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Die
Erfindung betrifft elektronisch verschwenkbare Antennen mit beliebiger
oder Mehrfachpolarisation.
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Beim
Aussenden einer elektromagnetischen Welle wird im allgemeinen eine
Polarisation gewählt,
die je nach der Art des gesuchten Ziels und den Wetterbedingungen
die besten Erfassungsbedingungen verspricht. Beispielsweise wird
mit Kreispolarisation ausgestrahlt, wenn Störungen durch Wassertröpfchen vermieden
werden sollen, denn Wellen mit Kreispolarisation werden bei der
Reflexion an Wassertröpfchen
invertiert.
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Beim
Empfang kann die Wahl der Polarisation nach dem Kriterium des stärksten Nutzsignals
oder des schwächsten
Störsignals
erfolgen. Man kann sich beispielsweise dafür entscheiden, mit einer Polarisation
zu empfangen, die senkrecht zu der von einem Störsender benutzten Polarisation
ist. Es kann daher erforderlich sein, sendeseitig oder empfangsseitig über beide
Polarisationskomponenten zu verfügen.
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Bei
bestimmten Anwendungen erlauben es die beiden Polarisationskomponenten,
sendeseitig eine Codierung anzuwenden, um empfangsseitig nach der
Verarbeitung der beiden Komponenten die Form des Zieles zu erkennen.
Wenn nämlich
eine Folge mit Rechts- und Links-Zirkularpolarisation gemäß einem
Binärcode
ausgesendet wird, reflektiert das Ziel das Signal mit demselben
Polarisationscode, wenn dieses Ziel ein Zweiflach ist, oder aber
mit einem invertierten Code, wenn das Ziel kugelförmig ist
oder eine rotationssymmetrische Oberfläche aufweist.
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Im
Falle von Antennen, die aus einer aus Hauptquelle und Fokussiereinrichtung
(im allgemeinen ein oder mehrere Reflektoren, die zentriert sein
können,
oder eine Linse) bestehenden Gruppe gebildet sind, ist die Polarisation
der Gruppe diejenige, die durch die Primärquelle gegeben ist.
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Um
in einem solchen Falle eine beliebige oder Mehrfachpolarisation
zu erhalten, werden beispielsweise als Primärquelle zwei gekreuzte Bipole
vor einem Reflektor verwendet, oder aber ein symmetrisches Horn, das
zwei Erregeranschlüsse
mit gekreuzter Polarisation aufweist. Eine beliebige Polarisation
wird erhalten, indem die beiden Anschlüsse über einen Polarisator und eine
Dämpfungseinrichtung
gespeist werden. Eine Mehrfachpolarisation kann empfangsseitig ausgenutzt
werden, indem ein Empfänger
für jeden
Anschluß verwendet
wird.
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Im
Falle von elektronisch verschwenkbaren Antennen werden phasengesteuerte
Gruppenantennen verwendet. Um eine beliebige Polarisation zu erreichen,
muß aber
jede Quelle der Gruppe mit Elementen wie gekreuzten Bipolen oder
symmetrischen Hörnern
ausgestattet werden, die also zwei Anschlüsse aufweisen, welche jeweils über einen
Phasenschieber und eine Dämpfungseinrichtung
an jedem Element angesteuert werden, um die Amplitude und die Phase
des Signals einzustellen. Um Signale mit Mehrfachpolarisation zu empfangen,
muß ferner
die Gesamtheit der Speiseschaltungsnetzwerke und der Phasenschieber
verdoppelt werden, um mit zwei getrennten Empfängern arbeiten zu können.
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Die
Kosten für
eine solche Antenne mit elektronischer Verschwenkung sind aber proportional
zu der Anzahl von Phasenschiebern, wobei diese Anzahl im vorliegenden
Falle mit zwei multipliziert wird. Die Verwirklichung einer solchen
Antenne ist daher aufwendiger und kostenintensiver.
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Durch
die vorliegende Erfindung werden diese Schwierigkeiten behoben.
Ein wesentlicher Erfindungsgedanke besteht darin, eine Primärquelle
mit beliebiger oder Mehrfachpolarisation zu verwenden, welche eine Reflektorgruppe
anstrahlt, die aus phasengesteuerten Quellen aufgebaut ist.
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Gegenstand
der Erfindung ist somit eine elektronisch verschwenkbare Antenne
mit beliebiger oder Mehrfachpolarisation, bei der keine Verdoppelung
der Geräteeinrichtungen
und insbesondere der Phasenschieber erforderlich ist, einerseits
weil die Phasen-Amplituden-Gesetze und die Polarisationsgesetze
durch die Primärquelle
vorgegeben sind, welche die Reflektorgruppe anstrahlt, und andererseits
weil die Phasenschieber mit den Strahlerelementen jeder Quelle der
Gruppe verbunden sind, wie weiter unten im einzelnen beschrieben
wird, so daß diese
Elemente Wellen mit Mehrfachpolarisation oder beliebiger Polarisation
senden und/oder empfangen können.
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Die
erfindungsgemäße, elektronisch
verschwenkbare Antenne mit beliebiger oder Mehrfachpolarisation
enthält
eine Primärquelle
zur Speisung einer Gruppe von Reflektorquellen, welche durch zwei
Strahlerelemente mit Kreuzpolarisation und einen jeder Quelle zugeordneten
reziproken Phasenschieber gebildet sind, und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die
Primärquelle
ausgebildet ist zur Ausstrahlung von Wellen mit beliebiger Polarisation
und/oder Empfangen von Wellen mit Mehrfachpolarisation und daß die Phasenschieber
ausgebildet sind, um die zwei Strahlerelemente jeder Quelle zu verbinden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
der Antenne;
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2 eine
Ausführungsform
eines Strahlerelementes der erfindungsgemäßen Antennengruppe;
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3 eine
Schnittansicht einer Ausführungsform
einer in besonderer Technik ausgeführten Gruppe;
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines Strahlerelementes der in 2 gezeigten
Art; und
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5 eine
weitere Ausführungsform
eines Strahlerelementes nach der Erfindung.
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1 zeigt
eine elektronisch verschwenkbare erfindungsgemäße Antenne. Diese enthält eine
Primärquelle 1,
die geeignet ausgebildet ist, um sendeseitig beliebig und veränderlich
polarisierte Wellen auszusenden, und andererseits gleichzeitig zwei
orthogonale Polarisationskomponenten der ankommenden Welle empfangen
kann, beispielsweise mit vertikaler bzw. horizontaler Polarisation.
Diese Primärquelle
ist an sich herkömmlich
ausgebildet. Sie kann durch ein Horn der in 1 gezeigten
Art gebildet sein, das Wellen mit Mehrfachpolarisation oder beliebiger
Polarisation mit vorbestimmtem Phasengesetz und Amplitudengesetz
ausstrahlen kann. Ein Sender 3 gibt eine Welle ab, die
mittels eines variablen Teilers 4 in zwei Teile zerlegt
wird. Die eine Teilwelle wird mittels des Phasenschiebers 5 phasenverschoben,
während
der andere Teil durch ein Dämpfungsglied 6 gedämpft werden
kann. Die beiden Wellenanteile erregen über Zirkulatoren 7, 8 (welche
die Funktion von Duplexern aufweisen) die beiden gekreuzt polarisierten
Anschlüsse
des Hornes 9. Auf diese Weise wird sendeseitig eine beliebige
Polarisation erhalten. Beim Empfang werden die mit den beiden Komponenten
(horizontal u → und vertikal v →) empfangenen Signale über die Zirkulatoren 7, 8 zu
zwei Empfängern
Ro, Rv geführt (die
gegebenenfalls mit Schutzbegrenzern versehen sein können), um
dort ausgewertet zu werden.
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Die
Antenne enthält
ferner eine phasengesteuerte Gruppe 2. Diese Gruppe ist
eine Reflektorgruppe, welche eine Anzahl von Strahlerquellen 10 enthält. Jede
Strahlerquelle besitzt zwei Anschlüsse mit gekreuzter Polarisation,
so daß Wellen
mit Vielfachpolarisation oder beliebiger Polarisation ausgestrahlt
oder empfangen werden können.
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Jede
Strahlerquelle besteht aus zwei Elementen, die einen Teil der von
der Primärquelle
ausgehenden Energie ausstrahlen können, da die Primärquelle
die Speisequelle bildet.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
sind die Strahlerquellen der Gruppe jeweils durch zwei gekreuzte Strahlerschlitze
gebildet, die jeweils zwei Zweige 11, 12 bzw. 13, 14 aufweisen.
Ein elektronisch gesteuerter Phasenschieber 15 verbindet
zwei aufeinander senkrechte Zweige 12, 14 der
beiden Schlitze an jeder Strahlerquelle. Jeder Phasenschieber wird
in herkömmlicher
Weise so gesteuert, daß die
von jeder Strahlerquelle ausgestrahlten Wellen in solcher Weise
in der Phase verschoben werden, daß die Phasenverzögerung aufgrund
der Ausbreitung von der Primärquelle
ausgehend kompensiert wird und der Gruppe derjenige Phasengradient
aufgeprägt
wird, welcher die gewünschte
Bündelorientierung
ergibt.
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Jeder
Phasenschieber verbindet folglich zwei aufeinander senkrechte Zweige
in solcher Weise, daß die
durch einen Schlitz empfangene Energie den Phasenschieber durchläuft und
durch den anderen Schlitz wieder ausgestrahlt wird, wenn die Wellen
in einer einzigen Richtung polarisiert sind, nämlich vertikal oder horizontal,
je nach der Richtung eines der jede Quelle bildenden Elemente.
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Wenn
die Wellen eine andere Polarisation als in einer dieser beiden Richtungen
(vertikal oder horizontal) aufweisen, wird ein Energiebruchteil
(beispielsweise die horizontale Komponente) von jedem Zweig eingefangen,
während
der andere Bruchteil (beispielsweise die Vertikalkomponente) von
dem anderen Zweig aufgefangen wird. Die von einem vertikalen Zweig
aufgefangene Energie durchläuft
also den Phasenschieber und wird durch den waagerechten Zweig wieder
ausgestrahlt, und umgekehrt wird die von einem waagerechten Zweig
aufgefangene Energie nach Durchlaufen des Phasenschiebers wieder
durch den vertikalen Zweig ausgestrahlt. Es findet also ein Strahlungsaustausch
zwischen den senkrechten und waagerechten Zweigen statt.
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Eine
beliebige Polarisation kann durch eine Spaltenmatrix zweier komplexer
Zahlen (a, b) oder einfacher durch einen komplexen Vektor dargestellt
werden, der diese beiden Zahlen (a, b) als Komponenten eines gegebenen
Referenzsystems aufweist. Wenn als Referenzsystem (n →, u →, v →) ein Dreiflach
gewählt
wird, das aus drei orthogonalen Ein heitsvektoren gebildet ist, mit n → als
Strahlungsrichtung, u → als Horizontalkomponente und v → als Vertikalkomponente,
so kann eine polarisierte Welle
folgendermaßen geschrieben
werden
entsprechend dem durch die
Primärquelle
gegebenen Amplituden- und Phasen-Gesetz.
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Für eine Horizontalpolarisation
für eine Vertikalpolaristaiton
für eine rechtsgerichtete Kreispolarisation
für eine linksgerichtete Kreispolarisation
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Eine
Primärwelle
welche durch die Hauptquelle
mit Vertikalpolarisation ausgestrahlt wird, ergibt eine durch die
Gruppe mit Horizontalpolarisation ausgestrahlte Sekundärwelle
Umgekehrt ergibt eine mit
Horizontalpolarisation ausgestrahlte Primärwelle eine mit Vertikalpolarisation
ausgestrahlte Sekundärwelle.
Eine Welle mit beliebiger Polarisation, die stets vektoriell in
eine Horizontalkomponente und eine Vertikalkomponente zerlegt werden
kann, erfährt
eine symmetrische Transformation ihrer Komponenten; die sekundäre Welle
ergibt sich durch einen Austausch
zwischen Horizontalkomponente und Vertikalkomponente der Primärwelle
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Wenn
nämlich
die Polarisation der ankommenden
Primärwelle
an einem der Elemente der Gruppe ist, so hängen die definierenden Koeffizienten
a und b allein von der Hauptquelle ab, so daß die Senkundärwelle
einfach erhalten wird, indem
eine Permutation der horizontalen und vertikalen Komponenten vorgenommen wird.
Es besteht also eine Symmetrie bezüglich der Hauptdiagonalen.
Info der Reflexion (bei normalem Einfall) ändert sich der Sinn der Welle.
Man nimmt dann auf ein verändertes
Referenzsystem Bezug, damit ein direktes Dreiflach verbleibt, nämlich das
Dreiflach: (u' →, v' →, n' →), mit
u' → = –u' →
v' → = v' →
n' → = –n' →
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Die
austretende Sekundärwelle
wird für das direkte Dreiflach folgendermaßen geschrieben:
Diese austretende Welle hängt also
stets von der Primärquelle
ab.
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Jeder
Phasenschieber hat eine Funktion zusätzlich zu seiner gewöhnlichen
Funktion, da er zusätzlich eine
lineare orthogonale Transformation der Wellenpolarisation vornimmt.
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In
der folgenden Tabelle sind einige Beispiele angegeben:
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Beim
Empfang ist die Funktion reziprok. die von der Primärquelle
analysierte Welle weist eine Polarisation auf, die symmetrisch zu
der ankommenden, von der Gruppe ausgehenden Welle ist.
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In 2 ist
ein besonderes Ausführungsbeispiel
eines Strahlerelements gezeigt. Die Reflektorgruppe ist beispielsweise
eben ausgebildet. Jedes Doppelpolarisations-Strahlerelement 10 ist aus
zwei gekreuzten Schlitzen 11, 12 sowie 13, 14 gebildet.
Diese Schlitze sind auf einem ebenen Träger 20 mit einer Metallisierung 23 oder
aus Metall gebildet, wobei die gewählte Technik von der gewünschten
Antennenleistung abhängt.
Die beiden Anschlüsse
A und B mit gekreuzter Polarisation sind miteinander durch den Phasenschieber 15 über eine
Speiseleitung für
jedes Strahlerelement verbunden. Diese Leitung weist zwei Abschnitte 21 und 22 auf.
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Die
Speiseanschlüsse
A und B sind an den Schlitzen derart angeordnet, daß eine korrekte
Impedanzanpassung erhalten wird. Diese Punkte A und B liegen nichtnotwendigerweise
im Zentrum der Schlitze, sondern sind so gewählt, daß eine bessere Anpassung erhalten
wird. Die Enden 17 der Schlitze können beispielsweise T-förmig verbreitert
sein, wodurch die Anpassung insbesondere im Falle eines breiten
Betriebsfrequenzbandes verbessert wird.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer ebenen Gruppe im Schnitt gezeigt. Diese Gruppe ist auf einer
gedruckten Schaltung aufgebaut, die einen doppelseitig metallisierten
Träger
(Substrat) 20 aufweist. Dieser Träger ist also mit einer Metallisierung 23 versehen,
worin die Schlitze 15 (fehlende Metallisierung) angebracht
sind. Auf der anderen Fläche
des Trägers
sind die Speiseleitungsabschnitte 21, 22 für jeden
Schlitz angeordnet. Diese Leitungsabschnitte sind durch Metallisierungsstreifen
auf dem Träger 20 (vom
Typ einer Mikrostreifenleitung) gebildet. Auf der Rückseite
der gedruckten Schaltung ist eine Reflektorebene angeordnet, die
beispielsweise durch eine Metallplatte 24 gebildet ist.
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4 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines Strahlerelementes. Dieses Strahlerelement weist ebenfalls
die Form von zwei gekreuzten Schlitzen 11, 12, 13, 14 auf,
deren Enden 18 eine erweiterte Form aufweisen. Diese Verlängerung
der Schlitze kann auch zur Impedanzanpassung für die Speiseleitungen des Phasenschiebers
ausgenutzt werden.
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In 5 ist
eine andere Ausführungsform
eines Strahlerelementes gezeigt, das zur Verwirklichung der Gruppe
verwendet wird. Diese Strahlerelemente sind durch gekreuzte Dipole 30, 31–32, 33 gebildet,
welche vor einem gemeinsamen Reflektor 40 liegen, der etwa
um eine Viertelwellenlänge
hinter den Dipolen angeordnet ist. Die Anschlüsse A, B mit gekreuzter Polarisation
sind an eine Speiseleitung vom Koaxialleitungstyp angeschlossen,
die durch zwei mit dem Phasenschieber 15 verbundene Leitungsabschnitte 21, 22 gebildet
ist.
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Im
Rahmen der Erfindung kann jegliche Mikrowellentechnik angewendet
werden, insbesondere die bereits genannten Techniken (Mikrostreifenleitungen,
Koaxialleitungen), aber auch Leitungen aus drei Platten in Luft
oder mit Dielektrikum. Ferner kann jeglicher Antennentyp mit Doppelpolarisation
im Rahmen der Erfindung verwendet werden.
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Hinsichtlich
der Gruppe sind weitere Ausführungsformen
möglich,
insbesondere Gruppen, deren Strahlerelemente Zweige aufweisen, die
schräg
zu den Fluchtachsen dieser Gruppe liegen.
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Es
kann auch jegliche Primärquelle
verwendet werden, durch die mit Mehrfachpolarisation gesendet werden
kann und die einen Empfang unabhängig
und gleichzeitig von zwei orthogonalen Polarisationskomponenten
gestattet (beispielsweise linear oder zirkular entgegengesetzt).
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Die
Phasenschieber sind herkömmliche
reziproke Phasenschieber. Sie werden durch PIN-Dioden oder Ferrite
gebildet. Da diese Phasenschieber reziprok sind, kann also im einen
wie im anderen Ausbreitungssinn dieselbe Phasenverschiebung vorgenommen
werden.
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Durch
die Erfindung wird somit eine elektronisch verschwenkbare Antenne
geschaffen, die eine Primärquelle
mit beliebiger oder Mehrfachpolarisation aufweist, welche eine Gruppe
anstrahlt, die aus reflektierenden Quellen gebildet ist. Diese reflektierenden
Quellen enthalten Strahlerelemente mit gekreuzter Polarisation.
Die Phasenschieber sind so angeordnet, daß sie zwei Strahlerelemente
jeder Quelle verbinden. Durch diese Ausbildung kann der Bauteilaufwand
für die
Verwirklichung einer verschwenkbaren Antenne, die mit beliebiger
Polarisation ausstrahlen oder Wellen mit Mehrfachpolarisation empfangen
kann, auf die Hälfte
vermindert werden.