DE2605870C2 - Phasengesteuertes Antennensystem zur Weitwinkelabtastung - Google Patents

Description

DOME-Antenne ca. 5 dB niedriger im Vergleich zum Gewinn des nichtausgelenkten Strahlungsdiagramms der ebenen Apertur liegt. Bei #=±70 haben beide Antennentypen etwa den gleichen Gewinn. Bei #= ±45° ist der gerechnete Gewinnunterschied zwischen der DOME- und der ebenen Antenne noch ca. 3 dB. Bei gleicher Zielentdeckungswahrscheinlichkeit ist somit die maximale Reichweite des DOME-Radars auf 70% reduziert bzw. bei unveränderter Reichweite ist die vierfache Leistung abzustrahlen. Die Erzeugung von Hochfrequenzleistung ist mit zunehmendem Leistungspegel und wachsender Frequenz ebenfalls sehr aufwendig und damit kostenträchtig. Der Aufwand steigt bei vierfacher Sendeleistung ungefähr um das Zweifache, vorausgesetzt, daß dabei keine wesentlichen technologischen Grenzen zu überwinden sind.

Eine andere Möglichkeit, bei unveränderter Sendeleistung die gleiche Entdeckungswahrscheinlichkeit in gleicher Zielentfernung zu erhalten, besteht darin, den Radarstrahl der DOME-Antenne langer auf das Ziel zu richten. Ausgehend von der Gewinnminderung von 3 dB, ist z. B. die Zielbeleuchtungszeit nahezu unabhängig von der Art der Fluktuation um den Faktor !0 größer. Durch die erforderliche längere Zielbeleuchtungszeit wird jedoch der wesentliche Vorteil der elektronisch phasengesteuerten Antenne, nämlich die beliebig schnelle Zielabtastung, wieder abgebaut.

Die DOME-Antenne ist demnach ein Lösungsweg, der nicht sämtliche Forderungen an eine phasengesteuerte Radarantenne befriedigt. Zusätzlich ist zu bedenken, daß durch die Erhöhung des mittleren Nebenzipfelpegels als Folge der Gewinnminderung von 3 bis 5 dB die Antenne gegen aktive Störer empfindlicher ist.

Wenn man von der anfangs erwähnten, in der Azimutebene mechanisch rotierenden phasengesteuerten Antenne absieht, ist das Konzept mehrerer im Raum versetzt orientierter phasengesteuerter Antennen bezüglich der Antenneneigenschaften doch zweckmäßiger, sofern man eine Weitwinkelabtastung fordert. Bei einer Strahlabtastung in der Azimutebene von ±45° und in der Elevationsebene von z. B. ±30° reichen vier Antennen mit je einem maximalen Schwenkwinkel von 52° aus. Die maximale Gewinnminderung ist ca. 2 dB, das entspricht bei gleicher Entdeckungswahrscheinlichkeit in gleicher Zielentfernung im Extremfall einer Erhöhung der Zielverweilzeit des Antennenstrahls um den Faktor 5. Bei einer Strahlauslenkung von ±40° ist die Zielverweilzeit dagegen nur um ca. 50% höher als in Richtung senkrecht zur Antennenapertur. Vier, in der Azimutebene um 90° versetzt angeordnete Antennen sind aber für die Praxis im allgemeinen aufgrund des großen Steuerungsaufwands nicht annehmbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Anteiinenkonzept anzugeben, das die Vorteile des oben beschriebenen Konzepts aus vier einzelnen Antennen besitzt, jedoch nur aus zwei elektronisch phasengesteuerten Antennen besteht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei ebene phasengesteuerte Antennen vorgesehen sind, deren Aperturnormale zum Zenit weisen und die für zwei senkrecht zueinander stehende lineare Polarisationen ausgelegt sind (orthogonale), daß über jeder dieser beiden Antennen zwei schräg nach Art eines Satteldaches verlaufende, ebene Reflektoren angeordnet sind, die derart polarisationssensitiv ausgebilde; sind, daß der eine Reflektor die Strahlung der einer, linearen Polarisation und der andere Reflektor die Strahlung der zweiten linearen Polarisation durchläßt, und daß die beiden phasengesteuerten Antennen winkelmäßig so zueinander angeordnet sind, daß die Firstlinien ihrer dachförmigen Reflektoren oder die Verlängerungen dieser Firstlinien einen rechten Winkel einschließen. Bei einer angemessen großen Ausbildung der Reflektoren ist eine Rundumabtastung möglich. Für Transportzwecke können die beiden Reflektoren eines jeden Reflektordaches zusammenklappbar ausgeführt werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung, die

ίο zwar keine vollständige Rundabtastung gestattet, aber hinsichtlich des von ihr eingenommenen Raumes vorteilhaft ist, besteht darin, daß die beiden ebenen phasengesteuerten Antennen zu einer einzigen derartigen Antenne zusammengefaßt sind und daß sich die Reflektordächer der beiden zusammengefaßten Antennen durchschneiden.

Die Erfindung wird an Hand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig.4 den perspektivisch darge: .eilten Prinzipaufbau einer phasengesteuerten Anierne nach der Erfindung mit zwei sich durchschneidenden Reflektordächern,

F i g. 5 den prinzipiellen Strahlenverlauf einer Antenne nach der Erfindung und

F i g. 6 den perspektivisch dargestellten Prinzipaufbau eines phasengesteuerten Antennensystems nach der Erfindung mit 360°-Erfassung.
In der Antennenanordnung nach Fig.4 sind die vier ebenen Einzelantennen nach F i g. 2 durch vier ebene Reflektoren 1 bis 4 ersetzt, die von einer ebenen phasengesteuerten Antenne 5 angestrahlt werden. Die Reflektoren 1 bis 4 haben die Form zweier sich senkrecht durchschneidender Satteldächer. Sie sind polarisationsabhängig, und zwar sind jeweils zwei einander gegenüber angeordnete Reflektoren I und 2 bzw. 3 und 4, d. h. die zu einem Satteldach gehörenden Reflektoren zueinander orthogonal polarisiert. Die Strahlerelemente 6 der phasengesteuerten Antennengruppe 5 ermöglichen die gleichzeitige oder durch Pc.arisationsumschaltung zeitlich nacheinander erfolgende Abstrahlung von zwei zueinander orthogonalen Polarisationen, deren Vektorrichtungen mit den Polarisationsvektorrichtungen von jeweils zwei der Reflektoren 1 bis 4 übereinstimmen. Für Strahlerelemente 6 werden beispielsweise Kreuzdipol- oder Kreuzschlitzantennen verwendet. Die pola^risationsabtu.ngigen Reflektoren 1 und 2 bestehen z. B. aus parallel gespannten Drähten 7 oder aus in einer Kunststofffläche eingelagerten parallelen Drähten. Die Drähte 7 des Reflektors 1 verlaufen von oben nach unten, während die Drähte 7 des Reflektors 2 parallel zur Firstlinie des Satteldaches liegt,1. Ist der Polarisationsvcktor des abgestrahlten Feldes parallel zu diesen Drähten 7 eines der Reflektoren, so wird die Energie nach dem Snellschen Reflexionsgesetz reflektiert. Der jeweils gegenüber angeordnete Reflektor ist dagegen orthogonal polarisiert und damit durchlässig für die elektromagnetische Strahlung. Ist der gegenüberliegende Strahlungsraum auszuleuchten, ist die Polarisation der phasengesteuerten Antenne 5 umzuschalten. Für den um 90° versetzten Winkelraum sind die entsprechenden Reflektoren 3 und 4 nach der gleichen Gesetzmäßigkeit wirksam. Die als Polarisationsfilter wirksamen Drahtstrukturen sind hierbei nicht eingezeichnet.

In Fig.5 ist dieses Prinzip durch einige vom Phasenzentrum 16 ausgehende Strahlenläufe 8 skizziert. Der Reflektor 1 ist um 60° zur Antennenapertur 5

geneigt. Der gegenüberliegende Reflektor ist nicht gezeigt, da er elektromagnetisch unwirksam ist. Dabei sind Fernfeldverhältnisse angenommen. Dies muß nicht notwendigerweise der Fall sein. Es ist im Interesse möglichst kleiner Reflektoren sogar vorteilhaft, diese möglichst nahe an der Apertur der phasengesteuerten Gruppe anzuordnen.

Werden gleichzeitig beide Polarisationsrichtungen abgestrahlt, so läßt sich die Abtastzeit durch eine Rücken-an-Rücken-Strahlabtastung auf die Hälfte redu zieren, jedoch auf Kosten einer gleichen Abtaststrategie für beide Winkelräume.

Die Polarisationsumschaltung muß nicht notwcn digcrweise in der Ebene der Emitterstrahleranlenne erfolgen. Bei einer strahlungsgespeisten Antenne mit Kollektorstrahlcrn. Phasenschiebern und Emitterstrahlern ist auch eine Polarisationsumschaltung im Primärerreger möglich, in diesem rail müssen sowohl Kollektor- als auch Emitterantenne beide Polarisationsrichtungen aufnehmen und abstrahlen können.

Mit der Anordnung nach F ι g. 4 ist in der Azimutebene eine volle ±45 -Strahlauslenkung nicht möglich. Durch die Verschneidung der vier Reflektoren 1 bis 4 ist beim symmetrischen Aufbau der maximale Auslenkwinkel in der Azimutebene

λ = 90 -arc tan 3= 18".

Sollen in der Azimutebene insgesamt 360 Grad abgetastet werden, so werden zwei unabhängige Antennensysteme entsprechend I i g. 6 eingesetzt. |edes der beiden zusammenwirkenden Antennensysteme besteht aus einer ebenen phasengesteuerten Antenne 9 bzw. 10, die zueinander um 90 Grad verdreht angeordnet sind. Über der phasengcsleuertcn Antenne 9 sind zwei ein Satteldach bildende Reflektoren 11 und 12 und über der Antenne 10 zwei ebenfalls ein Satteldach ergebende Reflektoren 13 und 14 angeordnet. Die verlängerten Firstlinien der beiden Reflcktorpaare schneiden sich rechtwinkelig. Die Polarisationsverhältnisse der Reflektoren bzw. der Einzelstrahlcr entsprechen denjenigen der Antennenanordnung nach F i g. 4. Der Aufwand ist immer noch erheblich niedriget als bei der Verwendung von vier unabhängigen elektronisch gesteuerten Antennensystemen für die

l'jKl acttincT cinri

die Reflektoren Il bis 14 verhältnismäßig groß, in dci Horizontalausdehnung etwa um den Faktor 3 dei entsprechenden linearen Abmessung der Antennen apertur 9 bis 10. Da die Reflektoren 11 bis 14 jedoch au?

gespannten oder in Dielektrikum eingelagerten Dräh ten 15 bestehen, ist ihr Gewicht gering. Für der

2j Transport können sie zusammenklappbar ausgeführ werden.

Hierzii 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Phasengesteuertes Antennensystem zur Weitwinkelabtastung unter Verwendung einer Vielzahl von über elektronisch gesteuerte Phasenschieber gespeisten Einzelstrahlern, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ebene phasengesteuerte Antennen (9, 10) vorgesehen sind, deren Aperturnormale zum Zenit weisen und die für zwei senkrecht zueinander stehende lineare Polarisationen ausgelegt sind (orthogonale), daß über jeder dieser beiden Antennen (9,10) zwei schräg nach Art eines Satteldaches verlaufende, ebene Reflektoren (11, 12 bzw. 13, 14) angeordnet sind, die derart polarisationssensitiv ausgebildet sind, daß der eine Reflektor (11, 13) die Strahlung der einen linearen Polarisation und der andere Reflektor (12, 14) die Strahlung der zweiten linearen Polarisation durchläßt, und daß die beiden phasengesteuerten Antennen (9, 10) v/mkelmäßig so zueinander angeordnet sind, daß die Firstlinien ihrer dachförmigen Reflektoren (11, 12 bzw. 13, 14) oder die Verlängerungen dieser Firstlinien einen rechten Winkel einschließen.

2. Phasengesteuertes Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflektoren (11, 12, 13, 14} jedes der beiden Reflektordächer zusammenklappbar ausgebildet sind.

3. Phasengesteuertes Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ebenen phasengesteuerten Antennen zu einer einzigen derartigen Antenne _X5) zusammengefaßt sind und daß sich die ReF.ek'.ordächer (1,2; 3,4) der beiden zusammengefaßten Ant·· inen durchschneiden.

4. Phasengesteuertes Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisationsumschaltung bei den beiden ebenen phasengesteuerten Antennen (9, 10) vorgesehen ist, derart, daß die Abstrahlung der beiden zueinander orthogonalen Polarisationen zeitlich nacheinander erfolgt.

5. Phasengesteuertes Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abstrahlung der zwei zueinander orthogonalen Polarisationen Kreuzdipole oder Kreuzschlitzstrahler (6) in den ebenen phasengesteuerten Antennen als Einzelstrahler vorgesehen sind.

6. Phasengesteuertes Antennensystem nach Anspruch 4 und 5 unter Verwendung der Strahlungsspeisung bei den phasengesteuerten Antennen, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsumschaltung beim Primärerreger vorgenommen wird.

7. Phasengesteuertes Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eine polarisationssensitive Reflektor (11) eines jeden Reflektordaches aus gespannten Drähten (15) oder aus in einer Kunststofffläche eingelagerten Drähten bestehen, die parallel zliffi einen Polarisationsvektor verlaufen, und daß der jeweils andere polarisationssensitive Reflektor (12) aus gespannten Drähten (15) bzw. aus in einer Kunststofffläche eingelagerten Drähten zusammengesetzt ist, die parallel zum anderen Polarisationsvektor verlaufen.

Die Erfindung betrifft ein phasengesteuertes Antennensystem zur Weitwinkelabtastung unter Verwendung einer Vielzahl von über elektronisch gesteuerte Phasenschieber gespeisten Einzelstrahlern.
Eine Rundumüberdeckung durch eine einzige ebene phasengesteuerte Antenne ist nur möglich, wenn diese gleichzeitig in der Horizontalebene mechanisch gedreht wird. Ist die mechanische Drehbewegung auf Gr<nd der Systemspezifikationen nicht zulässig, so sind mehrere

ίο ebene phasengesteuerte Antennen erforderlich, die je einen bestimmten Raumsektor ausleuchten. Die F i g. 1 bis 3 zeigen mögliche räumliche Zuordnungen von phasengesteuerten Antennen zur kontinuierlichen Abtastung des oberen Halbraumes. Bei einer Ausleuchtung äes oberen Halbraumes durch drei Antennenaperturen entsprechend F i g. 1 beträgt der maximale Auslenkwinkel 63°. Bei Auslenkwinkeln in dieser Größenordnung ist jedoch die Verzerrung der Strahlungscharakteristik insbesondere für die Radaranwendung bereits unzulässig hoch. Durch die starke Anhebung des Nebenzipfelpegels ist eine Hauptkeule in der Regel nicht mehr zu erkennen. Ebenso ist eine eindeutige Differenzcharakteristik für Monopulspeilung nicht mehr feststellbar.
Wird wie in F i g. 2 dargestellt ist, der obere Halbraum

is mit vier Antennenaperturen ausgeleuchtet, so beträgt der maximale Ausler-kwinkel des Antennenstrahls 55°. Bei Verwendung von fünf Antennenaperturen, wie in F i g. 3, beläuft sich der maximale Auslenkwinkel auf 47°. Mit abnehmendem Schwenkvolumen nehmen auch die Verzerrungen der Strahlungscharakteristik ab. Bei ca. ±45° bis ±50° wird im allgemeinen die Grenze einer sinnvollen Strahlauslenkung einer ebenen Antennenapertur erreicht, d. h., vier bzw. fünf identische, elektronisch gesteuerte Antennensysteme sind mindestens erforderlich, wenn der obere Zenitbereich ebenfalls erfaßt werden soll. Ein Antennenkonzept dieser Art hat zwar eine äußerst hohe Systemflexibilität, jedoch ist der technische Aufwand und daher auch der Preis infolge der Notwendigkeit von mehreren vollständig ausgerüsteten Antennensystemen für die praktische Realisierung zu hoch.

Beim Versuch, diese Systemkomplexität zu umgehen, sind zylindrische und sphärische Antennen erprobt worden, die jedoch nicht geeignet sind, da das erforderliche Erregersystem einschließlich der Amplituden- und Phasensteuerung für große Antennenaperturen ebenfalls äußerst aufwendig ist.

Eine andere bekannte Lösung ist die WASCAL-(Wide Angle Scanning Array Lens) oder DOME-Antenne nach der DT-OS 22 62 495. Eine dielektrische Haube über einer ebenen phasengesteuerten Antenne ist dabei so ausgebildet, daß der ausgelenkte Strahl nach Durchlaufen des angestrahlten Bereichs der dielektrischen Haube noch weiter ausgelenkt wird. Auf diese Weise sind Auslenkwinkel über ±50° hinaus möglich. Ebenso ist grundsätzlich — wenn man man von der Polarisationsdrehung absieht — eine echte Rundum-Abtastung realisierbar. Im Gegensatz zur ebenen Strahlergruppe ist auch die Gewinnvariation bei einer Stfähläüslenküng in der Elevationsebene vefhältnismä' Big gering (ca. 1 dB für 0<#<90^D). Bei einer ebenen Strahlergruppe beträgt sie bereits 3 dB bei ^ = ± 60° (# ist der Winkel von der Normalen der Antennenapertur). Bei einer weiteren Strahlauslenkung vergrößert sich die Gewinnminderung rasch.

Für die geringe Gewinn- und damit auch Nebenzipfelpegelvariation der DOME-Antenne muß jedoch in Kauf genommen werden, daß der errechnete Gewinn der