DE2643708A1 - Antenne mit schwachen nebenkeulen in der strahlungscharakteristik - Google Patents
Antenne mit schwachen nebenkeulen in der strahlungscharakteristikInfo
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- H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
- H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
- H01Q19/17—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source comprising two or more radiating elements
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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 xp = 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 vfo 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
Xf = O COS
y' = g
z' = O
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 sinVfn
Es ist zu beachten, daß y und yf 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 aQ mit einer Konstanten k (kaQ) 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 xf »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.
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 ao 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/an 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 = ka0 |
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, bg, 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.
709814/0784
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
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 |
709814/0784
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 an
haben. Die sechs Elemente 88 mögen einen Koeffizienten
2 aQ haben. Die drei Mittelelemente 90 mögen einen Koeffizienten
(a, ·+■ 2 aQ) und·schließlich die drei verbleibenden
Elemente 91 einen Koeffizienten (a.. + 4 an) 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
0 9 8 14/0784
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
709814/0784
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/Dp = 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
7098U/0784
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/Dp = 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.
70.9 814/0784
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.
7098U/078
Claims (12)
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.
7098U/0784
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.
7Q98U/0784
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.
70981A/0784
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
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7098U/0784
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