NO852002L - Interfoliert mikroremseantenne. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en interfoliert mikroremseantenne, slik det fremgår av ingressen av etter-følgende patentkrav.

Den mest relevante kjente tidligere teknikk fremgår av Kanadisk patentsøknad 1.193.715. Denne tidligere kjente antenne er en enkelt apertur mikroremseantenne som har matere på motsatte ender av en rekke. Selv om den opererer generelt tilfredsstillende under visse omstendigheter, oppviser den en høy temperaturfølsomhet og en heller mindre enn ønskelig grad av over-vannkompensering. Delvis kan disse mangler tilføres nødvendigheten av å anvende en enkelt aperturantenne til å frembringe fire stråler som kreves for Doppler radaroperasjon.

De kjennetegnende trekk ved den foreliggende antennes utformning, sammenlignet med nevnte kjente teknikk, er basert på anvendelsen av to separate mikroremseantenner som er interfoliert med hverandre til å oppta i alt vesentlig det samme rom som en enkelt antenne. Med denne konfigurasjon frembringer hver antenneapertur kun to stråler i motsetning til tidligere nevnte kjente teknikk som frembringer fire stråler fra en enkelt apertur. Således er konfigurasjonen for hver antenne en enkelt mater på hver plane rekke i stedet for en mater ved hver ende av rekken slik det skjer ved løsningen ifølge den kjente teknikk.

En første vesentlige fordel at temperaturkompensering banelangs kan oppnås p.g.a. det faktum at hver plane rekkeantenne har utstrålende rekker av ulik utstråleravstand. Under anvendelse av fremovertennende rekker for en antenne og bakovertennende rekker for den andre antennen, kan en utstråleravstand velges for hver interfolierte antenne som medfører temperaturkompensering i retningen langs banen. En andre særpreget fordel ved den foreliggende oppfinnelse er at over-vannforspenningsfeil er betydelig lavere under anvendelse av denne konfigurasjon. Dette skyldes det faktum at, ettersom antennen mates kun fra en ende, behøver amplitudefunksjonen som kreves for å oppnå lav over-vannfeil å modifiseres en gang for å mate fra den ene eller annen ende av materrekken. I tilfellet med den tidligere nevnte kjente teknikk, har det vært nødvending å modifisere amplitudefunksjonen to ganger p.g.a. at den utstrålende rekken må mates fra begge ender.

En enda ytterligere fordel ved den foreliggende oppfinnelse er mindre gammabåndbredde p.g.a. at amplitudefunksjonen kan optimaliseres for mating fra en enkelt ende av antennen.

De ovennevnte formål og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av de etterfølgende patentkrav samt av den etterfølgende beskrivelse i forbindelse med de vedlagte tegninger. Fig. 1a er et diagram som viser et typisk antenne-strålingsmønster. Fig. 1b illustrerer typisk bakoverspredningsfunksjoner. Fig. 1c er et ytterligere diagram som viser virkningen

av land-vannforskyvning.

Fig. 2 er diagram som viser fire utstrålte stråler. Fig. 3a er et diagram over et koordinatsystem for en

konvensjonell rektangulær antenne.

Fig. 3b er et skjema over et koordinatsystem med

hellende akse.

Fig. 3c er et diagram over en antenne med skråstilt apertur og med en helningsvinkel av 45 grader. Fig. 4 er en skjematisk fremstilling av en avkortet

skråstillet apertur.

Fig. 5 illustrerer en seksjon av en tidligere kjent

antennekonstruks jon.

Fig. 6a er et forenklet skjematisk riss over en første apertur i den foreliggende interfolierte antennekonstruks jonen. Fig. 6b er et forenklet skjematisk riss over en andre apertur hos den foreliggende interfolierte antennekonstruksjonen. Fig. 7 illustrerer et parti av den foreliggende

antennekonstruks jon.

Fig. 8 er en geometrisk illustrasjon av en strålepar-kompensering. Fig. 9a illustrerer hele strålingsplanet for den

foreliggende interfolierte antennen.

Fig. 9b er en illustrasjon av en "gjennommatnings"-forbindende del ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 10 illustrerer ortogonale amplitudefunksjoner

projesert på en rektangulær apertur.

Fig. 11 illustrerer usymmetriske amplitudefunksjoner

projesert på en rektangulær apertur.

Fig. 12 illustrerer skrå amplitudefordeling for en to-stråleapertur. Fig. 13 er en detaljert fremstilling av gjennommatnings-forbindelsene som anvendes i den foreliggende oppfinnelse.

Uansett teknikken som anvendes til å følge et Doppler ekko, vil alle Doppler radarer erfare en land-vannforskyvning såfremt ikke særlig anstrengelser foretas hva angår utformningen for å eliminere denne forskyvning. For å diskutere mekanismen knyttet til land-vannforskyvningen, kan man ta i betraktning et enkelt enkelt-strålesystem hvor f 0(vi.n<k>elenmellom hastighetsvektoren og senter av den utstrålte stråle<n>) og TQ(innfallsvinkelen for strålen på sprednings-overflaten) er i det samme planet og er komplementære, som vist i fig. 1a. Antennestrålens bredde er anmerket som A-y. Over land, medfører den jevne birefleks (backscattering)

(fig. 1b) i et spektrum hvis senter er en funksjon av yQog hvis bredde er en funksjon av Ay (fig. 1c). Når det flys over vann, er birefleksen ikke jevn, slik det fremgår av fig. 1b med store T-vinkler (små -y-vinkler) som har en lavere spredningskoef f isient. Ettersom de mindre -y-vinklene er knyttet de høyere frekvenser i Dopplerspekteret, dempes sistnevnte med hensyn til de lavere frekvenser for derved å forskyve spekterets topp til en lavere frekvens. Land-vannforskyvningen er generelt fra 1 prosent til 3 prosent, avhengig av antenneparameterene.

Den tredimensjonale situasjon er mer komplisert. Anta at et luftfartøy beveger seg langs en akse X i fig. 2. Aksen Y er horisontal og ortogonal på aksen X, mens aksen Z er verti-kal. Rektangulære oppstillinger genererer fire stråler i en vinkel til disse akser. Aksen av en hvilken som helst av disse stråler (f. eks. strålen 2) er en vinkel -y til X-aksen, i en vinkel <3 .., v , ■ , , ,„

0 til Y-aksen og i en vinkel Yq til Z-aksen. En konvensjonell rektangulær antenne, vist i fig. 3a har en amplitudefunksjon A som kan beskrives som et

produkt av to separate funksjoner på X-aksen og Y-aksen. Således er:

Antennemønsteret for en konvensjonell rektangulær antenne sies derfor å være "separerbar" i y og a. Ettersom spred-ningskoeffisienten over vann varierer med vinkelen, er det ønskelig å ha et antennemønster som er separerbart i y og f i stedet for y og o. Denne type av antennemønster vil i stor grad eliminere land-vannforskyvningen. Fig. 3b viser et koordinatsystem med skråstillet akse beregnet til å oppnå et antennemønster som er separerbart i T og y. Y'-aksen er en projeksjon av stråleaksen på X-planet. Y'-aksen er i en vinkel K relativt Y-aksen. Fig. 3c viser en antenne med skråstillet apertur, med en helningsvinkel K = 45°. Amplitudefunksjonen for denne antenne er et produkt av to separate funksjoner på X-aksen og Y'-aksen.

Antennemønsteret for antennen med skråstillet apertur er separerbar i^og ^ hvor £ er vinkelen mellom Y'-aksen og stråleaksen. Nær strålens senter er antennemønsteret også separerbart (nokså tilnærmet) i y og f, og er således i stor grad uavhengig av land-vannforskyvningen. Imidlertid viser fig. 3c også at antennen med skråstillet apertur etterlater vesentlige deler av det rektangulære monteringsarealet ubrukt. Således er forsterkningen for antennen med skråstillet apertur mindre enn hvis hele det rektangulære området inneholdt strålingselementer. Dessuten begrenser kortheten av strålingsrekkene i antennen med skråstillet rekke antallat av strålingselementer i hver rekke, hvilket kan frembringe et uakseptabelt lavt innføringstap.

Imidlertid, som vist i fig. 4, er det mulig å generere en skråstillet apertur, avkorte den og utlede en rektangulær apertur som opprettholder den ønskede separerbarhet. Dessuten er det mulig å modifisere helningsvinkelen slik at en grad av overkompensering oppnås som motvirker virkningene av den opprinnelige aperturens avkorting. Dette er det grunnleggende utformningsbetraktninger ved den foreliggende oppfinnelse.

Ved en typisk mikroremseantenne av den type som er beskrevet i nevnte kjente teknikk og vist i fig. 5, er en enkelt mater, angitt med henvisningstallet 1, festet til et flertall rekker av flekkutstrålere slik som vist ved henvisningstallet 2. Flekkene er halvbølgeresonatorer, som utstråler effekt fra flekk-kantene, slik som beskrevet i den nevnte tidligere kjente publikasjon. For å styre stråle-bredden, stråleformen og sidelobnivået, må effektmengden som utstråles av hver flekk innstilles. Den utstrålte effekt er proporsjonal med flekkens ledeevne, hvilken er relatert til bølgelengde, linjeimpedans og flekkbredde. Disse flekkene er forbundet ved hjelp av faseledd, slik som angitt med henvisningstallet 3, som bestemmer strålingsvinkelen relativt rekkenes akse.

Rekkene som er dannet av flekker og faseledd er forbundet med materlinjen gjennom en to-trinnstransformator 4 som justerer den effektmengde som avtappes fra materen 1 inn i rekken. Materen utgjøres av en serie av faseledd 5 av lik lengde, som styrer strålingsvinkelen i planet perpendi-kulært på rekkene.Materen er også en vandrebølgekonstruk-sjon. Den tilgjengelige effekt på et hvilket som helst gitt punkt er lik den totale inngangseffekten minus den effekt som er avtappet av samtlige foregående rekker. Disse konstruksjoner er bredbånds og kun begrenset av transmi-sjonsmediet og utstrålerens båndbredde. I dette tilfellet begrenser den høye Q hos flekkutstrålerene båndbredden til noen få prosent av operasjonsfrekvensen.

Den foreliggende oppfinnelse opererer idémessig som to uavhengige antenner av den type som er omtalt i forbindelse med fig. 5. Imidlertid oppnås realiseringen ved interfoli-ering av to antenner for derved å danne overlagrede aperturer i det samme planet for derved å redusere det rom som er nødvendig for antennene.

De to aperturene er fremstillet, på en forenklet måte i henholdsvis figurene 6a og 6b. Apertur A kan eksempelvis bestå av 24 fremovertennende rekker som er koplet til en enkel tilbaketenningsmatertid. Apertur B vist i fig. 6b, er tilsvarende konstruert med en enkelt tilbaketenningsmater 18. Imidlertid er apertur B forsynt med tilbaketenningsrekker istedet for fremovertenningsrekkene i apertur A. En vandrebølge som går inn i en fremover/tilbaketenningskon-struksjon frembringer en stråle i fremover/bakoverretning. De fire strålene og deres tilhørende materpunkter er vist. Når den interfolierte antennekontruksjonen drives, blir de forskjellige materpunktene drevet sekvensmessig.

Et delvis riss av den foreliggende interfolierte antennekonstruks jonen er vist i fig. 7. Rekkene hvori strålings-elementene er sammenkoplet ved hjelp av store ledd tilsvarer apertur A og disse vil sees å oppta posisjoner som liketall nummererte rekker. Omvendt tilsvarer de strålingselementer som er sammenkoplet med små ledd apertur B og sees å oppta rekkene med oddetallsposisjon. Følgelig veksler rekkene for aperturene A og B på en interfoliert, regelmessig vekslings-måte. Det er ønskelig å gjøre avstanden "d" mellom hosligg-ende rekker så stor som mulig for å sikre god isolasjon mellom de to separate aperturer. Imidlertid vil dette begrense flekkebredden, og gjøre styring av stråleforraingen vanskelig. Følgelig er de valgte flekkbreddeverdier et kompromiss for å tillate tilfredsstillende opptreden for gammabildet, sidelober og over-vannfeil.

I fig. 9a og 9b indikerer henvisningstallet 6 generelt den trykte kretsmal for etsing av interfolierte antenner ifølge den foreliggende oppfinnelse. Som omhandlet i forbindelse med fig. 7, eksisterer de vekslende rekker i aperturene A og B i koplanat forhold. Materlinjen 10 er forbundet med hver av de liketallplasserte rekker som tilsvarer apertur A. Således eksisterer eksempelvis forbindelsespunktet 8 mellom materlinjen 10 og den andre viste rekken via to-trinnstrans-formatorer 19 og 19a. Materpunktet 28 korresponderer med den første strålen som tidligere nevnt i forbindelse med fig. 6a, mens materpunktet 29 korresponderer med den andre strålen i den figuren. Rekken lengst mot høyre korresponderer også med apertur A i fig. 6a, og denne rekken sees å være forbundet med materlinjen 10 ved forbindelsespunktet 9. Materpunktet 29 i den høyre enden av materlinjen 10 korre-sponder med materpunkter for den andre strålen, som beskrevet i forbindelse med fig. 6a.

For å aksesse de interfolierte rekkene i apertur B uten å forstyrre apertur A, er det nødvendig å montere materen for apertur B i isolert, adskilt forhold fra rekkene i apertur A. For å gjennomføre dette er en gjennommatningsremse 7 i form av en trykt krets blitt utviklet i form av etsede ledere, som vist i fig. 9b. I en foretrukket utfØrelsesform av oppfinnelsen, tilveiebringes de etsede ledende partier av hovedantennens konstruksjon (fig. 9a) og de for gjennommatningsremsen 7 på et enkelt substrat og passende adskilt. Ved plassering av gjennommatningsremsen 7 i isolert overliggende forhold med de interfolierte antennene 6, kan effekt bevirkes til å passere gjennom materen 18 til individuell tilbaketenningsrekker i den interfolierte antennen. Således ved driving av materpunktet 24 som tilsvarer den fjerde strålens materpunkt i fig. 6b, avtappes effekt eksempelvis på forbindelsespunktet 27 gjennom to-trinnstransformatorene 38 og 40 til den sammenkoplede ledende seksjonen 41 som avsluttes i en gjennommatningspute 36. Med gjennommatningsremsen 7 i passende overliggende forhold med materenden av den interfolierte antennen 6, plasseres gjennommatningsputen 36 i overensstemmelse med gjennommatningsputen 34 hos den første tilbaketennende rekken for derved å fullføre en forbindelse mellom materpunktet 24 og rekken. Denne gjennommatningsforbindelse mellom putene 36 og 34 er angitt med en stiplet linje mellom fig. 9a og 9b. På en tilsvarende måte tilveiebringer materpunktet 30, som tilsvarer den tredje strålens materpunkt i fig. 6b effekt til den lengst mot høyre viste tilbaketennende rekken fra avtappningspunktet 32 til gjennommatningsputen 20, via den sammenkoplede ledende seksjonen 31 og to-trinns transformatorene 42 og 44. En gjennommatningsforbindelse mellom putene 20 og 21 er angitt med den viste stiplede linjen.

Fig. 13 er et detaljert riss av gjennommatningskonstruk-sjonen. I form av et eksempel er gjennommatningen i den lengst mot høyre tilbaketenningsrekken i fig. 9a illustrert. Planet for de interfolierte rekker 6 er vist vendende oppad mens den ledende gjennommatningsremsen 7 vender nedad og deres respektive gjennommatningsputer 21 og 20 er plassert i adskilt innrettet forhold. Åpningene 46 og 48 er respektive dannet i substrat "1" og substrat "2" av henholdsvis antennen og gjennommatningsremsen. En forstørret åpning 23 er dannet gjennom aluminiumbasisplate "1" og aluminiumbasisplate "2" som respektive er festet til antennen og gjennommatningsremsen . Gjennommatningene fullføres ved hjelp av loddestift 50 mellom de to etsede gjennommatningsputene 20 og 21 .

Betrakter man teorien relativt frekvens og temperaturkompensering, må, hvis et Doppler radarsystem skal tilveiebringe nøyaktig hastighetsinformas jon, strålene som frembringes av dets antenne forbli så stabile som mulige. Strålingsvinkel-ens drift som en funksjon av frekvens og temperatur bevirker betydelig hastighetsfeil, og må derfor reduseres slik at den relative distanse mellom de fire genererte stråler opprett-holdes. Den foreliggende antenne anvender flere teknikker for å oppnå dette, innbefattende bruken av vekselvis fremover og tilbaketenningsrekker, valg av forskjellig elementavstand for hver apertur. Den rådende ligning for strålingsvinkelen er:

hvor: ø er målt fra aksen for mater/rekke

S er rekke-til-rekke eller flekk-til-flekkavstand6. er faseleddlengden

er dielektrisitetskonstanten

<*>0 er det frie roms bølgelengde.

De delvis differensierte av betydning er:

hvor: a 5 er den dielektrisk temperaturkoeffisient a S er substratets ekspansjonskoeffisient

f er frekvensen i Hz

ø er uttrykt i radianer.

Disse forhold kan justeres ved å endre eleraentavstandene. Alle andre parametere er enten system eller materialbegrens-ninger.

En måte å kompensere et strålepar er å minske det gjennom-snittlige strålesving relativt temperatur og frekvens. Hvis en tilbaketennings eller fremovertenningsstråle' beveger seg

med den samme hastighet, som vist i fig. 8, vil ø^ _

i fig. 8,BFøke,øpF vil minske, men gjennomsnittet av deres cosinusverdier vil forbli hovedsaklig konstante.

I den foreliggende antenne frembringes gammastråleparet langs banen vekselvis ved de fremovertennende rekker i apertur A og tilbaketenningsrekkene i apertur B. Ved eksperimentelt å justere tilbaketenningsavstanden og f removertennings.avstanden, oppnås et kompromiss mellom frekvens og temperaturkompensering.

Tverrbanehastighetsfeil er en funksjon av endringer i o, vinkelen som styres av materen. Aperturene A og B anvender tilbaketenningsmatinger. Idet det henvises til fig. 5, hvis avstanden S

mate velges slik at lm=.Q = S__.0, oppstår der en

ula, Lc Illclwc

rett materlinje, hvilket gir den største rekke-til-rekke-avstand som er mulig med en første ordens tilbaketennings-stråle.

En slik løsning som beskrevet ovenfor medfører en minimum, men symmetrisk bevegelse av strålene relativt antennens tverrakse, og medfører en minimum tverrbanehastighetsfeil, samtidig som det opprettholdes strålesymmetri om den tverrgående aksen. Alternativt kan materlinjene 10 og 18 anordnes slik at en, f.eks. 10, er en fremover-tenningstype og den andre, f.eks. 18, er en bakover-tenningstype. Denne løsning vil medføre bevegelse av et par av tverrgående stråler som vil være motsatt i retning relativt det andre paret av tverrgående stråler, og medføre en tverrbanehastig-hetsf eil som ikke endrer seg særlig med temperatur og frekvens.

Den effekt som utstråles av hvert element på en rektangulær antenne bestemmes normalt av produktet av amplitudefunksjoner som skjer langs perpendikulære akser, som vist i fig. 10. Disse ortogonale funksjoner vil generere en stråle som er separerbar i gamma- og sigmavinkler målt fra X og Y-aksene til strålen. y- V separerbarhet kan tilnærmes ved en amplitudefordeling generert ved funksjoner som faller på X' og Y-aksene, som vist i fig. 11. Denne apertur vil frembringe en over-vannkompensert stråle i kun den andre kvadranten.

Hvis stråler må genereres av antennen, slik som ved apertur A og B ifølge den foreliggende konstruksjon, kan amplitude-fordelingen roteres rundt Y-aksen som frembringer kompensert stråler i første og andre kvadranter, som vist i fig. 12. Forvrengning av stråleformen opptrer p.g.a. endringen i helning på den andre halvdelen av aperturen, som gir noe tap i over-vannkompensering. Imidlertid reduseres denne forvrengning ved å konstruere antennen til å utstråle i mest mulig grad fra inngangshalvdelen av aperturen.

Over-vannkompensering for oppfinnelsen blir i stor grad forøket ettersom o-matere anvendes, og ettersom hver apertur trenger kun å frembringe to stråler.

En annen fordel ved uavhengig aperturer er evnen til å kompensere for helningsvinkel-forspenning (bias) som finnes i visse applikasjoner. Visse luftrammer kan kreve at antennen monteres i en fast vinkel relativt X-aksen (fig. 2). I det tilfellet må fremoverstrålende stilles opp mot antennes normal, helles bort fra antennens normal for derved å kompensere for monteringshelning. Antenner som anvender enkle strålingsaperturer kan ikke helningskompenseres ettersom strålene ikke kan beveges uavhengig.

Det skal forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til de nøyaktige detaljer ved den her viste og beskrevne konstruk sjon, ettersom åpenbare modifikasjoner vil være nærliggende for fagfolk.

Claims (9)

1. Mikroremseantennekonstruksjon som oppviser forbedret over-vannforspennings (bias) feil og mindre gammabåndbredde, karakterisert ved at antennen innbefatter: et flertall fremovertennende rekker som er plassert i adskilte koplanate forhold tilsvarer en første antenneapertur, et flertall tilbaketenningsrekker som tilsvarer en andre antenneapertur og plassert i koplanat interfoliert forhold med de fremovertennende rekker, første materorgan forbundet med den første ende av de fremovertennende rekker for levering av effekt til disse, andre materorgan forbundet med den første ende av tilbaketenningsrekkene for levering av effekt til disse, idet nevnte andre materorgan er plassert i ikke-kontaktdannende forhold med de fremovertennende rekker, hvorved hver apertur frembringer to utstrålte stråler.

2. Antennekonstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver rekke omfatter et flertall leddforbundne utstrålerelementer, idet avstanden, mellom elementene i de fremovertennende rekker er variabel relativt avstanden mellom tilbaketenningsrekkene for derved å tillate temperaturkompensering i retningen langs banen.

3 . Antennekonstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte første materorgan omfatter en rett trykket kretsmaterlinje plassert i koplanat tverrmessig forhold til fremovertenningsrekkene og organ for å sammenkople hver slik rekke med materlinjen.

4. Antennekonstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte andre materlinjeorgan omfatter en rett trykt kretsmaterlinje plassert i tverrmessig forhold til de bakovertennende rekker og midler for å sammenkople hver slik rekke med materlinjen.

5 . Antennekonstruks jon som angitt i krav ~\ , karakterisert ved at de to materlinjene omfatter et fremovertennings og bakovertenningssett.

6. Antennekonstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver korresponderende antenneapertur har en strålingsvinkel, gamma (8) av forskjellig verdi for derved å tillate skrånings (pitched)' kompensering av konstruksjonen.

7 . Antennekonstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver korresponderende antenneapertur har en strålingsvinkel, gamma (8) av forskjellig verdi for derved å tillate skrånings (pitched) kompensering av konstruksjonen relativt en X-akse.

8 . Antennekonstruksjon som angitt i krav 3, karakterisert ved at det andre materlinjeorganet omfatter en rett trykt kretsmaterlinje plassert i overliggende adskilt tverrmessig forhold til de bakovertennende rekker og gjennommatningsorgan for sammenkopling av hver slik rekke med den andre materlinjen.

9 . Trykt krets mikroremseantennekonstruksjon, karakterisert ved : et flertall fremovertenningsrekker plassert i et adskilt koplanat forhold og tilsvarende en første antenneapertur, et flertall parallelle bakovertenningsrekker som tilsvarer en andre antenneapertur og plassert i koplanat interfoliert forhold med de fremovertennende rekker, en trykt krets materlinje plassert i koplanat tverrmessig forhold til de fremovertennende rekker og forbundet med disse, en separat trykt kretsseksjon som har en andre materlinje etset på denne og plassert i et adskilt overliggende tverrmessig forhold til bakovertennende rekker og isolert fra de fremovertennende rekker, og gjennommatningsorgan for sammenkopling av hver av de bakovertennende rekker med den andre materlinjen.