DE4035793A1

DE4035793A1 - Dielectric array aerial for satellites, aircraft etc. - has dielectric radiators for reducing element number to min

Info

Publication number: DE4035793A1
Application number: DE19904035793
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Ing Bartels; Wolfgang Dr Ing Holpp
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1990-11-10
Filing date: 1990-11-10
Publication date: 1992-05-14

Abstract

The dielectric array serial has a very reduced number of elements, due to the user of dielectric radiators. The outlet apertures are pref. surrounded by the dielectric radiators, which almost abut an absorption material. The waveguides are made of metal or metallised plastics. The dielectric radiators are spherical and/or bar-shaped and/or conical. The used metal may be brass or brass-gold alloy. The spherical radiator may be axially arranged and surround the outlet aperture in a coupling manner. The aperture(s) may be quadratic of cylindrical in cross section with central rectangular or round channels. USE/ADVANTAGE - Satellites, aircraft, cars, and transceiver stations, with a facility for realising preset aerial diagrams with min. number of elements.

Description

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Array-Antenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a dielectric array antenna according to the preamble of claim 1.

Die Erfindung der genannten Art wird u. a. in Satelliten, Flugzeugen, Kraftfahrzeugen und Sende/Empfangsstationen eingesetzt und kommt daher z. B. im Bereich der Übertra gungstechnik zur Anwendung.The invention of the type mentioned u. a. in satellites, Airplanes, motor vehicles and transmitting / receiving stations used and therefore comes z. B. in the field of transfer application technology.

Je größer der Elementabstand bei Array-Antennen im Ver hältnis zur Betriebswellenlänge ist, desto mehr Nebenkeu len, auch grating-lobes genannt, tauchen im abgestrahlten Diagramm auf, und desto größer liegen die ersten grating lobes winkelmäßig an der genutzten Hauptkeule. Die Haupt keule ist hierbei direkt von den äußeren Abmessungen der Antennengruppe abhängig. Will man also in einem Antennen diagramm die grating-lobes wirksam unterdrücken, so müssen Elementdiagramme realisiert werden, die im Bereich der er sten grating-lobes bereits eine stark verringerte Ampli tude besitzen, d. h. die Elementdiagramme müssen relativ scharf bündeln. Da die Elemente jedoch benachbart sind, dürfen gleichzeitig ihre Querabmessungen nur gering sein. Somit führt die gewünschte minimierte Einzelelementeanzahl im Array auf die Forderung nach scharf bündelnden Einzel elementen mit geringen Querabmessungen. Die Forderung wird von konventionellen Elementarstrahlern wie Horn, Schlitz, Dipol etc. nicht erfüllt.The larger the element spacing for array antennas in the ver is the ratio to the operating wavelength, the more side chis len, also called grating lobes, dive in the radiated Diagram, and the larger the first grating lobes angularly on the main club used. The main club is directly from the external dimensions of the Antenna group dependent. So you want in an antenna diagram effectively suppressing grating praise, so must Element diagrams can be realized in the area of he most grating-lobes already a greatly reduced ampli own tude, d. H. the element diagrams must be relative bundle sharply. However, since the elements are adjacent, At the same time, their transverse dimensions may only be small. The desired minimized number of individual elements thus leads in the array on the demand for sharply focused individual elements with small transverse dimensions. The demand will conventional elementary radiators such as horn, slit, Dipole etc. not met.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, mit minimierter Einzelelementenanzahl im Array besonders kleine Antennengruppen auszubilden, mittels derer vordefi nierte Antennendiagramme realisiert sind. Hierbei sollen die einzelnen Elemente gegenseitig entkoppelt sein. Des weiteren soll die oben genannte Forderung in vollem Umfang erfüllt werden.The invention has for its object an arrangement of the type mentioned at the beginning, which makes it possible with a minimized number of individual elements in the array to train small antenna groups by means of which predefi antenna diagrams are realized. Here should the individual elements are mutually decoupled. Des further, the above-mentioned claim is intended in full be fulfilled.

Die erfindungsgemäße Anordnung sowie ihre entsprechenden Weiterbildungen sollen dabei zusätzlich leicht herstell bar, preiswert, materialsparend, platzsparend und Einzel elemente sparend ausfallen.The arrangement according to the invention and its corresponding Further training should also be easy to manufacture bar, inexpensive, material-saving, space-saving and single failing elements.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in dem Pa tentanspruch 1 beschrieben. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte An wendungen der Erfindung aufgeführt.The achievement of the object is in Pa Claim 1 described. In the subclaims are advantageous training and further education and preferred to uses of the invention listed.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 and 2. Show it

Fig. 1 das Schnittbild durch das erfindungsgemäße Ver zweigungsnetzwerk in Längsrichtung; Figure 1 shows the sectional view through the Ver branching network according to the invention in the longitudinal direction.

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Antenne. Fig. 2 is a perspective view of the antenna according to the invention.

Die erfindungsgemäße Antenne ist in Fig. 1 und 2 als Ar ray-Antenne mit verringerter minimierter Elementeanzahl durch Verwendung dielektrischer Strahler (33) dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind kugelförmige dielektri sche Strahler 33 und das zugehörige Verzweigungsnetz dar gestellt. Die Realisierung des Speisenetzwerkes ist in Hohlleitertechnik ausgeführt, aber auch andere Techniken sind möglich.The antenna according to the invention is shown in FIGS. 1 and 2 as an Ar ray antenna with a reduced, minimized number of elements by using dielectric radiators ( 33 ). In this embodiment, spherical dielectric radiators 33 and the associated branch network are shown. The implementation of the feed network is carried out using waveguide technology, but other techniques are also possible.

Als Hohlleitermaterial ist ein Metall verwendet wie z. B. Messing, Messing/Goldlegierung usw. oder ein Kunststoff, bei dem die Hohlleiterwandungen metallisiert sind.A metal is used as the waveguide material, e.g. B. Brass, brass / gold alloy etc. or a plastic, in which the waveguide walls are metallized.

Im weiteren sei exemplarisch der Fall betrachtet, daß aus zwei symmetrischen Metallblöcken 10 und 11 symmetrische Strukturen - diese werden im weiteren unten beschrieben - herausgearbeitet sind. Diese Metallblöcke werden an schließend miteinander verbunden, z. B. durch Nieten, Schrauben o. ä.Let us consider as an example the case in which symmetrical structures - these are described below - are worked out from two symmetrical metal blocks 10 and 11 . These metal blocks are then connected together, for. B. by rivets, screws or the like.

Alternativ dazu brauchen nur aus einem Metallblock die un ten beschriebenen Strukturen herausgearbeitet sein. Der andere Metallblock kann dann als Deckel bzw. Deckplatte für einen Metallblock ausgebildet sein.Alternatively, just use the un from a metal block structures described must be worked out. The other metal block can then be used as a cover or cover plate be formed for a metal block.

Die Array-Antenne, im weiteren Antenne genannt, weist in ihrem zusammengebauten Zustand an ihrer Oberfläche kugel förmige Strahler 33 auf. Diese kugelförmigen Strahler 33 sind z. B. axial angeordnet und umschließen, umgeben oder sind andersartig an die Austrittsöffnungen 32 (nach Fig. 1) angekoppelt.The array antenna, hereinafter called antenna, has spherical radiators 33 on its surface in its assembled state. These spherical emitters 33 are, for. B. axially arranged and enclose, surrounded or otherwise coupled to the outlet openings 32 (according to FIG. 1).

Die kugelförmigen Strahler 33 können alternativ durch di elektrische Stielstrahler in zylindrischer oder konischer Form ersetzt sein. Die Austrittsöffnungen 32 nach Fig. 1 weisen eine quadratische, zylindrische oder ähnliche Form auf. Vorzugsweise zentrisch sind rechteckförmige oder runde Kanäle ausgebildet. Diese Kanäle wirken als Hohllei ter. Die einzelnen Hohlleiter verlaufen axial zu den Aus trittsöffnungen 32 und/oder knicken z. B. orthogonal zu einer Speisestelle 30 hin ab, um anschließend dort erneut in Richtung einer Trichteröffnung abzuknicken. Die Speise stelle 30 weist beispielsweise eine Trichterform auf, an deren einem Ende die Auskopplungen für die Hohlleiter aus gebildet sind. Am anderen Ende ist die Einspeisung ausge bildet, welche weiter oben auch Trichteröffnung genannt wurde.The spherical radiators 33 can alternatively be replaced by the electric stem radiators in cylindrical or conical shape. The outlet openings 32 according to FIG. 1 have a square, cylindrical or similar shape. Rectangular or round channels are preferably formed centrally. These channels act as a waveguide. The individual waveguides run axially to the outlet openings 32 and / or bend z. B. orthogonal to a feed point 30 to then bend there again in the direction of a funnel opening. The feed point 30 has, for example, a funnel shape, at one end of which the couplings for the waveguide are formed. At the other end, the feed is formed, which was also called the funnel opening above.

Mit diesem Ausführungsbeispiel wird ein Antennendiagramm realisiert, welches in den beiden Hauptebenen 8° bzw. 40° Bündelung der Hauptkeulen aufweist.With this embodiment, an antenna diagram realized, which in the two main levels 8 ° and 40 ° Has bundling of the main legs.

Im Ausführungsbeispiel wird die Bündelung in einer Ebene im wesentlichen durch die Bündelungseigenschaften des Ein zelstrahlers erreicht. Mit konventionellen Einzelstrahlern bräuchte man zur Erzielung der 40° Bündelung in dieser Ebene allein mindestens zwei Elemente. Der dielektrische Strahler bietet darüber hinaus noch -25 dB Nebenkeulenpegel an, wofür mit anderen Einzelstrahlern mindestens 4-5 Elemente in dieser Ebene nötig wären. Dadurch würden sich die Elementezahl und die Gesamtabmessungen des Arrays wei ter erhöhen.In the exemplary embodiment, the bundling is in one level essentially by the bundling properties of the one cell radiator reached. With conventional single spotlights would be needed to achieve 40 ° bundling in this Level at least two elements alone. The dielectric Spotlight also offers -25 dB side lobe level for what with other single radiators at least 4-5 Elements in this level would be necessary. This would make knows the number of elements and the total dimensions of the array increase.

Das Strahlungsdiagramm der Gruppenantenne ist das Produkt aus dem in der Gruppe wirksamen Diagramm des verwendeten Strahlerelementes und dem sogenannten Gruppendiagramm. Dieses ist das Strahlungsdiagramm einer Gruppenantenne, die anstelle der verwendeten Einzelstrahler isotrope Ku gelstrahler aufweist, also in alle Raumrichtungen gleich mäßig abstrahlende Antennen. In diesem Gruppendiagramm tauchen neben der gewünschten Hauptkeule noch weitere Hauptkeulen, die sogenannten "grating-lobes" auf.The radiation pattern of the array antenna is the product from the diagram of the used in the group Radiator element and the so-called group diagram. This is the radiation pattern of a group antenna, the isotropic Ku instead of the single radiators used gel emitter, so the same in all directions moderately radiating antennas. In this group diagram dive in addition to the desired main club Main clubs, the so-called "grating lobes".

Die dielektrischen Strahler weisen ein Einzeldiagramm mit einer Bündelung von ca. 40° vor. Auch andere Bündelungen sind realisierbar. Hierbei läßt sich das geforderte Dia gramm mit einer Gruppe aus nur 1×5 Strahlern realisieren, wobei zum Teil große Nebenkeulendämpfungen erzielt werden. Die Projektionsfläche beträgt F = 1.2λ_o·7.3λ_o (λ_o ist die mittlere Betriebswellenlänge der Antenne). Die gleichpha sige Ansteuerung der fünf Einzelstrahler kann z. B. durch Aufteilung des Speisehohlleiters in der E-Ebene realisiert werden. Hierbei werden die unterschiedlichen Weglängen durch Variation der Hohlleiterbreite ausgeglichen, so daß am Ort des Strahlers wieder Gleichphasigkeit herrscht. Durch Variation der Hohlleiterbreite werden die Phasen geschwindigkeiten im Hohlleiter und damit die elektrisch wirksamen Längen der verwendeten Hohlleiter variiert.The dielectric radiators have a single diagram with a bundling of approx. 40 °. Other bundles can also be implemented. Here, the required diagram can be realized with a group of only 1 × 5 radiators, with large side lobe attenuations being achieved in some cases. The projection area is F = 1.2λ _o · 7.3λ _o (λ _o is the mean operating wavelength of the antenna). The same-phase control of the five individual radiators z. B. can be realized by dividing the feed waveguide in the E-plane. Here, the different path lengths are compensated for by varying the waveguide width, so that the phase of the radiator is in phase again. By varying the waveguide width, the phase speeds in the waveguide and thus the electrically effective lengths of the waveguide used are varied.

Durch die Ausbildung der Erfindung gemäß obiger Beschrei bung stellen sich die bereits eingangs genannten Vorteile ein.By designing the invention as described above Exercise the advantages mentioned at the beginning a.

Claims

1. Dielectric array antenna, characterized in that an array antenna with a minimized number of elements is formed by using dielectric radiators ( 33 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the outlet openings ( 32 ) are surrounded by dielectric radiators ( 33 ).

3. Arrangement according to claim 1 and / or 2, characterized in that dielectric radiators ( 33 ) on an absorber material ( 12 ) are quasi.

4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the waveguide in metal or metallized plastic are formed.

5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the dielectric radiators ( 33 ) are spherical radiators and / or stem radiators and / or conical radiators.