DE2137125C3 - Als Primärstrahler in Verbindung mit einem bündelnden Sekundärstrahler verwendeter Mehrwellenhornstrahler mit rechteckigem Querschnitt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrwellenhornstrahler, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Ein derartiger Mehrwellenhornstrahler ist aus der FR-PS Nr. 15 37 063 bekannt Die Ausgestaltung dieses Mehrwellenhornstrahlers als Mehrwellenhornstrahler für ein Monopulsradargerät ist in dem Zusatzpatent Nr. 93 116 zu dem o.a. französischen Patent bekannt. Die Abstrahlung erfolgt hierbei über strahlbündelnde Einrichtungen wie z. B. Spiegel oder Linsen. Für das in der Apertur entstehende Feld ist Phasengleichheit über den Bereich der Apertur erwünscht.

Bei der Verwendung des Mehrwellenhornstrahlers als Radarantenne kann es notwendig sein, daß Regenechos unterdrückt werden sollen. Dies ist bekannterweise möglich, wenn von der Radarantenne eine zirkulär polarisierte Strahlung abgestrahlt wird.

Hierzu ist es bekannt, dem Primärstrahler der Radarantenne einen Zirkularpolarisator voranzusetzen, vgl. »Nachrichtentechnische Fachberichte«, 1961, Seiten 99-101, US-PS 29 70 312 und 29 78 702. Dabei wird ein Polarisator mit Metallplatten verwendet, der parallel zur Hornöffnung eines Hornstrahlers angeordnet ist; die Metallplatten bilden mit der Polarisationsrichtung der linear polarisierten Strahlung aus dem Hornstrahler einen Winkel von 45°. Feldkomponenten senkrecht zu den Platten werden nicht durch den Polarisator beeinflußt. Hingegen sind die Komponenten parallel zu diesen Platten um 90° phasenverschoben, so daß sich eine zirkulär polarisierte Strahlung ergibt.

Der Reflexionsfaktor von Regenwolken ist für beide Polarisationskomponenten gleich, so daß an ihnen reflektierte zirkulär polarisierte Wellen auch zirkulär polarisiert sind. Wenn diese reflektierte Welle den Polarisator durchläuft, wird die Komponente parallel zu den Platten erneut um 90° gedreht, so daß sich bei Zusammensetzung mit der anderen Komponente eine linear polarisierte, aber zu der ausgesendeten senkrecht stehende, linear polarisierte Welle ergibt. Befindet sich in der Hornanordnung ein Filter, das senkrecht zu der Speisepolarisationsrichtung stehende Signale sperrt, so werden die Regenechos gesperrt Da aber auch andere Objekte für beide Komponenten gleiche Reflexionskomponenten aufweisen können, würden auch deren Echos unterdrückt Deshalb setzt man zirkulär polarisierte Wellen nur dann ein, wenn Regenechos unterdrückt werden müssen. Es sollte deshalb ein solcher Polarisator vom Bedienungspersonal nach Bedarf angebracht werden können.

Dabei tritt allerdings folgende Schwierigkeit auf: Der

ίο kurz vor oder unmittelbar an der Hornstrahleröffnung, also in der sogenannten Fresnel-Zone, angebrachte Polarisator bewirkt abhängig vom Strahlungswinkel unterschiedliche Phasenverschiebungen der Feldkomponenten. Diese ortsabhängigen Phasenwinkel treten auch bei dem aus der US-PS 29 78 702 bekannten Polarisator auf.

Ein Polarisator, der keine Phasenverschiebung verursacht, ist zwar aus der US-PS 29 70 212 bekannt. Der dort beschriebene Polarisator besteht jedoch aus einer komplizierten sphärischen Anordnung von mehreren sphärisch gekrümmten Metallplatten, deren gegenseitiger Abstand unterschiedlich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Mehrwellenhcrnstrahler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er je nach Bedarf auf Betrieb mit linear oder mit zirkularpolarisierten Wellen umgestellt werden kann, ohne daß die gewünschte Phasengleichheit des an der Apertur anstehenden elektromagnetischen Feldes über den Winkelbereich der Apertur wesentlich verschlechtert wird und ohne daß ein aufwendiger Zirkularpolarisator verwendet werden müßte.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Mitteln.

Man erhält sowohl mit als auch ohne aufgesetzten Polarisator gute Ergebnisse. Es kann ein kostengünstiger Polarisator verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen bekannten Mehrwellenhornstrahler,

F i g. 2 die Feldverteilung zweier Wellen verschiedenen Schwingungstyps und ihre Summenkurve für den Mehrwellenhornstrahler nach F i g. 1,

F i g. 3 den Mehrwellenhornstrahler nach F i g. 1 mit einem angesetzten Polarisator,

F i g. 4 Phasenverläufe des Strahlungsfeldes in Abhängigkeit vom Strahlungswinkel mit und onne Polarisator, F i g. 5 Ampiitudenverlänfe des Hornstrahlers in

so Abhängigkeit vom Strahlungswinkel mit und ohne Polarisator,

F i g. 6 den Phasenverlauf zwischen Referenz- und Differenzkanal eines Monopuls-Radargerätes in Abhängigkeit vom Winkel,

F i g. 7 das Verhältnis zwischen den Amplituden des Differenz- und Referenzkanals in Abhängigkeit vom Winkel.

Anhand der F i g. 1 werden zunächst der Aufbau und die Dimensionierung des bekannten Mehrwellenhorn-Strahlers erläutert.

Der im Querschnitt dargestellte Mehrwellenhornstrahler wird von einem Rechteckhohlleiter mit der Breite a gespeist. Die Abmessungen des Rechteckhohlleiters sind so gewählt, daß sich nur eine //io-Welle darin fortpflanzt. In Richtung zum Horn wird die Breite a zur Breite b erweitert, so daß sich eine W₃O-WeIIe ausbilden

kann. Es ist ",' <b<2d, wobei c/die Wellenlänge der

30

abgestrahlten elektromagnetischen Welle im freien Raum ist. Das Verhältnis Ic der Amplituden der //30- und Hio-Wellen hängt für eine vorgegebene Frequenz von den Werten für a und b ab und entspricht dem harmonischen Verhältnis zwischen diesen beiden Werten. Das Hohlleiterstück 10 mit der Breite b ist in der //-Ebene verbreitert zu einem Sektor-Hornstrahler 11, dessen öffnung die Breite A hat Der in der Fi g. 1 dargestellte Querschnitt ist also ein Querschnitt in der //-Ebene.

Verursacht durch den Teil 11 des Mehrwellenhornstrahlers können auch andere Wellentypen als Hj₀ und //30 auftreten. Diese haben aber geringe Amplituden, so daß ihr Einfluß auf die Feldverteilung an der Hornstrahleröffnung 12 und damit auch auf das Strahlungsdiagramm vernachlässigt werden kann. Die elektrische Feldverteilung in der Hornstrahleröffnung 12 wird durch die vektorielle Addition der //ίο- und //30-Wellen, also durch deren Amplituden und Phasen, bestimmt

Die Fig.2 zeigt für die Hornstrahleröffnung 12 in Kurve 15 die Amplitudenv<;rteilung der //10-Welle und in Kurve 16 die der //30-Welle. Kurve 17 zeigt die Summenkurve, wobei angenommen ist, daß die Wellen beider Wellentypen im Öffnungsmittelpunkt N miteinander phasengleich sind. Die Achse X'OX ist dabei normiert im Verhältnis des Abstandes vom Öffnungsmittelpunkt N zu der halben Hornstrahleröffnung

■_Ί aufgetragen.

Die Phasengleichheit im Punkte N für die Wellen eines Mehrwellenhornstrahlers wird hauptsächlich durch Wahl der Länge L 1 des verbreiterten Hohlleiterabschnitts erzielt, womit im Abschnitt 10 dann der Phasenangleich erfolgt.

Wie in F i g. 3 dargestellt, scheint für die Hornstrahleröffnung 12 die Strahlung von einem Punkte 5 auszugehen. Infolge unterschiedlicher Weglängen haben also die Weilen an unterschiedlichen Punkten der Hornstrahleröffnung 12 nicht die gleiche Phase. Es kann gezeigt werden, daß die Phasenverschiebungen über die Hornöffnung für die H₀- bzw. /Z₃₀-Wellen durch BX bzw. CX bestimmt sind, worin B bzw. C die maximale Phasenverschiebung gegenüber dem Öffnungsmittelpunkt N ist, die an den Rändern des Hornstrahlers auftritt. Jede der ausgesendeten Wellenformen H_i0 und //30 hat einen Strahlungswinkelbereich von 0 bis ro.

Wenn nun ein Polarisator 19 an der öffnung des Hornstrahlers 18 angebracht wird, so ist die 90°-Phasenverschiebung zwischen den beiden elektrischen Feldkomponenten abhängig vom Strahlungswinkel, so daß eine gewisse zusätzliche Phasenverschiebung auftritt, die elliptisch polarisierte Wellen hervorruft. Es kann gezeigt werden, daß der Wert der zusätzlichen Phasenverschiebung gleich KX² ist, wobei K stets klein gegenüber B und C ist und abhängig von der Polarisatortype negativ oder positiv sein kann. Negative Werte (voreilende Phase) erhält man für Polarisatoren mit Leiterblechen und positive Werte (nacheilende Phase) für dielektrische Polarisatoren.

Wie bereits erwähnt -".Ti hei dem bekannten Mehrwellenhornstrahler nach Fig. 1 eine ebene Wellenfront in der Hornstrahleröffnung dadurch erzielt, daß die Länge L 1 des verbreiterten Hohlleiterabschnitts so gewählt ist, daß eine Phasendifferenz PO zwischen der //10-Welle und der /Z₃₀-WeIIe auftritt Rechnerisch und experimentell wurde festgestellt, daß dann die Phase P(r) des vom Hornstrahler abgestrahlten Feldes nur wenig innerhalb eines großen Bereiches des Winkels r sich ändert

Da die durch den Polarisator verursachte Phasenverschiebung sich ebenso wie die der H_w- und //30-Wellen mit dem Quadrat von X ändert, läßt sich dei Polarisatoreinfluß durch Verändern von PO, also durch Ändern der Abmessungen von L 1 kompensieren. In der Praxis wird bei einem Mehrwellenhornstrahler, der die H\a- und //30-Welle abstrahlt, PO so gewählt, daß die Phase des Gesamtfeldes am Punkte N gleich ist der am Punkte M, bei dem die //30-Welle die Amplitude Nuil (X= \) aufweist Hieraus folgt, daß PO=(I +1),

also PO proportional zu B. Der Betrag p, um den PO verändert werden muß, ist für den vorgeschalteten Polarisator gegeben durch

P_ PO

Dies gilt nur, wenn ständig der Polarisator vorgeschaltet ist. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, diesen nur zeitweise zu verwenden; es muß dann der Wert p' für die Änderung von PO halb so groß wie ρ sein, wodurch die Phase des abgestrahlten Feldes ein wenig durch das Vorschalten oder Entfernen des Polarisators beeinflußt wird. Für diesen Fall gilt also:

P PO

1 K

2 B

Da die Elliptizität vorwiegend den Phasenfehler bestimmt, wird diese über einen großen Winkelbereich r niedrig und konstant gehalten.

Es sei vermerkt, daß die Elliptizität der Polarisation auch von der Differenz der Amplituden der beiden elektrischen Feldkomponenten abhängt, wobei jedoch die »Amplitudenfehler« gegenüber den Phasenfehlern vernachlässigbar sind.

Fig.4 zeigt den Phasenverlauf des abgestrahlten Feldes über dem Strahlungswinkel aufgetragen, und zwar zeigt die mit 20 bezeichnete Kurve den des Hornstrahlers allein und die mit 2t bezeichnete Kurve den des Hornstrahlers mit vorgeschaltetem Polarisator, und zwar für K= -9°, Jt=0,4, PO= +10° und p=0^c. Die Kurven verlaufen nahezu gleich und ihre Ähnlichkeit kann noch vergrößert werden, wenn für ρ je nach Anwendungsfall Werte ρ nach Formel (1) bzw. p'nach Formel (2) verwendet werden.

F i g. 5 zeigt dann den Amplitudenverlauf des abgestrahlten Feldes GfrJ unter den gleichen Bedingungen, und zwar Kurve 22 für den Hornstrahler allein und Kurve 23 für den Hornstrahler mit vorgeschaltetem Polarisator. Die Abweichung beider Kurven voneinander ist bis zu 20 dB Strahlungsdämpfung kleiner als 1 dB.

Der neue Mehrwellenhornstrahler kann als Primärstrahler der Antennenanordnung für ein Monopulsradar verwendet werden. Die vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der Phase des Feldes gelten dann für die gesamte Antennenanordnung, bestehend aus Primärstrahler und Reflektor.

Mit dem Mehrwellenhornstrahler ist es möglich, völlig unabhängig voneinander an der Hornstrahleröffnung das für den Referenzkanal und den Differenzkanal benötigte Strahlungsdiagramm zu erzeugen. Bei Monopuls-Radargeräten und besonders bei kohärenten Doppler-Monopuls-Radargeräten besteht eines der

schwerwiegensten Probleme darin, zwischen Referenzkanal und Differenzkanal über den ganzen Nutzbereich des Einfallswinkels in bezug zur Antennenachse Phasengleichheit oder doch wenigstens einen konstant bleibenden Phasenunterschied zu erzielen. Der Nutzbereich hängt also vom Phasengang zwischen Referenz- und Differenzkanal in Abhängigkeit vom Einfallswinkel ab.

Wie bereits erwähnt ist bei dem bekannten Mehrwellenhornstrahler die Länge Ll des Phasenangleichsabschnittes so gewählt, daß die Phasendifferenz zwischen Referenz- und Differenzkanal über einen weiten Bereich von Einfallswinkeln Null oder konstant wird (FR-PS 15 37 063, Zusatz Nr. 93 116). Für beide Kanäle wurden gleiche Phasengänge erzielt, so daß der Phasengang des einen Kanals den des anderen kompensiert. Hierbei konnten die Anteile der einzelnen Schwingungstypen in beiden Kanälen verändert werden, wobei jeder oder nur ein Kanal mindestens zwei Schwingungsmoden aufwies.

Wenn nun vor der Hornstrahleröffnung ein Polarisator angebracht ist, verursacht dieser eine zusätzliche Phasenverschiebung, die durch Verändern der Länge L 1 des Phasenangleichsabschnittes gemäß den Formeln (1) oder (2) kompensiert wird. Diese Kompensation muß dabei so erfolgen, daß die den Phasenunterschied bei linearer und zirkularer Polarisation darstellenden Kurven parallel zueinander verlaufen.

Die F i g. 6 zeigt nun Kurven, die den Verlauf der Phasendifferenz zwischen Referenz- und Differenzkanal einmal für den Hornstrahler allein (Kurve 24) und ferner für den Hornstrahler mit vorgesetztem Polarisator (Kurve 25) zeigen, wobei der Referenzkanal die H\o- und //30-Welle und der Differenzkanal die //20-Welle aufweist und ^=9°, Vt= 0,2, PO= +15° undp=0° ist.

Fig. 7 zeigt das Amplitudenverhältnis zwischen Referenzkanal und Differenzkanal über den Winkel r unter den gleichen Verhältnissen wie vorher, und zwar Kurve 26 für den Hornstrahler allein und Kurve 27 für Hornstrahler mit Polarisator.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Als Primärstrahler in Verbindung mit einem bündelnden Sekundärstrahler verwendeter Mehrwelienhornstrahler, der einen rechteckigen Querschnitt hat, mit einem Speisehohlleiter, der zur Erzeugung mehrerer Weilentypen aus mehreren Hohlleiterstücken mit voneinander unterschiedlichen Abmessungen besteht und bei dem die Länge mindestens eines Hohlleiterstückes so gewählt ist, daß das bei der Abstrahlung der elektromagnetischen Welle in der Hornstrahlerapertur entstehende Feld über den Winkelbereich der Apertur im wesentlichen Phasengleichheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Apertur des Mehrwellenhornstrahlers ein nach Bedarf ansetzbarei bzw. abnehmbarer Zirkularpolisator mit ortsabhängigen Phasenwinkel vorgesehen ist und daß die Länge (L 1) des mindestens einen Hohlleiterstücks (10) zwischen den Längen liegt, bei denen man die gewünschte Phasengleichheit einerseits bei aufgesetztem Polarisator und andererseits bei abgenommenem Polarisator an der jeweiligen Apertur erhält