DE69017622T2 - Level waveguide array antenna with L-shaped series / series coupling slots. - Google Patents
Level waveguide array antenna with L-shaped series / series coupling slots.Info
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Antennen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung schlitzgekoppelte ebene Wellenleiter-Gruppenantennen.The present invention relates to antennas. More particularly, the present invention relates to slot-coupled planar waveguide array antennas.
Ebene Gruppenantennen, wie sie zum Beispiel in der US- A-4821044 offenbart sind, werden für eine große Anzahl von Radaranwendungen verwendet. Eine typische ebene Gruppenantenne beinhaltet eine Dipolreihe von koplanaren Abstrahlungselementen oder -schlitzen in einem Wellenleiterstrahler. Den Wellenleiterstrahlern wird mittels einem Zuführungswellenleiter, der unterhalb der Gruppe der Wellenleiterstrahler und quer dazu verläuft, so daß sich dort ein Teilen eines Bereichs einer Breitwand ergibt, Mikrowellenenergie zugeführt.Planar array antennas, such as those disclosed in US-A-4821044, are used for a wide range of radar applications. A typical planar array antenna comprises a dipole array of coplanar radiating elements or slots in a waveguide radiator. Microwave energy is supplied to the waveguide radiators by means of a feed waveguide which extends beneath the array of waveguide radiators and across it so as to divide a region of a wide screen there.
Ein Schlitzkoppeln ist ein häufig verwendetes Verfahren zum Einkoppeln von Energie aus dem Zuführungswellenleiter zu den Wellenleiterstrahlern. Dies ist in Fig. 1 dargestellt, welche eine typische herkömmliche Gruppenantenne zeigt. Ein Schlitzkoppeln hat eine Übertragung von Energie durch einen Schlitz in einer Breitwand des Zuführungswellenleiters durch einen in der Breitwand des Wellenleiterstrahlers zugeordneten Schlitz zur Folge. Energie wird dem Zuführungswellenleiter typischerweise mittels eines Eingangswellenleiters (nicht gezeigt) zugeführt, der sich an irgendeinem Ende des Zuführungswellenleiters oder irgendwo entlang seiner Länge befindet, zugeführt. In der Antenne in Fig. 1 befindet sich der Kopplungsschlitz mittig, geneigt in der gemeinsamen Breitwand und die Abstrahlungsschlitze befinden sich in Längsrichtung und relativ dazu versetzt.Slot coupling is a commonly used method of coupling energy from the feed waveguide to the waveguide radiators. This is illustrated in Fig. 1, which shows a typical conventional array antenna. Slot coupling entails transfer of energy through a slot in a broadwall of the feed waveguide through a slot associated with the broadwall of the waveguide radiator. Energy is typically supplied to the feed waveguide by means of an input waveguide (not shown) located at either end of the feed waveguide or anywhere along its length. In the antenna in Fig. 1, the coupling slot is centrally located, inclined, in the common broadwall and the radiating slots are longitudinally and offset relative thereto.
Bei ebenen Antennen sind die Abstrahlungsschlitze im wesentlichen Kurzschluß-(Parallel)-Elemente. Somit sind die Kurzschlußelemente über das erste und letzte Abstrahlungselement hinaus in Abständen angeordnet, die gleich einem Viertel der Wellenlänge in dem Wellenleiter (an welchem die Antenne betrieben wird) sind, um den Wellenleiterstrahler geeignet abzuschließen und ein erwünschtes Abstrahlungsmuster zu erzielen. Die Koppelschlitze sind jedoch Serienelemente. Diese Schlitze in dem Zuführungswellenleiter müssen sich über den ersten und letzten Koppelschlitz hinaus in Abständen befinden, die gleich einem halben Leiten der Wellenlänge sind, an welcher die Antenne betrieben wird, um eine optimale, wirkungsvolle Ausgangskopplung und das erwünschte Abstrahlungsmuster zu erzielen. Daher kann es zum geeigneten Beabstanden der Kurzschlußelemente notwendig sein, den Zuführungswellenleiter zu verlängern.In planar antennas, the radiating slots are essentially short-circuit (parallel) elements. Thus, beyond the first and last radiating elements, the short-circuit elements are arranged at intervals equal to one quarter of the wavelength in the waveguide (on which the antenna is operated) to properly terminate the waveguide radiator and achieve a desired radiation pattern. However, the coupling slots are series elements. These slots in the feed waveguide must be spaced beyond the first and last coupling slots at intervals equal to one-half of the wavelength at which the antenna is operated to achieve optimum, effective output coupling and the desired radiation pattern. Therefore, to properly space the shorting elements, it may be necessary to extend the feed waveguide.
Jedoch ist es aufgrund von Raumzwängen oft erforderlich, die Enden der Zuführungswellenleiter zu falten, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Dies erhöht das Gewicht und die Kosten, die mit ebenen Gruppenantennen verbunden sind. Des weiteren ist in vielen Fällen der gefaltete Kurzschluß zu weiteren Raumersparnissen in einem konischen Wellenleiterbereich ausgeführt. Unglücklicherweise verhält sich der Schlitz unter einem konischen Bereich nicht wie ein Serienelement. Daher ist die Wirkungsweise solcher Schlitze schwer vorhersagbar.However, due to space constraints, it is often necessary to fold the ends of the feed waveguides, as shown in Fig. 1. This increases the weight and cost associated with planar array antennas. Furthermore, in many cases the folded short is implemented in a tapered waveguide section to further save space. Unfortunately, the slot under a tapered section does not behave as a series element. Therefore, the operation of such slots is difficult to predict.
Somit besteht ein technischer Bedarf nach einer Alternative zu der Verwendung von gefalteten Zuführungswellenleitern, welche einen leichtgewichtigen, kostenniedrigen schlitzgekoppelten Gruppenantennenaufbau schaffen würde.Thus, there is a technical need for an alternative to the use of folded feed waveguides which would provide a lightweight, low-cost slot-coupled array antenna structure.
Der technische Bedarf richtet sich auf eine erfindungsgemäße Gruppenantenne, welche eine Gruppe von Wellenleiterstrahlern, wobei jeder Wellenleiterstrahler eine Längsachse entlang seiner Mittellinie aufweist, undThe technical need is directed to an array antenna according to the invention, which comprises a group of waveguide radiators, each waveguide radiator having a longitudinal axis along its center line, and
einen zu den Wellenleiterstrahlern rechtwinkligen und mit ihnen gekoppelten Zuführungswellenleiter aufweist, der eine Längsachse entlang seiner Mittelinie aufweist,a feed waveguide perpendicular to and coupled to the waveguide radiators, which has a longitudinal axis along its center line,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführungswellenleiter mindestens mit einem der Wellenleiterstrahler mittels eines L-förmigen Koppelschlitzes gekoppelt ist, wobei dieser Koppelschlitz einen ersten Bereich aufweist, der im wesentlichen rechtwinklig zu einem zweiten Bereich davon verläuft, wobei sich der erste Bereich des L-förmigen Schlitzes auf der Mittellinie des Zuführungswellenleiters befindet und parallel zu dessen Längsachse verläuft und sich der zweite Bereich des L-förmigen Schlitzes auf der Mittellinie eines zugehörigen Wellenleiterstrahlers befindet und parallel zu dessen Längsachse verläuft.characterized in that the feed waveguide is connected to at least one of the waveguide radiators by means of a L-shaped coupling slot, said coupling slot having a first portion substantially perpendicular to a second portion thereof, said first portion of said L-shaped slot being located on the centerline of said feed waveguide and parallel to its longitudinal axis, and said second portion of said L-shaped slot being located on the centerline of an associated waveguide radiator and parallel to its longitudinal axis.
In der Zeichnung zeigen:In the drawing show:
Fig. 1 eine typische herkömmliche Gruppenantenne.Fig. 1 a typical conventional group antenna.
Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene Ansicht einer Gruppenantenne, die gemäß den vorliegenden Lehren aufgebaut ist.Fig. 2 is a partially broken away view of an array antenna constructed in accordance with the present teachings.
Fig. 3 eine sich teilweise im Schnitt befindliche aufgebrochene Ansicht der Gruppenantenne in Fig. 2, die den Zuführungswellenleiter, den Wellenleiterstrahler und einen dazwischenliegenden L-förmigen Koppelschlitz zeigt.Fig. 3 is a partially sectioned, broken away view of the array antenna in Fig. 2 showing the feed waveguide, the waveguide radiator and an L-shaped coupling slot therebetween.
Fig. 4 einen Graph von typischen Kopplungskoeffizienten des L-förmigen Koppelschlitzes zu dessen diagonaler Schlitzlänge zeigt.Fig. 4 shows a graph of typical coupling coefficients of the L-shaped coupling slot to its diagonal slot length.
Fig. 5 eine schematische Darstellung des L-förmigen Koppelschlitzes in bezug auf einen Wellenleiterstrahler und einen Zuführungswellenleiter gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.Fig. 5 is a schematic representation of the L-shaped coupling slot in relation to a waveguide radiator and a feed waveguide in accordance with the teachings of the present invention.
Fig. 6 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht eines Flugkörpers, der mit der Gruppenantenne der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.Fig. 6 is a partially broken away perspective view of a missile constructed with the array antenna of the present invention.
Veranschaulichende Ausführungsbeispiele und beispielhafte Anwendungen werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung zu offenbaren.Illustrative embodiments and exemplary applications will now be described with reference to the accompanying drawings in order to disclose the advantageous teachings of the present invention.
Fig. 1 zeigt eine schlitzgekoppelte ebene Gruppenantenne 10' eines herkömmlichen Aufbaus. Die Antenne 10' beinhaltet eine Gruppe 11' von Wellenleiterstrahlern 12'. Die Gruppe 11' besteht aus einer Gruppe von Rechteck-Wellenleitern 12', die Seite an Seite plaziert sind, so daß Nachbarn sich eine gemeinsame Breitwand teilen. Die Wellenleiterstrahler 12' werden in Quadranten von Zuführungswellenleitern 14', 16', 18' und 20' versorgt, wie es technisch üblich ist. Die Zuführungswellenleiter liegen oberhalb und quer zu den Wellenleiterstrahlern. Energie aus dem Zuführungswellenleiter wird mittels einer Mehrzahl von versetzten sich in Längsrichtung befindlichen Abstrahlungsschlitzen 13' aus den Wellenleiterstrahlern abgestrahlt. Der erste und letzte Abstrahlungsschlitz in einem Abstrahlungsleiter, befindet sich in einem Abstand von kg/4 von dem kurzgeschlossenen Ende des Wellenleiters 12', um einen geeigneten Abschluß zu schaffen, wobei, da es hierin verwendet wird, kg die Wellenlänge der Energie innerhalb des Wellenleiters ist.Fig. 1 shows a slot-coupled planar array antenna 10' of conventional construction. The antenna 10' includes an array 11' of waveguide radiators 12'. The array 11' consists of an array of rectangular waveguides 12' placed side by side so that neighbors share a common widescreen. The waveguide radiators 12' are fed in quadrants by feed waveguides 14', 16', 18' and 20' as is conventional in the art. The feed waveguides are located above and across the waveguide radiators. Energy from the feed waveguide is radiated from the waveguide radiators by means of a plurality of offset longitudinal radiating slots 13'. The first and last radiating slots in a radiating guide are located at a distance of kg/4 from the shorted end of the waveguide 12' to provide a suitable termination, where, as used herein, kg is the wavelength of energy within the waveguide.
Jeder Zuführungswellenleiter ist mittels einer Mehrzahl von Koppelschlitzen 22', die unsichtbar gezeigt sind, mit den Wellenleiterstrahlern gekoppelt. Die Koppelschlitze sind relativ zu den Längsachsen des Leiters geneigt. Die Zuführungswellenleiter weisen bei kg/2 über den ersten und letzten Kopplungsschlitz hinaus zum geeigneten Abschließen Kurzschlüsse auf. Die Enden der Zuführungswellenleiter sind, wie es technisch üblich ist, aufgrund von Raumbegrenzungen gefaltet. Die gefalteten Bereiche 24' sind teuer in der Herstellung und erhöhen das Gewicht der Antenne. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Bedarf nach gefalteten Bereichen von herkömmlichen schlitzgekoppelten ebenen Gruppenantennen zu beseitigen.Each feed waveguide is coupled to the waveguide radiators by means of a plurality of coupling slots 22', shown out of sight. The coupling slots are inclined relative to the longitudinal axes of the guide. The feed waveguides are shorted at kg/2 beyond the first and last coupling slots for appropriate termination. The ends of the feed waveguides are folded due to space limitations, as is common in the art. The folded portions 24' are expensive to manufacture and increase the weight of the antenna. It is the object of the present invention to eliminate the need for folded portions of conventional slot-coupled planar array antennas.
Fig. 1 zeigt ebenso den konischen Bereich 26', der häufig in Verbindung mit der Verwendung der Falte 24' verwendet wird. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Bedarf nach einer Verwendung eines konischen Bereichs in Verbindung mit herkömmlichen schlitzgekoppelten ebenen Gruppenantennen zu beseitigen.Fig. 1 also shows the conical portion 26' which is often used in conjunction with the use of the fold 24'. It is a further object of the present invention to to eliminate the need for using a conical section in conjunction with conventional slot-coupled planar array antennas.
Fig. 2 zeigt eine teilweise aufgebrochene schlitzgekoppelte ebene Gruppenantenne 10, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Entwurf und der Aufbau der Antenne 10 ist mit Ausnahme dessen der gleiche wie der einer herkömmlichen Antenne, daß die gefalteten Bereiche 24' mittels des Verwendens der L-förmigen Koppelschlitze 30 beseitigt sind. Die L-förmigen Koppelschlitze 30 befinden sich kg/2 über den ersten und letzten geneigten Koppelschlitz 22 (von denen alle bis auf einen unsichtbar gezeigt sind) hinaus. Diese Plazierung wird aufgrund der Tatsache ermöglicht, daß die L-förmigen Koppelschlitze es ermöglichen, daß der Kurzschluß an dem L-förmigen Schlitz plaziert werden kann. Dies ermöglicht es ebenso, daß der L- förmige Schlitz den konischen Bereich 26' ersetzt.Fig. 2 shows a partially broken away slot-coupled planar array antenna 10 constructed in accordance with the teachings of the present invention. The design and construction of the antenna 10 is the same as that of a conventional antenna except that the folded portions 24' are eliminated by using the L-shaped coupling slots 30. The L-shaped coupling slots 30 are located ½ of the first and last inclined coupling slots 22 (all but one of which are shown out of sight). This placement is made possible by the fact that the L-shaped coupling slots allow the short to be placed at the L-shaped slot. This also allows the L-shaped slot to replace the tapered portion 26'.
Wie es in der sich teilweise im Schnitt befindlichen aufgebrochenen Ansicht in Fig. 3 deutlicher gezeigt ist, weist der L-förmige Koppelschlitz 30 einen ersten Bereich 32 auf, der parallel zu der Längsachse des Zuführungswellenleiters 20 auf dessen Mittellinie verläuft. Der Koppelschlitz 30 weist einen zu dem ersten Bereich 32 rechtwinkligen zweiten Bereich 34 auf, welcher parallel zu der Längsachse des Wellenleiterstrahlers 12 und auf dessen Mittellinie verläuft.As shown more clearly in the partially sectioned, broken away view of Fig. 3, the L-shaped coupling slot 30 has a first portion 32 that runs parallel to the longitudinal axis of the feed waveguide 20 on the centerline thereof. The coupling slot 30 has a second portion 34 perpendicular to the first portion 32 that runs parallel to the longitudinal axis of the waveguide radiator 12 and on the centerline thereof.
Der L-förmige Schlitz ist ein Serienelement, da der diagonale Bereich des Schlitzes ein Serienelement ist und das mittige Längsteil ein Parasitärelement ist, welches die Resonanzlängenbedingung erfüllt. Deshalb ist der L-förmige Koppelschlitz ein Serien/Serien-Koppelschlitz. Das mittige sich in Längsrichtung befindliche Parasitärelement trägt nicht zu der vorwärtigen und rückwärtigen Verbreitung des TE&sub1;&sub0;-Wellentyps in dem Wellenleiter bei, sondern dient dazu, die Resonanzlängenbedingung des L-förmigen Schlitzes zu erfüllen. Die gleichzeitige Resonanz ermöglicht ein Steuern des Erregungsbetrags und die Plazierung des Kurzschlusses an dem Schlitz. Der Betrag der Kopplung oder Erregung kann mittels eines Änderns des Verhältnisses der Längen des ersten und zweiten Bereichs 32 und 34 des Schlitzes gemäß einer besonderen Anwendung gesteuert werden.The L-shaped slot is a series element because the diagonal portion of the slot is a series element and the central longitudinal portion is a parasitic element that satisfies the resonance length condition. Therefore, the L-shaped coupling slot is a series/series coupling slot. The central longitudinal parasitic element does not contribute to the forward and backward propagation of the TE₁₀ mode in the waveguide, but serves to to satisfy the resonant length requirement of the L-shaped slot. The simultaneous resonance allows controlling the amount of excitation and placement of the short circuit at the slot. The amount of coupling or excitation can be controlled by changing the ratio of the lengths of the first and second portions 32 and 34 of the slot according to a particular application.
Die Abmessungen werden für eine erwünschte Kopplung an der Betriebsfrequenz von Interesse gewählt. Typische Abmessungen für einen L-förmigen Koppelschlitz, der gemäß den vorliegenden Lehren aufgebaut ist, werden zum Beispiel nachstehend gezeigt:The dimensions are chosen for desired coupling at the operating frequency of interest. For example, typical dimensions for an L-shaped coupling slot constructed in accordance with the present teachings are shown below:
a1 = a2 = 23mm (0.9")a1 = a2 = 23mm (0.9")
b1 = b2 = 5mm (0.2")b1 = b2 = 5mm (0.2")
l1 = 11.8mm (0.465")l1 = 11.8mm (0.465")
L2 = 6.22mm (0.245")L2 = 6.22mm (0.245")
Schlitzbreite = 0.76mm (0.03")Slot width = 0.76mm (0.03")
Betriebsfrequenz = 9.13 GHz.Operating frequency = 9.13 GHz.
Die Tatsache, daß der Übertragungskoeffizient S&sub1;&sub2; zwischen einer Öffnung 1 und Öffnung 2 die gleiche Höhe und Phase wie der Übertragungskoeffizient S&sub1;&sub4; zwischen der Öffnung 1 und einer Öffnung 4 aufweist, weist nach, daß der L- förmige Schlitz ein guter Serien/Serien-Koppelschlitz ist. Die Resonanzschlitzlänge lres = l&sub1; + l&sub2; bleibt für eine vorgegebene Frequenz konstant. Der Kopplungsbetrag erhöht sich jedoch, wenn sich die diagonale Schlitzlänge l&sub2; erhöht. Dies ist in Fig. 4 dargestellt, welche einen Graph von typischen Kopplungskoeffizienten des L-förmigen Koppelsschlitzes 30 zu dessen diagonaler Schlitzlänge L&sub2; zeigt.The fact that the transmission coefficient S₁₂ between an opening 1 and an opening 2 has the same magnitude and phase as the transmission coefficient S₁₄ between the opening 1 and an opening 4 proves that the L-shaped slot is a good series/series coupling slot. The resonant slot length lres = l₁ + l₂ remains constant for a given frequency. However, the amount of coupling increases as the diagonal slot length l₂ increases. This is illustrated in Fig. 4, which shows a graph of typical coupling coefficients of the L-shaped coupling slot 30 to its diagonal slot length L₂.
Es ist anzumerken, daß die Phase der aus dem Leiterstrahler 12 abgestrahlten Energie mittels eines Drehens des l&sub2;-Zweigs des L-förmigen Schlitzes 30 um die Mittellinie des Zuführungswellenleiters 20 herum, wie es unsichtbar in der schematischen Darstellung in Fig. 5 gezeigt ist, um 180 Grad geändert werden würde.It should be noted that the phase of the energy radiated from the conductor radiator 12 can be adjusted by rotating the l₂ branch of the L-shaped slot 30 about the center line of the feed waveguide 20, as shown invisibly in the schematic representation in Fig. 5, would be changed by 180 degrees.
bei einer typischen Anwendung würde die Antenne 10 der vorliegenden Erfindung in einem Flugkörper 100 ausgeführt sein, wie es in der aufgebrochenen perpektivischen Ansicht in Fig. 6 gezeigt ist. Der Flugkörper 100 beinhaltet ein Gehäuse 110 über einem nicht gezeigten Rahmen. Ebenso sind herkömmliche Antriebs- und Lenksysteme nicht gezeigt, aber beinhaltet.In a typical application, the antenna 10 of the present invention would be embodied in a missile 100 as shown in the broken away perspective view in Figure 6. The missile 100 includes a housing 110 over a frame, not shown. Also, conventional propulsion and guidance systems are not shown but are included.
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