DE977749C

DE977749C - Antennensystem mit elektronischer Ablenkung

Info

Publication number: DE977749C
Application number: DEC40790A
Authority: DE
Inventors: Serge Landesmann; Jacques Salmon
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1965-11-26
Filing date: 1966-11-26
Publication date: 1969-08-07
Also published as: GB1172686A; FR1569560A; US3500427A; NL6616630A

Description

AUSGEGEBENAM 7. AUGUST 1969

INTERNAT. KLASSE H 01 q

C 40790 IXd J 21 α⁴

sind als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem mit elektronischer Ablenkung zur Abtastung eines vorbestimmten Raumwinkels mit einem Richtbündel in wenigstens einer Abtastrichtung mit einem gegebenen Gewinn.

Es sind Antennen mit elektronischer Ablenkung bekannt, mit denen ein Raumwinkel mit einem Richtbündel abgetastet werden kann. Bei einer bekannten Art dieser Antennen ist eine Tafel von strahlenden Quellen vorgesehen, die mit unterschiedlichen Phasen erregt werden. Bei diesen Antennen hängt die Abmessung der Tafel in bekannter Weise von dem Antennengewinn und von der Wellenlänge ab, und der Abstand zwischen den Quellen muß kleiner als die Wellenlänge sein, damit die Bildung von Rekombinations-Nebenzipfeln vermieden wird. Bei solchen. Antennen wird die Zahl der Quellen sehr schnell unzulässig groß, wenn ein großer Antennengewinn gewünscht wird.

Das Ziel der Erfindung ist die Vereinfachung der Antennen mit elektronischer Ablenkung der zuvor angegebenen Art für den Fall, daß diese nur für die Abtastung eines verringerten Raumwinkels bestimmt sind.

Es ist bekannt, daß die Zahl der Quellen um so größer sein muß, je größer der Gewinn sein soll, während diese Zahl unabhängig von dem Abtastwinkel ist, da dieser nur von der maximalen Amplitude der Phasenverschiebung zwischen den Quellen abhängt.

Erfindungsgemäß wird die zuvor angegebene Aufgabe gelöst durch eine an sich bekannte Primärantenne mit elektronischer Ablenkung, bestehend aus einer Tafel von mehreren Quellen und zugeordneten einstellbaren Phasenschiebern, bei welcher die Zahl der Quellen so bemessen ist, daß das davon abgestrahlte Bündel wenigstens in der Abtastrichtung einen kleineren Gewinn aufweist, und bei wel-

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eher die Änderungsbereiche der Phasenschieber eine Ablenkung des von der Primärantenne abgestrahlten Bündels in einem Raumwinkel ermöglichen, der größer als der abzutastende vorbestimmte Raumwinkel ist und diesen enthält, wobei . das Verhältnis der Raumwinkel im wesentlichen gleich dem Kehrwert des Verhältnisses des Gewinns des Antennensystems und des Gewinns der Primärantenne ist, und durch ein quasi-optisches Vergrößerungssystem, das eine hohe Vergrößerung aufweist, die im wesentlichen gleich dem Verhältnis der Gewinne ist, und dessen Brennpunkt im wesentlichen mit dem Ursprung des Bündels zusammenfällt.

Wenn bei dem erfindungsgemäßen System der Gewinn der Primärantenne mit g und mit G = k · g der gewünschte Gewinn des Antennensystems bezeichnet werden, entspricht die Vergrößerung des quasi-optischen Systems im wesentlichen dem Faktor k. Der von dem resultierenden Bündel abgeao tastete Raumwinkel ist dann im wesentlichen gleich dem fe-ten Teil des von dem ursprünglichen Bündel angestrahlten Raumwinkels.

Obgleich bei dem erfindungsgemäßen Antennensystem zu der Tafel ein quasi-optisches System hinzugefügt werden muß, dessen Objektivität ebenso große Abmessungen wie die große Tafel der herkömmlichen Lösung aufweist, ist das Antennensystem weniger kompliziert und billiger, denn eine mit Quellen, Phasenschiebern und Leistungsverteilungseinrichtungen ausgestattete strahlende Tafel ist sehr viel komplizierter und teurer pro Flächeneinheit als ein passiver Reflektor.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. E,s zeigt

Fig. ι ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei einer Antenne mit kleiner Höhenwinkelabtastung und großer Seitenwinkelabtastung,

Fig. 2 ein Schema zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips,
Fig. 3 a, b ein Schema zur Erläuterung der Anordnung bestimmter Elemente der Anordnung von Fig. ι und

Fig. 4 ein Schema der Anordnung der Reflektoren bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
*5 Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird einer Antenne S, die aus einer Tafel von strahlenden Quellen und zugeordneten Phasenschiebern besteht und einen großen Raumwinkel (beispielsweise 40⁰),.jedoch mit geringem Gewinn abtasten kann, ein quasi-optisches System hinzugefügt, dessen Winkelvexgrößerung die Erzielung eines verringerten Abtastwinkels, jedoch mit einem beträchtlichen Gewinn ermöglicht.
' Dieses System kann theoretisch durch zwei Höchstf requenzlinsen .oder eineHöchstfrequenzlinse und einen Reflektor oder auch durch zwei im wesentlichen konfokale Reflektoren gebildet sein. Dieses letzte Ausführungsbeispiel wird meistens gewählt und daher nachstehend beschrieben.
Wenn der abgetastete Bereich nur in einer Koordinate (beispielsweise dem Höhenwinkel nach) verringert werden soll, werden zylindrische Reflektoren verwendet. Im Fall einer sowohl dem Höhenwinkel als auch dem Seitenwinkel nach geringen Abtastung verwendet man Reflektoren, die Abschnitte von Flächen zweiten Grades sind.

Fig. ι zeigt einen Schnitt durch die vertikale Symmetrieebene eines Ausführungsbeispiels einer Antenne für den Fall einer großen Seitenwinkelabtastung und einer geringen Höhenwinkelabtastung. Die Tafel von strahlenden Quellen 5" hat also eine geringe Höhe h und eine verhältnismäßig große Länge (senkrecht zu der Zeichenebene von Fig. 1), so daß dem Seitenwinkel nach, wo das quasi-optische System keine Verringerung des von der Tafel abgetasteten Bereichs ergibt, der Gewinn groß ist.

Bei diesem Beispiel sind die Quellen versetzt angeordnet, und man verwendet einen kleinen Reflektor r und einen großen Reflektor R.

Diese beiden Reflektoren sind zylindrisch.

Die Seitenwinkelabtastung wird direkt elektronisch dadurch erreicht, daß man einen Phasengradient zwischen den in einer horizontalen Linie der Tafel liegenden Quellen erzeugt.

Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Quellen und die zugeordneten Phasenschieber, die in bekannter Weise aufgebaut sind, nicht gezeigt.

Die Höhenwinkelabtastung erfolgt durch gleichzeitige Anwendung einer elektronischen Abtastung und des in Fig. 2 dargestellten Teleskopprinzips.

In der Darstellung von Fig. 2 strahlt eine Quelle paralleler Strahlen der Höhed auf ein Fokussierungssystem L mit der Brennweite f, dessen bildseitiger Brennpunkt mit dem gegenstandsseitigen Brennpunkt eines zweiten Fokussierungssystems JJ mit der Brennweite/' zusammenfällt. Die austretenden Strahlen sind parallel und scheinen von einer

Quelle der Höhe D = d+r- zu stammen; der Faktor

wird Vergrößerung des Instruments genannt.

Wenn die eintreffenden Strahlen um einen Winkel χ geneigt sind, bildet sich das Zwischenbild bei F₁, und das austretende Bündel ist um einen Winkel 0! geneigt, für den gilt:

Das Teleskop formt die öffnung im direkten Verhältnis und den Abtastwinkel im umgekehrten Verhältnis zu seiner Vergrößerung um.

Wenn k die Vergrößerung des von den beiden Reflektoren gebildeten quasi-optischen Systems ist, beträgt also die effektive Höhenwinkelabtastung das -|—fache der primären Abtastung, die elektronisch durch die Quellentafel hervorgerufen wird und auf den vertikalen Phasengradienten zurückgeht, und der Gewinn beträgt dem Höhenwinkel nach im wesentlichen das &-fache des Gewinns der iao Quellentafel allein.

Es ist zu erkennen, daß ein Anstrahlungsproblem auftritt: Die Anstrahlung der öffnung verschiebt sich mit der Abtastung.

Damit sich das Anstrahlungszentrum nicht be- las wegt, wählt man als Erzeugende des Reflektors r

im wesentlichen eine Ellipse mit den Brennpunkten 5P₁ und Φ_ζ, wobei der eine Brennpunkt der Mittelpunkt der Quellen und der andere Brennpunkt im wesentlichen der Mittelpunkt des Hauptreflektors R ist, dessen Erzeugende im wesentlichen parabolisch ist.

Es sind zwei Anordnungen möglich. Sie sind in den Fig. 3 a und 3 b dargestellt.

Im Falle einer einfachen Gruppe von zwei zylindrischen Reflektoren und einer versetzten Quellentafel der in Fig. 1 gezeigten Art wird die Anordnung von Fig. 3 a gewählt, die allein die Kompensation der Aberrationen des quasi-optischen Systems ermöglicht.

Für eine geringe Höhenwinkel- und Seitenwinkelabtastung wählt man eine quadratische Tafel von geringen Abmessungen und Reflektoren, die durch Abschnitte von Flächen zweiten Grades gebildet sind. Fig. 1 kann dann wieder als vertikaler Schnitt ao durch die Antenne angesehen werden, unter der Voraussetzung, daß R und r die ebenen Schnitte eines Paraboloids und eines Ellipsoids sind und daß die Länge der Quellentafel verringert ist.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die bes5 schriebene Ausführungsform beschränkt, insbesondere nicht auf Antennen mit elektronischer Abtastung.

Insbesondere ist hervorzuheben, daß die versetzte Anordnung der Quellentafel fortfallen könnte, wenn ein halbdurchlässiger Reflektor r und ein eine Änderung der Polarisationsrichtung bewirkender Reflektor R verwendet werden, wobei dann die Anordnung von Fig. 3 b in der in Fig. 4 gezeigten Weise verwendet werden könnte. Man kann auch zwei quasioptische Anordnungen verwenden, die symmetrisch in bezug auf die Quellentafel angeordnet sind, wobei die dem Reflektor R entsprechenden Reflektoren dann Rekombinationsprismen zugeordnet sind. In diesem Fall erhält man die Vorteile der versetzten Anordnung (Fehlen des Quellenschattens) ohne deren Nachteile (Verstärkung der Nebenzipfel und Verlust an Gewinn).

Beispielsweise ermöglicht eine Tafel mit zwölf Zeilen aus jeweils 60 Quellen und Phasenschiebern in Verbindung mit einem quasi-optischen System mit fünffacher Vergrößerung dem Höhenwinkel nach eine Abtastung von 50⁰ dem Seitenwinkel nach und io° dem Höhenwinkel nach mit einem Bündel von 2° öffnungswinkel.

Ohne das quasi-optische System wäre eine Tafel mit 60 Zeilen erforderlich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Antennensystem mit elektronischer Ablenkung zur Abtastung eines vorbestimmten Raumwinkeis mit einem Richtbündel in wenigstens einer Abtastrichtung mit einem gegebenen Gewinn, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Primärantenne mit elektronischer Ablenkung, bestehend aus einer Tafel von mehreren Quellen und zugeordneten einstellbaren Phasenschiebern, bei welcher die Zahl der Quellen so bemessen ist, daß das davon abgestrahlte Bündel wenigstens in der Abtastrichtung einen kleineren Gewinn aufweist, und bei welcher die Änderungs- bereiche der Phasenschieber eine Ablenkung des von der Primärantenne abgestrahlten Bündels in einem Raumwinkel ermöglichen, der größer als der abzutastende vorbestimmte Raumwinkel ist und diesen enthält, wobei das Verhältnis der Raumwinkel im wesentlichen gleich dem Kehrwert des Verhältnisses des Gewinns des Antennensystems und des Gewinns der Primärantenne ist, und durch ein quasi-optisches Vergrößerungssystem, das eine hohe Vergrößerung auf- weist, die im wesentlichen gleich dem Verhältnis der Gewinne ist, und dessen Brennpunkt im wesentlichen mit dem Ursprung des Bündels zusammenfällt.
2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der von dem Antennensystem und von der Primärantenne abgetasteten Höhenwinkel gleich dem Kehrwert der Höhenwinkelvergrößerung des quasi-opti sehen Systems ist und daß das Verhältnis der von dem Antennensystem und von der Primärantenne abgetasteten Azimutwinkel gleich dem Kehrwert seiner Azimutvergrößerung ist.
3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichen Verhältnissen der Abtastwinkel die Elemente des quasi-optischen Systems Abschnitte von rotationssymmetrischen Flächen zweiten Grades sind.
4. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen der beiden Raumwinkel in einer der beiden Abtastkoordinaten (Höhenwinkel bzw. Seitenwinkel) gleich sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

IRE Transactions on Antennes and Propagation, 1961, März, S. 140 bis 153.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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