DK144578B - Antenneelement til direkte foedning - Google Patents

Description

144578

Den foreliggende opfindelse angår et antenneelement af den i den indledende del af krav 1 angivne type til direkte fødning og især til brug i et faseopdelt antennesystem. Antenneelementet er specielt egnet til brug i en faseopdelt antenneopstilling, hvori de enkelte antenneelementer fødes direkte fra en radiofrekvent kilde med henblik på udsendelse af elektromagnetisk energi.

Den foreliggende opfindelse tager sigte på en videreudvikling af et i USA patentskrift nr. 3.925.784 beskrevet system. Dette patentskrift beskriver forskellige antenneopstillinger med internt faseopdel te elementer, hvor hvert element er beskrevet som indeholdende flere spiralarme. De illustrerede opstillinger er reflektoropstillinger og følgelig fødes de fra en rumkilde. En fasestyring af den genudsendte energi udføres ved at forbinde udvalgte inderste armender. Den fore-liggende opfindelse omhandler brug af antenneopstillinger i lighed med de i nævnte USA patent skrift beskrevne, men hvor rumfødningen er erstattet af en direkte fødning til antenneelementet.

Det er kendt at føde et flerarmet spiralantenneelement direkte. Konventionelt fødes sådanne antenneelementer ved de inderste armender og ikke ved de yderste armender. Dette er eksempelvis beskrevet i USA patentskrift nr. 3.039.099. Som beskrevet i dette patentskrift vil 2 144578 strømme, når et toarmet spiralantenneelement fødes ved de inderste armender med strømme i modfase, bevæge sig udad og gradvis komme i fase på et sted, der benævnes det aktive område, og hvor radius er lig med λ /21Γ. Under denne tilstand foregår en effektiv udstråling. En fødning af et sådant antenneelement ved de yderste armender med energi i modfase kan resultere i en effektiv udstråling, når strømmene bevæger sig indad og når frem til den aktive zone, dvs. hvor radius er lig med λ/21ί.

Det ovenfor omtalte USA patentskrift nr. 3.925.784 beskriver ikke udstvr til direkte fødning af antenneelementet, men i stedet benyttes antenneelementerne i en reflektoropstilling, hvor de modtager energi fra en rumkilde. Hvis man skulle tilvejebringe en direkte fødning af antenneelementerne, ville den konventionelle løsning,som bemærket i USA patent nr. 3.030.099, være at tilføre fødningen til de inderste armender. Hvis de inderste armender er adskilte, som det er tilfældet i USA patentskriftet, vil der ikke opstå en ugunstig funktion. Hvis derimod de inderste armender kortsluttes for at opnå fasekontrol som beskrevet i USA patentskrift nr. 3.925.784, da vil kortslutningen bevirke, at den tilførte effekt vil blive reflekteret tilbage til effektkilden med det resultat, at der ikke opnås en udstråling. Hvis desuden de yderste armender fødes på den i USA patentskrift nr. 3.039.099 foreslåede måde, vil udstrålingen indtræde, når strøm i begyndelsen bevæger sig indad og når frem til den aktive zone. Dette vil ikke muliggøre fasekontrol ved hjælp af strømudbytning mellem de inderste armender ved hjælp af kortslutningsskinner eller lignende, der tjener til en selektiv forbindelse af armenderne.

Antenneelementet ifølge opfindelsen indeholder flere elektriske ledende spiral arme, som er adskilt fra hinanden, og som har en fælles omdrejningsakse. Hver arm har en inderste og en yderste ende, og de inderste armender er drejningsmæssigt forskudt omkring aksen i forhold til hinanden for at opnå en given drejningsmæssig fasefølge omkring den fælles akse. Endvidere er antenneelementet udstyret med fasekontrolmidler, der tjener til en effektiv elektrisk rotation af spiralarmene omkring den fælles akse for derved at styre faserelationen for den elektromagnetiske energi, der udstråles fra antenneelementet. Fasekontrollen indeholder forbindelsesmidler, såsom en kortslutningsskinne eller en styrbar omskifter, såsom en diode eller transistor, til sammenkobling af i det mindste to af de inderste armender, således at elektriske signaler i de respektive sammenkoblede armpar kan udveksles fra én arm til den anden med en relativ faseændring i afhængighed af den drejningsmæssige faserelation mellem de sammenkoblede inderste armender.

Ifølge opfindelsen fødes radiofrekvent energi fra en kilde og di- 144578 3 rekte til hver arm i antenneelementet.

Antenneelementet ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved det i den kendetegnende del af krav 1 angivne. Dermed sikres det, at strømme i hver spiralarm først bringes til at gå indad og passere igennem det aktive område, uden at der sker udstråling fra antenneelementet. Derefter bliver strømmene enten reflekteret ved en inderste armende, eller de bliver overført fra en inderste armende til en anden, hvorefter strømmene på ny ankommer til det aktive område. Strømmene er nu i fase på grund af fasekontrolmidlernes indvirkninger, og der opnås nu en effektiv udstråling fra det aktive område. Med andre ord kan der ikke ske en effektiv udstråling, før efter at strømmene har passeret gennem det aktive område én gang. Dermed kan der også opnås en fasestyring i den udstrålede energi, selv om energien er opnået ved en direkte fødning af antenneelementet. En sådan fasestyring giver mulighed for at dirige den udstrålede energi i en bestemt ønsket retning, der kan afvige fra en antenneopstillings akseretning.

Da faseskiftefunktionen er integreret i antenneelementet ifølge opfindelsen, er der ikke behov for ydre transmissionslinier og komponenter, som konventionelt indgår i eller medvirker til faseskift eller tab. Ved at inkorporere faseskiftefunktionen i antenneelementet bliver elementindskudstabet desuden lavt og kan være af størrelsesordenen 1 db.

Opfindelse skal i det følgende forklares nærmere ud fra en foretrukket udførelsesform og under henvisning til tegningen, hvor figur 1 er et sidebillede, som illustrerer en opstilling af spiral antenneelementer, som fødes direkte fra en kilde for radiofrekvent energi, figur 2 et billede af opstillingen i figur 1 set som markeret ved pilene 2-2 i figur 1, figur 3 et forstørret snitbillede i hovedsagen taget langs linien 3-3 i figur 2, og illustrerende et snit gennem et antenneelement, figur 4 et forstørret billede, som viser konstruktionen af hvert ant'enneelement, figur 5 en skematisk illustration af et antenneelement med et kortslutningsskinne, som forbinder to af de inderste armender, figur 6 en skematisk illustration af et antenneelement med en dio-deomskifterkreds til forbindelse af udvalgte inderste armender ved styring af udvalgte omskiftere, figur 7A og 7B grafiske illustrationer af omskifterkonfigurationer, figurerne 8A-8D grafiske illustrationer af omskifterkonfigura- 4 144578 tioner, figur 9 en skematisk illustration visende et direkte fødet antenneelement sammen med en fødekilde, og figur 10 en skematisk illustration visende to direkte fødede antenneelementer sammen med en fødekilde.

Idet der nu henvises til tegningen, som kun tjener til illustration af en foretrukket udførelsesform for opfindelsen, er der i figurerne 1, 2 og 3 illustreret en plan opstilling 10. Denne opstilling indeholder flere flerarmede spiral-antenneelementer 12, der kan monteres på et underlag 14, som kan være konstrueret af et elektrisk isolerende materiale, såsom plastskum.

Et jord- eller nulplan 16, der kan være fremstillet af en aluminiumplade, er monteret på passende måde på plastskummet på den modsat antenneelementerne 12 liggende side. Antenneelementerne 12 fødes direkte med radiofrekvent energi fra et fødenet FN, således at der udstråles elektromagnetisk energi i retning fremad som antydet ved pilen 18.

Den udstrålede elektromagnetiske energi kan styres langs en anden retning som antydet ved den punkterede pil 20, under kontrol af en fasestyrende omskifterkreds PC.

Som det bedst fremgår af figurerne 3 og 4 er hvert antenneelement 12 fortrinsvis konstrueret som et firearmet spiralantenneelement, hvori elementets arme i hovedsagen ligger i samme plan. Antenneelementerne 12 er adskilt 1/4 bølgelængde fra jordplanet 16. Spiraldiameteren er målt fra de yderste armender af størrelsesordenen 1/2 bølgelængde. Armene i hvert antenneelement 12 kan være monteret på underlaget 14 af plastskum på enhver passende måde, fx ved hjælp af epoxyplast.

Som det bedst fremgår af figur 3, kan der i hvert antenneelement være indrettet en aksial boring 22 for at give adgang for transmissionslinier fra fasekontrolkredsen PC til en omskifterkreds SW anbragt centralt mellem antenneelementets inderste armender. Denne omskifterkreds vil blive beskrevet nærmere i det følgende med henvisning til figur 6. Fødenettet FN indeholder fortrinsvis flere koaksialkabler, der tjener til tilførsel af radiofrekvent energi til antenneelementets yderste armender. Med hensyn til de to i figur 3 illustrerede arme udviser fødekredsen to koaksialkabler 24 og 26 med ens længde og impedans og forløbende fra fødekredsen til de yderste armender. Denne struktur beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med de i figurerne 9 og 10 illustrerede skematiske kredsløbsdiagrammer.

Der henvises nu til figur 4, som illustrerer indretningen af et antenneelement, såsom elementet 12. Elementet er et spiralantenneelement bestående af fire spiralarme 34, 36, 38 og 40. Armene kan være konstrue- 5 144578 ret ved brug af trykt kredsløbsteknik, hvorved de fire individuelle arme vil være ledende kobberstrimler monteret på overfladen af et plastunderlag, således at armene er elektrisk isoleret fra hinanden.

Hver arm udgøres af en kombination af en del af en arkimedesspiral og en del af en logaritmisk spiral. Den inderste arkimedesdel, der generelt betegnes med henvisningstallet 42, af hver arm forløber fra armens inderste ende og i retning udad derfra efter en arkimedesspiral, der går over i den yderste logaritmiske del betegnet generelt med henvisningstallet 43, og som fortsætter udad, indtil den ophører i en yderste armende. De inderste armender er betegnet som 34A, 36A, 38A og 40A, respektivt. De yderste armender er betegnet som 34B, 36B, 38B og 40B, respektivt.

I det i fig. 4 viste eksempel er antenneelementet et venstredrejet element, og de inderste armender er drejningsmæssigt forskudt omkring en fælles akse i forhold til hinanden med 90° for derved at opnå en drejningsmæssig fasefølge på 0°, 90° , 180° og 270°. Når antenneelementet udfører sin sendefunktion, bliver antennefødestrømme, som indtræder ved de inderste armender, transmitteret mod de yderste armender i spiralbaner, som forløber udad langs armene, indtil strømmene ankommer til et sted på antennen, der er egnet for udsendelse eller udstråling af bølger med den benyttede fødefrekvens. Det pågældende sted eller den pågældende del af armen benævnes den aktive zone, og zonens beliggenhed varierer i afhængighed af frekvensen. Der er tale om en ringformet del, og en del af ringformen er antydet i figur 4 i forbindelse med en zone 44. Denne zone er kun en del af ringformen, som i det væsentlige forløber koaksialt omkring antenneelementets rotationsakse. Den aktive zone er ikke skarpt defineret. I stedet tiltager antennens følsomhed progressivt med voksende radius, indtil en maksimal følsomhed ved en eller anden middelradius 45 inden for zonen 44, og derefter aftager følsomheden progressivt med yderligere tiltagende radius.

Omkredsen af den aktive zones middelcirkel er ca. en bølgelængde for den bølge, som forplantes langs armene. Denne bølgelængde er en smule mindre end bølgelængden i det frie rum, da forplantningshastigheden på armene er en smule mindre end hastigheden i det frie rum.

I den aktive zone foregår der et faseskift på ca. 360° -på enhver af spiralarmene rundt langs et helt omløb i spiralen og på et bestemt tidspunkt.

Da den strukturmæssige faseopdeling af de inderste armender 34A 36A, 38A og 40A til den aktive zone er 0°, 90°, 180° og 270°, respektivt, vil strømme i fase, som tilføres til de inderste armender, an 6 144578 komme til den aktive zone ude af fase, hvilket hindrer en effektiv udstråling. Som det vil blive forklaret i det følgende, må strømmene, som føres til de inderste armender 34A, 36A, 38A og 40A, for at opnå en 0°-fasetilstand, have en faserelation på 0°, 270°, 180° og 90°, respektivt, således at strømmenes resulterende fase ved det aktive område vil være 0° på hver arm. Dette vil resultere i en effektiv udsendelse af elektromagnetisk energi. Et antenneelement som beskrevet hidtil vil imidlertid ikke, når der er tale om en opstilling af sådanne elementer, give mulighed for at opnå en fasestyring, dvs. mulighed for at dirigere energi i en bestemt retning, såsom retningen 20 i figur 1. En sådan faseændring kan fremkaldes ved at rotere de forskellige antenneelementer mekanisk eller ved at benytte den fasestyrende omskiftermekanisme, som skal beskrives i det følgende med henvisning til figurerne 5 og 6.

Figur 5 illustrerer en første måde, hvorpå fasekontrol kan opnås ved rotation af antennelementet. I stedet for at opnå rotationen ved hjælp af mekaniske midler er der opnået en elektrisk rotation ved sammenkobling af udvalgte inderste armender i antenneelementet. Som illustreret i figur 5 tjener et elektrisk ledende led eller en kortslutningsskinne 50 til at forbinde de inderste armender 36A og 40A.

I praksis kan denne kortslutningsskinne være en halvleder, såsom en omskifterdiode eller en transistor. En anden kortslutningsskinne kan benyttes til at forbinde de inderste arroender 34A og 38A. Alternativt kan de inderste armender være afbrudt selektivt fra hinanden. I det i figur 5 viste eksempel, hvor kun en kortslutningsskinne 50 tjener til forbindelse af de inderste armender 36A og 40A, indtræder en faseændring på den nedenfor beskrevne måde.

De strømme, som bevæger sig indad langs spiralarmene 34 og 38, vil reflekteres, når de støder mod de ikke forbundne armender 34A og 38A, og derved begynder strømbølger at forplante sig udad langs de samme spiralarme. Den modtagne strøm i armen 34 bliver, når den når frem til den inderste armende 34A, negativværdien af den indadforlø-bende strøm i den samme arm. På samme måde er den udadforløbende strøm i armen 38 simpelthen negativværdien af den indadforløbende strøm i den samme arm. Den strøm, som bevæger sig indad langs armen 40, kobles gennem kortslutning.ssskinnen 50 til den inderste ende 36A af armen 36, således at den indadforløbende strøm i armen 40 bliver til den udadforløbende sendestrøm i armen 36. Modsat bliver den indadforløbende strøm i armen 36 til den udadforløbende og transmitterende strøm i armen 40. Der foregår således en strømoverkrydsning mellem de to armender gennem kortslutningsskinnen 50, der i praksis kan være en 7 144578 omskifterdiode eller en transistor.

Når den udadforplantende bølge ankommer til den aktive zone i antenneelementet, vil den fremkalde udstråling, hvis strømmene i armene er i fase. Hvis kortslutningskinnen 50 forbindes mellem armenderne 34A og 38A i stedet for mellem armenderne 36A og 40A, vil der frembringes et andet faseskift, som afviger 180° fra den tidligere værdi.

De relative faser mellem på den ene side de indadforplantende strømme, når disse er i den aktive zone, og på den anden side de udadforplantende strømme, når disse ankommer tilbage til den aktive zone, er en funktion af den tilbagelagte krumme afstand fra den aktive zone indad til de inderste armender og derefter tilbage langs spiralarmen, og faserne kan udtrykkes i bølgelængder på linien. Denne faseforskel kan ændres ved at ændre koblingen ved de inderste armender 34A, 36A, 38A og 40A som netop beskrevet.

Opfindelsen udøves fortrinsvis i praksis ved brug af omskifterdioder i stedet for den i figur 5 illustrerede kortslutningsskinne.

En diodeomskifterkreds, som kan benyttes, kan eksempelvis have en form som den i figur 6 illustrerede. I figur 6 vises et firearmet spiralantenneelement med dioder forbundet med de inderste armender.

De inderste armender er mærket 1, 2, 3 og 4, respektivt og svarer til de inderste armender 34A, 36A, 38A og 40A i ovenstående beskrivelse i forbindelse med figur 5. En fasekontrollerende omskifterkreds PC kan antage den viste form indeholdende flere enkeltpolede omskiftere 100, 102, 104 og 106 med to stillinger, som tjener til at påtrykke jævnspændinger på armenderne 1, 2, 3 og 4, respektivt, med henblik på at fremkalde diodernes omskifterfunktion. De opnåede koblinger svarer til anvendelsen af kortslutningsskinner til tilvejebringelse af enten afbrydelser eller kortsluttende forbindelser.

Når armenden 1 modtager en positiv spænding ved, at omskifteren 10,4 står i sin øverste stilling, og når armenden 4 gives en negativ spænding ved, at omskifteren 102 står i sin nederste stilling, og når armenderne 1 og 3 ikke påtrykkes nogen forspænding på grund af, at omskifterne 106 og 100 står i deres neutralstillingev, vil følgende diodepar i figur 6 være ledende for småsignaler: A, B, E, F, G, H. Diodesættene C og D er ikke ledende. Den relative fase for gruppen af transmitterende strømme i denne tilstand kan arbitrært være en bestemt fasetilstand. Ved passende manipuleringer af omskifterne 100, 102, 104 og 106 kan forskellige af de inderste armendepunkter 1, 2, 3 og 4 selektivt afbrydes fra hinanden eller kortsluttes.

Der findes to fasetiistande, der i det følgende vil blive beteg- 8 144578 net som tilfælde "A" og tilfælde "B", og disse tilfælde kræver forskellige diodetilstande, dvs. forskellige sammenkoblingsmønstre for armenderne 1> 2, 3 og 4 i det i figur 6 illustrerede antenneelement. De pågældende tilstande vil blive forklaret nærmere i det følgende, men der skal dog nu henvises til figurerne 7A og 7B, som illustrerer diodetilstandene eller omskifterkonfigurationerne til opnåelse af en 0°-fasetilstand, henholdsvis en 180°-fasetilstand for fasetilfælde "A". I tilfælde “A" opnås en 0°-fasetilstand ved en afbrudt tilstand, hvorimod 180°-fasetilstand opnås, når dioderne forspændes på en sådan måde, at de effektivt kortslutter armenderne 1 og 3 samt kortslutter armenderne 2 og 4. På lignende måde er omskifterkonfigurationerne for fasetilfælde "B" til opnåelse af en 0°-fasetilstand, en 90°-fase-tilstand, 180°-fasetilstand samt en 270°-fasetilstand illustreret i figurerne 8A, 8B, 8C og 8D, respektivt.

Fasetilfældene "A" og "B" kræver den i figurerne 7 og 8 illustrerede omskifterkonfiguration, og de to tilfælde tillader operationer med et binært ciffer, henholdsvis to binære cifre. En operation med et binært ciffer tilvejebringer som anskueliggjort i figurerne 7A og 7B to fasetilstande, hvorimod en operation med to binære cifre tilvejebringer fire fasetilstande som anskueliggjort i figurerne 8A-8D. Disse forskellige fasetilstande muliggør en strålestyring, således at den udstrålede bølge eksempelvis kan styres selektivt i retningen 18 (se figur 1) eller i en retning forskellig fra aksen såsom retningen 20. Når der benyttes en opstilling af antenneelementer, er det følgelig hensigtsmæssigt at tilvejebringe en sådan fasekontrol eller fasestyring for at opnå en strålestyring. Andre fasetilstande end 0°-tilstanden for faseskifteoperationen med et binært ciffer i forbindelse med tilfælde "A" (se figur 7A) kræver, at der findes en kortslutning mellem i det mindste to inderste armender i en elementantenne.

Hvis en direkte fødning (i modsætning til en rumkildefødning) føres til et antenneelement ved dettes inderste armender, da vil problemer opstå i enhver fasetilstand, som kræver, at i det mindste to inderste armender kortsluttes, eksempelvis ved hjælp af en kortslutningsskinne eller en omskifterdiode. Eksempelvis med hensyn til den i figur 8A illustrerede 0°-fasetilstand må de inderste armender 2 og 3 således være kortsluttet. Hvis fødningen til disse inderste armender sker direkte til de inderste armender i stedet for de yderste armender, da vil strømmen straks blive reflekteret tilbage fra den kortsluttede forbindelse til fødekilden, hvilket hindrer udstråling af elektromagnetisk energi. Hvis på den anden side fødningen føres direkte 9 U4578 til de yderste armender, må der drages omsorg for at hindre udstråling, når den indledende indadrettede strøm når frem til den aktive zone, og indtil strømmene har haft lejlighed til at nå frem til de inderste omskifterforbindelser. Dette kan tillade, at energi udsendes, men der vil imidlertid ikke være mulighed for fasekontrol ved udveksling af strømme fra en antennearm til en anden gennem de forbundne inderste armender.

Ifølge den foreliggende opfindelse føres fødningen direkte til de yderste armender i elementantennen som illustreret i figur 3, men indgangssignalet er afpasset således, at strømmene, når de ankommer til spiralens aktive område (ved en diameter på ca. λ/H) er ude af fase, således at der ikke indtræder udstråling. Strømmene vil således fortsætte indad til de inderste armender, hvor de reflekteres, eller hvor strømmene i udvalgte arme udveksles gennem kortslutninger. Der må drages omsorg for, at strømmene, når de bevæger sig udad, vil genindtræde i det aktive område i fase for at opnå en effektiv udstråling.

Når de indadgående strømme ankommer til det aktive område, må de følgelig være ude af fase for at hindre udstråling. En første fasetilstand, som opfylder dette krav, er den som foreligger, når strømmene først træder ind i det aktive område ved en fasefølge på 0°, 180^, 0° og 180° på armene 34, 36, 38 og 40, respektivt. En sådan faseforskudt tilstand vil hindre udstråling, og denne tilstand betegnes her som tilfælde "A". En anden fasetilstand, der betegnes som tilfælde "B" der også opfylder ovennævnte krav, foreligger, når strømmene bevæger sig indad og ankommer til det aktive område med en fasefølge på 0°, 0°, 180° og 180° på armene 34, 36, 38 og 40, respektivt.

For at opnå tilfælde "A" eller tilfælde "B" må den korrekte relative faseopdeling af indgangsstrømmene bestemmes. Som tidligere anført har armene 34, 36, 38 og 40 en relativ fasefølge på 0°, 90°, 180° og 270° respektivt. Hvis strømmene, der føres til de yderste armender, alle er i fase, vil de følgelig, dersom intet yderligere foretages, ankomme til den aktive zone med en fasefølge på 0°, 90°, 180° og 270°. Denne fasefølge kan betragtes og betegnes som indskudsfasen for antenneelementet. Den korrekte faseinddeling for at opnå tilfælde "A" eller for at opnå tilfælde "B" kan bestemmes vedat addere det ønskede fasetilfælde "A" til indskudsfasen eller ved at addere det ønskede fasetilfælde "B" til indskudsfasen. Dette vil derefter tilvejebringe den fasefødning for spiralenderne, som kræves for at opnå tilfælde "A" eller tilfælde "B". Den for opnåelse af tilfælde "A" kræve fasefødning for spiralenderne er 0°, 270°, 180° og 90° som relativ fase for fødestrømme-ne, der føres til de yderste armender 34B, 36B, 38B og 40B, respektivt.

10 144578

Ved brug af den;samme betragtningsmetode kan den for tilfælde "B" (0°, 0°, 180° og 180°) krævede fødning bestemmes til 0°, 90°, 0° og 90° som faserelation for de strømme, der føres til de yderste armender 34B, 36B, 38B og 40B, respektivt.

Der henvises nu til figur 9, som illustrerer et antenneelement, som kan fungere efter arbejdsmåden med ét binært ciffer (to fasetilstande, 0° og 180°) i overensstemmelse med fasetilfældet "A". Fødenettet FN' er her opbygget af konventionelle kredsløbskomponenter og tjener til tilførsel af radiofrekvent energi til de yderste armender 34B', 36B', 38B' og 40B' i et antenneelement, som i det væsentlige svarer til den ovenfor i forbindelse med figurerne 4 og 5 beskrevne. De inderste armender er mærket 1, 2, 3 og 4, respektivt, svarende til de i figurerne 7A og 7B illustrerede armendepunkter for en arbejdsmåde inden for fasetilfælde "A". En omskifterkreds SW' er illustreret skematisk som værende forbundet med de inderste armender 1, 2, 3 og 4 og kan udgøres af enten kortslutningsskinner eller omskifterdioder som omtalt tidligere. Hvis omskifterkredsen har form som omskifterdioder, kan disse selektivt være forspændt mod "on" eller mod "off" i overensstemmelse med det i figur 6 illustrerede fasekontrollerende omskifterkredsløb. Da denne udførelsesform illustrerer funktionsmåden inden for tilfælde "A", tilfører fødekredsen FN' radiofrekvent energi til de yderste armender med en fasefølge på 0°, 270°, 180° og 90° på armenderne 34B' 36B', 38B' og 40B', respektivt. Dette er således den krævede fødning med spiraler i fase for en funktionsmåde under fasetilfælde "A". For at opnå en 0°-fasetilstand vil omskifterkonfigurationen være arrangeret således, at der opnås en fuldstændigt åben kredsløbstilstand som vist i figur 7A. For en 180°-fase-tilstand vil omskifterkonfigurationen være arrangeret således, at der opnås en kortslutning mellem de inderste armender 1 og 3 samt mellem armenderne 2 og 4 som antydet i figur 7B.

For en funktionsmåde under fasetilfælde "A" med et 0°-faseskift vil de inderste armendepunkter 1, 2, 3 og 4 være afbrudt fra hinanden. Den virkemåde, som fører til opnåelse af en sådan funktion, at strømmene bevæger sig indad til armendepunkter og derefter udad og ankommer til det aktive område i fase for at opnå et relativt 0°-faseskift, vil nu blive forklaret med henvisning til figur 7A, figur 9 samt nedenstående tabel I.

Fødenettet FN' tilfører radiofrekvent energi til de yderste armender 34B' , 36B', 38B' og 40B' (der i tabel I er betegnet som vindinger 1, 2, 3 og 4) med en relativ fasefølge på 0°, 270°, 180° og 90°,

Fasetilfælde "A"

Faseskift: 0° 11

Tabel I

144578

Strømtilstand/ Strøm- Relative faser for spiralindskudsfase bevægelse vindinger 12 3 4 1. Strøm tilført —---“--— yderste armender Indad 0 270 180 90 2. Indskudsfase til n aktivt område Indad 0 90 180 270 3. Strømme ankommer til aktivt område Indad 0_180_0_180 4. Indskudsfase til inderste armender Indad 0° 90 180 270 5. Strømme ankommer til inderste armender Indad 0° 270° 180° 90° 6. Indskudsfase til aktivt område Udad 0 90 180 270 7. Strømme ankommer —---—-----— til aktivt område Udad 0° 0 00 respektivt. Der vil således gå strøm indad mod det aktive område, og som anført tidligere i beskrivelsen er indskudsfasen 0°, 90°,.180° og 270° fra de yderste armender og til det aktive område på vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt. Den indadgående strøm vil følgelig ankomme til den aktive zone med en relativ fasefølge på 0°, 180°, 0° og 180°. Denne modfasetilstand vil hindre en effektiv udstråling af elektromagnetisk energi. Strøm vil nu bevæge sig videre fra det aktive område og mod de inderste armender 1, 2, 3 og 4.

Indskudsfasen fra den aktive zone til de inderste armender er 0°, 90°, 180° og 270° for vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt. Strømmene vil følgelig ankomme til de inderste armender 1, 2, 3 og 4 med en fasefølge på 0°, 270°, 180° og 90°, respektivt. Da omskifterkonfigurationen i dette tilfælde tjener til tilvejebringelse af en afbrudt tilstand, vil der ikke ske nogen strømudveksling mellem de respektive arme. Strømmene vil have den samme relative fasefølge, når de begynder at bevæge sig udad. Indskudsfasen fra de inderste armender til det aktive område er imidlertid 0°, 90°, 180° og 270°, respektivt, 12 144578 og dette betyder, at strømmen vil nå frem til den aktive zone i en i-fasetilstand med en relativ fasefølge på 0°, 0°, 0°, 0°, respektivt. Følgelig vil strømmene ankomme i fase, og en effektiv udstråling vil foregå.

Når omskifterkonfigurationen for en tilstand under fasetilfælde "A" resulterer i kortslutninger mellem armenderne 1 og 3 og mellem armenderne 2 og 4 som antydet i figur 7B, vil den heraf følgende funktion være som anført i nedenstående tabel II.

Tabel II

Fasetilfælde "·&"

Faseskift: 180°

Strømtilstand/ Strøm- Relative faser for spiralindskudsfase bevægelse vindinger 12 3 4 1. Strøm tilført -----— --—— yderste armender Indad 0° 270° 180° 90° 2. Indskudsfase til aktivt område Indad 0° 90° 180° 270° 3. Strømme ankommer til aktivt område Indad 0^_180°_0° 180° 4. Indskudsfase til inderste armender Indad 0° 90° 180° 270° 5. Strømme ankommer til inderste armender Indad 0° 270° 180° 90° 6. Strømudveksling Udad 180° 90° 0° 270° 7. Indskudsfade til aktivt område Udad 0° 90° 180° 270° 8. Strømme ankommer - til aktivt område Udad 180° 180° 180° 180°

En undersøgelse af tabel II vil vise, at de første fem trin svarer til de førte fem trin i tabel I. På grund af kortslutningerne til opnåelse af en 180°-fasetilstand vil strømmene imidlertid blive overført eller udvekslet mellem armenderne 1 og 3 og armenderne 2 og 4. Følgelig vil strømmene først begynde at bevæge sig udad med en relativ fasefølge på 180°. 90°, 0° og 270° på vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt. Indskudsfasen fra de inderste armender til det aktive område er 0°, 90°, 180° og 270°, og strømmene ankommer til det aktive 13 144578 område på de respektive arme med en relativ fase på 180°, 180°, 180° og 180°. Strømmene ankommer således til den aktive zone i fase, hvilket resulterer i en effektiv udstråling.

Der henvises nu til udførelsesformen ifølge figur 10, hvor der illustreres et fødenet FN" til tilførsel af radiofrekvent energi til de yderste armender af flere antenneelementer, der udgør en opstilling. Af hensyn til en forenkling er der kun vist to antenneelementer 12", men det må bemærkes, at lignende kredsløb kan benyttes i forbindelse med et langt større antal antenneelementer. Denne udførelsesform tilvej ebringer den operation med to binære cifre, som er repræsenteret af de fire fasetilstande illustreret i figurerne 8A-8D. Fødenettet FN" fører således radiofrekvent energi til hvert antenneelements yderste arm 34B", 36B", 38B" og 40B", respektivt, med en fasefølge på 0°, 90°, 0° og 90°, respektivt. Som tidligere bemærket i forbindelse med figurerne 1 og 3 er kabeltilslutningerne til de yderste armender af hvert antenneelement indrettet således, at kabellængderne og impedanserne er de samme. Fødenettet kan indeholde konventionelle kredsløb til opnåelse af den ovenfor angivne relative fasefølge. Eksempelvis indeholder fødenettet FN" for hvert antenneelement en radiofrekvent generator RF, der modtager energi fra en konventionel vekselstrømskilde, og derefter føres radiofrekvent energi til en hybridkreds QH, der ved sine udgangsklemmer afgiver halv effekt ved to udgangsklemmer med fasefølge på 0° og 90°. Disse udgangssignaler føres til hybridkredse Hl, henholdsvis H2, der tjener til at tilvejebringe en fjerdedel effekt (i forhold til den energi, som blev ført til hybridkredsen QH) og med den samme fase som den tilførte. Følgelig føres effekt ved 0° fra hybridkredsen Hl til de yderste armender 34B" og 38B", mens 90°-effekten fra hybridkredsen H2 føres til de yderste armender 36B" og 40B".

Omskifterkredsen SW", der er forbundet med de inderste armender 1, 2, 3 og 4, er vist skematisk i figur 10, og fungerer fortrinsvis på den ovenfor i forbindelse med figurerne 5 og 6 beskrevne måde. For at opnå en 0°-fasetilstand tilvejebringer omskifterkoblingen således en kortslutning mellem de inderste armender 2 og·. 3. For at opnå en 90°-fasetilstand betjenes omskifterkredsen til at tilvejebringe en kortslutning mellem de inderste armender 1 og 2. På lignende måde betjenes omskifterkredsen til at tilvejebringe en kortslutning mellem de inderste armender 1 og 4 for at opnå en 180°-fasetilstand, mens omskifterkredsen betjenes til at tilvejebringe en kortslutning mellem de inderste armender 3 og 4 for at tilvejebringe en 270°-fasetilstand.

14 144578

Dette er sammenfattet af de i figurerne 8A-8D illustrerede omskifterkon f i gurationer.

Den funktion, som følger af en arbejdsmåde under fasetilfælde B for de fire fasetilstande, er anført i tabelform i nedenstående tabeller III, IV, V og VI.

Tabel III

Fasetilfælde "B"

Faseskift: 0°

Strømtilstand/ Strøm- Relative faser for spiralindskudsfase bevægelse vindinger 12 3 4 1. Strøm tilført —------— yderste armender Indad 0 90 0 90 2. Indskudsfase til aktivt område Indad 0 90 180 270 3. Strømme ankommer til aktivt område Indad 0__0_180 180 4. Indskudsfase til o o o inderste armender Indad 0 90 180 270 5. Strømme ankommer o o o til inderste armender Indad 0 90 0 90 6. Strømudveksling Udad 0° 0° 90° 90° 7. Indskudsfase til aktivt område Udad 0° 90° 180° 270° 8. Strømme ankommer non til aktivt område Udad 0 90 270 0

Fasetilfælde "B"

Faseskift: 90°

Tabel IV

15 144578

Strømtilstand/ Strøm- Relative faser for spiralindskudsfase bevægelse vindinger 1_2_3_4 1. Strøm tilført no yderste armender Indad 0° 90° 0° 90 2. Indskudsfase til aktivt område Indad 0° 90° 180 270 3. Strømme ankommer til aktivt område Indad 0_0_180 180 4. Indskudsfase til o o inderste armender Indad 0 90° 180 270 5. Strømme ankommer til inderste armender Indad 0 90 0 90 6. Strømudveksling Udad 90° 0° 0° 90° 7. Indskudsfase til aktivt område Udad 0 90° 180 270 8. Strømme ankommer til aktivt område Udad 90° 90° 180° 0°

Tabel V

Fasetilfælde ,rB"

Faseskift: 180° 16 144578

Strømtilstand/ Strøm- Relative faser for spiralindskudsfase bevægelse vindinger 1_2_3_4 1. Strøm tilført yderste armender Indad 0 90 0 90° 2. Indskudsfase til aktivt område Indad 0 90 180° 270° 3. Strømme ankommer til aktivt område Indad 0_0_180_180° 4. Indskudsfase til inderste armender Indad 0 90 180 270 5. Strømme ankommer til inderste armender Indad 0 90 0 90° 6. Strømudveksling Udad 90° 90° 0° 0° 7. Indskudsfase til aktivt område Udad 0 90 180 270° 8. Strømme ankommer _ til aktivt område Udad 90 180 180 270°

Tabel VI

17 144578

Fasetilfælde "B"

Faseskift: 270°

Strømtilstand/ Strøm- Relative faser for spiralindskudsfase bevægelse vindinger 1_2_3_4 1. Strøm tilført o o o yderste armender Indad 0 90 0 90 2. Indskudsfase til aktivt område Indad 0 90 180 270 3. Strømme ankommer til aktivt område Indad 0^_0_180_180 4. Indskudsfase til inderste armender Indad 0 90 180 270 5. Strømme ankommer til inderste armender Indad 0 90 0 90 6. Strømudveksling Udad 0° 90° 90° 0° 7. Indskudsfase til n _ aktivt område Udad 0 90 180 270 8. Strømme ankommer til aktivt område Udad 0 180 270 270 18 144578

Der henvises nu til ovenstående tabeller II-VX med henblik på en beskrivelse af funktionen i forbindelse med en funktionsmåde under fasetilfælde "B". Dette er et 2-bitsystem, idet der tilvejebringes fire fasetilstande på 0°, 90°, 180° og 270°. For en 0°-fasetilstand betjenes omskifterkonfigurationen til opnåelse af en kortslutning mellem de inderste armender 2 og 3 i overensstemmelse med figur 8A. Føde-nettet FN" tilfører radiofrekvent energi til de yderste armender med en fasefølge på 0°, 90°, 0° og 90° på armenderne 34B", 36B", 38B" og 40B”, respektivt. Som tidligere anført er indskudsfasen fra de yderste armender til det aktive område en fasefølge på 0°, 90°, 180° og 270° på vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt. Strømmene ankommer følgelig til det aktive område ude af fase med en fasefølge på 0°, 0°, 180° og 180°. Denne faserelation hindrer udsendelse af energi. Strømmene fortsætter derefter i retning indad mod de inderste armender og ankommer til de inderste armender med en fasefølge på 0°, 90°, 0° og 90° på vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt. Da de inderste armender 2 og 3 er kortsluttet, foregår der en strømudveksling mellem vindingerne 2 og 3, og følgelig begynder strømmene at bevæge sig udad fra de inderste armender med en fasefølge på 0°, 0°, 90° og 90° på vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt. Indskudsfasen til det aktive område er 0°, 90°, 180° og 270°, og strømmene ankommer til det aktive område med en fasefølge på 0°, 90°, 270° og 0°. Som det vil bemærkes, findes der to vindinger i fase og to vindinger ude af fase. Strømmene i vindingerne 2 og 3, der er ude af fase, udligner hinanden, mens strømmene i vindingerne 1 og 4, der er i fase, er additive og tilvejebringer effektiv udstråling ved en relativ fase på 0°.

Funktionen, der indtræder ved et 90° faseskift, er anført i tabel IV. Dette kræver, at omskifterkonfigurationen følger den i figur 8B antydede, hvor de inderste armender 1 og 2 er kortsluttet. Som angivet i tabel IV er funktionen den samme som for et 0°-faseskift i trinnene 1-5. Da armenderne 1 og 2 er kortsluttede, vil strømmene i disse vindinger udveksles og følgelig vil strømmen i begyndelsen gå udad fra de inderste armender med en fasefølge på 90°, 0°, 0° og 90° på vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt, følgelig vil strømmene ankomme til det aktive område med en fasefølge på 90°, 90°, 180° og 0°. Strømmene i vindingerne 3 og 4 opvejer hinanden, og strømmene i vindingerne 1 og 2 er i fase og vil adderes, hvilket resulterer i en effektiv udsendelse af elektromagnetisk energi med et 90°-faseskift.

Funktionen, som indtræder for et 180°-faseskift i forbindelse med 19 U4S78 fasetilfælde "B" er anført i tabel V. Til denne funktion betjenes omskifterkonfigurationen således, at der opnås en kortslutning mellem de inderste armender 1 og 4 som angivet i figur 8C. Den indtrædende funktion er den samme i trinnene 1-5 som den tidligere i forbindelse med 0°-fasetiistanden og 90°-fasetilstanden beskrevne. Hed de inderste armender 1 og 4 kortsluttet vil strømmene i disse arme imidlertid blive udvekslet, og strømmene vil i begyndelsen gå udad langs armene med en fasefølge på 90°, 90°, 0° og 0° i vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt. Disse strømme vil derefter ankomme til det aktive område med en fasefølge på 0°, 180°, 180° og 270°. Strømmene i vindingerne 1 og 4 vil udligne hinanden, mens strømmene i vindingerne 2 og 3 vil adderes, hvilket resulterer i en effektiv udstråling med et relativt faseskift på 180°.

Funktionen, som indtræder i forbindelse med en 270°-fasetilstand i fasetilfelde "B" , er angivet i tabel VI. I denne fasetilstand er de inderste armender 3 og 4 kortsluttet som angivet i figur 8D. Funktionen for de første fem trin i tabel VI er den samme som beskrevet ovenfor i forbindelse med 0°-fasetilstanden, 90°-fasetilstanden og 180°-fasetilstanden. Med armenderne 3 og 4 kortsluttet vil strømmene i vindingerne 3 og 4 imidlertid blive udvekslet, og strømmene vil i begyndelsen gå udad med en fasefølge på 0°, 90°, 90° og 0°, respektivt. Disse strømme vil derefter ankomme til det aktive område med en fasefølge på 0°, 180°, 270° og 270° på vindingerne 1, 2, 3 og 4, respektivt. Strømmene på vindingerne 1 og 2 vil udligne hinanden, og strømmene på vindingerne 3 og 4 vil forstærke hinanden til tilvejebringelse af en effektiv udstråling med et relativt faseskift på 270°.

Claims (3)

144578

1. Antenneelement indeholdende flere elektrisk ledende spiralarme (34, 36, 38, 40) adskilt fra hinanden og med fælles rotationsakse, hvor hver arm har en inderste og en yderste ende, hvilke inderste ender (34a, 36a, 38a, 40a) er drejningsmæssigt forskudt en given vinkel omkring aksen i forhold til hinanden til opnåelse af en given drejningsmæssig fasefølge omkring den fælles akse, og hvor hver arm har en længde, der er tilstrækkelig til, at hver arm skærer et ringformet aktivt område (44), som i det væsentlige forløber koaksialt omkring den fælles akse, og hvorfra elektromagnetisk energi udsendes effektivt fra antenneelementet (12), når der går strømme i de respektive arme, som har samme retning og er i fase, når de ankommer til det aktive område, fasekontrolmidler (PC, SW) indrettet til en effektiv elektrisk rotation af spiralarmene omkring aksen til styring af faserelationen for den elektromagnetiske energi, der skal udsendes fra antenneelementet, og hvilke fasekontrolmidler indeholder midler (50, A-H) til sammenkobling af i det mindste to inderste armender til opnåelse af en kortslutning herimellem, således at elektriske signaler i de respektive sammenkoblede armpar udveksles fra den ene arm til den anden med en relativ faseændring i afhængighed af den drejningsmæssige faserelation mellem de sammenkoblede inderste armender, samt indretninger (FN) til at føde radio frekvent energi fra en kilde og direkte til hver arm med henblik på at bringe strøm til at forløbe i hver arm, KENDETEGNET ved, AT nævnte fødeindretninger (FN) er forbundet med armenes yderste ender (34b, 36b, 38b, 40b), og kun med yderen-v derne, og indeholder midler (QH, Hl, H2) indrettet til at bevirke, at strømmene i de respektive arme først forløber fra de yderste armender mod de inderste armender med en sådan fasefølge i forhold til hinanden, at de respektive indad forløbende strømme er ude af fase, når de træder ind i det aktive område (44).

2. Antenneelement ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, AT fødeindret-ningerne indeholder flere ledere (24, 26) af samme længde og impedans .

3. Antenneelement ifølge krav 1 eller 2, KENDETEGNET ved, AT det