DE1962436C1 - Dopplernavigations-Radarantenne mit automatischer Land- See- Fehlerkorrektur auf Grund unterschiedlich geneigter Keulengruppen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dopplernavigations-Radarantenne mit automatischer Land-See-Fehlerkorrektur durch Erzeugung von zwei etwas unterschiedlich geneigten, einander überlappenden, aus jeweils vier Keulen bestehenden Keulengruppen unter Verwendung einer ebenen Strahlergruppe, bestehend aus in parallelen Reihen angeordneten Einzelstrahlern, die endseitig von quer zu den Reihen verlaufenden und an ihren jeweils beugen Enden mit Einspeisestellen versehenen Speiseleitungen gespeist sind.

Beim Doppler-Navigationsverfahren werden vom Fiugobjekt Radarstrahlen gegen den Erdboden gerichtet und die Doppler-Verschiebung der reflektierten Wellen gemessen. Nur diejenigen Geschwindigkeitskomponenten bedingen die bekannten Frequenzverschiebungen, die in Richtung des jeweiligen Radarstrahles zurückweisen. Um die Geschwindigkeitskomponenten für die Bewegung im Raum zu erhalten, müßten mindestens drei Messungen in unterschiedlichen Richtungen, die nicht in einer Ebene liegen dürfen, ausgeführt werden. Bei Verfahren mit kontinuierlicher Messung bedeutet dies die Notwendigkeit von mindestens drei Strahlen. Ein vierter Strahl isi zumeist für Ersatzzwecke vorgesehen.

Die bekannten Verfahren ermöglichen eine relativ hohe Meßgenauigkeit bei der Navigation über Land, während über Wasser vor allem ein Fehler auftritt, der sich durch die Abhängigkeit der Reflexionsenergie vom Feinstrahlwinkel auf das Wasser ergibt. Dieser Fehler erklärt sich daraus, daß die Energie der Bodenechos über Land nahezu unabhängig vom Einstrahlwinkel ist, während sich die Rückstrahlenergie über Wasser erheblich — sowohl mit dem Einstrahlwinkel als auch mit der Oberflächenbeschaffenheit (Seegang) — ändert. Hierdurch wird das Frequenzspektrum der Echosignale relativ zu dem über Land empfangenen Frequenzspektrum verzerrt, was zu einer fehlerhaften Verschiebung der gemessenen Frequenzmitte führt. Es ist deshalb bei Flug über Wasser eine Korrektur durchzuführen.

Bei den meisten bisher bekannten Systemen wird diese Korrektur durch einen sogenannten Land-See-Schalter eingeschaltet. Diese Methode kann jedoch als Kompromiß nur einen gemittelten Fehler über Wasser, unabhängig vom Seegang, eliminieren und bedeutet zum anderen eine zusätzliche Belastung für den Piloten. Zudem setzt diese Methode Bodensicht oder die Kenntnis des überflogenen Gebietes voraus.

Zur Feststellung der Abhängigkeit der reflektierten Energie vom Einfallswinkel, die für Land und See verschieden ist, läßt sich eine automatische Land-See-Feh-

erkorrektur ableiten. Zu diesem Zweck ist es bekannt, nit einer Doppler-Navigationsantenne drei oder vier verschieden geneigte Keulen zum Boden hin abzustrahen und außerdem — zumeist zeitlich versetzt — noch ,vettere drei bzw. vier Keulen abzustrahlen, welche je-Joch gegenüber den ersten vier Keulen in der Neigung geringfügig verändert sip.d. Der Energieunterschied zweier benachbarter Strahlen ist in Abhängigkeit vom Seegang unterschiedlich, woraus auch eine vom Seegang abhängige Korrektur abgeleitet werden kann.

Bei bisher bekannten Systemen sind zur Erzeugung der beiden Keulengruppen entweder zwei getrennte Antennen nebeneinander oder zwei ineinandergeschachtelte Antennen verwendet worden. Da für die beiden Antennen zusammen meist nur eine bestimmte Fläche zur Verfügung steht, wären bei zwei getrennten Antennen beide nur halb so groß und damit die Strahlbreite in einer Ebene doppelt so groß und damit ungünstiger. Bei zwei ineinandergeschachtelten Antennen liegt jeweils zwischen zwei Strahlern, beispielsweise geschlitzten Hohlleitern, der einen Antenne ein Strahler der anderen Antenne. Dadurch werden die Abstände der Strahler einer Antenne so groß, daß mehrere Hauptkeulen auftreten. Entstehen jedoch an einem Antenneneingang zwei Hauptkeulen, so unterscheiden sich die Signale dieser beiden Keulen nur durch ihre unterschiedlichen Dopplerfrequenzen, welche bei langsam fliegenden Flugzeugen, beispielsweise Hubschraubern, nicht mehr getrennt werden können.

Aus der US-Patentschrift 31 34 102 ist beispielsweise eine Dopplernavigations-Radarantenne mit Land-See-Fehlerkorrektur zur Erzeugung von zwei etwas unterschiedlich geneigten, einander überlappenden und aus jeweils vier Keulen bestehenden Keulengruppen bekannt, wobei in parallelen Reihen angeordnete Einzelstrahler verwendet werden, die endseitig von quer zu den Reihen verlaufenden Speiseleitungen gespeist sind. Diese Speiseleitungen werden in der Mitte gespeist. Jede einzeln- Speisestelle dient effektiv der Erzeugung zweier Strahlen. Aus der US-Patentschrift 32 76 026, insbesondere F i g. 2, ist eine Speisung der Speiseleiter an beiden Enden bekannt

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 39 371 ist es bekannt, eine Speiseleitung als Speiseleitungspaar unterschiedlicher Phasenlaufzeit auszubilden. Der Phasenlaufzeitunterschied ist relativ groß bemessen, da stark unterschiedlich gerichtete Strahlen erzielt werden sollen.

Aus »IEEE Transactions« AP-H (1966) 5 (Sept.), S. 560 bis 566, ist es bekannt, als Speiseleitungspaar jeweils einen Hohlleiter quadra;ischen Querschnitts, der zwei zueinander senkrecht polarisierte Wellen führt, zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antenne für die Doppler-Navigation zu schaffen, bei der zur Erzeugung der beiden geringfügig unterschiedlich geneigten Keulengruppen für die Land-See-Fehlerkorrektur nicht zwei getrennte Antennen nebeneinander oder zwei ineinandergeschachtelte Antennen verwendet werden, so daß auch nicht deren Nachteile auftreten. Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Dopplernavigations-Radarantenne der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise jede der beiden Speiseleitungen (tatsächlich oder nur effektiv) aus einem Speiseleitungspaar, deren Einzelleitungen sich in ihrer Phaseniaufzeit unterscheiden und die mit jeder der Reihen von Strahlern gekoppelt sind, besteht und daß der Phasenlaufzeitunterschied zur Erzielung der Überlappung der Keulengruppen entsprechend klein bemessen ist.

Bei Speisung jeweils einer Leitung der Speiseleitungspaare, nämlich jeweils einer der beiden mit gleieher Phasenlaufzeit, ergibt sich eine gegenüber der Speisung der anderen beiden Speiseleiter in Längsrichtung der Speiseleitungen unterschiedliche Neigung der Keulengruppe. Dies wird mit einer einzigen sich in beiden Fällen in Betrieb befindlichen Antennenanordnung erreicht, wobei lediglich die beiden Speiseleiter jedes Speiseleitungspaares getrennt an die Speisequelle bzw. im Empfangsfall an die Empfangsstelle angeschaltet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Flugzeug mit den beiden zum Boden aussendbaren Keulengruppen,

F i g. 2 eine Gesamtantennenanordnung nach der Erfindung in Schrägansicht,

F i g. 3 die Lage der acht von der Λ ,'.enne abgestrahlten Hauptkeulen von oben und die

Fig.4a bis 4d Ankopplungsmöglichkeiten eines Hohlleiterspeiseleitungspaares an einen Hohlleiter-Schlitzstrahler jeweils in Querschnittsansicht. Fig. ¹. zeigt ein Flugzeug 1 senkrecht über dem Geländepunkt 2, das mit seiner Doppler-Navigationsantenne die Keulengruppe 3 und eine zweite Keulengruppe 4 abstrahlt, wobei die beiden Keulengruppen 3 und 4 gegenüber dem Lot des Flugzeugs auf den Boden geringfügig verschieden gezeigt sind. An sich wären lediglich drei Messungen, d. h. drei Strahlen in unterschiedlichen Richtungen, die nicht in einer Ebene liegen dürfen, notwendig, jedoch ist es von Vorteil, noch einen Ersatzstrahl zur Verfügung zu haben. Mit den beiden Keulengruppen 3 und 4 läßt sich die Abhängigkeit der reflektierten Energie vom Einfallswinkel, die für Land und See verschieden ist. feststellen, so daß aus den Energieverhältnissen der empfangenen Signale eine automatische Land-See-Fehlerkorrektur ableitbar ist. Die in F i g. 2 dargestellte Doppler- N avigationsantennenanordnung besteht aus einer Gruppe von elf Rechteckhohlleitern 5, in deren eine Schmalseite eine Vielzahl schwach und in alternierender Richtung geneigter Schlitze 6 eingefräst ist. Der konstante Schlitzabstand von Mitte zu Mitte der Schlitze ist etwas größer als eine halbe Wellenlänge. Läuft in einem derart geschlitzten Hohlleiter 5 eine fortschreitende Welle, so entsteht eine zum Hohlleiteranfang etwas geneigte Abstrahlung. Bei beidseitiger Speisung bilden sich daher zwei entgegengesetzt geneigte Strahlen aus. Die Strahlrichtung und die Diagrammform sind von der Frequenz der Hohlleiterdimension sowie de;- Anzahl, dem Abstand und der Neigung der Schlitze etc. abhängig. Mit zunehmender Schlitzneigung steigt die ausgekoppelte Energie und eine symmetrisch zur Hohlleitermitte hin zjnehmende Neigung ist für die Nebenzipfeldämpfung vorteilhaft, jeder der eif Hohlleiter 5 mit den Schlitzreihen ist an seinen beiden En^en mit zwei Speisehohlleitern 7 und 8 bzw. 9 und 10 verbunden und an diese angekoppelt, so Durch geeignete Dimensionierung entstehen auch in den Speisehohlleiterri 7,8,9 und 10 fortschreitende Wellen. Die Speisehohlleiter 7 und 9 weisen gleiche Phasenlaufzeit auf, ebenso die Speisehohlleiter 8 und 10. Die beiden Hohlleiter 7 und 8 bzw. 9 und 10 eines jeden Paares unterscheiden sich voneinander geringfügig in ihrer Laufzeit. Dies wird entweder durch unterschiedliche Querschnittsabmessungen oder durch das Einbringen von Dielektrikum erreicht. Die Speisestellen 11,12,

15 und 15 zum Erzeugen der einen Keulengruppe befinden sich an den Enden der Speisehohlleiter 7 und 9, während die Einspeisestelle 13, 14, 17 und 18 für die zv/eite, unterschiedlich geneigte Keulengruppe an den Enden der beiden Speisehohlleiter 8 und 10 vorgesehen sind. Auch im Speisehohlleiter ist eine zur Mitte hin zunehmende Schlitzneigung, d. h. zunehmende Einkopplung in die Strahlungshohlleiter, zur Verkleinerung der Nebenzipfel oft vorteilhaft.

In Fig.3 ist die Lage der acht Hauptkeulen dargestellt, die von der Antenne abgestrahlt werden, wenn diese an den in F i g. 2 entsprechend bezeichneten Einspeisesteilen gespeist wird. Für den Empfangsfall gilt dieselbe Zuordnung. Der Auftreffpunkt des Lotes vom Flugobjekt auf den Erdboden ist mit 2 bezeichnet. Die beiden Keulengruppen sind in Längsrichtung der Speisehohllciter unterschiedlich geneigt. Diese Richtung stimmt im Ausführungsbeispiel mit der Flugrichtung überein.

Die Fig.4a bis 4d veranschaulichen verschiedene Möglichkeiten in der Ankopplung eines Speisehohlleiterpaares an einen Hohlleiter-Schlitzstrahler, der gleichzeitig zur Optimierung der gegenseitigen Entkopplung der beiden Speisehohlleiter eines Paares dienen. In Fig.4a sind die beiden Speisehohlleiter 7 und 8 eines Speisehohlleiterpaares an gegenüberliegenden Seitenwänden 22 und 23 des Rechteckquerschnitt aufweisenden Hohlleiter-Schlitzstrahlers 5 angebracht. Ein Teil der Hohlleiter 7 und 8 ragt in den Hohlleiter-Schlitzstrahler 5 hinein und ist dort über Schlitze 25 und jo 26 angekoppelt. In der Anordnung nach Fig.4b läuft der Hohlleiter-Schlitzstrahler 5 an seinem Ende in eine Kammer 28 aus, in die zum Teil die beiden Hohlleiter 7 und 8 des Speiseleitungspaares hineinragen. F i g. 4c zeigt einen Hohlleiter-Schlitzstrahler 5. der an seinem Ende gabelförmig ausläuft, wobei in jeden der beiden Gabeizweige si und 33 ein Hohlleiter 7 bzw. S des Speiseleitungspaares hineinragt. In Fig.4d ist das Speisehohlleiter-Paar 7/8 durch einen einzigen Hohlleiter 36 mit angenähert quadratischem Querschnitt ersetzt. Dieser Hohlleiter 36 führt zwei Hi₀-Wellen, die zueinander senkrecht polarisiert und durch die Pfeile 37 und 38 angedeutet sind. Ihre Laufzeiten, welche durch die Abmessung in der jeweiligen Η-Ebene bestimmt werden, unterscheiden sich enisprechend dem Seitenverhältnis im Querschnitt des Hohlleiters 36. Die Ankopplung an die Hohlleiter-Strahlerreihe 5 erfolgt durch zwei Koaxialleitungen 40 und 41. Der Innenleiter 42 des Koaxialleiters 4Ci ragt durch eine Seitenwand 43 in das Innere des Hohlleiters 36 und der Innenleiter 44 durch die Seitenwand 45 ebenfalls in das Innere des Hohlleiters 36. Auf der arderep. Seite der Koaxialleitungen 40 und 41 stoßen die Innenleiter 42 und 44 in das Innere des Hohlleiter-Schlitzstrahlers 39.

Es ist auch möglich, nur einen einzigen Speisehohlleiter mit normalem quadratischem, rechteckigem oder rundem Querschnitt zu verwenden, in den ein elektrisch steuerbarer Phasenschieber zur Änderung der Keulenneigung zeitlich nacheinander ein- bzw. ausgeschaltet wird.

Ebenso können die Hohlleiter-Schlitzstrahlerreihen durch andere Strahlerreihen, beispielsweise Bandleiter-Strahler oder Dipolstrahler, ersetzt werden. Auch die Speiseleitungen müssen nicht als Hohlleiter ausgebildet werden, sondern es können beispielsweise auch Koaxialleitiingen verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Dopplernavigations-Radarantenne mit automatischer Land-See-Fehlerkorrektur durch Erzeugung von zwei etwas unterschiedlich geneigte, einander überlappenden, aus jeweils vier Keulen bestehenden Keulengruppen unter Verwendung einer ebenen Strahlergruppe, bestehend aus in parallelen Reihen angeordneten Einzelstrahlern, die endseitig von quer zu den Reihen verlaufenden und an ihren jeweils beiden Enden mit Einspeisestellen versehenen Speiseleitungen gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise jede der beiden Speiseleitungen (tatsächlich oder nur effektiv) aus einem Speiseleitungspaar (7,8 bzw. 9,10), deren Einzelleitungen sich in ihrer Phasenlaufzeit unterscheiden und die mit jeder der Reihen (5) von Strahlern (6) gekoppelt sind, besteht, und daß der Phaseräaufzeitunterschied zur Erzielung der Überlappung der Keulcngruppsn (3, 4) entsprechend klein bemessen ist.

2. Dopplernavigations-Radarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einzelleitungen eines jeden Speiseleitungspaares (7, 8 bzw. 9, 10) Hohlleiter unterschiedlicher Querschnittsabmessungen sind.

3. Dopplernavigations-Radarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einzelleitungen eines jeden Speiseleitungspaares (7, 8 bzw. 9, IC) Hohlleiter unterschiedlicher dielektrischer Eigenschaften sind.

4. Dopplernavigations-Radarantenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlleiter jeweils eines der beiden Speiseleitungspaare (7, 8 bzw. 9, 10) an gegenüberliegenden Seitenwänden (22, 23) eines Rechteckquerschnitt aufweisenden Hohlleiters (5) angebracht sind, der Schlitzstrahler (6) aufweist und so die Reihe von Strahlern (6) bildet.

5. Dopplernavigations-Radarantenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlleiter (5) mit Schlitzstrahlern (6), welche die Strahlerreihe bilden, an ihren Enden in Kammern (28) auslaufen, an die die beiden Hohlleiter jeweils eines der beiden Speiseleitungspaare (7, 8 bzw. 9, 10) angekoppelt sind.

6. Dopplernavigations-Radarantenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlleiter (5) mit Schlitzstrahlern (6), welche die Strahlerreihe bilden, an ihren Enden gabelförmig auslaufen und daß an jeden der beiden Gabelzweige (32, 33) einer der Hohlleiter jeweils eines der beiden Speiseleitungspaare (7,8 bzw.9,10) angekoppelt ist.

7. Dopplernavigations-Radarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Speiseleitungspaar (7, 8 bzw. 9, 10) durch einen einzigen Hohlleiter (36) mit nahezu quadratischem Querschnitt gebildet ist, der zwei zueinander senkrecht polarisierte Wellen (37, 38) führt, so daß sich die Laufzeiten der beiden Wellenzüge entsprechend dem Seitenverhältnis des Speisehohlleiter-Querschnitts unterscheiden.

8. Dopplernavigations-Radarantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung jedes Speisehohlleiters (36) an die aus Hohlleitcr-Schlitzstrahlcrn gebildetenReihen (5) von Strahlern (6) mittels zweier Koaxialleitungcn (40,41) vor-

genommen ist, deren Innenleiter (42, 44) auf der einen Seite durch zwei aneinander anschließende Seitenwände (43, 45) des nahezu quadratischen Speisehohlleiters (36) in dessen Inneres und auf der anderen Seite jeweils durch zwei gegenüberliegende Seitenwände in die mit Rechteckquarschnitt versehenen Hohlleiter-Schlitzstrahler (5) hineinragen.

9. Dopplemavigations-Radarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes ,Ipeiseleitungspaar (7, 8 bzw. 9, 10) durch einen einzigen Hohlleiter mit quadratischem, rechteckförmigem oder rundem Querschnitt gebildet ist, in den ein elektrisch steuerbarer Phasenschieber zur Umschaltung der Phasenlaufzeit eingeführt ist