DE3218237C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne zur Überdeckung eines vorgebbaren Sektors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Antenne ist bekannt aus der US-28 14 040. Die dort beschriebene Antenne, die für in Hohlleitern führbare Strahlung geeignet ist, enthält ein fokussierendes Element (Linse), das im wesentlichen aus zwei parallelen, kreiförmigen Platten besteht, die einen Hohlleiter bilden und die in Richtung der Rotationsachse z. B. paraboloidförmig geformt sind. Die Platten sind in einem Sektor U-förmig gebogen, so daß eine Umlenkeinrichtung entsteht. Diese lenkt die Strahlung um ungefähr 180°C um, so daß ein Primärstrahler in einer Ebene unterhalb des fokussierenden Elements rotieren kann.

Aus der US-25 76 182 ist eine Antenne bekannt, die insbesondere für einen Azimutwinkel von 360° geeignet ist. Die Antenne besteht aus zwei kreisförmigen metallischen Platten, zwischen denen ein festes Dielektrikum angeordnet ist. Dabei haben die Platten im Bereich der Rotationsachse einen größeren Abstand als an ihren Rändern, so daß ein fokussierendes Element (Linse) entsteht. Um den äußeren Rand der Linse rotiert ein Primärstrahler, z. B. ein Hornstrahler, dessen Rotationsachse mit derjenigen der Linse identisch ist.

Eine ähnliche Anordnung ist aus der US-25 76 181 bekannt.

Diese Anordnungen besitzen den Nachteil, daß hochgenaue Linsen lediglich in aufwendiger Weise herstellbar sind.

Aus der DE-28 49 438 A1 ist ebenfalls eine Antenne mit einer Linse bekannt. Als fokussierendes Element ist dort eine modifizierte Luneburg-Linse eingesetzt, welche eine aus einer Richtung innerhalb eines Sektors einfallende Strahlung auf einen der Einfallsrichtung gegenüberliegenden Punkt des Linsenumfanges fokussiert. Zur Überdeckung eines Azimutsektors sind mehrere Primärstrahler am Rand der Linse auf der dem Sektor gegenüberliegenden Linsenseite nebeneinander angeordnet, so daß eine Mehrzahl von den mehreren Primärstrahlern zugeordneten Richtdiagrammen, die azimutal benachbart sind und sich auch überlappen können, entsteht.

Durch zyklisch aufeinanderfolgendes Anschließen der einzelnen Primärstrahler an eine Sende/Empfangs-Einrichtung kann mit einer solchen Anordnung ein Richtdiagramm stufenweise über den Azimutsektor geschwenkt werden. Nachteilig daran ist, daß durch den Platzbedarf der Primärstrahler die Schwenkung nur in groben Stufen erfolgen kann, und daß für jede azimutale Diagrammstellung ein gesonderter Primärstrahler erforderlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine andere Antenne der eingangs genannten Art anzugeben, welche mit geringem Aufwand das kontinuierliche Schwenken eines Richtdiagramms über einen vorgegebenen begrenzten Sektor ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Das Rotieren des Primärstrahlers um eine feststehende Achse ist mechanisch einfach zu bewerkstelligen und bewirkt, daß sich der Primärstrahler auf einem Kreis um die Achse bewegt. Die Formgebung und Ausrichtung von Rotationsachse und Primärstrahler in bezug auf diese sind so, daß der Kreis sowohl außerhalb des fokussierenden Elements als auch außerhalb der Antennenapertur liegt. Dadurch läuft der Primärstrahler bei der Rotation um die Achse nie durch den Strahlengang der einfallenden oder abgestrahlten Welle und verursacht keine Verblockung der Antennenapertur. Dies schafft eine günstige Voraussetzung für die noch näher beschriebene Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Primärstrahlern, die gleichzeitig um dieselbe Achse rotierend auf dem Kreisumfang bewegbar sind. Gemäß einem weiteren Merkmal wird die Brennlinie durch eine Strahlumlenkeinrichtung, die zwischen Primärstrahler und fokussierendem Element stationär angeordnet ist, auf ein Bogenstück des Kreisumfangs, auf dem der Primärstrahler umläuft, abgebildet. Die Lage des Richtdiagramms innerhalb des vorgegebenen Sektors ist bei fester Umlenkeinrichtung und gleichem fokussierendem Element bestimmt durch die momentane Stellung des Primärstrahlers innerhalb des Bogenstücks, auf das die Brennlinie abgebildet ist. Durch die bei der Rotation auftretende kontinuierliche und gleichförmige Bewegung des Primärstrahlers entlang des Bogenstücks wird entsprechend das Richtdiagramm kontinuierlich über den begrenzten Sektor geschwenkt. Die Überkopplung der Strahlung zwischen der sich drehenden Zuführung zum Primärstrahler und der im allgemeinen feststehenden Zuführung zur gleichfalls nicht mitrotierenden Sende/Empfangs-Einrichtung ist dem Fachmann geläufig, ebenso mechanische Einrichtungen zum Erzeugen der Rotationsbewegung.

Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung mit mehreren, vorzugsweise in festem gegenseitigem Abstand gleichzeitig auf dem Kreisumfang bewegbaren Primärstrahler. Diese können sowohl getrennten Sende/Empfangs-Einrichtungen mit ggf. verschiedenen Arbeitsfrequenzen oder aber nacheinander auch einer gemeinsamen Sende/Empfangs-Einrichtung zugeführt sein. Insbesondere die letztgenannte Ausführung ist als besonders vorteilhaft anzusehen, da hiermit während der Dauer einer Rotation entsprechend den mehreren Primärstrahlen eine mehrfache Schwenkung des Richtdiagramms über den vorgegebenen Sektor erfolgen kann. Um eine Schwenkung des Diagramms in gleichen Zeitabständen zu erzielen, sind die mehreren Primärstrahler vorzugsweise äquidistant, d. h. mit gleichem Winkelversatz über den Kreisumfang verteilt angeordnet. Eine optimale Wiederholfrequenz der Diagrammschwenkung ergibt sich, wenn das Bogenstück, auf das die Brennlinie abgebildet ist, sich über einen Winkel von 360°/n erstreckt und n die Zahl der gleichmäßig über den Kreisumfang verteilt angeordneten Primärstrahler ist. Eine Schwenkung des Richtdiagramms beginnt, wenn ein Primärstrahler den Anfang des Brennlinien- Bogenstücks erreicht und dabei mit den Sende/Empfangs-Einrichtungen verbunden wird. Während der Bewegung über das Bogenstück bleibt die Verbindung mit den Sende/Empfangs-Einrichtungen bestehen und wird das Diagramm über den Sektor geschwenkt. Die Schwenkung des Diagramms ist beendet, wenn der Primärstrahler das Ende der Brennlinie erreicht hat. Er wird dann von den Sende/Empfangs-Einrichtungen abgekoppelt. Gleichzeitig erreicht der nächste Primärstrahler den Anfang der Brennlinie und wird nunmehr mit den Sende/Empfangs-Einrichtungen gekoppelt. Um Überschneidungen beim An- und Abkoppeln zu vermeiden, kann es günstig sein, den Winkel, über den sich das Brennlinien-Bogenstück erstreckt, geringfügig kleiner zu halten als 360°/n. Das sukzessive Verbinden der einzelnen Primärstrahler mit den Sende/Empfangs-Einrichtungen erfolgt vorteilhafterweise über einen gemeinsamen Hohlleitersektorschalter.

Bei einer Anordnung, bei der die Primärstrahler lösbar mit dem Hohlleitersektorschalter verbunden sind, ist auf einfache Weise der Einsatz der gleichen Sende/Empfangs-Einrichtungen an verschiedenen fokussierenden Elementen möglich, da zur Anpassung an veränderte geometrische Bedingungen im wesentlichen nur die Länge der Zuleitungen zu den Primärstrahlern verändert werden muß.

Unter Bezugnahme auf die Abbildungen ist die Erfindung nachfolgend weiter veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Antenne mit einer Parallelplatten-Schichtlinse

Fig. 2 den Strahlverlauf einer einfallenden ebenen Welle zwischen den strahlbegrenzenden Flächen dieser Anordnung

Fig. 3 eine derartige Anordnung mit Blick in Richtung der Rotations- und Symmetrieachse auf der Seite der Primärstrahler.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Parallelplattenanordnung ist das fokussierende Element gebildet durch eine erste Platte 1 und eine zweite Platte 2, welche eine dielektrische Schicht 9 trägt, deren Dicke mit dem Radius variiert. Die veränderliche Dicke der dielektrischen Schicht bewirkt eine Radiusabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten und damit der Ausbreitungsgeschwindigkeit zwischen den Platten. Die Abhängigkeit der Dicke der dielektrischen Schicht vom Radius ergibt sich nach Maßgabe der gewünschten Fokussiereigenschaften der Anordnung in ganz analoger Weise wie bei der Luneburg-Linse. Die ganze Parallelplattenanordnung ist rotationssymmetrisch. Vorteilhafterweise ist die der erste Platte 1 gegenüberstehende Oberfläche der dielektrischen Schicht 9 eben und die dielektrische Schicht in die zweite Platte 2 eingebettet. Ein Vorteil liegt darin, daß aus fertigungstechnischen Gründen in die metallische Platte einfacher ein Profil einzuarbeiten ist, als eine aufgesetzte dielektrische Schicht nach einem vorgegebenen Profil zu formen. Das Dielektrikum kann in die mit dem Profil versehene Platte in flüssiger Form eingegossen und erforderlichenfalls plan geschliffen werden. Zum anderen ist bei ebener Oberfläche des Dielektrikums 9 und der ersten Platte 1 die Luftschicht zwischen den Platten konstant, d. h. vom Radius unabhängig, wodurch sich die Berechnung der Radiusabhängigkeit der Dicke der dielektrischen Schicht wesentlich vereinfacht. Die Dicke der Luftschicht ist vorteilhafterweise ungefähr gleich oder geringfügig kleiner als die halbe Wellenlänge der Arbeitsfrequenz. Dies verbessert die Modenselektion der Anordnung. Günstig hierfür ist es auch noch, wenn der Radius der beiden Platten 1 und 2 um ein geringes größer ist als die radiale Erstreckung der dielektrischen Schicht 9, und wenn an dem dadurch entstehenden Ring 6, wo sich die metallischen Platten direkt gegenüberstehen, der Plattenabstand ungefähr gleich oder geringfügig kleiner als die halbe Wellenlänge ist. Dadurch werden Schwingungsmoden höherer Ordnung unterdrückt.

Am Rande der Platte sind das äußere Teil 3 und das innere Teil 4 der Umlenkeinrichtung angeordnet, die sich über einen Winkelbereich von beispielsweise 90° unmittelbar an die Parallelplattenanordnung anschließen. Die Wellenführung zwischen dem äußeren Teil 3 und dem inneren Teil 4 bildet die Fortsetzung der Parallelplattenanordnung. Über einen doppelt kompensierten Winkel (siehe auch vergrößerten Ausschnitt 5′) wird die Strahlung aus der Plattenebene senkrecht zu dieser in Richtung des Primärstrahlers 7 umgelenkt. Ein wesentlicher Vorteil der Ausführung der Umlenkeinrichtung mit einem doppelt kompensierten Winkel ist die exakt mögliche Berücksichtigung bei der Linsenberechnung. Alternativ dazu kann die Umlenkeinrichtung aber auch z. B. torusförmig ausgebildet sein, was zur Reduzierung von Reflexionen innerhalb der Umlenkeinrichtung vorteilhaft sein kann (Ausschnitt 5′′). Die Parallelplattenlinse ist so dimensioniert und aufgabaut, daß sie eine (von rechts) einfallende ebene Welle in einen Punkt 12 der Brennlinie für die optimale Einkopplung in den Primärstrahler 7 fokussiert. Der Verlauf der Strahlung ist durch die strichpunktierte Linie 10 angedeutet. Die Umlenkeinrichtung ist zum Primärstrahler 7 hin konisch aufgeweitet zur Führung des Hohlleiters und zur optimalen Überkopplung der Strahlung. Über Flansche 15 sind die Verbindungen zu den Primärstrahlern mit dem Hohlleitersektorschalter lösbar verbunden. Mit hornstrahlerähnlichen Aufweitungen 13 am Linsenrand kann eine zusätzliche Gewinnerhöhung und Diagrammformung senkrecht zur Plattenebene erzielt werden. Durch einen in diese aufgeweiteten Vorsätze 13 eingearbeiteten Kanal 14 verlaufen die nicht mit den Sende/Empfangs-Einrichtungen S/E verbundenen Primärstrahler geschützt auf der Linsenunterseite. Durch Klammern 11 sind die Platten in ihrem gegenseitigen Abstand fixiert.

Fig. 3 zeigt dieselbe Anordnung von unten, wodurch die rotationssymmetrische Ausführung gut zu erkennen ist. Für die Überdeckung des Sektors Φ mit annähernd 60° Breite trägt der Hohlleitersektorschalter 8 sechs Primärstrahler 7, die an der Unterseite der Antennenanordnung kontinuierlich rotieren. Am Rand der Parallelplattenanordnung, von der nur die untere Platte 2 zu sehen ist, ist über einen Bereich von 90° dem zu überdeckenden Sektor gegenüberliegend die Umlenkeinrichtung 3, 4 angeordnet. Auf dem übrigen Umfang ist der Plattenrand mit den hornstrahlerähnlichen Aufweitungen 13, in deren Unterseite der Führungskanal 14 eingefräst ist, versehen.

Bei der Skizze zum Strahlenverlauf in Fig. 2 sind nur die strahlbegrenzenden Flächen der Parallelplattenanordnung und der Umlenkeinrichtung eingezeichnet. Die einfallende ebene Welle, dargestellt durch einen zentralen und zwei periphere Strahlen, wird im inhomogenen Bereich zwischen der Oberfläche I der ersten Platte 1 und der Oberfläche II der zweiten Platte fokussierend umgelenkt. Sie tritt dann über in die Fortsetzung des Parallelplattenverlaufs der Umlenkeinrichtung und wird an dem Umlenkwinkel V senkrecht zur Plattenebene abgelenkt in die Führung zwischen den Flächen III und IV. Die Strahlen vereinigen sich im Bereich der Umlenkeinrichtung in einem Punkt der Brennlinie. Die Wellenführung durch die Umlenkeinrichtung hat keine fokussierenden Einfluß mehr.

Mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich eine besonders kompakte Anordnung mit der Möglichkeit einer einfachen mechanischen Strahlschwenkung.

Claims (8)

1. Antenne zur Überdeckung eines vorgebbaren Sektors durch Schwenken eines Richtdiagramms über diesen Sektor, bestehend aus

• - einem stationären fokussierenden Element, das eine aus einer Richtung des Sektors einfallende ebene Welle in einem Brennpunkt einer kreisbogenförmigen Brennlinie, welche dem Sektor zugeordnet ist, fokussiert,
• - einem als Holleiterstrahler ausgebildeten Primärstrahler, der außerhalb des fokussierenden Elements und der Antennenapertur durch Rotation um eine feststehende Achse, welche mit derjenigen des fokussierenden Elements identisch ist, auf einem Kreisumfang bewegbar ist, und
• - einer stationären bogenförmigen Strahlumlenkeinrichtung, welche zwischen dem Primärstrahler und dem Außenrand des fokussierenden Elements angeordnet ist und welche die Brennlinie auf einem Bogen des Kreisumfangs abbildet,

dadurch gekennzeichnet, daß das fokussierende Element als rotationssymmetrische Parallelplattenanordnung ausgebildet ist, bestehend aus
einer dem Primärstrahler (7) abgewandten ersten Platte (1) mit einer ebenen Oberfläche, welche dem Primärstrahler (7) zugewandt ist,
einer dem Primärstrahler (7) zugewandten zweiten Platte (2) mit einer von dem Primärstrahler (7) abgewandten Oberfläche, die eine radiusabhängige Vertiefung, in der eine dielektrische Schicht (9) mit ebener Oberfläche vorhanden ist, besitzt,
einem an die dielektrische Schicht (9) angrenzenden metallischen Ring (6), der mit der dielektrischen Schicht (9) eine ebene Oberfläche bildet, und
einer zwischen der ersten Platte (1) und der zweiten Platte (2) vorhandenen Luftschicht, deren vom Radius unabhängige Dicke etwa der halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz entspricht.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Primärstrahler (7) äquidistant auf dem Kreisumfang angeordnet und auf diesem gleichzeitig bewegbar sind.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand zweier benachbarter Primärstrahler (7) ungefähr gleich dem zu dem Sektor gehörenden Bogen des Kreisumfangs ist.

4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Primärstrahler (7) über einen gemeinsamen Hohlleitersektorschalter (8) mit einer Sende/Empfangseinrichtung (S/E) verbunden sind.

5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte (1) und die zweite Platte (2) im Bereich der Abstrahlrichtung als hornstrahlerähnliche Aufweitung (13) ausgebildet sind.

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlumlenkeinrichtung (3, 4) einen doppelt kompensierten Winkel (5′) enthält, welcher Strahlung (10) aus der Linsenebene senkrecht zu dieser umlenkt.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlumlenkeinrichtung (3, 4) torusförmig (5′′) ausgebildet ist und Strahlung aus der Linsenebene senkrecht zu dieser umlenkt.