DE102022004208A1 - Konforme MIMO-Radarantennen zur Reduzierung des Strömungswiderstandes bei Flugkörperanwendungen - Google Patents

Abstract

Offenbart ist eine Antennenanordnung, die einen Antennenkörper und eine Vielzahl von Antennenelementen umfasst. Die Vielzahl von Antennenelementen umfasst eine Anzahl von Sendeelementen und eine Anzahl von Empfangselementen zum Durchführen eines Multi-Input-Multi-Output-Verfahrens. Die Antennenanordnung bildet eine Hülle einer Spitze eines Flugkörpers.

Description

• TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft konforme Antennenanordnungen und zugehörige Multiple-Input-Multiple-Output Radarverfahren (MIMO-Verfahren) und insbesondere strukturintegrierte Radarantennenanordnungen für Flugkörper und zugehörige MIMO Verfahren zum Detektieren und/oder Verfolgen von Zielen mittels der Radartechnologie.
• TECHNISCHER HINTERGRUND
• Flugkörper mit einem Radarsuchkopf zum Detektieren und/oder Verfolgen von Zielen sind im Allgemeinen mit einer planaren Gruppenantenne ausgerüstet, um das Detektieren und/oder Verfolgen zu ermöglichen. Die Gruppenantenne kann senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet und befindet sich in der Regel unter einem Radom (abgeleitet von „radar dome“) bzw. einer Antennenkuppel im vorderen Teil des Flugkörpers. Alternativ oder ergänzend können auch mehrere Antennenelemente als herausstehende Strukturen an dem Flugkörper angeordnet sein.
• Die Anordnung einer planaren Gruppenantenne unter einer Antennenkuppel hat den Nachteil, dass der Bereich zwischen der planaren Gruppenantenne und der Antennenkuppel frei von jeglichen Bauteilen sein sollte, welche die Leistung der Antenne, wie beispielsweise eine Präzision einer Zielschätzung des Radars, beinträchtigen könnten. Das Leervolumen vergrößert zudem das Volumen des Flugkörpers und kann für die Antennenkuppel erhöhte Anforderungen an deren mechanische Stabilität stellen. Antennenelemente, die als herausstehende Strukturen an einem Flugkörper angeordnet sind, können die Aerodynamik des Flugkörpers beeinträchtigen.
• Wenn die Antennenelemente konform in den Antennenkörper eines Flugkörpers integriert sind (vgl. Antennenelemente 120 im Antennenkörper 110 eines Flugkörpers in 1), können diese Nachteile teilweise überwunden werden. Konforme Antennen wurden bisher meist einzeln als Kommunikations- oder Telemetrieantennen mit einer Abstrahlcharakteristik senkrecht zur Einbaufläche (Broadside-Charakteristik) verwendet. Wird aus mehreren, um den Umfang des Flugkörper angeordneten, konformen Antennen, die eine Abstrahlcharakteristik parallel zur Einbaufläche (Endfire-Charakteristik) aufweisen (vgl. Abstrahlcharakteristik 130 eines Antennenelementes 120 im Antennenkörper 110 eines Flugkörpers in 1), eine Gruppenantenne gebildet, entstehen in der Abstrahlungscharakteristik in der Regel Mehrdeutigkeiten, wie beispielsweise Gitterkeulen („grating lobes“), aufgrund zu großer Abstände zwischen den Antennenelementen der Gruppenantenne. Für einen Radarsuchkopf sind derartige Gruppenantennen daher ungeeignet.
• Eine der Aufgaben der Erfindung besteht somit darin, eine Antennenanordnung bereitzustellen, welche eine kompakte Bauweise des Flugkörpers sowie ein präzises Detektieren und/oder Verfolgen von Zielen mittels der Radartechnologie ermöglicht.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Mehrdeutigkeiten, wie beispielsweise Gitterkeulen aufgrund zu großer Abstände zwischen den Antennenelementen, zu vermeiden.
• Die Erfindung soll zudem die aerodynamischen Eigenschaften des Flugkörpers nicht beeinflussen oder nachteilig verändern.
• Die oben genannten Aufgaben werden durch eine konforme, nach vorne gerichtete („front looking“) MIMO Radarantennenanordnung auf einem Flugkörper gelöst.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Antennenanordnung einen Antennenkörper und eine Vielzahl von Antennenelementen. Die Vielzahl von Antennenelementen umfasst eine Anzahl von Sendeelementen und eine Anzahl von Empfangselementen zum Durchführen eines Multiple-Input-Multiple-Output-Verfahrens. Die Antennenanordnung ist auf einem Umfang einer Spitze eines Flugkörpers angeordnet. Die Spitze kann beliebig geformt sein.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
• Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
• KURZE INHALTSANGABE DER FIGUREN
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
• 1 eine Frontansicht (links) und eine perspektivische Ansicht (rechts) von Antennenelementen, die beispielhaft auf einer Frontsektion eines Flugkörpers angeordnet sind;
• 2 eine schematische Darstellung einer Frontansicht auf eine beispielhafte Antennenanordnung auf der Frontsektion eines Flugkörpers nach 1 mit einer Vielzahl von Antennenelementen, wobei jedes Antennenelement entweder als Sendeelemente (Tx) oder als Empfangselement (Rx) ausgebildet ist;
• 3 eine schematische Darstellung einer Frontansicht auf eine Antennenanordnung auf der Frontsektion eines Flugkörpers nach 1 mit einer Vielzahl von virtuellen Empfangselementen, die sich beispielhaft in einem MIMO-Radar aus den realen Sendeelementen (Tx) und Empfangselementen (Rx) der 2 ergeben.
• Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangebende Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „vorne“, „hinten“ und ähnliche Angaben werden lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und dienen nicht der Beschränkung der Allgemeinheit auf spezifische Ausgestaltungen wie in den Figuren gezeigt.
• In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
• 1 zeigt eine Frontansicht (links) und eine perspektivische Ansicht (rechts) einer beispielhaften Antennenanordnung 100. Die Antennenanordnung 100 umfasst einen Antennenkörper 110 und eine Vielzahl von Antennenelementen 120. Der Antennenkörper 110 kann eine Hülle einer Spitze eines Flugkörpers bilden. Der Flugkörper kann die Spitze und ferner einen Rumpf umfassen. Die Antennenanordnung 100 kann zum Durchführen eines MIMO-Verfahrens konfiguriert sein. Das MIMO-Verfahren kann zum Detektieren und/oder Verfolgen von Zielen mittels der Radartechnologie geeignet sein.
• Der in der 1 gezeigte Antennenkörper 110 weist ohne Beschränkung der Allgemeinheit (oBdA) Rotationssymmetrie auf. Die Rotationssymmetrie ist jedoch nicht erforderlich. Die Antennenelemente 120 sind konform bzw. strukturintegriert auf oder in dem Antennenkörper 110 angeordnet. Die Antennenelemente 120 können symmetrisch oder rotationssymmetrisch angeordnet sein. In einer symmetrischen Anordnung kann ein Antennenelement durch ein Ausführen einer Symmetrieoperation auf ein anderes Antennenelement abgebildet werden, beispielsweise durch eine Rotationsoperation (rotationssymmetrische Anordnung). Die Antennenelemente können auf den Eckpunkten eines regelmäßigen Vielecks auf und/oder in dem Antennenkörper 110 angeordnet sein. Andere rotationssymmetrische Anordnungen sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann jedes Antennenelement durch Drehung eines Referenzantennenelements dargestellt werden. Die jeweiligen Drehwinkel können unterschiedlich und insbesondere unregelmäßig oder regelmäßig sein.
• Die Antennenelemente 120 können rotationssymmetrisch zur Rotationsachse der Trägerplattform-Struktur in einer Ebene, die senkrecht zur Rotationsachse der Trägerplattform-Struktur steht, angeordnet sein.
• Im Falle einer symmetrischen Anordnung muss es zum Bestimmen der Strahlungsdiagramme nicht notwendig sein, die Strahlungseigenschaften aller Antennenelemente 120 durch Simulation und/oder Vermessung jedes einzelnen Antennenelements entsprechend seiner Position am Antennenkörper 110 zu ermitteln. Vielmehr kann es ausreichend sein, die Strahlungseigenschaften am Antennenkörper 110 nur für ein Referenzantennenelement zu simulieren oder zu vermessen. Die Strahlungseigenschaften der übrigen Antennenelemente können durch Anwendung von Symmetrieoperationen der Antennenelemente 120 aus den Strahlungseigenschaften des Referenzantennenelements abgeleitet werden. Dadurch wird ein einfacheres Bestimmen der Strahlungscharakteristika einer Antennenanordnung ermöglicht, ohne Abstriche bei der Präzision des geformten Strahls und/oder der Genauigkeit einer Peilung. Ferner kann der Messaufwand für die Kalibrierung verringert werden.
• Der Antennenkörper 110 muss jedoch nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch sein. Andere Geometrien sind ebenfalls möglich. Der Antennenkörper 110 kann eine Spitze eines Flugkörpers bilden, der nicht oder nur teilweise rotationssymmetrisch ist. Der Flugkörper kann die Flugkörperspitze und einen Flugkörperrumpf (nicht gezeigt) umfassen. Jedes dieser Teile kann rotationssymmetrisch oder zumindest teilweise rotationssymmetrisch sein, um beispielsweise die Bestimmung der Abstrahlcharakteristik der Antennenelemente 120 zu vereinfachen.
• Die Abstrahlcharakteristik der Antennenelemente 120 ist nach vorne in Richtung einer Längsachse des Flugkörpers gerichtet. Die Richtung der Abstrahlcharakteristik der Antennenelemente 120 kann mit der Längsachse des Flugkörpers einen Winkel im Bereich zwischen 0 und 45° bilden. Die Antennenanordnung spannt eine Ebene auf, die parallel zur Längsachse des Flugkörpers sein kann. Die Strahlrichtung der Antennenelemente 120 kann elektronisch geschwenkt (beamforming) werden.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Frontansicht auf einen Antennenkörper 210 eines Flugkörpers nach 1 mit einer Vielzahl von Antennenelementen 220, wobei jedes Antennenelement 220 entweder als Sendeelement (Tx) oder als Empfangselement (Rx) ausgebildet ist. Die Außenkontur des Antennenkörpers 210 kann einen Kreis bilden. Die Außenkontur des Antennenkörpers 210 kann jedoch jede beliebige Form aufweisen.
• Der Antennenkörper 210 kann die Spitze des Flugkörpers bilden. Der Flugkörper kann ferner einen Rumpf umfassen (nicht gezeigt). Die Antennenelemente 220 sind in die Oberfläche des Flugkörpers eingelassen. Die Antennenanordnung 200 bildet eine Hülle des Flugkörpers. Die Antennenelemente lassen die aerodynamischen Eigenschaften des Flugkörpers unberührt. Die Antennenelemente 220 bilden keinen Leerraum im Inneren des Flugkörpers. Ein Bauraum im Inneren des Flugkörpers bleibt von den Antennenelementen 220 unberührt. Die Hülle des Flugkörpers umfasst die Antennenelemente 220. Die Antennenelemente 220 können in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse des Flugkörpers angeordnet sein. Die Längsachse kann parallel zu einer Flugrichtung des Flugkörper sein.
• Obwohl die Antennenelementen 220 in 2 als äquidistant dargestellt sind, ist eine äquidistante Anordnung der Antennenelemente 220 nicht erforderlich. Die Antennenelemente 220 können zirkulär angeordnet sein, beispielsweise entlang eines Kreises. Die Antennenelemente können einen realen Abstand d aufweisen, wobei der reale Abstand d im Wesentlichen dem Durchmesser des Kreises entspricht. Die Lage der virtuellen Empfangselemente wird durch die Lage der realen Sender (Tx) und Empfänger (Rx) bestimmt. Legt man den Koordinatenursprung in die Mitte des in 2 dargestellten Kreises (2D MIMO), muss die Position eines jeden Senders (Tx) mit jedem Empfänger (Rx) vektoriell addiert werden, um die Position des zugehörigen virtuellen Empfangselementes zu bestimmen. Mathematisch kann dies durch eine Faltungsoperation beschreiben werden. Physikalisch wird dies oft über die Phasendifferenzen jedes Senders zum entsprechenden Empfänger bezogen auf den Nullpunkt des Arrays beschrieben. Diese Beschreibung ist in der MIMO-Radartechnologie im Wesentlichen bekannt und wird vorliegend nicht im Detail beschrieben
• Der hier vorteilhafte Abstand d' wird zumindest teilweise dadurch erreicht, dass sich bei der Verwendung des MIMO-Radarverfahrens und einer geeigneten Positionierung der realen Antennenelemente (dünn besetztes Array „sparse Array“) eine Vielzahl an virtuellen Elementen entstehen, die dieses, real dünn besetzte Array, derart verdichten, dass sich die Abstände der virtuellen Antennen d' als wesentlich kleiner ergeben, als d im realen Array noch war. Durch diese Verdichtung werden Gitterkeulen („grating lobes“)vermieden.
• Der Durchmesser ist kleiner als ein Durchmesser des Flugkörpers. Der reale Abstand d kann in einem Bereich zwischen 2 und 120 cm liegen. Ein Sendeelement kann von einem oder von mehreren Empfangselementen benachbart sein. Eine Anzahl von Sendeelementen der Antennenanordnung kann kleiner, gleich oder größer sein als eine Anzahl von Empfangselementen der Antennenanordnung. Die Anzahl von Empfangselementen kann ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl von Sendeelementen sein. Sende- und Empfangselemente können in einem periodischen Muster, beispielsweise in abwechselnder Reihenfolge oder ein Sendeelement gefolgt von zwei oder mehreren Empfangselementen, angeordnet sein. Insbesondere können die Sende- und/oder die Empfangselemente symmetrisch angeordnet sein, um beispielsweise die Bestimmung einer Abstrahlcharakteristik der Sendeelemente zu erleichtern, indem die Abstrahlcharakteristik eines einzelnen Referenzsendeelementes zum Bestimmen der Abstrahlcharakteristik der übrigen Sendeelemente verwendet wird Obiges gilt sowohl für Sende- als auch für Empfangselemente. Es ist lediglich erforderlich, dass die gleiche Antennenart verwendet wird und diese auf einem rotationssymmetrischen Körper angeordnet ist.
• 3 zeigt eine Schematische Darstellung einer Frontansicht auf den Antennenkörper 310 eines Flugkörpers nach 1 mit einer Vielzahl von virtuellen Empfangselementen 320', die sich in einem MIMO-Radar aus einer beispielhaften Anordnung der Sende- und Empfangselemente der Vielzahl von Antennenelementen 220 der 2 ergeben.
• Bei einem MIMO-Radar werden als Sendesignale orthogonale Wellenformen verwendet, die es später in der Empfangssignalverarbeitung ermöglichen, die virtuellen Empfangselemente 320' auszubilden. Der Zusammenhang zwischen einer Anzahl realer Sendeelemente n_TX, einer Anzahl realer Empfangselemente n_Rx und einer Anzahl virtueller Empfangselemente n'_Rx ist durch die Beziehung $$n_{\text{Tx}}\times n_{\text{Rx}}=n{\text{'}}_{\text{Rx}}$$

  

  gegeben. Die Anzahl virtueller Empfangselemente n'_Rx entspricht der Anzahl virtueller Empfangskanäle. Aus beispielsweise 16 Sendeelementen und 16 Empfangselementen (vgl. 2) entstehen somit 256 virtuelle Empfangselemente bzw. -kanäle, die sich über den gesamten Antennenkörper 210 des Flugkörpers in der Ebene der realen Antennenelemente verteilen (vgl. 3). Die virtuellen Empfangselemente weisen einen virtuelle Abstand d' auf. Der virtuelle Abstand d' der virtuellen Empfangselemente ist kleiner als der reale Abstand d. Gegenüber einer Antennenanordnung ohne MIMO-Verfahren kann der reale Abstand d somit auf den virtuellen Abstand d' verringert werden. Mehrdeutigkeiten, wie beispielsweise Gitterkeulen („grating lobes“), können folglich durch eine Antennenanordnung mit MIMO-Verfahren verhindert werden.
• In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen vereinfacht beschrieben und/oder zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
• Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen.
• In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für den entsprechenden Begriff „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Vielzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.

Claims (10)

1. Antennenanordnung (100, 200, 300), umfassend: einen Antennenkörper (110, 210, 310); und eine Vielzahl von Antennenelementen (120, 220), die eine Anzahl n_Tx von Sendeelementen und eine Anzahl n_Rx von Empfangselementen zum Durchführen eines Multiple-Input-Multiple-Output-Verfahrens, MIMO-Verfahrens, umfasst; wobei die Antennenanordnung (100, 200, 300) auf einem Umfang einer Spitze eines Flugkörpers angeordnet ist.
2. Antennenanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 1, wobei die n_Tx Sendeelemente eine Abstrahlcharakteristik aufweisen, die nach vorne in Richtung einer Längsachse des Flugkörpers gerichtet ist.
3. Antennenanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die n_Tx Sendeelemente und die n_Rx Empfangselemente n'_Rx = n_Tx × n_Rx virtuelle Empfangselemente (320') bilden.
4. Antennenanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 3, wobei: die Antennenelemente (120, 220) einen realen Abstand d aufweisen, der größer ist als ein virtueller Abstand d' der virtuelle Empfangselemente (320').
5. Antennenanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: der Antennenkörper (110, 210, 310) rotationssymmetrisch ist; die Anzahl n_Tx größer als eins und die n_Tx Sendeelemente identisch sind; und die n_Tx identischen Sendeelemente symmetrisch um eine Rotationssymmetrieachse des Antennenkörpers (110, 210, 310) angeordnet sind.
6. Antennenanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 5, wobei: der symmetrische Antennenkörper (110, 210, 310) eine rotationssymmetrische 3-dimensionale Form wie die Form eines Zylinders, die Form eines spitzen oder stumpfen Kegels, oder die Form eines Rotationshyperboloids aufweist.
7. Antennenanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 5 oder 6, wobei: jedes der n_Tx identischen Sendeelemente durch eine jeweilige Rotation eines Referenzantennenelementes um die Rotationssymmetrieachse dargestellt wird.
8. Antennenanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei: jedes der n_Tx identischen Sendeelemente auf jeweils einem Eckpunkt eines regelmäßigen oder unregelmäßigen M-Ecks um die Rotationssymmetrieachse des Antennenkörpers (110, 210, 310) angeordnet ist.
9. Antennenanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: die Anzahl n_Rx von Empfangselementen ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl n_Tx von Sendeelementen ist, wobei die Antennenelemente (120, 220) in einem periodischen Muster angeordnet sind.
10. Flugkörper, umfassend: eine Antennenanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

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