DE2434924A1

DE2434924A1 - Antennenanlage fuer ein primaer- und sekundaerradar

Info

Publication number: DE2434924A1
Application number: DE2434924A
Authority: DE
Inventors: Georges Cohen; Roland Tricon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-09-07
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1975-04-17
Also published as: GB1465158A; FR2243532A1; DE2434924C3; FR2243532B1; DE2434924B2; US3916414A

Description

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Thomson - CSP, Paris, Boulevard Haussmann 173 (Prankreich)

"Antennenanlage für ein Primär- und Sekundärradar"

Priorität vom J. September 1973 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 73 32 296

Die Erfindung betrifft eine Antennenanlage für ein Primär- und Sekundärradar mit einem Reflektor und einem in dessen Brennpunkt liegenden Primärstrahler, der mit dem Sender/Empfänger des Primärradars verbunden ist.

Primär- und Sekundärradaranlagen werden in Liiftraumüberv/achungsstationen verwendet. Ein Primärradar hat die Aufgabe, die Gegenwart eines Objektes im Luftraum festzustellen und Informationen über dieses Objekt wie etwa dessen Entfernung und gegebenenfalls dessen Geschwindigkeit sowie je nach Art der verwendeten Antenne dessen Elevation und/oder Azimut zu liefern. Ein Sekundärradar ermöglicht den Erhalt einer Identifikationsinformation von diesem Objekt sowie gegebenenfalls einer Information über die Höhe des Objektes, wenn es sich bei diesem um ein mit einem hierzu ausgerüsteten Antwortradar versehenes Luftfahrzeug handelt.

Die Antennenanlage einer solchen Radarstation umfaßt eine Antenne für das Primärradar und eine oder zwei Antennen für

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das Sekundärradar. Die gegenwärtig üblichen Sekundärradars "müssen nämlich zwei verschiedene Signale senden und empfangen können. Das- erste Signal wird als Abfragesignal bezeichnet .und von der ersten Antenne gesendet und empfangen. Das zweite Signal kann als Kontrollsignal bezeichnet v/erden unu hat den Zweck, alle diejenigen Abfragen zu hemmen, die in anderen Richtungen als der Richtung der Hauptkeule des Strahlungsdiagrammes der Abfrageantenne abgegeben werden.

Es ist somit eine Antenne für das Senden und Empfangen von Abfragesignalen vorhanden und diese Antenne besitzt ein Strahlungsdiagramm mit einer Hauptkeule und mit Nebenzipfeln..

Die Kontrollsignale werden entweder von der Abfrageantenne oder von einer anderen Antenne gesendet und empfangen. Im ersteren Fall werden die Kontrollsignale der Abfrageantenne in anderer Weise zugeführt als die Abfragesignale. Das Strahlungsdiagramm der Antenne für die Kontrollsignale ist ein Differenzdiagramm/der Seitenebene derart, daß die Nebenzipfel der» für die Abfrägung verwendeten Antenne überdeckt werden. Im zweiten Fall wird eine getrennte Antenne mit Rundstrahlcharakteristik verwendet, deren Gewinn gerade ein wenig über demjenigen der Abfrageantenne in der Richtung ihrer Nebenzipfel liegt, jedoch sehr viel kleiner als der Gewinn der Abfrageantenne in der Richtung der Hauptkeule bleibt.

Vorstehend wurde kurz der Aufbau von Antennenanlagen, von denen die- Erfindung ausgeht, behandelt. Die Prinzipien, nach denen solche Antennen arbeiten, sind in Kapitel 38 des Radar Handbook von Skolnik, erschienen bei Mac Graw Hill, dargestellt.

Bekannte Antennenanlagen dieser Gattung umfassen folglich mehrere getrennte Antennen. Die Antenne des Primärradars umfaßt einen Primärstrahler im Brennpunkt eines Reflektors.

Die Antenne des Sekundärradars besteht aus einem Dipolgitter, das oberhalb des Reflektors der Antenne des Primärradars liegt und eine.Hauptkeule aufweist, die in derselben Richtung verläuft, in der auch die Hauptkeule der erstgenannten Antenne liegt.

Abgesehen von dem Platzbedarf und dem zusätzlichen Gewicht, das sich aus dem Vorhandensein zweier getrennter Antennen ergibt, bleiben trotz aller Anstrengungen,dies zu vermeiden, häufig Richtungen,für' die das Diagramm der Kontrollantenne nicht die ihm zugewiesene Aufgabe erfüllt hat, den Empfang anderer Abfragen zu verhindern. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Diagramme - und sei es auch nur stellenweise - durch das Vorhandensein eines Radoms gestört werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanlage der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einerseits in dem Primärstrahler mit dem Sender/Empfänger des Sekundärradars verbundene Sonden zum Senden und Empfangen von Abfrägesjgnalen und andererseits je ein Hilfsstrahler zu beiden Seiten des Primärstrahlers vorgesehen sind und die beiden Hilfsstrahler mit dem Sender/Empfänger des Sekundärradars zum Senden und Empfangen von Kontrollsignalen verbunden sind.

Die Antennenanlage nach der Erfindung hat somit den Vorteil, mit einer einzigen Antenne auszukommen, deren Primärstrahler in den drei vorstehend genannten Betriebsarten arbeiten kann. Der Reflektor der Antenne des Primärradars findet für alle drei zu übertragenden Signale Verwendung. Hieraus ergibt sich eine Anzahl weiterer Vorteile, so etwa eine Verrin- ' £;erung der Größe der Nebenzipfel des Abfragediagramms, eine Erhöhung des Gewinns der Hauptkeule, was eine Verminderung der

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Sendeleistung des Sekundärradars gestattet, und zwar sowohl bei der Abfrage als auch bei der Kontrolle.

In der Zeichnung ist die Antennenanlage nach der Erfindung anhand beispielsweise gewählter Ausführungsformen, eines Diagramms und eines Blockschaltbildes schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des Primärstrahlers und einer Antenne nach der Erfindung für lineare Polarisation,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Primärstrahlers einer Antenne für zirkuläre Polarisation,

Fig. 3 das Strahlungsdiagramm für die Abfragesignale und das Diagramm für die Kontrollsignale,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Duplexers.

Fig. 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Antennenanlage nach der Erfindung. Ein insgesamt mit S bezeichneter Primärstrahler befindet sich im Brennpunkt eines Reflektors R. Die Feststellung und Abfrage eines Objektes A erfolgen somit mit Hilfe ein und desselben Primärstrahlers.

Es handelt sich dabei um einen Primärstrahler des Radars, der ursprünglich für das Primärradar allein vorgesehen war, jedoch so modifiziert ist, daß er auch die Signale des Sekundärradars überträgt.

Dieser Strahler umfaßt aufeinanderfolgend einen Rechteckhohlleiterabschnitt 1, der mit dem Sender/Empfänger 2 des Primärradars verbunden ist, einen Hohlleiterübergang 4, einen Kreishohlleiterabschnitt 5-und einen Trichterstrahler 6. Die Verbindung zwischen dem Primärstrahler und dem Sender/Empfänger 2 ist durch die beiden Pfeile 3 schematisch angedeutet. Sie

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besteht in der Praxis aus einem Hohlleiter bestimmter Länge, der mit einer Drehkupplung ausgerüstet ist, um eine Drehung der Antenne um eine vertikale Achse zu ermöglichen.

Die Radarwellen, deren Polarisationsvektor durch den Pfeil 7 angedeutet ist, durchlaufen im Sendefall den Strahler von dem Rechteckhohlleiter 1 in Richtung auf den Trichterstrahler 6, wo sie in Richtung des Reflektors abgestrahlt werden. Beim Empfang pflanzen sich die Wellen in umgekehrter Richtung fort.

Dieser Strahler ist wie folgt modifiziert:

In dem Kreishohlleiterabschnitt 5 sind zwei Sonden 8 und zum Senden und Empfangen der· Abfragesignale angeordnet, deren durch den Vektor 10 angegebene Polarisation senkrecht zu derjenigen der Wellen des Primärradars verläuft. Diese Sonden sind mit dem Sender/Empfänger 15 des Sekundärradars verbunden. Sie werden über eine Hybride oder Weiche 13 gegenphasig gespeist, die einen Leistungsteiler und ein Filter enthält. Die Schaltung 13 ist mit dem Sender/Empfänger 15 über eine Koaxialleitung 14 und die Sonden 8 bzw. 9 sind mit der Schaltung 13 über Koaxialleitungen 12 bzw. 11 verbunden. Das Filter der Hybridschaltung 13 hat den Zweck, die Signale mit der Frequenz des Primärradars zu unterdrücken und lediglich die Abfragesignale zu übertragen. Da der Trichterstrahler 6 und der Kreishohlleiterabschnitt 5 sowohl von den Wellen des Pri- · märradars als auch denjenigen des Sekundärradars durchlaufen werden, kann nämlich ein Teil der Energie der Signale des Primärradars durch die Sonden auf den Sender/Empfänger des Sekundärradars übertragen werden. Diese Signale werden folglich durch die Hybridschaltung 13 unterdrückt. Darüber hinaus ist die Länge der Koaxialleitungen 11 und 12 so bemessen, daß die durch das Vorhandensein der Sonden auf der Frequenz des Primärradars verursachten Störungen auf ein Minimum verringert werden.

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Die Abmessungen des Kreishohlleiterstückes 5 sind für ein korrektes Arbeiten des Strahlers auf der Frequenz des Primärradars ausgelegt. Die Arbeitsfrequenz des Sekundärradars liegt im allgemeinen unter derjenigen des Primärradars, so daß der Kreishohlleiterabschnitt 5 zu klein für die Wellen des Sekundärradars ist. Daher ist im Inneren dieses Kreishohlleiterstückes eine dielektrische Platte 16 angeordnet. Die Formen dieser dielektrischen Platte sind so bestimmt, daß die Eigenschaften des Primärstrahlers auf der Frequenz des Primärradars nicht geändert werden. Somit liegen die Großflächen dieser dielektrischen Platte senkrecht zum Polarisationsvektor der Radarwellen, so daß die von diesen durchquerte Dicke ein Minimum ist. Demgegenüber ist die Dicke der dielektrischen Platte für die Abfragesignale ein Maximum. Von dem Trichterstrahler 6 her betrachtetest der Umriß der Platte elliptisch und von der Seite des Hohlleiterüberganges 4 ist der Umriß abgeschrägt. Die Platte besteht aus Polypropylen, einem Werkstoff, der einen kleinen Verlustwinkel besitzt und leicht zu bearbeiten ist.

Die Signale des Primärradars und die Abfragesignale werden somit durch denselben Trichterstrahler 6 abgestrahlt, der den Reflektor ausleuchtet.

Der Reflektor, der in der Figur nicht dargestellt ist, ist beispielsweise ein Typ mit doppelter Krümmung. Er besitzt eine hohe Richtwirkung in der Azimut- oder Seitenebene und

ein Diagramm in der Höhenebene, das einem cosec -Diagramm angenähert ·ist. Die Betriebsart "Abfragen" zieht somit Vorteil _vaus dem hohen Gewinn und der guten Bichtwirkung des gemeinsamen Reflektors, was bei gleichen Leistungen wie sie die bekannten Anlagen besitzen, die Verwendung eines weniger leistungsfähigen Senders/Empfängers gestattet.

Die Kontrollsignale werden von zwei Hilfsstrahlern 17 und 22 gesendet und empfangen, die zu beiden Seiten des Trichter-

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Strahlers 6 liegen. Diese Hilfsstrahler sind mit dem Sender/ Empfänger 15 des Sekundärradars über eine Leistungsteilerschaltung 20 und Koaxialleitungen 18 und 19 zwischen den Hilfsstrahlern und dem Leistungsteiler einerseits, sowie einer Koaxialleitung 21 zwischen dem Leistungsteiler und dem Sender/Empfänger 15 andererseits verbunden.

Damit das Strahlungsdiagramm für die Kontrollsignale ein Differenzdiagramm wird, also einen Gewinn Null in der Achse der Hauptkeule des Abfragediagrammes besitzt, werden die Hilfsstrahler 17 und 22 gegenphasig gespeist. Die Achsen dieser beiden Hilfsstrahler liegen in ein und derselben Horizontalebene. Derselbe Reflektor der Radarantenne wird aber auch noch durch die Strahler- für die Kontrollsignale ausgeleuchtet. Das Strahlungsdiagramm für die Kontrollsignale ist

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folglich ein Differenzdiagramm in der Seitenebene und/cosec Diagramm in der Höhenebene, und zwar zufolge der Eigenschaften des Reflektors.

Jeder Hilfsstrahler 17 bzw. 22 besteht beispielsweise aus einem Dipolpaar, das in einem abgeschlossenen Gehäuse untergebracht ist. Der Metallboden dieses Gehäuses spielt die Rolle der Reflektorebene. Der für elektromagnetische Wellen durchlässige Deckel des Gehäuses ist beispielsweise aus GFK (glasfaserverstärktes Polyester) hergestellt.

Der Leistungsteiler setzt sich zum Beispiel aus einer oder mehreren Ringhybriden zusammen.

Fig. 2 zeigt einen Primärstrahler einer Antenne nach der Erfindung, der mit zirkularer Polarisation arbeitet.

In dieser Figur sind für bereits aus der Fig. 1 bekannte Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.

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Der sogenannte Primärstrahler umfaßt einen Rechteckhohlleiter 1, einen Hohlleiterübergang 4, einen Kreishohlleiter 5 und den Trichterstrahler 6, der einen Polarisator 60 enthält. Die Sonden 8 und 9_a deren Achsen um 45 in bezug auf eine Vertikalachse geneigt sind, sind bereits in dem Primärstrahler für die Wellen des Primärradars allein vorhanden. Diese Sonden ermöglichen eine Rückgewinnung der im Sendefall an der Vorderfläche des Trichterstrahlers reflektierten Wellen, die dann in mit den Sonden verbundenen Abschlußwiderständen vernichtet werden. Die Sonden sind für einen ordnungsgemäßen Betrieb bei dieser Polarisationsart unerläßlich. Für den Abfragebetrieb werden die Sonden 8 und 9 außerdem wie im Fall der Fig. 1 verwendet. Um diese doppelte Funktion zu erzielen, ist ein Duplexer 130 mit Filtern und einem Leistungsteiler zwischen dem Sender/Empfänger 15 und den Sonden vorgesehen. Koaxialleitungen 110, 120 und l40 stellen die Verbindung zwischen den Sonden und dem Duplexer einerseits und zwischen dem Duplexer und dem Sender/Empfänger 15 andererseits her. Der Duplexer dient der Trennung der Signale des Primärradars und der Abfragesignale. Die Signale des Primärradars werden in Abschlußwiderständen 131 und 132 absorbiert bzw. vernichtet, In dem Kreishohlleiter 5 befindet sich wiederum eine dielektrische Platte 16. Ihre Mittelebene enthält die Achse der Sonden. Die Polarisationsebene der Welle des Primärradars verläuft senkrecht zu der dielektrischen Platte.

Im Abfragebetrieb wird der Kreishohlleiter 5 durch die Sonden 8 und 9 symmetrisch erregt. Nach Durchlaufen des Polarisators 60 und des Trichterstrahlers 6 werden die Abfragesignale mit einer elliptischen Polarisation abgestrahlt.

Die an Bord der Luftfahrzeuge befindlichen Antwortbaken sind für das Senden und Empfangen von Wellen mit linearer, vertikaler Polarisation ausgelegt. Der Umstand, daß die Polarisation der von dem Sekundärradar abgestrahlten Welle elliptisch ist, stellt keinen Nachteil dar. In den Reichweiten-

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berechnungen spielt sich dies so ab, als ob es sich um eine Antenne handele, deren Gewinn 3 dB niedriger als der Nominalgewinn der tatsächlichen Antenne liegt. Unter Berücksichtigung des durch die Verwendung des Reflektors der Antenne des Primärradars verursachten Anstieges des Gewinnes ist dieser Verlust ohne Bedeutung.

Die Kontrollfunktion wird wie im Fall der Fig. 1 durch zwei Hilfsstrahler 17, 22* erhalten, die über Koaxialleitungen 18 und 19, den Leistungsteiler 20 und die Leitung 21 mit dem Sender/Empfänger 15 verbunden sind.

Jeder dieser Hilfsstrahler umfaßt, wie im Fall der Fig. 1, ein Dipolpaar, das über .einem metallischen, als Reflektor dienenden Boden angeordnet ist. Die Dipole sind Halbwellen-Dipole. Die verschiedenen Parameter der Dipole (Abmessungen, Entfernungen von der Reflexionsfläche u.s.w.) sind so bestimmt, daß eine gute Anpassung und ein korrektes Strahlungsdiagramm erzielt werden.

Fig. 3 zeigt in durchgezogenen Linien das Strahlungsdiagramm des Abfragekanals in der Seitenebene und in gestrichelten Linien das Strahlungsdiagramm des Kontrollkanales in der Seitenebene. Dieses Diagramm überdeckt sehr gut die Nebenzipfel des Abfragediagramms.

Fig. ¹J gibt das Blockschaltbild eines Duplexers wieder. Dieser Duplexer gestattet die Verbindung der Rückgewinnungssonden 8 und 9 einerseits mit den angepaßten Belastungswiderständen 131 und 132 für die Signale des Primärradars und andererseits mit dem Sender/Empfänger 15.für die Abfragesignale.

Der Duplexer enthält zwei auf die Betriebsfrequenz des Primärradars abgestimmte Bandpaßfilter 133 und 13^ sowie zwei

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auf die Abfragefrequenz abgestimmte Bandpaßfilter 135 und 136, die jeweils mit den beiden Sonden 9 und 8 über Verbindungsleitungen 120 und 110 verbunden sind. Die Ausgänge der Filter 133 und 134 sind mit den Abschlußwiderständen 131 und 132 verbunden, die die von der öffnung des Trichterstrahlers 6 reflektierte Energie vernichten. Die Ausgänge der anderen Filter 135 und 136 sind mit den beiden Anschlüssen eines Leistungsteilers 137 verbunden, dessen dritter Anschluß über eine Leitung 140 mit dem Sender/Empfänger 15 verbunden ist.

Die Anordnung der Sonden genau gegenüber in dem Kreishohlleiter 5 bedingt die Notwendigkeit einer Phasenverschiebung von l80° zwischen den beiden Speiseleitungen. Diese Phasenverschiebung wird durch den Teiler selbst erhalten. Der Teiler ist eine übliche'Ringhybride. Die gesamte Hybridschaltung 130 kann als photogravierte Drei-Platten- oder Drei-Streifen-Schaltung ausgeführt und anschließend durch Gießen umhüllt werden, um ihre Dichtigkeit zu gewährleisten.

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THOMSON - CSP

Patentansprüche:

(l) Antennenanlage für ein Primär- und Sekundärradar, mit einem Reflektor und einem in dessen Brennpunkt liegenden Primärstrahler, der mit dem Sender/Empfänger des Primärradars verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits in dem Primärstrahler (P) mit dem Sender/Empfänger (15) des Sekundärradars verbundene Sonden (8, 9) zum Senden und Empfangen von Abfragesignalen und andererseits je ein Hilfsstrahler (17, 22) zu beiden Seiten des Primärstrahlers vorgesehen sin^und die beiden Hilfsstrahler (17, 22) mit dem Sender/Empfänger (15) des Sekundärradars zum Senden und Empfangen von Kontrollsignalen verbunden sind.

2. Antennenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (8, 9) in einer zur Polarisationsebene (vgl. 7) der Wellen des Primärradars senkrechten Ebene (vgl. 10) liegen.

3. Antennenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler ein Kreishohlleiterstück (5) aufweist und zwei Sonden (8, 9) vorgesehen sind, die in einer das Kreishohlleiterstück rechtwinklig schneidenden Ebene an den Endpunkten ein und derselben Durchmesserlinie liegen.

4. Antennenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Kreishohlleiterstück (5) eine dielektrische Platte (16) befindet, deren Mittelebene mit der die

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die Durchmesserlinie und die Hohlleiterachse enthaltenden Ebene zusammenfällt.

5. Antennenanlage nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß sie mit zirkularer Polarisation arbeitet und der Primärstrahler Rückgewinnungssonden (8, 9) zur Aufnahme der an der öffnungsebene des Primärstrahlers reflektierten Energie des Primärradars aufweist und daß die Rückgewinnungssonden außerdem die Signale des Sekundärradars senden und empfangen.

6. Antennenanlage nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungssonden (8, 9) mit dem Sender/Empfänger (15) des Sekundärradars über einen Duplexer (130) verbunden sind.

7. Antennenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstrahler (17» 22) symmetrisch in bezug auf die Achse des Primärstrahlers angeordnet sind und daß die Achsen der Hilfsstrahler (17, 22) und des Primärstrahlers in derselben Horizontalebene liegen.

8. Antennenanlage nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstrahler (17, 22) mittels eines zwischen diesen und dem Sender/Empfänger (15) des Sekundärradars liegenden Leistungsteilers gegenphasig gespeist sind.

9. Antennenanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Hilfsstrahler (17, 22) zwei vor einer Reflektorwand liegende Dipole umfaßt.

10. Antennenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Duplexer (130) zwei erste Filter (133, 134) umfaßt, von denen jeweils eines zwischen einem Abschlußwiderstand (131»

132) und einer der Sonden (8, 9) liegt, sowie zwei weitere

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Filter (135, 136) vorgesehen sind, von denen jeweils eines zwischen einer Sonde (8, 9) und einem'Leistungsteiler (137), liegt, der mit dem Sender/Empfänger (15) des Sekundärradars verbunden ist.

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