DE68913885T2 - Streifenleitungsantennensystem mit Mehrfachfrequenz-Elementen. - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine aus Mikrostrip-Elementen konstruierte Arrayantenne und genauer gesagt eine Arrayantenne, in der jedes Element durch eine Vielzahl von Strahlern gebildet ist, die so abgestimmt sind, daß sie in verschiedenen Frequenzbändern abstrahlen.
• Mikrostrip-Antennensysteme werden vorteilhafterweise in Raumfahrzeugen und anderen Umgebungen verwendet, die eine kompakte Antennenstruktur erfordern. Eine Arrayantenne läßt sich leicht aus einer Tafel fertigen, die aus dielektrischem Material gebildet und mit dünnen Metallplatten auf gegenüberliegenden Flächen der Tafel plattiert ist. Ein Array von kissenförmigen Antenenelementen, die durch elektrisch leitende metallische Streifen miteinander verbunden sind, läßt sich leicht aus einer dünnen Metallplatte auf einer Seite auf der Tafel herausätzen. Photolithographische Techniken können beim Ätzen verwendet werden, um die Fertigung zu erleichtern und für eine hohe Genauigkeit bei der Bildung der Antennenelemente und der diese verbindenden Leiter zu sorgen.
• Die elektrischen Charakteristiken eines Mikrostrip-Antennenelementes sind bei dem Entwurf eines einzelnen Antennenelementes sowie bei dem Entwurf eines Arrays von Antennenelementen von besonderem Interesse. Die Dicke der Originaltafel bestimmt den Abstand zwischen einem Antennenelement auf einer Fläche der Tafel und einer Erdungsebene, die durch die dünne Metallplatte auf der gegenüberliegenden Fläche der Tafel gebildet wird. Die elektrischen Charakteristiken werden durch den Abstand zwischen Element und Erdungsebene beeinflußt. Bezüglich des elektromagnetischen Betriebes eines kissenförmigen Antennenelementes kann die physikalische Struktur des von der Erdungsebene beabstandeten Elementes zum Zwecke der Analyse und des Verständnisses des Betriebes verglichen werden mit einem offenwandigen Hohlraum, der bei bestimmten elektromagnetischen Moden schwingt und einen relativ hohen Wert von Q aufweist, also von dem Verhältnis zwischen gespeicherter Energie und pro Zyklus eines elektromagnetischen Signales verbrauchter Energie.
• Als ein Beispiel für die Auswirkung des Abstandes zwischen Element und Erdungsebene auf die elektrischen Charakteristiken ist zu erwähnen, daß eine Verringerung des Abstandes das Q des offenwandigen Hohlraumes erhöht, die Entwicklung von Oberflächenwellen unterdrückt, die sich längs der Oberfläche des Arrays von Element zu Element ausbreiten können, tote Winkel bei der Beobachtung von Gegenständen während eines Verschwenkens einer von dem Element ausgestrahlten Strahlungskeule unterdrückt, und die Bandbreite von Signalen reduziert, die von dem Array von Antennenelementen ausgesendet oder empfangen werden sollen. Diese Abhängigkeit der elektrischen Charakteristiken von dem Abstand zwischen Element und Erdungsebene hat einen Kompromiß bei der Wahl der elektrischen Charakteristiken für eine Mikrostrip-Arrayantenne erforderlich gemacht. Wenn zum Beispiel der Abstand verringert wurde, um Oberflächenwellen und tote Abtastbereiche zu vermeiden, so kann die sich ergebende Antenne eine zu geringe Bandbreite aufweisen, um für die Durchführung einer gewünschten Mission nützlich zu sein.
• Das Fehlen einer ausreichenden Bandbreite schafft ein Problem in zwei Bereichen. Ein Bereich betrifft die Übertragung eines breitbandigen Signales, also eines Signales, das eine Bandbreite aufweist, die größer ist, als sie durch das vorstehende Antennenelement bereitgestellt wird. Der zweite interessierende Bereich betrifft die Erzeugung einer Fächerkeule, die durch Veränderung einer Frequenz der elektromagnetischen Strahlung überstrichen werden soll. Im Wege eines Beispieles für die Erzeugung derartiger Fächerkeulen umfaßt eine übliche Konfiguration einer Antenne einen Satz von Antennenelementen oder Unterarrays, die durch feste Verzögerungen miteinander verbunden sind. Eine Veränderung in der Frequenz einer elektromagnetischen Strahlung bewirkt eine Veränderung in der Phasenverschiebung zwischen Signalen, die von aufeinanderfolgenden der Antennenelemente oder Unterarrays ausgegeben werden. Ein erfolgreiches Überstreichen einer derartigen Fächerkeule setzt voraus, daß jedes der Antennenelemente oder Unterarrays eine hinreichend große Bandbreite aufweist, um der Verschiebung in der Frequenz gerecht zu werden. Bei gegenwärtig verfügbaren Mikrostrip-Arrayantennen wird durch die geringe Bandbreite die Übertragung von breitbandigen Signalen und die Verwendung einer frequenzgesteuerten Fächerkeule jedoch übermäßig eingeschränkt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Das vorstehende Problem wird überwunden und andere Vorteile werden bereitgestellt durch ein Mikrostrip-Antennensystem, bei dem in Übereinstimmung mit der in dem beigefügten Anspruch 1 definierten Erfindung jedes der Antennenelemente als ein Array von Strahlern ausgebildet ist, wobei jeder Strahler eines Antennenelementes so konfiguriert ist, daß er bei einer Frequenz in Resonanz schwingt, die von der anderer Strahler des Antennenelementes verschieden ist. Bei der Konstruktion eines einzigen Antennenelementes kann zum Beispiel ein Satz von drei oder vier Strahlern verwendet werden. Jeder Strahler hat die Form eines quadratischen Kissens, wobei zu verstehen ist, daß das Kissen auch eine andere Form wie z.B. eine rechtwinklige oder eine runde Form aufweisen kann, um für eine spezifische Strahlungscharakteristik zu sorgen. Es ist besonders zu bemerken, daß ein quadratisch geformtes Kissen mit einem sich darin diagonal erstreckenden Schlitz bei der Erzeugung von zirkular polarisierter Strahlung nützlich ist.
• In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jeder der Strahler eines einzelnen Elementes so ausgebildet, daß er Strahlung in getrennten Frequenzbändern aussendet und empfängt, wobei Frequenzbänder von einer Abfolge der Strahler in dem Spektrum als eine Abfolge von aneinandergrenzenden Sende-/Empfangsbändern angeordnet sind. In der folgenden Diskussion wird die Erfindung unter Bezugnahme auf das Aussenden von Strahlung aufgezeigt werden, wobei zu verstehen ist, daß die Antenne auf reziproke Weise auch zum Empfangen von einkommenden elektromagnetischen Signalen arbeitet. Im Wege eines Beispieles für die Konstruktion eines Satzes der Strahler in einem einzigen Antennenelement weist der Strahler, der der Versorgung am nächsten liegt, eine größere Größe zur Aussendung in einem niederfrequenten Bereich des Übertragungsbandes auf, hat ein zweiter der Strahler eine kleinere Größe zur Aussendung von Signalen bei Frequenzen im Mittenbandbereich und hat ein dritter der Strahler eine noch geringere Größe zur Aussendung eines hochfrequenten Bereiches des Bandes.
• Die Strahler sind über Ferritzirkulatoren verbunden. Der Betrieb der Zirkulatoren zusammen mit den Strahlern kann unter Bezugnahme auf das vorstehende Beispiel von drei auf verschiedene Frequenzen abgestimmten Strahler gezeigt werden. Der Strahler für die niedrigste Frequenz ist über einen ersten Zirkulator mit der Versorgung verbunden. Der zweite Strahler ist über einen zweiten Zirkulator mit einem Ausgangsanschluß des ersten Zirkulators verbunden. Der dritte Strahler ist mit einem Ausgangsanschluß des zweiten Zirkulators verbunden. Im Wege eines Beispieles wird elektromagnetische Strahlung mit einem Signal im unteren Bandbereich, einem Signal im mittleren Bandbereich und einem Signal im oberen Bandbereich einem ersten Tor des ersten Zirkulators zugeführt. Diese Signale werden von einem zweiten Tor des ersten Zirkulators zu dem ersten Strahler ausgegeben. Das Signal im unteren Bandbereich strahlt von dem Radiator aus, und die Signale im mittleren und oberen Bandbereich werden zu dem ersten Zirkulator zurück reflektiert. Diese Signale treten dann aus einem dritten Tor des ersten Zirkulators aus, um in ein erstes Tor des zweiten Zirkulators einzutreten. Der zweite Zirkulator gibt diese Signale zu dem zweiten Strahler aus, der das Signal in dem mittleren Bandbereich ausstrahlt, während er das Signal in dem oberen Bandbereich zu dem zweiten Zirkulator zurück reflektiert. Der zweite Zirkulator gibt dann das Signal in dem oberen Bandbereich über ein drittes Tor zu dem dritten Strahler aus. Auf diese Weise empfängt und sendet jeder der Strahler eines Antennenelementes einen spezifischen Bereich des gesamten Signalbandes, was es dem Antennenelement ermöglicht, ein Signal abzustrahlen, das eine Bandbreite aufweist, die dem Zwei-, Drei- oder Vierfachen der Bandbreite eines einzelnen Strahlers entspricht, was von der Anzahl der verwendeten Strahler oder Zirkulatoren abhängt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden beschrieben werden, um ein Mehrstrahler-Antennenelement für eine phasengesteuerte Arrayantenne zu zeigen, die ein breitbandigeres Signal ohne Verwendung eines Reflektors überträgt, sowie für ein frequenzgesteuertes Reflektorantennensystem mit Fächerkeule, das bei der Kommunikation von Signalen von einem Satelliten zu stationären oder mobilen Empfängern oder Sendeempfängern an verschiedenen Stellen auf der Erdoberfläche nützlich ist.
• In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beleuchtet ein komplementäres Mikrostrip-Antennensystem, das als planares Array ausgebildet ist, einen Reflektor, um für frequenzgesteuerte Strahlungskeulen zu sorgen. Dieses Antennensystem zeigt merklich reduzierte Komplexität, geringere Größe, geringeres Gewicht und reduzierte HF-Verluste. Dieses Antennensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann betrieben werden, ohne daß ein Strahlungskeulen formendes Netzwerk, ein konfokales Reflektorsystem, eine Butler-Matrix oder ein großes, sperriges direkt abstrahlendes Array erforderlich sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Die vorerwähnten Aspekte und andere Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung erklärt, die im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung zu sehen ist, in der:
• Fig. 1 eine diagrammartige Darstellung eines Antennensystems mit einer phasengesteuerten Arrayantenne ist, die aus Mikrostrip-Antennenelementen konstruiert ist, wobei jedes Element ein Mehrstrahler-Element in Übereinstimmung mit der Erfindung ist, und die Antenne zur Übertragung eines breitbandigen Signales verwendet wird;
• Fig. 2 eine vergrößerte, vereinfachte Draufsicht auf ein Antennenelement aus Fig. 1 ist;
• Fig. 3 eine teilweise, längs der Linie 3-3 aus Fig. 2, geschnittene Ansicht eines Strahlers ist;
• Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Strahler mit einer alternativen Konfiguration zeigt;
• Fig. 5 ein Satz von Kurven ist, die die Frequenzabhängigkeit eines Satzes von Strahlern gemäß Fig. 1 zeigen;
• Fig. 6 eine Reflektorversorgung für ein Antennensystem zeigt, das die Mehrstrahler-Mikrostrip-Antennenelemente gemäß der Erfindung zur Erzeugung einer frequenzgesteuerten Fächerkeule verwendet;
• Fig. 7 eine stilisierte schematische Ansicht eines Satelliten ist, der das Antennenelement gemäß der Erfindung trägt, wobei ein Reflektor zum Verschwenken einer Fächerkeule über verschiedene Bereiche auf der Erde vorgesehen ist;
• Fig. 8 eine modifizierte Konfiguration des Antennenelementes aus Fig. 6 zeigt, wobei ein einziges parasitäres Element zwischen aufeinanderfolgenden der Strahler angeordnet ist;
• Fig. 9 eine weitere Modifikation des Antennenelementes aus Fig. 6 zeigt, wobei zwei parasitäre Elemente auf gegenüberliegenden Seiten eines jeden der Strahler angeordnet sind; und
• Fig. 10 drei Reflektorversorgungen für ein Antennensystem wie das Fig. 6 zeigt, die auf einer gemeinsamen Tafel zur Ausleuchtung von drei getrennten Bereichen auf der Erdoberfläche angeordnet sind, wobei jedes der Antennensysteme eine verschwenkbare Fächerkeule zum Überstreichen eines spezifischen der Bereiche auf der Erdoberfläche erzeugt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Die Figuren 1 - 3 zeigen ein Antennensystem 20, das in Übereinstimmung mit der Erfindung konstruiert ist. Das System 20 umfaßt eine Arrayantenne 22, die ein Array von Antennenelementen 24 umfaßt, von denen jedes aus einem Mikrostreifen auf einer dielektrischen Tafel 26 konstruieft ist (Fig. 3). Jedes Antennenelement 24 ist als ein Teil einer Antennenbaugruppe 28 ausgebildet, die ebenfalls einen Phasenschieber 30 enthält, der mit einem Eingangsanschluß 32 des Elementes 24 verbunden ist. Innerhalb des Systemes 20 ist ebenfalls ein Leistungsteiler 36 enthalten, der mit einem Sendeempfänger 38 verbunden ist, sowie ein Nur-Lese-Speicher 40, der Phasenschieberkommandos für die Phasenschieber 30 für die Entwicklung einer Strahlungs keule von Strahlung speichert, die von der Antenne 22 ausgesendet wird. Zur Vereinfachung bei der Beschreibung der Erfindung werden der Sendeempfänger 38 und die Antenne 22 im Zusammenhang mit der Erzeugung und Aussendung einer Strahlungskeule von elektromagnetischer Strahlung beschrieben, wobei zu verstehen ist, daß das Antennensystem 20 im Betrieb reziprok ist, so daß die Beschreibung ebenfalls auf den Empfang von elektromagnetischen Signalen zutrifft.
• Der Sendeempfänger 38 umfaßt (nicht gezeigte) Schaltung zum Aussenden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen. In dem Sendeempfänger 38 ist ebenfalls der Speicher 40 und ein Strahlwähler 42 vorgesehen, der den Speicher 40 adressiert, um den Satz von Phasenschieberkommandos zum Erzeugen einer Strahlungskeule in einer spezifischen Richtung auszuwählen. Die Strählungskeule kann durch Auswählen eines unterschiedlichen Satzes von Phasenverschiebungen für die verschiedenen Phasenschieber 30 erneut ausgerichtet werden. Der Wähler 42 kann ein digitaler Encoder sein, der manuell betätigt wird, um eine Strahlungskeulenrichtung auszuwählen, er kann aber auch ein Adressengenerator eines automatischen Strahlungskeulenabtastsystemes sein. Der Leistungsteiler 36 umfaßt einen Satz von Leistungsverteilern 44, die in der Anordnung einer kooperativen Versorgungsstruktur geschaltet sind, wobei jeder der Verteiler 44 einkommende übertragene Leistung gleichmäßig unter den beiden Zweigen des Verteilers aufteilt. Der Leistungsteiler 36 koppelt Leistung von dem Sendeempfänger 38 zu gleichen Teilen über Eingangsanschlüsse 46 zu den Phasenschiebern 30 der jeweiligen Baugruppen 28. Steuersignale aus dem Speicher 40 werden über Eingangsanschlüsse 48 zu den Phasenschiebern 30 der entsprechen den Baugruppen 28 gekoppelt. Einzelne der Anschlüsse 46 sind durch Beschriftungen A1, A2, .. AN identifiziert und einzelne der Anschlüsse 48 sind durch Beschriftungen B1, B2 .. BN identifiziert.
• Jedes der Antennenelemente 24 umfaßt Strahler 50, wobei drei derartige Strahler beispielhaft gezeigt sind und es zu verstehen ist, daß gewünschten Falles nur zwei der Strahler 50 verwendet werden können oder alternativ vier oder mehr Strahler bei der Konstruktion eines Antennenelementes 24 verwendet werden können. Aus Gründen der einfachen Bezugnahme sind die drei Strahler 50 in Fig. 2 weiter durch die Beschriftungen J, K und L identifiziert. Die drei Strahler 50 sind miteinander über Ferritzirkulatoren 52 verbunden, die aus Einfachheitsgründen in Fig. 2 weiter durch die Beschriftungen D und E identifiziert sind. Die Anzahl an Zirkulatoren 52, die erforderlich ist, um die Strahler 50 miteinander zu verbinden, ist um eins geringer als die Anzahl der Strahler. Für den Fall der drei Strahler 50 sind folglich zwei der Zirkulatoren 52 eingesetzt. Nur ein Zirkulator 52 ist erforderlich, wenn das Antennenelement nur zwei Strähler aufweist. Für den Fall eines Antennenelementes mit vier der Strahler sind dann insgesamt drei von den Zirkulatoren 52 zum miteinander Verbinden der Strahler erforderlich.
• Unter Bezugnahme auf die Konstruktion des Antennenelementes 24 mit Strahlern 50 verbindet der erste Zirkulator D den Strahler J über den Eingangsanschluß 32 mit dem Phasenschieber 30. Der zweite Zirkulator E verbindet den ersten Zirkulator D, den zweiten Strahler K und den dritten Strahler L miteinander. Jeder der Zirkulatoren 52 umfaßt eine Ferritscheibe 54, die zwischen zwei zentral angeordneten Magneten 56 angeordnet ist, einer auf jeder Seite der dielektrischen Tafel 26 (nur der obere von den Magneten 56 ist in Fig. 2 gezeigt). In jedem Zirkulator 52 agiert die Ferritscheibe 54 in Antwort auf ein konstantes magnetisches Feld, das durch die beiden zentral angeordneten Magneten geliefert wird, um für eine umschlossene Führung von elektromagnetischen Wellen um den Zirkulator 52 herum zu sorgen. In Übereinstimmung mit einer gut bekannten Konstruktion der Zirkulatoren sind drei Tore vorgesehen, wobei die drei Tore gleichmäßig unter Winkeln von 120 Grad um die Scheibe 54 herum beabstandet sind, um für eine Kombination der kreisenden Wellen im Sinne einer Übertragung der Leistung von einem Tor zu dem nächsten zu sorgen. Beide Zirkulatoren 52 arbeiten auf die gleiche Weise, so daß nur der Betrieb des Zirkulators E beschrieben werden muß. In ein erstes Tor E1 eintretende Leistung tritt an einem zweiten Tor E2 aus. An dem Tor E2 eintretende Leistung tritt an einem Tor E3 aus. An dem Tor E3 eintretende Leistung tritt am Tor E1 aus. Die Kombination der kreisenden Wellen sorgt dafür, daß im wesentlichen die gesamte Leistung an nur einem Tor austritt, wobei nicht mehr als ein vernachlässigbar kleiner Teil der Leistung aus dem verbleibenden Tor austritt.
• Wie in Fig. 3 gezeigt umfaßt das Antennenelemente 24 eine Erdungsebene 58, die durch ein dünnes Blech aus Metall gebildet ist, so wie aus Kupfer oder Gold, und auf einer Rückseite der Tafel 26 angeordnet ist. Der Strahler 50 ist aus einem metallischen Kissen geformt, das aus dem selben Metall wie die Erdungsebene 58 bestehen kann und auf einer Vorderseite der Tafel 56 gegenüber von der Erdungsebene 58 angeordnet ist. Die Konfiguration des von der Ebene 58 beabstandeten Kissens des Strahlers 50 mit dazwischen angeordnetem dielektrischen Material der Tafel 26 ist als Konfiguration eines Kondensators zu erkennen sowie als Konfiguration eines offenwandigen Hohlraumresonators. Es ist diese mechanische Konfiguration, die die elektrischen Charakteristiken des Strahlers 50 liefert, insbesondere bezüglich der Frequenzbänder von elektromagnetischen Wellen, die von einem Strahler 50 abgestrahlt oder von dem Strahler 50 in einen Zirkulator 52 zurückreflektiert werden können. Metallische Streifenleiter 60 verbinden die Strahler 50 mit den Zirkulatoren 52. Abschnitte der Leiter 60, die in einen Zirkulator 52 hineinreichen, verjüngen sich in Richtung auf die Mitte des Zirkulators 52 in Übereinstimmung mit der üblichen Praxis bei der Ausbildung der Zirkulatortore.
• Fig. 4 zeigt eine Konfiguration eines Strahlers 62, der eine quadratisch geformte Konfiguration aufweist und mit einem diagonal ausgerichteten Schlitz 64 versehen ist, der für eine zirkulare Polarisation von elektromagnetischen Wellen sorgt, die von dem Strahler 62 abgestrahlt werden. Der Strahler 62 wird mittels eines Streifenleiters 60 angeregt, wie es bei dem Strahler 50 aus Fig. 2 der Fall ist. In der sich anschließenden Beschreibung des Betriebes gemäß der Erfindung wird auf den Strahler 50 Bezug genommen, wobei zu verstehen ist, daß die Beschreibung des Betriebes ebenfalls auf Strahler zutrifft, die eine andere Konfiguration aufweisen, wie z.B der Strahler 62.
• Der Betrieb des Antennenelementes 24 kann unter Bezugnahme auf die Kurven aus Fig. 5 erklärt werden. Jeder der Strahler J, K und L strahlt in einem spezifischen Frequenzband ab, wobei diese Bänder durch die Bezeichnungen J, K und L in der oberen Kurve aus Fig. 5 identifiziert sind. Eine weitere Kurve M, die als gestrichelte Linie gezeigt ist, ist vorgesehen, um die Strahlungscharakteristik von noch einem vierten Strahler zu zeigen, falls ein derartiger Strahler vorhanden wäre, wie es der Fall ist bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung, die noch zu beschreiben sind. Eine wichtige Eigenschaft der Strahler 50 ist die Tatsache, daß jeder Strahler solche Teile von Strahlungsenergie zu einem Zirkulator 52 zurückreflektiert, die in einem spektralen Bereich bei einer Frequenz liegen, die höher ist, als das Strahlungsband des Strahlers. Die Strahler eines Antennenelementes sind mit leicht unterschiedlichen Konfigurationen oder Abmessungen konstruiert oder belastet, um ihre Frequenzcharakteristiken zu verschieben. Dies ist durch die untere Kurve aus Fig. 5 gezeigt, in der Linienzüge der Kurve gleichfalls mit den Bezeichnungen J, K und L gekennzeichnet sind, um den Strahler J, K und L zu entsprechen. Der Strahler J ist so gezeigt, daß er elektromagnetische Energie bei Frequenzen innerhalb seines Strahlungsdurchlaßbandes ausstrahlt, aber Strahlungsenergie bei Frequenzen oberhalb des Durchlaßbandes reflektiert. Entsprechende Bemerkungen treffen auf die Strahler K und L sowie auf einen vierten Strahler zu, der für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier Strahlern gestrichelt angedeutet ist.
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 sorgen die vorstehenden Prinzipien des Betriebes für das folgende sehr nützliche Ergebnis. Ein breitbandiges Signal kann von dem Sendeempfänger 38 über das Antennenelement 24 ausgesendet werden, obwohl die Signalbandbreite größer ist als das Strahlungsband eines beliebigen der Strahler 50. Im Wege eines Beispieles sei angenommen, daß die Signalbandbreite sich über die spektralen Bereiche J, K und L aus Fig. 5 erstreckt, wobei die gesamte Leistung über den Eingangsanschluß 32 und über den Zirkulator D auf den Strahler J auftrifft. Der spektrale Bereich des Strahlungsbandes des Strahlers J wird in den Raum abgestrahlt, während die spektralen Bereiche der elektromagnetischen Energie für die Strahier K und L von dem Strahler J zu dem Zirkulator D zurückreflektiert werden. Die verbleibenden beiden spektralen Bereiche werden dann über den Zirkulator D zu dem Strahler K übertragen, wobei der K-Anteil abgestrahlt und der L-Anteil zu dem Zirkulator E zurückreflektiert wird. Der Zirkulator E gibt dann den L-Anteil zu dem Strahler L aus. Dadurch sind die drei zusammenwirkenden Strahler J, K und L in der Lage, ein elektromagnetisches Signal auszustrahlen, das eine Bandbreite aufweist, die die dreifache Größe einer Bandbreite eines einzelnen der Strahler 50 aufweist. Wenn das Antennenelement 24 nur zwei von den Strahlern 50 umfaßt, dann wäre die Bandbreitenkapazität des Elementes nur doppelt so groß wie die eines einzelnen Strahlers 50. Wenn dagegen die Elemente 24 vier von den Strahlern 50 umfassen würden, dann könnte ein elektromagnetisches Signal mit einer Bandbreite, die das Vierfache von der eines einzelnen Strahlers 50 beträgt, von dem Antennenelement 24 ausgesendet und empfangen werden.
• Unter Bezugnahme auf die Erzeugung einer Strahlungskeule durch die Arrayantenne 22, die eine Vielzahl von Baugruppen 28 mit den vorerwähnten Antennenelementen 24 mit den drei Strahlern 50 umfaßt, ist zu bemerken, daß der Phasenschieber 30 in jeder der Baugruppen 28 Phasenverschiebungen zwischen Signalen erzeugt, die von den Strahlern J in den verschiedenen Baugruppen 28 abgestrahlt werden. Entsprechende Phasenverschiebungen werden zwischen den entsprechenden Strahlern K und zwischen den entsprechenden Strahlern L der verschiedenen Baugruppen 28 bewirkt. Dadurch erhält das in jedem der drei Signalbänder abgestrahlte Signal die erforderlichen Phasenverschiebungen, um es dem Array von Antennenelementen 24 zu ermöglichen, die Signale für die Erzeugung einer Strahlungskeule in einer gewünschten Richtung relativ zu dem Array der Antennen 22 zu kombinieren. Im Wege eines Beispieles für die Konstruktion der Phasenschieber 30 kann jeder der Phasenschieber 30 ein 3-Bit- PIN-Dioden-Phasenschieber sein, der in Übereinstimmung mit einem digitalen Steuersignal, das über den Speicher 40 an einen Anschluß 48 angelegt wird, eine Phasenverschiebung bewirkt.
• Die physikalische Konfiguration der Arrayantenne 22 sorgt dafür, daß die Strahler J in jedem der Antennenelemente 24 einen Abstand von ungefähr einer halben Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen aufweist. Ein entsprechender Abstand ist zwischen dem Element 24 für die Strahler K und die Strahler L vorgesehen. Diese Beabstandung sorgt für ein gut definiertes Strahlungskeulenmuster, das im wesentlichen frei von unerwünschten Nullen und unerwünschten Hauptkeulen ist. Aus Gründen der Bequemlichkeit bei der Konstruktion eines Antennenelementes 40 können der Phasenschieber 30 und das Element 24 auf einer gemeinsamen Tafel 26 gehalten sein. Falls es gewünscht ist, kann eine einzige Tafel 26 bei der Konstruktion der gesamten Antenne 22 verwendet werden, wobei alle die Elemente 24 und die Phasenschieber 30 auf der selben Tafel 26 aufgebaut sind. Darüberhinaus kann der Leistungsteiler 36, der aus Streifenleiterelementen gefertigt sein kann, ebenfalls auf der selben Tafel 26 zusammen mit den Antennenbaugruppen 28 angeordnet sein. Dies sorgt für eine einzige mechanische Anordnung sowohl für den Leistungsteiler 36 als auch für die Arrayantenne 22.
• In dem in den Fig. 1 - 5 offenbarten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Strahlungskeulenerzeugung und -steuerung durch eine Arrayantenne ohne Verwendung eines Reflektors bewirkt. In alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Fig. 6 - 10 offenbart sind, wird ein Reflektor im Zusammenhang mit einer Arrayantenne zur Erzeugung und Steuerung einer Strahlungskeule verwendet.
• Fig. 6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem eine Arrayantenne 66 einen Satz von Antennenelementen 68 umfaßt, die nebeneinander angeordnet sind, um eine Strahlungs keule zu formen. Die Antenne 66 aus Fig. 6 hat die selbe generelle Konfiguration wie die Antenne 22 aus Fig. 1, mit der Ausnahme, daß die Phasenschieber 30 aus Fig. 1 in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 weggelassen sind. In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 hat jedes der Antennenelemente 68 außerdem einen Satz von vier Strahlern 50 anstatt von drei Strahlern, wie in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1. In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 hat jedes der Elemente 68 darüberhinaus drei Zirkulatoren 52 anstatt der zwei Zirkulatoren, die in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 vorhanden sind. Aus Gründen einer einfachen Bezugnahme sind die Strahler 50 und Elemente 68 in Fig. 6 weiter durch die Bezeichnungen J, K, L und M identifiziert und die Zirkulatoren 52 sind weiter durch die Bezeichnungen D, E und F identifiziert. Die oben unter Bezugnahme auf Fig. 5 offenbarte Erklärung des Betriebes trifft ebenfalls auf den Betrieb eines Antennenelementes 68 aus Fig. 6 zu. Die Konstruktion des Elementes 68 umfaßt die selbe Querschnittskonfiguration, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 3 offenbart ist, worin ein Strahler 50 zu einer Erdungsebene 58 über eine dielektrische Platte 26 beabstandet ist. Für Verbindungen zwischen den Strahlern 50 und den Zirkulatoren 52 aus Fig. 6 wird durch Streifenleiter 60 gesorgt, wie es für das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 offenbart ist.
• Die Arrayantenne 66 ist Teil eines Antennensystems 70, das ebenfalls einen Leistungsteiler 72 umfaßt, der einen Satz von Leistungsverteilern 44 aufweist. Der Leistungsteiler 72 ist mit jedem der Antennenelemente 78 über deren entsprechende Eingangsanschlüsse 46 verbunden. Die Leistungsverteiler 44 sind in der Anordnung einer kooperativen Versorgungsstruktur verschaltet, wobei jeder der Verteiler 44 auftreffende übertragene Leistung mit einem speziellen Verhältnis auf die beiden Zweige des Verteilers aufteilt, um für die gewünschte Leistungsverteilung zu sorgen. Ein Sendeempfänger 78 ist an ein Eingangsende 80 des Leistungsteilers 72 angeschlossen, um elektromagnetische Signale über den Leistungsteiler 72 zu den Antennenelementen 68 zur Ausstrahlung in den Raum als eine Strahlungskeule zu liefern. Im Gegensatz zu dem breitbandigen Signal, das von dem System aus Fig. 1 ausgesendet wird, arbeitet das System aus Fig. 6 mit einem schmalbandigen Signal, das über die spektralen Bereiche J, K, L und M aus Fig. 5 verschwenkt werden kann. Daten können zum Beispiel durch eine Modulation eines Daten tragenden Signales auf eine Trägerfrequenz in dem Sendeempfänger 78 übertragen werden, wobei die Trägerfrequenz gescannt werden kann. Der Frequenzwähler 82 innerhalb des Sendeempfängers 78 erlaubt eine manuelle Auswahl der Trägerfrequenz oder ein automatisches Scannen der Trägerfrequenz.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 5 sollte erkannt werden, daß das schmalbandige Signal über die zusammengesetzte Bandbreite der vier spektralen Bereiche der Strahler J, K, L und M verschwenkt werden kann. Im Wege eines Beispieles sei angenommen, daß die Strahlungsfrequenz bei einem niedrigen Wert startet, der in dem spektralen Bereich des Strahlers J liegt. Wenn dann die Strahlungsfrequenz hinreichend erhöht wird, reflektiert der Strahler J das Signal durch die Zirkulatoren D und E zurück, damit es von dem Strahler K abgestrahlt wird. Ein Abstimmen der Strahler kann durch Verwendung einer Abstimmstruktur wie beispielsweise einer (nicht gezeigten) Blindleitung bewirkt werden, oder wird vorzugsweise in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch bewirkt, daß jeder der Strahler 50 in einem Element 68 mit geringfügig unterschiedlichen physikalischen Abmessungen ausgelegt ist. Die Strahler in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 sind so abgestimmt, daß sie bei ihren spezifischen Frequenzen auf gleiche Weise abstrahlen, wie es bei der Konstruktion der Ausführungsbeispiele aus Fig. 6 verwendet wird. Die Strahler J in dem Satz von Elementen 68 sind zueinander um ungefähr eine halbe Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen beabstandet, wobei gleiche Kommentare auf die Strahler K, L und M des Satzes von Elementen 68 zutreffen. Diese Beabstandung unter den Strahlern sorgt für ein gut definiertes Strahlungsmuster.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 7 kann das Antennensystem 70 einen Reflektor 86 umfassen, der typischerweise mit einer Kurve zweiter Ordnung so wie einer parabolischen Fläche um einen Fokus 68 gekrümmt ausgeführt ist. Die angedeutet gezeigte Antenne 66 kann in dem Fokus 68 angeordnet sein und Strahlung auf den Reflektor 86 richten, um für eine verschwenkte Strahlungskeule 90 zu sorgen. Typischerweise ist die Strahlungskeule 90 eine Fächerkeule. Wie es nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben werden wird, ist vorzugsweise anstelle der Antenne 66 ein Antennensystem 100 an dem Fokus 68 einzufügen, wie es in durchgezogenen Linien in Fig. 7 gezeigt ist. In dem Antennensystem 100 gibt es drei Arrayantennen 102, von denen einzelne weiter durch die Bezeichnungen E für Osten, C für zentral und W für Westen aus Gründen identifiziert sind, die sich aus der nachfolgenden Diskussion ergeben.
• In der beispielhaften Verwendung der Erfindung, wie sie in Fig. 7 offenbart ist, wird das Antennensystem 70 an Bord eines Satelliten getragen, und der Reflektor 86 richtet eine Fächerkeule auf einen Bereich auf der Erde 92, der hier durch die Vereinigten Staaten von Amerika repräsentiert ist. Das Verschwenken der Strahlungskeule wird unter Bezugnahme auf Fig. 10 erklärt werden. Solch eine Verwendung einer verschwenkten Strahlungskeule von einem Satelliten erlaubt die Kommunikation zwischen Stationen, die an verschiedenen Punkten auf der Erdoberfläche angeordnet sind, wobei diese Stationen eine geeignete Sende- und Empfangsausrüstung zur Kommunikation über Satellit aufweisen. Die Anwendung der Erfindung in der Satellitenkonfiguration aus Fig. 7 bewirkt verschiedene Vorteile, die nachstehend beschrieben werden.
• Fig. 8 zeigt ein Antennenelement 94, das eine Konstruktionsform zeigt, die ein alternatives Ausführungsbeispiel des Antennenelementes 68 aus Fig. 6 ist. In Fig. 8 umfaßt das Antennenelement 94 die selben Strahler 50 und Zirkulatoren 52, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben wurde, und umfaßt ferner parasitäre Strahler 96, die zwischen den Strahlern 50 angeordnet sind, die aktiv durch die Zirkulatoren 52 getrieben werden. Die Anordnung der Strahler sorgt für eine alternierende Abfolge der parasitären Strahler 96 und der aktiven Strahler 50. Falls es gewünscht ist, können parasitäre Strahler 96 ebenfalls an gegenüberliegenden Enden des Strahlers 50 angeordnet sein, wie es in Fig. 9 gezeigt ist.
• Fig. 9 zeigt ein Element 98, das ein noch weiteres Ausführungsbeispiel des Elementes 68 aus Fig. 6 ist und sich von dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 8 dadurch unterscheidet, daß weitere parasitäre Strahler 96 in dem Element 98 aus Fig. 9 verwendet werden. Die parasitären Strahler 96 in den Ausführungsbeispielen beider Fig. 8 und 9 sind als metallische Kissen ausgebildet, die auf der Vorderseite der Tafel 96 auf die selbe Weise angeordnet sind, wie es in Fig. 3 für die Konstruktion eines aktiven Strahlers 50 offenbart wurde. Anstatt der alternierenden Abfolge von Fig. 8 ist in Fig. 9 jeder der aktiven Strahler 50 mit einem Paar von parasitären Strahlern 96 versehen, wobei auf jeder Seite eines aktiven Strahlers 50 ein parasitärer Strahler 96 vorgesehen ist. Auf diese Weise gibt es in dem Antennenelement 98 aus Fig. 9 doppelt so viele parasitäre Strahler 96 wie es aktive Strahler 50 gibt. Die aktiven Strahler 50 werden auf die selbe Weise, wie es für die Ausführungsbeispiele der Fig. 8 und 6 beschrieben wurde, über Signale aus den Zirkulatoren 52 getrieben. Die parasitären Strahler in den Ausführungsbeispielen der Fig. 8 und 9 helfen bei der Unterdrückung der Nebenkeulen des Strahlungsmusters der Strahlungskeule, wenn die Strahlungskeule über die Erdoberfläche verschwenkt wird.
• Fig. 10 zeigt eine Konfiguration eines Antennensystems 100, das für die Situation der Satellitenkommunikation aus Fig. 7 nützlich ist. In Fig. 10 umfaßt das System 100 einen Satz von drei Arrayantennen 102, die auf einem gemeinsamen Träger 104 angeordnet sind, wobei der Träger konstruiert sein kann wie die Tafel 26 aus den Fig. 2 und 3, um als ein gemeinsamer dielektrischer Träger für alle drei Antennen 102 zu dienen. Ein Satz von drei Leistungsteilern 106 ist auf dem Träger 104 vorgesehen, wobei individuelle der Leistungsteiler 106 mit jeweiligen der Antennen 102 verbunden sind. Wegen des dichten Abstandes der Antennen 102 gibt es auf der Vorderseite des Trägers 104 nur Raum tür einen Leistungsteiler 106 an dem linken Ende des Trägers 104 und einen zweiten Leistungsteiler 106 an dem rechten Ende des Trägers 104. Der mit der Mittenantenne 102 verbundenen Leistungsteiler 106 ist auf der Rückseite des Trägers 104 angeordnet, wie es durch die gestrichelte Darstellung angedeutet ist. Die Verbindung der mittleren Antenne 102 zu ihrem Leistungsteiler wird mittels einer Durchkontaktierungsverbindung 108 bewirkt, die den Durchgang von parallelen elektrischen Übertragungsleitungen durch den Träger 104 ermöglicht. Die Leistungsteiler 106 sind über einen Wählschalter 110 mit dem Sendeempfänger 78 verbunden. Jede der Antennen 102 kann wie die Antenne 66 mit Antennenelementen 68 (Fig. 6) oder 94 (Fig. 8) oder 98 (Fig. 9) konstruiert sein. Der Leistungsteiler 106 kann wie der Leistungsteiler 72 (Fig. 6) oder der Leistungsteiler 36 (Fig. 1) konstruiert sein.
• Der Leistungsteiler 36, der durch Verwendung des Satzes von Phasenschiebern 30 arbeitet, kann als Leistungsteiler 106 bei der Steuerung einer Strahlungskeule in einem direkt abstrahlenden Antennenarray für die Situation einer Satellitenkommunikation verwendet werden, es ist jedoch bevorzugt, den Leistungsteiler aus Fig. 6 als Leistungsteiler 106 zusammen mit einem schmalbandigen Signal zu verwenden, in dem die Strahlungsfrequenz für jede Position der Fächerkeule in der arraygespeisten Reflektorantenne für die Satellitenkommunikationssituation aus Fig. 7 unterschiedlich ist. In jeder der Antennen 102 sind die Strahler J, K, L und M der jeweiligen Antennenelemente in Reihen angeordnet, wobei ein Satz von allen Strahlern J von allen Antennenelementen einer Antenne 102 in einer Spalte angeordnet ist. Gleichfalls sind die Sätze von allen Strahlern K, von allen Strahlern L und von allen Strahlern M einer Antenne 102 in Spalten senkrecht zu den Reihen angeordnet.
• Unter Bezugnahme auf die nebeneinanderliegende Anordnung der Antennen 102 in Fig. 10 und unter Bezugnahme auf den Reflektor 86 aus Fig. 7 sollte erkannt werden, daß jede Antenne 102 einen unterschiedlichen Ort bezogen auf einen Fokus des Reflektors 86 aufweist. Dies kann weiter erklärt werden, indem die drei Antennen 102 individuell durch die Bezeichnungen 102E, 102C und 102W identifiziert werden, wie es sowohl in Fig. 10 als auch in Fig. 7 gezeigt ist. In Fig. 7 ist es ebenfalls geeignet, die Strahlungskeulen 90 individuell durch die Bezeichnungen 90E, 90C bzw. 90W zu identifizieren, die für eine Ausleuchtung der östlichen, mittleren und westlichen Regionen der Vereinigten Staaten sorgen. Strahlung der Strahlungskeulen 90E, 90C und 90W wird jeweils durch die Antennen 102E, 102C und 102W bereitgestellt. Der Wahlschalter 110 sorgt für getrennte selektive Anregung der Antennen 102. Daher führt der Betrieb des Schalters 110 für sequentielle Anregung der Antennen 102 zu einer Verschiebung des Ortes der Beleuchtungsquelle des Reflektors 86 mit einer sich daraus ergebenden Verschiebung in der Ausrichtung der durch das Antennensystem 70 aus Fig. 7 erzeugten Strahlungskeule.
• Darüberhinaus ist das durch die Strahler 50 ausgesendete schmalbandige Signal schmaler als die Übertragungsbandbreite eines beliebigen der Strahler. Eine Veränderung in der Trägerfrequenz des schmalbandigen Signales führt zu einer Übertragung von einem Strahler J oder teilweise von einem Strahler J und einem Strähler K, oder von einem Strahler K. Weitere Verschiebungen in der Trägerfrequenz erzeugen Strahlung von Strahlern K und L, L, L und M oder M. Im Hinblick auf die spaltenartige Anordnung der Strahler J sowie der Strahler K, L und M führt die Verschiebung in der Frequenz zu einer Verschiebung in der Aussendung der Signale von einer Spalte von Strahlern zu einer anderen Spalte von Strahlern. Dies stellt eine Verschiebung in dem Ort einer Beleuchtungsquelle für den Reflektor 86 mit einer entsprechenden Verschiebung in der Ausrichtung der von dem Antennensystem 70 aus Fig. 7 erzeugten Strahlungskeule dar. Durch Veränderung der Frequenz in Funktion des Ortes auf der Erde können Bodenstationen an jedem Ort auf die dem Ort zugeordnete spezifische Frequenz abgestimmt werden. In der Situation, in der der Satellit sich in einem geostationären Orbit bewegt, können dadurch Bodenstationen sowohl als Funktion der Strahlungskeulenposition als auch als Funktion der Strahlungsfrequenz ausgewählt werden, um die Möglichkeit zu minimieren, daß eine nicht beabsichtigte Station der Empfänger einer Nachricht ist.
• Im Betrieb sorgt das System 100 aus Fig. 10 für drei getrennte generelle Bereiche von Strahlungskeulenausrichtung, die den drei Bereichen 112, 114 und 116 der Vereinigten Staaten entsprechen, wie es in Fig. 7 identifiziert ist. Ein Verschwenken durch Verwendung der Antenne 102E und des Leistungsteilers 106, der an dem linken Ende des Trägers 104 angeordnet ist, sorgt für das Verschwenken der Fächerkeule 90E von Osten nach Westen innerhalb der Grenzen der östlichen Region 116. Gleichfalls sorgen die Antenne 102C und der Leistungsteiler 106 in der Mitte des Trägers 104 für ein Verschwenken der Fächerkeule 90C von Osten nach Westen innerhalb der Grenzen der mittleren Region 114. Und die Antenne 102W und der Leistungsteiler 106 an der rechten Seite des Trägers 104 sorgen für ein Verschwenken der Fächerkeule 90W von Osten nach Westen innerhalb der Grenzen der westlichen Region 112. Der Schalter 110 wirkt derart, daß er Signale von dem Sendeempfänger 78 zu einem ausgewählten der drei Leistungsteiler 106 koppelt. Die Verwendung eines gemeinsamen Trägers 104 für alle die Antennen 102 und für alle die Leistungsteiler 106 sorgt für eine kompakte Struktur, welche die Installation an Bord eines Satelliten erleichtert.
• Es gibt folglich zwei Arten, die Strahlungskeule auszurichten. Eine große Verschiebung von Region zu Region (die Regionen 112- 116 aus Fig. 7) wird durch Verwendung des Schalters 110 in Fig. 10 erreicht. Ein Verschwenken der Strahlungskeule innerhalb einer beliebigen der Regionen 112-116 wird durch Verschiebung der Frequenz des ausgesendeten Signales unter Verwendung des Wählers 82 (Fig. 6) erreicht.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist zu bemerken, daß die Ränder der ein Übertragungsband repräsentierenden Linienzüge die Ränder des nächsten Übertragungsbandes überlappen. Auf diese Weise kann es bei Strahlung mit einer Grenzlinienfrequenz zwischen den Frequenzantworten benachbarter Strahler gleiche Strahlung von zwei der Strahler geben, wie z.B. bei den Strahlern J und K in den Fig. 2 und 6. In einem solchen Falle haben die beiden von den benachbarten Strahlern abstrahlenden Signale gleiche Phase. Die Wirkung auf die abgestrahlte Strahlungskeule besteht darin, daß eine geringfügige Aufweitung der Strahlungskeule bei den Zwischenfrequenzen erzeugt wird, wenn die Strahlung von einem einzigen Strahler durch Strahlung von zwei den Reflektor speisenden Strahlern ersetzt wird.
• Unter Bezugnahme auf Details in der Konstruktion der Mikrostrip- Antennen verwendet jedes der hier offenbarten Ausführungsbeispiele eine Konstruktion mit dem selben Querschnitt, wie er für das Antennenelement 24 in Fig. 3 beschrieben wurde. Das Kissen eines Strahlers 50 hat eine Dicke von ungefähr sechs HF-Eindringtiefen, die für Gold bei einer Frequenz von 1 GHz (Gigahertz) ungefähr 0,6 mil beträgt. Exzessive Dicke wird wegen der Veränderung in der dem Zirkulator 52 durch den Strahler 50 dargebotenen Impedanz vermieden. Die Dicke der Erdungsebene 58 beträgt ebenfalls ungefähr sechs Eindringtiefen der abgestrahlten Strahlung. Um die Oberflächenwellen zu vermeiden, wenn die Platte 56 eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,3 aufweist, wie es bei einem Dielektrikum der Fall ist, das als eine Mischung aus Glasfasern mit einem fluorierten Kohlenwasserstoff wie z.B. Teflon gefertigt ist, sollte die Dicke der Tafel geringer als 0,09 Wellenlängen im freien Raum betragen. Wenn das Dielektrikum eine Keramik so wie Aluminiumoxid mit einer Dielektrizitätskonstante von 10 ist, dann sollte im Wege eines weiteren Beispieles die Dicke der Tafel weniger als 0,03 Wellenlängen im freien Raum betragen, um Oberflächenwellen zu vermeiden. Das dielektrische Material der Tafel kann geschmolzenes Siliziumoxid mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,825 sein, wobei bei einer Strahlungsfrequenz von 14,4 GHz und einer Freiraumwellenlänge von 20,83 mm (0,82 inch) die maximale Dicke der Tafel zur Vermeidung von Oberflächenwellen im Wege eines weiteren Beispieles 60 mil beträgt. Ein quadratisch geformter Strahler, wie z.B. der Strahler 62 aus Fig. 9 sollte Seitenabmaße aufweisen, die ungefähr der Hälfte einer Wellenlänge in dem Dielektrikum entsprechen. In dem vorstehenden Beispiel von Strahlung bei 14,4 GHz mißt jede Seite des Strahlers 62 4,32 mm (0,170 inch).
• Als ein Beispiel für die Konstruktion des Antennensystemes 70 aus Fig. 7 bei einer Strahlungsfrequenz von 1,55 GHz erstreckt sich der Reflektor 86 über 9144 mm (360 inch) in der vertikalen Richtung, über 12192 mm (480 inch) in der horizontalen Richtung und weist eine fokale Länge von 7112 mm (280 inch) auf. Die Arrayantenne 66 ist gegenüber dem Fokus mm 2540 mm (100 inch) versetzt und kann aus 96 Mikrostrip-Kissenantennen gebildet sein, die von einander um 138,89 mm (5,468 inch) beabstandet sind. Jede der vier spektralen Zonen in Fig. 5 hat eine Breite von 2,25 MHz.
• Unter Bezugnahme auf die Konstruktion der Ferritzirkulatoren 52 aus Fig. 2 beträgt der Außendurchmesser des Zirkulators 52 bei 10 GHz 5,08 mm (0,2 inch). Bei 5 GHz beträgt der Durchmesser 9,40 mm (0,370 inch) und bei 1,55 GHz ist der Durchmesser 17,27 mm (0,68 inch), wobei diese Durchmesser weniger als zwei Zehntel der Strahlungswellenlänge betragen.
• Das Mikrostrip-Antennensystem gemäß der Erfindung sorgt für eine kompakte Struktur, die leicht auf einem Fahrzeug zu entfalten ist, für eine genaue Kontrolle der elektrischen Charakteristiken mit Präzisionstoleranzen gefertigt werden kann, und leicht zur Bildung und Steuerung einer Strahlungskeule zu betreiben ist. Durch Verwendung von einer Vielzahl von Leistungsteilern wird die Erfindung leicht mit einem Reflektor für selektives Überstreichen vorbestimmter Gebiete auf der Erdoberfläche verwendet, um so die elektrische Kommunikation über Satellit zu erleichtern.

Claims (10)

1. Antennensystem (20; 70; 100), mit:

- einem Array (22; 66; 102) von Mikrostrip-Antennenelementen (24; 68; 94; 98), wobei jedes Element (24; 68; 94; 98) einen ersten Strahler (50J), einen zweiten Strahler (50K) und einen Zirkulator (52D) umfaßt,

- Mittel (36; 72; 106) zur Leistungsteilung, die an einen Eingangsanschluß (46) eines jeden der Antennenelemente (24; 68; 94; 98) angeschlossen sind, und wobei

- in jedem der Elemente (24; 68; 94; 98) der Zirkulator (52D) eine Vielzahl von Toren (D1, D2, D3) aufweist, wobei ein erstes der Tore (D1) an dem Eingangsanschluß (46) mit den Mitteln (36; 72; 106) zur Leistungsteilung eine Verbindung herstellt, ein zweites der Tore (D2) eine Verbindung mit dem ersten Strahler (50J) herstellt und ein drittes der Tore (D3) eine Verbindung mit dem zweiten Strahler (50K) herstellt,

- in jedem der Elemente (24; 68; 94; 98) der zweite Strahler (50K) derart wirkt, daß er in einem zweiten Frequenzband (K) strahlt, das oberhalb eines ersten Strahlungsfrequenzbandes (J) des ersten Strahlers (50J) liegt, wobei der erste Strahler (50J) Strahlung des zweiten Frequenzbandes (K) über den Zirkulator (52D) zu dem zweiten Strahler (50K) reflektiert,

- die Mittel (36; 72; 106) zur Leistungsteilung die Frequenzbänder (J, K) beider Strahler (50J, 50K) besetzende Strahlung Liber den Zirkulator (52D) in jedem der Antennenelemente (24; 68; 94; 98) in Richtung des Eingangsanschlusses (32) in jedem der Elemente (24; 68; 94; 98) überträgt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (36; 72; 106) zur Leistungsteilung eine Phasenschiebervorrichtung (30) umfassen, die mit dem Eingangsanschluß (32) eines jeden der Antennenelemente (24; 68; 94; 98) eine Verbindung herstellt, wobei die Mittel (36; 72; 106) zur Leistungsteilung ein gemeinsam die Frequenzbänder (J, K) beider Strahler besetzendes breitbandiges Signal übertragen und die Phasenschiebervorrichtung (30) derart wirkt, daß sie eine von dem Array (22; 166; 102) in einer vorbestimmten Richtung abstrahlende Strahlungkeule (90) bildet.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Elemente (24; 68; 94; 98) einen dritten Strahler (50L) und einen zweiten Zirkulator (52E) umfaßt, wobei der zweite Zirkulator (52E) den zuerst erwähnten Zirkulator (52D) mit dem zweiten Strahler (50K) verbindet, der zweite Zirkulator (50E) eine Vielzahl von Toren (E1, E2, E3) aufweist, ein erstes der Tore (E1) des zweiten Zirkulators (52E) eine Verbindung zu dem dritten Tor (D3) des ersten Zirkulators (52D) herstellt, das zweite Tor (E2) des zweiten Zirkulators (52E) eine Verbindung mit dem zweiten Strahler (50K) herstellt, und ein drittes Tor (E3) des zweiten Zirkulators (53E) eine Verbindung mit dem dritten Strahler (50L) herstellt, und

-daß der dritte Strahler (50L) derart wirkt, daß er in einem dritten Frequenzband (L) abstrahlt, das höher liegt als das zweite Frequenzband (K), wobei der zweite Strahler (50K) Strahlung aus dem dritten Band (L) über den zweiten Zirkulator (52E) zu dem dritten Strahler (50L) reflektiert und die Mittel (36; 72; 106) zur Leistungsteilung Strahlung übertragen, die gleichzeitig oder nacheinander das erste und das zweite sowie das dritte Frequenzband (J, K, L) besetzt.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (86) das Array (102) von Antennenelementen in Phase setzt, um von dem Array (102) von Antennenelementen beleuchtet zu werden und eine Strahlungskeule (90) zu formen, und wobei

- die Mittel (106) zur Leistungsteilung eine Folge von schmalbandigen Strahlungssignalen übertragen, wobei ein erstes der schmalbandigen Signale in dem ersten Frequenzband auftaucht und ein zweites der schmalbandigen Signale in dem zweiten Frequenzband folgt, und

- die Frequenz des Strahlungssignales in jedem der Bänder derart wirkt, daß sie eine Beleuchtungsstelle des Reflektors (86) von einem Antennenelement zu einem anderen Antennenelement verschiebt, um die Strahlungskeule (90) zurückzuleiten, wobei Richtungen der Strahlungskeule (90) mit der Frequenz des schmalbandigen Signales differieren, um als Folge einer Verschiebung der Frequenz des schmalbandigen Signales eine abgelenkte Strahlungskeule (90) zu erzeugen.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Leistungsteilung eine Vielzahl von Leistungsteilern (106) umfassen und das Array (102) von Antennenelementen eine Vielzahl von Unterarrays (102E, 102C, 102W) an Antennenelementen umfaßt, wobei ein erster der Leistungsteiler (106) mit einem ersten der Unterarrays (102E) verbunden ist und ein zweiter der Leistungsteiler (106) mit einem zweiten der Unterarrays (102C) verbunden ist, wobei das zweite Unterarray (102C) gegenüber dem ersten Unterarray (102E) um einen Fokus (88) des Reflektors (86) versetzt ist, um die Strahlungskeule (90) infolge einer Verschiebung bei der Beleuchtung des Reflektors (86) von dem ersten Unterarray (102E) auf das zweite Unterarray (102C) zurückzulenken.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungskeulen formende Mittel Mittel (108, 110) aufweisen, um wahlweise individuelle der Leistungsteiler (106) zur Steuerung der Strahlungskeule (90) zu aktivieren.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- in jedem der Antennenelemente (24; 68; 94; 98) die Zirkulatoren Ferrit-Zirkulatoren (52) sind, und

- jedes der Antennenelemente (24; 68; 94; 98) eine Erdungsebene (58) und eine auf der Erdungsebene (58) angeordnete dielektrische Platte (26) umfaßt, wobei jeder der Strahler (50) auf der Platte (26) auf einer ihrer der Erdungsebene (58) entgegengesetzten Seite ruht, die Strahler (50) als metallische Flächen ausgebildet sind, die durch metallische Streifenleiter (60) mit den Zirkulatoren (52) verbunden sind, und wobei die Abmaße der Flächen von jeweiligen Strahlern (50) sich unterscheiden, um verschiedene Werte von Strahlungsfrequenzbändern (J, K, L, M) der jeweiligen Strahler (50) bereitzustellen.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler (62) eine rechtwinklige Form aufweisen.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler (62) eine guadratische Form aufweisen.

10. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Strahler (62) mit einem Schlitz (64) versehen ist, der bezogen auf eine Seite des Strahlers (62) diagonal ausgerichtet ist, wobei der Schlitz (64) elektromagnetischen Wellen eine zirkulare Polarisationscharakteristik verleiht, die von dem Strahler (62) ausgestrahlt werden.