DE2643708A1

DE2643708A1 - Antenne mit schwachen nebenkeulen in der strahlungscharakteristik

Info

Publication number: DE2643708A1
Application number: DE19762643708
Authority: DE
Inventors: James Wilbur Duncan
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1975-09-29
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1977-04-07
Also published as: IT1070787B; JPS6137807B2; FR2326055A1; GB1508726A; FR2326055B1; US4090203A; JPS5243341A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. H. FINCKE DIPL.-ING. H. BOHR DIPL.-ING. S. STAEGER

Patentanwälte Dr. Rndce · Bohr · Staeger · 8 München 5 · Müllerstroße

8 MDNCHEN 5, Müllerstraße 31 Fernruf: (O89)'2ÄiO60 Telegramme: Claims München Telex: 5239 03 claim d

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28. Sept. 1976

Mappe A 523

TRW Inc.

Redondo Beach, California U. S. A.

Antenne mit schwachen Nebenkeulen in der Strahlungscharakteristik

Die Erfindung bezieht sich auf Antennen, insbesondere solche mit einer durch sehr schwache Nebenkeulen ausgezeichneten Strahlungscharakteristik.

Für verschiedene Anwendungen ist es notwendig oder zumindest sehr vorteilhaft, einen Strahl mit einem besonders ge-

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formten bzw. vorgegebenen Q.uei¹ schnitt abstrahlen zu könne. Ein solcher Strahl, ist in der Lage, einen bestimmten Raumwinkel oder ein angegebenes Gebiet auf der Erde im wesentlichen ohne Übergreifen auszuleuchten. Dies ist insbesondere für Nachrichtenübertragungszwecke wichtig, wo eine Satellitenantenne einen bestimmten Landsti'ich, Staat oder eine bestimmte Zeitzone, die alle unregelmäßig geformt sein können, ausleuchten muß. Dies ist insbesondere zur Schonung des Frequenzspektrums wichtig, so daß verschiedene Programme gleichzeitig in verschiedene Zonen ohne gegenseitige Interferenz ausgestrahlt werden können.

Versuche, die Antennenabstrahlung räumlich zu formen, wurden bereits in der Vergangenheit unternommen. Diese Arbeit begann im Zweiten Weltkrieg zum Zwecke der Entwicklung von Mikrowellenantennen für Radaranwendungen. Diese Formung kann durch eine vielelementige Speisegrup— pe bewirkt werden, die wiederum dazu verwendet wird, einen parabolförmigen Reflektor oder eine Linse anzustrahlen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Reflektorform abzuändern, um den Strahl durch Zerstreuung der Strahlung zu formen.

So wurden im Hinblick auf Nachrichtenübertragungsanwendungen Versuche unternommen, ein gewünschtes Gebiet mit einer Vielzahl von aneinander angrenzenden Punktstrahlen auszuleuchten. Jeder Punktstrahl ist der Hauptkeulenquerschnitt einer herkömmlichen Beugungsfigur, welche durch ein einzelnes, einen Reflektor oder eine Linse bestrahlendes Speiseelement erzeugt wird. Die gewünschte Gestalt ergab sich dann durch einfaches Aufsummieren der Signalspannungen der einzelnen Speiseelemente. Mit dieser Technik erhält man jedoch eine schlechte räumliche Gestaltung. Hinzu kommt, daß durch die mehrfachen Spei-

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seeleraente, die gegenüber dem Brennpunkt des Reflektors oder der Linse versetzt sind, starke Nebenkeulen entstellen. Dies bedeutet natürlich, daß Gebiete, die angrenzend an die gewünschte zu überdeckende Zone liegen, mit •wesentlicher Energie bestrahlt werden, was zu äußerst unerwünschten Interferenzen führt.

Ein Grund für die schlechten Ergebnisse liegt darin, daß die Strahlungscharakteristiken aller mit Linsen und Reflektoren arbeitenden Antennen sich ernstlich verschlechtern, wenn das Strahlungselement (der Primärstrahler) aus dem Brennpunkt der Linse oder des Reflektors versetzt wird. Dies gilt insbesondere für einen parabolförmigen Reflektor, weil die durch das Beugungsbild verursachten Nebenkeulen mit der Versetzung des Strahlungselements aus dem Brennpunkt an Amplitude erheblich zunehmen.

Ein Gesichtspunkt der Erfindung is t daher die Schaffung einer Antennengruppe, welche einen Strahl mit im wesentlichen einer Gauß-Verteilung und im wesentlichen ohne Nebenkeulen erzeugt.

Unter einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung eine Antennengruppe eines Typs, welcher sich vergleichsweise einfach verwirklichen läßt, weil jedes Strahlungs— element gleichphasig mit den anderen ist und sich die den Elementen zugeführte Energie einfach bestimmen läßt, wobei die Erregungskoeffizienten der Elemente nicht komplex, sondern reell sind.

Unter einem dritten Gesichtspunkt schafft die Erfindung eine Antenne des diskutierten Typs, wo sich der Abstand zwischen den Strahl .igselementen und die Leistungserregung

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für das gewünschte Ergebnis eines Gaußsch geformten Strahls leicht berechnen läßt.

Unter einem vierten Gesichtspunkt schafft die Erfindung eine Antennengruppe, welche in der Lage ist, einen Strahl vorgegebener Form im wesentlichen ohne Übergreifen und mit im wesentlichen Gaußscher Verteilung zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Antennensystem besteht aus einer oder mehreren Basis-Untergruppen. Eine Untergruppe kann aus neun im Quadrat angeordneten Elementen bestehen,d.h. aus drei Reihen zu je drei Elementen.

Die Elemente werden mit einer abzustrahlenden Welle so gespeist, daß jedes Element in Phase mit den anderen ist, wobei die Leistung entsprechend dem gewünschten Ergebnis vorgegeben wird. Beispielsweise werden bei der Sieben-Element-Untergruppe die längs eines Kreises angeordneten äußeren Elemente alle mit der gleichen Leistung gespeist, während das mittlere Element mit dieser Leistung multipliziert mit einer Konstanten gespeist wird.

Die Elemente sind an eine Fokussiereinrichtung, wie etwa einen versetzt angeordneten, d.h. schräg eingestrahlten, parabolförmigen Reflektor oder eine Linse, gekoppelt.

Die Strahlungselemente können beispielsweise jeweils aus einem Horn oder einem Paar gekreuzter Dipole bestehen. Natürlich können anstatt dessen auch andere bekannte Strahlungselemente verwendet werden.

Im Prinzip ist die Anordnung so, daß im wesentlichen die gesamte Strahlung außerhalb eines vorgegebenen Musters

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- 3

durch. Interferenz weggehoben -wird. Mit anderen Worten, die Verteilung ist Gaußsch und die Nebenkeulen sind im wesentlichen auf einem Minimalwert.

Die Merkmale der Erfindung finden sich insbesondere in den Ansprüchen, Ausführungsbeispiele der Erfindung, sowohl hinsichtlich ihrer Organisation als auch ihrer Betriebsweise, werden im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Antennengruppe mit mehreren, etwa als Hörner ausgebildeten Strahlungselementen und einem schräg eingestrahlten parabolförmigen Reflektor,

Pig. 2 eine perspektivische Ansicht einer aus sieben Elementen bestehenden Gruppe von Hornstrahlern, die, z.B., eine Basis-Untergruppe bilden,

Pig. 3 eine Draufsicht eines Stripline—Leistungsteilers zur Speisung der sieben Elemente aus Pig. 2,

Pig. 4 eine Seitenansicht eines der Hörner aus Pig. 2,

Pig. 5 eine von Linie 5-5 der Pig. 4 genommene Endansicht ,

Pig. 6 eine von Linie 6-6 der Pig. 4 genommene Endansicht,

Pig. 7 eine Seitenansicht einer Befestigung für das Horn aus Fig. 4,

Pign« 8, 9> 10a u. 10b Darstellungen der Geometrie eines parabolförmigen Reflektors und seines Brennpunkts, .welche zur Erklärung des Aufbaus des in den Pign. 1-7 dargestellten Antennensystems dienen,

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Pig. 11 eine schematische Draufsicht einer aus sieben Strahlungselementen bestellenden Basis-Unter— gr upp e,

Fig. 12 eine schematische Draufsicht einer weiteren, aus neun Strahlungselementen bestehenden Basis—Untergruppe gemäß der Erfindung,

Fig. 13 eine schematische Draufsicht einer aus I3 Strahlungselementen bestehenden Antennengruppe, die durch Überlagerung von mehreren der Untergruppen gemäß Fig. 11 erhalten ist,

Fig. i4 eine schematische Draufsicht einer aus 20 Strahlungselementen bestehenden Antennengruppe, die ebenfalls durch Überlagerung von mehreren Basis-Untergruppen des in Fig. 11 gezeigten Typs erhalten ist,

Fig. 15 eine schematische Draufsicht einer aus 18 Strahlungselementen bestehenden Antennengruppe, die einen dreieckförmigen Strahl liefert und sich durch Überlagerung von mehreren der Basis—Untergruppen gemäß Fig. 11 erhalten läßt,

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht zweier gekreuzter in einem Reflektortopf angeordneter Dipole, die sich als eines der Strahlungselemente der erfin— dungsgemäßen Antennengruppe verwenden lassen,

Fig. 17 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antennengruppe, die von einer Hohlleiter-Zonenlinse aus Metall anstelle eines Reflektors Gebrauch macht,

Fig. 18 ein Diagramm der" gemessenen Strahlungscharakteristik eines Reflektors des in Fig. 11 dargestellten Typs bei einer Frequenz von 3>95 Gigahertz und

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Fig. 19 ein Diagramm der gemessenen Kurven gleichen Gewinns für die 20 Element-Gruppe der Pig. 14 unter Verwendung von Paaren gekreuzter Dipole, wie sie in Pig, 16 gezeigt sind, anstelle der Hornstrahler der Fign. 1 bis 7.

Xn den Fign. 1 bis 7 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die — als Beispiel — eine Basis-Untergruppe aus sieben Strahlungseiementen aufweist. Die sieben Strahlungselemente können, beispielsweise,' aus Hörnern bestehen und so angeordnet sein, daß sechs Elemente im Kreis herum um einen zentralen Strahler angeordnet sind. Ferner weist die Ausführungsform der Fign. 1 bis 7 einen außerachsigen Reflektor^ wie beispielsweise einen parabolförmigen Reflektor, auf.

In Fig. 1 ist ein Reflektor 20, z.B. ein parabolförmiger Reflektor, dargestellt, der außerachsig, d.h. schräg durch eine Strahlergruppe 21 ausgeleuchtet wird. Der Reflektor 20 und die Strahlergruppe 21 können starr auf einem Träger 22 montiert sein, wobei dieser die Gruppe 21 mit Hilfe zweier Platten 23 hält. Tatsächlich besteht die Antennengruppe der Fig. 1 aus mehr als sieben Elementen. Weiter unten werden, insbesondere unter Bezug auf die Fign. 11 bis 15» verschiedene Anordnungen von Strahlungselementen beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine Gruppe 25 von (als Beispiel) als Hörner 26 ausgebildeten Strahlungselementen. Wie oben dargelegt, besteht die Gruppe 25 aus sieben Elementen, die als eine der Basis-Untergruppen der Erfindung bezeichnet werden kann. Die sieben Hörner 26 können zwischen zwei im Abstand voneinander angeordneten kreisförmigen Platten 27 und 28 befestigt sein, wobei diese durch Abstandselemente 30.in ge-

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eignetem Abstand gehalten werden. Jedes der Hörner 20 wird durch eine Koaxialleitung, wie sie bei 3I gezeigt ist und nachfolgend in Verbindung mit Fig-. 3 erläutert wird, gespeist. Ferner kann in dem Kasten 32, von welchem die Koaxialleitungen ausgehen, auch ein Streifenleiter (Stripline) angebracht sein.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung, mit welcher die Leistung von einer Quelle 33 für einen modulierten Träger aus auf die sieben Hörner 26 der Fig. 2 ver feilt wird. Die Quelle 33 für einen modulierten Träger speist beispielsweise"12 Leistungseinheiten in zwei Streifenleitungen 3h und 35 t die die Eingangsleistung gleichmäßig aufspalten. Daher sind an jeder der Streifenleitungen 34 und 35 sechs Leistungseinheiten verfügbar. Die Leitung 24 kann sich ihrerseits so in zwei Leitungen 36 und 37 aufspalten, daß vier Lei s tungs einheit en an Leitung 3°- und zwei an Leitung 37 verfügbar sind. Nachfolgend wird die an Leitung 36 verfügbare Leistung wieder in zwei Teile aufgespalten und ist an Streifenleitungen 38 und 40 verfügbar, wobei jeder Teil seinerseits wieder an den Verbindungen 41 bzw. 42, ebenso wie die Leistung an der an die Leitung 37 angeschlossenen Verbindung 43, gleichmäßig aufgespalten wird. Das Ergebnis dessen ist, daß die an den Koaxialleitungen 44, 44', 44'' usw. verfügbare Leistung sich auf eine Leistungseinheit beläuft. Auf der anderen Seite beläuft sich die an der Koaxialleitung 45 verfügbare Leistung auf sechs Leistungseinheiten. Die Bedeutung der den einzelnen Koaxialleitungen zugeführten Leistungen wird nachfolgend erklärt.

Es ist zu beachten, daß die einzelnen Koaxialkabel, wie etwa 44 und 45» unterschiedliche physische Länge haben

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können. Der Grund dafür ist der, daß ihre elektrische Länge zwischen einer Streifenleitung und dem zugehörigen Horn für jeden der Fälle dieselbe sein sollte, damit die den Hörnern zugeführten Signale gleichphasig sind. Es versteht sich, daß die Stecker, wie etwa 46, einen geeigneten elektrischen Übergang zwischen den einzelnen Streifenleitungen, wie etwa 35» und den zugehörigen Koaxialkabeln liefern.

Die Fign. 4 bis 7 zeigen die Einzelheiten des Aufbaus eines Hornes 26. Die Hörner sind so konstruiert, daß sie einen Übergang von einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt auf einen solchen mit kreisförmigem Querschnitt bieten. Daher_besteht, wie in Fig. 5 gezeigt, das enge Ende des Horns 26 aus einem rechteckigen Abschnitt 47 j welcher durch einen Teil des zugehörigen Koaxialkabels 50 bildenden Koppelstift 48 erregt wird. Wie bei 51 deutlich zu sehen, hat das Horn 26 an gegenüberliegenden Seiten platte Flächen, die allmählich in einen bei 52 in den Fign. 5 'und 6 gezeigten kreisförmigen Umriß unter Verjüngung auslaufen. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann das Horn einen zylindrischen Abschnitt 53 aufweisen, welcher in einen sich konisch erweiternden Abschnitt 54 übergeht. Fig. 7 zeigt einenmit dem Horn 26 verbundenen Flansch 55* Der Flansch 55 läßt sich an den rechteckigen Hohlleiter 47 "und den Koppelstift 48 anschließen.

Es ergibt sich also, daß jedes der Hörner 26 durch eine Quelle für einen modulierten Träger so gespeist wird, daß die Wellen in allen Hörnern in Phase sind, jedoch unterschiedliche Leistung haben können. Xm einzelnen wird dies hier in Verbindung mit den Fign. 12 bis Λ 5 erläutert.

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Die Fign. 8, 9₅ 10a und 10b zeigen die geometrische Beziehung zwischen einem versetzten parabolförmigen Reflektor und einer Mehrgruppen-Antennenspeisung. Ferner zeigen sie die Beziehung zwischen den Koordinaten der Speiseebene und den Grundkoordinaten, die sich auf den Brennpunkt des Reflektors beziehen. Fig. 8 zeigt den Reflektor und das zur Definition der Reflektorgeometrie verwendete rechtwinklige Koordinatensystem (x,y,z). Fig. zeigt das zur Beschreibung der Strahlungscharakteristik der Antenne verwendete sphärische Koordinatensystem (r, Q , φ). Antennendiagramme werden als Funktion des von der z-Achse aus für einen festen Winkel ψ gemessenen Polarwinkels θ gemessen und dargestellt. Das Diagramm für die yz-Ebene erhält man für φ = 7Γ/2,

Der Reflektor 20 umfaßt einen außerachsigen Sektor eines Rotatxonsparaboloids (Mutterparaboloid) mit einem Durchmesser D und einer Brennweite F. Der Brennpunkt des Paraboloids liegt um Ursprung 0 des rechtwinkligen Koordinatensystems (x,y,z). Die Reflektoroberfläche (außer— achsiger Sektor) wird durch den Schnitt eines geraden Kreiskegels mit Kegelhalbwinkel Of₂ ^-^i )/^{2 mit der Obei>}flache des Mutterparaboloids definiert. Die Achse des Kegels (die negative ζ'-Achse) liegr in der xz-Ebene bei einem "Winkel ^^(^ +ψ )/2, gemessen von der negativen z— Achse. Die in die xy-Ebene projizierte Apertur des versetzten Reflektors ist im Querschnitt kreisförmig und hat einen Durchmesser D. Bei Blick senkrecht zur xy-Ebene wird das Unterende des Reflektors durch die Koordinate X₁ und den zugehörigen Winkel ψ ₁ definiert. Das Oberende wird durch die Koordinate x_? und den zugehörigen Winkel Ψ^, definiert, wobei x_p = D /2. In der Praxis wird die Gros— se X₁ so gewählt, daß sichergestellt ist, daß das Speisesystem die Öffnung des Reflektors nicht blockiert (von

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der Reflektoroberfläche parallel zur z-Achse herkommende Strahlen nicht unterbricht). Die Winkel ^f₁ und ψ _ "werden definiert durch die Gleichungen

tan £

^tan

Es ist klar, daß X₁ +D=D /2 ist und daß die Mitte der projizierten kreisförmigen Apertur bei χ =x + D/2, y=0

C I

erscheint.

Ein einzelnes Speiseelement (ein Horn- oder ein Hohlleiterstrahler, beispielsweise) ist mit seinem Phasemittelpunkt im Ursprung O und mit der Symmetrieachse des Horns in einem Winkel ^vf_o angeordnet, so daß die Richtcharakteristik des Horns in Richtung der negativen ζ'-Achse verläuft. Mehrfachspeiseelemente (eine Gruppe von Hörnern beispielsweise) werden mit ihren Phasenmittelpunkten in der P'-Ebene angeordnet, die durch den Ursprung und senkrecht zur ζ'-Achse verläuft. Daraus folgt, daß die P'-Ebene senkrecht zur xz-Ebene verläuft und die y-Achse enthält. Der Schnitt der P'-Ebene mit der xz-Ebene ist durch die gestrichelte Linie in Pig. 8 angedeutet. Die Beziehung zwischen den Koordinaten (x',y',O) der Speiseebene (P--Ebene) und dem Grundkoordinatensystem (x,y,z) ist in den Fign. 10a und 10b gezeigt. Ein mit seinen Phasemittelpunkt an der Stelle P₁ angeordnetes Speiseelement hat P'-Ebene-Koordinaten

X^f = O COS

y' = g
z' = O

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wobei j = j(x') + (y¹) und tan ·φ ' = (x'/y¹) ist. Die den P'-Ebene-Koordinaten entsprechenden Grundkoordinaten des Punktes P₁ sind

X = <> COSU)¹ COS+-

y = P sind)*

ζ= ο cos*)/^{1 sinV}fn

Es ist zu beachten, daß y und y^f in den zwei Koordinatensystemen identisch, sind. ¥enn mehrere Hörner oder ähnliche Strahler mit ihren Phasemittelpunkten in der P'—Ebene angeordnet sind, dann verlaufen die Hornachsen (d.h. die Ach— sen der Strahlungscharakteristiken der Elemente) senkrecht zur P'-Ebene in negativer ζ'-Richtung.

Fig. 11 zeigt die schematische Darstellung einer Basis-Untergruppe aus sieben Elementen des in Fig. 2 gezeigten Typs. Es versteht sich jedoch, daß jedes der Strahlungselemente statt aus einem Horn aus einem offenen Hohlleiter oder als weiterer Möglichkeit aus zwei Paaren gekreuzter Dipole des in Fig. 16 gezeigten Typs, aus Schlitzgruppenspeisungen, aus einem einzelnen oder gekreuzten Schlitzen oder aus ähnlichen bekannten Strahlern bestehen kann.

Die Fig. 11 kann als Draufsicht einer Untergruppe von Strahlern betrachtet werden. Wie weiter oben erklärt, besteht die Gruppe aus sechs im Kreis angeordneten Strahlern 56 und einem mittleren Strahler 57. "Wie durch die gestrichelten Linien 59 gezeigt, bilden die Elemente gleichseitige Dreiecke, wobei der Abstand zwischen angrenzenden Elementen, wie gezeigt, S ist. Ferner ist ein Koordinatensystem x' und y· gezeigt, welches beispielsweise dem Ko-

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ordlnatensystem der Pig. 10b entspricht. Die in Fig. 11 gezeigten Kreise entsprechen den oben behandelten Lagen der Elemente in der P'-Ebene. Die Mitte jedes Kreises definiert die Mitte der Lage des Elements oder der Wellenphase.

Die Koeffizienten der Spannungsamplitude der äußeren bzw. Kreiselemente $6 sind gleich und können mit a~ bezeichnet werden, während man diejenigen des mittleren Elements durch Multiplikation von a_Q mit einer Konstanten k (ka_Q) erhält.

Es ist zu beachten, daß die Konstante k eine positive reelle Zahl ist. Sie hängt von der Gestaliung des Reflektors oder der Linse ab, der bzw. die durch die Gruppe bestrahlt wird. Es ist daher eine für die Basis-Untergruppe der Fig. einzigartige Charakteristik, daß die Koeffizienten für die Spannungsamplitude jedes der Strahlungselemente nicht komplex, sondern reell sind. Dies bedeutet natürlich, daß die Gruppenelemente elektrisch in Phase sind und sich voneinander nur durch ihre Amplitude bzw. Leistung unterscheiden.

Der Abstand S und der Wert der Konstanten k werden durch die Optimierung der mittleren Nebenkeulenamplitude des durch die Untergruppe aus Fig. 11 erzeugten Strahlungsbilds bestimmt, wenn diese als Speisung für eine Linse oder einen versetzten Reflektor verwendet wird. Es hat sich gezeigt, daß der Abstand S typischerweise im Bereich zwischen 3/4 Λ und 5/4/\ liegt, wobei die Wellenlänge des Signals oder der Welle ist. Im besonderen ist S ungefähr gleich demjenigen Abstand, der bewirkt, daß sich die Hauptkeulen, die aus den Hauptmaxima der durch zwei angrenzende Speiseelemente er-

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zeugten Beugungsbilder bestehen, bei einem relativen Gewinnpegel von -3 db durchsetzen bzw. überschneiden. Anders ausgedrückt, ist S ungefähr gleich demjenigen. Abstand, der dazu führt, daß die Winkeltrennung zwischen den Maxima zweier angrenzender Keulen der eingeschlossenen Keulenbreite eines Punktstrahls am Leistungshalbwerts- oder -3 db-Pegel entspricht. Für eine Reihe von versetzten Reflektoren ergab sich, daß der optimale "Wert für S ungefähr 1,0 λ ist.

Das Studium einer Reihe von Linsen- und Reflektorgestal— tungen hat gezeigt, daß die Konstante k im Bereich zwischen 2 und 3 liegt. Pur einige spezielle versetzte Reflektoren ergab sich ein optimaler Wert für k von 2,45.

Es ist natürlich bekannt, daß der Leistungsamplituden— Koeffizient für jedes Element proportional dem Quadrat des Spannungsamplitudenkoeffizienten ist. Wenn daher, wie weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 3 angegeben,a„, die Leistungszufuhr zu jedem der äußeren Elemente 56, gleich 1 ist, dann wird das mittlere Element mit k erregt, was ungefähr gleich 6 Leistungseinheiten ist. Das Verteilernetzwerk der Fig. 3 wurde vor dem Hintergrund dieser Werte ausgelegt. Die 6 Leistungseinheiten entsprechen ungefähr 2,45» dem oben gefundenen Wert für k, im Quadrat, Daraus ergibt sich, daß die gesamte an die Untergruppe gelieferte Leistung 12 Einheiten beträgt, von denen die Hälfte zum Treiben des mittleren Elements und der Rest zu gleichen Teilen zum Treiben der äußeren im Kreis angeordneten Elemente 56 verwendet wird.

Die siebenelementige Grundgruppe aus Fig. 6 wurde mit einer speziellen Ausrichtung bezüglich der x^f »y'-Achsen dargestellt.

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dies ist jedoch, nur Konvention. Es hat sich gezeigt, daß die Strahlungscharakteristik der Untergruppe aus Fig. 11 unabhängig von der Lage der Gruppe ist. Die Untergruppe kann daher in beliebiger Weise aus der in Fig. 11 gezeigten Lage verschoben oder verdreht werden.

Die unten gezeigte Tabelle 1 faßt die diskutierten und in Fig. 11 gezeigten Elementlagen und Erregungskoeffizienten zusammen.

TABELLE 1

Spannungsamplituden· χ Vs y'/S Koeffizient

ka₀

^aO ^aO ^aO

^ao ^ao ^ao

Fig. 12 zeigt eine andere Basis-Untergruppe gemäß der Erfindung. Diese Untergruppe besteht aus neun Elementen, welche in drei Reihen zu je drei Elementen angeordnet sind. Die vier Eckelemente sind mit 58 bezeichnet, die vier Seitenelemente mit 60 und das Mittelelement mit

O	0
1.0	0
-1.0	0
0.5	0,866
-0,5	0,866
0,5	-0,866
-0,5	-0,866

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61. Es kann willkürlich, angenommen werden, daß die Elemente 58 eine Spannungsamplituden-Koeffizienten a~ , die Elemente 6O einen Koeffizienten a haben und schließlich daß das Element 61 einen Koeffizienten a_o hat. Wieder sollte beachtet werden, daß die entsprechenden Spannungsamplituden-Koeffizienten reell und nicht komplex und daß deshalb die entsprechenden Strahler elektrisch miteinander in Phase sind.

Wiederum ist der Abstand bzw. Zwischenraum zwischen zwei angrenzenden Elementen, wie etwa 58 und 6O, S. Die Gruppe ist in einer bestimmten Anordnung bezüglich den Achsen x¹ und y¹ gezeigt. Aus der gestrichelten Linie ergibt sich, daß vier angrenzende Elemente auf einem Quadrat angeordnet sind.

Ein Wert für S wird wiederum in der oben beschriebenen Weise durch eine Optimierungsuntersuchung zur Minimierung von mittleren Nebenkäulenamplituden erhalten. Wieder wurde durch Untersuchung einer Reihe von versetzten Reflektoren gefunden, daß ein typischer Vert für S gleich 1,0 ist. Auch ergab sich aus einer Untersuchung der Amplitudenverhältnxsse a₁/a_n und a /a.. , daß a. = ka~ und a = ka. , Xn diesem Fall ist k ungefähr 2,45.

Die Elementlagen und Erregungskoeffizienten der Basis-Untergruppe aus Fig. 12 sind in der folgenden Tabelle 2 gezeigt.

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TABELLE 2

x'/S	y'/s	Spannungsamplituden- Koeffizient
1,0	1,0	^ao
ι,ο	0	^a1 ^{= ka}0
1,0	-1,0	^ao
0	1,0	^al = ^ka0
0 0	0 -1 ,0 .	a = ka
1,0	1,0	^ao
1,0	0	^a1 = ^ka0
1,0	-1,0	^a0

Wie im Falle der Gruppe gemäß Pig. 11 weist die Neun-Element-Gruppe der Pig, 12 eine Strahlungscharakteristik auf, welche von der Lage der Gruppe bezüglich des Ursprungs x' = 0, y¹ = 0 unabhängig ist. Daher kann die Untergruppe aus Pig. 12 eine beliebige Lage in der P*-Ebene einnehmen.

Die Untergruppen der Fign. 11 bzw. 12 erzeugen, wenn sie zur Einstrahlung auf eine Linse oder einen Reflektor verwendet werden, im wesentlichen einen Punktstrahl mit kreisförmigem Querschnitt und vernachlässigbaren Nebenkeulen, Mit anderen Worten, jeder Strahl hat im wesentlichen eine Gauß-Verteilung und im wesentlichen keine Nebenkeulen. Es ist

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nun möglich, eine Anzahl von Untergruppen zu überlagern, um eine größere Gruppe von Speiseelementen zu definieren. Dies erzeugt einen Strahl mit geformtem oder vorgegebenem Querschnitt« Wie das unter Verwendung der siebenelementigen Basis-Untergruppe aus Fig. 11 bewirkt werden kann, wird nun in Verbindung mit den Fign. 131 i4 und 15 erklärt. Es versteht sich, daß das gleiche Vorgehen ebensogut für die neunelementige Basis-Untergruppierung der Fig. 12 gilt.

Fig. 13 zeigt also eine Antennengruppe, die aus I3 Elementen besteht und sich beispielsweise durch Überlagerung von zwei siebenelementigen Gruppen des in Fig. 11 gezeigten Typs gewinnen läßt. Die Gruppe der Fig. I3 kann so aufgefaßt werden, daß sie drei mittleren Elemente 62, 63 und 64, entsprechend den beiden siebenelementigen Untergruppen, aus denen sie besteht, hat. Die Gruppe der Fig. kann ferner so betrachtet werden, daß sie Sätze von Aussenelementen, nämlich die drei Außenelemente 65» die drei Außenelemente 66, die zwei Außenelemente 6j angrenzend an die Elemente 64, und die letzten zwei Außenelemente 68 angrenzend an die Elemente 66, hat.

Die Spannungsamplitudenkoeffizienten der Elemente 65 und 67 können mit a₁ und ähnlich diejenigen der Elemente 66 und 68 mit a bezeichnet werden, entsprechend den beiden Sieben-Element—Untergruppen, aus denen sie besteht. Demgemäß sind die Koeffizienten der Mittelelemente 62, 63 und 64 ka₁, (a₁ + a„) bzw. ka„, Mit anderen ¥orten, die Gruppe der Fig. I3 läßt sich als aus zwei Sieben-Elemen-Basisunter-

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bestellend betrachten. In diesem Pall ist nur das Element 63 den beiden Gruppen gemeinsam.

Eine weitere Möglichkeit besteht jedoch darin, die Fig. I3 als durch Überlagerung von 3 Sieben-Element-Basisuntergruppen gebildet; zu betrachten. In diesem Falle ist der Spannungs amplitudenkoeffizient des Elements 65 wiederum a und ähnlich derjenige des Elements 76 &ο· Jedoch ist der Koeffizient des Elements 6j (a..+ a_) , während derjenige des Elements 68 (a_+ a ) ist. Schließlich sind die Koeffizienten

der drei Mittelelemente 62, 63 und 6k (ka. + a„), (a.. + ka„ + a ) bzw. (a₂ + ka ).

Die sich aus der Überlagerung der Untergruppen ergebende Strahlform hängt von den Amplituden der Untergruppensätze relativ zueinander ab. Außerdem hängt sie von der geometrischen Anordnung der Elemente ab. Folglich wird die Gruppe aus Fig. I3 im allgemeinen Strahlen mit elliptischem Querschnitt hervorbringen»

Es sollte beachtet werden, daß lineare Überlagerung nicht nur die Addition von Untergruppen, sondern auch deren Subtraktion beinhaltet. Die Subtraktion erhält man leicht, in dem man eine Untergruppe um 180 phasenverschoben gegenüber der anderen speist. Das kann zur Einführung einer Null in die Strahlungscharakteristik benutzt werden.

Eine komplexere Antennengruppe ist in Fig. lh dargestellt. Diese besteht aus 20 Elementen und kann als durch Überlagerung von 6 sechseckigen Untergruppen des in Fig. 11 gezeigten Typs erhalten betrachtet werden.

Die Außenelemente JO mögen Spannungsamplitudenkoeffizienten a₁ haben. Die korrespondierenden drei Außenelemente 7"¹ mögen

7 0 9 8 U / 0 7 8 A

Koeffizienten a,- haben. Angrenzende Außenelemente 72 und

73 haben Koeffizienten (a₁ + a ) bzw. (a_ + a ). Elemente

74 haben Koeffizienten a . Element 75 hat einen Koeffizienten (a + a„) und Element 76 einen Koeffizienten (a_ + a^). Die korrespondierenden anderen Außenelemente 77, 78 und 80 haben Koeffizienten (a₁ + a +/a.), a. bzw.

· + a + a^r). Schließlich haben die sechs Mittelelemente 81, 82, 83, 8k, 85 und 86 Koeffizienten b₁, b_g, b , b^, b- bzw. b,-.

Daraus ergibt sich, daß das Mittelelement 81 sechs umgebende Randelemente hat, jedes mit einer Amplitude a., usw. Mit dieser Betrachtungsweise läßt sich ein Satz von linearen simultanen Gleichungen aufstellen, welcher für die unbekannten Koeffizienten a., wobei i eine der Zahlen 1 bis ist, gelöst werden kann. Die entsprechenden Koeffizienten b. definieren die Amplitudenverteilung, die sich über der zusammengesetzten Gruppe aus überlagerten Basis-Untergruppen ergibt,

Dieser Satz von Gleichungen läßt sich, wie folgt, in Matrixform schreiben:

k	I	0	0	0
1	k	1	1	0
0	1	k	1	1
0	1	1	k	1
0	0	1	1	k
0	0	0	0	1

0	^al	^bl
0	f ^a2	^b2
0	^a3	^b3
0	^a4	^b4
1	^a5	^b5
k

70 9 8U /078k

is*

Eine spezielle Lösung der Matrix (4) wurde für den Fall, wo k = 2,45 ist,

b₁ = 10,0, b₂ = 10,467, b₃ = 10,467, b₄ = 7,0, b = 10,467, und b₆ = 10,0

erhalten.

Mit diesen Werten ergibt die Lösung der Matrix (4) das folgende Ergebnis

a₁ = 3,470 a₂ = 1,499 a₃ = 2,858 a₄ = 0,467 a₅ = 1,499 a₆ = 3,470

Die Elementlagen und Amplitudenkoeffizienten für die Gruppe aus Fig. 14 sind in Tabelle 3 zusammengestellt.

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χ' /S O

-ι,ο

-1,0

0,5

-0,5 -1,5

0,5

-0,5 -1,5

1,0

-1,0 1,0 0

-ι,ο

1.5

0,5

-0,5

TABELLE 3

y VS	Spannungs aiapli t uden Koeffizient
2,598	3,47
2,598	3,47
2,598	3.47
2,598	3.47
1,732	4.969
1,732	10,0
1,732	3.47
1,732	4,969
1,732	10,0
1,732	3,47
0,866	4,357
0,866	10,467
0,866	5,436
0,866	4,357
0,866	10,467
0,866	5,436
0	2,858
0	10,467
0	7,0

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Es ist zu beachten, daß es nicht notwendig ist, gleich sechs Mittelelemente in der Gruppe nach Fig. 14 zu definieren. Beispielsweise kann das Element 82 anstatt als Mittelelement als Randelement einer hexagonalen Untergruppe betrachtet werden.

Es ist auch möglich, sechs hexagonale Basis-Untergruppen des in Fig. 11 gezeigten Typs so zu überlagern, daß sie einen dreieckförmigen Strahl erzeugen. Eine solche Anordnung ist in Fig, Λ 5 gezeigt. Hier mögen die sechs Elemente 87 einen Spannungsamplitudenkoeffizienten a_n haben. Die sechs Elemente 88 mögen einen Koeffizienten 2 a_Q haben. Die drei Mittelelemente 90 mögen einen Koeffizienten (a, ·+■ 2 a_Q) und·schließlich die drei verbleibenden Elemente 91 einen Koeffizienten (a.. + 4 a_n) haben.

Aus dem oben Erklärten läßt sich leicht entnehmen, wie Mehrgruppenantennen aufgebaut und die Abstände zwischen den Elementen und die Leistungszufuhr leicht bestimmt werden können.

Es ist offenbar, daß die Antennengruppen nach der Erfindung auch für Mehrstrahlenantennen geeignet sind. Mit anderen Worten, es ist möglich, mehr als einen Strahl gleichzeitig zu/-·.erzeugen, indem man verschiedene Strahler des Systems mit verschiedenen Signalen erregt. So kann jeder der Strahlen eine eigene Information oder ein eigenes Programm tragen. Die Strahlen können beispielsweise durch die Richtung ihrer Polarisation oder durch die Tatsache, daß ein Strahl linkszirkular und der andere rechtszirkular polarisiert ist, unterschieden werden.

Wie weiter oben bereits darauf hingewiesen, lassen sich

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auch, viele andere Strahlertypen statt der beispielsweise in den Pign. 2 und 4 bis 7 dargestellten Hörner verwenden.

So zeigt Pig. 16 beispielsweise zwei Paare gekreuzter Dipole, die in einem reflektierendem Tropf angeordnet sind. Wie in Fig. 16 gezeigt, sind zwei Paare von Dipolen 92 und 93 vorgesehen. Sie erregen einen aus einem reflektierenden Zylinder bestehenden Topf Jk. Die einzelnen Dipole werden zeitlich um 90 phasenversetzt erregt. Sie können beispielsweise durch eine 90 —Gabelschaltung getrieben werden. Das Ergebnis ist, daß jeder der Töpfe 94 einen zirkulär polarisierten Strahl abstrahlt. Es ist leicht einzusehen, daß sich auf diese Weise ein zirkulär polarisierter Strahl erhalten läßt, der entweder rechts herum oder links herum polarisiert ist.

Es liegt auf der Hand, daß sich anstelle eines Reflektors eine Linse verwenden läßt. Aus allgemeinen optischen Prinzipien ergibt sich, daß jeder Reflektor durch eine Linse ersetzt werden kann. Eine solche Anordnung ist in Fig. 17 dargestellt. Hier ist wieder eine Antennengruppe 95 gezeigt, die mit geeigneten Befestigungselementen 97 auf einer Platte $6 befestigt ist. Im Abstand von der Gruppe ist eine Linse 100 angeordnet, die beispielsweise eine herkömmlich, aufgebaute Hohlleiterzonenlinse aus Metall sein kann. Wie in Fig. 17 deutlich zu sehen, kann ein Linsenhohlleiter gestuft sein, um durch Entfernung eines Abschnitts einer Wellenlänge das Gewicht der Linse zu vermindern. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß solche Linsen bekannt sind und nicht Teil der Erfindung bilden.

Die in den Fign. 1 bis 7 dargestellte Antenne wurde praktisch ausgeführt und getestet. Diese Antenne entspricht

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der siebenelementigen Basis-Untergruppe aus Fig. 11. Die Antenne hat sieben runde Wellenleiterhörner. Die Hornöffnung hat einen Durchmesser von 1,0 Λ > entsprechend 7,62 cm (3,0 inch) bei einer Frequenz von 3,95 Gigahertz, Der Abstand S betrug 1,O ,\ , so daß die HornÖffnungen aneinander anstießen. Der Reflektor, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, hat die folgenden Abmessungen;

Aperturdurchmesser D = 182,88 cm (j2 inch)

Brennweite F= 137,16 cm (54 inch)

Größe X₁ = 45,72 cm (18 inch)

Größe χ = 137,16 cm (54 inch)

Mutterdurchmesser D = 457,20 cm (180 inch)

•F/D_p = 0,3

y = 49,25 Grad

Die Strahlungscharakteristik dieser Antenne wurde bei einer Frequenz von 3,95 Gigahertz gemessen. Diese Strahlungs— charakteristik ist in Fig. 18 dargestellt, Die Zahlen neben den geschlossenen Kurven entsprechen dB.

Ebenso wurde eine dem Aufbau aus Fig. 14 entsprechende Antenne, d.h. eine Zwölf-Element-Gruppe, gebaut und getestet. In diesem Fall bestanden die Strahler aus den in einem Topf angebrachten gekreuzten Dipolen der Fig. 16. Der Topfdurchmesser betrug 1,0 λ ι der Abstand S betrug ebenfalls 1,OA, so daß die Topföffnungen aneinander anstießen. Zur Bereitstellung der Erregungskoeffizienten gemäß Tabelle wurde ein Stripline-Leistungsteiler verwendet. Das sich ergebende Antennendiagramm ist in Fig. 19 dargestellt. Wiederum entsprechen die Zahlen an den geschlossenen Kurven der Intensität in dB, Die Strahlungscharakteristik wurde bei einer Frequenz von 3,83 Gigahertz gemessen. Das versetzte

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bzw. schräg eingestrahlte Paraboloid hatte die folgenden Abemssungen:

Aperturdurchmesser D= 152,40 cm (60 inch)

Brennweite F = 114,30 cm (45 inch)

Größe X₁ = 38,10 cm (15 inch)

Größe ' χ = 114,30 cm (45 inch)

Mutterdurchmesser D = 381,00 cm (150 inch)

F/D_p = 0,3

ψ = 42,25 Grad.

Es sind also hier Antenneasysterne offenbart worden, die sich im Ergebnis durch einen Strahl mit sehr schwachen Nebenkeulen auszeichnen. Mit anderen Worten, der Strahl hat im wesentlichen eine Gauß-Verteilung. Der Strahl kann durch Superposition von zwei oder mehr Basis-Untergruppen zu einer vorgegebenen Charakteristik geformt werden. Es wurden Verfahren zur Berechnung oder Optimierung des Abstandes zwischen angrenzenden Elementen und der Speiseleistung für die Elemente angegeben. Das Verfahren ist deshalb besonders einfach, weil die Strahlungselemente in Phase sind, so daß die Spannungsampli— tudenkoeffizienten nicht komplex, sondern reel sind. Komplizierte Strahlformen lassen sich einfach durch Superposition der Basis-Untergruppen gewinnen, und es wurden verschiedene Beispiele, wie dies erreicht werden kann, angegeben.

Zusammengefaßt schafft die Erfindung also Antennensysteme, die einen geformten Strahl mit im wesentlichen Gaußscher Verteilung und im wesentlichen ohne Nebenkeulen erzeugen.

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Das Antennensystem besteht aus Basisplintergruppen, bestehend aus sieben oder neun Strahlungselementen, die in einem Kreis mit einem Mittelelement bzw. in Form eines Quadrates angeordnet sind. Die Strahlungselemente werden gleichphasig gespeist, jedoch werden die jedem Element zugeführte Leistung und der Abstand so ausgewählt, daß durch Interferenz die Nebenkeulen im wesentlichen verschwinden. Aus den zwei Basis—Untergruppen lassen sich kompliziertere Antennengruppen zur Bildung anderer Strahlformen aufbauen.

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Claims

Patentansprüche

1./ Antenne mit schwachen Nebenkeulen in der Strahlungscharakteristik, gekennzeichnet durch

(a) eine ungerade Zahl von Strahlungselementen in bestimmter geometrischer räumlicher Anordnung,

(b) eine Einrichtung zur Speisung der Strahlungselemente mit einer abzustrahlenden Welle in einer Weise, daß die Elemente elektrisch in Phase sind und jedes Element mit einer bestimmten Leistung gespeist wird, wobei die jedem Strahlungselement eingespeiste Leistung und der Abstand zwischen den Elementen so gewählt ist, daß der resultierende Strahl im wesentlichen eine Gauß-Verteilung im wesentlichen ohne Nebenkäulen aufweist, und

(c) eine Einrichtung zur Fokussierung des von den Elementen abgestrahlten Strahls,

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Fokussierung einen Parabolreflektor aufweist, der so angeordnet ist, daß er von den Strahlungselementen schräg eingestrahlt wird.

3« Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine Linse aufweist.

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Strahlungselemente durch ein Horn gebildet ist.

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5· Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Strahlungselemente durch zwei Paare von gekreuzten Dipolen gebildet ist.

6. Antenne mit schwachen Nebenkeulen in der Strahlungcharakteristik, gekennzeichnet durch

(a) eine eine Basis-Untergruppe bildende Anzahl von . Strahlungselementen,wobei die Elemente gleichen Abstand voneinander haben und aus sechs äußeren, in einem Kreis angeordneten Elementen und einem Mittelelement bestehen,

(b) eine Einrichtung zur Speisung jedes der Elemente mit einer abzustrahlenden Welle in einer Weise, daß die Elemente miteinander elektrisch in Phase sind, und daß die den äußeren Elementen eingespeiste Leistung für alle Elemente gleich ist, und daß die dem Mittelelement eingespeiste Leistung ein Vielfaches der jedem äußeren Element einge— speistenLeistung ist, und

(c) eine Einrichtung zur Fokussierung des von den Elementen abgestrahlten Strahls.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelelement mit dem Sechsfachen der jedem Außenelement eingespeisten Leistung erregt ist.

8. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Basis—Untergruppen zur Bildung einer Gruppe zur Erzeugung eines Strahls vorgegebenen Aufbaus überlagert ist.

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9. Antenne nach Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elementen so gewählt ist, daß eine Winkeltrennung zwischen den Maxima zweier angrenzender von zwei angrenzenden Elementen erzeugter Strahlen von einer Strahl-Leistungshalbwertsbreite bewirkt wird.

10. Antenne mit schwachen Nebenkeulen in der Strahlungscharakteristik, gekennzeichnet durch

(a) eine eine Basis—Untergruppe bildende Anzahl von Strahlungselementen, wobei die Strahlungselemente neun in einem dreireihigen Quadrat angeordnete Elemente sind,

(b) eine Einrichtung zur Speisung jedes der Elemente mit einer Welle in einer Weise, daß die Welle an allen Elementen in Phase ist, und mit einer ersten vorgegebenen Leistung für jedes der vier Eckelemente und mit einer zweiten, davon verschiedenen vorgegebenen Leistung für jedes der vier Seitenelemente und mit einer dritten, davon verschiedenen Leistung für das Mittelelement, und

(c) eine Einrichtung zur Fokussierung des von den Elementen erzeugten Strahls.

11, Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den vier Seitenelementen eingespeiste Leistung die den Eckelementen eingespeiste Leistung multipliziert mit einer Konstanten ist, und daß die dem Mittelelement eingespeiste Leistung die den Eckelementen eingespeiste Leistung multipliziert mit dem Quadrat der Konstanten ist.

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12. Antenne nach. Anspruch. 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elementen so gewählt ist, daß eine Winkeltrennung zwischen den Maxima zweier angrenzender durch zwei angrenzende Elemente erzeugter Strahlen von einer Strahl—Leistungshalbwertsbreite bewirkt wird.

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. H. FINCKE, DIPL.-ING. H. BOHR Q. S- STAEGtR, DR. rer. nat. R. KNEISSl

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