DE1932028C3 - Radargerat mit Richtantenne aus phaseneinstellbaren Einzelstrahlern zur Aussendung mehrerer verschieden frequenter Radarsignale - Google Patents
Radargerat mit Richtantenne aus phaseneinstellbaren Einzelstrahlern zur Aussendung mehrerer verschieden frequenter RadarsignaleInfo
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- DE1932028C3 DE1932028C3 DE19691932028 DE1932028A DE1932028C3 DE 1932028 C3 DE1932028 C3 DE 1932028C3 DE 19691932028 DE19691932028 DE 19691932028 DE 1932028 A DE1932028 A DE 1932028A DE 1932028 C3 DE1932028 C3 DE 1932028C3
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Description
Die Erfindunn bezieht sich auf ein Radargerät mit
einer Richtantenne, die aus einer Vielzahl gespeister Einzelstrahler zusammengesetzt ist und bei der die
is Hnzelstrahler von einer zentralen Speiseeinrichtung
aus über in einem Bereich zwischen 0 und 360 einstellbare Phasenschieber derart versorgt sind, daß die
maximale Summe aller Beträge der Ph^senuntcrsehiede zwischen benachbarten Speisdeitungen bei
der Strahlschwenkung 360 bei weitem übersteigen
würde, wobei von dem Radargerät gleichzeitig mehrere
Radarsignale mit mindestens so weit unterschiedlichen Trägerfrequenzen ausgesandt werden, daß die
zugehörigen Echosignale noch getrennt verarbeitet weiden können.
Es ist bekannt, für Puls-Radargeräte Antennen zu verwenden, die aus einer Mehl zahl von gespeisten
Einzelstrahlerri zusammengesetzt sind. Derartige Antennenanordnungen
werden vielfach auch als »Phased-Array-Antenne« bezeichnet. Um zu erreichen, daß die
Signale am Empfangsort gleichphasig ankommen, werden in die Speiseleitungen Umwege von bestimmter
Länge eingeschaltet. Innerhalb dieser Speisungsari gibt es eine breitbandige Lösung, bei der der elektrische
Weg vom Sender zu demjenigen Empfangsort, wo alle Signale gleichphasig eintreffen sollen, für alle
gespeisten Einzelstrahler gleich lang ist. Deshalb wirken sich auch Frequenzverschiebungen für die
von allen Einzelstrahlern ausgehenden Strahlungsanteile gleichmäßig aus, und die Phasengleichheit am
Empfangsort bleibt unabhängig von der Frequenzverschiebung erhalten. Dies gilt nur so lange, als die
Speiseleitungen selbst in ihren Laufzeiten die gleiche Frequenzabhängigkeit haben. Diese Speisungsart
bietet aber trotz dieser Vorteile Schwierigkeiten insofern, als für manche Einzelstrahler besonders lange
Umwege erforderlich werden und eine genaue Einstellung des Umweges in der Praxis auf Toleranzprobleme
stößt.
Daneben ist eine schmalbandige Lösung bekannt, welche darin besteht, daß die Einzelstrahler von
einem zentralen Speisepunkt aus über Phasenschieber, z. B. in Form von Umwegleitungen, versorgt werden,
deren maximale Längenunterschiede nicht über eine Wellenlänge hinausgehen.
Aus der USA.-Patentschrift 3 448 450 ist eine Radarantenne bekannt, bei der eine Zeile von Einzelstrahlern
nacheinander von einer einzigen Versorgungsleitung über verschiedene Anschlußstücke
mit hochfrequenter Signalenergie versorgt werden. Zwischen den Anschlußstücken und den eigentlichen
Strahlern sind Phasenschieber vorgesehen, die in einem Bereich zwischen 0 und 360° in der Phase veränderbar
sind. Die den einzelnen Strahlern zugeführten hochfrequenten Impulse haben verschiedene Frequenzen,
weshalb an die Speiseleitung verschiedene Hochfrequenzsender angeschlossen sind. Durch die Veränderung
der Phascneinstellung bei den einzelnen
l'hasensehieberelementen lassen sich verschiedene
I lauptstrahlungsrichtungen einstellen.
Bei diesem bekannten Radargerät ist ein Zusammenhang
zwischen der mit der jeweiligen Amcnnen-,i.ordnung
erzielbaren EntfernungsaufÜisung und der >
.ils Systemparameier für das betreffende Radargerät
juf Grund seines Verwendungszweckes geforderten,
!•'nifernungsaufiösung nicht hergestellt, iiefde System·
jrößen bestehen ohne Zusammenhang nebeneinander ;nd eine Beziehung zu der Zahl der für die Abstrah- ,0
!ung -.crwerideten fiequenzmäßig \ersjhiedenen
Radarsignale ist ebenfalls nicht hergestellt, im prakischen
Einsatz ist bei derartigen Radarantennen die ■ :i !sächlich erreichbare F.ntfernungsauflösung viel
großer, als sie fiir das System, in dem das jeweilige ,5
Radargerät eingesetzt werden soll, überhaupt erforderlich
ist. Andererseits is; es wünschenswert, durch den Hinsatz von Radarsignalen mit unterschiedlichen
l-requenzen möglichst viele Informationen über ein
Ziel oder em Zielgebiet oder einen ErUfernungs- 2n
bereich zu erhalten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, e:nen Weg aufzuzeigen, auf dem es möglich
ist, unter Einhaltung der als Sys":mpaiameler Tür
das jeweilige Radargerät geforderten Entfernungsauflösung durch frequenzinäßig verschiedene Radarsignale
möglichst viele Informationen zu gewinnen.
Gemäß der Erfindung, welche sich auf ein Radargerät der eingangs genannten Art bezieht, wird dies
dadurch erreicht, daß unter an sich bekannter Weglassung aller Vielfachen von 360" bei der Phasenver- 3n
Schiebung die Zahl der frequenzmäßig verschiedenen Radarsignale möglichst nahe bei einem Wert gewählt
ist, welcher durch das Verhältnis zwischen der ais Systemparameter für das betreffende Radargerät vorhandenen
Entfernungsauflösung und der mit der gegebenen Richtantenne noch erreichbaren, durch
das um die weggelassenen Vielfachen von 360° phasenverschobene Eintreffen der von den verschiedenen
Einzelstrahlern stammenden Radarsignale am Ziel bedingten Entfernungsauflösung gegeben ist. Dadurch
lassen sich die Möglichkeiten, welche ein derartiges, mit frequenzmäßig unterschiedlichen Radarsignalen
arbeitendes Radargerät bezüglich der erreichbaren Zielinformationen bietet, optimal ausnutzen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Richtantennenanordnung in perspektivischer Darstellung,
F i g. 2 eine Seitenansicht einer Richtantenne nach Fig. 1,
F i g. 3 den Einschwingvorgang am Zielort bei Ablenkung längs einer Spalte,
F i g. 4 den Einschwingvorgang der Empfangsspannung am Antenneneingang bei Ablenkung längs
einer Spalte, F i g. 5 die Antenne in Vorderansicht,
F i g. 6 den Einschwingvorgang am Zielort bei diagonaler Ablenkung,
F i g. 7 den Einschwingvorgang der Empfangsspannung am Antenneneingang bei diagonaler Ab-
lenkung,
F i g. 8 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
F i g. 9 das Strahlungsdiagramm einer Richtantenne nach F i g. 8.
Eine sogenannte Phased-Array-Antenne besteht aus einer Vielzahl von Einzelstrahlern, z. B. Dipolen,
die meist auf einer ebenen Grundfläche in M Zeilen und N Spalten angebracht sind. In F i g. 1 sind
diese Einzelstrahler als Punkte angedeutet. Die Signale aller dieser Elemente kommen gleichphasig an
einem F.mpfangsort an. wenn in ihren Speiseleilungen elektronisch Umwege oder entsprechende Phasenverschiebungen
der Länge
■ I L = m ■ /, + η ■ lh - k ■ /,-, 11)
eingeschaltet werden. Dabei ist m die Zeile und 11 die
Spalte, in der sieh das betrachtete Element befindet,
und A0 die Wellenlänge. Die Größen /,. und /,, geben
■Jie Differenz der Umwege zwischen je zwei übere-der
rebeneinanevriiegenden Elementen an. Sie hängen von den Winkeln <
und f> ab und sind außerdem dein in Zeilenrichtung (dh) oder in Spaltenrichtung
(d,.j gemessenen Elementabstand proportional:
I1. = d,. · cos I).
lh = d„ -cos,. C-)
Die Winkel .; und i) werden hierbei zwischen Richtung
zum Ziel P und Richtung der Antennenzeile (7)
oder Richtung der Anteni^nspalte (fl) gemessen.
Außer diesem Umweg I L oder der entsprechenden
Phasenverschiebung zur Ablenkung des Antennen-Strahls werden eventuell noch zusätzliche Umwege LF
oder entsprechende Phasenverschiebungen benötigt, um eine unterschiedliche elektrische Weglänge zwischen
Sender und den Einzelstrahlern auszugleichen (Fokussierung). Der Einfluß der Fokussierungsphase
auf den Antennengewinn ist bei großen Winkeln zwischen der Antennensenkrechten und dem Antennenstrahl
klein. Er wird daher im folgenden nicht betrachtet.
Bei der sogenannten Schmalbandspeisung der Einzelstrahler wird nach Gleichung (1) von IL die
Strecke k ■ /<, abgezogen (k — 0, 1, 2 .. .), bis der
Umweg 1L kleiner als die Wellenlänge und damit
der Phasenunterschied kleiner als 360° wird. Die veränderbaren Umwegleitungeii bzw. Phasenschieber
müssen also eine maximale Variation des Umweges von nur einer Wellenlänge bzw. einem Phasenschieber
von 360° haben. Dadurch ist eine sehr genaue Einstellung der Bedingung (1) möglich.
Der größte Wert (K) des Parameters k liegt bei dem Element in der äußersten Zeile und Spalte vor
(in Fig. 1 rechts oben). Hier ist nach (1)
K = N
(COS
<f)max
+ M
(3a)
Dabei sind rlmax und ömax die extremen Auslenkwinkel.
In den meisten Fällen sind N und M große
Zahlen (10 ... 100). Der Term -i- kann daher für
eine Näherungsbetrachtung fortfalfen. Bei dem meist üblichen Abstand (ah, d„) der Einzelstrahler von ^
ist dann
K « -1 IN ■ (cos ,,)_ + M · (cos O)11111x] . (3)
K « -1 IN ■ (cos ,,)_ + M · (cos O)11111x] . (3)
Beim Betrieb sehr breiter Frequenzbänder (mehrere Oktaven) wird bei der Schmalbandlösung die Feldstärke
am Empfangsort etwa periodisch frequenzabhängig, selbst dann, wenn die Strahlungseigenschaften
der Einzelstrahler nicht von der Frequenz
abhängen. Das soll an Hand von Fig. 2 erklärt
werden, wo eine Spalte einer Richtantenne mit M= 10 Einzelstrahlern dargestellt ist, die mit 0
bis 9 numeriert sind. Der Abstand der Zeilen (dc)
sei '! . Der Strahl soll in der Zeichenebene (x,
z-Ebene der Fig. 1) liegen, wobei r/ = 90" beträgt
und 0 zu 33,6' angenommen ist.
Die Einzelstrahler 0 bis 9 werden über Leitungen LO bis L9 gespeist. Dabei ist angenommen, daß die ,o
Phasenunterschiede zwischen den Einzelstrahlcrn durch unterschiedliche Leitungslängen eingestellt
werden. Um Gleichphasigkeit an einem weit entfernten Zielort zu erreichen, muß der Laufwegunterschied
zwischen den Strahlungen der einzelnen Strahlern durch die Länge der Zuleitungen ausgeglichen
werden. Die Speiseleitung des Einzelstrahlers 9 ist bei Breitbandspeisung um mehr als 3 A0 länger als
die des Einzelstrahlers 0. Bei der Schmalbandspeisung werden größere Wegunterschiede als eine WeI-Ienlänge
Z0, d. h. Phasenunterschiede von mehr als
360°, in den Speiseleitungen nicht angewendet, d. h., die dünn ausgezogenen Teile oder Speiseleitungen
LO bis L9 werden weggelassen, und die Punkte L9B
sowie L9A sowie L8ß und LSA werden direkt,
d. h. ohne zwischenliegende Leitungsstücke miteinander verbunden. Die verbleibenden dick ausgezogenen
Speiseleitungen vom Sender S zu den Einzelstrahlern sind zusammen mit etwaigen Phasenschiebern
untereinander elektrisch um weniger als X0 verschieden, d. h., sie erbringen nur Phasenverschiebungen
zwischen den Einzelstrahlern von insgesamt weniger als 360'.
An den senkrecht zur Strahlrichtung eingezeichneten Wellenfronten Wl, Wl, WT, ist IL = Z0
geworden, und k steigt nach der angegebenen Vorschrift um eins an. Die Werte von k sind in die
Figur eingetragen. Nach einem plötzlichen Einschalten des Senders wird am Empfangsort zuerst der
Signalanteil registriert, der von den Elementen herkommt,
bei denen k seinen höchsten Wert hat. Im vorliegenden Beispiel sind dies die Signale, welche
von den Einzelstrahlern der Zeilen 9 und 8 ausgehen. Danach steigt das Signal treppenförmig an,
bis es nach K ■ T0 seinen Endwert erreicht hat.
Dabei ist T0 die Schwingungsdauer der Frequenz /„.
Einzelheiten hierzu sind aus F i g. 3 ersichtlich, wo von der Richtantenne nach F i g. 2 mit K = 3 ausgegangen
ist, so daß sich bei der Kurve 1 insgesamt vier Stufen ergeben Die erste Stufe wird durch die
Strahlung der Einzelstrahler 9, 8, die zweite Stufe durch die der Einzelstrahler 7, 6, 5, die dritte Stufe
durch die der Einzelstrahler 4, 3 und die letzte Stufe durch die der Einzelstrahler 2, 1, 0 verursacht
Ist die Signalfrequenz nur halb so groß, dann entspricht der eingestellte maximale Umweg der veränderbaren
Leitung nur mehr einer halben Wellenlänge. Aufeinanderfolgende Anteile des Signals kompensieren
sich dann in der Richtung (ψ; 6), wie die
gestrichelte Kurve 2 in Fig. 3 zeigt. Dieser Auslöscheffekt
tritt bei allen Frequenzen
f. = {2p + 1)·£,
luf. Bei den Zwischenwerten
luf. Bei den Zwischenwerten
= 0, 1,2
= P-Jo, P = O, 1,2
(4)
(4a)
addieren sich die einzelnen Anteile zu einem Maxi mum des Signals in Richtung (</■; O). Die periodisch)
Frequenzabhängigkeit des Signals entspricht der Eigenschaften eines Kammfilters. Das gilt exakt
solange die elektrische Länge oder die Laufzeit dci veränderbaren Leitung unabhängig von der Frequen;
ist. Andernfalls folgen Minima und Maxima dei Feldstärke in ungleichen Abständen aufeinander. Die
durch die Umwegleitungen verursachten Störunger sind im Grunde genommen Laufzeitverzerrungen. Si«
entsprechen den sogenannten Echoverzerrungen bei der Nachrichtenübertragung.
Als Bandbreite der Richtantenne soll im folgender der Unterschied zwischen den Frequenzen verstanden
werden, an denen der Antennengewinn um 3 dB kleiner ist als das Maximum bei /0. Wenn die Wellenlänge
λ vom Mittelwert Ji0 abweicht, dann sind
die Phasen vor und nach einem Sprung in k ungleich. Die Länge der Umwegleitung springt nämlich um
Z0 und nicht um λ, wodurch der Antennengewinn
frequenzabhängig wird.
An Hand einer Betrachtung für die Ablenkung in Richtung einer Spalte (Fig. 2; 7 = 90°, 0 variabel)
soll die Bandbreite ermittelt werden. Der Wegfehler bei einem Sprung von k ist
Der .Vegfehler zwischen der untersten und der mittleren Zeile ist
Genauso groß ist auch der Wegfehler zwischen der zweiten Zeile von unten und der Zeile über der
Mitte usw. Auf diese Weise läßt sich die Antenne in lauter Zeilenpaare aufteilen, die unter sich einen
gleichen Wegfehler haben. Wenn dieser Wegfehler einer Viertelwellenlänge entspricht, überlagern sich
die Fernfeldanteile aller Zeilenpaare mit einer Phasendifferenz von 90°. Dadurch geht die Feldstärke entsprechend
3 dB zurück.
Die Bedingung für die Grenzfrequenz /3 ist also
Die Bedingung für die Grenzfrequenz /3 ist also
λ f
(3) eingesetzt, ergibt
(3) eingesetzt, ergibt
„ K λ
M = 2Λ, = τ.
Ii = ΔΑ _ _L
2Κ '
/ M-(COSO)1^x-Die
Höhenausdehnung der Antenne ist
A/o
(5a)
(6)
M =
A-2/o
Damit ist die 3-dB-Bandbreite der Antenne nach
Gleichung (5a)
wenn in erster Näherung /%/0 gesetzt wird.
3601
Beim Radarbetrieb wird vielfach die gleiche Antenne zum Senden und zum Empfangen benutzt.
Hier ist die Bandbreite durch den Abstand der 1,5-dB-Punkte
im Frequenzgang des Gewinns maßgebend. Der Phasenfehler eines Zeilenpaarcs darf dann nur
65,5" betragen. Die Bandbreite reduziert sich dadurch um das Verhältnis der Phasenfehler 6^5 - 0,728
0,728 ■ c
7i · (cos J)~
7i · (cos J)~
(8)
Infolge der vorher beschriebenen »Laufzciivcrzerrung«
nach F i g. 3 springt die Feldstärke am Ort des Radarziclcs nach einem plötzlichen Einschalten
des Senders nicht sofort auf ihren Endwert; der Betrag der Feldstärke steigt in K + I Stufen treppcnförmig
an. Beim Empfang des Radarechos mit der gleichen Antenne tritt noch einmal eine Laufzeitverzerrung
des Signals auf. Dadurch wird die Treppe auf 2 K + I Stufen erweitert, wie dies in
F i g. 4 dargestellt ist. Die Stufenhöhe ist in der Mitte viel größer als an den Rändern. Bei reiner
Ablenkung in Spaltenrichtung liegen die Mittelpunkte der Stufen auf einer Kurve Γ, die durch zwei *5
quadratische Parabeln 4 und 5 angenähert werden kann, die durch ein Geradenstück 3 miteinander
verbunden sind. Die Scheitel der Parabeln liegen in den Endpunkten der Treppe. Die Gerade schneidet
die Linien U = 0 und U = LZ0 in den Punkten f,
und I1. Die Zeitdifferenz zwischen diesen Punkten
soll als die praktische Einschwingzeit der Treppenkurve definiert werden. Sie ergibt sich aus der geometrischen
Betrachtung bei reiner Ablenkung in Spaltcnrichtung zu
Atv % 0,6 (2K' + 1)· 70. (9)
Dabei ist T0 die Schwingungsdaucr des Hochfrcquenzsignals.
Die Kurve für die doppelte Betriebsfrequenz ist mit 2' bezeichnet.
Bei schräger Auslenkung (d. h. in Zeilen- und Sp.iltcnrichtung)
des Strahles wird die gesamte Dauer des Einschwingvorgangs gegenüber den vorher behandelten
Fällen vergrößert, weil sowohl cos 0 als auch cos 1/ von Null verschieden sind. Dadurch wird K
nach Gleichung (3) und folglich die Länge der Treppe größer.
Das ist in Fi g. 5 gezeigt. Hier wurde eine Riehtantenne
mit je 10 Zeilen und Spalten, also insgesamt 100 durch Kreise angedeuteten Einzelstrahlern, angenommen.
Als Auslenkwinkel wurden <j = 60ώ und
d = 60° gewählt. In F i g. 5 sieht man den Verlauf der Wellenfronten W bei der Aufsicht auf die Antenne.
An dem Ort der Linien YV erreicht der Umweg ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge. Daher
erhöht sich dort k um Eins. Zu den hohen und niedrigen Werten von k gehören nur die wenigen
Elemente in den Ecken der Richtantenne. Daraus ergibt sich die in F i g. 6 gezeigte ungleichmäßige
Steigung der Einschwingtreppe am Ort des Zieles.
Wenn das am Ziel reflektierte Signal wieder empfangen wird, so ergibt sich als Klemmenspannung
der Antenne eine Treppenkurve 1", deren erste und letzte Stufen so klein sind, daß sie auf der Zeichnung
in F i g. 7 nicht mehr zu erkennen sind. Die Mittelpunkte der Stufen können hier durch einen Kurvenzug
verbunden werden, der abschnittsweise durch Gerade (GER), Parabel (PAR). Gerade, Parabel unc
wieder Gerade angenähert werden kann. Die Abszissen dieser Kurvenstücke sind unter sich etwa gleich
lang. Nach dieser Näherung ergibt sich aus dei Steigung der Tangente im steilsten Punkt der Kurve
eine Einschwingzeit von
If1, * 0,4 (2 K + I)· T0. (10)
Dieser lange Einschwingvorgang macht die Trennung der Echosignale von zwei räumlich dicht hintereinanderliegendcn
Zielen unmöglich. Als Auflösungsgrcnze soll nun die Entfernung Ir zweier Ziele definiert
werden, bei der die Echosignale gerade um .If verschoben zurückkommen. Setzt man als Sendesignal
einen kurzen Impuls voraus und nimmt an, daß keine größeren Störungen durch Einschwingvorgänge
im Empfänger oder Rauschen auftreten, dann ist im Mittel die Einsallelung zwischen zwei
gleich großen Signalen, die um At gegeneinander
verschoben sind, gerade 50% der Maximalamplitude. Im folgenden sollen zwei Signale als getrennt erkennbar
(auflösbar) bezeichnet werden, wenn ihre Mitten um If oder eine größere Zeit voneinander entfernt
sind.
Bei vertikaler Ablenkung ist, wenn der Wert von K nach Gleichung (3) eingesetzt wird.
lf„ = 0,6 (2 K + I)T0 - 0,6 (M -cos ü + I)T0.
Die Ausdehnung /ι der Antenne in Richtung der Spalten war
/, = M ■ d„ = M · ^ = M ■ ST°-. (6)
Damit ist die Einschwingzeit
Damit ist die Einschwingzeit
If1. = 0,6 (2J cosO + T0Y (I!)
Dem entspricht nach der oben gegebenen Definition eine Entfernungsauflösung von
Ir1. =-c- If,..
Also ist
/·,. = 0,6 fh ■
cos 0 +
(12)
bei Ablenkung in Richtung der Spalten. Bei Ablenkung des Antennenstrahles in Richtung der Zeilen
(9 = 90°) um 7 ergibt sich analog für die Entfernungsauflösung
lrfc = 0,6 ib · cos 9 + -4ρΛ.
(13)
Dabei ist b die geometrische Breite der Antenne.
Für die Entfernungsauflösung bei diagonal abgelenktem Antennenstrahl (7 = 0) gilt entsprechend
= 0,4 (ft-cos? + ft cosi?+ ^V
(14)
Die Gleichungen (12) bis (14) lassen sich für eine quadratische Antenne (h = b) in eine geschlossene
309 646/251
Form umwandeln, mit der die Entfcrnungsauflösung
bei beliebigen Winkelpaaren (7, D) abgeschätzt werden kann
Ar % 0,6·//
> COS*-/ + COS2// + -~-
Das Entfernungs-Auflösungsvermögen der Phased-Array-Anlrnne
mit einem steuerbaren Umweg oder veränderbarem Phasenschieber in der Speiseleitung
jedes Elementes liegt in der Größenordnung der Antennenabmessungen. Mit steigender Entfernungsauflösung
(kleiner Antenne) nimmt gleichzeitig die Winkelauflösung nach
Λ γ = \Γ\η2 + I,?2 = 65"
(15)
ab. Das Produkt beider Auflösungen, die Fläche des Auflösungsviereckes
AyAr = 40° · /.„ · ,cos2'/ +
(16)
ist daher von den Antennendimensionen {b, h) unabhängig.
Eine Verkleinerung des Auflösungsviereckes kann nur durch eine Erhöhung der Frequenz oder
eine Verminderung des Abtast-Winkelbereichs erzielt werden.
Wenn die Entfernungsauflösung der Phased-Array-Antennc
mit schmalbandigen Umwegleitungen voll ausgenutzt werden soll, darf die Einschwingzeit I te
des nachgeschalteten Empfängers höchstens so groß sein wie Hie Her Antenne .!i.
Dem entspricht eine Bandbreite des Hochfrequenzkanals von
Durch Vergleich der Formeln (8) und (11) ergibt sich
das Verhältnis
'"■"'s Ii1. -0,6T0 ~ Ii,
wenn der Term mit T0 vernachlässigt wird. Bei gleicher
Einschwingdauer von Antenne und Empfänger
sind die entsprechenden Bandbreiten gleich.
Bei voller Ausnutzung der Entfernungsauflösung kann die Antenne also ein Radarsignal »unverzerrt«
übertragen. Meistens ist der geforderte Wert für die Entfernungsauflösung viel schlechter als der im Grenzfall
erreichbare. Dann kann die Bandbreite des Radarsignals viel kleiner gemacht werden als die Bandbreite
der Phased-Array-Antenne. Dadurch ist es möglich, mit der Antenne gleichzeitig mehrere Radarsignale
auf benachbarten Frequenzen zu übertragen.
Wenn beispielsweise die Richtantenne eine Abmessung von b = 5 Z0 und h = 5 /<, hat und cos 7
sowie cos & = 0,5 sind (#, 7 = 60°), so ist nach (14)
die Entfernungsauflösung etwa \rä = 2,2 Z0. Bei den
für derartige Richtantennen gebräuchlichen sehr kleinen
Wellenlängen, z. B. im cm-Bereich. wird diese Entfernungsauflösung nicht benötigt, und es genügt
eine Auflösung von z. B. 22 /.. Das Verhältnis zwischen
geforderter Entfernungsauflösung und der mit der gegebenen Richtantenne erreichbaren Grenzauflösung
hat in diesem Fall den Wert 10. Dies bedeutet, dal von dem radargerät gleichzeitig maximal 10 frequenz
mäßig verschiedene Radarsignale ausgesandt werder können, wobei die Frequenzen dieser Radargeräts
lediglich mindestens so weit unterschiedlich scir müssen, daß die zugehörigen Echosignale noch ge
trennt verarbeitet werden können. Maßgeblich isi hierfür im wesentlichen die Selektivität der Radioempfänger,
wobei zweckmäßig für jedes der Radarsignale ein eigener Empfänger vorgesehen ist. Mil
Hilfe einer weiter unten näher beschriebenen Speiseeinrichtung ergibt sich die Möglichkeit, Hauptstrahlungen
verschiedener Frequenzen in jeweils verschiedene Richtungen zu lenken. Dadurch kann der gcsamte
Frfassungsbercich der Richtantennenanordnunj!
schneller auf Radar/icle untersucht werden. Außerdem
ist es möglich, dieselbe Richtung nacheinander mit den verschiedenen Frequenzen abzutasten. Dadurch
können Informationen über Ausdehnung und Form des Ziels erhalten werden. Es ist auch denkbür.
mit den einzelnen frequenzmäßig unterschiedlichen Radarsignalen verschiedene F.ntfernungsbcreiche abzutasten
und dadurch beispielsweise eine Aufleiluim in nähere, mittlere und weiter entfernte Zonen durchzuführen.
Zweckmäßig wird die Zahl der frequenzmäßig verschiedenen
Radarsignale etwas kleiner gewählt ;>!*·
das Verhältnis zwischen der geforderten Entfern iiiu>·-
auflösung und der erreichbaren Grenzauflösung IHr
Grund hierfür liegt darin, daß Filter zur Trenmiro.
frequenzmäßig unmittelbar benachbarter Sirn>!·
nicht realisierbar sind. Datier müssen zwischen iv;
Frequenzbereichen der einzelnen Radarsignale u;;1·1
nutzte Bereiche eingeschoben werden, innerhalb de:· ;
der übergang der Filter vom Durchlaß- zum Spe·· verhalten vor sich gehen kann.
In F i g. 8 ist als Ausführungsbeispiel der I ■ i""
dung eine einfache Richtantennenanordnung IO '.!:■ gestellt, welche mit insgesamt vier frequen/nk':;
verschiedenen Radarsignalen arbeitet. Die Ricnu ?
tenne besteht aus insgesamt 25 an einer Seite π ■· mit strahlungsundurchlässigen Trennwänden ν
sehenen Kastens 18 angeordneten Einzeldipolei. Einzelstrahlern, welche von vier Hornstrahlern U i ■ ■>
14 mit vier frequenzmäßig verschiedenen Rad-r
Signalen beaufschlagt werden. Diese Radarsiur·... :
werden in Sendern Sl bis S4 erzeugt und gelar.'. :;■
über Sende-Empfangs-Weichen SEI bis SE4 zu d·.·»
Hornstrahlern 11 bis 14. Diese Sende-Empf;n v^~
Weichen leiten die zurückkommenden Echosignale in bekannter Weise den Radarempfängern £1 bi->
/'4 zu. Der Abstand von den Hornstrahlern 11 bis 14 und die seitliche Ausdehnung der Richtanteniunanordnung
10 ist so gewählt, daß über den k.i>ten 18
hinaus möglichst keine Strahlung in den rechts von der Richtantenne liegenden Raum gelangen kann.
Die Einzelstrahler der Richtantennenanordnung 10, welche hier in vertikaler Polarisation dargestellt sind,
werden im Sendebetrieb durch die frequenzmäßig verschiedenen Strahlungen der Hornstrahler 11 bis 14
erregt und leiten ihre Empfangsspannung über Phasenschieber, welche die Signale zu den hinter dem
Kasten 18 liegenden Einzelstrahlern weitergeben, wobei die Seitenflächen des Kastens als Trennwände
arbeiten und für Strahlung undurchlässig sind. Der Einfachheit halber ist nur für den Einzelstrahler 15
der Phasenschieber 16 dargestellt; der zugehörige Dipolstrahler rechts von der Außenwand des Kastens
3601
18 isi mit 17 bezeichnet. Es können rechts von der
Außenwand des Kastens 18 ebenso viele Einzclstrahlcr angeordnet sein wie au! der linken Seile. Dann ist
auch die Zahl der Phasenschieber gleich der Zahl der Einzelstrahler auf einer Seite des Kastens 18. Es ist
aber auch möglich, in bekannter Weise eine Verminderung der Zahl der Phasenschieber 16 und der
Einzelstrahler rechts von dem Kasten 18 zu erreichen, indem mehrere Einzelstrahler auf der linken Seite
des Kastens 18 kombiniert mit nur einem Phasenschieber und einem Einzelstrahler auf der rechten
Seite zusammenarbeiten. Der einstellbare, vorzugsweise elektrisch gesteuerte Phasenschieber 16 erzeugt
zusammen mit den zwischenliegenden Leitungsstücken die notwendige Phasenverschiebung für den
Einzelstrahler 17, und zwar in der im Zusammenhang mit F i g. 2 erläuterten Weise (Schmalbandspeisung)
zur Ablenkung und zur Fokussierung. Die von den Hornstrahlern 11 bis 14 ausgehende Strahlung
wird von den rechts vom Kasten 18 angcordnetrn Strahlern (z. B. Strahler ti) mit der erforderlichen
Phasenverschiebung abgestrahlt und gelangt nach der Reflexion an einem Ziel wieder zu diesen
Strahler zurück, läuft nochmals über die zwischenliegenden Phasenschieber (z. B. 16), wird von den
zugehörigen Einzclstrahlern (z. B. 15) abgestrahlt und gelangt zu den einzelnen Hornstrahlern 11 bis 14.
Diese sind in ihren Hauptr.trahlungsrichtungen zweckmäßig
um einen gewissen Winkel α gegeneinander geneigt. Dadurch wird erreicht, daß die Strahlungsdiagrammc,
die von den einzelnen Hornstrahlern 11 bis 14 herrühren, ebenfalls gegeneinander versetzi
sind. So ist es möglich, die Phased-Array-Antenne die einen beträchtlichen Teil der Gesamtkosten de;
Geräts ausmacht, besser auszunutzen.
Die vier frequenzmäßig verschiedenen Strahlungskeulen 11a bis 14a, die dabei entstehen, sind in
Fig. 9 dargestellt. Dabei rührt die Keulella vom
ίο Sender Sl und dem Hornstrahler 11, die Keule 12ü
vom Sender S2 und vom Hornstrahler 12 her. Die
Keulen 12« und 14a liegen räumlich vor den Keulen Wa und 13«; insgesamt bilden die Keulen eine
Art Vierbeinanordnung. Die Ausleuchtung der Richtantenne 10 ist besonders günstig, wenn die Hauptstrahlungsrichtungen
der Hornstrahler 11 bis 14 aul deren Zentrum gerichtet sind. Besonders zweckmäßig
ist es, wenn die einzelnen Radarsignale gepulste Signale sind. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn
die einzelnen Radarsignale mit Rauschen moduliert sind und die Auswertung der Eehosignale unter Anwendung
von Korrelationsverfahren erfolgt. In vielen Fällen, vor allem bei der Überwachung großer Entfernungsbereiche,
kann es zweckmäßig sein, wenn die einzelnen Radarsignale mit unterschiedlichen Leistungen abgestrahlt werden. Die leistungsschwächeren
Radarsignale können dann bevorzugt für den Nahbereich, die leistungsstärkeren Radarsignale für
den Fernbereich herangezogen werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
- Patentansprüche:I. Radargerät mil einer Richtantenne, die aus einer Vielzahl gespeister Einzelstrahler zusammengesetzt ist und bei der die Einzeistrahler von einer zentralen Speiseeinrichtung :uis über in einem Bereich zwischen 0 und 360 einstellbare Phasenschieber derart versorgt .-,ind. daß die maximale Summe aller Beträge der Phasen unterschiede zwischen benachbarten Speiseleitungen bei der Strahlschwenkung 360 bei weitem übersteigen würde, wobu von dem Radargerät gleichzeitig mehrere Radarsignale mit mindestens so weit unterschiedlichen Trägerfrequenzen ausgesandt werden, daß die zugehörigen Echosignale noch getrennt umarbeitet werden können, dadurch gekennzeichnet, daß unter an sich bekannter VY jülassung aller Vielfachen von 360 hei der Phasenverschiebung die Zahl der frequenzniäßig verschiedenen Radarsignale möglichst nahe bei einem Wert gcvählt ist. welcher durch das Verhältnis zwischen der als Systemparameter für das betreffende Radargerät (S. SE. E) vorhandenen Entfernungsauflösung und der mit der gegebenen Richtantenne (10 bis 14) noch erreichbaren, durch das um die weggelassenen Vielfachen von 360 phasenverschobene Eintreffen der von den verschiedenen Einzelstrahlern stammenden Radarsignale am Ziel bedingten Entfernungsauflösung gegeben ist.
- 2 Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Radarsignale in verschiedene Richtungen ^gestrahlt sind.
- 3. Radargerät nach oinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Radarsignale gepulste Signale sind.
- 4. Radargerät nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Radarsignale mit Rauschen moduliert sind und die Auswertung der Echosignale unter Anwendung von Korrelationsverfahren ei folgt.
- 5. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Radarsignale mit unterschiedlichen Leistungen abgestrahlt werden.
- 6. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Radarsignal ein eigener Sender (Sl bis S4) und/ oder ein eigener Empfänger (£1 bis E4) vorgesehen ist.
- 7. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus strahlungsundurchlässigen Außenwänden zusammengesetzter Kasten (18) vorgesehen ist, der an zwei gegenüberliegenden Außenwänden Einzelstrahler (15, 17) in Form von Dipolen aufweist, die über im Inneren des Kastens (18) angeordnete Phasenschieber (16) miteinander verbunden sind und die über eine der Zahl der Radarsignale entsprechende Zahl von Hornstrahlern (II bis 14) angeregt werden, derart, daß jedem Hornstrahler ein Sender (Sl bis S4) und ein Empfänger (£1 bis £4) sowie eine Sende-Empfangs-Wciche (SEI bis S£4) zugeordnet ist.
- 8. Radargerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hornstrahler (11 bis 14) mit ihren Hauptstrahlungsrichtungen gegeneinander geneigt sind.
- 9. Radargerät nach Anspruch 7 oder 8. dadurch ^kennzeichnet, daß die Hornstrahler (Il bis 14) so angeordnet sind, daß die Richtantenne möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet ist.
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US3354461A (en) * | 1963-11-15 | 1967-11-21 | Kenneth S Kelleher | Steerable antenna array |
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- 1970-06-24 FR FR7023352A patent/FR2047911B1/fr not_active Expired
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SH | Request for examination between 03.10.1968 and 22.04.1971 | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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