SE458570B - Mikrobandantenn med gammamatare foer dopplernavigeringssystem - Google Patents

Description

458 570 ¿ 10 15 20 25 30 35 som alstrar ett antennmönster,vilket är mycket likartat det' för en antenn med lutande apertur. Ehuru denna antenn även uppfyller det ovan nämnda syftemälet med att reducera över- vatten-skift och även åstadkomer frekvenskompensering under utnyttjande av hela den rektangulära monteringsytan inträffar frekvens-/temperaturkompensering för enskilda strålar vid ut- gången av en antenn som utsänder flera strålar. Vidare har enkelsträle-kompenseringstekniken enligt den nämnda brittiska Patflflfiskríften vissa begränsningar vad gäller nivån av den första sidoloben och sidolobernas strâlvidd, vilket beror på sättet att framställa antennmönstret.

Föreliggande uppfinning avser en förbättrad antenn av det slag som beskrivs i var nämnda~brittiska patentskrift.

Uppfinningen avser en mikroband-antenn med gammamatare och denna antenn utnyttjar en fyrstrale-frekvens-/temperaturkompen- seringsteknik i gammariktningen. Detta betyder att summan av de fyra strålarna är frekvens-/temperaturkompenserade snarare än att var och en av strålarna är detta, vilket fallet är i den nämnda patentansökningen. Fördelen med föreliggande teknik är att överlägsna antennmönsteregenskaper erhålles eftersom antennen inte behöver extra mikrobandledare för att mata varje gammaantenngrupp. Vidare är antennen enligt uppfinningen inte behäftad med de begränsningar som är förknippade med nivån av den första sidoloben och de breda strålvidderna, vilka utgjorde olägenheter i samband med enkelstråle-kampenseringstekniken.

Nettoresultatet med antennen enligt uppfinningen är en förbättrad antennförstärkning på ca 3,5 db för den gamamatade antennen och sidolobsegenskaperna är påtagligt bättre jämfört med enkelstråle-antennen. ~ ' I vä: nämnda brittiska patentskrift 2 080 041 är antennen uppdelad i tvâ sigma-halvor. Antennen enligt föreliggande upp- finning åstadkommer övervatten-korrigering genom att den upp- delas i tvä gamma-halvor av vilka den första görs överkompen- serad.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka fig. la är ett diagram som visar ett typiskt antenn- strålningsmönster, 10 l5 20 25 30 35 3 458 570 fig. lb visar typiska bakâtspridningsfunktioner, fig. lc är ett diagram som visar effekten av land-vatten- skift, fig. 2 är ett diagram som visar fyra lutande strålar, vilka utstrålas från två antennaperturer, fig. 3a är ett diagram visande ett koordinatsystem för en konventionell rektangulär antenn, fig. 3b är ett diagram av ett koordinatsystem med lutande axel, fig. 3c är ett diagram av en antenn med lutande apertur där lutningsvinkeln är 450, fig. 4 visar schematiskt en stympad, lutande apertur, fig. 5 är ett diagram som visar antennen med dess portar och tillhörande strålar, fig. 6 visar schematiskt varje antenngrupps anslutning till varsin matare via en transformator, fig. 7 visar schematiskt stråländringarna relativt normalen till antennen enligt uppfinningen, vilka stråländ- ringar medför frekvenskompensering, fig. 8 är en datorutskrift av fördelningen utmed den lutande X-axeln med antennen enligt föreliggande uppfinning, fig. 9 är en datorutskrift av fördelningen utmed den lutande Y-axeln erhållen med antennen enligt föreliggande uppfinning, fig. 10 är en datorutskrift av kopplings- och strålnings- koefficienterna enligt föreliggande uppfinning, fig. ll visar fjärrfältmönstret i huvudgammaplanet, fig. 12 visar fjärrfältmönstret i huvudsigmaplanet, fig. 13 visar en sektion av antennen enligt föreliggande uppfinning, och fig. 14 visar föreliggande antennkonstruktion.

Alldeles oavsett den teknik som används till att följa dopplerekot kommer alla doppler-radaranläggningar att erfara ett land-vattenskift såvida inte särskilda åtgärder vidtages i anläggningens konstruktion för att undanröja detta skift.

Då det gäller den mekanism som ligger bakom land-vattenskiftet betraktas först ett enkelt enkelstrâlesystem i vilket \”0 (vinkeln mellan hastighetsvektorn och centrum av den utstrålade strâlen) och flyo (strålens infallsvinkel mot spridningsytan) 458 570 4 10 15 20 25 30 35 ligger i sama plan och bildar komplementära vinklar på det sätt som visas i fig.-la. Antennens strâlvidd betecknas med l\X_ över land ger den likformiga bakâtspridningen (fig. lb) upphov till ett spektrum vars centrum är en funktion av }'° och vars vidd är en funktion av Aä'(fig. lc). Vid flygning över vatten är bakåtspridningen inte linjär vilket framgår ur fig. lb där stora vinklar på V' (små Yrvinklar) ger en lägre spridnings- koefficient. Eftersom små Y-vinklar är förknippade med de högre frekvenserna i dopplerspektret komer sistnämnda frekven- ser att vara dämpade med avseende pâ de lägre frekvenserna, varigenom spektrets topp förskjuts mot en lägre frekvens. Land- vattenskiftet är vanligen från 1 procent till 3 procent beroende på antennparametrarna.

Den tredimensionella situationen är mer komplicerad.

Antag att en luftfarkost rör sig utmed X-axeln i fig. 2. Y-axeln är horisontell och bildar en rät vinkel mot X-axeln. Z-axeln är vertikal. Rektangulära gruppantenner alstrar fyra strålar vilka bildar en vinkel mot dessa axlar. Axeln för någon av dessa strålar (t ex strålen 2) bildar vinkeln 1'0 mot X-axeln, vinkeln 0'0 mot Y-axeln och vinkeln 1V° mot Z-axeln. En konven- tionell rektangulär antenn av det slag som visas i fig. 3a har en amplitudfunktion A, vilken kan beskrivas såsom en pro- dukt av två separata funktioner på X-axeln och Y-axeln.

Således är: A(x.y) = fbr) - g(y) Antennmönstret för en konventionell rektangulär antenn säges därför vara "separerbart" i Y' och G'. Eftersom.sprid- ningskoefficienten över vatten varierar med vinkeln är det önskvärt att ha ett antennmönster, som är separerbart i 'Y och ¶'istället för i 7' och G'. En sådan typ av antennmönster skulle i stor utsträckning undanröja land-vattenskiftet.

Fig. 3b visar ett koordinatsystem med lutande axel, vilket system är avsett för att framställa ett antennmönster, som är separerbart i V och )'. Y'-axeln är en projektion av strål- axeln på X-Y-planet. Y'-axeln bildar en vinkel K med Y-axeln.

Fig. 3c visar en antenn med lutande öppning där lutnings- vinkeln för K = 45°. Amplitudfunktionen för denna antenn är en 10 15 20 25 30 35 5' 458 570 produkt av två separerbara funktioner på X-axeln och Y'-axeln.

A(x.y') = f'(>=) ° 9'(y') Antennmönstret för antennen med lutande apertur är separerbart i Y och E , där É är vinkeln mellan Y'-axeln och strålens axel. Nära centrum av strâlen är antennmönstret (med god approximation)även separerbart i ï' och Vf och är således i stor utsträckning oberoende av land-vattenskiftet.

Emellertid visar fig. 3c även att antennen med lutande apertur lämnar avsevärda delar av den rektangulära monteringsytan out- nyttjad. Således är förstärkningen för antennen med lutande apertur lägre än om hela den rektangulära ytan skulle innehålla antennelement. Vidare begränsar den korta längden av antenn- grupperna i den lutande gruppantennen antalet antennelement i varje antenngrupp, vilket kan medföra en oacceptabelt låg injektionsförlust.

Såsom framgår ur fig. 4 är det emellertid möjligt att framställa en lutande apertur, stympa denna och härleda en rektangulär apertur, som vidmakthåller den önskade separerbar- heten. Vidare är det möjligt att modifiera lutningsvinkeln så att en viss grad av överkompensering erhålles, vilken motverkar effekterna av att stympa den ursprungliga aperturen. Detta är de grundläggande konstruktionsövervägandena som ligger till grund för föreliggande uppfinning.

Genom att vid konstruktionen utnyttja denna infallsvinkel erhålles den stympade aperturen för ena halvan av den faktiska antennen och de resulterande strålningskonduktanserna viks varigenom matningssystemet blir reciprokt. Denna modifierade apertur dupliceras därefter för att bilda antennens andra halva.

I en föredragen utföringsform av uppfinningen är det nödvändigt att rotera matarna och antenngruppen 90° för att ett förenklat matningssystem skall kunna användas samtidigt som frekvenskompensering och övervatten-korrigering bibehâlles. Éör att övervatten-korrigering skall erhållas är det nödvändigt att förhållandet mellan matningsporten och den lu- tande fördelningen bibehålles. Fig. 5 illustrerar detta förhål- lande. 458 570 6 10 15 20 25 30 35 Ur denna figur framgår att energi som från någon av portarna går ut i antennen alstrar en lutande stråle så att alternerande strålpar har samma lutning, dvs strålparet l, 2 och strålparet 3, 4.

På grund av antennens natur ser varje matare båda lut- ningsfördelningarna. När t ex den vänstra mataren matas från port l alstrar den en lutande fördelning över sin första halva och den motsatta eller omvända lutningen över sin andra halva.

Om lika mycket effekt utstrålades från varje halva av mataren skulle ingen övervatten-korrigering erhållas. Genom att varie- ra lutningsvinkeln i syfte att överkompensera den första halvan av mataren och genom att arrangera amplituden så, att en avsevärd mängd energi utstrålas från samma halva är det möjligt att optimera antennen för största möjliga förstärkning och minsta möjliga övervatten-skift.

Tidigare mikroband-antenner utnyttjade en sammansatt strâle, frekvenskompenseringssystem, i vilken varje stråle var bildad av två strålar, vilka rörde sig i motsatta rikt- ningar för ett givet frekvensskift. Trots att man med denna teknik erhöll utmärkt frekvenskompensering erfordrades en syn- nerligen komplex gruppantenn och ett synnerligen komplicerat matningssystem. I antennen enligt föreliggande uppfinning utnyttjas en förenklad strålpar-kompensering. Temperatureffek- ter är fysiska ändringar, vilka påverkar antennelementens struktur på samma sätt som frekvensändringar och komer därför att kompenseras på samma sätt som frekvensen kompenseras.

Såsom omnämnts ovan alstrar matarna “gamma"-strålar.

Matarna går parallellt med_antennens längdaxel. Den ena mataren strålar framåt och den andra bakåt. En matarport matas i en bestämd tidpunkt och alstrar en enda stråle.

Varje matare, vare sig den strålar framåt eller bakåt, kan representeras av en ekvivalent krets som består av en serie effektkopplare, vilka matar varje antenngrupp (fig. 6) och vilka ligger på avståndet "d" från varandra. Fackmannen inser att man måste beräkna den elektriska längden som erford- ras för att alstra antingen den framåtriktade eller bakåtrik- tade strâlen med den önskade riktningsvinkeln. Fysikaliskt sett åstadkommas detta genom inpassning av en sinusformad matarled- 10 15 20 25 30 35 7 458 570 ning 12 (fig. 6) i det förutbestämda utrymmet.

Riktningsvinkeln definieras såsom: jcos9={:+\1:â--ma- där Ä är våglängden i den fria rymden E,är den effektiva dielektricitetskonstanten för mikroband- substratet m är ett heltal.

I detta fall är m = l strålen av den första ordningen.

En ändring i frekvens medför att de framåt- och bakåt- strålande strålarna skiftar, räknat med avseende på normalen till antennen, i motsatta riktningar. Eftersom ett antenn- system bildar medelvärdet av den "gamma"-relaterade dopplerin- formationen från alla fyra strålar erhålles frekvenskompense- ring när par av strålar rör sig i motsatta riktningar för en bestämd frekvensändring.

Den faktiska frekvenskompenseringen illustreras i fig. 7, som visar att för t ex ökande frekvens skiftar gamma för strålarna l och 3 bort från normalen medan strålarna 2 och 4 skiftar mot normalen. Om skiftningen av strålarna var linjär med frekvensen skulle antennen vara fullständigt kompenserad.

Emellertid ändrar sig den bakâtstrålande antenngruppens strål- skiftning på ett sätt som är något annorlunda än strålskift- ningen för den framåtstrålande antenngruppen. Denna skillnad är mindre än 0,00025° per ändring i MHz av arbetsfrekvensen, vilket är försumbart.

Fig. 8 är en lutande X-axel~amplitudfördelning av det slag som skulle erhållas då en datorutskrift skulle göras för en typisk antenn i enlighet med föreliggande uppfinning baserad på typiska, erfordrade strålvidder och riktningsvinklar. Den visade fördelningen är på en lutande axel, som genom användning av ett datorprogram skulle kunna omvandlas till den önskade rektangulära aperturen. Emellertid utgör själva datoraspekten inte någon del av den föreliggande uppfinningen.

Fig. 9 är en likartad-datorutskrift visande en lutande Y-axel-amplitudfördelning.

Antennkonstruktionen enligt föreliggande uppfinning v 458 570 - 8 10 15 20 25 30 35 visas i fig. 14, där en bakâtstrålande matare 12 visas ligga parallellt med en framåtstrålande matare 14. I en föredragen utföringsform av uppfinningen är 36 antenngrupper anslutna mellan matarna 12 och 14. Antenngrupperna ligger i allmänhet på avståndet 9,53 mm från varandra utmed matarna. Fig. 13 visar det övre högra hörnet av antennen i närmare detalj. En elekt- riskt ledande del, som till sin natur är en transformator 16, är vid sin ena ände ansluten till en intilliggande matare (14) och är vid sin motsatta ände-ansluten till ett intilliggande antennelement. Gruppantennens antennelement markeras med hän- visningssiffran 20. Varje antenngrupp har 26 antennelement, vilka typiskt ligger på ll,2 mm avstånd från varandra. Dessa avstånd har valts för att minsta möjliga alstring av strålar av den andra ordningen skall erhållas. Antennelementen är åtskilda från varandra medelst en faslänk 18 som förbinder antennelemen- ten med varandra. En ingångsplätt 30 erbjuder en punkt för in- föring av energi till mataren 14 medan en elektriskt ledande anpassnings-stub 32 sträcker sig ut ett kort stycke från in- gångsplätten 30.

Fig. 14 visar hela antennstrukturen där de tillkommande ingångsplättarna markeras med hänvisningssiffrorna 26, 22 resp. 34 medan motsvarande anpassnings-stub-enheter markeras med hänvisníngssiffrorna 28, 24 resp. 36.

Transformatorn 16 tjänstgör såsom en impedansomvandlare och uppvisar på förhand bestämda impedansnivåer vid matarens avtappningsställen för de olika antenngrupperna. Det är nödvän- digt att ha ett visst kopplingsvärde till varje antenngrupp för att erhålla ett bestämt antennmönster. De konstruktions- kriterier som bestämmer den erfordrade impedansen är välkända för fackmannen.

Vid gruppantennens drift kommer den vid en enskild in- gångsplätt (ingångsport) föreliggande energin att utbreda sig utmed en motsvarande matare och efterhand som energin gör detta kommer varje antenngrupp att avtappa en del av denna energi så att den breder ut sig utmed antenngruppen. Genom att_ förse varje ingângsplätt (ingångsport) med energi medför detta att en motsvarande strâle alstras. Energiomkoppling åstadkommas med hjälp av en konventionell, ej visad mikrovâgomkopplare. 10 15 20 9 ' 458 570 När den reflekterade signalen återvänder lagrar ett till antennen i fig. 14 anslutet, icke visat lagringssystem dopplerinformationenrelativt gammariktningen individuellt för varje stråle. Därefter bildas ett medelvärde för de fyra strå- larna med hjälp av konventionella organ. Systemet uppdaterar kontinuerligt detta tillstånd med strålalstring och medelvär- desbildning.

Fig. 10 är en datorutskrift av en typisk antenns matnings- och kopplingskoefficienter för full apertur. De angivna värdena tagna tillsammans med de värden som gäller för det speciella substratet kan fackmannen utnyttja för att framställa det slutliga utseendet av mikroband-antennen. I fig. 10 är de olika mataravtappningarna numrerade med l - 36 i motsvarighet till motsvarande antenngrupper medan Y-koordinaten för varje matare anges i tum. Kopplings- och strâlningskoefficienterna anges för varje antennelement i varje antenngrupp.

Datamönstren för huvudplanens skärningar visas i fig. ll ~ och 12, varvid fig. ll visar fjärrfältmönstret i huvud-gamma- planet och fig. l2 visar fjärrfältmönstret i huvud-sigmaplanet.

Båda mönstren i fig. ll och 12 är baserade på de i fig. 10 visade kopplings- och strålningskoefficienterna.

Den ovan beskrivna utföringsformen av uppfinningen kan på många sätt modifieras och varieras inom ramen för uppfin- ningens grundtanke.

Claims (6)

458 10 15 20 25 30 570 l 0 PATENTK RAV

1. Mikroband-antenn med gamma-matare för dopplernavigeringssystem, innefattande ett framâtstrålande matarorgan (14) med första och andra ändar, ett bakâtstrålande matarorgan (12) anordnat parallellt med det framåtstrålande matarorganet, ett flertal parallella antenngrupper kopplade på tvären mellan matarorganen (12, lll) och organ (22, 26, 30, 34) anslutna till matarorganens ändar för bildning av fyra ingângsportar till antennen, varvid antennen uppvisar en längdaxel utmed vilken den är avsedd att framföras, k ä n n e t e c k n a d av att varje antenngrupp innefattar dels ett första impedanstransformatororgan (16) som med sin ena ände är anslutet till det framátstrâlande matarorganet (lll), dels i serie med varandra kopplade antenn- element (20) av på förhand valda s torlekar och vid en ena ände anslutna till impedanstransformatororganets (16) andra ände, dels ett andra impedanstrans- formatororgan (16) som med sin ena ände är anslutet till det bakåtstrâlande matarorganet (12) och som vid sin andra ände är anslutet till de i serie med varandra kopplade antennelementen (20) och dels länkorgan (18) som är kopplade mellan antennelementen (20) för att upprätta en på förhand vald antenngrupps- fas, och varvid de båda matarorganen (12, 14) är förlagda parallella med antennens längdaxel.

2. Mikroband-antenn enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att antennelementen (20) har motsvarande strálnings- koefficienter och att förbindelserna mellan strâlningselementen och m nen (12, längdaxeln atarorga- lll) är så injusterade att amplitudfunktionen av antennen utmed är en stympning av amplitudfunktionen för en läng lutande gruppantenn i och för erhållande av övervatten-kompensering.

3. Mikroband-antenn enligt krav 2, - k ä n n e t e c k n a d av att varje ingångsport (22, 26, 30, 34) innefattar en elektriskt ledande ingångsplätt med en till denna ansluten anpassningsstub.

4. Mikroband-antenn enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att båda matarorganen (12 och lll) är i huvudsak sinusformade.

5. Mikroband-antenn enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att varje ingângsport (22, 26, 30, 31+) innefattar en elektriskt ledande ingångsplätt med en till denna ansluten anpassningsstub (241, 458 570 ll 28, 32, 36), varvid excitering vid varje ingângsport medför bildning av en motsvarande strâle.

6. Sätt att åstadkomma frekvens-/temperatur-kompensering för en mikro- band-antenn med gamma-matare i enlighet med patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av alstring av fyra separata strålar såsom gensvar på excitering, i sekvens, av fyra motsvarande antenningångsportar (22, 26, 30, 31+), sampling Och lagring av den återvändande signalen vid varje ingångsport samt bildning av medelvärdet av de till ingângsportarna återvändande signalerna.