DE977679C

DE977679C - Richtantenne fuer Hoechstfrequenzwellen

Info

Publication number: DE977679C
Application number: DEC20286A
Authority: DE
Inventors: Roger Dumanchin; Jean Robieux
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1959-12-04
Filing date: 1959-12-04
Publication date: 1968-05-02

Description

AUSGEGEBEN AM 2. MAI 1968

C 20286IX dj 21 α*

Bekanntlich besteht das Problem, Richtantennen mit einstellbarem Richtstrahl zu schaffen, insbesondere Antennen dieser Art, bei denen der Strahl ohne Zuhilfenahme mechanischer Einrichtungen gerichtet werden kann. Dies ist insbesondere dort der Fall, wo eine Abtastung des Raums in einer sehr kurzen Zeit erfolgen soll.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne dieser Art, die darüber hinaus noch den Vorteil bietet, daß sie auf die Oberfläche eines schnellen Fahrzeugs oder eines Tragflügels aufgebracht werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung enthält:

einen Speisehohlleiter, einen entlang der Achse des Hohlleiters angeordneten Ferritstab und eine Wicklungsanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Richtung der Ferritachse;

Einrichtungen zur Veränderung der Stärke dieses Feldes;

eine Anordnung von Leitungen mit strahlenden Unstetigkeiten, die in gleichen Abständen parallel zueinander angeordnet sind, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um diese Leitungen an den Hohlleiter anzukoppeln. Vorzugsweise sind die Übertragungsleitungen Mikrobandleitungen, die nach der Technik der gedruckten Schaltungen hergestellt sind, und die strahlenden Unstetigkeiten bestehen aus Leitungsabschnitten, die seitlich gegen die Hauptleitung versetzt sind, und die entsprechend der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung »Flachantenne« der gleichen Patentinhaberin ausgeführt sind.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Unstetigkeiten einer Leitung in bezug auf diejenigen der benachbarten Leitung der-

809 544/6

art versetzt, daß die scheinbare Phasengeschwindigkeit der abgestrahlten Welle in einer Richtung parallel zu dem Hohlleiter größer als die Lichtgeschwindigkeit ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

Fig. ι eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Antenne,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Antenne,

Fig. 3 eine Oberansicht eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise,

Fig. 5 eine Oberansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise,

Fig. 7 eine Antenne, die an den Tragflächen eines schnellen Luftfahrzeugs angebracht ist,

Fig. 8 ein Betriebsschema einer Anordnung, welche die Feststellung der Strahlungsrichtung ermöglicht, und

Fig. 9 ein drittes Ausführungsbeispiel im Längsschnitt.

In Fig. ι ist ein Rechteckhohlleiter 1 perspektivisch dargestellt. In seiner Achse ist ein Ferritstab 2 angeordnet. Eine Wicklungsanordnung 3, die rings um den Hohlleiter verläuft, erzeugt in diesem ein Feld H, das gleichfalls in Richtung seiner Achse verläuft.

Eine Anzahl von Mikrobandleitungen 6 ist senkrecht zur Achse des Hohlleiters in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Diese Leitungen sind mit dem Hohlleiter über Kopplungsstifte 4 gekoppelt, und der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Leitungen beträgt—, wobei X die Wellenlänge der sich im Hohlleiter ausbreitenden Welle im freien Raum ist.

Die Leitungen sind in bekannter Weise ausgeführt, jedoch enthalten sie in Abständen von X_s (wobei X_s die Wellenlänge in der Mikrobandleitung ist) strahlende Unstetigkeiten 7. Diese Unstetigkeiten sind dadurch gebildet, daß das Band der Leitung seitlich "versetzt ist.

In dem Querschnitt von Fig. 2 ist zu erkennen, wie die Kopplung zwischen jedem Mikroband 6 und dem Hohlleiter 1 erfolgt.

Die Gesamtheit der Mikrobandleitungen enthält eine Metallfläche 5, die allen Mikrobandleitungen gemeinsam ist und über metallische Zwischenstücke 9 auf den Breitseiten des Hohlleiters 1 aufliegt. Jedes Zwischenstück 9 besitzt in der Mittelebene der Breitseite des Hohlleiters eine zylindrische Ausnehmung 10, welche den Außenleiter einer Koaxialleitung bildet, deren Innenleiter durch eine senkrecht zur Breitseite verlaufende Sonde 4 gebildet ist. Die Bänder 6 der Mikrobandleitungen sind von der Metallfläche 5 durch eine dielektrische Schicht 11 getrennt, die zugleich die Ausnehmung 10 verschließt. Diese Schicht 11 bedeckt die gesamte Fläche 5.

Fig. 3 zeigt in Oberansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne.

In dieser Zeichnung erkennt man vier Mikrobandleitungen 61, 62, 63, 64. Auf diesen Mikrobandleitungen erkennt man die Unstetigkeiten 7, die etwa im Abstand X_s derartig angeordnet sind, daß eine gleichphasige Abstrahlung erzeugt wird. Ferner sind sämtliche Unstetigkeiten der verschiedenen Mikrobandleitungen in Kolonnen angeordnet. Die Mikrobandleitungen liegen in gleichmäßigen Abständen, und der Abstand zwischen einer Leitung und der nächsten Leitung ist gleich oder

kleiner als —, wobei X die Wellenlänge der sich im

Hohlleiter 1 ausbreitenden Welle in der Luft ist. Sämtliche Leitungen liegen parallel zueinander und senkrecht zur Achse des Hohlleiters 1. Es soll nun die Wirkungsweise dieser Anordnung untersucht werden. Es läßt sich zeigen, daß eine derart gebildete Antenne entlang einer Geraden abstrahlt.

Wenn zunächst eine der Leitungen 61, 62, 63 bzw. 64 betrachtet wird, läßt sich feststellen, daß die in den Abständen X_s liegenden Unstetigkeiten 7 alle gleichphasig gespeist werden. Dies hat zur Folge, daß die Abstrahlung jeder dieser Leitungen und daher auch die Abstrahlung der Gesamtanordnung in ihrer Mittelebene erfolgt, d. h. in der go Mittelebene der Breitseite des Hohlleiters.

Nun soll untersucht werden, wie die Abstrahlung in dieser Ebene erfolgt. Es ist bekannt, daß ein in einem Hohlleiter angeordnetes Ferritstück, das unter der Wirkung eines Längsmagnetfeldes steht, die Verteilung der elektrischen Feldlinien in dem Hohlleiter und dementsprechend die Phasengeschwindigkeit der Welle in dem Hohlleiter verändert,· diese Phasengeschwindigkeit wird dann eine Funktion des erzeugten Magnetfeldes.

Es läßt sich zeigen, daß diese Phasengeschwindigkeit eine mit dem Feld, d. h. mit dem durch die Wicklungen fließenden Strom I wachsende Funktion ist.

Die Kurve, welche diese Funktion darstellt, ist in Fig. 4 gezeigt. Es ist zu erkennen, daß die Funktion nicht eindeutig ist, d. h., daß jedem Wert von / nicht ein einziger Wert von V_g (Phasengeschwindigkeit der Welle in dem Hohlleiter) entspricht.

Es sei zunächst angenommen, daß unter den Betriebsbedingungen der Antenne V_e größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, d. h. daß l_g größer als X ist. Dies hat zur Folge, daß die Antenne eine maximale Richtwirkung in einer Richtung besitzt, die einen Winkel 6>₉<C— mit der Achse des Hohlleiters einschließt, wobei dieser Winkel durch cos <9₂ = -γ- gegeben ist.

Ag

Dies hat zur Folge, daß die Antenne eine maximale Richtwirkung in derjenigen Achse der Symmetrieebene besitzt, welche den Winkel 6>₂ mit dem Hohlleiter einschließt.

Unter der Annahme, daß durch die Anwesenheit des Ferrits 2 in dem Hohlleiter 1 die Welle so stark verzögert wird, daß X_s kleiner als X ist, ist das zu-

vor Gesagte nicht mehr gültig. In Wirklichkeit ist τ- größer als Eins, und die Antenne von Fig. 3

Ag

kann daher nicht strahlen.

Um dennoch den zuvor diskutierten Fall zu erzielen, ist es erforderlich, die scheinbare Phasengeschwindigkeit der Welle in der Richtung der Hohlleiterachse künstlich größer als die Lichtgeschwindigkeit zu machen. Dies läßt sich sehr klar an Hand von Fig. 6 verstehen, in der die Änderungen der Phase φ der sich in dem Hohlleiter ausbreitenden Welle als Funktion von Z dargestellt sind, wobei Z die Abszisse eines Punktes ist, der auf der Hohlleiterachse liegt, wenn die Abszisse in der Ausbreitungsrichtung der Welle gezählt wird. Bekanntlich läßt sich eine Welle durch folgenden Ausdruck darstellen:

Daraus ergibt sich

Die Kurve φ = f (Z) ist also eine Gerade, deren Neigung umgekehrt proportional zu V_g ist.

Die Kurve 1 entspricht dem Wert φ = f (Z) für V_g —c (Lichtgeschwindigkeit). Die Kurve2 zeigt die Funktion <p = f(Z) für V_g<Cc. Die Kurve3 stellt die Funktion φ = f (Z) für V_g^>c dar; dies ist der Fall, der erreicht werden soll.

Es ist zu erkennen, daß zum Übergang von einem der diskreten Punkte der Kurve 2 zu einem Punkt mit der gleichen Abszisse auf der Kurve 3 lediglieh die Phase der Welle in diesen Punkten um die Größe Αφ = KZ verschoben zu werden braucht, wobei K eine Konstante ist. Natürlich kann die in dem Hohlleiter erzeugte Phasenverschiebung durch eine gleiche Phasenverschiebung ersetzt werden, die durch eine besondere Anordnung der strahlenden Quellen erzeugt wird, weil lediglich die Phase des abgestrahlten Feldes in dem Diagramm in Erscheinung tritt. Dies ist bei der Anordnung von Fig. 5 erfolgt. Die Unstetigkeiten jeder der Leitungen 61 bis 64 sind in bezug auf diejenigen der vorhergehenden Leitung um die gleiche Strecke versetzt, wobei die Mittelebene des Hohlleiters eine Symmetrieebene der Anordnung bildet.

Fig. 7 zeigt ein Luftfahrzeug 100¹, auf dessen Tragflächen eine Antenne 102 gemäß der Erfindung angebracht ist. Der Pfeil Θ zeigt die Strahlungsrichtung.

Es ist zu erkennen, daß die Erfindung die Schaffung von Antennen ermöglicht, die in die Tragflächen eines schnellen Luftfahrzeugs eingebaut werden können und die sehr einfach ausgeführt sind. Die Technik der gedruckten Schaltungen erlaubt eine große Genauigkeit, so daß die Verwendung derartiger Antennen im Millimeterwellenbereich ermöglicht wird.

In diesem Fall können ohne Schwierigkeiten Antennen mit großer Richtwirkung hergestellt werden. Bei einer Wellenlänge von 1 mm erreicht man mit einer Antenne von 1 m Abwicklung eine Keule mit einem öffnungswinkel von ¹ZiOOo Bogengrad.

Die Tatsache, daß ein Abschnitt des Raumes ohne Drehung von beweglichen Teilen abgetastet werden kann, erlaubt eine große Vielseitigkeit in der Anwendung. Man kann beispielsweise in einer sehr kurzen Zeit Sektoren mit einem großen öffnungswinkel abtasten. Beispielsweise läßt sich ein Sektor von 45° in 1 \x.s abtasten.

Fig. 4 zeigt, daß V_g keine eindeutige Funktion von / ist.

Dies hat zur Folge, daß bei Kenntnis von / noch keineswegs der Winkel von Θ₂ bekannt ist. Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung vorgesehen, welche in jedem Augenblick die Kenntnis dieses Winkels erlaubt (Fig. 8).

Bekanntlich gilt für den veränderlichen Winkel Θ₂:

Es genügt daher die Kenntnis von V_g, damit Θ₂ bekannt ist. Zu diesem Zweck wird ein Phasenmesser 200 vorgesehen, der die Phasendifferenz der Welle in 2 Punkten A und B der Mittelebene des Hohlleiters 1 mißt.

Zur Verringerung der Einfügungsverluste und zur Herabsetzung des Pegels der Sekundärzipfel des Strahlungsdiagramms kann die Antenne gemäß der in Fig. 9 gezeigten Weise gespeist werden.

Die Antenne setzt sich aus zwei Antennen zusammen, die jeweils gemäß den vorhergehenden Figuren ausgeführt sind. Diese Antennen werden von zwei Hohlleitern 101 und 102 getragen, die mit ihren Enden aneinanderstoßend angeordnet sind. In den Hohlleitern 101 und 102 sind, wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen, Ferritstäbe 201 bzw. 202 angeordnet. Zwei Wicklungen 301 und 302 umgeben die beiden Hohlleiter 101 bzw. 102. Die beiden aus Mikrobandleitung gebildeten Flachantennen sind mit derjenigen von Fig. 5 identisch. Sie enthalten die Grundplatten 501 und 502, und sie sind mit den Hohlleitern 201 und 202 über Sondenanordnungen 401 bzw. 402 gekoppelt.

Ein Hohlleiter 103 speist die beiden Hohlleiter 101 und 102. Die Energie breitet sich in diesen Hohlleitern in den durch Pfeile angegebenen Riehtungen aus.

An zwei Punkten A und B, die symmetrisch in bezug auf die Achse des Hohlleiters 103 liegen, sind zwei Sonden angeordnet.

Ein Phasenmesser 104 mißt die Phasen an den Punkten A und B. Er steuert eine Quelle 105, welche die Wicklungen 401 und 402 speist, und er regelt die Ströme I₁ und I₂, welche durch die beiden Wicklungen fließen in der Weise, daß <pa⁼ ~<Pb· In dem ersten Abschnitt der Antenne ist das Gesetz φ = / (Z) in Fig. 6 durch die Kurve 2 dargestellt, während in dem zweiten Abschnitt der Antenne die Funktion φ = / (Z) der Geraden 4 von Fig. 6 entspricht. Der dem Wert φ = ο entsprechende Punkt liegt ewa in der Mündung des 1*5 Hohlleiters 103.

Damit in der gesamten Antenne die scheinbare Phasengeschwindigkeit in: der Achsrichtung des Hohlleiters größer als c ist, genügt es offensichtlich, in jeder Halbantenne die Unstetigkeiten entsprechend zu versetzen. Natürlich sind diese Versetzungen für die beiden Halbantennen nicht identisch.

Diese Anordnung ermöglicht die Verringerung der Einfügungsverluste und eine bessere Ausnutzung der Höehstfrequenzenergie.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Richtantenne für Höchstfrequenzwellen mit einer Anordnung von identischen, parallel zueinander in gleichen Abständen angeordneten Übertragungsleitungen, die strahlende Unstetigkeiten aufweisen, von denen jede von wenigstens einer der nächsten Unstetigkeiten durch Abstände getrennt ist, die gleich der Wellenlänge der sich ausbreitenden Energie sind, wobei die Leitungen in ihrer Mitte durch einen Hohlleiter gespeist werden, der senkrecht zu ihnen steht und dessen Symmetrieebene die Symmetrieebene der gesamten Anordnung ist, dadurch gekenn zeichnet, daß sich in dem Hohlleiter ein Ferritstab erstreckt, daß Spulen, die von einem regelbaren Strom gespeist werden, den Ferritstab umgeben und in dessen Innerem ein magnetisches Längsfeld erzeugen, so daß nach Belieben die Phasengeschwindigkeit der Energie in dem Hohlleiter geändert und ein Richtdiagramm der Antenne in veränderlicher Richtung erzielt werden kann.
2. Antenne gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ' strahlenden Leitungen aus Mikrobandleitungen bestehen, die eine gemeinsame Grundplatte und eine gemeinsame dielektrische Schicht aufweisen, und daß die Unstetigkeiten aus Abschnitten der Leitungen bestehen, die in der Querrichtung gegen die Hauptleitung versetzt angeordnet sind.
3. Antenne gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupthohlleiter mit den Mikrobandleitungen über Sonden gekoppelt ist und daß auf jeder Halbleitung, die auf der einen Seite der gemeinsamen Symmetrieebene liegt, der Leitungsabschnitt zwischen der Kopplungssonde und der ersten Unstetigkeit eine Länge aufweist, die sich um einen festen Betrag von einer Leitung zur folgenden ändert, so daß die Anordnung der ersten Unstetigkeiten wenigstens eine zur Achse des Hohlleiters geneigte Kolonne bildet.
4. Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Anordnungen gemäß Anspruch 3 enthält, die durch zwei in Verlängerung voneinander liegende Hohlleiterabschnitte gespeist werden, daß ein gemeinsamer Hohlleiter die beiden Hohlleiterabschnitte speist, daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche bewirken, daß die Speisung der beiden Hohlleiterabschnitte derart erfolgt, daß in jedem Augenblick die Phasen der Felder an zwei Punkten, die in gleichen Abständen von dem gemeinsamen Ursprung der beiden Hohlleiterabschnitte auf diesen liegen, gleich sind und entgegengesetztes Vorzeichen besitzen, und daß die Gesetze für die Änderung der Längen der zwischen den Speisesonden und den ersten strahlenden Unstetigkeiten liegenden Leitungsabschnitten derart gewählt sind, daß in der Gesamtanordnung an jeder ersten strahlenden Unstetigkeit eine Phase erscheint, die um den gleichen festen Betrag in bezug auf die Phasen der ersten Unstetigkeiten der am nächsten liegenden Leitungen verschoben ist.
5. Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Phasenmesser enthält, der zwischen zwei auf dem gleichen Abschnitt des Haupthohlleiters liegenden festen Punkten angeschlossen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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