DE2428118A1

DE2428118A1 - Antenne mit elektronischer strahlschwenkung

Info

Publication number: DE2428118A1
Application number: DE19742428118
Authority: DE
Inventors: Richard Wilson Craine; Constantino Lucanera; Ernest George Parker
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1973-06-15
Filing date: 1974-06-11
Publication date: 1975-01-09
Also published as: JPS5319514B2; FR2233746B1; FR2233746A1; IT1030580B; JPS5037323A; US4014024A; GB1472455A

Description

Dipl.-Phys.Leo Thul
Patentanwalt

7 Stuttgart 30 9 A ? R 1 1 ft

Kurze Straße 8

E.G.Parker 13-7-3

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung (Zusatz zu P 24 17 653.2)

Die Erfindung betrifft eine Antenne zur Abstrahlung eines in der Horizontalebene rotierenden TACAN-Strahlungsdiagramms, bei der die Abstrahlung über auf der Oberfläche eines leitenden Zylinders angeordnete Strahler erfolgt, bei der zur Erzeugung des 15 Hz TACAN-Grobdiagraimms das Senderträgersignal in den Innenleiter eines HF-Impedanzwandler, der sich in einem Verteilerhohlraum befindet, eingespeist wird, bei dem an eine Vielzahl von Sonden, die in den Verteilerhohlraum hineinragen, der Reihe nach gemäß einem bestimmten Muster eine Spannung so angelegt wird, daß im Hohlraum eine H,,-Welle entsteht, bei der die Phase der HF-Ströme in den Sonden, an denen eine

Sm/Scho
31.Mai 1974

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Spannung anliegt, so festgelegt wird, daß die resultierende Modulationskomponente bei einer gewünschten Mittenfrequenz
gleichphasig zum Träger ist und bei der die erhaltenen Signale, die an den Ausgängen des Wandlers die gewünschte Amplitude und Phase haben, über die Strahler abgestrahlt werden, wie in der Hauptanmeldung P 24 17 653 beschrieben.

Es ist Aufgabe der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung, eine Antenne zu beschreiben, mit der außer dem TACAN-15Hz-Grobdiagramm auch das 135 Hz-TACAN-Feindiagramm abgestrahlt werden kann.

Die Phasengenauigkeit des Richtungssignals bei der erfindungsgemäßen Antenne wird nur durch die Geometrie der Anordnung der strahlenden Elemente bestimmt. Fehler bezüglich der SchaltZeitpunkte sind bei der Antenne eliminiert, so
daß eine hohe Phasengenauigkeit erreicht wird. Die erilndungsgemäße Antenne ermöglicht eine bessere vertikale
Strahlbündelung als die Antenne nach DT-PS 19 53

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig.l ein limaeonförmiges Strahlungsdiagramm, dem die für TACAN-Systerne notwendige 135 Hz-Modulationskomponente überlagert ist;

Fig.2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Antenne mit Steuereinheit;

Fig.3 ein Blockschaltbild der Steuereinheit nach Fig.2.

Die erfindungsgemäße Antenne besteht aus 96 linearen Antennenzeilen, die entlang der Außenseite eines leitenden Zylinders zylindrisch angeordnet sind. Die Zuleitungen wie auch die strahlenden Elemente der einzelnen Spalten sind als Einheit in der Streifenleitertechnik auf Platten aufgedruckt. Wenn man Koppeleffekte berücksichtigt, kann man bei der geraden zylindrischen Struktur das Vertikaldiagramm und das Horizontaldiagramm voneinander getrennt untersuchen. Das Strahlungsdiagramm, das durch die Stromverteilung in jeder linearen Antennenzeile bestimmt ist, kann somit dem Horizontaldiagramm, das bestimmt ist durch die Stromverteilung in einer Ebene der ringförmigen Antennenzeile, überlagert werden.

Um die an das Strahlungsdiagramm in der Elevationsebene gestellten Anforderungen zu erfüllen, kann die Anzahl der Elemente einer vertikalen Antennenzeile verändert werden. Daraus ergeben sich für spezielle Anwendungen größere oder kleinere Antennenζeilen.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst eine mathematische Beschreibung der Entstehung der von der Antenne abgestrahlten Strahlungsdiagramme gegeben.

Wie bereits erwähnt basiert die erfindungsgemäße Technik auf einem kreisförmigen Ring vertikal polarisierter Strahlerelemente, die entlang eines leitenden kreisförmigen Zylinders gleichmäßig angeordnet sind. Um dem vertikalen Strahlungsdiagramm eine besondere Form zu geben, können zusätzliche Ringe mit Strahlerelementen hinzugefügt werden. Da jedoch die Aufgabenstellungen voneinander trennbar sind, genügt die mathematische Untersuchung eines einzigen Rings.

Die Stromverteilung ist binär. Die Ströme in den Elementen haben bei der Phase null entweder die Amplitude eins oder null. Die möglichen Schaltstellungen sind deshalb ebenfalls binär, d.h. es gibt nur die Schaltzustände ein und aus.

In der Praxis ergibt sich jedoch, daß, wenn der Strom zu einem bestimmten Element unterbrochen wird, durch gegenseitige Kopplung zwischen diesem und den restlichen, noch gespeisten Elementen in der Nähe des Elements, einschließlich dem Ort des Elements selbst, eine Wiederverteilung des Stromes erfolgt. Der durch die Kopplung entstandene Strom in dem Element, dessen Stromzuführung unterbrochen wurde, kann eine HP-Phase haben, die der Erzeugung des gewünschten Strahlungsdiagramms entgegenwirkt.

Da der gewünschte Strom, in dem Element, dessen Stromzuführung unterbrochen wurde, als fiktiver Strom betrachtet

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werden kann, der sich aus dem normalen Strom und dem negativen Wert dieses Stroms (die Summe der beiden Ströme ist null) zusammensetzt und da in dem Element, verursacht durch die gegenseitige Kopplung;tatsächlich ein Strom vorhanden ist, kann der beabsichtigte begrenzte Strom dadurch erhalten werden, daß man das sogenannte abgeschaltete Element mit einem Strom speist_s dessen Amplitude und dessen Phase entgegenge-

und Phase des Stroms sind

setzt zu Amplitude V, der durch gegenseitige Kopplung entsteht. Dadurch ist es auch möglich, den Modulationsgrad der abgestrahlten Harmonischen zu steuern, dam in dem sogenannten abgeschalteten Element kann ein Stromvektor mit beliebigem Betrag erzeugt werden, wobei die Phase des Stroms 0° oder l80° ist. Hierbei erfolgt immer noch eine binäre Schaltung.

Die meisten Elemente werden (als Bezug) mit dem Strom eins und der Phase null gespeist. Die restlichen Elemente werden mit einem Strom, dessen Betrag und Phase·vorbestimmt sind, gespeist. Durch diesen Strom wird, wenn in der Antennenzeile eine gegenseitige Verkopplung vorhanden ist, die gewünschte Stromverteilung entlang der Antenne erreicht.

Die zwei Stromzustände erhält man durch identische binäre Schalter in den Speiseleitungen zu den Einzelstrahlern der strahlenden Antennenzeile« Diese können entweder in dem Modulator-Leistungsteiler oder an einem anderen Punkt der HP-Verteilerleitungen zwischen d®ia Leistungsteiler und den strahlenden Elementen angebracht sein.

In der obigen vereinfachten Beschreibung eind Veränderungen, verursacht durch den Frequenzwechsel innerhalb der Bandbreite,

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nicht berücksichtigt. Diese Veränderungen werden in der nachfolgenden Beschreibung berücksichtigt. Sie stören die binäre Erzeugung des 135 Hz-Signals nicht.

Der binäre Schalter, der die beiden Stromzustände erzeugt, ist so ausgelegt, daß er eine vorbestimmte Prequenzempfindlichkeit besitzt, um die mit der Frequenz wechselnde gegenseitige Kopplung innerhalb der Antennenzeile zu kompensieren. Durch eine zusätzliche Kompensation können die Elevationseigenschaften der Antenne innerhalb der gewünschten Bandbreite von 96O MHz bis 1215 MHz verbessert werden. Dieser Effekt benötigt eine vollständigere Beschreibung der Strahlungseigenschaften in Bezug auf Amplitude und Phase im Fernfeld.

Eine genaue Untersuchung von mehreren speziellen gylinderförmigen Antennenzeilen, die für TACAN verwendbar sind, ist in dem Artikel von Carter "Antenna Arrays Around Cylinders" in Proc.IRE, Vol.31, Nr.12, (19^3), Seiten 67I bis 693 enthalten.

Nach der in diesem Artikel abgeleiteten Theorie ist das Strahlungsdiagramm eines kreisförmigen Rings mit neun kurzen, vertikalen Dipolen entlang eines leitenden Zylinders im Fernfeld bestimmt durch

E = 9 (V +2iV_ncos90 -2V.ocos l80-2iV_OYcos 270 ·..) sin θ oo 9 ίο ^/

H_n ^2} l[kb sin Θ)

= J_n(kb sin Θ) - J_n(ka sin Θ) ist.

E^ (ka sin Θ) η

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a = Zylinderradius

b = Radius des Dipolrings θ = Polarwinkel zur Vertikalen 0 = Horizontal- oder Azimut-Winkel . 2ir 2irf
^K " T ~~c~

J und H = Bessel- bzw. Hankel Punktionen.

Diese Theorie wird durch die folgenden Betrachtungen weiter ausgebaut, um eine vollständigere und genauere Lösung für TACAN-Antennen zu geben.

Nimmt man an, daß sich der Dipolring mit einer Winkelgeschwin digkeit u)_m dreht, dann muß im vorherigen Ausdruck der Azimutwinkel durch die Winkel-Zeitfunktion ω t ersetzt werden.

Der erste Ausdruck (V ) stellt eine Trägerkomponente dar, während der zweite Ausdruck (2VQCos9üJ_t) den neunten harmonischen räumlichen Modulationsterm darstellt.

Der relative Betrag der Modulation oder der Modulationsindex ist gegeben durch:

I₉ =-_T~^ =|I₉j β*** =ll₉i^{cos Ψ}9 ^{+ Α}

l₉|ein

Da Vq und V komplexe Größen sind, ist auch der Modulationsindex, wie durch den obigen Ausdruck gezeigt ist, eine komplexe Größe. Der Realteil des Modulationsindex' stellt den Amplitudenmodulationsindex dar während der Imaginärteil den Phasenmodulationsindex darstellt.Jig J und ψ_ς sind Punktionen

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der Radien, der Frequenz und des vertikalen Beobachtungswin kels.

Der relative Betrag der zweiten und dritten Harmonischen der Modulationsfrequenz sind durch ¹M^ bzw. durch 27

Q V

gegeben. ' 9

Diese Quotienten sind ebenfalls komplex und müssen in Beziehung zur Trägerphase gesetzt werden, um die relativen Beträge der zweiten und dritten harmonischen Amplitudenmodulation zu bestimmen, die bei irgendwelchen Frequenzen oder Elevationen vorhanden sind.

Die zweite und dritte Harmonische entstehen aus der Geometrie und können, wenn der Radius der Antenne zunimmt, ziemlich groß werden.

Eine weitere Ursache für das Vorhandensein einer zweiten harmonischen Amplitudenmodulation ist das Vorhandensein einer Phasenmodulation. Das modulierte Signal würde folgende Form haben:

S= (l + Ig cos ψρ cos 9ω t) cos ω, t + ( |lJ sin ψ« cos 9ω t) sin ω, t

wobei ω die Modulationsfrequenz und ω. die Trägerfrequenz m κ

Im folgenden wird ein Ausdruck für ein rein phasenmoduliertes Signal mit einer Modulationsfrequenz 9ω betrachtet:

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E.G.Parker X3-7-3 ^

Φ = cos (ω, t-Acos 9(ü t) = (J (A) - 2J₀(A)cos Ιδω t + 2J., (A) lc m ο c. m η

cos 36üJ_mt - ...) cos ü)_kt + 2(J₁(A) cos 9o)_mt - 2J,(A) cos 27ω t + · · · J sin ω. t

Mit "A" kleiner als 0,5 können die Besselterme J,(A) und höher vernachlässigt Werden. Bei Normierung auf J auf beiden Seiten erhält man die gleiche Form wie bei der.

obigen Gleichung für "S" 2J₂ (A)

Φ = ( 1 - cos Ιδω t) cos ω, t

J_o (A) ^{m k}

J₁ (A) ·

+ ( 2 j—7-^-v cos 9ω t) sin ω, t ο

Der obige Ausdruck zeigt_s daß mit dem Phasenmodulationsterm 2J, (A) 2J₂ (A)

j—nrr~ verbunden ist, der eine gleich-

\j

phasige zweite harmonische Amplitudenmodulation darstellt.

Unter Verweis auf den vorherigen Ausdruck für S kann man

2J₁ (A)

j T-j-y dem Imaginärteil des Modulationsindex^!, (I_n sin ψ_η]

gleichsetzen und nach A auflösen: 2J₁ (A)

I_n sin ψ = s wobei für I_n ein absoluter Wert an-

⁹ J (A) ^y

genommen wird»

Da I_n kleiner als 0_s5 ist₉ ist die folgende Näherung_Jaus

der A direkt entnommen werden kann_s gültig: 2J₁ (A)

I_n sin ψ =

⁹ J (A)

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-10-E.G.Parker 13-7-3

Der Prozentsatz, zu dem die zweite harmonische- Amplitudenmodulation im Signal vorhanden ist, ist gegeben durch:

2J₂ (A)

J (A)

Prozentsatz der zweiten Harmonisehen= 100 -= _r

I_n cos ψ

Für A < 0,5 kann dieser Ausdruck vereinfacht werden zu: 2J₉ (A)

Nach Einsetzen des gefundenen Wertes für "A" ergibt sich:

sin ψ

Prozentsatz der zweiten Harmonischen= 25 I_n r ·

9 cos ψ

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß wenn der Modulationsindex komplex und in der Form Ie¹* darstellbar ist und wenn 1 < 0,5 ist, dann wird im Amplitudenmodulationsdetektör nicht nur die Modulation mit der relativen Amplitude Icos φ gleichgerichtet, sondern auch eine zusätsliche Amplitudenmodulation mit einer doppelt so großen Frequenz und einer Amplitude, die, ausgedrückt in Prozent der Grundkomponente gleich dem Ausdruck:

25 I 3Ϊη²ψ Prozentsatz der zweiten Harisonisehen= ■ — isfc.

Somit ist, wenn im 135 Hs TACAN-Signal eine Phasenmodulation vorhanden ist, auch eine 2?Q Hs-Komponente vorhanden₉ die durch die obige Gleichung mit Hilfe der Ausdrücke (I₀5 und (&₀. des Modulationsinde:-:¹ beschrieben ist.

Zur weiteren Klarstellung der Bedeutung des komplexen Modulationsindex' wird folgendes ausgeführt:

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~ Der Realteil des Modulationsindex¹ (Ig cos ψ) ist der normal definierte Index der Amplitudenmodulation*

- Der Imaginärteil des Modulationsindex' (Iq sin ψ) ist der Index der Phasenmodulation, der, wie im folgenden beschrieben ist, für die 135 Hz oder neunte harmonische Komponente vorhanden ist.

An einem festen Punkt im Raum soll die HF- Phase #(t) des empfangenen Signals über eine Periode T der Drehung des Strahlungsdiagramms gemessen und aufgezeichnet werden. Wenn Φ (t) in Einheiten im Bogenmaß ausgedrückt wird, dann erhält man eine sich kontinuierlich veränderliche Punktion über die Periode T. Da Φ (t) eine kontinuierliche periodische Punktion ist, kann man sie durch eine Fourrierreihe darstellen:

ΦCt) = Φ_η + Φ_1ρ ^iü)t + *e^i2ttlt + Φ,_β ^ί3ω* + ...

mit ω- Q'

Die Größe von Φ« in der obigen Reihe ist der Index der Phasenmodulation.

Es wurde gezeigt, daß für das Strahlungsdiagramm einer Antennenzeile mit vertikalen Dipolen, die entlang eines leitenden Zylinders angeordnet sind, für das Fernfeld eine mathematische Lösung vorhanden ist. Durch Drehen eines Strahlungsdiagramms einer geeigneten Antennenzeile wird die räumliche TACAN-Modulation erzeugt. Die Theorie erlaubt die Berechnung des Modulationsindex' und der relativen Größe von höheren Harmonischen, ausgedrückt in

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Parametern der Antennenzeile; diese Parameter sind der Durchmesser des Zylinders, der Durchmesser der strahlenden Antennenzeile, die Frequenz des abgestrahlten Signals und der Beobachtungswinkel in der Elevationsebene. Die Theorie sagt voraus, daß der Modulationsindex im allgemeinen Fall eine komplexe Zahl ist, die durch den Exponentalausdruck Ιςβ¹^⁹ gegeben ist, wobei Iq der Betrag und Ψ9 der exponentielle Winkel ist.

Bei der erfindungsgemäßen Antenne sind insgesamt 96 Elemental vorhanden. Neun Paare von Elementen mit gleichem Abstand sind abgeschaltet, während der HF-Eingang für die 78 verbleibende Elementen in Amplitude und Phase gleich ist. Um die 18.Harmonische vollständig auszulöschen haben die Paare im Zeitdurchschnitt einen Abstand von 10 Grad. Nach Carters Lösung, beschrieben in "Antenna Arrays Around Cylinders", P.S.Carter, Proc«, IRE, Vol.31, No.12, (1943), Seiten 67I bis 693, ist das resultierende Strahlungsdiagramm im Azimut, 0 , und in der Elevation, θ, für Dipolstrahler gegeben durch:

ψ = (78V_o - l8/2iV₉ cos 90 + 18^iV₂₇ cos 27 0 . .. ) sin Θ.

Jeder Ausdruck in der Gleichung ist mit der vertikalen Direktiyität des Dipols, sin Θ, multipliziert. Bei der Verwendung von vertikalen Antennenzeilen mit Dipolen wird der Ausdruck sin θ in der vorherigen Gleichung durch die Direktivität der Antennenzeile ersetzt. Daraus ist zu entnehmen, daß die Direktivität der Antennenseile und die Modulationsfunktion als zwei getrennte Probleme behandelt werden können.

In der zweiten Ausgabe von "Electromagnetic Waves and Radiating Systems" von Jordain und Ballmain wird darauf hin-

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gewiesen, daß diese Annahme richtig ist. Im Kapitel 13.20 "Dipole and Slot Arrays Around Cylinders" wird gezeigt, daß Carters Lösung für das Azimut-Strahlungsdiagramm als Einheitsdiagramm₇auf das das Prinzip der Diagramm-Multiplikation angewandt werden kann, verwendbar ist.

Den Modulationsindex für die 135 Hz-Komponente erhält man durch Normierung des Terms V_g auf den Trägerterm

g 1^1 i(0 -π/2-0 )
|V_o| ^{e y} °

wobei 0q und 0 aus den Real- bzw. Imaginärteilen von V« und V_Q abgeleitet wurden.

Die 18.Harmonieehe oder das 270 Hz-Signal wird durch die erwähnten Maßnahmen beseitigt. Erfolgt keine Beseitigung, dann hat der Term, ausgedrückt in Prozenten der Größe des 135 Hz-Terms_s die Größe:

^X 100.

I^V9|

Für die erwähnte Antennenzeile mit 96 Strahlerelementen ist die relative Größe der 27-Harmonischen oder des 405 Hz Terms gegeben durch

¹⁰⁰·

9|

Es wird daran erinnert, daß V bestimmt ist durch:

«09882/Oi58

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P₁ = ^p sin θ = 2p sin θ

wobei a der Zylinderradius ist und:

2irfb . _Q 2irb . .
P₂ = -Q— sm θ = -γ- sin θ

wobei b der Radius der Dipolantennenzeile ist.

Mit Hilfe eines Computers wurden die Werte für

' ⁰9 '

> ⁰l8'

und der Ausdruck

ΟΟ3ψ

für eine große Zahl verschiedener Radien bestimmt.

Es wurde gefunden, daß der Abstand der Einseistrahler von der Zylinderfläche Cp₃-P₁) eine Möglichkeit zur Steuerung des Modulationsgrades ist. Dieser Abstand, gemessen in Einheiten im Bogenmaß^variiert selbst um - 12 % über die Bandbreite, verursacht durch den Wellenlängenwechsel. Hält man den Abstand kleinj darm bleibt auch die Änderung klein. Ein kleiner Abstand der Einzelstrahler von der Zylinderwand ist hinsichtlich der Aufgabe einer guten Widerstandsanpassung unkritisch.

Der in den Berechnungen der vorgeschlagenen Antennenparameter verwendete Abstand betrug ττ/3 Einheiten im Bogenmaß,d.h. Ρ₂=Ρ₁+π/3·

Die obigen Ausdrücke wurden berechnet in Sehritten von O_S5 Einheiten im Bogenmaß Cp₁=S₃S Einheiten bis P₁=SO Einheiten).

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Um den Prozentsatz des 135 Hz-Signals und den relativen Prozentsatz des 270 Hz-Signals bei einer gegebenen Frequenz und Elevation für eine Antenne mit Radius a zu erhalten, wird der Radiusfaktor (effektiver Radius) entwickelt:

r> „ - 2-nrasin θ
R=P- ■

¹ λ

und aus der Kurve die Werte für den Prozentsatz des 135 Hz-Signals und den relativen Prozentsatz des 270 Hz-Signals entnommen.

Um den korrekten Antennendurchmesser oder Radius auszuwählen, muß man die Extrema des effektiven Radius oder des Radiusfaktors berechnen. Den größten Wert erhält man am Horizont für 1215 MHz:

- 2jra
^pmax " A1213

während man den kleinsten Wert beim höchsten Elevationswinkel bei 960 MHz erhält:

^{Pmin =} Λ96Ο ^{Sln 9max}'

Die durch die Spezifikation bestimmte Grenze (12 Prozent Minimum) wird erreicht im Bereich zwischen 10,2 und 20,8 Einheiten im Bogenmaß. Die 15 Prozent- Grenze für die zweite Harmonische wird jedoch beim größeren Radius leicht überschritten» Der maximal erlaubte Radius muß daher auf 20,3 Einheiten im Bogenmaß vermindert werden. Mit diesem Wert für den maximalen Radiusfaktor wird jetzt der resultierende Radiusfaktor für einen Elevationswinkel von 50 Grad und 960 MHz berechnet:

ρ= ρ Si_n ijo Grad=10,5 Einheiten im Bogenmaß, λ 960 ^max

Für diesen gewählten Radiusfaktor können die durch die Spezifikation gegebenen Grenzen bezüglich des Vorhandenseins

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von Harmonischen und des Elevationsbereichs erreicht werden. Um jedoch einen Spielraum für verbesserte Modulationseigenschaften in der Nähe des Horizonts und am oberen Ende des Frequenzbandes zu schaffen, wird eine weitere Verminderung des maximalen Radiusfaktrors auf etwa 19 Einheiten im Bogenmaß vorgeschlagen. Diese Änderung ergibt wesentliche Verbesserungen im Bereich kleiner Winkel, in dem die Operationsbedingungen am kritischten sind, bei einer nur kleinen Verminderung des Elevationsbereichs von 50 Grad auf 47 Grad in den niedrigen Kanälen.

In der sieh ergebenden Ausführung wird vorgeschlagen, einen Radius von 29 inch (ca.74 cm) zu verwenden, um bei höheren Frequenzen ein verbessertes Signal am Horizont zu erhalten bei einer nur geringen Verminderung des Elevationsbereichs am niedrigen Ende des Frequenzbandes. Unterhalb einer Frequenz von 10¹JO MHz ist der Prozentsatz der 135 Hz-Modulation bei+50° Elevationswinkel kleiner als 12%. Bei 960 MHz ist der Prozentsatz der 135 Hz-Modulation bei Elevationswinkeln größer als 46,7° unterhalb 12 %. Diese Situation verbessert sich mit der Frequenz und bei allen Frequenzen über 1040 MHz ist der Prozentsatz der Modulation größer als 12 % bei einem Elevationswinkel von 50 .

Mit dem gewählten Radius von 29 inch muß auf die Unterdrückung der 405 Hz-Komponente keine Rücksicht genommen werden, da der größte effektive Radius kleiner als 20 Einheiten im Bogenmaß ist. Das 270 Hz-Signal, das in diesem Bereich sehr groß sein kann, wird durch die bereits erwähnte Methode vermieden.

Dies ergibt sich direkt aus der mathematischen Analyse, die oben beschrieben wurde. Es ist eine Trennung von modulierten

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und unmodulierten Signalen notwendig. Sorgt man für geeignete Phasenwegunterschiede, dann kann die relative Phasenverschiebung, die aus dem Prequenzwechsel herrührt, bis auf eine erste Ordnung korrigiert werden.

Es wurde gezeigt, daß der Antennenzeilenfaktor oder vertikale Direktivität getrennt von dem Problem der horizontalen Azimutmodulation behandelt werden kann. Es wurde eine Computerberechnung der Eigenschaften der vorgeschlagenen Antenne in Ausdrücken eines einzelnen Parameters, dem Radiusfaktor oder dem effektiven Radius, ausgeführt. Es wurde gezeigt, daß der Radiusfaktor selbst eine Punktion des Antennenzeilendurchmessers, sowie der HF-Frequenz und dem Elevations-Beobachtungswinkel ist.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besagt, daß die Phasengenauigkeit des Richtungssignals nur durch die Geometrie der strahlenden Struktur und durch die Zeitwahl der Schaltvorgänge bestimmt ist. Es wurde gezeigt, daß die vorhandene Richtungsgenauigkeit einer idealisierten Struktur keinen Begrenzungen unterworfen ist. Die hochpräzise digitale Steuerung eliminiert tatsächlich die Zeitfehler, so daß nur Unregelmäßigkeiten in der Geometrie in der Fehlerbetrachtung berücksichtigt werden müssen. Bei nichtvorhandenen Modulationsspannungen ist der HF-Eingang zu den strahlenden Elementen der vorgeschlagenen Antenne in Amplitude und Phase gleich und die geometrischen Überlegungen dienen vor allem dazu, diese Ströme gleich zu erhalten. Um die Fehler, herrührend von Unregelmäßigkeiten im Zeitverhalten und in der Geometrie zu minimalisieren, und um weiterhin einen bestmöglichen Schutz gegen etwaige Fehler zu erreichen, wurde eine große Zahl von strahlenden Elementen vorgesehen.

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In Fig.l ist ein rotierendes Limacon-Strahlungsdiagramm, dem, um die Forderungen der gegenwärtigen TACAN-Systeme zu erfüllen, eine 135 Hz-Modulation überlagert ist, gezeigt.

Die- 135 Hz-Modulation (neunte Harmonische) wird erzeugt durch aufeinanderfolgendes Schalten der HF-Amplitude und Phase der Strahler, die sich auf der äußeren Oberfläche der Antenne befinden. Die Strahler sind mit dem Ende des Impedanzwandlers 3 (Fig.2) verbunden, an dem die Impedanz niedrig ist. Die Verbindung erfolgt über einen Leistungsteiler 4. · Das aufeinanderfolgende Schalten der Einzelstrahler einer Antennenzeile auf der Antenne zur Erzeugung der 135 Hz-Komponente ist getrennt von dem Problem der Erzeugung der 15 Hz-Modulationskomponente. Eine weitergehende Diskussion über die Erzeugung der 15 Hz-Komponente ist in der deutschen Patentanmeldung P 24 17 653 enthalten. Auf diese Anmeldung wird hier Bezug genommen.

Die Erzeugung der 135 Hz-TACAN-Modulation basiert auf einer schrittweisen Rotation einer binären Stromverteilung entlang einer zylinderförmigen Antennenzeile. Die Möglichkeit, mit einer solchen binären Stromverteilung eine Fernfeld-TACAN-Modulationskomponente mit genügend großer Bandbreite und geeigneten Elevationseigenschaften zu erzeugen, wurde oben mathematisch gezeigt. Das Abschalten der Stromzuführung zu ausgewählten Strahlern der Antennenzeile bringt gewisse Probleme mit sich, da in der Antennenseile durch die gegenseitige Kopplung Ströme entstehen. Diese Probleme können jedoch dadurch überwunden werden, da® diese Strahler mit Strömen gespeist werden, deren Amplitude und Phase speziell gewählt wurden. Amplitude und Phase sind dabei so gewählt, daß bei der Kombination mit den Strömen, die durch gegenseitige Kopplung entstehen, ein resultierender Strom ent-

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steht, dessen Auswirkung auf die neunte Harmonische Modulationskomponente vorhersagbar ist.

Fig.2 zeigt eine zylindrische Antennenzeile 5 mit 96 Elementen, wobei jedes der strahlenden Elemente 6 aus einer Antennenzeile miirSlpolen besteht. Diese Elemente können zusammen mit einem Leistungsteiler 4, der mit Nebenleitungen versehen ist, auf dielektrische Platten aufgedruckt werden.

Die vorgeschlagene Technik basiert auf einem kreisförmigen Ring mit vertikal polarisierten strahlenden Elementen 6, die jeweils einen gleichen Abstand haben und die entlang eines leitenden kreisförmigen Zylinders 5 angeordnet sind. Diese Anordnung hat gegenüber der Anordnung, die in der DT-PS 19 53 M3 beschrieben ist, den Vorteil, daß sie leicht in vertikaler Richtung ausgedehnt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können zusätzliche Ringe mit Elementen hinzugefügt werden um die gewünschte Diagrammform in vertikaler Richtung zu erhalten. Es. ist ein weiterer Vorteil gegenüber der erwähnten DT-PS 19 53 443, daß anstelle parasitärer Elemente aktive Elemente verwendet werden. Die Anschaltfolge der aktiven Elemente gemäß der Erfindung ist unsymmetrisch. Da die Probleme voneinander trennbar sind, genügt es nur einen Ring genauer zu untersuchen.

Die beschriebene Stromverteilung ist binär. Die Ströme der Elemente haben entweder eine erste Amplitude bei einer ersten Phase oder eine zweite Amplitude bei einer zweiten Phase. Deshalb ist die Schaltfolge binär, d.h. es gibt nur die beiden Zustände an oder aus.

Wenn der Strom zu einem gegebenen Element unterbrochen wird, dann erfolgt zwischen diesem Element und den verbleibenden Elementen, die noch gespeist werden, eine gegenseitige Kopplung.

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Daraus ergibt sich in der Nähe des Elements, einschließlich dem Ort des Elements selbst, dessen Stromzuführung unterbrochen wurde, eine Wiederverteilung des Stroms. Der durch die Kopplung entstandene Strom in dem Element, dessen Stromzuführung unterbrochen wurde, kann eine HP-Phase haben, die der Erzeugung des gewünschten Strahlungsdiagramms entgegenwirkt .

Da der gewünschte Strom in dem Element, dessen Stromzuführung unterbrochen wurdes als fiktiver Strom betrachtet werden kann, der sich aus dem normalen Strom und dem negativen Wert dieses Stroms (die Summe der beiden Ströme ist null) zusammensetzt und da in dem Element, verursacht durch die gegenseitige Kopplung, tatsächlich ein Strom vorhanden ist, kann der beabsichtigte begrenzte Strom dadurch erhalten werden, daß man das sogenannte abgeschaltete Element mit einem Strom speist, dessen Amplitude und dessen Phase entgegenge-

und Phase des Stroms sind

setzt zu Amplitude^ der durch gegenseitige Kopplung entsteht. Dadurch ist es auch möglich, den Modulationsgrad der abgestrahlten Harmonischen zu steuern, denn in dem sogenannten abgeschalteten Element kann ein Stromvektor mit beliebigem Betrag erzeugt werden, wobei die Phase des Stroms 0° oder l80° ist.

Die oben erwähnte erste Amplitude und erste Phase kann z.B. durch einen Strom der Amplitude eins und der Phase null realisiert werden. Dieser Strom wird den meisten Elementen zugeführt und kann als Bezugswert verwendet werden. Die verbleibenden Elemente werden mit einem Strom vorbestimmter Amplitude und Phase gespeist, der bei gegenseitiger Kopolung innerhalb der Antennenzeile die gewünschte Stromverteilung entlang der Antenne ergibt.

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Die zwei Stromzustände erhält man durch identische binäre Schalter in den Speiseleitungen zu den Einzelstrahlern der strahlenden Antennenzeile. Diese können entweder in dem Modulator-Leistungsteiler oder an einem anderen Punkt der HP-Verteilerleitungen zwischen dem Leistungsteiler und den strahlenden Elementen angebracht sein (Fig.2). Der Schaltteil ist in Fig.2 mit 7 bezeichnet.

In der obigen vereinfachten Beschreibung sind Veränderungen, verursacht durch den Frequenzwechsel innerhalb der Bandbreite, nicht berücksichtigt. Diese Effekte beeinträchtigen das binäre Schalten zur Erzeugung des 135 Hz-Signals nicht. Sie werden weiter unten berücksichtigt.

Der binäre Schalter, der die beiden Stromzustände erzeugt, ist so ausgelegt, daß er eine vorbestimmte Frequenzempfindlichkeit besitzt, um die mit der Frequenz wechselnde gegenseitige Kopplung innerhalb der Antennenzeile zu kompensieren. Durch eine zusätzliche Kompensation können die Elevationseigenschaften der Antenne innerhalb der gewünschten Bandbreite verbessert werden. Dieser Effpkt benötigt eine vollständigere Beschreibung der Strahlungseigenschaften in Bezug auf Amplitude und Phase im Fernfeld.

96
Von den^leichmäßig angeordneten Elementen der abstrahlenden Antennenzeile sind in jedem Augenblick neun Paare abgeschaltet. Das Strahlungsdiagramm, erzeugt durch die verbleibenden 78 Elemente, ist gegeben durch (78 V_Q).

Nimmt man an, daß relativer Strom und relative Phase der verbleibenden 18 Elemente relativ zum Strom der 78 Elemente

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iß
durch ae* gegeben sind, dann ist das durch diese Elemente gegebene Strahlungsdiagramm bestimmt durch:

ae^jß (9V_Q-l8V2i V_gcos 90+l8\/2i V₂₇COs 270...) Fügt man die zwei gegebenen Pernfeldstrahlungsdiagramme hinzu, dann ist das resultierende Strahlungsdiagramm das Strahlungsdiagramm der Antenne.

Der Ausdruck für den Träger ist gegeben durch:

(78 + 9ae^jß) V_Q

während die neunte Harmonische Modulation durch l8aV2e^jß(-iV_g) gegeben ist.

Der Modulationsindex ist deshalb der Quotient aus diesen Ausdrücken:

(78+9ae^J'^ß)V_Q

Der Paktor ( ■-) ist nur durch die "Geometrie der Antennenzeile bestimmt währeRd der Faktor

( _ ) durch die gewählte Stromverteilung in der Antennen-

8^Jß

zeile bestimmt ist. Außer einer eventuell vorhandenen Frequenz abhängigkeit in den Speiseleitungen zu den Elementen der Antennenzeile sind alle Abhängigkeiten von Antennenzeilendurchmesser, Lage der Elemente, Elevationswinkel und Frequenz durch den beschriebenen Faktor berücksichtigt= Beide Faktoren sind komplexe Zahlen und im Allgemeinen ist der Modulationsindex auch komplex. Die in Fig.2 gezeigte 15 Hs-Modulations- und Impedanzwandler-Teile 3 und der Leistungsteiler k bestehen aus einer integralen Einheit mit einem HF-Eingang und 96 Ausgängen. Der Eingang und die Ausgänge sind so angepaßt,

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daß übliche Verbindungskabel verwendet werden können.

In der Hauptanmeldung P 24 17 653 ist vorgeschlagen, daß die 15 Hz-Modulation in einem runden Hohlleiter durch Anregung eines H..-Modes in diesem Hohlleiter und durch digitales Weiterschalten der Azimut-Ausrichtung des Modes erzeugt wird. Der Betrag der E_R-Komponente des TEM-Peldes ist im Hohlleiter bezüglich des Azimuts konstant und die E_R-Komponente des H^-Feldes ist bezüglich des Azimuts sinusförmig. Die beiden kombinierten Modes erzeugen in dem Hohlleiter eine räumliche Modulation, die, wenn sie um den Hohlleiter mit 15 Hz gedreht wird, die Grundkomponente des TACAN-Signals in dem Hohlleiter ist.

Dieses Signal wird vom Hohlleiter durch 96 gleichmäßig angeordnete radiale Streifenleiter abgenommen. Die kombinierten statischen TEM und H .-Modes ergeben eine fortschreitende sinusförmige Veränderung der Signalamplitude entlang den 96 Ausgangsleitungen. Wenn der H^-Mode digital entlang dem Hohlleiter weitergeschaltet wird, dann ist an jeder der Ausgangsleitungen eine gestufte sinusförmige Amplitudenänderung mit von. Leitung zu Leitung fortschreitender Modulationsphase (15 Hz) vorhanden.

Nimmt man pro vollständige Drehung des H₁₁-MoOeS 96 Schritte und eine Geschwindigkeit von IU¹IO Schritten pro Sekunde an, dann ergibt sich eine 15 Hz-Sinusschwingung. Die 96 Leitungen sind jeweils mit entsprechenden strahlenden Antennenzeilen, die symmetrisch entlang des leitenden Zylinders angeordnet sind, verbunden.

Die 135 Hz-Modulation erhält man durch räumliche Filterung der strahlenden Antennenzeilen.

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Wenn die Signalzufihrung zu neun gleichmäßig angeordneten Paaren von strahlenden Antennenzeilen unterbrochen wird, dann ist im resultierenden Fernfeldstrahlungsdiagramm der Mode fir die neunte Harmonische vorhanden. Der erste Mode (15 Hz-Komponente) ist ebenfalls vorhanden wegen der sinusförmigen Veränderung, herrührend vom 15 Hz-Modulator. Dadurch, daß das 15 Hz-Signal dem 135 Hz-Modulator überlagert wird, erhält man eine Intermodulation und das benötigte TACAN-Strahlungsdiagramm.

Ein Transformer ist notwendig um den Eingangswiderstand dem Widerstand der 78 Parallelleitungen anzupassen. Dieser Transformer ist ebenfalls in der Modulator-Leistungsteiler-Einheit vorhanden.

Die 135 Hz-Modulation wird einfach durch das Unterbrechen der Signalzuführung zu 18 ausgewählten Leitungen durch einen geeigneten Schalter erreicht. Dazu werden PIN-Diodensehalter verwendet.

Die Steuereinheit 8 erzeugt Steuerbefehle die die Zustände der PIN-Dioden Schalter steuern. Die Steuereinheit 8 ist in Figur 3 genauer gezeigt. Zusätzlich zur Erzeugung der Steuerbefehle liefert die Steuereinheit zwei Bezugstriggersignale, den Nordbezugstrigger und den Hilfsbezugstrigger.

In Fig.3 ist die Funktionsweise der Steuereinheit 8 näher erläutert. Die oben erwähnten Steuerbefehle werden erzeugt durch die Dekodierung von ausgewählten Ausgängen von zwei rückgekoppelten Schieberegistern 10 und 11. Das resultierende Signal wird an die Eingänge der PIN-Dioden-Steuerstufenschaltungen 12 und 13 gegeben. Durch die PIN-Dioden-Steuerstufen werden die PIN-Dioden-Schalter entweder leitend oder nichtleitend gesteuert und bestimmen somit den Ausgangszustand des Systems zu jeder gegebenen Zeit.

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Die beiden Schieberegister enthalten jeweils 96 Flip-Flops. Das Schieberegister für die innere Antennenzeile steuert die Zustände der 32 inneren PIN-Dioden-Schalter und das Schieberegister'für die äußere Antennenzeile steuert die Zustände der 96 äußeren PIN-Dioden-Schalter.

Der Schaltzyklus beginnt damit, daß alle Flip-Flops auf null gestellt werden und daß dann ein vorgegebenes Muster, bestehend aus "O-" und "1", in die Register eingegeben wird. Jedes dritte Register wird vom Register für die innere Antennenzeile und vom Register für äußere Antennenzeilen dekodiert; der Ausgang vom Schieberegister für die innere Antennenzeile liefert den Steuerstrom für eine PIN-Dioden-Steuerstufe während der Ausgang des Schieberegisters für die äußere Antennenzeile den Steuerstrom für drei PIN-Dioden-Steuerstufen liefert. Die PIN-Dioden-Steuerstufen sind entsprechend ihrer Lage in der Antennenzeile ausgewählt; da die Schieberegister getaktet sind, wird eine zusammengesetzte Zeitdurchschnittsfunktion durch die gesamte Antennenzeile erzeugt.

Die innere Antennenzeile wird durch einen ersten Taktgenerator 14 (Cl) und die äußere Antennehzeile durch einen zweiten Taktgenerator 15 (C2> (wobei C2 gleich 3 Cl ist) getaktet. Nach 96 Cl Taktimpulsen hat das Schieberegister für die innere Antennenzeile einen vollständigen Zyklus durchlaufen und wieder seinen Ausgangszustand erreicht. Fach 96 C2 Taktimpulsen ist auch im Schieberegister für die äußere Antennenzeile wieder der Ausgangszustand vorhanden; der Ausgangszustand selbst wurde jedoch nur um ein Drittel des Wegs entlang der Antennenzeile weiterbewegt.

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Dies ergibt sich aus Symmetrieüberlegungen für die äußere Antennenzeile. Die äußere Antennenzeile benötigt 288 C2 Impulse oder drei Schieberegister-Zyklen um einen vollständigen Antennenzexlenzyklus zu durchlaufen. Der Taktgenerator 15 wird durch den Quarzoszillator 16 gesteuert.

Wenn in der inneren Antennenzeile die Anfangsbedingungen vorhanden sind, sind drei PIN-Dioden leitend; nach dem ersten Taktimpuls sind zwei der ursprünglichen drei immer noch leitend, während die dritte um eine Stelle weitergerückt ist; nach dem zweiten Taktimpuls bleiben die erste und dritte PIN-Diode leitend, während die zweite um eine Stelle vorrückt; nach dem dritten Taktimpuls bleiben die zweite und dritte PIN-Diode leitend, während die erste um eine Stelle weiterrückt. Es sollen zum Beispiel bei t=0 die PIN-Dioden 1, 5, 9 leitend sein. Nach dem ersten Taktimpuls (t=l) sind die PIN-Dioden 1, 5, 10 leitend; bei t=2:l, 6, lOjbei t=3: 2, 6, 10. Nach drei Taktimpulsen sind die drei Elemente, die jetzt angeschaltet sind, auf der Antennenzeile gegenüber ihrem ursprünglichen Zustand um eine Position weitergerückt. Dies geschieht für alle inneren Dioden so lange bis t=96 ist und 1, 5_S 9 wieder leitend sind. Das Schieberegister für die innere Antennenzeile wiederholt diesen Zyklus 15 Mal pro Sekunde; um jedoch zu gewährleisten, daß keine Falschinformation über einen Zeitraum, der größer als ein Zyklus ist, im System verbreitet wird, wird das Register zu Beginn eines jeden Zyklus* geleert und wieder neu eingestellt.

Das Register für die äußere Antennenzeile arbeitet im Prinzip gleich wie das für die innere Antennenzeile; bei t=0 sind jedoch 18 PIN-Dioden leitend; bei t=l rücken sechs der ursprünglich 18 zur nächsten Position der Antennenzeile vor;

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bei t=2 rücken weitere sechs vor und bei t=3 rücken nochmals sechs weitere vor. Somit sind nach 3 Taktimpulsen die 18 Elementei die jetzt- angeschaltet sind, gegenüber ihrer Ausgangslage um je eine Antermenzeilenposition vorgerückt. Bei jedem Wechsel bestehen die sechs sich ändernden Elemente aus drei Paaren, die einen Abstand von genau 120 Grad haben.

Nach 96 Taktimpulsen wiederholen sich die Anfangsbedingungen aufgrund der Symmetrie, obwohl die Anfangsbedingung selbst nur ein Drittel des Wegs um die Antennenzeile weitergeschaltet ist. Nach 192 Taktimpulsen wird erneut die Anfangsbedingung erreicht. Die Anfangsbedingung ist jetzt um zwei Drittel des Wegs um die Antennenzeile weitergesehaltet. Nach 288 Taktimpulsen ist ein voller Antennenzeilenzyklus durchlaufen.

Die ursprünglichen Anfangsbedingungen erscheinen in dem Schieberegister für die äußere Antennenzeile 45 Mal pro Sekunde. Um zu gewährleisten, daß keine Falschinformation über einen Zeitraum, der größer als drei Zyklen ist, verbreitet wird, wird das Register zu Beginn jedes dritten Zyklus über den
neu eingestellt,

Zyklus über den Lösch/Voreinstellgenerator 17 geleert und

Das innere und das äußere Register können gleichzeitig neu eingestellt werden. Hierzu wird der Nordbezugstrigger verwendet. Wenn ein Sperrimpuls vom TACAN-Transponder empfangen wird, verbleiben die Register in ihrem gegenwärtigen Zustand bis der Impuls weggenommen wird.

In Fig.3 sind auch der 135 Hz-Takt-Generatpr l8 und der 15 Hz-Takt-Generator 19 gezeigt, die den Hilfsbezugstriggergenerator 20 und den Lösch/Voreinstellgenerator 17 steuern.

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Die spezielle Schaltfolge ist eine Punktion des speziell zu lösenden Problems und einer speziellen Umgebung.

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Claims

Patentansprüche

Antenne zur Abstrahlung eines in der Horizontalebene rotierenden TACAN-Strahlungsdiagramms, bei der die Abstrahlung über auf der Oberfläche eines leitenden Zylinders angeordnete Strahler erfolgt, bei der zur Erzeugung des 15 Hz TACAN-Grobdiagramms das Senderträgersignal in den Innenleiter eines HF-Impedanzwandlers, der sich in einem Verteilerhohlraum befindet, eingespeist wird, bei dem an eine Vielzahl von Sonden, die in den Verteilerhohlraum hineinragen, der Reihe nach gemäß einem bestimmten Muster eine Spannung so angelegt wird, daß im Hohlraum eine H.^-Welle entsteht, bei der die Phase der HP-Ströme in den Sonden, an denen eine Spannung anliegt, so festgelegt wird, daß die resultierende Modulationskomponente bei einer gewünschten Mittenfrequenz gleichphasig zum Träger ist und bei der die erhaltenen Signale, die an den Ausgängen des Wandlers die gewünschte Amplitude und Phase haben, über die Strahler abgestrahlt werden nach Patentanmeldung P 24 17 653» dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Abstrahlung des dem 15 Hz TACAN-Grobdiagramm überlagerten 135 Hz-Diagramms ein erstes Signal mit einer ersten Amplitude und einer ersten Phase und ein zweites Signal mit einer zweiten Amplitude und einer zweiten Phase erzeugt wird, daß einer ersten Gruppe ringförmig angeordneter aktiver Elemente das erste Signal und einer zweiten Gruppe das zweite Signal zugeführt und von den jeweiligen aktiven Elementen abgestrahlt wird, daß die erste Gruppe aus einer Vielzahl von auf dem Ring angeordneten aktiven Elementen besteht, daß diese erste Gruppe

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unsymmetrisch entlang des Rings angeordnet' ist und daß die zweite Gruppe von aktiven Elementen aus den restlichen auf dem Ring angeordneten aktiven Elementen besteht.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente aus mehreren Einzelstrahlern bestehen.
3. Antenne nach Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente elektronisch so angeschaltet werden, daß sich die Gruppe entlang des Rings verschiebt.
4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal die relative Amplitude eins und die Phase null hat und daß das zweite Signal eine solche Amplitude und Phase hat, daß sich bei der überlagerung dieses Signals mit den durch Strahlungskopplung erzeugten Strömen in den Elementen, deren Signalzuführung unterbrochen ist, ein resultierender Strom ergibt, der das gewünschte Strahlungsdiagramm nicht stört.

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L e. e r s e 11 e