Phasengesteuerte Antenne

Abstract

 Eine linsenartige Schicht von Plasma (2) ist vor einer Strahlungsapertur (1) angeordnet, von der eine hinsicht­lich ihrer Nutzfrequenz (f2) oberhalb der Plasmafrequenz liegende Mikrowellenstrahlung ausgeht. Es ist eine Ein­richtung (3) zur bereichsweise unterschiedlichen Ein­stellung der Ionisationsdichte der Plasmaschicht vor­gesehen, wodurch eine entsprechend unterschiedliche Variation der dämpfungsarmen Phasenverschiebung der ab­gestrahlten Mikrowellen erreicht wird. Die Erfindung ist zur Anwendung bei phasengesteuerten Flächenantennen geeignet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine phasengesteuerte Antenne für Mikrowellen.

[0002] Feststehende Aperturantennen mit veränderbarer Strah­lungscharakteristik (Schwenkung und Veränderung des Strahlungsdiagramms) für Mikrowellen werden bisher vor­zugsweise als sogenannte phasengesteuerte Antennen (Phased Arrays) aufgebaut. Sie bestehen in der Regel aus einer Matrix einzelner Mikrowellenstrahler in Hohl­leiter- oder Microstriptechnik, wobei die Phase jedes einzelnen Strahlerelementes einstellbar ist. Diese Ein­stellung erfolgt beispielsweise mittels PIN-Dioden-­Phasenschieber oder Ferritphasenschieber. Beschrieben ist die Technik der phasengesteuerten Antennen beispielsweise in dem Aufsatz von R.J.Mailloux: "Phased Array Theory and Technology", in der Zeitschrift "Proceedings of the IEEE", Vol.70, No.3, March 1982, Seiten 246-292. Der Nachteil der bekannten Technik der phasengesteuerten Antennen liegt in ihrer Komplexität, da jedes Strahlerelement einen Phasenschieber und unter Umständen einen nachge­schalteten Verstärker benötigt. Ein weiterer Nachteil liegt in der nur schwer erfaßbaren Verkopplung zwischen den einzelnen Strahlerelementen.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, eine die Schwenkung und Veränderung des Strahlungsdiagramms erlaubende, phasen­gesteuerte Antenne zu schaffen, die bei feststehendem Aufbau weniger komplex ist und der keine Strahler­element-Verkopplungsschwierigkeiten anhaften.

[0004] Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß vor einer Strahlungsapertur eine linsenartige Schicht von Plasma, d.h. ein weitgehend ionisiertes Gas, angeordnet ist, daß die Nutzfrequenz der von der Strahlungsapertur ausgehenden Mikrowellen so gewählt ist, daß sie oberhalb der sogenannten Plasmafrequenz liegt, und daß eine Einrichtung zur bereichsweise unterschiedlichen Variation der Ionisationsdichte der Plasmaschicht vorgesehen ist.

[0005] Die Erfindung nutzt den Effekt der komplexen Aus­breitungskonstanten einer elektromagnetischen Welle in einem Plasma. Damit sich eine elektromagnetische Welle im Plasma fortpflanzen kann, muß ihre Frequenz bekanntlich größer als die Plasmafrequenz sein. Im anderen Fall können die Elektronen des Plasmas das magnetische Feld der Welle abschirmen und die Welle wird durch das Plasma stark gedämpft oder sogar total reflektiert. Dieser zuletzt erwähnte physikalische Sachverhalt ist beispiels­weise aus der "Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik", 1980, Verlag Moderne Industrie, Landsberg/Lech, Seiten 3347-3351, insbesondere Seite 3350, linke Spalte, Begriff "Plasmaschwingungen", bekannt. Liegt die Nutz­frequenz nunmehr weit genug oberhalb dieser sogenannten Plasmafrequenz, dann läßt sich nach der Erfindung durch eine Variation der Ionisationsdichte eine dämpfungsarme Phasenverschiebung der Mikrowellenstrahlung erreichen.

[0006] Das Plasma läßt sich prinzipiell auf verschiedenen Wegen erstellen und hinsichtlich seiner Ionisationsdichte steuern. Möglich ist beispielsweise in diesem Zusammen­ hang eine gesteuerte Gasentladung, eine Mikrowellen­aufheizung, Elektronenbeschuß oder eine Bestrahlung mit kurzwelligem Licht oder einer UV-Strahlung.

[0007] Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier Figuren be­schrieben. Es zeigen

Fig. 1 die Anordnung für ein erstes prinzipielles Aus­führungsbeispiel,

Fig. 2 die Anordnung für ein zweites prinzipielles Aus­führungsbeispiel,

Fig. 3 die Anordnung für einen grundlegenden Demon­strationsversuch.

[0008] In einer Schemaansicht ist in Fig.1 ein erstes prinzipielles Ausführungsbeispiel zur Realisierung der Erfindung dargestellt. Die linsenartige Schicht von Plasma 2 ist in einem quaderförmigen Hohlraum 4 einge­bracht. Der quaderförmige Hohlraum 4 liegt vor der Strahlungsapertur 1 eines in sogenannter Off-set-Lage angeordneten Hornstrahlers 5, der die Mikrowellen­strahlung mit der Frequenz f1 auf das sich im Hohl­raum 4 befindliche Plasma 2 bündelt. Diese Mikro­wellenstrahlung mit der Frequenz f1 heizt das Plasma 2 auf eine Grundionisationsdichte auf und ist in ihrer Leistung konstant. Seitlich vom quaderförmigen Hohl­raum 4 ist ein Feld mit einer Vielzahl von UV-Stahlern 6 angeordnet, das als Einrichtung 3 zur Variation der Ionsationsdichte des Plasmas 2 und damit zur Plasma­modulation dient. Von der Strahlungsapertur 1 des Hornstrahlers 5 geht eine Mikrowellenstrahlung mit einer zweiten Frequenz, nämlich der Nutzfrequenz f2, aus und wird auf den das Plasma 2 enthaltenden Hohlraum 4 ab­gestrahlt. Die Mikrowellenstrahlung mit der Frequenz f2 kann auch durch einen anderen Erreger, der also nicht die Heizfrequenz f1 in die Plasmaschicht 2 einstrahlt, ausge­sandt werden. Das Feld mit den UV-Strahlern 6 ist gegen­über einer Seitenfläche des quaderförmigen Hohlraums 4 angeordnet und ist mit diesem etwa deckungsgleich. Die UV-Stahler 6 strahlen senkrecht auf diese Seitenfläche ein. Die parallel zur UV-Strahlungsrichtung verlaufenden Seiten des quaderförmigen Hohlraums sind hinsichtlich ihrer in Richtung der UV-Strahlung verlaufenden Länge erheblich kürzer als die übrigen Quaderseiten bemessen, so daß sich ein flacher Quader ergibt, der also in UV-Strahlungsausbreitungsrichtung relativ dünn ist. Bei der Anwendung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1 reicht eine einzige flächenhafte Plasmaschicht aus, um das Strahlungsdiagramm bei der Nutzfrequenz f2 in jeder möglichen Weise zu ändern.

[0009] In der Schemaansicht nach Fig.2 ist ein zweites prinzipielles Ausführungsbeispiel zur Realisierung der Erfindung dargestellt. Hierbei ist vor der Strahlungs­apertur 1 eines Hohlleiterstrahlers 9, der eine Mikro­wellenstrahlung mit der Nutzfrequenz f2 abgibt, eine linsenartige Plasmaschicht in Form einzelner Plasma­röhren 7 und 8 mit jeweils rechteckigem Querschnitt vorgesehen. Das Plasma 2 befindet sich in einer Reihe gleichartiger, geradlinig verlaufender, voneinander getrennter, aber lückenlos aneinander angrenzender Plasmaröhren 7 bzw. 8, die alle einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Plasmaröhren 7 sind dabei so angeordnet, daß ihre Längsachsen vertikal verlaufen, wogegen die Längsachsen der Plasmaröhren 8 horizontal ausgerichtet sind. Die Plasmaröhren 7 einerseits und die Plasmaröhren 8 andererseits sind so angeordnet, daß sich jeweils ein schichtartiges Plasmaröhrenfeld ergibt.

[0010] Die durch die Aneinanderreihung mehrerer Plasmaröhren 7 bzw. 8 entstehenden Plasmaschichten werden von einer von der Strahlungsapertur des Hohlleiterstrahlers 9 ausgehenden ebenen Welle mit geeigneter Nutzfrequenz f2 durchstrahlt, welche höher liegt als die Plasmafrequenz. Die Art der Polarisation der Mikrowellenstrahlung ist dabei ohne Bedeutung (vernachlässigbare Magnetfelder, z.B. nur Erdmagnetfeld). Für den Fall, daß jedes durch eine Plasmaröhre 7 realisiertes Linsenelement der der Strahlungsapertur benachbarten Schicht eine Phasen­variation bis zu 2 π erlaubt, ist es möglich, die Phase entlang der x-Achse zu modulieren und damit eine Diagrammveränderung, z.B. vorzugsweise eine Schwenkung, in azimutaler Richtung zu bewirken. Durch die darge­stellte Kombination zweier hintereinander liegender Plasmaschichten besteht die Möglichkeit der Diagramm­manipulation in Azimut und Elevation. Bei der Diagramm­veränderung in der Elevationsrichtung wird die Phase entlang der x-Achse durch Phasenvariation der Plasma­röhren 8 erreicht. Voraussetzung ist, daß die Ionisationsdichte jeder dieser Plasmaröhren 7 bzw. 8 getrennt variiert werden kann.

[0011] Fig. 3 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild die Anordnung für einen grundlegenden Demonstrationsversuch. Hierzu wird eine handelsübliche Leuchtstoffröhre 10 ver­wendet. Das HF-Signal vom Ausgang 11 eines Mikrowellen­senders 12 wird über einen Richtungskoppler 13 geleitet und mittels einer Sonde 14 in einen Hohlleiter 15 ein­gekoppelt. An seinem Ende 16 wirkt der Hohlleiter 15 als Hohlleiterstrahler, der eine Seite der Leuchtstoffröhre 10 bestrahlt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Leuchtstoffröhre 10 ist ebenfalls ein Hohlleiter 17 mit seinem offenen Ende 18 angeordnet, welches die die Leuchtstoffröhre 10 durchquerende Mikrowellenstrahlung aufnimmt. An einer Sonde 19 wird dem Hohlleiter 17 ein Mikrowellensignal entnommen und einem Eingang 20 eines Netzwerkanalysators 21 zugeführt. Der Analysator 21 weist noch einen zweiten Eingang 22 auf, dem zu Vergleichs­zwecken bei der Analyse ein über den Richtungskoppler 13 vom Ausgang 11 des Mikrowellensenders 12 unmittelbar entnommenes HF-Teilsignal zugeführt wird. Da die Plasma­frequenz der handelsüblichen Leuchtstoffröhren etwa zwischen 8 und 9 GHz liegt (10¹² Elektronen und Ionen pro cm³), wurden Versuche mit Signalfrequenzen von 9 bis 12,4 GHz durchgeführt. Dabei ließ sich im Bereich zwischen 10 und 11 GHz beim Durchgang einer elektromagnetischen Mikrowelle durch das Plasma 23 ein fast dämpfungsfreier Phasenhub von 90° erzielen. Die Dämpfungs- und Phasen­hubwerte sind stark abhängig von den Plasmaparametern, wie z.B. dem Druck, dem Ionisationsgrad und der Elektronentemperatur.

Ansprüche

1. Phasengesteuerte Antenne für Mikrowellen,
dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Strahlungsapertur (1) eine linsenartige Schicht von Plasma (2), d.h. ein weitgehend ionisiertes Gas, angeordnet ist, daß die Nutzfrequenz (f2) der von der Strahlungsapertur ausgehenden Mikrowellen so gewählt ist, daß sie oberhalb der sogenannten Plasmafrequenz liegt, und daß eine Einrichtung (3) zur bereichsweise unterschiedlichen Variation der Ionisationsdichte der Plasmaschicht vorgesehen ist.

2. Antenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Er­stellung des Plasmas (2) und zur Variation von dessen Ionisationsdichte eine gesteuerte Gasentladung vorgesehen ist.

3. Antenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erstellung des Plasmas (2) und/oder die Variation von dessen Ionisationsdichte mittels Mikrowellenaufheizung erfolgt.

4. Antenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Er­stellung des Plasmas (2) und/oder die Variation von dessen Ionisationsdichte durch Elektronenbeschuß erfolgt.

5. Antenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Er­stellung des Plasmas (2) und/oder die Variation von dessen Ionisationsdichte durch Bestrahlung mit kurz­welligem Licht oder UV-Strahlung erfolgt.

6. Antenne nach den Ansprüchen 1, 3 und 5,
dadurch gekennzeichnet, daß sich das Plasma (2) in einem quaderförmigen Hohlraum (4) befindet, der unter schräger Anstrahlung vor der Strahlungsapertur (1), z.B. derjenigen eines Off-Set-Hornstrahlers (5), liegt, daß von der Strahlungsapertur eine leistungs­konstante Mikrowellenstrahlung mit einer ersten Frequenz (f1) ausgeht, die das Plasma (2) auf eine Grundionisations­dichte aufheizt, daß seitlich vom quaderförmigen Hohl­körper ein Feld mit einer Vielzahl von UV-Strahlern (6) angeordnet ist, das als Einrichtung (3) zur Variation der Ionisationsdichte des Plasmas und damit zur Plasma­modulation dient, und daß eine Mikrowellenstrahlung mit einer zweiten Frequenz (f2), nämlich der Nutzfre­quenz, von einer anderen oder vorzugsweise ebenfalls von der gleichen Strahlungsapertur (1) ausgeht und auf den das Plasma enthaltenden, quaderförmigen Hohlraum (4) abgestrahlt wird.

7. Antenne nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Feld mit den UV-Strahlern (6) gegenüber einer Seitenfläche des quaderförmigen Hohlraums (4) angeordnet und mit diesem etwa deckungsgleich ist, daß die UV-Strahler senkrecht auf diese Seitenfläche einstrahlen, und daß die parallel zur UV-Strahlungsrichtung verlaufenden Seiten des quaderförmigen Hohlraums hinsichtlich ihrer Länge in dieser Richtung erheblich kürzer als die übrigen Quaderseiten bemessen sind, so daß sich ein flacher Quader ergibt, der also in UV-Strahlungsausbreitungs­richtung relativ dünn ist.

8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß sich das Plasma (2) in einer Reihe gleichartiger, gerade ausge­bildeter, voneinander getrennter, aber lückenlos anein­ander angrenzender Plasmaröhren (7 bzw. 8) mit jeweils rechteckigem Querschnitt befindet, daß diese Plasmaröhren so angeordnet sind, daß sich ein schichtartiges Plasma­röhrenfeld ergibt, und daß die Ionisationsdichte jeder dieser Plasmaröhren getrennt einstellbar ist.

9. Antenne nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaröhren (7) so angeordnet sind, daß ihre Längs­achsen vertikal verlaufen.

10. Antenne nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaröhren (8) so angeordnet sind, daß ihre Längs­achsen horizontal verlaufen.

11. Antenne nach den Ansprüchen 9 und 10,
gekennzeichnet durch die deckungsgleiche, hintereinanderliegende Kombination zweier solcher Plasma­röhrenanordnungen.

Zeichnung