DE3328115C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rundstrahlantennensystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Bedarf zum Einsatz derartiger Rundstrahlantennensysteme besteht beispielsweise bei Flugkörpern oder auch bei Raumflugkörpern bzw. Satelliten, etwa zu Telemetrie- und Lenkkommandoübertragungszwecken. Dabei wird vor allem verlangt, daß eine möglichst isotrope Rundstrahlcharakteristik erzielbar ist und über einen weiten Raumwinkelbereich keine Einbrüche im Strahlungs­ diagramm auftreten. Weiterhin soll das Rundstrahlantennensystem flexibel hinsichtlich der Verarbeitung verschiedener Pola­ risationsarten und insbesondere für zirkular polarisierte Strahlung auslegbar sein. Bei der Verwendung für Flug­ körper oder Satelliten ergibt sich als besondere Forderung, daß das Rundstrahlantennensystem möglichst wenig Raum beanspruchen und eine hohe mechanische Stabilität bei geringem Gewicht besitzen soll.

Ein Rundstrahlantennensystem der eingangs genannten Art ist aus NTZ, 1969, H. 56, S. 271-275 bekannt. Dort ist in Bild 1 auf Seite 272 eine Turnstile-Antenne abgebildet, wie sie bei der dritten Stufe der Trägerrakete ELDO-A verwendet wurde. Diese hat einen achssymmetrischen, zylindrischen Trägerkörper, an dessen Umfang jeweils um 90° gegeneinander versetzt vier Strahlerelemente angebracht sind. Dabei handelt es sich um Dipolstäbe, welche zunächst radial aus dem Trägerkörper heraus­ ragen und kurz über dessen Oberfläche rechtwinkelig abgebogen sind, so daß sie mit Abstand zur Oberfläche des Trägerkörpers und parallel zu dessen Symmetrieachse verlaufen. Wie bei Turn­ stile-Antennen üblich, erfolgt die Speisung der Dipolstäbe direkt an ihren radial aus dem Trägerkörper herausragenden En­ den, siehe hierzu auch O. Zinke, H. Brunswig, "Lehrbuch der Hoch­ frequenztechnik", 1965, S. 218. Die vier Strahlerelemente sind mit jeweils 90° Phasenverschiebung gegeneinander gespeist, d. h., mit einer Phasendifferenz, welche dem Winkelabstand zwischen den einzelnen Strahlerelementen entspricht, Aus dem Strahlungs­ diagramm dieses bekannten Rundstrahlantennensystems folgt, daß zwar nahe­ zu in alle Raumrichtungen abgestrahlt wird, das gewünschte iso­ trope Strahlungsverhalten jedoch bei weitem noch nicht erreicht ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Rundstrahl­ antennensystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem so weitgehend wie möglich ein isotropes Rundstrahlverhalten erziel­ bar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 genannten konstruktiven Maßnahmen gelöst.

Demnach sollen am Umfang eines achssymmetrischen Trägerkörpers in regelmäßigen Winkelabständen gleichartige Strahlerelemente angebracht sein. Diese Strahlerelemente sollen nach dem an sich bekannten Prinzip der Transmission- Line- Scimitar- oder Low-Silhouette-Blade-Antennen aufgebaut sein. Deren Antennen­ stäbe können entweder jeweils auf einer separaten, auf dem Trägerkörper leitend befestigten Basisplatte oder direkt auf dem Trägerkörper angebracht sein. Basisplatte bzw. Trägerkörper werden in diesem Zusammenhang im folgenden auch als Antennenbasis bezeichnet. Die Speisung eines der­ artigen Strahlerelements erfolgt gewöhnlich über ein Koaxial­ kabel, dessen Außenleiter mit der Antennenbasis und dessen Innenleiter nach isolierter Durchführung durch letztere mit dem Antennenstab leitend verbunden ist. Die Lage des Fuß­ punktes des Innenleiters auf dem Antennenstab hängt dabei in erster Linie von der Betriebswellenlänge und dem Abstand von der Antennenbasis ab. Das Strahlungsverhalten eines derartigen Strahlerelements ist durch zwei orthogonal zu­ einander polarisierte Wellen bestimmt. Die primäre Welle wird dabei im wesentlichen durch den den Spalt zwischen Antennenbasis und Antennenstab durchquerenden Innenleiter erregt, wobei sich eine parallel zum Innenleiter polari­ sierte Rundstrahlung ergibt, ähnlich der Strahlung eines Monopols. Die sekundäre Welle wird durch den Antennenstab erregt und ist parallel zu diesem polarisiert. Das gesamte räumliche Strahlungsdiagramm eines derartigen Strahler­ elementes ergibt sich aus der Überlagerung dieser beiden Wellen, die in Abhängigkeit von der Abstrahlrichtung zum Auftreten von linearer bis zirkularer Polarisation beider Drehrichtungen führt. Dieses Strahlungsverhalten weisen auch die in "Frequenz", 27 (1973), Heft 3, S. 74-77, beschriebenen Strahlerelemente vom Low-Silhouette-Blade-Typ auf.

Es hat sich nun gezeigt, daß ein isotropes Rundstrahlver­ halten in sehr guter Annäherung dadurch erzielbar ist, daß am Umfang eines, wie oben erwähnt, symmetrischen Träger­ körpers in regelmäßigen Abständen derartige Strahler­ elemente so angeordnet werden, daß deren Antennenstäbe in bezug auf die Symmetrieachse des Trägerkörpers bzw. deren Parallelen geneigt sind. Dabei sind in bekannter Weise die einzelnen Strahlerelemente mit einer Phasenverschiebung zu speisen, die sich durch Division des Vollwinkels von 360° durch die Anzahl der am Umfang insgesamt angeordneten Strahlerelemente ergibt. Somit addieren sich diese bei einem Umlauf gleichgerichteten Phasenverschiebungen zu 360°. Die Strahlerelemente sollen sämtlich im wesentlichen die gleichen geometrischen Abmessungen be­ sitzen, und ihre Antennenstäbe sollen gegenüber der Symmetrieachse des Träger­ körpers sämtlich um den gleichen Winkelbetrag geneigt sein. Die Neigung wird dabei bevorzugt jeweils in einer Ebene erfolgen, die parallel zur Symmetrieachse orientiert ist und deren Flächennormale die Symmetrieachse schneidet.

Die oben erwähnten Low-Silhouette-Blade-Antennen sind in der genannten Literaturstelle lediglich als Einzelstrahler darge­ stellt, welche auf einer Grundplatte oder auf einem zylindri­ schen Trägerkörper montiert sind. Die für diese Einzelstrah­ ler jeweils angegebenen Strahlungsdiagramme für die zwei ortho­ gonalen Polarisationsrichtungen sind weit davon entfernt, ein isotropes Rundstrahlverhalten wiederzugeben. Aus diesen Einzel­ strahlerdiagrammen kann noch nicht einmal geschlossen werden, daß ein solches isotropes Rundstrahlverhalten durch Anbringung mehrerer am Umfang des zylindrischen Trägerkörpers verteilter Einzelstrahlerelemente erzielbar ist. Vielmehr lassen die zusam­ mengehörigen Einzeldiagramme, beispielsweise der Bilder 3b sowie 4a, darauf schließen, daß in der Richtung der Symmetrie­ achse des zylindrischen Trägerkörpers immer ein starker Einbruch der Strahlungsintensität verbleiben wird. Diesen Mangel besei­ tigt die Erfindung nun auf überraschende Weise dadurch, daß die Antennenstäbe der einzelnen Strahlerelemente nicht mehr parallel zur Symmetrieachse des Trägerkörpers, sondern geneigt dazu ange­ ordnet sind.

Aus der gewünschten Polarisation, d. h., links oder rechts zirkular, des Rundstrahlantennensystems folgt, mit welchem Drehsinn die Strahlerelemente zu speisen sind. Um eine Optimierung der Rundstrahleigenschaften zu erhalten, sind die Antennen­ stäbe der Strahlerelemente mit ihren freien Enden nach der Seite geneigt, die dem Drehsinn der Polarisation und damit des Drehfeldes entspricht. Werden die Antennenstäbe bei Polarisations­ wechsel und damit verbundenem Wechsel des Drehfeldes der Speisung in der vorherigen Stellung belassen, so ergibt sich eine Verminderung der Isotropie im rückwärtigen Bereich.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, an dem den freien Enden der Antennenstäbe abgewandten Ende des Trägerkörpers entweder in achssymmetischer Ausrichtung einen kegelstumpfförmigen Reflektor mit zu den Strahlerelementen hin sich verjüngendem Querschnitt oder senkrecht zur Symmetrieachse einen ebenen Reflektor anzuordnen. Durch einen derartigen metallischen Reflektor wird erreicht, daß die sonst vor allem in den rückwärtigen Raum gerichtete, kreuzpolarisierte Stör­ strahlung zum großen Teil durch Reflexion an der Reflektor­ fläche und gleichzeitige Phasenumkehr in Nutzstrahlung der gewünschten Polarisation umgewandelt wird. Dieser Effekt kann durch richtige Positionierung und Dimensionierung des Reflektors optimiert werden. Damit verbunden ist eine er­ hebliche Verminderung der an der Satellitenstruktur unge­ ordnet reflektierten Störstrahlungsanteils. Darüber hinaus kann zusätzlich bezüglich der Strahlerelemente hinter diesem ersten Reflektor mit Abstand zu diesem und über dessen Rand hinausragend, ein weiterer, ebener Reflektor angeordnet sein. Dieser Reflektor verstärkt den obigen Effekt, indem er eine Beugung der Störstrahlung um den Rand des ersten Reflektors herum weitgehend redu­ ziert und somit zusätzlich zur Unterdrückung der kreuz­ polarisierten Strahlung in den rückwärtigen Raumbereich bei­ trägt, die bei einer Reflexion beispielsweise am Satelliten­ körper den Drehsinn der Polarisierung umkehren und somit mit der Nutzstrahlung unkontrolliert interferieren würde.

Eine weitere Abstimmung des Strahlungsdiagramms kann da­ durch ermöglicht werden, daß der Trägerkörper in axialer Richtung über die freien Enden der Antennenstäbe hinausragt. Dies geschieht vorzugsweise um einen Betrag von einem Viertel bis der Hälfte der Betriebswellenlänge. Hierdurch wird vor allem die Isotropie der Strahlung verbessert.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rundstrahlantennen­ systems ist dadurch gegeben, daß der Trägerkörper einen gleichbleibend quadratischen Querschnitt aufweist und an jeder seiner vier Seitenflächen ein Strahlerelement trägt. Dabei sind die jeweiligen Antennenstäbe mit ihren freien Enden in zur jeweiligen Seitenfläche parallelen Ebenen um einen vorgebbaren Winkel gegenüber der Symmetrieachse des Trägerkörpers geneigt. Die vier Strahlerelemente werden mit jeweils 90° Phasendifferenz zueinander gespeist.

Zum Zwecke der phasenverschobenen Speisung der Strahler­ elemente wird zweckmäßig ein Hybridnetzwerk verwendet, welches auf der Rückseite des weiteren ebenen Reflektors integriert sein kann. Die Verschaltung kann dabei derart gestaltet sein, daß das Hybridnetzwerk ausgangsseitig über HF-Leitungen mit den einzelnen Strahlerelementen verbunden ist. Dazu wird der Trägerkörper als Hohlkörper ausgebildet, so daß die HF-Leitungen, beispielsweise Koaxialkabel, in seinem Inneren verlaufen und durch seine Seitenwände hin­ durch mit den Strahlerelementen verbunden werden können.

Das Rundstrahlantennensystem soll flexibel hinsichtlich der beiden möglichen Drehrichtungen der zirkularen Polarisation sein. Daher wird das Hybridnetzwerk zweckmäßig eingangsseitig mit je einem Eingang für links- und rechtsdrehende Polari­ sation bzw. Phasenansteuerung ausgestattet. Beim Wechsel der Polarisationsdrehrichtung ist es zweckmäßig, die Strahlerelemente selbst, bezogen auf deren Antennenstäbe, ebenfalls in die andere Drehrichtung zu neigen.

Schließlich besteht bei einem Hybridnetzwerk mit zwei Ein­ gängen noch die Möglichkeit, auch eine simultane Einspei­ sung einer links- und rechtsdrehenden Welle vorzunehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Ab­ bildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Rundstrahlantennensystem gemäß der Erfindung mit einem Trägerkörper quadratischen Querschnitts und vier Strahlerelementen in Seitenansicht;

Fig. 2 ein durch das Rundstrahlantennensystem der Fig. 1 erzielbares Strahlungsdiagramm.

In Fig. 1 ist in schematischer Weise in Seitenansicht ein Rundstrahlantennensystem dargestellt, das im wesentlichen aus einem Trägerkörper 1, vier Strahlerelementen 2, einem kegelstumpfförmigen, ersten Reflektor 12 sowie einem ebenen Reflektor 13 besteht. Der Trägerkörper hat in seinem oberen, die Strahlerelemente 2 tragenden Teil einen quadratischen Querschnitt, geht in einem anschließenden Teil 10 auf einen kreisförmigen Querschnitt über, den er in seinem unteren Teil 14 beibehält. Der Trägerkörper 1, 10, 14 ist über seine ganze Länge als Hohlkörper ausgebildet und aus Metall, etwa Aluminium, gefertigt. Er besitzt eine Symmetrieachse 5.

Die Strahlerelemente 2 sind hier vom Typ der sogenannten Transmission-Line- oder Low-Silhouette-Blade-Antennen und bestehen im wesentlichen aus je einer metallischen Basisplatte 3 und einem ebenfalls metallischen Antennenstab 4, der über nahezu seine gesamte Länge in einem gewissen Abstand parallel zur Basisplatte 3 geführt und mit dieser leitend verbunden ist. Das Strahler­ element 2 ist als Gußstück ausgeführt, so daß der Antennen­ stab 4 über die Basisplatte 3 elektrisch leitenden Kontakt zum Trägerkörper hat. Die Speisung der Strahlerelemente 2 erfolgt jeweils über ein eigenes Koaxialkabel 6. Dies ist durch einen Teilschnitt am Strahlerelement 2 a näher dar­ gestellt. Demnach wird das Koaxialkabel 6 zunächst, aus dem Inneren des hohlen Trägerkörpers 1 kommend, durch eine ent­ sprechende Öffnung in dessen Wand hindurchgeführt. Der Außenleiter 9 wird dann mit der Basisplatte 3 in elektri­ schen Kontakt gebracht. Der Innenleiter 7 mit der ihn um­ gebenden Isolierung 8 ist dann durch eine dafür vorgesehene Öffnung in der Basisplatte 3 hindurchgeführt. Der Innen­ leiter 7 ist zweckmäßig unter Schaffung eines guten elek­ trischen Kontaktes in eine Bohrung des Antennenstabes 4 eingesenkt. Der Anschluß des Koaxialkabels 6 an die Strah­ lerelemente 2 kann auch mittels HF-Steckverbindungen er­ folgen. Anstelle von Koaxialkabeln können auch andere HF- Leitungen verwendet werden.

Die Koaxialkabel der vier Strahlerelemente sind an die ent­ sprechenden Ausgänge eines Hybridnetzwerkes 16 angeschlos­ sen, welches an der Unterseite der Reflektorplatte 13 an­ gebracht sein kann. Die Speisung erfolgt mit jeweils 90° Phasenverschiebung zwischen benachbarten Strahlerelementen mit einem bezüglich der Symmetrieachse rechts­ drehenden Drehfeld. Die bevorzugte Polarisationsrichtung ist damit zirkular rechtsdrehend.

In Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge λ ist das Rund­ strahlantennensystem so dimensioniert, daß die Seitenlänge c des quadratischen Querschnitts sowie die Länge d des über die Strahlerelemente 2 hinausragenden Teils des Träger­ körpers 1 je ca. λ/4 bis g/2, die Gesamtlänge l des Rundstrahlantennensystems ca. 1,5 λ und der Durchmesser D der Reflektorplatte 13 ca. λ beträgt. Für die Erzielung eines optimalen Strahlungsdiagramms sollte der Winkel α, um den die Antennenstäbe 4 bzw. die durch deren Längserstreckung und deren Verbindungsstelle 17 zum Trägerkörper gegebenen Symmetrieebenen 18 der Strahlerelemente 2 gegenüber der durch die Symmetrieachse 5 gegebenen Richtung ge­ neigt sind, bis zu 45° betragen, vorzugsweise zwischen 18° und 36°. Ein günstiger Bereich für den halben Öffnungs­ winkel β/2 des kegelstumpfförmigen Reflektors 12 ist β/2 < 45°.

Fig. 2 zeigt ein bei einer Betriebsfrequenz von 2,; GHz mit dem Rundstrahlantennensystem der Fig. 1 aufgenommenes Strahlungs­ diagramm. Dargestellt ist eine zur Zeichenebene der Fig. 1 parallele, durch die Symmetrieachse 5 verlaufende Ebene, wobei die Richtung der Symmetrieachse 5 gleichzeitig mit der Richtung R = 0° identisch ist. Die aus­ gezogene Kurve R gibt in Abhängigkeit vom Ablagewinkel R die relative Strahlungsleistung der im vorliegenden Falle gewünschten, rechtszirkular polarisierten Strahlung wieder.

Claims (5)

1. Rundstrahlantennensystem mit einem an seiner Oberfläche elek­ trisch leitenden Trägerkörper achssymmetrischen Querschnitts sowie meh­ reren, gleichmäßig am Umfang des Trägerkörpers in gleichem Mindestabstand voneinander angeordneten, in bezug auf die jeweils benachbarten mit dem Winkelabstand entsprechender Phasenverschiebung gespeisten Strahlerele­ menten, wobei diese jeweils einen mit etwa gleichem Abstand zur Ober­ fläche des Trägerkörpers geführten Antennenstab aufweisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Antennenstäbe (4) jeweils an einem Ende mit dem Trägerkörper (1) elektrisch leitend verbunden und je über einen durch den Spalt zwischen Trägerkörper (1) und Antennenstab (4) hindurchgeführ­ ten, gegenüber der Oberfläche des Trägerkörpers (1) isolierten Speise­ leiter (7) gespeist sind, und daß die durch die Strahlerelemente (2) je­ weils aufgespannten Ebenen in bezug auf die Symmetrieachse (5) des Trä­ gerkörpers um einen Winkel α gleichsinnig geneigt sind.

2. Rundstrahlantennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Winkel α zwischen 18° und 36° liegt.

3. Rundstrahlantennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem den freien Enden der Antennenstäbe (4) abgewandten Ende des Trägerkörpers (1) in achssymmetrischer Ausrichtung ein kegel­ stumpfförmiger Reflektor (12) mit zu den Strahlerelementen (2) hin sich verjüngendem Querschnitt angeordnet ist.

4. Rundstrahlantennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnt, daß an dem den freien Enden der Antennenstäbe (4) abgewandten Ende des Trägerkörpers (1) senkrecht zu dessen Symmetrieachse (5) ein ebener Reflektor angeordnet ist.

5. Rundstrahlantennensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in bezug auf die Strahlerelemente (2) hinter dem kegel­ stumpfförmigen Reflektor (12) bzw. ebenen Reflektor, mit Abstand zu die­ sen und über dessen Rand hinausragend, ein weiterer ebener Reflektor (13) angeordnet ist.