DE19827795A1 - Integrierte adaptive Antenne einer Multibeamantenne - Google Patents

Abstract

Antennenanordnung mit einer Anzahl von Strahlern, die in Form eines Dipolfeldes (1) angeordnet sind, zur Erzeugung einer Mehrzahl von Keulen einer Hauptantenne, wobei einige der Strahler des Dipolfeldes eine Hilfsantenne zur Unterdrückung von durch die Hauptantenne empfangenen Störungen bilden, ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausbildung der Antennenanordnung als Multibeamantenne (Mehrkeulenantenne) mit gleichzeitiger Erzeugung einer Mehrzahl von Hauptkeulen Strahlerelemente des Dipolfelds, die keinen wichtigen Beitrag zur Erzeugung der Keulen bringen, für die Hilfsantenne vorgesehen sind und entsprechend gespeist sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige, als Phased-Array-Radarantenne ausgebildete Antenne, mit der zeitlich nacheinander jeweils eine Hauptkeule erzeugt wird, wobei die erzeugten Hauptkeulen unterschiedliche Richtungen haben, um dadurch ein Himmelssegment auszuleuchten, ist aus der EP-A-0 098 339 bekannt. Bei der bekannten Anordnung sind innerhalb eines Dipolfeldes, das eine Mehrzahl von im wesentlichen waagrechten, untereinander angeordneten Dipolzeilen aufweist, nicht alle Dipole zu Bildung einer Gesamtantenne verbunden, sondern es sind einige benachbarte Dipole zu innerhalb der Apertur der Hauptantenne angeordneten Hilfsantennen zusammengefaßt, durch die Störungen unterdrückt werden, die von der Hauptantenne hauptsächlich wegen nicht zu vermeidender Nebenkeulen empfangen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die als Multibeamantenne (Mehrkeulenantenne) verwendbar ist, wobei die Eigenschaft einer Multibeamantenne darin besteht, daß sie eine Mehrzahl von Hauptkeulen (nachfolgend auch einfach Keulen genannt) exakt gleichzeitig erzeugen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch die Hilfsantenne die Größe der gesamten Antennenanordnung nicht vergrößert wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß deswegen, weil für die Strahler der Hilfsantenne weder die oberste noch die unterste Zeile der Hauptantenne verwendet wird (dies ist auch beim Stand der Technik nicht der Fall) die Apertur der Hauptantenne im wesentlichen nicht verändert wird. Durch geeignete Berechnung der Strombelegung der einzelnen Strahler, beispielsweise Dipole, der Antenne kann man unter der Vielzahl von möglichen Strombelegungen solche auswählen, bei denen beispielsweise zwei Zeilen von Strahlern, die jeweils vom oberen bzw. unteren Rand der Antennenanordnung der Hauptantenne einen Abstand haben, nur mit so geringen Strömen gespeist werden (bzw. im Empfangsbetrieb bei der Zusammenfassung zu einem Gesamtsignal nur so geringe Ströme beitragen würden), daß der Wegfall dieser Strahler für den Sende- oder Empfangsbetrieb der Hauptantenne praktisch keinen Einfluß auf die Leistung und Richtwirkung der Antenne hat. Diese Strahler, die somit keinen merklichen Beitrag zur Erzeugung der Keulen der Hauptantenne liefern und für die Hauptantenne nicht benötigt werden, werden beim Empfangsbetrieb als Hilfsantenne verwendet. Die Erfindung schließt nicht aus, daß Strahler der Hilfsantenne bei Sendebetrieb zum Senden mitverwendet werden, dann aber derart, daß sie die Bildung der Keulen der Hauptantenne unterstützen.

Es mag auch vorteilhaft sein, die Berechnung der Strombelegung der einzelnen Strahler der Hauptantenne so vorzunehmen, daß lediglich eine einzige Zeile von Strahlern keinen wesentlichen Beitrag zur Bildung der Keulen leistet, und somit nur eine einzige Zeile von Strahlern als Hilfsantenne beim Empfangsbetrieb verwendet werden.

Wie durch die Formulierung des Anspruchs 1 zum Ausdruck gebracht ist, ist es keineswegs erforderlich, daß jeweils eine vollständige Zeile (oder mehrere vollständige Zeilen) von Strahlern die Hilfsantenne bilden, und es ist auch nicht erforderlich, wenn auch aus Konstruktionsgründen, insbesondere aus Gründen der Speisung der einzelnen Strahler möglicherweise vorteilhaft, daß für die Hauptantenne zumindest einige Strahler einer einzigen Zeile verwendet werden.

Erfindungsgemäß kann somit eine Antennenanordnung geschaffen werden, bei der dann, wenn beispielsweise aus einem Elevationswinkel von 3° oberhalb der Horizontebene und darunter (aus diesem Bereich sind meistens lediglich Störsignale zu erwarten) der Empfang von Signalen, die von der Hauptantenne empfangen worden sind, durch die Hilfsantenne unterdrückt werden sollen, für jede einzelne der gleichzeitig erzeugten Keulen des Strahlungsdiagramms der Hauptantenne mindestens eine Keule der Hilfsantenne, deren Elevation im Beispiel etwa 3° beträgt, gleichzeitig erzeugt werden kann. Zu den Hauptkeulen ist noch zu erwähnen, daß diese im allgemeinen in mehreren (meist nicht exakt geradlinig zueinander verlaufenden) Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei sich an den Überkreuzungen der Zeilen und Spalten jeweils das Zentrum der Hauptkeule jeder einzelnen der Keulen befindet.

Bei Ausführungsformen der Erfindung ist für die Speisung der Hauptantenne und der Hilfsantenne ein gemeinsames Speisenetzwerk vorgesehen, das vorzugsweise aus Butler-Matrizen und Blass-Matrizen aufgebaut sein kann. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Sende-Empfangs-Anordnung der Antennenanlage mit Eingängen der Blass-Matrizen verbunden ist, deren Ausgänge mit Eingängen der Butler-Matrizen verbunden sind, deren Ausgänge wiederum mit jeweils einem einzelnen Strahler verbunden sind. Bei dieser Anordnung mit gemeinsamer Speisematrix besteht die Möglichkeit, bei bestimmten Betriebsfällen, zum Beispiel jeweils bei Sendebetrieb, auch die Strahler der Hilfsantenne (oder Zusatzantenne) für Sendezwecke zu verwenden, falls dies gewünscht sein sollte.

Die Blass-Matrizen bewirken im Beispiel die sogenannte Schwenkung (das ist die Richtungsabweichung gegenüber der rechtwinklig zur Ebene der Antennenapertur verlaufenden Richtung) in der Elevation, die Butler-Matrizen bewirken die Schwenkung im Azimut.

Bei der anderen Ausführungsform der Erfindung ist dagegen vorgesehen, daß die Hauptantenne und die Zusatzantenne, obwohl sie räumlich innerhalb der Hauptantenne angeordnet ist, durch vollständig getrennte Speisenetzwerke gespeist werden.

Statt für die Hilfsantenne zum Beispiel eine Zeile (in waagrechter Richtung) von Strahlern der Antennenanordnung zu verwenden, könnte statt dessen je nach Anwendungsfall auch eine Spalte vorgesehen sein.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln und für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.

Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Dipolfeld einer Multibeamantenne mit 16 × 8 Dipolen,

Fig. 2 das Gesamtschaltbild einer Antennenanlage unter Verwendung des Dipolfeldes nach Fig. 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit separater Speisung der Zusatzantenne,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Anordnung mit einer einheitlichen Speiseanordnung für die Hauptantenne und Hilfsantenne oder Zusatzantenne, und

Fig. 4 den Aufbau des Speisenetzwerks 50 der Fig. 3 aus Blass-Matrizen und Butler-Matrizen.

Im Beispiel besteht das Dipolfeld aus einer planaren Anordnung von 16 Zeilen und 8 Spalten von Dipolen, also von 16 × 8 Dipolen. Die Dipole sind vertikal polarisiert und parallel zur Ebene der Antennenapertur 1 ausgerichtet. Im Betrieb steht die Anordnung der Fig. 1 nicht senkrecht, sondern um einen Winkel von 45° gegenüber der Vertikalebene geneigt, so daß die Längsrichtung der einzelnen Dipole 3 nicht vertikal verläuft, sondern unter dem genannten Winkel von 45° gegenüber der Vertikalen geneigt.

Die Dipole haben einen Abstand von 0,45 lambda rechtwinklig zur Dipolachse ("Azimut") und von 0,55 lambda in Dipolachsrichtung ("Elevation").

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß die Strombelegung der einzelnen Dipole 3 derart berechnet ist, daß von unten gezählt die dritte und die vierzehnte Zeile von jeweils acht Dipolen für die Bildung der Keulen der Hauptantenne im Empfangsbetrieb keinen wichtigen Beitrag, im Idealfall nur einen vernachlässigbaren Beitrag leisten. Diese 3. und 14. Zeile der Dipole wird als Hilfsantenne verwendet. Diese Tatsache geht aus Fig. 2 nicht hervor, sondern dort ist die Hilfsantenne lediglich als Anordnung 5 von 2 × 8 Dipolen symbolisiert und die Hauptantenne als eine Anordnung 6 von 14 × 8 Dipolen.

Die Antennenapertur 1 oder das Dipolfeld 1 der Fig. 2 wird von zwei separaten Speisenetzwerken 10 bzw. 12 gespeist, von denen das Speisenetzwerk 10 die Hilfsantenne speist und das Speisenetzwerk 12 die Hauptantenne speist. Es wird hier, wie allgemein üblich, der Ausdruck Speisenetzwerk verwendet, obwohl im Empfangsbetrieb natürlich keine Speisung der Antennen, sondern eine Zusammenführung (vektorielle Addition) der von den Antennen gelieferten Signale erfolgt.

Das Speisenetzwerk 10 weist zwei Butler-Matrizen 14 auf, von denen jede eine der oben genannten Zeilen von jeweils acht Dipolen der beiden für die Hilfsantenne verwendeten Dipolzeilen speist, und sechs vertikale Speisenetzwerke 15, die die Butler-Matrizen speisen. Die in Fig. 2 unten liegenden Anschlüsse der vertikalen Speisenetzwerke 15, an denen beim Empfangsbetrieb die von der Zusatzantenne stammenden Signale anstehen, sind mit den Bezugszeichen A1 bis A20 bezeichnet. In der Zeichnung ist die weitere Verbindung des Anschlusses A1 dargestellt. Jedes vertikale Speisenetzwerk 15 ist durch einen Phasenschieber und einen Teiler 1 : 2 oder 1 : 4, der den Phasenschieber mit den zwei bzw. vier Anschlüssen des jeweiligen vertikalen Speisenetzwerks an dessen in Fig. 2 unterer Seite verbindet, gebildet.

Das Speisenetzwerk 12 für die Hauptantenne mit 14 × 8 Dipolen besteht aus 14 Butler-Matrizen (je eine Butler-Matrix für jede der 14 Dipolzeilen der Hauptantenne) und 6 Blass-Matrizen. Diese sind nicht einzeln dargestellt, sondern in der mit dem Bezugszeichen 12 bezeichneten Einrichtung (Speisenetzwerk) enthalten. Das Speisenetzwerk 12 weist 20 Anschlüsse H1 bis H20 auf. Auch hier ist lediglich beim Ausgang H1 die weitere Beschaltung gezeigt. Vom Speisenetzwerk 12 führen 112 Speiseleitungen zu den 112 (= 14 × 8) Dipolen der Hauptantenne.

Beim Speisenetzwerk 10 liefern die 20 Anschlüsse A1 bis A20 die Empfangssignale der 20 Hilfskeulen der Hilfsantenne. Jede Hilfskeule ist genau einer der 20 Hauptkeulen der Hauptantenne zugeordnet, deren Empfangssignale an den Anschlüssen H1 bis H20 zur Verfügung stehen.

Der Anschluß A1 des Speisenetzwerks 10 führt zu einem Anschluß eines digital verstellbaren Phasenschiebers 30, dessen Ausgang mit dem Eingang eines hinsichtlich seiner Verstärkung oder Dämpfung digital verstellbaren Dämpfungsglieds 32 verbunden ist, dessen Ausgang zu einem Eingang einer Summierschaltung 34 führt, die einen weiteren Eingang aufweist, der mit dem Anschluß H1 des Speisenetzwerks 12 verbunden ist. Der Ausgang der Summierschaltung 34 führt zu weiteren Einrichtungen der Radaranlage, die das empfangene Signal auswerten. Ein Teil des vom Ausgang der Summierschaltung 34 kommenden Signals wird über eine Koppeleinrichtung 36, im Beispiel einen Richtkoppler, einem Verstärker 37, anschließend einem Demodulator 38 und schließlich über einen Analog-Digital-Umsetzer 39 einem digitalen adaptiven Prozessor 40 zugeführt. Dieser weist einen digitalen Prozessor auf, der über Steuerleitungen den Phasenschieber 30 und das Dämpfungsglied 32 so steuert, daß das dem Prozessor 40 vom Digital-Analog-Umsetzer 39 zugeführtes Signal minimiert wird. Wenn dies erreicht ist, dann sind die Störsignale der ersten Keule optimal unterdrückt.

Für jeden einzelnen der anderen Anschlüsse A2 bis A20 des Speisenetzwerks 10 und H2 bis H20 des Speisenetzwerks 12 ist die soeben beschriebene Schaltung, bestehend aus dem Phasenschieber, dem Dämpfungsglied, der Summierschaltung und den diesen nachgeordneten Einrichtungen ebenfalls vorgesehen, so daß für alle 20 Keulen gleichzeitig und somit sehr schnell die adaptive Regelung durch den jeweils zugeordneten Prozessor 40 ausgeführt werden kann. Wenn, unter Berücksichtigung der Rechengeschwindigkeit des Prozessors 40 und der erforderlichen Arbeitsgeschwindigkeit der Radarantenne, es möglich ist, so kann auch lediglich ein einziger Prozessor 40 vorgesehen sein, der nacheinander alle 20 Ausgangssignale des Speisenetzwerks 10 und des Speisenetzwerks 12 verarbeitet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich in seinem Dipolfeld und in der Zuordnung der 3. und 14. Zeile der Dipole zur Hilfsantenne und der übrigen Dipole zur Hauptantenne nicht von dem Dipolfeld der Fig. 2. Es sind hier allerdings keine unterschiedlichen Speisenetzwerke für die Hilfsantenne einerseits und die Hauptantenne andererseits vorgesehen, sondern ein einheitliches Speisenetzwerk 50 aus 16 Butler-Matrizen 52 und 6 Blass-Matrizen 54, siehe Fig. 4. Das Speisenetzwerk 50 weist in der dargestellten Weise 20 Ausgänge H1 bis H20 für die Hauptkeulen der Hauptantenne sowie 20 Ausgänge A1 bis A20 für die Hilfskeulen der Hilfsantenne auf. Die Ausgänge H1 bis H20 der Hauptantenne sind, wie bei Fig. 2, im rechten Teil der Figur vorgesehen, die Ausgänge A1 bis A20 der Hilfsantenne sind an mit den Bezugszeichen Z1 bis Z6 bezeichneten Einrichtungen vorgesehen, bei denen es sich um 1:n-Teiler (nämlich 1 : 2-Teiler und 1 : 4-Teiler) handelt. Die übrige Schaltung bezüglich der Elemente 30, 32, 34, 36, 37, 38, 39, 40 stimmt mit Fig. 2 überein.

In den Beispielen erzeugt die Multibeamantenne mit ihrem Hauptantennenteil in den Fällen der Fig. 2 und 3 gleichzeitig vier Zeilen mit sechs Spalten von Hauptkeulen, wobei aber einige Spalten nicht mit vier Hauptkeulen besetzt sind, so daß es insgesamt lediglich 20 Hauptkeulen sind. Die Hilfsantenne erzeugt in einem Bereich von 3° oberhalb der Horizontebene 20 Hauptkeulen, die jeweils einer Hauptkeule der Hauptantenne zugeordnet sind.

Wie Fig. 4 zeigt, handelt es sich bei den Anschlüssen Z1 bis Z6 um jeweils einen zusätzlichen Ausgang der insgesamt sechs Blass-Matrizen 54. Diese weisen im übrigen noch die 20 Anschlüsse H1 bis H20 auf, die zur Speisung der Hauptantenne, und zwar genau jeweils für die Erzeugung einer der Keulen 1 bis 20 dienen. Die in Fig. 4 oberen Anschlüsse der Butler-Matrizen 52 sind mit je einem der Strahler (Dipole) der Antenne 1 verbunden. Jeder in Fig. 4 obere Anschluß der ersten Blass-Matrix (Blass 1) ist mit jeweils dem ersten unteren Anschluß der einzelnen Butler-Matrizen verbunden. Die weiteren Verbindungen ergeben sich aus Fig. 4, wobei nicht jede einzelne Verbindung gezeigt ist.

Bei der Auswahl der Strahler für die Hilfsantenne sollte beachtet werden, daß die Phasenzentren der Hauptantenne und der Hilfsantenne identisch sind oder zumindest sehr nahe beieinander liegen. Dies ist vorteilhaft, da sich auch dann, wenn ein zu unterdrückender Störer sich rasch bewegt, beispielsweise in einem Flugzeug, die relative Phase zwischen den Empfangssignalen der Hauptantenne und der Hilfsantenne nur wenig ändert. Bei den geschilderten Ausführungsbeispielen ist die geforderte Identität der Phasenzentren wegen der bezüglich des gesamten Dipolfelds symmetrischen Anordnung der Dipole der Hilfsantenne vorhanden.

In Fig. 1 sind im Beispiel folgende Abmessungen vorgesehen: Länge a der Antennenapertur 5,90 m, Breite b = 2,38 m, Dipolabstand Mitte-Mitte in Richtung a 0,366 m, d = 0,3 m.

Claims (7)

1. Antennenanordnung mit einer Anzahl von Strahlern, die in Form eines Dipolfeldes (1) angeordnet sind, zur Erzeugung einer Mehrzahl von Keulen einer Hauptantenne, wobei einige der Strahler des Dipolfelds eine Hilfsantenne zur Unterdrückung von durch die Hauptantenne empfangenen Störungen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausbildung der Antennenanordnung als Multibeamantenne (Mehrkeulenantenne) mit gleichzeitiger Erzeugung einer Mehrzahl von Hauptkeulen Strahlerelemente des Dipolfelds, die keinen wichtigen Beitrag zur Erzeugung der Keulen bringen, für die Hilfsantenne vorgesehen sind und entsprechend gespeist sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptantenne so berechnet ist, daß gewisse Strahlerelemente, vorzugsweise Strahlerelemente einer waagerechten Zeile, die nicht die oberste oder unterste Zeile ist, eine so kleine Strombelegung haben, daß sie keinen wichtigen Beitrag zur Erzeugung der Keulen bringen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Strahler der Hauptantenne und der Strahler der Hilfsantenne zwei separate Speisenetzwerke (10, 12) vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Strahler der Hauptantenne und der Hilfsantenne ein einheitliches Speisenetzwerk (50) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Speisenetzwerke Butler-Matrizen und/oder Blass-Matrizen enthält.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Hauptantenne und die Ausgänge der Hilfsantenne einer Einrichtung (30, 32, 34, 36, 37, 38, 39, 40) zur adaptiven Kompensation von Störsignalen zugeführt sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenzentren der Hauptantenne und der Hilfsantenne dicht benachbart sind.