NO133987B

NO133987B -

Info

Publication number: NO133987B
Application number: NO1762/73A
Authority: NO
Inventors: R L Carlise
Original assignee: North American Rockwell
Priority date: 1972-05-08
Filing date: 1973-04-27
Publication date: 1976-04-20
Also published as: NO133987C; IL41549A; AU473314B2; JPS4924342A; IT977515B; DE2321987A1; NL7304719A; GB1388253A; AU5198373A; CA970047A; FR2183700A1; IL41549A0

Description

Oppfinnelsen angår et fasesveipet stråleelement, omfattende The invention relates to a phase-swept beam element, comprehensively

en endematet utstrålende avlangt rektangulær bølgeleder med stråleråpninger anordnet i innbyrdes avstand langs den, en flerhet av seriekoblede viklinger som er viklet rundt bølgelederen og plasert i avstand fra hverandre mellom på hinannen følgende stråleråpninger, an end-fed radiating elongated rectangular waveguide having beam apertures spaced along it, a plurality of series-connected windings wound around the waveguide and spaced apart between successive beam apertures,

og en ferritstav som strekker seg på langs innenfor bølgelederen, and a ferrite rod extending longitudinally within the waveguide,

det hele slik anordnet at energisering av de seriekoblede viklinger tjener til å endre forplantningshastigheten innenfor bølgelederen. the whole so arranged that energizing the series-connected windings serves to change the propagation speed within the waveguide.

Ved byggingen av fasedreiere for mikrobølger har det vært In the construction of phase shifters for microwaves it has been

kjent at en variasjon i magnetiseringen av en ferritstav innsatt i en bølgeleder kan utnyttes til å frembringe variasjoner i fase-dreiningen av mlkrobølgeenergi som forplanter seg gjennom bølge- known that a variation in the magnetization of a ferrite rod inserted in a waveguide can be used to produce variations in the phase rotation of microwave energy that propagates through wave-

lederen. En slik endring i magnetisering kan man bevirke ved å the manager. Such a change in magnetization can be effected by

variere matningen av en vikling som er viklet rundt vedkommende avsnitt av bølgelederen. Skjønt et slikt system virker som en fasedreier for mikrobølger (og er kjent innen faget som en Reggia Spencer-fasedreier), egner den seg ikke til å virke som et fase- vary the feed of a winding which is wound around the relevant section of the waveguide. Although such a system acts as a phase shifter for microwaves (and is known in the art as a Reggia Spencer phase shifter), it is not suitable to act as a phase-

sveipet strålerelement. Med andre ord, hvis man utformer en langs- swept beam element. In other words, if one designs a longitudinal

gående rad av slisser i bølgelederen i et forsøk på å lage en fase- continuous row of slits in the waveguide in an attempt to create a phase

sveipet retningsantenne eller fasestyrt utstrålende mateleder, finner man at systemet har begrenset virkningsgrad, idet det bare er effek- swept directional antenna or phase-controlled radiating feed conductor, one finds that the system has a limited degree of efficiency, as it is only effective

tivt i et meget snevert eller begrenset faseområde. Forsøker man å øke fasesveipingen ved å øke magnetiseringen av ferritstaven, vil en derav følgende tilnærmelse til nvatning av staven redusere kob- tively in a very narrow or limited phase range. If one tries to increase the phase sweep by increasing the magnetization of the ferrite rod, a resulting approach to n-wetting of the rod will reduce the cob-

lingen til og utstrålingen fra slissraden. the ling to and the radiation from the slit row.

En hensikt med oppfinnelsen er å overvinne den ovennevnte vanskelighet med uheldige virkninger på koblingen og skaffe et fasesveipet strålerelement som har øket anvendelighet over et bredere fasevinkelområde uten å lide under en tilsvarende grad av dempning som den der knytter seg til kjente utførelser. One purpose of the invention is to overcome the above-mentioned difficulty with adverse effects on the coupling and to obtain a phase-swept beam element which has increased applicability over a wider phase angle range without suffering from a corresponding degree of attenuation as is associated with known designs.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å gi anvisning på en Another purpose of the invention is to provide guidance on a

modifisert Reggia Spencer-forsinkelsesleder for mikrobølger, som er modified Reggia Spencer microwave delay conductor, which is

omtalt i US-PS 3 212 031. disclosed in US-PS 3,212,031.

Disse hensikter er ved et strålerelement av den innlednings-vis angitte art ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at staven har områder som er plasert i aksiale avstander langsetter den, tilsvarende åpningenes, og innfører både elektriske og magnetiske diskontinuiteter, slik at de skaffer forsterket kobling fra staven til hver åpning. Ytterligere modifikasjoner av en slik Reggia Spencer-forsinkelsesleder består i at staven er en sammenhengende stav med tverrsnittsreduksjoner ved de nevnte områder/og at staven har et avbrudd i hvert av de nevnte områder. These purposes are achieved by a beam element of the kind indicated at the outset according to the invention in that the rod has areas that are placed at axial distances along it, corresponding to the openings, and introduce both electrical and magnetic discontinuities, so that they provide reinforced coupling from the rod to each opening. Further modifications of such a Reggia Spencer delay conductor consist in the rod being a continuous rod with cross-sectional reductions at the aforementioned areas/and the rod having an interruption in each of the aforementioned areas.

Takket være denne anordning av aksialt fordelte avbrudd, unngår man å få mettet ferritmateriale i naboskapet av stråleråpningene, hvorved der fås bedret energlkobling, særlig under forhold med store sveipevinkler eller øket fasedreining (som man får ved forsterket ferritmagnetisering). Thanks to this arrangement of axially distributed interruptions, one avoids getting saturated ferrite material in the neighborhood of the beam openings, whereby improved energy coupling is obtained, especially under conditions with large sweep angles or increased phase rotation (which is obtained with enhanced ferrite magnetization).

Det er ikke nødvendig å avbryte ferritstaven fullstendig. Tverrsnittsreduksjonene ved åpningene kan benyttes til å styre koblingen til åpningene. Avbruddene eller områdene med redusert tverrsnitt kan plaseres aksialt faseforskjøvet i forhold til stråleråpningene for ad empirisk vei å gi optimal funksjon. It is not necessary to completely interrupt the ferrite rod. The cross-sectional reductions at the openings can be used to control the connection to the openings. The interruptions or areas with a reduced cross-section can be placed axially phase-shifted in relation to the beam openings in order empirically to provide optimal function.

Det er også mulig å tilveiebringe den forsterkede kobling ved hjelp av metallsonder som strekker seg fra staven mot slissene, men er isolert fra både staven og bølgelederen. It is also possible to provide the reinforced coupling by means of metal probes which extend from the rod towards the slots, but are isolated from both the rod and the waveguide.

Oppfinnelsen vil bli belyst mer detaljert ved et eksempel The invention will be illustrated in more detail by an example

under henvisning til tegningen. with reference to the drawing.

Fig. 1 viser skjematisk en innretning ifølge oppfinnelsen med bølgelederen vist i aksialt snitt, så dens indre blir synlig. Fig. 1 schematically shows a device according to the invention with the waveguide shown in axial section, so that its interior becomes visible.

Fig. 2 viser innretningen på fig. 1 perspektivisk og med Fig. 2 shows the device in fig. 1 perspective and with

en del brukket bort. some broke away.

Fig. 3 viser perspektivisk en alternativ form for et fasesveipet strålerelement ifølge oppfinnelsen med matning ved enden og bestemt til å kunne kobles inn og ut. Fig. 4 viser en retningsantenne til å frembringe en enkelt-plans elektronisk sveipet smalstråle, hvor innretningen på fig. 1 og 2 er benyttet. Fig. 3 shows in perspective an alternative form for a phase-swept beam element according to the invention with feeding at the end and designed to be able to be switched on and off. Fig. 4 shows a directional antenna for producing a single-plane electronically swept narrow beam, where the device in fig. 1 and 2 are used.

Der henvises nå til fig. 1, hvor der skjematisk er vist en innretning ifølge oppfinnelsen delvis vertikalt gjennomskåret aksialt. Der ses et rektangulært bølgelederprofil 10 som i en vegg i H-planet er forsynt med en langsgående rad av slisser eller stråleråpninger lia - lin (be.dre vist på fig. 2) plasert med.mellomrom aksialt. Skjønt slissene er vist anordnet i jevne avstander, kan mellomrommene også velges annerledes for å tilveiebringe en ønsket stråleform, slik det vil forståes av fagfolk. Omkring bølgelederen 10 er der aksialt langs denne anbragt en vikling 12 som er anordnet slik at den ikke stenger for åpningene lia - lin. Med andre ord foreligger der en seriekoblet flerhet av delviklinger 12a - 12n+l som ligger med aksiale mellomrom og mellom på hinannen følgende stråleråpninger lia - lin. En tilleggsvikling (ikke vist) kan an-bringes på hver ende av bølgelederen for å motvirke den "ende-effekt" som knytter seg til lange solenoider, og for å sikre et ensartet magnetisk felt i endepartiene av ferritstaven i forhold til de midtre ansnitt av denne. Reference is now made to fig. 1, where a device according to the invention is shown schematically, partially vertically cut through axially. There is seen a rectangular waveguide profile 10 which, in a wall in the H plane, is provided with a longitudinal row of slits or beam openings lia - lin (better shown in Fig. 2) placed with intermediate spaces axially. Although the slits are shown arranged at regular intervals, the spaces can also be chosen differently to provide a desired beam shape, as will be understood by those skilled in the art. Around the waveguide 10, a winding 12 is arranged axially along this, which is arranged so that it does not close the openings lia - lin. In other words, there is a series-connected plurality of partial windings 12a - 12n+l which are located with axial spaces and between successive beam openings lia - lin. An additional winding (not shown) can be placed on each end of the waveguide to counteract the "end effect" associated with long solenoids, and to ensure a uniform magnetic field in the end portions of the ferrite rod in relation to the middle sections of this.

I bølgelederstykket 10 er der innsatt et langsgående organ A longitudinal member is inserted into the waveguide piece 10

i form av en stav 13 som består av ferritmateriale og i jevne avstander har avbrudd 14a - 14n i ferritmaterialets tverrsnitt i avstander svarende til åpningenes. Disse avbrudd i ferrittverrsnitts-arealet kan ha form av luftspalter eller være utfylt med et fast dielektrikum. Som anskueliggjort på fig. 1 kan avbruddene være fullstendige og være utfylt med dielektriske avstandsholdere 14a - 14n mellom ferritstykkene 15a - 15n+l, og den aksiale utstrekning av disse avstandsholdere kan være den samme for alle og fortrinns-vis utgjøre 0,03 - 0,04 ganger bølgelengden i fritt rom. Avbruddene kan være forskutt ("faseforskjøvet") aksialt i forhold til stråleråpningene. Ved fremstillingen kan de i innbyrdes aksial avstand plaserte aksialt forløpende ferritstykker eller klosser innleires eller innkapsles i en dielektrisk masse som støpes slik at den passer inn i og bekvemt kan plaseres i bølgelederprofilet, slik at ferritklossene 15a - 15n+l blir skikkelig understøttet. Eller også kan ferritklossene og de dielektriske avstandsholdere for-synes med en surring eller omvikling for å danne en sammenhengende stav som så innleires i dielektrisk masse. Skjønt det stavformede organ er vist med sirkelrundt tverrsnitt, kan der selvsagt også benyttes andre tverrsnittsformer, f.eks. rektangulære. in the form of a rod 13 which consists of ferrite material and at regular distances has interruptions 14a - 14n in the cross section of the ferrite material at distances corresponding to the openings. These interruptions in the ferrite cross-sectional area can take the form of air gaps or be filled with a solid dielectric. As can be seen in fig. 1, the breaks can be complete and be filled with dielectric spacers 14a - 14n between the ferrite pieces 15a - 15n+l, and the axial extent of these spacers can be the same for all and preferably amount to 0.03 - 0.04 times the wavelength in free room. The interruptions can be offset ("phase-shifted") axially in relation to the beam openings. During manufacture, the axially extending pieces of ferrite or blocks placed at an axial distance from each other can be embedded or encapsulated in a dielectric mass which is molded so that it fits into and can be conveniently placed in the waveguide profile, so that the ferrite blocks 15a - 15n+l are properly supported. Alternatively, the ferrite blocks and the dielectric spacers can be provided with a lashing or wrapping to form a continuous rod which is then embedded in dielectric mass. Although the rod-shaped body is shown with a circular cross-section, other cross-sectional shapes can of course also be used, e.g. rectangular.

Avstanden mellom slissene lia - lin i veggen i H-planet kan være lik et helt antall bølgelengder for å gi en statisk sveipe-vinkel -0 for antennestrålen, mens maksimal magnetiseringstilstand av ferritklossene svarer til en bredsideinnretning for en antenne-stråle dannet ved den kombinerte utstråling fra slissene som reak-sjon på radiofrekvent eksitering av bølgelederen 10 ved enden. The distance between the slits lia - lin in the wall in the H plane can be equal to an integer number of wavelengths to give a static sweep angle -0 for the antenna beam, while the maximum magnetization state of the ferrite blocks corresponds to a broadside device for an antenna beam formed by the combined radiation from the slits as a reaction to radio frequency excitation of the waveguide 10 at the end.

I normal drift av den beskrevne anordning vil magnetfeltet In normal operation of the device described, the magnetic field will

i ferritklossene være tilbøyelig til å variere proporsjonalt med strømmen gjennmm solenoidviklingen 12. Nå er forplantningshastigheten av den ved enden innmatede radiofrekvente eksitering som in the ferrite blocks will tend to vary proportionally with the current through the solenoid winding 12. Now the propagation speed of the end-fed radio frequency excitation which

^.nnføres i den belastede bølgeleder, proporsjonal med magnetfeltet i ferritmaterialet og derfor tilbøyelig til også å være proporsjonal med strømmen i viklingen 12. Som det vil forstås av fagfolk innen faget elektronisk sveipende antenner, er den vinkel (i for- is introduced into the loaded waveguide, proportional to the magnetic field in the ferrite material and therefore tends to also be proportional to the current in the winding 12. As will be understood by those skilled in the art of electronically sweeping antennas, the angle (in

hold til den utstrålende mateleder 10) hvori strålemønsteret ut- hold the radiating feed conductor 10) in which the beam pattern

stråles fra den slissede bølgeleder 10, en funksjon av slissav- is radiated from the slotted waveguide 10, a function of the slotted

standen og forplantningshastigheten av de radiofrekvente bølger i bølgelederen. Det er således mulig rett og slett ved å endre strømmen i solenoidet (viklingen 12) å endre forplantningshastig- the position and propagation speed of the radio frequency waves in the waveguide. It is thus possible simply by changing the current in the solenoid (winding 12) to change the propagation speed

heten og dermed den tilhørende strålevinkel tilsvarende. the heat and thus the corresponding beam angle.

For den ovenfor beskrevne tilbakesveipende modus blir til-bakesveipningsvinkelen -B redusert ved økning av den påtrykte eksitering av solenoidet 12 fra null, og maksimal eksitering gir en bredsidevinkel (retning normalt på aksialretningen for den utstrå- For the above-described backsweeping mode, the backsweeping angle -B is reduced by increasing the applied excitation of the solenoid 12 from zero, and maximum excitation produces a broadside angle (direction normal to the axial direction of the radiated

lende mateleder 10). Ved siden å redusere solenoidmatningen til null lumbar feeder 10). Next to reduce the solenoid feed to zero

og påtrykke radiofrekvenseksiteringen på den motsatte ende av mate-lederen 10 (ved hjelp av en dobbelt radiofrekvens-omkaster som den der er beskrevet i søkernes britiske patentskrift nr. 1 351 090) kan antennen bringes til å "se" under en motsatt vinkel +p. Ved and applying the radio frequency excitation to the opposite end of the feed conductor 10 (by means of a dual radio frequency diverter such as that described in Applicants' British Patent No. 1 351 090) the antenna can be made to "see" at an opposite angle +p . By

fornyet økning av solenoideksiteringen blir "se"-vinkelen sveipet tilbake eller redusert til bredside (eller null). Med to slike avsøkningsintervaller med sveiping fra hver sin ende blir der så- renewed increase of the solenoid excitation, the "see" angle is swept back or reduced to broadside (or zero). With two such scanning intervals with sweeping from opposite ends, there is

ledes fullført en fullstendig sveipesyklus, hvor antennen sveipes over området -p. En slik anordning med avvekslende endematning (ved omkobling) er vist spesielt på fig. 3, hvor en radiofrekvens-bryter 20 med fire kontaktstifter for dobbeltomkastning og med skiftevis innkoblede porter(l) og © koblet til hver sin ende av den utstrålende bølgeleder 10 ved hjelp av bølgelederstykker 110a og 110b,samt ennvidere med en felles port (3) som etter valg kan kobles til den ene eller den annen av portene ® og ©, som forklart mer fullstendig i det ovenenvente britiske patentskrift. is led to complete a complete sweep cycle, where the antenna is swept over the area -p. Such a device with alternating end feed (when switching) is shown in particular in fig. 3, where a radio frequency switch 20 with four contact pins for double reversal and with alternately connected ports (l) and © connected to each end of the radiating waveguide 10 by means of waveguide pieces 110a and 110b, as well as with a common port (3) which can optionally be connected to one or the other of the ports ® and ©, as explained more fully in the above British patent document.

Skjønt koblingen mellom de utstrålende slisser og den magne-tiserbare ferritstav har vært omtalt som tilveiebragt ved periodiske avbrudd i konstruksjonen svarende til periodisiteten av stråler-slissene i rommet, behøver avbruddene ikke å være fullstendige, men kan bestå i reduksjoner i ferritstavens tverrsnittsareal, og koblingen kan tilveiebringes ved hjelp av metalliske sonder som strek- Although the coupling between the radiating slits and the magnetizable ferrite rod has been described as provided by periodic interruptions in the construction corresponding to the periodicity of the radiation slits in the room, the interruptions need not be complete, but may consist of reductions in the cross-sectional area of the ferrite rod, and the coupling can be provided by means of metallic probes such as

ker seg radialt fra staven mot slissene og er isolert fra både bølgelederens vegg og ferritstaven. moves radially from the rod towards the slots and is isolated from both the wall of the waveguide and the ferrite rod.

Innretningen på fig. 1 og 2, som har en stor systemåpnings-dimensjon i sveipeplanet eller lengderetningen av den eneste slissrad og har en trang systemåpning i retning normalt på sveipeplanet, skaffer en sveipende viftestråle. En sveipende "smalstråle" The device in fig. 1 and 2, which have a large system opening dimension in the sweep plane or the longitudinal direction of the single slot row and have a narrow system opening in the direction normal to the sweep plane, provide a sweeping fan jet. A sweeping "narrow beam"

kan man få ved å anvende et system av utstrålende bølgeledere can be obtained by using a system of radiating waveguides

15a - 15n som er stablet i et felles plan eller innbyrdes parallelle og hver mates ved enden fra en tilsvarende sliss av den utstrålende fasedreielederkilde 10 på fig. 1 og 2, som vist mer spesielt på fig. 4. Ved hjelp av en slik anordning fås planet for antennens ytter-ste strålerspisser i en vinkel på 90° til planet for fasedreierens slisser, men sveiperetningen eller -planet blir hovedsakelig paral-lelt med lengderetningen av fasedreieleder-kilden 10. På grunn av den store åpningsdimensjon i hver retning av sammenstillingen re-sulterer en stråle i "blyant'-f orm, som det vil forstås av fagfolk. 15a - 15n which are stacked in a common plane or mutually parallel and each is fed at the end from a corresponding slot of the radiating phase rotary source 10 in fig. 1 and 2, as shown more particularly in fig. 4. By means of such a device, the plane of the outermost beam tips of the antenna is obtained at an angle of 90° to the plane of the phase turner slots, but the sweep direction or plane becomes essentially parallel to the longitudinal direction of the phase turner source 10. Because of the large opening dimension in each direction of the assembly results in a "pencil" shaped beam, as will be appreciated by those skilled in the art.

Anordningen til avvekslende -tilkobling til endene i henhold til fig„ 3 kan selvsagt anvendes for lederen 10 på fig. 4. The device for alternating connection to the ends according to fig. 3 can of course be used for the conductor 10 in fig. 4.

Claims

1. Phase-swept radiation element, comprising an end-fed radiation

longitudinally elongated rectangular waveguide (10) with beam apertures (11) spaced along it, a plurality of series-connected windings (12) wound around the waveguide and spaced apart between successive beam apertures, and a ferrite rod (13) which extends lengthwise within the waveguide, the whole so arranged that energizing the series-connected windings serves to change the propagation speed within the waveguide, characterized in that the rod (13) has areas (14) which are placed at axial distances along it, corresponding to the openings, and introduce both electrical and magnetic discontinuities, so that they provide reinforced coupling from the rod to each opening (11) •

2. Radiant element as stated in claim 1, characterized in that the rod (13) is a continuous rod with cross-sectional reduction ions at the mentioned areas (14).

3. Radiant element as stated in claim 1, characterized in that the rod (13) has an interruption in each of the mentioned areas (14).

4. Radiant element as specified in claim 3, characterized in that the breaks in the rod (13) are filled with solid dielectric material (14).

5. Radiant element as stated in one of the preceding claims, characterized in that the said areas are axially offset in relation to the beam openings (11).