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Strahlungsgespeiste phasengesteuerte Strahlergruppe
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Die Erfindung bezieht sich auf eine strahlungsgespeiste phasengesteuerte
Strahlergruppe unter Verwendung eines Primärspeisesystems und einer Vielzahl von
Einzelstrahlern, welche aus die Strahlung des Primärspeisesystems auffangenden Kollektorstrahlerelementen
und in den Raum abstrahlenden Emitterstrahlerelementen zusammengesetzt sind, wobei
sich zwischen den Kollektor- und Emitterstrahlerelementen elektronisch steuerbare
Phasenschieber befinden.
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Derartige Antennensysteme sind allgemein bekannt, wobei allerdings
die Strahlergruppe in einer Ebene liegt. Bei einer ebenen phasengesteuerten Antenne
ist der Raumwinkel der elektronischen Strahlabtastung auf maximal # 500 begrenzt.
Vor allem in der Radartechnik besteht aber eine echte Notwendigkeit, die Möglichkeit
einer hohen Datenrate und veränderbaren Abtaststrategie einer ebenen phasengesteuerten
Antenne auch auf ein Rundsichtradar zu übertragen. Bei einem größeren Auslenkwinkel
wird jedoch die Strahlungscharakteristik unzulässig verzerrt.
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Eine Rundumüberdeckung durch eine einzige ebene phasengesteuerte Antenne
ist nur möglich, wenn diese gleichzeitig in der Horizontalebene mechanisch gedreht
wird. Ist die mechanische
Drehbewegung aufgrund der Systemspezifikationen
nicht zulässig, so sind mehrere ebene elektronisch phasengesteuerte Antennen erforderlich,
die je einen bestimmten Raumsektor ausleuchten. Ein Antennenkonzept dieser Art hat
zwar eine äußerst hohe Systemflexibilität, jedoch ist der Aufwand infolge der Notwendigkeit
von mehreren vollständig ausgerüsteten Antennensystemen für die praktische Realisierung
zu hoch.
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Eine andere bekannte Lösung zur Abtastung eines Weitwinkelbereiches
ist die sog. Dome-Antenne nach der Deutschen Offenlegungsschrift 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.
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Auf diese Weise sind Auslenkwinkel über t 500 hinaus möglich.
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Bei dieser bekannten Antenne ergeben sich zwar verhältnismässig geringe
Gewinn- und damit auch Nebenzipfelpegelvariationen; es muß aber dafür in Kauf genommen
werden, daß der errechnete Gewinn der Dome-Antenne ca. 5 dB niedriger im Vergleich
zum Gewinn des nicht ausgelenkten Strahlungsdiagramms der ebenen Apertur liegt.
Bei einem Auslenkwinkel von # 70°, ausgehend von der Normalen der Antennenapertur,
haben beide Antennentypen etwa den gleichen Gewinn. Bei einem Auslenkwinkel von
t 450 beträgt der Gewinnunterschied zwischen der Dome- und der ebenen Antenne noch
ungefähr 3 dB. Bei gleicher Zielwahrscheinlichkeit 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.
Eine andere Möglichkeit, bei unveränderter Sendeleistung die gleiche Entdeckungswahrscheinlichkeit
in gleicher Zielentfernung zu erhalten, besteht darin, den Radarstrahl der Dome-Antenne
länger auf das Ziel zu richten. Dadurch wird jedoch der wesentliche Vorteil der
elektronisch phasengesteuerten Antenne nämlich die beliebig schnelle Ziel-
abtastung,
wieder abgebaut. Die Dome-Antenne ist demnach ein Lösungsweg, der nicht sämtliche
Forderungen an eine phasengesteuerte Radarantenne befriedigt.
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Beim Versuch, die Systemkomplexität mehrer zusammenwirkender ebener
phasengesteuerter Antennen zu umgehen, sind leitungsgespeiste zylindrische, konische
und sphärische Antennen erprobt worden, die jedoch nicht besonders geeignet sind,
da das erforderliche Leitungsnetzwerkerregersystem einschließlich der Amplituden-
und Phasensteuerung für große Antennenaperturen äußerst aufwendig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antennenkonzept anzugeben, das eine
Rundumstrahlbewegung bei gleichzeitiger Strahlbewegung in einem möglichst großen
Winkelbereich in der Elevationsebene durch eine strahlungsgespeiste, elektronisch
phasengesteuerte Strahlergruppe mit möglichst geringem Aufwand gestattet. Gemäß
der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gesamtheit der Einzelstrahler
in der geometrischen Oberflächenwand eines sich nach oben verJüngenden Kegelstumpfes
verteilt liegt, wobei die Emitterstrahlerelemente nach außen und die Kollektorstrahlerelemente
ins Innere des Kegelstumpfes gerichtet sind, und daß das Primärspeisesystem aus
mehreren, eine Gruppe bildenden und getrennt einschaltbaren Einzelprimärstrahlern
zusammengesetzt ist, welche im Inneren des Kegelstumpfes kreisförmig um dessen Achse
angeordnet sind und jeweils einen definierten Sektor der von den Kollektorstrahlerelementen
eingenommenen Fläche ausleuchten.
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Eine elektronisch gesteuerte Rundumstrahlbewegung ergibt sich, wenn
die verschiedenen Einzelprimärstrahler, z.B. Hornstrahler, rundum nacheinander aktiviert
werden. Grundsätzlich können zur besseren Ausnützung des Systems zwei gegenüberliegende
Sektoren gleichzeitig wirksam sein.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in zwei Figuren dargestellten
AusfUhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 in einer
teilweise aufgeschnittenen Schrägansicht eine strahlungsgespeiste phasengesteuerte
Antenne für Rundumstrahlbewegung nach der Erfindung, und Fig. 2 eine Prinzipdarstellung
dieser phasengesteuerten Antenne zur Erzielung der Rundstrahlbewegung (Querschnittsebene
von Fig. 1).
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Kreisförmig um eine Achse 1 angeordnete Hornstrahler 2 leuchten nacheinander
jeden der den einzelnen Hornstrahler 2 zugeordneten Ausschnitte eines inneren kegelstumpfförmigen
Kreiszylinders 3 aus. In Fig. 2 ist der Strahl eines Hornstrahlers 2 durch eine
Keule 4 angedeutet. Der kegelstumpfförmige Kreiszylinder 3 ist mit als Kollektor
wirkenden Strahlerelementen 5 bestückt. Entsprechend der durch den jeweiligen Primärerreger,
d.h. den jeweiligen Hornstrahler 2, definierten Aperturbelegung wird von den Kollektorstrahlerelementen
5 des angestrahlten Sektors Energie aufgenommen und diese nach Durchlaufen von nachgeschalteten
Phasenschiebern 6 von auf einem äußeren kegelstumpfförmigen Kreiszylinder 7 angeordneten
und als Emitter wirkenden Strahlerelementen 8 wieder abgestrahlt. Die Phasenschieber
6 dienen zur Strahlfokussierung und -auslenkung eines Antennenstrahls 9 innerhalb
eines Raumwinkelsektors.
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Die beiden Kegelstumpfflächen 3 und 7 verjüngen sich nach oben hin.
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Die kegelstumpfförmige Anordnung ist vorteilhaft für eine Strahlabtastung
des oberen Halbraumes mit möglichst geringer Verzerrung der Strahlungscharakteristik.
Dabei wird der Kegelöffnungswinkel zweckmäßig so gewählt, daß eine möglichst symmetrische
Auslenkung in der Elevationsebene gewährleistet ist.
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Durch die Bedingung einer möglichst geringen Verzerrung der Strahlungscharakteristik
im oberen Halbraum ist auch die Größe des aktiven Sektors bestimmt. Bei einem aktiven
Sektor von 900 ist der maximale Auslenkwinkel t 55°. Bei einer Sektorgröße
von
600 beträgt der maximale Auslenkwinkel # 490 und bei einer Sektorgröße von 450 dagegen
nur + 47°. Die Verzerrungen der Strahlungscharakteristik bei der Strahlauslenkung
werden um so geringer, je kleiner der aktive Sektor gewählt wird. Mit kleiner werdendem
aktiven Sektor vermindert sich aber auch der Gewinn der Antenne, so daß hierbei
ein Kompromiß zu schließen ist. Infolge der kegelstumpfförmigen Apertur bedingt
eine Verdopplung der Sektorgröße allerdings nicht eine gleich große Gewinnerhöhung.
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Die Größe des aktiven Sektors bestimmt die Anzahl der erforderlichen
Primärerreger 2. Bei einem 450-Sektor sind acht Primärerreger 2 notwendig, die bei
einer Rundumstrahlbewegung nacheinander erregt werden. Die Umschaltung wird durch
eine Schalteranordnung 10, insbesondere schnelle Mikrowellendiodenschalter, vorgenommen
(Fig. 2).
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Werden gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zwei
gegenüberliegende Hornerreger 2 gleichzeitig aktiviert, so leuchten diese diametral
gegenüberliegende Sektoren der inneren Kegelstumpffläche 3 mit den Kollektorstrahlerelementen
5 aus. Die von den beiden entsprechenden Sektoren des äußeren Kegelstumpfes 7 mit
den Emitterstrahlerelementen 8 abgestrahlten Antennenkeulen können dann unabhängig
voneinander gesteuert werden. Zur Eliminierung einer möglichen Interferenz mit rilckwärtigen-Strahlungsanteilen
ist es vorteilhaft, die beiden sich im Kreis gegenüberliegenden Hornstrahler 2 zeitlich
um 90° versetzt zu erregen. Bei einer Ausleuchtung mit den Hornstrahlern 2 sind
die aktiven Sektoren infolge der bei Hornstrahlern physikalisch unvermeidlichen
Überstrahlung nicht klar voneinander abgegrenzt, sondern sie überlappen sich.
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Durch geeignete Steuerung der Phasenschieber 6 außerhalb des aktiven
Sektors kann die Überstrahlung auch noch zum Gewinn beitragen. Sämtliche Phasenschieber
6 können also gleichzeitig so aktiviert werden, daß das Antennensystem sowohl vom
Gewinn, der Nebenzipfelunterdritckung als auch von der Signalkapazität her einen
möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist.
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In zweckmäßiger Weise sind die Hornstrahler 2 für die Aus-
kopplung
eines Summe-Differenz-Signals konzipiert.
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Der Abstand der einzelnen Kollektorstrahlerelemente 5 gegeneinander
beträgt vorzugsweise eine halbe Wellenlänge. Bei einer kegelstumpfförmigen Antennenstruktur
nimmt bei gleichbleibendem Elementabstand die Anzahl der Einzelstrahler von Zeile
zu Zeile in Richtung zur Kegelspitze ab. Diese Störung der bei ebenen Gruppen üblichen
systematischen Gitterstrukturen kommt dem Strahlungsverhalten, insbesondere einer
niedrigen Nebenzipfelvariation bei Strahlauslenkung innerhalb eines Sektorbereichs,
zugute.
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In vorteilhafter Weise werden die jeweils zusammengehörenden Kollektorstrahlerelemente
5, Phasenschieber 6 und Emitterstrahlerelemente 8 zu Baueinheiten, d.h. Moduln,
zusammengefaßt. Die Zahl der Kollektorstrahlerelemente 5 ist dann mit der Zahl der
Emitterstrahlerelemente 8 identisch. Die dadurch bedingte Vergrößerung des Kollektorstrahlerelementabstandes
um d r/r (d = Abstand der Kollektorstrahlerelemente 5 auf der inneren Kegelstumpffläche
3, r = Radius der inneren Kegelstumpffläche 3 in einer beliebigen Ebene, ar = Abstand
der Phasenzentren der Kollektorstrahlerelemente 5 und der Emitterstrahlerelemente
8 in einer Baueinheit) ist hinsichtlich der Erzielung eines höheren Gewinns vorteilhaft,
wobei sich bezüglich der Nebenzipfel unmittelbar neben der Hauptkeule und auch für
die weiter abliegenden Nebenzipfel keine Verschlechterung ergibt.
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12 Patentansprüche 2 Figuren