DE1246052B

DE1246052B - Richtantenne fuer die Azimut- und Hoehenbestimmung fliegender Objekte

Info

Publication number: DE1246052B
Application number: DER36552A
Authority: DE
Inventors: Charles Francis Winter
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1962-12-12
Filing date: 1963-11-13
Publication date: 1967-08-03
Also published as: NL301079A; US3242491A; FR1381622A; DE1246052C2; GB1024804A

Description

bundesrepublik deutschland Int. Cl.:

GOls

deutsches ^TkynSS Patentamt

AUSLEGESCHRIFT Deutsche Kl.: 21 a4 - 48/02

Nummer: 1246 052

Aktenzeichen: R 36552IX d/21 a4

J 246 052 Anmeldetag: 13.November 1963

Auslegetag: 3. August 1967

Die Erfindung betrifft eine Richtantenne für die Azimut- und Höhenbestimmung fliegender Objekte, insbesondere für Funkbaken, Ziellande-, Radar- und dergleichen · Navigationsgeräte, die mindestens zwei Strahlungssysteme zur Erzeugung von verschiedenen, gegeneinandergeneigten Strahlungskeulen aufweisen.

Bisher war es üblich, bei solchen Antennen Strahlungssysteme mit einer Strahlungskeule zu verwenden, die sich längs eines Großkreises der Kugel erstreckt, die das Antennensystem zum Zentrum hat. Die Ebenen, in denen diese Strahlungskeulen liegen, schneiden sich notwendig in einem Durchmesser der Kugel, und es können eindeutige Verhältnisse nur dann erzielt werden, wenn dieser Durchmesser senkrecht auf der Rotationsachse der Antenne, also normalerweise in der Horizontalebene Hegt. Diese Schnittlinie bildet dann den Scheitel eines V-förmigen Gesamtdiagramms, bei dem sich die Strahlenkeulen mit zunehmender Höhe voneinander entfernen. Im allgemeinen ist eine der beiden^: Strahlungskeulen in einer Ebene angeordnet, die für jeden Azimutwinkel der Antenne einen Winkel von 90° mit der Horizontalebene bildet, während die andere Strahlungskeule geneigt angeordnet ist.

Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten V-förmigen Antennendiagramme besteht darin, daß der größte bestimmbare Höhenwinkel eine Funktion des Neigungswinlcels der geneigten Strahlungskeule ist, und zwar ist der größte bestimmbare Höhenwinkel gleich dem Komplementwinkel zum Neigungswinkel der Strahlungsebene. Daher wird durch einen großen Neigungswinkel die Reichweite der Antenne in der Höhe in erheblichem Maße beschränkt.

Ein weiterer Nachteil der bekannten V-förmigen Antennendiagramme besteht darin, daß die Meßgenauigkeit bei kleinen Höhenwinkeln geringer ist als bei großen Höhenwinkeln, obwohl die praktischen Bedürfnisse gerade eine hohe Meßgenauigkeit bei kleinen Höhenwinkeln erfordern. Dies liegt daran, daß der Abstand zwischen den beiden Strahlungskeulen mit abnehmender Elevation abnimmt.

Weiterhin ist bei den bekannten Antennen von Nachteil, daß die Neigung der geneigten Strahlungskeule sich in bezug auf die Vertikalebene, die durch einen in dieser Strahlungskeule liegenden Radialstrahl geht, in Abhängigkeit von dem Elevationswinkel dieses Strahles ändert. Diese Tatsache macht es beispielsweise bei Funkbaken, deren Signale von einem Flugobjekt aufgenommen werden, unmöglich, die Polarisationsrichtung der Empf angsantenne genau auf die Polarisationsrichtung der Sendeantenne auszurichten. Durch diese mangelnde Parallelität zwischen Richtantenne für die Azimut-

und Höhenbestimmung fliegender Objekte

Anmelder:

Raytheon Company, Lexington, Mass. (V. St. A.) Vertreter:

Dipl.-Phys. R. Köhler
ίο und Dipl.-Phys. Η. Schwindling, Patentanwälte,
Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:
!5 Charles Francis Winter,

Wrentham, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. Dezember 1962
(244 059)

der Polarisation der Empfangs- und der Sendeantenne können empfindliche Signalverluste eintreten.

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der Antennen mit den bekannten Strahlungsdiagrammen zu vermeiden und eine verbesserte Antenne zu schaffen, die genaue Höhenmessungen über einem großen Winkelbereich ermöglicht und zugleich das größte Auflösungsvermögen bei kleinen Höhenwinkeln hat. Diese Airfgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer zwei gegeneinandergeneigte Strahlungskeulen aufweisenden Richtantenne mindestens ein Strahlungssystem mit einer Strahlungskeule Verwendung findet, die sich längs dem Bogen eines Kleinkreises erstreckt oder den Bogen eines Kleinkreises beschreibt, der sich an der Oberfläche einer Kugel befindet, die das Antennensystem zum Zentrum hat, so daß ein Antennendiagramm erzeugt wird, dessen Strahlungskeulen sich nach Art eines umgekehrten V in bezug auf die Antenne mit zunehmender Höhe aneinander annähern.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines solchen Strahlungssystems wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Empfindhchkeit der Antenne mit abnehmendem Höhenwinkel zunimmt und außerdem Antennenanordnungen geschaffen werden können, bei denen der Höhenwinkel eine direkte Funktion des Winkels ist, unter dem die beiden Strahlungskeulen das Objekt auffassen. Da sich dieser Winkel bei

709 619/247

konstanter Drehgeschwindigkeit des Antennensystems durch den zeitlichen Abstand bestimmen läßt, mit dem die beiden Strahlungskeulen das Objekt treffen, kann dieser Winkel auch von dem Objekt selbst ermittelt werden, aus dem sich unmittelbar der Höhenwinkel in bezug auf den Standort der Antenne ermitteln läßt. Das erfindungsgemäße Antennensystem ist daher auch hervorragend für die Anwendung bei Blindlandeverfahren geeignet, weil es auf einfache Weise die Ermittlung des einzuhaltenden Gleitwinkels ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Der Beschreibung und der Zeichnung sind auch weitere Einzelheiten, Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Diagramm der geometrischen Verhältnisse bei der Anwendung einer Antenne nach der Erfindung, die Strahlungssysteme zur Erzeugung von Strahlungskeulen aufweist, die sich längs dem Bogen zweier Kleinkreise erstrecken,

F i g. 2 das Blockdiagramm einer Funkbakenanordnung für Hubschrauber mit einer Antenne nach der Erfindung,

F i g. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der geometrischen Verhältnisse bei der Funkbakenanordnung nach Fig. 2, deren Antenne zwei Strahlungselemente enthält, von welchen das eine eine sich längs einem Großkreis und das andere eine sich längs einem Kleinkreis erstreckende Strahlungskeule erzeugt,

F i g. 4 die Ansicht einer Antenne nach der Erfindung mit zwei Strahlungssystemen, wie sie bei einer Funkbake nach F i g. 2 Anwendung findet,

Fig. 5 die Ansicht eines Teiles des Einspeise-Strahlers des geneigten Strahlungssystems der Antenne nach Fig. 4,

F i g. 6 ein die Krümmung des Reflektors des geneigten Strahlungssystems nach F i g. 4 darstellendes Diagramm,

Fig. 7 die Ansicht eines Ausschnittes des Einspeisestrahlers des vertikalen Strahlungssystems der Antenne nach F i g. 4,

Fig. 8 ein die Krümmung des Reflektors des vertikalen Strahlungssystems nach F i g. 4 darstellendes Diagramm und

Fig. 9 das Blockdiagramm eines dreidimensionalen Radargerätes, das von einer Antenne nach der Erfindung Gebrauch macht.

Fig. 1 zeigt die geometrischen Verhältnisse bei einer erfindungsgemäßen Antenne, welche eine Strahlungskeule in Form eines umgekehrten V erzeugt, wobei die einzelnen Strahlungskeulen sich jeweils längs einem Bogen von Kleinkreisen der Kugel erstrecken, welche die Antenne zum Mittelpunkt hat Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die Anwendung zweier solcher Strahlungskeulen und auch nicht darauf beschränkt ist, daß die Strahlungskeulen sich alle längs von Kleinkreisen erstrecken. Es können auch Strahlungen benutzt werden, die sich längs von Großkreisen erstrecken, sofern wenigstens eine von mehreren Strahlungskeulen vorhanden ist, die längs dem Bogen eines Kleinkreises ausgerichtet ist.

Im einzelnen zeigt F i g. 1 zwei Strahlungskeulen, die sich an bisher nicht in Betracht gezogenen räumlichen geometrischen Orten befinden, die benutzt werden, um eine bestimmte Raumkoordinate festzu-

stellen. Ein typisches Beispiel für diese Raumkoordinate kann der Höhenwinkel A sein, der in Fig. 1 dargestellt ist. Eine der Strahlungskeulen ist längs der Schnittlinie einer Einheitskugel mit dem Zentrum O und einem Kegel um die Achse Y', dessen Scheitel sich im Punkt Q befindet und der den Scheitelwinkel 2 B hat, ausgerichtet. Der geometrische Ort dieser Schnittlinie ist der Kreis G', P', S' der Einheitskugel, sofern B + 90° ist. Die Kegelachse F' bildet mit der F-Achse des Koordinatensystems, dessen Ursprung im Kugelzentrum O liegt, einen Winkel C. Der Einfachheit halber ist die Y'-Achse als in der FZ-Ebene Hegend dargestellt, jedoch ist hierin keine Beschränkung des der Erfindung zugrunde hegenden Prinzips zu erblicken. Die. zweite Strahlungskeule erstreckt sich längs der Schnittlinie zwischen der gleichen Kugel und einem Kegel um die Achse Y", dessen Scheitel ebenfalls im Punkt O hegt und der einen Scheitelwinkel von 2D aufweist. Der geometrische Ort dieser Schnittlinie ist der Kleinkreis G", P", S" mit JD 4= 90°. Die F"-Achse bildet einen Winkel E mit der Y-Achse und ist wieder, und zwar nur aus Gründen der Vereinfachung, in der FZ-Ebene angeordnet. Entsprechend den Werten, welche den Winkeln C, Β, E und D gegeben worden sind, kann eine funktionelle Beziehung beispielsweise zwischen dem Höhenwinkel A und dem Winkel F, der in einer Ebene parallel zur ZF-Ebene gemessen wird, aufgestellt und mathematisch für die Koordinate^ gelöst werden, und zwar für jede Bestimmung des Winkelsi⁷, der zwischen einander entsprechenden Punkten P' und P" existiert, von denen sich jeder auf einer der beiden Strahlungskeulen in der gleichen Höhe h über der A^rF-Ebene befindet, Die in F i g. 1 in Form eines Diagramms dargestellten Verhältnisse sind also typisch für die Grundprinzipien, die bei der Verwendung von Strahlungskeulen vorhanden sind, die sich gemäß der Erfindung längs von Kleinkreisen erstrecken.

In F i g. 2 ist die prinzipielle Anordnung einer Funkbake mit einer Antenne, die gemäß der Erfindung eine Strahlungskeule in Form eines umgekehrten V erzeugt, dargestellt, die insbesondere zur Führung von Hubschraubern bestimmt ist. In einer Bodenstation 1 befindet sich ein Sender 2 von der Art, wie er beispielsweise bei Radargeräten Anwendung findet und der mit einem Magnetron, einem Wanderwellenverstärker oder einer anderen Art eines Leistungsverstärkers als Quelle der elektromagnetischen Strahlung versehen ist. Ein Leistungsteiler 3 ist an den Sender 2 angekoppelt und seinerseits mit einer geneigten Antenne 4 und einer vertikalen Antenne 5 verbunden, die zusammen die Antenne 6 zur Erzeugung einer Strah' lungskeule in Form eines umgekehrten V bilden, die an den Leistungsteiler 3 angeschlossen ist und in der Bodenstation 1 drehbar angeordnet ist.

Das Strahlungssystem 4 erzeugt eine· Strahlungskeule, die im folgenden als geneigte Keule bezeichnet wird und die sich längs einem Kleinkreis erstreckt, während das Strahlungssystem 5, welches im folgenden als vertikales Strahlensystem bezeichnet wird, eine längs eines Großkreises sich erstreckende Strahlungskeule erzeugt. In F i g. 2 ist ferner ein Hubschrauber 7' angedeutet, der sich in einer gewissen Entfernung von der Bodenstation 1 befindet. Der Hubschrauber 7 enthält eine Antenne 8 zum Empfang der Strahlungen von den Strahlungssystemen 4 und 5 der Antenne 6, einen an die Antenne 8 angeschlossenen Empfänger 9 zur Aufnahme der von den Strahlungssystemen 4 und 5

der Antenne 6 ausgehenden Strahlungen, eine mit dem Empfänger 9 gekoppelte Zeitbasis 10 zur Ermittlung des zeitlichen Abstandes zwischen dem Empfang der Strahlungen von den Strahlungssystemen 4 und 5 der Bodenantenne 6, einen an die Zeitbasis 10 augeschlossenen Rechner 11 zur Errechnung des Abstiegswinkels vom Hubschrauber 7 zur Bodenstation 1 und endlich eine Anzeigevorrichtung 12, die dazu dient, dem Pilot des Hubschraubers diesen Abstiegswinkel zur Kenntnis zu bringen.

Die geometrischen Verhältnisse, die dem mit einer Funkbake ausgestatteten Landesystem für Hubschrauber nach F i g. 2 zugrunde liegen, das mit einer Antenne 6 versehen ist, deren Strahlungskeule die Form eines umgekehrten V hat und Strahlungssysteme aufweist, von denen das eine eine sich längs eines Großkreises und das andere eine sich längs eines Kleinkreises erstreckende Strahlungskeule erzeugt,-ist in Fig. 3 dargestellt. Die Strahlungssysteme4 und 5 der Bodenantenne 6 sind im Punkt O stationiert, der zugleich das Zentrum einer Kugel bildet, von der ein Oktant abc in F i g. 3 dargestellt ist. In dem dargestellten rechtwinkligen Koordinatensystem X, T_i Z stellt die ZJ-Ebene den horizontalen Boden dar, während die Z-Achse auf den Zenit der Kugel weist. Die Strahlungskeule des Strahlungssystems 4, das oben als das geneigte Strahlungssystem bezeichnet worden ist, ist längs des Kleinkreises G'P'V gerichtet, der um die F'-Achse und durch den Zenitpunkt V geht. Die Breite dieser Strahlungskeule beträgt in diesem Fall etwa 1,5°. Der genannte Kleinkreis ist ersichtlich nur einem Großkreis, nämlich dem Kreis GLV auf der Kugel parallel. Die Strahlungskeule der Antenne 5, welche als Vertikaläntenne bezeichnet worden ist, ist längs dem Bogen GPV des Großkreises ausgerichtet und hat ebenfalls eine Breite von etwa 1,5°. Die wesentliche Strahlung der in vertikaler Richtung geformten Keule des vertikalen Strahlungssystems 5 ist im Bereich zwischen den Höhenwinkeln von 6 bis 75° längs des Großkreisbogens GPV enthalten.

Die beiden von den Einzelantennen 4 und 5 ausgehenden Strahlungskeulen sind so gerichtet, daß die von der Vertikalantenne ausgehende, sich längs des Bogens GPV erstreckende Keule in der gleichen Weise wirkt wie bei einem üblichen Rundsicht-Radargerät, während die geneigte, sich längs des Bogens G'P'V erstreckende Strahlungskeule in einer bisher nicht üblichen Weise arbeitet. Es wird zunächst gezeigt, daß durch Drehen der Antenne 6 mit der Strahlungskeule in Form eines umgekehrten V um den PunktO der Horizontalebene, und zwar mit konstanter Geschwindigkeit um die Z-Achse, von dem Winkel F Gebrauch gemacht werden kann, der im folgenden als Azimutmeßwinkel bezeichnet wird und der sich in bezug auf die Z-Achse zwischen den beiden PunktenP und P' ergibt, von denen sich jeder auf einer der beiden Strahlungskeulen befindet, um den Gleitwinkel für ein Luftfahrzeug, wie z. B. einen Hubschrauber 7 nach Fig. 2, zu bestimmen, das sich auf einem Bogen So zwischen den Punkteni³ und P' befindet und dort durch den Punkte veranschaulicht ist, den dieses Luftfahrzeug einhalten muß, um an einem bestimmten Punkt der Bodenstation 1 zu landen.

Zunächst sei die Wirkung betrachtet, die eine rotierende Bodenantenne mit einer Strahlungskeule in Form eines umgekehrten V auf eine ungerichtete oder Rundempfangsantenne hat, wie z. B. auf die Antenne S

mit dem angeschlossenen Empfänger 9 des Hubschraubers 7 nach Fig. 2, wenn sich dieser in einer gegebenen Höhe auf einer die PunkteP und P' verbindenden Linie befindet, wie es durch den Punkte angedeutet ist. Die beiden von der Antenne 6 ausgestrahlten Keulen werden von dem Hubschrauber 7 nacheinander empfangen. Der Azimutmeßwinkel F kann durch die Messung der Zeit bestimmt werden, die zwischen dem Empfang aufeinanderfolgender Signale vergeht, von denen das eine von der Antenne 4 und das andere von der Antenne 5 ausgesandt worden ist, indem mit Hilfe der Zeitbasis 10 diese Zeit durch die Zeit geteilt wird, welche die Antenne 6 der Funkbake für eine volle Umdrehung benötigt und der sich hieraus ergebende Bruch mit 360° multipliziert wird. Es ergibt sich, daß der zeitliche Abstand zwischen dem Empfang aufeinanderfolgender Signale zunimmt, wenn sich der Hubschrauber- zu geringeren Höhenwinkeln hin bewegt, was auf die zunehmende Spreizung zwischen den beiden Strahlungskeulen bei kleineren Höhenwinkeln zurückzuführen ist, Der Höhenwinkel A in F i g. 3 kann mit Hilfe des Rechners 11 des Hubschraubers 7 unter Benutzung der von der Zeitbasis 10 gelieferten Zeitinformation dadurch bestimmt werden, daß die Gleichung

. „ sin R „

Sini= + tan C tan A

cos A

für den Winkel A aufgelöst wird, wobei die Winkel R und C bekannte Parameter der Bodenantenne 6 der entsprechenden Bodenstation 1 sind.

Mit dem Wissen, daß der Abstiegswinkel dem Höhenwinkel A gleich ist, wurde eine bestimmte Raumkoordinate mit dem Hubschrauber als Bezugspunkt gefunden, die durch ein entsprechendes Gerät 12 zur Anzeige gebracht werden kann, so daß der Pilot des Hubschraubers 7 diesen Hubschrauber zur Landefläche der Bodenstation 1 führen kann.

Fig. 4 zeigt ein Paar von Richtstrahlantennen, die zusammen eine Antenne mit einer Strahlnngskeule in Form eines umgekehrten V bilden. Mit 1 ist eine Bodenstation bezeichnet, die einen Sender 2, einen daran angekoppelten Leistungsteiler 3 und eine Antenne 6 mit einem Diagramm in Form eines umgekehrten V aufweist. Die Antenne 6 ist an einer vertikalen Welle 21 befestigt, die mit Hilfe eines Motors 20 drehbar ist. An der Welle 21 ist die geneigte Antenne 4 befestigt, die gegenüber der Horizontalfläche um einen Winkel von 20° gekippt ist. Die geneigte Antenne 4 umfaßt einen Reflektor 22 und einen geschlitzten Einspeisungsstrahler 23, der sich längs der Brennlinie des Reflektors 22 erstreckt. Außerdem ist an dem Schaft 21 eine Vertikalantenne 5 befestigt, die parallel zur Horizontalfläche angeordnet und in bezug auf die schräge Antenne 4 um die Welle 21 um 10° verdreht ist. Die Vertikalantenne 5 umfaßt einen Reflektor 24 und einen geschlitzten Einspeisungsstrahler 25, der längs der Brenrdinie des Reflektors 24 angeordnet ist. Außerdem ist auf dem Motor 20 eine Zweikanaldrehkppplung 26 angebracht, die dazu dient, die Leistung vom Leistungsteiler 3 auf die Einspeisungsstrahler 23 und 25 zu übertragen.

In Fig. 5 ist ein Abschnitt30 des Einspeisungsstrahlers 23 der geneigten Antenne 4 dargestellt, um die Dimensionen der auf den Reflektor 22 gerichteten Schlitze des Einspeisestrahlers zu veranschaulichen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, das bei einer Frequenz von 9375 MHz arbeitet, besteht der

Abschnitt 30 des Einspeisestrahlers 23 aus einem Stück Hohlleiter vom Typ RG-52 U mit den Innenmaßen 22,86 · 10,16 mm. Der Einspeisestrahler 23 ist '' über eine Länge von 170 cm mit Öffnungen in Form von insgesamt 110 Schlitzen 31 versehen, von denen jeder Schlitz eine Länge von 15,11 mm und eine Breite von 3,18 mm aufweist, die 15,42 mm voneinander entfernt sind. Der Abstand und die Zahl der Schlitze wurden gewählt, um die Keulenbreite von 1,5° in der Azimutebene, gemessen an den Punkten halber Leistung, zu erzielen. Der Schlitzabstand wurde mit Hilfe der· Taylorschen Formel, welche die Beziehung zwischen der Keulenbreite und der Schlitzlänge angibt, für eine Nebenzipfelunterdrückung von 35 db .und auf Grund der Standardformel für die Strahlrichtung

X X

in der α die Neigung der Phasenfront in bezug auf die Normale zum Hohlleiter, Xg die Hohlleiterwellenlänge und s der Abstand zwischen den Strahlungselementen bedeutet, berechnet. Zur Taylorschen Formel, s. beispielsweise T. T. Taylor, »Design of Line Sources for Narrow Beamwidth and Low Sidelobes«, Tech. Memo. No. 316, Hughes Aircraft Company, vom 31. Juli 1953, ASTIA Document Contract No. AFI 9

(604)-262-F8 vom 31. Juli 1953, und »Design of Line-Source Antennas for" Narrow Beamwidths and Low Sidelobes« aus den IRE Transaction on Antennas and Propagation AP-3 (1), S. 16 bis 28, vom Januar 1955, und bezüglich der Standard-Formel H. J a s i k, »Antenna Engineering Handbook«, McGraw-Hill, New York, 1961, Kapitel 9-11 bis 9-14, und insbesondere die Gleichungen 9-20 in Kapitel 9-13. Es versteht sich, daß die Abstände auch für andere Frequenzen und andere Halbwertbreiten nach den obigen Methoden unter Benutzung der genannten Textstellen bestimmt werden können.

Jeder der Schütze 31 weist einen Abstand von der Mittellinie 32 des Hohlleiters auf, wie er aus der Tafel A hervorgeht, die mit dem Schlitz Nr. 1 beginnt und mit dem Schlitz Nr. 110 endet. Der Versatz der Schlitze gegenüber der Mittellinie ist durch den Energiebetrag bestimmt, der aus dem Hohlleiter entnommen werden soll. Der Versatz der Schlitze wird nacheinander, beginnend mit dem vom Eingang des Hohlleiters am weitesten entfernten Schlitz, unter Benutzung von J a s i k, »Antenna Engineering Handbook«, McGraw-Hill, 1961, Kapitel 9-11 bis 9-14, für 9375 MHz bestimmt. Es versteht sich, daß bei anderen Arbeitsfrequenzen sich andere Abstände ergeben würden und daß diese anderen Abstände für andere Arbeitsfrequenzen vom Fachmann mit Hilfe der obengenannten Literaturstellen ermittelt werden können.

TafelA

Versatz der 110 Schlitze gegenüber der Mitteffinie des Hohlleiters

Schütz	Versatz	Schlitz	Versatz	Schlitz	Versatz	Schlitz	Versatz	Schlitz	Versatz	Schlitz	Versatz
Nr.	mm	Nr.	mm	Nr.	mm	Nr.	mm	Nr.	mm	Nr.	mm
1	0,13 Links	20	0,36 Rechts	39	0,78 L	58	1,24 R"	77	1,68 L	96	1,47 R
2	0,18 Rechts	21	0,38 Links	40	0,81 R	59	1,27 L	78	1,68 R	97	1,42 L
3	0,15 L	22	0,41 R	41	0,84 L	60	1,29 R	79	1,70 L	98	1,37 R
4	0,15 R	23	0,41 L	42	0,84 R	61	1,32 L	80	1,73 R	99	1,32 L
5	0,15 usw.	24	0,43 usw.	43	0,86 usw.	62	1,33 usw.	81	1,73 usw.	100	1,25 usw.
6	0,18	25	0,46	44	0,89	63	1,35	82	1,73	101	1,20
7	0,18	26	0,48	45	0,91	64	1,37	83	1,75	102	1,14
8	0,18	27	0,51	46	0,94	65	1,40	84	1,75 .	103	1,12
9	0,20	28	0,53	47	0,97	66	1,42	85	1,75	104	1,07
10	0,20	29	0,56	48	0,99	67	1,45	86	1,75 ·	105	1,02
11	0,20	30	0,56	49	1,02	68	1,47	87	1,75	106	0,99
12	0,23	31	0,58	50	1,04	69	1,50	88	1,73	107	0,97
13	0,23	32	0,61	51	1,06	70	1,52	89	1,73	108	0,97
14	0,25	32	0,64	52	1,09	71	1,55	90	1,70	109	0,97
15	0,28	34	0,66	53	1,12	72	1,57	91	1,68	110	0,97
16	0,28	35	0,69	54	1,14	73	1,60	92	1,65	Last
17	0,30	36	0,71	55	1,17	74	1,63	93	1,62	wider
18	0,33	37	0,74	56	1,20	75	1,63	94	1,57	stand
19	0,36	38	0,76	57	1,22	76	1,65	95	1,52

. In F i g. 6 ist die Krümmung des Reflektors 22 der schrägen Antenne 4 nach F i g." 4 dargestellt. Bei einer Frequenz von 9375 MHz befindet sich beispielsweise der Brennpunkt des Reflektors 22 auf der positiven X-Achse an der Stelle 381 mm. Die Krümmung des Reflektors ist durch die Werte der folgenden Tafel B gegeben, in welcher die Werte der X- und F-Koordinaten des Reflektors angegeben sind. Für den Randpunkt 1 der Krümmung ergeben sich aus TafelB die Werte +117,45 mmlängs der X-Achse und—191,47 mm längs der Y^--Achse. Die anderen Punkte 2 bis 38 sind in ähnlicher Weise der Tafel B zu entnehmen. Die Gestaltung der Krümmung des Reflektors für die schräge Strahlungskeule beruht auf den Prinzipien der geometrischen Optik. Die hierbei üblichen Methoden ergeben sich aus der Literatur, beispielsweise aus S. Silver, »Microwave Antenna Theory and Design«, MacGraw-Hill, New York, 1949, S. 497 bis 500, aus A. S. D u η b a r, »Calculations of Doubly Curved Reflectors for shaped Beams«, Proc IRE, Vol. 36, Oktober 1948, S. 1289 bis 1296, und aus Η. J a s i k, »Antenna Engineering Handbook« McGraw-

HiU₃ New York, 1961, Abschnitte 12-19 bis 12-21. Die in Tafel B zusammengestellten Koordinaten sind unter Bezugnahme auf J a s i k, Abschnitt 12-20, und Lösen der Gleichung

]ρ(Θ)άΘ flWdtp

J>(6>) d<9

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15

ermittelt, in der φ und Θ die Winkel des primären und sekundären Strahlenbündels sind und die Grenzen der Integration durch die Winkelwerte gegeben sind, welche den Rändern des Reflektors entsprechen. Die obige Formel beschreibt den Energieübergang von dem primären Strahlenbündel /(9?) zum sekundären Strahlenbündel P (Θ). Es versteht sich, daß für andere Arbeitsfrequenzen sich die Koordinaten des Reflektors in Übereinstimmung mit bekannten Lösungen der obigen Gleichung ändern.

Tafel B
Schräggestellter Reflektor

Punkt	X(mm)	Y (mm)	Punkt	X (mm)	r(mm)
1	117,45	-191,46	20	-1,32	64,70
2	105,38	-183,14	21	-0,20	81,02
3	92,92	-174,48	22	1,44	97,46
4	• 80,56	-165,16	23	3,56	113,94
5	68,48	-155,14	24	6,10	130,56
6	56,76	-144,34	25	9,10	147,24
7	45,70	-132,76	26	12,50	164,06
8	35,66	-120,82	27	16,28	181,06
9	27,00	—106,86	28	20,48	198,20
10	19,72	-92,76	29	25,14	215,52
11	13,76	-78,06	30	30,22	233,04
12	8,94	-62,94	31	35,78	250,80
13	5,16	-47,48	32	41,84	268,80
14	2,24	-31,80	33	48,44	287,08
15	0,10	-15,98	34	55,54	305,62
16	-1,38	0,0	35	63,24	324,50
17	-2,18	16,06	36	71,56	343,66
18	-2,44	32,20	37	80,50	363,24
19	-2,10	48,42	38	90,14	383,16

F i g. 7 zeigt analog zu F i g. 5 den Abschnitt 40 des Einspeisestrahlers 25 der Vertikalantenne 5, um die Dimensionen der auf den Reflektor 24 gerichteten Schlitze kenntlich zu machen, welche die Öffnung des Einspeisestrahlers 25 bilden. Bei der beispielsweise genannten Frequenz von 9375 MHz besteht der Abschnitt 40 des Einspeisestrahlers 25 aus einem Stück Hohlleiter vom Typ RG-52U mit den Innenmaßen 22,86 · 10,16 mm. Der Einspeisestrahler 25 enthält einen als Strahlungsöffnung wirkenden Abschnitt mit einer Länge von 152,4 cm mit insgesamt 63 Schlitzen 41, von denen jeder eine Länge von 16,00 mm und eine Breite von 3,18 mm aufweist, und die einen Abstand von 24,13 mm voneinander haben. Der Abstand und die Zahl der Schütze wurde nach den gleichen Methoden bestimmt, die bei der Berechnung der ScMitze im Einspeisestrahler 23 der geneigten Antenne 4 Anwendung gefunden haben und in den obengenannten Literaturstellen beschrieben sind. Der Abstand und die Anzahl der ScMitze wurde auch Mer so bestimmt, daß die StraMungskeule eine Halbwertsbreite von 1,5° in der Azimutebene bei einer Nebenzipfelunterdrückung von 35 db hat. Dabei ist auch Mer wieder jeder der Schütze 41 von der Mittellinie 42 des HoMleiters 40 um einen Betrag entfernt, der in der folgenden Tafel C angegeben ist, die mit dem Schütz Nr. 1 beginnt und mit dem ScMitz Nr. 63 endet. Für den Versatz der Schlitze von der Mittelünie des Hohlleiters ist der Betrag maßgebend, welcher aus dem HoMleiter ausgekoppelt werden soü. Auch Mer wurden der Berechnung die obengenannten Literaturstellen zugrunde gelegt, und es versteht sich, daß an Hand dieser Literaturstellen für andere Frequenzen andere Werte erhalten werden.

Tafel C

Versatz der 63 Schütze gegenüber
der Mittellinie des Hohlleiters

25

35

40

45

50

Schlitz	Versatz	Schlitz	Versatz	Schlitz	Versatz
Nr.	mm	Nr.	mm	Nr.	mm
1	0,18 Links	22	0,99	43	2,16
2	0,18 Rechts	23	1,04	44	2,21
3	0,20 L	24	1,12	45	2,24 .
4	0,20 R	25	1,17	46	2,26
5	0,23 usw.	26	1,22	47	2,28
6	0,25	27	1,27	48	2,28
7	0,28	28	1,34	49	2,26
8	0,31	29	1,40	50	2,24
9	0,35	30	1,45	51	2,18
10 .	0,38	31	1,52 L	52	2,10
11	0,43	32	1,58 R	53	2,00
12	0,48	33	1,63 L	54	1,90
13	0,53'	34	1,70 R 1,75 L	55	1,78
14	0,58	35	56	1,63
15	0,64	36	1,80 R	57	1,50
16	0,69	37	1,88 usw.	- 58	1,37
17	0,74	38	1,93	59	1,24
18	0,79	39	1,98	69	1,17
19	0,84	40	2,03	61	1,09
20	0,89	41	2,08	62	1,07 R
21	0,94	42	2,13	63	1,07 L
Last wider stand

F i g. 8 zeigt analog F i g. 6 die Krümmung des Reflektors 24 der Vertikalantenne 5. Für die beispielsweise angenommene Frequenz von 9375 MHz befindet sich der Brennpunkt des Reflektors 24 an der Stelle 381 mm auf der positiven X-Achse des Systems nach F i g. 8. Die Krümmung des Reflektors ergibt sich aus der folgenden Tafel D, in welcher die X- und F-Koordinaten der Krümmung zusammengestellt sind. Beispielsweise ergibt sich für den Rand-So punkt 1 das Wertepaar + 117,45 mm auf der X-Achse und —191,47 mm auf der Y- Achse. Die anderen Punkte 2 bis 40 können in gleicher Weise der folgenden TafelD entnommen werden. Die Konstruktion der Krümmung des Reflektors der Vertikalantenne basiert ebenfaUs auf den Prinzipien der geometrischen Optik und erfolgte nach den Methoden, welche oben im Zusammenhang mit der Gestaltung des Reflektors der geneigten Antenne erwähnt worden sind.

709 619/247

Claims

TafelD
Vertikalreflektor

Punkt X (mm) y(mm) Punkt X (mm) Γ (mm) 1 117,45 —191,34 21 7,82 79,32 2 106,04 —182,68 22 9 47 95,38 3 94 34 —173 60 23 11 56 111,02 4 82,80 —163,93 24 14,07 127,78 5 71,55 —153 62 25 16,99 144,12 6 60,68 —142,62 26 20'34 16o'58 7 50,50 —130 86 27 24,03 177,20 8 41,10 —118 36 28 97 7? 193 98 9 33,00 -105'08 29 32,72 210,94 10 26,24 -91,10 30 37,69 228,10 11 20,60 -76,60 31 43,13 245,46 12 16,13 -61,72 32 49,07 263,10 13 12,57 -46,54 33 55,52 280,94 14 9,83 -31,16 34 62,48 299,12 15 7,85 -15,64 35 70,04 317,58 16 6,50 0,0 36 78,13 336,38 17 5,76 15,72 37 86,89 355,50 18 5,54 31,52 38 96,34 375,56 19 5,82 47,40 39 106,50 394,94 20 6,60 • 63,32 40 117,42 415,32

Es versteht sich, daß das spezielle, beschriebene Ausführungsbeispiel nicht die einzigen Strahlungssysteme darstellt,^! die geeignet sind, um Strahlungsbündel einer bestimmten Form zu erzeugen. So werden beispielsweise andere Strahlungssysteme zur Erzeugung von Strahlenbündeln bestimmter Form, bei welchen die nennenswerte Strahlung in einem Bereich von 6 bis 75° Hegt und die eine konische Form haben, in dem Aufsatz von S1 e 11 e η u. a., »Corrective Line Sources for Paraboloid«, IRE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. AP-6, Juli 1958, S. 248 bis 250, beschrieben. Weiterhin ist es möglich, gerichtete Strahlenbündel einer bestimmten Form so zu erzeugen, wie es insbesondere in Kapitel 9 des Buches von Jasik, »Antenna Engineering Handbook«, und in den Kapiteln 12 und 13 des Buches von Silver, »Microwave Antenna Theory and Design«, beschrieben ist. Die Erfindung soll infolgedessen nicht auf eine bestimmte Art von Vorrichtungen zur Erzeugung solcher gerichteter Strahlen bestimmter Form beschränkt sein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 9, in der das Blockschaltbild eines 3Z>-Radargerätes dargestellt ist, bei dem von einer Antenne mit einer Strahlungskeule in Form eines umgekehrten V Gebrauch gemacht wird. Es ist dort eineBodenstation50 mit emem Sender 51 und einem Empfänger 52 dargestellt, die beide mit der Sende-Empfangs-Weiche 53 gekoppelt sind, die ihrerseits mit dem geneigten Strahlungssystem 54 der Richtantenne 55 . mit der Strahlungskeule in Form eines umgekehrten V verbunden ist. Die bisher beschriebene Vorrichtung ist so ausgebildet, daß' von der geneigten Antenne 54 eine Strahlungskeule längs eines Kleinkreises ausgesendet und die Reflexion von einem Ziel, wie beispielsweise einem Flugzeug 56, das die Bodenstation 50 überfliegt aufgenommen werden kann. Außerdem sind ein zweiter Sender 57 und ein zweiter Empfänger 58 Vorhanden_i die ihrerseits mit einer Sende-Empfangs-Weiche 59 in Verbindung stehen, die mit dem vertikalen Strahlungssystem 60 der Richt-

antenne 55 mit der Strahlungskeule in Form eines umgekehrten V gekoppelt ist. Diese zweite Vorrichtung ist zum.Aussenden einer vertikalen Strahlungskeule, die sich entlang einem Großkreis erstreckt, von der Antenne 60 und zum Empfang des von einem Ziel, wie z. B. dem Flugzeug 56, reflektierten Signals eingerichtet. Außerdem ist in F i g. 9 eine Rechen- und Darstellungseinheit 61 gezeigt, die dazu bestimmt ist, Informationen über die Entfernung und den Azimutwinkel eines Zieles zu liefern, von dem Reflexionen mittels der Vertikalantenne empfangen worden sind, die in der bei zweidimensionalen Radargeräten üblichen Weise den Raum abtastet. Darüber hinaus ist die Rechen-Anzeigeeinheit 61 so ausgelegt, daß sie die Höhe des Zieles dadurch ermittelt, indem sie zunächst den Höhenwinkel des Zieles aus der Gleichung

. „ siaR

sm F = — + tan C tan A

cos A

bestimmt, wie es bei der Erläuterung der F i g. 2 und 3 beschrieben worden ist. Danach wird die Höhe des Zieles auf Grund der bekannten geometrischen Verhältnise berechnet, nach denen

r tan A — H,

also das Produkt aus der Entfernung und dem Tangens des Höhenwinkels gleich der Höhe des Zieles ist.

Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können Mittel zur elektronischen Schwenkung der Strahlungskeulebei feststehender Antenne statt einer mechanischen Rotation der Antenne mit der Strahlungskeule in Form eines umgekehrten V aufweisen. Weiterhin ist es mögüch, eine größere Genauigkeit zu erzielen, indem mehr als zwei Strahlungskeulen benutzt werden, die dann zusätzliche Informationen liefern. Beispielsweise können drei geneigte Strahlungskeulen in Verbindung mit einer vertikalen Strahlungskeule Anwendungfinden, um zusätzhche nützliche Informationen zu erhalten.

Die vorstehenden Ausführungen bilden eine Ergänzung der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß durch die Erfindung eine Antenne geschaffen wird, die eine genaue Messung von steüeren Höhenwinkeln ermöghcht als die bisher bekannten Antennen und zugleich eine bessere Winkelauflösung ermöghcht, die auf die Ausrichtung der Strahlungskeulen zurückzuführen ist, wie sie bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde.

Die Erfindung soll jedoch keineswegs auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt sein. Es sollen vielmehr alle Abwandlungen davon im Rahmen der Erfindung hegen, die sich dadurch ergeben, daß bei Ausführungsformen der Erfindung einzelne der Erfindungsmerkmale für sich oder mehrere in beliebiger Kombination vorhanden sind.

Patentansprüche:

l. Verwendung eines Strahlungssystems mit einer Strahlungskeule, die sich längs dem Bogen eines Kleinkreises erstreckt oder den Bogen eines Kleinkreises beschreibt, der sich an der Oberfläche einer Kugel befindet, die das Antennensystem zum Zentrum hat, zur Erzeugung eines Antennendiagramms, dessen Strahlungskeulen sich nach Art eines umgekehrten V in bezug auf die Antenne mit zunehmender Höhe aneinander annähern, bei einer

Richtantenne für die Azimut- und Höhenbestimmung fliegender Objekte, insbesondere für Funkbaken, Ziellande-, Radar- und dergleichen Navigationsgeräte, die mindestens zwei Strahlungssysteme zur Erzeugung von verschiedenen, gegen- einandergeneigten Strahlungskeulen aufweisen.

2. Verwendung eines Strahlungssystems, dessen Strahlungskeule längs dem IOeinkreis elektronisch schwenkbar ist, bei einer Antenne nach Anspruch 1.
3. Verwendung zweier Strahlungssysteme, deren Strahlungskeulen sich längs je einem Bogen verschiedener Kleinkreise erstrecken bzw. je einen solchen Bogen beschreiben, bei einer Antenne nach Anspruch 1 oder 2.
4. Verwendung eines Strahlungssystems mit einer sich längs dem Bogen eines Großkreises erstreckenden bzw. den Bogen eines Großkreises beschreibenden Strahlungskeule, bei einer Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
5. Verwendung eines Strahlungssystems, dessen sich längs einem Großkreis erstreckende Strahlungskeule in einer senkrechten Ebene liegt, in Verbindung mit einem Strahlungssystem, dessen sich längs einem Kleinkreis erstreckende Strahlungskeule gegenüber dieser senkrechten Ebene geneigt ist, bei einer Antenne nach Anspruch 4.
6. Verwendung zweier Strahlungssysteme, von denen das eine Strahlungssystem eine in einer senkrechten Ebene stehende Strahlungskeule und das andere Strahlungssystem eine schräggestellte,

kegelförmige Strahlungskeule aufweist, in einer solchen räumlichen Anordnung, daß der Abstand zwischen dem Kegel und der Strahlungsebene mit zunehmender Höhe gegenüber der Antenne abnimmt, bei einer Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Verwendung einer solchen räumlichen Anordnung der Strahlungssysteme, daß die kegelförmige Strahlungskeule die senkrechte Strahlungskeule in einer Vielzahl von Punkten, die von der Antenne entfernt sind, berührt oder schneidet, bei einer Antenne nach Anspruch 6.
8. Antenne unter Verwendung von Strahlungssystemen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ihrer Gesamtheit zur Ausführung einer Abtastbewegung, insbesondere einer Drehung um eine vertikale Achse ausgebildet ist.
9. Antenne unter Verwendung von Strahlungssystemen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre einzelnen Strahlungssysteme aus je einem Reflektor und einem dazugehörigen Einspeisestrahler bestehen.
10. Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren nur um eine Achse gekrümmt sind, die im wesentlichen, senkrecht zur Fläche der jeweiligen Strahlungskeule gerichtet ist, .und daß der Einspeisestrahler als parallel zur Krümmungsachse gerichteter, mit Schlitzen versehener Hohlleiter ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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