DE2162068A1 - Zylinderantenne - Google Patents

Description

Patentanwalt
Stuttgart 3ο
Kurze Straße 8

G.G. Charlton -2

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Zylinderantenne

Die Erfindung betrifft eine Zylinderantenne mit einer Vielzahl von kreisförmig angeordneten Spalten von Strahlerelementen und Strahl-Bildungsmatrizen, über deren Klemmen diese Spalten so erregt werden, daß ein Strahlungsdiagramm durch die Kombination von individuellen, in bestimmten Winkeln zur Achse der Zylinderantenne abgestrahlten Nadelstrahlen entsteht. Eine derartige Mehrstrahl-Zylinderantenne wird vorzugsweise ²^r Erzeugung eines gebündelten Azimutdiagrammes über einen großen Bereich des Elevationswinkels verwendet.

Die bekannten Zylinderantennen werden überall dort eingesetzt,

wo ihre Symmetrie und ihre Diagrammverschwenkung um 36o erwünscht sind. Zylinderantennen werden auch deswegen ver- . wendet, weil mit ihnen leicht eine trägheitslose Diagrammverschwenkung erreicht werden kann.

24. 11. 1971

vo/ff -2-

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Eine Zylinderantenne ist z. B. in der US-PS 3 474 446 beschrieben. Diese Einrichtung ist in erster Linie für die Entwicklung eines rotierenden, zahnradförmigen Azimut*- diagrammes zum Einsatz in einem besonderen Flugnavigationssystem bestimmt. Bei anderen Anwendungsfällen kann die Erzeugung eines Nadelstrahles oder eines vertikalen Strahlenfächers erwünscht sein, welche schnell über

ο ·

den gesamten 36o -Bereich verschwenkt werden können

müssen. Dabei tritt gelegentlich die Forderung auf, daß eine schmale Azimutstrahlweite (ungefähr 1 oder 2 ) ^ mit kleinen Nebenzipfeln (unter -18 db) erwünscht ist,

welche sich mit der Strahlschwenkung nicht merklich verändert. Gelegentlich ist auch ein Erfassungsbereich über einen Bereich des Elevationswinkels erwünscht, wobei sich die Azimut-Kennlinien nicht oder nur geringfügig ändern.

Die für die Strahlschwenkung verwendeten Zylinderantennen können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden. Die erste Gruppe ist ein trennbarer Ring mit Spaltenspeisung, wobei jeder Ring ( oderSpalte) die gleiche Erregung erhält, wie die anderen erregten Ringe (oder Spalten). Die andere Gruppe umfaßt die komplexen Sp eise einrichtungen mit unabhängigen Elementen, wobei jedes Element der Antennen« anordnung in der Amplitude und in der Phase unabhängig gesteuert wird. Beide Gruppen können im Idealfall ohne Leistungsverlust in den Stromkreisen aufgebaut werden.

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Bei den einfachen Ring- und Spalten-Speisesystemen wird die horizontale Ringerregung nach Amplitude und Phase unabhängig von der vertikalen Spaltenerregung gebildet. Bei einer horizontalen Ringspeisung kann eine Speisematrix eingesetzt werden, um den Strahl um 360 weiterzuschalten und/oder zu verschwenken. Eine derartige Matrix bietet die Möglichkeit, die Erregung Spalte für Spalte um die Antennenöffnung herum weiterzuschalten, so daß die Form des Strahlungsdiagramm.es beibehalten wird. Aus dieser verhältnismäßig einfachen Lösung folgt eine einzige Ringspeiseeinrichtung für jede beliebige Anzahl von Elementen in einer Spalte. Die Spaltenspeisung wird durch passive Elemente ausgeführt, um den gewünschten senkrechten Strahlenfächer zu erhalten. Der Nachteil eines derartigen Systems ist, daß der senkrechte Strahlenfächer seine Azimut-Kennwerte nicht in allen Elevations wink elbereichen konstant hält. Dies bedeutet, daß der Strahl nicht über seinem gesamten Elevationswinkelbereich gleichmäßig fokussiert ist. Dieser Effekt ist durch defokussierende Phasenfehler bedingt, welche durch die Geometrie des Zylinders verursacht werden und die eine Grundeigenschaft von Zylinderantennen sind. Dieser Effekt ist bei der Darstellung der bekannten Zylinderantenne in den Zeichnungen dargelegt.

Die vorher erwähnte komplexere und unabhängige Zylinderantenne enthält eine unabhängige Speiseeinrichtung, mit der

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jedes Strahlerelement nach Amplitude und Phase unabhängig gesteuert werden kann. Eine derartige Lösung eliminiert das Defokussierproblem, das bei der einfacheren Trenntechnik auftritt, vollständig und kann daher als theoretischer Idealfall betrachtet werden. Die Realisierung einer derartigen Technik resultiert jedoch in einem sehr großen Aufwand und ist daher sehr teuer«

Bei der Realisierung der unabhängigen Speisung müssen Programmiereinrichtungen vorgesehen sein, so daß die

fe Erregung nach Amplitude und Phase für ein ungewöhnliches

Strahlungsdiagramm verändert werden kann. Diese Erregung muß außerdem um den Zylinder herum weitergeschaltet werden, um eine Strahl-Schwenkung um 3 60 zu erhalten. Aus diesem Grund ist für jeden Ring von Strahlerelementen in der Antennenanordnung eine Schaltmatrix erforderlich, die der Matrix bei dem sogenannten Trennsystem äquivalent ist. Bei einer Zylinderantenne mit 2o Elementen in einer Spalte sind daher 2o getrennte Schaltmatrizen erforderlich, um den Strahl zu verschwenken. Es ist klar, daß ein derartiges System für eine praktische Anwendung viel zu

fe teuer ist«

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zylinderantenne der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die ein schwenkbares Mehrstrahl-Diagramm abgibt, das besser ist als das Diagramm einer nach der Trenntechnik arbeitenden Zylinderantenne, das aber mit wesentlich weniger Aufwand erzeugt

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werden kann, wie das Diagramm einer unabhängig angesteuerten Zylinderantenne. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß eine Vielzahl von Speise- und Anschaltematrizen die Strahl-Bildungsmatrizen in einer Ebene senkrecht zur Antennenachse anschalten, und speisen und daß jeweils jede Ausgangsklemme dieser Speise- und Anschaltematrizen über einen Abzweigstromkreis eine vorgegebene, unabhängige Anzahl von benachbarten Strahlerelementen einer Spalte gleichzeitig erregt. Ein sehrwichtiger Gesichtspunkt bei der neuen Zylinderantenne ist die Anpassungsfähigkeit zu Vereinfachungen durch die Zusammenfassung von Klemmen der Strahl-Bildungsmatrizen, wodurch Zonen des Elevations s tr ahlenfächers gebildet werden, welche mit weniger Ringspeiseeinrichtungen und Azimutschwenkmatrizensteuerbar sind. Als erste Vereinfachung kann die Verwendung der oberen und unteren Klemmen einer Strahl-Bildungsmatrix zur Erzeugung der Elevati onsnebenzipf el des Elevations strahlen« fächers betrachtet werden. Diese Nebenzipfelklemmen können dieselbe Ringspeiseeinrichtung (Azimut-Speise- und Anschaltmatrix) verwenden, wie die benachbarten Klemmen, die einen Teil des gewünschten Strahlenfächers bilden. Die Nebenzipfel werden in diesem Fall im Azimut defokussiert, was sich in der Unterdrückung ihrer Pegel auswirkt. Durch diese Vereinfachung werden die Anzahl der gesamten vertikalen Klemmen und die Anzahl der Ringspeiseeinrichtungen und Azimutschwenkmatrizen reduziert. Bei einer Zylinder antenne mit 2o Elementen in

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einer Spalte werden z.B. nur 6 Klemmen, 6 Ringspeiseeinrichtungen und 6 Schwenkmatrizen benötigt, um einen Strahlenfächer über einen Elevations winkel von ungefähr 36 zu erzeugen.

Bei dem erwähnten Ausführungsbeispiel ist jede der 6 Strahlenkeulen im Azimut durch die Verwendung von getrennten Ringspeiseeinrichtungen fokussiert, was zu einer idealen Bündelung von jeweils etwa 5, 7 führt. Es kann beobachtet werden, daß bei den meisten Zylinder·, antennen der Betrag der Defokussierung über dem Bereich von 5, 7 gering ist. Daher kann die Anzahl der Strahlenkeulen und der Ringspeiseeinrichtungen noch weiter reduziert werden. Wenn nur drei Strahlenkeulen und drei Ringspeiseeinrichtungen verwendet werden, dann beträgt der Fokussierungswinkel etwa 11, 4 . Die so vereinfachte Zylinderantenne stellt immer noch eine wesentliche Verbesserung der mit der Trenntechnik arbeitenden Zylinderantenne dar.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Strahlungsdiagramm mit

Linien gleicher Leistung einer bekannten Zylinderantenne, welche eine trennbare Ring- und Sp^lten-Speiseeinrichtung verwendet, um das inhärente Defokussierungsproblem aufzuzeigen,

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Fig. 2 ein Blockschaltbild, um die Grundgedanken und Verbindungen des Systems nach der Erfindung darzulegen,

Fig. 3 die Längs ansicht eines Strahlenfächers, der aus drei Nadelstrahlen zusammengesetzt ist und

Fig. 4 das Strahl-Bildungsnetzwerk nach Fig. 2 in Einzelheiten.

In der Fig. 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Defokussierungseffektes (Strahlverbreiterung) dargestellt, der bei der sogenannten Trenntechnik mit einer Zylinderantenne erreicht wird. Die Linien gleicher Leistung sind so gezeigt, wie sie bei radialer Betrachtung in eine typische Zylinderantenne gesehen werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wurde das Feld im Azimut bei einem Durchs chnitts-Elevationswinkel gebündelt, während bei einer Abweichung des Elevationswinkels nach der einen oder der anderen Seite des beliebig gewählten Elevationswinkels eine wesentliche Defokussierung auftritt. Der tatsächliche Betrag der Defokussierung hängt natürlich vom Radius des Zylinders, der Breite des betrachteten Sektors und der Betriebs wellenlänge ab. Der gezeigte Defokussierungseffekt ist nichtsdestoweniger durch die typische Lage und Kombination der physikalischen Parameter bedingt.

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In Fig. 2 ist ein Funktions-Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung gezeigt. Eine Anzahl von identischen Spalten-Speiseeinrichtungen, z.B. lo, sind über die Antennenöffnung verteilt. Jede dieser Spalten hat eine Vielzahl von Strahler elementen, z.B. 3o, welche als Dipole gezeigt sind. Es ist selbstverständlich, daß anstelle von Dipolen auch andere Strahler, wie Schlitzantennen verschiedener Ausführung, eingesetzt werden können. Das in Fig. 2 als Strahl-Bildungsnetzwerk Io mit Strahler bezeichnete Element ist in Fig. 4 in Einzelheiten dargestellt. Es genügt in diesem Fall der Hinweis, daß die Kombinationsklemmen 16, 17 und 18 geeigneten Speiseeinrichtungen innerhalb des Elementes Io zugeordnetsind, um die Strahlen 15a, 15b und 15c zu erzeugen.

Jede dieser drei Klemmen 16, 17 und 18 wird von einer getrennten Azimut-Speise- und Anschaltematrix 11, 12 bzw. 13 gespeist. Aus diesem Grunde hat jede der drei Azimut-Speise- und Anschaltematrizen 11, 12 und 13 eine Anzahl von Klemmen, die mit 19 bis 25 bezeichnet sind. Bei der Matrix 11 stellen die Klemmen 19, 2o, 21, 22 und 23 nur einen Teil der Klemmen dar, die der Anzahl der Netzwerke und Strahlerblöcke Io entspricht, welche um die gesamte Zylinderantenne verteilt sind. Bei dem gezeigten Beispiel werden die drei Eingangsklemmen 16, 17 und 18 des Elementes Io von den Klemmen 21, 24 und 25 gespeist, welche

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den Matrizen 11,12, und 13 angehören. Daraus ist zu ersehen, daß Speiseeinrichtungen in drei Elevations ebenen vorgesehensind, welche direkt den drei Nadelstrahlen zugeordnet sind, die bei 15 gezeigt sind.

Um die gemeinsame Antennenklemme 34 zu erhalten, ist das Elevations-Verteilernetzwerk 14 vorgesehen. Diese Einrichtung 14 ist ein reiner Abzweigstromkreis. Solche Einrichtungen sind bekannt und werden z. B. zur Speisung von Teilantennen von einer gemeinsamen Leitung verwendet. Eine derartige in Hohlleiter-Technik ausgeführte Einrichtung ist in dem "Radar-Handbook" von Merrill I. Skolnik (197o), Mc Graw Hill, in Fig. 49 gezeigt und auf den Seiten 11 bis 61 beschrieben. Die drei Klemmen 31, 32 und 33 der Einrichtung 14 sind mit den gemeinsamen Klemmen der Einrichtungen 11, 12 und 13 verbunden. Die Klemme 33 ist mit der Klemme 26, dem Speiseeingang der Matrix 13 verbunden. Entsprechend sind die Klemmen 32 und 31 mit den Speiseeingängen der Matrizen 12 und 11 verbunden.

Der Aufbau der Matrizen 11, 12 und 13 als geeignetes Teilsystem für diesen Anwendungsfall ist in dem Arükel "An Electronically-Scanned Cylindrical Array Based On a Switching-and-Phasing Technique" von Richard J. Giannini beschrieben. Dieser Artikel wurde beim "1969 International Symposium of the IEEE Group on Antennas and propagation" als "IEEE Catalog Nr. 69C-53-AP"

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veröffentlicht. In dem beschriebenen Anwendungsfall wird die Einrichtung für einen Monopulsbetrieb eingesetzt, bei dem die gemeinsame Klemme sowohl die Summen- als auch die Differenzleitung enthält. Diese Einrichtung ist aber leicht auf den Aufbau für die Matrizen 11, 12 und 13 anzupassen. Jede Einrichtung 11, 12 und 13 erzeugt eine programmierte, synchron umlaufende Spaltenerregung. Wenn angenommen wird, daß das Spaltenelement Io in drei Elevations ebenen stets die maximale Azimuterregung erhält, dann werden die benachbarten Spalten mit kleinerem Pegel und in Phase erregt, um auf allen drei Nadelstrahlen eine Fokussierung zu erreichen.

Die Fig. 3 ist vollkommen selbsterläuternd, wenn man sie auf die bei 15 in Fig. 2 erzeugten Nadelstrahlen bezieht. Die Beschaffenheit eines Elevations-Strahlenfächers, wie er nach der Erfindung zusammengesetzt wird, ist aus Fig. 3 jedoch besser zu verstehen.

Es wird noch einmal auf die Fig. 2 und 4 Bezug genommen und darauf hingewiesen, daß die tatsächliche Anzahl von Strahlerelementen in einer Spalte natürlich auch anders

gewählt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Strahl-Bildungsmatrix loa. Diese Einrichtung kann eine beliebige Mikrowellenschaltung sein, die die Schaltfunktion einer Matrix ausführen kann. Im allgemeinen ist dies eine Vielklemmen-Einrichtung, welche einen Strahl von einer zugeordneten linearen Antennen-

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anordnung (Spalte von Strahler elementen) um einen verschiedenen bestimmten Winkel entsprechend dem erregten Eingang verstellt. In dem erwähnten "Radar-Handbook" sind zwei Einrichtungen, von denen jede das Element nach Fig. 4 ersetzen kann, in Fig. 57 (Seiten 1 Ibis66) gezeigt. Die eine Einrichtung ist die sogenannte Strahl-Bildungsmatrix mit gleicher Weglänge und die andere Einrichtung die sogenannte Butler-Matrix. Beide Matrizen sind an sich bekannt.

Die Strahleingänge einer derartigen Strahl-Bildungsmatrix werden in drei Zonen in Übereinstimmung mit der beschriebenen Theorie der Erfindung zusammengefaßt. In Fig. 4 sind die Abzweigstromkreise27, 28 und 29 vorgesehen. Diese Stromkreise entsprechen im Aufbau und in der Wirkungsweise der Einrichtung 14.

Die Gruppierung der Klemmen der Einrichtung loa in Fig. 4 ist natürlich nur als Ausführungsbeispiel zu verstehen, insbesondere was die Anzahl der Antennenelemente und die den Klemmen 16, 17 und 18 entsprechende Anzahl der Ebenen betrifft.

Das System kann z.B. auch so abgewandelt werden, daß die Signale, welche zwischen den Klemmen 16, 17 und 18 und den Strahlerelementen 3o wandern, auch von einer Kombinations einrichtung erhalten wer den, welche die Stromkreise 27, 28 und 29 mit der Matrix loa vereinigt. Dabei werden die Gesamtzahl der Bauelemente und die Kosten noch weiter reduziert.

9 Patentansprüche 2 Bl. Zeichnungen,

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Claims (9)

G.G.Charlton -2 -12- 4 0 4UOQ Patentansprüche

1. J Zylinderantenne mit einer Vielzahl von kreisförmig

angeordneten Spalten von Strahlerelementen und Strahl-Bildungsmatrizen, über deren Klemmen diese Spalten so erregt werden, daß ein Strahlungsdiagramm durch die Kombination von individuellen, in bestimmten Winkeln zur Achse der Zylinderantenne abgestrahlten Nadelstrahlen entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Speise- und Anschaltematrizen (11, 12, 13) die Strahl-Bildungsmatrizen (lo) in einer Ebene senkrecht zur Antennenachse anschalten und speisen und daß jeweils jede Ausgangsklemme (19 bis 25) dieser Speise- und Anschaltematrizen (11, 12, 13) über einen Abzweigstromkreis (16, 17, 18) eine vorgegebene, unabhängige Anzahl von benachbarten Strahlerelementen (3o) einer Spalte gleichzeitig erregt.

2. Zylinderantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsamen Speiseklemmen (26) der Speise- und Anschaltematrizen (11, 12, 13) über einen Abzweigstromkreis (14) mit einem gemeinsamen Steuereingang (34) zusammengefaßt sind.

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3. Zylinderantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Vielzahl von Strahlerelementen (3o) in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei die Spalten in die Antennenachse ausgerichtet sind, daß jeder Spalte von Strahlerelementen (3o) eine Strahl-Bildungsmatrix (loa) zugeordnet ist, deren Ausgangsklemmen jeweils mit einem bestimmten Strahlerelement der Spalte verbunden sind und deren Eingangsklemmen jeweils einem bestimmten Strahlungswinkel in der Axialebene zugeordnet sind, daß eine Vielzahl von Abzweigstromkreisen mit einem Eingang und mehreren Ausgängen vorgesehen sind, deren Ausgänge mit einer vorgegebenen Anzahl von benachbarten Eingängen einer der Strahl-Bildungsmatrizen verbunden sind, daß eine Vielzahl von Speise einrichtungen für senkrechte Ebenen vorgesehen sind, welche einen Eingang und eine Vielzahl von Ausgängen aufweisen und bei denen jeder Ausgang einem bestimmten Strahlungswinkel zugeordnet und mit einem Eingang eines Abzweigstromkreises verbunden ist, und daß die Eingänge der Speiseeinrichtungen über ein Verteilernetzwerk mit einem HF-Antennenanschluß verbunden sind.

4. Zylinderantenne nach"Anspruch3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Achse der Zylinder antenne im wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist, daß die Strahlungswinkel in der axialen Ebene Elevationswinkel sind und daß die senkrechte Ebene zur Antennenachse die Azimutebene ist.

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5. Zylinderantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Abzweigstromkreise der Anzahl der senkrechten Anschalte- und Speiseebenen und daher der Anzahl der unabhängigen Spalten-Speisezonen entspricht.

6. Zylind er antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der senkrechten Speiseebenen klein im Verhältnis zur Anzahl der Eingänge der Strahl-Bildungsmatrizen ist.

7. Zylinderantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Eingänge der Strahl-Bildungsmatrizen, welche über einen Abzweigstromkreis zusammengefaßt sind, im wesentlichen gleich ist.

8. Zylinderantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahl-Bildungsmatrix eine Butler-Matrix verwendet ist, deren Anzahl von Eingängen der Anzahl der Strahlerelemente einer Spalte entspricht.

9. Zylinder antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahl-Bildungsmatrix eine seriengespeiste Matrix mit gleicher Weglänge verwendet ist, deren Eingänge bestimmten Elevationswinkeln zugeordnet sind und bei der die Anzahl der Eingänge kleiner ist als die Anzahl der Strahlerelemente einer Zeile,

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