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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Speisung der strahlenden Elemente eines Antennennetzes,
das Mikrowellen senden und empfangen kann und den Raum
elektronisch überstreicht. Eine solche Antenne wird insbesondere
in Landehilfssystemen verwendet, die unter dem Namen MLS
bekannt sind (Microwave Landing System -
Mikrowellen-Landesystem)
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Bekanntlich besteht ein Antennennetz aus einer
Vielzahl von strahlenden Elementen, die je simultan eine
Mikrowelle aussenden, wobei die Resultante einen Hauptstrahl (oder
eine Hauptkeule) in einer gegebenen Richtung bildet, der von
einer räumlichen Verteilung von Sekundär- oder Störquellen
geringerer Amplitude begleitet ist. Jedes strahlende Element
ist mit einem elektronisch steuerbaren Phasenschieber
verbunden. Die Steuerung der Phasenschieber ergibt die
Überstreichung des Raums mit dem Hauptstrahl.
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In manchen Anwendungen wie dem MLS kann die durch die
Sekundärkeulen verursachte Störung erheblich sein und bis zur
Lieferung von Falschinformationen führen, wie z.B. eine
falsche Annäherungsachse. Dies stellt einen gravierenden Fehler
für ein Führungssystem für Flugzeuge in der besonders
kritischen Phase dar, die die Landephase bildet.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Antennennetz
nach Anspruch 1, dessen Störkeulen eine sehr geringe Amplitude
haben, und zwar zumindest in der Nähe der von der Antenne
ausgesendeten Hauptkeule. Eine solche Antenne kann in einer
MLS-Anwendung verhindern, daß Informationen geliefert werden,
die durch das geführte Flugzeug falsch interpretiert werden
können.
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Hierzu enthält die Antenne ebensoviele Phasenschieber
(n) wie strahlende Elemente, und jeder Phasenschieber ist mit
einer Mehrzahl (m) von einander benachbarten strahlenden
Elementen verbunden, die ein Unternetz bilden, wobei die
Unternetze
verschachtelt sind, so daß jedes strahlende Element über
m Phasenschieber gespeist wird.
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Andere Gegenstände, Besonderheiten und Ergebnisse der
Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu
verstehenden Beschreibung und den beiliegenden Figuren hervor.
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Figur 1 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Speisevorrichtung.
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Figur 2 enthält ein erläuterndes Diagramm.
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Figur 3 zeigt das elektronische Schaltbild einer
praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den verschiedenen Figuren betreffen gleiche
Bezugszeichen die gleichen Elemente.
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Aus Vereinfachungsgründen wird der Betrieb des
Antennennetzs gemäß der vorliegenden Erfindung nur hinsichtlich der
Sendeseite beschrieben, aber selbstverständlich kann die
Antenne reziprok auch als Empfangsantenne betrieben werden.
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Figur 1 ist also das Schaltbild einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Speisevorrichtung.
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Diese Vorrichtung soll ein Netz mit n strahlenden
Elementen, auch Elementarquellen genannt, speisen. Es sind
neun Quellen in der Figur dargestellt und vier von ihnen
tragen die Bezugszeichen Si, Si+1, Si+2 und Si+3, wobei i zwischen 1
und n-3 liegt. Diese n Quellen senden eine elektromagnetische
Mikrowellenenergie aus, die von einem Sender E über die
erfindungsgemäße Vorrichtung geliefert wird. Letztere enthält:
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- eine Gruppe von n Phasenschiebern, von denen neun in
der Figur gezeigt sind und vier die Bezugszeichen Fi, Fi+1, Fi+2
und Fi+3 tragen, wobei i von 1 bis n-3 variiert,
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- Wichtungsmittel, die in Figur 1 in Form von neun
getrennten Schaltungen dargestellt sind, von denen vier die
Bezugszeichen Pi, Pi+1, Pi+2 und Pi+3 tragen und i von 1 bis n-3
variiert,
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- eine Verteilschaltung D, die jedem Phasenschieber F
die vom Sender E gelieferte Energie liefern kann.
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Jeder Phasenschieber F ist mit den strahlenden
Elementen
über Wichtungsmittel verbunden, die global mit P
bezeichnet sind. Erfindungsgemäß ist jeder Phasenschieber F über die
Wichtungsschaltung mit m benachbarten Elementarquellen S
verbunden. Umgekehrt ist jede Quelle S mit m benachbarten
Phasenschiebern F verbunden. Beispielsweise und gemäß der Figur gilt
m = 3. So ergeben sich n Unternetze, die je von einem
Phasenschieber gespeist werden und m Quellen enthalten. Die
Unternetze sind miteinander verschachtelt, so daß der Abstand
zwischen zwei Unternetzen gleich dem Abstand zwischen zwei
Quellen ist.
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Bekanntlich ergibt sich das Strahlungsdiagramm eines
solchen Netzes aus dem Strahlungsdiagramm eines Unternetzes
multipliziert mit einer unter dem Namen Netzfaktor bekannten
Funktion, die die Vielfalt der Unternetze berücksichtigt. Die
Rolle der Wichtungsschaltungen P ist es, ggf. dem
Strahlungsdiagramm des Unternetzes, an das die Schaltung angeschlossen
ist, eine Form zu geben, die der gewünschten Form möglichst
nahekommt.
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Beispielsweise ist in Figur 2 das ideale
Strahlungsdiagramm dargestellt, das ein Unternetz der Elevationsantenne
eines MLS-Systems besitzen sollte.
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Die Amplitude der Strahlung müßte einen Höchstwert
(Amax) für einen Elevationswinkel zwischen Θmin und Θmax besitzen
und außerhalb dieser beiden Grenzwerte null sein. Der Abstand
zwischen Θmin und Θmax bildet den Abtastbereich, den eine MLS-
Elevationsstation haben soll, d.h. den Winkelsektor, der von
der Hauptkeule überstrichen werden soll. In der Praxis liegt
die Breite der Hauptkeule MLS in der Elevationsebene zwischen
0 und 1º und der Überstreichungsbereich reicht von 0 bis 17º.
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Wenn, wie dies hier der Fall ist, die Hauptkeule mit
kleinen Elevationswinkeln ausgesendet wird, dann werden die
Sekundärkeulen am Boden reflektiert und können auf diese Weise
von einem im Abtastbereich der Antenne fliegenden Flugzeug
erfaßt werden. Dies führt zu einer Fehlinformation. Die
Sekundärkeulen müssen daher in der Nähe der Hauptkeule, d.h. für
derartige Anwendungen typisch in einer Zone von ±20º um die
Hauptkeule herum, sehr stark gedämpft sein (beispielsweise
etwa -40 dB bezüglich der Hauptkeule). Wie bereits oben
erwähnt, ergibt sich das Gesamtantennendiagramm aus dem Produkt
des Diagramms des Unternetzes mit dem Netzfaktor. Mit einem
Unternetzdiagramm gemäß Figur 2 ergibt sich, daß das Produkt
natürlich außerhalb der Abtastzone null ist. Insbesondere ist
das Produkt null und ergeben sich keine Sekundärkeulen für
schwache Elevationswinkel unterhalb von Θmin, so daß
Reflexionen am Boden ausgeschlossen sind.
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Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung auf eine MLS-
Elevationsantenne angewendet, dann möchte man also für das
Strahlungsdiagramm eines Unternetzes ein Diagramm erhalten,
das möglichst stark dem in Figur 2 gezeigten angenähert ist.
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Da dieses Diagramm die Fouriertransformierte des
Gesetzes der an die das Unternetz bildenden Quellen angelegten
Amplitude ist, liegt die Aufgabe der Wichtungsmittel P darin,
an die von ihnen gesteuerten Quellen ein Amplitudengesetz
anzuwenden, das so nahe wie möglich dem Gesetz des Typs
(sinU)/U angenähert ist. Dies ist bekanntlich die
Fouriertransformierte einer Rechteckfunktion, wie sie in Figur 2 gezeigt
ist.
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Wie weiter oben erwähnt, ergibt sich das
Strahlungsdiagramm der Gesamtantenne, indem das Diagramm eines
Unternetzes mit dem Netzfaktor multipliziert wird. Im vorliegende
Fall ist dies eine Funktion, deren Form einer Funktion
(sinU)/U nahekommt.
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Man kann also auf diese Weise ein resultierendes
Diagramm erzielen, dessen Hauptkeule schmal ist und dessen
Sekundärkeulen sehr geringe Amplitude besitzen.
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Die Wichtung aufgrund der Mittel P ergibt aber in der
Praxis nie eine Strahlung mit vollkommen rechteckiger Form,
insbesondere aufgrund der diskreten Natur der Quellen und
ihrer beschränkten Anzahl. Die tatsächliche Strahlung besitzt
Sekundärkeulen, die typisch im Fall der in Figur 2 gezeigten
Anwendung eine Dämpfung von etwa -20 dB bezüglich der
Hauptkeule aufweisen können. Da aber der Netzfaktor eine Funktion
ist, die ebenfalls eine Hauptkeule und Sekundärkeulen hat,
deren Dämpfung in derselben Größenordnung von -20 dB liegt,
ergibt das Produkt der beiden sehr stark gedämpfte
Sekundärkeulen (im obigen Beispiel etwa - 40 dB).
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Außerdem kann der Verteiler D gemäß Figur 1 in einer
bevorzugten Ausführungsform und in bekannter Weise eine
Amplitudenwichtung der an die Quellen angelegten Energie
durchführen (beispielsweise eine Wichtung nach Tchebycheff oder
nach Taylor), die die Sekundärkeulen des Antennendiagramms bei
einer gegebenen Breite der Hauptkeule weiter verringert.
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Außerdem führt bekanntlich die Kombination von
Elementarquellen in Unternetzen zum Auftreten von sogenannten
Netz-Störkeulen aufgrund der Periodizität der Unternetze. Die
Amplitude dieser Störkeulen kann sehr groß sein und sie
erscheinen, sobald das Verhältnis d/λ größer wird als 1/(1+sinΘmax).
Hierbei ist:
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- d der Abstand zwischen Unternetzen,
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- λ die Betriebswellen1änge der Antenne,
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- Θmax der maximale Abtastwinkel.
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Erfindungsgemäß verschachtelt man die Unternetze
derart, daß der Abstand zwischen zwei Unternetzen gleich dem
Abstand zwischen zwei Elementarquellen wird. Auf diese Weise
führt die Existenz von Unternetzen nicht zu einer zusätzlichen
Störung.
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Figur 3 zeigt das elektronische Schaltbild einer
praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In dieser Figur sind neun der n Elementarquellen
dargestellt, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gespeist
werden können, sowie der ihnen entsprechende Teil der
Wichtungsschaltungen P (Figur 1).
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Die Vorrichtung enthält vier Verbindungsleitungen L
bis L&sub4;. Auf diesen Leitungen sind einerseits Dämpfungsglieder
Aij, wobei i die Nummer der Leitung und j die Ordnungsnummer
des Dämpfungsglieds auf der Leitung bedeutet, und andererseits
hybride 2dB-Brücken Cij angeordnet, wobei die Buchstaben ij
dieselbe Bedeutung wie oben besitzen.
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Die Dämpfungsglieder A besitzen zwei
Eingangs-Ausgangsklemmen, zwischen denen das durch die Dämpfungsglieder
verlaufende Signal eine Dämpfung von 3 dB erfährt. Diese
Dämpfungsglieder können beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise
als T-Glieder oder als π-Glieder mit Widerständen.
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Die Brücken C enthalten vier Eingangs-Ausgangsklemmen,
von denen zwei an die Leitung angeschlossen sind, auf denen
die Brücken sitzen. Ihre Aufgabe ist es, die an einem Eingang
empfangene Energie an zwei benachbarte Eingänge zu übertragen,
d.h. mit einer Dämpfung von je 3 dB. Sie sind in der Figur
durch einen Kreis dargestellt, und zwei ihrer
Eingangs-Ausgangsklemmen liegen einander diametral gegenüber. Durch
Konvention führt die hybride Brücke außerdem eine
Phasenverschiebung von 180º zwischen diesen beiden Ausgängen ein. Diese
Brücken können beliebig realisiert werden, insbesondere nach
Art des Aufsatzes "A Method of Analysis of Symmetrical
Four-Port Networks" von J. Reed und G.J. Wheeler, der in der
Zeitschrift IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques,
Oktober 1956 erschienen ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält weiter eine
erste Reihe von hybriden 3dB-Brücken C5j, wobei j eine
Ordnungszahl ist und die Brücken zwischen den Leitungen L&sub1; und L&sub2;
liegen und die auf diesen Leitungen liegenden Brücken
miteinander verbinden sollen. Außerdem enthält die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine zweite Reihe von in gleicher Weise
bezeichneten Hybridbrücken C6j, die zwischen den Leitungen L&sub3; und L&sub4;
liegen und die auf diesen Leitungen liegenden Brücken
miteinander verbinden. Die Brücken C5j und C6j gleichen den vorher
genannten Brücken und enthalten vier Eingangs-Ausgangsklemmen,
aber hier ist eine dieser Klemmen in bekannter Weise mit einem
Lastwiderstand verbunden, der die Störenergie absorbieren
soll. Die Hybridbrücken C5j und C6j geradzahliger Ordnung sind
mit einer ihrer Klemmen Ej (j ist eine Ordnungszahl) an einen
der Phasenschieber F in Figur 1 angeschlossen.
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Die Verbindung der verschiedenen Bauelemente der
Schaltung aus Figur 3 sowie ihr Betrieb werden nun anhand des
Energieflusses beschrieben, der von demjenigen Phasenschieber
F geliefert wird, der beispielsweise mit dem Eingang E&sub2; der
Hybridbrücke 56 in Figur 3 verbunden ist, wobei
selbstverständlich die gleiche Basiszelle sich nacheinander für die n
strahlenden Elemente der Antenne wiederholt. Lastimpendanzen
sind außerdem in bekannter Weise am Ende der Antenne
vorgesehen, um die Schaltung abzuschließen. Es ist zu bemerken, daß
manche Anschlüsse in der Figur mit durchgezogenen und andere
mit unterbrochenen Linien dargestellt sind. Die Schaltung ist
beispielsweise auf einer Mehrschichten-Druckschaltung
realisiert, bei der die mit unterbrochenen Linien dargestellten
Verbindungen beispielsweise auf einer verdeckten Seite liegen.
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Die an den Eingang E&sub2; angelegte Energie speist die
Quelle S&sub5; über Brücken C&sub1;&sub3; und C&sub5;&sub5;, also mit einer Dämpfung von
9 dB bezüglich des Signalpegels am Eingang E&sub2;. Das gleiche
Signal speist auch die Quelle S&sub6; über Brücken C&sub2;&sub3; und C&sub6;&sub5; mit
der gleichen Dämpfung von 9 dB. Die an den Eingang E&sub2; angelegte
Energie speist auch die Quelle S&sub7; über Brücken C&sub1;&sub3;, C&sub1;&sub4;, C&sub5;&sub7;
sowie über das Dämpfungsglied A&sub1;&sub3;, und zwar mit einer Dämpfung
von 15 dB. Symmetrisch dazu speist die Energie, die an E&sub2;
angelegt wird, die Quelle S&sub4; über Brücken C&sub2;&sub3;, C&sub2;&sub2; und C&sub6;&sub3; sowie über
das Dämpfungsglied A&sub2;&sub2;, und zwar ebenfalls mit einer Dämpfung
von 15 dB. Die von den Quellen S&sub3; und S&sub8; abgestrahlte Energie
aufgrund der an den Eingang E&sub2; angelegten Energie ist
vernachlässigbar aufgrund der sehr zahlreichen Dämpfungen, denen sie
unterworfen ist. Schließlich senden die Quellen S&sub9; und S&sub2; beide
eine um 21 dB gedämpfte Energie aus, die um 180º bezüglich
derjenigen verschoben ist, die an den Eingang E&sub2; angelegt ist.
Die Energie nimmt folgende Wege:
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- für die Quelle S&sub9;: über die Brücke C&sub1;&sub3;, das
Dämpfungsglied A&sub1;&sub3;, die Brücke C&sub1;&sub4; mit einer Phasenverschiebung von 180º,
das Dämpfungsglied A&sub1;&sub4; und die Brücken C&sub1;&sub5; und C&sub5;&sub9;,
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- für die Quelle S&sub2;: über die Brücke C&sub2;&sub3;, das
Dämpfungsglied A&sub2;&sub2;, die Brücke C&sub2;&sub2; mit einer Phasenverschiebung von 180º,
das Dämpfungsglied A&sub2;&sub1; und die Brücken C&sub2;&sub1; und C&sub6;&sub1;.
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So ergibt sich eine Amp1itudenverteilung, die der
gewünschten Form von (sinU)/U sehr nahe kommt.
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Es sei bemerkt, daß in dieser Ausführungsform jeder
Phasenschieber über die beschriebene Schaltung mit allen
Quellen S verbunden ist (mit anderen Worten m = n), aber daß nur
sechs Quellen (S&sub2;, S&sub4;, S&sub5;, S&sub6;, S&sub7; und S&sub9; in der Figur)
tatsächlich wirksam angeschlossen sind, da die Energie, die an die
anderen Quellen gelangt, zu stark gedämpft ist. Ein Vorteil
dieser Struktur ist die Einfachheit.
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Es sei auch bemerkt, daß die Dämpfungswirkung, die in
den Dämpfungsgliedern A oder den Brücken C entsteht, nicht
unbedingt 3 dB betragen muß. Sie kann verändert sein, um eine
möglichst gute Annäherung an die gewünschte Form des
Strahlungsdiagramms zu erzielen.