richtungssinn des elektrischen Feldes ergibt.

Der längs der Gierachse zu messende Abstand jedes der Schlitze 12u(l), 12u(2), 12u(l') und 12u(2') von der Längsachse des zugehörigen Hohlleiters ist so gewählt, daß eine entsprechende Amplitudenabschwächung in Richtung der Gierachse erreicht wird, ohne daß die Polarisation beeinflußt wird. Aus diesem Grunde hat jeder der Schlitze des Hohlleiters 12u von der Hohlleiterlängsachse 12u größeren Abstand als der entsprechende Schlitz des Hohlleiters 14u von dessen Längsachse 14u hat.

Der Hohlleiter 1Ou ist so bemessen, daß mindestens zwei Schlitze 1Ou(I) und 1Ou(I¹) in einem Bereich untergebracht werden können, welcher durch die freie Seite des Hohlleiters 12u und die Umgrenzungslinie der größtzulässigen Apertur 11 bestimmt ist. Im vorliegenden Falle ist die Breite des Hohlleiters 1Ou 18,8 mm. Erwartungsgemäß ist die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie innerhalb des Hohlleiters 1Ou größer als innerhalb der Hohlleiter 14u oder 12u. Aus diesem Grunde sind die Schlitze 1Ou(I) und 1Ou(I¹) weiter auseinandergelegt als die Schlitze 12u(l) und 12u(l') oder die Schlitze 14u(l) und 14u(l')· Außerdem ist die Lage des im übrigen nicht dargestellten elektrischen Kurzschlusses nahe dem Schlitz 1Ou(I¹) durch die Wellenlänge der Energie in dem Hohlleiter 1Ou bestimmt und der Richtungssinn der elektrischen Felder an den Schlitzen 1Ou(I) und 1Ou(I¹) sind jeweils dieselben wie diejenigen der elektrischen Felder an den Schlitzen 14u(l) und 14u(l')·

130035/0444

Um eine gewünschte Amplitudenabschwächung in Richtung der Gierachse zu erzielen, wird die Energiemenge, welche jeweils in die einzelnen Hohlleiter 14u, 12u, 12u, eingespeist wird, in beispielsweise an sich bekannter Weise in der gemeinsamen Zuführungseinrichtung justiert. Zusätzlich werden die jeweiligen Lagen der Schlitze 1Ou(I) und 1Ou(I¹), gemessen längs der Gierachse, so verändert, daß sie zu der gewünschten Amplitudenabschwächung beitragen, so daß die Gestalt der Richtcharakteristik bei Fortschritt längs der Gierachse optimal wird und Nebenmaxima oder Nebenstrahlungskeulen auf ein Minimum reduziert werden.

Für den Fachmann ist erkennbar, daß es bei Konstruktion einer Hochfrequenzantenne kleiner kreisförmiger Apertur mit einer Anordnung von Schlitzstrahlern zur Verwendung im X-Band vorteilhaft ist, durch Verwendung von Hohlleitern unterschiedlicher Breite in der Konstruktion flexibler sein zu können. Es handelt sich hier vornehmlich um Antennen mit einer Apertur in der Grössenordnung von beispielsweise 120 mm Durchmesser. Da die relativen Lagen der einander entsprechenden Schlitze in den verschiedenen Hohlleitern verändert werden können, ohne daß die Orientierung der Schlitze verändert werden muß, erhält man einen maximalen Antennengewinn für einen Richtstrahl oder eine Richtcharakteristik bei verhältnismäßig kleinen Nebenstrahlungskeulen und ohne eine Beeinflussung der Polarisation des Richtstrahls oder der Richtcharakteristik. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Länge jedes Schlitzes ebenfalls verändert bzw. eingestellt werden kann, um die Phasenverteilung über die Apertur hin zu modifizieren. Weiß man vonvornherein über die Wirkung der Veränderung der Länge eines Resonanzschlitzstrahlers, so kann man empirisch in üblicher Weise verfahren, um die Phasenverteilung über die Apertur hin für den jeweiligen Anwendungsfall einzustellen. Da also im vorliegenden Fall die Breite des erzeugten Richtstrahles oder der Richtcharakteristik, gemessen längs der Gierachse, dieselbe sein soll wie die Breite der Richtcharakteristik längs der Steigungsachse, kann die Länge der Schlitze verändert werden, um die Phasenverteilung längs der genannten Achsen optimal zu machen.

130035/0444

-AO-

Leerseite

Claims (2)

Patentansprüche

1.)Hochfrequenzantenne kleiner kreisförmiger Apertur mit einer Anordnung von Schlitzstrahlern für linear polarisierte Strahlung, wobei das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Apertur und der Wellenlänge der Hochfrequenzenergie bei Nennbetriebsfrequenz der Antenne in der Größenordnung von 5 : 1 liegt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Eine erste Gruppe von im Querschnitt rechteckigen Resonanzhohlleitern, welche mit ihren Schmalseiten aneinandergesetzt sind und im wesentlichen eine Hälfte der kreisförmigen Apertur überdecken, wobei die Breite der Breitseiten der aufeinanderfolgenden Resonanzhohlleiter von dem der Mittelachse der Apertur nächstliegenden Resonanzhohlleiter in Richtung radial nach außen von Resonanzhohlleiter zu Resonanzhohlleiter abnimmt;

b) eine der ersten Gruppe von Resonanzhohlleitern gleiche und entsprechende zweite Gruppe von Resonanzhohlleitern zur Abdeckung der zweiten Hälfte der kreisförmigen Apertur und

c) eine Anzahl von Strahlerschlitzen, welche jeweils

in der DteitenVand jedes der Resonanzhohlleiter vorgesehen ist, wobei die Schlitze sämtlich zueinander parallel sind und die Mitten der Strahlerschlitze jeweils in einer Ebene maximalen elektrischen Feldes innerhalb des zugehörigen Resonanzhohlleiters gelegen sind und wobei außerdem die Abstände der Schlitze jedes Resonanzhohlleiters von dessen Mittellängsachse von der Mitte zu jedem Ende des betreffenden Resonanzhohlleiters von Schlitz zu Schlitz fortschreitend

130Ö3S/04U

OBiGiNAL INSPECTED

3Q44532

zunehmen, so daß eine Amplitudenabschwächung über
die Länge des Resonanzhohlleiters hin erreicht
wird.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände einander jeweils entsprechender Schlitze in den verschiedenen Resonanzhohlleitern von den Mittellängsachsen des jeweils zugehörigen Resonanzhohlleiters von Resonanzhohlleiter zu Resonanzhohlleiter nach außen fortschreitend zunehmen, so daß eine
Amplitudenabschwächung längs einer zu den Hohlleiterachsen senkrechten Radialrichtung erreicht wird.

— 2 —

130035/0444