SE444624B - Sammansatt antenn innefattande ett flertal antennelementmoduler - Google Patents

Description

8100577-9 speciellt det enligt det tidigare omnämnda svenska patentet 7607892-2 beskriver system som kan ge effektiv styrning av ett antennelementmönster för att uppnå ett elementmönster som medger ett större effektivt elementavstånd med åtföljan- de inbesparingar avseende styrkomponenter för en antenn med begränsad avsökning är dessa tidigare kända system mest lämpa- de att utnyttjas endast över ett begränsat frekvensband, såsom är fallet med anordningen som beskrivs i ovan nämnda svenska patent, eller kan de innefatta ett komplext nät av förbindningar, såsom vid anordningen som beskrivs i den ovan omnämnda svenska patentansökan.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma ett sammansatt antennsystem med styrningar av antenn- elementmönstret för erhållande av elementmönsterstyrningen och kostnadsbesparingarna enligt systemen enligt det ovan omnämnda patentet resp. patentansökningen, i vilket system man utnyttjar ett förenklat kopplingsnät, som kan arbeta över ett relativt stort frekvensband.

I enlighet med föreliggande uppfinning åstadkommes en sammansatt antenn innefattande en antennöppning innefattan- de ett flertal av N antennelementmoduler, varvid N är ett positivt heltal, vilka moduler vardera innefattar A antenn- elementgrupper, varvid A är ett heltal större än 1, vilka grupper innefattar ett eller flera antennelement, varvid nämnda elementmoduler och elementgrupper är anordnade längs en förutbestämd bana. Det speciellt karakteristiska för antennen enligt uppfinningen är att den innefattar AN första transmissionsledningar, en samhörande med var och en av nämn- da antennelementgrupper, som tillför vågenergisignaler till elementen i nämnda elementgrupper, ett flertal av N andra transmissionsledningar, en samhörande med var och en av nämnda antennelementmoduler, vilka andra transmissionsled- ningar vardera har en ingångsanslutning och var och en korsar ett utvalt antal, som är mindre/än AN, av nämnda första transmissionsledningar för tillförande av vågenergi- 8100577-9 signaler till nämnda tillhörande modul och moduler intill denna, samt ett flertal av N uppsättningar riktnings- kopplare, vilka uppsättningar varder innefattar ett mot nämnda utvalda antal svarande antal kopplare, varvid mot- svarande kopplare i nämnda N uppsättningar är väsentligen identiska, och varvid varje uppsättning är avsedd fön kopp- ling av en av nämnda N andra transmissionsledningar till de korsade första transmissionsledningarna, vilka riktnings- kopplare var och en har en utvald kopplingsamplitud och' kopplingsfas för att bringa signaler som tillföres någon av nämnda ingångsanslutningar att primärt kopplas till ele- mentgrupperna i en elementmodul motsvarande nämnda ingångs- anslutning och med vald relativ amplitud och fas kopplas till utvalda element i andra elementgrupper hos den samman- satta antennen.

Vid en föredragen utföringsform'av antennen är elementen anordnade längs en förutbestämd bana, som utgöres av en rät linje. Vågenergisignalerna som tillföres ingångsanslutningar- na hos de andra transmissionledningarna kan ha varierande amplitud, för att därigenom bringa antennen att utstråla ett strålningsmönster med en vinkelfrekvensvariation. Alterna- tivt kan vågenergisignalerna ha en varierande fas för att därigenom bringa antennen att erhålla ett strålningsmönster vars vinkel varierar med tiden.

I en föredragen utföringsform är nämnda första och andra transmissionsledningar och nämnda kopplare så anord- nade, att vågenergisignaler kopplas från var och en av in- gångsanslutningarna till antennelementgrupperna med lika transmissionsfaslängd, och att den valda amplituden och fasen hos uppsättningarna av kopplare bringar enföppnings- excitering av approximativt typen šåå-Ä att tillföras antennelementen, som svar på signaler som tillföres någon av ingångsanslutningarna. Centrum till centrumavståndet mellan intilliggande antennelementmoduler i systemet kan 8100577-9 4 vara lika och detta avstånd motsvarar det effektiva element- avståndet hos systemet. I detta fall väljs de relativa amplituderna och faserna för strålning av ett effektivt elementmönster som undertrycket gitterlober för det valda effektiva elementavståndet och systemets strålningsomrâde.

I ett föredraget system kan transmissionsledningarna till- verkas under utnyttjande av mikrobandsteknik och transmis- sionsledningarna kan korsa varandra i riktningskopplare, som kan vara utförda som förgreningsledningsriktningskoppla- re och tillverkade av en transmissionsledning av mikrobands- typ.

Antalet A antenngrupper är företrädesvis 2 eller 3 styc- ken. ' Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan under hänvisning till de såsom exempel visade ritningarna.

Fig. 1 är en schematisk illustration visande en samman- satt antenn i enlighet med föreliggande uppfinning.

Fig. 1A är en schematisk illustration av en riktnings- kopplare, med utnyttjande av den symbol som utnyttjas i fig. 1.

Pig. 2 illustrerar en utföringsform av den sammansatta antennen enligt uppfinningen utnyttjande transmissionsled- ningar av mikrobandstyp.

Fig. 2A indikerar funktionen hos mikrobandskopplarna som utnyttjas i utföringsformen enligt fig. 2.

Pig. 3 eillustrerar en möjlig öppningsexcitering, som är tillgänglig i enlighet med föreliggande uppfinning.

Fig. 4 illustrerar en annan utföringsform av en samman- satt antenn i enlighet med föreliggande uppfinning.

Pig. 5 illustrerar en möjlig öppningsexcitering för antennen enligt fig. 4. 8100577-9 5 Antennen enligt fig. l är utförd med en öppning som innefattar ett flertal antennelementmoduler. Varje modul innefattar två antennelementgrupper. Var och en av grupperna i antennen enligt fig. l visas endast innefatta ett enda an- tennelement, men såsom angivits i det ovan angivna patentet kan antennelemntgrupperna vardera innefatta ett eller flera vantennelement. Antennelementen som utnyttjas i-en sammansatt antenn av det slag som schematiskt illustreras i fig. l ut- göres typiskt av dipolantenner, vågledaröppningar, slitsar eller liknande små strålare. I den visade utföringsformen är antennekmænten anordnade längs en rät linje för bildande av en öppning innefattande ett linjärt arrangemang av antenn- element. Läran enligt och omfattningen av föreliggande upp- finning är ej nödvändigtvis begränsad till sådana linjära 'arrangemang av antennelement utan kan även tillämpas på arrangemang som innefattar antennelement anordnade längs en bana som skiljer sig från en rät linje, exempelvis en cirkel- båge, och kan även tillämpas på antennelement anordnade inom ett plan och som kan avsöka i en eller flera vinkelriktningar i förhållande till detta plan.

I illustrationen i fig. l innefattar den första an- tennelementmodulen elementen Al och Al', den andra antenn- elementmodulen innefattar elementen A2 och A2', den tredje antennelementmodulen innefattar antennelementen A3 och A3', osv. För vart och ett av antennelementen i arrangemanget en- ligt fig. l är en första transmissionsledning anordnad, vil- ken är förbunden med detta element och vars motsatta ände är avslutad i en resistiv belastning. Således finns en transmissionsledning 10, vilken vid den ena änden är för- bunden med antennelementet Al och vars motsatta ände är kopplad till en resistiv belastning 22. På liknande sätt är en transmissionsledning 12 inkopplad mellan antennelementet Al' och en resistiv belastning 24, och transmissionsled- ningar l4, 16, 18 och 20 på liknande sätt förbundna med respektive antennelement A2, A2', A3, A3' och var och en av- slutad med en resistiv belastning. Som framgår av en granskning av den schematiska illustrationen i fig. 1 är ett 8100577-9 6 flertal andra transmissionsledningar anordnade, en motsvaran- de var och en av antennelementmodulerna, vilka korsar nämnda första transmissnmufledningar. Således finns en transmissions- ledning 30, vilken motsvarar antennelementmodulen innefattan- de elementen Al och Al'. Transmissionsledningen 30 har en ingångsanslutning Tl och dess motsatta ände är kopplad till en resistiv belastning 31. På liknande sätt förbinder ytter- ligare andra transmissionsledningar 32, 34 och 36 respektive ingångsanslutningar T2, T3 och T4 med motsvarande resistiva belastningar 33, 35 och 37. Var och en av nämnda andra trans- missionsledningar är selektivt kopplad till den överkorsade första transmissionsledningen,såsom illustreras i fig. 1.

En schematisk förklaring av symbolen som utnyttjas för rikt- ningskopplarna i fig. l ges i fig. lA. Således är varje transmissionsledning 30, 32 och 34 medelst en motsvarande uppsättning riktningskopplare (Cl-C5 för ledning 30; Cl-C7 för ledning 32; och Cl-C8 för ledning 34) kopplad till de korsade första transmissionsledningarna.

Var och en av kopplarna Cl-C8 har en kopplingsampli- tud och en kopplingsfas som är så vald, att signaler som tillföres någon av ingångsanslutningarna Tl, T2 och T3 till- föres elementen i arrangemanget med vald amplitud och fas.

I enlighet med föreliggande uppfinning är varje uppsättning av motsvarande kopplare Cl-C8 väsentligen identisk. Uppsätt- ningarna av kopplare väljs så, att signaler som tillföres en ingångsanslutning, exempelvis ingångsanslutningen T3, till- förs primärt ett motsvarande par antennelement A3, A3' (inne- fattande eneflementmodul) men även till utvalda andra element i arrangemanget med amplituder och faser som åstadkommer en elementöppningsexcitering som approximativt motsvarar en öppningsfördelning av typen 553-Ä. Såsom har beskrivits i samband med det ovan angivna patentet och den ingivna patent- ansökan resulterar denna typ av elementamplitudfördelning över öppningen i ett utstrâlat elementmönster, som i stort motsvarar strålning med likformig amplitud inom ett utvalt önskat vinkelområde i rymden i vilket antennen skall arbeta, och strålning av väsentligt lägre amplitud i andra områden 8100577-9 7 av rymden, exempelvis de områden i vilka en gitterlob från arrangemanget kan uppträda. En lämplig elementöppningsexci- tering för signaler som tillföres anslutningen T3 hos ar- rangemanget visat i fig. l illustreras i fig. 3, enligt vil- ken elementen A3 och A3' har en elementsignalamplitud med värdet l, elementen A2' och A4 en elementsignalamplitud på 0,5 och elementen Al' och A5 en elementsignalamplitud på -0,2. Inga signaler tillföres elementen A2 och A4'. Följande kopplingskoefficienter för kopplarna Cl-C8 kan ge det ön- skade elementamplitudmönstret visat i fig. 3, med samma av- stånd mellan kopplarna längs de första och andra trans- missionsledningarna.

Cl = -0,l776 C5 = 0,8000 C2 = -0,l377 C6 = O,3936 C3 = O,26l0 C7 = 0,0000 C4 = 0,7304 C8 = -0,290l Det inses att för vissa element kommer banan från ingångsanslutningen till elementet att följa olika riktningar och följaktligen görs beräkningen av kopplingsvärdena för en speciellt önskad elementöppningsexcitering företrädesvis med hjälp av en digital dator. _ Uppsättningen kopplingsvärden som har angivits ovan är lämplig för användning i en sammansatt antenn utförd för styrning aveæuantennstråle inom ett vinkelområde på I 50 i rymden utan gitterlober. Elementmodulerna i ett sådant arran- gemang kan vara åtskilda med så mycket som två våglängder och det effektiva elementmönstret som erhålles från exci- teringen illustrerad i fig. 3 kommer att undertrycka gitter- lober.

En annan uppsättning kopplingsvärden, som ger en lik- nande öppningsamplitudexcitering och vid vilken elementvär- dena är A3=A3'=l,0, A2'=A4=O,53, Al'=A5=-Q23 och A2=A4'=0, är: Cl = -0,118 C5 = 0,581 C2 = -0,045 C6 = 0,300 C3 = 0,251 C7 = 0 C4 = 0,557 C8 = -0,150 i 8“00577-9 8 En betydelsefull egenskap hos föreliggande uppfinning är att banorna genom nätet från varje ingångsanslutning T till antennelementen kopplade till denna anslutning har ap- proximativt samma transmissionsledningslängd. Detta faktum minimerar variationen av faspåverkan i nätet med variation i arbetsfrekvens. Detta resulterar i att arrangemanget en- ligt föreliggande uppfinning kan arbeta med hög prestanda _ över ett relativt brett frekvensområde.

Fackmannen inom området inser att det är möjligt att åstadkomma andra och mer vittgående öppningsamplitudexci- teringar i beroende av en insignal till en av ingångsanslut- ningarna visade i fig. l genom anordnandet av ytterlig.;e utökade första och andra uppsättningar transmissionledningar och ytterligare kopplare i var och en av uppsättningarna av kopplare ingående i arrangemanget.

I exempelvis arrangemanget visat i fig. 4 innefattar var och en av antennmodulerna tre antennelementgrupper, vil- ka grupper vardera innefattar ett element. Signalen som till- föres var och en av ingångsanslutningarna (Tl, T2, T3 etc.) kopplas följaktligen primärt till de tre antennelement- grupper som motsvarar dessa och sekundärt till element i andra utvalda grupper i arrangemanget för åstadkommande av den önskade öppningsexciteringen visad i fig. 5 och indi- kerad nedan: A3 = l A3' = A3" = 0,83 A2" = A4” = 0,41 A2 = A4 = 0 A2' = A4" = -0,21 Vid utföringsformen enligt fig. 4 är värdena för uppsättningarna av riktningskopplare Cl-C9 såsom anges nedan: Cl = -0,310 C6 = 0,577 C2 = 0 C7 = 0,228 C3 = 0,518 C8 = -0,092 C4 = 0,650 C9 = -0,163 C5 = 0,693 8100577-9 9 Såsom i fallet med det tidigare omnämnda patentet kan den typ av sammansatt antenn som illustreras i fig. l utnyttjas i samband med en signalgenerator och fasvridar- krets för att åstadkomma en antennstrâle, som är elektronish: styrbar genom att variera fördelningen av uppsättningen sig- naler som tillföres var och en av ingångsanslutningarna Tl, T2, T3 etc. Alternativt är det möjligt att åstadkomma vad som allmänt benämns såsom ett Doppler-system genom åstad- kommande av en variation i amplituden hos signalen med tiden för var och en av ingångsanslutningarna. Om således ingångs- signaler tillföres sekventiellt till anslutningarna Tl, T2, T3, T4 etc. kommer antennöppningen att utstråla ett antenn- mönster, som har en frekvens som varierar med vinkelposi- tionen i rymden.

Fastän antennen som illustreras schematiskt i fig. l endast ger strålsökning eller annan aktiv variation av an- tennmönstret i en vinkelkoordinat i rymden inser fackmannen inom området, som är familjär med denna typ av fasade sam- mansatta antenner, att ett flertal arrangemang av det slag som visas i fig. l kan anordnas sida vid sida(exempelvis i en riktning vinkelrätt mot papperet) för att därigenom åstad- komma ett plant arrangemang av antennelement. De principer som är tillämpbara på det linjära arrangemanget visat i fig. l kommer att vara lika tillämpbara på det plana arrange- manget med tillägget av ytterligare kopplingsnät, som samman- binder ingångsanslutningarna hos varje nät för de linjära arrangemangen av antennelement. I enlighet med en annan variation avarrangemanget visat i fig. l, som även visades i det tidigare omnämnda patentet, är det möjligt att anordna ett flertal antennelement för var och en av antennelementpo- sitionerna Al, Al', A2, A2' visade i det linjära arrange- manget i fig. l. Detta flertal antennelement kan exempelvis utnyttjas för att forma elementmönstret i riktningen för den vinkelkoordinat som är vinkelrät mot den linje längs vilken elementen Al, Al', A2, A2', etc. är anordnade.

I fig. 2 illustreras en utföringsform av arrange- manget enligt fig. l, i vilken transmissionsledningarna och 8100577-9 ' 10 kopplarna är utförda av enkla skikt av transmissionsledningar av mikrobandstyp. Vidare är kopplarna i kopplingsnätet visat i fig. 2 anordnade i kopplingsmoduler 40, 42, 44, så att var och en av ingångsanslutningarna T har en motsvarande upp- sättning antenner A och A' och en uppsättning mellanliggande kopplare, vilket alltsammans kan utföras på en enda tryckt kretsplatta av en transmissionsledning av mikrobands- eller mikroledningstyp. De transmissionsledningar av mikrobandstyp som utnyttjas i var och en av elementmodulerna 40, 42, 44 i antennen enligt fig. 2 är vidare identiska och kan således tryckas och sammankopplas sida vid sida med utnyttjande av korskopplingsportar 46a, 46b, 46c, 46d, för bildande av ett komplett kopplingsnät för arrangemanget. Genom utnyttjande av upprepad tryckningsteknik kan alternativt hela kopplings- nätet tryckas på en enda stor tryckt kretsplatta.

Den schematiska illustrationen i fig. l gör det enkelt att observera närvaron av den första uppsättningen transmissionsledningar, vilka var och en är kopplad till ett antennelement, och den andra uppsättningen transmissions- ledningar, vilka var och en är kopplad till en ingångsan- slutning. I utföringsformen enligt fig. 2 är det svårare att se de första och andra uppsättningarna transmissionsled- ningar, eftersom transmissionsledningarna korsar var och en av riktningskopplarna som utnyttjas i mikrobandskretsen dia- gonalt. Det noteras, att kopplare C7 i arrangemanget illu- strerat i fig. 2 är en 0 dB-kopplare, dvs. ledningarna som korsarxuuandra vid kopplaren C7 kopplas ej till varandra.

Följaktligen är kopplingsvärdet som angivits i tabellen ovanförförkopplaren C7 lika med 0. Fig. 2A illustrerar det schematiska arrangemanget av kopplarna, som visas i ut- föringsformen av antennen enligt fig. 2.

Fackmannen inser att de exempel på exciteringar av arrangemangetcxflakopplingsvärden som anges häri endast är angivna såsom exempel och ej för att begränsa kraven. Såsom nämnts ovan inser den normale.fackmannen inom området, att dessa kopplingsvärden kan bestämmas med utnyttjande av en 8100577-9 ll digital dator, som ges de relativa amplituderna och faserna för de kopplingssignaler, som skall tillföras vart och ett av antennelementen i arrangemangen från var och en av in- ¿ gångsanslutningarna iarrangemanget.

De sammansatta antennerna enligt föreliggande upp- finning har beskrivits primärt med utgångspunkt från sändande antenner, i vilka signaler tillföres ingångsanslutningarna .

T hos arrangemanget och utstrålas från antennelementen. Fack- mannen inser, att sådana antenner är helt reciproka och att signaler som tillföres från rymden till antennelementen kom- mer att kopplas till anslutningarnaflrhos arrangemanget i ett svarsantennmönster, som är identiskt med antennens strål- ningsmönster. Följaktligen skall kraven i denna ansökan tol- kas såsom omfattande mottagande såväl-som sändande antenner.

Claims (10)

1. 8100577-9 12 Qatentkrav l. Sammansatt antenn innefattande en antennönpning innefattande ett flertal av N antennelementmoduler (40, 42, 44), varvid N är ett positivt heltal, vilka moduler vardera innefattar A antennelementgrupper, varvid A är ett heltal större än l, vilka grupper innefattar ett eller flera an- tennelement (Al, Al'; A2, h2'...A7'), varvid nämnda element- moduler och elementgrupper är anordnade längs en förutbestämd hana, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar AN första transmissionsledningar (10, l2...20), en samhörande med var och en av nämnda antennelementgrupper, som tillför vågenergisignaler till elementen i nämnda elementgrupper, ett flertal av N andra transmissionsledningar (30, 32, 34, 36), en samhörande med vax och en av nämnda antennelement- moduler, vilka andra transmissionsledningar vardera har en ingångsanslutninq (Tl, T2...Ta) och var och en korsar ett utvalt antal, som är mindre än AN, av nämnda första trans- missionsledningar för tillförande av vågenergisignaler till nämnda tillhörande modul och moduler intill denna, samt ett flertalav N uppsättningar riktningskopplare (Cl, C2...C9), vilka uppsättningar vardera innefattar ett mot nämnda ut- valda antal svarande antal kopplare, varvid motsvarande koop- lare i nämnda N uppsättningar är väsentligen identiska, och varvid varje uppsättning är avsedd för koppling av en av nämnda N andra transmissionsledningar till de korsade första transmissionsledningarna, vilka riktningskopplare var och en har en utvald kopplingsamplitud och kopplingsfas för att bringa signaler som tillföres någon av nämnda ingångsanslut- ningar att primärt kopplas till elementgrupperna i en ele- mentmodul motsvarande nämnda ingângsanslutning och att med vald relativ amplitud och fas kopplas till utvalda element i andra elementgrupper hos den sammansatta antennen.

2. Antenn enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda förutbestämda bana är en rät linje.

3. Antenn enligt krav l, avsedd att bringa nämnda an- tenn att utstråla ett strålningsmönster med en vinkelfre- 8100577-9 kvensvariation, k ä n n e t e c k n a d av att den innefat- tar organ för tillförande av signaler med varierande amplitud till nämnda anslutningar.

4. Antenn enligt krav l, avsedd att bringa nämnda antenn att utstråla ett strålningsmönster med i tiden varierande vinkelläge, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar organ för tillförande av signaler med varierande fas till nämnda anslutningar.

5. S. Antenn enligt något av krav l-4, k ä n n c t c c k- n a d av att nämnda första och andra transmissionsledningar (10, l2...20; 30, 32, 34, 36) och nämnda kopplare (Cl, C2... C9) är så anordnade, att man erhåller en väsentligen lika transmissionsledninqslängd mellan var och en av nämnda in- gângsanslutningar och dess tillhörande antennelement.

6. Antenn enligt något av krav l-5, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda valda amplitud ych fas approximerar en Sin X öppningsexcitering av tynen -3-. I

7. Antenn enligt något av krav l-6, k 3 n n e t e C k- n a d av att avståndet mellan intilliggande antennelement- moduler är lika, att nämnda avstånd omfattar det effektiva elementavståndet för den sammansatta antennen, och att nämnda relativa amplituder och faser väljs för strålning av ett effektivt elementmönster, som andertrycker gitterlober för nämnda effektiva elementavstånd.

8. Antenn enligt något av krav 1-7, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda första ooh andra transmisshntfledningar (10, l2...20; 30, 32, 34, 36).fnnefattar transmissionsled- ningar av mikrobandstyn, att nämnda transmissionsledningar korsar varandra vid nämnda riktninqskopplare (Cl, C2...C9), och att nämnda riktningskopplare innefattar förqrenings- kopplare.

9. Antenn enligt något av krav 1-8, k ä n n e t e c k- n a d av att A=2.

10. Antenn enligt något av krav 1-8, k ä n n e t e c k- n a d av att A=3.