DE3627596A1 - Kreisgruppen-antennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreisgruppen-Antennenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für elektronisch geschwenkte Antennen mit Rundum-Bedeckung werden vorteilhaft kreisförmige Antennengruppen einge­ setzt.

Für Antennen mit großer Bandbreite (z. B. mehrere Oktaven) werden Log.-Periodische Strahler als Elemente der Kreis­ gruppe eingesetzt. Die Anwendung von elektrisch kürzeren Strahler-Elementen scheiterte bisher an der Notwendigkeit, den Abstand der Elemente so klein zu wählen, daß bis zur höchsten verwendeten Frequenz keine Strahlungskeulen zweiter Ordnung ("Grating-Lobes") erzeugt werden. Diese Bedingung führt zu einer relativ großen notwendigen Ele­ mente-Zahl, was unter Kosten- und Gewichts-Gesichtspunkten ungünstig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Kreis­ gruppen-Antennenanordnung anzugeben, welche eine Aufwands­ verringerung ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Antennenanordnung kommt mit der minimalen Zahl von Elementen aus, indem nur im unteren Randbereich des breiten Betriebsfrequenzbereichs der Antennenanordnung der gegenseitige Abstand der Einzel­ antennen kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge ist. Bei höheren Frequenzen werden die durch den eine halbe Wellenlänge überschreitenden Abstand der Einzelantennen entstehenden Strahlungskeulen 2. Ordnung (grating lobes) durch die frequenzabhängigen Richtdiagramme der Einzel­ antennen unterdrückt.

Vorteilhafterweise wird die Anzahl der mit der Empfangs­ einrichtung z. B. über ein Strahlformungs-Netzwerk verbun­ denen Einzelantennen frequenzabhängig variiert. Wenn bei höheren Frequenzen weniger Einzelantennen zu einer Gruppe zusammengefaßt werden als bei tieferen Frequenzen, so läßt sich die Breite des resultierenden Richtdiagramms der Antennengruppe im gesamten Betriebsfrequenzbereich an­ nähernd konstant halten.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht.

Den Aufbau der Kreisgruppen-Antenne skizziert Fig. 1. Die Strahlerelemente sind auf dem Umfang eines Kreises ange­ ordnet. Sie werden über ein Strahlformungs-Netzwerk in üblicher Weise gespeist. Das Strahlformungs-Netzwerk sei elektronisch abstimmbar, so daß die Strahlung der Antenne in beliebige azimutale Richtungen gesteuert werden kann.

Der Abstand der Strahlerelemente auf dem Kreisumfang sei bei der untersten Betriebsfrequenz (f unten) etwa eine halbe Wellenlänge; damit weist die Gruppencharakteristik der Strahlung im Fernfeld eine eindeutige Hauptkeule mit kleineren Nebenzipfeln auf, siehe Fig. 2. Die Strahler­ elemente seien bei dieser Frequenz ebenfalls elektrisch klein, z. B. in der Größe von Halbwellenstrahlern, was zu einem breiten Elementdiagramm führt. Das Produkt beider Charakteristiken ist das Antennen-Diagramm der Kreis­ gruppen-Antenne und weist ebenfalls eine normale Haupt­ keule und kleinere Nebenzipfel auf.

Bei Betrieb der Antenne weit oberhalb (f oben) der unter­ sten Betriebsfrequenz treten in der Gruppencharakteristik Strahlungskeulen zweiter Ordnung auf, da der elektrische Abstand der Strahlerelemente auf dem Kreisumfang λ/₂ weit übersteigt, Fig. 3. Zur Unterdrückung dieser unerwünschten Strahlungskeulen wird das einzelne Strahlerelement so angelegt, daß das Element-Strahlungsdiagramm mit stei­ gender Frequenz enger wird (ansteigende Bündelung in der Kreis-Ebene). In dem in Fig. 3 skizzierten Fall fällt das Einzelelement-Diagramm bis zum ersten "Grating Lobe" auf Werte ab, die etwa dem Nebenzipfelpegel des Gruppen­ diagramms entsprechen. Das aus dem Produkt der Diagramme resultierende Strahlungsdiagramm der Antenne weist deshalb an den Stellen der "Grating Lobes" keine höheren Werte auf als die der üblichen (belegungs-abhängigen) Nebenzipfel.

Breitbandige Anordnungen zur Unterdrückung von Grating Lobes in Gruppenantennen sind bisher nur für ebene Gruppen bekannt. Zum Beispiel werden in Richtantennen im VHF/UHF-Bereich Yagi-Antennen mit erheblichem Gewinn als Elemente der Gruppen benutzt und dabei in Abständen aufgestellt, die weit über einer Wellenlänge liegen, d. h. in einem Bereich, in dem Grating Lobes auftreten. Durch die erhebliche Bündelung der Einzelelemente werden die Grating Lobes weitgehend unterdrückt. In solchen ebenen Gruppen kann allerdings keine elektronische Strahlschwenkung über die engen Grenzen der Einzelelement-Strahlungskeulen durchge­ führt werden; mit steigender Frequenz wird der mögliche Schwenkbereich enger, da die Einzelelement-Bündelung steigt.

In der vorgeschlagenen Antennenform wird die Richt­ charakteristik der Antenne dadurch geschwenkt, daß nur diejenigen Antennenelemente auf dem Umfang der Kreisanordnung durch die Steuereinheit an den Antennen-Eingang der Empfangseinrichtung ange­ schlossen werden, z. B. über ein Richtstrahl-Netzwerk, die in die gewünschte Richtung oder in deren Nähe zeigen. Dabei werden bei tiefen Frequenzen viele Elemente (z. B. alle Elemente auf einem Halbkreis) benutzt, während bei hohen Frequenzen nur wenige (im Grenzfall gar nur das eine Element, das in die gewünschte Richtung zeigt) Elemente ausgenutzt werden. Mit dieser Form der Steuerung wird erreicht, daß die Keulenbreite des Antennendiagramms in der Ebene der Kreisgruppen (γ-Ebene) konstant über der Frequenz wird.

Zur Realisierung des Antennenkonzepts werden Einzelstrah­ ler benötigt, die bei tiefen Frequenzen (unteres Bandende) relativ geringe Bündelung in der γ-Ebene (Azimut) aufwei­ sen und bei steigender Frequenz abnehmende Halbwertsweiten in der γ-Ebene zeigen. In der zur γ-Ebene senkrechten Ebene wird gewöhnlich verlangt, daß die Elementbündelung frequenzunabhängig bleibt.

Solche Strahler sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Bevorzugte Ausführungen solcher Strahler zeigen die Fig. 4, 5 und 6. Fig. 4 zeigt einen Hornstrahler mit Exponential-Trichter für frequenzunabhängige Bündelung in der Elevation und mit einem Parallelverteilungs-Netz­ werk zur Speisung des Hohlleiter-Strahlers. Die Speisung über eine Anzahl von Koppelsonden ist notwendig, da bei höheren Frequenzen die Breite w des Strahlers größer als eine Wellenlänge ist und daher durch ungeeignete Einkopp­ lung höhere Wellentypen angeregt werden könnten.

In Fig. 5 wird eine Reflektorantenne gezeigt mit einem Primärstrahler, dessen Keulenweite in der Elevation mit der Frequenz abnimmt (a groß) und im Azimut praktisch konstant ist (b «λ, schmaler Schlitz). Bei zunehmender Bündelung der Erreger-Strahlung mit der Frequenz wird der Reflektor schwächer ausgeleuchtet und die resultierende Bündelung der Reflektorantenne bleibt in der Elevation praktisch konstant. Da die Reflektorfläche in der Azimut- Ebene durch den Primärstrahler praktisch frequenzunab­ hängig stark ausgeleuchtet wird, steigt die Bündelung der Reflektorantenne mit der Frequenz.

Die zu Fig. 5 gehörige "duale" Antennenform zeigt Fig. 6, wo ein Primärstrahler wie in Fig. 5 eine Linse speist.

Claims (4)

1. Kreisgruppen-Antennenanordnung mit einer Mehrzahl gleichmäßig auf den Umfang eines Kreises verteilter Ein­ zelantennen, bei welcher zur Erzeugung und Schwenkung eines Richtdiagramms mittels Zwischenschaltung eines Strahlformungs-Netzwerkes ein Teil der Antennen mit einer Empfangseinrichtung verbunden wird, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

• a) die Einzelantennen sind breitbandig und weisen fre­ quenzabhängige Richtdiagramme auf, deren Halbwerts­ breite mit zunehmender Frequenz abnimmt,
  b) der gegenseitige Abstand der Einzelantennen ist im oberen Frequenzbereich des Betriebsfrequenzbereichs der Antennenanordnung größer als eine halbe Wellen­ länge,
  c) die Frequenzabhängigkeit der Halbwertsbreite der Richtdiagramme der Einzelantennen und der gegen­ seitige Abstand der Einzelantennen sind so aufeinan­ der abgestimmt, daß die durch den Antennenabstand und die Frequenz festgelegten Strahlungskeulen 2. Ordnung außerhalb der Halbwertsbreite der Richtdiagramme der Einzelantennen liegen.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der mit der Empfangseinrichtung verbundenen Einzelantennen bei höherer Frequenz geringer ist als bei niedriger Frequenz.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Einzelantennen Hornstrahler mit Exponentialtrichter eingesetzt sind.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Einzelantennen Reflektorantennen eingesetzt sind, deren Reflektor azimutal annähernd frequenzunabhängig ausgeleuchtet ist.