DE3639234A1

DE3639234A1 - Elektronisch verschwenkbare Antenne mit beliebiger oder Mehrfachpolarisation

Info

Publication number: DE3639234A1
Application number: DE3639234A
Authority: DE
Inventors: Serge Drabowitch
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1985-11-19
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 2009-02-26
Also published as: GB8627448D0; IT8667853A0; SE8604908D0; FR2890791A1

Abstract

Die elektronisch verschwenkbare Antenne mit beliebiger oder Mehrfachpolarisation umfaßt eine Primärquelle zur Speisung einer Gruppe von Reflektorquellen (10), die jeweils durch zwei Strahlerelemente (11, 12, 13, 14) mit gekreuzter Polarisation und einen reziproken, jeder Strahlerquelle zugeordneten Phasenschieber gebildet sind. Die Primärquelle kann Wellen mit beliebiger Polarisation ausstrahlen und/oder Wellen mit Mehrfachpolarisation empfangen. Die Phasenschieber (15) verbinden je zwei Strahlerelemente (11, 13) jeder Quelle. Anwendung auf Radarantennen.

Description

Die Erfindung betrifft elektronisch verschwenkbare Antennen mit beliebiger oder Mehrfachpolarisation.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
1 eine erste Ausführungsform der Antenne;
2 eine Ausführungsform eines Strahlerelementes der erfindungsgemäßen Antennengruppe;
3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer in besonderer Technik ausgeführten Gruppe;
4 eine weitere Ausführungsform eines Strahlerelementes der in 2 gezeigten Art; und
5 eine weitere Ausführungsform eines Strahlerelementes nach der Erfindung.
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 R_o, R_v geführt (die gegebenenfalls mit Schutzbegrenzern versehen sein können), um dort ausgewertet zu werden.
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.
Jede Strahlerquelle besteht aus zwei Elementen, die einen Teil der von der Primärquelle ausgehenden Energie ausstrahlen können, da die Primärquelle die Speisequelle bildet.
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.
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.
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.
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.
Für eine Horizontalpolarisation
für eine Vertikalpolaristaiton
für eine rechtsgerichtete Kreispolarisation
für eine linksgerichtete Kreispolarisation
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
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' →
Die austretende Sekundärwelle
wird für das direkte Dreiflach folgendermaßen geschrieben:
Diese austretende Welle hängt also stets von der Primärquelle ab.
Jeder Phasenschieber hat eine Funktion zusätzlich zu seiner gewöhnlichen Funktion, da er zusätzlich eine lineare orthogonale Transformation der Wellenpolarisation vornimmt.
In der folgenden Tabelle sind einige Beispiele angegeben:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Hinsichtlich der Gruppe sind weitere Ausführungsformen möglich, insbesondere Gruppen, deren Strahlerelemente Zweige aufweisen, die schräg zu den Fluchtachsen dieser Gruppe liegen.
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).
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.
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.

Claims

Elektronisch verschwenkbare Antenne mit beliebiger oder Mehrfachpolarisation, deren Primärquelle eine Gruppe von Reflektorquellen (10) speist, die aus zwei mit gekreuzten Polarisationen strahlenden Elementen (11, 12, 13, 14) und einem jeder Quelle zugeordneten reziproken Phasenschieber gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärquelle ausgebildet ist zum Aussenden von Wellen mit beliebiger Polarisation und/oder Empfangen von Wellen mit Mehrfachpolarisation und daß die Phasenschieber (15) zum Verbinden der zwei Strahlerelemente (11, 13) jeder Quelle ausgebildet sind.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber (15) elektronisch steuerbar sind.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (11, 12, 13, 14) der Gruppe durch zwei gekreuzte Schlitze (11, 12 bzw. 13, 14) gebildet sind und daß die Phasenschieber (15) jeweils einen Zweig eines Schlitzes mit einem anderen Zweig des anderen Schlitzes verbinden.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente durch zwei gekreuzte Dipole (30, 31, 32, 33) gebildet sind, wobei die Phasenschieber (15) jeweils einen Zweig eines Dipols mit einem anderen Zweig des anderen Dipols verbinden.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe eine ebene Gruppe ist, die als gedruckte Schaltung ausgebildet ist, wobei eine Fläche der Schaltung teilweise metallisiert ist und die nichtmetallisierten Zonen den gekreuzten Schlitzen entsprechen, während die andere Seite der Schaltung Mikrostreifenleitungen (21, 22) trägt, welche die Kreuzpolarisationsanschlüsse von zwei Zweigen (12, 14) verbinden, und daß eine Reflektorebene (24) auf der Rückseite der gedruckten Schaltung angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe eine Anzahl von Dipolen (30, 31, 32, 33) aufweist, daß Speiseleitungen (21, 22) die Kreuzpolarisationsanschlüsse der zwei Zweige (33, 31) jedes Dipols verbinden und daß eine Reflektorebene (40) auf der Rückseite der Dipole angeordnet ist, während der Phasenschieber (15) auf der Rückseite dieser Ebene (40) angeordnet ist.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärquelle ein Horn (1) aufweist, das zwei Kreuzpolarisationsanschlüsse aufweist.
Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzpolarisationsanschlüsse jeweils mit einem Eingang eines Zirkulators (7, 8) verbunden sind, wobei einer der Zirkulatoren mit einem Phasenschieber (5) und der andere mit einer Dämpfungseinrichtung (6) verbunden ist, wobei die Dämpfungseinrichtung und der Oszillator mit einem Sender (3) über einen Teiler (4) verbunden sind, während der andere Eingang jedes Zirkulators mit den Empfängern (R_u, R_v) verbunden ist.