DE3328115A1

DE3328115A1 - Antennenanordnung zur erzielung isotropen rundstrahlverhaltens

Info

Publication number: DE3328115A1
Application number: DE19833328115
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing.(grad.) 8025 Unterhaching Tymann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-08-04
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1985-02-21
Also published as: EP0135742A1; DE3328115C2; EP0135742B1

Description

Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens. Ein Bedarf zum Einsatz derartiger Antennenanordnungen besteht beispielsweise bei Flugkörpern oder auch bei Raumflugkörpern bzw. Satelliten, etwa zu Telemetrie- und Lenkkommandoübertragungszwecken. Dabei wird vor allem verlangt, daß eine möglichst isotrope Rundstrahlcharakteristik erzielbar ist und über einen weiten Raumwinkelbereich keine Einbrüche im Strahlungsdiagramm auftreten. Weiterhin soll die Antennenanordnung flexibel hinsichtlich der Verarbeitung verschiedener Polarisationsarten und insbesondere für zirkulär polarisierte Strahlung auslegbar sein. Bei der Verwendung für Flugkörper oder Satelliten ergibt sich als besondere Forderung, daß die Antennenanordnung möglichst wenig Raum beanspruchen und eine hohe mechanische Stabilität bei geringem Gewicht besitzen soll.

Infolgedessen liegt der Erfindung in erster Linie die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der so weitgehend wie möglich ein isotropes Rundstrahlverhalten erzielbar ist. Weitere Anforderungen sind, je nach dem speziellen Anwendungszweck, den obigen Ausführungen zu entnehmen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Antennenanordnung folgende konstruktive Merkmale aufweist:

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Einen Trägerkörper, der mindestens an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist und bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung achssymmetrischen Querschnitt aufweist, sowie mehrere, am Umfang des Trägerkörpers in gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordnete, mit Phasenverschiebung gespeiste Strahlerelemente, die jeweils einen an einer Seite mit dem Trägerkörper elektrisch leitend verbundenen und mit Abstand zu dessen Oberfläche geführten, geraden, vorzugsweise zur Oberfläche parallelen, oder gebogenen Antennenstab aufweisen, wobei die Strahlerelemente so am Trägerkörper angebracht sind, daß ihre durch die Längserstreckung der Antennenstäbe sowie deren Verbindungsstellen mit dem Trägerkörper gegebenen Symmetrieebenen in bezug auf die VorwärtsStrahlrichtung geneigt sind.

Hier wird demnach verlangt, daß am Umfang eines bezüglich einer gegebenen VorwärtsStrahlrichtung achssymmetrischen Trägerkörpers in regelmäßigen Winkelabständen gleichartige Strahlerelemente angebracht werden. Diese Strahlerelemente sollen nach dem an sich bekannten Prinzip der Transmission-Line- oder Scimitar-Antennen aufgebaut sein. Deren Antennenstäbe können entweder jeweils auf einer separaten, auf dem Trägerkörper leitend befestigten Basisplatte oder direkt auf dem Trägerkörper angebracht sein. Basisplatte bzw. Trägerkörper werden in diesem Zusammenhang im folgenden auch als Antennenbasis bezeichnet. Die Speisung eines derartigen Strahlerelements erfolgt gewöhnlich über ein Koaxial kabel, dessen Außenleiter mit der Antennenbasis und dessen Innenleiter nach isolierter Durchführung durch letztere mit dem Antennenstab leitend verbunden ist. Die Lage des Fußpunktes des Inneuleiters cuf JL Art. : · -tab ~. ._t debei in erster Linie von der Betriebswellenlänge und dem Abstand von der Antennenbasis ab. Das Strahlungsverhalten eines derartigen Strahlerelements ist durch zwei orthogonal zueinander polarisierte Wellen bestimmt. Die primäre Welle

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wird dabei im wesentlichen durch den den Spalt zwischen Antennenbasis und Antennenstab durchquerenden Innenleiter erregt, wobei sich eine parallel zum Innenleiter polarisierte Rundstrahlung ergibt, ähnlich der Strahlung eines Monopols. Die sekundäre Welle wird durch den Antennenstab erregt und ist parallel zu diesem polarisiert. Das gesamte räumliche Strahlungsdiagramm eines derartigen Strahlerelementes ergibt sich aus der überlagerung dieser beiden Wellen, die in Abhängigkeit von der Abstrahlrichtung zum Auftreten von linearer bis zirkularer Polarisation beider Drehrichtungen führt.

Es hat sich nun gezeigt, daß ein isotropes Rundstrahlverhalten in sehr guter Annäherung dadurch erzielbar ist, daß am Umfang eines, wie oben erwähnt, symmetrischen Trägerkörpers in regelmäßigen Abständen derartige Strahlerelemente so angeordnet werden, daß deren Antennenstäbe in bezug auf die eine Symmetrieachse des Trägerkörpers darstellende Vorwärtsstrahlrichtung bzw. deren Parallelen geneigt sind. Weiterhin ist zu beachten, daß die einzelnen Strahlerelemente mit einer Phasenverschiebung zu speisen sind, die sich durch Division des Vollwinkels von 360° durch die Anzahl der am Umfang insgesamt angeordneten Strahlerelemente ergibt. Insgesamt addieren sich diese bei einem Umlauf gleichgerichteten Phasenverschiebungen demnach zu 360°. Die Strahlerelemente sollen sämtlich im wesentlichen die gleichen geometrischen Abmessungen besitzen, und ihre Antennenstäbe sollen gegenüber der Vorwärtsstrahlrichtung sämtlich um den gleichen Winkelbetrag geneigt sein. Die Neigung wird dabei bevorzugt jeweils in einer Ebene erfolgen, die parallel zur Vorwärtsstrahlrichtung orientiert ist und deren Flächennormale die in Vorwärtsstrahlrichtung weisende Symmetrieachse des Trägerkörpers schneidet.

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Aus der gewünschten Polarisation, d.h. links oder rechts zirkulär, der Antennenanordnung folgt, mit welchem Drehsinn die Strahlerelemente zu speisen sind. Um eine Optimierung der Rundstrahleigenschaften zu erhalten, sind die Antennenstäbe der Strahlerelemente, in Vorwärtsstrahlrichtung gesehen, mit ihren freien Enden nach der Seite geneigt, die dem Drehsinn der Polarisation und damit des Drehfeldes entspricht. Werden die Antennenstäbe bei Polarisationswechsel und damit verbundenem Wechsel des Drehfeldes der Speisung in der vorherigen Stellung belassen, so ergibt sich eine Verminderung der Isotropie im rückwärtigen Bereich.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung hinter den Strahlerelementen und in achssymmetrischer Ausrichtung dazu einen kegelstumpfförmigen Reflektor mit in Vorwärtsstrahlrichtung sich verjüngendem Querschnitt oder einen ebenen Reflektor anzuordnen. Durch einen derartigen metallischen Reflektor wird erreicht, daß die sonst vor allem in den rückwärtigen Raum gerichtete, kreuzpolarisierte Störstrahlung zum großen Teil durch Reflexion an der Reflektorfläche und gleichzeitige Phasenumkehr in Nutzstrahlung der gewünschten Polarisation umgewandelt wird. Dieser Effekt kann durch richtige Positionierung und Dimensionierung des Reflektors optimiert werden. Damit verbunden ist eine erhebliche Verminderung der an der Satellitenstruktur ungeordnet reflektierten Störstrahlungsanteils. Darüber hinaus kann zusätzlich hinter diesem ersten Reflektor mit Abstand zu diesem und über dessen Rand hinausragend, ein weiterer, eber^ r Reflektor .ngeordr it sein. Dieser F«fleV-or verstärkt den obigen Effekt, indem er eine Beugung der Störstrahlung um den Rand des ersten Reflektors herum weitgehend reduziert und somit zusätzlich zur Unterdrückung der kreuzpolarisierten Strahlung in den rückwärtigen Raumbereich beiträgt, die bei einer Reflexion beispielsweise am Satelliten-

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körper den Drehsinn der Polarisierung umkehren und somit mit der Nutzstrahlung unkontrolliert interferieren würde.

Eine weitere Abstimmung des Strahlungsdiagramms kann dadurch ermöglicht werden, daß der Trägerkörper über die Strahlerelemente in VorwärtsStrahlrichtung hinausragt. Dies geschieht vorzugsweise um einen Betrag von einem Viertel bis der Hälfte der Betriebswellenlänge. Hierdurch wird vor allem die Isotropie der Strahlung verbessert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung ist dadurch gegeben, daß der Trägerkörper einen gleichbleibend quadratischen Querschnitt aufweist und an jeder seiner vier Seitenflächen ein Strahlerelement trägt. Dabei sind die jeweiligen Antennenstäbe mit ihren freien Enden in zur jeweiligen Seitenfläche parallelen Ebenen um einen vorgebbaren Winkel gegenüber der Vorwärtsstrahlrichtung geneigt. Die vier Strahlerelemente werden mit jeweils 90° Phasendifferenz zueinander gespeist.

Zum Zwecke der phasenverschobenen Speisung der Strahlerelemente wird zweckmäßig ein Hybridnetzwerk verwendet, welches auf der Rückseite des weiteren ebenen Reflektors integriert sein kann. Die Verschaltung kann dabei derart gestaltet sein, daß das Hybridnetzwerk ausgangsseitig über HF-Leitungen mit den einzelnen Strahlerelementen verbunden ist. Dazu wird der Trägerkörper als Hohlkörper ausgebildet, so daß die HF-Leitungen, beispielsweise Koaxialkabel, in seinem Inneren verlaufen und durch seine Seitenwände hindurch mit den Strahlerelementen verbunden werden können.

Die Antennenanordnung soll flexibel hinsichtlich der beiden möglichen Drehrichtungen der zirkulären Polarisation sein. Daher wird das Hybridnetzwerk zweckmäßig eingangsseitig mit je einem Eingang für links- und rechtsdrehende Polarisation bzw. Phasenansteuerung ausgestattet. Beim Wechsel

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der Polarisationsdrehrichtung ist es zweckmäßig, die Strahlerelemente selbst, bezogen auf deren Antennenstäbe, ebenfalls in die andere Drehrichtung zu neigen.

Schließlich besteht bei einem Hybridnetzwerk mit zwei Eingangen noch die Möglichkeit, auch eine simultane Einspeisung einer links- und rechtsdrehenden Welle vorzunehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine Antennenanordnung gemäß der Erfindung mit einem Trägerkörper quadratischen Querschnitts und vier Strahlerelementen in Seitenansicht;

Fig.2 ein durch die Antennenanordnung der Fig.1 erzielbares Strahlungsdiagramm.

15In Fig.1 ist in schematischer Weise in Seitenansicht eine Antennenanordnung dargestellt, die im wesentlichen aus einem Trägerkörper 1, vier Strahlerelementen 2, einem kegelstumpfförmigen, ersten Reflektor 12 sowie einem ebenen Reflektor 13 besteht. Der Trägerkörper hat in seinem oberen, die Strahlerelemente 2 tragenden Teil einen quadratischen Querschnitt, geht in einem anschließenden Teil 10 auf einen kreisförmigen Querschnitt über, den er in seinem unteren Teil 14 beibehält. Der Trägerkörper 1, 10, 14 ist über seine ganze Länge als Hohlkörper ausgebildet und aus Metall, etwa Aluminium, gefertigt. Er besitzt eine Symmetrieachse 5, die in die Vorwärtsstrahlrichtung 15 der Antennenanordnung orientiert ist.

Die Strahlerelemente 2 sind hier vom Typ der sogenannten Transmission-Line-Antennen und bestehen im wesentlichen aus je einer metallischen Basisplatte 3 und einem ebenfalls

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metallischen Antennenstab 4, der über nahezu seine gesamte Länge in einem gewissen Abstand parallel zur Basisplatte geführt und mit dieser leitend verbunden ist. Das Strahlerelement 2 ist als Gußstück ausgeführt, so daß der Antennenstab 4 über die Basisplatte 3 elektrisch leitenden Kontakt zum Trägerkörper hat. Die Speisung der Strahlerelemente 2 erfolgt jeweils über ein eigenes Koaxialkabel 6. Dies ist durch einen Teilschnitt am Strahlerelement 2a näher dargestellt. Demnach wird das Koaxialkabel 6 zunächst, aus dem Inneren des hohlen Trägerkörpers 1 kommend, durch eine entsprechende öffnung in dessen Wand hindurchgeführt. Der Außenleiter 9 wird dann mit der Basisplatte 3 in elektrischen Kontakt gebracht. Der Innenleiter 7 mit der ihn umgebenden Isolierung 8 ist dann durch eine dafür vorgesehene Öffnung in der Basisplatte 3 hindurchgeführt. Der Innenleiter 7 ist zweckmäßig unter Schaffung eines guten elektrischen Kontaktes in eine Bohrung des Antennenstabes 4 eingesenkt. Der Anschluß des Koaxialkabels 6 an die Strahlerelemente 2 kann auch mittels HF-Steckverbindungen erfolgen. Anstelle von Koaxialkabeln können auch andere HF-Leitungen verwendet werden.

Die Koaxialkabel der vier Strahlerelemente sind an die entsprechenden Ausgänge eines Hybridnetzwerkes 16 angeschlossen, welches an der Unterseite der Reflektorplatte 13 angebracht sein kann. Die Speisung erfolgt mit jeweils 90° Phasenverschiebung zwischen benachbarten Strahlerelementen mit einem bezüglich der VorwärtsStrahlrichtung rechtsdrehenden Drehfeld. Die bevorzugte Polarisationsrichtung ist damit zirkulär rechtsdrehend.

In Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge ist die Antennenanordnung so dimensioniert, daß die Seitenlänge c des quadratischen Querschnitts sowie die Länge d des über die Strahlerelemente 2 hinausragenden Teils des Trägerkörpers 1 je ca. Λ/4 bis \/2, die Gesamtlänge t der

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Antennenanordnung ca. 1,5A und der Durchmesser D der Reflektorplatte 13 ca.Λ beträgt. Für die Erzielung eines optimalen Strahlungsdiagramms sollte der Winkel CK , um den die Antennenstäbe 4 bzw. die durch deren Längserstreckung und deren Verbindungsstelle 17 zum Trägerkörper gegebenen Symmetrieebenen 18 der Strahlerelemente 2 gegenüber der durch die Vorwartsstrahlrichtung 15 gegebenen Richtung geneigt sind, .bis zu45° betragen, vorzugsweise zwischen 18° und 36°. Ein günstiger Bereich für den halben öffnungswinkel ß>/2 des kegelstumpfförmigen Reflektors 12 ist β /2

Fig.2 zeigt ein bei einer Betriebsfrequenz von 2,1 GHz mit der Antennenanordnung der Fig.1 aufgenommenes Strahlungsdiagramm. Dargestellt ist eine zur Zeichenebene der Fig.1 parallele, durch die Symmetrieachse 5 verlaufende Ebene, wobei die Richtung der Symmetrieachse 5 gleichzeitig mit der Vorwartsstrahlrichtung identisch ist (Θ = 0°). Die ausgezogene Kurve R gibt in Abhängigkeit vom Ablagewinkel θ die relative Strahlungsleistung in dB der im vorliegenden Falle gewünschten, rechtszirkulär polarisierten Strahlung wieder.

Claims

Patentansprüche

1. Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens, gekennzeichnet durch einen Trägerkörper (1), der mindestens an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist und bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung (15) achssymmetrischen Querschnitt aufweist, sowie mehrere, am Umfang des Trägerkörpers (1) in gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordnete, mit Phasenverschiebung gespeiste Strahlerelemente (2), die jeweils einen an einer Seite mit dem Trägerkörper (1) elektrisch leitend verbundenen und mit Abstand zu dessen Oberfläche geführten, geraden, vorzugsweise zur Oberfläche parallelen, oder gebogenen Antennenstab (4) aufweisen, wobei die Strahlerelemente (2) so am Trägerkörper (1) angebracht sind, daß ihre durch die Längserstreckung der Antennenstäbe (4) sowie deren Verbindungsstellen mit dem Trägerkörper (1) gegebenen Symmetrieebenen in besug auf die Vorwärtsstrahlrichtung (15) gene'.jt sind.

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2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung (15) hinter den Strahlerelementen (2) und in achssymmetrischer Ausrichtung dazu ein kegelstumpfförmiger Reflektor (12) mit in Vorwärtsstrahlrichtung (15) sich verjüngendem Querschnitt angeordnet ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung (15) hinter den Strahlerelementen (2) und senkrecht zur Symmetrieachse (5) des Trägerkörpers (1) ein ebener Reflektor angeordnet ist.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung (15) hinter dem kegelstumpfförmigen (12) bzw. ebenen Reflektor mit Abstand zu diesem und über dessen Rand hinausragend, ein weiterer ebener Reflektor

(13) angeordnet ist.

5. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Trägerkörper (1) über die Strahlerelemente (2) in Vorwärtsstrahlrichtung (15) hinausragt.

6. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Trägerkörper (1) einen quadratischen Querschnitt aufweist und an jeder seiner vier Seitenflächen ein Strahlerelement (2) trägt, dessen Antennenstab (4) mit seinem freien Ende in einer zur jeweiligen Seitenfläche parallelen Ebene um einen vorgebbaren Winkel ( o< ) gegenüber der Vorwärtsstrahlrichtung (15) geneigt ist.

ο Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die vier Strahlerelemente (2) mit jeweils 90° Phasendifferenz zueinander gespeist sind.

Β» Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur phasenverschobenen Speisung der Strahlerelemente (2) ein Hybridnetzwerk, vorzugsweise in Streifenleitertechnik, verwendet wird.

ο Antennenanordnung nach den Ansprüchen 8 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Hybridnetzwerk mit dem weiteren ebenen Reflektor (13) integriert ist.

10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Hybridnetzwerk eingangsseitig jeweils einen Eingang für links- und rechtsdrehende Polarisation aufweist.