DE2624398C2 - Phasengesteuertes Antennensystem - Google Patents

Description

Verwendung eines zusätzlichen Reflektors vorgeschlagen (P 26 05 871.09). Dieses System besteht aus einer ebenen phasengesteuerten Antenne mit einer in Zenitrichtung weisenden Aperturnormalen, wobei diese Antenne von einem sich nach oben verjüngenden kegelstumpfförmigen Reflektor umgeben ist, der aus um 45° geneigten Paralleldrähten oder -lamellen besteht Die Polarisationsrichtung des von der Antenne abgestrahlten Feldes wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Strahlrichtung stets so eingestellt, daß sie im angestrahlten Bereich des Reflektors möglichst parallel zu den Reflektordrähten verläuft

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antennenkonzept anzugeben, das eine Strahlabtastung des oberen Halbraumes durch eine einzige ebene phasengesteuerte Antenne mit möglichst geringem Aufwand, d. h. auch ohne Polarisationseinstellung am Reflektor gestattet Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Reflektor als rotationssymmetrische konvexe Räche ausgebildet ist, deren gedachte Rotationsachse vertikal und durch das Zentrum der über dem Reflektor angeordneten Strahlergruppe verläuft Der Abtastbereich der phasengerteuerten Strahlergruppe wird dann durch die Strahlumlenkung an der konvexen Reflektorfläche wesentlich erweitert.

Soll eine Oberdeckung von 360° im Azimut erreicht werden, dann wird die Strahlergruppe in einer ebenfalls rotationssymmetrische Fläche gelegt deren gedachte Rotationsachse mit derjenigen des Reflektors identisch ist

Wird beispielsweise ein Reflektor in Form eines Rotationshyperboloids verwendet, so muß die den Primärstrahl erregende Strahlergruppe wegen der besonderen Reflektorkriimmung ein konvergierendes Strahlenbündel erzeugen, damit die am Reflektor umgelenkten Strahlen im Fernfeld fokussiert werden, d. h. eine ebene Welle bilden. In diesem Fall bewirkt eine Auslenkung zwischen 0° und 30° an der Strahlergruppe eine etwa dreifache Auslenkung des Strahls vom gesamten Antennensystem, beispielsweise 0° bis 90° in der Elevation.

Bei hohen Frequenzen ist das phasengesteuerte Antennensystem nach der Erfindung besonders vorteilhaft, da die gewünschte Beleuchtungsfunktion durch quasioptische Verfahren erzielt wird

Die Strahlbündelung im Fernfeld läßt sich durch vorteilhafte Weiterbildungen des Reflektors noch verbessern. An der Reflektoroberfläche sind in diesem Zusammenhang entsprechend der gewünschten Polarisation verlaufende Rillen oder kurzgeschlossene Abschnitte von Rechteck- oder Rundhohlleitern vorgesehen, deren die Phasenlage des umgelenkten Strahls beeinflussende Tiefe, d. h. die Lage der Kurzschlußebene, so bemessen ist, daß ein im Fernfeld fokussierter Strahl entsteht Der Reflektor ist dann selbst eine Strahlergruppenanordnung (sogenanntes Reflectarray), deren jeweilige Strahlrichtung ganz und deren Fokussierung zum Teil von der Primärstrahlergruppe elektronisch gesteuert werden. Diese Weiterbildung ermöglicht eine wirkungsvollere Verteilung der Energie auf dem Reflektor, was bei gleichbleibender Strahlergruppe ein schärfer gebündeltes Fernfelddiagramm ergibt Dieser Effekt kann allerdings wegen der Forderung der Rundumabtastung (rotationssymmetrischer Reflektor) nur in der Elevationsebene erzielt werden.

In den kurzgeschlossenen Hohlleiterabschnitten des Reflektors ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung jeweils eine PIN-Diode mit solchem Abstand von der Kurzschlußebene angebracht, daß nicht nur in der Elevationsebene aufgrund der Bemessung der Hohlleitertiefe, sondern auch in der Azimutebene eine

S stärkere Bündelung im Fernfeld aufgrund des PIN-Di-

odenkurzschlusses vorliegt Dies ergibt eine zusätzliche elektronische Steuerung der Reflektorgruppe durch die in den Hohlleitern untergebrachten PIN-Dioden.

Mit dem phasengesteuerten Antennensystem lassen

ίο sich unter anderem Differenzdiagramme für Peilaufgaben erzeugen und eine Mehrstrahlanregung, beispielsweise für die Übertragung auf einen weiten Winkelbereich, durchführen.
Die Erfindung wird anhand von sieben Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den Prinzipaufbau eines phasengesteuerten Antennensystems mit Konvexreflektor in einer perspektivischen Darstellung,

Fig.2 den prinzipiellen Strahlenverlauf bei einem

ίο phasengesteuerten Antennensystem -ach der Erfindung unter Verwendung eines HypcrboloidrePektors,

F i g. 3 und 4 in Schrägansicht Ausführungsbeispiele einer phasenkorrigierten Reflektorfläche,

F i g. 5 den prinzipiellen Aufbau und Strahlenverlauf

eines phasengesteuerten Antennensystems, bei dem die Bündelung in der Elevation durch einen entsprechend F i g. 3 modifizierten Reflektor verbessert ist

F i g. 6 den Aufbau und Strahlverlauf einer Rundsuchantenne für Radarzwecke zur Abstrahlung eines

Kosekans-Quadrat-Strahlungsdiagramms,

Fig.7 im Schnittbild einen Hohlleilerabschnitt des Reflektors mit zusätzlicher Phasensteuerung durch eine eingebaute PIN-Diode.
F i g. 1 zeigt, daß der Abtastbereich einer phasengesteuerten Antenne 1 durch eine Strahlumlenkung auf einer großen, konvexen Reflektorfläche 2 wesentlich erweitert werden kann. Eine von der phasengesteuerten Antenne 1 ausgehende Phasenfront 3 überdeckt eine Fläche 4 auf dem Reflektor 2, von welcher sie nach den Reflexionsgesetzen in die Strahlrichtung 5 umgelenkt wird.

Fig.2 zeigt von der Seite ein phasengesteuertes Antennensystem nach der Erfindung, mit dem sich eine Überdeckung von 360° im Azimut und damit des oberen Halbraumes erreichen läßt. Hierbei ist die aus einer Vielzahl von Einzelstrahlen bestehende elektronisch phasengesteuerte Strahlergruppe 1 genauso wie der Reflektor 2 rotationssymmetrisch ausgebildet Die gedachten Rotationsachsen der Strahlergruppe 1 und des Reflektors 2 sind vertikal und identisch. Der Reflektor 2 ist als Hyperboloid ausgebildet und weist eine glatte Oberfläche auf. Die Strahlergruppe 1 erzeugt ein konvergierendes Strahlenbündel 6, damit aufgrund der Reflektorkrümmung nach der Reflexion am Reflektor 2 ein paralleles Strahlenbündel 7 entsteht, was bedeutet, daß die ausgehenden Strahlen im Fernfeld fokussiert sind. Zur Abstrahlung eines parallelen Strahlenbündel* 8 mit dem Elevationswinkel von 0° ist ein konvergierendes Strahlenbündel 9 der phasengesteuerten Strahlergruppe 1 erforderlich, Das jeweils von der phasengesteuerten Strahlergruppe 1 abgestrahlte Straßenbündel wird hinsichtlich seiner Fokussierung und seiner Auslenkung durch elektronisch steuerbare Phasenschieber eingestellt. Eine bestimmte Auslenkung des von der Strahlergruppe 1 ausgehenden Strahlenbündels ergibt eine etwa dreifache Auslenkung des gesamten Antennensystems hinsichtlich der Elevation, d. h. eine Auslenkung des Strahlenbündels 6 zwischen 0°

und 30° führt zu einer Auslenkung des parallelen Strahlenbündels 7 von 0° bis 90° in der Elevation. Es tritt zwar aufgrund der Lage der Strahlergruppe I in der Gegend der Zenitrichtung ein gewisser Abschattungseffekt ein, der allerdings bei manchen Radaraufgaben, z. B. bei der Tieffliegererfassung, vernachlässigt werden kann.

Kann die gewünschte Beleuchtungsfunktion durch quasioptische Verfahren erzielt werden, so ist diese Ausführung bei hohen Frequenzen besonders vorteil- |₀ haft.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in Ausschnitten zwei Ausführungsbcispicle einer phasenkorrigierten Reflektorfläche. In der Reflektoroberfläche 10 sind entsprechend der gewünschten Polarisation Rillen 11 eingebracht, deren feste Tiefe so definiert ist, daß ein im Fernfeld fokussierter Strahl entsteht. In Fig.4 besteht die Reflektoroberfläche aus kurzgeschlossenen Abschnitten aus Rechteckhohlleitern 12, deren KurzschluOebene 13 so gelegt ist, daß ebenfalls ein im Fernfeld fokussierter Strahl entsteht. Der Reflektor kann in den beiden Fällen nach Fig. 3 und 4 als eine Strahlergruppenanordnung betrachtet werden, deren .Strahlrichtung gänzlich und deren Fokussierung nur zum Teil von der den Reflektor erregenden Strahlergruppe elektronisch gesteuert werden.

F i g. 5 zeigt diesen Sachverhalt in einer anschaulichen Darstellung. Die Phasengesteuerte Strahlergruppe 1 bestrahlt den eine Vielzahl von Rillen 11 oder Hohlieiterabschnitten aufweisenden Reflektor 10 mit einem divergierenden Primärstrahlenbündel 14. Abgestrahlt wird vom Reflektor 10 ein im Fernfeld fokussiertes Strahlenbündel 15. Eine solche Ausführung ergibt eine wirkungsvollere Verteilung der Energie auf dem Reflektor 10, so daß bei gleichbleibender Strahlergruppe 1 das Fernfelddiagramm schärfer gebündelt ist. Dieser Effekt kann allerdings wegen der Forderung der Rundumabtastung, d. h. der Verwendung eines rotationssymmetrischen Reflektors, nur in der Elevationsebene erzielt werden.

!n F i g. 6 ist in einer Prinzipansicht eine Rundsuchantenne mit einem kosekans-quadrat-förmigen Diagramm in der Elevationsebene dargestellt. Der konvexe Reflektor 16 ist hinsichtlich seiner Form so ausgebildet, daß der von der Strahlergruppe 1 ankommende, im Azimut rotierende und zum Reflektor 16 hin divergierende Strahl 17 nach der Reflexion die bekannte Kosekans-Quadrat-Strahlungscharakterstik aufweist.

Fig. 7 zeigt eine zusätzliche Phasenkorrektormöglichkeit innterhalb eines geschnitten dargestellter Hohlleiterabschnitts 12, durch den sich, wie bereits irr Zusammenhang mit F i g. 4 gezeigt, eine Phasenkorrektur in der Elevationsebene aufgrund der jeweiligen Tiefe der Kurzschlußebene 13 erzielen läßt. Eine verbesserte Azimutbündelung wird durch Einschalten einer PIN Diode 18 in die Hohlleiterabschnitte 12 erreicht. E; ergibt sicii dann eine zusätzliche Kurzschlußebene ir der Höhe der PIN-Diode 17, welche für die Phasen steuerung in der Azimutebene zuständig ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 Die Erfindung bezieht sich auf ein phasengesteuertes Patentansprüche: Antennensystem zur Strahlabtastung des oberen Halb raumes unter Verwendung einer Strahlergruppe, die aus

1. Phasengesteuertes Antennensystem zur Strahl- einer Vielzahl von Einzelstrahlern besteht, weiche über abtastung des oberen Halbraumes unter Verwen- s elektronisch gesteuerte Phasenschieber gespeist werdung einer Strahlergruppe, die aus einer Vielzahl den, und unter Verwendung eines von dieser Strahlervon Einzelstrahlern besteht, welche über elektro- gruppe angestrahlten Reflektors.

nisch gesteuerte Phasenschieber gespeist werden. Eine Rundumüberdeckung durch eine einzige ebene

und unter Verwendung eines von dieser Strahler- phasengesteuerte Antenne ist nur möglich, wenn diese

gruppe angestrahlten Reflektors, dadurch ge- ίο gleichzeitig in der Horizontalebene mechanisch gedreht

kennzeichnet, daß der Reflektor (2) als wird Ist die mechanische Drehbewegung aufgrund der

rotationssymmetrische konvexe Fläche ausgebildet Systemspezifikationen nicht zulässig, so sind mehrere

ist, deren gedachte Rotationsachse vertikal und ebene elektronisch phasengesteuerte Antennen erfor-

durch das Zentrum der über dem Reflektor (2) derlich, die je einen bestimmten Raumsektor ausleuch-

angeordneten Strahlergruppe (1) verläuft 15 ten. Ein Antennenkonzept dieser Art hat zwar eine

2. Phasengesteuertes Antennensystem nach An- äußerst hohe Systemflexibilität, jedoch ist der Aufwand spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler- in Folge der Notwendigkeit von mehreren vollständig gruppe (1) in einer ebenfalls rotationssymmetrischen ausgerüsteten Antennensystemen für die praktische Fläche liegt, deren gedachte Rotationsachse mit Realisierung zu hoch.

derjenigen «des Reflektors (2) identisch ist 20 Eine andere bekannte Lösung zur Abtastung eines

3. Phasengesteuertes Antennensystem nach An- Weitwinkeibereiches ist die sogenannte Dome-Antenne spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die nach der DT-OS 22 62 495. Eine dielektrische Haube Fläche des Reflektors (2) die Form eines Rotations- über einer ebenen phasengesteuerten Antenne ist dabei hyperboloids aufweist so ausgebildet, daß der ausgelenkte Strahl nach

4. Phasengesteuertes Antennensystem nach An- 25 Durchlaufen des angestrahlten Bereichs der dielektrispruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler- sehen Haube noch weiter ausgelenkt wird. Auf diese gruppe (1) ein konvergierendes Strahlenbündel (9) Weise sind Auslenkwinkel über ±50° hinaus möglich, erzeugt derart daß die am hyperbolischen Reflektor Bei dieser bekannten Antenne ergeben sich zwar (2) umgelenkten Strahlen (8) im Fernfeld fokussiert verhältnismäßig geringe Gewinn- und damit auch sind. 30 Nebenzipfelpegelvariationen-.esmußaberdafürinKauf

5. Phasengi.steuertes Antennensystem nach An- genommen werden, daß der errechnete Gewinn der spruch 1 oder 2, dadurch geh-jinzeichnet daß die Dome-Antenne etwa 5 dB niedriger im Vergleich zum Form des rotationssynvnetrischen Reflektors (16) Gewinn des nichtausgelenkten Strahlungsdiagramms und der Längsverlauf des von der Strahlergruppe (1) der ebenen Apertur liegt. Bei einem Auslenkwinkel von erzeugten Strahlenbündels (17) so aufeinander 35 ± 70°, ausgehend von der Normalen der Antennenaperabgestimmt sind, daß im Fernfeld in der Elevations- tür, haben beide Antennentypen etwa den gleichen ebene bei der Abtastung ein cosec²-Diagramm Gewinn. Bei einem Auslenkwinkel von ±45° beträgt entsteht der Gewinnunterschied zwischen der Dome- und der

6. Phasengesteuertes Antennensystem nach einem ebenen Antenne noch ungefähr jJB. Bei gleicher der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- 40 Zielentdeckungswahrscheinlichkeit ist somit die maxizeichnet, daß im Reflektor (10) Rillen (11) vorgese- male Reichweite des Dome-Radars auf 70% reduziert hen sind, deren Richtung so gewählt ist daß dL bzw. bei unveränderter Reichweite ist die vierfache Reflexion polarisationsmäßig nicht gestört ist und Leistung abzustrahlen. Die Erzeugung von Hochfrederen die Phasenlage des umgelenkten Strahles quenzleistung ist mit zunehmendem Leistungspegel und beeinflussende Teile so bemessen ist daß ein im 45 wachsender Frequenz ebenfalls sehr aufwendig und Fernfeld fokussierter Strahl entsteht damit kostenträchtig. Der Aufwand steigt bei vierfacher

7. Phasengesteuertes Antennensystem nach einem Sendeleistung ungefähr um das zweifache, vorausgeder Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß setzt, daß dabei keine wesentlichen technologischen der Reflektor aus kurzgeschlossenen Abschnitten Grenzen zu überwinden sind. Eine andere Möglichkeit, von Hohlleitern (12) besteht deren Querschnitt und 50 bei unveränderter Sendeleistung die gleiche Entdek-Richtung so gewählt sind, daß die Reflexion kungswahrscheinlichkeit in gleicher Zielentfernung zu polarisationsmäßig nicht gestört ist und deren die ei halten, besteht darin, den Radarstrahl der Dome-An-Phasenlage des umgelenkten Strahls beeinflussende tenne länger auf das Ziel zu richten. Dadurch wird Kurzschlußebene (13), d.h. die Tiefe, so bemessen ist jedoch der wesentliche Vorteil der elektronisch daß ein im Fernfeld fokussierter Strahl entsteht 5s phasengesteuerten Antenne, nämlich die beliebig

8. Phasengesteuertes Antennensystem nach An- schnelle Zielabtastung, wieder abgebaut. Die Dome-Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß in den tenne ist demnach ein Lösungsweg, der nicht sämtliche kurzgeschlossenen Hohlleiterabschnitten (12) je- Forderungen an eine phasengesteuerte Radarantenne weils eine PIN-Diode (18) mit solchem Abstand vor befriedigt

der Kurzschlußebene (13) angebracht ist, daß nicht 60 Beim Versuch, die Systemkomplexität mehrerer nur in der Elevationsebene aufgrund der Bemessung zusammenwirkender ebener phasengesteuerter Antender Hohlleitertiefe, sondern auch in der Azimutebe- nen zu umgehen, sind zylindrische, konische und ne eine stärkere Bündelung im Fernfeld aufgrund sphärische Antennen erprobt worden, die jedoch nicht der Lage des jeweiligen PIN-Dioden-Kurzschlusses geeignet sind, da das erforderliche Erregersystem vorliegt 65 einschließlich der Amplituden- und Phasensteuerung für

große Antennenaperturen äußerst aufwendig ist.

Es ist bereits ein elektronisch phasengesteuertes

Antennensystem mil Rundum-Strahlabtastung unter