DE2942061A1

DE2942061A1 - Antennenanordnung mit phasengesteuerter strahlergruppe

Info

Publication number: DE2942061A1
Application number: DE19792942061
Authority: DE
Inventors: Jun Haynes Ellis
Original assignee: US Department of Health and Human Services
Current assignee: US Department of Health and Human Services
Priority date: 1978-10-17
Filing date: 1979-10-17
Publication date: 1980-05-08
Also published as: FR2439483A1; GB2034125B; GB2034125A; JPS5591208A; US4218685A; FR2439483B1; CA1145843A

Description

10 644 Ks/li

NASA MSC-16800

U.S.Serial HO: 953,313

Filed: October 17, 1978

The Government of the United States, represented by the Administrator of the National Aeronautics and Space Administration NASA

Washington, D.C, Y.St.v.A.

Ant ennenanordnung mit phasengesteuerter Strahlergruppe

Gegenstand der Erfindung sind Antennen zum Senden und/oder Empfangen zirkulär polarisierter elektromagnetischer Wellen mit Hilfe linearer strahlungserregender Elemente, die in koaxial liegenden Hohlräumen angeordnet sind. Erfindungsgemäß kontruierte Antennen eignen sich besonders für versenkten, d.h. bündig eingelassenen Einbau (sogenannte •Einbauantennen" ) an hochfliegenden Flugzeugen oder an Baumfahrzeugen, wo man sich zur Nachrichtenübertragung häufig zirkulär polarisierter Strahlung bedient, um die Qualitätsverschlechterung von Signalen, die infolge von Polarisationseffekten an Grenzen zwischen atmosphärischen Schichten zu erwarten ist, möglichst gering zu halten. Im Gegensatz zu bisher bekannten Einbauantennen vergleichbarer Abmessungen bringt die erfindungsgemäße Antennenanordnung eine größere Frequenzbandbreite sowohl für den Sende- als auch den Empfangsbetrieb.

Außerdem zeichnet sich die erfindungsgemäße Antennenanordnung gegenüber bekannten Einbauantennen durch eine breitere effektive Strahlungscharakteristik aus, so daß man eine geringere Anzahl

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an Antennenanordnungen benötigt, um eine zuverlässige Nachrichtenverbindung mit einem Luft- oder Baumfahrzeug ungeachtet seiner jeweiligen räumlichen Orientierung sicherzustellen. Dank ihres koaxialen Aufbaus kann die erfindungsgemäße Antennenanordnung außerdem kompakt konstruiert werden und in einer Einbauanordnung mit begrenzter Apertur betrieben werden.

Die Art und Weise, wie eine erfindungsgemäße Antennenanordnung hergestellt ist und benutzt wird, sowie verschiedne alternative Ausfuhrungsformen der Anordnung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Figur Λ zeigt in perspektivischer Darstellung eine koaxiale erfindungsgemäße Antennenanordnung mit phasengesteuerter Strahl er gruppe;

Figur 2 ist eine Draufsicht auf die in Figur 1 dargestellte Antennenanordnung ;

Figur 3 zeigt die Ansicht eines Schnitts gemäß der Linie 3-3 in Figur 2;

Figur 4- zeigt vergrößert die Ansicht eines Schnitte durch ein Dipol-Strahlerelement gemäß der Linie 4-Λ in Figur 2 und offenbart Einzelheiten der Struktur zur Symmetrierung;

Figur 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit kreisrunden Hohlräumen;

Figur 6 zeigt eine Schaltung aus Hetzwerken, die zum Betreiben der erfindungsgemäßen Antennenanordnung verwendet werden kann;

Figur 7 ist eine graphische Darstellung einer Strahlungscharakteristik, die erhalten werden kann, wenn man allein den aus gekreuzten Dipolen bestehenden Teil der Antennenan-

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Ordnung verwendet;

Figur 8 zeigt die graphische Darstellung einer Strahlungscharakteristik, die man erhalten kann, indem man den aus mehreren Einpol en (Monopolen) bestehenden Teil der Antennenanordnung allein verwendet;

Figur 9 ist die graphische Darstellung einer Strahlungscharakteristik, die man erhalten kann, indem man die Einpol- und Dipol-Teile der Antennenanordnung gemäß der Erfindung betreibt.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Antennenanordnung, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Zwei Wandungen 12 und 14 bilden gemeinsam mit einer Bodenplatte 16 (Figur 3) einen inneren Hohlraum A und einen äußeren Hohlraum B. Der innere Hohlraum A wird durch die Innenfläche der .inneren Wandung 12 und durch die nach oben weisende Fläche der Bodenplatte 16 begrenzt. Der äußere Hohlraum B wird durch die Innenfläche der äußeren Wandung 14, die Außenfläche der inneren Wandung 12 und die nach oben weisende Fläche der Bodenplatte 16 begrenzt.

Wie am besten in Figur 2 zu erkennen ist, hat der innere Hohlraum A im horizontalen Querschnitt die Form eines Quadrats, und der äußere Hohlraum B bildet ein Quadrat, in welchem ein mittlerer quadratischer Teil, der durch die Außenfläche der inneren Wandung umgrenzt wird, ausgespart ist. Man erkennt, daß die innere und die äußere Wandung zueinander koaxial sind und daß die beiden Hohlräume A und B ebenfalls zueinander koaxial sind. Die beiden Hohlräume A und B haben einen gemeinsamen Mittelpunkt, und ihre entsprechenden Seiten sind zueinander parallel. Wie die Figuren 3 und 1 offenbaren, haben die Hohlräume A in Axialrichtung gleiche Ausdehnung,und ihre Böden befinden sich an gleicher axialer Position, wie sie durch die obere Fläche der selben Grundplatte 16 definiert ist. Die Höhe der äußeren Wandung 14 ist etwa größer als die Höhe der inneren Wandung 12,

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und zwar aus einem weiter unten erläuerten Grunde.

Innerhalb des inneren Hohlraums A "befinden sich zwei kreuzweise angeordnete Dipolstrahler, die allgemein mit 18 und 20 bezeichnet sind. An den vier Ecken der inneren Wandung 12 sitzen Einpolstrahler ("Monopole") 22, 24, 26 und 28.

Anordnung und Aufbau der Strahler lassen sich am besten in den Figuren 3 und 4 erkennen. Gemäß Figur 4 wird der Dipol 20 auf der Bodenplatte 16 mittels einer Symmetrierungseinrichtung 30 gehalten, die einen symmetrischen Pfosten 30a und einen unsymmetrischen Pfosten 30b enthält. Der symmetrische Pfosten 30a hat Koaxialstruktur, die als zentralen Kern eine Speiseleitung 32 enthält, welche von unterhalb der Bodenplatte 16 nach oben durch den Pfosten 30a hindurch und dann hinüber zum oberen Ende des unsymmetrischen Pfostens 30b fuhrt, wo sie mechanisch und elektrisch verankert ist. Beide Teile 30a und 30b der Symmetrierungseinrichtung bestehen aus leitendem Material wie z.B. Metall. Innerhalb des symmetrischen Pfostens 30a ist die Leitung 32 durch ein dielektrisches Material 34- gegenüber dem leitenden Äußeren der Symmetrierungseinrichtang elektrisch isoliert.

Wie in den Figuren 3 und 4 zu erkennen ist, hat das dielektrische Material 34, das sich in den symmetrischen Teilen der Symmetriereinrichtungen aller Strahler befindet, nicht durchgehend gleiche Dicke, sondern die Dicke ändert sich von einem relativ großen Querschnitt ia oberen Teil des Pfostens auf ein? η relativ kleinen Querschnitt im unteren Teil des Pfostens. Der übergang zwischen den beiden Teilen unterschiedlicher Dicke des Dielektrikums in jeder Symmetrierungseinrichtung ist durch eine Schulter im Inneren des betreffenden Pfostens definiert, wie sie in Figur 4 bei 30c für den symmetrischen Pfosten 30a dargestellt ist.

Das dielektrische Material 34 dient zur Bildung einer Transformationsleitung für das betreffende Strahlerelement. Es ist be-

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kannt, die Länge des breiteren Abschnitts des Dielektrikums 34 zu ändern, um die Impedanz der aus Zuleitung und Strahler bestehenden Kombination zur Anpassung an das die Leitung speisende Netzwerkk zu ändern.

Außerdem ist es bekannt, die Abmessungen eines Antennenhohlraums und der zugehörigen Strahler zu ändern, um die Mitte des Bandes von Strahlungswellenlängen, die durch eine solche Antennenanordnung übertragen werden können, zu ändern. So wird bei einer Anordnung, wie sie der Hohlraum A und die Strahler 18 und 20 bilden, die Höhe der Strahler so gewählt, daß sie ungefähr gleich einem Viertel der Wellenlänge in der Mitte des Anregungsbandes ist. Die gleiche Beziehung zwischen der Höhe der Strahler und der Strahlungsanregungsfrequenz gilt für den äußeren Hohlraum B und die zugehörigen Strahler 22 bis 28.

Der Dipolstrahler 20 hat zwei Strahlerelemente 36 und 38, deren jedes an einem gesonderten Pfosten 30a bzw. 30b der Symmetrierungseinrichtung gehalten wird. Die Strahler elemente 36 und 38 sind längs einer gemeinsamen Linie orientiert, weisen jedoch in entgegengesetzte Sichtungen.

Der andere Dipolstrahler 18 ist genauso wie der Dipolstrahler 20 konstruiert, mit einer tue zwei Pfosten bestehenden Symmetrierungseinrichtung 40 (Figuren 3 und 4) und einer Speiseleitung 42. Auch hier ist an {jedem Pfosten der Symmetrierungseinrichtung 40 ein Strahlerelement 44 bzw. 46 befestigt. Die Strahlerelemente 44 und 46 sind ebenfalls in entgegengesetzte Richtungen längs einer gemeinsamen Linie orientiert.

Wie in den Figuren 1 und 2 deutlich zu sehen ist, sind die Dipolstrahler 18 und 2o 30 innerhalb des inneren Hohlraums A angeordnet und orientiert, daß die vier Symmetrierungspfosten dieser Strahler in einem Rechteck stehen, dessen Mitte mit der Mitte des Hohlraums A zusammenfällt, und daß sich die zum jeweils selben Strahler gehörenden Pfosten an jeweils gegenüberliegenden Ecken

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dieses Rechtecks befinden· Sie beiden Zuleitungen 32 und 42 überkreuzen sich ungefähr in der Mitte des Hohlraums A, ohne elektrischen Eontakt zueinander zu haben.Sie Linie,längs der die Strahlerelemente 36 und 38 orientiert sind, ist orthogonal zur Linie, längs der die Strahlerelenente 44 und 46 orientiert sind. Diese Linien laufen auf zwei zueinander senkrechten Ebenen, die durch die gemeinsame mittlere Längsachse der beiden Hohlräume A und B gehen.

Jeder der Einpolstrahler (Monopolstrahler) 22 bis 28 ist ähnlich aufgebaut wie die Dipolstrahler 18 und 20. Am besten ist in den Figuren 2 und 3 zu erkennen, vorin sich die beiden Strahlertypen in ihrer Konstruktion gleichen und worin sie sich unterscheiden. So enthält z.B. der Monopolstrahler 22 eine Symmetrierungeeinrichtung 48 mit einem symmetrischen und einem unsymmetrischen TeU(Ffosten 48a und 48b). Der symmetrische Pfosten 48a enthält eine Zuleitung 50, die durch ihn hindurchläuft und hinüber zum oberen Ende des unsymmetrischen Pf β st ens 48b führt. Sie Zuleitung 30 ist von dem leitenden Material des symmetrischen Pfostens 48a durch ein dielektrisches Material 52 isoliert, mit dem die Transformationsleitung gebildet wird und dessen Sicke an einer Schulter 48c im Inneren des Pfostens von einem MaS auf ein anderes MaB übergeht.

Sie beiden Pfosten 48a und 48b der Symmetrierungseinrichtung des Monopolstrahlers 22 stehen an einer Ecke der inneren Waaäung 12, und zwar der eine an der Innenseite und der andere an der Außenseite. In ähnlicher Weise enthält auch jeder der anderen Monopolstrahler 24 bis 28 eine Symmetrieruagseinricbt ung aus zwei Pfosten, die beidseitig der inneren Wan!ung stehen, so daß sich an jeder Ecke der inneren Wandung 12 ein solcher Monopolstrahler befindet. Ser Monopolstrahler 22 hat nur ein Strahlerelement 54, das von dem außerhalb der inneren Wandung 12 stehenden Pfosten der betreffenden Syametrierungseinriohtung gehalten wird. In ähnlicher Weise besitzen die anderen drei Monopolstrahler 24 und 26 und 28 jeweils nur ein Strahlerelement 56 bzw. 58 bzw. 60,und

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alle Strahlerelemente der Monopolstrahler befinden sich im äußeren Hohlraum B.

Alle Strahl er elemente 54- bis 60 der Monopolstrahler sind so orientiert, daß sie in eine Sichtung zeigen, die vom inneren Hohlraum A fort weist· Wie in den Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, liegen sich die beiden Monopolstrahler 22 und 26, über den inneren Hohlraum A hinweg gesehen, diametral gegenüber, wobei ihre Strahlerelement« 54· und 58 in der gleichen Richtung orientiert sind wie die Dipol-Strahlerelemente 36 und 38 und in entgegengesetzte Richtungen fort von der gemeinsamen mittleren Längsachse der beiden Hohlräume A und B weisen. In ähnlicher Veise liegen sich die beiden anderen Monopolstrahler 24- und 28 über den inneren Hohlraum A hinweg diametral gegenüber, und ihre Strahlerelemente 56 und 60 weisen in entgegengesetzte Sichtungen vom inneren Hohlraum fort in der gleichen Orientierung wie die Dipol-Strahlerelemente44 und 46.

Bei dreien der Monopol strahl er 24 bis 28 verlaufen die Zuleitungen durch diejenigen Pfosten der jeweiligen Symmetrierungseinrichtung, die innerhalb der inneren Wandung 12 stehen. Bei dem vierten Monopolstrahler 22 läuft die Zuleitung jedoch durch den im äußeren Hohl raum B stehenden Pfosten. Dieser letztere Monopolstrahler 22 befindet sich in der Nachbarschaft des Strahlerelementes 38, das von dem unsymmetrischen Symmetrierungspfosten des Dipolstrahlers 20 getragen wird.

Die Beziehung zwischen der Positionierung der symmetrischen und unsymmetrischen Pfosten der beiden diametral gegenüberliegenden Monopolstrahler 22 und 26 führt dazu, daß zwischen den Erregungen der zugehörigen Strahlerelemente 54- und 58 eine Phasendifferenz von 180° besteht. Somit kann von der Monopolstrahlergruppe im äußeren Hohlraum B, wenn die gezeigte und weiter unten beschriebene Netzwerkanordnung verwendet wird, zirkulär polariaerte elektromagnetische Strahlung empfangen und gesendet werden.

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in ähnlicher Weise ermöglicht die kreuzweise Mpolanordnung der Dipol strahl er 18 und 20 innerhalb des inneren Hohlraums A, daß "vcn der Dipol-Antennenanordnung des inneren Hohlraums zirkulär polarisierte elektromagenetische Strahlung sowohl empfangen als auch abgestrahlt werden kann.

Ein Netzwerk zum Betreiben der Antennenanordnung sowohl für Empfang als auch für Abstrahlung elektromagnetischer Signale ist schematisch bei 62 in Figur 3 gezeigt. Typischerweise wird ein dielektrisches Blatt wie z.B. ein Filmstreifen 64 als Grundlage oder Substrat für die Komponenten des Netzwerks verwendet. Das Netzwerk kann gebildet werden, indem man auf eine oder beide Seiten des Substrats 64 Kupfer oder anderes leitendes Material aufbringt, an dem weitere Schaltungskomponenten befestigt werden. Beim Bau des Netzwerks kann man z.B. so vorgehen, daß man zunächst eine Schichtanordnung aus einer leitenden Ebene und einem dielektrischen Substrat und eventuell einer zweiten leitenden Ebene auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats bildet und rl atm selektiv Material aus der oder den leitenden Ebenen herausätzt, um auf dem Substrat eine Schaltung der geforderten Form zu hinterlassen. Diese und andere Konstruktionstechniken für Schaltungen aus Streifenleitungen sind allgemein bekannt und brauchen hier nicht mehr erläutert zu werden.

Die verschiednen Zuleitungen wie z.B. die Leitung 50 erstrecken sich in der dargestellten Veise von den symmetrischen Pfosten der Symmetrierungseinrichtung nach unten durch entsprechende Löcher in der Bodenplatte 16 zum Gebiet der Netzwerkschaltung. Am Substrat 64 sind die Zuleitungen an Anschlußstellen oder Leiterspuren 66 mit der Netzwerkschaltung verbunden.

Das gebildete Netzwerk kann von zusätzlichem dielektrischem Material 68 umschlossen seil, mit dem es von einem umgebenden, aus elektrisch leitendem Material 70 bestehenden Gehäuse isoliert wird. Das leitende Gehäuse 70 dient als Masseebene für das Netzwerk. Es sind geeignete Durchgänge (z.B. 70a) vorgesehen, um die Zuleitungen von den Strahlern durch das Massegehäuse 70 zum

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Netzwek hindurch zu führen. Das dielektrische Material 34 innerhalb der symmetrischen Pfosten der Symmetrierungseinrichtungen kann nach unten durch die Bodenplatte 16 und die Durchgänge 70a weiterführen, um sicherzustellen, daß die Zuleitungen von diesen beiden leitenden Teilen isoliert sind.

Die direkt zum Netzwerk 62 führenden Portsetzungen der Zuleitungen bilden die Speise- oder Verbindungsleitungen zw. dem Netzwerk und den Strahlern. Während die vorliegende Anordnung, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, den Vorteil eines kompakten Aufbaus hat, ist es im Prinzip auch möglich, das Netzwerk selbst an einer von der eigentlichen Antennenanordnung entfernten Stelle vorzusehen. In einem solchen Fall müssen längere Leitungen das Netzwerk mit den Strahlern verbinden. Außerdem müssen die Transformationsleitungen innerhalb der symmetrischen Pfosten, die durch die breiten und schmalen Abschnitte des dielektrischen Materials 34 gebildet sind, dann so ausgelegt werden, daß man die richtige Impedanzanpassung entlang der aus Netzwerk, Verbindungsleitung und Strahlerzuleitung stehenden Schaltung erhält.

Ein typisches Netzwerk, das zum Betreiben der erfindungsgemäßen Antennenanordnung für Abstrahlung oder Sapfang zirkulär polarisierter elektromagnetischer Strahlung verwendet werden kann, ist schematiech in Figur 6 dargestellt. Das von der Antennenanordnung zu sendende Signal wird dem Netzwerk am Eingang 72 eines Kopplers 74 zugeführt. Der Zoppier 74 ist im wesentlichen ein induktives Element, welches das Eingangssignal zu einem Ausgang 74a weitergibt und an einem Ausgang 74b eines Parallelzweiges ein Signal der gleichen Frequenz mit einer Phasenverschiebung von 180° anregt. Das gegenüberliegende Ende des Parallelzweiges ist eine Entkopplungsmündung 74c, welche das induzierte Signal über ein Impedanzanpassungselement zur Masseebene abschließt· Der Koppler 74 ist ebenso wie die übrigen noch zu beschreibenden Schaltungselemente ein herkömmliches Bauteil, wie es auf dem Gebiet der Streifenleitungsschaltungen allgemein bekannt ist, und braucht daher im einzelnen hier nicht beschrieben zu werden.

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Die "bei 74-a und 74- b austretenden Ausgangssignale des Kopplers 74 werden Elementen 76 bzw. 78 zugeführt, welche die Punktion von Signalteilern und Phasenschiebern in sich vereinen. Jedes dieser Elemente 76 und 78 ist ein leistungsteilender 3-db-Hybridekoppler mit Phasenversetzung von 90 . So koppelt z.B. der Hybridekoppler 76 das von 74-a kommende Eingangssignal so auf die beiden Ausgänge 76a und 76b,daß dort Signale mit gleichem Leistungspegel, aber einer um 90° unterschiedlichen Phase erscheinen. Zwischen dem Eingangskreis, der an einem Entkopplungsende 76c abgeschlossen ist, und dem die Ausgangsenden 76a und 76b aufweisenden Ausgangskreis erfolgt induktive Kopplung. Somit liefert der Signalteiler an den Enden 76a und 76b zwei Ausgangssignale, die in jeder Hinsicht einander im wesentlichen

und/sich q

gleich sind/nur in ihrer Phase um 90 voneinander unterscheiden. In ähnlicher Weise liefert der Signalteiler 78 an den Ausgängen 78a und 78b zwei im wesentlichen gleiche Ausgangssignale, die ebenfalls um 90° zueinander phasenverschoben sind.

Die beiden Ausgangsignale des Signalteilers 78 werden zwei getrennten 3-db-Leistungsteilern 80 und 82 zugeführt. Jedes der beiden Elemente 80 und 82 spaltet das ihm zugeführte Eingangssignal in zwei Ausgangssignale auf, die in jeder Hinsicht einander im wesentlichen gleich sind und auch gleiche Phase ha* ben. Somit werden an den Leistungsteileranschlüssen 80a und 80b Ausgangssignale geliefert, die miteinander in Phase sind, und an den Leistungsteileranschlüssen 82a und 82b werden Ausgangssignale geliefert, die ebenfalls miteinander in Phase sind. Es besteht jedoch eine Phasendifferenz von 90° zwischen einerseits den von den Anschlüssen 80a und 80b kommenden Signalen und andererseits den von den Anschlüssen 82a und 82b kommenden Signalen, und zwar infolge der vom Hybridekoppler 78 bewirkten Phasenverschiebung.

Das eine Aue gangssignal des Hybridekopplers 76 wird dem Dipolstrahler Ί8 und das andere dem Dipolstrahler 20 zugeführt. Diese beiden Dipolstrahler sind in Figur 6 symbolisch als Elemente

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mit den Ziffern 1 und 2 dargestellt. Die Ausgangssignale des Leistungsteilers 80 werden in ähnlicher Weise den diametral gegenüberliegenden Monopolstrahlern28 und 24 zugeführt, die symbolisch als Element 3 bzw. als Element 4 dargestellt sind. Die Ausgangssignale des Leistungsteilern 82 werden den beiden anderen, sich diametral gegenüberliegenden Monopol strahl er η 26 und 22 (Elemente 5 und 6 in Figur 6) zugeführt. Die Dipolstrahler innerhalb des inneren Hohlraums abfangen also ihre Signale mit einem Phasenunterschied von 90? Das resultierende Signal, das von dem im inneren Hohlraum gelegenen Teil der Antennenanordnung abgestrahlt wird, ist zirkulär polarisiert. Die Drehrichtung der zirkulären Polarisation der in dieser Weise von dem im inneren Hohlraum gelegenen Teil der Antennenanordnung abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung ist bestimmt durch die Richtung der vom Hybridekoppler 76 bewirkten Phasenversetzung. Die Drehrichtung der zirkulären Polarisation der elektromagnetischen Strahlung, die von dem im inneren Hohlraum gelegenen Teil der Antennenanordnung ausgesandt wird, kann also umgekehrt werden, indem man die Zuordnung zwischen den Dipolstrahlern 18 und 20 und den Anschlüssen des Signalteilers. 76 vertauscht.

Wie oben erwähnt, empfangen die beiden Monopolstrahler 24 und 28 ihre beiden Signale phasengleich, wobei diese Phase jedoch um 90° gegenüber der Phase der von den beiden übrigen Monopolstrahlern 22 und 26 empfangenen Signale versetzt ist. Jedoch erfolgt die Speisung des Monopolstrahlers 22 über denjenigen Pfosten, der Symmetrierungseinrichtung, der das Strahlerelement 54 trägt, im Qgensatz zur Speisung der anderen drei Monopolstrahler, die über die innerhalb des inneren Hohlraums A liegenden Pfosten erfolgt. Dieser Unterschied in der Speisung der beiden diametral gegenüberliegenden Monopolstrahler 22 und 26, die ihre Eingangssignale vom Leistungsteiler 82 ansonsten phasengleich empfangen, führt dazu, daß die von den beiden Strahlerelementen 54 und 58 wirklich abgestrahlten Signale um 180° zueinander phasenversetzt sind. Die kombinierte Wirkung der im Netzwerk nach Figur 6 bewirkten Phasenverschiebungen und der Konstruktion und Positionierung der verschiedenen Monopolstrah-

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ler 22 bis 28 führt also dazu, daß das vom Element 58 abgestrahlte Signal um 90° außer Phase gegenüber den von den Elementen 56 und 60 abgestrahlten Signale ist, die ihrerseits einander phasengleich und gegenüber dem vom Element ^A abgestrahlten Signal um 90° außer Phase sind. Außerdem besteht ein Phasenunter schied von 180° zwischen den von den Elementen 58 und 54-abgestrahlten Signalen. So ist das Gesamtsignal, das von dem im äußeren Hohlraum liegenden Teil der Antennenanordnung abgestrahlt wird, zirkulär polarisiert. Die Drehrichtung der zirkulären Polarisation des in dieser Weise vom äußeren Teil der Antennenanordnung abgestrahlten Signale läßt sich umkehren, indem man ei τι fach die Ausgangsanschlüsse des signalteilenden Hybridekopplers 78 vertauscht.

Die Anregung der Dipolstrahlerelemente innerhalb des inneren Hohlraums A führt zur Abstrahlung eines zirkulär polarisierten Signals. In ähnlidi er Weise führt die Anregung der Monopolstrahlerelemente im äußeren Hohlraum B zur Abstrahlung eines Signals, das ebenfalls zirkulär polarisiert ist. Infolge der vom Koppler 74 bewirkten Phasenverschiebung leuchten die Dipolstrahlerelemente den inneren Hohlraum in einer Phase aus, die um 18O⁰ gegenüber der Phase versetzt ist, mit welcher der äußere Hohlraum B von den Monopolstrahlerelementen ausgeleuchtet wird. Infolge der koaxialen Anordnung der beiden Antennenteile kombinieren sich die beiden Einzelsignale zu einem einzigen Signal zirkulär polarisierter elektromagnetischer Strahlung,deren Drehrichtung umgekehrt werden kann, indem man einfach die Ausgangsanschlüsse der beiden signalteilenden Hybridekoppler 76 und 78 jeweils vertauscht, wie es oben beschrieben wurde.

Die allgemeine Strahlungscharakteristik des von den kreuzweise angeordneten Dipolelementen ausgeleuchteten inneren Hohlraums A ist in figur 7 dargestellt, und zwar für eine Ebene, die senkrecht zur Apertur des Hohlraums A liegt. Ihnlich ist die allgemeine Strahlungscharakteristik des äußeren Hohlraums B, so

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wie er von den vier in Fhasenquadratur "betriebenen Monopolstrahlern ausgeleuchtet wird, in Figur 8 dargestellt, und zwar für eine Ebene senkrecht zur Apertur dea äußeren Hohlraums B. Die Die kombinierte Antennenanordnung bringt, wenn der innere und der äußere Hohlraum in der beschriebenen Weise in einer um 180° unterschiedlichen Phase ausgeleuchtet wird,für eine Ebene, die auf den Aperturen beider Hohlräume A und B senkrecht steht, die in Figur 9 dargestellte Strahlungscharakteristik. Wie ein Vergleich der Figuren 7 bis 9 zeigt, führt die koaxiale Anordnung von Antennenhohlräumen, die durch lineare Strahlerelemente ausgeleuchtet sind, welche gemäß den oben beschriebenen Phasenbeziehungen angeregt werden, zu einer Strahlungschrakteristik, die eine größere effektive Keulenbreite hat als die Strahlungscharakteristik jedes allein betriebenen Antennenhohlraums für sich. Außerdem ist die Frequenzbandbreite in den von der erfindungsgemäßen koaxialen Antennenanordnung abgestrahlten Signalen größer als die Bandbreite,die sich erzielen läßt, wenn man den zu dem einen oder dem anderen Hohlraum gehörenden Antennenteil allein betreibt.

Sie erfindungsgemäße koaxiale Antennenanordnung läßt sich auch für den Empfang zirkulär polarisierter elektromagnetischer Strahlung betreiben. In diesem Fall arbeitet die Antennenanord— nung als Empfangsantenne, wobei die ankommenden Signale in die Hohlräume A und B dringen und sowohl die Dipol- als auch die Monopolstrahlerelemente antigen. Die empfangenen Signale werden dann längs den Zuleitungen an den sechs Strahlern und über die Verbid, ungsleitungen an das oben beschriebene Netzwerk gegeben. Das Netzwerk des in Figur 6 dargestellten Typs kombiniert die in den verschiedenen Strahlern induzierten einzelnen Signale. Im einzelnen kombinieren die Signalteiler 76 bis 82 jeweils zwei Eingangssignale miteinander, die . ihnen an denjenigen Anschluss sen zugeführt werden, welche als Ausgangsanschlüsse bezeichnet wurden. Der Koppler 74 kombiniert schließlich die beiden Signale, die von dem inneren und dem äußeren Antennnenteil aufgefangen

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werden, zu einem einzigen Signal, das bei 72 erscheint. Das in dieser Weise von der Antennenanordnung aufgefangene und von dem Netzwerk nach «Figur 6 verarbeitete Signal steht zur weiteren Verarbeitung durch einen herkömmlichen Empfänger oder andere Geräte zur Verfügung.

Zum Zwecke bündigen Einbaus der Antennenanordnung in eine Baumfahrzeug oder ein anderes Fahrzeug kann die äußere Hohlraumwandung 14 etwas höher als die innere Hohlraumwandung 12 gemacht und mit einem nach außen springenden Flansch 14a versehen werden, wie es in den Figuren 1 bis 3 zu erkennen ist. Der Flansch 14a erleichtert die Ausrüstung der Antennenanordnung mit einer äußeren Abdeckung 84, wie sie gestrichelt in Figur 3 dargestellt ist. Die größere Höhe, welche die äußere Wandung 14 im Vergleich zur inneren Wandung 12 über der Grundplatte 16 hat,hebt die Abdeckung 84 über den oberen Hand der inneren Wandung 12 und der Symmetrierungspfosten der Strahler, damit auch die sich über die Pfosten erstreckenden Teile der Zuleitungen darunter Platz finden können.

Die Abdeckung 84 kann verschiedene Schutzeinrichtungen gegenüber Umgebungseinwirkungen aufweisen, z.B. einen Hitzeschild, sie muß jedoch für elektromagnetische Strahlung im Übertragungsfrequenzbereich der Antennenanordnung zumindest teilweise durchlässig sein.

Die Erfindung kann auch mit kreisförmigen koaxialen Antennenhohlräumen ausgebildet sein, wie es in Figur 5 dargestellt ist, worin bestimmte Elemente, die in ihrer Struktur und/oder Funktion vorstehend beschriebenen Elementen im wesentlichen gleichen, mit Bezugszahlen bezeichnet sind, die sich von denjenigen der zuvor beschriebenen Elemente um den Wert 100 (d.h. durch eine vorangestellte "1") unterscheiden.

Ein innerer Antennenhohlraum C wird durch eine innere kreisrund verlaufende Wandung 112 und die Oberseite einer Bodenplatte 116

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begrenzt. Ein äußerer Antennenhohlraum D wird durch die Innenfläche einer äußeren runden Wandung 114, die äußere Oberfläche der inneren Wandung 112 und die obere Fläche der Grundplatte 116 definiert. Die äußere Wandung 114 ist mit einem oberen, nach außen springenden Flansch 114a versehen, der dazu dient, die Antennenanordnung zu halten und/oder eine Abdeckung zu tragen, wie es weiter oben in Verbindung mit der quadratischen Ausführung der Antennenanordnung beschrieben wurde.

Innerhalb des inneren Hohlraums C zentriert sitzen zwei kreuzweise angeordnete Dipolstrahler 118 und 120. Der Dipolstrahler 118 enthält Strahlerelemente 144,und 146, die in entgegengesetzte Richtungen entlang eines Durchmessers des kreisförmigen Querschnitts des inneren Hohlraums weisen. Der andere Dipolstrahler 120 enthält Strahlerelemente 136 und 138, die in zueinander entgegengesetzte Eichtungen weisen, und zwar entlang einer Durchmesserlinie des Querschnitts des inneren Hohlraums C, die senkrecht zum erstgenannten Durchmesser liegt.

Die Strahlerelemente der Dipolstrahler 118 und 120 sind vom gleichen Typ wie die Elemente der Dipolstrahler 18 und 20 der vorher beschriebenen Ausführungsform. Alle Dipol-Strahlerelemente beider Ausfuhrungsformen haben also die allgemeine Gestalt planer, radial abstehender Fahnen, die in Ebenen liegen, welche durch die Langsachse des jeweiligen inneren Hohlraums gehen.

Wie im Falle der quadratischen Anordnung enthält die runde Ausführungsform vier Monopolstrahler 122, 124, 126 und 128 zur Strahlungsanregung im äußeren Hohlraum D. Die Strahler 122 und 126 liegen einander diagonal gegenüber längs der Orientierungsrichtung des Dipolstrahlers 120. In ähnlicher Weise liegen die beiden Monopolstrahler 124 und 128 einander diagonal gegenüber längs der Orientierungsrichtung des Dipolstrahlers 118.

Analog zur quadratischen Ausführungsform sitzen auch bei der kreisförmigen Anordnung die Symmetrierungspfosten der Monopol-

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strahler jeweils beidseitig der inneren runden Wandung 112. Ferner werden drei der Monopolstrahler (die Strahler 124, 126 und 128) durch Zuleitungen gespeist, die durch die innerhalb der inneren Wandung 112 stehenden symmetrischen Symmetrierungspfosten laufen, während beim vierten Monopolstrahler der symmetrische Symmetrierungspfosten im äußeren Hohlraum D steht. Dieser spezielle Monopolstrahler 122 ist so positioniert, daß sein unsymmetrischer Symmetrierungspfosten dem Strahlerelement 138 benachbart ist, das von einem unsymmetrischen Symmetrierungspfosten des Dipolstrahlers 120 gehalten wird. Die verschiedenen Zuleitungen gehen in allen Fällen bei jedem Strahlerelement ebenfalls vom symmetrischen zum unsymmetrischen Symmetrierungspfosten.

Die Monopolstrahler 122 bis 128 der kreisförmigen Anordnung enthalten Strahlerelemente 154, 156, 158 und 160 jeweils in Form planer Fahnen oder Flügel, die eine Gestalt ähnlich wie Tortenstücke haben und in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zur gemeinsamen Achse der beiden Hohlräume C und D läuft. Diese Strahlerelemente sind nahe den oberen Enden der verschiedenen Symmetrierungspf osten angeordnet. Jedes der Flügelelemente 154-bis 160 ist symmetrisch bezüglich derjenigen Durchmesserlinie der Hohlräume C und D angeordnet, auf welcher der Strahler steht, zu dem dieser Flügel gehört.

Das Leistungsvermögen der mit runden Hohlräumen ausgebildeten Antennenanordnung ist im allgemeinen das gleiche, wie oben in Verbindung mit der quadratischen Antennenanordnung beschrieben. D.h. wenn die einzelnen Hohlräume C und D nur jeweils allein ausgeleuchtet werden, sind Strahlungscharakteristiken zu erwärm ten, wie sie in den Figuren 7 und 8 dargestellt sind, während die kombinierte Strahlungscharakteristik, die man bei gemeinsamem Betrieb der beiden Hohlräume C und D erhält, der in Figur 9 dargestellten Charakteristik ähnelt. Sowohl die vergrößerte Breite der Strahlungskeule als auch die größere Frequenzbandbreite läßt sich also gleichermaßen entweder mit einer allgemein

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quadratischen oder allgemein kreisförmigen Konstruktion der erfindungsgemäßen Antennenanordnung erhalten. Außerdem läßt sich das in Figur 6 gezeigte Netzwerk und die in igur 3 dargestellte und in Verbindung damit beschriebene allgemeine Konstruktion dieses Hetzwerks und der Zuleitungsverbindungen auch bei der runden Antennenanordnung verwenden, um zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung sowohl zu senden als auch zu empfangen. Hierzu konnten beispielsweise die Strahler 118, 120, 122, 124, 126 und 128 in dieser Seihenfolge in Figur 6 durch die Elemente 1, 2, 6, 4, 5 und 3 repräsentiert werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Anwendung können vier einzelne erfindungsgemäße Koaxial-Antennenanordnungen im 90°-Winkelabstand um die Hollebene eines Raumflugkörpers angeordnet werden, um die Tatsache zu nutzen, daß die Charakteristik einer einzelnen Antennenanordnung einen Baumwinkel von 7T deckt, wie es in Figur 9 dargestellt ist.

Die vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsformen der Erfindung sind nur als Beispiele zur Erläuterung aufzufassen, d.h. die dargestellten Anordnungen können in verschiedenster Weise in ihren Einzelheiten abgewandelt werden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

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L e e r s e i t

Claims

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NASA MSC-16 800 «^{LKX V}""^1N

U.S. Serial No: 95?,513 ^{miGWSI>l SOMUEZ}

Filed: October 17, 1978

The Government of the United States represented by the Administrator of the National Aeronautics and Space Administration NASA

Washington, D.C, V.St.v.A.

Ant ennenanordnung mit phasengesteuerter Strahlergruppe

Patentansprüche

1.)Antennenanordnung für elektromagnetische Strahlung, gekenn- ^J zeichnet durch:

a) einen ersten Antennenhohlraum (z.B. A);

b) einen zweiten Antennenhohlraum(B), der den ersten Antennenhohlraum umringt und mit diesem eine gemeinsame mittlere Längsachse hat und der sich in Axialrichtung im wesentlichen gleich weit erstreckt wie der erste Antennenhohlraum;

c) einen ersten und einen zweiten Dipolstrahler (18, 20), die innerhalb des ersten Antennenhohlraums kreuzweise angeordnet sind;

d) einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen

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POSTSCHECK MÜNCHEN NR. β Sl 48 8OO - BANKKONTO BYFOBANK MÜNCHEN (BLZ 70000040) KTO. «0602073 78

vierten Monopolstrahler (22, 24, 26, 28), die symmetrisch bezüglich des zweiten Antennenhohlraums angeordnet sind, um darin angeregt zu werden (z.B. Figuren 1 bis 4).

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der erste Antennenhohlraum (A) durch die Innenfläche einer diesen Hohlraum umgebenden ersten Wandung (12) und die Oberfläche einer Bodenplatte (16) definiert wird und

b) daß der zweite Antennenhohlraum (B) durch die Innefläche einer den zweiten Hohlraum umgebenden zweiten Wandung (14), die Außenfläche der ersten Wandung (12) und die Oberfläche einer Bodenplatte (16) definiert wird.

3. .Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

a) daß jeder der beiden Dipolstrahler (z.B. 20) eine Symmetrierungseinrichtung (30) enthält, die ein symmetrisches Stück (30a) und ein unsymmetrisches Stück (30b) aufweist, deren jedes ein Strahlerelement (36, 38) trägt, und daß die beiden -von einer einzelnen Symmetrierungseinrichtung getragenen Strahlerelemente längs einer gemeinsamen Linie orientiert sind und in entgegengesetzte Sichtungen von-einander fort weisen, wobei die Orientierungslinie der Strahlerelemente (36, 38) des ersten DipolStrahlers (20) orthogonal zur Orientierungslinie der Strahlerelemente (44, 46) des zweiten Dipolstrahlers (18) ist;

b) daß jeder der vier Monopol strahl er (22, 24, 26, 28) eine Symmetrierungseinrichtung (z.B. 48 bei 22) hält, die jeweils ein symmetrisches und ein unsymmetrisches Stück aufweist, und daß nur eines der Symmetrierungsstücke jedes Monopolstrahlers ein Strahlerelement (54 bzw. 56 bzw. 58 bzw. 60) trägt;

c) daß die Symmetrierungseinrichtung (z.B. 48) jedes Monopolstrahlers (z.B. 22) derart angeordnet ist, daß sich in jedem Fall das ein Strahlerelement tragende Symme-

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trierungsstück (z.B. 48a) innerhalb des zweiten Hohlraums (B) befindet, wobei das von diesem Stück getragene Strahlerelement in eine Sichtung orientiert ist, die vom ersten Antennenhohlraum (A) fortweist, während sich das andere, kein Strahlerelement tragende Symmetrierungsstück (48b) innerhalb des ersten Antennenhohlraums befindet;

d) daß der erste und der dritte Monopolstrahler (22, 26) beidseitig des ersten Antennenhohlraums (A) einander diametral gegenüberliegen, und zwar entlang der Orientierungslinie, längs der die Strahlerelemente (54, 58) dieser Monopolstrahler voneinander fortweisen;

6) daß der zweite und der vierte Monopolstrahler (24, 28) beidseitig des ersten Antennenhohlraums (A) einander diametral gegenüber liegen, und zwar entlang der Orientierungslinie der Strahlerelemente (44, 46) des zweiten Dipolstrahlers (18), und daß die Strahlerelemente (46, 60) des dritten und des vierten Monopolstrahlers längs dieser Orientierungslinie in entgegengesetzte Richtungen weisen.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den MonopolStrahlern drei Exemplare (24, 26, 28) derart strukturiert sind, daß sich die symmetrischen Stücke ihrer Symmetrierungseinrichtungen innerhalb des ersten Antennenhohlraums (A) befinden, während der andere Monopol strahl er (22) so strukturiert ist, daß sich das symmetrische Stück seiner Symmetrierungseinrichtung innerhalb des zweiten Antennenhohlraums (B) befindet.

5. Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das unsymmetrische Symmetrierungsstück desjenigen Monopolstrahlers (22), dessen symmetrisches Symmetrierungsstück sich innerhalb des zweiten Hohlraums (B) befindet, in der Nachbarschaft des Strahlerelements (38) angeordnet ist, das von einem unsymmetrischen Symmetrierungsstück eines der Di-

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polstrahler getragen wird.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des ersten Antennenhohlraums (A) im wesentlichen quadratisch ist und daß der Querschnitt des zweiten Antennenhohlraums (B) eine Figur darstellt", die in ihrem äußeren umriß im wesentlichen quadratisch ist und eine im wesentlichen quadratische innere Begrenzung hat, wobei der äußere Umriß und die innere Begrenzung konzentrisch sind und einander parallele entsprechende Seiten haben.

7« Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Strahl er elemente allgemein planar sind und in Ebenen orientiert sind, die durch die gemeinsame Längsmittelachse des ersten und des zweiten Hohlraums gehen.

8. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des ersten Antennenhohlraums (C) allgemein kreisförmig ist und daß der Querschnitt des zweiten Antennenhohlraums (D) eine ebene Figur darstellt, deren äußerer Umriß allgemein kreisförmig ist und die eine innere Begrenzung aufweist, welche allgemein kreisförmig und konzentrisch mit dem äußeren Umriß ist.

9. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente (136, 138 und 146, 148) der Dipolstrahler (120, 118) allgemein planar sind und in Ebenen orientiert sind, die durch die Längsmittelachse des ersten und des zweiten Antennenhohlraums (C, D) gehen, und daß die Strahlerelemente (154, 156, 158, 160) der Monopolstrahler (122, 124, 126, 128) allgemein planar sind und in Ebenen orientiert sind, die senkrecht zur gemeinsamen Längsmittelachse des ersten und zweiten Antennenhohlraums laufen.

10. Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte, deren Oberfläche Teil der Begrenzung

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des zweiten Antennenhohlraums ist, eine Verlängerung der Grundplatte ist, deren Oberfläche Teil der Begrenzung des ersten Antennenhohlraums ist.

11. Antennenanordnung für elektromagnetische Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei an einem End« offene Hohlräume in koaxialer Anordnung vorgesehen sind und daß sich doppelte Dipolstrahlerelemente zur Anregung im inneren Hohlraum der Anordnung befinden und daß sich vier Monopolstrahlerelemente in symmetrischer Positionierung zur Anregung innerhalb des äußeren Hohlraums der Anordnung befinden und daß die Strahlerelemente über Speiseeinrichtungen mit einem Netzwerk als phasengesteuerter Gruppenstrahler gekjppelt sind, um zirkulär polarisierte Strahlung zu senden oder zu empfangen.

12. Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen der Querschnitte des inneren und des äußeren Hohlraums allgemein quadratisch sind und daß die winkelmäßige Orientierung aller dieser Quadrate bezüglich der gmeinsamen Längsmittelachse des inneren und des äußeren Hohlraums gleich ist.

13. Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen der Querschnitte des inneren und des äußeren Hohlraums allgemein kreisförmig und konzentrisch sind.

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