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Phas enges teuerte Antennenanordnung
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Die Erfindung betrifft eine phasengesteuerte Antennenanordnung, bei
der im Sendebetrieb die Energie von einem ersten Primärspeisesystem auf eine Vielzahl
von vorzugsweise in Zeilen und Spalten in einer ersten Ebene angeordneten ersten
Strahlerelementen gelangt, dort empfangen wird, über eine Vielzahl elektronisch
einstellbarer, die Umwandlung der Primärwelle in eine ebene Welle sowie die jeweils
gewünschte Strahlablenkung herbeiführender Phasenschieber geleitet und von einer
Vielzahl von ebenfalls vorzugsweise in Zeilen und Spalten in einer zweiten Ebene
angeordneten und die gleiche Fläche wie die ersten Strahlerelemente beanspruchenden
zweiten Strahlerelementen in Form einer ebenen Welle abgestrahlt wird, bei der im
Empfangsbetrieb die Energie die Antennenanordnung in umgekehrter Richtung durchläuft,
und ein zweites Primärspeisesystem vorgesehen ist, von dem im Sendebetrieb die Energie
auf die zweiten Strahlerelemente gelangt, über die steuerbaren Phasenschieber geleitet
und von den ersten Strahlerelementen abgestrahlt wird, wobei im Empfangsbetrieb
die
Energie die Antennenanordnung in umgekehrter Richtung durchläuft und im Sendebetrieb
die Einspeisung wahlweise über das erste oder zweite Primärspeisesystem erfolgt.
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Bei derartigen Antennenanordnungen müssen zur Erzielung einer Richtwirkung
die infolge der verschiedenen Abstände der einzelnen Strahlerelemente vom Primärspeisesystem
auftretenden Laufzeitunterschiede ausgeglichen werden (Fokussierung). Die Ablenkung
der Antennenkeule erfolgt durch eine linear von den Koordinaten der Apertur abhängige
Phasenverzögerung der Ströme in den einzelnen Strahlerelementen.
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Zur Einstellung der Phase finden elektronisch veränderbare Phasenschieber
Verwendung.
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Aus dem Buch von R.C. Hansen, Nicrowave Scanning Antennas, Vol. I,Academic
Press, New York - London, 1964, S. 251, ist eine phasengesteuerte Antennenanordnung
bekannt, bei der ein Primärstrahler eine Reihe von Strahlerelementen speist.
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Jedem Strahlerelement ist ein elektronisch gesteuertes Dämpfungsglied
nachgeschaltet. Die Ausgänge der Dämpfungsglieder liegen an einer Kurzschlußplatte
an. Die vom Primärstrahler ausgesandte Welle wird von den Strahlerelementen empfangen
und nach dem Durchlaufen der Phasenschieber und der Dämpfungsglieder von der Kurzschlußplatte
reflektiert.
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Nach dem zweiten Durchlauf durch die Phasenschieber und Dämpfungsglieder
wird die Welle von den Strahlerelementen wieder nach der gleichen Seite, von der
die Welle ankam, abgestrahlt. Die Antennenanordnung wird somit im Reflexionsmode
betrieben. Die Einstellung der Phasenschieber setzt sich aus zwei Anteilen zusammen.
Der eine Anteil wird von der erforderlichen
Fokussierphase bestimmt,
der zweite Anteil ergibt sich aus dem für eine gewünschte Strahlungsrichtung erforderliche
Ablenkphase.
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Ferner ist eine phasengesteuerte Antennenanordnung bekannt, bei der
die Strahlerelemente auf beiden Seiten der Antennenapertur angeordnet sind. Die
vom Primärspeisesystem aus gegen de Primärwelle trifft dabei auf eine Wand von ersten
Strahlerelementen, die als Kollektorstrahlerelemente bezeichnet werden.
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Die ersten Strahlerelemente sind über jeweils einen Phasenschieber
mit den zweiten Strahlerelementen verbunden, die in einer Ebene auf der dem Primärspeisesystem
abgewandten Seite angeordnet sind. Bei entsprechender Wahl der Phase strahlen die
zweiten Strahlerelemente in ihrer Gesamtheit eine ebene Welle in der gewünschten
Ablenkrichtung ab. Eine solche Antennenanordnung wird im Durchstrahlungsmode betrieben.
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Alle bekannten phasengesteuerten Antennenanordnungen dieser Art weisen
jedoch die Eigenschaft auf, daß sie nur eine Strahlablenkung von 0 Grad bis etwa
1 45 Grad (maximal i 60 Grad) gegen die Normale der durch die Emitterstrahlerelemente
gebildeten Fläche zulassen. Soll dagegen jede Richtung des vollen Azimutwinkelbereiches
von 360 Grad bedient werden können, so benötigt man in der Regel den hohen Aufwand
von vier derartigen ebenen Antennenanordnungen, die zueinander um jeweils 90 Grad
versetzt angeordnet sind.
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Aus der DT-OS 24 05 520 ist eine phasengesteuerte Antennenanordnung
bekannt, bei der durch Abstrahlung auf beiden Antennenseiten im Durchstrahlungsmode
und unter Verwendung von zwei zueinander orthogonal angeordneten Antenneneinheiten
eine volle 360 Grad Bedeckung im Azimut erzielt wird. Diese bekannte Anordnung hat
jedoch den Nachteil, daß zwei Primärspeisesysteme erforderlich sind und die Strahlablenkung
in der Elevations-
richtung nach oben auf ungefähr 45 Grad begrenzt
ist. Ein für die Luftverteidigung geeignetes Radarsystem benötigt beispielsweise
einen Erfassungsbereich in Form einer Halbkugel, um sowohl sehr tieffliegende Flugzeuge
als auch Ziele aus hohen Elevationswinkeln erfassen zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine phasengesteuerte Antennenanordnung
zu schaffen, die bei einfachem mechanischen und elektrischen Aufbau mit nur einem
Primärsepeisesystem unter Beibehaltung der doppelseitigen Abstrahlung eine Auslenkung
der Antennenkeule von der Horizontalebene bis zu sehr grossen Elevationswinkeln
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nur ein die
ersten oder zweiten Strahlerelemente speisendes Primärspeisesystem vorgesehen ist,
daß die Speisung in an sich bekannter Weise durch den freien Raum mit einem Primärstrahler
oder über eine Hochfrequenzleitung erfolgt, und daß die Hauptstrahlungsrichtung
der Antennenanordnung wahlweise zwischen den ersten und zweiten Strahlerelementen
umschaltbar ist.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist aus den Unteransprüchen
ersichtlich.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß trotz
wahlweise doppelseitiger Abstrahlung nur ein Primärspeisesystem benötigt wird und
die Auslenkung der Antennenkeule von der Horizontal ebene bis zu sehr großen Elevationswinkeln
möglich ist.
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Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.Es zeigen: Figur 1 einen vertikalen Schnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer phasengesteuerten Antennenanordnung mit
nur einem Primärstrahler für wahlweise doppelseitige Abstrahlung in schematischer
Darstellung;
Figur 2 einen vertikalen Schnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel einer phasengesteuerten Antennenanordnung mit nur einem Primärstrahler
und in vertikaler Richtung angestellten Strahlerelementen; Figur 3 einen vertikalen
Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer phasengesteuerten, leitungsgespoisten
Antennenanordnung.
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In Figur 1 ist ein vertikaler Schnitt durch eine phasengesteuerte
Antennenanordnung mit nur einem Primärstrahler P schematisch dargestellt. Die einzelnen
Strahlerelemente sind auf den beiden Seiten A und B der Antennenanordnung in einer
Ebene in Form einer Matrix angeordnet. Die Strahlerelemente der ersten Zeile sind
mit A11,A12,A13...A1j,A1n bzw. bzw, B12,B13,... B1j,...,B1n, die der zweiten Zeile
mit A21,A22, AA2n ...,A2 bzw. B21,B22,B23,... B2@,.. ' usw. bezeichnet. Die vertikale
Schnittebene liegt in Höhe der Spalte j mit den Strahlerelementen A1j,A2j,...,Amj
bzw. Blj,B2j,...
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Bmj. Die Strahlerelemente A11,A12,...,Aij,...,Amn auf der einen Seite
A der Antennenanordnung sind mit den Strahlerelementen B11, B12,Bij,Bmn auf der
anderen Seite B über je einen steuerbaren Phasenschieber Ph11,Ph12,...,Phij,Phmn
und je einen Hochfrequenzumschalter Sll,Sl2,...,Sij,...Smn verbunden. Die Hochfrequenzumschalter
sind im Ausführungsbeispiel als PIN-Diodenschalter ausgebildet und weisen in schematischer
Darstellung je einen Kontakt a für Durchgang und einen Kontakt b für Kurzschluß
auf. Die Steuerung der Hochfrequenzumschalter S11,S12,...,Sij,...,Smn erfolgt über
die Steuerleitung SS während die Phasenschieber Ph11,Ph12..., Phij,...,Phmn über
die Steuerleitung SPh gesteuert werden.
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Das Primärspeisesystem P ist über eine Hochfrequenzspeiseleitung S/E
mit einem Sender bzw. Empfänger verbunden. Sind sämtliche Hochfrequenzumschalter
S11,S12,...,Sij,...Smn auf Kontakt b geschaltet, so wird die vom Primärspeisesystem
P
abgestrahlte Hochfrequenzenergie - meistens in Form einer Kugelwelle
von den Strahlerelementen A11,A12,...,Aij,...,Amn empfangen und gelangt über die
steuerbaren Phasenschieber Ph Ph12,...,Phij,...,Phmn auf die an Masse anliegenden
Kontakte b der Hochfrequenzumschalter S11,S12,...,Sij,...,Smn, wo sie reflektiert
wird. Nach nochmaligem Durchlaufen der steuerbaren Phasenschieber Ph11,Ph12,...,Phij,...,Phmn
erfolgt die Abstrahlung bei geeigneter Steuerung der Phasenschieber als ebene Welle
in einer Richtung α . Die phasengesteuerte Antennenanordnung arbeitet im Reflexionsmode.
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sind dagegen sämtliche Hochfrequenzumschalter S11,S12,...,Sij ...,Smn
auf Kontakt a geschaltet, so wird die vom Primärspeisesystem abgestrahlte Kugelwelle
von den Strahlerelementen A A12,Aij,...Amn empfangen und gelangt über die steuerbaren
Phasenschieber Ph11,Ph12,...,Phij,...Phmn und die Hochfrequenzumschalter S11,S12,...,Sij,...Smn
auf auf die zweiten Strahlerelemente B11,B12,...,Bij,...,Bmn, die bei geeigneter
Steuerung der Phasenschieber, die sich von der Steuerung bei Betrieb der Antennenanordnung
im Reflexionsmode unterscheidet, eine ebene Welle in Richtung ß abstrahlen. Die
phasengesteuerte Antennenanordnung wird in dieser Schalterstellung im Transmissionsmode
betrieben.
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Im Empfangsfall wird die phasengesteuerte Antennenanordnung in jeweils
umgekehrter Richtung durchlaufen.
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Das Primärspeisesystem P ist als Hornstrahler bzw. Multimodestrahler
ausgebildet. Als Strahlerelemente A11,A12,...,Aij, ...,Amn und B11,B12,...,Bij...,Bmn
finden einfache Diple, Faltdipole, Schlitzstrahler oder Hornstrahler Verwendung.
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Die in Figur 2 in einem vertikalen Schnitt dargestellte, phasengesteuerte
Antennenanordnung ist in gleicher Weise wie die in Figur 1 gezeigte Antennenanordnung
aufgebaut. Zusätzlich sind die Strahlerelemente A11,A12,...,Aij,.. 'Amn ll,Bl2,...,Bij,...Bmn
unter Berücksichtigung von Strahlerart und Polarisation um ungefähr gleiche Winkel
in vertikaler Richtung angestellt, wobei für den Anstellwinkel e folgende Beziehung
gilt: 0 < e i 45°. Da eine Strahlablenkung gewöhnlich nur von 0 Grad bis ungefähr
+ 45 Grad (maximal + 60 Grad) gegen die Normale der durch die emittierenden Strahlerelemente
gebildeten Fläche möglich ist, wird durch diese Maßnahme eine Elevationsbedeckung
in Richtung der Anstellung von insgesamt 45 Grad plus Anstellwinkel e erreicht.
Die Verringerung des Schwenkbereich nach der entgegengesetzten Seite zu negativen
Winkeln ist für viele Anwendungsbeispiele tragbar. So würde beispielsweise bei einem
Radarsystem für einen Panzer ein Schwenkbereich nach unten bis - 45 Grad lediglich
eine Abtastung des Erdbodens ergeben.
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Das Primärspeisesystem P ist in vertikaler Richtung versetzt vor den
in einer Ebene angeordneten ersten Strahlerelementen A11,A12,...,AiJ,...,Amn angeordnet
und zwar derart, daß seine Hauptstrahlungsrichtung ungefähr in Richtung des Anstellwinkels
verläuft und ungefähr in die Mitte der Antennenanordnung gerichtet ist.
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Figur 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine phasengesteuerte
leitungsgespeiste Antennenanordnung mit in vertikaler Richtung angestellten Strahlerelementen
A11,A12,..., Aij,...,Amn und B11,B12,...,Bij,...,Bmn. Jedes Strahlerelement A11,A12,...,ij,...,Amn
ist über je einen Hochfrequenzumschalter SA11,SA12,...,SAij,...,SAmn mit je einem
steuerbaren Phasenschieber Phl,Phl2,...,Ph.,Ph verbunden, dessen Ausgang über jeweils
einen weiteren Hochfrequenzum-
schalter SB2,SB,2,..,,SB. SBmn anliegt.
Die noch freien Umschaltkontakte der Hochfrequenzumschalter SA11,SA12,..SAij, ,SAmn
und SB11,SB12,...,SBij,...,SBmn sind jeweils auf die Umschaltkontakte d und e eines
zugeordneten dritten Hochfrequenzumschalters SL11,SL12,...,SLij,...,SLmn geschaltet,
dessen Kontaktarm mit der Hochfrequenzspeiseleitung S/E verbunden ist. Die Steuerung
der Phasenschieber Ph11,Ph12,...,Phij, ,Phmn erfolgt über die Steuerleitung SPh,
die der drei Hochfrequenzumschalter SA11,SA12,...,SAij,...,SAmn, SB11, SB12,...,SBij,...,SBmn
und SL11,SL12,...,SLij,...,SLmn über die Dreifachsteuerleitung SSS.
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Die Funktionsweise dieses leistungsgespeisten Ausführungsbeispiels
wird nun anhand eines Antennenbausteins mit den Strahlerelementes Alj und B1j beschrieben.
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Ist die Hochfrequenzspeiseleitung S/E über den dritten Hochfrequenzumschalter
SL 1j mit dem Umschaltkontakt d verbunden und ist der erste Hochfrequenzumschalter
SA1j ebenfalls auf den Umschaltkontakt d gelegt, so gelangt die eingespeiste Hochfrequenzenergie
unter der Voraussetzung, daß der zweite Hochfrequenzumschalter SBlj auf das zweite
Strahlerelement B durchgeschaltet ist, über Letzteres zur Abstrahlung. Ist dagegen
der dritte Hochfrequenzumschalter SL; auf den Umschaltkontakt e gelegt und der zweite
Hochfrequenzumschalter SBzj ebenfalls, so wird bei Durchschaltung des Hochfrequenzumschalters
SAlj die Hochfrequenzenergie über das Strahlerelement A1j abgestrahlt. Mit Hilfe
der steuerbaren Phasenschieber Ph11, Ph12,...,Phij,...,Phmn wird die Phase an den
Strahlerelementen abgesktrahlt wird.
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Bei Empfangsbetrieb wird die Hochfrequenzenergie von den Strahlerelementen
A11,A12,...,Aij,...,Amn bzw. B11,B12,..., Bij Bmn-empfangen und durchläuft die Antennenanordnung
in umgekehrter Richtung wie oben beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Antennenanordnung ist nicht auf flächenhafte
Anordnungen beschränkt, sondern kann auch als lineare Anordnung ausgebildet werden.
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Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
ergibt sich bei Radarsystemen zur Erfassung von extrem tieffliegenden Flugzeugen
und von Zielen aus hohen Elevationswinkeln, z.B. Sturzbomben. Im stationären Fall
werden im Azimut zwei zueinander orthogonal angeordnete phasengesteuerte Antennenanordnungen
gemäß der Erfindung verwendet.
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Es kann jedoch auch nur eine mechanisch umlaufende phasengesteuerte
Antenne gemäß der Erfindung zur Anwendung gelangen.
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Patentansprüche:
L e e r s e i t e