DE3602515A1

DE3602515A1 - Vierstrahliges antennensystem mit raumduplizierten sende- und empfangsantennen

Info

Publication number: DE3602515A1
Application number: DE19863602515
Authority: DE
Inventors: Emile J Deveau; James B Mead; Leonard Schwartz
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1985-01-28
Filing date: 1986-01-28
Publication date: 1986-07-31
Also published as: GB2170356A; GB2170356B; JPH0445002B2; AU576011B2; NO167119C; SE464381B; NO167119B; US4644360A; FR2576717A1; IL76703A; JPS61174803A; NO854549L; GB8524558D0; CA1240037A; SE8600131D0; SE8600131L; AU4891185A; FR2576717B1; IT1200861B; IT8523126A0

Description

Beschreibung

Vierstrahliges Antennensystem mit raumduplizierten
Sende- und Empfangsantennen

Die Erfindung bezieht sich auf ein vierstrahliges Antennensystem mit raumduplizierten Sende- und Empfangsantennen, insbesondere für Doppler-Radarnavigationssysteme von Flugzeugen oder dergleichen.

* / Man hat erkannt, daß raumduplizierte Antennen die Verwendung billigerer HF-Komponenenten bei erhöhter Isolation des Empfängers vom Senderrauschen erlauben. Darüberhinaus können leistungsstärkere Sender mit rauscharmen Verstärkern verwendet werden, so daß Flugzeuge oder dergleichen in größeren Höhen und über sehr ruhigem Wasser operieren können. Konventionelle raumduplizierte Antennen sind nebeneinander angeordnet und erfordern daher etwa doppelt soviel Raum wie eine einzelne Antenne. Auch sind sie etwa doppelt so schwer und so teuer wie eine einzelne Antenne. Wenn man versucht, die Größe dieser Antennensysteme zu halbieren, dann wird auch der Gewinn und die Strahlbreite in einer Richtung halbiert.

Es sind bereits Mikrostrip-Antennen für Doppler-Radarnavigationssysteme von Flugzeugen oder dergleichen vorgeschlagen worden, welche sich sozusagen aus zwei gesonderten Mikrostrip-Antennen zusammensetzen, die in ein und derselben Ebene derart miteinander verschachtelt sind, daß sie praktisch nicht mehr Platz einnehmen als jede der beiden Einzelantennen. Letztere weisen jeweils eine eigene Speiseleitung auf, so daß an der jeweiligen Antennenfläche zwei Radarstrahlen abgestrahlt werden, die gesamte Mikrostrip-Antenne also vier Strahlen elektromagnetischer Energie liefert. Die vorgeschlagenen Mikrostrip-Antennen sind bei Doppler-Systemen ohne Raumduplizierung des Antennensystems einsetzbar. Jeder Strahl sendet und empfängt Energie gleichzeitig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Antennensystem der eingangs angegebenen Art zu schaffen. Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antennensystems sind in den restlichen Patentansprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird das geschilderte Verschachtelungsprinzip auf Antennensysteme mit raumduplizierten Sende- und Empfangsantennen ausgedehnt. Das erfindungsgemäße Antennensystem besteht aus einer einzigen Tafel von unabhängigen vierstrahligen Mikrostrip-Antennen, welche raumdupliziert und miteinander verschachtelt sind. Die Sendetore speisen eine der Antennen unmittelbar, während die Empfangstore an die andere Antenne über Durchführungsverbindungen angeschlossen sind. Durch die Verwendung gesonderter Sende- und Empfangsantennen, welche jeweils mit vier Strahlen elektromagnetischer Energie arbeiten, läßt sich für einen bestimmten Raum ein maximaler Gewinn erzielen. Wenn man die Einzelstrahlerreihen der Antennen in entsprechendem Abstand voneinander anordnet, dann ergibt sich eine zufriedenstellende Isolierung. Es läßt sich ein ausgezeichnetes Signal/Rauschen-Verhältnis erzielen, so daß mit dem erfindungsgemäßen Antennensystem versehene Flugzeuge oder dergleichen in großen Höhen bei beträchtlichen Energieniveaus operieren können.

Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt schematisch:

Fig. 1 einen Teil einer bekannten Mikrostrip-Antenne;

Fig. 2A die erste Hälfte eines erfindungsgemäßen Antennensystems;

Fig. 2B die zweite Hälfte des besagten Antennensystems; und

Fig. 3 einen Schnitt des Antennensystems gemäß Fig. 2A und 2B

im Bereich einer Durchführungsverbindung zwischen einer Speiseleitung und einer zugehörigen Einzelstrahlerreihe.

Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Mikrostrip-Antenne ist eine Speiseleitung 1 mit mehreren koplanaren, zueinander parallelen Reihen von Einzelstrahlern 2 verbunden, welche jeweils als ein an den Kanten Energie abstrahlender Halbwellenresonator ausgebildet und durch Phasenglieder 3 miteinander verbunden sind. Die Einzelstrahlerreihen sind jeweils durch einen zweistufigen Transformator k an die aus einer Reihe von Phasengliedern 5 glei-

eher Länge bestehende Speiseleitung 1 angeschlossen, welche eine Wanderwellenbaueinheit mit Breitbandbegrenzung nur durch den übertragungsweg und die Strahlerbandbreite darstellt, wobei der hohe Gütefaktor Q der Einzelstrahler 2 die Bandbreite auf wenige Prozent der Betriebsfrequenz begrenzt.

Zur Steuerung der Strahlbreite und -gestalt sowie des Seitenkeulenniveaus muß die von jedem Einzelstrahler 2 abgestrahlte Energie genau eingestellt werden, welche zu der mit der Wellenlänge, der Leitungsimpedanz und der Einzelstrahlerbreite verknüpften Einzelstrahlerleitfähigkeit proportional ist. Die Phasenglieder 3 der Einzelstrahlerreihen bestimmen den Strahlwinkel bezüglich der Achse der Einzelstrahlerreihen, die Phasenglieder 5 der Speiseleitung 1 den Strahlwinkel in der zu den Einzelstrahlerreihen senkrechten Ebene. Die zweistufigen Transformatoren 4 bestimmen die von der Speiseleitung i in die jeweilige Einzelstrahlerreihe abgezweigte Energie. An jeder Stelle der Speiseleitung 1 steht soviel Energie zur Verfugung, wie der gesamten Eingangsenergie abzüglich der von allen vorgeschalteten Einzelstrahlerreihen abgezogenen Energie entspricht.

Gemäß Fig. 2A und 2B ist das erfindungsgemäße Antennensystem als geätzte gedruckte Schaltung 6 ausgebildet. Die ungeradzahligen Einzelstrahlerreihcn sind jeweils an ihren beiden Enden mit einer ersten Speiseleitung 10 bzw. einer zweiten Speiseleitung 14 verbunden, um eine Sendeantenne zu definieren. Die geradzahligen Einzelstrahlerreihen sind jeweils an ihren beiden Enden über je eine Durchführungsverbindung an eine dritte Speiseleitung 8 bzw. eine vierte Speiseleitung 12 angeschlossen, um eine gesonderte Empfangsantenne zu bilden. Die Sende- und die Empfangsantenne sind innerhalb der von der gedruckten Schaltung 6 definierten Fläche raumdupliziert.

Das in Fig. 2A linke Ende der obersten ungeradzahligen Einzelstrahlerreihe 17 ist mit einer Abzweigstelle 16 der ersten Speiseleitung 10 verbunden, das in Fig. 2B rechte Ende mit einer Abzweigstelle 29 der zweiten Speiseleitung 14. Die Einzelstrahlerreihe 17 weist in Reihe geschaltete Einzelstrahler 22, 24 auf, welche durch zwischengeschaltete Phasenglieder 26 miteinander leitend verbunden und über einen zweistufigen Transformator 18, 20 an die erste Speiseleitung 10 angeschlossen sind. Das in Fig. 2A

linke Ende der untersten ungeradzahligen Einzelstrahlerreihe 27 ist mit einer Abzweigstelle 28 der ersten Speiseleitung 10 verbunden, das in Fig. 2B rechte Ende mit einer Abzweigstelle 30 der zweiten Speiseleitung 14. Durch Zufuhr von Senderenergie zu den vier Senderspeiseleitungstoren IT bis 4 T werden vier Strahlen Nr. 1 bis 4 elektromagnetischer Energie erzeugt.

Die dritte Speiseleitung 8 und die vierte Speiseleitung 12 sind jeweils parallel zur ersten Speiseleitung 10 bzw. zur zweiten Speiseleitung 14 angeordnet, allerdings getrennt von der Tafel der gedruckten Schaltung 6 und auf der der letzteren abgewandten, mit einer gedruckten Schaltung versehenen Seite. Die dritte Speiseleitung 8 und die vierte Speiseleitung 12 sind an die zugehörigen geradzahligen Einzelstrahlerreihen mittels der Durchführungsverbindungen gemäß Fig. 3 angeschlossen. Empfangene Energie, welche sich entlang der dritten Speiseleitung 8 fortpflanzt, wird an entlang derselben gleichmäßig verteilten Abzweigstellen eingeleitet. Wie in Fig. 2A für die oberste geradzahlige Einzelstrahlerreihe 39 dargestellt, liegt die zugehörige Abzweigstelle 32 mit zwei Transformatorstufen 36, 38 entlang einem Durchführungsstreifen 35 in Reihe, welcher in einer Durchführungszunge 34 endet. Wie mit einer gestrichelten Linie angedeutet, ist die Durchführungszunge 34 mit einer weiteren Durchführungszunge 40 verbunden, welche das in Fig. 2A linke Ende der obersten geradzahligen Einzelstrahlerreihe 39 definiert. Empfangene, sich entlang der dritten Speiseleitung 8 fortpflanzende Energie kommuniziert also direkt mit den geradzahligen Einzelstrahlerreihen, welche die Empfangsantenne bilden und mit den ungeradzahligen Einzelstrahlerreihen der Sendeantenne verschachtelt sind. Wie bei letzteren der Fall, sind auch bei der obersten geradzahligen Einzelstrahlerreihe 39 und den übrigen geradzahligen Einzelstrahlerreihen die in Reihe geschalteten Einzelstrahler 42, 44 durch Phasenglieder 46, 48 miteinander verbunden. Gemäß Fig. 2B ist das rechte Ende der obersten geradzahligen Einzelstrahlerreihe 39 mittels einer mit einer gestrichelten Linie angedeuteten Durchführungsverbindung mit zwei Durchführungszungen 50, 52 mit einer Abzweigstelle 33 der vierten Speiseleitung 12 verbunden. Der dritten Speiseleitung 8 und der vierten Speiseleitung 12 sind vier Empfängerspeiseleitungstore IR bis 4R zugeordnet.

Da alle ungeradzahligen Einzelstrahlerreihen mit der ersten Speiseleitung 10 und der zweiten Speiseleitung 14 und alle geradzahligen Einzelstrahlerreihen mit der dritten Speiseleitung 8 und der vierten Speiseleitung 12 auf die geschilderte Art und Weise verbunden sind, sind sowohl der von der einen Gruppe von Einzelstrahlerreihen gebildeten Sendeantenne als auch der von der anderen Gruppe von Einzelstrahlerreihen gebildeten Empfangsantenne jeweils vier Strahlen Nr. 1 bis 4 elektromagnetischer Energie zugeordnet.

Fig. 3 veranschaulicht die Durchführungsverbindungen zwischen der dritten Speiseleitung 8 sowie der vierten Speiseleitung 12 einerseits und der Gruppe von geradzahligen Einzelstrahlerreihen, welche die Empfangsantenne bilden, andererseits, und zwar unter Bezugnahme auf die Durchführungsverbindung mit den beiden Durchführungszungen 34, 40 zwischen der dritten Speiseleitung 8 und dem in Fig. 2A linken Ende der obersten geradzahligen Einzelstrahlerreihe 39. Die beiden sich im Abstand voneinander in unterschiedlichen Ebenen erstreckenden Durchführungszungen 34, 40 fluchten miteinander und sind durch einen Durchführungsstift 58 miteinander verbunden, welcher mit den beiden ausgeätzten Durchführungszungen 34, 40 verlötet ist und zwei Bohrungen 54, 56 eines ersten Substrates für die gedruckte Schaltung 6 bzw. eines zweiten Substrates für den Durchführungsstreifen 35 sowie eine Bohrung 60 größeren Durchmessers einer ersten Aluminiumgrundplatte und einer zweiten Aluminiumgrundplatte durchsetzt, welche jeweils mit dem ersten Substrat bzw. dem zweiten Substrat verbunden sind.

Da die Isolierung zwischen Sende- und Empfangsantenne von hauptsächlicher Bedeutung ist, muß für eine möglichst geringe gegenseitige Kopplung zwischen einander benachbarten Einzelstrahlerreihen gesorgt werden. Offensichtlich ist die Isolierung um so größer, je größer der Abstand zwischen den Einzelstrahlerreihen bzw. der Speiseabstand ist. Um jedoch das Entstehen von Keulen höherer Ordnung zu verhindern, sollte der Speiseabstand die Substratwellenlänge nicht stark überschreiten. Bei einer Substratwellenlänge von beispielsweise 14,986 mm kann mit einem Abstand von 15,494 mm eine optimale Isolierung erzielt werden, wobei unerwünschte Strahlen unterdrückt werden. Bestimmte Muster können bei diesem Abstand Keulen höherer Ordnung unterhalb von 25 dB hervorbringen.

Gegenseitige Kopplung hängt auch von der gegenseitigen Ausrichtung einander benachbarter Einzelstrahler ab. Experimentell wurde herausgefunden, daß sich die größte Isolierung ergibt, wenn die Einzelstrahler der Sendeantenne gegenüber den Einzelstrahlern der Empfangsantenne aufgereiht sind. Daher kann für beide Antennen beispielsweise ein Einzelstrahlerreihenabstand von 12,319 mm gewählt werden.

Um eine für die Uberwasserfehlerkorrektur geeignete Strahlformung zu erzielen, werden beim erfindungsgemäßen Antennensystem Amplitudenfunktionen angewendet, welche "Trennbarkeit" nach den Winkeln Tr und Ψ vermitteln. Da das Antennensystem von vier Ecken her gespeist werden muß, werden diese Amplitudenfunktionen gefaltet, um eine symmetrische Strahlformung zu erzielen. Die Amplitudenfunktionen werden so gewählt, daß die meiste Eingangsenergie in der ersten Hälfte des Antennensystems abgestrahlt wird, wodurch die Auswirkung der Falte auf ein Mindestmaß reduziert wird.

Die Erfindung vermittelt also ein verschachteltes, raumdupliziertes Mikrostrip-Antennensystem, welches gesonderte Sende- und Empfangsantennen aufweist, denen jeweils vier Strahlen elektromagnetischer Energie zugeordnet sind, wodurch das Energieverarbeitungsvermögen innerhalb einer bestimmten Fläche bei hohem Signal/Rauschen-Verhältnis optimiert wird. Da sowohl die Sende- als auch die Empfangsantenne sich über die gesamte definierte Fläche des Antennensystems erstreckt, ist der volle Gewinn erzielbar.

-ήθ-

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Claims

02515 - THE SINGER COMPANY, Stamford, Connecticut 0690», U.S.A. Patentansprüche

1. Vierstrahliges Antennensystem mit raumduplizierten Sende- und Empfangsantennen, insbesondere für Doppler-Radarnavigationssysteme von Flugzeugen oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet , daß

a) die Sendeantenne und die Empfangsantenne jeweils von einer Gruppe

von Mikrostrip-Reihen (17, 27 bzw. 39) miteinander verbundener Einzel- -"

strahler (22, 2k bzw. kl, kk) gebildet sind, wobei

b) die beiden Gruppen von Einzelstrahlerreihen (17, 27; 39) jeweils über eine vorgewählte Fläche verteilt sowie miteinander verschachtelt sind, und wobei

c) jede Gruppe von Einzelstrahlerreihen (17, 27 bzw. 39) mit den einen Enden an in Längsrichtung verteilte Abzweigstellen (16_r 28 bzw. 32) einer ersten Speiseleitung (10) bzw. einer dritten Speiseleitung (8) und mit den anderen Enden an in Längsrichtung verteilte Abzweigstellen (29, 30 bzw. 33) einer zweiten Speiseleitung (14) bzw. einer vierten Speiseleitung (12) angeschlossen ist, so daß

d) die Sendeantenne und die Empfangsantenne jeweils mit vier Strahlen elektromagnetischer Energie arbeiten.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die beiden Gruppen von Einzelstrahlerreihen (17, 27; 39) koplanar zueinander angeordnet sind.

3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gruppen von Einzelstrahlerreihen (17, 27; 39) parallel zueinander angeordnet sind.

4. Antennensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gruppen von Einzelstrahlerreihen (17, 27; 39) als gedruckte Schaltung (6) ausgebildet sind.

5. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Speiseleitung (10) sowie die zweite Speiseleitung (14) im Abstand von der dritten Speiseleitung (8) sowie der vierten Speiseleitung (12) angeordnet sind.

6. Antennensystem nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Speiseleitung (10) und die zweite Speiseleitung (14) koplanar zu den beiden Gruppen von Einzelstrahlerreihen (17, 27; 39) angeordnet sind.

7. Antennensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Speiseleitung (8) und die vierte Speiseleitung (12) jeweils in einer zur Ebene der ersten Speiseleitung (10), der zweiten Speiseleitung (14) und der beiden Gruppen von Einzelstrahlerreihen (17, 27; 39) parallelen Ebene angeordnet sind.

8. Antennensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Speiseleitung (8) und die vierte Speiseleitung (12) koplanar zueinander angeordnet sind.

9. Antennensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Speiseleitung (8) und die vierte Speiseleitung (12) jeweils über Durchführungsverbindungen an die zugehörige Gruppe von Einzelstrahlerreihen (39) angeschlossen sind, welche jeweils zwei Durchführungszungen (34, 40 bzw. 50, 52) aufweisen, die mit einer Abzweigstelle (32 bzw. 33) der dritten Speiseleitung (8) bzw. der vierten Speiseleitung (12) bzw. mit dem einen Ende bzw. dem anderen Ende einer Einzelstrahlerreihe (39) verbunden sind.

10. Antennensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Durchführungszungen (34, 40) jeder Durchführungsverbindung durch einen Durchführungsstift (58) miteinander verbunden sind.

11. Antennensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch g ekennzeichnet, daß die erste Speiseleitung (10) und die zweite Speiseleitung (14) parallel zueinander angeordnet sind.

12. Antennensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch g ekennzeichnet, daß die erste Speiseleitung (10) und die zweite Speiseleitung (14) quer zur zugehörigen Gruppe von Einzelstrahlerreihen (17, 27) angeordnet sind.

13. Antennensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch g ekennzeichnet, daß die dritte Speiseleitung (8) und die vierte Speiseleitung (12) parallel zueinander angeordnet sind.

14. Antennensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch g ekennzeichnet, daß die dritte Speiseleitung (8) und die vierte Speiseleitung (12) quer zur zugehörigen Gruppe von Einzelstrahlerreihen (39) angeordnet sind.

15. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (22, 24 bzw. 42, 44) jeder Mikrostrip-Reihe (17 bzw. 39) durch Phasenglieder (26 bzw. 46, 48) miteinander verbunden sind.

16. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Speiseleitung (10 bzw. 14 bzw. 8 bzw. 12) serpentinenförmig ausgebildet ist.