WO1999031758A1 - Antennenspeiseanordnung - Google Patents

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WO1999031758A1
WO1999031758A1 PCT/IB1998/002064 IB9802064W WO9931758A1 WO 1999031758 A1 WO1999031758 A1 WO 1999031758A1 IB 9802064 W IB9802064 W IB 9802064W WO 9931758 A1 WO9931758 A1 WO 9931758A1
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WO
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matrix
frequency
phase
matrices
pale
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PCT/IB1998/002064
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Inventor
Gerhard Greving
Rüdiger Zeitz
Harald Muller
Original Assignee
Sel Verteidigungssysteme Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters

Definitions

  • the invention relates to an antenna feed arrangement for an antenna with a plurality of radiators, which are each arranged in rows and columns, according to the preamble of claim 1.
  • a matrix is provided for each row of radiator elements, which causes the production of a single main lobe.
  • matrix type namely either only Butler matrices or only pale matrices.
  • the arrangement according to the invention is intended to produce a large number of lobes which simultaneously illuminate a spatial area. For this purpose, it could be considered to connect a butler matrix for generating clubs in the azimuth direction in series with another butler matrix for generating clubs in the elevation direction.
  • Butler matrices have constant and equal amplitudes and a frequency-independent phase gradient at their outputs.
  • the sub-zip field attenuation of the radiation diagrams of a planar antenna group is only approximately 13 dB.
  • Higher sub-zip attenuations can only be achieved through additional networks or additional attenuations (i.e. specially provided attenuations).
  • a further property which is disadvantageous depending on the application is the fact that the directions of the main lobes depend on the electrical distance
  • phase gradients are the phase differences between connections for adjacent radiators.
  • Matrix networks with frequency-independent phase gradients are known in the form of Butler matrices and are therefore only referred to as such below for the sake of simpler formulation.
  • Matrix networks with frequency-dependent phase gradients by means of which frequency-independent lobe directions can be generated, are known in the form of pale matrices and are therefore only referred to as such below for the sake of simpler formulation.
  • Pale matrices are also known as Maxson matrices.
  • Pale matrices have serial feed lines e.g. B. with directional couplers.
  • pale matrices are constructed on the principle of delay lines with freely selectable directional couplers, lobes with any frequency-independent lobe direction and any side lobe damping can be set. It is therefore possible, for example, to use a planar group radiator positioned at an angle alpha frequency-independent elevations are generated.
  • Pale matrices are more complex networks than Butler matrices and have greater losses because, in contrast to Butler matrices, they are generally not orthogonal networks. According to the invention, pale matrices are therefore combined with butler matrices.
  • the sequence of the matrices is preferably chosen so that (during transmission) the Butler matrices are fed by pale matrices.
  • the pale matrices are advantageously dimensioned such that with the planar group radiator positioned at an angle, several sector-shaped transmission lobes are defined
  • Elevation directions above the horizon and a narrow club near the horizon are generated.
  • the Butler matrices are used in series with a pale matrix, there is still an undesired swiveling of the lobe direction in the elevation as a function of the frequency.
  • the club direction is determined as the intersection of two cone shells.
  • the cone shell determined by the pale matrix is frequency-independent and has a cone axis in the radiating aperture (that is to say the area formed by the radiators) in the direction from top to bottom.
  • the cone surface determined by the Butler matrices is frequency-dependent and has a cone axis in the aperture in the horizontal direction.
  • a pale matrix is a serial feed line on which two couplers in one Are spaced from each other.
  • the output lines of the couplers are dimensioned so that the delay network required for a swivel angle results.
  • this network changes the phases of the output signals so that the direction of the lobes remains constant when a group radiator is activated.
  • the phase gradient at the outputs can be influenced in such a way that a defined vlevation change of the lobes which counteracts the pivoting in the elevation by the Butler matrices can be achieved.
  • phase elements which have frequency-independent phase shifters are dimensioned in such a way that at a predetermined frequency, preferably at center frequency, within a predetermined frequency range in which the arrangement which is caused by the phase shifters should operate
  • Phase shift is compensated; depending on the construction of the phase elements, the compensation may be effected by cables of suitable length. At the other frequencies, the phase existing through the phase elements is not compensated, since the compensation cable and the frequency-independent phase shifter behave differently over the frequency. Accordingly, a different phase gradient is created than in a network without phase elements and, accordingly, a different lobe direction.
  • the combination of pale matrices with built-in phase elements and butler matrices thus generates frequency-independent lobe directions in the elevation of the planar group radiator.
  • the invention also includes an antenna system with an antenna and an antenna feed arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an antenna feed arrangement according to the invention with 16 butler matrices and 6 pale matrices, which is intended for an antenna with 16 x 8 vertically polarized dipoles,
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the connection of the Butler matrices from FIG. 1 to the radiators of the antenna
  • FIG. 5 shows a detail of a second exemplary embodiment of an antenna feed arrangement according to the invention, in which frequency compensation is carried out in the area of the pale matrices by means of phase elements connected in the output lines,
  • FIG. 6 shows a detail of a third exemplary embodiment of an antenna feed arrangement according to the invention, in which the frequency compensation is carried out by phase elements which are connected between the coupler of an input line of a pale matrix.
  • the rectangular antenna 30 to be fed (see FIG. 2) has 16 horizontal rows of eight vertical dipoles 32 each, symbolized in the drawing by short dashes.
  • the lines run horizontally, the columns upright with an inclination that deviates from the vertical, because the angle of attack alpha is less than 90 ° with respect to the horizontal plane; in the example it is 45 °.
  • the terms "feed” and “fed” refer to a transmit mode, but are used unchanged in receive mode. Accordingly, the matrices closest to a transmitting and / and receiving circuit are always designated such that they are fed by said circuit, even if the said matrices deliver signals to the receiving circuit in reception mode which are received by an antenna.
  • lobes main lobes
  • the centers of which are arranged on an illuminated surface in four rows approximately in the azimuth direction and in six columns approximately in the direction of elevation, the two outermost columns each having only two lobes and the remaining columns each have four clubs.
  • Each row of dipoles 32 is assigned one of 16 Butler matrices 1 to 16. Namely, the bottom row, which is referred to as row 1, is assigned the Butler matrix 1, etc. up to row 16, to which the Butler matrix 16 is assigned. In Fig. 1 only the Butler matrices 1 to 3 and 16 are shown, in Fig. 2 only the Butler matrices 1 and 16. Each Butler matrix has eight outputs, each of which is connected to exactly one dipole 32 of the relevant row is. Each butler matrix 1 to 16 has eight circuit inputs, only six of which are connected as signal inputs and are shown in FIG. 1. All Butler matrices 1 through 16 are the same.
  • Each pale matrix 21 to 26 has 16 outputs.
  • the first output of the pale matrix 21 is connected to the first input of the Butler matrix 1.
  • the second output of the pale matrix 21 is connected to the first input of the butler matrix 2, etc. up to the output number 16 of the pale matrix 21, which is connected to the input number 1 of the butler matrix 16.
  • the first output of the pale matrix 22 is connected to the second input of the butler matrix 1, and the second output of the pale matrix 22 is connected to the second input of the butler matrix 2, etc.
  • the first output is the pale -Matrix 26 is connected to input number 6 of Butler matrix 1, and output number 16 of Pale matrix 26 is connected to input number 6 of Butler matrix 16.
  • the number of inputs of each pale matrix corresponds to the number of clubs whose elevation is to be determined by the pale matrix.
  • the two outermost pale matrices 21 and 26 each have two inputs, and the other pale matrices 22 to 25 each have four inputs.
  • the pale matrices 21 and 26 are the same.
  • the pale matrices 22 and 23 are different from one another, but in accordance with the directional diagram of the antenna 30 which is symmetrical to the central plane by the directional diagram in the direction of elevation, the pale matrices 22 and 25 are the same and the pale matrices 23 and 24 are the same.
  • the Butler matrix 1 shown in FIG. 3 has eight outputs ( above, labeled with the emitter numbers or dipole numbers to which they are connected) and eight inputs (below). Only six of the inputs are used for signals in transmit mode and in receive mode and are referred to as inputs for lobes 1 to 6 (counted in the azimuth direction). The two remaining circuit inputs are terminated with resistors, which are shown as small triangles.
  • the matrix is constructed using hybrids (rectangular symbols), in the example 90-degree hybrids, and fixed phase shifters (round symbols). Phase shifters with a phase shift of -45 degrees, -22.5 degrees and -67.5 degrees are used. The details of the circuit can be found in the drawing.
  • Fig. 4 shows the pale matrix 22 used in the example with four inputs.
  • Fig. 4 has no special features compared to known pale matrices.
  • Each input line ( denoted by the club Kl to K4 to be generated ) is coupled to each output line 1 to 16 by a coupler 40.
  • the couplers are not all the same.
  • the coupler 40-4-1 between the input line for the lobe 4 and the output line for the radiator 1 passes part of the RF energy supplied to it to the further couplers of the same input line and couples part of the energy to the output line 1.
  • the other couplers connected to output line 1 should only transmit this energy to output line 1. In practice, however, this is not the case, which is why the complete calculation of a pale matrix is complex.
  • the pale matrix of FIG. 4 is dimensioned such that at Center frequency, the amplitude assignments and phase gradients required for the lobes (directions and side lobe attenuation) occur at the outputs.
  • those lobes which is the largest horizontal deviation from the mid-perpendicular to the plane of the antenna assembly (swivel), have their direction change particularly strong in frequency changes. If the above-mentioned frequency is the center frequency of the frequency range of interest, then at the upper and the lower limit frequency at least some lobes, especially the outer lobes of the bottom row, deviate from the desired direction and in particular from the desired elevation. The elevation of the lowest lobes can be important for the suppression of disturbances from areas close to the horizon.
  • phase elements 44 which are dimensioned such that the desired effect is achieved, are switched into the output lines of the pale matrix.
  • the phase terms are not all the same because they have to generate phase shifts in the range from 0 degrees to 360 degrees.
  • Such an arrangement can be easily implemented retrospectively because of the structure the pale matrix need not be intervened.
  • phase elements 46 are connected between adjacent couplers of at least one input line of the pale matrix, in the example of the input line closest to the output lines, which are dimensioned such that the desired effect is achieved.
  • the phase elements are all the same, which simplifies production. If phase elements are present in several input lines, the phase elements of each individual input line are the same. The phase elements of different input lines can be different.
  • phase elements are designed such that they do not cause a phase shift at the center frequency. This can be achieved with any phase shifter by means of a line piece connected in series with it. If the arrangement permits, an existing line section can also be shortened to compensate for the phase shift at a frequency. Such line sections can be present in pale matrices, because in these lines are essential components.
  • phase shifter according to Wilds (MICROWAVES, December 1979, pages 67 to 68) for the phase elements. It has four line sections, two of which are connected in series. Two further line sections are connected at the connection point. The phase shift caused by the four line sections is frequency-dependent. Another line section is provided for broadband compensation of the frequency dependence. In a large frequency range (frequency ratio about 1: 2) there are phase shifts in the range between 15 degrees and 135 Degrees feasible.
  • the line section of the phase shifter can be taken into account in the design of the feed arrangement by suitably changing the length of lines of the pale matrix compared to the known pale matrix.
  • phase shifters with different phase shifts, which are, however, compensated for at a specific frequency, it is possible to create different phase elements which cause different phase shifts in the case of a specific deviation from the mentioned frequency.
  • the elevation of the main lobes generated simultaneously by the arrangement according to FIG. 1 in connection with the antenna of FIG -Matrices brought to about the same value, which is particularly important for the bottom row of the main lobes.
  • the antenna arrangement is operated in a broadband manner with pale matrices without phase elements and is fed in such a way that the main lobe located at the bottom left in the directional diagram is generated with an approximately 11% higher frequency than the center frequency and the lower right main lobe with an approximately 11% lower frequency, whereby the frequency changes linearly in the area in between, it can be seen that especially the outermost lobes deviate greatly from the elevation value assumed at the center frequency. The azimuth value is also changed, but this is less disturbing in the special application.
  • FIGS. 5 and 6 further compensation by phase elements sufficiently prevents the undesired displacement of the main lobes in the event of a deviation from the center frequency.
  • An antenna feed arrangement with butler matrices and pale matrices connected in series is generally also suitable for circular array antennas.
  • the Butler matrices generate rotating fields (phase modes) of the antenna, the superimposition of which, with a suitable phase position, produces a fixed, if necessary also rotating antenna pattern.
  • the pale matrices generate vertical diagrams according to the number of inputs.
  • matrix networks with essentially the same amplitudes and with same, frequency-independent phase gradients of the output signals e.g. Butler matrix
  • matrix networks with unequal amplitudes if necessary and the same but frequency-dependent phase gradients of the output signals e.g. pale matrix
  • the same matrix type for all lines namely either e.g. Butler or Pale
  • the matrices 1 to 16 matrices 21 to 26 of the respective other type (for example, pale or butler) provided for feeding the rows are provided in such a way that a plurality of radiation lobes spatially radiating or receiving in different selectable directions can be generated at the same time is.
  • Clubs can be set with any frequency-independent club direction and any side lobe damping.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Eine Antennenspeiseanordnung für eine Antenne mit einer Mehrzahl von Strahlern, die jeweils in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei die Strahler jeweils einer Zeile über eine Speisematrix (1 bis 16), ausgewählt aus zwei Matrixarten, nämlich einerseits aus Matrixnetzwerken mit im wesentlichen gleichen Amplituden und mit gleichen, frequenzunabhängigen Phasengradienten der Ausgangssignale (z.B. Butler-Matrix), und andererseits aus Matrixnetzwerken mit bedarfsweise ungleichen Amplituden und gleichen, aber frequenzabhängigen Phasengradienten der Ausgangssignale (z.B. Blass-Matrix), gespeist werden und für alle Zeilen dieselbe Matrixart (nämlich entweder z.B. Butler oder Blass) vorgesehen ist, wird beschrieben. Erfindungsgemäß sind zum Speisen der für die Speisung der Zeilen vorgesehenen Matrizen (1 bis 16) Matrizen (21 bis 26) der jeweils anderen genannten Art (z.B. Blass bzw. Butler) vorgesehen, derart, daß gleichzeitig eine Mehrzahl von räumlich in unterschiedlichen wählbaren Richtungen strahlenden oder empfangenden Strahlungskeulen erzeugbar ist. Es können Keulen mit beliebiger frequenzunabhängiger Keulenrichtung und beliebiger Nebenkeulendämpfung eingestellt werden.

Description

Antennenepeiseanordnung
Die Erfindung betrifft eine Antennenspeiseanordnung für eine Antenne mit einer Mehrzahl von Strahlern, die jeweils in Zeilen und Spalten angeordnet sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei bekannten derartigen Anordnungen mit planar angeordneten Strahlern, wie sie aus DE 2924141 AI bekannt sind, ist für jede Zeile von Strahlerelementen eine Matrix vorgesehen, die die Erzeugung einer einzigen Hauptkeule bewirkt. Insgesamt sind nur Matrizen einer einzigen Art (Matrixart) , nämlich entweder nur Butler-Matrizen oder nur Blass-Matrizen, vorgesehen. Zeitlich nacheinander können eine Vielzahl von solchen Keulen erzeugt werden. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung soll eine Vielzahl von Keulen, die einen Raumbereich gleichzeitig ausleuchten, erzeugt werden. Hierzu könnte daran gedacht werden, einer Butler-Matrix zur Erzeugung von Keulen in Azimutrichtung eine weitere Butler-Matrix zur Erzeugung von Keulen in Elevationsrichtung in Serie zu schalten. Butler-Matrizen weisen jedoch an ihren Ausgängen konstante und gleiche Amplituden und einen frequenzunabhängigen Phasengradienten auf. Dies hat zur Folge, daß die Nebenzipfeldämpfung der Strahlungsdiagramme einer planaren Antennengruppe nur etwa bei 13 dB liegt. Höhere Nebenzipfeldämpfungen lassen sich nur durch zusätzliche Netzwerke oder Zusatzdämpfungen (das heißt speziell vorgesehene Dämpfungen) erreichen. Infolge des frequenzunabhängigen Phasengradienten ist eine weitere, je nach Anwendung nachteilige Eigenschaft die Tatsache, daß die Richtungen der Hauptkeulen vom elektrischen Abstand
BES IGUNGSKOPIE d/lambda der Einzelstrahler abhängen und daher frequenzabhängig sind (d = räumlicher Abstand) .
Demgegenüber ist bei der Erfindung vorgesehen, daß zum Speisen der für die Speisung der Zeilen vorgesehenen Matrizen Matrizen der jeweils anderen genannten Art (mit frequenzabhängigen Phasengradienten [Blass] bzw. mit frequenzunabhängigen Phasengradienten [Butler] ) vorgesehen sind, derart, daß gleichzeitig eine Mehrzahl von räumlich in unterschiedlichen wählbaren Richtungen strahlenden oder empfangenden Strahlungskeulen erzeugbar is . Die Phasengradienten sind bekanntlich die Phasendifferenzen zwischen Anschlüssen für benachbarte Strahler.
Matrix-Netzwerke mit frequenzunabhängigen Phasengradienten (und mit im wesentlichen gleichen Amplituden) sind in Form von Butler-Matrizen bekannt und werden daher zwecks einfacherer Formulierung nachfolgend nur noch als solche bezeichnet.
Matrix-Netzwerke mit frequenzabhängigen Phasengradienten, wodurch frequenzunabhängige Keulenrichtungen erzeugbar sind, sind in Form von Blass-Matrizen bekannt und werden daher zwecks einfacherer Formulierung nachfolgend nur noch als solche bezeichnet. Blass-Matrizen sind auch unter dem Namen Maxson-Matrizen bekannt. Blass-Matrizen weisen serielle Speiseleitungen z. B. mit Richtkopplern auf.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, daß deswegen, weil Blass-Matrizen nach dem Prinzip der Verzögerungsleitungen mit frei wählbaren Richtkopplern aufgebaut sind, Keulen mit beliebiger frequenzunabhängiger Keulenrichtung und beliebiger Nebenkeulendämpfung eingestellt werden können. Es können daher zum Beispiel mit einem um einen Winkel alpha angestellten planaren Gruppenstrahler Keulen mit frequenzunabhängiger Elevatiσn erzeugt werden. Blass-Matrizen sind jedoch gegenüber Butler-Matrizen aufwendigere Netzwerke und besitzen größere Verluste, da sie im Gegensatz zu Butler-Matrizen in der Regel keine orthogonalen Netzwerke sind. Erfindungsgemäß werden daher Blass-Matrizen mit Butler-Matrizen kombiniert.
Bevorzugt ist die Reihenfolge der Matrizen so gewählt, daß (bei Sendebetrieb) die Butler-Matrizen von Blass-Matrizen gespeist werden. Die Blass-Matrizen werden vorteilhaft so dimensioniert, daß mit dem planaren, unter einem Winkel angestellten Gruppenstrahler mehrere sektorförmige Sendekeulen bei definierten
Elevationsrichtungen oberhalb des Horizonts und eine schmale Keule nahe dem Horizont erzeugt werden.
Bei Verwendung der Butler-Matrizen in Serie mit einer Blass-Matrix tritt noch ein unerwünschtes Schwenken der Keulenrichtung in der Elevation als Funktion der Frequenz auf. Eine Erklärung hierfür ist, daß die Keulenrichtung als Schnittlinie von zwei Kegelmänteln bestimmt wird. Der durch die Blass-Matrix bestimmte Kegelmantel ist frequenzunabhängig und besitzt eine Kegelachse in der strahlenden Apertur (das heißt der durch die Strahler gebildeten Fläche) in Richtung von oben nach unten. Der durch die Butler-Matrizen bestimmte Kegelmantel ist frequenzabhängig und hat eine Kegelachse in der Apertur in horizontaler Richtung.
Diesem unerwünschten, durch die Verwendung von Butler-Matrizen verursachten Schwenken in der Elevationsrichtung kann durch eine erfindungsgemäße Modifikation der Blass-Matrizen entgegengewirkt werden. Im einfachsten Fall handelt es sich bei einer Blass-Matrix um eine serielle Speiseleitung, auf der zwei Kcppler in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Ausgangsleitungen der Koppler sind hierbei so dimensioniert, daß sich das für einen Schwenkwinkel erforderliche Verzögerungsnetzwerk ergibt . Bei Änderung der Frequenz ändert dieses Netzwerk die Phasen der Ausgangssignale gerade so, daß bei Ansteuerung eines Gruppenstrahlers die Keulenrichtung konstant bleibt . Durch Einführung von frequenzunabhängigen Phasenschiebern an den Ausgängen der Koppler oder zwischen den Kopplern kann der Phasengradient an den Ausgängen so beeinflußt werden, daß eine definierte dem Schwenken in der Elevation durch die Butler-Matrizen entgegenwirkende Ξlevationsänderung der Keulen erzielt werden kann.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind Phasenglieder, die frequenzunabhängige Phasenschieber aufweisen, derart bemessen, daß bei einer vorgegebenen Frequenz, vorzugsweise bei Mittenfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs, in dem die Anordnung arbeiten soll, die von den Phasenschiebern bewirkte
Phasenverschiebung kompensiert ist; die Kompensation mag in Abhängigkeit von der Konstruktion der Phasenglieder durch Kabel geeigneter Länge bewirkt sein. Bei den anderen Frequenzen ist die durch die Phasenglieder bestehende Phase nicht kompensiert, da das Kompensat onskabel und der frequenzunabhängige Phasenschieber sich über der Frequenz unterschiedlich verhalten. Entsprechend entsteht ein anderer Phasengradient als bei einem Netzwerk ohne Phasenglieder und entsprechend eine andere Keulenrichtung. Die Kombination von Blass-Matrizen mit eingebauten Phasengliedern und Butler-Matrizen erzeugt somit frequenzunabhängige Keulenrichtungen in der Elevation des planaren angestellten Gruppenstrahlers .
Zur Erfindung gehört auch eine Antennenanlage mit einer Antenne und einer εrfindungsgemäßen Antennenspeiseanordnung . Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antennenspeiseanordnung mit 16 Butler-Matrizen und 6 Blass-Matrizen, die für eine Antenne mit 16 x 8 vertikal polarisierten Dipolen bestimmt ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verbindung der Butler-Matrizen von Fig. 1 mit den Strahlern der Antenne,
Fig. 3 eine Butler-Matrix mit 8 Eingängen und 8 Ausgängen,
Fig. 4 eine Blass-Matrix mit 4 Eingängen und 16 Ausgängen,
Fig. 5 eine Einzelheit eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antennenspeiseanordnung, bei der eine Frequenzkompensation im Bereich der Blass-Matrizen mittels in die Ausgangsleitungen geschalteter Phasenglieder vorgenommen wird,
Fig. 6 eine Einzelheit eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antennenspeiseanordnung, bei dem die Frequenzkompensation durch Phasenglieder vorgenommen wird, die zwischen Koppler einer Eingangsleitung einer Blass-Matrix eingeschaltet sind. In allen Ausfuhrungsbeispielen hat die rechteckige zu speisende Antenne 30 (siehe Fig. 2) 16 waagerechte Zeilen von jeweils acht vertikalen Dipolen 32, in der Zeichnung durch kurze Striche symbolisiert. Die Zeilen verlaufen im Beispiel waagerecht, die Spalten aufrecht mit einer von der Vertikalen abweichenden Neigung, weil der Anstellwinkel alpha gegenüber der Horizontalebene kleiner als 90° ist; im Beispiel ist er 45°.
Wie allgemein üblich, beziehen sich die Ausdrücke "speisen" und "gespeist" auf einen Sendebetrieb, werden aber bei Empfangsbetrieb unverändert verwendet. Demzufolge werden die einer Sende- und/und Empfangsschaltung nächstliegenden Matrizen immer so bezeichnet, daß sie von der genannten Schaltung gespeist sind, selbst wenn die genannten Matrizen im Empfangsbetrieb an die EmpfangsSchaltung Signale liefern, die von einer Antenne empfangen werden.
Mit der Antennenanordnung und der erfindungsgemäßen Speiseanordnung werden im Beispiel 20 Keulen (Hauptkeulen) erzeugt, deren Zentren auf einer ausgeleuchteten Fläche in vier etwa in Azimutrichtung verlaufenden Reihen und in sechs etwa in Elevationsrichtung verlaufenden Spalten angeordnet sind, wobei die beiden äußersten Spalten nur jeweils zwei Keulen und die übrigen Spalten je vier Keulen aufweisen.
Jeder Zeile von Dipolen 32 ist eine von 16 Butler-Matrizen 1 bis 16 zugeordnet. Und zwar ist der untersten Zeile, die als Zeile 1 bezeichnet wird, die Butler-Matrix 1 zugeordnet, usw. bis zur Zeile 16, der die Butler-Matrix 16 zugeordnet ist. In Fig. 1 sind nur die Butler-Matrizen 1 bis 3 und 16 gezeigt, in Fig. 2 nur die Butler-Matrizen 1 und 16. Jede Butler-Matrix hat acht Ausgänge, von denen jeder mit genau einem Dipol 32 der betreffenden Zeile verbunden ist. Jede Butler-Matrix 1 bis 16 hat acht Schaltungseingänge, von denen nur sechs als Signaleingänge geschaltet sind und in Fig. 1 gezeigt sind. Alle Butler-Matrizen 1 bis 16 sind gleich.
Zwischen den Butler-Matrizen 1 bis 16 und einer nicht gezeigten Sender-/Empfänger-Anordnung sind sechs Blass-Matrizen 21 bis 26 eingeschaltet. Diese sind in Fig. 1 auch mit Blass 1 bis Blass 6 bezeichnet. Jede Blass-Matrix 21 bis 26 hat 16 Ausgänge. Der erste Ausgang der Blass-Matrix 21 ist mit dem ersten Eingang der Butler-Matrix 1 verbunden. Der zweite Ausgang der Blass-Matrix 21 ist mit dem ersten Eingang der Butler-Matrix 2 verbunden, usw. bis zum Ausgang Nummer 16 der Blass-Matrix 21, der mit dem Eingang Nummer 1 der Butler-Matrix 16 verbunden ist. Der erste Ausgang der Blass-Matrix 22 ist mit dem zweiten Eingang der Butler-Matrix 1 verbunden, und der zweite Ausgang der Blass-Matrix 22 ist mit dem zweiten Eingang der Butler-Matrix 2 verbunden, usw. Schließlich ist der erste Ausgang der Blass-Matrix 26 mit dem Eingang Nummer 6 der Butler-Matrix 1 verbunden, und der Ausgang Nummer 16 der Blass-Matrix 26 ist mit dem Eingang Nummer 6 der Butler-Matrix 16 verbunden.
Die Anzahl der Eingänge jeder Blass-Matrix entspricht der Anzahl von Keulen, deren Elevation durch die Blass-Matrix bestimmt werden soll. Demzufolge weisen die beiden äußersten Blass-Matrizen 21 und 26 je zwei Eingänge auf, und die anderen Blass-Matrizen 22 bis 25 je vier Eingänge. Die Blass-Matrizen 21 und 26 sind gleich.
Die Blass-Matrizen 22 und 23 sind voneinander verschieden, aber entsprechend dem zur Mittelebene durch das Richtdiagramm in Elevationsrichtung symmetrischen Richtdiagramm der Antenne 30 sind die Blass-Matrizen 22 und 25 gleich, und die Blass-Matrizen 23 und 24 sind gleich. Die in Fig. 3 gezeigte Butler-Matrix 1 weist acht Ausgänge (oben, mit den Strahler-Nummern oder Dipol -Nummern bezeichnet, mit denen sie verbunden sind) und acht Eingänge auf (unten) . Von den Eingängen sind nur sechs für Signale im Sendebetrieb und im Empfangsbetrieb benutzt und als Eingänge für die Keulen 1 bis 6 (in Azimutrichtung gezählt) bezeichnet. Die beiden restlichen Schaltungseingänge sind mit Widerständen abgeschlossen, die als kleine Dreiecke darstellt sind. Wie bei Butler-Matrizen üblich, ist die Matrix unter Verwendung von Hybrids (rechteckige Symbole) , im Beispiel von 90-Grad-Hybrids , und von festen Phasenschiebern (runde Symbole) aufgebaut. Es sind Phasenschieber mit einer Phasenverschiebung von -45 Grad, -22,5 Grad und -67,5 Grad verwendet. Die Einzelheiten der Schaltung können der Zeichnung entnommen werden.
Fig. 4 zeigt die im Beispiel verwendete Blass-Matrix 22 mit vier Eingängen. Fig. 4 weist keine gegenüber bekannten Blass-Matrizen vorhandene Besonderheiten auf. Jede Eingangsleitung (bezeichnet durch die zu erzeugende Keule Kl bis K4) ist mit jeder Ausgangsleitung 1 bis 16 durch einen Koppler 40 gekoppelt. Die Koppler sind nicht alle gleich. Der Koppler 40-4-1 zwischen der Eingangsleitung für die Keule 4 und der Ausgangsleitung für den Strahler 1 läßt einen Teil der ihm zugeführten HF-Energie zu den weiteren Kopplern der selben Eingangsleitung durch und koppelt einen Teil der Energie auf die Ausgangsleitung 1. Idealerweise sollten die weiteren mit der Ausgangsleitung 1 verbundenen Koppler diese Energie nur zur Ausgangsleitung 1 weiterleiten. Dies ist in der Praxis aber nicht der Fall, weshalb die vollständige Berechnung einer Blass-Matrix aufwendig ist.
Die Blass-Matrix der Fig. 4 ist derart bemessen, daß bei Mittenfrequenz die für die Keulen (Richtungen und Nebenkeulendämpfungen) erforderlichen Amplitudenbelegungen und Phasengradienten an den Ausgängen entstehen.
Es wird häufig gewünscht, eine solche Antennenanordnung nicht nur bei einer einzigen Frequenz zu betreiben, sondern die Antennenanordnung und die Speiseanordnung soll in der Lage sein, bei Bedarf mit unterschiedlichen Frequenzen zu arbeiten und auch unterschiedliche Frequenzen gleichzeitig zu verwenden.
Insbesondere diejenigen Keulen, 'die von der Mittelsenkrechten auf die Ebene der Antennenanordnung die größte horizontale Abweichung (Schwenkung) haben, verändern ihre Richtung bei Frequenzänderungen besonders stark. Wenn die oben genannte Frequenz die Mittenfrequenz des interessierenden Frequenzbereichs ist, so weichen daher bei der oberen und der unteren Grenzfrequenz zumindest einige Keulen, besonders die äußeren Keulen der untersten Reihe, von der gewünschten Richtung und insbesondere von der gewünschten Elevation ab. Die Elevation der untersten Keulen kann für die Unterdrückung von Störungen aus horizontnahen Bereichen wichtig sein.
Bei den nun beschriebenen Weiterbildungen der Erfindung kann diese requenzabhängige Richtungsabweichung kompensiert werden.
Bei der in Fig. 5 gezeigten ersten Weiterbildung sind in die Ausgangsleitungen der Blass-Matrix Phasenglieder 44 eingeschaltet, die so bemessen sind, daß die gewünschte Wirkung erzielt wird. Die Phasenglieder sind nicht alle gleich, denn sie müssen Phasenverschiebungen im Bereich von 0 Grad bis 360 Grad erzeugen. Eine derartige Anordnung läßt sich leicht nachträglich verwirklichen, weil in die Struktur der Blass-Matrix nicht eingegriffen werden muß.
Bei der in Fig. 6 gezeigten zweiten Weiterbildung sind zwischen benachbarte Koppler mindestens einer Eingangs1eitung der Blass-Matrix, im Beispiel der den Ausgangsleitungen nächsten Eingangsleitung, Phasenglieder 46 eingeschaltet, die so bemessen sind, daß die gewünschte Wirkung erzielt wird. Die Phasenglieder sind alle gleich, was die Herstellung vereinfacht. Wenn in mehreren Eingangsleitungen Phasenglieder vorhanden sind, so sind die Phasenglieder jeder einzelnen Eingangsleitung gleich. Die Phasenglieder unterschiedlicher Eingangsleitungen können unterschiedlich sein.
Die Phasenglieder sind derart ausgebildet, daß sie bei Mittenfrequenz keine Phasenverschiebung bewirken. Dies kann an sich mit jedem Phasenschieber durch ein in Serie mit ihm geschaltetes Leitungsstück erreicht werden. Wenn es die Anordnung erlaubt, kann auch ein vorhandenes Leitungsstück gekürzt werden, um die Phasenverschiebung bei einer Frequenz zu kompensieren. Solche Leitungsstücke können bei Blass-Matrizen vorhanden sein, denn bei diesen sind Leitungen wesentliche Komponenten.
Es kann vorteilhaft sein, für die Phasenglieder einen Phasenschieber nach Wilds (MICROWAVES, Dezember 1979, Seiten 67 bis 68) zu verwenden. Er weist vier Leitungsstücke auf, von denen zwei in Serie geschaltet sind. An der Verbindungsstelle sind zwei weitere Leitungsstücke angeschlossen. Die durch die vier Leitungsstücke bewirkte Phasenverschiebung ist frequenzabhängig. Zur breitbandigen Kompensation der Frequenzabhängigkeit ist noch ein weiteres Leitungsstück vorgesehen. Es sind in einem großen Frequenzbereich (Frequenzverhältnis etwa 1 : 2) Phasenverschiebungen im Bereich zwischen 15 Grad und 135 Grad realisierbar.
Das Leitungsstück des Phasenschiebers kann bei dem Entwurf der Speiseanordnung berücksichtigt werden, indem die Länge von Leitungen der Blass-Matrix geeignet gegenüber der bekannten Blass-Matrix geändert wird.
Durch Wahl von Phasenschiebern mit unterschiedlicher Phasenverschiebung, die jedoch bei einer bestimmten Frequenz kompensiert ist, ist es möglich, unterschiedliche Phasenglieder zu schaffen, die bei einer bestimmten -Abweichung von der genannten Frequenz unterschiedliche Phasenverschiebungen bewirken.
Im Beispiel ist in einem Azimutbereich von -60° bis +60° und Elevationsbereich von +15° bis 75° die Elevation der von der Anordnung nach Fig. 1 in Verbindung mit der Antenne der Fig. 2 gleichzeitig erzeugten Hauptkeulen bei Mittenfrequenz durch die Blass-Matrizen etwa auf den gleichen Wert gebracht, was für die unterste Reihe der Hauptkeulen besonders wichtig ist.
Wird die Antennenanordnung breitbandig mit Blass-Matrizen ohne Phasenglieder betrieben und so gespeist, daß die im Richtdiagramm links unten liegende Hauptkeule gegenüber der Mittenfrequenz mit einer etwa um 11% höheren Frequenz erzeugt wird und die unterste rechte Hauptkeule mit einer um etwa 11% niedrigeren Frequenz, wobei sich die Frequenz im Bereich dazwischen linear verändert, so zeigt sich, daß besonders die äußersten Keulen von dem bei Mittenfrequenz eingenommenen Elevationswert stark abweichen. Dabei ist auch der Azimutwert verändert, dies ist jedoch im speziellen Anwendungsfall weniger störend.
Durch die bei der Anordnung nach Fig. 5 und 6 vorgenommene weitere Kompensation durch Phasenglieder wird die unerwünschte Verlagerung der Hauptkeulen bei Abweichung von der Mittenfrequenz ausreichend verhindert.
Eine Antennenspeiseanordnung mit hintereinandergeschalteten Butler-Matrizen und Blass-Matrizen ist generell auch für Kreisgruppenantennen geeignet. Die Butler-Matrizen erzeugen hierbei Drehfelder (Phasenmoden) der Antenne, deren Überlagerung bei geeigneter Phasenlage ein festes, bei Bedarf auch umlaufendes Antennendiagramm erzeugt. Die Blass-Matrizen erzeugen entsprechend der Anzahl der Eingänge Vertikaldiagramme .
Eine Antennenspeiseanordnung für eine Antenne mit einer Mehrzahl von von Strahlern, die jeweils in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei die Strahler jeweils einer Zeile über eine Speisematrix 1 bis 16, ausgewählt aus zwei Matrixarten, nämlich einerseits aus Matrixnetzwerken mit im wesentlichen gleichen Amplituden und mit gleichen, frequenzunabhängigen Phasengradienten der Ausgangssignale (z.B. Butler-Matrix), und andererseits aus Matrixnetzwerken mit bedarfsweise ungleichen Amplituden und gleichen, aber frequenzabhängigen Phasengradienten der Ausgangssignale (z.B. Blass-Matrix), gespeist werden und für alle Zeilen dieselbe Matrixart (nämlich entweder z.B. Butler oder Blass) vorgesehen ist, wurde beschrieben. Erfindungsgemäß sind zum Speisen der für die Speisung der Zeilen vorgesehenen Matrizen 1 bis 16 Matrizen 21 bis 26 der jeweils anderen genannten Art (z.B. Blass bzw. Butler) vorgesehen, derart, daß gleichzeitig eine Mehrzahl von räumlich in unterschiedlichen wählbaren Richtungen strahlenden oder empfangenden Strahlungskeulen erzeugbar ist. Es können Keulen mit beliebiger frequenzunabhängiger Keulenrichtung und beliebiger Nebenkeulendämpfung eingestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Antennenspeiseanordnung für eine Antenne mit einer Mehrzahl von Strahlern, die jeweils in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei im Betrieb die Strahler jeweils einer Zeile über eine Speisematrix (1 bis 16) , ausgewählt aus zwei Matrixarten, nämlich einerseits aus Matrixnetzwerken mit im wesentlichen gleichen Amplituden und mit gleichen, frequenzunabhängigen Phasengradienten der Ausgangssignale (z.B. Butler-Matrix), und andererseits aus Matrixnetzwerken mit bedarfsweise ungleichen Amplituden und gleichen, aber frequenzabhängigen Phasengradienten der Ausgangssignale (z.B. Blass-Matrix), gespeist werden und für alle Zeilen dieselbe Matrixart (nämlich entweder z.B. Butler oder Blass) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Speisen der für die Speisung der Zeilen der Antenne vorgesehenen Matrizen (1 bis 16) Matrizen (21 bis 26) der jeweils anderen genannten Art (z.B. Blass bzw. Butler) vorgesehen sind, derart, daß gleichzeitig eine Mehrzahl von räumlich in unterschiedlichen wählbaren Richtungen strahlenden oder empfangenden Strahlungskeulen erzeugbar ist .
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung mit den Strahlern Matrizen (1 bis 16) mit frequenzunabhängigen Phasengradienten (Butler-Matrizen) vorgesehen sind, die von Matrizen (21 bis 26) mit frequenzabhängigen Phasengradienten (Blass-Matrizen) gespeist sind.
3. Für die Speisung von Strahlern einer Antenne geeignete Anordnung, insbesondere An ennenspeiseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens eine serielle Speisung mit mindestens einer Eingangsleitung, die über eine Mehrzahl von Kopplern (40-1-1 bis 40-4-16) mit einer entsprechenden Mehrzahl von Ausgangsleitungen verbunden ist, aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Mehrzahl der Koppler (40-1-1 bis 40-1-16) mindestens einer Eingangsleitung (Kl) Phasenglieder (44, 46) mit frequenzunabhängigen Phasenschiebern verbunden sind, wobei die Phasenglieder derart ausgebildet sind, daß sie die Phase der seriellen Speisung gegenüber der ursprünglichen Speisung ohne Phasenschieber in Abhängigkeit von der Frequenz verändern, derart, daß im Ergebnis Keulenrichtungen über der Frequenz eine vorgegebenen Änderung unter Einschluß einer Nicht-Änderung erfahren.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenglieder (44, 46) in der genannten Eingangsleitung
(Kl) zwischen den Kopplern (40-1-1 bis 40-1-16) angeordnet sind, oder in den von den Kopplern (40-1-1 bis 40-1-16) ausgehenden Ausgangsleitungen angeordnet sind.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenglieder (44, 46) derart bemessen sind, daß bei einer vorgegebenen Frequenz, vorzugsweise bei Mittenfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs, die von den Phasenschiebern bewirkte Phasenverschiebung kompensiert ist .
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die serielle Speisung eine Matrix (22) mit frequenzabhängigen Phasengradienten (Blass-Matrix) aufweist .
7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speisung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 vorgesehen ist.
8. Antennenanlage mit einer Antenne und einer Antennenspeiseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
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