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Dokumentenidentifikation DE3787799T2 10.02.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0280799
Titel Antennensystem für breitbandige Signale.
Anmelder Unisys Corp., Blue Bell, Pa., US
Erfinder Ross, Gerald Fred, Lexington Massachusetts 02173, US;
Lamensdorft, David, Concord Massachusetts 01742, US;
Robbins, Kenneth Warren, North ReadingMassachusetts 01864, US
Vertreter Eisenführ, G., Dipl.-Ing.; Speiser, D., Dipl.-Ing.; Rabus, W., Dr.-Ing.; Brügge, J., Dipl.-Ing.; Klinghardt, J., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 28195 Bremen
DE-Aktenzeichen 3787799
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 03.03.1987
EP-Aktenzeichen 873018295
EP-Offenlegungsdatum 07.09.1988
EP date of grant 13.10.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.02.1994
IPC-Hauptklasse H01Q 9/00
IPC-Nebenklasse H01Q 21/12   H03K 3/335   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von in Flugzeugen eingebaute Antennen und insbesondere Antennen, die auf einer zylindrischen metallischen Oberfläche mit beschränkten Abmessungen befestigt sind, und zum Abstrahlen und Empfangen von Signalen mit sehr großer augenblicklicher Bandweite.

Beschränkungen von Antennensystemen werden bestimmt durch die momentane Bandbreite des abgestrahlten Signals, der erforderlichen räumlichen Ausbreitung des Signals, der erforderlichen Auflösungs- und Empfangseffizienz, und sich den aus den Abmessungen ergebenden Beschränkungen der speziellen Anwendung. Für Trägerwellen oder schmalbandige Signale sind die Entwurfselemente bekannt, um diese Ziele zu erreichen. Wenn die normierte Bandbreite aber sehr groß wird (50% bis 100%), stehen nur ein oder zwei Schwingungsperioden der Trägerwelle innerhalb eines Abstrahlzeitintervalles zur Verfügung und der schmalbandige Ansatz eines Antennenentwurfes ist somit hier nicht anwendbar. Diese Bedingungen für breitbandige Signale legen quasi-optische oder Zeitverzögerungs-Techniken als mögliche Antennenentwurfsmethoden nahe. Von den zwei Verfahren zum Entwurf von Antennen für breitbandige Signale findet der quasi optische Ansatz, bei dem Reflektoren, Linsen und Horntrichter benutzt werden, um die Entwurfsziele zu erreichen, größere Akzeptanz, obwohl eine Dispersion auftritt. Bei vielen Anwendungen kommt aber wegen räumlichen Beschränkungen und der dispersiven Charakteristik der optischen Verfahren das Zeitverzögerungsverfahren zur Anwendung.

Die vorliegende Erfindung ist durch die angefügten Ansprüche gekennzeichnet und benutzt Zeitverzögerungsverfahren, um Antennen für momentane breitbandige Signale herzustellen, die auf einer zylindrischen metallischen Oberfläche befestigt sind, wie z. B. dem Rumpf einer Rakete oder eines kleinen Flugzeuges, und die Oberflächen nicht wesentlich überragen.

Ein Sende- und Empfangssystem für momentane breitbandige Signale gemäß der Erfindung enthält eine lineare Anordnung von mit Kappen versehenen Monopolantennen, die auf der Oberfläche eines Zylinders parallel zu der Zylinderachse angeordnet sind. Jedes Element in der Anordnung wird von einem der vielen Impulsgeneratoren angeregt, wobei die Elemente sequentiell mit Zwischenzeitintervallen getriggert werden, die mit dem Abstand zwischen den Antennenelementen korrespondiert und somit eine Antennencharakteristik ermöglicht, die eine Leistungsspitze in der Richtung der sequentiellen Ordnung aufweist. Radarreflektionen werden von einer Antenne empfangen, die aus einer mit einer Kappe versehenen Monopolantenne, die über einen Schalter mit einem Empfänger in dem Zylinder verbunden ist, und einer zweiten mit einer Kappe versehenen Monopolantenne besteht, die als reflektierendes Element aufgestellt ist. Eine Isolation zwischen den Anordnungen aus empfangenden Monopolantennen und sendenden Monopolantennen wird durch die diametrale Anordnung der empfangenen und sendenden Elemente auf der zylindrischen Oberfläche, durchschneiden der zylindrischen Oberfläche in einer zu der Ebene aus empfangenden und sendenden Elemente senkrechten und durch die Zylinderachse verlaufenden Ebene, Einsetzen eines nicht leitenden Materials zwischen den so entstandenen Zylindersektionen zur erheblichen Reduzierung der Oberflächenströme, und der Entkopplung des Empfängers von den Empfangsantennen während der Übertragung durch Betätigung des Schalters hierzwischen in die offene Stellung während dieses Intervalles erreicht.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung und anhand der beiliegenden Zeichnungen, die als nichtlimitierende Beispiele lediglich bevorzugte Ausführungsformen illustrieren, besser verständlich werden.

Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine bildliche Darstellung von Sende- und Empfangsantennen, die an der Oberfläche eines gespaltenen Zylinders angeordnet sind, bei dem zwischen den Sektionen ein nichtleitendes Material angeordnet ist;

Fig. 2 eine schematische Zeichnung eines Impulsgenerators, der zur Benutzung zusammen mit einem Element der Sendeanordnung bestimmt ist;

Fig. 3 eine schematische Zeichnung eines sequentiellen Impulsgenerators, der zur sequentiellen Kopplung von Energie an Elemente der Sendeanordnung verwendet werden kann;

Fig. 4 eine schematische Zeichnung eines sequentiellen Impulsgenerators, in dem gemeinsame Aufladungs- und Entladungsdiodenelemente benutzt werden, und

Fig. 5 ein Blockdiagramm, zum Teil in schematischer Form, von dem Sende- und Empfangssystem.

Antennen, die mit dem dieser Erfindung zugrundeliegenden System benutzt werden können, sind auf einer zylindrischen Oberfläche befestigt in Fig. 1 dargestellt. Eine Anordnung 11 von Antennenelementen 11a, . . . , 11n, von denen jedes eine mit einer Kappe versehene Monopolantenne sein kann, die aus der Oberfläche eines Zylinders 12 entlang einer im wesentlichen zu der Zylinderachse 14 parallelen Linie 13 radial herausragen, kann als eine Sendeantenne durch sequentielle Erregung der Elemente 11a bis 11n benutzt werden, wie nachfolgend diskutiert werden wird. Die Kappen 15a bis 15n auf jeder Monopolantenne 16a bis 16n haben einen Durchmesser, der in etwa der Höhe der Monopolantenne entspricht, die z. B. kleiner sein kann, als ctr, wobei tr die Anstiegszeit des von dem Antennenelement auszusendenden Impulses und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Der Abstand s zwischen den Elementen 11a . . . 11n kann in etwa der Distanz entsprechen, die ein Signal während des sequentiellen Intervalls zwischen den Erregungen von angrenzenden Elementen zurücklegt. Wenn die Elemente sequentiell von 11n bis 11a erregt werden, wird durch diese Anordnung eine Richtkeule (beam) in einer Richtung gebildet, die durch den Pfeil 17 angedeutet ist.

Eine Empfangsantenne, die auf dem Zylinder 12 diametral zu der Sendeantenne 11 angeordnet ist, kann ein aktives Element 22 und ein reflektierendes Element 23 haben, das sich zu der zylindrischen Oberfläche hin verjüngt, wobei beide eine konische Monopolantenne sein können. Die aktiven und reflektierenden Elemente 22, 23 sind so geformt, daß die Impedanz-Fehlanpassung an der speisenden Übertragungsleitung minimiert wird. Mit Kappen versehene konische Monopolantennen mit einem Halbkegelwinkel von 470, dargestellt in Fig. 1, mit Höhen von ungefähr λ&sub0;/8 und einem Abstand d von ungefähr λ&sub0;/4 (λ&sub0; ist die Wellenlänge der Mittenfrequenz des Bandes) führen zu einer minimalen Fehlanpassung an einer 50 Ohm-Übertragungsleitung, wenn der Kappendurchmesser des aktiven Elementes 22 ungefähr der Höhe des Elementes entspricht, und der Kappendurchmesser von dem reflektierenden Element 23 ungefähr der doppelten Höhe des Elementes entspricht. Der Öffnungswinkel des Halbkegels von 47º ist nicht kritisch und Abweichungen hiervon können ohne signifikante Veränderung der Anpassung an der Speiseleitung durchgeführt werden.

Es ist anzumerken, daß auch andere Antennenarten, wie z. B. mit Kappen versehene Diskon-Antennen anstelle der mit Kappen versehenen Monopol-Antennen und konischen Monopol- Antennen verwendet werden können. Zusätzlich sollte angemerkt werden, daß für die Sendeantenne und die Empfangsantenne ähnliche Elemente verwendet werden können. Mit Kappen versehene Monopol-Antennen und mit Kappen versehene konische Monopol-Antennen haben Impedanzeigenschaften die ohne weiteres der Impedanz des Senders bzw. des Empfängers angepaßt werden können, die in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet werden und jeweils noch beschrieben werden.

Wenn jedes Element in der Sendeantenne 11 erregt wurde, werden auf der zylindrischen Oberfläche 12, die mit der Empfangsantenne 21 verbunden ist, Ströme induziert. Diese Ströme können eine ausreichende Amplitude haben, um den mit dem aktiven Element 22 gekoppelten Empfänger zu beschädigen und beeinträchtigt die minimale Reichweite des Radarsystems. Diese Ströme können durch Auseinanderschneiden der zylindrischen Oberfläche in einer durch die Zylinderachse verlaufenden Ebene in zwei gleiche Teile signifikant reduziert werden, wobei die hierbei entfernten Sektionen mit elektrisch absorbierendem oder nicht leitendem Material 24 ersetzt werden. Auf diese Weise wird eine signifikante Entkopplung zwischen den Sendeantennen und Empfangsantennen erreicht. Eine zusätzliche Entkopplung kann für viele Anwendungen notwendig sein. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die aktiven Elemente der Empfangsantenne und der Empfänger mit einem Schalter gekoppelt werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Ein für die Erregung der mit Kappen versehenen Monopolantennen- Elemente der Sendeantenne 11 geeigneter Impulsgenerator ist in Fig. 2 abgebildet. Ein Avalanchetransistor 25, der von dem bekannten Typ 2N2369 sein kann, wird über einen Anschluß 26 von einem externen Impuls an der Basis 25a angesteuert, um einen Impuls mit einem steilen Anstieg zu erhalten, der durch eine Amplitude von ungefähr 30 Volt und einer Länge von ungefähr 4ns gekennzeichnet ist. Dieser Impuls ist mit einer Entkopplungsverzögerungsleitung 27 und einer Ladeinduktivität 28 zur Ladung von einer Vielzahl von Ladungsspeichereinrichtungen verbunden, in denen seriell gekoppelte Speicherschaltdioden 31 (Diodengruppe) angeordnet sein können. Der durch die Verzögerungsleitung 27 geleitete Impuls gelangt auch über einen Kondensator 32 an einen Kollektor 33a eines Transistors 33, der von dem bekannten Typ MPSU04 sein kann, und verursacht zu einem durch einen durch die hieran angelegten Vorspannungen vorbestimmten Zeitpunkt durch eine Überspannung einen Lawinendurchbruch. Dies verursacht einen negativ werdenden Impuls sehr großer Aplitude (in der Größenordnung von 350 Volt), das der Gruppe von Dioden 31, die freie Ladungen aus dem Ladungsimpuls gespeichert hatten, rasch entleert. In dem Moment, wenn die freien Ladungen in der Gruppe 31 auf annähernd Null reduziert werden, springt die Spannung in der Gruppe 31 von ungefähr Null auf ungefähr -200 Volt innerhalb einer Zeitspanne von ungefähr 200ps und kehrt in einer vergleichbaren Zeitspanne zu ungefähr 0 Volt zurück, wodurch dem Verbindungspunkt 34, der mit einer mit einer Kappe versehenen Monopolantenne 35 verbunden ist, ein Puls von ungefähr 400 ps Dauer entsteht.

Eine Steigerung der abgestrahlten Leistung über das mit der Schaltung aus Fig. 2 erzielbare Maß hinaus kann durch eine lineare Anordnung von sequentiell versorgten Elementen erreicht werden, so daß die von jedem Sendeelement abgestrahlten Impulse an dem letzten erregten Element während seines Erregungsintervalles zusammenlaufen, um auf diese Weise eine Richtkeule in einer gewünschten Richtung auszusenden. Analog hierzu zeigt Fig. 3 einen Avalanchetransistor 36, der durch einen am Eingangskontakt 37 eingespeisten Impuls an seiner Basis angesteuert wird, so daß über Entkopplungsverzögerungsleitungen 41a bis 44a und Ladeinduktivitäten 41b bis 44b gleichzeitig eine Diodengruppe 41 bis 44 geladen wird. Von den Verzögerungsleitungen 41a bis 44a gelangen die Impulse auch zu den Kollektoren der Transistoren 41c bis 44c, um hier in einer Sequenz, die durch die an den Potentiometern 41d bis 44d geregelten Vorspannungen einer nicht eingezeichneten positiven Spannungsquelle bestimmt wird, durch Überspannungen Lawinendurchbrüche auszulösen. Die von den Diodenstapeln 41 bis 44 sequentiell erzeugten Impulse gelangen über die Leitungen 41e bis 44e zu den Elementen 41f bis 44f der Antennenanordnung.

Avalanchetransistoren sind temperatursensitiv und beeinflussen damit die Antennencharakteristiken, die von der sequentiellen Arbeitsweise von einer Vielzahl von Avalanchetransistoren abhängt, deren Leistung eine Funktion der Temperatur ist. Diese Temperaturabhängigkeit kann durch eine Entladung der Diodengruppe durch einen gewöhnlichen Avalanchetransistor minimiert werden. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird ein ladender Avalanchetransistor 51 und ein entladender Avalanchetransistor 52 nacheinander von einem Triggergenerator 53 getriggert, um ladende und entladende Impulse über Verzögerungsleitungen 54 bzw. 55 an einem Verbindungspunkt 56 zu erzeugen. Die ladenden und entladenden Signale werden nacheinander sequentiell über Verzögerungsleitungen 57a, 58a, 59a bzw. 60a zu Diodengruppen 57, 58, 59 bzw. 60 geleitet, wobei zwischen je zwei Signalen ein Zeitintervall liegt und das Sequenzintervall von den Verzögerungsleitungen 57a bis 60a bestimmt wird. Jede von den Diodenstapeln 57 bis 60 laden sich auf und entladen sich wieder in der beschriebenen Art und Weise und erregen sequentiell die Antennenelemente 57b, 58b, 59b und 60b, die einen Abstand zueinander haben, welche dem Sequenzintervall entspricht. In dieser Schaltung werden alle Diodengruppen durch einen einzigen Transistor geladen und durch einen anderen Transistor entladen, wodurch Temperaturveränderung der Transistoren vermieden werden, die Änderungen im Sequenzintervall und der Länge der ausgesandten Impulse bewirken. Es ist anzumerken, daß der Entladungstransistor durch eine Gruppe von Transistoren ersetzt werden kann, wenn eine Amplitude notwendig ist, die durch die Benutzung eines einzelnen Transistors nicht erreicht werden kann.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm der Geräte, die mit der Sendeanordnung 11 und der Empfangsantenne 21 aus Fig. 1 verbunden sind. Die wesentliche Beschränkung bezüglich der minimalen detektierbaren Reichweite von dem Kurzimpulsradarsystem leitet sich aus der direkten Verbindung von Sender 73 und Empfänger 74 ab. Ein Signal mit großer Amplitude, das direkt von dem Sender zu dem Empfänger gelangt, könnte den sich hierin befindenden Detektor ansprechen, selbst wenn er durch Gegenkopplung abgeglichen wird oder das Entfernungstor geschlossen ist. Wie bereits erwähnt, kann zwischen den beiden Zylindersektionen ein Absorber angeordnet werden, um die direkte Verbindung durch Oberflächenströme zu reduzieren. Eine weitere Reduzierung der direkten Verbindung kann mit einem Schalter 75 erlangt werden, der in der Schaltung zwischen der Empfangsantenne 72 und dem Empfänger 74 angeordnet ist. Der Schalter 75 kann eine SPST PIN-Diode sein, die von einer Schaltersteuerungsvorrichtung 76 gesteuert wird. Die Schaltersteuerungsvorrichtung 76 könnte Triggerimpulse von einem Sender 73 empfangen und die Triggerimpulse könnten dieselben Impulse sein, die benutzt werden, um den Ladungsimpulsgenerator 51 zu triggern.


Anspruch[de]

1. Kurzpuls-Antennensystem, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (26) zur Erzeugung von Triggerimpulsen; Ladungsvorrichtungen (25), die auf den Triggerimpuls hin Ladungsimpulse erzeugen; Impulsvorrichtungen (31) die sich auf einen Impuls von der Ladungsvorrichtung hin aufladen; Vorrichtungen (31, 41 bis 44) die auf die Ladungsvorrichtung hin ansprechen und mit der Pulsvorrichtung verbunden sind, um Entladungsimpulse an vorbestimmten Zeitintervallen nach den Ladungsimpulsen an die Impulsvorrichtungen zu schicken um die Impulsvorrichtungen zu entladen und eine Sequenz von kurzen Impulsen vorbestimmter Dauer und vorbestimmter Anstiegszeit zu erzeugen wobei dazwischen ein vorbestimmtes Zeitintervall liegt; und einer Anordnung von Antennenelementen (11a . . . - 11n), die auf Impulse von der Impulsvorrichtung in einer entsprechenden Sequenz zur Erzeugung von ausgesendeten Impulsen ansprechen, wobei die Antennenelemente einen Abstand (S) voneinander haben, der der Distanz entspricht, die Licht im freien Raum in einer Zeit zurücklegt, die dem vorbestimmten Zeitintervall entspricht.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Antennenelemente aus mit Kappen versehenen Monopolantennen (11a . . . . 11n) besteht, wobei die Höhe der Monopolantennen geringer ist, als die Distanz, die Licht in freiem Raum in jener vorbestimmten Anstiegszeit zurücklegt und der Durchmesser der Kappe auf ihr der Höhe der Monopolantenne entspricht.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsvorrichtungen (31) eine Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen aufweisen, die von jenen Ladungs- und Entladungsvorrichtungen ge- und entladen werden, um die kurzen Impulse zu erzeugen.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeicherelemente eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Speicherschaltdioden aufweisen.

5. Kurzpuls-Antennensystem, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (53) zur Erzeugung eines Triggerimpulses;

Ladungsvorrichtungen (51) die auf den Triggerimpuls ansprechen und einen Ladungsimpuls erzeugen; Entladungsvorrichtungen (52) die auf den Triggerimpuls ansprechen und an einen vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Ladungsimpuls einen Entladungsimpuls erzeugen; und Impulsvorrichtung (57-60) die mit der Ladungsvorrichtung und der Entladungsvorrichtung verbunden ist und zur Erzeugung einer Sequenz von kurzen Impulsen mit der vorbestimmten Anstiegszeit auf die Ladungs- und Entladungsimpulse anspricht, wobei die Sequenz vorbestimmte Zeitintervalle zwischen den Pulsen hat; und

eine Vielzahl von Antennenelementen (57b-60b) die auf die kurzen Impulse in einer korrespondierenden Sequenz zur Erzeugung von abgestrahlten Impulsen ansprechen, wobei die Antennenelemente einen Abstand (S) zwischeneinander haben, der der Entfernung entspricht, die Licht im freien Raum in einer Zeit zurücklegt, die der des vorbestimmten Zeitintervalls entspricht.

6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Impulsvorrichtung (57-60), mit einer Vielzahl von Ladungsspeicherelementen, die alle von der Ladungs- bzw. Entladungsvorrichtung ge- bzw. entladen werden, um einen kurzen Impuls mit einer vorbestimmten Anstiegszeit zu erzeugen und mit einer Vielzahl von Verzögerungselementen (57a-60a) zur Erzeugung von jeweils unterschiedlichen Zeitverzögerungen, die mit den Ladungsvorrichtungen und den Entladungsvorrichtungen und in entsprechender Weise mit der Vielzahl der Ladungsspeicherelemente verbunden sind, so daß die Ladungs- und Entladungsimpulse zu den Ladungsspeicherelementen mit Zeitintervallen dazwischen gelangen können, um jene Sequenz von kurzen Impulsen zu erzeugen.

7. System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsvorrichtungen (51) und Entladungsvorrichtungen (52) Avalanchetransistoren enthalten.

8. System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ladungsspeicherelement (57 bis 60) eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Speicherschaltdioden enthält.

9. System nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente Monopolantennen mit Kappen (11a . . . .11n) sind.

10. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch weitere Antennenvorrichtungen (22, 23) zum Empfangen von Reflektionen der abgestrahlten Impulse.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangende Antennenvorrichtung ein Beschickungsantennenelement (22) und ein Reflektionsantennenelement (23) enthält.

12. System nach Anpruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschickungsantennenelement (22) und das Reflektionsantennenelement (23) Diskon- Antennen sind.

13. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungs- und Reflektionsantennenelemente mit Kappen versehene Monopolantennen sind.

14. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungs- und Reflektionsantennenelemente (22, 23) konische Monopolantennen sind.

15. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Beschickungs- und Reflektionsantennenelemente (22, 23) konische Monopolantennen sind und eine von den Beschickungs- und Reflektionsantennenelementen (22, 23) eine Diskon-Antenne ist.

16. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (74) zum Empfangen von Kurzimpulsignalen; Vorrichtungen (75), die mit der Empfängervorrichtung (74) und dem Beschickungsantennenelement (22, 72) zum Verbinden und Lösen der Verbindung zwischen der Empfängervorrichtung und der Beschickungsvorrichtung auf ein Schaltsignal hin verbunden sind; und Steuerungsvorrichtungen (76), die mit den Schaltervorrichtungen verbunden sind und auf einen Steuerungsimplus hin ein Schaltimpuls erzeugen.







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