DE2619397A1

DE2619397A1 - Antennenanordnung fuer elektromagnetische wellen

Info

Publication number: DE2619397A1
Application number: DE19762619397
Authority: DE
Inventors: Robert John Mcdonough
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-05-01
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1976-11-11
Also published as: CA1056943A; FR2309993A1; JPS5542761B2; US3964069A; JPS51136268A; GB1515787A; FR2309993B1; DE2619397C2; IT1059434B

Description

Ti:!. O C-J/öS S713

München, den 27. April i976
Anwaltsalvtenz.: 27 - Pat.

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173,
Vereinigte Staaten von Amerika

Antennenanordnung lür elektromagnetische Wellen

Die Erfindung "bezieht sich auf Hochfrequenz-Richtantennen und
insbesondere auf eine in einem Λίβΐΐεη BandDereich eine gute Bündelung aufweisende Antennenanordnung für elektromagnetische Wellen zur Erzeugung einer oder mehrerer Strahl-Richtcharakteristiken.

Bekannt ist eine aus Antennenelementen gebildete Antennenanordnung, wobei die Antennenelemente über eine Parallelplatten-Wellenleitungslinse oder Mikrowellenlinse und eine Anzahl von Übertragung sleitungen oder Übertragungswegen in der Weise gespeist
werden, daß ein Riehtstrahl oder eine Richtcharakteristik bzw.
mehrere Richtcharakteristiken der betreffenden Hochfrequenzenergie entstehen. Bei entsprechender Auslegung kann die Antennenanordnung über einen weiten Frequenzbandbereich, beispielsweise über einen Oktavenbereich betrieben werden. Nachdem Anordnungen dieser Art reziprok sind, läßt sich eine solche Antennenanord—
nung auch zum gerichteten Empfang von Ilochfrequenzenergie im
selben Frequenzbandbereich aus einer Richtung oder aus mehreren

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Richtungen verwenden.

Bei einer bekannten Bauform einer Antennenanordnung der vorstehend kurz beschriebenen Art sind eine Reihe von Antennenelementen, zugehörige Übertragungsleitungen, eine Mikrowellenlinse und eine Anzahl von Speiseausgängen auf einem gemeinsamen dielektrischen Substrat unter Anwendung der aus der Herstellung gedruckter Schaltungen bekannten Techniken gebildet. Nachdem das dielektrische Substrat mit den darauf gebildeten gedruckten Schaltungen mit einer oder mit zwei Erdungsplatten zusammengebaut worden ist, je nachdem, ob eine Mikrostreifenleitersehaltung oder eine Streifenleiterschaltung gebildet werden soll, entstehen in dem dielektrischen Substrat für die Hochfrequenzenergie innerhalb eines verhältnismäßig breiten Frequenzbandes abgegrenzte Übertragungswege. Die Abmessungen der verschiedenen Teile der gedruckten Schaltung und ihr gegenseitiger Abstand bestimmen die Eigenschaften der auf diese V/eise gebildeten Antennenanordnung. Im einzelnen ist eine Vielzahl von Speiseausgangen längs eines einem Linsenprofil entsprechenden Bogens angeordnet und die gedruckte Schaltung ist so ausgebildet, daß die elektrischen Weglängen der Übertragungswege zwischen jedem Speiseausgang und den Antennenelementen ganz bestimmte Abmessung besitzen. Wenn sämtliche Speiseausgänge der Mikrowellenlinse mit Hochfrequenzener— gie beaufschlagt werden, so ergeben sich derartige Phasenverschiebungen der Hochfrequenzenergie, welche sich von jedem Speiseausgang zu den Antennenelementen hin ausbreitet, daß eine Vielzahl gleichzeitig auftretender Richtcharakteristiken oder Richtstrahlen der Hochfrequenzenergie gebildet wird, welche jeweils in verschiedene Richtungen weisen. Dieselbe Antennenanordnung kann auch so betrieben werden, daß nur ein einziger !lichtstrahl oder eine einzige Richtcharakteristik entsteht, indem lediglich ein einziger Speiseausgang mit Ilochfrequenzenergie beaufschlagt wird. Zwar kann eine derartige Antennenanordnung in einen weiten Frequenzbandbereich betrieben werden, doch hat sich gezeigt, daß sich der Öffnungswinkel der erzeugten Iliehfc-

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charakteristik oder der erzeugten Richtcharakteristiken invers mit der Frequenz ändert.

Zwar kann eine Änderung des Öffnungswinkels oder der Bündelung Lei einer Änderung der Betrieüsfrequenz in vielen Fällen in Kauf genommen werden, doch gibt es auch Fälle, in denen eine solche Änderung die ordnungsgemäße Wirkungsweise ernstlich stört. Wenn "beispielsweise hei einer Antenne, welche eine Anzahl gleichzeitig auftretender Richtcharakteristiken oder Richtstrahlen erzeugen soll, gewünscht wird, daß der Leistungspegel am Überkreuzung spunkt zwischen benachbarten Richtstrahlen gleich bleibt, so muß jede Veränderung der Strahlöffnung aufgrund von Veränderungen der Betriebsfrequenz vermieden werden. Auch im Falle der Erzeugung eines einzigen Richtstrahles sind Änderungen der Öffnung des Strahles bei Änderungen der Betriebsfrequenz unbedingt zu vermeiden, wenn das Rauschecho bei der Abtastung eines ausgedehnten Bereiches, etwa zur See oder am Land, mittels eines Richtstrahles, vermindert werden soll.

Es ist schon eine Antenne mit einem Richtstrahl konstanten Öffnungswinkels vorgeschlagen worden, bei welcher eine Anordnung von Antennenelementen mindestens einen Richtstrahl erzeugt. Hierbei sind in den jeweils mit bestimmten Antennenelementen der Antennenanordnung verbundenen Schaltungen Dämpfungsmittel vorgesehen, wobei bestimmte dieser Dämpfungsmittel eine frequenzabhängige Kennlinie besitzen, so daß die Amplitudendämpfung der elektromagnetischen Energie über die Anordnung von Antennenelement en hin sich ändert, wenn eine Änderung der Betriebsfrequenz eintritt. Die Dämpfungsmittel haben die Gestalt einer Anzahl von Tiefpaßfiltern, welche jeweils unterschiedliche Grenzfrequenzen innerhalb eines bestimmten Bandbereiches von Betriebsfrequenzen besitzen. Wenn diese Filter in den mit bestimmten Antennenelement en verbundenen Schaltungen liegen, so wird bei einer Zunahme der Betriebsfrequenz die Anzahl der gespeisten Antennenelemente vermindert, wodurch die wirksame Öffnung der An-

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tennenanordnung bezogen auf die jeweilige Wellenlänge konstant gehalten wird. Eine solche Antennenanordnung hat sich zwar in vielen Fällen bewährt, doch ist eine Vereinfachung des Aufbaus und eine Verbilligung der Herstellung wünschenswert.

Durch die Erfindung soll demgemäß die Aufgabe gelöst werden, eine Antennenanordnung für elektromagnetische Wellen zur Erzeugung einer oder mehrerer Strahl-Richtcharakteristiken, mit einer von einer gedruckten Schaltung gebildeten Wellenleitungslinse, die eine Anzahl von Speiseausgängen aufweist, welche mit den Antenneneiernenten der Anordnung über abgegrenzte Übertragungswege gekoppelt sind sowie mit Dämpfungsmitteln, welche in Abhängigkeit von der Frequenz der sich auf den Übertragungswegen fortpflanzenden elektromagnetischen Wellen deren Amplitude verändern, in solcher Weise auszugestalten, daß sich eine bauliche Vereinfachung der Schaltung ergibt und gleichzeitig auch die Herstellung vereinfacht und verbilligt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die frequenzabhängigen Dämpfungsmittel die Gestalt von Hochfrequenzenergie absorbierendem Material haben, welches in bestimmten Bereichen der abgegrenzten Übertragungswege angeordnet ist und in seiner körperlichen Ausdehnung in dem Maße zunimmt, in welchem frequenzabhängig eine zunehmende Amplitudenabdämpfung erfolgt.

Mit einer solchen Anordnung kann der Öffnungswinkel der Strahl-Richtcharakteristik oder der Strahl-Richtcharakteristiken über einen breiten Bandbereich von Betriebsfrequenzen im wesentlichen konstant gehalten werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hochfrequenzenergie absorbierende Material zwischen der Wellenleitungslinse oder Mikrowellenlinse und einer Erdungsplatte angeordnet, wobei sich die Längserstreckung des Hochfrequenzenergie absorbierenden Materials auf den begrenzten Übertragungswegen in solcher

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Weise ändert,daß bei einer Zunahme der Betriebsfrequenz die Anzahl der gespeisten Antennenelemente wirkungsmäßig abnimmt und folglich die Ausdehnung der wirksamen Öffnung der Antennenanordnung bezogen auf die Wellenlänge konstant bleibt.

Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung. Es stellen dar:

Figur 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild mit einer Antennenanordnung der hier vorgeschlagenen Art, woraus die Zuordnung der Antennenanordnung zu den Sendern und Empfängern ersichtlich und die Antennenanordnung zum Teil aufgebrochen dargestellt ist, um Einzelheiten des Aufbaus erkennen zu können,

Figur 2 eine Aufsicht auf eine als gedruckte Schaltung ausgeführte Mikrowellenlinse, welche sich aiii einem dielektrischen Substrat befindet und Teil der in Figur 1 gezeigten Antennenanordnung bildet,

Figur 3 eine Aufsicht auf eines von zwei dielektrischen Substraten, in welche Ilochf requenzenergie absorbierendes Material eingelagert ist, wobei die Form der eingelagerten, Energie absorbierenden Bereiche und die relative Lage zu den abgegrenzten Übertragungswegen der Mikrowellenlinse erkennbar sind und

Figur k eine Kurvendarstellung, in welcher die Frequenz-D ämpfungskennlinie für das Ilochf requenzenergie absorbierende Material aufgetragen ist.

In Figur 1 ist die Antennenanordnung in ihrer Gesamtheit mit bezeichnet und steht in üblicher Weise mit einer Anzahl von Sendern, im vorliegenden Beispiel den achtzehn Sendern 12^ bis 12.„

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und einereiitsprecIiendoiAnzahl von Empfängern 14. bis 1^₁Q jeweils über S ende-Empfang s we ic Ii en l6, bis 16, _ in Verbindung. Die verschiedenen Sender und Empfänger sind durch eine gemeinsame Synchronisiereinrichtung 10 miteinander synchronisiert. Jede der Sende-Empfangsweichen 16. bis l6>„ ist an einen ihr jeweils zugeordneten der insgesamt achtzehn Speiseausgänge über nicht mit Bezugszeiehen versehene Leitungen angeschlossen. Die Speiseausgänge sind mit 20 , 20 . usw. bezeichnet.

Die Antennenanordnung 10 wird von einer Streifenleiterschaltung gebildet, welche als Streifenleiter-Mittelschicht 22 eine als gedruckte Schaltung ausgeführte Mikrowe11enlinse 2h unregelmäßiger geometrischer Gestalt sowie die Speiseausgänge 20 , 20 . usw. enthält, welche längs eines einem Linsenprofil entsprechenden Bogens gelegen sind und sich in der Ebene der Mikrowellenlinse 2h befinden. Letztere ist über nicht bezeichnete Anpassungsabschnitte an eine Vielzahl (vorliegend 68) von Übertragungsleitungen angekoppelt, welche mit 26 , 26 . usw. bezeichnet sind und welche abgegrenzte Übertragungswege für die elektromagnetische Energie zu jedem Antennenelement hin bilden, wobei die Antennenelemente mit 28 , 28 . usw. bezeichnet sind. Die Streifenleitermittelschicht 22 wird auf einer Seite einer dielektrischen Trägerplatte 30 eingeätzt·, welche zunächst beidseitig mit Kupfer beschichtet worden ist. Figur 2 läßt in Aufsicht den Aufbau der Wellenleitungslinse oder Mikrowe11enlinse 2h erkennen.

Aus Figur 1 ist ferner zu ersehen, daß eine weitere dielektrische Platte 52 vorgesehen ist, die auf ihrer Oberseite eine Rupferbeschichtung besitzt, während die Unterseite, die keine Kupferbeschichtung aufweist, an der Streifenleitermittelschicht 22 der Antennenanordnung 10 anliegt. Aus den nachfolgend angegebenen Gründen ist in die mit Jh bezeichnete Unterseite der dielektrischen Platte 30 und in die mit Kupfer beschichtete Oberseite der dielektrischen Platte 32 jeweils Hochfrequenz-

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energie absorbierender Werkstoff 36. bzw. 360 eingelagert. Vorzugsweise wird als Ilochfrequenzenergie absorbierender Werkstoff ein Silikonkautschuk verwendet, welcher von der Firma Emerson & Cuming, Inc., Canton, Mass., Vereinigte Staaten von Amerika unter der Bezeichnung SF-5 in den Handel gebracht wird. Das Ilochfrequenzenergie absorbierende Material 36^ bzw. 36q ist durch leitfähigen Werkstoff abgedeckt, etwa durch ein mit Silber versetztes Dichtungsmaterial 38. bzw. 38«, welches von der Firma Chomerics, Inc., Arlington, Massachusetts, unter der Bezeichnung Gho-Seal 1221 bezogen werden kann. Die zusammengesetzte Anordnung bildet eine Streifenleiterschaltung, wobei die kupferbeschicliteten Selten der dielektrischen Platten 30 und 32 zusammen mit der mit Silber versetzten Dichtung 38^ bzw. 38p Erdungsplatten für die Streifenleiter-Mifctelschicht 22 darstellen. Schließlich enthält die Antennenanordnung 10 noch zwei AluminiuBiblöcke oder Aluminiumplatten hO und 42, welche der Anordnung mechanische Festigkeit verleihen. Die gesamte Antennenanordnung 10 wird in geeigneter Weise zusammengehalten, etwa durch nicht dargestellte Schrauben. Wie im einzelnen in der US-Patentschrift 3 761 936 ausgeführt ist, entstehen Richtcharakteristiken oder Richtstrahlen elektromagnetische Energie, wenn sämtliche Sender 12, bis 12.„ eingeschaltet sind, so daß sich die Energie durch die Antennenanordnung hindurch als TEM-WeIle ausbreitet.

In Figur 3 ist die Form des Ilochfrequenzenergie absorbierenden Werkstoffes gezeigt, welcher in einer der dielektrischen Platten 30 und 32, im vorliegenden Falle in die dielektrische Platte 30 eingelagert ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Gestalt des energieabsorbierenden Werkstoffes 36₂> welcher sich in der dielektrischen Platte 32 befindet, der Form des energieabsorbierenden Einsatzes gemäß Figur 3 entspricht. In gestrichelten Linien sind in Figur 3 auch die Übertragungsleitungen 26. bis 26^-0 angedeutet. Zunächst ist festzuhalten, daß der Hochfrequenz absorbierende Werkstoff in Form des Einsatzes 36^ eine

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Frequenz-Dämpfungskerailinie nach Figur 4 aufweist. Aus Figur 4 ist zu ersehen, daß für ein bestimmtes Längenstück Ilochfrequeiizenergie absorbierenden Werkstoffes sich die Dämpfung mit zunehmender Frequenz erhöht.

Aus Figur 3 ergibt sich, daß bei Zunahme der Betriebsfrequenz über f-, hinaus die Energiemenge von Hochfrequenzenergie, welche die Antennenelemente in der Mitte der Anordnung 10, also diejenigen Antennenelernente, welche über die Übertragungsleitungen 26_oq bis 2o„„ angekoppelt sind, erreicht, stets gleich bleibt. Bei Erhöhung der Betriebsfrequenz wird jedoch die Energiemenge, welche die Antennenelemente an den Rändern der Anordnung, also diejenigen Elemente, welche über die Übertragungsleitungen 26. bis 26₂₈ und 26„ bis 26^₈ angekoppelt sind, erreicht, kleiner. Ist der Einsatz aus Hochfrequenzenergie absorbierendem Werkstoff 36, so geformt, wie in Figur 3 gezeigt ist, so nimmt die effektive Größe der Apertur, wie sie durch die gespeisten Antennenelemente bestimmt ist, bei Zunahme der Betriebsfrequenz von f. auf f. ab. Bezogen auf die Wellenlänge kann festgestellt werden, daß die Größe der Apertur bei Änderung der Betriebsfrequenz von f. auf f, im wesentlichen gleich bleibt. Es sei hier noch bemerkt, daß die verschiedenen Speiseausgänge in der Wellenleitungslinse zu irgend einer Zeit auch mit Hochfrequenzenergie jeweils unterschiedlicher Frequenz gespeist werden können.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann eine Reihe von Weiterbildungs- und Abwandlungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann die Anzahl der Antennenelemente und der Speiseausgänge geändert werden. Weiter können Einsätze 36. und 36„ aus Hochfrequenzenergie absorbierendem Werkstoff mit unterschiedlichen Frequenz-Dämpfungskennlinien in Verbindung mit unterschiedlichen Übertragungsleitungen verwendet werden. Zusätzlich kann die wirksame Längenabmessung des Dämpfungsmaterials für die

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verscliiedenen, zugehörigen Uljertragungswege oder Übertragungsleitungen verändert werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Antennenanordiiung für elektromagnetische Wellen zur Erzeugung einer oder mehrerer Strahl-Richtcharakteristiken, mit einer nach Art einer gedruckten Schaltung gebildeten Wellenleitungslinse, die eine Anzahl von Speiseausgüngen aufweist, welche mit den Antennenelementen der Anordnung über abgegrenzte Übertragungswege gekoppelt sind sowie mit Dämpfungsmittein, welche in Abhängigkeit von der Frequenz der auf den Übertraguiigswcgen sich fortpflanzenden elektromagnetischen Wellen deren Amplitude verändern, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängigen Dämpfungsmittel die Gestalt von Hochfrequenzeiiergie absorbierendem Material (.36,, 36₂) haben, welches in bestimmten Bereichen der abgegrenzten Übertragungswege (24, 26. bis 26^_O) angeordnet ist und in seiner körperlichen Ausdehnung in dem Maße zunimmt, in welchem frequenzabhängig eine zunehmende Aniplitudenabdüiupfung erfolgt.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer gedruckten Schaltung gebildete Wellenleitungslinse (24) eine Erdungsplatte (34) aufweist, die der Wellenleitungslinse elektrisch zugeordnet ist, wobei das Ilochf requenzenergie absorbierende Material (36.,) zwischen der Wellenleitungslinse und der Erdungsplatte angeordnet ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Art einer gedruckten Schaltung gebildete Wellenleitungslinse (24) auf einer Seite eines dielektrischen Substrates (30) gebildet ist und daß sich ein Teil der Erdungsplatte (34) als Leiterbelag auf der anderen Seite des dielektrischen Substrates befindet, wobei das Ilochfrequenzenergie

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absorbierende Material (36..) in dem dielektrischen Substrat eingelagert und mit LeiterwErkstoli (38..) überdeckt ist, welcher ebenfalls Teil der Erdungsplatte bildet.

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