NO162137B - Mikroboelge-antenne. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører ei mikrobølgeantenne i samsvar med innledningen til patentkrav 1.

Et vanlig problem ved antenner for Doppler -navigasjon er kjent som "Over-water shift". På grunn av forskjellige karakteristika på den returnerte energi fra land og sjø i det vanlige Doppler-system skjer det en veksling ved overflyvning av vann, som kan føre til en betydelig hastighetsfeil. En måte å unngå dette på er kjent som "beam lobing" teknikk, hvor hver av Doppler-strålene veksles mellom to stillinger noen få grader fra hverandre. Selv om denne framgangsmåten har vist seg å virke, krever den ekstra utstyr og ekstra tid.

En annen framgangsmåte er beskrevet i US-PS 2.983. 920. Der er beskrevet en plan oppstilling av mikrobølgean-tenner som er skrått-stilt 45°, for å tillate at det utstrål-es en stråleform som viser en høy grad av uavhengighet med hensyn til veksling ved overflyvning av vann. Den utførelsen som er be-skrevet i dette patentskrift er imidlertid ikke særlig praktisk. I US-PS 4.180.818 er det beskrevet bruk av skrått-stilte antenneoppstillinger som gir stråler forover og bakover for å oppnå frekvenskompensasjon. Bruken av skrått-stilte antenner skaper imidlertid andre problemer. Vanligvis er antenneåpningen begrenset i et rektangulært om-råde. Når en skrått-stilt antenneåpning tilpasses i et slikt rektangulært areal vil betydelige deler av området ikke inneholde strålingselementer. Det effektive areal og forsterkningen til antenna blir dermed mindre enn om hele det rektangulære området ble brukt.

I en parallell søknad (US-PS 167.285), er det gjort en forbedring i dette systemet. Antenna som er beskrevet i denne søknaden løser problemene ved den beskrevne,

kjente teknikk, ved å skape en rektangulær antenneåpning som utvikler et strålemønster nær opptil ei antenne med skrått-stilt åpning. Selv om denne antenna fyller kravene til reduksjon av vekslinger over vann og til _å oppnå frekvens - kompensasjon, fordi hele det rektangulære området utnyttes^ vil det forekomme frekvens/temperatur-kompensasjon for individuelle stråler fra en flerstrålet antenneutgang. Dessuten har også den kompensasjonsteknikk som er beskrevet i den andre søknaden også begrensninger i nivået for den første sidelobe, og sidelober med stor åpningsvinkel skapt av den framgai>gsmåte for mønsterdannelse som beskrives.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skape ei

mikro - bølgeantenne hvor problemene som er angitt ovenfor ved kjent teknikk, er vesentlig redusert.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved å utforme antenna slik det er angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1.

Ved antenna ifølge oppfinnelsen er summen av de fire strålene frekvens/temperatur-kompensert i steden for de enkelte strålene. Fordelen med den foreslåtte utforming er at det oppnås en overlegen mønstereffekt, p.g.a. at antenna ikke krever ekstra linjer for å mate hver oppstilling som gir gamma-stråling. Dessuten lyder ikke antenna ifølge oppfinnelsen med hensyn til begrensninger i nivået på den første sidelobe og vidvinklete sidelober, noe som er ulemper ved den teknikk som kompenserer de enkelte stråler.

Nettoresultatet ved antenna ifølge oppfinnelsen er en forbedring i antenne-forsterkning på omtrent 3,5 db, samtidig som sidelobe-ytelsen er betydelig bedre enn ved enkelt-stråleantenner.

Mens antenna i den parallelle søknaden er delt i

to sigiiiahalvdeler oppnår denne oppfinnelsen korreksjon ved å dele antenna i to .Eammanalvdeler og overkompensere den første halvdelen. Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. la viser et diagram som illustrerer et typisk strål-ingsmønster for ei antenne,

fig. lb illustrerer vanlige refleksfunksjoner,

fig. lc viser et ytterligere diagram som illustrerer effekten av vekslinger mellom land og sjø,

fig. 2 viser et diagram som illustrerer fire skrått-stilte stråler utstrålet fra to antenneåpninger,

fig. 3a viser et diagram av et koordinat-system for ei vanlig rektangulær antenne,

fig. 3b viser et diagram av et koordinat-system med skrått-stilt akse,

fig. 3c viser et diagram av ei antenne med skråttstilt åpning, med en hellingsvinkel- på 45°,

fig. 4 viser en skjematisk gjengivelse av en avkappet, skrått-stilt åpning,

fig. 5 vicor en skjematisk illustrasjon av ei antenne med åpningene og de forskjellige stråler vist,

fig. 6 viser et diagram som illustrerer koblingen av strål-ingsmønster til de respektive matelegemer, over en transformator ,

fig. 7 viser en skjematisk gjengivelse av strålevekslingene,

i

i forhold til det normale for antenna ifølge oppfinnelsen, for å oppnå frekvenskompensasjon,

fig. 8 viser en datamaskin-utskrift for den skrått-stilte X-akse-fordelingen ifølge oppfinnelsen,

fig. 9 viser en datamaskin-utskrift av fordelingen i den skrått-stilte Y-akse ifølge oppfinnelsen,

fig. 10 viser utskrift fra en datamaskin av koblingen og strålingskoeffisientene ifølge oppfinnelsen,

fig. 11 illustrerer hovedmønsteret i gamma-planet for et avstandsfelt,

fig. 12 illustrerer hovedmønsteret for sigma-planet tilsvarende, mens

fig. 13 illustrerer et snitt gjennom ei antenne ifølge oppfinnelsen.

Uavhengig av hvilken teknikk som brukes for å registrere Doppler-ekkoet, vil alle Doppler-radarene ha land-vannskifte dersom ikke spesielle forholdsregler er tatt for å eliminere denne skiftingen når radarene lages. For å diskutere land-vannskiftemekanisen betraktes et enkelt enkelstråle-system hvor y Q (vinkelen mellom hastighets-vektoren og senteret i den utstrålte strålen), og ^

(strålens innfallsvinkel mot spredningsflaten) ligger i det samme planet og danner komplementære vinkler , som vist i Fig. la. Antennestrålens bredde betegnes ay.

Over land vil den uniforme refleksjonen (Fig. lb) gi et spektrum hvis senter er en funksjon av yQ og hvis bredde er en funksjon av Ay (Fig. lc). Ved flyvning over vann er refleksjonen ikke-lineær som vist i Fig. lb, der store V-vinkler (små y-vinkler) gir en lav spredning:skoef f isient. Ettersom de små y-vinklene er assosiert med høye frekvenser

i doppler-spekteret vil disse svekkes i forhold til lave frekvenser, noe som gjør at spekterets topp trekkes mot en lavere frekvens. Land-vannskiftet er vanligvis fra II til

31 avhengig av antenneparametrene. Den tredimensjonale situasjonen er mer komplisert. Anta at en flygemaskin flyr langs X-aksen i Fig. 2. Y-aksen er horisontal og ortogonal på X-aksen, mens Z-aksen er vertikal.Rektangulære gruppe-antenner utvikler fire stråler i en vinkel til disse aksene. Aksen til hvilken som helst av disse strålene (f.eks. stråle 2) danner en vinkel yo med X-aksen, en vinkel .(X med Y-aksen og en vinkel y med Z-aksen. En vanlig rektangulær antenne, vist i Fig. 3a, har en amplitydefunksjon A som kan beskrives som et produkt av to adskilte funksjoner på X- og Y-aksen, slik at:

Antennemønsteret for en vanlig rektangulær antenne sies derfor å være "separerbart" i y og(T. Siden sprednings-koeffisienten over vann varierer med vinkelen, er det ønskelig å ha et antennemønster som er separerbart i y ogf istedenfor y ogcr. Denne type antennemønster vil i stor grad eliminere land-vannskiftet.

Fig. 3b viser et koordinatsystem med skråstilt akse beregnet for et antennemønster som er separerbart i Y og y . y-aksen er en projeksjon av stråleaksen ned på X-Y-planet. Y'-aksen har en vinkel K med Y-aksen. Fig. 3c viser ei antenne med skråstilt åpning, med en hellningsvinkel på K=45°. Amplitydefunksjonen for denne antennen er et produkt av to adskilte funksjoner på X-aksen og Y'-aksen.

Antennemønsteret for antennen med skråstilt

åpning er separerbart i y og , hvor £ er vinkelen mellom Y<1->aksen og stråleaksen. Nær sentrum i strålen er antenne-mønsteret også separerbart ( med en liten tilnærmelse) i y og f , og er derfor stort sett uav.hengig av land-vannskiftet.

Fig. 3c /iser imidlertid også at antenna med skråstilt åp.ning lar store deler av det rektangulære området være ubrukt, så forsterkningen for antenna med skråstilt åp.ning er mindre enn om hele rektangulærområdet hadde inneholdt strålingselementer. Videre begrenser manglen på strålings-oppstillinger i den skråstilte antenna antall strålingselementer i hver oppstilling, noe som kan gi et uakseptab-elt lavt innsettingstap.

Som vist i Fig. 4 er det imidlertid mulig å utvikle en skrå åpning, undertrykke den og utvikle en rektangulær-åpning som inneholder de ønskede muligheter for separering. Videre er det mulig å gjøre om hellningsvinkelen slik at graden av overkompensering som oppnås motvirker effekten av undertrykkingen av den opprinnelige åpningen. Dette er basis ved utførelsen av den foreliggende oppfinnelsen.

Dersom dette utnyttes ved konstruksjonen, fram-kommer den undertrykte åpningen av en halvdel av den aktuelle antennen, og den resulterende strålingskondukt-ansen foldes så slik at matesystemet blir resiprokt. Den modifiserte åpningen dupliseres for å danne den andre antenne-halvdelen.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er

det nødvendig å rotere materne ; og stråleoppstillingen 90 grader for at et forenklet matesystem kan utnyttes,

samtidig som frekvenskompenseringen og overvann-avbøy-ningskorreksjonen beholdes.

For at overvanns-korreksjon skal oppnåes, er det nød-

vendig at sammenhengen mellom mateåpningen og den skrå fordelingen beholdes. Fig. 5 viser dette punktet.

,Av fig. 5 kan en se at energien som ankommer antennen fra hvilken som helst åpning utvikler en skrå stråle slik at alternative par har den samme hellningen, f.eks. par 1, 2 og par 3, 4.

Av antennas natur ser hver mater begge skrå for-delingene. Når f.eks. venstre mater mates fra port 1 utvikler den en skrå fordeling over sin første halvdel og en motsatt, eller motstående, skrå over sin andre halvdel. Som en grense vil en, dersom lik effekt stråles fra hver

sin halvdel av materén, ikke trenge noen overvanns-korreksjon i det hele tatt. Ved å variere hellningsvinkelen for å overkompensere den første halvdelen av materen og arrangere amplityden slik at en stor del av effekten stråles ut fra denne halvdelen, er det mulig å optimalisere antenna for maksimal forsterkning og minimalt overvann-skifte.

Tidligere mikrobølgeantenner utnytter en sammen-satt stråle, frekvenskompensasjonssystem, hvor hver stråle settes sammen av to stråler som beveger seg i motsatte retninger for et gitt frekvensskifte. Denne oppbygningen kretser imidlertid, for å oppnå en god frekvenskomp:nsasjon, en ekstremt kompleks oppstilling og matesystem. I denne antennen er det brukt en forenklet stråleparkompensasjon. Temperatureffektene er fysiske forandringer som virker inn på strålestrukturen på samme måte som frekvensforandringer og kompenseres derfor på samme måte som frekvensene.

Som påpekt tidligere utvikles gamma-strålene av en mater som går parallelt med antennas lengdeakse. En mater stråler forover, mens den andre materen stråler bakover.

En mateåpning mates ved et gitt tidspunkt, og utvikler så

en enkel stråle.

Hver mater, strålende forover eller bakover,

kan repr.esenteres i en ekvivalentkrets som en rekke effekt-koblere ,som mater hver ståleoppstilling (Fig. 6), adskilt med avstand "d" fra hverandre. For de som kjenner teknikken foretas de beregninger som trengs for å bestemme den

elektriske veglengden som kreves for å utvikle enten forover- eller bakoverstrålen v.h.a. retningsvinkelen. Dette gjøres ved å tilpasse en sinusformet matelinje 12 (Fig. 6) i et forutbestemt rom. Retningsvinkelen er da definert som

hvor h er bølgelengden i det frie rommet

er den effektive dielektrisitetskonstanten til

til mikrobølgesubstratet

m er et heltall.

Dersom m=l, kalles det førsteordens stråling. En forandring i frekvensen fører til at forover- og bakoverstrå-lingen skifter til motsatte retninger, referert til antennenormalen. Siden antenne-systemet midler den gamma-tilknyttede doppler-informasjonen fra alle fire strålene, beholdes frekvenskompensasjonen når strålepar beveges i motsatte retninger for en gitt frekvensforandring.

Den aktuelle frekvenskompensasjonen er illustrert

1 Fig. 7, som indikerer at dersom frekvensen øker skiftes f.eks. strålene 1 og 3 i gamma bort fra normalen og strålene 2 og 4 mot normalen. Dersom stråleskiftet er lineært med frekvensen er antennen fullt kompensert. Forandringsraten for bakover-strålingen m. h. p. frekvensen er imidlertid litt forskjellig fra foroverstrålingen. Forskjellen er mindre enn .00025 grader pr. MHz forandring av arbeids-frekvensen, noe som er neglisjerbart. Fig. 8 er en skråstilt X-akse amplitydefordeling som kan utvikles av en datamaskin for en typisk antenne i samsvar med denne oppfinnelsen, basert på typiske stråle-bredder og retningsvinkler. Den viste fordelingen er på et skrått aksesystem, men kan overføres til den ønskede rektangulære åpningen ved bruk av et datamaskinprogram. Datamaskinbruken er imidlertid ikke en del av oppfinnelsen. Fig. 9 er en tilsvarende datamaskinutskrift som viser ampiitydefordelingen ved skråstilt Y-akse.

Antennestrukturen til denne oppfinneslen er vist i

Fig. 14 hvor bakovermateren 12 er illustrert som parallell med forovermateren 14. I denne foretrukne utførelsen av oppfinnelsen er 36 oppstillinger forbundet mellom materne 12 og 14. Oppstillingene er typisk adskilt med 9.53mm langs materne. Fig. 13 viser den øvre, høyre antennedelen i større detalj. En konduktiv del av transformatoren 16 er forbundet i den ene enden til en tilstøtende mater 14 og i den motsatte enden til et tilstøtende strålingselement. Strålingselementene for antennen indikeres med referansenummer 20.

Hver oppstilling har 26 .antenneelementer, typisk adskilt med 11.2 mm fra hverandre. Disse avstandene ble valgt for å minimere utviklingen av andreordens -tråler. Strålingselementene er separert fra hverandre av en oppstillingsfase-

link 18. En inngangspute 30, er et punkt for tilføring av energi til materen 14, mens en elektrisk ledende til-passings-stubb 32 strekker seg et lite stykke fra inngangs-puten 30.

Fig. 14 viser hele strålestrukturen hvor ekstra inn-gangsputer er indikert med referansenumrene 26, 22 og 36,

mens korresponderende tilpassnings-stubber er indikert med referansenumrene 28, 24 og 34.

Transformatoren 16 tjener som en impedansetrans-formator og presenterer forhåndsvalgte impedansnivåer på matetappene til de ulike oppstillingene. Det er nødvendig å ha en bestemt koblingsverdi for hver oppstilling for å

oppnå bestemte antennemønstre. Designkriteriet for å bestemme den nødvendige impedansen er konvensjonell teknikk.

Ved operering av antenna skaffes energi fra en bestemt inngangspute (port) som tillater at energi forplantes langs en korresponderende mater, og når energien gjør det vil hver oppstilling tappe av en del åv denne ener-gien mens den forplantes langs oppstillingen. Når hver inngangspute (åpning) tilføres energi, resulterer det i generering av en korresponderende stråle. Energisvitsjingen fullføres v.h.a. en konvensjonell mikrobølgesvitsj (ikke vist).

Når det gjelder retur av det reflekterte signalet lagrer et lagringssystem (ikke vist), forbundet til antenna i Fig. 14, den effektive cosinus-verdien relativt til gamma-retningen individuelt for hver stråle. Etterpå midles dataene fra de fire strålene på vanlig måte. Systemet vil kontinuerlig oppdatere denne strålingsgenereringen og gjennomsnitts-betingelsene.

Fig. 10 er en datamaskinutskrift av en typisk antennes matings- og koblingskoeffisienter for full åpning. Disse dataene kan, når de betraktes sammen med data for det spesielle substratet, brukes av en fagmann til å lage slutt-utseende til mikrobølgeantennen. I Fig. 10 er de ulike matingsavtappningene til de korresponderende oppstillingene nummerert 1-36, mens Y-koordinaten for hver mating 'er indikert i tommer. Koblings- og strå 1ingskoeffisientene listes for hvert element i hver oppstilling.

Datamønsteret for noen hoved-kutteplan er vist

i Fig. 11 og Fig. 12. Fig. 11 viser hovedmønsteret i gammaplanet for et avstandsfelt, og Fig. 12 viser hoved-mønsteret i sigmaplanet for et avstandsfelt.Begge mønstrene i Fig. 11 og Fig. 12 er basert på koblings- og strålingskoeffisientene som er vist i Fig. 10.

Claims (1)

1. Anordning for å oppnå frekvens/temperatur kompensasjon for ei gamma-matet mikrobølgeantenne for Doppler-navigering, der antenna er av en type som har en kjørakse og har en langsgående symmetriakse, symmetriaksen krysser kjøreaksen og er anbrakt vinkelrett på denne, og omfatter: et framoverstrålende gamma-matemiddel anbrakt parallelt med kjøreaksen, og vinkelrett på symmetriaksen, og som har en første og en andre ende; et bakoverstrålende gamma-matemiddel anbrakt parallelt med det framoverstrålende matemidlet, og anbrakt vinkelrett på symmetriaksen; et flertall av parallelle gamma-matende strålingsarray koplet på tvers mellom matemidlene, og anbrakt parallelt til nevnte symmetriakse; midler koplet til endene av matemidlene for å gi fire inngangsporter til antenna,karakterisert ved at hvert array omfatter: (a) en første impedans-transformator koplet med en første ende til midlet for å mate foroverrettede stråler, (b) seriekoplete strålingselementer med forutbestemt størrelse, koplet ved en første ende til en andre ende av transformatoren, (c) en andre impedans-transformator koplet ved en første ende til midlet for å mate den bakoverrettede utstråling og ved en andre ende til en andre ende av de seriekoplete stnålingselementene, samt (d) koplingsorganer koplet mellom strålingselementene for å opprette en forutbestemt fase på arrayene på en i og for seg kjent måte, idet anordningen er innrettet til å generere fire separate stråler i respons til den sekvensielle eksitasjonen av de fire korresponderende antenneinngangs-portene; sampling og lagring av det returnerte signalet fra hver port; og midling av signalene som returneres til porten.