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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine planare Mikrowellen-Arrayantenne
mit einer planaren Arrayantenne, die kontinuierliche Querstubs aufweist, und
einer ersten und einer zweiten linienförmigen Speiseeinrichtung, über die
RF-Eingangssignale in die Arrayantenne gespeist werden.
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Eine
derartige Mikrowellen-Arrayantenne ist bekannt aus dem US-Patent
5,266,961.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung Mikrowellen-Antennen und solche
Mikrowellen-Antennen mit einer Weitwinkel-Scanfähigkeit.
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Im
Stand der Technik wird gelehrt, wie eine linienförmige Speiseeinrichtung (im
folgenden kurz Zeilen-Speiseeinrichtung) von ihren gegenüberliegenden
Enden gespeist werden kann, um zwei Strahlen zu bilden, die im Raum
versetzt sind. Derartige Zeilen-Speiseeinrichtungen sind beschrieben
in dem Artikel "Bidirectional
Series Fed Slot Array" von
Nester et al. in Symp. Digest, IEEE Antennas and Propagation Society
International Symposium (Stanford, CA), Juni 1977, Seite 76, oder
in dem Artikel mit dem Titel "FAST
Multibeam Antenna Concept" von
Kinsey in RADC-TR-85-170, Proc. Phased Arrays 1985 Symposium (Hanscom
AFB, MA), September 1985, Seiten 33-56.
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Es
besteht ein steigender Bedarf nach kostengünstigen, eindimensionalen,
elektronisch gescannten Antennen, und zwar sowohl für militärische als
auch für
kommerzielle Anwendungen, wie bspw. Ziel-Radare im W-Band und nach
vorne gerichtete Radarsysteme für
den Automobilbereich bei 77 GHz. Ein kostengünstiges zweidimensionales Scannen bzw.
Abtasten kann realisiert werden, indem man die zuvor genannte eindimensionale
elektronische Scan-Antenne in Verbindung mit einer kardanischen 360°-Aufhängung in
der zweiten Achse verwendet. Herkömmliche Scan-Techniken, wie PIN-Dioden,
diskrete Ferrit-Phasenschieber oder Sende/Empfangs-Module (T/R-Module)
sind für
das W-Band generell entweder nicht verfügbar, nicht herstellbar oder,
in der Relation gesehen, nicht zu bezahlen.
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In
der technischen Literatur sind Phasenscan-Ferritantennen beschrieben, die in den
freien Raum abstrahlen. Phasenscan-Ferritantennen sind beschrieben
in dem Artikel "A
mm-Wave Homogeneous Ferrite Phase Scan Antenna" von Stern et al. in Microwave Journal,
Band 30, Nr. 4, April 1987, Seiten 101-108 und in dem US-Patent
4,691,208 mit dem Titel "Ferrite
Waveguide Scanning Antenna",
um Beispiele zu nennen.
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Eine
Zeilen-Ferritspeiseeinrichtung ist ein Bauteil, das der zuvor diskutierten
Zeilen-Speiseeinrichtung ähnlich
ist und im Scanbereich denselben Einschränkungen unterworfen ist. Der
Unterschied ist der, daß die
Zeilen-Speiseeinrichtung speziell dazu ausgelegt ist, in einen Parallelplattenbereich
einer planaren Arrayantenne hinein abzustrahlen, wobei der Bereich
entweder luftgefüllt
oder mit einem Dielektrikum gefüllt
sein kann. Ferner wird die Zeilen-Speiseeinrichtung konstruiert
unter Verwendung einer bidirektionalen Anregungssynthese des Arrays, so
daß die
Speisung von beiden Enden erfolgt, so daß zwei gut ausgebildete Strahlen
bzw. Strahlenbündel
erzeugt werden, die im Raum voneinander versetzt sind.
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Ein
Hauptnachteil im Stand der Technik liegt in der beschränkten Scan-Abdeckung,
die mit Phasenscan-Ferritantennen bei höheren Frequenzen im Millimeterwellenbereich,
typischerweise in der Größenordnung
von 40 GHz und darüber,
realisiert werden kann. Es wäre
daher für
den Stand der Technik vorteilhaft, wenn man eine planare Arrayantenne
hätte,
die keine große
Anzahl an Zeilen-Speiseeinrichtungen erfordert, die mit diskreten
Phasenschiebern gescannt werden, wie bspw. in dem Artikel von Kinsey
beschrieben. Es wäre
gleichfalls vorteilhaft, wenn man eine planare Arrayantenne hätte, die
weniger komplex ist, somit mit sehr viel geringeren Konstruktions-
und Produktionskosten.
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Aus
dem eingangs genannten US-Patent 5,266,961 ist es bekannt, eine
Arrayantenne mit kontinuierlichen Querstubs sowohl in der einen
als auch in einer senkrecht hierzu verlaufenden Richtung zu versehen.
An zwei benachbarten Kanten der Arrayantenne ist jeweils eine linienförmige Speiseeinrichtung
vorgesehen. Diese werden jeweils über zentrale Eingänge gespeist.
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Aus
dem US-Patent 3,471,857 ist ein planarer Antennenarray bekannt,
der aus einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Hohlleitern
mit schrägen
Auskoppelschlitzen und einer Speiseeinrichtung besteht. Die Speiseeinrichtung
ist generell als Rechteckrahmen ausgebildet und weist an einem oberen
Quer-Hohlleiter
einen RF-Eingangsport und an dem unteren Quer-Hohlleiter einen entsprechenden RF-Eingangsport
auf. In den Hohlleitern, die den Rahmen der Speiseeinrichtung bilden,
sind Dioden eingeschaltet, die mittels einer Schaltmatrix ein- und ausgeschaltet
werden. Hierdurch ist es möglich,
bei geeigneter sequentieller Ansteuerung der Dioden insgesamt vier
Strahlen zu bilden, die im Raum voneinander versetzt sind und gemeinsam
effektiv einen einzelnen Strahl nachbilden, der vier benachbart
zueinander liegende Scan-Sektoren scannt.
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Vor
dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine verbesserte Mikrowellenantenne mit einer Weitwinkel-Scanfähigkeit
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mittels der eingangs genannten planaren Mikrowellen-Arrayantenne,
wobei die erste und die zweite Speiseeinrichtung entlang von gegenüberliegenden
Kanten der Arrayantenne angeordnet sind und jeweils einen ersten und
einen zweiten RF-Port aufweisen, über die RF-Eingangssignale
in die Arrayantenne gespeist werden, daß eine Schaltmatrix vorgesehen
ist, die zwischen einen RF-Eingangsport der Arrayantenne und jeweiligen
RF-Ports der Speiseeinrichtungen gekoppelt ist, und daß die Speiseeinrichtungen
RF-Energie von gegenüberliegenden
Seiten in die Arrayantenne koppeln.
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Generell
stellt die vorliegende Erfindung eine planare Arrayantenne bereit,
die zwei verteilt angeordnete linienförmige Ferritspeiseeinrichtungen
("ferrite scanning
line feeds", im
folgenden "Zeilen-Speiseeinrichtungen") verwendet, um eine
planare Arrayantenne zu speisen, wie einen Array mit kontinuierlichen
Querstub ("continuous
transverse stub array", CTS-Array, im folgenden
kurz "Querstub-Array"). Die Zeilen-Speiseeinrichtungen
koppeln RF-Energie von gegenüberliegenden
Seiten zu der Antenne, um insgesamt vier Strahlen bzw. Strahlenbündel zu
bilden, die im Raum versetzt voneinander sind, so daß jeder einen
anderen Scan-Winkelsektor bedeckt. Die vorliegende Erfindung erfordert
keine große
Anzahl von Zeilen-Speiseeinrichtungen
bzw. Leitungs-Speiseeinrichtungen, die mit diskreten Phasenschiebern
gescannt werden, wie es in dem Kinsey-Artikel beschrieben ist. Diese
Verringerung der Komplexität,
in Verbindung mit einer kardanischen 360°-Aufhängung in der zweiten Achse,
führt zu
geringeren Konstruktions- und Produktionskosten für die Antenne.
Die Leistungsfähigkeit
von kontinuierlichem Querstub-Antennen (CTS-Antennen) und -Systemen
wird signifikant verbessert durch die Verwendung von zwei Zeilen-Ferritspeiseeinrichtungen,
einer Schaltmatrix und einer planaren Arrayantenne, um ein Weitwinkel-Scannen
zu erhalten.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet die zwei verteilt angeordneten Zeilen-Ferritspeiseeinrichtungen
dazu, um bei Frequenzen im oberen Millimeterwellenlängenbereich
eine größere Scan-Bedeckung
zu erhalten, wobei realisierbare Ferritmaterialien in diesem Bereich
weniger aktiv sind und eine verminderte Scan-Fähigkeit bereitstellen. Die
Zeilen-Speiseeinrichtungen und die planare Arrayantenne können so
konstruiert sein, daß die
vier Scan-Sektoren benachbart zueinander liegen, wodurch die winkelmäßige Scan-Bedeckung
der Antenne wenigstens vierfach gesteigert wird. Die Schaltmatrix
wird dazu verwendet, um jeden der vier RF-Ports sequentiell zu speisen,
um effektiv einen einzelnen Strahl zu erzeugen, der die vier benachbart
zueinander liegenden Scan-Sektoren scannt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich leichter unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung
in Verbindung mit der beige fügten Zeichnung,
wobei gleiche Bezugsziffern gleiche strukturelle Elemente darstellen,
und wobei:
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1 die
berechnete Scan-Bedeckung über der
Frequenz darstellt, und zwar für
einen Zeilen-Ferritscanner mit 4πMs = 5.000 Gauss;
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2 zeigt,
wie benachbart zueinander liegende Scan-Sektoren, die über 60° bedecken, erzeugt werden, indem
zwischen vier RF-Ports geschaltet wird;
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3a und 3b eine
planare Arrayantenne gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellen, die von zwei Zeilen-Speiseeinrichtungen kantenseitig bzw.
hochkant gespeist wird;
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4 eine
Schaltmatrix darstellt, die drei Ferrit-Zirkulatoren zum Umschalten aufweist;
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5 und 6 darstellen,
wie Zeilen-Speiseeinrichtungen eine Kopplung durch eine Masseebene
in dem Parallelplattenbereich einer kontinuierlichen Querstub-Arrayantenne
hindurch erzeugen;
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7 eine
planare Arrayantenne darstellt, die kontinuierliche Querstub-Teilarrays
aufweist, die in einem dreiseitigen Gitter verschachtelt angeordnet sind;
und
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8a und 8b ein
vorwärts
ausgelöstes bzw.
ein rückwärts ausgelöstes Strahlmuster
einer 77 GHz Speiseeinrichtung zeigen, die konstruiert ist unter
Verwendung einer modifizierten Synthese gemäß Woodward-Lawson.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung zeigt 1 ein
Diagramm, das die berechnete Scan-Bedeckung über der Frequenz darstellt,
die für
einen typischen herkömmlichen
Zeilen-Ferritscanner
unter Verwendung von Ferritmaterialien des Standes der Technik bei
der maximal verfügbaren
Sättigungsmagnetisierung
(4πMs) erreichbar ist, wobei die Magnetisierung
etwa 5.000 Gauss beträgt.
Das Diagramm der 1 basiert auf Meßdaten von
differentiellen Phasenverschiebungen pro Zoll bei Frequenzen im
Bereich von Wellenlängen
einiger Millimeter. Bei 94 GHz wurden etwa 625°/Zoll erhalten. Dies erzeugt
nur eine Scan-Bedeckung
von etwa 12,6°,
wohingegen für
manche Antennenanwendungen 60° erforderlich
sein können.
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2 zeigt
vier benachbart zueinander liegende Scan-Sektoren, die durch die vorliegende
Erfindung erzeugt werden und die 0° bis +12,6°, +12,6° bis +25,8°, +25,8° bis +40,8° bzw. +40,8° bis +60,7° abdecken. Diese Angaben sind
abgeleitet aus der Gleichung: Θn max = sin–1 (nλΔΦ/360),wobei Θn max der maximale
Scan-Winkel für
einen vorgegebenen Scan-Sektor ist, n der Scan-Sektor ist (bei diesem
Beispiel 1 bis 4), λ die
Wellenlänge
in Luft ist, angegeben in Zoll (0,1256 Zoll für 94 GHz), und ΔΦ die differentielle
Phasenverschiebung in Grad pro Zoll ist (625).
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Die
vorliegende Erfindung schaltet zwischen einer Mehrzahl von benachbart
zueinander liegenden Scan-Sektoren um, wie es in 2 gezeigt
ist, um die gesamte winkelmäßige Scan-Bedeckung
einer Scan-Antenne 10 (gezeigt in 3a und 3b) zu
steigern. Es wird angenommen, daß dies einzigartig ist für die Anwendung
auf eine planare Scan-Arrayantenne 10, wie eine Antenne
mit kontinuierlichen Querstubs bzw. eine kontinuierliche Querstub-Antenne 11,
wie sie von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt
worden ist. Die kontinuierliche Querstub-Antenne 11 ist beschrieben
in dem US-Patent 5,266,961. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
können
auch verwendet werden, wenn nicht kontinuierliche, weit getrennte
oder mehrfache, gleichzeitig abgetastete Sektoren gewünscht sind.
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Die 3a und 3b zeigen
eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer planaren Arrayantenne 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die planare Arrayantenne 10 umfaßt eine
kontinuierliche Querstub-Arrayantenne 11, die kantenseitig
gespeist wird von zwei Zeilen-Speiseeinrichtungen 12, 13 (Zeilen-Ferritscanner), die
an gegenüberliegenden Seiten
der kontinuierlichen Querstub-Arrayantenne 11 angeordnet
sind. Eine Schaltmatrix 14 wird dazu verwendet, um ein
RF-Signal von einem RF-Port 14a jeweiligen Ports 15a-15b der
Zeilen-Speiseeinrichtungen 12, 13 zuzuführen. Die
RF-Energie wird über Schlitze 16 (6)
in einer gemeinsamen Wand zwischen Parallelplattenbereichen der
Zeilen-Speiseeinrichtungen 12, 13 und der kontinuierlichen
Querstub-Arrayantenne 11 eingekoppelt. Die kontinuierliche
Querstub-Arrayantenne 11 wird konstruiert auf eine Art
und Weise ähnlich
wie die Zeilen-Speiseeinrichtungen 12, 13, und
zwar unter Verwendung einer bidirektionalen Anregungssynthese des
Arrays, um einen gut ausgebildeten Strahl zu erzeugen, egal von welcher
Seite die Antenne gespeist wird. Die Schaltmatrix 14 versorgt
jeden der vier RF-Ports 15a-15d auf sequentielle
Art und Weise. Die Zeilen-Speiseeinrichtungen 12, 13 speisen
die planare Arrayantenne 11 von gegenüberliegenden Seiten, um insgesamt vier
Strahlen zu bilden, die im Raum voneinander versetzt sind, so daß sie jeweils
unterschiedliche winkelmäßige Scan-Sektoren
bedecken. Dies erzeugt auf wirksame Weise einen einzelnen Strahl,
der über vier
benachbart zueinander liegende Scan-Sektoren scannt.
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Eine
Vierweg-Schaltmatrix 14 richtet ein RF-Signal auf einen
ausgewählten
Antennen-Port 15a-15d. 4 zeigt,
wie eine einpolige Schaltmatrix 14 mit vier Schalterstellungen
(SP4T) konfiguriert sein kann unter Verwendung von drei schaltenden Ferrit-Zirkulatoren 17.
Die Leistungsfähigkeit
eines einzelnen, schmalbandigen Verzweigungszirkulators 17 liefert
im W-Band typischerweise eine Einfügungsdämpfung von 0,4 bis 0,6 dB und
eine Entkopplung von 18 bis 20 dB. Eine größere Entkopplung kann erhalten
werden, wenn man in Schaltarme der Schaltmatrix 14 zusätzliche
Verzweigungszirkulatoren 17 einsetzt, wie es in 4 gezeigt
ist; dies führt
jedoch folglich zu einer Erhöhung
der Einfügungsdämpfung.
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Die 5 und 6 zeigen
eine geeignete Anordnung, die dazu verwendet werden kann, um eine
Vielzahl von kontinuierlichen Querstub-Antennen 11 (Teilarrays 11)
in einem sehr engen Gitter zu packen. Da die Aperturen der kontinuierlichen
Querstub-Antennen 11 so
nahe aneinander liegen, können
die Zeilen-Speiseeinrichtungen 12, 13 physikalisch
nicht entlang der Kan ten der Antenne 11 angeordnet werden,
wie es in 3 gezeigt ist, und sind folglich
hinter der Apertur oder der Antenne 11 angeordnet. Das
Erzeugen der Kopplung zwischen den Zeilen-Speiseeinrichtungen 12, 13 und
der Antenne 11 erfolgt unter Verwendung von Koppelschlitzen 16, die
durch eine gemeinsame Masseebenenwand hindurch angeordnet sind.
In 6 sind zwei Typen von Koppelschlitzen 16 dargestellt,
zum einen längs
ausgerichtete Shunt-Schlitze 16, die gegenüber einer Mittenlinie
der Querwand in der ersten Speiseeinrichtung 16 alternativ
versetzt angeordnet sind, und zum anderen geneigte Schlitze 16 in
der zweiten Speiseeinrichtung 13. Über die Außenlinie der Apertur der kontinuierlichen
Querstub-Antenne 11 hinaus erstrecken sich in vertikaler
Richtung Hohlleiterbiegungen 18 von 180°, die die Speiseports 15a-15b mit
der Schaltmatrix 14 verbinden. Taschen 19 an der
Rückseite
der Antenne 11 (gezeigt in 6) ermöglichen es
jedoch, daß sich
die Antennen 11 (Teilarrays 11) verschachteln
lassen, wie es in 7 gezeigt ist, um eine vollständige planare
Arrayantenne 10 zu erzeugen.
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Die 8a und 8b zeigen
ein berechnetes vorwärts
ausgelöstes
("forward-fired") Strahlmuster bzw.
ein rückwärts ausgelöstes Strahlmuster
für eine
bidirektionale 77 GHz Zeilen-Speiseeinrichtung 12, 13,
die 4,49 Zoll lang ist. Es wurde eine modifizierte Synthese gemäß Woodson-Lawson
dazu verwendet, um die Zeilen-Speiseeinrichtungen 12, 13 zu erzeugen,
wobei Exponentialfunktionen die herkömmlichen Einheitsfunktionen
ersetzten. Das Strahlmuster erfüllt,
obgleich nicht optimiert, die Nennanforderungen eines Arrays bei
einer Strahlbreite von 2,2° an
den –3
dB-Punkten und mit Seitenkeulen mit weniger als 20 dB. Das vorwärts ausgelöste Strahlmuster
hat einen Taper-Verlust
von 1,06 dB, einen Wert von VSWR von 1,06:1 und eine Leistung von
3,6 % in die Last hinein. Das rückwärts ausgelöste Strahlmuster
hat einen Taper-Verlust von 1,10 dB, einen Wert von VSWR (Rückflußdämpfung)
von 1,04:1 und eine Leistung von 2,9 % in eine Last hinein. Wie
zuvor angegeben, kann eine ähnliche
bidirektionale Anregungssynthese für den Array dazu verwendet
werden, um die kontinuierliche Querstub-Arrayantenne 11 zu
konstruieren.
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Die
vorliegende Erfindung kann so konfiguriert werden, daß eine kostengünstige Lösung erhalten
wird, um eine Scan-Bedeckung über das
Gesamtvolumen eines Konus zu erhalten. Dies kann erfolgen, indem
man einen eindimensionalen Scanner an einer kardanischen Rollaufhängung (d.h.
einer "lazy Susan") befestigt. Bei
dieser Anordnung muß der
eindimensionale Scanner nur eine Hälfte des Scheitelwinkels bedecken
(d.h. von der Nullachse des Konus zum Schrägwinkel). Wenn die kardanische
Aufhängung
in einer orthogonalen Ebene rotiert, wird der Scan-Strahl aus einem
konischen Scan-Volumen herausstreifen ("sweep out").
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Die
vorliegende Erfindung wurde ursprünglich entwickelt, um eine
bestimmte Anwendung zu ermöglichen,
bei der ein eindimensionaler Scanner eine Bedeckung von null bis
60 Grad erfordert. Durch die vorliegende Erfindung können jedoch
weitere Optionen zum Weitwinkel-Scannen bereitgestellt werden.
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Beispielsweise
kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, eine Scan-Bedeckung zu
liefern, die in bezug auf die Breitseite (null Grad) symmetrisch
ist. Dies ist bspw. die typische Scan-Bedeckung einer nach vorne
ausgerichteten Antenne für
automobile Einsatzzwecke. Der vorliegende Scanner kann modifiziert
werden, so daß er
vier benachbart zueinander liegen den Scan-Sektoren aufweist, die
von null bis ±12,59° und von ±12,59° bis ±25,85° scannen,
was für
eine nach vorne ausgerichtete Antenne für den automobilen Einsatz wünschenswert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, um eine Scan-Bedeckung
zu schaffen, die um die Breitseite ("broad side") einen asymmetrischen Scanvorgang liefert.
Eine Antenne an Bord eines Schiffes wird häufig um bis zu 20 Grad nach
oben geneigt, um eine Bedeckung selbst bei höheren Elevationswinkeln zu
ermöglichen,
wenn das Schiff nach unten rollt. Beispielsweise kann eine Antenne,
die um 12,5 Grad nach oben geneigt ist, so konfiguriert werden,
daß vier
benachbart zueinander liegende Scan-Sektoren bereitgestellt werden,
die –12,59
Grad bis +40,85 Grad bedecken. Wenn das Schiff stabilisiert ist,
so daß das
Rollen des Schiffes auf maximal 10 Grad begrenzt ist, kann eine
Elevationsbedeckung von wenigstens +30 Grad realisiert werden.
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Die
vier Scan-Sektoren, die von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt
werden, müssen nicht
notwendigerweise benachbart zueinander liegen, sondern können sich überlappen
oder können winkelmäßig voneinander
getrennt sein. Wenn sich zwei Scan-Sektoren überlappen, wobei die Strahlen im
Raum um etwa eine halbe Strahlbreite versetzt sind, dann kann ein
Scan-Differenzmuster
gebildet werden, indem man sequentiell zwischen den zwei benachbarten
Strahlen bzw. Keulen hin- und herschaltet ("lobing"). Ein Beispiel, bei dem voneinander getrennte
Scan-Sektoren wünschenswert
sind, ist ein seitwärts
ausgerichteter Radar, der an der Unterseite eines Flugzeuges montiert
ist. Die Scan-Bedeckung kann ±12,59
Grad bis ±25,85
Grad sein, mit einer Lücke
zwischen –12,59
Grad und + 12,59 Grad.
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Weiterhin
können
beliebige der vier Scan-Sektoren gleichzeitig gescannt werden anstelle eines
sequentiellen Scanvorganges. Dies erfordert jedoch eine unterschiedliche
Schaltmatrix als die in 4 gezeigte SP4T-Schaltmatrix 14.
Bei einer Anwendung mit gleichzeitigem Strahl-Scannen wird die Schaltmatrix 14 so
konstruiert, daß zu
jeder vorgegebenen Zeit einer bis vier Strahlen gleichzeitig eingeschaltet
werden. Eine solche gleichzeitig ansteuernde Schaltmatrix 14 ist
von herkömmlicher
Bauart und gut bekannt und kann von Fachleuten leicht konstruiert
werden und wird daher vorliegend nicht beschrieben. Bei gleichzeitigen,
sich überlappenden
Strahlen würde
das oben beschriebene Scan-Differenzmuster kein Umschalten ("lobing") erfordern.