DE19638149A1 - Antenne mit verbesserter elektronischer Ablenkung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Antennen mit elektronischer Ablenkung. In klassischer Weise erhält man eine elektronische Ablenkung mit Hilfe einer Antennengruppe, von der jedes Element mit einem gesteuerten Phasenschieber oder eine Leitung programmierbarer Länge verbunden ist. Die Einstellung der Phasenverschiebungen erlaubt es, das Antennendiagramm in­ nerhalb eines zweidimensionalen Winkelbereiches, der bezüglich zweier zueinander senkrechter Ebenen definiert ist, die häufig die beiden Symmetrieebenen der Antenne sind, in jede gewünschte Richtung zu drehen.

Bei manchen Anwendungsfällen, insbesondere bei Antennen, die sowohl als Sende- als auch als Empfangsantennen dienen, müssen die Phasenschieber rezeprok sein. Das bedeutet, daß die Phasen­ verschiebung für gesendete und für empfangene Signale, die sich umgekehrt zu den erstgenannten Signalen im Phasenschieber aus­ breiten, gleich ist.

Diese Techniken sind erprobt. Sie sind jedoch zunehmend mit der gewünschten Größe der Antenne sehr schnell komplex und kost­ spielig. Daraus folgt, daß man die elektronische Ablenkung in solchen Anwendungsfällen, wo sie besonders interessant wäre, nicht einsetzen kann.

Bei den klassischen Phasenschiebern hat man andere Mittel ein­ zusetzen versucht, ohne daß diese bislang wirklich zufrieden­ stellende Ergebnisse liefern konnten.

Die Erfindung hat zum Ziel, diese Situation zu verbessern. Die vorgeschlagene Vorrichtung geht von folgendem bekannten Stand der Technik aus:
eine zweidimensionale, in N Parallele und übereinander angeord­ nete Antennenelementreihen zerlegbare Gruppenantenne,
Höchstfrequenzverbindungseinrichtungen mit gesteuerten Phasen­ verschiebungen zum Verbinden der Antennenelemente mit elektro­ nischen Sende/Empfangs-Kreisen, und
Phasensteuereinrichtungen, die dazu dienen, auf die Phasenver­ schiebungen einzuwirken, um das resultierende Diagramm der An­ tennengruppe insbesondere in der Richtung zu verändern.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung enthalten die Höchstfrequenz­ verbindungseinrichtungen:
einerseits N Übertragungsleitungen, die jeweils den N Anten­ nenelementreihen zugeordnet sind, wobei jede Übertragungslei­ tung Ausgänge an gegenüber ihrem Eingang gestaffelten Ausbrei­ tungslängen hat, wobei diese Ausgänge mit den jeweiligen Anten­ nenelementen der zugehörigen Reihe verbunden sind,
andererseits wenigstens eine elektromagnetische Linse mit P Eingängen und N Ausgängen, die jeweils mit den N Eingängen der Übertragungsleitungen verbunden sind.

Darüber hinaus enthalten die Phasensteuereinrichtungen:
einerseits Umschalteinrichtungen, um wenigstens einen der P Eingänge der elektromagnetischen Linse auszuwählen,
andererseits Einrichtungen zum Ändern der Frequenz der dem aus­ gewählten Eingang zugeführten Signale.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nach­ folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen gegeben wird. Es zeigt

Fig. 1 das allgemeine Prinzipschema einer Radaranlage mit elek­ tronischer Ablenkung;

Fig. 2 in detaillierterer Darstellung den Einsatz eines klassi­ schen Phasenschiebers mit seiner Steuerschaltung;

Fig. 3 ein Beispiel einer Gruppenantenne, die zur Ausführung der Erfindung geeignet ist;

Fig. 3A und 3B Diagramme den in der Betriebsart "Frequenz" er­ haltenen Zusammenhang zwischen Frequenz und Ablenkwinkel;

Fig. 4 eine Laufzeitleitung vom Typ "Schlange";

Fig. 5A bis 5D Varianten einer Laufzeitleitung vom Typ "Baum";

Fig. 6A und 6B eine Draufsicht bzw. perspektivische Ansicht ei­ ner elektromagnetischen Rotman-Linse;

Fig. 7 und 7A eine erste Ausführungsart der Erfindung, und

Fig. 8 eine zweite Ausführungsart der Erfindung.

Die beiliegenden Zeichnungen sind wenigstens zum Teil in beson­ derem Maße illustrativ und erläuternd. Sie bilden daher einen integralen Bestandteil der Beschreibung und können nicht nur zur besseren Erläuterung der Erfindung herangezogen werden, sondern gegebenenfalls auch zur Definition der Erfindung die­ nen.

Eine Antenne mit mechanischer Lenkung weist mehrere Nachteile auf, insbesondere die variable und beachtliche Ansprechzeit im Falle eines Richtungssprungs und Schwierigkeiten bei der Ver­ sorgung bei erhöhten Frequenzen, die im Bereich von einigen 10 GHz liegen können. Unter Versorgung ist hier die Übertragung der Hochfrequenzenergie zu den beweglichen Teilen der Antennen­ anlage zu verstehen.

Die elektronische Ablenkung kann nur in einer der in Betracht kommenden Ablenkrichtungen erfolgen, nämlich in der Elevation oder im Azimut. Die andere Richtung ist dann Phasenverschiebun­ gen von Null oder vorstimmten Größen unterworfen. In diesem Falle muß die Gruppenantenne häufig in N Parallele und überein­ ander angeordnete Elementreihen zerlegt werden, wobei die Ge­ samtzahl der für die gewählte Anwendung notwendigen strahlenden Elemente von einer Elementreihe zur anderen variieren kann. Ei­ ne Reihe von Antennenelementen wird häufig "Schiene" genannt.

Die klassische Lösung besteht darin, jedem Antennenelement ei­ nen Phasenschieber mit zugehöriger Steuerschaltung zuzuordnen. Diese Lösung wirft jedoch topologische Probleme auf, die man bei unidirektionaler (oder eindimensionaler) Ablenkung ausrei­ chend gut lösen muß.

Andere Lösungen sind für diesen Fall vorgeschlagen worden, wie elektromagnetische Linsen, Butler-Matrizen (Kopplerkaskaden), die sich auf die Umschaltung der Wellenlaufzeit für die Erzeu­ gung der Phasenverschiebung gründen und nur eine unidirektionale Ablenkung ermöglichen.

Es gibt mehrere Arten elektromagnetischer Linsen, zu denen die Rotman-Linsen, die Luneberg-Linsen, die "R2R"-Linsen und schließlich die "RkR"-Linsen gehören ("Lensfed multiple beam array", D.M. Archer, Microwave Journal, September 1994, Seiten 171-195; "Microwave scanning antennas", R.C. Hansen, Band 1, 1964, Academic Press, Seiten 224-261; "Antenna Theory", R. Collin, F. Zucker, Teil 2, Kapitel 18, Mc Graw Hill, 1969, Seiten 126-150).

Es ist auch noch die sogenannte Frequenz-Ablenkung vorgeschla­ gen worden ("Radar handbook", Skolnik, Mc Graw Hill, zweite Ausgabe, 1990, Seiten 20.10 bis 20.11. Sie geht ebenfalls von der Laufzeit aus, die abgestuft wird, jedoch ohne Umschaltung.

Und in diesem Falle erhält man durch Frequenzvariation die Pha­ senverschiebung. Dieser Vorschlag ermöglicht ebenfalls nur eine unidirektionale Ablenkung. Er weist andere technische Ein­ schränkungen auf, die seinen Einsatz begrenzen.

Bezüglich der bidirektionalen Ablenkung ist anzumerken, daß die bislang in die Praxis umgesetzten Lösungen Phasenschieber auf­ weisen, obgleich die vorgenannten Topologie-Probleme hier be­ sonders schwierig zu lösen sind. Daher hat man die Kombination der Frequenzablenkung in der einen Ablenkrichtung und die Ab­ lenkung durch Phasenschieber in der anderen Ablenkrichtung vor­ geschlagen ("Phased array antennas", A. Oliner, G. Knittel, Artech House, 1972, Seiten 198-200; "Aspects of modern radars", E. Brookner, Artech House, 1988, Kapitel 2, Seiten 47-51 und 54-60).

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die den allgemeinen Auf­ bau einer Radaranlage zeigt, an die sich die vorliegende Erfin­ dung wendet.

Ein Eingang I eines Duplexers, wie beispielsweise eines Zirku­ lators C, empfängt den Ausgang einer Sendeschaltung T. Der Aus­ gang O des Zirkulators führt zu einer Empfangsschaltung R. Der Eingang/Ausgang I/O des Zirkulators führt zu phasenverschieben­ den Verbindungseinrichtungen L, die in bidirektionaler Weise eine Antenne A "versorgen", bei der man zwei Achsen Ox und Oy unterscheiden kann. Informationen über die Sendefrequenz werden von der Sendeschaltung T zur Empfangsschaltung R übertragen.

Das Prinzipschema der klassischen Lösung mit Phasenschieber ist in Fig. 2 dargestellt. Das Ausgangssignal des Eingangs- Ausgangs-Anschlusses I/O des Zirkulators C wird, beispielsweise durch 3 db Koppler CHF, auf mehrere Höchstfrequenzleitungen LHF aufgeteilt. Bei dieser klassischen Lösung ist jede Leitung mit einem Antennenelement A verbunden. Fig. 2 zeigt ein einziges dieser Elemente P(x,y), begleitet von einem Phasenschieber DPHI (x,y) und seiner Steuerschaltung CDPHI (x,y).

Es sei daran erinnert, daß die Höchstfrequenzverbindungen sehr viel schwieriger zu realisieren sind, als elektrische Verbin­ dungen für niedrige Frequenzen.

Das Studium der Fig. 2 zeigt, daß die Realisierung einer zwei­ dimensionalen Ablenkung, bei der jedes Antennenelement von zwei weiteren ziemlich voluminösen Elementen begleitet ist, schwie­ rige Probleme der Anordnung und der Verbindung an der Gruppen­ antenne A aufwirft.

Dieses ist der Grund, daß bei zahlreichen Anwendungsfällen die elektronische Ablenkung nur in einer einzigen Richtung oder in einer einzigen Dimension realisiert wird.

Die Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, die gewünschten Phasenverläufe entsprechend den zwei Richtungen Ox und Oy vollständig zu trennen.

Die vorgeschlagene Antenne ist schematisch in Fig. 3 darge­ stellt. In einer Ausführungsart wird sie von vertikalen Schie­ nen von Antennenelementen gebildet, die in einer horizontalen Reihe nebeneinander angeordnet sind. Die dargestellte Antenne ist weiterhin in vier Quadranten unterteilt. Der links oben liegende Quadrant wird von Halbschienen Bul1 bis Bul6 gebildet; der Quadrant unten links wird von Halbschienen Bdl1 bis Bdl6 gebildet; der Quadrant oben rechts wird von Halbschienen Bur1 bis Bur6 gebildet, und der Quadrant rechts unten wird von Halb­ schienen Bdr1 bis Bdr6 gebildet.

Mit Halbschiene ist hier eine Schiene bezeichnet, die ein Vier­ tel des Antennenquadranten ausrüstet. Daher wird in der nach­ folgenden Beschreibung eine Halbschiene einer ganzen Schiene gleichgesetzt.

Jede Schiene trägt hier sechs Antennenelemente (tatsächlich sehr viel mehr), wie hier durch sechs Schlitze dargestellt ist, die auf der Schiene Bul6 gezeigt sind. Die Schlitze haben bei diesem Beispiel alternierende Neigungen. Entsprechend der elek­ trischen Länge "s" (Fig. 4) ist es auch möglich, den Schlitzen sämtlich gleiche Neigung zu geben.

Fig. 3 zeigt auch, daß man eine elektronische Ablenkung durch eine elektromagnetische Linse in horizontaler Richtung und, auf "frequentielle" Weise, d. h. durch Variation der Frequenz, in vertikaler Richtung verwenden kann.

In einer speziellen Anwendungsform liegt der Elevationswinkel zwischen -10° und +20° und der Azimutwinkel zwischen -60° und +60°. Die erwünschten Eigenschaften für das von der Antenne ab­ gegebene Strahlungsdiagramm sind ein Öffnungswinkel zwischen Punkten gleicher Leistung von 2° im Azimut und von 4° in der Elevation.

Die Fig. 3A und 3B, die einander entsprechen, zeigen, daß die vertikale Ablenkung von -10°bis +20° durch eine Frequenzvaria­ tion zwischen Fmin und Fmax erhalten wird.

Im Beispiel der Halbschiene Bul6 zeigt Fig. 4 einen angezapften Mikrowellenteiler RE vom Schlangentyp 40. Vom Eingang e der Breite a ausgehend besteht die Schlange aus aufeinanderfolgen­ den Meandern, wie in der Zeichnung zu erkennen ist, wobei jeder obere Abschnitt direkt mit einem der Schlitze, beispielsweise F1, verbunden ist, die jeweils ein Strahlerelement der Halb­ schiene Bul6 bilden. Ein Wegabschnitt S wird durch die elektro­ magnetische Strahlung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlitze durchmessen, während die Mitten derselben den Abstand d für einen Abschnitt a Eingang e des Teilers RE haben. Die Schlitze sind alternierend gegen die Längsachse des Teilers ge­ neigt. Schließlich ist der Schlangen-Wellenleiter am anderen Ende durch eine Absorberlast 49 abgeschlossen, die jegliche Re­ flexion von Höchstfrequenzenergie vermeidet.

Die Fig. 5A und 5B zeigen zwei andere Ausführungsvarianten, bei denen die strahlenden Elemente der Halbschiene jeweils durch Schlitze gebildet sind, die in diesem Falle aber parallel zu­ einander angeordnet sind. Diese Schlitze sind an den Enden der Wellenleiter angeordnet, die in der dargestellten Weise ausge­ bildet sind und die in eine Versorgungsleitung e (Fig. 5A) oder e1 (Fig. 5B) münden. Solche Strukturen sind unter dem Namen "Arborescent" - oder auch "Corporate" -Teiler bekannt.

In Fig. 5B erkennt man einen zweiten Eingang e2, der es er­ laubt, die abgestufte Übertragungsleitung zu erregen, indem man eine zeitvariante Stufenverteilung ausnutzt; wenn diese Mög­ lichkeit nicht ausgenutzt wird, kann der zweite Eingang e2 in beliebiger Weise verschlossen werden (Fig. 5C).

Eine weitere Variante ist in Fig. 5D gezeigt.

Die in den Fig. 4, 5A und 5B gezeigten Beispiele stellen drei Möglichkeiten dar, wie man eine gestaffelte Übertragungsleitung erhalten kann, die Ausgänge an gegenüber dem Eingang gestaffel­ ten Ausbreitungslängen hat, wobei jeder Ausgang mit einem strahlenden Element gekoppelt ist. In den drei gezeigten Aus­ führungsarten bilden diese Ausgänge selbst die strahlenden Schlitze.

Die bei den Ausführungsarten der Fig. 4 und 5A bis 5D einge­ setzte Technologie ist eine Wellenleitertechnologie. Es ist klar, daß diese Schemata auf gedruckte Schaltungen übertragbar sind: Schlangenleitungen oder "corporate"-Leitungen in Mi­ krostrip-Technik oder in Dreischicht ("stripline")-Technik oder auch mit aufgehängter Streifenleitung ("suspended stripline"), mit strahlenden Elementen vom Dipol-Typ, aufgepflastert oder gekerbt, gekoppelt, nur um Beispiele zu nennen.

Die Wahl der Technologie hängt hauptsächlich von den in Be­ tracht kommenden Frequenzen ab, wobei freilich auch die Ver­ lusteigenschaften, Herstellungstoleranzen, Kosten, Platzbedarf, Gewicht, sowie das Leistungsvermögen und die Umgebung in Be­ tracht gezogen werden.

Fig. 6A zeigt eine Rotman-Linse LR, die ein elektromagnetisches Mittel ist, dessen Funktion analog der von optischen Linsen ist. Im dargestellten Beispiel hat die Rotman-Linse LR fünf Eingänge E1 bis E5 (Fig. 6A) sowie acht Ausgänge S1 bis S8, von denen jeweils angenommen wird, daß sie über eine Leitung LC mit Stichleitungen BEI bis BE8 verbunden sind, die jeweils mehrere strahlende Elemente aufweisen, wie sie in den Fig. 4 und 5 dar­ gestellt sind, wobei die Leitungen LC unterschiedliche Längen aufweisen.

Es versteht sich, daß die Anzahl der Eingänge und Ausgänge an­ ders als dargestellt sein kann. Beispielsweise für einen Strahl von 2° über einen Ablenkbereich von ±60° (das sind 120°) erge­ ben sich etwa 40 Eingänge (wobei 40 = 120°/3°, weil 3° der Mit­ telwert ist zwischen der Breite des Strahls in der Achse (2°) und jener des auf 60° abgelenkten Strahls (4° = 2/cos(60°)). Die Anzahl der Ausgänge hängt von der Anzahl der zu versorgenden Stichleitungen ab, die wiederum von der gewünschten Breite des Strahls abhängt.

Die Besonderheit der Rotman-Linse besteht darin, daß jeder ih­ rer Eingänge Ei, die in gewisser Weise einen Brennpunkt bilden, die Ausgänge S1 bis S8 mit einem Satz entsprechend vorbestimm­ ter Ausbreitungszeiten versorgt, der von einem Eingang zum an­ deren variiert. Der Eingang E1 versorgt somit mit einem ersten Satz die Ausgänge S1 bis S8, während der Eingang E4 Vergleich­ bares für dieselben Ausgänge ausführt, jedoch mit einem vierten Satz entsprechend anderer Ausbreitungszeiten. Gleiches gilt na­ türlich für den Eingang E8, wiederum mit einem achten Satz Aus­ breitungszeiten, die sich von den vorangehenden unterscheiden.

Aufgrund der Fokussiereigenschaften des Systems sind die Varia­ tionen dieser Ausbreitungszeiten direkt dazu geeignet, die Ele­ mente einer Gruppenantenne im Sinne einer Richtungssteuerung in geeigneter Weise zu beeinflussen.

Durch eine Umschaltung der dem Eingang zugeführten Mikrowel­ lenenergie mit Hilfe einer Umschaltmatrix SM kann man somit einen der Eingänge E1 bis ES der elektromagnetischen Linse LR auswählen und daher die entsprechenden Phasenverteilungen der verschiedenen Ausgänge S1 bis S8 und somit die Zielrichtung der Antenne auswählen.

Eine Besonderheit der elektromagnetischen Rotman-Linsen ist, daß sich Phasensprünge (Phasenverteilungssprünge) im Prinzip durch diskrete Werte ausbilden. Eine weitere Besonderheit be­ steht darin, daß es möglich ist, gleichzeitig mehrere Eingänge Ei (i = 1 bis 5) zu versorgen.

Somit vollzieht sich die mit Hilfe einer Rotman-Linse reali­ sierte Phasensteuerung mittels einer Umschaltmatrix SM, die in der Lage ist, an ihren Eingang ESM irgendeinen der Eingänge E1 bis E5 der Linse LR anzukoppeln. Darüber hinaus können mehrere Eingänge Ei (i = 1 bis 5) gleichzeitig angesteuert werden.

Der allgemeine Aufbau einer Rotman-Linse LR ist schematisch in Fig. 6 dargestellt.

Eine solche Linse ist im wesentlichen aus zwei parallelen, übereinstimmenden und in einem gegenseitigen Abstand zueinander angeordneten Platten, wobei dieser Abstand kleiner als die hal­ be Betriebswellenlänge ist, so daß ein Behälter gebildet wird, der auf seiner vorderen Querseite IF eine vorbestimmte Krümmung mit Öffnungen (im dargestellten Beispiel fünf Öffnungen) auf­ weist sowie auf seiner hinteren Querseite OF Durchgänge hat, die die Einführung von koaxialen Sonden (eine pro Ausgang) er­ lauben, die jeweils mit den Eingängen der Stichleitungen oder der strahlenden Elemente, wenn Stichleitungen fehlen, verbunden sind. Die hintere Querseite OF weist eine Krümmung in Form ei­ nes "Vokalbogens" auf.

Jede Öffnung kann mit einem Eingangshorn ausgerüstet sein, das einen natürlichen Übergang zwischen einem Wellenleitermedium und der Rot man-Linse aus parallelen Platten bildet.

Es versteht sich, daß man Wellenleiterhörner am Ausgang und Koaxialsonden am Eingang einsetzen kann.

Bei einer solchen Linse (siehe R.J. Mailloux: "Phased array antenna handbook", Artech House, 1994; und LO, LEE: "Antenna handbook", Van Nostrand Reinhold, 1988) ist jeder Strahl oder jedes Eingangssignal, der bzw. das von einem Horn abgegeben wird, im wesentlichen auf jede der koaxialen Sonden fokussiert, die auf dein Vokalbogen der hinteren Querseite verteilt sind.

Vorangehend ist eine schematische Beschreibung des Prinzips der Erfindung. Nun sollen zwei detailliertere Ausführungsbeispiele erläutert werden.

Diese Beispiele beziehen sich auf eine Antenne mit vier Qua­ dranten, wie sie in den Fig. 3 oder 7 dargestellt ist. Jeder der vier Quadranten besitzt eine Umschaltmatrix Smj (j = ur, ul, dr, dl), eine Rotman-Linse Lrj, deren Eingänge Eji jeweils mit Ausgängen Smj verbunden sind, wobei für jeden Ausgang Sjk (k = 1 bis 8) der Rotman-Linse Lrj eine Leitung abgestufter Länge LLEjk eine Stichleitung Bjk versorgt.

Somit enthält für den oberen rechten Teil die Anordnung eine Umschaltmatrix aus Smur, die die Eingänge Euri einer Rotman- Linse Lrur versorgt deren Ausgänge ihrerseits mit gestaffelten Verbindungen (hier nicht dargestellt) für die Halbschienen Bur1 bis Bur8 verbunden sind (im gewählten Beispiel auf 8 begrenzt, in der Praxis jedoch werden mehrere Dutzend verwendet). In ver­ gleichbarer Weise gilt dieses für den oberen linken Abschnitt (Suffix "ul"), für den unteren rechten Abschnitt (Suffix "dr") sowie für den unteren linken Abschnitt (Suffix "dl"). Die Ele­ mente sind hier nicht sämtlich mit Bezugszeichen versehen, um die Zeichnung nicht unnötig zu belasten.

Höchstfrequenzverbindungen gehen von den vier Umschaltmatrizen Smj aus, um es zu ermöglichen, ein Summensignal Σ sowie ein Differenzsignal ΔAZ im Azimut einerseits und beispielsweise ein Signal vom Typ ΔEL andererseits, d. h. ein Elevationsdiffe­ renzsignal, zu erzeugen.

Fig. 7a zeigt in dreidimensionaler Darstellung das Schema, um das Verständnis zu erleichtern.

In Fig. 7A sind nur die mittleren Halbschienen Bul1, Bur1, Bdr1 und Bdl1 und die äußeren Halbschienen Bur8, Bdr8, Bdl8 und Bul8 dargestellt. Eine Rotman-Linse Lrur besitzt verschiedene Aus­ gänge, die mit den Eingängen der gestaffelten Leitungen (hier vom Schlangentyp, wie in Fig. 4 gezeigt) der Halbschienen Bur1 bis Bur8 verbunden sind. Eine Rotman-Linse LRul macht dasselbe für die oberen Halbschienen Bul1 bis Bul8. Im unteren Abschnitt versorgt die Rotman-Linse LRdr die Eingänge der Schlangenlei­ tungen der Halbschienen Bdr1 bis Bdr8, und schließlich macht eine Rotman-Linse LRdl dasselbe für die Halbschienen Bdl1 bis Bdl8. Die Eingänge dieser vier Rotman-Linsen werden über Um­ schaltmatrizen SMur, SMul, SMdr und SMdl versorgt, die eine Auswahl eines Eingangs aus NF oder gegebenenfalls die Auswahl mehrerer Eingänge ermöglichen (im Beispiel NF = 5, aber in Rea­ lität ist diese Zahl sehr viel größer), wobei darin erinnert sei, daß diese NF Eingänge NF Strahlrichtungen entsprechen.

Schließlich erlaubt eine Strahlformungseinheit BFN die Erzie­ lung der beispielsweise drei Signale Summe und Differenz in Azimut und Differenz in Elevation, wie es durch die klassischen Abkürzungen zu diesem Zweck dargestellt ist.

Verschiedene Arten von Vertauschungen können bei der Ausführung der Erfindung vorgenommen werden. Eine dieser Vertauschungen ist in Fig. 8 dargestellt, wo die Strahlbildungsorgane, das heißt die Bildung des Summensignals und des oder der Differenz­ signale direkt in die Verbindung zwischen jeder Rotman-Linse und die abgestuften Übertragungsleitungen eingreifen.

In diesem Falle gibt es so viele Rotman-Linsen wie es gewünsch­ te Kombinationen für solche Signale gibt im Strahlbildungsbe­ trieb. Die Umschaltmatrizen verbleiben vor den Rotman-Linsen.

Der Eingang jeder Halbschiene ist mit einem Ausgang jeder der Rotman-Linsen verbunden (im in Fig. 8 dargestellten Beispiel nur drei), und zwar mittels Kopplern vom Typ "magisches T". Um die Zeichnung zu vereinfachen, sind diese Verbindungen nur für die äußersten Halbschienen dargestellt. Aus dem gleichen Grunde sind in dieser Fig. 8 nur drei Eingänge und zwei Ausgänge dar­ gestellt, die mit magischen Ts an jeder Rotman-Linse ausgerü­ stet sind, jedoch ist klar, daß tatsächlich so viele Eingänge vorhanden sind, wie Ausgangsstrahlen vorhanden sind sowie eben­ so viele Ausgänge wie es Halbschienen gibt.

Obgleich die Erfindung für die unterschiedlichsten Anwendungs­ zwecke brauchbar ist, bietet sie sich doch insbesondere für Kurzdistanz-Überwachungsradaranlagen und insbesondere bei­ spielsweise für Flughafenüberwachungsradar an, wo man innerhalb einer einzigen Wiederholungsperiode arbeitet. Diese Radaranla­ gen erfordern häufig eine bidirektionale Ablenkung ("in zwei Ebenen") ihrer Strahlen, wofür die Erfindung eine besonders elegante Lösung anbietet.

Die entsprechende Verarbeitung des Radarsignals verlangt eine Anpassung des Signals an diese Ablenkart, deren wesentliche Pa­ rameter das Augenblicksband des Signals sind, genauer gesagt für die Signalverarbeitung, die von der erwünschten Auflösung abhängt und die, wie auch die Agilität ziemlich groß sein kann, um den Strahl zu richten.

Indem man die Differenz der elektrischen Länge zwischen den Elementen einer Schiene (in Fig. 4 mit s bezeichnet) in geeig­ neter Weise wählt, kann man den nachfolgenden Forderungen Rech­ nung tragen:
Die Zielrichtung eines Objekts erhält man durch eine Fre­ quenzwahl, in Elevation, und durch die Wahl eines Zugangs zu jeder Rotman-Linse (Horizontalablenkung);
In der Richtung des beobachteten Objekts verläßt die Variation der Radarstrahlrichtung im Augenblicksband nicht die halbe Öff­ nungsweite bei halber Leistung des Strahls; diese Änderung hat darüber hinaus eine verminderte Amplitudenschwankung bezüglich des Objekts in der gesuchten Richtung zur Folge. Tatsächlich ist es für die Frequenzablenkung wünschenswert, daß die Ände­ rung der Zielrichtung aufgrund der Sendewellenform nicht den halben Öffnungswinkel des Antennenstrahls überschreitet.

Es ist möglich, Probleme, die von eventuell vorhandenen Ter­ ziärmissionen herrühren, zu vermeiden, indem man wie folgt vor­ geht:
Im Breitbandbetrieb ist es nicht möglich, mehrere Unterbänder in derselben Zielrichtung zu beeinflussen, man kann aber hinge­ gen zufallsbedingte Ablenkfiguren (in der Elevation) program­ mieren, die sich durch zufallsbedingte Frequenzsprünge umset­ zen;
Im Schmalbandbetrieb ist es möglich, dieselbe Zielrichtung (in der Elevation) mit mehreren regelmäßig verteilten Unterbändern in Korrespondenz zu bringen; man kann somit mit der Auswande­ rung der Frequenz auf einen Kanal fortfahren, der aus mehreren ausgewählt ist, die denselben Punkt anpeilen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbei­ spiele beschränkt.

Man kann insbesondere eine Ablenkung über eine vollständige Um­ drehung (360°) im Azimut ins Auge fassen, die von einer Fre­ quenzablenkung in der Elevation begleitet ist. Dieses kann man mit Hilfe einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Gruppen­ antenne erreichen. Die Schienen der Gruppe können im Falle ei­ ner zylindrischen Gruppe vertikal sein oder im Falle einer ke­ gelstumpfförmigen Gruppe geneigt sein, und in jedem Falle sind sie auf einem Kreis angeordnet, längs dem sich die Frequenz­ ablenkung vollzieht.

Die Umschaltung des Strahls über 360° kann mit Hilfe einer Luneberg-Linse ausgeführt werden (vorgenannte Veröffentlichun­ gen "Microwave scanning antennas" und "Antenna Theory") . Auf diese Weise treten keine Änderungen der Strahlöffnung halber Leistung in Abhängigkeit von der Ablenkung im Azimut auf.

Es ist auch möglich eine Ablenkung in einem begrenzten Azimut­ winkel sowie eine Frequenzablenkung in der Elevation auszufüh­ ren. Dieses kann man erreichen, indem man die vertikalen oder geneigten Schienen nur auf einem Teil eines Kreises anordnet.

Die Strahlumschaltung kann sich auch mittels Linsen R2R oder Rkr vollziehen (Veröffentlichungen "Lens-fed multiple beam ar­ ray", "Microwavescanning antennas" und "Antenna Theory". Auch dabei gibt es keine Änderungen der Strahlöffnung bei halber Leistung bei Ablenkung im Azimut, weil die strahlende Gruppe unter gleichem Blickwinkel erscheint, gleichgültig, wie die Richtung ist, aus der man prüft, im Gegensatz zu einer ebenen Gruppe.

Die Erfindung erlaubt es, Antennen mit großer Zahl von Elemen­ ten aufzubauen, die bei hoher Frequenz arbeitet (mehrere 10 GHz), wobei Kostenprobleme, Komplexität und schwierige appa­ ratemäßige Umsetzung vermieden sind und auch die elektrischen Verbindungen, die mechanische Realisierung und thermische Pro­ bleme beherrschbar sind, die den früher bekannten Lösungen in­ newohnten.

Es versteht sich, daß die oben beschriebene Antenne mit verti­ kalen Schienen versehen ist, die in einer horizontalen Reihe angeordnet sind. Es ist natürlich möglich, das Umgekehrte aus­ zuführen. Auch ist es nicht notwendig, daß alle Schienen die gleiche Zahl strahlender Elemente aufweisen und daß die strah­ lenden Elemente jeder Schiene in exakt regelmäßiger Art ange­ ordnet sind.

Claims (11)

1. Höchstfrequenz-Antennenanordnung mit elektronischer Ablen­ kung, enthaltend:
eine zweidimensionale Gruppenantenne, die aus N Parallelen und übereinander angeordneten Reihen von Antennenelementen besteht,
Höchstfrequenz-Verbindungseinrichtungen mit gesteuerter Phasen­ verschiebung zum Verbinden der Antennenelemente mit elektroni­ schen Sende-/Empfangs-Schaltungen, und
Phasensteuereinrichtungen zum Einwirken auf die Phasenverschie­ bungen, um das sich ergebende Strahlungsdiagramm der Gruppenan­ tenne insbesondere in der Richtung zu beeinflussen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Höchstfrequenzverbindungsein­ richtungen enthalten:
einerseits N Übertragungsleitungen, die jeweils den N Anten­ nenelementreihen zugeordnet sind, wobei jede Übertragungslei­ tung Ausgänge an gegenüber ihrem Eingang gestaffelten Ausbrei­ tungslängen hat, wobei diese Ausgänge mit entsprechenden Anten­ nenelementen der zugeordneten Reihe verbunden sind, und
andererseits wenigstens eine elektromagnetische Linse mit P Eingängen und N Ausgängen, die jeweils mit den N Eingängen der Übertragungsleitungen verbunden sind,
und daß die Phasensteuereinrichtungen einerseits Umschaltein­ richtungen zum Auswählen wenigstens einer der P Eingänge der elektromagnetischen Liese und andererseits Einrichtungen zum Variieren der Frequenz der an den ausgewählten Eingang angeleg­ ten Signale aufweisen.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen gestaffelter Länge vom "Schlangen"-Typ sind.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen gestaffelter Länge vom "Baumverzweigungs"-Typ sind.

4. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen in glei­ cher Höhe wie jede Antennenelementreihe angeordnet sind.

5. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen durch Wellenleiter realisiert sind.

6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen in gedruckter Schaltungstechnik realisiert sind.

7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente von strahlenden Schlitzen oder Öffnungen gebildet sind.

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente die Pole sind, die in gedruckter Schaltungstechnik durch Aufpflasterung oder Einker­ bung realisiert sind.

9. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenantenne in zwei Halban­ tennen unterteilt ist, die durch getrennte elektromagnetische Linsen versorgt sind.

10. Antennenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenantenne in vier Quadranten unterteilt ist, die durch vier getrennte elektromagnetische Linsen versorgt sind, die vier entsprechenden Umschaltmatrizen zugeordnet sind.

11. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische(n) Linse(n) eine bzw. jeweils Rotman-Linse(n) ist (sind).