DE3546347A1

DE3546347A1 - Hochfrequenzantenne der linsenbauart mit speiseeinrichtungen zur erzielung einer breiten richtcharakteristik

Info

Publication number: DE3546347A1
Application number: DE19853546347
Authority: DE
Inventors: Robert J. Santa Barbara Calif. Prickett
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1984-12-31
Filing date: 1985-12-30
Publication date: 1986-07-10
Also published as: GB8531903D0; GB2169453B; US4641144A; GB2169453A; IT8548975A0; FR2575607A1; NL8503582A; IT1181997B

Description

RAYTHEON COMPANY, 141 Spring Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Hochfrequenzantenne der Linsenbauart mit Speiseeinrichtungen zur Erzielung einer breiten Richtcharakteristik

Die Erfindung betrifft allgemein Hochfrequenzantenneri und im ; einzelnen eine Hochfrequenzantenne der Linsenbauart mit Speise-' einrichtungen zur Erzielung einer breiten Richtcharakteristik.

' Wie auf dem betreffenden Gebiet der Technik allgemein bekannt, , kann eine Antenne so ausgebildet werden, daß sie eine Anzahl j gleichzeitig existierender Richtstrahlen der Hochfrequenzener- ; gie erzeugt, wobei jeder einzelne der Richtstrahlen einen ; ι Antennengewinn und eine Bandbreite entsprechend der gesamten Antennenapertur hat. Bekanntermaßen wird eine gewünschte Anzahl j gleichzeitig existierender Richtstrahlen dadurch erhalten, daß jedes einzelne aus einer Vielzahl von Antennenelementen in einer Antennenelementanordnung oder einem "array" über einen : definierten elektrischen Leitungspfad an eine Anzahl von ; : Speiseanschlüssen gelegt wird, wobei der definierte elektrische Leitungspfad die Gestalt einer elektromagnetischen Linse _t hat, welche die Zeitverzögerung für die elektromagnetische \ Energie zwischen jedem einzelnen aus einer Anzahl der Richtstrahl-Speiseanschlüsse und allen Punkten entsprechender ebener ;

I

!Wellenfronten der ausgesendeten Energie ausgleicht. Dabei kann eine beliebige aus einer Vielzahl bekannter elektromagnetischer Linsenkonstruktionen verwendet werden. Eine derartige elektromagnetische Linse ist die sogenannte "Rotman"-Linse, die in der !Veröffentlichung "Wide Angle Microwave Lens for Line Source !Applications" von W. Rotman und R. F. Turner, Transactions of Antennas and Propagation, Seiten 623 bis 632, November 1963, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, beschrieben ist. Eine andere Linsenkonstruktion ist der US-Patentschrift 3 761 936 zu entnehmen. Bei beiden Linsen- !konstruktionen dieser bekannten Art ist ein linsenförmiger |parallelplatten-Leitungsbereich vorgesehen, welcher eine Anzahl |von Richtstrahl-Speiseanschlüssen und eine Anzahl von Antennenjelement-Anschlüssen besitzt, die an einander gegenüberliegenden !Umfangsabschnitten des betreffenden Parallelplatten-Leitungsibereiches gelegen sind. Jeder der Antennenelement-Anschlüsse

ist mit einem zugehörigen Antennenelement in der Antennenele- |mentreihe verbunden und jeder der Richtstrahl-Speiseanschlüsse ist einem entsprechenden aus der Vielzahl jeweils unterschiedlich orientierter, relativ schmaler Richtstrahlen der Hochjfrequenzenergie zugeordnet.

!Wird das System als Sendeantenne eingesetzt, so ist ein Ver-Istärker, beispielsweise ein Wanderwellenröhrenverstärker,

zwischen jeden der Antennenelement-Anschlüsse und ein zugehöriges der Antennenelemente geschaltet. Während man mit einer !solchen Anordnung eine Vielzahl von unterschiedlich orientierjten, gerichteten, verhältnismäßig scharf gebündelten Sendericht-I strahlen erhält, ist es in manchen Anwendungsfällen wünschens- !wert, eine breite Richtcharakteristik oder eine "Flut"-Richtcharakteristik auszusenden. Eine solche "Flut"-Richtcharakteiristik hat man dadurch erzeugt, daß man einen Nebenschluß zu !der Parallelplattenleitungs-Linse bildete und ein Hochfrequenz-I signal nur an ein einziges Antennenelement über den Eingang j des Verstärkers legte, der das betreffende Antennenelement ;speiste. Eine solche Schaltung bedingt jedoch, daß die vom

System abgestrahlte Leistung nicht zufriedenstellend ist, da die Leistung von den anderen Verstärkern des Systems nicht zur Erzeugung der "Flut"-Richtcharakteristik mit ausgenützt wird.

, Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Hoch-TT frequenzantenne der Linsenbauart mit Speiseeinrichtungen zur Erzielung einer breiten Richtcharakteristik so auszugestalten, daß die dieser breiten Richtcharakteristik zuzuordnende Leistung erhöht werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im einzelnen ist ein Hochfrequenzantennensystem vorgesehen, welches eine Hochfrequenzlinse mit einem Parallelplattenleitungsbereich enthält, der an einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen eine Anzahl von Antennenelement-Anschlüssen und jeine Anzahl von Richtstrahl-Speiseanschlüssen aufweist. Die !Antennenelement-Anschlüsse sind mit einer Reihe von Antennenelementen verbunden, welche so angeordnet sind, daß eine Anzahl unterschiedlich orientierter, verhältnismäßig scharf gebündelter Richtstrahlen der Hochfrequenzenergie aus einer gemeinsamen ;Antennenapertur erzeugt werden kann. Jeder der Richtstrahlen J ist einem zugehörigen der genannten Anzahl von RichtstrahljSpeiseanschlüssen zugeordnet. Außerdem sind Mittel zur Einkopplung der Hochfrequenzenergie unmittelbar in den Parallelplatten- ^;leitungsbereich vorgesehen, um aus der gemeinsamen Antenneniapertur eine verhältnismäßig breite Richtcharakteristik der Hochfrequenzenergie zu erhalten.

IGemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Anzahl von !verstärkern vorgesehen, wobei jeweils einer der Verstärker ■ zwischen einen Antennenelementanschluß und ein zugehöriges der '. IAntennenelemente geschaltet ist. Bei einer solchen Schaltung j gelangt die Energie, welche unmittelbar in den Parallelplatten- ^! I leitungsbereich eingekoppelt wird, um die breite Richtcharak- I teristik zu erzeugen, zur Verstärkung durch die Anzahl von ; !Verstärkern, so daß die leistungsmäßige Effektivität des Systems

ι i

ι bei der Erzeugung der breiten Richtcharakteristik erhöht wird. j

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. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der hier angegebenen Hochfrequenzantenne sind im übrigen Gegenstand der dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, auf deren Inhalt hierdurch ausdrücklich hingewiesen wird. Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher

, erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine teilweise schematisierte Ansicht eines Hochfrequenzantennensystems zur Erzeugung einer Mehrzahl von Richtstrahlen unter Verwendung einer Hochfrequenzlinse, wobei die Abbildung die Hochfrequenzlinse in Aufsicht zeigt,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der

Hochfrequenzlinse nach Figur 1 von der Seite, wobei die Vertikaldimensionen relativ zu den horizontalen Abmessungen stark vergrößert sind und der Querschnitt der in Figur 1 angedeuteten Richtung der Antennenachse 2-2 entspricht,

Fig. 3 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung der Hochfrequenzlinse nach den Figuren 1 und 2 in schematisierter Wiedergabe,

Fig. 4 eine teilweise schematisierte Darstellung einer Hochfrequenzantenne zur Erzeugung einer Mehrzahl von Richtstrahlen unter Verwendung einer Hochfrequenzlinse gemäß einer anderen Ausführungsform, wobei die Zeichnung die Hochfrequenzlinse in Aufsicht zeigt und

Fig. 5 eine schematitische Querschnittsdarstellung der Hochfrequenzlinse gemäß
Figur 4, wobei wiederum die Abmessungen
in Vertikalrichtung gegenüber denjenigen
in Horizontalrichtung stark übertrieben
wiedergegeben sind und der Querschnitt
längs der Antennenachse 5-5 nach Figur 4
gelegt ist.

In Figur 1 ist eine Hochfrequenzantenne mit 10 bezeichnet und
enthält eine durch eine Parallelplattenleitung gebildete Hochfrequenzlinse 12, die längs einander gegenüberliegender Umfangsbereiche eine Mehrzahl von vorliegend zehn Richtstrahlanschlüssen
14a bis 14j und eine entsprechende Anzahl von Antennenelementanschlüssen 16a bis 16j aufweist. Die Anzahl von Richtstrahlan- . Schlüssen 14a bis 14j ist in an sich bekannter Weise, vorliegend
über bekannte Koaxialkabel 21a bis 21j an ein Radarsystem 23
angeschlossen. Die genannte Anzahl von Antennenelementanschlüs- ■ sen 16a bis 16j ist mit einer entsprechenden Anzahl von Anten- ; nenelementen 18a bis 18j gekoppelt. Die Antennenelemente 18a j bis 18j sind in Form eines Array 20 gruppiert. Ein jeweils züge- ' höriger einer Anzahl von Verstärkern 22a bis 22j ist jeweils ί

ι zwischen einen der Antennenelementanschlüsse 16a bis 16j und

eines der Antennenelemente 18a bis 18j gelegt. Die Gestalt der

Hochfrequenzlinse 12, die Längen der elektrischen Leiter, hier ;

der Koaxialkabel 19a bis 19j, welche die Antennenelementan- ' Schlüsse 16a bis 16j, die jeweils zugehörigen Verstärker 22a

bis 22j und die Antennenelemente 18a bis 18j verbinden und die ι

Anordnung der Antennenelemente 18a bis 18j innerhalb des Array j 20 sind so gewählt, daß sich für das Radarsystem 23 eine Mehrzahl von vorliegend zehn gleichzeitig existierenden, gebündelten,

!unterschiedlich orientierten, verhältnismäßig schmalen Rieht- ;

'strahlen 25a bis 25j der Hochfrequenzenergie aus einer gemein- j

' j

samen Antennenapertur ergibt. Jeder der zehn Richtstrahlen be- j sitzt eine Orientierung, welcher jeweils einem der zehn Rieht- ' ; Strahlanschlüssen 14a bis 14j zugeordnet ist, wie dies in der |

: " "' ;-;-K'- : 35463^7

!US-Patentschrift 3 517 749 beschrieben ist. Bei der hier angegebenen Antenne ist aber zusätzlich eine Speiseeinrichtung 30

I
vorgesehen, über welche Hochfrequenzenergie unmittelbar in den Parallelplattenleitungsbereich 32 der Hochfrequenzlinse 12 ,eingekoppelt werden kann, um eine breite Richtcharakteristik 27 zu erzeugen, die aus der gemeinsamen Antennenapertur hervorgeht, welche von der Antennenelementanordnung vorgegeben ist. Die Speiseeinrichtung 30 ist mit dem Radarsystem 23 über ein gebräuchliches Koaxialkabel 35 verbunden. Die Einspeisungseinrichtung 30 ist an einem Punkt auf der Antennenachse 34 des Parallelplattenleitungsbereiches der Hochfrequenzlinse 12 gelegen, so daß die Amplituden der Energie, welche von jedem der Antennenelemente 18a bis 18j abgestrahlt wird, nahezu ;gleich sind. Der Punkt, an welchem die Einspeisungseinrichtung ;30 längs der Antennenachse 34 gelegen ist, wird empirisch so

gewählt, daß abhängig von der Energiezufuhr zur Einspeisungs- :einrichtung 30 ein quadratischer Phasengang über die Antennen-■ elementreihe hin erreicht wird, wodurch sich die Verbreiterung : des Richtstrahls gegenüber dem schmalen Richtstrahl ergibt, I der durch eine Energiezufuhr zu einem einzigen Richtstrahlan-Ischluß 14a bis 14j ergibt.

j Es sei nun Figur 2 betrachtet. Die Einspeisungseinrichtung 30 j und die den Parallelplattenleitungsbereich aufweisende Hochfrejquenzlinse 12 sind hier in Einzelheiten gezeigt. Die Einspeisungseinrichtung 30 enthält in der hier beschriebenen Ausführungsform eine Koaxialleitung mit einem Außenleiter 40, der elektrisch mit einem scheibenförmigen Befestigungsflansch 42 verbunden ist, dessen Befestigungsflächen senkrecht zur Längsachse der Koaxialleitung der Einspeisungseinrichtung 30 orientiert sind. Der zentrische Innenleiter 44 ist in herkömmlicher !Weise gegenüber dem Außenleiter 40 isoliert. Die den Parallelplattenleitungsbereich aufweisende Hochfrequenzlinse 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Streifenleiterlinse mit einem Paar dielektrischer Substrate 50 und 52, die jeweils j einen Erdungs- Leiterbelag 54 bzw. 56 tragen, der auf die Außen-;

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fläche des Substrates aufkaschiert ist, sowie im wesentlichen identische, spiegelbildliche mittlere Leitergebilde 58 bzw. 60, die jeweils auf den Innenseiten der Substrate vorgesehen sind. Die mittleren Leitergebilde 58 und 60 werden durch Ätzung von kupferkaschierten Oberflächen auf den Innenseiten der dielektrischen Substrate 50 und 52 hergestellt, wobei allgemein bekannte photolithographische bzw. chemische Ätztechniken zur Anwendung kommen. Die mittleren Leitergebilde 58 und 60 auf den ; Innenseiten der Substrate 50 und 52 sind so gestaltet, wie dies ! in der oben erwähnten US-Patentschrift 3 761 936 dargestellt • ist. Demgemäß hat jedes der Leitergebilde in der dort beschriebenen Weise einen Parallelplatten-Leitungsbereich 32 mit drei- ! eckig geformten Anpassungsabschnitten 62ä und 62b, die an die zur Bündelung dienende Leiterfläche des Parallelplatten-Leitungsbereiches 32 der Hochfrequenzlinse angeformt sind. Während jedes der Substrate 50 und 52 bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel jeweils auf der Innenseite einen spiegelbildlichen Parallelplatten-Leitungsbereich 32 und dreieckig geformte Anpassungsabschnitte 62a und 62b trägt, kann auch nur das untere Substrat 52 auf seiner Innenfläche mit den Streifenleitungsabschnitten 64a bis 64j versehen sein, welche zwischen den Spitzen der jeweiligen dreieckigen Anpassungsabschnitte 62a und einem entsprechenden der Richtstrahlanschlüsse 14a bis 14j verlaufen. In entsprechender Weise kann nur das Substrat 52 auf seiner Innenfläche die Streifenleiterabschnitte 65a bis 65j tragen, welche jeweils zwischen den Spitzen der dreieckigen Anpassungsabschnitte 62b auf dem Substrat 52 und einem entsprechenden der Antennenelementanschlüsse 16a bis 16j verlaufen.

Wie in der Zeichnung dargestellt, hat der leitfähige Befestigungsflansch 40 der Einspeis\ingseinrichtung 30 elektrisch mit dem als Erdungsebene dienenden Leiterbelag 54 auf dem dielektrischen Substrat 50 Verbindung. Der Teil des Erdungsebenen-Leiterbelages 54 und der Bereich des Dielektrikums des Substrates 50 unterhalb der Mitte der Koaxialleitung 30 sind entfernt, im

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j vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Bohrung beseitigt, j so daß eine zylindrische Kammer 45 entsteht, welche den zentrij sehen Leiter 44 aufnimmt. Auf diese Weise kann die Einspeisungseinrichtung 30 elektromagnetische Energie umittelbar in den j Parallelplatten-Leitungsbereich 32 im TEM-Modus einspeisen, wo- ; bei das elektrische Feld innerhalb der Bereiche 47 und 49 zwi-■ sehen den aufeinander gelegten und verbundenen Leitergebilden 58 ; und 60 und den als Erdungsebene wirkenden Leiterbelägen 54 und I 56 verläuft. Es hat sich gezeigt, daß nur eine einzige Einspeiisungseinrichtung 30 vorgesehen werden muß, um die breite Richt- !charakteristik hervorzubringen und daß der Mittelleiter 44 sich , <entweder ein bestimmtes Stück in das Dielektrikum 50 des Parallel-.platten-Leitungsbereiches 32 hinein erstrecken kann, so daß die ; I Spitze des Mittelleiters bestimmten Abstand von dem Leitergebilde I58 einhält, oder sich auch vollständig durch das Dielektrikum 50' !hindurch erstrecken kann, so daß die Spitze des Mittelleiters 44' !körperlich und damit auch elektrisch Berührung zu dem Leiterge- · bilde 58 aufnimmt, das an der Innenfläche des Substrates 50 ', vorgesehen ist. Die Tiefe des Hineinreichens des Mittelleiters j

j44 in das Dielektrikum 50 wird entsprechend dem Maß der ge- ■ 'wünschten Kopplung gewählt. Die Einspeisungseinrichtung 30 iwürde normalerweise längs der Antennenachse 34 (Figur 1) der Hochfrequenzlinse 12 angeordnet. Die Position längs der Achse 34! jwird empirisch so bestimmt, daß die optimale Flut-Richtcharak- j jteristik über den Frequenzbereich erhalten wird, bei welchem j

!die Hochfrequenzlinse arbeitet. I

!Es können auch andere Einspeisungseinrichtungen anstelle der i JKoaxialzuleitung 30 verwendet werden. Wie beispielsweise in den [ !Figuren 4 und 5 gezeigt, kann eine andere Einspeisungseinrich- ;

i !

Itung 30* zur Anwendung kommen. Die Einspeisungseinrichtung 30' j 'enthält hier eine Streifenübertragungsleitung mit einem Paar 'dielektrischer Substrate 80 und 82, welche jeweils äußere, als !Erdungsebene wirkende Leiter 84 bzw. 86 aufweisen, die auf die JAußenf lachen der Substrate aufkaschiert sind, und die ferner j jeweils auf der Innenseite Streifenleiter 88 und 90 aufweisen.

Die Streifenleiter 88 und 90 sind in herkömmlicher Weise auf- ' einandergelegt. Ein Kopplungsschlitz 100 ist in dem dielektrischen Substrat 50, in dem Erdungsebenen-Leiterbelag 54 und in dem Erdungsebenen-Leiterbelag 86 ausgebildet. Eine leitfähige ; Abschlußwand 92 ist an die Enden der dielektrischen Substrate | 80 und 82 angesetzt, und verbindet elektrisch die Steifenleiter j 84 und 86. Ein dreieckiger Hochfrequenzabsorber 94 ist zwichen ' den Enden der Streifenleiter 88 und 90 und der leitfähigen Ab- ' schlußwand 92 gelegen und stellt eine angepaßte Belastung für _; die Streifenübertragungsleitung dar. Auf diese Weise wird Hochfrequenzenergie, welche in die Streifenübertragungsleitung von dem Radarsystem 23 über das Kabel 35 eingespeist wird, unmittelbar in den Parallelplatten-Leitungsbereich 32 über den Kopplungsschlitz 100 eingekoppelt. Es sei bemerkt, daß anstelle des | Absorbers 94 ein gebräuchlicher 50-Ohm-Chipwiderstand dazu dienen kann, einen angepaßten Abschluß der Streifenübertra- | gungsleitung herzustellen. j

Man erkennt also, daß entweder mit der Einspeisungseinrichtung 30 oder der Einspeisungseinrichtung 30', nachdem diese an einem | Punkt innerhalb des Parallelplatten-Leitungsbereiches 32 gelegen^

i ist, eine breite Richtcharakteristik 27 (Figur 1) mit der Ener- | gie erzeugt werden kann, welche zu sämtlichen der Antennenele- j mente 18a bis 18j über die Verstärker 22a bis 22j gelangt. |

Dem Fachmann bietet sich im Rahmen der Erfindung eine Anzahl von Abwandlungsmöglichkeiten. Weiter sei bemerkt, daß zwar vorliegend ein Antennensystem gezeigt und beschrieben ist, das als Sende- j system arbeitet, daß sich jedoch das System leicht auch so abwandeln läßt, daß es als Empfangssystem arbeitet, wobei die Ver-j stärker weggelassen werden und die Antennenelementanschlüsse unmittelbar an die Anordnung oder das Array von Antennenelementen gelegt werden. Die Einspeisungseinrichtung 30 bzw. 30¹, welche unmittelbar an den Parallelplatten-Leitungsbereich angekoppelt ist, empfängt dann Energie über eine breite Richtcharakteristik, etwa in einem Suchbetrieb, und die Richtstrahlan-

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Schlüsse 14a bis 14j werden verwendet, um den Einfallswinkel der empfangenen Energie etwa im Verfolgungsbetrieb zu bestimmen. Der Verfolgungsbetrieb kann in Abhängigkeit von der

Feststellung von empfangener Energie an der Einspeisungseinrichtung 30 bzw. 30' während des Suchbetriebs aufgenomen werden.

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Leerseite -

Claims

j Patentansprüche

j 1. Hochfrequenzantenne der Linsenbauart mit Speiseeinrichtungen ; zur Erzielung einer breiten Richtcharakteristik, gekennzeichnet : durch eine Hochfrequenzlinse (12), die einen Parallelplatten-I Leitungsbereich (32) aufweist, der längs einander gegenüberlie-. gender Randbereiche eine Anzahl von Antennenelementanschlüssen ; (16a bis 16j) und eine Anzahl von Richtstrahlanschlüssen (14a ■ bis 14j) aufweist, wobei die Antennenelementanschlüsse (16a bis i 16j) mit einer Antennenelementreihe (18a bis 18j) gekoppelt _| sind, um eine Anzahl unterschiedlich orientierter, verhältnisj mäßig schmaler Richtstrahlen aus einer gemeinsamen Antennenapertur zu erhalten, und wobei jeder der Richtstrahlen einem bestimmten der Anzahl von Richtstrahlanschlüssen (14a bis 14j) ; zugeordnet ist, sowie durch Mittel (30 bzw. 30') zur unmittelbaren Einkopplung von Hochfrequenzenergie in den Parallelplatten-Leitungsbereich (32) zur Erzeugung einer verhältnismäßig i breiten Richtcharakteristik aus der gemeinsamen Antennenapertur.
2. Hochfrequenzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Verstärkern (22a bis 22j) vorgesehen ist, j deren jeder jeweils zwischen einen Antennenelementanschluß (18a bis 18j) und ein zugehöriges der Antennenelemente (18a ] bis 18j) geschaltet ist. ^!
3. Hochfrequenzantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur unmittelbaren Einkopplung der Hochfrequenzenergie in den Parallelplatten-Leitungsbereich (32) ; die Hochfrequenzenergie im TEM-Modus einkoppeln. !