DE2131352C3 - Parabolspiegelantenne für Monopulsradaranlagen mit Mitteln zur Regenechounterdrückung - Google Patents

Description

₂₅ . . _o'. 2 die Verteilung des elektrischen Feldes über der

öffnung einer Hornantenne,

Die Erfindung betrifft eine Antenne für Monopulsra- F i g. 3a... c Diagramme, die die Achsverlagerung bei

daranlagen, bestehend aus einem Hornstrahler als zirkularer Polarisation erläutern sollen. Primärstrahler, einem zur Hornachse unsymmetrisch Fig.4 einen Schnitt durch eine Parabolantenne, bei

ausgebildeten Parabolspiegel als Sekundärstrahler und 30 der die erfindungsgemäßen Maßnahmen verwendet einem dem Hornstrahler vorsetzbaren Polarisator, der werden.

die linear polarisierten elektromagnetischen Wellen zur Bevor die erfindungsgemäße Antennenanordnung

Regenechounterdrückung zirkulär polarisiert. beschrieben wird, sollen anhand der Fig. 1, 2 und

Derartige Antennen sind aus »Nachrichtentechnische 3a... c die Verhältnisse aufgezeigt werden, die bei Fachberichte« 1961, S. 99-106, insbesondere Bild 2 auf 35 Umwandlung einer linear polarisierten Welle in eine S. 100, bekannt. Der Polarisator liegt dabei parallel zur zirkulär polarisierte zu einer Verdrehung der Minimal-Hornöffnung und seine Platten bilden mit der wertachse des Differenzdiagramms führen, wobei sich Polarisationsrichtung der Primärstrahlung einen Winkel die vorliegende Erfindung zur Aufgabe stellt, diesen von 45°. Feldkomponenten senkrecht zu den Platten Effekt dann zu beseitigen.

werden nicht durch den Polarisator beeinflußt. Hinge- 40 In Fig. 1 sind die Feldstärkelinien Fdes elektrischen gen sind die Komponenten parallel zu diesen Platten um Feldes auf der Oberfläche einer parabolisch gekrümm-90° phasenverschoben, so daß sich eine zirkulär ten Fläche, die von einem vertikal polarisierten polarisierte Strahlung ergibt. Primärstrahler angestrahlt wird, dargestellt. Ebenso ist

Der Reflektionsfaktor von Regenwolken ist für beide eine einzige Feldlinie F dargestellt, die bei horizontaler Polarisationskomponenten gleich, so daß an ihnen 45 Polarisation des Primärstrahlers auftritt. Die elektrireflektierte zirkulär polarisierte Wellen auch zirkulär sehen Feldvektoren E und E'und ihre Projektionen auf polarisiert sind. Wenn diese reflektierte Welle den die vertikale Achse V-O- Vund die horizontale Achse Polarisator durchläuft, wird die Komponente parallel zu X'-O-X sind für beide Fälle dargestellt. Hierbei wird den Platten erneut um 90° gedreht, so daß sich bei der Index »p« verwendet, wenn der Primärstrahler ein Zusammensetzung mit der anderen Komponente eine 50 axialsymmetrisches Diagramm aufweist und der Index linear polarisierte, aber zu der ausgesendeten senkrecht »«< bei einem punktsymmetrischen. Diese beiden stehende, linear polarisierte Welle ergibt. Da das Horn Symmetriearten entsprechen den Summen- und Diffeals Filter wirkt, das senkrecht zu der Speisepolarisa- renzdiagrammen bei Monopulsbetrieb. Die F i g. 2 stellt tionsrichtung stehende Signale sperrt, werden die diese beiden Feldverteilungen an der Hornstrahleröff-Regenechos gesperrt. 55 nung dar, wobei S die axialsymmetrische und D die

Da aber auch andere Objekte für beide Komponenten punktsymmetrische zeigt.

gleiche Reflektionskomponenten aufweisen können, Wenn die ganze parabolisch gekrümmte Fläche

würden auch deren Echos unterdrückt. Deshalb setzt angestrahlt wird, so zeigt die vektorielle Darstellung der man zirkulär polarisierte Wellen nur dann ein, wenn Feldkomponenten, daß bei vertikaler Polarisation der Regenechos unterdrückt werden müssen. Deshalb muß 60 erregenden Welle eine unerwünschte horizontale ein solcher Polarisator vom Bedienungspersonal nach Komponente und bei horizontaler Polarisation eine Bedarf anzubringen und zu entfernen sein. unerwünschte vertikale Komponente auftritt. Der

Weil sich der Hornstrahler vor dem Spiegel befindet, Einfluß dieser unerwünschten Polarisationskomponendeckt er Teile der Spiegelfläche ab. Es ist bekannt (M. I. ten hebt sich dann im Fernfeld auf. S ο 1 η i k »Introduction to Radar Systems« Mac Graw 65 Wenn aber z. B. nur die obere, in F i g. 1 nicht Hill, 1962, Seiten 273/274), unsymmetrische Ausschnitte gestrichelte Hälfte angestrahlt wird, so tritt eine solche einer Paraboloidfläche als Spiegel zu verwenden, bei Kompensation nicht auf. Wenn in diesem Falle die Ηι»ηί»η Hf»r Primärstrahler die ganze Spiegelfläche Primärstrahlung axialsymmetrisch ist und eine vertikale

Polarisation aufweist, sind die horizontalen Komponenten in den Quadranten X'—Q—Y und X-Q-Y gegenphasig und entsprechen einem Strehlungsdiagramm mit Punktsymmetrie wie in dem Kurvenzug Sh der Fig.3a. Das Diagramm der Überwiegenden Vertikalkomponente EpV ist in dem Kurvenzug 5V /ρig.3a) dargestellt. Ihre Amplituden sind dabei um etwa 20 db größer wie die des Kurvenzuges Sh.

Nimmt man an, daß die Phase des Diagramms SV gleich 0 ist, dann hat das »unerwünschte Diagramm« Sh links der Achse (negative Werte) den Wert -π/2, da man es um einen Winkel π/2 im trigonometrisch negativen Sinn (Vorzeichen Minus) drehen muß, damit die vertikale Hauptkomponente EpV in die unerwünschte vertikale Komponente Eph übergeht. Entsprechende Überlegungen gelten für das »unerwünschte Diagramm« Sh, das in dem positiven Quadranten verläuft und dessen Phase π/2 ist.

Wenn nun die obere Hälfte der parabolisch gekrümmten Fläche durch eine Primärstrahlung mit vertikaler Polarisation und Punktsymmetrie ausgestrahlt wird, so zeigt eine vektorielle Zerlegung, daß die vertikale Hauptkomponente EiV eine punktsymmetrische Verteilung aufweist, die dem Diagramm DV der F i g. 3a entspricht, während die unerwünschte Horizontal-Komponente Eih eine axialsymmetrische Verteilung aufweist, wie sie in dem Diagramm Dh der Fig.3a dargestellt ist. Die Phase des Diagramms DHergibt sich aus den oben beschriebenen Überlegungen; man erhält eine Phase Null.

Da die Diagramme SVund DVgegenüber denen von Sh und Dh entgegengesetzt polarisiert sind, beeinflussen die Diagramme SA und Dhdie Hauptdiagramme SVund DV nicht. Für den Fall, daß der Primärstrahler horizontal polarisiert ist, ergibt sich durch den obigen Überlegungen entsprechende Überlegungen, daß die unerwünschten, vertikal polarisierten Komponenten (Svd und Dvd der F i g. 3b) den Verlauf der horizontal polarisierten Hauptdiagramme (SHd und DHd in Fig.3b) nicht beeinflussen. In Fig. 1 sind dabei die zu berücksichtigenden Komponenten mit E'p, E'pH und E'pv für axialsymmetrische Verteilung sowie E'i, E'iH und EVvfür punktsymmetrische Verteilung bezeichnet.

Dieses ist nicht mehr gültig, wenn der Primärstrahler ein zirkulär polarisiertes Signal abstrahlt, dessen bestimmender Vektor zerlegt werden kann in zwei aufeinander senkrecht stehende Komponenten, von denen die eine vertikal und die andere horizontal polarisiert ist. In diesem Fall sind alle Strahlungsdiagramme der Fig. 3a und 3b gleichzeitig vorhanden, wobei sich Amplituden gleicher Polarisationsart und Richtung je nach ihrer relativen Phase zueinander addieren bzw. subtrahieren.

In der F i g. 3a sind die relativen Phasen der Diagramme angegeben. Wenn man nun annimmt, daß die ausgesendete Welle rechtsdrehend zirkulär polarisiert ist, so eilt die horizontal polarisierte Komponente der vertikal polarisierten um 90° voraus. Die relativen Phasen der Teilkomponenten SHd und DHd, die die horizontal polarisierte Hauptkomponente bilden, sind in Fig.3b dargestellt. Mit Hilfe der Komponenten E'der Fig. 1 kann man die Phasen der unerwünschten, vertikal polarisierten Komponenten Dvd und Svd bestimmen. Die Kombination des Diagrammes DVmit dem Diagramm Dvd (Differenzbildung) zeigt für die vertikale Polarisation, daß die Amplituden sich für positive Phasenwerte addieren und für negative Phnsenwerte subtrahieren, wodurch der Verlauf der Minimalwertachse zu einem negativen Wert verschoben wird, was bedeutet, daß man den Wert 0 des Quotienten D/S nicht mehr bei g <- 0 erhält (g ist die Winkelachse), sondern bei einem negativen Wert von g,

der durch die Lage des Punktes A'bestimmt ist. Ebenso zeigt die Kombination der Diagramme DHduna Dh für die horizontale Polarisation, daß die Minimalwertachse um den gleichen Winkel a zu negativen Werten verschoben wird.

ίο Die Summenbildung der Diagramme SV und Svd einerseits und der Diagramme SHd und Sh andererseits zeigt, daß die so entstehenden Diagramme unsymmetrisch sind. Diese Unsymmetrie beeinflußt aber den Quotienten D/S bei kleinen Sirahlungswinkeln nur sehr wenig,

Fig.3c zeigt die Strahlungsdiagramme für die horizontal polarisierte Komponente für den Fall, daß die Primärstrahlung linksdrehend zirkulär polarisiert ist, also die horizontal polarisierte Komponente um 90° nacheilt.

Die Kombination der Diagramme DVund DVg-zeigt, daß die Amplituden sich bei positiven Phasenwerten subtrahieren und bei negativen Phasenwerten addieren, so daß die Minimalwertachse zu positiven Werten, also

entgegengesetzt zu der Verschiebung bei rechtsdrehender zirkularer Polarisation, verschoben wird.

Wie vorher aufgezeigt, ist der Winkelwert der Achsverschiebung durch die Lage des Punktes A' bestimmt. Dieser Winkelwert kann durch folgende Näherungsgleichung bestimmt werden:

-kd -kd

Hierin ist d die Wellenlänge, f der Abstand des Reflektors vom Hornstrahler, 2 b die Winkelabweichung zwischen den Maxima der beiden Keulen des Differenzdiagramms, L der Abstand der beiden Keulen auf dem Reflektor, und k das Amplitudenverhältnis

zwischen vertikaler Haupt- und unerwünschter Komponente, a und b sind dabei im Bogenmaß, und zwar in Radianten gemessen. Obige Gleichung wird unter der Annahme erhalten, daß die punktsymmetrischen, den Hauptkomponenten zugeordneten Strahlungsdiagram-

me von zwei punktförmigen Quellen — S und +S (F i g. 4) erzeugt werden, die zueinander gegenphasig sind und den Abstand L voneinander aufweisen. Die Form dieser Diagramme wird durch

»n (-j- · sm ή

beschrieben. Die entsprechenden unerwünschten Diagramme sind axialsymmetrisch; ihre Form wird durch

/ Zl L . \

k cos ί -j' sing)

beschrieben. Der Wert des Winkels a ist dann bestimmt f₎₀ durch die Gleichung:

sin (—-— ■ sin«) -t- /ccost—τ -- · sin u\ =

(,_s Damit nun die oben beschriebenen Strahllingsachsen linear und zirkulär polarisierter Wellen zusammenfallen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, ein dielektrisches Prisma zwischen Polarisator und Reflek-

tor anzuordnen, wobei dielektrisches Prisma und Polarisator eine Baueinheit bilden. Fig.4 zeigt nun die schematische Darstellung eines Längsschnittes durch die Antennenanordnung aus Reflektor 1, Hornstrahler 2, Polarisator 3 und dielektrisches Prisma 4.

Die elektrische Feldverteilung an der Hornöffnung sei durch die Kurve D der Fig.2 gegeben. Zur Vereinfachung kann man sich vorstellen, daß das erhaltene Primärstrahlungsdiagramm äquivalent mit einem von zwei punktförmigen Strahlungsquellen s- und s+ ist, die gegenphasig erregt werden und die jeweils von der Hornachse und der näherliegenden Außenbegrenzung des Horns gleichen Abstand haben. Die entsprechenden punktförmigen Strahlungsquellen für das Sekundärstrahlungsdiagramm seien S+ und S-bezeichnet und haben voneinander den Abstand L Diese Punkte S+ und 5- erhält man durch eine geometrische Konstruktion, die berücksichtigt, daß der Winkel zwischen den Maxima der beiden primären Keulen gleich 2 inst.

Wie vorher ausgeführt, verschiebt sich die Strahlungsachse beim Übergang von linearer zu rechtsdrehender zirkularer Polarisation um den Winkel a zu negativen Winkelwerten, was nach der Antennentheorie bedeutet, daß die Phasendifferenz zwischen den punktförmigen Strahlungsquellen S+ und S- nicht mehr gleich π ist. Das Fernfeld einer Antenne mit zwei punktförmigen Strahlungsqucllen S+ und S- wird durch folgende Gleichung beschrieben:

2 W.

sm μ 1

man durch eine zusätzliche Phasenverschiebung um den Betrag

-2.-7-L
. sin α

if

zwischen den Strahlungsqucllen S+ und S—, el. h. eine zusätzliche Phasenverschiebung _(/■-' zwischen den Strahlungsquellen S- und S+ oder in einer iiquivalenten Weise für die Strahlungsquellen s— und 5+.

Da sowohl die punktförmigen Strahlungsqucllen s+ und s- wie auch S+ und S- virtuelle Strahlungsquellen sind, ist es nicht möglich, ihre relative Phasenlage zueinander zu verändern. Man kann jedoch annehmen, daß man am Ausgang des Polarisators auf bekannte Weise eine ebene Welle erhält. Wenn man die Wellenebene um einen Winkel a drehen will, muß man über der gesamten Aperturfläche eine lineare Phasenverschiebung erzeugen, wobei diese Phasenvcrschiebung vom Wert Null an dem einen Polarisatorrand 5 bis zum Wert

worin β - -I, c die Phasendifferenz zwischen den Strahlungsqucllen S+ und S- ist und g positive und negative Werte annehmen kann.

Bei Fehlen des Polarisator liegt die Strahlungsachse, d. h. die Achse, auf der die Amplitude des Strahlungsdiagramms gleich Null ist, bei g - O und die Phasendifferenz zwischen S+ und S- beträgt ,τ. Mit Polarisator wird die Strnhlungsnch.se um einen Winkel u zu negativen Werten verschoben. In Gleichung (I) ist dann

c -

2 .i L

sin α - :\

4nL .
—-τ— -sin« = /

. b

sin« tu —
2

8.-7/'·/) . -.-— sin α α

an dem anderen Polarisalorrand 6 ansteigt. Dadurch erhält man die zwischen den Strahlungsquelle!! s— und s+ benötigte Phasenverschiebung. Dies kann, wie in jo F i g. 4 dargestellt, durch ein Prisma 4 aus dielektrischem Material mit einer Dielektrizitätskonstante B und einer Basis/? mit h gleich

.T L

sin α =

2.7/1

erreicht werden. Für kleine Winkel a kann man

h *

2 L

(negative Werte, wenn man das negative Vor/eiehcn von <i berücksichtigt), d.h. der Phascmmterschicd c ist größer nls n. Um die ursprüngliche Luge der Stnihlungsnchsc wiederherzustellen, ist us notwendig, clnß die Phasenverschiebung c gleich π ist. Dies crhtlli setzen.

Damit durch das Prismenmaterial keine Diskontinuitäten erzeugt werden, wird ein Mulcrial mit einer DiclcktriziUUskonslnntc B in der Nähe von I gewühlt.

.15 Gute Resultate wurden mit einem Prisma «us Polyurethan und einer Dielektrizitätskonstante B 1,10 erzielt.

Für den Fall links drehender zirkularer Polarisation (Fig.3c) wird die Strahlungsuchse zu positiven Werten

geschwenkt und es ist notwendig, die Lage des Prismas umzukehren, so daß sich jetzt die Prismenbasis h bei 5 und die Spitze des Prismas bei 6 befindet,

Miur/ti 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. * . hu -ma die Ausstrahlung einer ebenen Weite

   anstrahlt und die aus ^ ^e _{priniärstrnhler einer}

   Patentanspruch: Sen Antenne ein Polarisator angebracht wird so

   •κ? vh eine Verdrehung der .Mimmalwertachse des

   Antenne für Monopuls-Radaranlagen, bestehend ergibs.cn eι _dje ^^^ _winke|fehlerführt, aus einem Hornstrahler als Primärstrahler, einem 5 ^Ul»^eren'_liel_nde Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, zur Hornstrahlerachse unsymmetrisch ausgebildeten . Verdrehung der Minimalwertachse des Differenz-Parabolspiegel als Sekundärstrahler und einem dem ™ '"V , ? Vorsetzen eines Polarisators vor die Hornstrahler vorsetzbaren Polarisator, der die ί ^2™° _zu kompensieren. , , ,

   Mornstranier vorsewumcn ru.«.™«., --· — HnrnHntenne zu kompensieren, linear polarisierten elektromagnetischen Wellen zur "X^J" _{be wir}d erfindungsgemäß dadurch gelöst, Regenechounterdrückung zirkulär polarisiert, da- .ο we λ λ parabolspiegel zugewendeten Seite des durch gekennzeichnet, daß auf der dem daß^autoer _{dlesem ein} dielektrisches Prisma Parabolspiegel (1) zugewendeten Seite des Polar.sa- ™™°_n . _{das über} die ganze Strahlbre.te eine tors (3) mit diesem ein dielektrisches Prisma (4) ^""^schiebung bewirkt, die linear von Null an dem verbunden ist, das über die ganze Strah'breite eine Phase^JJJ? »_{d bis zu} einem vorgegebenen Wert Phasenverschiebung bewirkt, die linear von Null an 15 einen η^u _über,_iegcnden Polarisatorrand ansteigt, dem einen Polarisatorrand (5, 6) bis zu einem .an <aemg g ^ vorgegeben und das Prisma so vorgegebenen Wert an dem gegenüberliegenden wöbe aie _{hierdurch die} bei zirkularer Polarisa-Polarisatorrand (6,5) ansteigt, wobei dieser Wert so orient«^r · Verdrehung der Minimalwertachse des vorgegeben und das Prisma so orientiert ist, daß j!?]}*""3ia»-amms kompensiert wird, hierdurch die bei zirkularer Polarisat.on auftretende ₂₀ ^Dl[5*ⁿÄ™ wird nun anhand der Figuren Verdrehung der Minimalwertachse des Differenz- °'^e ^™_s J_{igt dabei} . diagramms kompensiert wird. Fig 1 die elektrische Feldverteilung auf einem