DE3486164T2

DE3486164T2 - Resonanzhohlleiterschalter für strahlende Öffnung.

Info

Publication number: DE3486164T2
Application number: DE19843486164
Authority: DE
Inventors: Richard F Frazita; Alfred R Lopez
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1983-05-23
Filing date: 1984-05-17
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2004-05-18
Also published as: EP0126626A2; EP0126626B1; AU565039B2; DE3486164D1; EP0126626A3; AU2792484A; NZ208213A

Description

Die Erfindung betrifft im wesentlichen phasenstabile Wellenleiter und insbesondere Resonanzwellenleiter, um in einem sinnvollen Bereich im wesentlichen unabhängig von der Temperatur und der Frequenz Suchstrahlantennen zu überwachen und um Suchstrahlantennen bei einem Strahlwinkel zu überwachen, der nicht mit der Zielrichtung der Antenne ausgerichtet ist.
Gelegentlich werden geschlitzte Wellenleiter als Aperturhohlleiter verwendet, die an das abgestrahlte Signal einer phasengesteuerten Gruppenantennen ankoppeln, um ihre Funktion zu überwachen. Solche Wellenhohlleiter werden bei Bodensystemen von Mikrowellenlandesystemen (MLS) verwendet, um ein Signal zu erzeugen, das einem Signal entspricht, wie es von einem Empfänger gesehen wird, der sich unter einem bestimmten Winkel innerhalb des Überdeckungsbereiches des Bodensystems befindet. Idealerweise liefern solche Wellenhohlleiter die Fernfeldsicht des Suchstrahls des Bodensystems und messen zusätzlich den Antennenphasen- und -amplitudenbeitrag, der zu jedem einzelnen Element der Gruppe gehört.
Wellenhohlleiter, die dazu verwendet werden, die Elevations- und Azimuthsuchstrahlen von MLS-Bodensystemen zu überwachen, waren Wellenleiter, die eine sich ausbreitende Welle fortleiten und dementsprechend ist der Phasenverlauffrequenz- und temperaturabhängig. Die Folge hiervon ist, daß der Abtastwinkel des überwachten Strahles an dem Wellenleiterausgang ebenfalls temperatur- und frequenzabhängig ist. Darüber hinaus überwacht ein Wanderwellenhohlleiter zum Kontrollieren eines MLS- Azimuthscanners nicht inhärent den Nullgradweg über die Betriebsbandbreite des MLS. Der Grund liegt in der Frequenz- und Temperaturabhängigkeit der Strahlrichtcharakteristik eines Wanderwellenhohlleiters.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Überwachen abgestrahlter Signale zu schaffen, die in der Lage ist, innerhalb vernünftiger Bereiche temperatur- und frequenzunabhängig zu arbeiten.
Gemäß der Erfindung ist hierzu eine Überwachungseinrichtung zum Ankoppeln an eine Suchstrahlantenne vorgesehen, die eine Gruppe von strahlenden Elementen aufweist, die voneinander in einem gegebenen Abstand angeordnet sind und mit Energie mit ausgewählten, veränderlichen relativen Phasen gespeist werden, damit die Gruppe mit einem gewünschten Antennendiagramm strahltund das Diagramm einen ausgewählten Winkelbereich überstreicht, wobei die Überwachungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die sendende Antenne hinsichtlich eines vorbestimmten Richtwinkels zu überwachen, und gekennzeichnet ist durch eine Übertragungsleitung, um in einem vorbestimmten Frequenzbereich elektromagnetische Energie zu übertragen, wobei die Leitung ein erstes und ein zweites Ende aufweist; einen ersten Kurzschluß an dem ersten Ende der Leitung; einen zweiten Kurzschluß an dem zweiten Ende der Leitung, wodurch die Leitung zu einer Resonanzleitung wird; einen zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angekoppelten Wandler für ein niedriges Stehwellenverhältnis, um die elektromagnetische Energie, die eine Frequenz innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereiches aufweist und sich längs der Leitung ausbreitet, in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln; eine Anzahl von Abtastelementen, die dazu eingerichtet sind, an zugehörige einzelne strahlende Elemente der phasengesteuerten Gruppenantenne anzukoppeln, wobei die Abtastelemente an voneinander beabstandeten Punkten längs der Leitung an die Leitung gekoppelt sind, um bei der Verwendung eine stehende Resonanzwelle zu erzeugen, die längs der Leitung eine Anzahl von Schwingungsbäuchen abwechselnd entgegengesetzter Phase aufweist; und wobei jedes Abtastelement oder Gruppe von Abtastelementen innerhalb eines der Schwingungsbäuche (Schwingungshalbwellen) angeordnet ist, um im wesentlichen die gleiche Phasenbedingung für jedes strahlende Element zu erzeugen, damit beim Gebrauch das elektrische Ausgangssignal des Wandlers die Energie repräsentiert, die von der Gruppenantenne in den vorbestimmten Richtwinkel abgestrahlt wird.
Die US-A-3 328 800 beschreibt eine Vorrichtung, die folgendes enthält:
Eine Übertragungsleitung, um innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches elektromagnetische Energie zu übertragen, wobei die Leitung erste und zweite Enden aufweist; Mittel, um in die Übertragungsleitung Energie einzuspeisen, die eine innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereiches liegende Frequenz aufweist;
einen ersten Kurzschluß an dem ersten Ende der Leitung; und
einen zweiten Kurzschluß an dem zweiten Ende der Leitung, damit die Übertragungsleitung als Resonator arbeitet.
Die beschriebene Vorrichtung ist eine strahlende Antenne, wohingegen die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung betrifft, um ausgestrahlte Signale, beispielsweise Signale, die von einer strahlenden Antenne ausgesandt werden, zu überwachen. Eine echte Sendeantenne ist nicht geeignet, um als Überwachungseinrichtung verwendet zu werden.
Die US-A-3 329 550 beschreibt die Verwendung eines Wellenleiters mit einem einzigen Eingang, um die in einem anderen Wellenleiter vorhandenen Signale zu überwachen. Der andere Wellenleiter strahlt nicht, d. h. die darin enthaltene Energie bleibt darin, und der Wellenleiter ist keine Antenne, dessen sendender Ausgang zu überwachen ist. Der Wellenleiter mit einem einzigen Eingang ist an dem einen Eingangselement an den Energie führenden Wellenleiter angekoppelt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen exemplarisch beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung eines Wanderwellenleiters nach dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Verwendung eines Aperturwellenleiters, wie er in der zugehörigen Patentanmeldung
Nr. 83.304471.2, angemeldet am 3. August 1983, mit der Bezeichnung "Scanning Antenna with Automatic Beam Stabilization" beschrieben ist, wobei auf diese Anmeldung Bezug genommen ist, zeigt.
Fig. 3 zeigt eine Längsschnittdarstellung des Resonanzwellenleiters.
Fig. 4A zeigt eine perspektivische Sicht einer Seite des erfindungsgemäßen Resonanzwellenleiters unter Veranschaulichung der darin enthaltenen Schlitze.
Fig. 4B zeigt eine perspektivische Sicht auf eine Seite eines asymmetrischen erfindungsgemäßen Resonanzwellenleiters unter Veranschaulichung der benachbarten Gruppen von Schlitzen mit abwechselnder Phase, wobei jede Gruppe benachbarte Schlitze enthält, die mit entgegengesetzter Phase gespeist werden.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Wellenleiters unter Veranschaulichung seiner rechteckigen Gestalt.
Fig. 6 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines anderen erfindungsgemäßen Resonanzwellenleiters unter Veranschaulichung seiner verrippten rechteckigen Gestalt.
Fig. 7 enthält ein Amplitudendiagramm für eine eintreffende Welle, die sich innerhalb des erfindungsgemäßen Wellenleiters ausbreitet.
Fig. 8 enthält ein Phasendiagramm einer einfallenden Welle, die sich innerhalb eines erfindungsgemäßen Wellenleiters ausbreitet.
Fig. 9 enthält ein Amplitudendiagramm einer reflektierten Welle, die sich innerhalb eines erfindungsgemäßen Wellenleiters ausbreitet.
Fig. 10 enthält ein Phasendiagramm einer reflektierten Welle, die sich innerhalb eines erfindungsgemäßen Wellenleiters ausbreitet.
Fig. 11 enthält ein Diagramm für eine stehende Welle, die in einem Resonanzwellenleiter gemäß der Erfindung erzeugt wird.
Fig. 12 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Resonanzwellenleiters, der mit Hilfe von Schlitzen an die strahlende Wellenleitersäule einer MLS- Azimuthantenne angekoppelt ist.
Fig. 13 ist eine andere Darstellung eines Resonanzwellenleiters gemäß der Erfindung, der mittels Löcher an die strahlende Wellenleitersäule einer MLS-Azimuthantenne angekoppelt ist.
Fig. 14 zeigt eine Darstellung eines Resonanzwellenleiters gemäß der Erfindung, der mittels Schlitzen an die strahlende Wellenleitersäule einer MLS- Elevationsantenne angekoppelt ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein aus einem leitenden Material hergestellter Wanderwellenhohlleiter 100 mit einem Ausgangswandler versehen, wie einem Anschluß 101, der eine sich längs eines Ausbreitungsweges 102 ausbreitende Welle empfängt, wobei der Laufweg 102 mittels eines Absorbers oder Dämpfers 106 oder anderer, nicht reflektierender Abschlußmittel an dem entfernt liegenden Ende abgeschlossen ist. Eine Seite 104 wirkt als Kurzschluß, der nach links laufende Wellen reflektiert. Eine Seite 105 des Wellenleiters 100 ist mit schwach angekoppelten Eingangsschlitzen 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112 und 113 versehen, die einen Abstand d voneinander haben. Die Phasenbeziehung zwischen benachbarten Schlitzen 106 und 107 ergibt sich nach der Formel:
Φ&sub1;&sub0;&sub7; = Φ&sub1;&sub0;&sub6; + 2π/λg d + π
Wie sich aus der Gleichung ergibt, ist die Phasenlage des Schlitzes 107 (Φ107), verglichen mit der Phasenlage des Schlitzes 106 (Φ106) abhängig von dem Abstand d und der Wellenlänge im Wellenleiter (λg). Alle übrigen benachbarten Schlitze haben dieselbe Phasenbeziehung. Da der Abstand d temperaturabhängig ist (leitendes Material wie Kupfer und Aluminium dehnen aus oder ziehen sich bei Temperaturänderungen zusammen) und die Wellenlänge im Wellenleiter λg frequenzabhängig ist, ist der Wanderwellenhohlleiter 100 sowohl frequenz- als auch temperaturabhängig.
Der überwachte Strahlrichtwinkel R wird bei dem Wanderwellenhohlleiter mit benachbarten Schlitzen, die gegenphasig gespeist werden, durch ein entsprechendes Signal an dem Wellenleiterausgangsanschluß repräsentiert, da es ein Ergebnis der an den Wellenleiterschlitzen auftretenden Erregungen ist. Infolge der Reziprozität kann er als der Strahlwinkel eines Strahles definiert werden, der als Folge der Anregungen, die von dem Hohleitereingangsanschluß erzeugt werden, von den Hohlleiterausgangsschlitzen abgestrahlt wird. Der überwachte Strahlrichtwinkel ergibt sich zu:
R = arc sin (1 - (λofo/λcof)² - λofo/2df)
wobei
λR = Bezugswellenlänge im freien Raum (konstruktive Mitte)
λco = Grenzwellenlänge des Wellenleiters
fo = Bezugsfrequenz
f = Erregerfrequenz.
Diese Gleichung liefert die explizite Beziehung zwischen dem überwachten Strahlrichtwinkel bzw. Richtwinkel der Hauptkeule, der Frequenz und dem Abstand der ankoppelnden Schlitze. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist zur Verwendung (a) bei Mikrowellensystemen geeignet, bei denen in einem weiten Bereich suchende, phasengesteuerte Gruppenantennensysteme mit steiler Flanke des Elementmusters eingesetzt werden, wie sie von Richard F. Frazita, Alfred R. Lopez und Richard J. Giannini in dem US-Patent Nr. 4 041 501 beschrieben sind; und (b) zur Kalibrierung eines Systems geeignet, das eine Vielzahl von signalführenden Kanälen aufweist.
Gemäß Fig. 2 haben solche Antennensysteme ein oder mehr strahlende Elemente, die eine Gruppe 1 bilden, innerhalb der die Elemente längs einer Gruppenachse angeordnet sind, wobei sie voneinander in einem gegebenen Abstand stehen. Jedes der Elemente ist an einen Leistungsteiler 8 über einen zugehörigen, aus einer Vielzahl von Phasenschiebern 9 an die Elemente über ein Verteilernetzwerk 2 angeschlossen. Hochfrequenzsignale aus dem Signalgenerator 11 und dem Leistungsteiler 8 werden über Phasenschieber 9 den Antennenelementen 1 zugeführt, derart, daß eine richtige Auswahl der relativen Phasenwerte der Phasenschieber 9 bewirkt, daß die Antennenelemente 12 in einem ausgewählten Raumwinkelbereich mit einem gewünschten Strahlungsmuster senden. Die Variation der relativen Phasenwerte der Phasenschieber 9 wird durch eine Strahlsteuereinheit 10 mittels einer Steuerleitung 22 erreicht und bewirkt, daß das ausgesendete Antennendiagramm hinsichtlich eines Winkels A in dem Raum die Richtung ändert. Demgemäß bilden die Phasenschieber 9 und die Strahlsteuereinheit zusammen Mittel 3, um eine von den Antennenelementen der Gruppe 1 ausgesendeten Strahl als Folge der von dem Generator 11 eingespeisten Hochfrequenzsignale, die an die Elemente der Gruppe 1 durch Leistungsteiler 8 und ein Verteilernetzwerk 2 eingekoppelt werden, zu verschwenken.
Die Eigenschaften einer Abtast- oder Suchantenne und die Techniken zur Auswahl der Konstruktionsparameter, wie Aperturlänge, Elementabstand, spezieller Aufbau des Verteilernetzwerkes 2 sind im Stand der Technik wohl bekannt. Ein Überblick über diese Parameter ist vollständig in dem US-Patent 4 041 501 gegeben.
Um den Strahlrichtwinkel des ausgesandten Strahles zu stabilisieren, wird den Antennenelementen der Gruppe 1 ein Aperturwellenleiter 4 zugeordnet. Der Wellenleiter 4 kann eine beliebige Einrichtung sein, um ein Signal zu erzeugen, das an einem Ausgang 12 ansteht und einen Strahlrichtwinkel des ausgesandten Strahles repräsentiert. Vorzugsweise ist der Wellenleiter 4 ein in einem hohen Maße phasenstabiler Wellenleiter oder Hohlleiter gemäß der Erfindung, der an die Gruppe 2 angekoppelt und mittengespeist ist, um inhärente Frequenz- (Phasen-) und Temperatureffekte zu vermeiden. Die Mittenspeisung eliminiert außerdem Abhängigkeiten erster Ordnung von Variationen der Frequenz und der absoluten Temperatur.
Der Wellenleiter 4 in dem hier verwendeten Sinne bedeutet jede Art von Vorrichtungen zum Abtasten von Signalen einschließlich Wellenleitern, gedruckten Schaltungsnetzwerken, Netzwerken aus Koaxialleitungen oder einen Leistungskombinierer. Definitionsgemäß ist ein phasenstabiler Wellenleiter ein Wellenleiter, bei dem der Strahl,der durch Summation der Schlitzanregungen erhalten ist, unempfindlich gegenüber Änderung der Frequenz und der Temperatur ist und der in Verbindung mit phasengesteuerten Gruppen in der erfindungsgemäßen Weise verwendet wird, um Fehler oder Abweichungen bei einem speziellen Strahlrichtwinkel zu erkennen. Der Wellenleiter 4 ist funktionsmäßig einer Sonde äquivalent, die im Raum unter einem speziellen Winkel bezüglich der phasengesteuerten Gruppe angeordnet ist. Ein erfindungsgemäßer Wellenleiter kann ein geschlitzter Hohlleiter sein, der zur Überwachung ausgesandter Energie dimensioniert ist, derart, daß an allen Meßpunkten (d. h. den Schlitzorten) des Hohlleiters oder Wellenleiters die gleiche von null verschiedene Phasenbedingung und die gleiche Amplitude vorhanden ist.
Der Ausgang 12 des Wellenleiters 4 ist an Mittel 5, die den Mitteln 3 zugeordnet sind, angekoppelt, um die Ablenkung des ausgesandten Strahles in Abhängigkeit von dem Ausgang 12 zu steuern.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Resonanzwellenleiter 200. Der Wellenleiter 200 ist mit einem ersten Ende 201 versehen, das mit einem Kurzschluß abgeschlossen ist, beispielsweise einer leitenden Metallplatte, die rechtwinklig zu den Seiten des Wellenleiters 200 steht und außerdem weist er ein zweites Ende 202 auf, das ebenfalls mit einem Kurzschluß abgeschlossen ist. Der Wellenleiter 200 wird mittels eines Wandlers mittengespeist, der ein elektrisches Signal in ein elektromagnetisches Signal und umgekehrt wandelt. Vorzugsweise ist der Wandler jede Form eines im Stand der Technik bekannten Anschlusses, wie einem Ausgangsanschluß 203, der sich in beiden Richtungen längs eines Weges 204 ausbreitende Wellen empfängt. Eine Seite 205 des Hohlleiters 200 ist zur Ankopplung an eine strahlende oder sendende Antenne mit Schlitzen 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 213 und 214 versehen. Fig. 4 zeigt ein Muster aus ankoppelnden Schlitze mit 180º Phasenkompensation, wie dies nachstehend beschrieben ist. Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen bevorzugte rechteckige Querschnitte des Hohlleiters 200.
Wie in Fig. 7 dargestellt, weist eine von dem Anschluß 207 ausgesandte auftretende Welle eine konstante Amplitude Ainc längs der gesamten Länge des Wellenleiters 200 auf. Diese Situation entsteht, weil den Amplitudenverminderungen, die in der fortlaufenden Welle durch die ankoppelnden Schlitze verursacht würden, entgegengewirkt wird und diese Amplitudenverminderungen durch die Resonanz des Wellenleiters 200 eliminiert wird.
Wegen der Reziprozität kann der Wellenleiter 200 entweder im Sende- oder im Empfangsmodus betrieben werden. Im Sendemodus ist der Anschluß 203 über einen Isolator 215 an eine (nicht gezeigte) Signalquelle angeschlossen. Das Signal wird durch den Anschluß oder Koppler 203 in eine elektromagnetische Welle umgewandelt, die längs des Wellenleiters 200 sich ausbreitet und durch die Schlitze 206 - 214 abgestrahlt wird. Im Empfangsmodus werden die Schlitze 206 - 214 durch die elektromagnetische Welle angeregt, die sich längs des Wellenleiters 200 ausbreitet und durch den Anschluß 203 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Einfachheit halber und gemäß der Konvention wurde die Beschreibung für den Empfangsmodus gegeben.
Fig. 8 zeigt die auftretende Phase Φinc der von dem Anschluß 203 ausgesandten Welle und läßt erkennen, daß sich die Phase längs des Wellenleiters 200 linear ändert.
Da die Kurzschlüsse 201 und 202 die auftretende Welle, die sich längs des Wellenleiters 200 ausbreitet, reflektieren, stellt Fig. 9 dar, daß die Amplitude der reflektierten Welle Aref längs der gesamten Länge des Wellenleiters 200 konstant ist. In ähnlicher Weise ändert sich die Phase der reflektierten Welle Φref, die sich in dem Wellenleiter 200 ausbreitet, linear mit dem Abstand. Das Ergebnis ist, wie in Fig. 11 gezeigt, eine stehende Welle mit einer Vielzahl von Schwingungsbäuchen mit abwechselnder Phase von 0º und 180º in den Zwischenräumen d zwischen den Schlitzen.
Wie Fig. 4A zeigt, befindet sich jeder Schlitz innerhalb eines der Schwingungsbäuche der stehenden Welle in dem Wellenleiter 200, so daß das sich ergebende Ausgangssignal des Hohlleiters temperatur- und frequenzunabhängig ist, solange sich die Frequenz- und Temperaturänderungen innerhalb eines Bereiches bewegen, derart, daß ein und nur ein Schlitz oder eine Gruppe von Schlitzen sich in jedem der Schwingungsbäuche der stehenden Welle befindet. Infolge Wechsels der Neigung und somit der Phase benachbarter Schlitze liefert das sich ergebende Hohlleiterausgangssignal gleiche Phasenlage an allen strahlenden Elementen. Dieser Aperturhohlleiter schafft die Möglichkeit der Strahlbildung, die unabhängig von Frequenz und Temperatur ist, da die Phase innerhalb jedes Schwingungsbauches der stehenden Welle konstant ist. Um zu verhindern, daß die reflektierte Welle über den Anschluß 203 übertragen wird, ist in der Speiseleitung für den Anschluß 203 ein Isolator 215 angeordnet.
Wie Fig. 4B zeigt, befindet sich jeder Schlitz innerhalb eines Schwingungsbauches der stehenden Welle in dem Wellenleiter 200. Infolge Wechsels der Neigung und damit der Phase der Schlitze hat das sich ergebende Hohlleiterausgangssignal bezüglich aller koppelnden Schlitz die gleiche Phase und es ist temperatur- sowie frequenzunabhängig, solange sich die Variationen der Temperatur und der Frequenz innerhalb eines Bereiches befinden, so daß ein und nur ein Schlitz oder eine Gruppe von Schlitzen sich in jedem Schwingungsbauch der stehenden Welle befindet. Durch Änderung der Neigung und damit der Phasenlage jeder Gruppe A, B, C und D der Schlitze (N=2) sowie durch Änderung der Neigung und damit der Phase benachbarter Schlitze innerhalb jeder Gruppe liefert das resultierende Hohlleiterausgangssignal einen Strahlrichtwinkel von näherungsweise 11,25º. Dieser Aperturhohlleiter schafft die Möglichkeit der Strahlformung, die von der Frequenz und der Temperatur unabhängig ist, da die Phase innerhalb jedes Schwingungsbauches der stehenden Welle konstant ist. Um zu verhindern, daß die reflektierte Welle über den Anschluß 203 übertragen wird, ist innerhalb der den Anschluß 203 speisenden Leitung der Isolator 215 angeordnet.
Der überwachte Strahlrichtwinkel Φ ist bei dem im Resonanzbetrieb arbeitenden Hohlleiter 200 gemäß der Erfindung innerhalb der Betriebsbandbreite gegeben durch:
R = arc sin 0.5/md/λg, in = eine beliebige ganze Zahl, d. h. 1, 2 . . . .∞,
wobei d/λg der auf die Wellenleiterwellenlänge bezogene Schlitzabstand ist. Damit ist über die Betriebsbandbreite die Phase in dem Wellenleiter 200 von der Frequenz und dem Abstand der koppelnden Schlitze unabhängig. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist R = 0º (m = ∞) und der ausgesandte Strahl ist rechtwinklig zu dem Weg 204. Bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 4B ist der Strahlrichtwinkel im wesentlichen verschieden von 0º und der von dem Wellenleiter 200 ausgesandte Strahl wegen der ungleichen Phasenlage der Gruppen von Schlitzen nicht senkrecht zu dem Weg 204. Beispielsweise ergibt sich bei einem MLS-Bodensystem mit einer Betriebsmittenfrequenz von 5,06 GHz (d. h. λ = 5,92 cm) und einem Gruppenabstand (dg) von 15,16 cm ein überwachter Strahlrichtwinkel von 11,25º.
Die Schlitze 206 - 214 können jedoch mit einer solchen Phasenlage versehen werden, daß jeder gewünschte Strahlrichtwinkel approximiert wird. Der Bereich der tatsächlichen Strahlrichtwinkel, die durch die Schlitze eines rechteckigen Hohlleiters approximiert werden, sind durch die physikalische Konfiguration des betreffenden Hohlleiters begrenzt. In jedem Falle ist deshalb die Phasenlage in dem Hohlleiter 200 von der Frequenz und dem Abstand der koppelnden Schlitze innerhalb der Betriebsbandbreite unabhängig.
Um die oben beschriebenen Ergebnisse zu erzielen, wird der Eingangskoppler 203 zunächst an den Wellenleiter 200 so angepaßt, als ob jedes Ende des Wellenleiters 200 durch einen nicht reflektierenden Absorber abgeschlossen ist, wie dies beim Stand der Technik gemäß Fig. 1 gezeigt ist. Solch ein angepaßter Anschluß 203 wird bei dem Wellenleiter 200 verwendet, der durch in Fig. 3 gezeigte Kurzschlüsse abgeschlossen ist, womit bei Resonanz eine stehende Welle auftritt, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist.
Um die phasengleiche Bedingung für benachbarte koppelnde Schlitze des Wellenleiters 200 zu erhalten, ist die erforderliche Wellenleiterwellenlänge λg zweimal so groß wie der Abstand d zwischen den koppelnden Schlitzen 206 - 214. Dieser Abstand d wird durch die Strahlungscharakteristiken der phasengesteuerten Gruppenantenne, die dem Wellenleiter 200 zugeordnet ist, bestimmt und ist üblicherweise geringfügig größer als eine halbe Wellenlänge. Bei phasengesteuerten Elevationsgruppenantennen für Mikrowellenlandesysteme wird, um dieses Ergebnis zu erzielen, gemäß Fig. 6 eine rippenförmige Last verwendet. Einander gegenüberstehende Rippen 250R und 260R sind hierzu speziell innerhalb des Wellenleiters 200R angeordnet, um ungerade Resonanzmoden zu eliminieren, die die Amplitude und die Phase der Schlitzanregungen stören könnten.
Die maximale Länge L des erfindungsgemäßen Wellenleiters ist durch die Betriebsfrequenzbandbreite der zugeordneten phasengesteuerten Gruppenantenne begrenzt. Um die Strahlstörungen zu beschränken, die durch Amplitudenminderung an den Bandgrenzen verursacht sind, sollte die Länge L den unten gegebenen Wert nicht übersteigen.
L ≤ λofo/2(fmax (1 - (1 - λofo/λcofmax)²) - fmin (1 - (1 - λofo/λcofmin)²)).
Bei der ICAO Standardbandbreite für Mikrowellenlandesysteme ist L näherungsweise gegeben durch:
L λg fo/2Δf
wobei Δf/fo die fraktionale Konstruktionsbandbreite zuzüglich einem Bereich für die Herstellungstoleranzen ist. Bei Δf/fo = .0165 beträgt L = 30.3 λg. Bei längeren Gruppen der Größenordnung von 60 λg können zwei ähnliche Wellenleiter mit gleichen längenstabilen Übertragungsleitungen zusammengeschaltet werden.
Fig. 12 veranschaulicht den Wellenleiter 200R in Verbindung mit einem Wellenleiter 300, wie er in dem US-Patent 3 903 524 der Hazeltine Corporation beschrieben ist. Der Wellenleiter 300 kann einer von einer Reihe paralleler Wellenleiter sein, die die Azimuthantenne des Bodensystems des Mikrowellenlandesystems (MLS) bilden. Solch ein Bodensystem erfordert die Überwachung, um seine Leistungskennwerte zu beurteilen. Um eine solche Überwachung zu schaffen, arbeitet der Wellenleiter 300R als Hohlleiter, und er ist jedem der parallelen Wellenleiter 300 zugeordnet. Die rippenförmige Belastung in dem Wellenleiter 300R in Gestalt der Rippen 250R und 260R wird dazu verwendet, um die Wellenleiterwellenlänge 200 an den erforderlichen Abstand der sendenden Wellenleiter 300 anzupassen. Im einzelnen hat der Wellenleiter 300 mit polarisiert strahlenden Schlitzen 301 nichtpolarisierte Öffnungen 302, die an den Schlitz 208R angekoppelt sind. Andere vertikale Wellenleiter sind an die Schlitze 206R und 207R angekoppelt.
Fig. 13 gibt eine andere Ankopplungskonfiguration für ein MLS-Bodensystem wieder, wobei nichtpolarisierte Löcher 506R, 507R und 508R in der breiten Seitenwand 509R des Wellenleiters 500R angeordnet sind und sich eine Rippe 510R auf der breiten Wand 511 befindet. Die nichtpolarisierten Öffnungen sind an parallel strahlende Wellenleiter, wie den Wellenleiter 300, über polarisierte Schlitze 303 angekoppelt. Bei dieser Konfiguration ist die notwendige 180º-Phasendrehung zwischen benachbarten Koppelöffnungen in der Bemessung des Wellenleiters 300 enthalten. Benachbarte Wellenleiter 300 haben eine 180º-Phasenumkehr an ihren Eingangswellenstrahlen, d. h. den Schlitzen 303.
Fig. 14 zeigt eine weitere Kopplungskonfiguration für ein MLS-Bodensystem, bei dem Schlitze 206, 206a, 207, 207a, 208 und 208a an eine Dipolgruppe 400 angekoppelt sind, die als MLS-Evelationsantenne dient. Obwohl die Erfindung speziell im Hinblick auf ihre Funktion als Elevationshohlleiter beschrieben ist, kann sie auch als Azimuthhohlleiter oder anderer Gruppenmonitor verwendet werden.

Claims

1. Überwachungseinrichtung zum Ankoppeln an eine Suchstrahlantenne (1), die eine Gruppe von strahlenden Elementen (1) aufweist, die voneinander in einem gegebenen Abstand angeordnet und mit Energie mit ausgewählten, veränderlichen relativen Phasen gespeist werden, damit die Gruppe mit einem gewünschten Antennendiagramm strahlt und das Diagramm einen ausgewählten Winkelbereich überstreicht, wobei die Überwachungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die sendende Antenne hinsichtlich eines vorbestimmten Richtwinkels zu überwachen und gekennzeichnet ist durch:

eine Übertragungsleitung (200), um in einem vorbestimmten Frequenzbereich elektromagnetische Energie zu übertragen, wobei die Leitung ein erstes und ein zweites Ende aufweist;

einen ersten Kurzschluß (201) an dem ersten Ende der Leitung;

einen zweiten Kurzschluß (202) an dem zweiten Ende der Leitung, wodurch die Leitung zu einer Resonanzleitung wird;

einen zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angekoppelten Wandler (203) für ein niedriges Stehwellenverhältnis, um die elektromagnetische Energie, die eine Frequenz innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereiches aufweist und sich längs der Leitung ausbreitet, in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln;

eine Anzahl von Abtastelementen (206-214), die dazu eingerichtet sind, an zugehörige einzelne strahlende Elemente der phasengesteuerten Gruppenantenne anzukoppeln, wobei die Abtastelemente an voneinander beabstandeten Punkten längs der Leitung an die Leitung gekoppelt sind, um bei der Verwendung eine stehende Resonanzwelle zu erzeugen, die längs der Leitung eine Anzahl von Schwingungsbäuchen abwechselnd entgegengesetzter Phase aufweist; und wobei

jedes Abtastelement (206-214) oder Gruppe von Abtastelementen innerhalb eines der Schwingungsbäuche (Schwingungshalbwellen) angeordnet ist, um im wesentlichen die gleiche Phasenbedingung für jedes strahlende Element zu erzeugen, damit beim Gebrauch das elektrische Ausgangssignal des Wandlers (203) die Energie repräsentiert, die von der Gruppenantenne in den vorbestimmten Richtwinkel abgestrahlt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die benachbarten Elemente (Fig. 4A) jeweils entgegengesetzte Phasenlagen aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Übertragungsleitung (200) ein elektrisch leitendes hohles Teil umfaßt und die Elemente Öffnungen (206-214, 506-508) in dem Teil beinhalten.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der das elektrisch leitende hohle Teil ein gerader Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt (Fig. 5 und 6) ist und die Öffnungen eine lineare. Gruppe von Schlitzen beinhalten, die voneinander einen Abstand von im wesentlichen der Hälfte der Wellenleiterwellenlänge in dem Teil (Fig. 3) aufweisen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der der Wandler einen Anschluß (203) aufweist, der in das Teil hineinragt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, die ferner eine Schaltung (215) aufweist, um eine an den Anschluß angeschlossene Last gegenüber dem Wellenleiter zu isolieren.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der der erste Kurzschluß (201) ein erstes elektrisch leitendes Teil umfaßt, das im wesentlichen rechtwinklig zu den Wänden des Wellenleiters verläuft und an dem ersten Ende befestigt ist, und bei dem der zweite Kurzschluß ein zweites elektrisch leitendes Teil umfaßt, das im wesentlichen rechtwinklig zu den Wänden des Wellenleiters verläuft und an dem zweiten Ende (Fig. 3) befestigt ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner eine Vorrichtung (250, 260) aufweist, um ungeradzahlige Resonanzmoden zu eliminieren, um hierdurch die Amplituden- und Phasenstörungen der Elementanregungen zu vermindern.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die Vorrichtung zum Eliminieren eine in dem Teil angeordnete Rippe (250, 260) umfaßt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der enthalten ist: eine Gruppe (A, B, C, D) von der Leitung zugeordneten Elementen, wobei benachbarte Gruppen unterschiedliche Phasen (Fig. 4B) aufweisen, jede Gruppe N-Elemente enthält und benachbarte Elemente innerhalb jeder Gruppe unterschiedliche Phasenlagen aufweisen, wobei N eine positive, gerade, ganze Zahl größer eins ist; wodurch die Zufuhr eines elektrischen Signals mit einer Frequenz innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereiches zu dem Wandler dazu führt, daß die Elemente mit einer Hauptkeule strahlen, die nicht rechtwinklig zu der Übertragungsleitung liegt.

11. Einrichtung-nach Anspruch 10, bei der die Elemente Wellenleiterschlitze sind, die derart konfiguriert sind, daß ein Strahlrichtwinkel von etwa 11,25º (Fig. 4B) angenähert wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der benachbarte Gruppen (AB, BC, CD) von Elementen unterschiedliche Phasenlagen und benachbarte Elemente innerhalb jeder Gruppe entgegengesetzte Phasenlagen (Fig. 4B) aufweisen.