NO177077B

NO177077B - Antenne med et jordplan

Info

Publication number: NO177077B
Application number: NO904909A
Authority: NO
Inventors: Pyong K Park; Steven E Bradshaw
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Priority date: 1989-11-15
Filing date: 1990-11-12
Publication date: 1995-04-03
Also published as: NO904909L; US5030965A; GR3019579T3; CA2027443A1; EP0428299A2; TR26140A; JPH03173204A; JPH0666576B2; DE69024756T2; DE69024756D1; IL95989A; ES2081946T3; EP0428299A3; NO904909D0; NO177077C; EP0428299B1; CA2027443C

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en antenne med et jordplan.

En konvensjonell antenne kan frembringe et vilkårlig polarisert utstrålende felt ved å kombinere to ortogonalt polariserte elementer som har det riktige amplitude- og faseforhold. Dette involverer typisk bruken av to antenner som anvender en effektdeler og en faseforskyver. Følgelig er slike konvensjonelle antennekonstruksjoner relativt kompli-serte, voluminøse og ikke passende for bruk i eksempelvis i en stående bølgeoppstilling.

Konvensjonelle slisseantenner frembringer strålingsmønstre som har en polarisasjonsvektor som har en retning som er orientert over slissene. Det er i mange tilfeller ønskelig å kunne styre polariseringsretningen for energien som utstråles fra slike slisseantenner, slik at det kan til-veiebringes en forutvalgt polarisasjonstilstand. Imidlertid har det hittil ikke vært konstruert noen slike slisseantenner .

Av annen kjent teknikk nevnes det som fremgår av US-patent 3594806, samt av US-patent 2635189. Sistnevnte viser imidlertid kun hvorledes utstråling kan skje for en slisse eller dipol fra en bølgeleder eller fra en koaksialkabel, men ikke for slissen og dipolen sammen. Heller ikke er det vist hvorledes det er mulig å styre polarisasjonen av den utstrålte energi.

For å muliggjøre en slisseantenne som har et styrbart polarisert utstrålingsfelt, og som kan anvendes til å oppnå en stående-bølgeantenne, omfatter den foreliggende oppfinnelse minst en slisse som har langstrakte kanter og ytterkanter og er anbragt i jordplanet, og et flertall av ørelignende elementer som er festet på hver side av jordplanet langs de langstrakte kanter av nevnte minst ene slisse, og orientert ortogonalt på jordplanet, idet flertallet av ørelignende elementer omfatter to i alt vesentlig kvadrant—formede elementer som har senterne for de respektive kvadrantformede elementer anbragt ved ytterkantene av slissen og der den ytre kanten av elementene stiger ortogonalt i forhold til jordplanet og buer seg tilbake til dette ved omtrentlig midten av slissen.

Ifølge ytterligere utførelsesform av antennen kan nevnte flertall av ørelignende elementer være anbragt med en forutbestemt vinkel i forhold til kantene på slissen. Videre kan det være fordelaktig å la nevnte flertall av ørelignende elementer være anbragt i et symmetrisk motstående forhold langs de langstrakte kanter av nevnte minst ene slisse.

Ved at de ørelignende elementene orienteres i en svak vinkel relativt kantene av slissen, er det mulig å finavstemme polarisasjonsretningen. Imidlertid kreves ikke mer enn 5 graders rotasjon for å avstemme polarisasjonsvektorens retning. De ørelignende elementer kan ha forskjellige former, slik som eksempelvis en kile- eller trekantform.

I en typisk antenne blir et flertall av slisser anvendt, og den foreliggende oppfinnelse tillater bruken av vilkårlig orienterte slisser som mates ved hjelp av konvensjonelle rektangulære bølgeledere eller innkasset båndlinje. Et vilkårlig polarisert strålingsfelt frembringes ved å styre de relative former, dimensjoner og posisjoner av slissene og de ørelignende elementene. Lengdene, høydene og den relative mengde av overlapping, om enn noen, av de to elementene avviker generelt for hver slisse i en bestemt antenne. Dersom all energien utstråles fra de ørelignende elementene, blir så antennen typisk polarisert i Y-retningen (langs slissen). Dersom all energien utstråles fra slissen, blir så antennen polarisert i X-retningen (på tvers av slissen). Når både slissen og de ørelignende elementene utstråler energi, blir antennen da lineært polarisert dersom både slissen og de ørelignende elementene utstråler i fase, sirkulært polarisert dersom både slissen og de ørelignende elementer utstråler med lik amplitude og faseforskjell mellom disse er + 90 grader, og elliptisk polarisert dersom eksiteringsamplituden og fasen som er knyttet til slissen og de ørelignende elementer ikke er de samme.

Antennekonstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse opererer som en effektiv, stående bølgeoppstilling som mates ved hjelp av en bølgeleder. Antennen, ifølge den foreliggende oppfinnelse, eliminerer de tilføyde komponenter og den voluminøse natur av konvensjonelle antenner som oppnår lignende ytelse.

De forskjellige trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil lettere forstås med henvisning til den etterfølgende detaljerte beskrivelse tatt i forbindelse med de vedlagte tegninger, der like henvisningstall betegner like konstruksjonselementer. Fig. 1 viser en antenne i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2a-2c viser forskjellige slisseantenner som mates av rektangulære bølgeledere. Fig. 3 viser en slisseantenne matet ved hjelp av innkasset båndlinje. Fig. 4 viser en bølgeleder matet stående bølgeantenneopp-stilling i henhold til prinsippene for den foreliggende oppf innelse, Fig. 5a og 5b viser H-plan og E-plan strålningsmønstre for en konvensjonell slisseantenne, Fig. 6a og 6b viser H-plan og E-plan strålningsmønstre som

har lineær polarisering for en slisseantenne i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse, og

Fig. 7a og 7b illustrerer H-plan og E-plan strålningsmønstre som har sirkulær polarisering for en slisseantenne i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse.

I fig. 1 vises en antenne 10 i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Antennen 10 omfatter et jordplan 11 som har en slisse 12 anbragt deri. Et dipol-element omfattende to ørelignende elementer 13a,13b er på ledende måte festet til jordplanet. De ørelignende elementene 13a,13b har en kvadrantlignende form og er anbragt hosliggende de langstrakte kanter av slissen 12. De ørelignende elementene 13a,13b kan også ha andre former, slik som eksempelvis trekant- eller kileformer. De ørelignende elementene 13a,13b er vist som relativt tynne, flate, plane elementer i fig. 1, men andre former og tverrsnitt kan også lett anvendes.

De ørelignende elementene 13a,13b strekker seg vekk fra jordplanet på en generelt ortogonal måte relativt dette. De er plassert i forhold til slissen 12 slik at senterne for kvadrantene generelt er anbragt ved eller nær de ytre kanter av slissen 12. De ørelignende elementer strekker seg slik at den ytre kanten av hvert av elementene 13a, 13b strekker seg til ca. midten av slissen 12. Den relative størrelse og posisjon av de ørelignende elementene 13a,13b bestemmer polarisasjonen av energien som utstråles fra antennen 10. I tillegg bidrar den relative høyden av de ørelignende elementene 13a,13b til bestemmelsen av utstrålingskarakter-istikkene for antennen 10. Typisk består jordplanet 11 av metall, slik som kobber, og de ørelignende elementene 13a,13b kan bestå av kobberfolie som på ledende måte er festet til jordplanet 11. Fig. 2a-2c viser forskjellige slisseantennner matet av rektangulære bølgeledere uten tilføyelsen av de ørelignende elementene 13a,13b ifølge den foreliggende oppfinnelse. I tillegg viser fig. 3 en slisseantenne matet av innkasset båndlinje. Antenner laget i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse kan anvende slike konvensjonelle matemekanismer. Det vises i denne forbindelse til bøkene med tittel: Microwave Antenna Theory and Design, redigert av Samuel Silver, sidene 291-303, Dover Publishers, Inc., og Antenne Handbook, redigert av Y. T. Lo et al., kapittel 12, sidene 12-4, Van Nostrand Reinhold Co., New York, 1988, som beskriver slike slisseantenner og deres konstruksjon og virkemåte. Fig. 4 viser en bølgéledermatet, stående-bølge antenneopp-stilling 15 i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Den nevnte antenneoppstillingen 15 omfatter en bølgéledermatet innretning 16 som har et jordplan 11 i hvilket er anbragt et flertall av slisser 11. Hver av slissene har ørelignende elementer 13a,13b som er anbragt hosliggende disse. De ørelignende elementene 13a,13b er anbragt relativt slissene generelt i henhold til den lære som er gitt ovenfor under henvisning til fig. 1. I denne antenneutførelse er hver av slissene 11 anbragt parallelt med hverandre og slissene er anbragt langs en imaginær senter-linje på en generelt symmetrisk måte for å oppnå et stående-bølge strålingsmønster. Imidlertid kan andre slissemønstre, slik som de som er vist i fig. 2a-2c og omtalt i de anførte referansebøker, anvendes. Stående-bølge antennen 16 kan ha en hvilken som helst polarisering, avhengig av forholdet mellom slissene 12 og de ørelignende elementene 13a,13b, slik som beskrevet ovenfor.

Generelt er de respektive størrelser av slissene og de ørelignende elementene som er knyttet til hver slisse, forskjellige. Ved på passende måte å justere de relative størrelsene, avstandene og plasseringen av de ørelignende elementene, samt størrelsen av slissen, kan fasen av den energi som utstråles fra en bestemt slisse og ørelignende elementer justeres til å styre polarisasjonsretningen slik at en hvilken som helst polarisasjonsretning er oppnåelig. Individuell justering av de ørelignende elementene i hver slisse muliggjør kompensering for krysskobling av utstrålere og slisser.

Antennen, ifølge den foreliggende oppfinnelse, kan anvendes som en flat-plate oppstilling i kollisjonsunngåelsesradar, satelittantenne eller søkerantennemiljøer. I tillegg opererer antennekonstruksjonen, ifølge den foreliggende oppfinnelse, som er effektiv stående-bølge oppstilling matet ved hjelp av en bølgeleder. Denne antenne, ifølge den foreliggende oppfinnelse, eliminerer de tilføyde komponenter og voluminøse natur av konvensjonelle antenner7 som oppnår lignende ytelse.

Antennen, ifølge den foreliggende oppfinnelse, som er omtalt med henvisning til fig. 1, ble testet for å verifisere at slissen og de ørelignende elementer kunne anordnes til å oppnå de avvikende strålingsmønstre som nevnt ovenfor. Under testene ble det verifisert at: (1) et polarisert felt i Y-retningen (langs slissen) oppnås når nesten all energien utstråles fra de ørelignende elementene, (2) et lineært polarisert felt oppnås når både de ørelignende elementene og slissen utstråler med nær lik amplitude og fase, (3) et elliptisk polarisert felt blir oppnådd når de ørelignende elementene og slissen utstråler med ulike amplitude og fase, og (4) nesten sirkulært polarisert felt oppnås når både slissen og de ørelignende elementene utstråler med lik amplitude og deres faseforskjell er ca. 90 grader.

Den mest generelle form av planbølge-polarisering er elliptisk, med sirkulær og lineær polarisering som spesiell begrensende tilfeller. Elliptisk polarisering defineres av det aksielle forhold, eller forholdet mellom feltstyrke i lengste og minste akse, og av feltvektorens rotasjonsretning. For en praktisk applikasjon er det også ønskelig å vite vinkelen av hovedaksen relativt en viss referanseretning. Denne vinkel refereres til som p-vinkelen, mens referanseret-ningen defineres til å være retningen av H-planet for slissen, nemlig langs slissens retning.

En elliptisk polarisert planbølge med et aksielt forhold lik 20 dB eller større, kan refereres til som lineært polarisert. En elliptisk polarisert planbølge med et aksielt forhold lik

2 dB eller mindre kan refereres til som sirkulært polarisert. Disse konvensjoner anvendes med henvisning til den følgende omtale av fig. 5,6 og 7. Fig. 5a og 5b illustrerer strålingsmønstre for en konvensjonell slisseantenne som ikke har noen ørelignende elementer. Fig. 5a representerer et kuttplan som er E-planet for slissen, mens fig. 5b representerer et kuttplan som er H-planet for slissen. I dette tilfellet er p lik 90 grader, med hovedaksen innrettet med E-planet for slissen. Dette oppnås ved en slisse 12 som ikke har noen ørelignende elementer 13å,13b. Dataene som er vist i fig. 5a og 5b, ble tatt ved bruk av elementet som en mottagende antenne, avsøkt i asimutplanet, mens den lineært polariserte, sendende antennen ble kontinuerlig rotert, på en måte som konven-sjonelt gjøres ved testing av antennemønstre. Fig. 6a og 6b illustrerer H-plan og E-plan strålingsmønstre som har lineær polarisering for en slisseantenne i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Med henvisning til fig. 6a og 6b, er p lik 5 grader med hovedaksen innrettet med H-planet for slissen 12. Disse data viser at strålningen kan bevirkes til å komme fra de ørelignende elementene 13a,13b og ikke fra slissen 12. Fig. 7a og 7b illustrerer H-plan og E-plan strålingsmønstre som har sirkulær polarisering på en slisseantenne i henhold

til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Dette oppnås ved hjelp av passende valg av dimensjoner for slissen 12 og de ørelignende elementene 13a,13b. Resultatet er at stråling som kommer langs E-planet og H-planet for slissen er gjort lik i amplitude og av den korrekte relative fase til å oppnå sirkulær polarisering. På grunn av den ikke-plane natur av antennen, er strålningen sirkulært polarisert kun i siktets nærområde (area near boresight). Denne virkning kan minimaliseres ved å optimalisere antennegeometrien for derved å bringe fasesenterne for de to utstrålende mekanismene i tett innretning.

Der er således blitt beskrevet en ny og forbedret antenne som innbefatter både en slisse og en ørelignende dipolutstråler og som oppnår vilkårlige utstrålnignsmønstre som har styrt polarisering avhengig av størrelsen og stedet for de ørelignende elementer relativt slissen. Antennekonstruksjonen, ifølge den foreliggende oppfinnelse, opererer som en effektiv stående-bølge oppstilling matet av en bølgeleder. Antennen eliminerer de tilføyde komponenter og den voluminøse natur av konvensjonelle antenner som oppnår lignende.

Det vil forstås at de ovenfor beskrevne utførelsesformer kun er illustrerende for visse av de mange utførelsesformer som representerer applikasjoner av prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Det er klart at tallrike og andre løsninger lett kan frembringes av fagfolk uten å avvike fra oppfinnelsens omfang.

Claims

1. Antenne med et jordplan, karakterisert ved minst en slisse som har langstrakte kanter og ytterkanter og er anbragt i jordplanet, og et flertall av ørelignende elementer som er festet på hver side av jordplanet langs de langstrakte kanter av nevnte minst ene slisse, og orientert ortogonalt på jordplanet, idet flertallet av ørelignende elementer omfatter to i alt vesentlig kvadrant—formede elementer som har senterne for de respektive kvadrantformede elementer anbragt ved ytterkantene av slissen og der den ytre kanten av elementene stiger ortogonalt i forhold til jordplanet og buer seg tilbake til dette ved omtrentlig midten av slissen.

2. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte flertall av ørelignende elementer er anbragt med en forutbestemt vinkel i forhold til kantene på slissen.

3. Antenne som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte flertall av ørelignende elementer er anbragt i et symmetrisk motstående forhold langs de langstrakte kanter av nevnte minst ene slisse.