EP0562355A2 - Antenna for radar surveillance - Google Patents
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- EP0562355A2 EP0562355A2 EP93103761A EP93103761A EP0562355A2 EP 0562355 A2 EP0562355 A2 EP 0562355A2 EP 93103761 A EP93103761 A EP 93103761A EP 93103761 A EP93103761 A EP 93103761A EP 0562355 A2 EP0562355 A2 EP 0562355A2
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- reflector
- antenna
- antenna according
- exciters
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
- H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
- H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
- H01Q19/17—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source comprising two or more radiating elements
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
- H01Q25/02—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns providing sum and difference patterns
Definitions
- the invention relates to an antenna according to the preamble of claim 1.
- a traffic control radar In order to control the flow of traffic at intersections of multi-lane carriageways, a traffic control radar is proposed (European patent application 92 100 151.7), which provides information about position, speed and possibly also the type of vehicles available.
- the position of the vehicle is sufficiently defined by the distance and the assignment of the vehicle to a lane.
- the distance and speed of the vehicle can be determined from the echo signals in a known manner from the transit time and Doppler effect.
- a rough classification of the vehicles might also be possible using certain recognition patterns.
- the assignment to a lane can be determined by an azimuthal angular bearing, e.g. according to the amplitude or phase monopulse method.
- the antenna must have special DF properties in monopulse mode.
- Previously known monopulse antennas used in particular for the target tracking radar, consist of a centrally fed parabolic antenna.
- the resulting radiation lobe is rotationally symmetrical in cross section and bundled in longitudinal section according to the aperture width (C.Rint: "Handbook for High Frequency and Electrical Technicians", Volume 4, 1980, 10th Edition, page 705).
- C.Rint "Handbook for High Frequency and Electrical Technicians", Volume 4, 1980, 10th Edition, page 705
- Typical radar antennas fed with a double exciter with a fan beam and cosec2 vertical characteristics in the beam cross section are also known, e.g. from the essay by G.V. Trentini, W. Jatsch: "Omnidirectional radar antennas for monopulse direction finding", in the journal “Frequency” 21 (1970), 5, pages 144-149.
- the longitudinal beam cut is not optimal, but is reasonably well adapted to the area to be illuminated.
- the beam cross section does not meet the requirements.
- the shaping of the beam cross section of reflector antennas is known in connection with the illumination of earth areas by satellite antennas (e.g. NTG technical reports volume 52, 1975, satellite radio systems, W. Rebhan: "Possibilities and assessment criteria for the illumination of earth areas by satellite on-board antennas", page 178 -186).
- Satellite antennas e.g. NTG technical reports volume 52, 1975, satellite radio systems, W. Rebhan: "Possibilities and assessment criteria for the illumination of earth areas by satellite on-board antennas", page 178 -186.
- the object of the invention is to provide an antenna for radar monitoring of an at least approximately rectangularly delimited coverage area, in particular for a road traffic control radar, which has suitable bearing properties.
- the requirements for the radiation properties of a radar antenna 1 used for traffic detection are dealt with.
- the radar antenna 1 will be at a relatively low height of approx. 4 m above the center, possibly also at the edge of one Lane 2 are located.
- the detection area 3 begins at approx. 10 m and ends at approx. 200 m, so that the corners A, B, C, D of the surface of the road to be illuminated appear from the antenna 1 at very different angles.
- the antenna 1 must therefore have a total radiation characteristic whose beam width varies greatly depending on the elevation and whose vertical section is similar to the typical cosecans curve of radar antennas.
- a common radar antenna such as that used for flight surveillance, would not be suitable for several reasons: firstly, the azimuth bearing in the present problem is caused by a monopulse and not by mechanical rotation of the reflector; secondly, the fan-shaped beam cross section is not adapted to the coverage area, and thirdly, there is one
- the cosec2 characteristic in the vertical section is not optimal, since it requires distant objects with a constant reflection cross section.
- FIGS. 1 and 2 show, the radar antenna 1 is located in the near field of the scattering objects to be considered. It has been shown that the situation shown in FIGS. 1 and 2 results in better selectability of vehicles 4, 5 with a less strongly decreasing radiation characteristic.
- the drawn, closed isoradiol lines correspond to a realistic, the illuminated area already quite well adapted radiation distribution. Reaching them is the first goal of reflector shaping.
- a differential characteristic is also required for direction finding according to the monopulse principle.
- the quotient of the difference and sum signal, namely the discriminator curve, should have a monotonous and linear course within the illumination area in order to ensure a clear and consistently accurate assignment of the direction-finding signal to the direction-finding angle. This is the second goal of reflector shaping.
- the quotient Q from the difference and sum amplitude is a complex quantity, it being possible to evaluate the phase or amplitude information in order to obtain the bearing signal.
- the required change in the beam width of an aperture radiator can in principle be achieved by changing the aperture width or the aperture assignment.
- the aperture width is preferably kept constant in order to limit the overexposure of the primary field.
- the setting of the amplitude and phase of the aperture assignment is, however, only possible to a limited extent with a single reflector antenna, and above all not independently of one another.
- the discriminator curve also enables a clear bearing.
- the sum and difference characteristic is in the usual way by a double exciter feeding system generated in combination with a hybrid.
- both exciters can be replaced approximately with an exciter with equivalent aperture size.
- the problem therefore consists in shaping the contour of the reflector for a given primary radiator and given height and width of the reflector edge in such a way that the above-mentioned properties of the radiation characteristics are achieved in the sum and difference modes.
- Equations (1), (2) the coordinate system according to FIG. 6 being required.
- the area is supplemented in the case of the fan club, which is strongly bundling in all azimuth sections, by means of differential strips of fictitious paraboloids P, the focal lengths F of which depend on the radius vector r ( ⁇ ) of the central section, compare equations (3) to (6).
- the "sheet" of parallel rays that is incident on the central section M at a certain angle ⁇ is reflected by the partial surface of a paraboloid of revolution P, the axis of which is parallel to the incident rays, at a common focal point.
- the focal length F is only a function of the primary field angle ⁇ in the case of the fan club.
- the focal length F can be changed as it would be caused by exciter defocusing, cf. see equation (7).
- the focal length F thus becomes a function of both the primary and the secondary angle.
- the definition equations of the reflector surface are in parameter form: An advantageous embodiment of an antenna according to the invention is described below. Depending on the assignment of the contact angles of the primary or secondary field, there are two computationally equivalent solutions for the middle cut with a convergent or divergent beam path.
- Fig. 7 shows the convergent solution, in which a caustic occurs on the excitation side of the reflector in the beam path of the reflector.
- 8 shows the divergent solution for the middle section, in which a caustic occurs in the beam path of the reflector on the side of the reflector facing away from the exciter side.
- the convergent solution (Fig. 7) enables a more compact antenna design and is therefore preferred.
- the optimization of the reflector surface can be done purely mathematically in an iterative process, which includes the geometrical-optical contour synthesis and the physical-optical radiation analysis.
- the parameter set for the contour synthesis can be varied systematically until the desired radiation properties arise.
- FIG. 9 to 11 show a top view, side view and front view of the structure of a radar device for traffic detection with a reflector antenna according to the invention with special monopulse direction finding properties.
- the reflector 6 of the antenna has a rectangular border and is fed diagonally from above by two horns 7 and 8 abutting one another on the longitudinal side.
- the main beam direction of the exciters formed by the horn radiators 7 and 8 includes an acute angle with the z-axis of the antenna coordinate system.
- a housing 9 lined with absorber material with a radome 10 in the form of an essentially cylindrical, is downward inclined surface provided.
- the antenna according to the invention not only for radar monitoring in connection with a road traffic regulation, but in general for monitoring an area, i.e. also for the purpose of motion detection or for illuminating an area, such as a section of a street.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an antenna according to the preamble of claim 1.
Zur Steuerung des Verkehrsflusses an Kreuzungen von mehrspurigen Fahrbahnen ist ein Verkehrsregelungsradar vorgeschlagen (Europäische Patentanmeldung 92 100 151.7), das Informationen über Position, Geschwindigkeit und evtl. auch die Art der vorhandenen Fahrzeuge liefert. Die Position des Fahrzeugs ist hinreichend definiert durch die Entfernung und die Zuordnung des Fahrzeugs zu einer Fahrspur. Entfernung und Geschwindigkeit des Fahrzeugs lassen sich aus den Echosignalen in bekannter Weise aus Laufzeit und Dopplereffekt ermitteln. Über bestimmte Erkennungsmuster wäre evtl. auch eine grobe Klassifizierung der Fahrzeuge möglich. Die Zuordnung zu einer Fahrspur läßt sich durch eine azimutale Winkelpeilung, z.B. nach dem Amplituden- oder Phasenmonopulsverfahren, durchführen. Zu diesem Zweck muß die Antenne allerdings über besondere Peileigenschaften im Monopulsbetrieb verfügen.In order to control the flow of traffic at intersections of multi-lane carriageways, a traffic control radar is proposed (European patent application 92 100 151.7), which provides information about position, speed and possibly also the type of vehicles available. The position of the vehicle is sufficiently defined by the distance and the assignment of the vehicle to a lane. The distance and speed of the vehicle can be determined from the echo signals in a known manner from the transit time and Doppler effect. A rough classification of the vehicles might also be possible using certain recognition patterns. The assignment to a lane can be determined by an azimuthal angular bearing, e.g. according to the amplitude or phase monopulse method. For this purpose, however, the antenna must have special DF properties in monopulse mode.
Bisher bekannte, insbesondere beim Zielfolgeradar verwendete Monopulsantennen bestehen aus einer zentral gespeisten Parabolantenne. Die entstehende Strahlungskeule ist im Querschnitt rotationssymmetrisch und im Längsschnitt entsprechend der Aperturbreite gebündelt (C.Rint: "Handbuch für Hochfrequenz- und Elektro-Techniker", Band 4, 1980, 10. Auflage, Seite 705). In keiner Weise sind derartige Monopulsantennen an die Erfordernisse der Fahrbahnausleuchtung besonders angepaßt.Previously known monopulse antennas, used in particular for the target tracking radar, consist of a centrally fed parabolic antenna. The resulting radiation lobe is rotationally symmetrical in cross section and bundled in longitudinal section according to the aperture width (C.Rint: "Handbook for High Frequency and Electrical Technicians", Volume 4, 1980, 10th Edition, page 705). In no way are such monopulse antennas particularly adapted to the requirements of road illumination.
Es sind auch mit Doppelerreger gespeiste, typische Radarantennen mit Fächerkeule und cosec²-Vertikalcharakteristik im Strahlquerschnitt bekannt, z.B. aus dem Aufsatz G.v.Trentini, W.Jatsch: "Rundsicht-Radarantennen für Monopulspeilung", in der Zeitschrift "Frequenz" 21 (1970), 5, Seiten 144-149. In diesem Fall ist der Strahllängsschnitt zwar nicht optimal, doch einigermaßen gut der auszuleuchtenden Fläche angepaßt. Der Strahlquerschnitt hingegen entspricht nicht den Anforderungen.Typical radar antennas fed with a double exciter with a fan beam and cosec² vertical characteristics in the beam cross section are also known, e.g. from the essay by G.V. Trentini, W. Jatsch: "Omnidirectional radar antennas for monopulse direction finding", in the journal "Frequency" 21 (1970), 5, pages 144-149. In this case, the longitudinal beam cut is not optimal, but is reasonably well adapted to the area to be illuminated. The beam cross section, however, does not meet the requirements.
Die Formung des Strahlquerschnitts von Reflektorantennen ist im Zusammenhang mit der Ausleuchtung von Erdgebieten durch Satellitenantennen bekannt (z.B. NTG-Fachberichte Band 52, 1975, Satelliten-Funksysteme, W.Rebhan: "Möglichkeiten und Beurteilungskriterien bei der Ausleuchtung von Erdgebieten durch Satellitenbordantennen", Seiten 178-186). Dabei wird versucht, die Feldstärke innerhalb des Ausleuchtgebietes auf einem möglichst konstanten Wert zu halten, wobei aber Pegelschwankungen durchaus zulässig sind. Auf die vorliegende Problemstellung bezogen, würde man lediglich die Summencharakteristik optimieren, nicht jedoch die Differenzcharakteristik bzw. die Diskriminatorkurve. Eine Übernahme und Anwendung dieser Methoden würde daher in der Regel nicht zum geforderten Peilverhalten der Antenne führen.The shaping of the beam cross section of reflector antennas is known in connection with the illumination of earth areas by satellite antennas (e.g. NTG technical reports volume 52, 1975, satellite radio systems, W. Rebhan: "Possibilities and assessment criteria for the illumination of earth areas by satellite on-board antennas", page 178 -186). An attempt is made to keep the field strength within the illumination area at a constant value, although level fluctuations are quite permissible. In relation to the problem at hand, one would only optimize the sum characteristic, but not the difference characteristic or the discriminator curve. The adoption and application of these methods would therefore generally not lead to the required direction finding of the antenna.
Aufgabe der Erfindung ist es, zur Radar-Überwachung eines zumindest angenähert rechteckig begrenzten Ausleuchtgebiets, insbesondere für ein Straßenverkehrsregelungsradar, eine Antenne zu schaffen, die über geeignete Peileigenschaften verfügt.The object of the invention is to provide an antenna for radar monitoring of an at least approximately rectangularly delimited coverage area, in particular for a road traffic control radar, which has suitable bearing properties.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Antenne durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved in a generic antenna by the features specified in the characterizing part of patent claim 1.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Appropriate developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwölf Figuren erläutert. Es zeigen
- Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer zur Verkehrsregelung eingesetzten Radarantenne nach der Erfindung,
- Fig. 2 eine Ansicht von oben auf die Fahrbahnfläche und die mit der Antenne nach Fig.1 auszuleuchtende Fahrbahnfläche,
- Fig. 3 ein Ausleuchtgebiet in Antennenkoordinaten,
- Fig. 4 Summen- und Differenzcharakteristika,
- Fig. 5 Diskriminatorkurven,
- Fig. 6 eine geometrische Darstellung zur Erklärung der Erzeugung der Reflektorfläche aus dem vertikal verlaufenden Mittelschnitt des Reflektors,
- Fig. 7 und 8 den Reflektormittelschnitt bei konvergentem bzw. divergentem Strahlengang,
- Fig. 9, 10 und 11 den konstruktiven Aufbau eines der Verkehrsregelung dienenden Radargerätes mit einer Antenne nach der Erfindung in einer Ansicht von oben, von der Seite bzw. von vorne,
- Fig. 12 Reflexionszonen im Reflektor bei verschiedenen Einfallwinkeln.
- 1 is a vertical section of a radar antenna used for traffic control according to the invention,
- 2 shows a view from above of the road surface and the road surface to be illuminated with the antenna according to FIG. 1,
- 3 shows a coverage area in antenna coordinates,
- 4 sum and difference characteristics,
- 5 discriminator curves,
- 6 is a geometrical representation for explaining the generation of the reflector surface from the vertically running central section of the reflector,
- 7 and 8 the reflector center section with convergent or divergent beam path,
- 9, 10 and 11 the structural design of a traffic control radar device with an antenna according to the invention in a view from above, from the side or from the front,
- Fig. 12 reflection zones in the reflector at different angles of incidence.
Zunächst wird im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 auf die Anforderungen an die Strahlungseigenschaften einer zur Verkehrserfassung eingesetzten Radarantenne 1 eingegangen. In der Regel wird sich die Radarantenne 1 in relativ geringer Höhe von ca. 4 m über der Mitte, evtl. auch am Rand einer Fahrbahn 2 befinden. Der Erfassungsbereich 3 beginnt bei ca. 10 m und endet bei ca. 200 m, so daß die Ecken A,B,C,D der auszuleuchtenden Fläche der Fahrbahn von der Antenne 1 aus gesehen unter sehr unterschiedlichen Winkeln erscheinen.First, in connection with FIGS. 1 and 2, the requirements for the radiation properties of a radar antenna 1 used for traffic detection are dealt with. As a rule, the radar antenna 1 will be at a relatively low height of approx. 4 m above the center, possibly also at the edge of one
Die Antenne 1 muß daher eine Summen-Strahlungscharakteristik aufweisen, deren Strahlbreite abhängig von der Elevation stark variiert und deren Vertikalschnitt dem typischen Cosecans-Verlauf von Radarantennen ähnelt. Eine übliche Radarantenne, wie sie etwa zur Flugüberwachung eingesetzt wird, wäre aus mehreren Gründen nicht geeignet: Erstens erfolgt die Azimutpeilung beim vorliegenden Problem durch Monopuls und nicht durch mechanische Drehung des Reflektors, zweitens ist der fächerförmige Strahlquerschnitt nicht an das Ausleuchtgebiet angepaßt und drittens ist eine cosec²-Charakteristik im Vertikalschnitt nicht optimal, da sie weit entfernte Objekte mit konstantem Rückstrahlquerschnitt voraussetzt. Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, befindet sich die Radarantenne 1 im Nahfeld der in Betracht zu ziehenden Streuobjekte. Es hat sich gezeigt, daß sich bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Situation bei einer weniger stark abfallenden Strahlungscharakteristik eine bessere Selektierbarkeit von Fahrzeugen 4,5 ergibt.The antenna 1 must therefore have a total radiation characteristic whose beam width varies greatly depending on the elevation and whose vertical section is similar to the typical cosecans curve of radar antennas. A common radar antenna, such as that used for flight surveillance, would not be suitable for several reasons: firstly, the azimuth bearing in the present problem is caused by a monopulse and not by mechanical rotation of the reflector; secondly, the fan-shaped beam cross section is not adapted to the coverage area, and thirdly, there is one The cosec² characteristic in the vertical section is not optimal, since it requires distant objects with a constant reflection cross section. As FIGS. 1 and 2 show, the radar antenna 1 is located in the near field of the scattering objects to be considered. It has been shown that the situation shown in FIGS. 1 and 2 results in better selectability of
Bildet man die auszuleuchtende Fläche in das antennenfeste Koordinatensystem x,y,z der Fig. 1 und 2 mit den normierten Koordinaten
Die Figuren 4 und 5 geben anhand von zwei Diagrammschnitten u = u₁ und u = u₂ ein Beispiel für die erwünschten Verläufe der Summen-, Differenzcharakteristiken (Fig.4) und Diskriminatorkurven (Fig.5). Im allgemeinen ist der Quotient Q aus der Differenz- und Summenamplitude eine komplexe Größe, wobei zur Gewinnung des Peilsignals die Auswertung der Phasen- oder Amplitudeninformation möglich ist. Die geforderte Veränderung der Strahlbreite eines Aperturstrahlers läßt sich prinzipiell durch Ändern der Aperturbreite oder der Aperturbelegung erreichen. Bei Reflektorantennen wird vorzugsweise die Aperturbreite konstant gehalten, um damit die Überstrahlung des Primärfeldes zu begrenzen. Die Einstellung der Amplitude und Phase der Aperturbelegung ist aber bei einer Ein-Reflektor-Antenne nur in begrenztem Umfang, und vor allem nicht unabhängig voneinander, möglich. In der Regel wird mit zunehmender Verbreiterung der Strahlungskeule der ursprünglich glatte Verlauf der Strahlungscharakteristik immer welliger, weil die Verbreiterung eigentlich nur durch Überlagerung mehrerer stark gebündelter Einzelkeulen zustande kommt. Somit ist zwar die Ausleuchtung einer Fläche ohne weiteres möglich; es ist jedoch nicht selbstverständlich, daß innerhalb dieses Ausleuchtgebiets die Diskriminatorkurve auch eine eindeutige Peilung ermöglicht. Die Summen- und Differenzcharakteristik wird in üblicher Weise durch ein Doppelerreger-Speisesystem in Kombination mit einem Hybrid erzeugt. Für die Betrachtung der Summencharakteristik können beide Erreger näherungsweise durch einen Erreger mit äquivalenter Aperturgröße ersetzt werden. Das Problem besteht somit darin, bei gegebenem Primärstrahler und vorgegebener Höhe und Breite der Reflektorberandung die Kontur des Reflektors so zu formen, daß die vorstehend genannten Eigenschaften der Strahlungscharakteristik im Summen- und Differenzmodus erreicht werden.Figures 4 and 5 give two examples with the help of two diagram sections u = u₁ and u = u₂ for the desired courses of the sum, difference characteristics (Fig.4) and discriminator curves (Fig.5). In general, the quotient Q from the difference and sum amplitude is a complex quantity, it being possible to evaluate the phase or amplitude information in order to obtain the bearing signal. The required change in the beam width of an aperture radiator can in principle be achieved by changing the aperture width or the aperture assignment. In the case of reflector antennas, the aperture width is preferably kept constant in order to limit the overexposure of the primary field. The setting of the amplitude and phase of the aperture assignment is, however, only possible to a limited extent with a single reflector antenna, and above all not independently of one another. As a rule, with increasing broadening of the radiation lobe, the originally smooth course of the radiation characteristic becomes increasingly wavy, because the widening actually only comes about by superimposing several strongly bundled individual lobes. Thus, the illumination of a surface is possible without further ado; However, it is not a matter of course that within this footprint the discriminator curve also enables a clear bearing. The sum and difference characteristic is in the usual way by a double exciter feeding system generated in combination with a hybrid. For the consideration of the sum characteristic, both exciters can be replaced approximately with an exciter with equivalent aperture size. The problem therefore consists in shaping the contour of the reflector for a given primary radiator and given height and width of the reflector edge in such a way that the above-mentioned properties of the radiation characteristics are achieved in the sum and difference modes.
Im folgenden wird ausgeführt, wie die Reflektorfläche einer Radarantenne nach der Erfindung zu berechnen ist. Fig. 6 zeigt die diesbezügliche Geometrie. In der klassischen Vorgehensweise, die z.B. im Buch von S.Silver: "Microwave Antenna Theory and Design" McGraw-Hill, New York, 1949, Seiten 502 bis 509 beschrieben ist, wird die Reflektorform einer typischen Radarantenne in zwei Schritten durchgeführt: Die Bestimmung des Mittelschnitts M (das "Rückgrat") und die Ergänzung zur Fläche (die "Rippen"). Der Mittelschnitt M wird als iterative Lösung einer Differentialgleichung unter Annahme einer konstanten Reflektorbreite so bestimmt, daß die geforderte cosecn-Strahlungsverteilung im Vertikalschnitt G (ϑ) bei vorgegebenen Primärfeld I (ψ) erreicht wird. Die Entwurfsgleichungen in Integralform sind in den Gleichungen (1), (2) gegeben, wobei das Koordinatensystem nach Fig.6 vorausgesetzt ist.
Die Ergänzung zur Fläche erfolgt bei der in allen Azimutschnitten stark bündelnden Fächerkeule durch differentielle Streifen fiktiver Paraboloide P, deren Brennweiten F vom Radiusvektor r (ψ) des Mittelschnitts abhängen, vergleiche dazu die Gleichungen (3) bis (6). Das "Blatt" paralleler Strahlen, das unter einem bestimmten Winkel ϑ auf den Mittelschnitt M einfällt, wird durch die Teilfläche eines Rotationsparaboloids P, dessen Achse parallel zu den einfallenden Strahlen liegt, in einem gemeinsamen Brennpunkt reflektiert. Die Brennweite F ist im Falle der Fächerkeule nur eine Funktion des Primärfeldwinkels ψ. Um nur die geforderte Verbreiterung der Strahlungskeule im Azimut zu erreichen, werden diese erzeugenden Paraboloide elevationsabhängig deformiert. Im einfachsten Fall kann man die Brennweite F so verändern, wie dies durch eine Erregerdefokussierung bewirkt würde, vgl. dazu Gleichung (7). Wesentliche Parameter sind hierbei: Der Faktor der Brennweitenvergrößerung (MF), der Anfangs- und Endwert des Elevationswinkelbereichs (ϑFO, ϑ₁), in dem die Brennweite verändert wird, und die hier parabolisch gewählte Übergangsfunktion Δ (ϑ), die die kontinuierliche Veränderung der Brennweite abhängig vom Elevationswinkel ϑ beschreibt, ferner auch die Vorgabe der Gewinnfunktion
Im folgenden wird eine vorteilhafte Realisierungsform einer Antenne nach der Erfindung beschrieben. Je nach Zuordnung der Randwinkel des Primär- bzw. Sekundärfelds ergeben sich zwei rechnerisch gleichwertige Lösungen für den Mittelschnitt mit einem konvergenten oder divergenten Strahlengang.The following explains how to calculate the reflector area of a radar antenna according to the invention. 6 shows the relevant geometry. In the classic procedure, which is described, for example, in the book by S.Silver: "Microwave Antenna Theory and Design" McGraw-Hill, New York, 1949, pages 502 to 509, the reflector shape of a typical radar antenna is carried out in two steps: the determination of the mid-section M (the "backbone") and the addition to the surface (the "ribs"). The middle section M is determined as an iterative solution of a differential equation assuming a constant reflector width so that the required cosec n radiation distribution in vertical section G (ϑ) is achieved with a given primary field I (ψ). The design equations in integral form are given in equations (1), (2), the coordinate system according to FIG. 6 being required.
The area is supplemented in the case of the fan club, which is strongly bundling in all azimuth sections, by means of differential strips of fictitious paraboloids P, the focal lengths F of which depend on the radius vector r (ψ) of the central section, compare equations (3) to (6). The "sheet" of parallel rays that is incident on the central section M at a certain angle ϑ is reflected by the partial surface of a paraboloid of revolution P, the axis of which is parallel to the incident rays, at a common focal point. The focal length F is only a function of the primary field angle ψ in the case of the fan club. In order to only achieve the required broadening of the radiation lobe in the azimuth, these generating paraboloids are deformed depending on the elevation. In the simplest case, the focal length F can be changed as it would be caused by exciter defocusing, cf. see equation (7). The main parameters here are: the factor of the focal length enlargement (M F ), the start and end value of the elevation angle range (ϑ FO , )₁) in which the focal length is changed, and the transition function Δ (ϑ) chosen here parabolically, which is the continuous change describes the focal length as a function of the elevation angle ϑ, and also specifies the profit function
An advantageous embodiment of an antenna according to the invention is described below. Depending on the assignment of the contact angles of the primary or secondary field, there are two computationally equivalent solutions for the middle cut with a convergent or divergent beam path.
Fig. 7 zeigt die konvergente Lösung, bei der im Strahlengang des Reflektors eine Kaustik auf der Erregerseite des Reflektors entsteht. In Fig. 8 ist die divergente Lösung für den Mittelschnitt dargestellt, bei der im Strahlengang des Reflektors eine Kaustik auf der der Erregerseite abgewandten Seite des Reflektors entsteht. Die konvergente Lösung (Fig.7) ermöglicht eine kompaktere Bauweise der Antenne und wird daher bevorzugt.Fig. 7 shows the convergent solution, in which a caustic occurs on the excitation side of the reflector in the beam path of the reflector. 8 shows the divergent solution for the middle section, in which a caustic occurs in the beam path of the reflector on the side of the reflector facing away from the exciter side. The convergent solution (Fig. 7) enables a more compact antenna design and is therefore preferred.
Die Optimierung der Reflektorfläche kann rein rechnerisch in einem iterativen Prozeß erfolgen, der die geometrischoptische Kontursynthese und die physikalisch-optische Strahlungsanalyse umfaßt. Der Parametersatz für die Kontursynthese läßt sich dabei systematisch variieren, bis die gewünschten Strahlungseigenschaften entstehen.The optimization of the reflector surface can be done purely mathematically in an iterative process, which includes the geometrical-optical contour synthesis and the physical-optical radiation analysis. The parameter set for the contour synthesis can be varied systematically until the desired radiation properties arise.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen in einer Draufsicht, Seitenansicht bzw. Vorderansicht den Aufbau eines Radargerätes zur Verkehrserfassung mit einer Reflektorantenne nach der Erfindung mit speziellen Monopuls-Peileigenschaften. Der Reflektor 6 der Antenne hat eine rechteckige Berandung und wird von zwei an der Längsseite aneinander anstoßenden Hornstrahlern 7 und 8 schräg von oben gespeist. Die Hauptstrahlrichtung der durch die Hornstrahler 7 und 8 gebildeten Erreger schließt mit der z-Achse des Antennen-Koordinatensystems einen spitzen Winkel ein. Zum Schutz von Witterungseinflüssen wird ein mit Absorbermaterial ausgekleidetes Gehäuse 9 mit einem Radom 10 in Form einer im wesentlichen zylindrischen, nach unten geneigten Fläche vorgesehen. Im Gehäuse 9 befinden sich hinter dem Reflektor 6 verschiedene Baueinheiten 11,12,13 des Radargerätes, z.B. für die Stromversorgung, für die Verarbeitung oder die Hf-Vorverstärkung 9 unmittelbar an den Hohlleiterzuführungen 14, 15 für die beiden Hornstrahler 7,8. Eine interessante Information über das hier engewendete geometrisch-optische Näherungsverfahren zeigt Fig.12 am Beispiel rechnerisch bestimmter Reflektorzonen, die zur Strahlung im Vertikalschnitt in bestimmten Richtungen ϑ beitragen. Diese Zonen müssen als Teile der bereits beschriebenen differentiellen Streifen sichtbar werden. Für ϑ = 0o (Strahlungsmaximum) wird die untere Hälfte des Reflektors 6 in seiner gesamten Breite ausgenützt, während mit wachsendem Elevationswinkel (ϑ = 11o, ϑ = 22o) die Reflexionszone nach oben wandert und sich entsprechend der gewünschten Verbreiterung verkleinert. Für ϑ = 22o entstehen bereits isolierte Reflexionszonen, die auf den Näherungscharakter der beschriebenen Modellvorstellung hinweisen.9 to 11 show a top view, side view and front view of the structure of a radar device for traffic detection with a reflector antenna according to the invention with special monopulse direction finding properties. The
Das hier beschriebene Syntheseverfahren ist im Sinne der Geometrischen Optik - dies gilt bereits für eine normale Fächerkeule - also nur eine Näherung. Es gibt in der Literatur exakte Verfahren der Geometrischen Optik, die in der Regel ebenfalls nicht auf die Analyse mit Hilfe der Physikalischen Optik verzichten können. Verglichen damit liefert dieses auf der klassischen Lösung aufbauende und komplizierte differentialgeometrische Betrachtungen umgehende Syntheseverfahren der kontinuierlichen Reflektordeformation erstaunlich gute Resultate. Es ist sogar möglich, auch asymmetrische Strahlquerschnitte, wie es beispielsweise die Ausleuchtung der Fahrbahn von einer Ecke aus erfordert, mit Hilfe dieser Methode zu erzeugen.The synthetic method described here is only an approximation in the sense of geometric optics - this already applies to a normal fan club. There are exact methods of geometric optics in the literature, which usually cannot do without analysis with the help of physical optics either. Compared to this, this complex and complex differential-geometric considerations based on the classic solution provides immediate synthesis methods of continuous reflector deformation with astonishingly good results. It is even possible to use this method to create asymmetrical beam cross-sections, as required, for example, by illuminating the road from a corner.
Es wird noch darauf hingewiesen, daß die Antenne nach der Erfindung nicht nur zur Radarüberwachung in Verbindung mit einer Straßenverkehrsregelung, sondern ganz allgemein bei der Überwachung einer Fläche, also auch z.B. zum Zwecke einer Bewegungsmeldung oder zur Ausleuchtung einer Fläche, wie es z.B. ein Straßenabschnitt darstellt, eingesetzt werden kann.It should also be noted that the antenna according to the invention not only for radar monitoring in connection with a road traffic regulation, but in general for monitoring an area, i.e. also for the purpose of motion detection or for illuminating an area, such as a section of a street.
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne als Reflektorantenne mit einem doppelt gekrümmten Reflektor und einer Doppelerreger-Speisung ausgebildet ist,
daß die Reflektorfläche zur Erzeugung von Summen- und Differenzcharakteristiken in zwei Ebenen speziell geformt ist, so daß ein spezielles Peilverhalten ermöglicht ist,
daß der Strahlquerschnitt in der Summencharakteristik trapezähnlich ist, so daß sich das zumindest angenähert rechteckig begrenzte Gebiet ausleuchten läßt, und daß das spezielle Peilverhalten dadurch definiert ist, daß innerhalb dieses Ausleuchtgebietes eine azimutale Peilung mit Hilfe des Amplituden- oder Phasenmonopuls-Verfahrens eindeutig möglich ist.Antenna designed for an azimuthal angular bearing for radar monitoring of an at least approximately rectangular, limited illumination area, in particular for a road traffic regulation radar,
characterized in that the antenna is designed as a reflector antenna with a double curved reflector and a double excitation supply,
that the reflector surface for generating sum and difference characteristics is specially shaped in two planes, so that a special bearing behavior is made possible,
that the beam cross section is trapezoidal in the sum characteristic, so that the at least approximately rectangularly delimited area can be illuminated, and that the special bearing behavior is defined by the fact that azimuthal bearing is clearly possible within this illumination area with the aid of the amplitude or phase monopulse method.
dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfläche im vertikalen Mittelschnitt so geformt ist, daß im Idealfall eine cosecn-Charakteristik mit vorzugsweise n < 2 erzeugt wird, und daß die Ergänzung zur Reflektorfläche über differentielle Streifen von speziell gekrümmten Flächen, vorzugsweise z.B. von deformierten Rotationsparaboloiden, vorgenommen ist.Antenna according to claim 1,
characterized in that the reflector surface is shaped in the vertical central section so that ideally a cosec n characteristic with preferably n <2 is generated, and that the reflector surface is supplemented by differential strips of specially curved surfaces, preferably, for example, deformed rotational paraboloids is.
dadurch gekennzeichnet, daß bei differentiellen Streifen von deformierten Rotationsparaboloiden die Brennweite elevationsabhängig verändert wird und somit eine Defokussierung der beiden Erreger, bzw. von den Erregern ausgesehen, eine äquivalente Deformation der Paraboloidfläche erreicht wird.Antenna according to claim 2,
characterized in that in the case of differential stripes of deformed paraboloids of revolution, the focal length is changed as a function of elevation, and thus defocusing of the two exciters, or as viewed from the exciters, an equivalent deformation of the paraboloid surface is achieved.
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweitenveränderung durch eine geeignete Übergangsfunktion beschrieben wird.Antenna according to claim 3,
characterized in that the change in focal length is described by a suitable transition function.
dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor rechteckig berandet ist.Antenna according to one of the preceding claims,
characterized in that the reflector has a rectangular border.
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer bezüglich der Vertikalebene unsymmetrischen Strahlungscharakteristik eine unsymmetrische Gestaltung der die Reflektorfläche erzeugenden differentiellen Streifen vorgesehen ist.Antenna according to one of the preceding claims,
characterized in that an asymmetrical configuration of the differential strips producing the reflector surface is provided to generate a radiation characteristic which is asymmetrical with respect to the vertical plane.
gekennzeichnet durch eine konvergente Ausführung, bei der im Strahlengang des Reflektors eine Kaustik auf der Erregerseite des Reflektors entsteht.Antenna according to one of the preceding claims,
characterized by a convergent design, in which a caustic occurs on the excitation side of the reflector in the beam path of the reflector.
gekennzeichnet durch eine divergente Ausführung, bei der im Strahlengang des Reflektors eine Kaustik auf der der Erregerseite abgewandten Seite des Reflektors entsteht.Antenna according to one of claims 1 to 6,
characterized by a divergent design, in which a caustic occurs in the beam path of the reflector on the side of the reflector facing away from the exciter side.
gekennzeichnet durch eine zentrale Anordnung der beiden Erreger, bei der sich die Erreger innerhalb des Strahlengangs vor dem Reflektor befinden.Antenna according to one of the preceding claims,
characterized by a central arrangement of the two pathogens, in which the pathogens are located within the beam path in front of the reflector.
gekennzeichnet durch eine sogenannte offset-Anordnung der beiden Erreger, bei der sich die Erreger außerhalb des Strahlengangs vom Reflektor befinden.Antenna according to one of claims 1 to 8,
characterized by a so-called offset arrangement of the two exciters, in which the exciters are outside the beam path from the reflector.
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DE4209908 | 1992-03-26 | ||
DE4209908 | 1992-03-26 |
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EP0562355A3 EP0562355A3 (en) | 1995-06-14 |
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EP93103761A Withdrawn EP0562355A3 (en) | 1992-03-26 | 1993-03-09 | Antenna for radar surveillance |
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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GB916274A (en) * | 1960-06-09 | 1963-01-23 | Telefunken Patent | Improvements in or relating to aerial arrangements |
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-
1993
- 1993-03-09 EP EP93103761A patent/EP0562355A3/en not_active Withdrawn
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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