DE1591455B2

DE1591455B2 - Reflektorantenne fuer sehr kurze elektromagnetische wellen, insbesondere fuer radarzwecke

Info

Publication number: DE1591455B2
Application number: DE19671591455
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl.-Ing. 8131 Wangen Brunner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-03-21
Filing date: 1967-03-21
Publication date: 1972-10-12
Also published as: NL6717414A; FR1556804A; DE1591455A1; NL143081C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reflektorantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, insbesondere für Radarzwecke, die in einer horizontalen Ebene eine strake Bündelung und in einer vertikalen Ebene ein besonders geformtes Diagramm aufweist, bestehend aus einem als punktförmige Quelle wirkenden Primärstrahler und einem doppelt gekrümmten Reflektor, der zur Erzeugung des besonders geformten Diagramms in der vertikalen Ebene in einem in dieser Ebene liegenden Mittelschnitt eine mit Hilfe der geometrischen Optik ermittelte Krümmung aufweist und zur Erzeugung der starken Bündelung in der horizontalen Ebene aus einzelnen übereinandergereihten, schmalen bis infinitesimalen ellipsenförmigen Streifen der Mantelwandungen von verschiedenen Rotationsparaboloiden aufgebaut ist, welche Streifen wenigstens angenähert senkrecht so auf dem Mittelschnitt stehen, daß ihre Symmetrie-ίο ebene die Mittelschnittebene darstellt, und die außerdem derart ausgebildet sind, daß die Länge der unmittelbaren Verbindungsgeraden vom Primärstrahler zu jedem beliebigen Punkt auf einem Ellipsenstreifen (Ellipsenpunkt) genauso groß ist wie die gesamte zurückgelegte Weglänge eines Strahles, der vom Primärstrahler zum Schnitt des Mittelschnittes mit dem jeweiligen Ellipsenstreifen und von dort nach Reflexion bis zu demjenigen Punkt verläuft, in dem das vom vorher genannten beliebigen Ellipsenpunkt auf den nunmehr reflektierten Strahl gefällte Lot diesen trifft.

Für bestimmte Antennen sind Strahlungsdiagramme erwünscht, die nur in einer Ebene eine starke Bündelung aufweisen, in der dazu senkrechten Ebene jedoch ein besonders geformtes Diagramm zeigen. Derartige Richtantennen werden beispielsweise in der Radartechnik verwendet. Radarantennen sollen in derjenigen Ebene besonders gut bündeln, in der eine genaue Bestimmung der Winkelstellung des Zieles gewünscht wird. Das bekannteste Beispiel dafür bilden die umlaufenden Radarantennen von Rundsuchgeräten, die in der horizontalen Ebene stark bündeln und in der vertikalen Ebene ein sogenanntes cosec²-Diagramm aufweisen sollen. .

Bei Speisung eines Reflektors durch eine punktförmige Quelle muß dieser zur Erzeugung des geforderten Strahlungsdiagramms in den beiden Hauptebenen verschieden gekrümmt sein. Die Krümmung in der Ebene, die für das besonders geformte Diagramm verantwortlich ist — bei einer Radarrundsuchantenn'e mit z. B. cosec²-Strahlungscharakteristik ist dies die Vertikalebene —, kann mit Hilfe der geometrischen Optik berechnet werden. Der doppelt gekrümmte Reflektor ist bei bekannten Rundsuchantennen zur Erzeugung eines cosec²-förmigen Vertikaldiagramms aus übereinander angeordneten schmalen Parabelstreifen aufgebaut, welche bei infinitesimaler Breite zu Linien ausarten und zu verschiedenen Rotationsparaboloiden gehören. Eine solehe Antenne ist z. B. in dem Buch »Mikrowellenantennen«, erschienen 1964 im VEB Verlag Technik, Berlin, S. 511 bis 520, beschrieben.

Aus dem Buch von J a s i k, »Antenna Engineering Handbook«, McGraw-Hill Co, 1961, S. 12-21 und 12-22, sind doppelt gekrümmte Reflektoren bekannt, die für den Empfangsfall aus übereinanderliegenden parabelförmigen Streifen und für den Sendefall aus übereinanderliegenden ellipsenförmigen Streifen bestehen, deren Ebenen das Phasenzentrum des Primärstrahlers enthalten. Als Kompromiß wird eine Reflektorausführung genannt, deren Streifen in Ebenen liegen, die winkelmäßig in der Mitte zwischen den Streifen für den Empfangsfall und denjenigen für den Sendefall liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Richtantenne mit einem doppelt gekrümmten Reflektor und einem punktförmigen Primärstrahler der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Reflektor

3 4

bei gegebener Breite und Höhe optimal ausgenutzt schnift einer Reflektorantenne, z. B. einer Radar-

und bei der eine optimale Abschirmung des rück- antenne,

wärtigen Raumes mit minimalen Nebenzipfeln er- F i g. 3 einen Reflektor mit einer punktförmigen

reicht wird. Strahlungsquelle zur Erzeugung einer cosec²-Strah-

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Reflektor- 5 lungscharakteristik in seitlicher Ansicht,

antenne der eingangs genannten Art bezieht, wird dies F i g. 4 a und 4 b den Strahlengang einer Reflektor-

dadurch erreicht, daß alle Ellipsenstreifen horizontal antenne mit horizontal verlaufenden Ellipsenstreifen

verlaufen und ihre oberen und unteren Randlinien nach der Erfindung,

etwa parallel zueinander sind. F i g. 5 ein für alle Streifenarten gemeinsames

Ein aus horizontalen Streifen bestehender Re- _I0 Rotationsparaboloid für einen Punkt des Mittelflektor besitzt den Vorteil, daß durch die entstehende Schnitts,

Rechteckform der Vorderansicht die vorgegebene F i g. 6 a den Verlauf horizontaler Ellipsenstreifen

Höhe und Breite des Reflektors bestens ausgenutzt in seitlicher Ansicht,

wird und damit eine optimale Abschirmung des F i g. 6 b den Verlauf dieser horizontalen Ellipsenrückwärtigen Strahlungsbereiches (minimale Neben- 15 streifen in einer Ansicht des Reflektors von oben, zipfel) erfolgt. Für kleine Reflektoren ergibt sich eine F i g. 7 die Umrandung eines aus horizontalen optimale Bündelung in der vertikalen Ebene durch Streifen aufgebauten Reflektors nach der Erfindung Ausnutzen der vollen Höhe über die gesamte Breite. mit räumlichem Primärdiagramm.
Beispielsweise ist dann ein flaches cosec²-Diagramm Zur Erzeugung des geforderten Diagramms muß erreichbar. Außerdem lassen sich die Reflektoren 20 der Reflektor bei Speisung durch eine punktfbrmige einfacher herstellen, da die Ellipsen in parallelen, Strahlungsquelle in den beiden Hauptebenen verhorizontalen Ebenen liegen. schieden gekrümmt sein. Die Krümmung in der

Diese erreichten Verbesserungen lassen sich mit Vertikalen, die für die cosec²-Form verantwortlich

einem bekannten, z. B. aus Parabelstreifen aufge- ist, kann mit Hilfe der geometrischen Optik berechnet

bauten Reflektor nicht erhalten. Versucht man, einen 25 werden. In F i g. 1 und 2 ist jeweils der vertikale

derartigen Reflektor durch Beschneiden oder An- Mittelschnitt eines Reflektors dargestellt, wobei die

stückeln auf eine der Umrandungen der Ellipsen- unterschiedlichen Krümmungsverhältnisse der beiden

konturen zu bringen, so schneidet man entweder Mittelschnitte durch voneinander abweichende Zu-

Teile ab, die eine erwünschte Abstrahlung verursachen, Ordnung der Randstrahlen zustande kommen. I η F i g. 1

oder man setzt Teile an, die eine unerwünschte Ab- 30 stellt die ausgezogene Linie 1 den Verlauf eines Re-

strahlung verursachen. Das Vertikaldiagramm und flektors dar, der ein gewünschtes Diagramm z. B. der

die horizontale Amplitudenbelegung werden gestört, cosec²-Form liefert. Die im unteren Teil des Re-

da sich durch Abschneiden oder Anstückeln die oberen flektors angedeutete gestrichelte Linie la entspricht

und unteren Randstreifen nicht mehr über die gesamte dem Verlauf einer Parabel, wobei deren oberer Teil

Reflektorbreite erstrecken. 35 mit der ausgezogenen Linie 1 zusammenfällt und

Die Struktur der horizontalen Ellipsen gibt also deshalb dort nicht mehr dargestellt ist.

die Möglichkeit, eine gegebene Höhe und Breite durch In F i g. 2 sind die Verhältnisse umgekehrt, weil

die Rechteckform ohne Weglassen einer erwünschten hier die ein gewünschtes Diagramm ergebende Linie 1

oder Hinzunahme einer unerwünschten Strahlung und die einer Parabel (Parabolreflektor) entsprechende

voll auszunutzen. Durch unterschiedliche Mehrdeutig- 40 gestrichelte Linie ία im unteren Teil zusammenfallen

keitsbereiche leitet sich für Reflektoren aus hori- und oben auseinanderlaufen. Die Punkte A bezeichnen

zontalen Ellipsenstreifen eine mögliche größere maxi- in beiden Fällen dasjenige Ende des Reflektors, bei

male Reflektorbreite ab. Ist z. B. der Abstand zwi- dem beide Linien 1 und 1 α zusammenfallen, die

sehen dem Speisepunkt und dem Reflektor begrenzt, Punkte B dasjenige Ende, bei dem sie auseinander-

so kann bei üblichen Randwinkeln im Vertikal- 45 laufen.

diagramm mit horizontalen Ellipsenstreifen ein Re- Die Speisepunkte des Speisehorns, von denen die

flektor bis zur doppelten Breite aufgebaut werden wie Strahlung als punktförmig ausgehend angenommen

bei parabelförmigen Streifen, ohne daß die Rand- werden kann (Phasenzentrum), sind in beiden Fällen

zonen des Reflektors mehrdeutig werden. mit F bezeichnet. Der Winkel Φ bezeichnet den

Die Ellipsenstreifen können unendlich schmal sein, 50 Winkel, welcher von dem horizontal verlaufenden

so daß sie eine Linie ergeben und der Reflektor keine Strahl p₀ und dem Strahl ρ eingeschlossen wird.

Abstufungen aufweist. Der Erhebungswinkel Θ bezeichnet den Winkel, der.

Die Erfindung wird im folgenden bei einer Radar- von dem Strahl ρ nach der Reflexion am Reflektor 1 antenne mit cosec^-Strahlungscharakteristik in der mit der gestrichelt angedeuteten Horizontalen ge-Vertikalebene näher erläutert. Bei dieser Diagramm- 55 bildet wird. Der Winkel β wird gebildet durch den form verläuft die obere Diagrammflanke in der Strahl ρ vor und nach der Reflexion am Reflektor, polaren Feldstärkedarstellung horizontal, d. h., ein In F i g. 1 ist für den zum Punkt B führenden in konstanter Höhe anfliegendes Ziel ergibt un- horizontalen Strahl p₀ Φ_Β = O. Der zugehörige Erabhängig von der Entfernung ein konstantes Echo. hebungswinkel ist mit Θ_Β bezeichnet. Für das obere Es soll zunächst von der in bekannter Art durch- 60 Ende des Reflektors 1 (Punkt A) sind die entsprechengeführten Erzeugung eines besonders geformten Dia- den Winkel mit Φ_Α bzw. Θ_Α bezeichnet,
gramms, z. B. eines cosec^Diagramms in der Vertikal- In F i g. 2 ist beim Punkt A für den horizontal ebene ausgegangen werden. Sodann werden noch verlaufenden Strahl p₀ der Winkel Φ_Α = 0, während kurz bekannte Antennen mit einem doppelt ge- der Erhebungswinkel Θ_Α ist. Die beim Punkt B am krümmten Reflektor und einer punktförmigen Strah- 65 oberen Ende des Reflektors sich ergebenden Winkel lungsquelle erläutert. sind mit Φ_Β bzw. Θ_Β bezeichnet.

Es zeigen Die Abhängigkeit des Abstandes ρ zwischen dem

F i g. 1 und 2 jeweils einen vertikalen Mittel- Reflektor 1 und dem Speisepunkt 2 des Speisehorns

vom Winkel Φ ergibt sich dabei zu

In^= f
Po J

tg

Φ + Θ

άΦ .

Die Bedeutungen der einzelnen Symbole gehen im einzelnen aus den F i g. 1 und 2 hervor. Zur Lösung des oben angeführten Integrals ist die Kenntnis der Funktion Θ (Φ) notwendig, die aus

steht im Punkt A 2 senkrecht auf dem im Punkt P reflektierten Strahl. Die Verbindungslinie χ steht im Punkt Bl senkrecht auf der horizontal verlaufenden gestrichelten Linie. Der Abstand PBl ist mit z₂ bezeichnet. Aus der Bedingung der Gleichphasigkeit der an diesem Streifen Ll reflektierten Strahlen folgt:

FPl = Ferner ist	FP	+ PAl = I	ρ + z₂ cos	Θ. ■	•
FP2 = wobei von	η	ι² + z\ - 2	pz₂ cos Φ	+ χ²,
FB2 =	U	*² + 4-2*	pz₂ cos Φ

G((9)d6>

ΑΦ)

ΐ5 Gebrauch gemacht ist. Setzt man die beiden für FP 2

dΦ

hervorgeht, wobei J (Φ) das Energiediagramm des Speisehorns (Primärdiagramm) und G (<9) das geforderte Diagramm der Gesamtantenne (cosec² Θ) darstellt. Das gesuchte ρ (Φ), das mittels eines Iterationsverfahrens ermittelt werden kann, stellt den vertikalen Mittelschnitt der Reflektorkontur dar. Da bei der Anordnung nach F i g. 1 und 2 das Speisehorn außerhalb des Strahlenganges liegt, wird normalerweise fast ausschließlich diese Anordnung verwendet.

F i g. 3 zeigt einen Reflektor R für eine cosec²-Strahlungscharakteristik von der Seite mit einer Strahlungsquelle F. Jeder Punkt P des vertikalen Mittelschnitts M ergibt dabei eine Strahlung in eine bestimmte Richtung Θ. Soll die Strahlung für diese Richtung Θ in der Ebene senkrecht zur Ebene des Mittelschnittes M, also senkrecht zur uv-Ebene stark gebündelt sein, so müssen auf der Reflektorfläche außerhalb der wt;-Ebene Punkte liegen, die in Richtung Θ abstrahlen und die mit dem betreffenden

erhaltenen Ausdrücke gleich, so erhält man x² + z\ sin² Θ — 2pz₂ (cos Φ + cos Θ) Dies ergibt umgeformt

cos Φ + cos Θ sin² Θ

0.

( ^p (■

Dies stellt die Gleichung einer Ellipse mit vom Winkel Φ abhängigen Halbachsen dar. Wenn sich der Erhebungswinkel θ an den Wert Null annähert, wird die Ellipse zur Parabel

x² = 2pz₂ (1 + cos Φ).

F i g. 5 zeigt das für alle durch einen Punkt P verlaufenden, infinitesimalen Streifenarten gemeinsame Rotationsparaboloid D. In der Ebene Ei liegt ein parabelförmiger Erhebungswinkelstreifen Ll, in der Ebene El der Horizontalstreifen Ll und in der Ebene £3 ein Brennpunktstreifen L3. Alle diese Streifen berühren den Mittelschnitt M im Punkt P. Da für

Punkt P eine Linie (Streifen) bilden. Es ist bekannt, 40 alle Streifenarten die in eine bestimmte Richtung Θ umdiese infinitesimalen Streifen in die Ebene El zu legen. gelenkte Strahlung von demselben Punkt F ausgeht, Dies ergibt Parabelstreifen. Die Projektion dieser müssen die Streifen Teile des Rotationsparaboloids D Ebene El auf die uu-Ebene gibt den Erhebungs- sein, dessen Brennpunkt mit dem Punkt F übereinwinkel Θ an, so daß man derartige Streifen Erhebungs- stimmt, dessen Achse außerdem in der in der Beschreiwinkelstreifen nennen kann. Es ist auch bekannt, 45 bung der F i g. 3 definierten wt>-Ebene um den Winkel Θ die Streifen in die Ebene £3 zu legen. Dies ergibt gegen die u-Achse geneigt ist und das den Punkt P Ellipsenstreifen. Die Projektion dieser Streifen auf enthält.

die Mu-Ebene ist eine durch den mit der Strahlungs- Die verschiedenen Streifen ergeben Reflektoren,

quelle F identischen Brennpunkt gehende Gerade. die sich in der Tiefe und in der Umrandung von-Nach der Erfindung sind jedoch die nebeneinander 50 einander unterscheiden. F i g. 7 zeigt die Umrandung angeordneten Reflektorstreifen, die eine Reflexion Ul (Reflektor-Vorderansicht) eines aus horizontal in eine bestimmte Winkelrichtung Θ ergeben, hori- angeordneten Ellipsenstreifen bestehenden Reflektors, zontal verlaufende Ellipsenstreifen. Die Ebene, in Die gestrichelt dargestellten Äquipotentiallinien des der ein solcher Streifen liegt, ist mit El bezeichnet. Primärdiagramms bilden auf der Kontur ellipsenartig Fig. 4 a zeigt die Schrägansicht einer nach der 55 geformte Kurven, so daß bei normaler Ausleuchtung Erfindung ausgebildeten Reflektorantenne zur Er- des vertikalen Mittelschnitts M und eines entsprezeugung einer cosec²-Strahlungscharakteristik und chenden mittleren Ellipsenstreifens die Ecken der F i g. 4 b deren vertikalen Mittelschnitt M, wobei die Kontur nicht so stark angestrahlt werden. Es ergibt inFig. 4ahintereinanderliegendenPunkteB2undP2 sich gegenüber aus parabelförmigen Streifen bezusammenfallen. Dabei wird der Strahlungsanteil in 60 stehenden Reflektoren eine bessere Ausleuchtung Richtung des Efhebungswinkels Θ von einem hori- und damit eine bessere Bündelung im Horizontali diagramm für flache Erhebungswinkel, die den wich-

tigsten Winkelbereich bilden, und weiterhin ein höherer Antennengewinn in diesem Winkelbereich, ß

g g m ori

zontal liegenden infinitesimalen Streifen Ll des Reflektors erzeugt. Die Strahlung geht von der Strahlungsquelle F aus, wobei z. B. ein Strahl ρ am vertikl Milhi

ρ g

kalen Mittelschnitt M des Reflektors R beim Punkt P 65 Außerdem wird ein steilerer Energieabfall im Vertikal- und ein zweiter Strahl an einem durch diesen Punkt P diagramm für den Bereich unter dem Horizont erzielt.

Ein aus horizontalen Streifen bestehender Reflektor läßt sich leichter herstellen und prüfen als Reflektoren

gehenden horizontalen Streifen L 2, und zwar im Punkt P 2, reflektiert wird. Die Verbindungslinie PIA 1

mit bekannten Konturen, da die Ebenen der Ellipsenstreifen parallel zueinander und horizontal liegen.

Für einen gegebenen kleinsten Abstand im Bereich des Strahles p₀ zwischen dem Speisepunkt F und dem Reflektor R kann die Reflektorbereite nicht beliebig groß gewählt werden*. Wie aus den F i g. 6a und 6 b ersichtlich, ist bei den infinitesimalen horizontalen Streifen LI entsprechend der Erfindung wegen der Parallelität der Streifenebenen eine Begrenzung der Reflektorbreite durch eine Mehrdeutigkeit des Re-Sektors R nicht gegeben, wie dies bei den parabelförmigen Erhebungswinkelstreifen der bekannten Reflektoren der Fall wäre. Mehrdeutigkeiten im äußeren Bereich des Reflektors würden dort dann entstehen, wenn sich die Ebenen der Streifen schneiden, die Streifen jedoch windschief aneinander vorbeigehen. Solche Mehrdeutigkeiten würden Schattenzonen bewirken. Da die horizontalen Streifen Ll Ellipsen sind, wird die maximale Reflektorbreite durch die kleinste der auftretenden Ellipsenachsen bestimmt. Bei einer weiteren Verlängerung des Ellipsenstreifens würde nämlich die größte Ellipsenbreite 2x_max überschnitten werden, so daß die äußeren Enden des Ellipsenstreifens und damit die äußeren Enden des Reflektors wieder näher zusammenrücken würden. Dies geht aus F i g. 6 a

hervor, in der die kleinste auftretende Ellipsenachse durch die Achse der untersten Ellipse gebildet wird und sich eine maximale Reflektorbreite 2x_max ergibt zu :

2x_max = 2

cos Φ_Β + cos Θ_Β sin Q_n

wobei P₀ der kleinste Abstand zwischen dem Speisepunkt F und dem Reflektor R ist. Die Bedeutungen der weiteren Bezeichnungen sind im einzelnen aus F i g. 1 zu entnehmen. Die Ansicht des Reflektors in Fig. 6 b entspricht einer Ansicht entsprechend der Pfeilrichtung in F i g. 6 a.

Die angegebene maximale Reflektorbreite wird" bestimmt durch die Breite des untersten Streifens, der die Strahlung in Richtung des Winkels Θ_Β erzeugt. Für die übrigen Streifen gibt es größere maximale Breiten, die durch die Ellipsenachse der jeweiligen Ellipse bestimmt werden. Läßt man demgemäß die Streifenbreite und damit die Reflektorbreite mit kleiner werdendem Abstrahlwinkel Θ anwachsen, dann kann die wirkliche Reflektorbreite vergrößert werden, wirkt jedoch nicht mehr für alle Abstrahlwinkel Θ. Es wird aber damit eine erhöhte Bündelung für flachere Winkel erreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209 542/461

Claims

Patentansprüche:

1. Reflektorantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, insbesondere für Radarzwecke, die in einer horizontalen Ebene eine starke Bündelung und in einer vertikalen Ebene ein besonders geformtes Diagramm aufweist, bestehend aus einem als punktförmige Quelle wirkenden Primärstrahler und einem doppelt gekrümmten Reflektor, der zur Erzeugung des besonders geformten Diagramms in der vertikalen Ebene in einem in dieser Ebene liegenden Mittelschnitt eine mit Hilfe der geometrischen Optik ermittelte Krümmung aufweist und zur Erzeugung der starken Bündelung in der horizontalen Ebene aus einzelnen übereinandergereihten, schmalen bis infinitesimalen ellipsenförmigen Streifen der Mantelwandungen von verschiedenen Rotationsparaboloiden aufgebaut ist, welche Streifen wenigstens angenähert senkrecht so auf dem Mittelschnitt stehen, daß ihre Symmetrieebene die Mittelschnittebene darstellt, und die außerdem derart ausgebildet sind, daß die Länge der unmittelbaren Verbindungsgeraden vom Primärstrahler zu jedem beliebigen Punkt auf einem Ellipsenstreifen (Ellipsenpunkt) genauso groß ist wie die gesamte zurückgelegte Weglänge eines Strahles, der vom Primärstrahler zum Schnitt des Mittelschnittes mit dem jeweiligen Ellipsenstreifen und von dort nach Reflexion bis zu demjenigen Punkt verläuft, in dem das vom vorher genannten beliebigen Ellipsenpunkt auf den nunmehr reflektierten Strahl gefällte Lot diesen trifft, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ellipsenstreifen (L 2) horizontal verlaufen und ihre oberen und unteren Randlinien etwa parallel zueinander sind.

2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Refiektorbreite

2 Po

cos Φ_Β + cos Θ_Β
sin Θ_Β

beträgt, wobei p₀ der kleinste Abstand zwischen dem Phasenzentrum des Primärstrahlers und dem Reflektor (R) ist, Θ_Β den maximalen Abstrahlwinkel vom Reflektor (R) und Φ_Β den Abstrahlwinkel vom Phasenzentrum (F) des Primärstrahlers für den Abstrahlwinkel Θ_Β jeweils gegen die Horizontale darstellt.

3. Richtantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das besonders geformte Diagramm in der Mittelschnittebene ein cosec²-Diagramm ist.