NO340203B1

NO340203B1 - Antenneinnretning

Info

Publication number: NO340203B1
Application number: NO20082200A
Authority: NO
Inventors: Ola Forslund
Original assignee: Saab Ab
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2017-03-20
Also published as: US20090021440A1; EP1993166A1; NO20082200L; ES2847799T3; EP1993166B1; US7710339B2

Description

Oppfinnelsen angår en antenneinnrerning omfattende en gruppereflektor-antenne med gruppeantenneelementer, en ytre mating tilveiebrakt med en bølgeleder og en utvidningstrakt som i den utvidede enden er en bølgelederåpning for illuminasjon av gruppereflektoren.

En slik antenneinnretning er feks. kjent fra US-patent 6 384 787 Bl. Det henvises spesielt til fig. 1 som viser en sentralisert ytre hornmating som mater en gruppereflektor i form av flatantenneenheter. En ulempe med den sentraliserte posisjoneringen av den ytre matingen til en slik antenneinnretning er at matingen og ulike mekaniske innretninger for å posisjonere matingen blokkerer åpningsfeltet. For delvis å unngå dette problemet er det i forbindelse med reflektorantenner i seg selv kjent å mate reflektoren ved hjelp av et forskjøvet (offset) arrangement. I denne forbindelse kan det også vises til US-patent 4 684 952 som beskriver en liknende antenneinnretning som kjent fra US-patentet henvist til ovenfor.

Bialkowski et al.: «Designing a 161-element Ku-band microstrip reflectarray of variable size patches using an equivalent unit cell waveguide approach», IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. 51, no. 10, oktober 2003, sidene 2953-2962 beskriver en antenneinnretning, innbefattende en gruppereflektor med gruppeantenneelementer, og en ytre mating tilveiebrakt med en bølgeleder og en utvidingstrakt som i den utvidede ende bærer en bølgelederåpning for illuminering av gruppereflektoren, hvor at matingen er anordnet for å illuminere gruppereflektoren i et forskjøvet (offset) arrangement.

US 4928109 A beskriver en modulert skanne-antenne omfattende et antennehorn, hvor det i hornets utvidningstrakt er plassert et aktivt element for flytting av fasesenteret for antennematingen i forhold til bølgelederåpningen til matingen, og som er anordnet i nærheten av bølgelederåpningen.

En gruppereflektor (reflekctarray) kan betraktes som en gruppeantenne i hvilken elementene til gruppeantennen blir matet fra et ytre antennearrangement, en såkalt mating. Dette er tilsvarende som matingen av reflektorantenne. Formålet med elementene er å gi fasen til det reflekterte feltet en variasjon slik at fokusering av det reflekterte feltet blir oppnådd. For eksempel skjer dette hvis fasen til det reflekterte feltet varierer lineært over åpningen på en slik måte at for en retningsvektor «' ut fra den reflekterte overflaten blir, når punktproduktet «' •«'> 0 og «' er overflaten normalt på antenneåpningen, en konstant fase oppnådd for en overflate vinkelrett på «'. Dette innebærer at hovedloben til antennen peker i en retning ff.

En konsekvens av det forskjøvne matearrangementet som innbefatter en gruppereflektor er at posisjonen til antenneloben varierer med frekvensen.

Et formål med oppfinnelsen er å eliminere, eller i det minste å redusere frekvensens påvirkning på antenneloben.

Et annet formål med oppfinnelsen er å oppnå et lavt sidelobenivå.

Nok et formål er å oppnå et lavt radartverrsnitt, RCS, spesielt for ute av båndfrekvenser i den tiltenkte hovedloberetning.

Et ytterligere formål er å gjøre antenneinmetningen, og spesielt matingen kompakt.

Ifølge oppfinnelsen blir dette oppnådd med en antenneinnretning med matingen anordnet for å illuminere gruppereflektoren i et forskjøvet (offset) arrangement ved å anordne en passiv innretning for bevegelse av fasesenteret til antennematingen avhengig av frekvens, hvor fasesenteret beveges i forhold til bølgelederåpningen til matingen, og hvor den passive irmretningen er anordnet i matebølgelederen i nærheten av bølgelederåpningen. Det forskjøvne arrangementet i kombinasjon med arrangementet for bevegelse av fasesenteret samvirker for å oppnå lave sidelobenivåer og en stabil posisjon for antenneloben i en kompakt konstruksjon og allikevel oppnå et lavt radartverrsnitt i den tiltenkte hovedloberetning for ute-av-bånd-frekvenser.

Ifølge en gunstig utførelsesform av antenneinnretningen er innretningen for bevegelse av fasesenteret til antennen med frekvens en induktiv iris eller membran innbefattet i den matende bølgelederen nær utvidingstrakten og asymmetrisk posisjonert. Fortrinnsvis er irmretningen for bevegelse av fasesenteret en langstrakt bom festet til en indre vegg av bølgelederen.

Ifølge en ytterligere gunstig utførelsesform av antenneirmretningen innbefatter matingen en kontakt gruppeantenne med et antall antenneelementer, hvor hvert antenneelement innbefatter en rektangulær bølgelederåpning. Ved innføring av en innretning for bevegelse av fasesenteret til antennen, har en slik induktiv iris eller membran i en slik antenneinnretning vist seg å være effektivt i å redusere antennelobeprosisjonsavhengigheten av frekvensen. Samtidig er det ganske enkelt anordnet for montering av innretningen for bevegelse av fasesenteret.

Ifølge en ytterligere gunstig utførelsesform av antenneirmretningen innbefatter matingen minst to rektangulære bølgeledere som mater antenneelementene til den kompakte gruppeantennen. Fortrinnsvis mater hver rektangulære bølgeleder et antall antenneelementer hos matingen. I henhold til den spesielt foreslåtte antenneinnretning er to rektangulære bølgeledere tilveiebrakt, og hver bølgeleder mater tre antenneelementer hos matingen. Disse foreslåtte utførelsesformene har vist seg å være egnet for innføring av en irmretning for bevegelse av fasesenteret.

Videre er det i henhold til nok en gunstig utførelsesform av antenneinnretningen er gruppereflektoren videre i forlengelse dimensjonert slik at sidelobene til matingen er forhindret fra å nå sitt aktive areal innbefattende antenneelementer. I denne forbindelse kan det aktive arealet være omkranset av et tynt smalbåndsmikrobølgeabsorberende materiale. Formålet med dette tynne smalbånds- mikrobølgeabsorberende irmretningen er å absorbere mikrobølger innenfor det samme frekvensbåndet som antennen opererer i. Optimalisering av størrelsen av det aktive arealet, men allikevel forhindre sidelobene fra å nå det aktive gruppereflektorarealet under betraktning av mulig antenneposisjonsvariasjon avhengig av frekvensen fører til lave sidelobenivåer.

Det er også foreslått at utvidningstrakten er tilveiebrakt med en bom symmetrisk anordnet i trakten, forløpende fra en sidevegg til en motsatt sidevegg. Det bomarrangementet bidrar til en symmetrisk fordeling av åpningsfeltet til matefeltet utsatt for fasesenterbevegelse, og underletter en kompakt utførelsesform.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert med henvisning til de medfølgende tegninger, der: fig. 1 viser skjematisk en antenneinnretning med gruppereflektor og mating ifølge oppfinnelsen,

fig. 2a viser en mating som er egnet for antenneinnretningen ifølge oppfinnelsen sett i en retning vinkelrett på planet til bølgelederåpningen,

fig. 2b viser mating ifølge fig. 2a i et tverrsnitt i henhold til den punktstiplede linje 2b-2b på fig. 2a, og

fig. 3 vise skjematisk mulige begrensninger av overflaten til gruppereflektoren til en antenneinnretning i henhold til oppfinnelsen.

Den skjematisk viste antenneinnretningen på fig. 1 innbefatter en plan reflektoroverflate 1 og en mating 2. For enkelhets skyld har det mekaniske arrangementet av matingen i forhold til gruppereflektoren blitt utelatt. Gruppereflektoren 1 er tilveiebrakt med reflekterende elementer (ikke vist) i en plan ledende struktur.

Elementene til gruppereflektoren kan for eksempel bestå av bølgelederåpninger med kortslutninger i ulike avstander innenfor bølgelederne. I denne forbindelse skal det henvises til D.G. Berry, R. G. Malech og W.A. Kennedy, The Reflectarray Antenna; IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 11(6), november 1963, side 645-651. Et annet alternativ for elementene til gruppereflektorene er å anordne ett eller flere lag med såkalte planelementer (patch elements) over et jordplan. I denne forbindelse blir det henvist til D.M. Pozar, S.D. Targonski, H.D. Syrigos artikkel; Design of Millimeter Wave Microstrip Reflectarrays; IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 45(2), februar 1997, og aitiklen til J.A. Encinar; Design of Two-Layer printed Reflectarrays Using Patches of Variable Size, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 49(10), oktober 2001, side 1403-1410. Nok et annet alternativ for elementene til gruppereflektoren er å anordne tynne, korte metallstrimler som opererer som kortslutningsdipolantenner over et jordplan. Slike arrangementer er beskrevet i en artikkel av O. Forslund og P. Sjostrand; A flat reflector antenna with low radar cross section; IRS 98 International Radar Symposium, Munchen, Tyskland, september 1998, side 303-311. Et mer generelt element i en hvilken som helst type planledende struktur, kan også bli tatt i betraktning.

Antenneinmetningen vist på fig. 1 er symmetrisk vist med hensyn til yz-planet med unntak av de reflekterende elementene. Hvis den viste gruppereflektoren 1 er konstruert slik at den for en viss frekvens f0oppnår en loberetning langs z-aksen, vil en gruppereflektor bli konstruert i henhold til dette prinsippet og oppnå et lavt monostatisk radartverrsnitt, RCS, for frekvenser utenfor operasjonsbåndene til antennen for en plan bølge innfallende antiparallelt på z-aksen, med andre ord at et lavt radartverrsnitt oppnås i den tiltenkte hovedloberetning. Årsaken til dette er at den reflekterende overflaten for ute-av-bånd-frekvenser og spesielt lavere frekvenser oppfører seg i det vesentlige på samme måte som en plan metallplate eller et plant speil. En innfallende plan bølge fokuserer ikke mot matingen 2, men blir spredt bistatisk. Dette er kjent og blant annet beskrevet i aitiklen til Forslund et al., nevnt ovenfor.

Elementene i gruppereflektorantennen 1, 17 er anordnet i et ikke vist periodisk mønster. Imidlertid varierer elementene i seg selv litt fra celle til celle i det periodiske mønsteret for å oppnå fokusering innenfor frekvensbåndet. Dette periodiske mønsteret er årsaken til at en forskjøvet mateantenne oppnår en variasjon av antennelobeposisjonen i avhengighet av frekvensen slik at antenneloben antar ulike posisjoner i yz-planet avhengig av frekvensen, gitt at fasensenteret til matingen 2 er fast i forhold til frekvensen. Den foreliggende oppfinnelse søker å oppnå en kompensasjon for frekvensavhengigheten til antennelobeposisjonen ved å innføre en mating med et fasesenter som varierer med frekvensen på en slik måte at frekvensavhengigheten til antennelobeposisjonen forårsaket av en forskjøvet matet gruppereflektor med fast fasesenter blir kompensert for. I tilfelle med en gruppereflektor med en geometri i henhold til fig.l, 2a og 2b konstruert slik at den tiltenkte hovedloberetning er i z-retningen av det globale koordinatsystemet (x, y, z), sammenfaller brennpunktet for f0med nullpunktet til koordinatsystemet (xf,yf,zf) til matingen, idet koordinatene er betegnet (xo,yo,z0) i det globale koordinatsystemet (x, y, z). Det effektive brennpunktet beveger seg med frekvensen. Gitt at fasesenteret til matingen er fast/fiksert med frekvens vil, for å bibeholde den loberetning langs z-aksen for frekvenser f<f0, matingen måtte beveges nedover, i den negative i-retning i forhold til det globale koordinatsystemet (x, y, z). For å bibeholde en loberetning langs z-aksen for frekvenser f>f0vil matingen måtte beveges oppover, i den positive i-retning, i forhold til det globale koordinatsystemet.

Det vises nå til fig. 2a og 2b som viser matingen 2 mer detaljert. Matingen 2 består i dette tilfellet av en liten kompakt gruppeantenne 3. Antenneelementene til gruppeantennen 3 består av seks rektangulære bølgelederåpninger 4-9. Disse åpningene 4-9 er anordnet i en regelmessig 2x3 matrise. Matingen er symmetrisk i forhold til xf,Zf-planet, med henvisning til fig. 2b. Antenneelementene blir matet av to rektangulære bølgeledere 10, 11, idet hver bølgelengde mater tre antenneelementer i form av bølgelederåpninger 4-6 og 5-9, respektivt.

Matingen er tilveiebrakt med et arrangement for bevegelse av fasesenteret til matingen i forhold til frekvensen. For å oppnå den ønskede bevegelse av fasesenteret er en induktiv iris eller membran 12 tilveiebrakt i bølgelederen 10 og en tilsvarende induktiv iris eller membran 13 i bølgelederen 11. Disse irisene eller membranene 12, 13 er anordnet i bølgelederne 10, 11 langs en rett vegg av de rektangulære bølgelederne nær overgangen fra bølgelederne og til en utvidingstrakt 14. Irisene eller membranene kan bestå av langstrakte bommer, fortrinnsvis av metall, som reduserer det rektangulære indre tverrsnittet av bølgelederne der de er plassert. Irisene eller membranene er dimensjonert og plassert slik at fasesenteret til matingen beveger seg med sekvensen på en slik måte at det kompenseres for variasjoner av lobeposisjonen med frekvensspekteret i så stor grad som mulig. Spesielt betyr dette at mens fasesenteret (xg), y^,Zfo) for frekvensen f0befinner seg nær origo i forhold til det lokale koordinatsystem (xf, yf, zf) for matingen, befinner det seg i en posisjonXf< 0 for f<f0og en posisjonXf>0 for f>f0. Trakten 14 er også tilveiebrakt med to bomseksjoner 15, 16 symmetrisk anordnet i trakten bak bølgelederåpningene 4-9. Bomseksjonene bidrar til fordelingen av feltet blant åpningene og muliggjør en kompakt konstruksjon for matingen.

En fordelaktig måte å oppnå et lavt monostatisk radartverrsnitt på er å gi gruppereflektoren en større utstrekning, fortrinnsvis vertikalt, enn det som kreves for å oppnå en gitt ønsket lobebredde og et visst sidelobeforhold. Hvis gruppereflektoren blir gjort stor i forhold til den påkrevde lobebredden kan et lavt sidelobenivå oppnås. Imidlertid finnes det praktiske begrensninger for den illumineringsoperasjonen som kan oppnås. Hvis gruppereflektoren blir gjort så stor at sidelobeområdet til matingen illuminerer gruppereflektoren, blir ytelsen forringet grunnet en fasedreiing på 180 grader som skjer i illumineringsoperasjonen når den første nulldybden til matingen er passert. En skjematisk illustrasjon av en stor gruppereflektor 1 finnes på fig. 3. I dette tilfellet trekker arealet til gruppereflektoren 1 seg utover hovedlobeområdet 17 til matingen 2 som dekker det aktive arealet 17 av gruppereflektoren og er avsluttet av en reflektorkant 20. Nulldybden har blitt indikert ved en stiplet oval 18. Utenfor ovalen finnes sidelobearealet 19. For å oppnå et lavt sidelobenivå i dette tilfellet foreslås det å dekke kantområdet til gruppereflektoren, dvs. det arealet som blir illuminert av sidelobene til matingen med et smalbåndsmikrobølgeabsorberende materiale. Materialet absorberer mikrobølger innenfor det samme frekvensbåndet som antennen opererer i. Fordelene som oppnås er en lav kantilluminering, og grunnet dette, lave sidelober. Videre, siden materialet er smalbånd, virker hele det flate arealet, innbefattende området 17 og 18, som et flatt speil for ute-av-båndfrekvenser som gir en smal lobe for den bistatiske refleks oppnådd for ute-av-båndfrekvenser, som er fordelaktig ut fra et monostatisk tverrsnittsstandpunkt. Med dette arrangementet oppnås et lavt monostatisk radartverrsnitt for ute-av-båndfrekvenser spesielt i den tiltenkte hovedloberetning, og i hele xz-planet med henvisning til det globale koordinatsystemet (x, y, z).

Et hovedformål med antenneinnretriingen tilveiebrakt med en stor og hellende reflektorgruppe, som beskrevet ovenfor, er å oppnå et lavt radartverrsnitt i den tiltenkte hovecUoberetning og i en horisontal planseksjon, dvs. i xz-planet med henvisning til det gobale koordinatsystemet.

Antenneinmetningen ifølge oppfinnelsen er ikke begrenset til utførelses-formene beskrevet ovenfor, men kan bli modifisert innenfor rammene av de etterfølgende krav og oppfinnelsens konsept.

Claims

1. En antenneinnretning omfattende en gruppereflektor (1) med gruppeantenneelementer, og en ytre mating (2) som er forsynt med en bølgeleder (10) og en utvidingstrakt (14) som i den utvidede enden bærer en bølgelederåpning (4) for illuminering av gruppereflektoren (1), hvor matingen (2) er innrettet for å illuminere gruppereflektoren (1) i et forskjøvet arrangement,karakterisert vedat en passiv innretning (12) for bevegelse av fasesenteret til antennematingen (2) avhengig av frekvens, hvor fasesenteret beveges i forhold til bølgelederåpningen (4) til matingen, og hvor den passive irimetningen er anordnet i matebølgelederen (10) i nærheten av bølgelederåpningen (4).

2. Innretning ifølge krav 1,karakterisert vedat den passive innretningen (12) for bevegelse av fasesenter til antennen er en induktiv iris eller membran innbefattet i matebølgelederen (10) nær utvidingstrakten (14) og asymmetrisk plassert.

3. Irmretning ifølge krav 1,karakterisert vedat den passive innretningen (12) for bevegelse av fasesenteret er en langstrakt bom festet til en innervegg av bølgelederen.

4. Innretning ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat matingen (2) omfatter en kompakt gruppeantenne (3) med en flerhet av antenneelementer, hvor hvert antenneelement omfatter en rektangulær bølgelederåpning (4-9).

5. Innretning ifølge krav 4,karakterisert vedat matingen (2) omfatter i det minste to rektangulære bølgeledere (10, 11) som mater antenneelementene i den kompakte gruppeantenne (3).

6. Innretning ifølge krav 4 eller 5,karakterisert vedat hver rektangulære bølgeleder (hhv. 10 og 11) mater en flerhet av antenneelementer i tilførselen (2).

7. Innretning ifølge krav 6,karakterisert vedat to rektangulære bølgeledere (10, 11) er tilveiebrakt, og at hver bølgeleder mater tre antenneelementer hos materen.

8. Innretning ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat gruppereflektoren (1) i utstrekningen er dimensjonert så liten at sidelobene til matingen faller utenfor det aktive området til gruppereflektoren (1) som omfatter antenneelementer.

9. Innretning ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat utvidingstrakten (14) er forsynt med en bom (15, 16) som er symmetrisk anordnet i trakten (14) som strekker seg fra en sidevegg til en motsatt sidevegg.