DE3044532C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenzantenne kleiner kreisförmiger Apertur mit den Merkmalen des Ober­ begriffes des Patentanspruches. Hochfrequenzantennen dieser Art sind aus der US-Patentschrift 40 99 181 bekannt. Zum bes­ seren Verständnis der Erfindung seien folgende allgemeine Be­ trachtungen vorausgeschickt.

Beim Bau von Radarantennen für Suchköpfe von Lenkflugkörpern oder ferngelenkten Raketen ist es üblich, sogenannte Resonanz­ schlitzstrahleranordnungen vorzusehen. Bekanntermaßen wird eine solche Resonanzschlitzstrahleranordnung in der Weise ge­ bildet, 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 vor­ gesehen, so daß jeweils ein resonanzfähiges System entsteht, in dem stehende Wellen auftreten können, um die Beaufschlagung der Schlitze optimal zu machen. Eine Sammeleinspeisung üb­ licher Bauart wird dann an die jeweils anderen Enden der Hohl­ leiter angeschlossen, so daß die Resonanzschlitzstrahleran­ ordnung entweder als Sendeantenne oder als Empfangsantenne, etwa als Monopulsantenne arbeitet.

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

• 1) Es muß ein Sichtlinienstrahl oder eine Sichtlinien- Richtcharakteristik in solcher Weise gebildet werden, daß sich ein maximaler Antennengewinn einstellt und die Amplituden der Nebenmaxima oder Seitenstrahlungs­ keulen so klein wie möglich sind;
• 2) Die Welle muß linear polarisiert sein, wobei eine Kreuzpolarisationswirkung minimal gehalten werden muß.

Um die vorstehenden Forderungen in dem begrenzten Raum erfüllen zu können, welcher in dem zylindrischen Volumen innerhalb eines Lenkflugkörpers zur Verfügung steht, ist die Apertur der Reso­ nanzschlitzstrahleranordnung im allgemeinen kreisförmig und die Anordnung selbst ist so gehaltert oder aufgehängt, daß sie be­ züglich 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 Be­ dingungen beachtet werden, um eine Welligkeit der Richt­ charakteristik oder eine Verminderung des Wirkungsgrades zu vermeiden. Das bedeutet, daß für eine vorgegebene Betriebs­ frequenz 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 Lenkflug­ körpers 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 vor­ gesehen werden. Da der Antennengewinn für jede Schlitzstrahler­ anordnung unmittelbar zu der Zahl der Schlitze in Beziehung steht, ist der Antennengewinn der Anordnung begrenzt.

Ein weiteres Problem ergibt sich bei herkömmlichen Resonanz­ schlitzstrahleranordnungen aufgrund der Verwendung von gleich bemessenen Wellenleitungen oder Hohlleitern. Da die Lagen der Schlitze in jedem Hohlleiter längs dessen Längserstreckung fest­ liegen, ist es schwierig, eine symmetrische Richtcharakteristik oder einen symmetrischen Richtstrahl zu erzeugen. Dies führt da­ zu, daß die Betriebseigenschaften herkömmlicher Resonanzschlitz­ strahleranordnungen je nach Abweichungsrichtung eines Zielob­ jektes von der Sichtlinie verschieden sind.

Eine im Oberbegriff von Anspruch 1 berücksichtigte Hochfrequenz­ antenne nach der US-Patentschrift 40 99 181 weist die Apertur überdeckende Hohlleiterabschnitte jeweils konstanter Breite auf und die Strahlerschlitze haben in Richtung der Mittellängs­ achse der Hohlleiter gleichbleibenden Abstand voneinander und auch gleichbleibenden Querabstand von der Mittellängsachse des jeweiligen Hohlleiters. Eine symmetrische, nur kleine Neben­ strahlungskeulen aufweisende Richtcharakteristik ist mit einer derartigen Antenne nicht zu erzielen.

Bei einer Monopulsantenne nach der US-Patentschrift 37 11 858 sind ebenfalls die Hohlleiterabschnitte, welche die Antennen­ apertur überdecken, bezüglich ihrer Breitenabmessung in der Ebene der Apertur gleich breit. Die Strahlerschlitze sind von Hohlleiter zu Hohlleiter fortschreitend gleich beabstandet und gegenüber der jeweiligen Hohlleiterlängsachse unterschiedlich orientiert.

Strahlerschlitze in einem im Querschnitt rechteckigen Hohl­ leiter nach der US-Patentschrift 29 37 373 haben zwar längs der Mittellängsachse einer Hohlleiterwand veränderlichen Abstand von dieser Mittellängsachse, doch nimmt der Querab­ stand der Strahlerschlitze von der Hohlleitermittellängsache in Richtung zu den Hohlleiterenden nicht zu sondern ab, so daß eine Richtcharakteristik mit stärkeren Nebenstrahlungs­ keulen entsteht.

In einer einen einzelnen Hohlleiter rechteckigen Querschnittes enthaltenden Antenne nach der deutschen Patentschrift 8 84 971 haben die Strahlerschlitze in der betreffenden Hohlleiterwand zu deren Mittellängsachse in deren Richtung gleichen gegenseitigen Abstand und von der Mittellängsachse konstanten Querabstand.

In der Veröffentlichung von ELLIOT, R.S.: Design of Line Source Antennas for Narrow Beamwidth and Asymmetric Low Sidelobes, in: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Januar 1975, Seiten 100 bis 107 ist allgemein der Einfluß der Lage von Strahlerschlitzen in einer Wellen­ leiterwand auf die Form der erzeugten Hauptstrahlungskeule und der Nebenstrahlungskeulen der Richtcharakteristik be­ handelt, doch sind konkrete Mittel zur Erzeugung einer starken Hauptstrahlungskeule und kleiner Nebenstrahlungskeulen bei Hochfrequenzantennen der gattungsgemäßen Art hier nicht an­ gegeben.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Hochfrequenzantenne mit den Merkmalen des Oberbegriffes vom Patentanspruch so auszugestalten, daß auch bei vergleichs­ weise kleiner kreisförmiger Apertur eine symmetrische, nur kleine Nebenstrahlungskeulen aufweisende Richtcharakteristik erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Hochfrequenzantenne erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Einzelheiten werden nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, wel­ che eine Aufsicht oder Stirnansicht einer Antenne der hier vor­ geschlagenen Art wiedergibt.

Die in der Zeichnung gezeigte Antenne besitzt eine größte zuläs­ sige Apertur, welche durch die Linie 11 angedeutet ist und kreis­ förmige Gestalt besitzt. Der Durchmesser beträgt 127 mm. Die An­ tenne weist Wellenleitungen oder Hohlleiter 10u, 12u, 14u, 14l, 12l und 10l auf. Die Hohlleiter sind mit Schlitzen versehen, wel­ che eine Resonanzschlitzstrahleranordnung bilden und im X-Band betrieben werden, so daß eine Monopuls-Radarantenne für einen Lenkflugkörper erhalten wird. Nachdem die Schlitze in den Hohl­ leitern 10l, 12l und 14l jeweils in derselben Weise angeordnet sind wie die Schlitze in den Hohlleitern 10u, 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 notwen­ dig, die Dicke jeder Wand der Hohlleiter und die übliche gemein­ same 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 TE₀₁-Welle im Hohlleiter hier nahe dem unteren Ende des X-Bandes liegt. Die Tiefe, ge­ nauer gesagt, die innen gemessene Breite der schmäleren Wand des Rechteckhohlleiters, welche in der Zeichnung nicht wieder­ gegeben ist, wird so gewählt, daß die Grenzfrequenz der Welle nächsthöherer Ordnung (TE₁₀- oder TE₂₀-Welle) oderhalb der höch­ sten Frequenz des X-Bandes liegt. Vorliegend wird ein herkömm­ licher Rechteckhohlleiter für die Verwendung im X-Band mit ei­ nem lichten Querschnitt von 23 · 10,2 mm² vorgesehen.

Man erkennt, daß die Wellenlänge der elektromagnetischen Ener­ gie im X-Band innerhalb des Hohlleiters 12u größer als die Wel­ lenlänge dieser Energie im freien Raum ist und daß die Schlitze in Abständen angeordnet werden müssen, welche durch die Wellen­ länge innerhalb des Hohlleiters bestimmt sind. Bei einer Aper­ tur 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 des­ sen mit 14u bezeichneten Längsachse vorzusehen und einen elek­ trischen Kurzschluß in einem Abstand von einem Viertel der Wel­ lenlänge vom letzten Schlitz, beispielsweise dem Schlitz 14u(3′) anzubringen.

Die Schlitze 14u(3), 14u(1) und 14u(2′) sind in einem gegensei­ tigen Abstand von einer Wellenlänge längs der Achse 14u aufge­ reiht. In entsprechender Weise haben die Schlitze 14u(2), 14u (1′) und 14u(3′) einen gegenseitigen Abstand von einer Wellen­ länge voneinander und sind gegenüber der zuvor genannten Schlitz­ reihe um eine Strecke entsprechend einer halben Wellenlänge ver­ setzt, so daß sie auf die Zwischenräume zwischen den Schlitzen 14u(3), 14u(1) und 14u(2′) ausgerichtet sind. Zusätzlich haben die Schlitze 14u(1) und 14u(1′) längs der nicht näher bezeich­ neten 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(1) bis 14u(3′) eine lineare Reihe von Schlitzstrahlern bilden, wobei eine Amplitudenabnahme längs der Steigungsachse erreicht ist und die Mittellinie des von der Schlitzreihe er­ zeugten Richtstrahles oder der Richtcharakteristik breitseits zu dem Hohlleiter 14u verläuft und somit senkrecht zur Ebene ist, welche durch die Steigungsachse und die Gierachse aufge­ spannt 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(1), 12u(2), 12u(1′) und 12u(2′), gemessen längs der Hohlleiterlängs­ achse 12u, größer als die entsprechenden Abstände der Schlitze des Hohlleiters 14u. Es sei hier erwähnt, daß bei einer Einspei­ sung 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 je­ dem 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(1), 12u(2), 12u(1′) und 12u(2′) von der Längsachse des zuge­ hörigen Hohlleiters ist so gewählt, daß eine entsprechende Ampli­ tudenabschwächung in Richtung der Gierachse erreicht wird, ohne daß die Polarisation beeinflußt wird. Aus diesem Grunde hat je­ der der Schlitze des Hohlleiters 12u von der Hohlleiterlängs­ achse 12u größeren Abstand als der entsprechende Schlitz des Hohlleiters 14u von dessen Längsachse 14u hat.

Der Hohlleiter 10u ist so bemessen, daß mindestens zwei Schlitze 10u(1) und 10u(1′) in einem Bereich untergebracht werden können, welcher durch die freie Seite des Hohlleiters 12u und die Um­ grenzungslinie der größtzulässigen Apertur 11 bestimmt ist. Im vorliegenden Falle ist die Breite des Hohlleiters 10u 18,8 mm. Erwartungsgemäß ist die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie innerhalb des Hohlleiters 10u größer als innerhalb der Hohlleiter 14u oder 12u. Aus diesem Grunde sind die Schlitze 10u(1) und 10u(1′) weiter auseinandergelegt als die Schlitze 12u(1) und 12u(1′) oder die Schlitze 14u(1) und 14u(1′). Außer­ dem ist die Lage des im übrigen nicht dargestellten elektri­ schen Kurzschlusses nahe dem Schlitz 10u(1′) durch die Wellen­ länge der Energie in dem Hohlleiter 10u bestimmt und der Rich­ tungssinn der elektrischen Felder an den Schlitzen 10u(1) und 10u(1′) sind jeweils dieselben wie diejenigen der elektrischen Felder an den Schlitzen 14u(1) und 14u(1′).

Um eine gewünschte Amplitudenabschwächung in Richtung der Gier­ achse zu erzielen, wird die Energiemenge, welche jeweils in die einzelnen Hohlleiter 14u, 12u, 12u, eingespeist wird, in bei­ spielsweise an sich bekannter Weise in der gemeinsamen Zufüh­ rungseinrichtung justiert. Zusätzlich werden die jeweiligen La­ gen der Schlitze 10u(1) und 10u(1′), gemessen längs der Gier­ achse, so verändert, daß sie zu der gewünschten Amplitudenab­ schwächung 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 An­ ordnung von Schlitzstrahlern zur Verwendung im X-Band vorteil­ haft 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 rela­ tiven Lagen der einander entsprechenden Schlitze in den ver­ schiedenen Hohlleitern verändert werden können, ohne daß die Orientierung der Schlitze verändert werden muß, erhält man ei­ nen maximalen Antennengewinn für einen Richtstrahl oder eine Richtcharakteristik bei verhältnismäßig kleinen Nebenstrahlungs­ keulen und ohne eine Beeinflussung der Polarisation des Richt­ strahls 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 von vornherein über die Wirkung der Veränderung der Länge eines Resonanzschlitzstrah­ lers, 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 Län­ ge der Schlitze verändert werden, um die Phasenverteilung längs der genannten Achsen optimal zu machen.

Claims (1)

1. Hochfrequenzantenne kreisförmiger Apertur mit einer An­ ordnung zueinander paralleler, die Apertur überdeckender, an den Enden jeweils kurzgeschlossene Hohlleiter (14u, 12u, 10u, 14l, 12l, 10l) rechteckigen Querschnittes, die mit ihren Schmalseiten aneinander anliegen und die an den in der Ebene der Apertur liegenden breitseitigen Wellenleiterwänden mit Strahlerschlitzen (14u(1), 14u(2), 14u(3), 14u(1′), 14u (2′), 14u(3′), 12u(1), 12u(2), 12u(1′), 12u(2′), usw.) ver­ sehen sind, welche jeweils längs einer Mittellängsachse der betreffenden Hohlleiterwand parallel zu dieser Mittellängs­ achse aufeinanderfolgen und bestimmten Querabstand von der Mittellängsachse haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Brei­ te (w₁₄, w₁₂, w₁₀) der parallel zur Ebene der Apertur gelege­ nen Hohlleiterwände mit zunehmenden Abstand des betreffenden Hohlleiters vom Mittelpunkt der Apertur geringer wird und der gegenseitige Abstand der Strahlerschlitze in Richtung der Mittellängsachse eines Hohlleiters in weiter vom Mittelpunkt der Apertur entfernten Hohlleitern größer als in näher an dem Mittelpunkt der Apertur gelegenen Hohlleitern ist und daß der Querabstand der Strahlerschlitze von der Mittellängsachse der jeweils zugehörigen Wellenleiterwand in Richtung zu den Hohl­ leiterenden hin zunimmt.