DE2822845A1

DE2822845A1 - Gruppenantenne mit elektronisch gesteuerter strahlschwenkung

Info

Publication number: DE2822845A1
Application number: DE19782822845
Authority: DE
Inventors: Irmin Dipl Ing Groeger; Wulf-Dieter Dr Ing Wirth
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1979-11-29
Also published as: DE2822845C2

Description

Gruppenantenne Mit elektronisch gesteuerter Strahlschwen-
kung Die Erfindung bezieht sich auf eine aus einer Vielzahl von leitungsgespeistenEinzelstrahlern bestehende, räumlich aufgebaute Grupp enantennemit elektronisch gesteuerter Strahlschwenkung zur Rundum abtastung.
Gruppenantennen Mit elektronisch gesteuerter Strahlschwenkung sind insbesondere in der modernen Radartechnik für flexible Multifunktionssysteme vorgesehen. Dazu wurden zur Bildung von bleistiftfarmigenStrahlungskeulen bisher die Einzelstrahler auf einer ebenen Metallfläche angeordnet. Derartig aufgebaute Antennen können aber nur in einem Winkelbereich von etwa + 450 geschwenkt werden, so daß, wenn keine zusätzliche mechanische Schwenkung zulässig ist, zur Abdeckung des vollen Winkelbereichs vier gleichartige Antennen benötigt werden.
Bei der Anordnung der Einzelstrahler auf einem Metallzylinder, wie dies z.B. bei Satelliten-Antennen vorgesehen wurde, ist zwar durch eine entsprechende Schaltermatrix die Erzeugung einer Strahlungskeubin Jeder gewUnschten Azimut-Richtung möglich, Jedoch kommen dabei nur jeweils die der Antennenblickrichtung zugewandten Einzelstrahler zum Einsatz. Demzufolge entspricht der Gewinn einer zylinderfrmig aufgebauten Gruppenantenne nur einem kleineren Teil der an sich vorhandenen Einzelstrahler.
Von Nachteil bei planaren Gruppenantennen ist zum einen somit der eingeengte Schwenkwinkelbereich der Hauptkeule, zum anderen aber auch die Verformung der Strablungskeule durch- das elektronische Schwenken. Bei konformen Gruppenantennen, wie sie bei Flugobjekten und Satelliten beispielsweise Verwendung finden, liegt der Nachteil dagegen darin, daß für die Formung der Strahlungskeule nur ein Teil der Einzelstrahler zur Wirkung gelangt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einzelstrahleranordnung anzugeben, bei der die Strahlungscharakteristik der Gruppenantenne für alle Strahlungsrichtungen im wesentlichen erhalten bleibt und außerdem möglichst alle Einzelstrahler wirksam sind. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung, die sich auf eine Gruppenantenne der eingangs genannten Art bezieht, dadurch gelöst, daß die Einzelstrahler innerhalb des Volumens einer Kugel verteilt sind.
Unter der Voraussetzung gleichartiger Einzelstrahler ergibt sich nach der Theorie die Antennencharakteristik einer Gruppenantenne bekanntlich aus dem Produkt der Einzelstrahlercharakteristik und der Gruppencharakteristik. Die Gruppencharakteristik basiert auf der Annahme von Monopolen als Einzelstrahler. Sie berechnet sich durch die Addition aller Einzelstrahlerbeiträge unter Berücksichtigung der Laufzeitunterschiede zu der gewählten Beobachtungsrichtung, bezogen auf eine Referenzebene senkrecht zu dieser gewählten Beobachtungsrichtung. Für die Hauptabstrahlrichtung werden diese Laufzeitunterschiede durch geeignete Ansteuerung der Einzelstrahler zu Null gemacht, so daß sich in dieser Richtung die Einzelstrahlerbeiträgezuzur maximalen Leistungsdichte aufaddieren. Für die Form der bleistiftförmigen Strahlungskeule ist nicht die räumliche Anordnung, sondern im wesentlichen die Größe und Anordnung der in der Referenzebene proJizierten Einzelstrahler maßgebend.
Bei räumlichen Anordnungen entstehen ähnliche Strahlungscharakteristiken wie bei planaren Gruppenantennen. So ergibt sich beispielsweise für eine kontinuierlich mit Einzelstrahlern belegte Kugelschale eine um die HauptstrAhlrichtung rotationssymmetrische Charakteristik der Form mit r = Radius der Kugelschale, ==Wellenlänge, Q = Ablagewinkel zur Hauptstrahlrichtung.
Im Unterschied zur planaren Gruppenantenne, die aufgrund der Anordnung auf einer leitenden Metallfläche die spiegelsymmetrische zweite Hauptkeulqiusblendet, entsteht bei einer räumlichen Anordnung nur eine Hauptkeule, da der volle Raumwinkel durch den Ablagewinkel 9 aus dem Intervall 0° bis 1800 beschrieben wird.
Um die Charakteristik einer Gruppenantenne für alle Richtungen im wesentlichen gleich zu erhalten, sind nach der Erfindung im Gegensatz zu allen bisher bekannt gewordenen Anordnungen die Strahler innerhalb eines Kugelvolumens verteilt, so daß eine möglichst gleichartig proJizierte Anordnung für alle Richtungen entsteht.
Die Forderung nach einer räumlichenAnordnung, die in Jeder ProJektion gleichartig ist, läßt sich in keinem Fall ganz exakt erfüllen, so daß in zweckmäßiger Weise eine zufällige Anordnung gewählt wird, die im Mittel eine gleichartige proJizierte Anordnung und damit auch im Mittel eine gleichartige Verteilung ergibt. Bei einer solchen räumlichen Anordnung treten automatisch positive Effekte für die Formung der Strahlungscharakteristik auf. Beispielsweise bei einer räumlichen gleichmäßigen Verteilung der Einzelstrahler im Kugelvolumen ergibt sich in der ProJektion eine Häufung in der Mitte der ProJetionsebene. Dies entspricht einer üblichen Einzelstrahlerdichteverteilung bei planaren Gruppenantennen und führt zu einer Reduzierung der Nebenzipfel.
Man hat aber außerdem durch die Wahl anderer räumlicher Verteilungen der Einzelstrahler im Kugelvolumen die Möglichkeit, die Strahlungscharakteristik der Gruppenantenne zu beeinflussen. Von wesentlicher Bedeutung dabei ist aber, daß die Kugelsymmetrie der Verteilungsdichte nicht zerstört wird. Dies bedeutet, daß auf einer Kugelschale die Verteilung der Einzelstrahlerelemente stets gleichmäßig erfolgt, wogegen die Dichte von Kugelschale zu Kugelschale variiert werden kann uns sich somit die entstehende Strahlungscharakteristik in gewissen Grenzen an die Aufgabenstellung der Antenne anpassen läßt.
Mit einer in dieser Weise aufgebauten Gruppenantenne kann man den vollen Raumwinkel mit gleichartigen Hauptkeulen abdecken, wobei stets alle Einzelstrahler zum Gewinn beitragen.
Abwandlungen mit rotationssymmetrischer räumlicher Verteilung, z.B. um eine senkrechte Achse, sind möglich, wenn besondere Forderungen an die Antennenstrahlungscharakteristik gestellt werden, z.B. bei unterschiedlich gewünschter Strahlungskeulenbreite in der Azimut-und der Elevationsebene.
Die Figur zeigt den praktischen Aufbau einer räumlichen Gnppenantenne nach der Erfindung. Hierbei müssen die physikalischen Eigenschaften der Einzelstrahler berücksichtigt werden, da es keine elektromagnetischen Monopole gibt. Als Beispiel soll hier die Verwendung als Radarantenne betrachtet werden.
Auf den Strahlungsbereich um den Zenit kann dabei meistens verzichtet werden. Diese Einschränkungen erleich- tern die Auswahl eines geeigneten Einzelstrahlers. Es genügt, wenn der Einzelstrahler ein torusförmiges Strahlungsdiagramm aufweist, z.B. wie ein senkrecht stehender elektrischer oder magnetischer Dipol.
Um die Speisung der im Volumen einer Kugel 1 verteilten Einzelstrahler 2 ohne Störung des Gruppendiagramms zu realisieren, sind im vorteilhaften Ausfahrungsbeispiel der Erfindung nach der Figur senkrechte Speiseleitungen 3 mit senkrechten magnetischen Dipolen 2 kombiniert. Da der E-Vektor dieser Einzelstrahler 2 horizontal liegt, tritt keine Beeinflussung durch die senkrechten Speiseleitungen 3 ein. Die senkrechten magnetischen Dipole 2 können durch horizontale Leiterringe realisiert werden.
Alternativ können auch gekreuzte, horizontale Dipole nach Art einer "turastilen-Antenne, d.h. mit 900 Phasendrehung gespeist, verwendet werden. Die Einzelstrahler 2 sind nicht auf einer Metallfläche angeordnet und werden daher in zweckmäßiger Weise mit einem Material mit der relativen Dielektrizitätskonstante von Er1 in ihrer Position fixiert, wenn die Stabilität der Speiseleitungen 3 selbst nicht bereits ausreicht.
Durch eine gegenseitige Beeinflussung der Einzelstrahler ist zwar eine Verschlechterung gegenüber einer idealen Wirkung ohne Beeinflussung möglich, was sich durch eine gewisse Verminderung des Antennengewinnes ausdrückt.
Da sich andererseits aber nach der Erfindung im Vergleich zu planaren Gruppenantennen eine bestimmte Einzelstrahlerzahl auf ein Volumen verteilt, vergrößern sich die Einzelstrahlerabstände erheblich. Beispielsweise beträgt bei einem Kugelradius von 50 Wellenlängen und 2000 Einzelstrahlern der mittlere Abstand zwischen benachbarten Einzelstrahlern etwa 3 bis 4 Wellenlängen. Bei einer zufälligen Verteilung kann sich praktisch auch kein systematischer Fehler, welcher z.B. zu einem blinden Winkel" fuhren könnte, einstellen.
Die zwar prinzipiell etwas umfangreicher als bei linearen oder planaren Gruppenantennen ausgebildete Phasenansteuerung der Einzelstrahler der Gruppenantenne nach der Erfindung ist entsprechend der räumlichen Verteilung der Einzelstrahler zu konzipieren, läßt sich mit der heutigen Digital-Technik Jedoch mit relativ geringem Aufwand realisieren.
Durch die Erfindung lassen sich somit die erwähnten Einschränkungen bezüglich des Schwenkbereichs bzw. des Gewinns bei vorgegebener Einzelstrahlerzahl vermeiden. Durch die räumliche Verteilung der Einzelstrahler in einem Kugelvolumen sind diese über den Schwenkbereich von 3600 bei der Diagrammbildung beteiligt, so daß eine gleichmäßig schmale Bleistiftkeule mit einem Gewinn, gegeben durch die Einzelstrahlerzahl, für alle Richtungen verfügbar ist. Diese Eigenschaften entsprechen den Anforderungen an die meisten Radarsysteme im zivilen und militärischen Bereich.
11 Patentansprüche 1 Figur

Claims

PatentansrUche: 1. Aus Aus einer Vielzahl von leitungsgespeisten Einzelstrahlern bestehende, räumlich aufgebaute Gruppenantenne mit elektronisch gesteuerter Strahlschwenkung zur Rundumabtastung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Einzelstrahler (2) innerhalb des Volumens einer Kugel (1) verteilt sind.
2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Verteilung der Einzelstrahler (2) innerhalb des Kugelvolumens zufällig ist.
3. Gruppenantenne nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß innerhalb jeder Schale der Kugel (1) eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Einzelstrahler (2) vorgesehen it.
4. Gruppenantenne nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine rotationssymsetrische räumliche Verteilung der Einzelstrahler (2), z.B. um eine senkrechte Achse, vorgesehen ist.
5. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden AnsprUche zur Verwendung als Radarantenne, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Einzelstrahler (2) jeweils ein toruföriges Strahlungsdiagramm aufweisen.
6. Gruppenantenne nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Einzelstrahler (2) senkrecht stehende elektrische oder magnetische Dipole sind.
7. Gruppenantenne nach Anspruch 6, d a d u r e h g e -k e n n z e i c h ne t , daß als Einzelstrahler (2) horizontal liegende Leiterringe vorgesehen sind, welche durch senkrecht verlaufende Speiseleitungen gespeist werden.
8. Gruppenantenne nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als Einzelstrahler (2) gekreuzte, horizontal liegende Dipole nach Art von Drehkreuz ("turnstile")-Antennen, d.h. mit 900-Phasendrehung gespeist, vorgesehen sind, welche durch senkrecht verlaufende Speiseleitungen (3) gespeist werden.
9. Gruppenantenne nach einer der vorhergehenden AnsprU-che, d a d u r c h g e k e n n z e i e h n e t , daß die Einzelstrahler (2) mittels eines NaterialRmit einer relativen Dialektrizitätskonstante g r~1 in ihrer Position fixiert sind.
10. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinzelstrahler (2) mittels ihrer Jeweiligen Speiseleitung (3) in ihrer Position gehalten werden.
11. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden AnsprU-che, d a d u r c h g e k e n n z e i e h n e t , daß die Einzelstrahler (2) einen gegenseitigen Abstand von etwa 3 bis 4 Wellenlängen aufweisen.