DE2316842B2

DE2316842B2 - Mehrfrequenzantenne für drei Frequenzbänder

Info

Publication number: DE2316842B2
Application number: DE2316842A
Authority: DE
Inventors: James S. Ajioka; William A. Anaheim Leeper; George I. Tsuda
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-04-14
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1978-05-24
Also published as: US3803617A; FR2180114A1; CA977047A; BR7302624D0; DE2316842A1; JPS5224369B2; FR2180114B1; JPS4921045A; DE2316842C3; GB1355030A; IT988143B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Mehrfrequenzantenne für drei Frequenzbänder, mit einem Hohlleiterstrahler, der eine gemeinsame Strahlungsöffnung für die Signale des mittleren und des höchsten Frequenzbandes aufweist, mit einer mit dem Hohlleiterstrahler verbundenen Einrichtung, um in dem Hohlleiterstrahler mehrere Wellentypen des höchsten Frequenzbandes anzuregen, und mit einem den Hohlleiterstrahler umgebenden Ringraum für das niedrigste Frequenzband. μ

Aus der US-PS 35 66 309 ist eine Antenne für zwei Frequenzbänder bekannt, bei der ein Hohlleiterstrahler für die höhere Frequenz innerhalb eines Hohlleiterstrahlers für die niedrigere Frequenz angeordnet ist. Die Ausdehnung dieses Prinzips hätte die Anordnung der beiden Hohlleiterstrahler innerhalb eines dritten Hohlleiterstrahlers für die niedrigste Frequenz zur Folge. Ein solches System hätte wegen der gegenseitigen Abschattung der Strahlungsöffnung einen nur geringen Wirkungsgrad. Eine ähnliche Antenne für zwei Frequenzbänder ist auch aus den »IEEE Transactions on Antennas and Propagation«, September 1969, Seiten 637 bis 640, bekannt Bei dieser bekannten Antenne wird der äußere Hohlleiterstrahler durch zwei diametral angeordnete Sonden angeregt, die durch den Außenleiter des äußeren Hohlleiterstrahlers radial in den äußeren Ringraum eingeführt sind. Die Form dieser Sonden hat einen gewissen Einfluß auf die Form des Strahlungsdiagrammes und die Breitbandigkeit dieses Antennenteils. Die Anwendung dieses Prinzips auf eine Antenne für drei Frequenzbänder ist nicht ohne weiteres möglich.

Aus dem »NASA-report X-525-67-430«, September 1967, Seiten 43 bis 51, ist ferner eine Mehrfrequenzantenne bekannt, bei der drei Vierer-Anordnungen von Dipolen konzentrisch derart zueinander angeordnet sind, da3 sich die Vierer-Anordnung für die höchste Frequenz innen und die Vierer-Anordnung für die niedrigste Frequenz außen befindet. Ineinander angeordnete Dipolgruppen dieser Art haben im allgemeinen wegen gegenseitiger Kopplungseffekte einen geringen Wirkungsgrad.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mehrfrequenzantenne der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sich die den verschiedenen Frequenzbereichen zugeordneten Strahlungselemente nicht stören.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in der Strahlungsöffnung des Ringraumes diametral zum Hohlleiterstrahler zwei leitende Arme angeordnet sind, die jeweils an ihrem dem Hohlleiterstrahler zugewandten Ende mit dem einen Leiter je einer Zweileiter-Speiseleitung verbunden sind, deren anderer Leiter mit der Hohlleiterstrahler-Außenwand verbunden ist, und daß die diametralen leitenden Arme zusammen mit den Hohlleiterstrahler-Außenwänden einen in dem niedrigsten Frequenzband resonanten Dipol bilden.

Die Erfindung vermeidet also eine gegenseitige Abschattung und wechselseitige Kopplung durch die Verwendung einer einzigen gemeinsamen Strahlungsöffnung für das höchste und das mittlere Frequenzband, beispielsweise das 6-GHz- und das 4-GHz-Frequenzband, und eines ggf. gekreuzten Dipols für das niedrigste Frequenzband, bei dem es sich beispielsweise um das 1-GHz-Frequenzband handeln kann. Der Dipol ist insofern kein gewöhnlicher Dipol, als er an zwei Punkten erregt wird und die Ränder des Hohlleiterstrahlers seinen Mittelteil bilden.

Die erfindungsgemäße Mehrfrequenzantenne ist besonders als Speisestrahler zum Ausleuchten eines Reflektors oder einer Linse geeignet. Um bei dieser Anwendung einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muß ihr Diagramm den Reflektor oder die Linse ausleuchten, ohne über den Rand des Sekundärstrahlers übermäßig hinauszugehen und ohne so stark gebündelt zu sein, daß die Ausleuchtung unvollständig ist Im Endergebnis muß das Strahlungsdiagramm für alle drei Frequenzbänder in allen Ebenen nahezu identisch sein und ein gemeinsames Phasenzentrum aufweisen. Dies wird bei dem Hohlleiterstrahler für das mittlere und das

höchste Frequenzband dadurch erreicht, daß im höchsten Frequenzband mehrere Wellentypen angeregt werden, so daß seine effektive Strahlungsöffnung (Apertur) geringer ist als seine lichte Weite, nämlich nur etwa dreiviertel seiner linearen Ausdehnung beträgt, wogegen im mittleren Frequenzband nur ein Wellentyp angeregt wird, so daß die volle lichte Weite des Hohlleiterstrahlers als Strahlungsöffnung wirkt Als Ergebnis sind die Strahlungsdiagramme für das höchste und das mittlere Frequenzband im wesentlichen gleich ^1U und ergeben eine gute Ausleuchtung des Sekundärstrahlers. Für das niedrigste Frequenzband läßt sich der resonante Dipol so ausbilden, daß ebenfalls im wesentlichen das gleiche Strahlungsdiagramm erzielt wird. '⁵

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlleiterstrahler von einem oder von mehreren λ/4-Töpfen oder -Säcken umgeben, die eine Kopplung der von dem Hohlleiterstrahler abgestrahlten Signale des mittleren und des höchsten Frequenzbandes mit dem Dipol verhindern. Zur weiteren Unterdrückung der Kopplung zwischen dem Dipol und den Signalen des mittleren Frequenzbandes können die flächig ausgebildeten leitenden Arme mit symmetrisch zu ihrer Längsachse angebrachten Einschnitten versehen sein, die ähnlich wie λ/4-Sperrtöpfe oder -Säcke wirken. Das höchste Frequenzband ist von dem niedrigsten Frequenzband ausreichend weit entfernt, um eine Kopplung mit dem Dipol allein durch den den Hohlleiterstrahler umgebenden λ/4-Sperrtopf hinreichend zu unterdrücken. Die Trennung der Signale des höchsten und des mittleren Frequenzbandes wird mit Hilfe konventioneller Frequenzweichen erreicht Schließlich sind die beiden Kontaktpunkte der an zwei Stellen gespeisten Dipole mit einer entkoppelten Verzweigung, ^⁵ beispielsweise einem »magischen T«, miteinander verbunden. Je nachdem, welcher Eingang der entkoppelten Verzweigung benutzt wird, sind die Ströme in den Dipolarmen gleichphasig oder gegenphasig, und es werden entsprechend unterschiedliche Strahlungsdiagramme erzielt. Insbesondere der eine gleichphasige Speisung der Dipolarme ergebende Eingang kann für gewisse Polarisationsrichtungen zur Monopuls-Zielverfolgung benutzt werden. Diese Betriebsart ist insbesondere bei Systemen anwendbar, die mit zirkular-polarisierten Wellen arbeiten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf die Strahlungsöffnung so einer Mehrfrequenzantenne nach der Erfindung,

Fig.2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch die Mehrfrequenzantenne nach F i g. 1,

F i g. 3 bis 5 Strahlungsdiagramme in den H-, E- und Diagonalebenen für die unterschiedlichen Frequenzbänder der Mehrfachantenne nach den F i g. 1 und 2,

F i g. 6 in schematischer Darstellung die Stromverteilung bei einem an zwei Punkten gespeisten Dipol,

F i g. 7 einen Dipol ähnlich F i g. 6, dessen mittlerer Teil von dem Hohlleiterstrahler der erfindungsgemäßen Mehrfrequenzantenne gebildet wird,

F i g. 8 die Signalzuführung zu dem Dipol nach F i g. 7 über eine entkoppelte Verzweigung und

Fig.9 bis 12 die Draufsicht auf verschiedene Ausführungsformen von Mehrfrequenzantennen nach ^(v> der Erfindung.

Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Mehrfrequenzantenne tritt ein quadratischer Hohlleiterstrahler, dessen Abmessungen zur Bildung einer gemeinsamen Strahlungsöffnung für Signale im 6-GHz-Frequenzband und im 4-GHz-Frequenzband geeignet sind, durch die Mitte einer leitenden Grundplatte 12 hindurch. Auf der Rückseite der Grundplatte 12, bezogen auf die Strahlungsöffnung, geht der quadratische Hohlleiterstrahler in einen abgesetzten, mit mehreren Wellentypen betreibbaren Hohlleiterabschnitt 14 über, der für das 6-GHz-Frequenzband ausgelegt ist und an seinem Ende einen Flansch 15 aufweist Der mit mehreren Wellentypen betreibbare Abschnitt 14 ist symmetrisch zur Längsachse des Hohlleiterstrahlers 10 angeordnet Am Rand des Hohlleiterstrahlers 10 ist ein dessen äußeren Umfang umgebender λ/4-Sperrtopf 16 angeordnet, der in erster Linie dazu dient, eine Ausbreitung von Signalen des 4-GHz-Frequenzbandes in Querrichtung zu verhindern.

Für das 1-GHz-Frequenzband ist eine dielektrische Scheibe 18 vorgesehen, die sich in radialer Richtung vom äußeren Rand des Λ/4-Sperrtopfes 16 hinreichend weit; nach außen erstreckt, um flächig ausgebildete, leitende Dipolarme 20,21,22 und 23 zu tragen, die sich von den Mitten der vier Seiten des Hohlleiterstrahlers 10 nach außen erstrecken. Die vier Arme sind mit symmetrisch zu ihrer Längsachse angebrachten Einschnitten 51 versehen, die λ/4-Sperren für das mittlere Frequenzband, also für die Signale des 4-GHz-Frequenzbandes bilden. Die dielektrische Scheibe 18 wird an ihrem äußeren Rand von aus Metall bestehenden Stützen 24 getragen, die sich bis zur Grundplatte 12 erstrecken. Durch Metallbänder 26 und 28, die die Stützen 24 in ihrem mittleren Teil und nahe der Grundplatte umgeben, wird ein UHF-Hohlraumresonator gebildet Das dem Hohlleiterstrahler unmittelbar benachbarte Ende der mittleren Schenkel der Dipolarme 20 bis 23 wird jeweils durch die Innenleiter von Koaxialleitungen 30 bis 33 gespeist Die Koaxialleitungen 30 bis 33 ragen parallel zur Mittelachse des Hohlleiterstrahlers 10 durch die Grundplatte 12 hindurch und sind an ihren Enden mit Steckern 34 bis 37 versehen. Die Außenleiter der Koaxialleitungen 30 bis 33 sind mit der Außenseite des λ/4-Sperrtopfes 16 und mit der Grundplatte 12 elektrisch leitend verbunden. Schließlich ist symmetrisch um die aus Metall bestehenden Stützen 24 ein Metallzylinder 40 angeordnet, der in einen Flansch 42 ausläuft Der Metallzylinder 40 ist mit der Grundplatte 12 verbunden und weist eine Höhe auf, die etwas größer ist als die Länge des durch die Grundplatte 12 hindurchragenden Abschnittes des quadratischen Hohlleiterstrahlers 10. Der Flansch 42 dient bei Bedarf zur Abstützung einer Antennengruppe.

Beim Betrieb der dargestellten Mehrfrequenzantenne werden die Signale des 4-GHz- und des 6-GHz-Frequenzbandes über den mit mehreren Wellentypen betriebenen Hohlleiterabschnitt 14 zugeführt Zur Anregung mehrerer Wellentypen im 6-GHz-Frequenzband und eines einzigen Welientyps im +GHz-Frequenzband werden gängige Einrichtungen benutzt. Insbesondere sind die an den Flansch 15 angeschlossenen Einrichtungen zur Anregung der Wellentypen so ausgelegt, daß sie für das 4-GHz- und das 6-GHz-Frequenzband geeignet sind, und es ist die gemeinsame Strahlungsöffnung des Hohlleiterstrahlers 10 so dimensioniert, daß ihre Grenzwellenlänge unterhalb der Wellenlängen höherer Wellentypen im 4-GHz-Frequenzband liegt Die Trennung der Signale des 4-GHz- und des 6-GHz-Frequenzbandes wird mit konventionellen, nicht dargestellten Frequenzweichen erreicht Der

λ/4-Sperrtopf 16, der die Strahlungsöffnung des Hohlleiterstrahlers 10 umgibt, verhindert ein Einkoppeln der Signale des 4-GHz- und des 6-GHz-Frequenzbandes in die 1-GHz-Dipolarme 20 bis 23. Auch ist jeder der Dipolarme 20 bis 23 mit Einschnitten 51 versehen, die zusätzliche λ/4-Sperren bilden, die ein Einkoppeln der Signale des 4-GHz-Frequenzbandes verhindern. Der den Hohlleiterstrahler 10 umgebende λ/4-Sperrtopf 16 reicht aus, um ein Einkoppeln der weiter weg liegenden Signale des 6-GHz-Frequenzbandes in die 1 -GHz-Dipolarme 20 bis 23 zu verhindern.

Die F i g. 6 bis 8 veranschaulichen die Wirkungsweise der von den einander gegenüberliegenden Armen 20 und 22 bzw. 21 und 23 zusammen mit den Außenwänden des Hohlleiterstrahlers gebildeten Dipolen. Im einzelnen zeigt F i g. 6 einen an zwei Stellen gespeisten Dipol mit Abschnitten 50,51 und 52, die von Spannungsquellen 53 und 54 gespeist werden, die je eine Signalspannung V abgeben. Wenn die Spannungsquellen 53 und 54 die Abschnitte 50, 51 und 52 gleichphasig erregen, so wächst der Strom /vom linken äußeren Ende des Dipols bis zu dessen Mitte hin an und fällt dann in Richtung auf das rechte äußere Ende wieder bis auf Null ab, wie es in F i g. 6 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist Diese Stromverteilung ist derjenigen eines normalen Dipols ähnlich, abgesehen davon, daß die Signaleinspeisung an zwei Punkten anstatt an nur einem Punkt erfolgt Der in Fig.7 dargestellte Dipol unterscheidet sich von dem Dipol nach F i g. 6 dadurch, daß der mittlere Abschnitt 51 durch die äußere Wandung des Hohlleiterstrahlers 10 ersetzt ist. In diesem Fall wird der Strom, der zuvor den mittleren Abschnitt 51 durchflossen hat, auf die einander gegenüberliegenden Außenwandabschnitte des Hohlleiterstrahlers 10 aufgeteilt.

Schließlich zeigt F i g. 8 eine Dipolanordnung, in der die äußeren Abschnitte 50 und 52 durch die Dipolarme 23 bzw. 21 ersetzt und die Spannungsquellen 53 und 54 von den Koaxialleitungen 33 und 31 nach F i g. 1 gebildet sind. Die Koaxialleitungen 31 und 33 werden über eine entkoppelte Verzweigung 56 gespeist. Bei Speisung über den Summeneingang (Σ) 57 der Verzweigung sind die Spannungen an den Ausgängen der Koaxialleitungen 31 und 33 in Gegenphase, so daß ein Differenzdiagramm entsteht. Wenn statt dessen die Einspeisung über den Differenzeingang (Δ) 58 erfolgt, so sind die Spannungen an den Ausgängen der Koaxialleitungen 31 und 33 in Phase, so daß ein »Summendiagramm« entsteht. Bei einer bestimmten Polarisation können daher die Differenz- und Summendiagramme zur Zielverfolgung im Monopulsbetrieb ausgenutzt werden. Schließlich können die übrigen Dipolarme 20 und 22 im Normalbetrieb über eine nicht dargestellte zweite Verzweigung in Phase mit einem Signal gespeist werden, das gegenüber dem Signal, das der ersten Verzweigung 56 zugeführt wird, um 90° phasenverschoben ist, so daß ein zirkular-polarisiertes Ausgangssignal erzeugt wird.

Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Mehrfrequenzantenne als Speisestrahler zum Ausleuchten eines Sekundärstrahlers verwendet wird, ist es erwünscht, daß die Strahlungsdiagramme für alle drei Frequenzbänder in allen Ebenen etwa gleich sind und einen gemeinsamen Phasenmittelpunkt aufweisen. Bei dem für das 6-GHz- und das 4-GHz-Frequenzband gemeinsam verwendeten Hohlleiterstrahler wird die Erzeugung gleicher Strahlungsdiagramme für die beiden Frequenzbänder dadurch erreicht, daß im 6-GHz-Frequenzband mehrerer Wellentypen angeregt werden, wodurch die effektive Strahlungsöffnung linear um etwa den Faktor 3/4 gegenüber der lichten Weite der Strahlungsöffnung des Hohlleiterstrahlers vermindert wird. Im 4-GHz-Frequenzband wird dagegen der Hohlleiterstrahler mit nur einem Wellentyp betrieben, so daß die volle lichte Weite der Strahlungsöffnung

ίο wirksam ist. Die Dipol-Anordnung befindet sich in einem 1-GHz-Hohlraumresonator, der durch die Außenwand des Hohlleiterstrahlers, die Grundplatte 18, die metallischen Stützen 24 und die die Stützen umgebenden Metallbänder 26 und 28 gebildet ist. Der

Aufbau dieses Hohlraumresonators bestimmt die Form

des Strahlungsdiagrammes im 1-GHz-Frequenzband, ohne die Strahlungsdiagramme der 6-GHz- und 4-GHz-Frequenzbänder zu beeinflussen.

In den F i g. 3 bis 5 sind die Strahlungsdiagramme der

Mehrfrequenzantenne nach den F i g. 1 und 2 für die verschiedenen Frequenzbänder jeweils in horizontaler, vertikaler und diagonaler Richtung dargestellt. Im einzelnen zeigt Fig.3 das horizontale Strahlungsdiagramm 60, das vertikale Strahlungsdiagramm 61 und das diagonale Strahlungsdiagramm 62 für das 4-GHz-Frequenzband, F i g. 4 das horizontale Strahlungsdiagramm 63, das vertikale Strahlungsdiagramm 64 und das diagonale Strahlungsdiagramm 65 für das 6-GHz-Frequenzband und Fig.5 das horizontale Strahlungsdia- gramm 66, das vertikale Strahlungsdiagramm 67 und das diagonale Strahlungsdiagramm 68 für das 1-GHz-Frequenzband. Wie aus diesen Figuren zu ersehen ist, sind die Strahlungsdiagramme der Mehrfrequenzantenne nach den F i g. 1 und 2 nahezu in allen Ebenen für alle

J5 drei Frequenzbänder gleich, wie es für die Verwendung einer solchen Mehrfrequenzantenne als Speisestrahler erforderlich ist

Obwohl die beschriebene Ausführungsform der Erfindung für die Frequenzbänder von 3,7 bis 4,2 GHz, 5,9 bis 6,4 GHz und 0,8 bis 1 GHz ausgelegt ist, können die zur Anwendung gelangten Prinzipien auch auf andere Frequenzbänder übertragen werden.

In den Fig. 9 bis 12 sind andere mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mehrfre quenzantenne dargestellt. Fig.9 zeigt eine Ausfüh rungsform, bei der der Hohlleiterstrahler von zwei λ/4-Sperrtöpfen 70 und 71 umgeben ist Der eine λ/4-Sperrtopf 70 kann so ausgelegt sein, daß er eine Sperre für das 4-GHz-Frequenzband bildet, wogegen

so der andere λ/4-Sperrtopf 71 eine Sperre für das 6-GHz-Frequenzband bilden kann. Die Ausführungsformen nach den Fig. 10 und 11 weisen an Stelle eines Hohlletterstrahlers mit quadratischem Querschnitt einen Hohlleiterstrahler 72 mit rundem bzw. einen Hohlleiterstrahler 73 mit kreuzförmigem Querschnitt auf. Bei der Mehrfrequenzantenne nach F i g. 11 sind die mit λ/4-Sperren versehenen Dipolsirme 20 bis 23 an die Innenecken der Außenwand des Hohlleiterstrahlers 73 angeschlossen. Schließlich zeigt Fig. 12 eine Mehrfre-

wi quenzantenne, deren Hohlleiterstrahler 74 einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist, jedoch in der Mitte seiner Außenwände mit Einbuchtungen versehen ist, in welche die Koaxialleitungen 30 bis 33 eingelegt sind. Der λ/4-Sperrtopf 75 folgt hier

ι > wiederum der Kontur des Hohlleiterstrahlers.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrfrequenzantenne für drei Frequenzbänder, mit einem Hohlleiterstrahler, der eine gemeinsame Strahlungsöffnung für die Signale des mittleren und des höchsten Frequenzbandes aufweist, mit einer mit dem Hohlleiterstrahler verbundenen Einrichtung, um in dem Hohlleiterstrahler mehrere Wellentypen des höchsten Frequenzbandes anzuregen, und mit einem den Hohlleiterstrahler umgebenden Ringraum für das niedrigste Frequenzband, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strahlungsöffnung des Ringraumes diametral zum Hohlleiterstrahler (10) zwei leitende Arme (21,23) angeordnet sind, die jeweils an ihrem dem Hohlleiterstrahler (10) zugewandten Ende mit dem emsn Leiter je einer Zweileiter-Speiseleitung (31 bzw. 33) verbunden sind, deren anderer Leiter mit der Hohlleiterstrahler-Außenwand verbunden ist, und daß die diametra- len leitenden Arme zusammen mit den Hohlleiterstrahler-Außenwänden einen in dem niedrigsten Frequenzband resonanten Dipol bilden.

2. Mehrfrequenzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Hohlleiterstrahler (10) zwei weitere, in der gleichen Weise wie die erstgenannten ausgeführte und gespeiste leitende Arme (20, 22) diametral, jedoch zu den beiden anderen Armen (21, 23) senkrecht stehend angebracht sind.

3. Mehrfrequenzantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flächig ausgebildeten leitenden Arme (20, 21, 22, 23) mit symmetrisch zu ihrer Längsachse angebrachten Einschnitten (Sl) zur Trennung des niedrigsten Frequenzbandes von dem mittleren Frequenzband versehen sind.

4. Mehrfrequenzantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlleiterstrahlers (10) die Form eines Quadrates aufweist. ■"'

5. Mehrfrequenzantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Seiten des Quadrats in ihrem mittleren Bereich eingebuchtet sind (F i g. 12).

6. Mehrfrequenzantenne nach einem der Anspriiehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlleiterstrahlers rund ist (Fig. 10).

7. Mehrfrequenzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlleiterstrahlers die Form eines vollsymmetrischen Kreuzes aufweist (F i g. 11).