DE1616508B2

DE1616508B2 - Antennenanordnung an Bord eines Flugzeuges zur Standortbestimmung mittels Rückstrahlpeilung

Info

Publication number: DE1616508B2
Application number: DE1616508A
Authority: DE
Inventors: Bertrand Claude Marcel Jean Villiers-Sur-Orge Manuali (Frankreich)
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1967-03-02
Filing date: 1968-03-02
Publication date: 1974-02-14
Also published as: GB1220382A; NL147887B; BE711516A; NL6802915A; DE1616508A1; US3560975A; DE1616508C3; FR95012E

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine· Antennenanordnung an Bord eines Flugzeuges zur Standortbestimmung mittels Rückstrahlpeilung, bei der zwei Erdsatelliten als Funkbaken dienen, mit zwei bezüglieh der Flugzeuglängsachse auf verschiedene Halbräume ausgerichteten Antennen zum Senden und Empfangen von Funksignalen.

Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 141 167), zwei nicht stationäre Satelliten zur Standortbestimmung unter Ausnutzung des Doppler-Effektes zu verwenden. Vor dem Start der Satelliten wird ein an Bord befindlicher Zeitgeber in eine genaue Phasenlage mit mehreren auf der Erdoberfläche befindlichen gleichen Zeitgebern verriegelt, so daß die Phasendifferenz als Maß für die Entfernung des Satelliten von dem Meßpunkt benutzt werden kann. Es handelt sich hierbei nicht um eine Standortbestimmung mittels Rückstrahlpeilung.
Ferner ist es bekannt (»Radiomentor«, 1966, Heft 2,

S. 86), auf beiden Seiten eines Flugzeuges horizontal liegende feste Schlitzantennen anzubringen, die eine Richtcharakteristik aufweisen. Mittels dieser Antennen wurde über Synchronsatelliten eine Funkverbindung mit dem Flugzeug aufgebaut.

Schließlich ist es bekannt (»IEEE Spektrum«, November 1964, S. 115—130), für die Rückstrahlpeilung mehrere Strahlungsquellen auf einer als Abschnitt einer Rotationsfläche ausgebildeten Basisfläche anzuordnen. Bei der bekannten Antennenan-Ordnung handelt es sich aber um eine auf der Erde angeordnete Anordnung von einer Größe, die nicht für den Einbau an Bord eines Flugzeuges geeignet ist. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Antennenanordnung der obengenannten Art zu schaffen, die für eine Rückstrahlpeilung mit Hilfe von Synchronsatelliten geeignet ist, wobei die Hauptkeule leicht auch in extreme Richtungen des Schwenkbereiches geschwenkt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des vorstehenden Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Jede der Antennen weist zwei Gruppen auf, wobei die eine Gruppe dem ersten Synchronsatelliten und

die andere Gruppe dem zweiten Synchronsatelliten zugeordnet ist; beide Gruppen einer Antenne dienen dem Senden und Empfangen der Signale, bezogen auf die ihnen zugeordneten Satelliten. Durch die Schwenkbarkeit der Hauptkeule einer jeden Gruppe wird das Erfassen der Satelliten gewährleistet. Durch die Anordnung unter einem Winkel von 45° wird erreicht, daß der Höhenwinkel zum Erfassen der weit über der Erdoberfläche stehenden Synchronsatelliten klein gehalten werden kann. Die Hauptkeule einer jeden Gruppe kann in Extremrichtung auf einfache Weise dadurch geschwenkt werden, daß Spalten der Strahlungsquellen-Matrix, aus denen die Antennengruppe aufgebaut ist, abgeschaltet und andere Spalten zugeschaltet werden. - ■

In den vorstehenden Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen der Antennenanordnung gemäß dem Hauptanspruch beschrieben.

Die Erfindung soll nun an Hand der Figuren genauer beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 verschiedene Flugbahnen eines von London nach New York oder zurück fliegenden Flugzeuges auf einer Landkarte,

F i g. 2 eine der zwei Gruppen aufweisenden Antennen der Antennenanordnung, schematisch der Einfachheit halber in einer Ebene dargestellt,

Fj g. 3 eine Aufsicht auf ein Flugzeug zur Darstellung des azimutalen Winkelbereichs der beiden Antennen,

Fig. 4a und 4b die Stellungen des Flugzeuges bezüglich seiner Ortungssatelliten, gesehen vom Flugzeug aus an irgendeinem Punkt seiner Flugbahn,

F i g. 5 die perspektivische Darstellung einer aus Hohlleitern aufgebauten Antennengruppe, wobei die Strahlungsquellen aus in der Wandung der Hohlleiter ausgebildeten Schlitzen bestehen,

Fig. 6a, 6b und 6c verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der Strahlungsschlitze in der Wandung eines Hohlleiters bezüglich der Längsachse desselben,

Fig. 7a und 7b das Konvergenzverhalten (Konvergenz oder Divergenz) der Richtungen der maximalen Strahlung der verschiedenen Strahlungsquellen in Abhängigkeit von der Form der Basisfläche, wobei in der Fig. 7a eine zylindrische Basisfläche und in der Fi g. 7 b eine torische Basisfläche gezeigt ist,

F i g. 8 eine Möglichkeit für die Zuführung von Hochfrequenzenergie zu einer Antennengruppe,

F i g. 9 die Anordnung von Strahlungsquellen auf einem Abschnitt einer torischen Oberfläche,

Fig. 10 die Äquatorebene einer der in der F i g. 9 gezeigten Torusfläche ähnlichen Torusfläche zur Darstellung der Ab- und Zuschaltung von Strahlungsquellen beim Verändern der Hauptkeule in Extrem- richtung,

Fig. 11 die schematische Darstellung einer Anordnung, mittels der die Strahlenbündel der beiden Gruppen einer Antenne in entgegengesetzter Richtung polarisiert werden können, derart, daß für die beiden Gruppen die gleichen Strahlungsquellen verwendbar sind,

Fig. 11a das Vektordiagramm der Fig. 11 gezeigten Anordnung und

Fig. 12 die Möglichkeit, die Strahlungsquellen der beiden Gruppen einer Antenne ineinander verschachtelt anzuordnen.

In der Fig. 1 sind verschiedene Flugbahnen A⁺, B⁺ und C⁺ eines von London nach New York oder zurück fliegenden Flugzeuges auf einer Landkarte dargestellt. Bezüglich eines Abfluges von London erscheint der erste Synchronsatellit Sl unter 10° westlicher Länge und der zweite Synchronsatellit unter 60° westlicher Länge. Die beiden Satelliten sind also um einen konstanten Winkel von 50° längs eines Breitenkreises gegeneinander verschoben. Bei dem in der F i g. 1 dargestellten Fall sind die beiden Satelliten Sl und S 2 in der Äquatorebene der Erde stationiert, derart, daß ihre Urnlaufdauer gleich der Dauer einer Drehung der Erde um ihre eigene Achse ist. Das Bündel der Kurven V stellt die vom Flugzeug aus gesehenen Azimute des Satelliten Sl dar, während das Bündel der Kurven U die ebenfalls vom Flugzeug aus gesehenen Höhenwinkel des gleichen Satelliten S1 bedeuten, - und zwar von verschiedenen Punkten der Flugbahn aus gesehen. Entsprechende Azimut- und Höhenwinkel-Kurvenscharen können natürlich für den Satelliten S 2 eingezeichnet werden; sie sind aus der Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit aber fortgelassen worden. -

Unter diesen Bedingungen soll die erfindungsgemäße Antennenanordnung eine dauernde oder intermittierende Verbindung mit den beiden Synchronsatelliten Sl und S 2 herstellen. Die Antennenanordnung muß eine solche »Uberdeckung« aufweisen, daß ihre Verwendung in beiden Flugbahnrichtungen leicht und vorteilhaft ist, insbesondere für den Flugverkehr über den Nordatlantik. Sie muß außerdem für eine globale Anordnung von Steuersatelliten und Flugbahnsteuerungshilfen in jedem beliebigen Bereich der Erde verwendbar sein.

Gemäß Fig. 3 sind zwei bezüglich der Flugzeuglängsachse auf verschiedene Halbräume ausgerichtete Antennen TA und BA vorgesehen. Jede der Antennen besitzt zwei Strahlergruppen, und zwar für jeden der Satelliten Sl und S 2 eine Sende- und Empfangsgruppe. Die Steuerbordantenne TA weist die beiden Gruppen T₁ und T₂ und die Backbordantenne BA weist die beiden Gruppen B₁ und B₂ auf. Bei der in der F i g. 2 gezeigten Antenne sind die beiden Antennengruppen B₁ und B₂ nebeneinander angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Strahlungsquellen S der beiden Gruppen ineinanderzuschachteln, oder bei Verwendung von polarisierter Strahlung den gleichen Satz Strahlungsquellen für beide Gruppen zu verwenden, wie weiter unten ausgeführt wird. Jede der beiden Gruppen der Antennen TA und BA besitzt im wesentlichen die gleiche Charakteristik für die ausgestrahlte und die nach Reflexion an einem Satelliten empfangene Strahlung. Der Frequenzbereich liegt im aeronautischen Band von 1540 bis 1660 MHz. Die Antenne arbeitet nach dem Prinzip der elektronischen Keulenschwenkung, d. h., sie nimmt eine feste Stellung bezüglich des Flugzeuges ein, denn eine mechanische drehbare Antenne wäre notwendigerweise schwerer und hätte einen größeren Platzbedarf. Außerdem muß die Antenne einen Antennengewinn von 10—15 Dezibel aufweisen und unabhängig von der Breite des Flugzeuges anwendbar sein. Die Hauptkeule ist in azimutaler und in Höhenrichtung schwenkbar.

Jede Antennengruppe weist eine bestimmte Anzahl Q von Strahlungsquellen S auf, die auf einer Basisfläche 1 angeordnet sind. In der F i g. 1 ist die Basisfläche als Abschnitt eines Rotationszylinders

mit unendlich großem Radius dargestellt. Dies dient nur der einfacheren Darstellung; in der Praxis ist die Basisfläche 1 stets ein Abschnitt aus einer Rotationsfläche mit nicht unendlich großem Radius. In der F i g. 1 liegen beide Antennengruppen auf einem Blech, das durch die Linie 2 in zwei Abschnitte unterteilt ist.

Die Q-Strahlungsquellen sind in Form einer Matrix von «-Zeilen und m-Spalten angeordnet. Die Strahlungsquellen S sind z. B. zwei oder drei Windungen aufweisende Wendelstrahler oder Strahlungsschlitze in Hohlleitern oder Kreuzdipolen für zirkuläre oder elliptische Polarisation. Die Achse der ungeschwenkten Hauptkeule fällt mit der mittleren Normalen der Basisfläche 1 zusammen, wobei die Basisfläche einfach oder doppelt gekrümmt sein kann. ■;.;■

Die Achse der Hauptkeule kann nun elektronisch geschwenkt werden, indem man die gleiche Amplitudenverteilung auf alle Strahlungsquellen S beibehält, aber die Phasenverteilung entsprechend ändert. Wenn die Hauptkeule azimutal verändert werden muß, werden die Phasen der in den m-Spalten angeordneten Strahlungsquellen geändert, und zwar die einen bezüglich der anderen in linearer Abhängigkeit von ihrem Abstand und dem gewünschten Schwenkwinkel. Wenn die Hauptkeule in Höhenrichtung geändert werden muß, werden die Phasen der in den n-Zeilen ange"o?dneten Strahlungselemente S nach einem ähnlichen linearen Gesetz geändert. Wie weiter unten ausgeführt wird, kann diese gewünschte Phasenverteilung mittels eines oder mehrerer Phasenschieber bekannter Bauart oder in sonst irgendeiner bekannten Weise erreicht werden.

Bei Betrachtung der F i g. 3 wird klar, daß jeder Satellit Sl und S 2 durch die Strahlenbündel, die von der Antennenanordnung, bestehend aus den Antennen TA und BA, ausgehen, an jedem Punkt der Flugbahn erreichbar sein muß. Das bedeutet aber, daß die Hauptkeule praktisch dauernd azimutal oder in Höhenrichtung nachgeführt werden muß, obwohl die Antennen selbst unbeweglich sein sollen. Da die Synchronsatelliten in beachtlicher Höhe über der Erdoberfläche stehen, ist zur Erleichterung des Schwenkvorganges die mittlere Tangentialebene der Basisfläche 1 bei Horizontalflug ungefähr um 45° gegenüber der Horizontalebene 3 geneigt. Dieser Winkel von 45° ist in der F i g. 2 dargestellt, ebenso wie der Höhenwinkel ^₀ und der Azimutwinkel Θ_ο der Achse der Hauptkeule.

In der Fig. 3 ist angegeben, welche Winkel zu betrachten sind, um den Azimut eines jeden Satelliten Sl und S 2 genau zu bestimmen und wie groß diese Winkel sind. Zur Ergänzung der F i g. 3 sind die Fig. 4a und 4b vorgesehen, in denen nur der Satellit S1 gezeigt ist. Die beiden Figuren beziehen sich auf die beiden Flugrichtungen einer Flugbahn. Aus den Figuren kann abgelesen werden, daß die Hauptkeule einer Gruppe der Antenne um einen Winkel Θ = Θ₂ — O₁ bezüglich der Kippachse des Flugzeuges mit Hilfe der elektronischen Verschwenkung verändert werden muß. Dabei bezeichnet 6J₁ den Azimut des Flugzeuges, während Θ₂ den Azimut der Richtung bedeutet, die senkrecht auf der Verbindungslinie Flugzeug-Satellit S1 steht.

Bei Kenntnis der Stellung der Satelliten Sl und S 2 erlauben die in der F i g. 1 gezeigten Kurvenscharen U und V die Aufstellung einer Tabelle der aufeinanderfolgenden Azimute und Höhenwinkel des einzelnen Satelliten für die verschiedenen Lagen des Flugzeuges auf seiner Flugbahn, wodurch die Arbeit des Piloten wesentlich erleichtert wird. Die Tabelle der Azimute zeigt beispielsweise, daß die maximale »Richtungsabweichung« es ermöglicht, daß die Hauptkeule den betrachteten Satelliten unter einem Winkel von +75° bezüglich der Kippachse des Flugzeuges erreicht. In der Tat ermöglicht jede Antenne TA und ίο BA eine azimutale Uberdeckung von 150°, was bei einer Keule von ±18° öffnungswinkel einer maximal möglichen Richtungsabweichung der Achse der Hauptkeule von ungefähr 60° entspricht. Diese Winkelverhältnisse sind in der F i g. 3 dargestellt. Es ist vorgesehen, daß der Höhenwinkel der Achse der Hauptkeule stufenweise um ungefähr 10° geändert werden kann. Diese Lösung erlaubt, daß auf einer bestimmten Flugbahn eine verhältnismäßig schmale Hauptkeule verwendet werden kann. Die einzelne Gruppe hat einen Flächenbedarf von 70 χ 40 cm, bei einer Dicke von 5 cm, so daß die zugeordnete Antenne leicht unter der Radarnase der Wetterradarantenne des Flugzeuges unterzubringen ist. Im Vergleich zu einer mechanisch schwenkbaren Antenne kann die Oberfläche der Radarschutzhaube bei einem Schwenkwinkel von ±60° der Hauptkeule um mehr als das Doppelte verringert werden. Die Antenne ermöglicht es, daß die Hauptkeule um ±75° geneigt wird, wobei noch ein nicht vernachlässigbarer Teil der Energie bei ±90° ausgestrahlt wird.

Bei der in F i g. 5 gezeigten Ausführungsform einer Antennengruppe B₁ sind die Strahlungsquellen S durch Strahlungsschlitze <ή realisiert, die in vier Hohlleitern G₁—G₄ rechteckigen Querschnittes ausgebildet sind. Dabei charakterisieren die Indizes ί und j den ;-ten Strahlungsschlitz auf dem i-ten Hohlleiter. Alle Flächen der Hohlleiter, die mit Schlitzen σ versehen sind, sind auf einer zylindrischen Basisfläche Σ derart angeordnet, daß die Kanten dieser Hohlleiter, die die in Rede stehenden Flächen begrenzen, Erzeugende der Basisfläche Σ sind. Alle Schlitze σ₄ werden ohne Phasenverschiebung gespeist. Dagegen ist zwischen den Schlitzen σ₄ und <r₃ jeweils ein Phasenschieber D¹ angeordnet; zwischen den Schlitzen σ₃ und a_z befindet sich jeweils ein Phasenschieber D² und zwischen den Schlitzen σ₂ und O₁ befindet sich jeweils ein Phasenschieber D³. Die vier Hohlleiter G₁—G₄ werden von einer gemeinsamen Quelle E gespeist. Die von der Quelle E zugeführte Leistung wird mit Hilfe eines Leistungsverteilers P derart aufgeteilt, daß jeder der Hohlleiter eine Leistung von P/4 erhält. Die Leistungen P₁—P₄ werden Phasenschiebern D₁—D₄ zugeführt, von denen jeweils einer für jeden Wellenleiter G₁—G₄ vorgesehen ist.

Im folgenden wird die Bedeutung der Phasenschieber D₁—D₄ einerseits und der Phasenschieber D\ bis D₄ andererseits erläutert.

Die Krümmung der Oberfläche Σ, auf der die verschiedenen Strahlungsquellen σ} bis <r₄ verteilt sind, hängt offensichtlich vom Winkel ν (Fig. 5) ab. In der Praxis wird ν zwischen 60 und 90° gewählt.

Es wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine Antenne verwendet, die sowohl zur Ausstrahlung als auch zum Empfang geeignet ist. Da die auftretenden Frequenzen innerhalb des »aeronautischen« Frequenzbereichs (zwischen 1540 und 1660 MHz) bleiben, ist die maximale Abweichung der Sendefrequenzen Fe und der Empfangsfrequenzen Fr 7,5% der

mittleren Frequenz Fc des Frequenzbereichs, wobei Fc = 1600 MHz.

Die von der Quelle E erzeugte Energie wird durch den Leistungsverteiler P gleichmäßig auf die Wellenleiter G₁—G₄, verteilt. Durch jeweils einem der WeI-lenleiter zugeordnete Phasenschieber D₁ —D₄. wird jeder der in den einzelnen Wellenleitern geführten Welle eine Phasenverschiebung φ₁ —^₄. aufgeprägt, wodurch eine azimutale Ausrichtung der Keulenachse ermöglicht wird, d.h., durch die eingestellten Phasenverschiebungen wird der Winkel α zwischen der mittleren Normalen N der Basisfläche der Q — m ■ η Strahlungsquellen und der Projektion der Keulenachse OF in die Horizontalebene bestimmt.

Hinter den vier Phasenschiebern tritt die Energie in die vier gleichen Hohlleiter G₁ bis G₄ ein, wo die fortschreitenden Wellen nacheinander zu den vier Strahlungsschlitzen a_v bis O₄ mit den entsprechenden Phasenverschiebungen <p\ bis <p% gelangen, wodurch die Höhenausrichtung des Strahlenbündels in der Richtung OF (Höhenwinkel ß) sichergestellt wird. Die zwölf Phasenschieber D₁ bis D₄. sind gleich, und die von ihnen bewirkten Phasenverschiebungen sind ebenfalls gleich; ihre Steuerung kann also gemeinsam sein.

Die Polarisation der ausgestrahlten Welle kann sich selbst bei Richtungsabweichungen des Strahlenbündels um 60° bezüglich der Normalen ON einer zirkulären Polarisation nähern.-Dies wird jedoch dadurch begünstigt, daß man einerseits die Schlitze bezüglich der Längsachse der Hohlleiter neigt (die Neigungen können von Schlitz zu Schlitz verschieden sein) und andererseits, wie bereits erwähnt, die Hohlleiter auf einer zylindrischen Oberfläche Σ (F i g. 5) anstatt auf einer ebenen Oberfläche anordnet.

In der Fig. 6a, die einen rechteckigen Hohlleiter zeigt, sind zwei mögliche Anordnungen der geneigten Schlitze σ und σ' dargestellt. Mittels dieser Figur kann außerdem die Art der Fortpflanzung der Energie im Inneren des Wellenleiters erläutert werden. Man weiß im übrigen, daß bei einer Anordnung von drei bis acht Strahlungsquellen die Richtfähigkeit maximal wird, wenn der Abstand d zwischen zwei Strahlungsquellen ungefähr zwischen 0,7 und 0,8 /. liegt. /. ist die Wellenlänge.

Es ist außerdem bekannt, daß die maximale Riehtungsabweichung Θ_η des Wellenbündels und der Abstand d zwischen den Strahlungsquellen folgender Bedingung genügen muß:

sind) gut für das Feld

E (Θ) = 2 cos |fc j (sin Θ - sin 0_O)J

+ 2 cos 3 k j (sin 6> — sin <9₀)

mit k .==■■

Die Wellenlänge in Richtung O_z und O_y im Hohlleiter sind im Fall der Wellenfortpflanzung nach TEo 1 gegeben durch: · "

COSy)

d<

1 + sin <9„

Dadurch kann ein Energieverlust auf Grund von Nebenkeulen in der Richtcharakteristik vermieden werden.

Somit muß also für eine Richtungsabweichung <9_m von nahezu 90° der Abstand d zwischen zwei Strahlungsquellen 0,5 λ sein. In der Tat schlucken die Nebenkeulen einen beträchtlichen Teil der Energie nur bei d > 0,8 λ oder 0,9 λ.

Um diesen Bedingungen zu genügen, wählt man also die Abstände zwischen den Strahlungsquellen (den Schlitzen a\ bis σ%, Fig. 5) zwischen 0,5 /. und 0,9 L

Für vier Strahlungsschlitze (unter der Annahme, daß sie isotrop und in der Richtung (-J₀ in Phase SUIy

= 2α, ,

worin gilt: b < ^ < a < λ und wobei ψ der Einfallswinkel der Welle bezüglich der Achse O-Z ist..

Aus der Gleichung (3) geht hervor, daß bei gegebener Wellenlänge λ im freien Raum nur ein zugehöriger Winkel φ existiert, wenn man die Abmessung α des Wellenleiters festhält. Außerdem ist die Wellenlänge λ_ζ, die Länge der geführten Welle genannt wird, dadurch festgelegt.

Wenn man andererseits den Hohlleiter mit einem Dielektrikum mit der Dielektrizitätskonstanten ε versieht, wird aus den Gleichungen (2) und (3):

ΐcos ψ λ

Daraus geht also hervor, daß man durch die Wahl von ε den Abstand d der Strahlungsquellen beeinflussen kann und daß dadurch die Richtfähigkeit des Wellenbündels und der Wert der maximalen Richtungsabweichung &_m beeinflußbar sind.

Mittels der in dem Buch »The Microwaves Engineer's Handbook«, Horizon House Inc., veröffentlichten Tabelle kann die Charakteristik der Schlitze bestimmt werden. Es werden außerdem zwei geneigte Schlitze wie σ und. σ'. (Fig. 6a) dazu verwendet, um jede Strahlungsquelle elliptisch zu polarisieren. Im folgenden wird jedoch zur Vereinfachung der Figuren nur ein einziger Längsschlitz dargestellt.

Die Fig. 6 b und 6 c zeigen zwei mögliche Anordnungen der Schlitze bezüglich der Längsachse des Hohlleiters. . . __,. .,:,_:·.:·:■·*- _.

Die Anordnung der Strahlungsquellen (Schlitze) im Hohlleiter beeinflußt die Richtcharakteristik in der vertikalen Ebene; sie.muß.ferner eine Schwenkung der Hauptkeule zwischen_3en Höhenwinkeln + 5 und +90° erlauben. ^νώ^ΙΪ^---. --.._.-.-

Bei einem Wert von π ==.4 (man-kann jedoch einen anderen Wert von ..n"Wählen," beispielsweise η = 5 oder 6) ist die BreiteTdesiStrahlenbündels ungefähr 30° bei einem maximalen Gewinn von 3 db. Unter diesen Bedingungen sind die extremen Lagen der Achse des Strahlenbündels ungefähr bei +15 und +80°. ■

Indem man den Hohlleiter um einen Winkel i ungefähr 45° neigt (in den Gleichungen wird i = 45° genommen), kann man den Abstand d der Strah-

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lungsschlitze derart wählen, daß die Achse des Strahlenbündels zur Waagrechten um 15° geneigt ist, ohne daß eine Phasenverschiebung durch die Phasenschieber erfolgt. Damit die Strahlung zweier aufeinanderfolgender Schlitze in der Richtung Q₀ (hier Q₀ = 30° mit i — 45° und einer Achse bei +15°) in Phase ist, muß ihre Phasenverschiebung in dieser Richtung zwischen zwei /ΐπ liegen Qi = 1, 2, 3 usw.).

Unter Berücksichtigung, daß ein Dielektrikum (z. B. keramisches Dielektrikum mit ε ~ 10) vorhanden ist, ist es leicht, für jeden Schlitz seine optimalen Strahlungsbedingungen zu bestimmen, das Strahlenbündel in eine bestimmte Richtung zu lenken und für d (Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlitzen) einen solchen Wert zu finden, daß zwischen den beiden Strahlungsquellen noch ein ausreichender Zwischenraum vorhanden ist, um einen der Phasenschieber D₁ bis D₃ dazwischen anzuordnen. Im übrigen kann der Querschnitt des Hohlleiters wesentlich verringert werden (im Verhältnis 1/γΊ).

Aus praktischen Erwägungen wählt man bei dem gerade beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzugsweise d in der Größenordnung von 0,75 λ und ein Dielektrikum mit ε ~ 10, damit man einen rechteckigen Hohlleiter verwenden kann, bei dem die große Seite α in der Größenordnung von 5 cm oder darunter liegt.

Fyr ,den Fall der Schlitzanordnung nach der Fi g. oc gilt für den Abstand d, die Ruhe-Richtungsabweichung O₀, die Dielektrizitätskonstante *·, die Wellenlänge λ und die ganze Zahl h folgende Beziehung:

i = (A-0,5)

J/Tcos ψ + sin O₀

Mit dem Zahlenbeispiel d = 0,75 /., O₀ = 30° kann man h = 3 und φ = 30° wählen, so daß die Dielektrizitätskonstante ε = 10,4, die Abmessung α auf 5,75 cm verkleinert und der Abstand d, gezählt in Richtung der Wellenlänge A, im Hohlleiter, zu d = 2,05 /. wird.

Um die verschiedenen Strahlenbündel azimutal und in der Höhenrichtung auszurichten, können digitale Phasenschieber mit Dioden verwendet werden, die zwischen den Strahlungsquellen in den Hohlleitern angeordnet sind.

Die Verwendung solcher Phasenschieber bei der erfindungsgemäßen Antennenanordnung hat folgende Vorteile: Betriebsfähigkeit innerhalb eines großen Temperaturbereichs, beispielsweise zwischen — 50 und + 140⁰C, was unerläßlich ist, wenn die Antenne in einem nicht unter Druck stehenden Teil eines supersonischen Flugzeuges angeordnet ist; einfache Herstellung und einfacher Einbau, was die Kosten senkt; getrennte Steuerung der Strahlschwenkung im Azimut und in der Höhenrichtung; Einfachheit dieser 360°: man wird also »Azimut«-Phasenschieber Da nehmen, um 360° zu erreichen. Man wird vier Phasenschieberzellen wählen, die Phasenverschiebunaen von 22.5_r 45, 90, 180° liefern.

Für die Höhenwinkelausrichtung müssen die Strahlungsquellen, falls sie in der Richtung O₀ in Phase sind, eine maximale gegenseitige Phasenverschiebung

von φ_Μ = ^:ζιτ— (sin O₀ + sin O₁) aufweisen, um das

ίο Strahlenbündel in die Richtung O₁ zu. lenken, die einer maximalen Richtungsabweichung O₀ + O₁ entspricht.

Mit d = 0,75 λ, Θ_ο = 30°, O₁ = 35° und φ_Μ = 288° kann man diese Phasenverschiebung mit vier Phasenschieberzellen von ungefähr 19, 38, 76 und 152° verwirklichen.

Wenn der Abstand d geringer ist (d = 0,6 λ beispielsweise), kann die erforderliche Genauigkeit der Ausrichtung mit nur drei Phasenschieberzellen erreicht werden.

Die an Hand der Fig. 5 bis 6c beschriebene Antenne besitzt zahlreiche Vorteile. Insbesondere kann jeder Hohlleiter G₁—G₄ durch einen besonderen Leistungsverstärker gespeist werden. Zur Abstrahlung der Gesamtleistung P' können daher m-Verstärker verwendet werden, die jeweils eine Leistung von PJm haben. Die Wirkungsweise des Systems wird verbessert, wenn Halbleiter (Transistoren) verwendet werden.

Bei der in der F i g. 8 gezeigten Ausführungsform kommen die Phasenschieber D₁ —D₄, wie sie in der F i g. 5 gezeigt sind, dadurch in Fortfall, daß die einzelnen Hohlleiter G₁—G₄ durch individuelle Sender 12 gespeist werden, die mit I—IV durchnumeriert sind. Die einzelnen Sender 12 sind mit einem Leitsender 10 verbunden, und die Steuerung der Phasen der Einzelsender erfolgt durch einen Steuerblock 11. Bei dieser Anordnung ist nur noch ein einziger Phasenschiebertyp D vorhanden.

Durch die Verwendung eines Dielektrikums in dem Hohlleiter kann die Abmessung α bis auf etwa λ/4 verringert werden, so daß die Längsachsen zweier nebeneinanderliegender Hohlleiter wenigstens λ/2 voneinander entfernt sind, wodurch eine maximale azimutale Richtungsabweichung der Keule um 90" ermöglicht wird. Es kann also zwischen zwei Hohlleitern der Antennengruppen B₁ oder T₁ genügend Platz für einen Leiter der Antennengruppe B₂ oder T₁ verbleiben; die Leiter der beiden Antennengruppen können also miteinander verschachtelt werden, so daß die Oberfläche der Radarschutzhaube, hinter

• der die Antennen BA bzw. TA angeordnet sind, um die Hälfte verringert wird. Dadurch kann der Gewinn der Antenne bei konstanter Fläche der Radarschutzhaube vergrößert werden.

In den Fig. 7a und 7b sind verschiedene Ausführungsformen der Basisfläche dargestellt. In der Fig. 7a ist eine zylindrische Basisfläche und in der Fig. 7b ein Abschnitt aus einem Torus dargestellt.

Steuerung; Reziprozität des Phasenschiebers, wodurch die Antenne sowohl zum Senden als auch zum 60 Den einzelnen Strahlungsquellen Si sind Vektoren vj Empfang verwendbar ist. zugeordnet, die von den Strahlungsquellen Si aus-

Die Größe der maximalen Phasenverschiebung, die erforderlich ist, um das Strahlenbündel azimutal auszurichten, hängt von der Krümmung der Antenne (die Hohlleiter sind entlang den Erzeugenden der zylindrischen Oberfläche Σ angeordnet) und von der Anzahl der Hohlleiter ab.

Bei vier Hohlleitern erreicht der maximale Wert gehen. Diese Vektoren deuten die Richtungen der maximalen Strahlung dieser Strahlungsquellen an. Aus der Richtung der Vektoren Fj kann das Konvergenzverhalten, nämlich Konvergenz oder Divergenz der Richtungen der maximalen Strahlung der verschiedenen Strahlungsquellen in Abhängigkeit von der Form der Basisfläche abgelesen werden. Diese

Figuren sind für sich verständlich und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.

Die Wahl der eindimensionalen Krümmung im Falle der Fig. 7a oder der zweidimensionalen Krümmung in der Fig. 7b kann rechnerisch oder experimentell durchgeführt werden. Auf Grund einfacher Überlegungen wird vorzugsweise gemäß Fig. 7b ein Abschnitt eines kreisförmigen Torus gewählt, bei dem wiederum vorzugsweise die konkave Oberfläche verwendet wird (vgl. Fig. 9). Dadurch ist es möglich, den Strahlrichtungen der Strahlungsquellen, die auf η-Zeilen angeordnet sind, durch entsprechende Wahl des Radius R (Mittelkreis des Torus) einen beliebigen Grad von Konvergenz zu verleihen. Durch entsprechende Wahl des Radius r (Erzeugungskreis des Torus) kann den Strahlen der m-Strahlungsquellen, die in den m-Spalten der Matrix liegen, ein beliebiger anderer Konvergenzgrad gegeben werden.

Es können auch beliebige andere Flächen einfacher oder doppelter Krümmung gewählt werden. Hier sei insbesondere noch angeführt: die Kugel, das Ellipsoid, die abwickelbaren oder nicht abwickelbaren Drehflächen.

Bei einer gekrümmten Basisfläche sind folgende Vorteile zu vermerken:

a)jDie Oberflächenform der Basisfläche für die Strahlungsquellen S ermöglicht es, daß gerichtetere Strahlungsquellen verwendbar sind (öffnungswinkel einer Elementarquelle beispielsweise 90 oder 120°). Dadurch werden auch die Möglichkeiten der Schwenkbarkeit der resultierenden Hauptkeule verbessert: Zum Beispiel 70° im Azimut und 40° in Höhenrichtung.

b) Indem man die Strahlungsquellen S auf der konkaven Seite einer gekrümmten Basisfläche anordnet, verringert man die Abmessungen der Radarschutzhaube, die vor den Strahlungsquellen anzuordnen ist.

c) Da die Strahlungsquellen ein schmaleres Strahlenbündel erzeugen, kann jede Art von Phasenverschiebung benutzt werden, insbesondere die Art, bei der die Strahlungsquelle selbst um ihre Strahlungsachse mittels kleiner Stellmotoren drehbar ist, wie weiter unten ausgeführt wird.

Da jede der Antennen BA oder TA flächig ausgebildet ist, muß die Phase einer jeden Strahlungsquelle S veränderbar sein, damit eine einwandfreie Ausrichtung der Hauptkeule einer jeden Antennengruppe möglich ist, was durch Phasenschieber oder irgendein anderes geeignetes Mittel erreichbar ist.

Bei den gekrümmten Basisflächen ist die die Mitte der Basisfläche enthaltende Tangentialebene bei Horizontalflug ungefähr um 45° zur Horizontalen und zu der durch die Flugzeuglängsachse gehende Vertikalebene geneigt. Dies hat zur Folge, daß die Richtungsabweichung der Hauptkeule in Höhenrichtung auf ±40° beschränkt ist, wobei eine Uberdeckung der Höhenrichtung von +5 bis 85° in den beiden Halbräumen bezüglich der durch die Flugzeuglängsachse gehenden Vertikalebene gegeben ist. Im Azimut müßten jedoch für eine gesamte Uberdeckung theoretische Richtungsabweichungen von ±90° möglich sein. Dieser Bereich kann aber auch auf ±70° beschränkt werden, da damit praktisch alle Forderungen für mögliche Flugrouten erfüllt sind. Aber der Unterschied zwischen der Richtungsabweichung im Azimut (±70°) und in der Höhenrichtung (±40°) hat in dem Aufbau der beiden seitlichen Antennen eine besondere Ausbildung zur Folge. Bekanntlich ist es sehr schwierig, Richtungsabweichungen von über + 50° zu erhalten, ohne daß eine beträchtliche Abnahme des Antennengewinns auftritt, und zwar auf Grund der Richtfähigkeit der Strahlungsquellen. Um diese Leistungsverluste bei starker Richtungsabweichung zu vermeiden und um Strahlungsquellen mit ;■ schmaleren Strahlungskeuleri verwenden zu können, wird daher vorzugsweise eine Basisfläche benutzt, die in der Azimutebene eine andere Krümmung als in der Höhenwinkelebene aufweist.

Zu einer solchen doppelt gekrümmten Basisfläche gelangt man, wenn man die Strahlungsquellen auf einem Abschnitt einer torusförmigen Oberfläche anordnet, wie es in der Fig. 9 dargestellt ist. In der Fi g. 9 ist der Radius r des Erzeugungskreises gleich 2,1 λ, und der Radius R des Mittelpunktkreises, welcher der geometrische Ort aller Mittelpunkte des Erzeugungskreises in der Äquatorebene des Torus ist, ist gleich r gewählt, so daß die öffnungsweite des Torus 0 beträgt. Dabei ist λ die Wellenlänge der Strahlungsquellen S. Die Strahlungsquellen S sollen zur konkaven Seite ihrer Basisfläche strahlen, d. h. in der F i g. 9 nach vorne. Die Strahlungsquellen S sind durch die kleinen Kreise dargestellt, die in der Ebene A liegenden Kreise sind schwarz ausgefüllt.

Die Schnittlinien der durch die Z-Achse gelegten Ebenen mit der Torusfläche sollen in Anlehnung an die sphärische Trigonometrie als »Meridiane« bezeichnet werden. Die Ebene .4, die in der Fig. 9 als Horizontalebene dargestellt ist, entspricht einer Ebene, die bei Horizontalflug ungefähr um 45° zur Horizontalen und zu der durch die Flugzeuglängsachse gehende Vertikalebene geneigt ist. Die Flugzeug- bzw. Rumpfachseneinrichtung ist durch die x-Achse des in der F i g. 9 eingetragenen rechtwinkligen Koordinatensystems x, y, ζ gekennzeichnet. In der Ebene A rindet die azimutale Änderung der Hauptkeule statt und in der in der F i g. 9 gezeigten Ebene B die Höhenwinkelveränderung. Die Ebene yOz, die zur Ebene B parallel ist, steht auf der Längsachse des Flugzeuges bzw. der Rumpfachse χ senkrecht. Auf dem durch den Schnitt der Ebene yOz mit der Außenfläche des Torus definierten Meridian sind im Bereich der Basisfläche fünf Strahlungsquellen S eingezeichnet. Auch auf den anderen Meridianen sind fünf Strahlungsquellen angeordnet, ebenso längs der Schnittlinie mit der Ebene A. Es ist klar, daß die Basisfläche in Form einer Matrix mit weiteren Strahlungsquellen bestückt ist, die jedoch in der Fig. 9 aus Ubersichtlichkeitsgründen fortgelassen worden sind.

Um die Vorzüge einer solchen Anordnung mit gekrümmter: Basisfläche zu "veranschauh'chen^liät man die Form der Richtcharakteristikeniuntersucht, die man erhält, wenn man die Strahlungsquellen

(1) auf einer Ebene mit einem Abstand zwischen den Strahlungsquellen von d = 0,7 Λ und (2)⁷auf einem Abschnitt eines Torus, wie erlin der =Fig: 9 :ümrissen ist, anordnet. Der Abstand der Strahlungsquellen auf der Torusbasisfläche war so gewählt, daß der in der F i g. 9 eingetragene Winkel Ti zwischen zwei benachbarten Meridianen 15° betrug und der Winkel T zwischen zwei Strahlungsquellen S auf einem Meridian 10° betrug.

Es wurden die Richtcharakteristiken für eine Matrix von 25 Strahlungsquellen S untersucht, die mit gleicher Amplitude gespeist wurden; es wurden also längs fünf Meridiane jeweils fünf Strahlungsquellen angeordnet. Drei Fälle von Richtcharakteristiken einer Strahlungsquelle wurden gewählt, nämlich

e_k(u) — e_k cos ku in V/m
mit den drei Fällen

k = 0,60: Strahlungsquelle mit einer Leistungshalbwertsbreite von 150°,

k = 0,75: Strahlungsquelle mit einer Leistungshalbwertsbreite von 120°,

k = 1: Strahlungsquelle mit der Leistungshalbwertsbreite von 90°.

Wenn jede Strahlungsquelle durch i und die Strahlrichtung durch j gekennzeichnet wird, ergibt sich die Form der Richtcharakteristik der Antenne durch:

Ej = [^e* cos k u_i3 COS₉J₀]²
+ [ Z_te_k cos k U(J sin g^]²,

worin M_i; der Winkel ist, den die Achse der Strahlungsquelle i mit der Richtung j einschließt, und <p_i} die Phase der Quelle i für die Richtung j ist.

Wenn man 10 log₁₀ Ej für die Richtung j in Abständen beispielsweise von 3° aufzeichnet, erhält man die Form der Richtcharakteristik.

Diese Diagramme haben gezeigt, daß das Niveau der Nebenkeulen im Fall der ebenen Basis bei schwachen Richtungsabweichungen besser ist, daß es jedoch für die torische Basis vor allem in der Ebene j/0 ζ (in Höhenrichtung) zufriedenstellend bleibt. Man hat daraus geschlossen, daß die torische Basis die Richtcharakteristik bei kleinen Schwenkwinkeln wenig verzerrt, und zwar im Vergleich mit der ebenen Basis.

Wenn man die Diagramme für eine starke Richtungsabweichung (beispielsweise —65° Azimut und 0° Höhenwinkel) untersucht (wobei die Kurven in der Ebene xOy und der Meridianebene —65° liegen), stellt man fest, daß die torische Basis eine Richtungsabweichung von —65° viel leichter ermöglicht, selbst im Fall, wo die Strahlungsquelle eine Keule mit einer Leistungs-Halbwertsbreite von 90° liefert (k = 1,0).

Die Berechnung des absoluten Gewinns würde zeigen, daß die Gewinne, die man mit der torischen Basisfläche erhält, bei starker azimutaler Richtungsabweichung des Strahlenbündels immer größer sind als bei der ebenen Basisfläche. Der Unterschied ist um so größer, je schmaler die Keule der Strahlungsquelle ist.

Die Verbesserung, die man durch die Krümmung der Basisfläche der Strahlungsquellen (Oberfläche mit doppelter Krümmung) erhält, wird durch die Erfindung dadurch erhöht, daß beim Schwenken der Hauptkeule in Extremrichtung die auf in dieser Strahlungsrichtung weniger wirkenden Spalten (Meridiane) liegenden Strahlungsquellen abschaltbar und dafür am entgegengesetzten Bereich der Matrix liegende Spalten (Meridiane) zuschaltbar sind.

In der Fig. 10 ist ein Schnitt durch den in der Ebene A liegenden Äquator einer Torus-Basisfläche dargestellt, der in der Ebene A liegt, d. h., die Zeichenebene der Fig. 10 sei die Ebene A. Es ist nur die eine Halbfläche des Erzeugungskreises mit dem Radius r dargestellt. Es ist klar, daß auch jede andere eine entsprechende Gruppe von Strahlungsquellen S deckende Schnittebene gewählt werden kann. Abweichend von dem in der F i g. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel sind hier sieben Meridiane besetzt, •5 die der ersten bis siebten Spalte 1. Sp.—7. Sp. der Strahlungsquellen-Matrix entsprechen. Der Winkel Ή" zwischen den Erzeugenden beträgt 12°, so daß zwischen der ersten Spalte und der siebten Spalte ein Winkelbereich von 36° + 36° = 72° vorhanden ist.

ίο Es soll hier nur angemerkt werden, daß bei der Verwirklichung dieser Anordnung auf den einzelnen Meridianen fünf Strahlungsquellen mit einem Abstandswinkel IT von 7° Vorgesehen sind. Von den sieben Spalten werden drei fortwährend durch einen Umschalter und Leistungsteiler gespeist, und zwar die dritte, die vierte und fünfte Spalte. Bei der in der Fig. 10 gezeigten Stellung des Umschalters werden gleichzeitig mit der dritten, vierten und fünften Spalte die erste und zweite Spalte gespeist. Diese Speisung wird gewählt, wenn die Hauptkeule der Antennengruppe auf die positiven Meridiane von 0 bis 90° entsprechend dem Pfeilfp in der Fig. 10 gerichtet sein muß. Soll dagegen die Hauptkeule auf die negativen Meridiane entsprechend dem Pfeil fn in der Fig. 10 gerichtet werden, werden die Strahlungsquellen der ersten und zweiten Spalte abgeschaltet und an ihrer Stelle die Strahlungsquellen der sechsten und siebten Spalte zugeschaltet. Damit ist sichergestellt, daß auch bei Stellung des der Antennengruppe zugeordneten Satelliten in Extremrichtung, d. h. in der Nähe von +90°, eine einwandfreie Verbindung mit diesem hergestellt werden kann. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel erfolgt die Umschaltung beim übergang von den positiven Meridianen zu den negativen Meridianen. Andere Umschaltzeitpunkte sind möglich.

Eine solche Umschaltung ermöglicht, daß bei den großen Richtungsabweichungen die Wirksamkeit, d. h. der Antennengewinn, um ungefähr 2 dB zunimmt, wobei die Anzahl der in der Ebene A strahlenden Strahlungsquellen von sieben auf fünf reduziert ist.

Bei der in der Fig. 10 gezeigten Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die auf verschiedenen Meridianen liegenden Strahlungsquellen mit einer unterschiedlichen Energie in Abhängigkeit von dem Winkel der Richtungsabweichung der Hauptkeule gespeist werden. Dies wird durch den Umschalter und Leistungsteiler 13 bewirkt, der die Leistung durch fünf teilt und ferner ein unter dem Namen »Butler«-Matrix bekanntes Netz von Hybridverbindungen und von Phasenschiebern aufweist.

Für den Fall von sieben Meridianen sieht man beispielsweise Amplituden vor, die den folgenden Zahlen werten proportional sind:

	>, 1	umi 2	■ner ( 3	der S quell 4	>trah e 5	lung 6	S- 7
⁶⁰ Amplitude der Strahlungs quelle (schwache Rich tungsabweichung +40°)	1	2	4	4	4	2	1
65 Amplitude der Strahlungs quelle (starke Richtungs abweichung von +40 bis +90°)	4	4	3	2	1	0	0

Aus der Tabelle ersieht man, daß bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich schwacher Richtungsabweichung von ±40° noch alle sieben Spalten gespeist werden, während die Umschaltung von den Spalten auf der einen Seite der Matrix zu den Spalten auf der anderen Seite der Matrix erst im Richtungsabweichungsbereich von +40 bis +90° erfolgt.

Die Phasenverschiebung φ,, die der einzelnen Strahlungsquelle S₁- zugeordnet werden muß, damit das Wellenbündel dieser Strahlungsquelle in die Richtung j zeigt, kann — wie bereits oben erwähnt — durch irgendwelche bekannte Phasenschieber verwirklicht werden. Hierzu können digitale oder analoge Phasenschieber, die mit Dioden oder Ferriten arbeiten, verwendet werden. Es ist aber auch möglich, die einzelne Strahlungsquelle S₁- um einen Winkel <pi bezüglich der Strahlachse zu drehen, die auf der der betrachteten Strahlungsquelle S₁- zugeordneten Teilfläche der Basisfläche senkrecht steht. Zu diesem Zwecke können kleine Stellmotoren verwendet werden. Dabei gibt es eine große Anzahl von Möglichkeiten, wie die Verstellung der Strahlungsquellen bewirkt wird. Die Verwendung solcher Motoren, die innerhalb eines großen Temperaturbereichs (z. B. -55 bis +230⁰C) funktionsfähig sind, erlauben eine kontinuierliche und genaue Richtungsabweichung, was unabhängig von der Außentemperatur eine große Genauigkeit in der Steuerung der Richtung der Hauptkeule der betreffenden Antennengruppe sicherstellt.

Gemäß Fig. 11a können einer Strahlungsquelle mit zirkulär polarisierter Strahlung zwei Vektoren ρΊ und cfi zugeordnet werden, deren Längen gleich sind und die senkrecht zueinander angeordnet sind. Dabei ist der Vektor q] bezüglich ρΊ um π/2 verzögert. Die Bezugsstellung dieser Vektoren, d. h. die Stellung, von der aus der Winkel ψ_ί gezählt wird, ist derart, daß der Vektor f₍ die Basisfläche am Ort der Strahlungsquelle S, berührt oder parallel zu ihr ist und daß der Vektor £ den Meridian an diesem Punkt berührt.

Für die Realisierung, z. B. der Antennengruppe B₂, bieten sich die folgenden beiden Verfahren an:

Das erste Verfahren verwendet die gleichen Strahlungsquellen, wobei die Sende- und Empfangsfrequenzen der Antennengruppe B₂ von denen des Wellenbündels B₁ verschieden sind, aber immer noch im Frequenzbereich von 1540 bis 1660 MHz liegen. Die Phase φ{ für die Richtungsabweichung der Hauptkeule von B₂ wird durch einen zweiten Phasenschieber und durch eine Anordnung erhalten, wie sie * in der F i g. 11 dargestellt ist. In diesem Falle kann man natürlich das oben erläuterte Prinzip der Drehung der Strahlungsquellen nicht verwenden, da eine gleichzeitige Drehung um ?>,· und φ\ nicht gleichzeitig bewirken kann. In dem in der Fig. 11 gezeigten Schema ist ein die Phasenverschiebung um den Winkel φ_{ bewirkender Phasenschieber 14 mit der Hybridverbindung 16 verbunden. Der Phasenschieber 14 speist die Antennengruppe B₁, die die dem Satelliten S₁ zugeordnete Hauptkeule erzeugt. Die Strahlungsquellen der Antennengruppe B₁ werden auch über einen eine Verschiebung um den Winkel φ_; bewirkenden Phasenschieber 15 gespeist, um das Wellenbündel bzw. die Hauptkeule für den Satelliten S₁ zu erzeugen. Die Antennengruppen B₁ und B₂ sind hier also identisch, da für beide die gleichen Strahlungsquellen verwendet werden. Die Hybridverbindung 16 erzeugt einerseits die beiden Vektoren

²S PHO ^und q*i{t — 7z/2) und andererseits die Vektoren

p'i (f — π/2) und q\ (t) die zur Zirkularpolarisation

der beiden ausgesendeten und empfangenen Wellenbündel in entgegengesetzter Richtung erforderlich sind. Die Verwendung entgegengesetzt polarisierter Wellenbündel für B₁ und B₂ ermöglicht es, Interferenzen zwischen ihnen zu vermeiden.
Das zweite Verfahren verwendet unterschiedliche, jedoch ineinander verschachtelte Strahlungsquellen S, für B₁ und S- für B₂. Bei der in der Fig. 12 gezeigten Darstellung ist angenommen worden, daß jede Strahlungsquelle S einen kreisförmigen Bereich von einem Durchmesser von 0,4 λ einnimmt und benachbarte Strahlungsquellen einen Abstand von 0,65 λ aufweisen. Die speziellen Phasen für jede Strahlungsquelle S können durch irgendwelche bekannten Mittel einschließlich Stellmotoren erfolgen. Auch kann hier Strahlung entgegengesetzter Polarisation verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409 507/293

Claims

Patentansprüche:

1. Antennenanordnung an Bord eines Flugzeuges zur Standortbestimmung mittels Rückstrahlpeilung, bei der zwei Erdsatelliten als Funkbaken dienen, mit zwei bezüglich der Flugzeuglängsachse auf verschiedene Halbräume ausgerichteten Antennen zum Senden und Empfangen von Funksignalen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Antenne (7Vi, BA) in an sich bekannter Weise mehrere auf einer als Abschnitt einer Rotationsfläche (Σ) ausgebildeten Basisfiäche angeordnete Strahlungsquellen (S; σ) aufweist, die zu zwei Strahlergruppen (T₁, T₂; B₁, B₂) zusammengefaßt sind, von denen jede eine schwenkbare Hauptkeule besitzt, daß die die Mitte der Basisfiäche enthaltende Tangentialebene der Basisfiäche bei Horizontalflug ungefähr um 45° zur Horizontalen und zu der durch die Flugzeuglängsachse (x) gehenden Vertikalebene geneigt ist, daß die Strahlungsquellen (Sl; σ) in einer Matrix (σ*·; i, j = 1—4) in Zeilen und Spalten (1. Sp.—7. Sp.) angeordnet sind, wobei die Zeilen in zur Horizontalen und zueinander mindest näherungsweise parallel verlaufenden Ebenen liegen, und daß beim Schwenken der Hauptkeule in Extremrichtung die auf in dieser Strahlungsrichtung weniger wirkenden Spalten (1. Sp., 2. Sp.) liegenden Strahlungsquellen (S) abschaltbar und dafür am entgegengesetzten Bereich der Matrix liegende Spalten (6. Sp., 7. Sp.) zuschaltbar sind.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die derselben Zeile oder Spalte zugehörigen Strahlungsquellen (S) mittels einer Butler-Matrix mit unterschiedlichen Energieanteilen speisbar sind.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus Umschaltern und Leistungsteilern bestehende Einrichtung (13), die die zu derselben Zeile oder Spalte (1. Sp.-7. Sp.) gehörigen Strahlungsquellen (S) speist.

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mikro-Servo-Motoren, die zum Verändern der Richtung der Hauptkeule die einzelnen Strahlungsquellen in die hierzu erforderliche Winkellage drehen, und eine elektrische Steuereinrichtung zum Steuern der Winkellage der Servomotoren und somit zum Steuern der Winkellage der Strahlungsquellen (S).

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen durch Strahlungsschlitze (σ) in Hohlleitern (G₁—G₄) mit rechteckigem Querschnitt (a ■ b) realisiert sind.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter (G₁—G₄) mit einem Dielektrikum, dessen Dielektrizitätskonstante ungefähr 10 beträgt, gefüllt sind, und daß zwischen den Strahlungsschlitzen (σ) Phasenschieber (Dl₁; m, η = 1—4) angeordnet sind.

7. Antennenanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsschlitze (σ) bezüglich der Längsachse (z) der Hohlleiter (G₁—G₄) geneigt sind, wobei die Größe, der Abstand (Z₁) voneinander und die Neigung (μ) der Strahlungsschlitze (σ) so gewählt sind, daß eine Strahlung mit zirkularer oder elliptischer Polarisation erzeugt wird.

8. Antennenanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hohlleiter (G₁—G₄) durch einen eigenen phasengesteuerten Verstärker oder einen eigenen phasengesteuerten Sender (12; I-IV) gespeist ist.

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gruppen (T₁, T₂; B₁, B₂) einer jeden Antenne (TA, BA) nebeneinander angeordnet sind.

10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (S;) der einen Gruppe (B₁) mit den Strahlungsquellen (S₁) der anderen Gruppe (B₂) verschachtelt sind.

11. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (S) der beiden Gruppen (B₁, B₂; T₁, T₂) einer Antenne (BA, TA) identisch sind und über verschiedene Phasenschieber (14,15) mit einer Hybridverbindung (16) verbunden sind.