DE2339156A1

DE2339156A1 - Antenne fuer den betrieb in ersten und zweiten frequenzbereichen

Info

Publication number: DE2339156A1
Application number: DE2339156A
Authority: DE
Inventors: Henry C Leahy
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-08-04
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1974-02-14
Also published as: IT992801B; GB1382018A; FR2195082A1; JPS4960458A; JPS5815967B2; US3818490A

Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

.Düsseldorf, 31. Juli 1973

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Antenne für den Betrieb in ersten und
zweiten Frequenzbereichen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine neue, in hohem Maße wirksame Antennenanordnung, die in zwei verschiedenen Frequenzbereichen unter Verwendung derselben kleinen Öffnung oder Blende arbeiten kann, um so den Betrieb von zwei unterschiedlichen, mit zwei verschiedenen Frequenzen arbeitenden Systemen zu ermöglichen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine in Phase gebrachte Anordnung, in der eine große Anzahl Strahler einzeln steuerbar sind.

In vielen Fällen ist es wünschenswert, daß ein System eine einzige Antennenöffnung hat, um zwei verschiedene Funktionen ausführen zu können. Allgemein erfordert die Ausführung zweier unterschiedlicher Funktionen im wesentlichen gleichzeitigen Betrieb über mehrere Frequenzbereiche. Beispielsweise kann es für ein Flugzeug wünschenswert sein, ein Antennensystem mitzuführen, mit dem sowohl das darunter befindliche Gelände kartenmäßig erfaßt als auch gleichzeitig alle weiteren in unmittelbarer Nachbarschaft befindlichen Flugzeuge unter Kontrolle gehalten werden, um Kollisionen in der Luft zu vermeiden. Für die kartenmäßige Erfassung ist die Winkelauflösung extrem wichtig, um innerhalb vorgegebener Toleranzen genau zu bestimmen, wohin die Antenne zeigt. Eine

40980 7/0897

Telefon (O2 11) 32 08 58 Telegramme Custopat

engere Strahlbreite ist notwendigerweise ein Erfordernis für eine erhöhte Winkelauflösung. Da höhere Frequenzen schmalere Strahlbreiten ergeben, ist die für die spezielle kartenmäßige Erfassung notwendige Winkelauflösung um so größer, je höher die geforderte Frequenz ist.

Bei der Ausführung einer solchen Suchfunktion ist eines der Hauptziele die Erfassung von interessierenden Gegenständen mit immer größeren Entfernungen. Um die Reichweite der Erfassung zu erhöhen, muß die Antenne mit zunehmender Reichweite bei einer niedrigeren Frequenz betrieben werden. Wenn eine Antenne bei niedrigeren Frequenzen betrieben wird, kann ihre Energie Wolken, Wasser und Wasserdampf leichter durchdringen. Die Schwierigkeit, solche atmosphärischen Störungen zu durchdringen, wächst mit zunehmender Frequenz. Daher arbeitet eine Such-Radaranlage mit Frequenzen eines verhältnismäßig niedrigen Frequenzbereiches, um ihre Entfernungskapazität zu erhöhen.

Die vorstehenden Darlegungen sind naturgemäß nur beispielhaft. Dieses Beispiel wurde gewählt, um die relativen Extremwerte der arbeitsmäßigen Einschränkung zu verdeutlichen oder, anders ausgedrückt, ein Beispiel für den Fall zu geben, daß ein gleichzeitiger Betrieb über zwei unterschiedliche, weit voneinander getrennte Frequenzbereiche notwendig ist.

In Phase befindliche Antennenanordnungen sind in dem oben umrissenen Rahmen von besonderem Nutzen. In einer in Phase befindlichen Antennenanordnung wird die Beaufschlagung des Raums mit Energie durch eine große Anzahl voneinander unabhängiger Punkt-Veränderlicher gesteuert. Jede der unabhängigen Punkt-Veränderlichen ist ein Einzelelement der in Phase befindlichen Antennenanordnung, wobei die individuelle Aktivierung jedes Einzelelements einstellbar ist. Gewünschtenfalls kann eine in Phase befindliche oder in Phase gebrachte Antennenanordnung für Abtastzwecke eingesetzt werden. D. h., es ist möglich, den Strahl durch Änderung

40980 7/0897

der Aktivierungsfunktionen jedes Elements zu steuern und seine Form dabei zu ändern. Wenn die Aktivierungsfunktionen der einzelnen Elemente sehr schnell geändert werden, erfolgt die Abtastung sehr schnelle .

Eine in Phase befindliche Antennenanordnung mit Strahlsteuervermögen wird nicht durch mechanische Trägheit verzögert. «Jedoch stellt sich eine solche Anordnung auch sehr teuer. Es ist daher sehr wünschenswert, die Antennenöffnung sowie die zum Betrieb der Antenne erforderliche elektronische Ausrüstung so wirksam wie möglich auszunutzen. Beispielsweise ist es wünschenswert, daß die Antennenanordnung zwei unterschiedliche Funktionen im wesentlich gleichzeitig ausführen kann.

Sine allgemein in Betracht gezogene Möglichkeit, die Sendeelektronik einer aktiven Antennenanordnung, einschließlich den der Phasen-Antennenanordnungs-Kategorie angehörenden, auszugestalten, ist die Verwendung eines Senderverstärkers, der mit einem Varaktor-Multiplikator in Kaskade geschaltet ist. Da die Antennenanordnung eine große Anzahl Strahler verwendet, hat der Aufbau einer solchen Anordnung das Problem mit sich gebracht, eine große Anzahl von Quellen niedriger Energie mit minimalem Verlust zu kombinieren. Eine ausgezeichnete Lösung dieses Problems ist es gewesen, einem System mit individuellen elementaren Strahlern der Antennenanordnung individuelle Sender zuzuordnen. Bei einem so aufgebauten System bilden die Varaktor-Multiplikatoren die Hauptquelle für einen schlechten Wirkungsgrad in Verbindung mit der Umformung von Ausgangsenergie in nutzbare Strahlungsenergie. Dennoch ist ihr Einsatz in den meisten solcher Systeme zwingend, wo die abgestrahlten Frequenzen oberhalb der Leistungsfähigkeit der vorhandenen Sener liegen.

Wie vorstehend erläutert, gibt es in Radargeräten mit Mehrfach-Betriebsart Situationen, in denen hohe Frequenzen für einige Funktionen notwendig sind, für andere dagegen nicht. In solchen

L ■: 3 B υ T / 0 3 9 7

Fällen besteht eine Lösung darin, den Verstärkerausgang als das unmittelbar ausgestrahlte Signal zu verwenden, um so die Notwendigkeit der Übertragung durch die Varaktor-Multiplikatoren zu vermeiden. Die Varaktor-Multiplikatoren setzen die ausgestrahlte Energie häufig um 50 bis 80 % herab. Jedoch hat diese neue Lösung in anderer Hinsicht zu Problemen geführt, wobei eines dieser Probleme, nämlich der Strahlungsaufbau, Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Antennenanordnung zu schaffen, die zwei repetitiv arbeitende Strahlersysterne in einer einzigen Öffnung hat, die in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine zum Betrieb in ersten und zweiten Frequenzbereichen geeignete Antenne, mit mindestens einem leitfähigen Streifen und mindestens einem einen offenen Bereich aufweisenden Hohlleiter erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Mehrzahl Antennenelemente, die jeweils ein erstes strahlendes Element mit einer Öffnung in einem leitfähigen Streifen zur Abstrahlung von Energie innerhalb eines ersten ausgewählten Frequenzbandes und ein zweites strahlendes Element, das quer in mindestens einem Abschnitt des offenen Teils des Hohlleiters angeordnet ist, zur Abstrahlung von Energie innerhalb eines zweiten ausgewählten Frequenzbandes aufweisen, sowiejdadurch, daß die Abmessungen der Öffnung in dem leitfähigen Streifen, das zweite strahlende Element und der Hohlleiter so gewählt sind, daß die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten strahlenden Element auf ein Minimum zurückgeführt ist.

Die nachstehend zu beschreibende Antenne ist im einzelnen aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Grund-Strahler-Aufbauten zusammengesetzt. Jede dieser Strahler-Aufbauten ist ihrerseits aus einer Mehrzahl erster Strahlerelemente und einer Mehrzahl zweiter Strahlerelemente zusammengesetzt. Die ersten und zweiten

Ä υ j 8 :J ■ /0897

Strahlerelemente sind jeweils in der Lage, nur hinsichtlich ihrer entsprechenden Frequenzbereiche eine Kopplung einzugehen. Wenn die Grund-Strahler-Aufbauten in einer vorgegebenen Art und Weise angeordnet sind, ergibt sich ein erstes repetitives Strahlersystem und ein zweites repetitives Strahlersystem, die gemeinsam eine Antennenanordnung bilden.

Das erste Strahlersystem ist aus einer Mehrzahl Reihen einer bestimmten Art Strahlerelemente aufgebaut. Zwischen den Reihen dieser Elemente sind Reihen einer zweiten Radiatorelementart verteilt. Für jedes Element des ersten Systems existiert ein entsprechendes Element im zweiten System. Jede Reihe» des ersten Systems hat einen leitfähigen Streifen, der an der Bildung der ersten Strahlerelemente beteiligt ist. Das zweite System ist aus einer Mehrzahl Hohlleiter mit parallelen Platten aufgebaut, zwischen denen entweder ein Einzelpol oder ein Dipol,normal zu den Platten, angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht des grundlegenden Strahleraufbaus der Antennenanordnung;

Fig. 2 eine Endansicht des grundlegenden Strahleraufbaus;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des parallele Platten aufweisenden Hohlleiterabschnitts des grundlegenden Strahleraufbaus;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausfuhrungsform des parallele Platten aufweisenden Hohlleiterabschnitts des grundlegenden Strahleraufbaus; und

4 U U b 0 7 / Ü 8 9 7

2339158

Fig. 5 eine Ansicht eines Teils einer Antennenanordnung mit einer Mehrzahl der grundlegenden Strahleraufbauten nach der Erfindung.

Die beschriebene Antennenanordnung ist aus einer Mehrzahl grundlegender oder elementarer Strahleraufbauten zusammengesetzt. Wenn diese Strahleraufbauten so nebeneinander angeordnet werden, daß jeder elementare Aufbau sich in körperlichem Kontakt mit mindestens einem weiteren grundlegenden oder elementaren Strahleraufbau befindet, so bilden diese Aufbauten in ihrer Gesamtheit eine Antennenanordnung. Fig. 5 zeigt eine Antennenanordnung 100, die aus einer Mehrzahl Strahlerelemente 10 und 12 aufgebaut oder zusammengesetzt ist. Um in das Wesen der Antennenanordnung einzudringen, kann diese als in elementare, repetitive Komponenten zerlegt angesehen werden. Beispiele für solche elementaren Komponenten sind in Fig. 5 mit den strichpunktierten Blöcken 8O, 85 bzw. 90 angedeutet. Jeder dieser mit strichpunktierten Linien angedeuteten Blöcke repräsentiert einen bestimmten Bereich der Antennenöffnung, d. h., einen bestimmten Bereich der Antennenfläche. Jeder der Blöcke bedeckt ein gleichgroßes Gebiet. Zur Erläuterung eignet sich der Block 90 am besten.

Mit Fig. 1 ist der Block 90 als grundlegender oder elementarer Radiatoraufbau gezeigt. Es versteht sich jedoch, daß jede Komponente gleicher Größe gewählt werden könnte, um den Aufbau und die Wirkungsweise derfvorliegenden Erfindung zu erläutern. Wie zuvor erläutert, könnte ebenso auch der Block 80 oder aber der Block 85 gewählt worden sein.

Der elementare Radiatoraufbau 90 ist von drei parallelen Platten 15, 16 und 17 umschlossen. Die Platten 15 und 16 sind Bestandteil eines ersten Strahlerelements 18, das mit einem ersten Frequenzbereich gekoppelt werden kann, nämlich einem Hochfrequenzbereich von etwa 9 bis 1OjGHz. Die Platten 16 und 17 sind Bestandteil eines zweiten Strahierelements 19, das mit einem zweiten Frequenzbe-

4 G S 6 0 7 / 0 8 9 7

reich gekoppelt werden kann, d. h. mit einem Bereich verhältnismäßig niedriger Frequenz von 1,8 bis 2 GHz.

Ein fundamentales Problem, das durch die vorliegende Erfindung gelöst wird, ist die Isolierung der beiden Strahlungssysteme. Eine Isolation ist sehr wesentlich, wenn eine Abtastung in zwei Ebenen unter Aufrechterhaltung einer elementaren Speisepunkt-Impedanz erfolgen und/oder mehr als eine triviale Bandbreite verwirklicht werden soll. Die Isolation wird durch die vorliegende Erfindung verwirklicht, die mit linearen Kreuzpolarisationen und Sperr-Erscheinungen arbeitet.

Das erste Strahlerelement 18, das nachstehend auch als Hochfrequenz-Strahler bezeichnet werden soll, enthält einen leitenden oder leitfähigen Streifen 20, der aus Metallen wie Kupfer, Messing, Aluminium oder Silber besteht. In dem leitenden Streifen 20 ist eine Öffnung 22 vorgesehen, um für die Kopplung mit der hochfrequenten Energie zu sorgen. Da die meisten Antennen reziprok sind, d. h. entweder zu Sende- oder zu Empfangszwecken eingesetzt werden können, ist die Funktion der vorliegenden Erfindung nicht auf eine der beiden Möglichkeiten beschränkt. Dementsprechend wird der Ausdruck "koppeln" im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sowohl im Hinblick auf Sende- als auch Empfangsfunktion verwendet.

Die Öffnung 22 in dem leitenden Streifen 20 kann als kleines Horn oder als offenendiger Hohlleiter betrachtet werden. Es läßt sich zwar genau zwischen einem "Hohlleiter" und einem "Horn" unterscheiden, jedoch ist es schwierig, genau zu bestimmen, wann ein Strahler nun so klein wird, daß die ihn beschreibende Terminologie von dem Ausdruck "Horn" in "Hohlleiter" geändert werden muß. Es soll daher im vorliegenden Rahmen unbeachtlich bleiben, ob nun der eine oder aber der andere Ausdruck verwendet wird.

y ■) ■■ / ο ξ-; Q 7

In dem mit Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Öffnung 22 des hochfrequenten Strahlerelements 18 Kreisform, d. h. , sie

sowohl
ist in Bezug auf die X-als auch die Y-Achse symmetrisch. Sie erregt im Raum eine FernfeId-TEM-WeHe mit einem horizontalen E-FeId. Infolge der Technik der Kreuzpolarisierung kann das mit dem hochfrequenzten Strahler 18 gekoppelte horizontale E-FeId nicht mit dem mit niedriger Frequenz arbeitenden Strahler 19 gekoppelt werden, wie das weiter unten genauer erläutert wird.

Wenngleich Fig. 1 eine kreisförmige Öffnung 22 zeigt, so muß die Öffnung doch nicht unbedingt Kreisform haben. Beispielsweise käme auch eine rechteckige oder eine quadratische Form in Frage. Ist die Öffnung 22 kreisförmig, wie das mit Fig. 1 gezeigt ist, so muß der Durchmesser der öffnung größer als die halbe Wellenlänge der höchsten Frequenz in dem hochfrequenten Bereich sein. Wenn es wünschenswert ist, den elementaren Strahleraufbau 90 so klein wie möglich zu machen, so kann der tatsächliche Durchmesser der öffnung 22 in räumlicher Hinsicht zwar kleiner als die Hälfte der Wellenlänge gemacht werden, jedoch muß elektrisch die effektive Weite größer als die Hälfte der Wellenlänge sein. Eine solche effektive Weite ist wesentlich, um eine Fortpflanzung der hochfrequenten Energie durch das hochfrequente Strahlerelement 18 zu erhalten, d. h. durch die Öffnung 22 und den damit verbundenen Hohlleiter. Um den effektiven Querschnitt oder die effektive Weite der Öffnung 22 zu erhöhen, muß die öffnung mit einem geeigneten, einen niedrigen Verlust gewährleistenden dielektrischen Material gefüllt werden. Ein Beispiel für ein solches Material ist Polystyrol (<f_r ~ 2,6) oder Polytetrafluoräthylen (Teflon (R)) (£ = 2,07). Wenn ein solches dielektrisches Material verwendet wird, wird der effektive Durchmesser der Öffnung 22 durch die Beziehung D _f _f - D *S~£ bestimmt.

4 .. j ü . · ζ' 0 'j 9 7

Hat die Öffnung 22 keine Kreisform, so kann eine effektive Abmessung willkürlich sein, während die andere effektive Abmessung entsprechend weiteren Gesichtspunkten bestimmt werden muß. Ein solcher Gesichtspunkt ist die Kreuzpolarisierungswirkung, um eine Einkopplung der Energie niedriger Frequenz in den Strahler für die hohe Frequenz zu verhindern. Infolgedessen muß die Abmessung der Öffnung, die senkrecht zur Richtung des Ε-Feldes des mit niedriger Frequenz arbeitenden Strahlers (d. h., parallel zur Richtung des Ε-Feldes des Hochfrequenz-Strahlers) verläuft, kleiner als 1/2^\_, sein, wobei Λ--■ die Wellenlänge der niedrigsten Frequenz^ des Bereiches hoher Frequenz ist. Bei einer Ausführungsform ist das E-FeId des Hochfrequenz-Strahlers mit niedriger Frequenz vertikal, und das E-FeId des Hochfrequenz-Strahlers ist horizontal. Wie zuvor erwähnt, kann keine Fortpflanzung stattfinden, wenn nicht die effektive elektrische Breite größer als die Hälfte der Wellenlänge der fortgepflanzten Frequenz ist. Da die Wellenlänge mit abnehmender Frequenz steigt, muß die Abmessung der Öffnung senkrecht zu dem E-FeId für die größte verwendbare Wellenlänge größer als 1/2 ^- sein. In der vorliegenden Erfindung tritt die größte VCr Wellenlänge in dem Hochfrequenz-Bereich daher bei der niedrigsten Frequenz dieses Bereiches auf.

Zu dem Gesichtspunkt der Kreuzpolarisierung kommiat hinzu, daß der Hochfrequenz-Bereich so gewählt werden muß, daß keine Einkopplung in den Niederfrequenz-Strahler möglich ist. D. h., die fortgepflanzte Hochfrequenz muß genügend weit oberhalb der Grenzfrequenz des Niederfrequenz-Parallelplatten-Hohlleiters liegen. Anders ausgedrückt, die niedrigste Frequenz in dem Hochfrequenz-Bereich muß erheblich größer als die höchste Frequenz des Niederfrequenz-Bereiches sein.

4 · j y 8 U ■/ /0887

2339158

Wie mit Fig. 2 gezeigt, erstreckt sich die Öffnung 22 über eine willkürliche Entfernung in die Tiefe. Diese Entfernung braucht nur so weit zu reichen, daß die Energie von dem Hochfrequenz-Generator (nicht dargestellt) durch eine geeignete Einrichtung wie beispielsweise einen Mischer oder einen Sender eingekoppelt werden kann.

Das zweite Strahlerelement 19, nachstehend als der Niederfrequenz-Strahler bezeichnet, ist in Fig. 1 neben dem Hochfrequenz-Strahler 18 angeordnet, mit dem es in Berührung steht. Es kann als damit in Berührung stehend bezeichnet werden, weil die gemeinsame Platte 16 sowohl dem Hochfrequenz-Strahler als auch dem Niederfrequenz-Strahler angehört. Bei der Beschreibung des Niederfrequenz-Strahlers 19 wird sowohl auf Fig. 1 als auch auf Fig. 2 Bezug genommen.

Der Niederfrequenz-Strahler 19 weist zwei parallele Platten 16 und 17 auf, die einen Parallelplatten-Hohlleiter bilden. Der Abstand zwischen den Platten wird durch den Hochfrequenzbereich bestimmt. D. h., die Grenzfrequenz des Parallelplatten-Hohlleiters wird durch den Hochfrequenzbereich bestimmt. Die Grenzfrequenz wird dann durch Einstellung des geeigneten Abstandes zwischen den Platten festgelegt.

Der Abstand zwischen den Platten 16 und 17 des Parallelplatten-Hohlleiters wird im Verhältnis zu den Wellenlängen beider Frequenzbereiche klein gemacht. Speziell wird der Abstand zwischen den Platten 16 und 17 kleiner als die Hälfte der Wellenlänge der höchsten Frequenz des Hochfrequenz-Bereiches gemacht. Infolgedessen ist der Parallelplatten-Hohlleiter in der Lage, TE-Wellen mit zu den Platten normalem E-FeId bei allen Frequenzen weiterzuleiten. TE-Moden mit zu den Ebenen der Platten parallelem E-FeId (oder sonstige Moden) können nur bei Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz des geeigneten Hodes fortschreiten. Die niedrigste Grenzfrequenz ist festgelegt durch

4 ^f- i 8 0 7 / 0 S 9 7

die Beziehung c , wobei c die Lichtgeschwindigkeit, L der Abstand lV ~g zwischen den Platten und fz die auf den freien Raum normierte Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen den Platten sind. L und e sind so gewählt, daß sich eine Grenzfrequenz, oberhalb der höchsten Frequenz des Hochfrequenz-Betriebsbandes ergibt. Es können daher keine Frequenzen auftreten, die mit dem Hochfrequenz-Strahler gekoppelt sind, die auch unter der Grenzfrequenz des Niederfrequenz-Strahlers liegen. Um es zusammenzufassen: um eine Kreuzkopplung zwischen den Hochfrequenz- und den Niederfrequenz-Strahlern zu vermeiden _t hat das mit dem Niederfrequenz-Strahler gekoppelte Feld ein E-FeId, das normal zu den Platten des Parallelplatten-Hohlleiters verläuft. Andererseits ist das E-FeId des Hochfrequenz-Strahlers 18 parallel zu den Platten 15 und 16 und damit parallel zu den Platten des Parallelplatten-Höhlielters 16 und 17. Teilweise infolge dieser Kreuzpolarisierung und wegen der oben beschriebenen Grenzfrequenz-Gesichtspunkte jedes Strahlersegments kann die Energie des Hochfrequenzstrahlers nicht in den Niederfrequenz-Strahler eingekoppelt werden, und umgekehrt.

Der Niederfrequenz-Strahler 19 weist einen Einzelpol 24 auf* der zwischen den Platten 16 und 17 im wesentlichen inderselben Ebene wie der leitende Streifen 2O des Hochfrequenz-Strahlers 18 angeordnet ist. Der spezielle Aufbau und die Anordnung des Einzelpols 24 werden weiter unten genauer erläutert.

Fig. 2 läßt erkennen, daß die parallelen Platten 16 und 17 durch einen leitenden Streifen bzw. Drähte 26 kurzgeschlossen sind. Der Kurzschluß ist in einem vom Zentrum des Einzelpols 24 gemessenen Abstand angeordnet.Der spezielle Abstand ist ein Viertel der Wellenlänge der Mittenbandfrequenz des Niederfrequenz-Bereichs, Wird der Einzelpol 24 genügend nahe der Ebene des leitenden Streifens 20 angeordnet, so wirkt der Parallelplatten-Hohlleiter als offener Kreis oder als Kreis mit kleiner Reaktanz in Nähe der Ebene des leitenden Streifens 2O für TE-Wellen, mit zu den

^3

Platten normalem E-FeId. Infolgedessen wird bei der Übertragung die gesamte ausgesandte Energie von der Vorderseite des Hohlleiters abgestrahlt, und nicht nur die halbe Energie. D. h. , der Einzelpol strahlt in den Halbraum. Alle anderen X-polarisierten Wellen, die auf diesen Aufbau auftreffen, treffen auf einen Hohlleiter jenseits der Grenzfrequenz, und die Oberfläche erscheint als eine induktive Oberfläche mit in dem Raum zwischen den Platten existierenden Dämpfungsfeldern.

Fig. 3 ist eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht des zuvor in Verbindung mit Fig.1/und 2 erläuterten Parallelplatten-Hohlleiters. Fig. 3 zeigt den über dem offenen Ende des Hohlleiters und normal zu den Hohlleiterplatten 16 und 17 angeordneten Einzelpol 24. Der Hohlleiter ist als offener Kreis für die Felder ausgebildet, die der Einzelpol anregen kann, und der freie Raum auf der anderen Seite des Einzelpols hat eine* reelle Impedanz, in die Energie eingestrahlt wird. Der Strahlungswiderstand des Einzelpols ist die Impedanz des freien Raums, multipliziert mit dem Verhältnis der Einheitszellen-Abmessungen. Die Einheitszelle kann durch die Einheitsvektoren definiert werden, die die Lage des Einzelpols beschreiben.

Die genaue Lage des Einzelpols in Vor- bzw. Rückwärtsrichtung ist nicht wichtig. Es ist jedoch wünschenswert, den Einzelpol so dicht wie möglich in Nähe der Kanten 16a und 17a der Platten

s x oh

16 bzw. 17 anzuordnen, d. h« so, daß er xm wesentlichen in derselben Ebene wie der leitende Streifen 20 befindet, der zuvor in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Es ist wünschenswert, den Einzelpol in einer solchen Lage anzuordnen, weil die Treiberpunkt-Impedanz des Parallelplatten-Hohlleiters zunehmend frequenzempfindlich wird, wenn der Einzelpol von den Kanten 16a und 17a der parallelen Platten wegbewegt wird.

Der Einzelpol 24 ist in einer praktischen Ausführungsform aus dem inneren Kabel eines Koaxialkabels gebildet. Er könnte jedoch

AC980?/0897

2333156

ebenso aus einem beliebigen Drahtleiter gebildet sein. Es ist nicht notwendig, den Einzelpol 24 körperlich mit der Platte 17 zu verbinden. Es ist jedoch wünschenswert, den Einzelpol 24 körperlich und elektrisch mit der Platte zu vereinigen. Die Verbindung kann durch einen einfachen Lötvorgang hergestellt werden. Wenn der Einzelpol nicht körperlich mit der Platte 17 verbunden ist, ist eine elektrische Verbindung hoher Kapazität zwischen dem unteren Ende des Einzelpols und der Platte 17 erforderlich. Der Durchmesser des Einzelpols 24 ist nur insoweit von Bedeutung, als seine körperliche Festigkeit davon betroffen ist. D. h., der Einzelpol 24 sollte nicht so dünn sein, daß er seine ihm erteilte Anordnung nicht beibehalten kann, ohne umzukippen oder leicht abzubrechen.

Um die Niederfrequenz-Energie mit dem Niederfrequenz-Strahler 19 zu koppeln, wird der Niederfrequenz-Generator (nicht gezeigt) mit zwei Teilen des Niederfrequenz-Strahlers mittels zweier Drähte 26 und 28 verbunden, die die inneren und äußeren Leiter eines Koaxialkabels sein können.

um die Drähte 26 und 28 mit den richtigen Stellen des Niederfrequenz-Strahlers 19 zu verbinden, wird ein kleines Loch in die Platte 16 geschnitten, Um den Aufbau besser zu verdeutlichen, zeigt Fig. 3 nur eine weggeschnittene Ansicht der oberen Platte. Es versteht sich jedoch, daß Fig. 3 nur die Hälfte des Loches wiedergibt, wie das mit der durchgezogenen Linie 31 angedeutet ist. In Wirklichkeit ist das Loch natürlich vollständig geschlossen, wie mit der gestrichelten Linie 32 angedeutet. Die Abmessungen des Loches bleiben ohne Auswirkung, solange das Loch nur nennenswert kleiner als die Öffnung des Hochfrequenz-Strahlers 18 der Fig. 1. Ferner ist es unerheblich, ob der Einzelpol 24 so dünn ist, daß er bis in das Loch 30 hineinragen kann. Gewünschtenfalls kann der Einzelpol 24 gerade kurz vor der Unterseite der Platte 16 enden. Ein Draht 28 ist an das obere Ende des Einzelpols 24 angeschlossen und durch das Loch

409807/0897

-■ 14 -

geführt, um mit einem Anschluß des Niederfrequenz-Generators verbunden zu werden. Der andere Draht 26 ist mit dem anderen Anschluß des Niederfrequenz-Generators verbunden und an die mit der durchgezogenen Linie 31 angedeutete Kante des Lochs 30 angeschlossen.

Fig. 4 zeigt eine gegenüber dem Einzelpol abgewandelte Ausführungsform, nämlich einen Dipol. Die Lage des Dipols ist die gleiche wie die des Einzelpcls, der in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde. D. h., der Dipol ist möglichst nahe an den Kanten 16a und 17a der Platten 16 und 17 angeordnet. Bei einem praktischen Ausführurigsbexspiel besteht der Dipol aus einem massiven Leiter 34 sowie einer hohlen Metallhüls?. 36, die sich von der Platte 16 aus abwärts zur Platte 17 hin erstreckt. Die Metallhülse 36 hat einen kreisförmigen Querschnitt und in ihrem Mittelpunkt eine öffnung. Die Metallhülse 36 bildet die obc?re Hälfte oder den oberen Arm des Dipols, während der massive Leiter 34 den anderen Arm oder die untere Hälfte des Dipols bildet. Fig. 4 gibt die Metallhülse 36 nur teilweise wieder, jedoch versteht es sich, daß die Metallhülse die Form eines vollständigen, geschlossenen Zylinders hat. Der Draht 28 ist mit der Oberseite des massiven Leiters 34 verbunden, und das andere Ende des Drahtes 28 steht mit einem Anschluß des Niederfrequenz-Generatos (nicht dargestellt) in Verbindung. Der andere Anschluß des Niederfrequenzgenerators ist mit dem Draht 26 verbunden, der seinerseits mit der Innenfläche der Metallhülse 36 in Verbindung steht.

Um die Antennenanordnung 100 der Fig. 5 aufzubauen, wird eine Mehrzahl der oben erläuterten elementaren Strahler-Aufbauten nebeneinander gebracht. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß wie zuvor erläutert als elementarer Strahleraufbau auch die Blöcke 80 oder 85 der Fig. 5 angesehen werden könnten. Würde einer dieser Blöcke verwendet, so würde der elementare Strahleraufbau Bereiche von mehr als einem Niederfrequenz-Strahler (vgl. Block 8O) oder Teile von mehr als einem Hochfrequenz-Strahler

4GS8Ö7/0897

(vgl. Block 85) enthalten. Unabhängig davon, welche Art von elementarem Strahleraufbau bei der Untersuchung zugrunde gelegt wurde, wird jedenfalls die Antennenanordnung 100 der Fig. 5 aus einer Mehrzahl solcher^ lernentarer Strahleraufbauten zusammengesetzt.

Fig. 5 zeigt nur einen Bereich einer Äntennenanordnung 100. Die Anordnung enthält zwei repetitive Systeme. Ein Teil des ersten repetitiven Systems ist als Reihe 40 gezeigt, die Platten 43 und 45 enthält und davon eingeschlossen ist, wobei diese Platten entsprechend Fig. 5 in einer horizontalen Richtung zu ihren jeweiligen Enden der Antennenanordnung verlaufen. Das erste repetitive Strahlersystem kann in dem ersten oder Hochfrequenz-Bereich arbeiten. Sein Aufbau besteht aus einer Mehrzahl Hochfrequenz-Strahler, von denen jeder dem Hochfrequenz-Strahler 18 der Fig. gleicht. D. h., er enthält einen leitenden Streifen 44 und eine Mehrzahl in dem leitenden Streifen angeordneter öffnungen 46. Die Abmessungen der öffnungen 46 sind in der gleichen Weise gewählt, wie das hinsichtlich der öffnung 22 des Hochfrequenz-Strahlers 18 der Fig. 1 erläutert wurde. Jeder Strahler ist mit einem anderen Hochfrequenz-Generator verbunden.

Die Antennenanordnung 100 weist ferner ein zweites repetitives Strahlersystem auf, das in dem zweiten oder Niederfrequenzbereich arbeiten kann. Ein Teil des zweiten repetitiven Strahlersystems ist als Reihe 42 wiedergegeben, die die Platten 45 und aufweist und von diesen eingeschlossen ist. Diese Platten erstrecken sich ebenfalls in horizontaler Richtung zu den entsprechenden Enden der Antennenanordnung. Dabei bilden die Platten 45 und 47 einen Parallelplatten-Hohlleiter, dessen Abmessungen unter denselben Gesichtspunkten festgelegt wurden, wie das weiter oben im Hinblick auf den Niederfrequenz-Strahler 19 der Fig. 1 bzw. 2 erläutert wurde. An vorgegebenen Stellen sind über den gesamten Parallelplatten-Hohlleiter mehrere Einzelpole oder Dipole ius den gleichen Gründen und mit denselben Abmessungen in den

40980 7/0397

Parallelplatten-Hohlleiter eingeschaltet wie das zuvor in Verbindung mit Fig. 1,2 bzw. 3 erläutert wurde. Jeder dieser Strahler kann mit einem anderen Niederfrequenz-Generator verbunden sein. Jeder öffnung 46 entspricht ein Einzelpol oder Dipol 48. Das heißt, die beiden Elemente sind in ihren entsprechenden repetitiven Systemen auf der Basis 1 : 1 enthalten.

Wie zuvor erläutert, ist die Reihe 40 Bestandteil eines ersten repetitiven Strahlersystems, während die Reihe 42 Bestandteil eines zweiten repetitiven Strahlersystems ist. Jede Reihe tritt im wesentlichen in abwechselnden Reihen erneut auf. D. h., der Aufbau der Reihe 40 findet sich sowohl oberhalb als auch unterhalb der Reihe 42. Die nach der Reihe 42 auftretende Reihe ist als Reihe 40a bezeichnet worden. In gleicher Weise verläuft eine der Reihe 42 im wesentlichen identische Reihe sowohl oberhalb als auch unterhalb der Reihe 40a. Die Reihe unterhalb der Reihe 4Oa ist als Reihe 42a bezeichnet. In gleicher Weise ist die Reihe 40b im wesentlichen die gleiche wie die Reihe 40, und sie verläuft hinter der Reihe 42a. Reihe 42b ist im wesentlichen die gleiche wie die Reihe.42 und verläuft hinter der Reihe 40b.

Um zu gewährleisten, daß die Anordnung einwandfrei arbeitet, sind eine Reihe Einschränkungen notwendig. Wenngleich es nicht notwendig ist, daß die Einzelpole 48 genau wie mit Fig. 5 gezeigt, im Verhältnis zu den öffnungen 46 angeordnet sind, so muß doch, nachdem einmal eine bestimmte gegenseitige Zuordnung gewählt worden ist, diese relative gegenseitige Zuordnung über die ganze Anordnung eingehalten werden. Wenn beispielsweise die Längsachse des Einzelpols 48 genau im Verhältnis zu dem vertikalen Durchmesser der öffnung 46 in einer bestimmten 1 : 1-Beziehung ausgerichtet worden ist, so muß die gleiche relative Lage zwischen allen Einzelpolen 48 und Öffnungen 46 beibehalten werden.

In der folgenden Untersuchung der Antennenanordnung ist es einfacher, wenn die Hochfrequenz-Strahlerelemente als die öffnungen 46 und die Niederfrequenz-Strahlerelemente als die Einzelpole

4 0 9 8 0 7/0897

definiert werden. Es versteht sich jedoch, daß unter dem Begriff Hochfrequenz-Strahler der gesamte Aufbau und alle Faktoren zu verstehen sind, wie das in Verbindung mit Fig. 1,2 bzw. 3 erläutert wurde. Ist von dem Niederfrequenz-Strahler die Rede, so umfaßt dies jeweils die gesamte oben in Verbindung mit Fig. 1,2 bzw. 3 erläuterte Information.

Der Raum zwischen den einzelnen durch die Öffnungen 46 repräsentierten Hochfrequenz-Strahler muß in der Größenordnung von einer Hälfte der Wellenlänge der höchsten Frequenz des Hochfrequenz-Bereiches liegen. D. h., der Abstand zwischen den Öffnungen 46 kann nicht größer als diese Strecke sein. Der Abstand zwischen den Einzelpolen 48 ist derselbe wie der Abstand zwischen den Öffnungen 46. Das erfolgt teilweise, um die elementaren Strahleraufbauten, wie sie oben beschrieben wurden, eic leichter zu erhalten. Es erfolgt ferner, um eine Kopplung der Energie von den Hochfrequenz-Strahlern in die Niederfrequenz-Strahler zu vermeiden,und umgekehrt. Darüber hinaus kann bei der Frequenz, bei der gearbeitet wird, d. h. bei einer niedrigen Frequenz, der Abstand der Niederfrequenz-Strahler nicht größer als ein Achtel der Wellenlänge sein. Diese letztgenannte Einschränkung bestimmt dann teilweise den Niederfrequenz-Bereich. Die maximale Frequenz des Niederfrequenz-Bereiches kann nicht größer als ein Viertel der minimalen Frequenz des Hochfrequenz-Bereiches sein, weil die Treiberpunkt-Impedanz der Niederfrequenz-Strahler für weitere Abstände in hohem Maße einen Blindanteil annimmt. Der Abstand zwischen den Niederfrequenz-Strahlern ist so gewählt worden, daß er nicht größer als ein Achtel einer Wellenlänge der niedrigsten Frequenz des Niederfrequenz-Bereiches ist, weil bei niedrigen Frequenzen der Q-Wert (Verhältnis des Blindwiderstands zum Wirkwiderstand) besser wird, d. h. der

e
Q-Wert wird nidriger. Bei einem solchen Aufbau ist das repetitive Niederfrequenz-System einer Stromplatte äquivalent. Der Strom kann als Funktion der Lage in der Platte gesteuert werden.

40980 7/0897

Die einzigen Kopplungsmöglichkeiten sind Einzelpol (Dipol) und/ oder Polleiter für vertikal polarisierte Nahfeld-Wellen. Da diese Wellen in dem Hochfrequenz-Fernfeld nicht existieren, muß der Gesamtbeitrag solcher Wellen jedes Elementar-Hochfrequenz-Strahler-Nahfelds Null sein.

Typische Frequenzbereiche für den Hochfrequenz-Strahler sind 9 bis 10 GHz, für die Niederfrequenz-Strahler dagegen 1,8 bis 2 GHz.

Patentansprüche;

409807/0397

Claims

2339158 - 19 Patentansprüche :

1. Zum Betrieb in ersten und zweiten Frequenzbereichen geeignete Antenne, mit mindestens einem leitenden Streifen und mindestens einem einen offenen Bereich aufweisenden Hohlleiter» gekennzeichnet durch eine Mehrzahl Antennenelemente, die jeweils ein erstes strahlendes Element mit einer Öffnung in einem leitenden Streifen zur Abstrahlung der Energie innerhalb eines ersten ausgewählten Frequenzbandes und ein zweites strahlendes Element, das quer in mindestens einem Abschnitt des offenen Teils des Hohlleiters angeordnet ist, zur Abstrahlung von Energie innerhalb eines zweiten ausgewählten Frequenzbandes aufweisen, sowie dadurch, daß die Abmessungen der Öffnung in dem leitenden Streifen, das zweite strahlende Element und der Hohlleiter so gewählt sind, daß die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten strahlenden Element auf ein Minimum zurückgeführt ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch im wesentlichen identische Antennenelemente.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes erste strahlende Element ein Horn aufweist.

4. Antenne nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zweite strahlende Element einen Dipol aufweist.

5. Antenne nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur selektiven Anbringungßer Hörner und des Hohlleiters und damit zur Bildung der Antenne, deren resultierender Aufbau und deren vorgegebene Betriebs-Einschränkungen so festgelegt sind, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Frequenzbereich eine funktionelle Unabhängigkeit eingehalten wird, und daß die Abmessungen der Hörner, die Dipole und der Hohlleiter bei

40980 7/0897

- 2O -

dieser Unabhängigkeit im Verhältnis zueinander im Hinblick auf die Herabsetzung der Kopplung zwischen den Hörnern und den Dipolen optimiert sind.

6. Antenne nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dipolelement im wesentlichen parallel zu einem zugeordneten leitenden Streifen in Nähe der offenen Seite eines Abschnitts eines offenen Hohlleiters angeordnet ist.

7. Antenne nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten strahlenden Hörnern geringer als die Hälfte der Wellenlänge der höchsten Frequenz in dem ersten Frequenzbereich ist.

8. Antenne nach Anspruch 4,5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Abstand der Dipole der gleiche wie der Abstand der strahlenden Hörner ist.

9. Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein leitender Streifen so ausgebildet ist, daß der Betrieb der Antenne unabhängig von der Leitfähigkeit des mindestens einen leitenden Streifens ist, wobei der Streifen in einem solchen Fall mindestens teilweise dazu dient, den Aufbau der Antenne zu bestimmen, der für eine mechanische Kopplung der funktioneilen Elemente davon sorgt.

KN/sw 3

4Ü9607/0897

Lee rs ei te