DE2321987A1 - Phasengetastete strahleranordnung - Google Patents

Description

Br*. Wilhelm MgM Wolfgang ReüM

Ficmkiuit a. M. I Faxksfeafie 13

7380

NORTH AMERICAN ROCKWELL CORPORATION, El Segundo, California,

VStA

Phasengetastete Strahleranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine phasengetastete Strahleranordnung, insbesondere eine Richtstrahlerreihenanordnung, die als Teil einer phasengetasteten Antenne verwendbar ist, mit einem endpunktgespeisten (end-fed) Strahlungshohlleiter, der in Längsrichtung des Hohlleiters beabstandete Strahlungsöffnungen aufweist, mit mehreren in Reihe geschalteten Wicklungen, die um den Hohlleiter gewickelt und an den aufeinanderfolgenden Strahlungsöffnungen axial voneinander beabstandet sind, und mit einem Ferritstab, der sich in dem Hohlleiter in dessen Längsrichtung erstreckt.

Beim Bau von Mikrowellenphasenschiebern ist es bekannt, daß eine Magnetisierungsänderung eines in einen Hohlleiter eingesetzten Ferritstabs verwendet werden kann, um Veränderungen in der Phase der sich in dem Hohlleiter fortpflanzenden Mikrowellenenergie zu erzeugen. Eine derartige Magnetisierungsänderung

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kann man dadurch bewirken, daß die Erregung einer um das Hohlleiterstück gewickelten Wicklung verändert wird. Obwohl eine derartige Anordnung als Mikrowellenphasenschieber einwandfrei arbeitet und als Reggia-Spencer-Phasenschieber bekannt ist, kann sie nicht ohne weiteres zum Betrieb als phasengetastete Strahleranordnung verwendet werden. Bei einem Versuch, mit einer in einem Hohlleiter ausgebildeten Längsanordnung von Schlitzen eine phasengesteuerte RiehtStrahlantenne oder eine phasengesteuerte strahlende Zufuhrleitung zu bilden, hat es sich nämlich gezeigt, daß die Anordnung nur einen begrenzten Wirkungsgrad hat und nur in einem sehr engen Phasenbereich verwendbar ist. Bei zunehmender Phasentastung unter Erhöhung der Magnetisierung des Ferritstabs gerät der Ferritstab zunehmend in die Sättigung, so daß die Kopplung und damit die Strahlung von den in einer Reihe angeordneten Strahlungsschlitzen abnimmt;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obengenannten unzulänglichen Kopplungswirkungen zu überwinden und eine phasengetastete Strahlungsanordnung zu schaffen, die über einen größeren Ablenkungswinkelbereich einsetzbar ist, ohne daß dabei ein hohes Schwächungs- oder Dämpfungsmaß auftritt.

Die eingangs beschriebene Strahleranordnung ist nach der Erfindung gekennzeichnet durch Mittel, die längs des Ferritstabs entsprechend den Strahlungsöffnungsabständen beabstandet sind und eine verstärkte Kopplung des Stabs mit jeder der Strahlungsöffnungen bewirkt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine modifizierte Reggla-Spencer-Mikrowellenverzögerungsleitung mit einem rechteckförmigen Hohlleiterstück vorgesehen, das eine Ferritstabstruktur enthält und mit einer Wicklung axial umwickelt ist. Eine Längsreihe von voneinander beabstandeten Strahlungsöffnungen oder Strahlungsschlitzen ist in der einen Seite des Hohlleiterstücks vorgesehen. Die Wicklungen sind

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Jeweils zwischen den aufeinanderfolgenden Schlitzen angeordnet, um eine Verdeckung der Schlitze zu vermeiden. Eine Weiterbildung der Reggia-Spencer-Verzögerungsleitung enthält axial beabstandete Unterbrechungen in dem Ferritwerkstoff des Ferritstabs. Der Abstand zwischen den Unterbrechungen entspricht dem Abstand zwischen den Strahlungsöffnungen des Hohlleiters. Die Unterbrechungen liegen Jeweils einem zugeordneten Strahlungsschlitz gegenüber.

Durch die Anordnung der axial beabstandeten Unterbrechungen wird vermieden, daß in der Nachbarschaft der Strahlungsöffnungen gesättigte Ferritabschnitte auftreten. Dadurch wird eine bessere Energiekopplung erzielt. Dies ist insbesondere bei großen Ablenk- oder Tastwinkeln bzw. großen Phasenverschiebungen, die durch eine erhöhte Ferritmagnetisierung erzeugt werden, der Fall.

Es ist nicht notwendig, den Ferritstab vollständig zu unterbrechen. So kann man Querschnittsverminderungen gegenüber den Schlitzen benutzen, um die Kopplung zu den Schlitzen zu verstärken. Die Unterbrechungen oder Bereiche verminderten Querschnitts können in bezug auf die Strahlungsöffnungen axial phasenbeabstandet sein, um empirisch zu einer optimalen Betriebsweise zu gelangen.

Weiterhin ist es möglich, die kopplungsverstärkenden Mittel als Metallsonden auszubilden, die sich vom Stab in Richtung der Schlitze erstrecken. Die Metallsonden sind allerdings sowohl gegenüber dem Ferritstab als auch gegenüber dem Hohlleiter isoliert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Ansicht einer nach der Erfindung ausgebildeten Einrichtung mit einer Schnittansicht eines Hohlleiters, um. ein Blick in dessen Inneres zu gestatten,

Fig. 2 eine perspektivische, teilweise geschnitte Ansicht der in der Fig. 1 dargestellten Einrichtung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen (schaltbaren) endpunktgespeisten, phasengetasteten Reihenanordnung nach der Erfindung und

Fig. k ein Antennengebilde für einen einplanar elektronisch getasteten Nadelstrahl unter Anwendung der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Einrichtung.

Die Schemadarstellung nach der Fig. 1 zeigt einen Teil eines senkrechten Mittelabschnitts einer nach der Erfindung ausgebildeten Einrichtung. Ein rechteckförmiges Hohlleiterstück weist eine Längsreihe aus in einem Abstand voneinander angeordneten Schlitzen oder Strahlungsöffnungen 11a bis 11η in einer Η-Wand des Hohlleiters auf. Dies ist in Fig. 2 deutlicher zu sehen. Obwohl bei der gezeigten Darstellung die Schlitze gleiche Abstände voneinander haben, braucht dies nicht der Fall zu sein. Die Abstände zwischen den einzelnen Schlitzen können derart gewählt sein, um eine gewünschte Strahlenform zu erzielen. Um den Hohlleiter 10 ist eine axialgewickelte Wicklung 12 vorgesehen, die derart angeordnet ist, daß sie die Strahlungsöffnungen 11 a bis 11n nicht bedeckt. Bei der Wicklung 12 handelt es sich daher um mehrere in Reihe geschaltete Teilwicklungen 12a bis 12n, die Jeweils zwischen den aufeinanderfolgenden Strahlungsöffnungen 11a bis 11η angeordnet sind, also in Achsenrichtung verlaufende Abstände aufweisen. An den beiden Enden des Hohlleiters kann jeweils eine nichtdargestellte zusätzliche Wicklung vorhanden,sein, die den an langen Zylinderspulen auftretenden Endeffekt herabsetzt und ein gleichför-

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iniges Magnetfeld in den mit den axialen Mittelabschnitten zu vergleichenden axialen Endabschnitten des Ferritstabs sicherstellt.

Eine Längsstruktur oder ein Stab 13 ist in dem Hohlleiterstück 10 angeordnet. Der Stab 13 besteht aus einem Ferritwerkstoff und weist in regelmäßigen Abständen in dem Ferritwerkstoffquerschnitt Unterbrechungen 14a bis I4n auf. Die Abstände der Unterbrechungen entsprechen den Abständen der Strahlungsöffnungen. Die Unterbrechungen in der Ferritquerschnittsfläche können Luftspalte beinhalten. Sie können aber auch mit einem festen dielektrischen Werkstoff angefüllt sein. Wie es aus der Fig. 1 hervorgeht, können diese Unterbrechungen abrupt und total durchgehend auftreten. Die Unterbrechungen können von dielektrischen Abstandskörpern 14a bis I4n gebildet werden, die zwischen den axialen Ferritabschnitten 15a bis 15n+1 angeordnet sind. Die axiale Abmessung der dielektrischen Abstandskörper beträgt vorzugsweise 0,03 bis 0,04 der Freiraum-Wellenlänge. Die Unterbrechungen können in bezug auf die Strahlungsöffnungen axial phasenbeabstandet sein. Die in axialen Abstän-.. den voneinander angeordneten Ferritabschnitte können bei der Herstellung mit einer dielektrischen Masse vergossen oder umkapselt werden, die derart geformt wird, daß sie in das Hohlleiterstück paßt und dort in geeigneter Weise angeordnet werden kann, wobei die Ferritabschnitte 15a bis 15n+1 in geeigneter Weise getragen werden. Andererseits kann man die Ferritabschnitte und dielektrischen Abstandskörper zu einer integralen stabförmigen Anordnung zusammenbinden oder umwickeln, und diese stabförmige Anordnung mit einer dielektrischen Masse vergießen. Obwohl die dargestellte Stabanordnung einen kreisförmigen Querschnitt hat, sind auch andere Querschnittsformen denkbar, beispielsweise ein rechteckförmiger Querschnitt.

Der Abstand der H-Wandschlitze 11a bis 11n kann gleich einer ganzen Zahl der Hohlleiterwellenlängen sein, um für den Antennenstrahl einen ruhigen Abtastwinkel -ß vorzusehen, während ein maximaler Magnetisierungszustand der'Ferritabschnitte einer

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Querstrahlrichtung eines Antennenstrahls entspricht, der durch die kombinierte Strahlung von den Schlitzen aufgrund der endpunktgespeisten Hochfrequenzerregung des Hohlleiters 10 gebildet wird.

Beim Normalbetrieb der oben beschriebenen Anordnung hat das Magnetfeld in den blockartigen Ferritabschnitten die Tendenz,

dem Strom durch die Solenoidwicklung 12 proportional zu sein. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der endpunktgespeisten Hochfrequenzerregung, die in den belasteten Hohlleiter gegeben wird, ist jetzt dem Magnetfeld in dem Ferritwerkstoff proportional und hat daher die Neigung, dem Strom in der Solenoidwicklung proportional zu sein. Wie es bei elektronisch abtastenden Antennen gut bekannt ist, ist der Winkel (in bezug auf die strahlende Zuführung 10), unter dem ein Strahlungsmuster von dem geschlitzten Hohlleiter 10 ausgestrahlt wird, eine Funktion des Schlitzabstands und der Hochfrequenzausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des Hohlleiters. Es ist somit möglich, durch Veränderung des Stroms in der Solenoidwicklung 12 die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit den Strahlenwinkel zu verändern.

Bei der oben beschriebenen rückabgetasteten Betriebsart wird der anfängliche Rückabtastungswinkel -ß durch Erhöhen der Erregung der Wicklung 12 von Null an vermindert. Bei maximaler Erregung erhält man einen Querstrahlwinkel (eine zur Längsausdehnung der strahlenden Zuführung 10 senkrecht verlaufende Richtung) . Wenn man jetzt die Solenoidwicklungserregung auf Null vermindert und die Hochfrequenzerregung dem entgegengesetzten Ende der Zuleitung 10 zuführt, beispielsweise durch einen Hochfrequenz-Umschaltkontakt, kann man der Antenne einen entgegengesetzten Blickwinkel +ß geben. Wenn man dann wiederum die Solenoidwicklungserregung erhöht, wird der Blickwinkel rückgetastet oder zu einem Querstrahl (auf Null) vermindert. Durch zwei derart entgegengesetzte endpunktgespeiste Abtastintervalle wird ein ganzer Abtastzyklus vervollständigt, bei dem die Antenne über den Bereich ± β getastet wird. Eine derart abwech-

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selnd (umschaltbar) spannungsgespeiste Anordnung ist im einzelnen in der Fig. 3 dargestellt. Ein 4-PIN-Dioden-Umschalt-HF-Schalter 20 weist schaltbare Eingänge 1 und 2 auf, die über Hohlleiterabschnitte 110A und 110B an die Enden des strahlenden Hohlleiters 10 angekoppelt sind. Ferner ist ein gemeinsamer Eingang 3 vorgesehen, der wahlweise an den Eingang 1 oder 2 angekoppelt werden kann, wie es im einzelnen anderweitig beschrieben ist (britische Patentanmeldung 56 548/72)..

Obwohl die Kopplung zwischen den Strahlungsschlitzen und der magnetisierbaren Ferritstabanordnung entsprechend dem Vorstehenden durch periodische strukturelle Unterbrechungen entsprechend der Abstandsperiodizität der Strahlungsschlitze bewirkt wird,- brauchen diese Unterbrechungen nicht vollständig durchgehend zu sein, sondern können auch durch Verminderungen der Ferritquerschnittsfläche gebildet werden. Die Kopplung kann mit metallischen Sonden vorgenommen werden, die sich radial vom Stab in Richtung der Schlitze erstrecken und sowohl gegenüber der Hohlleiterwand als auch gegenüber dem Ferritstab isoliert sind.

Die Einrichtung nach den Figuren 1 und 2 mit einer großen Systemöffnungsabmessung in der Abtastebene oder Längsrichtung einer einzigen Längsreihe und mit einer engen Systemöffnungsrichtung senkrecht zur Abtastebene liefert einen getasteten Fächerstranl. Einen getasteten Nadelstrahl kann man dadurch erhalten, daß ein System von in einer Ebene zusammengesteckten oder zueinander parallel verlaufenden strahlenden Zuführungen 15a bis 15n verwendet wird, von denen jede von einem zugeordneten Schlitz der in den Figuren 1 und 2 dargestellten strahlenden PhasenscMeberleitungsquelle 10 endpunktgespeist wird, wie es in der Fig. 4 im einzelnen dargestellt ist. Bei einer solchen Anordnung verläuft die Ebene der letzten Endes strahlenden Schlitze der Antenne unter einem Winkel von 90° gegenüber der Ebene der Schlitze des Phasenschiebers. Die Abtastrichtung oder Abtastebene ist jedoch der Längsrichtung der

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Phasenschieberleitungsquelle 10 praktisch parallel. Infolge der großen Öffnungsabmessung in Jeder Richtung der Antennenanordnung entsteht ein Nadelstrahl, wie es an sich bekannt ist, Für die in der Pig. 4 dargestellte Leitung 10 kann man die in der Fig. 3 gezeigte abwechselnd endpunktgespeiste Schaltanordnung verwenden.

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Claims (9)

1. - 9 Patentansprüche

   Phasengetastete Strahleranordnung mit einem endpunktgespeisten Strahlungshohlleiter, der in Längsrichtung des Hohlleiters beabstandete Strahlungsöffnungen aufweist, mit mehreren in Reihe geschalteten Wicklungen, die um den Hohlleiter gewickelt und an den aufeinanderfolgenden Strahlungsöffnungen axial voneinander beabstandet sind, und mit einem Ferritstab, der sich in dem Hohlleiter in dessen Längsrichtung erstreckt, gekennzeichnet durch Mittel (14), die längs des Ferritstabs (13) entsprechend den Strahlungsöffnungsabständen beabstandet sind und eine verstärkte Kopplung des Stabs mit jeder der Strahlungsöffnungen (11) bewirken.
2. 2. Strahleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kopplungsverstärkenden Mittel Querschnittsverminderungen des Stabs (13) umfassen.
3. 3. Strahleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kopplungsverstärkenden Mittel Unterbrechungen im Stab (13) umfassen.
4. 4. Strahleranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen im Stab (13) mit einem dielektrischen Werkstoff (14) angefüllt sind.
5. 5. Strahleranordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (13) aufeinanderfolgende Axialabschnitte aufweist, die abwechselnd aus Ferritwerkstoff und einem dielektrischen Werkstoff (14) bestehen.

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6. 6. Strahleranordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte aus dem dielektrischen Werkstoff in bezug auf die Strahlungsöffnungen axial phasenbeabstandet sind.
7. 7. Strahleranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kopplungsverstärkenden Mittel Metallsonden sind, die sich vom Stab (13) in Richtung der Strahlungsöffnungen (11) erstrecken.
8. 8. Strahleranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die Anordnung in eine phasengetastete Antenne einbezogen ist.
9. 9. Strahleranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleranordnung eine Zuleitung für mehrere in einer Ebene angeordnete Strahleranordnungen ist, von denen $ede von einer der Strahlungsöffnungen endpunktgespeist ist.

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