SE440295B - Antennsystem for utstralning av vagenergisignaler i ett utvalt vinkelomrade i rymden och i ett onskat stralningsmonster - Google Patents

Description

7807735-1 Ett tidigare sätt att nalkas detta problem har be- skrivits i det amerikanska patentet 3 803 625. Enligt det- ta patent uppnås en större effektiv elementstorlek genom att anordna mellanantennelement mellan de primära antenn- elementen och koppla signaler från de primära antennele- mentens ingångsanslutningar till de mellanliggande elemen- ten. Detta illustreras i figur l, vilken visar ett arrange- mang av element 10, ll, vilka är kopplade till ingångsan- slutningar 12. Signalerna som tillföres anslutningarna 12 uppdelas av effektdelare l3 och tillförs direkt till de primära elementen lO genom transmissionsledningar l4 och till mellanliggande element ll genom transmissionsledningar l6 och effektkombinerare 17. Enligt detta förfarande åstad- kommes en öppningsexcitering innefattande tre aktiva ele- ment för signaler som tillföres till var och en av ingångs- anslutningarna. Då en signal indikerad medelst en pil 13 tillförs till någon av ingångsanslutningarna 12 erhåller tillhörande primära antennelement 10 en excitering med hög amplitud indikerad medelst en pil 19, och intilliggande mellanliggande antennelement ll en excitering med mindre amplitud indikerad medelst pilar 20. Denna avtagande fler- elementsöppningsexcitering ger viss möjlighet till styrning av det utstrålade antennmönstret.

Ett effektivare tidigare känt antennkopplingsnät be- skrivs i sökandens svenska patentansökan 76 07892-2. Enligt denna teknik, illustrerad i figur 2, är antennelementen 22 anordnade i elementmoduler 20, vilka var och en är försedd men en ingångsanslutning 24. Transmissionsledningar 26 och 28 är kopplade till samtliga antennelementmoduler 20 i arrangemanget och kopplar signaler som tillförs någon av ingångsanslutningarna 20 till valda element i samtliga an- tennelementmoduler i arrangemanget, för att därigenom åstadkomma en effektiv elementöppning, som har samma ut- sträckning som arrangemangets öppning. Signalorna som till- föres elementen har en avtagande amplitudfördelning och periodisk fasomkastning för att närma sig en ideal öppnings- fördelning av typ sin x/x, som ger ett skarpt begränsat, 7807735-1 sektorformat elementmönster. Denna teknik representerar en effektiv och ekonomisk metod för erhållande av väsentlig kontroll över det effektiva antennelementmönstret för varje ingångsanslutning.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma ett alternativt sammansatt antennsystem vid vilket antennelementmönsterstyrning erhålles genom sammankoppling av antennelementmoduler.

Enligt uppfinningen åstadkommes ett antennsystem för utstrålning av vågenergisignaler i ett utvalt vinkelområde i rymden och i ett önskat strålningsmönster, med en öppning innefattande ett flertal antennelementmoduler, vilka vardera innefattar ett par elementgrupper, som i sin tur vardera inne- fattar en eller flera strålande antennelement, vilka element- moduler och elementgrupper är anordnade längs en förutbestämd bana, samt med ett flertal kopplingsnät, vart och ett sam- hörande med en av nämnda elementmoduler, vilket karakteriseras av att vart och ett av nämnda kopplingsnät har en ingångsan- slutning, ett par utgångsanslutningar, var och en förbunden med antennelementen i en av tillhörande elementgrupper, kors- kopplingsanslutningar anslutna till kopplingsnäten samhörande med intilliggande elementmoduler längs nämnda bana, första kopplingsorgan sammankopplande nämnda inanslutning och nämnda utanslutningar, andra kopplingsorgan sammankopplande nämnda inanslutning och utvalda anslutningar bland nämnda korskopp- lingsanslutningar, och tredje kopplingsorgan som är oberoende av nämnda andra kopplingsorgan och sammankopplar nämnda ut- gångsanslutningar och utvalda anslutningar bland nämnda kors- kopplingsanslutningar, varigenom då vågenergisignaler tillförs inanslutningen hos något av nämnda nät, nämnda signaler kopp- las till antennelementen i elementmodulen samhörande med nämnda nät och till utvalda elementgrupper i intilüggande ele- mentmoduler för att bringa nämnda öppning att utstråla nämnda önskade strålningsmönster primärt inom nämnda utvalda område i rynxden.

Vart och ett av kopplingsnäten kan även innefatta ett fjärde kopplingsorgan oberoende av de andra och tredje kopp- lingsorganen för sammankoppling av korskopplingsanslutningarna på motstående sidor av kopplingsnätet. Kopplingsnäten kan tillverkas under utnyttjande av tryckta transmissionsledningar 7807735-1 4 i ett enda skikt och innefattar riktningskopplare och över- kopplare (eng. coupler type crossovers). Korskopplingsanslutningar- na vid de yttersta kopplingsnäten i arrangemanget avslutas företrädesvis medelst resistiva avslutningar. övriga särdrag hos uppfinningen framgår av patentkraven.

Uppf inningen kommer att beskrivas närmare nedan under hänvis- ning till utfimfingsemamflßm.på tilflünande ritningar.

Fig. 1 visar schematiskt ett antennsystem enligt känd teknik.

Fig. 2 visar schematiskt ett annat antennsystem en- ligt känd teknik.

Fig. 3 visar schematiskt ett antennsystem enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 4 visar schematiskt ett annat antennsystem en- ligt uppfinningen.

Fig. 5 och 5A är en plan- resp. tvärsektionsvy över en förgreningskopplare, som kan användas vid föreliggande uppfinning.

Fig. 6 är en planvy över en överkopplare som kan användas vid föreliggande uppfinning.

Fig. 7 är en planvy över ett tryckt kopplingsnät, som kan användas vid föreliggande uppfinning.

Fig. 8 är en planvy över ett tryckt mulitpelkopplings- nät anordnat på ett enda substrat och vilket kan användas vid föreliggande uppfinning.

Fig. 3 illustrerar schematiskt ett antennsystem en- ligt föreliggande uppfinning. Systemet enligt fig. 3 inne- fattar ett flertal antennelementmoduler a-h. Var och en av modulerna är försedd med en inanslutning 31, ett kopplings- nät 30, och ett par antennelementgrupper, vilka grupper i detta fall vardera innefattar ett antennelement 32 resp. 34.

Kopplingsnäten innefattar riktningskopplare, vilka schema- tiskt illustreras såsom tätt belägna parallella trans- missionsledningar.

Uppbyggnaden och arbetssättet för uppfinningen kom- mer att förklaras med hänvisning till kopplingsnätet 30d, vilket hör till modul d och är inneslutet av streckade linjer i fig. 3, De som är bekanta med nätverk av detta _.__._:.í______._._ 7807735-1 slag inser, att arbetssättet för detta speciella nätverk är typiskt för funktionen hos nätverken tillhörande samt- liga moduler i antennsystemet.

Nätet 30d innefattar en ingångsanslutning 3ld, som är kopplad till ingången hos en effektdelare 36d, vilken är visad såsom en enkel reaktiv T-förbindning. Hybrider eller kopplare kan ersätta den visade T-förbindningen, vilket fackmannen väl inser. Förbindningens 36d utgångar är via transmissionsledningar 38d och 39d kopplade till antennelement 32d och 34d. Förbindningarna mellan trans- missionsledningarna 38d, 39d och antennelementen 32d, 34d bildar kopplingsnätets 30d utanslutningar. Transmis- sionledningen 39d är försedd med en kopplare 48d, vilken kopplar en vald mängd av vâgenergisignalerna som tillförs inanslutningen 31 och är inkopplad för att tillföra de kopplade signalerna till kopplaren 50f, som är förbunden med antcnnelementet 32f. För att förenkla figuren visas transmissionsledningen som förbinder kopplarna 48d och 505 som en streckad linje. En andra kopplare 40d kopplar vidare vågenergisignaler från transmissionsledningen 39d och till- för de kopplade signalerna till elementet 32e via kopplaren 42e. Transmissionsledningen 38d är likaså försedd med kopplare 52d och 44d, vilka kopplar tillförca signaler till elementen 34b och 34c via kopplare 54b resp_ 4ßc. Modulen 30d innefattar kopplare 46d, 54d, 42d och 50d för mottagan- de av kopplade signaler motsvarande signalerna som tillförs inanslutningarna hos andra elementmoduler i arrangemanget.

Som framgår av figuren är nätet 30d kopplat till in- tilliggande kopplingsnät via korskopplingsanslutningar på båda sidor om nätet. Sex korskopplingsanslutningar är an- ordnade på var sida av varje nät och utgör transmissions- ledningarna, som förbinder riktningskopplarna i de olika näten. Nätet 30d har korskopplingsanslutningar som medelst kopplare 40d, 44d, 48d och 52d är förbundna med ingångsan- slutningen 3ld för tillförande av en del av insignalenergin 78 Û 77 3i5-1 till intilliggande elementmoduler b,c,e och E. Ytter- ligare korskopplingsanslutningar är kopplade tilll koppllingsnätets utanslutningar medelst kopplare 42d, 46d, 50d och 54d och tjänar till att mottaga vågenergi- signaler som tillföres inanslutningarna hos näten b,c, e och f. Nätet innefattar även korskopplingsanslutningar motsvarande förbindningarna i nätet av transmissionsled- ningarna indikerade medelst prickade linjer, vilka kopp- lar signaler mellan intilliggande elementmoduler c och e.

Kopplingsnäten i figur 3 bringar signaler att till- föras sex elementgrupper hos antennöppningen från varje inanslutning 31. Signalerna som tillföres var och en av dessa grupper utväljs med en amplitud och fas, som bringar antennen att primärt stråla i ett utvalt område av rymden som svar på den tillförda vågenergin. Det effektiva ele- mentmönstret för arrangemanget begränsas således till om- rådet inom vilket antennen måste stråla och det effektiva elementavståndet kan ökas med reduktion av antalet inan- slutningar och följaktligen av antalet fas- eller amplitud- styrelement, eftersom gitterlober utanför det utvalda om- rådet kommer att undertryckas. Kopplingen av tillförda sig- naler i enlighet med figur 3 ger en effektiv elementöppning lika med approximativt 5 elementmoduler. Öppningsexcite- ringen som skall ge ett approximativt likformigt element- mönster inom ett utvalt område har en amplitudfördelning av typ sin x/x, som approximeras medekï den illustrerade exciteringen.

En väsentlig egenskap hos föreliggande uppfinning är, att kopplingen av varje elementgrupp från inanslut- ningarna är oberoende av kopplingen till andra elementgrup- per. Följaktligen kan amplitudexciteringen av elementen be- stämmas med hjälp av datorsimulering av det effektiva eLcmonLmönstrct och exciteringsamplituden och fasen kan justeras oberoende för var och en av de kopplade element- grupperna. 7807735-1 Figur 4 illustrerar schematiskt en del av ett antennsystem enligt uppfinningen, vilket utnyttjar ett mer komplext korskopplingsarrangemang. Näten i antenn- systemet enligt figur 4 innefattar ett ytterligare set utgångskopplare 70 och 72 förenade med var och en av transmissionsledningarna 38 och 39, vilka är förbundna med motsvarande kopplare 74 och 76 tillhörande den tred- je angränsande antennelementmodulen. Antennen enligt figur 3 ger en excitering av sex antennelementgrupper som svar på signaler som tillförs varje inanslutning 3l.

Det i figur 4 delvis illustrerade nätet åstadkommer excitering av fyra symmetriska elementgrupper eller to- talt åtta antennelementgrupper, då vågenergisignaler tillförs anslutningen 31 hos varje antennmodul. Följakt- ligen kan arrangemanget enligt figur 4, fastän detta är mer komplext än det i figur 3, åstadkomma en bättre styr- ning av det effektiva elementmönstret genom utnyttjande av en större effektiv elementöppning.

Figur 5 och 6 illustrerar kopplingskretsar för transmissionsledningar, vilka kretsar kan användas vid föreliggande uppfinning. Det stora antalet transmissions- ledningsriktningskopplare och det stora antalet sammanbind-H anue transmissionsledningar som måste korsa varandra i nätet enligt uppfinningen gör det önskvärt att kunna ut- föra nätet i form av ett enda skikt av tryckta transmis- sionsledningar. Denna tillverkningsmetod gör det möjligt att realisera ett antennsystem med ett komplext nätverk med utnyttjande av relativt billig tryckt kretsteknik.

I figur 5 visas en förgreningsriktningskopplare, vilken är välkänd för fackmannen och kan användas vid realisering av näten enligt figur 3 och 4. Den tryckta kopplaren enligt figur 5 är utförd av en transmissions- ledning av mikrostriptyp, vilken innefattar ett tunnt skikt 56 av dielektriskt material med ett ledande jordplan 58 på den ena ytan och en tunn ledande tryckt krets 61 på den vsovvzs-1 motsatta ytan. Förgreningskopplaren 60 enligt figur 5 utnyttjar två kopplingstransmissionsledningar 66 och 68, vilka förenar de primära transmissionsledningarna 62 och 64. Transmissionsledningarna 62 och 64 är an- ordnade pâ ett avstånd B, företrädesvis en kvarts våg- längd, från varandra och de förbindande transmissions- ledningarna 66 och 68 är åtskilda ett avstånd A, vilket även detta företrädesvis motsvarar en kvarts våglängd.

Fyra nätverksanslutningar betecknade Pl, P2, P3 och P4 hör till kopplaren 60. Arbetssättet hos kopplaraiär reciprokt och effekten av signaltillförsel till någon anslutning kan förstås under hänvisning till en såsom exempel vald anslutning, exempelvis Pl. Om anslutningen Pl tillförs vågenergisignaler tillföres dessa signaler primärt anslutningen P2, vilken benämns direktanslut- ningen. I beroende av bredden C hos transmissionsledning- arna 66 och 68 tillförs en vald mängd av den tillförda signalen till den kopplade anslutningen P3. Anslutningen P4 utgör den isolerade anslutningen hos kopplaren med avseende på anslutningen Pl och mottar väsentligen ingen del av den energi som tillföres anslutningen Pl. Den iso- lerade anslutningen är normalt avslutad medelst en resis- tiv belastning.

I figur 6 illustreras en speciell typ av förgrenings- riktningskopplare 82, som benämns 0-decibelkopplare.

En funktion som kopplaren 82 utför är att åstadkomma en överkoppling mellan två transmissionsledningar utan kopp- ling av signaler mellan transmissionsledningarna. över- kopplaren 82 är utförd med tre förbindande transmissions- ledningar 88, 90 och 92 mellan de primära transmissions- ledningarna 84 och 86. Signaler som tillföres inanslutning- en Pl tillföres anslutningen P3 med O-decibelkopppling eller med väsentligen ingen reduktion av signalnivån.

Följaktligen tillförs ej någon energi till anslutningarna P2 eller P4. Signaler som tillförs anslutningen P4 kopplas 7807735-1 på liknande sätt till anslutningen P2 och är isolerade från anslutningarna Pl och P3. Det inses således, att den tryckta kretsen 82 som illustreras i figur 6 åstad- kommer en effektiv överkoppling mellan transmissionsled- ningar i ett gemensamt plan hos en tryckt krets. Det fr står likaledes, att det är nödvändigt att välja av- greningsledningens dimensioner D och E för uppnående av korrekt koppling för åstadkommande av korsningsfunktionen.

I figur 7 illustreras ett kopplingsnät 94d, vilket utnyttjar kretsar 60 och 82 för åstadkommande av kopplings- funktionerna som schematiskt illustreras i figur 3. Nätet 94d innefattar en inanslutning 3ld, vilken är förbunden med ingången hos en effektdelare 36d. En utgång hos ef- fektdelaren 36d är förbunden med kopplare 60a och 60b, vilka motsvarar kopplarna 48d respektive 40d i nätet enligt figur 3. Den kopplade anslutningen hos kopplarna 60a och 60b är förbunden med nätets korskopplingsanslut- ningar 97d redspektive 99d, för förbindning medelst trans- missionsledningar med korskopplingsanslutningar l00e och l04e hos intilliggande nät 94e. Utsignalen från den högra sidan hos effektdelaren 36d tillförs överkopplaren 82b, óverkopplaren 82d och eventuellt till utanslutningen ll2d.

Kopplarna 60e och 60f är inrättade att sammanbinda kors- kopplingsanslutningarna lO5d och l07d med utanslutningen l12d. Korskopplingsanslutningen lOld är förbunden med korskopplingsanslutningen l02d via överkopplare 82b, 82a och 82e. På liknande sätt är korskopplingsanslutningen l03d förbunden med korskopplingsanslutnignen l00d via överkopp- lingar 82d, 82a och 82c. Ytterligare træfngsgbnskfinügsöverkopp_ lingar erhålles medelst arrangemanget av transmissionsled- ningar, såsom koaxialkablar, som sammanbinder korskopp- lingsanslutningar hos intilliggande kopplingsnät 94.

Nätet enligt figur 7 är symmetriskt omkring inanslutningen, varför följaktligen den vänstra sidan hos effektdelaren 36 är försedd med kopplare 60c, 60d, 60g och 60h förbundna med korskopplingsanslutningar 96d, 98d, l04d respektive l06d. 7807735-1 l0 Figur 8 illustrerar en tryckt krets ll3, vilken innefattar elementen i nätet 94 och ytterligare tryckta óverkopplingar, så att ett antal kopplingsnät, såsom ll4c, llád och ll4e, kan innefattas på en enda krets- platta, Det inses, att korskopplingsanslutningarna 116-126 hos slutnätet på kretsplattan kan var förbundna med intilliggande kretsplatta medelst transmissionsled- ningar eller om nätet ll3 är slutnätet i ett arrangemang kan korskopplingsanslutningar ll6-126 avslutas med resis- tiva belastningar. Varje nät ll4 i kretsen 113 innefattar överkopplingar 82f-82m förutom kretselementen enligt nätet 94 i figur 7. Dessa utgör de tryckta ekvivalenterna till transmissionsledningsöverkopplingarna, som utnyttjas för sammanbindning av korskopplingsanslutningarna i näten enligt figur 7. Korskopplingsanslutningarna i näten ll4 är ej anslutningar för förbindning med kablar, utan ut- gör utvalda punkter ll6-l26 på transmissionsledningar hos kretsen ll3 mellan näten ll4.

I den föregående beskrivningen och i figur 3 och 4 illustreras utanslutningarna hos varje kopplingsnät som varande förbundna med ett enda antennelement. De som är förtrogna med antennsystem inser, att detta enda antenn- element i stället kan utgöras av en elementgrupp inne- fattande mer än ett strålande antennelement. Elementen i en grupp kan vara anordnade längs banan för elementgrupper- na och nmdulcrna i arrangemanget eller kan de vara anordna- de i en vinkelrät bana för uppnâende av mönsterstyrning i ett ortogonalt plan hos strålningen. Likaså kan varje utanslutning vara förbunden med en av inanslutningarna hos ett ortogonalt arrangemang av kopplingsnät och antennele- ment för uppnående av elementmönsterstyrning i båda strål- ningsplanen, på det sätt som visas i figur 14 i den ovan nämnda patentansökan. De som är förtrogna med antennsys- tem inser, att antennsystemet enligt uppfinningen kan ut- nyttjas på alla de sätt som beskrivs i ovannämnda patent- 7807735-1 ll ansökan, i beroende av den typ av signaler som till- föres inanslutningarna. Motsvarande delar av ovan- nämnda patentansökan anses genom denna referens ingå i denna ansökan. Det inses vidare att fastän arbets- sättet hos antennen och nätet har beskrivits med re- ferens till sändarfunktion, sådana antenner och nät- verk är helt reciproka och beskrivningen och kraven kan likaväl tillämpas på antenner för användning så- som mottagarantenner.

Ovan har de mest föredragna utföringsformerna av uppfinningen beskrivits, men fackmannen inser, att andra och ytterligare modifikationer kan utföras utan avsteg från uppfinningstanken, såsom denna definieras i patentkraven.

Claims (7)

1. 7-807735-1 12 Patentkrav 1. ett utvalt vinkelområde i rymden och i ett önskat strålnings- Antennsystem för utstrålning av vågenergisignaler i mönster, med en öppning innefattande ett flertal antennele- mentmoduler (a, b, c, d, e, f, g, h), vilka vardera inne- fattar ett par elementgrupper, som i sin tur vardera inne- fattar en eller flera strålande antennelement (32, 34), vilka elementmoduler och elementgrupper är anordnade längs en förut- bestämd bana, samt med ett flertal kopplingsnät, vart och ett samhörande med en av nämnda elementmoduler, k ä n n e- t e c k n a t (30) har en ingångsanslutning (31), ett par utgångsanslut- av att vart och ett av nämnda kopplingsnät ningar, var och en förbunden med antennelementen (32, 34) i en av tillhörande elementgrupper, korskopplingsanslutningar (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52,54) anslutna till kopplingsnäten sam- hörande med intilliggande elementmoduler längs nämnda bana, första kopplingsorgan (38, 39) sammankopplande nämnda in- anslutning och nämnda utanslutningar, andra kopplingsorgan (diagonala linjer förbundna med 40, 44, 48, 42) sammankopplan- .de nämnda inanslutning och utvalda anslutningar bland nämnda korskopplingsanslutningar, och tredje kopplingsorgan (dia- gonala linjer förbundna med 42, 46, 50, 54) som är oberoende av nämnda andra kopplingsorgan och sammankopplar nämnda ut- gångsanslutningar och utvalda anslutningar bland nämnda korskopplingsanslutningar, varigenom då vâgenergisignaler tillförs inanslutningen (31d) hos något av nämnda nät, (32d, 34d) i elementmodulen (30d) samhörande med nämnda nät och till ut- nämnda signaler kopplas till antennelementen wfldaelementgrupper i intilliggande elementmoduler (b, c, e, f) för att bringa nämnda öppning att utstråla nämnda önskade strålningsmönster primärt inom nämnda utvalda område i rymden.

2. av att vart och ett av nämnda kopplingsnät dessutom innefat- Antennsystem enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t tar fjärde kopplingsorgan (diagonala linjer förbundna med 70d, 72d, 74d, 76d) som är oberoende av nämnda första, andra 7807735-1 13 och tredje kopplingorgan och kopplar nämnda ingångsanslutning (31) och nämnda utgångsanslutningar till utvalda anslutningar bland nämnda korskopplingsanslutningar (74a, 76g, 70g, 72a) samhörande med intilliggande elementmoduler (a, g) på båda sidor om nämnda kopplingsnät.

3. Antennsystem enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda kopplingsnät innefattar transmissionsledningar (84, se, as, 90, 92), riktningskopplàre (soa, som Qch över- korsningskopplare (82).

4. Antennsystem enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att vart och ett av nämnda kopplingsnät tillverkas med utnyttjande av transmissionsledningar (fig. 5-8) i form av tryckta kretsar.

5. Antennsystem enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att nämndatransmissionsledningar innefattar åtminstone ett ledande jordplan (58) och en ledande krets (61) separerad från nämnda jordplan medelst dielektriskt material (56).

6. Antennsystem enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda kopplingsnät innefattar en enda nivå hos nämnda tryckta transmissionsledningar och inkluderar förgrenings- riktningskopplare och tryckta överkorsningskopplare inne- fattande tre förgreningsriktningskopplare (fig. 5-8).

7. Antennsystem enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar resistiva avslutningar vid de yttre korskopplingsanslutningarna hos näten samhörande med de yfixrsta elementmodulerna utmed nämnda bana (modulerna a och h i fig. 3).